JP2745695B2 - 高温で耐摩耗性にすぐれた銅基焼結合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、常温から高温までのいずれの状況下にお
いてもすぐれた耐摩耗性を有する銅基焼結合金、特に高
温下での耐摩耗性にすぐれた銅基焼結合金に関するもの
であり、内燃機関のガイドブッシュ、ターボチャージャ
ーの軸受などとして用いるに適した銅基焼結合金に関す
るものである。

〔従来の技術〕

従来、上記各種部材の製造に、重量％で（以下％は、
重量％を示す。）、Cu−28％Zn−６％Alの代表組成を有
する銅基溶製合金が用いられていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記の従来の銅基溶製合金は、比較的低温か
ら高温にわたって使用した場合、特に高温下において、
焼付きが発生し、耐摩耗性に問題があった。

最近の内燃機関は、高出力化にともない、従来よりも
摺動部が一層高温に曝らされるため、特に高温下におい
て、焼付きが発生せずかつ耐摩耗性にすぐれた銅基合金
の開発が強く望まれていた。

〔課題を解決するための手段〕

そこで、本発明者らは、上述のような観点から、上記
の従来の銅基溶製合金に着目し、高温下で一段とすぐれ
た耐焼付き性および耐摩耗性を有する銅基合金を開発す
べく研究を行った結果、 Zn:5〜25％、 Fe,Ni、およびCoのうち１種または２種以上:0.1〜３
％、 酸素:0.01〜0.5％、 Al:0.1〜0.3％、 を含有し、さらに必要に応じて、 （ａ）Mn:0.1〜３％、 （ｂ）Cr,Mo、およびＷのうち１種または２種以上:0.1
〜２％、 以上（ａ）〜（ｂ）のうちのいずれか１種または２種を
含有し、残りがCuおよび不可避不純物からなる組成、並
びに素地中に微細な酸化物および金属間化合物が均一に
分散しかつ空孔が体積率で１〜15％分布した組織を有す
る銅基焼結合金は、常温および高温における耐摩耗性が
向上し、さらに素地中に微細な酸化物および空孔が存在
することにより高温下での耐焼付き性が向上するという
知見を得たのである。

この発明は、かかる知見にもとづいてなされたもので
あって、この発明の銅基焼結合金は、上記組成によっ
て、素地中に、１〜40μｍの粒度範囲内に分布した酸化
物が0.1〜７％の面積率で均一分散し、かつ同じく１〜2
5μｍの粒度範囲内に分布した金属間化合物が１〜８％
の面積率で均一分散し、さらに１〜40μｍの粒度範囲内
の空孔が１〜15％の体積率で均一分布した組織を持ち、
これら酸化物と金属間化合物が素地中に存在することに
よって常温および高温での耐摩耗性が著しく向上し、こ
れら酸化物と空孔が素地中に存在することによって高温
下での耐焼付き性が著しく向上するものである。

つぎに、この発明の銅基焼結合金の成分組成および空
孔を上記のごとく限定した理由について説明する。

（ａ）空孔 空孔は、摺動面に分布し、特に高温下での耐焼付き性
を改善する作用を有するが、１容量％未満ではその効果
が得られず、一方、15容量％をより多く分布すると強度
が低下するのみでなく、熱伝導度が低下することにより
逆に耐熱性が悪くなり、高温下での耐焼付き性が低下
し、また耐摩耗性も低下するので好ましくない。

したがって、空孔の分布量は、１〜15容量％に定め
た。

（ｂ）Zn Znは、Cuとともに素地を形成し、合金の強度および靭
性を向上させる作用があり、さらに酸素と結合して酸化
物を形成し、高温での耐焼付き性並びに常温および高温
での耐摩耗性を改善する作用を有するが、５％未満では
その効果がなく、一方、25％を越えて含有すると、熱伝
導度が低下するとともに高温下での耐焼付き性が低下す
るようになる。

したがって、Znの含有量は、５〜25％に定めた。

（ｃ）酸素 酸素は、CuおよびZn、並びに必要に応じて含有される
Al,W,MoおよびCrと結合して、素地中に均一微細に分散
する酸化物を形成し、常温および高温での耐摩耗性を向
上させ、特に耐焼付き性および耐熱性の改善によって、
高温下での耐摩耗性を向上させる作用を有するが、0.01
％未満ではその効果がなく、一方、0.5％を越えて含有
すると、酸化物の粒径が40μｍを越えて粗大化するばか
りでなく、面積率で７％を越えて多くなりすぎ、合金の
強度および靭性を低下させるほか、相手攻撃性を増し、
好ましくない。

したがって、酸素の含有量は、0.01〜0.5％に定め
た。

（ｄ）Fe,NiおよびCo これらの成分は、いずれも素地中に分散して合金の強
度および靭性を向上させるとともにCu、並びに必要に応
じて含有されるAl,W,MoおよびCrと結合して、素地中に
分散する微細な金属間化合物を形成し、耐摩耗性を向上
させるとともに耐熱性を向上させ、耐焼付き性にも効果
があるが、その含有量が0.1％未満では、所望の効果が
得られず、一方、その含有量が３％を越えて含有すると
靭性が低下するとともに熱伝導度が低下することにより
耐焼付き性が劣化するようになるので好ましくない。

