JP2023174518A

JP2023174518A - 銅系摺動部材

Info

Publication number: JP2023174518A
Application number: JP2023057733A
Authority: JP
Inventors: 寛隆久保田; Hirotaka Kubota
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2022-05-26
Filing date: 2023-03-31
Publication date: 2023-12-07

Abstract

【課題】耐摩耗性を向上させることのできる新たな組織を有する、Ｃｕ-Ｓｎ合金からなる軸受合金を含む摺動部材を提供すること。【解決手段】本発明の摺動部材は、Ｃｕ-Ｓｎ合金からなる軸受合金を含み、Ｃｕ-Ｓｎ合金は、Ｓｎが１．５～１０．０質量％を含み、残部がＣｕ及び不純物であり、摺動面に垂直な断面で見て、Ｃｕ-Ｓｎ合金の平均のＳｎ濃度よりも１．１倍以上のＳｎ濃度を有し、面積が５００μｍ２以上である高錫濃度領域が分散して存在し、高錫濃度領域の個数が１ｍｍ２当たり５～９３個である。【選択図】図２

Description

本発明は、広く言えば銅系摺動部材に関し、とりわけＣｕ-Ｓｎ合金を含有する軸受合金を含む摺動部材に係るものである。

Ｃｕ-Ｓｎ系合金は強度が大きく耐摩耗性に優れることから、軸受合金として広く使用されている。近年、エンジンの高出力化、エンジンの小型化による軸受面積の減少などによる軸受への負荷の増加に伴い、摺動材料の耐摩耗性の一層の向上が求められている。従来の耐摩耗性の向上を図るための対策として、例えば特許文献１や特許文献２に記載されたものがある。

特許文献１は、Ａｇ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｉｎ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｂｉ，Ｚｎ，Ｎｉ及び／又はＣｒをＣｕマトリックス中に固溶させ、これらの元素の二次相が実質的に形成されていない銅合金を開示する。Ｃｕマトリックスに固溶しているこれらの添加元素は、摩擦熱の発生やライニング表面組織の変化と並行して、ライニング表面に移動して部分的に添加元素の濃縮層を形成し、これがさらに潤滑油中の硫黄系添加剤と反応して硫黄系化合物となり、また潤滑油中の酸素と添加元素が反応して酸素系化合物となる。これらの濃縮層及び硫黄系化合物などは固体潤滑作用に優れ、高面圧下でも摺動特性が優れており、摩耗量を少なくする効果を有する。

特許文献２の滑り軸受の軸受合金は、分散された微細な成分（例えばＳｎ）の濃度が、滑り軸受の軸受金の頂部範囲から分割面範囲に向かって連続的に低下していることを特徴とする。錫割合の大きい範囲により滑り要素の大きな耐荷重能力が保証される。

しかし、特許文献１では、固溶強化元素の濃縮層ができる前に、摩耗が進んでしまうため、摩耗量の多い使用用途では、耐摩耗性が不十分である。特許文献２は、主に荷重を受けている頂部範囲だけを考えると、主に荷重を受けている頂部範囲は、他の従来技術と同じ耐摩耗性しか有さない。しかもＳｎ濃度の低い部分は主荷重部として使用できないため、荷重方向が変化する用途や、軸受が平板形状となるような用途での使用には向かない。

特開平９-２４９９２４号公報特開２０００-２７８６６号公報

本発明の目的は、耐摩耗性を向上させることのできる新たな組織を有する、Ｃｕ-Ｓｎ合金を含有する軸受合金を含む摺動部材を提供することである。

本発明の一観点によれば、摺動面を有する摺動部材であって、Ｃｕ-Ｓｎ合金を含有する軸受合金を含み、Ｃｕ-Ｓｎ合金はＳｎが１．５～１０.０質量％、残部がＣｕ及び不純物であり、摺動面に垂直な断面で見て、Ｃｕ-Ｓｎ合金の平均Ｓｎ濃度（以下、Ｓｎ成分ともいう）よりも１．１倍以上の錫濃度を有し、面積が５００μｍ^２以上である高錫濃度領域が分散して存在し、高錫濃度領域の個数が１ｍｍ^２当たり５～９３個である、摺動部材が提供される。

