JP2974738B2 - 焼結銅系摺動材料 - Google Patents

焼結銅系摺動材料

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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、銅系摺動材料に関するものであり、さらに
詳しく述べるならば、銅−黒鉛−アルミナを主成分とす
る焼結摺動材料の改良に関するものである。
〔従来の技術〕
従来から、青銅、鉛青銅、黄銅、ケルメットなどの合
金が銅系摺動材料として使用されている。これらの材料
はいずれも潤滑油が多く存在する使用条件下でのみ摺動
特性を発揮するが、潤滑条件の厳しいいわゆる境界潤滑
領域で使用された場合、摺動特性は甚だ不充分であっ
て、短時間で摩耗、焼付き等の損傷に至る。そこで境界
潤滑条件で使用可能な材料としてポリテトラフルオロエ
チレン(PTEE)に代表される樹脂軸受や、金属の摺動面
に黒鉛を埋め込んだ軸受などが使用されていたが、いず
れも耐摩耗性および耐焼付性が劣り、充分な摺動特性は
得られていなかった。
そこで、本発明者らは、特開昭61−67736号および特
開昭60−106932号などで提案されている銅−黒鉛−アル
ミナを主成分とする焼結材料では、黒鉛による低摩耗性
およびアルミナによる耐摩耗性がみられることに着目
し、その摺動特性を研究した。しかしながら、通常の焼
結法により製造した銅−黒鉛−アルミナ系焼結材料は、
境界潤滑条件下で耐摩耗性試験および耐焼付性試験にお
いて摺動面からのアルミナの脱落を呈し、優れた軸受特
性を備えていないために、本発明者等は境界潤滑条件下
における優れた軸受特性、特に耐摩耗性および耐焼付性
を有する銅−黒鉛−アルミナ系焼結摺動材料を開発する
ことを目的として、特開昭63−312933号公報において、
1〜10重量%の黒鉛、1〜7重量%のアルミナおよび残
部銅からなり、アルミナが銅マトリックス中に分散され
ている焼結摺動材料を提案した。
前掲特開昭63−312933号公報においては、アルミナは
硬質粒子として焼結材料中に分散し、耐摩耗性を向上せ
しめ、アルミナの量が1重量%未満では耐摩耗性向上作
用が少なく、一方アルミナの量が7重量%を越えると、
アブレーシブな摩耗が起こり、その結果アルミナの脱落
による焼結軸受材料の摩耗が起こるばかりでなく、脱落
粒子による相手材の摩耗が起こり、また耐焼付性も不充
分になる:好ましいアルミナ量は1〜5重量%であり、
さらに好ましいアルミナ量は1.5〜3重量%であると説
明されている。
また、アルミナ粒子としては、アルミナ粉(フジミ製
作所製、γ−A2O3、平均粒径5μm、商品名WA#300
0)が前掲特開昭63−312933号(以下、「先願」とい
う)に記載されている。
先願では焼付試験は下記条件で実験されている。
ピンディスク式スラスト試験機 すべり速度:4m/s(500rpm) 潤滑油 :灯油(パッド給油) 相手軸 :S55C焼入れ、Hv500−600 軸粗さ :0.8±0.2μm 軸受粗さ :1〜2μm 荷重 :漸増40−20−60 20kg/15min 〔発明が解決しようとする課題〕 先願に開示された1〜7重量%のA2O3を含有する
銅−黒鉛−アルミナ系摺動材料は上記焼付試験条件より
高速のすべり速度で試験された時は低い荷重で焼付きが
起こり耐焼付性の低下が見られた。
この原因を本発明者が研究したところ軸受のアルミナ
の平均粒径が5ミクロンオーダーであると、通常ミクロ
ンオーダーの粗さに仕上げられている相手軸を軸受がラ
ップする作用が大きく;相手軸が鋳鉄または鋳鋼製であ
るときはグラファイトが削り取られ、容易に焼付に至
り、また相手軸が鋼製であるときはマトリックスを削り
取るため焼付が起こり易いことが判明した。
したがって、本発明は高速摺動条件下でも相手軸をラ
ップする作用が少なく、また耐摩耗性も優れている銅−
グラファイト−アルミナ系焼結摺動材料を提供すること
を目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
本発明に係る焼結銅系摺動材料は、1〜10重量%の黒
鉛、0.05〜1重量%未満の平均粒径が2μm以下のアル
ミナ、および残部銅からなることを特徴とする。
更に、本発明の焼結銅系摺動材料は上記組成に、任意
