JP3835915B2 - 銅基焼結軸受材料およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車、船舶、一般産業機械などに好適に用いられる銅基軸受材料およびその製造方法に係り、特に、トラック用リーフスプリングブッシュや射出成形機用タイバーブッシュなどのように、過酷な条件で使用される軸受用の銅基軸受材料およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような用途に用いるブッシュとしては、従来、鋼製焼入ブッシュ、砲金製ブッシュなどが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の鋼製焼入れブッシュや砲金製ブッシュは、安価で強度が高いという利点を有する反面、摩擦係数が高く、耐焼付性、耐摩耗性が問題となり、これらの欠点を解決するべく相手軸との摺動部に強制的に潤滑油を供給する強制給油を行って用いているのが実情である。ところで、近年、環境改善や大幅なコストダウンを目的として、上記用途に使用されるブッシュにおいては、無給油ないし含油軸受の使用が望まれている。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたもので、摺動特性（低摩擦抵抗）および耐凝着性に優れ、過酷な使用条件においても使用可能な銅基焼結軸受材料とその製造方法を提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、耐摩耗性と耐凝着性が良好なＣｕ−１０Ｚｎ−７．５Ｓｎ系焼結合金に着目し、この合金のマトリックスを強化するためにＡｌを５重量％程度添加したところ、強度の高いＣｕ−Ｚｎ−Ａｌのα固溶体に、非常に硬質なＳｎ−Ａｌ合金相が網目状に析出し、パーライトのような組織を呈することを見い出した。本来、Ｓｎは、Ｃｕ，Ｚｎとともにα固溶体を構成する元素であるが、Ａｌの存在によってその一部がα固溶体から抽出され、Ａｌと結合して析出したものと考えられる。ただし、これはあくまでも推定であって、かかる作用の有無により本発明が限定されないことは言うまでもない。また、上記したＡｌの添加量やＳｎ−Ａｌ合金相の組織の形態もあくまでも一例である。そして、本発明者等は、さらにマトリックス中に自己潤滑性に優れた黒鉛を分散させることによって、マトリックスの強化と相まって摺動特性および耐摩耗性が大幅に向上することを見い出した。
【０００５】
本発明は、上記した知見に基づいてなされたもので、鋼製裏金の表面に、重量比でＺｎ：１０〜３０％、Ｓｎ：３〜１０％、Ａｌ：２〜２０％、黒鉛：３〜１０％、残部Ｃｕおよび不可避不純物からなる焼結合金を一体的に設けたことを特徴としている。以下、上記数値限定の根拠について説明する。ただし、以下の説明において「％」は全て「重量％」を言うものとする。
【０００６】
Ｚｎ：１０〜３０％
ＺｎはＣｕと固溶体を形成してマトリックスを強化し、合金の耐摩耗性を向上させるとともに、劣化油に対する耐食性を向上させる。Ｚｎの含有量は、１０％未満であるとそのような効果が不充分となり、３０％を超えて含有すると合金が脆化する。
Ｓｎ：３〜１０％
ＳｎはＺｎとともにＣｕと固溶体を形成してマトリックスを強化し、合金の耐摩耗性を向上させる。Ｓｎの含有量は、３％未満であるとそのような効果が不充分となり、１０％を超えて含有すると合金が脆化する。
【０００７】
Ａｌ：２〜２０％
ＡｌはＺｎと同じ添加効果を発揮し、しかもＺｎよりも少量で効果が生じる（すなわち、亜鉛当量が大きい）。一方、Ｚｎの含有量を増やすとβ相の析出により材料が脆化するが、Ａｌを添加することでＺｎの含有量を少なくして脆化を抑制することができる。また、Ａｌの一部はＣｕ−Ｚｎマトリックス中に固溶してＣｕ−Ｚｎ−Ａｌ固溶体を形成し、一部は前述のようにＳｎと結合して非常に硬質なＳｎ−Ａｌ合金相として析出する。Ａｌの含有量が少ない場合には、Ｓｎ−Ａｌ合金相は網目状であるが、Ａｌの含有量が増えるにしたがってＳｎ−Ａｌ合金相の占める割合が増加して塊状となる。つまり、Ａｌの含有量が増加するにしたがって、マトリックスの硬度が高くなり、耐摩耗性が向上する。Ａｌの含有量は、２％未満では上記したような効果が充分ではなく、２０％を超えて含有すると合金が脆化する。また、後述するように、裏金に焼結合金を設けて曲げ加工等を行うような場合には、加工性を向上させるためにＡｌの含有量は１０％以下であることが望ましく、５％以下であればさらに好適である。
