JP4188440B2

JP4188440B2 - 摺動特性及び被削性に優れた銅系焼結摺動材料

Info

Publication number: JP4188440B2
Application number: JP28582997A
Authority: JP
Inventors: 俊彦吉良; 裕美横田; 洋一郎北川; 英知佐藤
Original assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Current assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Priority date: 1997-10-17
Filing date: 1997-10-17
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2017-10-17
Also published as: KR100319210B1; KR20000069551A; DE69807848T2; WO1999020806A1; EP0962541B1; US6165246A; EP0962541A4; EP0962541A1; DE69807848D1; JPH11124646A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、銅系焼結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ピストンピンブシュ、オートマチックトランスミッションブシュなどの軸受部品として使用される銅系焼結摺動材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
銅系焼結合金を製造する際に、銅又は銅合金粉末と硬質粉末を混合して焼結して、後者により耐摩耗性向上を図った摺動材料は多数の特許文献にて公表されている。例えば、米国特許第５２７９６３８号では、Cu−Sn合金に、硬質粒子としてFe₂P, Fe₃P, FeB, Fe₂B, Mo, Co, Co 基自溶合金、 Ni 基自溶合金、 SiC, TiC, WC, B₄C, TiN, 立方晶 BN, Si₃N₄, SiO₂, ZrO₂, Al₂O₃, Si−Mn, Cu-Si,及び／又はFeS を添加することにより、表面が粗い摺動相手材に対する耐摩耗性を高めることを提案されている。
【０００３】
また、特開平８−２５０２６号公報は、ＡｌＮは銅系焼結材料との密着性及び摺動特性も良好であり、さらに前段落で列挙した硬質物もＡｌＮより少量ならば添加してもＡｌＮの特性は著しく損なわれず、十分な特性が得られることを開示している。
さらに、再公表公報（Ａ１）ＷＯ９６／２７６８５号にはＡｇ０．１〜２％を含有する銅合金に総量で２０％以下のAl₂O₃,SiC,SiO₂,Fe₃P,AlN,Si₃N₄,TiC,WC,BN,NiB 及び／又はFeB を添加することが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
焼結材料は、焼結表面の粗さが一般に１０〜５０μｍ程度であり、摺動面における潤滑油皮膜の形成に不利であるので、粗さをより小さくする必要がある。この加工は通常バイトを使用した切削加工により行われ、その後必要により砥石による仕上げ加工が行われる。
上記した硬質添加物により摺動材の耐摩耗性は向上したが、焼結合金の表面を切削加工すると、焼結ダイアモンドバイトなどの最高硬度をもつ刃具を使用しても、刃具の摩耗が大きく、刃具寿命が著しく短くなるという問題が新たに発生した。
【０００５】