Ｃｕ-Ｓｎ合金のＳｎは８．０質量％以下であることが好ましい。また、Ｃｕ-Ｓｎ合金のＳｎは２．０質量％以上であることが好ましい。
また、Ｃｕ-Ｓｎ合金は、０～５．０質量％のＮｉ、および０～１．０質量％のＰのうちのいずれか又は両方を更に含有してもよい。

本発明の一具体例によれば、摺動面に垂直な断面で見て、高錫濃度領域の占める面積率が５～４７％である。

本発明の一具体例によれば、軸受合金が、固体潤滑剤粒子および硬質粒子のいずれか又は両方をさらに含有できる。固体潤滑剤粒子は黒鉛粒子を含むか、又は黒鉛であることが好ましい。硬質粒子は、ＳｉＣ粒子を含むか、又はＳｉＣ粒子であることが好ましい。

本発明の他の観点によれば、裏金層とこの裏金層上の軸受合金層とを備え、軸受合金層が上記軸受合金を含む、摺動部材が提供される。

本発明の一具体例によれば、上記摺動部材が滑り軸受である。

本発明の他の観点によれば、上記摺動部材を含む軸受装置が提供される。

本発明及びその多くの利点を、添付の概略図面を参照して以下により詳細に述べる。図面は、例示の目的で、いくつかの非限定的な実施例を示す。

本発明の一具体例に係る摺動部材の構成例を表す図本発明の一具体例に係る摺動部材のＣｕ-Ｓｎ合金の摺動面に垂直な断面図

本発明の摺動部材は、Ｃｕ-Ｓｎ合金を軸受合金として備える摺動部材に関するものである。この摺動部材は、例えば乗用車用の内燃機関や自動変速機の軸受部に使用されるジャーナル軸受やスラスト軸受などの滑り軸受に使用される。例えば、摺動部材は、ジャーナル軸受では、円筒形状に成形した滑り軸受、あるいは、半円筒形状に成形した部材を一対として組み合わせて円筒形状とした滑り軸受にできる。スラスト軸受では円環形状に成形した滑り軸受、あるいは、半円環形状に成形した部材を一対として組み合わせて円環形状とした軸受にすることができる。しかし、摺動部材は、その他の形状でもよく、滑り軸受以外の摺動部材としても使用できる。例えば、グリス潤滑環境下で、産業機械の往復摺動部に平板形状のすべり板として使用することもできる。
本発明は、このような摺動部材を含む軸受装置も対象とする。

本発明の一具体例に係る摺動部材１の構成例を説明する。図１を参照すると、裏金層４上に軸受合金層２が設けられる。ただし、裏金層４は任意要素であり、裏金層４がなく軸受合金層２のみでもよい。軸受合金層２の表面が摺動面３となる。任意選択で軸受合金層２上にオーバレイを設けることができるが、その場合でも本明細書では軸受合金層２の表面を摺動面３と称する。

裏金層４は、摺動部材１の強度を向上させるために設けることができる。特に限定はしないが、裏金層４は、鋼、Ｆｅ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金等の金属板を用いることができ、鉄系材料としては、例えば亜共析鋼や、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼等のＦｅ合金の所定寸法の板材が好ましい。

任意選択で、軸受合金層２上にオーバレイを設けることができる。オーバレイは、摺動層の表面のなじみ性を高めるためのＢｉ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｇ等の金属またはこれら金属を主体とする合金または合成樹脂を主体とするものなど、公知のオーバレイでよく、その形成方法も公知の方法を使用できる。

また任意選択で、裏金層４と軸受合金層２との間に中間層を設けてもよい。例えば、裏金層の表面、すなわち軸受合金層との界面となる側に多孔質金属層あるいは中間層を設けることにより、摺動層と裏金層の接合強度を高めることができる。