【０００８】
黒鉛：３〜１０％
黒鉛は、マトリックス中に機械的に分散し、固体潤滑剤として作用する。さらに、黒鉛は油との親和性に富み、境界潤滑領域下においてその効果を発揮する。黒鉛の含有量は、３％未満であると潤滑効果が充分ではなく、１０％を超えて含有するとマトリックスの強度が低下する。
【０００９】
次に、本発明の銅基焼結軸受材料を製造するには、鋼製裏金または表面に銅メッキを有する鋼製裏金の表面に、混合粉末を散布し、これら全体を焼結して焼結合金に圧延加工を施す。以下、本発明のより好適な実施の形態について説明する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の銅基焼結軸受材料には、以下の潤滑成分を含有させるとさらに耐凝着性および摺動特性（低摩擦抵抗）を向上させることができる。
Ｐｂ：２〜５％
ＰｂはＣｕにほとんど固溶せず、マトリックス中に軟質金属として分散し、耐凝着性の向上に寄与する。Ｐｂの含有量は、２％未満であるとそのような効果が不充分となり、５％を超えて含有すると材料の硬さが低下する。
【００１１】
また、ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＢＮのいずれか１種または２種以上を合計で３〜７％含有させることによって摺動特性をさらに向上させることができる。特に、ＭｏＳ２はマトリックス中に分散し、潤滑油と相乗的に働いて摺動特性を向上させるので好適である。ただし、上記潤滑成分の含有量が７％を上回ると材料の強度が低下する。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明を具体的な実施例によりより詳細に説明する。
黄銅系原料粉末または青銅系粉末を混合し、混合粉末を金型内に充填して４ton／ｃｍ２の圧力で一辺が３０ｍｍ、厚さ５ｍｍの方形の圧粉体を形成した。次に、圧粉体を還元雰囲気中にて７８０〜８００℃で３０〜４０分間焼結し、これに含油処理を施して複数種類の比較例の試料Ｎｏ．１，２と、参考例の試料Ｎｏ．６〜２３を作製した。また、比較例の試料Ｎｏ．３、本発明例の試料Ｎｏ．４，Ｎｏ．５は、後述するように裏金の上に原料粉末を散布して焼結し、圧延加工を施したクラッド材であり、これを焼結バイメタル、他の焼結体のみからなる試料を焼結ソリッドと称して区別する。なお、参考例６〜２３は、成分が本発明の範囲内である焼結ソリッドである。これら試料の成分を表１に示す。また、各試料の焼結後の密度、硬さ、および含油率（焼結バイメタルＮｏ．３を除く）を表２に示す。
【００１３】
【表１】
【００１４】
【表２】
【００１５】
表２から判るように、含油率は本発明例は比較例と同等以上であるため、含油軸受としての機能を備えている。一方、硬さは、比較例と較べて本発明例の方が総じて高く、マトリックスがＳｎ−Ａｌ合金相により強化されていることが判る。そして、この硬さの上昇により、本発明例では、以下に示すように耐摩耗性が著しく向上される。
【００１６】
上記焼結ソリッドのうちＮｏ．１，Ｎｏ．７，Ｎｏ．９，Ｎｏ．１１，Ｎｏ．２２および焼結バイメタルＮｏ．３，Ｎｏ．４を用いてスラスト摩擦試験を実施した。図１は、スラスト摩擦試験の概略を示すもので、焼結ソリッドまたは焼結バイメタルに円筒状の相手試験片を押圧し、相手試験片を回転させて試料の摩耗量（深さ）を測定するようになっている。本実施例では、相手試験片としてＳＵＳ３０４材を用い、試験の開始前にリチウム系グリースを相手試験片表面に僅かに塗布して、加圧力５０ｋｇｆ／ｃｍ２、摩擦速度４ｍ／minの条件で２０時間行った。
【００１７】
