JP2018141231A - 銅合金からなる摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼に対する摩擦による摩耗に対して耐久性のある摺動部材を提供する。【解決手段】本発明は、（重量％で）以下の成分：Ｎｉ ２．０から３．０％まで、Ｓｉ ０．４５から１．０％まで、Ｔｉおよび／またはＣｒ １．５％まで（このとき、Ｎｉ含有量［Ｎｉ］とＴｉ含有量［Ｔｉ］の合計は、［Ｎｉ］＋［Ｔｉ］≧０．２％である）、選択的に、Ｃｏ ０．０５から１．５％まで、選択的に、Ｍｇ、Ａｌ、Ｆｅそれぞれ０．０５から０．１％まで、選択的に、Ｐｂ ０．０１から０．１％まで、選択的に、Ｐ ０．００２から０．０１％まで、残部Ｃｕおよび不可避な不純物を含有し、Ｎｉ含有量［Ｎｉ］、Ｔｉ含有量［Ｔｉ］およびＣｒ含有量［Ｃｒ］の合計の、Ｓｉ含有量［Ｓｉ］に対する比が、４．３≦（［Ｎｉ］＋［Ｔｉ］＋［Ｃｒ］）／［Ｓｉ］≦６．５である、銅合金からなる摺動部材に関する。【選択図】なし

Description

本発明は、請求項１の前提部に記載の銅合金からなる摺動部材に関するものである。

銅合金からなる摺動部材は、例えば内燃機関において、コネクティングロッドまたはクランクシャフトのベアリングアイに使用される。摺動部材の材料に対する技術的な要求は、最新式エンジンの開発に伴って大きくなっている。それに加えて、法的規制により、材料中の鉛含有量を最小限まで削減することが求められている。同時に、摺動部材のコスト削減という圧力は増している。

公知の摺動部材用銅‐亜鉛‐合金は、ＣｕＺｎ３１Ｓｉ１である。この合金には、材料の機械加工性を改善するために、０．８重量％までの鉛が混ざっていてもよい。この合金中の銅割合が高いことにより、摺動部材が高価になる。さらに、この合金では耐摩耗性構造成分の接触領域が小さすぎるので、将来的に、最新式エンジン内にかかる負荷には耐えられない。

特許文献１から、電気および電子部品に使用するための、強度および成形性に優れた銅合金が公知である。この銅合金は、ニッケル（Ｎｉ）１．５重量％から４．５重量％および珪素（Ｓｉ）０．３重量％から１．０重量％を有する。それに加えて、場合により、スズ（Ｓｎ）０．０１重量％から１．３重量％およびマグネシウム（Ｍｇ）０．００５重量％から０．２重量％の一方または両方、亜鉛（Ｚｎ）０．０１重量％から５重量％、マンガン（Ｍｎ）０．０１重量％から０．５重量％およびクロム（Ｃｒ）０．００１重量％から０．１重量％の一方または両方、それぞれ０．０００１重量％から０．１重量％の量のＢ、Ｃ、Ｐ、Ｓ、Ｃａ、Ｖ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、ＢｉおよびＰｂからなる第１の元素群から選ばれた少なくとも１つの構成成分を合計で０．１重量％以下、それぞれ０．００１重量％から１重量％の量のＢｅ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｂ、ＴｅおよびＡｕからなる第２の元素群から選ばれた少なくとも１つの構成成分を合計で１重量％以下、を有し、第１および第２の元素群の総量は１重量%以下であり、残部は銅および不可避の不純物である。

さらに、特許文献２から、Ｎｉ：１．５重量％から３．６重量％、およびＳｉ：０．３重量％から１．０重量％を含有し、残部が銅および不可避の不純物からなる銅合金が公知である。それに加えて、この銅合金は、選択的に、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｔｉ、ＣｒおよびＺｒからなる群から選ばれた１つ以上の元素を合計０．０１重量％から３．０重量％含有してもよい。