したがって、本発明は、硬質粒子による優れた摺動特性を保ちつつ切削刃物の寿命の短縮を招かない硬質物添加銅系焼結摺動材料を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前掲特開平８−２５０２６号公報が特徴とするＡｌＮは硬度がＨｖ１３００程度であり、一方Ｆｅ₃ Ｐの硬度はＨｖ８００程度であり、そしてこの公報ではＡｌＮより少量のＦｅ₃Ｐを添加して耐摩耗性を良好にしているが、本発明者のその後の研究によると、ＡｌＮとＦｅ₃Ｐの合計量を一定とした場合、Ｆｅ₃Ｐ量＞ＡｌＮ量であり、Ｆｅ₃ Ｐ平均粒径＞ＡｌＮ平均粒径の関係が成立すると被削性が著しく改善されることを見出し、かつ各種硬質物につき実験を行い、本発明を完成した。本発明は、Ｃｕ又はＣｕ合金からなるマトリックス中にＨｖ１１００〜３５００の高硬度粒子とＨｖ５００〜１０００の中硬度粒子とを分散してなる銅系焼結摺動材料において、中硬度粒子が高硬度粒子より重量割合で多量でありかつ平均粒径が大きいことを特徴とする摺動特性及び被削性に優れた銅系焼結摺動材料である。以下本発明の構成を詳しく説明する。
【０００７】
本発明における高硬度粒子及び中硬度粒子はともに硬質粒子として銅系焼結合金に複合されると、その耐摩耗性が向上する。但し、Ｈｖ１１００以上の高硬度粒子の方がＨｖ１０００以下の中硬度粒子よりも耐摩耗性を高める効果が大きく、一方Ｈｖ１０００以下の中硬度粒子は被削性を悪化させない。しかし中硬度粒子が、顕著に被削性を改善するためには、平均粒径及び添加量が共に高硬度粒子より大きいことが必要である。このように耐摩耗性は硬質粒子の硬度に強い依存性を有し、被削性は硬質粒子の硬度と平均粒径に強い依存性を有するので、本発明ではこれらの因子を請求項１に特定した。
【０００８】
【作用】
次の表は、後述の実施例の方法で、純銅にＡｌＮ（Ｈｖ＝１３００；平均粒径＝８μｍ，１３μｍ）、Ｆｅ₃ Ｐ（Ｈｖ＝８００；平均粒径＝２５μｍ）を複合した焼結銅合金につき前述の両特性を測定した結果を示す。
【０００９】
【表１】

【００１０】
表１における▲１▼，▲５▼と▲２▼，▲３▼，▲４▼の比較よりＡｌＮ粗粒子の存在はバイト摩耗を多くすることが分かる。次に、Ｆｅ₃ Ｐが単独添加された▲２▼及びＡｌＮ微粒子が単独添加された▲３▼は粗粒ＡｌＮが単独添加された▲１▼よりもバイト摩耗が小さくなる。さらに、▲１▼→▲５▼及び▲３▼→▲４▼の関係より、ＡｌＮを減してもＦｅ₃ Ｐを追加添加するとで軸受摩耗が少なくなることが分かる。以上のような傾向から、ＡｌＮ微粒子とＦｅ₃ Ｐが共存すると、バイト摩耗（被削性）を劣化させることなく、軸受の耐摩耗性を向上させることが可能になる。
【００１１】
【発明の実施形態】
本発明においては、高硬度粒子がＡｌＮ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＮｉＢ，Ｆｅ₂ Ｂ，ＳｉＣ，ＴｉＣ，ＷＣ及びＳｉ₃ Ｎ₄ からなる群から選択された少なくとも１種であることが好ましく、中硬度粒子がＦｅ₃ Ｐ，Ｆｅ₂ Ｐ及びＦｅ₃ Ｂからなる群から選択された少なくとも１種であることが好ましい。これらは従来から銅系焼結摺動材料の添加硬質粒子として使用されており、安定した摺動特性を実現しているので、本発明においても好ましく使用することができる。
本発明者は各種粒子の硬度を、銅系焼結材料中にビッカース硬度で測定可能な大きさの粗粒として分散させた粒子につき測定し、実施例の表２、３の値を得た。これらの値は純物質の値とほとんど差がないので、所定の硬度関係が満たされていると、本発明の効果が得られる。よって本発明においては、上記に列挙した物質以外でも所定の硬度をもつ物質の粒子であれば、焼結合金の分散粒子として使用することができる。
高硬度粒子をとしては上記化合物以外にＳｉＯ₂ ，Ｃｒ₂ Ｎ，ＴｉＢ₂ ，ＦｅＢ，ＮｉＢなどがある。高硬度粒子として機能するには硬質（Ｈｖ８００〜９００）の相手軸との摺動において粒子自体が摩耗しないことが重要であり、上記ＳｉＯ₂ などはそのために必要なＨｖ１１００以上の硬さを有している。
一方、中硬度粒子としては上記化合物以外にＴｉＳｉ₂ ，ＺｒＳｉ₂ ，ＮｉＰ，金属間化合物，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｃｏ等の硬質金属やそれらの合金がある。これらの化合物などは被削性を良好にするためのＨｖ１０００以下の硬さを有している。なお、軸受性能の面からは中硬度粒子の粒径は比較的大きい方が好ましい。
【００１２】