図２に各試料の摩耗量を示す。比較例の焼結ソリッドＮｏ．１と焼結バイメタルＮｏ．３では、摩耗量がそれぞれ０．０５８ｍｍと０．０３３ｍｍであるのに対し、本発明の焼結バイメタルＮｏ．４では０．０１３ｍｍであり、摩耗が極めて少ないことが判る。
以上のように、本発明では摺動特性および耐摩耗性が著しく改善され、焼付き等が発生する心配は皆無であることが確認された。
【００１８】
［実施例２］
Ａｌ粉末および黄銅系原料粉末を混合し、この混合粉末をＣｕメッキが施された鋼板上に所定層厚となるように均一に散布し、これを還元雰囲気中にて７８０〜８００℃で１０〜３０分間焼結した。次に、このようにして得られた焼結板の焼結層を圧延ロールにて緻密化し、さらに二次焼結を行って焼結層の厚さが２．０ｍｍ、全体の厚さが３．０ｍｍの表１のＮｏ．４に示す組成を有する焼結バイメタルを作製した。この焼結バイメタルを曲げ加工して内径４０ｍｍ、外径４６ｍｍ、長さ３０ｍｍの軸受ブッシュを作製した。そして、この軸受ブッシュを用いてジャーナル摩擦試験を行った。
【００１９】
図３は、ジャーナル摩擦試験の概略を示すもので、軸受ブッシュに軸を貫通させ、軸受ブッシュに上方へ向かう荷重をかけながら軸を所定時間回転させ、摩擦係数の経時変化と軸受ブッシュの摩耗量（深さ）とを測定するようになっている。本実施例では、加圧力を１００ｋｇｆ／ｃｍ2、摩擦速度５ｍ／ｍｉｎの条件で１００時間行った。このジャーナル摩擦試験においても、摩耗量は極めて僅かであり、摩擦係数は０．０５程度で安定していた。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、摺動特性および耐摩耗性に優れるとともに耐凝着性に優れ、過酷な使用条件においても無給油で焼付き等が発生することがなく、たとえばトラック用リーフスプリングブッシュなどの用途にも充分に軸受性能を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 スラスト摩擦試験の概要を示す図である。
【図２】 スラスト摩擦試験における摩擦量を示す線図である。
【図３】 ジャーナル摩擦試験の概要を示す図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車、船舶、一般産業機械などに好適に用いられる銅基軸受材料およびその製造方法に係り、特に、トラック用リーフスプリングブッシュや射出成形機用タイバーブッシュなどのように、過酷な条件で使用される軸受用の銅基軸受材料およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような用途に用いるブッシュとしては、従来、鋼製焼入ブッシュ、砲金製ブッシュなどが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の鋼製焼入れブッシュや砲金製ブッシュは、安価で強度が高いという利点を有する反面、摩擦係数が高く、耐焼付性、耐摩耗性が問題となり、これらの欠点を解決するべく相手軸との摺動部に強制的に潤滑油を供給する強制給油を行って用いているのが実情である。ところで、近年、環境改善や大幅なコストダウンを目的として、上記用途に使用されるブッシュにおいては、無給油ないし含油軸受の使用が望まれている。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたもので、摺動特性（低摩擦抵抗）および耐凝着性に優れ、過酷な使用条件においても使用可能な銅基焼結軸受材料とその製造方法を提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、耐摩耗性と耐凝着性が良好なＣｕ−１０Ｚｎ−７．５Ｓｎ系焼結合金に着目し、この合金のマトリックスを強化するためにＡｌを５重量％程度添加したところ、強度の高いＣｕ−Ｚｎ−Ａｌのα固溶体に、非常に硬質なＳｎ−Ａｌ合金相が網目状に析出し、パーライトのような組織を呈することを見い出した。本来、Ｓｎは、Ｃｕ，Ｚｎとともにα固溶体を構成する元素であるが、Ａｌの存在によってその一部がα固溶体から抽出され、Ａｌと結合して析出したものと考えられる。ただし、これはあくまでも推定であって、かかる作用の有無により本発明が限定されないことは言うまでもない。また、上記したＡｌの添加量やＳｎ−Ａｌ合金相の組織の形態もあくまでも一例である。そして、本発明者等は、さらにマトリックス中に自己潤滑性に優れた黒鉛を分散させることによって、マトリックスの強化と相まって摺動特性および耐摩耗性が大幅に向上することを見い出した。