前記銅合金は、５μｍから３０μｍの平均結晶粒径を持つ結晶粒を有する。平均結晶粒径の二倍以上の結晶粒の面積率は３％以上であり、平均結晶粒径の二倍以上の結晶粒径を有する結晶粒範囲へ立方晶系方位を有する結晶粒の面積率は５０％以上である。

さらに、特許文献３からは、電子分野に使用するための、降伏点と導電率の組み合わせを改善した銅系合金が公知である。この銅合金は、主に、Ｎｉ１．０重量％から６．０重量％、Ｃｏおよそ３．０重量％まで、Ｓｉ０．５重量％から２．０重量％、Ｍｇ０．０１重量％から０．５重量％、Ｃｒ１．０重量％まで、Ｓｎ１．０重量％まで、およびＭｎ１．０重量％までからなり、残部は銅および不純物である。この合金は、少なくともおよそ９４５ＭＰａの降伏点と、少なくともおよそ２５％ＩＡＣＳの導電率を有するように処理されている。

欧州特許出願公開第２１２８２８２号明細書 欧州特許出願公開第２４６３３９３号明細書 国際公開第２００９／０８２６９５号パンフレット

本発明の課題は、鋼に対する摩擦による摩耗に対して耐久性のある摺動部材を提供し、それに加えて、銅合金を発展させることである。

本発明は、請求項１の特徴部により記載されている。その他の従属請求項は、本発明の好適な実施態様に関するものである。

本発明は、（重量％で）以下の成分：
Ｎｉ ２．０から３．０％まで、
Ｓｉ ０．４５から１．０％まで、
Ｔｉおよび／またはＣｒ １．５％まで（このとき、Ｎｉ含有量［Ｎｉ］とＴｉ含有量［Ｔｉ］の合計は、［Ｎｉ］＋［Ｔｉ］≧０．２％である）、
選択的に、Ｃｏ ０．０５から１．５％まで、
選択的に、Ｍｇ、Ａｌ、Ｆｅそれぞれ０．０５から０．１％まで、
選択的に、Ｐｂ ０．０１から０．１％まで、
選択的に、Ｐ ０．００２から０．０１％まで、
残部Ｃｕおよび不可避な不純物
を含有し、
Ｎｉ含有量［Ｎｉ］、Ｔｉ含有量［Ｔｉ］およびＣｒ含有量［Ｃｒ］の合計の、Ｓｉ含有量［Ｓｉ］に対する比が、
４．３≦（［Ｎｉ］＋［Ｔｉ］＋［Ｃｒ］）／［Ｓｉ］≦６．５
である銅合金からなる摺動部材を包含する。

有利には、前記銅合金が、少なくとも０．２重量％のＴｉ含有量および／またはＣｒ含有量を含有している。

本発明による摺動部材の合金は硬質相を含有し、これは、合金マトリックス中に埋まっている。このような硬質相が、摩擦組み合わせにおいて実質的な接触領域を生じさせる。粒径により異なる複数の硬質相画分が形成されてもよい。

上記に示した析出物の前記少なくとも１つの画分により、形成された硬質相によって、摩擦組み合わせの面積率の約３％までの接触領域が提供される。５％までの面積率は、依然、特に有利な接触領域を生じる。これにより、摩擦係数もしくは滑り摩擦係数の実質的な減少も生じる。

選択的に投入される元素であるマグネシウム、アルミニウムおよび鉄は、さらに機械的特性もしくは腐食性の影響に対する耐性を改善する。

基本的に、前記合金中の鉛含有量は０．８重量％まであってもよい。法的規制が許すならば、前記合金に、必要な場合はチップブレーカとして鉛を０．２５重量％まで添加してもよい。有利には、鉛含有量は、最大０．１重量％である。しかし、特に有利には、合金は不可避の不純物の範囲内の鉛含有量を有する。本発明による摺動部材の機能は、鉛の不在によって損なわれることはない。

