JP2020152980A - 軸受合金、摺動部材、内燃機関、及び自動車。 - Google Patents
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Abstract
【課題】Ｐｂフリーで、耐摩耗性及び強度をより改善した軸受合金を提供する。【解決手段】一実施形態に係る軸受合金は、５．５〜１０質量％のＳｎと、２〜７質量％のＮｉと、１〜５質量％のＢｉと、０〜０．３質量％のＡｇとを含み、残部が実質的にＡｌ及び不可避不純物からなる。【選択図】無し
Description
本発明は、軸受合金、摺動部材、内燃機関、及び自動車に関する。
特許文献１には、耐焼付き性を改善するため、Ｂｉ相中に初晶Ａｇ相を分散するＣｕ系軸受合金が記載されている。特許文献２には、Ｐｂ含有量を減少させつつ、耐焼付き性及び耐疲労性を向上させるため、Ｐｂ相及び／又はＢｉ相の周りに金属間化合物がそのＰｂ相及び／又はＢｉ相に接する組織を有するＣｕ系軸受合金が記載されている。
特許文献１に記載の軸受合金においては耐疲労性及び耐焼付き性に改善の余地があった。また、特許文献２に記載の軸受合金はＰｂを含有しており環境への悪影響が懸念されるという問題があった。
これに対し本発明は、Ｐｂフリーの材料を使用し、耐焼付き性を向上させた摺動部材及びそのための摺動部材用合金を提供する。
本発明は、５．５〜１０質量％のＳｎと、２〜７質量％のＮｉと、１〜５質量％のＢｉと、０〜０．３質量％のＡｇとを含み、残部が実質的にＣｕ及び不可避不純物からなる摺動部材用合金を提供する。
断面におけるＮｉ−Ｓｎ金属間化合物の面積率が、０．４％以上であってもよい。
断面において、面積が３０μｍ２以上であるＢｉ粒及び面積が５μｍ２以下であるＢｉ粒が併存してもよい。
前記断面において観察される全てのＢｉ粒に対する前記面積が５μｍ２以下であるＢｉ粒の数の割合が、５０％以上であってもよい。
前記断面のうち、前記面積が３０μｍ２以上であるＢｉ粒の中心から半径２５μｍの領域内において、当該領域内に存在する全てのＢｉ粒に対する前記面積が５μｍ２以下であるＢｉ粒の数の割合が、５０％以上であってもよい。
また、本発明は、上記いずれかに記載の摺動部材用合金で形成されたライニング層と、前記ライニング層の上に形成された樹脂コーティング層又は金属めっき層とを有する摺動部材を提供する。
さらに、本発明は上記の摺動部材を有する内燃機関を提供する。
さらに、本発明は上記の内燃機関を有する自動車を提供する。
本発明によれば、Ｐｂフリーの材料を使用し、耐疲労性の低下を抑制しつつ耐焼付き性を向上させた摺動部材及びそのための摺動部材用合金を提供することができる。
１．組成
図１は、一実施形態に係る摺動部材を例示する図である。ここでは、摺動部材として半割軸受を図示している。この摺動部材は、一実施形態に係る摺動部材用合金で形成された層を含む。この摺動部材用合金は、Ｃｕ系合金（銅合金）である。このＣｕ系合金は、いわゆるＣｕ−Ｓｎ−Ｎｉ−Ｂｉ−Ａｇ系の合金であり、（Ａ）Ｓｎ、（Ｂ）Ｎｉ、（Ｃ）Ｂｉ、及び（Ｄ）Ａｇを含む。なお、残部はＣｕ及び不可逆不純物からなる。不可避不純物は、例えば、Ａｌ、Ｆｅ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｂ、Ｐｂ、及びＣｒの少なくとも１種を含む。不可逆不純物は、例えば、精錬又はスクラップにおいて混入する。不可避不純物の含有量は、一例として、総量で１．０質量％以下である。
図１は、一実施形態に係る摺動部材を例示する図である。ここでは、摺動部材として半割軸受を図示している。この摺動部材は、一実施形態に係る摺動部材用合金で形成された層を含む。この摺動部材用合金は、Ｃｕ系合金（銅合金）である。このＣｕ系合金は、いわゆるＣｕ−Ｓｎ−Ｎｉ−Ｂｉ−Ａｇ系の合金であり、（Ａ）Ｓｎ、（Ｂ）Ｎｉ、（Ｃ）Ｂｉ、及び（Ｄ）Ａｇを含む。なお、残部はＣｕ及び不可逆不純物からなる。不可避不純物は、例えば、Ａｌ、Ｆｅ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｂ、Ｐｂ、及びＣｒの少なくとも１種を含む。不可逆不純物は、例えば、精錬又はスクラップにおいて混入する。不可避不純物の含有量は、一例として、総量で１．０質量％以下である。