【０００５】
本発明は、上記した知見に基づいてなされたもので、鋼製裏金の表面に、重量比でＺｎ：１０〜３０％、Ｓｎ：３〜１０％、Ａｌ：２〜２０％、黒鉛：３〜１０％、残部Ｃｕおよび不可避不純物からなる焼結合金を一体的に設けたことを特徴としている。以下、上記数値限定の根拠について説明する。ただし、以下の説明において「％」は全て「重量％」を言うものとする。
【０００６】
Ｚｎ：１０〜３０％
ＺｎはＣｕと固溶体を形成してマトリックスを強化し、合金の耐摩耗性を向上させるとともに、劣化油に対する耐食性を向上させる。Ｚｎの含有量は、１０％未満であるとそのような効果が不充分となり、３０％を超えて含有すると合金が脆化する。
Ｓｎ：３〜１０％
ＳｎはＺｎとともにＣｕと固溶体を形成してマトリックスを強化し、合金の耐摩耗性を向上させる。Ｓｎの含有量は、３％未満であるとそのような効果が不充分となり、１０％を超えて含有すると合金が脆化する。
【０００７】
Ａｌ：２〜２０％
ＡｌはＺｎと同じ添加効果を発揮し、しかもＺｎよりも少量で効果が生じる（すなわち、亜鉛当量が大きい）。一方、Ｚｎの含有量を増やすとβ相の析出により材料が脆化するが、Ａｌを添加することでＺｎの含有量を少なくして脆化を抑制することができる。また、Ａｌの一部はＣｕ−Ｚｎマトリックス中に固溶してＣｕ−Ｚｎ−Ａｌ固溶体を形成し、一部は前述のようにＳｎと結合して非常に硬質なＳｎ−Ａｌ合金相として析出する。Ａｌの含有量が少ない場合には、Ｓｎ−Ａｌ合金相は網目状であるが、Ａｌの含有量が増えるにしたがってＳｎ−Ａｌ合金相の占める割合が増加して塊状となる。つまり、Ａｌの含有量が増加するにしたがって、マトリックスの硬度が高くなり、耐摩耗性が向上する。Ａｌの含有量は、２％未満では上記したような効果が充分ではなく、２０％を超えて含有すると合金が脆化する。また、後述するように、裏金に焼結合金を設けて曲げ加工等を行うような場合には、加工性を向上させるためにＡｌの含有量は１０％以下であることが望ましく、５％以下であればさらに好適である。
【０００８】
黒鉛：３〜１０％
黒鉛は、マトリックス中に機械的に分散し、固体潤滑剤として作用する。さらに、黒鉛は油との親和性に富み、境界潤滑領域下においてその効果を発揮する。黒鉛の含有量は、３％未満であると潤滑効果が充分ではなく、１０％を超えて含有するとマトリックスの強度が低下する。
【０００９】
次に、本発明の銅基焼結軸受材料を製造するには、鋼製裏金または表面に銅メッキを有する鋼製裏金の表面に、混合粉末を散布し、これら全体を焼結して焼結合金に圧延加工を施す。以下、本発明のより好適な実施の形態について説明する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の銅基焼結軸受材料には、以下の潤滑成分を含有させるとさらに耐凝着性および摺動特性（低摩擦抵抗）を向上させることができる。
Ｐｂ：２〜５％
ＰｂはＣｕにほとんど固溶せず、マトリックス中に軟質金属として分散し、耐凝着性の向上に寄与する。Ｐｂの含有量は、２％未満であるとそのような効果が不充分となり、５％を超えて含有すると材料の硬さが低下する。
【００１１】
また、ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＢＮのいずれか１種または２種以上を合計で３〜７％含有させることによって摺動特性をさらに向上させることができる。特に、ＭｏＳ２はマトリックス中に分散し、潤滑油と相乗的に働いて摺動特性を向上させるので好適である。ただし、上記潤滑成分の含有量が７％を上回ると材料の強度が低下する。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明を具体的な実施例によりより詳細に説明する。
