JP2019137913A - 銅合金 - Google Patents

Abstract

【課題】高い強度を有するとともに、切削性と摺動性に優れた銅合金を提供することを目的とする。【解決手段】銅合金は、ニッケルを４．０〜２０．０質量％、スズを４．０〜２０．０質量％、及び硫黄を０．１〜１．０質量％含有し、残分が銅と不可避的不純物である。【選択図】なし

Description

本発明は、摺動部材等に用いる銅合金に関する。

従来、高強度銅合金としてベリリウム銅が知られているが、ベリリウム銅はベリリウム化合物が毒性を有することやコストが高いという問題がある。これに対し、毒性が無く、時効硬化処理により強度を向上させることができる銅−ニッケル−スズ（Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ）系の銅合金が注目されている。

例えば、３．０〜２５．０質量％のニッケルと、３．０〜９．０質量％のスズと、０〜０．１０質量％のリンとを含有し、残部が銅および不可避不純物からなる銅合金が提案されている。そして、このような銅合金を使用することにより、強度と導電率をバランスよく向上させた銅合金を提供することができると記載されている（例えば、特許文献１参照）。

特許６２１０５７２号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の銅合金では、ニッケルとスズにより強度を確保することはできるものの、切削性と摺動性を十分に確保することができないという問題があった。

そこで、本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、高い強度を有するとともに、切削性と摺動性に優れた銅合金を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る銅合金は、ニッケルを４．０〜２０．０質量％、スズを４．０〜２０．０質量％、及び硫黄を０．１〜１．０質量％含有し、残分が銅と不可避的不純物であることを特徴とする。

本発明によれば、高い強度を有するとともに、優れた切削性と摺動性を両立することができる銅合金を提供することができる。

実施例１及び比較例１の銅合金のボールオンディスク試験における摩擦係数と摩擦距離との関係を示すグラフである。 実施例１の銅合金の切削屑を示す図である。 比較例１の銅合金の切削屑を示す図である。

以下、本実施形態における銅合金について説明する。

本実施形態の銅合金は、ニッケルとスズと硫黄（Ｓ）とを所定量含有し、残分が銅と不可避的不純物である銅合金である。

本実施形態の銅合金においては、強度を確保するとの観点から、ニッケルを４．０〜２０．０質量％含むことが必要である。４．０質量％未満であると材料強度が低下する。また、２０．０質量％よりも多い場合は、鋳造に適さなくなる場合がある。なお、ニッケルの含有量は４．０〜１９．０質量％が好ましく、４．０〜１６．０質量％が特に好ましい。

スズは、上記ニッケルとの相乗効果により、銅合金の強度を向上させるためのものである。本実施形態の銅合金においては、スズを４．０〜２０．０質量％含むことが必要である。４．０質量％未満であると材料強度が低下する。また、２０．０質量％よりも多い場合は、熱伝導率が低下し、高温環境下での使用に適さなくなる。なお、スズの含有量は４．０〜１８．０質量％が好ましく、４．０〜１５．５質量％が特に好ましい。

また、硫黄は、銅、鉄（Ｆｅ）等と反応して硫化物を形成する。この硫化物は、鉛やグラファイト、二硫化モリブデンと同様に固体潤滑性を有しており、摩擦係数を低下させ、なじみを良好にし、摺動状態において良好な摺動性を付与するものとなる。また、これらの硫化物があることにより、上記銅合金は切削の際に切り屑が寸断された短い切粉となるため、切削に用いる刃物に巻き付いたりするといったことが起こりにくくなり、結果として、切削性を向上させることができる。

本実施形態の銅合金においては、硫黄を０．１〜１．０質量％含むことが必要である。
硫黄が０．１質量％未満であると、上述の切削性と摺動性の効果が十分に得られない場合がある。一方で、１．０質量％を超えると鋳造に適さなくなる。なお、Ｃｕ−Ｓの金属状態図から、十分な摺動性能を発揮させるためには、０．６質量％以下であると好ましい。

即ち、本実施形態の銅合金においては、硫黄を０．１〜１．０質量％含有しているため、摺動特性を改善する固体潤滑材として、硫化物が合金中に分散して存在することになる。また、銅合金において硫化物が分散することになり、この硫化物は切削加工時においてチップブレーカとして作用するため、切削性も改善することになる。

本実施形態の銅合金においては、鉄を含有してもよい。鉄は、上述の硫黄とともに、上記銅合金の摺動性を向上させる硫化物を形成する。なお、摺動性を確保するために必要な硫化物を形成するとの観点から、鉄の含有量は０．０３質量％以上であることが好ましい。また、鉄の含有量は１．０質量％以下であることが好ましい。鉄の含有量が１．０質量％を超えると、摺動性が確保できなくなる場合があるためである。