選択的に、前記摺動部材用合金に、さらにリン０．０８重量％までを添加してよい。リンは、溶融物の脱酸素に役立ち、ニッケルとともにリン化ニッケルを形成し、これが同様に耐摩耗性に貢献する。

摺動部材の特別な形態は、滑り軸受ブッシュである。滑り軸受ブッシュでは、製造方法の違いに基づき、巻きブッシュと、旋盤加工ブッシュに区別される。

巻きブッシュは、本発明による銅合金からなる帯状の半製品から、対応する寸法に合わせた帯部分を中空円筒体に成形して、その突き合わせた帯の端部同士を結合することにより製造される。有利には、帯体鋳造および平板鋳造からの材料を使用する。このとき、帯体鋳造の際の鋳造形状として、比較的薄い帯体が鋳造される。鋳造されたスラブは、前記の薄い鋳造帯体とは異なり、熱間加工される。熱間加工工程からの冷却によって、すでに、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｉ含有粒子を生成することができる。最終強度に関して冷間加工と焼鈍からなる後続の工程に影響を及ぼすように、熱間加工から迅速に冷却する。

旋盤加工ブッシュは、本発明による銅合金からなる棒状または管状の半製品から、機械加工により製造される。半製品を製造するために、ボルト状の鋳造形状が鋳造され、そこから熱間圧縮工程により、圧縮管またはロッドが圧縮成形される。それぞれの圧縮成形品から、一連の延伸工程により半製品が得られ、それから滑り軸受ブッシュが製造される。この製造法のためには、使用する合金は熱間加工性および冷間加工性が良好でなくてはならない。さらに、この合金は機械加工が可能でなくてはならない。

本発明による銅合金から作られた摺動部材の特別な利点は、市場で使用されている代替品に対して摩擦係数が小さいことである。その上、本発明による摺動部材は、良好な耐応力緩和特性と、それに関連した、例えば軸受ブッシュにおける、安定した固定作用（Setzverhalten）（H.-A. Kuhn, M. Knab, R. Koch著：Thermal Stability of Lead-free Wrought Cu-Based Alloys for Automotive Bushings, World of Metallurgy - ERZMETALL 80 (2007), 199）を示す。本発明による摺動部材の同様に高い熱伝導により、材料中の熱誘起応力が生じにくい。全体として、本発明による解決法は、高い熱伝導性、良好な固定作用についての適性、および油で潤滑する際の、特に鋼鉄製の摩擦相手部材との改善された摩擦係数を有する、耐摩耗性で延性のある材料の形をした銅合金からなる摺動部材である。全体として、前記滑り軸受の基礎になっている、硬質相の析出物を有する摩擦学的体系は、摩擦表面の汚れ粒子の埋入を許すことにより、他の好適な特性を有する。耐摩耗性析出物は、摩擦表面の接触領域をかなり増加させる。

好適には、前記比は、５．１≦（［Ｎｉ］＋［Ｔｉ］＋［Ｃｒ］）／［Ｓｉ］≦６．２であってよい。前記の範囲に含まれる元素比率では、合金マトリックス中に、硬質相の分布が生じ、摩擦組み合わせにおけるその接触領域によって、摩耗傾向が特に小さくなる。ここでは、粒子数および大きさは、特に有利な範囲にある。

本発明の有利な形態では、Ｎｉ２．３から２．７％、および／またはＳｉ０．４５から０．６５％が含有されていてもよい。元素であるニッケルと珪素のこの選択された範囲は、その他の元素であるチタンもしくはクロムとともに、粒径および分布に関し、特に適切な選択肢の１つを表す。