軸受合金層は、Ｃｕ-Ｓｎ合金からなる軸受合金を含む。図２に本発明の一具体例に係る摺動部材１の断面図を示す。この断面図は摺動面に垂直な面で切断した断面図である。図２ではＣｕ-Ｓｎ合金のマトリクス８中に、Ｓｎの濃度が相対的に大きい高錫濃度領域６が分散して存在している。高錫濃度領域６は、Ｃｕ-Ｓｎ合金の平均のＳｎ濃度に対して、１．１倍以上のＳｎ濃度を有する領域であり、その面積が５００μｍ^２以上であるものと定義できる。１．１倍以上のＳｎ濃度を有する領域であっても、その面積が５００μｍ^２未満であれば、高錫濃度領域６には含めない。本発明のＣｕ-Ｓｎ合金では、高錫濃度領域６の個数が１ｍｍ^２あたり５～９３個である。
なお、「Ｃｕ-Ｓｎ合金の平均のＳｎ濃度」という語は、高錫濃度領域６などの存在のためにＣｕ-Ｓｎ合金中でＳｎ濃度にばらつきが存在することから、Ｃｕ-Ｓｎ合金中のＳｎ濃度の平均を表す。本発明では、この値はＣｕ-Ｓｎ合金のＳｎ成分に等しいとみなす。

Ｓｎ濃度の比較的大きい高錫濃度領域６は、比較的硬く耐摩耗性が高い。ＳｎがＣｕ-Ｓｎ合金に均一に固溶している場合は、Ｃｕ-Ｓｎ合金全体で荷重を受ける。しかし、同じ組成のＣｕ-Ｓｎ合金であっても、比較的軟らかいマトリクス８内に比較的硬い高錫濃度領域６が分散して存在することで、高錫濃度領域６が主となって相手面を支えることにより面全体として摩耗され難くなる。その結果、同じ平均Ｓｎ濃度であっても、Ｓｎが均一に固溶する場合よりも耐摩耗性が改善される。そして、いずれの深さであっても、摺動面に垂直な断面は上記組織になっている、すなわち、高錫濃度領域６が深さ方向にも存在することにより、摩耗が進んでも高い耐摩耗性が維持される。

本発明の摺動部材のＣｕ-Ｓｎ合金は、ＳｎがＣｕに固溶して二次相（金属間化合物）を実質的に形成しないことが好ましい。Ｃｕ-Ｓｎの二次相（金属間化合物）は硬度が大きいが脆性も大きい（脆い）ため、容易に破壊して脱落し、脱落した二次相の破片が、摺動面と相手面との間に入り、摺動面を損傷させることにより摩耗が加速する。そのため、耐摩耗性の向上が阻害される恐れがある。なお、Ｃｕ-Ｓｎ合金に二次相が実質的に存在しないとは、３μｍ²以上の大きさの面積を持つ二次相が存在しなければ、「実質的に存在しない」とする。その３μｍ²以上の大きさの面積を持つ二次相が存在するかどうかは、電子顕微鏡を用いて１００倍以上の倍率を設定し、確認する。

Ｃｕ-Ｓｎ合金は、Ｓｎが１．５～１０．０質量％、残部がＣｕ及び不純物である。Ｓｎ含有量が１．５質量％未満では耐摩耗性が得られるほど硬さが向上しない。耐摩耗性が得られる硬さを有するには、Ｓｎ含有量の最小値は２．０質量％であることがより好ましい。さらに、Ｓｎ含有量の最小値は３．０質量％であることがより好ましい。Ｓｎ含有量が１０．０％質量を超えるとＣｕ-Ｓｎの二次相が形成される可能性が大きい。二次相が形成される可能性を確実に小さくするために、Ｓｎ含有量の最大値は８．０質量％とすることがより好ましい。さらに、Ｓｎ含有量の最大値は６．５質量％であることがより好ましい。