成分として(a)1〜15重量%のSnと1〜30重量%のPb
のいずれか一方または両方を添加し、(b)1〜15重量
%のSnと1〜30重量%のPbのいずれか一方または両方、
1重量%以下のPを添加し、あるいは(c)1重量%以
下のPを添加したものであってよい。
以下、本発明に係る焼結系摺動材料の構成を説明す
る。
先ず共通の組成を説明する。
黒鉛は潤滑作用を有し、耐焼付性を向上せしめる。黒
鉛の量が1重量%未満では境界潤滑条件下での耐焼付性
向上作用が少なく、一方10重量%を越えると、銅粒子ど
うしの接触割合が低くなり、銅粒子が黒鉛の被膜に囲ま
れた孤立状態となるため、摺動材料のマトリックスの強
度が低下するとともに、この結果耐摩耗性が劣化する。
好ましい黒鉛量は1〜5重量%であり、さらに好ましい
黒鉛量は1〜3重量%である。
アルミナは摺動材料の耐摩耗性を高めるとともに、相
手軸の粗さを低減することによって耐焼付性を高める。
この作用を発揮するには、アルミナの平均粒径が2μm
以下でなければならず、好ましくは0.5μm以下であ
る。かつアルミナの含有量が0.05〜1重量%未満でなけ
ればならない。アルミナの含有量が1%以上であるかま
たは平均粒径が2μmを越えると、アルミナが軸を粗す
作用が大きくなる。アルミナの好ましい平均粒径が0.2
〜0.5μmである。
一方、アルミナの添加量は1重量%以下と少なくと
も、またアルミナの平均粒径は先願のように大きくとも
また本願のように小さくとも軸受自体の耐摩耗性はさほ
どの影響はない。
アルミナは出来るだけ多くの量が銅又は銅合金中に分
散していることがその作用を発揮する上で好ましい。グ
ラファイト中に分散したアルミナは脱落しやすく、その
作用を安定して発揮することが困難である。
本発明の摺動材料は任意成分としてさらに15重量%以
下のSnおよび30重量%以下のPbの少なくとも一方を添加
したものであってもよい。これらの元素は軟質成分とし
て摺動材料中に分散し、潤滑性を付与する。SnおよびPb
の含有量がそれぞれ15重量%および30重量%を越える
と、摺動材料の強度が低下するので上限をそれぞれ15重
量%および30重量%とする。好ましい添加量の下限はい
ずれも1%である。
さらに、耐摩耗性向上成分としてPを1重量%以下、
好ましくは0.001ないし1重量%以下を添加することも
できる。これらの添加成分は、銅との合金として添加し
てもまた単独に添加してもあるいは相互の合金としても
ほぼ同等の効果を奏する。但し、銅マトリックス中にア
ルミナを取り込むための方法との関連で添加量の制限が
ある。
以下、本発明の摺動材料の製造方法を説明する。
通常、焼結銅系材料で銅(合金)粒子に使用されるア
トマイズ粉は形状が球形で、等方的であるため均一な焼
結製品が得られ易い。アトマイズ粉は製造が容易である
などの利点があるが、アルミナ粒子と混合焼結するとア
ルミナは銅(合金)粒子の外即ち粒界に分散される傾向
が大であるため、アトマイズ粉を使用する時はアルミナ
との長時間の混合が必要である。
銅粒子の形状が、樹枝上、顆粒を多数数珠つなぎにし
た形状である電解銅粉はアルミナの粒子との混合が比較
的短時間でアルミナを銅粉中に取り込むことができる。
例えば、ボールミル式混合混練機で24時間以上撹拌する
ことにより所望の分散形態が得られる。
なお、現在市販されている銅粉は純銅粉が多いため、
Cu,Sn,Pなどの添加成分は銅粉とは別の粉末材料として
添加することが必要である。その添加工程はアルミナと
の混合工程では、多少の酸化等が起こり得るので、アル
ミナとの混合工程の後であることが望ましい。
なお、アルミナとしては、市販されているNiコートア
ルミナ粒子を使用することができる。この粒子の表面に
存在するNiは銅との相性が良い金属であるため、この粒
子を使用することにより焼結性が向上する。しかし、Ni
はアルミナより硬度が低いため耐摩耗性はアルミナ使用
の場合より低くなる傾向があるが、アルミナ粒子が長期
間安定に銅マトリックスに保持されることによる長時間
の耐摩耗性改善の効果が期待される。なお、Cu,Aなど
をアルミナ粒子にスパッタあるいは蒸着してもほぼ同じ
効果が期待される。
焼結の条件は、例えば750〜1000℃である。得られる
焼結体では、通常の金属焼結体の場合は空孔の原因とな
るマトリックス間の粒界には黒鉛が密に充填されてお