本発明の有利な実施態様では、析出物の画分が少なくとも１つ存在してよく、少なくとも１．０μｍの体積相当球径を有する前記析出物が、１ｍｍ^２当たり粒子５，０００から２０，０００個の密度を有する。前記析出物は、化学量論的組成を有する円形または楕円形に伸びた粒子、ならびに、化学量論的ではないＣｒ−Ｎｉ−Ｓｉ、ＴｉＳｉまたはＣｒ−Ｓｉ系の析出物であってよい。さらに、前記析出物は、化学量論的組成を有する円形または楕円形に伸びた粒子、ならびに、化学量論的ではないＴｉ−Ｎｉ−Ｓｉ系の析出物であってよい。ここで、Ｎｉ含有量は、好適には、Ｔｉ含有量と同じかそれより多くてよい。むしろ角張った、もしくは角のある外観を有する丸くない粒子が、同様に合金マトリックス中に埋め込まれていてもよい。

この形態では、本発明による摺動部材の合金は、複数の析出物集団を含有していてもよい。例えば、比較的小さい析出物を有する第１集団および少なくとも比較的大きな析出物を有する第２集団からなる。大きな析出物は、特に耐摩耗性のある接触領域として作用する。組織内におけるその体積率は、比較的少なくてよく、１から２％の間であってよい。前記第２集団の密度が小さいので、これらの間には比較的大きな空間が残る。これらの空間は、小さい析出物を有する前記第１集団により安定化する。第１集団が、前記空間のマトリックスを安定化させるので、第２集団の大きな析出物の突出が防止される。

前記析出物は、合金マトリックスに埋め込まれた硬質相であり、これは、摩擦組み合わせにおける実質的な接触領域を生じることができる。

別の好適な実施態様では、析出物の画分が少なくとも１つ存在してよく、少なくとも１．０μｍの体積相当球径を有する前記析出物が、１ｍｍ^２当たり粒子１０，０００から２０，０００個の密度を有する。好ましい滑り特性を決定する硬質相割合は、高い粒子密度により保証されている。

好適には、析出物の画分が少なくとも１つ存在してよく、少なくとも１．０μｍおよび大きくとも３．０μｍの体積相当球径を有する前記析出物が、１ｍｍ^２当たり粒子１０，０００から１８，０００個の密度を有する。ここでは、前記析出物の決定的な部分は、１．０μｍから３．０μｍの大きさの範囲にある。さらに大きい析出物は、このときむしろ散発的に現れる。

本発明の有利な形態では、前記析出物は、Ｃｒおよび／またはＴｉ含有珪化物であってよい。前記析出物は、組成（Ｃｒ、Ｎｉ）_２Ｓｉ、（Ｃｒ、Ｎｉ）_３Ｓｉ、Ｃｒ_３Ｓｉを有する円形または楕円形に伸びた粒子、ならびに、化学量論的ではないＣｒ−Ｎｉ−ＳｉまたはＣｒ−Ｓｉ系の析出物であってよい。さらに、前記析出物は、組成（Ｔｉ、Ｎｉ）_２Ｓｉ、（Ｔｉ、Ｎｉ）_３Ｓｉ、Ｔｉ_５Ｓｉ_３を有する円形または楕円形に伸びた粒子、ならびに、化学量論的ではないＴｉ−Ｎｉ−Ｓｉ系の析出物であってよい。ここで、Ｎｉ含有量は、好適には、Ｔｉ含有量と同じかそれより多くてよい。

本発明の有利な実施態様では、Ｔｉ含有量および／またはＣｒ含有量は、多くとも１．０重量％であってよい。別の好適な実施態様では、Ｔｉ含有量および／またはＣｒ含有量は、少なくとも０．４５重量％および多くとも０．９５重量％であってよい。これにより、合金マトリックス中に埋まっている硬質相において、摩擦組み合わせにおいて特に有利な接触領域が調整される。その上、これにより、良好な耐応力緩和特性と、それに関連した、材料の良好な固定作用がもたらされる。したがって、高い熱伝導性、良好な固定作用についての適性、および油で潤滑する際の改善された摩擦係数を有する、耐摩耗性で延性のある材料の形をした銅合金からなる摺動部材が提供される。