図２は、一実施形態に係る摺動部材用合金の断面写真の一例である。なお、これらの像は、ＳＥＭ−ＥＤＸ（日本電子社製ＪＳＭ−６６１０Ａ）によって得られた５００倍の像を示す。図中の左端が二次電子像（ＳＥＩ）であり、以下、左から順に、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｂｉ、及びＡｇ元素の分布を示している。これらの図から、Ｓｎ及びＮｉはＣｕ中へ固溶しているものとＮｉ−Ｓｎの金属間化合物に相当するものに分かれていることがわかる。なお、この写真の試料の組成は以下のとおりである。これ以外の成分は含まれていないか、不可避不純物である。
各成分の含有量は以下のとおりであることが好ましい。
（Ａ）Ｓｎ：５〜１０質量％。５〜８．５質量％であることがより好ましい。
（Ｂ）Ｎｉ：２〜７質量％。３〜６質量％であることがより好ましい。
（Ｃ）Ｂｉ：１〜５質量％。２〜４．５質量％であることがより好ましい。
（Ｄ）Ａｇ：０〜０．３質量％。０．０１〜０，２質量％であることがより好ましい。
なおここで、５〜１０質量％とは５質量％以上、１０質量％以下の意味である。
（Ａ）Ｓｎ：５〜１０質量％。５〜８．５質量％であることがより好ましい。
（Ｂ）Ｎｉ：２〜７質量％。３〜６質量％であることがより好ましい。
（Ｃ）Ｂｉ：１〜５質量％。２〜４．５質量％であることがより好ましい。
（Ｄ）Ａｇ：０〜０．３質量％。０．０１〜０，２質量％であることがより好ましい。
なおここで、５〜１０質量％とは５質量％以上、１０質量％以下の意味である。
図３は、摺動部材用合金の断面組織を示す模式図である。摺動部材用合金の断面組織においては、比較的大きい（詳細には面積が３０μｍ２以上の）Ｂｉ粒と、比較的小さい（詳細には面積が５μｍ２以下の）Ｂｉ粒とが併存（又は混在）している。具体的には、観察面（縦１５０μｍ×横２５０μｍ）において観察される全Ｂｉ粒に対する、小さいＢｉ粒の数の割合は５０％以上であり、６０％以上であることが好ましい。
表２は、試料１〜３について、小さいＢｉ粒の数の割合を測定した結果を示す。測定には、後述する実験例における画像解析と同じ装置を用いた。なお試料４は比較例であり、その組成はＣｕ−４Ｓｎ−６．５Ｂｉである。
この結果からわかるように、試料１〜３はいずれも、比較例である試料４よりも小さいＢｉ粒の割合が高く、４０％以上であり、詳細には６０％以上であった。また、大きいＢｉ粒の割合は３０％以下であり、詳細には２０％以下、さらには１６％以下であった。なお、この測定におけるＢｉ粒の面積は、後述の画像解析ソフトにより算出される。
また、別の観点から、小さいＢｉ粒は大きいＢｉ粒の周辺に多く分布している。具体的には、大きいＢｉ粒の中心から半径２５μｍのエリア内において、小さいＢｉ粒が占める割合は平均して５０％以上であり、６０％以上であることが好ましい。
表３は、試料１〜４について、大きいＢｉ粒の中心から半径２５μｍのエリアにおけるＢｉ粒の数の割合を測定した結果を示す。測定には、後述する実験例における画像解析と同じ装置を用いた。観察領域には大きいＢｉ粒が複数、存在するが、その各々について半径２５μｍのエリアを設定し、エリア内のＢｉ粒を測定した上で、全ての大きいＢｉ粒について結果を平均した。
この結果からわかるように、試料１〜３はいずれも、比較例である試料４よりも小さいＢｉ粒の割合が高く、４０％以上であり、詳細には６０％以上であった。また、大きいＢｉ粒の割合は３０％以下であり、詳細には２０％以下、さらには１８％以下であった。さらに、表２の結果との対比でいうと、エリア内における中程度のＢｉ粒の数の割合は、観察領域全体における中程度のＢｉ粒の数の割合よりも少ない。逆に、エリア内における大きいＢｉ粒の数の割合は、観察領域全体における大きいＢｉ粒の数の割合よりも多い。