Ｃｕ-Ｓｎ合金は、０～５．０質量％のＮｉ、０～１．０質量％のＰのうちのいずれか又は両方を更に含有してもよい。これらの元素を上記範囲で含有すると、耐食性を高め、焼結性を向上させ易い。０～５．０質量％のＮｉを添加すると、強度が増加して、耐摩耗性を向上させることができる。しかし、５．０質量％超のＮｉの添加は、焼結温度が高くなり、コスト増につながる。０～１．０質量％のＰの添加により焼結性が向上するため、強度が増し、耐摩耗性を向上させることができる。しかし、１．０質量％超のＰを添加すると、焼結が進みすぎて、制御が困難になる。

Ｃｕ-Ｓｎ合金は、摺動面３に垂直な断面でみて、高錫濃度領域６の面積率が５～４７％であることが好ましい。高錫濃度領域６の面積率が５％以上では、上記効果を効率的に発揮でき、４７％以下であると、軸受合金層の強度を損なうことなく焼結工程の安定性を確実に確保することができ、所望の耐摩耗性を備える軸受合金層を得られやすくなる。

高錫濃度領域６は、その面積が５００μｍ^２以上である。Ｃｕ-Ｓｎ合金のＳｎ含有量に対して１．１倍以上のＳｎ含有量を有する領域であっても、面積が５００μｍ^２未満では、高錫濃度領域６には含めない。このように面積が小さいと、荷重を支える効果が弱く、耐摩耗性の向上に貢献しないからである。

本発明のＣｕ-Ｓｎ合金では、高錫濃度領域６の個数が１ｍｍ^２あたり５～９３個である。高錫濃度領域６の個数が１ｍｍ^２当たり５個未満では、上記効果が発揮できず、９３個超では、錫濃度が均一になりやすく、面積が５００μｍ^２以上であり１．１倍以上の錫濃度を有し主となって相手面を支える高錫濃度領域を得られない可能性が高い。また、９３個超を含んだ軸受合金層を製造するために、製造時に、銅錫合金粉末の粒径をさらに小さくする必要がある。この場合、銅錫合金粉末の粒径が小さすぎると、焼結工程においてＳｎが拡散しやすくなる。そのために、焼結工程で安定してＳｎ拡散の程度を制御することが出来なくなり、高錫濃度領域６を安定して作ることができなくなる。

好ましい具体例として、Ｃｕ-Ｓｎ合金のＳｎ含有量に対するＳｎ濃度が１．２倍の領域（以下、「閾値１．２倍の領域」などという）の面積率が、５～４２％である。さらに好ましくは、閾値１．３倍の領域の面積率が、５～３５％である。さらに好ましくは、閾値１．４倍の領域の面積率が、５～２６％である。このような構成では、上記効果がより得られやすい。

好ましい具体例として、閾値１．２倍の領域の個数が５～８４個／ｍｍ^２である。さらに好ましくは、閾値１．３倍の領域の個数が５～６１個／ｍｍ^２である。さらに好ましくは、閾値１．４倍の領域の個数が５～５４個／ｍｍ^２である。このような構成では、上記効果がより得られやすい。

任意選択で、軸受合金層２は、例えばＭｏＳ_２、ＷＳ_２、黒鉛、ｈ－ＢＮから選ばれる１種以上の固体潤滑剤粒子を０．１～１２．０質量％さらに含むことができる。固体潤滑剤は黒鉛を含むことが好ましい。より好ましくは、固体潤滑剤は黒鉛である。０．１～１２．０質量％の固体潤滑剤は、Ｃｕ-Ｓｎ合金の素地に分散して潤滑性を高め、耐摩耗性をさらに向上させる。しかし、固体潤滑剤が１２．０質量％を超えると、焼結性が阻害される場合がある。

任意選択で、軸受合金層２は、例えばＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＡｌＮ、Ｍｏ_２Ｃ、ＷＣ、Ｆｅ_２Ｐ、Ｆｅ_３Ｐから選ばれる１種以上の硬質粒子を０．１～５．０質量％さらに含むことができる。硬質粒子はＳｉＣを含むことが好ましい。より好ましくは、硬質粒子はＳｉＣである。０．１～５．０質量％の硬質粒子は、素地に分散して耐摩耗性をさらに高める。しかし、硬質粒子が５．０質量％を超えると、焼結性が阻害される場合がある。