本実施形態の銅合金においては、リン（Ｐ）を含有してもよい。リンは、その含有量に応じて銅合金溶湯を脱酸させる効果を発揮する。さらに、アトマイズ法で生成させた粉末を焼結する場合、互いに焼結する粉末の粒子同士の境界に存在する不純物が脱酸によって減少すると、焼結の際に障害が少なくなるため、焼結密度を向上させる効果が発揮される。これらの効果を十分に発揮させるには、０．０１質量％以上含有することが好ましい。一方、０．５質量％を超えると、摺動部材としての性能を阻害するおそれがあるため、好ましくない。即ち、本実施形態の銅合金においては、リンの含有量は０．０１〜０．５質量％が好ましい。

本実施形態の銅合金においては、亜鉛（Ｚｎ）を含有してもよい。亜鉛は、銅合金の強度をさらに向上させるものである。なお、亜鉛の含有量が２０．０質量％を超えると、２０質量％未満の場合に比し、強度が、若干、低下する場合がある。即ち、本実施形態の銅合金においては、亜鉛を含有させる場合、亜鉛の含有量については、特に限定されないが、優れた強度を維持するとの観点から、２０．０質量％以下（但し、０質量％を含まない）であることが好ましい。

本実施形態の銅合金は、上記の各元素と残分である銅以外に、不可避的に含まれてしまう不純物であって、上記銅合金の特性を阻害しない程度に含まれるものを含有してもよい。

この不純物は、環境に配慮してリサイクル材料を用いる場合や、上記銅合金の調製や摺動部材の鋳造において設備を共有する場合に、不可避的に含まれてしまう成分である。もちろん、物性上はこの不純物の含有量は少ないほど好ましく、不純物を含有しないことがより好ましいが、０にすることは困難である。

例えば、上記不純物として、銅合金に含まれるコバルトの量は、０．１質量％以下であることが好ましい。０．１質量％を超えると、鋳造品の品質が悪化するためである。

また、上記不純物として、銅合金に含まれるモリブデンの量は、０．１質量％以下であることが好ましく、検出限界未満であることがより好ましい。モリブデンが銅合金に硫黄と結合した二硫化モリブデンとして含まれていると、銅合金の調製時や、摺動部材の製造時、及び摺動部材の使用時に、二硫化モリブデンが酸化されて、意図せぬ硫黄分が生じてしまい、銅合金を侵すおそれがあるためである。

また、この不純物として、銅合金に含まれるシリコン（Ｓｉ）の量は、０．１質量％以下であると好ましい。

なお、この発明において規定するそれぞれの成分の質量混合比は、製造段階での原料の混合比ではなく、原料を溶融して得られた合金における成分の質量混合比である。

また、銅合金の残分は銅であり、上記の元素成分を含む合金は、一般的な銅合金の製造方法で得ることができ、この銅合金からなる摺動部材は、一般的な鋳造法により製造することができる。

本実施形態の銅合金を用いた摺動部材としては、例えば、ブッシュ、軸受、ライナー、プレートなどが挙げられる。

以下、本発明の銅合金について、具体的な実施例を挙げて説明する。なお、本発明はこれらの実施例には限定されない。

＜ボールオンディスク試験＞
表１に記載の実施例１及び比較例１の各成分を配合して、１２００℃に加熱して溶解し、鋳型を用いて銅合金を鋳造した。その後、強度を上げるために、熱処理（溶体化処理…８００℃で１時間保持、及び時効処理…３５０℃で３時間１５分保持）を行い、機械加工により、外径４４ｍｍ、内径１９ｍｍ、及び厚さ８．５ｍｍのドーナツ型のディスクを用意した。なお、摩擦面は＃80耐水ペーパー仕上げとした。

次に、作製した実施例１及び比較例１の各ディスク上に、クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）である直径６．３５ｍｍのボール（３個）を等間隔（直径３４ｍｍの円周上に１２０°間隔）で配置した。なお、ボールは、ディスクと面接触するように、先端部を平坦に研摩したものを用いた。

次に、ボールを配置した治具を試験装置の上部に設置された駆動軸に固定し、試験装置下部に位置する摩擦トルク測定機構を内蔵した回転軸にディスクを固定した。

次に、ディスクとボールを面接触させた状態で、梃子を介して、１ｋｇの重りを用いてディスクを押し上げることにより、ディスクとボールとの接触面を１．０ＭＰａの圧力で押圧しながら、０．２ｍ／ｓの摩擦速度で回転させた。

次に、実施例１及び比較例１の各ディスクにおいて、摩擦トルクの値から摩擦力を得るとともに、これを用いて摩擦係数を算出し、当該摩擦係数が０．５（焼き付きが発生し、摺動性が低下する値）になるまでの回転距離（即ち、摩擦距離［ｍ］）を測定した。以上の結果を図１に示す。

図１に示すように、ニッケルを６．３７質量％、スズを６．１４質量％、及び硫黄を０．３１質量％含有する実施例１の銅合金は、硫黄を含有しない比較例１の銅合金に比し、摩擦係数が０．５になるまでの摩擦距離が長く、摺動性に優れていることが分かる。