Ｂｉは軟質かつ自己潤滑作用のある材料である。径の大きいＢｉ粒だけでなく径の小さいＢｉ粒が分布することにより、相手軸においてＢｉ粒と接触する範囲が広がり、単に径の大きいＢｉ粒のみが存在する例と比較してより低摩擦となる。低摩擦となることで、耐焼付き性の向上、及び耐摩耗性の向上という効果が得られる。なお、Ｂｉは軟質であるため材料全体の強度を低下させるおそれがある。しかし、大きい粒状のＢｉのみが分布する例と比較すると、大きい粒状のＢｉ及び小さい粒状のＢｉが混在する方が、材料全体の強度の低下は小さい。この材料を摺動部材（例えば軸受）に用いると、耐疲労性の低減を抑制するという効果が得られる。
図４は、Ｓｎ及びＮｉが特性に与える影響を示す図である。ここでは、Ｓｎの含有量を０質量％又は４．５質量％、Ｎｉの含有量を０質量％又は７質量％とした。なお、ＳｎとＮｉ以外の組成は、Ｂｉが３質量％、Ａｇが０．０７質量％、残部がＣｕである。摩擦係数、摩耗量、腐食量、及びロックウェル硬さに関しては、Ｓｎ及びＮｉを含まない例と比較して、Ｓｎ及びＮｉの少なくともいずれか一方を含む例の方が、特性が改善する。特に、Ｓｎ及びＮｉの双方を含む例は、Ｓｎ及びＮｉのいずれか一方のみを含む例と比較してさらなる特性の改善が見られた。摩擦係数、摩耗量、腐食量、及び硬さについては、Ｎｉのみを含む例よりもＳｎのみを含む例の方が、改善効果が高かった。
２．製造方法
図５は、一実施形態に係る摺動部材用合金を用いた摺動部材の製造方法を例示するフローチャートである。ステップＳ１において、銅合金の原料粉末が準備される。この例においては、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｎ−Ｂ−Ａｇ合金粉が用いられる。なお、これに加えて、又は代えて、単体金属粉を混合したもの（混合粉）が用いられてもよい。ステップＳ２において、原料粉末が裏金上に散布される。ステップＳ３において、一次焼結が行われる。一次焼結の条件は、水素還元雰囲気中で、温度８５０℃、保持時間１０分である。一次焼結後、圧延（ステップＳ４）された後、二次焼結が行われる（ステップＳ５）。二次焼結の条件は、一次焼結と同一である。二次焼結後のワークは、帯の形状を有しており、例えばロールに巻き取られて次の工程に供される。ステップＳ６において、合金材が所望の形状に加工され、摺動部材が得られる。
図５は、一実施形態に係る摺動部材用合金を用いた摺動部材の製造方法を例示するフローチャートである。ステップＳ１において、銅合金の原料粉末が準備される。この例においては、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｎ−Ｂ−Ａｇ合金粉が用いられる。なお、これに加えて、又は代えて、単体金属粉を混合したもの（混合粉）が用いられてもよい。ステップＳ２において、原料粉末が裏金上に散布される。ステップＳ３において、一次焼結が行われる。一次焼結の条件は、水素還元雰囲気中で、温度８５０℃、保持時間１０分である。一次焼結後、圧延（ステップＳ４）された後、二次焼結が行われる（ステップＳ５）。二次焼結の条件は、一次焼結と同一である。二次焼結後のワークは、帯の形状を有しており、例えばロールに巻き取られて次の工程に供される。ステップＳ６において、合金材が所望の形状に加工され、摺動部材が得られる。
こうして得られる摺動部材は、例えば半割軸受である。この半割軸受は、例えば、自動車の内燃機関におけるいわゆる主軸受として用いられる。また、関連技術において、Ｉｎを含むＣｕ系合金が摺動部材用合金として用いられる例があるが、Ｉｎは相対的にコストが高く、コストの低減が課題となる場合があった。しかし、本実施形態に係る摺動部材用合金は、成分にＩｎを含んでいない（Ｉｎフリー）ので、Ｉｎを含む例と比較してコストを低く抑えることができる。
３．実施例