黄銅系原料粉末または青銅系粉末を混合し、混合粉末を金型内に充填して４ton／ｃｍ２の圧力で一辺が３０ｍｍ、厚さ５ｍｍの方形の圧粉体を形成した。次に、圧粉体を還元雰囲気中にて７８０〜８００℃で３０〜４０分間焼結し、これに含油処理を施して複数種類の比較例の試料Ｎｏ．１，２と、参考例の試料Ｎｏ．６〜２３を作製した。また、比較例の試料Ｎｏ．３、本発明例の試料Ｎｏ．４，Ｎｏ．５は、後述するように裏金の上に原料粉末を散布して焼結し、圧延加工を施したクラッド材であり、これを焼結バイメタル、他の焼結体のみからなる試料を焼結ソリッドと称して区別する。なお、参考例６〜２３は、成分が本発明の範囲内である焼結ソリッドである。これら試料の成分を表１に示す。また、各試料の焼結後の密度、硬さ、および含油率（焼結バイメタルＮｏ．３を除く）を表２に示す。
【００１３】
【表１】
【表２】
表２から判るように、含油率は本発明例は比較例と同等以上であるため、含油軸受としての機能を備えている。一方、硬さは、比較例と較べて本発明例の方が総じて高く、マトリックスがＳｎ−Ａｌ合金相により強化されていることが判る。そして、この硬さの上昇により、本発明例では、以下に示すように耐摩耗性が著しく向上される。
【００１６】
上記焼結ソリッドのうちＮｏ．１，Ｎｏ．７，Ｎｏ．９，Ｎｏ．１１，Ｎｏ．２２および焼結バイメタルＮｏ．３，Ｎｏ．４を用いてスラスト摩擦試験を実施した。図１は、スラスト摩擦試験の概略を示すもので、焼結ソリッドまたは焼結バイメタルに円筒状の相手試験片を押圧し、相手試験片を回転させて試料の摩耗量（深さ）を測定するようになっている。本実施例では、相手試験片としてＳＵＳ３０４材を用い、試験の開始前にリチウム系グリースを相手試験片表面に僅かに塗布して、加圧力５０ｋｇｆ／ｃｍ２、摩擦速度４ｍ／minの条件で２０時間行った。
【００１７】
図２に各試料の摩耗量を示す。比較例の焼結ソリッドＮｏ．１と焼結バイメタルＮｏ．３では、摩耗量がそれぞれ０．０５８ｍｍと０．０３３ｍｍであるのに対し、本発明の焼結バイメタルＮｏ．４では０．０１３ｍｍであり、摩耗が極めて少ないことが判る。
以上のように、本発明では摺動特性および耐摩耗性が著しく改善され、焼付き等が発生する心配は皆無であることが確認された。
【００１８】
［実施例２］
Ａｌ粉末および黄銅系原料粉末を混合し、この混合粉末をＣｕメッキが施された鋼板上に所定層厚となるように均一に散布し、これを還元雰囲気中にて７８０〜８００℃で１０〜３０分間焼結した。次に、このようにして得られた焼結板の焼結層を圧延ロールにて緻密化し、さらに二次焼結を行って焼結層の厚さが２．０ｍｍ、全体の厚さが３．０ｍｍの表１のＮｏ．４に示す組成を有する焼結バイメタルを作製した。この焼結バイメタルを曲げ加工して内径４０ｍｍ、外径４６ｍｍ、長さ３０ｍｍの軸受ブッシュを作製した。そして、この軸受ブッシュを用いてジャーナル摩擦試験を行った。
【００１９】
図３は、ジャーナル摩擦試験の概略を示すもので、軸受ブッシュに軸を貫通させ、軸受ブッシュに上方へ向かう荷重をかけながら軸を所定時間回転させ、摩擦係数の経時変化と軸受ブッシュの摩耗量（深さ）とを測定するようになっている。本実施例では、加圧力を１００ｋｇｆ／ｃｍ2、摩擦速度５ｍ／ｍｉｎの条件で１００時間行った。このジャーナル摩擦試験においても、摩耗量は極めて僅かであり、摩擦係数は０．０５程度で安定していた。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、摺動特性および耐摩耗性に優れるとともに耐凝着性に優れ、過酷な使用条件においても無給油で焼付き等が発生することがなく、たとえばトラック用リーフスプリングブッシュなどの用途にも充分に軸受性能を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 スラスト摩擦試験の概要を示す図である。