＜切削試験＞
上述の実施例１及び比較例１の各銅合金について、卓上旋盤（コスモ機械（株）製、商品名：ＪＬ−２００）、及び超硬の切削工具（住友電気工業（株）製、商品名：CCGT060202MN）を使用して、切削速度が３００ｒｐｍ、切込量が０．１ｍｍ、及び送り量が０．０２ｍｍ／ｒｅｖの条件で旋盤加工を行い、切削屑の形状に基づいて、切削性を判断した。なお、実施例１の銅合金の切削屑を図２に示すとともに、比較例１の銅合金の切削屑を図３に示す。

図２、図３に示すように、比較例１の銅合金の切削屑は途切れることなく連続しており、切削性に劣るが、実施例１の銅合金の切削屑は細かく分断されており、優れた切削性を有することが分かる。

＜硬度試験＞
ＪＩＳ Ｚ ２２４４（ビッカース硬さ試験−試験方法）に準拠して、上述のボールオンディスク試験において用いた実施例１及び比較例１の各ディスクの硬さを測定したところ、実施例１のディスクの硬さは３０２ＨＶ、比較例１のディスクの硬さは３１７ＨＶであった。従って、実施例１のディスクは、硫黄を含有しない従来のディスク（比較例１のディスク）と同様の高い強度を有することが分かる。

（実施例２〜１６、比較例２〜４）
まず、ニッケルの配合量、スズの配合量、硫黄の配合量、鉄の配合量、リンの配合量、及び亜鉛の配合量を適宜変化させ、残りを銅及び不可避的不純物として配合し、溶解温度を１２００℃として、金型鋳造方法によりインゴットを作製した後、実施例２〜１６、及び比較例２〜４の試料を作製し、成分を分析した。以上の結果を表２〜４に示す。

＜硬度試験＞
実施例２〜１６および比較例２〜４の各試験片において、ＪＩＳ Ｚ ２２４４（ビッカース硬さ試験−試験方法）に準拠して、所定の熱処理条件下（溶体化処理：８００℃で２時間保持、時効処理：３５０℃で４時間保持の熱処理条件下）で、硬さ（ビッカース硬度）を測定した。また、実施例２〜１６および比較例２〜４の各試験片において、当該熱処理前の硬さも測定し、以下の式（１）に基づいて、熱処理前の硬さに対する熱処理後の硬度の上昇率（時効硬化性）を算出した。

［数１］
時効硬化性［％］＝［（熱処理後の硬さ−熱処理前の硬さ）／熱処理前の硬さ］×１００ （１）

また、実施例２〜４、比較例２〜４の各試験片においては、鋳造欠陥の発生を、下記評価基準に従って、目視にて評価した。以上の結果を表２〜４に示す。
鋳造欠陥が発生しなかった：○
鋳造欠陥が発生した：×

表２に示すように、ニッケルの含有量が４．０〜２０．０質量％である実施例２〜４においては、ニッケルの含有量が４．０質量％未満である比較例２〜３に比し、熱処理前後において、優れた硬度を有するとともに、時効硬化性が高いことが分かる。

なお、比較例４においては、ニッケルの含有量が２０．０質量％よりも多いため、鋳造欠陥が発生していることが分かる。

また、表３に示すように、スズの含有量が４．０〜２０．０質量％である実施例５〜１０においては、熱処理前後において、優れた硬度を有するとともに、時効硬化性が高いことが分かる。

また、表２〜４に示すように、亜鉛の含有量が２０．０質量％以下である実施例２〜１５においては、亜鉛の含有量が２０．０質量％よりも多い実施例１６に比し、熱処理前後において、優れた硬度を有するとともに、時効硬化性が高いことが分かる。

なお、亜鉛の含有量が２０．０質量％よりも多い実施例１６においても、ニッケルを４．０〜２０．０質量％、スズを４．０〜２０．０質量％、及び硫黄を０．１〜１．０質量％含有しているため、表２における比較例２〜３に比し、優れた硬度を有するとともに、時効硬化性も高いことが分かる。

また、特に、実施例５（亜鉛を含有せず）と実施例１１（亜鉛を２．９７質量％含有）の対比、及び実施例６（亜鉛を含有せず）と実施例１２（亜鉛を３．１６質量％含有）の対比から、２０．０質量％以下の亜鉛を含有することにより、熱処理前後の硬度が顕著に向上することが分かる。

以上に説明したように、本発明は、高い摺動性と切削性が要求される摺動部材用の銅合金について、特に有用である。

Claims (3)

1. ニッケルを４．０〜２０．０質量％、スズを４．０〜２０．０質量％、及び硫黄を０．１〜１．０質量％含有し、残分が銅と不可避的不純物であることを特徴とする銅合金。
2. 鉄を０．０３〜１．０質量％、及びリンを０．０１〜０．５質量％含有することを特徴とする請求項１に記載の銅合金。
3. 亜鉛を２０．０質量％以下（０質量％を含まない）含有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の銅合金。