したがって、Fe,NiおよびCoの含有量は、0.1〜３％に
定めた。

（ｅ）Al Alは、CuおよびZnとともに高強度および高靭性を有す
る素地を形成するほか酸素と結合して酸化物を形成し、
高温下での耐焼付き性並びに常温および高温下での耐摩
耗性を向上させる作用があるが、その含有量が0.1％未
満では、所望の効果が得られず、一方、その含有量が0.
3％を越えて含有すると熱伝導度が低下し、耐焼付き性
が劣化するようになるので好ましくない。

したがって、Alの含有量は、0.1〜0.3％に定めた。

（ｆ）W,MoおよびCr これらの成分は、いずれもFe,NiおよびCoと結合し
て、素地中に分散する微細な金属間化合物を形成し、ま
た酸素と結合して微細な酸化物を形成し、耐摩耗性を向
上させるとともに耐焼付き性を向上させる効果がある
が、その含有量が0.1％未満では、所望の効果が得られ
ず、一方、その含有量が２％を越えて含有すると靭性が
低下するので好ましくない。

したがって、W,MoおよびCrの含有量は、0.1〜２％に
定めた。

（ｇ）Mn Mnは、素地に固溶し、強度を向上させる作用がある
が、その含有量が0.1％未満では、所望の効果が得られ
ず、一方、その含有量が３％を越えて含有すると耐熱性
が低下し、高温下での耐焼付き性および耐摩耗性が低下
するので好ましくない。

したがって、Mnの含有量は、0.1〜３％に定めた。

なお、この発明の銅基焼結合金は、不可避不純物とし
てP,Mg,SnおよびPbを含有する場合があるが、その含有
量が合計で1.5％以下であれば、合金特性が何等損なわ
れるものでないので、その含有量を許容できる。

〔実施例〕

つぎに、この発明の銅基焼結合金を実施例により具体
的に説明する。

原料粉末として、いずれも200mesh以下の、Cu−５％Z
n合金粉末、Cu−30％Zn合金粉末、Cu粉末、Zn粉末、Al
粉末、Mn粉末、Mo粉末、Ｗ粉末、Cr粉末、Fe粉末、Ni粉
末、およびCo粉末を用意し、これら原料粉末をそれぞれ
第１表に示される配合組成に配合し、Ｖ型ミキサーで３
時間粉砕混合した後、５〜7ton/cm²の範囲内の所定の圧
力で圧粉体にプレス成型し、露点:0℃〜−30℃の水素ガ
ス中、850〜950℃の範囲内の所定の温度で１時間保持の
条件で焼結し、ついで空孔量をコントロールするため
に、必要に応じて400〜600℃の範囲内の所定の温度に１
分間保持後、再加圧を行うことにより、 圧壊荷重測定用として外径:60mm、内径:50mm、厚さ:1
0mmの寸法を有し、第１表に示される組成を有する本発
明Cu基焼結合金１〜13および比較Cu基焼結合金１〜10か
らなるリングを、 摩耗測定用として第１表の本発明Cu基焼結合金１〜13
および比較Cu基焼結合金１〜10からなる直径:10mm、高
さ:30mmの寸法を有する丸棒および外径:12mm、内径:6m
m、長さ:45mmの寸法を有するパイプをそれぞれ製造し
た。

さらに、通常の溶解法により溶解し、鋳造して第１表
に示される成分組成を有する従来のCu基溶製合金からな
る上記寸法のリング、丸棒およびパイプを製造した。

なお、本発明のCu基焼結合金１〜13は、いずれも素地
中に微細な酸化物および金属間化合物が均一に分散した
組織をもつものであった。

また、比較Cu基焼結合金１〜10は、いずれも構成成分
のうちのいずれかの成分含有量または空孔含有量（第１
表に※印を付したもの）がこの発明の範囲から外れたも
のである。

つぎに、この結果得られた各種のCu基焼結および溶製
合金について、強度および靭性を評価する目的でリング
を各々３分割した試料の常温下の圧壊荷重を測定し、さ
らに高温下での耐摩耗性を評価する目的で、下記の摩耗
試験を行った。

摩耗試験 Ｉ 上記直径:10mm、高さ:30mmの各種のCu基焼結合金およ
び溶製合金丸棒を加工して、直径:1.5mmのピンを作製
し、さらに相手材としてクロムメッキしたSUH材製ディ
スクを用意し、上記ディスクの裏側よりバーナーにてデ
ィスクを 580℃に加熱しながら周速:2.0m/secで回転せしめ、一
方、上記ピンを押付荷重:5kgで上記ディスクに押付け、
5W−30オイルを滴下しながら全摺動距離:18kmを摺動せ
しめ、相手材に対する高温での同期特性を評価する目的
でピンオンディスク摩擦摩耗試験を行ない、トルクメー
ターにより発生トルクの変化から焼付き発生の有無の調
査を行い、この結果を第１表に示した。