本願の発明者らは、種々の条件で摺動部材の試験片（サンプル）を作製し、これらの試験片について耐摩耗性及び摩擦係数を評価した。まず、作製した試験片に用いた合金の組成及び断面組織におけるＮｉ−Ｓｎ相（Ｎｉ−Ｓｎ金属間化合物相）の面積率は表４のとおりである。なお、断面組織におけるＮｉ−Ｓｎ相の面積率は以下の方法により計測した。まず、断面をＳＥＭ−ＥＤＸ（日本電子社製ＪＳＭ−６６１０Ａ）によって３００倍の光学倍率で撮影し、観察画像の画像データを得た。そして、この画像データを画像解析装置（ニレコ社製ＬＵＺＥＸ＿ＡＰ）に入力し、観察画像に存在する相の面積を計測した。図２の例に示すように、摺動部材用合金の断面組織において、マトリックスに対して相対的に色の薄い層がＮｉ−Ｓｎ相である。
本願の発明者らは、種々の条件で摺動部材の試験片（サンプル）を作製し、これらの試験片について耐摩耗性及び摩擦係数を評価した。まず、作製した試験片に用いた合金の組成及び断面組織におけるＮｉ−Ｓｎ相（Ｎｉ−Ｓｎ金属間化合物相）の面積率は表４のとおりである。なお、断面組織におけるＮｉ−Ｓｎ相の面積率は以下の方法により計測した。まず、断面をＳＥＭ−ＥＤＸ（日本電子社製ＪＳＭ−６６１０Ａ）によって３００倍の光学倍率で撮影し、観察画像の画像データを得た。そして、この画像データを画像解析装置（ニレコ社製ＬＵＺＥＸ＿ＡＰ）に入力し、観察画像に存在する相の面積を計測した。図２の例に示すように、摺動部材用合金の断面組織において、マトリックスに対して相対的に色の薄い層がＮｉ−Ｓｎ相である。
図６は、Ｎｉ−Ｓｎ相の面積率と摩耗深さとの関係を示す図である。摩耗試験の条件は以下のとおりである。
試験形態：ブロックオンリング
荷重： ９０Ｎ
回転数： ０．５ｍ／ｓ
時間： ３０分
油種： パラフィン油
油温： 室温
試験形態：ブロックオンリング
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時間： ３０分
油種： パラフィン油
油温： 室温
この実験結果によれば、Ｎｉ−Ｓｎ相の面積率が低いうちは摩耗量が多いが、Ｎｉ−Ｓｎ相の面積率が増えるにつれ摩耗量は減少していき、面積率が０．８％を超えたあたりから低いレベルで安定する。この結果から、断面におけるＮｉ−Ｓｎ金属間化合物の面積率は０．４％以上であることが好ましく、０．８％以上であることがさらに好ましい。
図７は、Ｎｉ−Ｓｎ相の面積率と摩擦係数との関係を示す図である。この実験結果によれば、Ｎｉ−Ｓｎ相の面積率が低いうちは摩擦係数が大きいが、Ｎｉ−Ｓｎ相の面積率が増えるにつれて摩擦係数が低減していき、面積率が１．５％あたりから低いレベルで安定する。この結果から、断面におけるＮｉ−Ｓｎ金属間化合物の面積率は０．４％以上であることが好ましく、１．５％以上であることがさらに好ましい。このように摩擦係数が低下することにより、この材料を摺動部材（例えば軸受）に用いると高負荷時の温度上昇が抑えられ耐焼付き性が向上するという効果が得られる。
Claims (8)
- ５．５〜１０質量％のＳｎと、
２〜７質量％のＮｉと、
１〜５質量％のＢｉと、
０〜０．３質量％のＡｇと
を含み、
残部が実質的にＣｕ及び不可避不純物からなる
摺動部材用合金。 - 断面におけるＮｉ−Ｓｎ金属間化合物の面積率が、０．４％以上である
請求項１に記載の摺動部材用合金。 - 断面において、面積が３０μｍ２以上であるＢｉ粒及び面積が５μｍ２以下であるＢｉ粒が併存する
請求項１又は２に記載の摺動部材用合金。 - 前記断面において観察される全てのＢｉ粒に対する前記面積が５μｍ２以下であるＢｉ粒の数の割合が、５０％以上である
請求項３に記載の摺動部材用合金。 - 前記断面のうち、前記面積が３０μｍ２以上であるＢｉ粒の中心から半径２５μｍの領域内において、当該領域内に存在する全てのＢｉ粒に対する前記面積が５μｍ２以下であるＢｉ粒の数の割合が、５０％以上である
請求項３に記載の摺動部材用合金。 - 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の摺動部材用合金で形成されたライニング層と、
前記ライニング層の上に形成された樹脂コーティング層又は金属めっき層と
を有する摺動部材。 - 請求項６に記載の摺動部材を有する内燃機関。
- 請求項７に記載の内燃機関を有する自動車。
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