次に、本発明の摺動部材の軸受合金層（Ｃｕ-Ｓｎ合金）の製造方法について説明する。この製造方法は以下のステップを含む。
１．所定量のＳｎを含有する銅錫合金粉末と純銅粉末を準備する。任意選択でＮｉ及びＰのいずれか又は両方を含有させる場合は、銅錫合金粉末の代わりにこの元素を含有する銅粉末を使用する（その場合も以下、「銅錫合金粉末」と称する）。
２．Ｓｎ成分が所定の値（Ｓｎが１．５～１０.０質量％）（任意選択でＮｉ、Ｐを含有する場合は所定限度以下）になるように銅錫合金粉末と純銅粉末を秤量する。
３．秤量した銅錫合金粉末と純銅粉末を混合する。この際、任意選択で固体潤滑剤粒子および硬質粒子のいずれか又は両方を更に含有させる場合は、これらの粒子も添加する。
４．基材上に混合粉末を散布する。基材は、例えば裏金上に軸受合金層を形成する場合は裏金である。
５．散布した粉末を８００℃～９００℃で１０～３１分間焼結する。
６．焼結体を圧延して、焼結体を所定厚さにする。
７．所定厚さにした焼結体を８００℃～９００℃で１０～３１分間、さらに焼結する。

上記の焼結条件では、銅錫合金粉末のＳｎが純銅粉末へ拡散するが、合金全体に均一に拡散するまでの焼結を行わず、銅錫合金粉末であった領域を中心として、Ｓｎ濃度の比較的大きい領域が形成されるようにする。銅錫合金粉末の粒径、Ｓｎ濃度、上記範囲内での焼結条件の調整により、高錫濃度領域の面積率、単位面積当たりの個数が調整できる。

原料として使用する銅錫合金粉末のＳｎ含有量は３～１５質量％が好ましく、平均粒径は１０～７５μmが好ましい。例えば、銅錫合金粉末の代わりに純錫粉を使ってもＳｎの濃度の高い部分を作ることは可能であるが、脆い二次相を形成してしまうため、耐摩耗性が向上しない場合がある。

次に、高錫濃度領域の測定方法について説明する。
高錫濃度領域６の特定は、摺動面３に垂直な軸受合金層２の断面をＳＥＭ－ＥＰＭＡにより面分析を行い、Ｃｕ-Ｓｎ合金の平均のＳｎ濃度よりも１．１倍以上の錫濃度を有する高錫濃度領域を決定する。測定条件の例を表１に示す。面分析で取得したマップを検量線（標準条件）で濃度表示にして、メディアンフィルタをかけ、二値化を行う。そして、５００μｍ^２以上の面積のＳｎ濃化領域を高錫濃度領域と特定する。高錫濃度領域の閾値と分析は、０．５ｍｍ^２以上の領域で行う必要がある。

表４～表６に示す各試料を上記に説明した製造方法によって作製した。Ｓｎ含有量が３～１５質量％の銅錫合金粉末と純銅粉末を表に示す成分になるように混合して、基板上に散布した。ただし、試料２４および試料２５については、銅錫合金粉末に代えてＣｕ-１２Ｓｎ－１５Ｎｉ－３Ｐ合金粉末を使用した。また、試料２７～試料２９、試料３１、試料３２については、所定量の黒鉛粉末およびＳｉＣ粉末も混合した。基板は、２．２ｍｍ厚さの鋼板を用いた。
散布した粉末は、第１の焼結、圧延、第２の焼結を行い、厚さ０．９ｍｍの軸受合金層を得た。各試料の焼結条件は表２に示す通りである。
そして、軸受合金層内の高錫濃度領域（閾値１．１倍、すなわち平均のＳｎ濃度よりも１．１倍以上のＳｎ濃度を有する領域）の個数及び面積率を、上記に説明した測定方法により行った。
各試料について摩耗試験を、表３に示す条件で行い、試験後の試料の摩耗量を測定した。結果を表４～表６に示す。