摩耗試験 II 上記外径:12mm、内径:6mm、長さ:45mmの寸法を有する
第１表に示されるCu基焼結合金およびCu基溶製合金のパ
イプを加工して外径:11mm、内径:6.5mm、長さ:45mmの寸
法を有する各種Cu基焼結および溶製合金からなるパイプ
を試料として製造し、一方、相手材としてSUH材を塩浴
窒化処理した直径:6.35mm、長さ:150mmの丸棒を用意し
た。

上記相手材である丸棒を試料のパイプ孔に挿入し、相
手材である丸棒の片端部をバーナーで加熱しつつ片端部
雰囲気温度を520℃とし上記試料を相手材に押付荷重:5k
gで押付け、5W−30オイルを滴下しながら、上記相手材
である丸棒をパイプ孔の軸方向にストローク摺動距離:1
5mm、3500ストローク／分で30分間摺動の条件で摩耗試
験を行い、摩耗量を測定し、さらに焼付きの有無および
相手材の表面状況について観察しその結果を第１表に示
した。

なお、相手材の表面状況については、全くのキズの見
られなかったものを○印、一部焼付きによるキズが見ら
れたものを△印、摩耗キズが表面に見られたものを×印
を付して区別した。

〔発明の効果〕

第１表から示される結果から、本発明Cu基焼結合金１
〜13は、いずれも従来Cu基溶製合金に比して一段とすぐ
れた高温下での耐摩耗性、耐焼付き性をもち、さらに、
比較Cu基焼結合金１〜10にみられるように、構成成分組
成および空孔のうちのいずれかでもこの発明の範囲から
外れると、高温下での耐摩耗性、耐焼付き性、相手攻撃
性、または常温下での強度および靭性のうち少なくとも
いずれかの性質が劣ったものになることが明らかであ
る。

上述のように、この発明のCu基焼結合金は、高温下で
すぐれた耐摩耗性および同期特性を有するので、高出力
化に伴う高温にさらされる各種機器の構造部材として十
分に対応することができ、実用に際してはすぐれた性能
を長期に亘って発揮することにより工業上すぐれた効果
をもたらすものである。

なお、この発明のCu基焼結合金は特に高温下で優れた
特性を示すが、常温下でも十分な強度および靭性を有す
るところから常温下でも使用できることは勿論である。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Zn:5〜25％、 Fe,Ni、およびCoのうち１種または２種以上:0.1〜３
   ％、 酸素:0.01〜0.5％、 を含有し、さらに、 Al:0.1〜0.3％、 を含有し、残りがCuおよび不可避不純物からなる組成
   （以上重量％）、並びに素地中に微細な酸化物および金
   属間化合物が均一に分散しかつ空孔が１〜15容量％分布
   した組織を有することを特徴とする高温で耐摩耗性にす
   ぐれた銅基焼結合金。
2. 【請求項２】Zn:5〜25％、 Fe,Ni、およびCoのうち１種または２種以上:0.1〜３
   ％、 酸素:0.01〜0.5％、 を含有し、さらに、 Al:0.1〜0.3％、 Mn:0.1〜３％、 を含有し、残りがCuおよび不可避不純物からなる組成
   （以上重量％）、並びに素地中に微細な酸化物および金
   属間化合物が均一に分散しかつ空孔が１〜15容量％分布
   した組織を有することを特徴とする高温で耐摩耗性にす
   ぐれた銅基焼結合金。
3. 【請求項３】Zn:5〜25％、 Fe,Ni、およびCoのうち１種または２種以上:0.1〜３
   ％、 酸素:0.01〜0.5％、 を含有し、さらに、 Al:0.1〜0.3％、 Cr,Mo、およびＷのうち１種または２種以上:0.1〜２
   ％、 を含有し、残りがCuおよび不可避不純物からなる組成
   （以上重量％）、並びに素地中に微細な酸化物および金
   属間化合物が均一に分散しかつ空孔が１〜15容量％分布
   した組織を有することを特徴とする高温で耐摩耗性にす
   ぐれた銅基焼結合金。
4. 【請求項４】Zn:5〜25％、 Fe,Ni、およびCoのうち１種または２種以上:0.1〜３
   ％、 酸素:0.01〜0.5％、 を含有し、さらに、 Al:0.1〜0.3％、 Mn:0.1〜３％、 Cr,Mo、およびＷのうち１種または２種以上:0.1〜２
   ％、 を含有し、残りがCuおよび不可避不純物からなる組成
   （以上重量％）、並びに素地中に微細な酸化物および金
   属間化合物が均一に分散しかつ空孔が１〜15容量％分布
   した組織を有することを特徴とする高温で耐摩耗性にす
   ぐれた銅基焼結合金。