好適には、３００℃から６００℃の間の熱処理後の導電率は少なくとも２５ＭＳ／ｍであってよい。その上、有利には、最終熱処理は、４００℃から５００℃の間の温度であってよい。ここでは、熱処理は、最後の最終的な熱工程であってよい。導電率は、熱伝導率と直接関連する。前記の熱処理によって、例えば１から３時間の長さによって、最終的に合金における有利な機械特性が調整される。

本発明の有利な形態では、２０℃から３００℃の温度範囲での熱膨張率αと、室温における熱伝導率λの比が、α／λ＝０．０９から０．２０μｍ／Ｗであってよい。熱伝導率λも、２９．５ＭＳ／ｍまでの比較的高い導電率と関連している。この導電率は、Ｃｒ不含もしくはＴｉ不含の比較試料の導電率よりかなり上である。

本発明の有利な実施態様では、３００℃から６００℃の最終熱処理後の硬度は、少なくとも１５０ＨＢＷ２．５／６２．５であってよい。その上、有利には、最終熱処理は、４００℃から５００℃の間の温度であってよい。

本発明を、実施例に基づいて詳細に説明する。

様々な摺動部材用銅合金試料を精錬し、鋳造型を鋳造した。鋳物表面を削り取った後、試料の厚さｄは約２０ｍｍであった。引き続き、圧延機で８ｍｍに熱間圧延工程を行ない、その後、水を用いて急冷した。その次に、冷間圧延を用いて、２ｍｍに圧延した。３００℃から６００℃の温度で約２時間、最終的な時効処理を行なった。表１は、４５０℃で時効処理したそれぞれの試料の組成を例として示している。

表１：合金種類の組成［重量％］

試料Ｎｏ．１および４は、本発明による滑り軸受に対する適性について特に有利な性質を有している。

摺動部材、特にブッシュは、エンジン運転中、熱誘起応力もしくは変形に晒されている。このような熱誘起変形は、平均熱膨張係数αと熱伝導率λとの材料特有の比に依存する。比較的小さい熱膨張係数αと著しく高い熱伝導率λ（表２中の記載は室温ＲＴに関する）のために、特に表２に挙げられた試料１および４の低合金銅材料の軸受ブッシュでは、熱誘起変形は好適に少なく現れている。

表２：最終熱処理後の試料Ｎｏ．１および４と他の比較試料の物理特性値

例えば滑り軸受ブッシュは、大抵、それより強度が高いコネクティングロッド材料に挿入されているので、熱誘起変形が付加的な機械的応力の原因となる。したがって、熱誘起変形が少なければ、望ましくない応力緩和に対する耐性にとって有利でもある。ここから、滑り軸受、特にブッシュの、温度依存性および時間依存性の好適な固定作用も生じる。

本発明による摺動部材の耐摩耗性は、適切な実験に基づいて算出され、公知の材料からなる摺動部材の耐摩耗性と関係付けられる。摩耗試験は、特に表２に挙げられた試料１および４では、際立った始動段階を示さない。

ダイヤグラム１：摩擦係数μ（試料Ｎｏ．１および４と比較試料）

試料１および４ならびに比較合金からなる試料のダイヤグラム１に記載の摩擦係数μおよびダイヤグラム２に記載の摩耗率を、連続運転の間、摩擦計で測った。摩擦組み合わせは、合金の平らなディスクと、鋼１００Ｃｒ６からなる環状部分とからなる。この鋼は、１ｍ／秒の滑り速度で前記銅材料の板上を回転する。摩擦相手部材は、１２０℃の温度で市販のエンジンオイルで潤滑される。２時間の始動段階の後、５．５時間にわたって、６００Ｎの一定の負荷をかける。このとき、面圧は９Ｎ／ｍｍ^２である。