り、また場合により極く少量のアルミナなどが充填され
ているため、これらの非金属成分の充填により殆ど空孔
がない。
本発明の実施態様として、焼結製品をタービン油、マ
シン油、エンジンオイル、冷凍機油の中に浸漬して含油
させることができる。この場合油は黒鉛中に吸収され、
摺動材料と相手材の摺動面に給油を行って摺動特性を一
層改良する。ここで油が黒鉛中に飽和することにより制
限される含油量上限は約5重量%である。
〔作用〕
従来の銅−グラファイト系摺動材料はアルミナを添加
したものでもしないものでも相手軸(鋼軸及び鋳鉄軸)
を粗す性質があった。このため潤滑条件が境界潤滑にな
りやすく、特に高速摺動条件では耐焼付性が低下してい
た。本発明のようにアルミナの含有量と平均粒径を限定
することによって前記系の摺動材料は相手軸を粗さず、
むしろ相手軸の粗さを細かくし、潤滑条件を流体潤滑に
近付ける作用があることが分かった。
以下、さらに本発明の実施例を説明する。
〔実施例〕
第1表に示される組成の摺動材料を得るように、アト
マイズ銅粉(100メッシュアンダー)、とアルミナ粉を
ボールミルで5時間撹拌した後、これらの混合物と黒鉛
粉をブレンダーで30分撹拌し、さらに適量の有機成型剤
を加え撹拌した。これらの混合物を約5ton/cm2の圧力で
圧粉成型し、H2雰囲気、900℃、1時間の条件で焼結し
た。得られた焼結体を約5ton/cm2の圧力でサイジングし
て、20×30×10mmの寸法とした。
かかる試料を下記条件の耐摩耗性試験および耐焼付性
試験に付した。
耐摩耗性試験 円筒平板式摩擦摩耗試験機 すべり速度:0.21m/s(100rpm) 潤滑油 :灯油どぶづけ 相手軸 :S55C焼入れ、Hv500−600 軸粗さ :0.8±0.1μm 軸受粗さ :1〜2μm 荷重 :10kg/cm2 焼付試験 ピンオンディスク式スラスト試験機 すべり速度:8m/s(1000rpm) 潤滑油 :灯油(パッド給油) 相手軸 :S55C焼入れ、Hv500−600 軸粗さ :0.8±0.1μmRz 軸受粗さ :1〜2μm 荷重 :漸増20kg/15min 試験結果を表1に示す。
表1において比較材25は従来のアルミナ無添加銅−グ
ラファイト摺動材料に該当し、アルミナが添加されてい
ないために耐摩耗性が悪い。この材料は相手軸を削る作
用が大きいアルミナが添加されていないので軸を粗す作
用がないと一見思われるが、試験により軸は粗くなって
いる。これは軸受合金と軸との間でおこる物質の移着お
よび合金化の繰り返しにより軸表面金属が脱落する現象
によると考えられる。
比較材26はアルミナの添加量が多い場合であり、耐摩
耗性は優れているが耐焼付性は悪い。比較材27、28はア
ルミナの添加量が多くかつ平均粒径が大きい場合であ
り、耐摩耗性は優れているが耐焼付性は最悪であり、か
つ焼付試験中に軸が著しく粗れている。
一方本発明の材料では焼付試験中に軸の粗さが細かく
なっており、また耐焼付性と耐摩耗性は良いバランスを
示している。
[発明の効果] 以上説明したように本発明は、高速摺動条件下におけ
る軸受性能が優れた摺動材料を提供するものである。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】1〜10重量%の黒鉛、0.05〜1重量%未満
    の平均粒径が2μm以下のアルミナ、および残部銅から
    なることを特徴とする焼結銅系摺動材料。
  2. 【請求項2】1〜10重量%の黒鉛、0.05〜1重量%未満
    の平均粒径が2μm以下のアルミナ、1〜15重量%のSn
    と1〜30重量%のPbのいずれか一方または両方、残部銅
    からなることを特徴とする焼結銅系摺動材料。
  3. 【請求項3】1〜10重量%の黒鉛、0.05〜1重量%未満
    の平均粒径が2μm以下のアルミナ、1〜15重量%のSn
    と1〜30重量%のPbのいずれか一方または両方、1重量
    %以下のP、残部銅からなることを特徴とする焼結銅系
    摺動材料。
  4. 【請求項4】1〜10重量%の黒鉛、0.05〜1重量%で平
    均粒径が0.5μm以下のアルミナ、1重量%以下のP、
    および残部銅からなることを特徴とする焼結銅系摺動材
    料。
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