さらに、本発明においては、高硬度粒子の添加量が銅系焼結摺動材料全体に対して０．０１〜１５重量％であり、また中硬度粒子の添加量が０．５〜２０重量％であり、これらの範囲において中硬度硬質粒子が高硬度硬質粒子の量より多く調節することが好ましい。これらの添加量の下限未満では焼結摺動材料の耐摩耗性が不足し、一方上限を超えると焼結性が不良になり好ましくない。より好ましくは、高硬度粒子の添加量が銅系焼結摺動材料全体に対して０．１〜５重量％であり、また中硬度粒子の添加量が１〜１０重量％である。
【００１３】
また、本発明において、好ましくは高硬度粒子の平均粒径が０．５μm以上でありまた中硬度粒子の平均粒径が５μm以上である。ここで、高硬度粒子の平均粒径が０．５μm未満であると、添加量一定の場合粒子個数が多くなるに伴い、銅合金中における粒子の均一分布が困難になり、耐摩耗性が低下し、さらに銅合金のもつなじみ性、被凝着性が発揮され難くなるために摺動特性が不良になる。中硬度粒子の平均粒径が５０μ m未満であると、中硬度粒子による耐摩耗性改良効果があまり大きくない。より好ましくは高硬度粒子の平均粒径が０．８μm以上であり、中硬度粒子の平均粒径が８μm以上である。
【００１４】
また、本発明においては、高硬度粒子及び中硬度粒子は上記の平均粒径関係を満たし、加えて好ましくは上限もしくは下限を満たしていれば、個々の粒径は特に規制されない。例えば、高硬度粒子の一部が中硬度粒子の一部より粒径が大きくともよく、また、個々の粒子の粒径も特に制限がないが、過度に粗粒であると、焼結材の強度、被削性の面で好ましくないので、高硬度粒子の平均粒径が３μｍ以下、特に２μｍ以下、また中硬度粒子の平均粒径が５０μｍ以下、特に３０μｍ以下であることが好ましい。
【００１５】
硬質粒子を分散する基地は純銅もしくは銅合金の粒子である。この銅合金は摺動特性が普通に要求される程度以上であるならば、組成は特に限定されない。
例えば、特開平８−２５０２６号で本出願人が開示したように、Ａｇを添加した銅系摺動材料を劣化潤滑油中で摩耗試験した後、摺動面にＡｇとＳが濃縮しており、腐食の進行が停止する。Ａｇが含有されていないとＣｕ、Ｐｂなどと化学的に反応し反応生成物が潤滑油中に溶け出すことにより銅合金の減量がもたらされる。しかしＡｇが含有されているとＳとの化学的反応は起こるが、表面にＡｇ−Ｓ濃縮層が安定的に形成され、その後の腐食は停止する。このＣｕ−Ａｇ系もしくはＣｕ−Ｐｂ−Ａｇ系も本発明で使用でき、そのＡｇの添加量は０．１〜５％（銅合金に対する重量百分率）の範囲が好ましく、より好ましくは０．２〜２％である。又、Ｐｂの添加量（銅合金に対する重量百分率）は２０％以下、が好ましく、より好ましくは１〜１０％である。
【００１６】
さらに、以下の添加元素を銅合金に対する重量百分率で添加することができる。
Ｎｉ：５％を超え５０％以下、好ましくは５〜１５％
Ｓｎ：２０％以下、好ましくは３〜１５％
Ｐ：０．５％以下、好ましくは０．０１〜０．１％
Ａｌ：５％以下、好ましくは０．５〜３％
Ｓｉ：１％以下、好ましくは０．１〜０．５％
Ｂｉ：１％以下、好ましくは０．１〜０．５％
Ｍｎ：５％以下、好ましくは０．５〜３％
Ｚｎ：３０％以下、好ましくは５〜２５％
Ｆｅ：１０％以下、好ましくは１〜５％
Ｓｂ：１％以下、好ましくは０．１〜０．５％
但し、添加総量は５０％以下である。これらの元素の内でＮｉ，Ｚｎは銅の耐硫化抵抗を高めることにより劣化潤滑油中での耐食性を向上する。Ｐｂ、Ｓｂは軟質成分としてなじみ性を付与し、Ｐ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｓｂは銅基地を硬化し耐摩耗性を高める。
【００１７】
なお、純銅−ＡｌＮ−Ｆｅ₃ Ｐの組み合わせからなる系も勿論実用可能である。この系は軟質金属であるＰｂ，Ｓｎを含有していないが摺動特性は、潤滑条件が比較的良好であるならば、ケルメット級以上に良好である。
【００１８】
銅又は銅合金粒子は、一般のアトマイズ粉、破砕粉、電解粉などであってよく、これらの粒径は一般的なものであり、特に平均粒径が１０〜１００μｍのものを好ましく使用することができる。
【００１９】