ダイヤグラム２：摩耗（試料Ｎｏ．１および４と比較試料）

現在すでに使用されている銅系合金材料と比べて、本発明による合金は、平均摩擦係数が低いことで優れている。試料１および４の両方とも、スズ‐ニッケル‐青銅、ならびに混合珪化物を有する実証済の鉄含有特殊真鍮よりも、摩耗が著しく少ない。

Claims (12)

1. （重量％で）以下の成分：
   Ｎｉ ２．０から３．０％まで、
   Ｓｉ ０．４５から１．０％まで、
   Ｔｉおよび／またはＣｒ １．５％まで（このとき、Ｎｉ含有量［Ｎｉ］とＴｉ含有量［Ｔｉ］の合計は、［Ｎｉ］＋［Ｔｉ］≧０．２％である）、
   選択的に、Ｃｏ ０．０５から１．５％まで、
   選択的に、Ｍｇ、Ａｌ、Ｆｅそれぞれ０．０５から０．１％まで、
   選択的に、Ｐｂ ０．０１から０．１％まで、
   選択的に、Ｐ ０．００２から０．０１％まで、
   残部Ｃｕおよび不可避な不純物
   を含有する銅合金からなる摺動部材において、
   Ｎｉ含有量［Ｎｉ］、Ｔｉ含有量［Ｔｉ］およびＣｒ含有量［Ｃｒ］の合計の、Ｓｉ含有量［Ｓｉ］に対する比が、
   ４．３≦（［Ｎｉ］＋［Ｔｉ］＋［Ｃｒ］）／［Ｓｉ］≦６．５
   であることを特徴とする、銅合金からなる摺動部材。
2. 前記比が、
   ５．１≦（［Ｎｉ］＋［Ｔｉ］＋［Ｃｒ］）／［Ｓｉ］≦６．２
   であることを特徴とする、請求項１に記載の摺動部材。
3. Ｎｉ ２．３から２．７％まで、および／または
   Ｓｉ ０．４５から０．６５％まで
   を特徴とする、請求項１または２に記載の摺動部材。
4. 析出物の画分が少なくとも１つ存在し、少なくとも１．０μｍの体積相当球径を有する前記析出物が、１ｍｍ^２当たり粒子５，０００から２０，０００個の密度を有することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の摺動部材。
5. 析出物の画分が少なくとも１つ存在し、少なくとも１．０μｍの体積相当球径を有する前記析出物が、１ｍｍ^２当たり粒子１０，０００から２０，０００個の密度を有することを特徴とする、請求項４に記載の摺動部材。
6. 析出物の画分が少なくとも１つ存在し、少なくとも１．０μｍかつ大きくとも３．０μｍの体積相当球径を有する前記析出物が、１ｍｍ^２当たり粒子１０，０００から１８，０００個の密度を有することを特徴とする、請求項５に記載の摺動部材。
7. 前記析出物が、Ｃｒ含有および／またはＴｉ含有珪化物であることを特徴とする、請求項４から６までのいずれか１項に記載の摺動部材。
8. Ｔｉ含有量および／またはＣｒ含有量が、多くとも１．０重量％であることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項に記載の摺動部材。
9. Ｔｉ含有量および／またはＣｒ含有量が、少なくとも０．４５重量％かつ多くとも０．９５重量％であることを特徴とする、請求項８に記載の摺動部材。
10. ３００℃から６００℃の間の熱処理後の導電率が、少なくとも２５ＭＳ／ｍであることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項に記載の摺動部材。
11. ２０℃から３００℃までの温度範囲の熱膨張係数αと室温における熱伝導率λの比が、
    α／λ＝０．０９から０．２０μｍ／Ｗ
    であることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の摺動部材。
12. ３００℃から６００℃の間の最終熱処理後の硬度が、少なくとも１５０ＨＢＷ２．５／６２．５であることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項に記載の摺動部材。