【図２】 スラスト摩擦試験における摩擦量を示す線図である。
【図３】 ジャーナル摩擦試験の概要を示す図である。
Claims (4)
- 鋼製裏金の表面に、重量比でＺｎ：１０〜３０％、Ｓｎ：３〜１０％、Ａｌ：２〜２０％、黒鉛：３〜１０％、残部Ｃｕおよび不可避不純物からなる焼結合金を一体的に設けたことを特徴とする銅基焼結軸受材料。
- Ｐｂを２〜５重量％含有することを特徴とする請求項１に記載の銅基焼結軸受材料。
- ＭｏＳ２，ＷＳ２，ＢＮの１種もしくは２種以上を３〜７重量％含有することを特徴とする請求項１または２に記載の銅基焼結軸受材料。
- 請求項１〜３のいずれかに記載の焼結合金を摺動材部材として有する銅基焼結軸受材料の製造方法であって、鋼製裏金の表面に、混合粉末を散布して全体を焼結し、次いで、焼結合金に圧延加工を施すことを特徴とする銅基軸受材料の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP36826397A JP3835915B2 (ja) | 1997-12-26 | 1997-12-26 | 銅基焼結軸受材料およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP36826397A JP3835915B2 (ja) | 1997-12-26 | 1997-12-26 | 銅基焼結軸受材料およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11193427A JPH11193427A (ja) | 1999-07-21 |
| JP3835915B2 true JP3835915B2 (ja) | 2006-10-18 |
Family
ID=18491374
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP36826397A Expired - Fee Related JP3835915B2 (ja) | 1997-12-26 | 1997-12-26 | 銅基焼結軸受材料およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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Families Citing this family (5)
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| JP6522301B2 (ja) * | 2013-09-13 | 2019-05-29 | Ntn株式会社 | Ｅｇｒバルブ用焼結軸受およびその製造方法 |
| CN103909270B (zh) * | 2013-12-19 | 2016-01-20 | 浙江中达精密部件股份有限公司 | 高性能粉末冶金含油轴承及其制作方法 |
| CN112301253A (zh) * | 2020-10-10 | 2021-02-02 | 福建联其新材料有限公司 | 一种钛青铜材料及利用其制作合金板材的方法 |
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1997
- 1997-12-26 JP JP36826397A patent/JP3835915B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11193427A (ja) | 1999-07-21 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 19980302 |
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| A621 | Written request for application examination |
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