表４に示す結果からは、Ｃｕ-Ｓｎ合金がＳｎを１．５～１０．０質量％含み、閾値が１．１倍の高錫濃度領域の個数が１ｍｍ^２当たり５～９３個である本発明の実施例の試料１～試料２３は、高錫濃度領域を有さない比較例の試料４１～試料４７と比較すると、同じＳｎ濃度であれば、摩耗試験による摩耗量が減少することが分かった。

本発明の実施例である試料２４および試料２５は、Ｃｕ-Ｓｎ合金が４ .０質量％Ｓｎの他に、５．０質量％のＮｉおよび１．０質量％のＰをも含む。表５に、これらの試料の摩耗試験による摩耗量を示す。表５には、Ｓｎ濃度および高濃度領域の個数、面積率が試料２４および試料２５とそれぞれ同じであるがＮｉおよびＰを含有しない試料１３及び試料２０の試験結果も示す。表５に示す結果から、Ｓｎ濃度および高濃度領域の個数、面積率が同じであれば、Ｎｉ及びＰの添加により摩耗量が減少することが分かった。

表６は、軸受合金が３ .０質量％ＳｎのＣｕ-Ｓｎ合金の他に黒鉛およびＳｉＣを含有する本発明の実施例である試料２６～試料２９、試料３１および試料３２と、黒鉛およびＳｉＣを含有しない試料２６及び試料３０との比較を示す。表６に示す結果から、黒鉛およびＳｉＣを含有することにより摩耗試験による摩耗量が減少することが分かった。

表７に、本発明の試料と、Ｃｕ-Ｓｎ合金の平均Ｓｎ濃度が同じである比較例（高濃度領域の形成されていない）との摩耗量の比較を示す。表７からは、高濃度領域の個数が４０個／ｍｍ^２の方が５個／ｍｍ^２よりも耐摩耗性の向上に優れることがわかる。耐摩耗性の向上は、いずれの高濃度領域の個数でも、平均Ｓｎ濃度が２．０質量％～８．０質量％の範囲において、より優れていた。

１摺動部材
２軸受合金層
３摺動面
４裏金層
６高錫濃度領域
８マトリクス

Claims

摺動面を有する摺動部材であって、Ｃｕ-Ｓｎ合金を含有する軸受合金を含み、
前記Ｃｕ-Ｓｎ合金は、Ｓｎを１．５～１０．０質量％含み、残部がＣｕ及び不純物であり、
前記摺動面に垂直な断面で見て、前記Ｃｕ-Ｓｎ合金の平均のＳｎ濃度よりも１．１倍以上のＳｎ濃度を有し、面積が５００μｍ^２以上である高錫濃度領域が分散して存在し、前記高錫濃度領域の個数が１ｍｍ^２当たり５～９３個であることを特徴とする摺動部材。
前記摺動面に垂直な断面で見て、前記高錫濃度領域の面積率が５～４７％である、請求項１に記載された摺動部材。
前記Ｃｕ-Ｓｎ合金のＳｎが８．０質量％以下である、請求項１又は請求項２に記載された摺動部材。
前記Ｃｕ-Ｓｎ合金のＳｎが２．０質量％以上である、請求項１又は請求項２に記載された摺動部材。
前記Ｃｕ-Ｓｎ合金は、０～５．０質量％のＮｉ、および０～１．０質量％のＰのうちのいずれか又は両方を更に含有する、請求項１又は請求項２に記載された摺動部材。
前記軸受合金が、固体潤滑剤粒子および硬質粒子のいずれか又は両方を更に含有する、請求項１又は請求項２に記載された摺動部材。
前記固体潤滑剤粒子が黒鉛粒子である、請求項６に記載された摺動部材。
前記硬質粒子がＳｉＣ粒子である、請求項６に記載された摺動部材。
裏金層と該裏金層上の軸受合金層とを備え、前記軸受合金層が前記軸受合金を含む、請求項１又は請求項２に記載された摺動部材。
前記摺動部材が滑り軸受である、請求項９に記載された摺動部材。
請求項１０に記載された摺動部材を含む軸受装置。