以下、本発明にかかる焼結摺動材料の製造方法を説明する。この方法は本出願人の米国特許明細書第５２７９６３８号のカラム３、第２１行〜２８行に記載された一般的な方法と基本的には同じである。ただし、窒化アルミなどが銅（合金）粉末よりも比重が約１／２未満であるために、前者と後者を均一に分散するためにはＶ型ブレンダーの回転数を低くしてゆっくりと攪拌を行う点が大切である。
銅（合金）粉末と硬質粒子の混合粉は厚みを約１ｍｍ〜数ｍｍ程度に散布し、そのままの状態あるいは表面厚さの不均一状態を多少ならす程度に軽く圧力をかけるが実質的に無加圧状態のままの粉末を焼結する。その後、厚みを約５０〜７０％減少させるロール圧下を行いさらに２回目の焼結を行うことが好ましい。なお焼結は好ましくは７００〜９００℃で還元性雰囲気で行う。
必要により、焼結材料の焼結空孔に樹脂を含浸して摺動特性をより良好にすることもできる。
以下、実施例により本発明をより詳しく説明する。
【００２０】
【実施例】
実施例１
図１（表２−１）、図２（表２−２）及び図３（表２−３）に示す高硬度粒子（ＡｌＮ）、中硬度粒子（Ｆｅ₃ Ｐ）及び銅もしくは銅合金粉末をＶ型混合機により十分に混合した。銅粉末及び銅合金粉末は平均粒径が４０μｍのアトマイズ粉である。これらの混合粉末を板厚が２ｍｍの鋼板に厚み１．３ｍｍに散布し、その後８９０℃で第１焼結を行った。続いて、厚さ減少率が５０％で圧延を行った。その後さらに、８９０℃で第２焼結を行った。表面仕上げとして焼結ダイアモンド刃具により表面の粗さを２μｍとした。
【００２１】
この焼結材料につき以下の試験を行った。
円筒／平板式摩擦摩耗試験
（１）供試材：上記の焼結材料の平板状軸受
（２）相手材：直径４０ｍｍの円筒；材質ＪＩＳＳＣＭ４２０Ｈ、表面粗さ１μｍ
（３）荷重：９８Ｎ
（４）潤滑：流動パラフィン
（５）摺動距離：１８００ｍ
【００２２】
切削試験
焼結ダイアモンド刃具（刃先Ｒ０．４ｍｍ）を使用したＮＣ旋盤で上記焼結材料の平板状軸受を合計２０ｋｍ切削してバイトの摩耗量を測定した。切削条件は：切削速度−１６０ｍ／ｍｉｎ；送り速度０．０３ｍｍ／ｒｅｖ；無潤滑であった。
【００２３】
これらの試験の結果を図１，２，３に示す。なお、表に記された「粒径」は平均粒径を意味し、各粒子の最大粒径は次のとおりである。ＡｌＮ：平均粒径０．５μｍ−最大粒径３μｍ、平均粒径１．３μｍ−最大粒径６μｍ、平均粒径２．１μｍ−最大粒径１０μｍ、平均粒径３μｍ−最大粒径１５μｍ、平均粒径８μｍ−最大粒径２５μｍ。Ｆｅ₃ Ｐ；平均粒径５μｍ−最大粒径３０μｍ、平均粒径２５μｍ−最大粒径１００μｍ、平均粒径５０μｍ−最大粒径１５０μｍである。
【００２４】
表１−１，２，３において、比較例Ｅの銅系焼結材料は耐摩耗性は不良であるが被削性は良好である。これに対してＡｌＮを添加すると耐摩耗性が著しく良好になるが被削性が著しく悪化しており（比較例Ａ〜Ｃ）、Ｆｅ₃ Ｐを添加するとＡｌＮ添加と同様の傾向が現れるが耐摩耗性向上の結果は顕著でなはなく、被削性は良好である。
これに対して本発明実施例Ｎｏ．１〜３０では耐摩耗性及び被削性共に良好になっている。
【００２５】
実施例２
高硬度粒子及び中硬度粒子の組み合わせを種々変えて実施例１と同様に試験を行った。その結果を示す図３（表３−１）及び図４（表３−２）に示す。
この表からも本発明実施例Ｎｏ．３１〜５２では耐摩耗性及び被削性共に良好になっていることが分かる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、硬質粒子を分散させた焼結銅合金摺動材料において、耐摩耗性とバイトの摩耗量で測定される被削性を優れたレベルで両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における焼結摺動材料の構成、耐摩耗性及び被削性を示す図表（表２−１）である。
【図２】実施例１における焼結摺動材料の構成、耐摩耗性及び被削性を示す図表（表２−２）である。
【図３】実施例１における焼結摺動材料の構成、耐摩耗性及び被削性を示す図表（表２−３）である。
【図４】実施例２における焼結摺動材料の構成、耐摩耗性及び被削性を示す図表（表３−１）である。
【図５】実施例２における焼結摺動材料の構成、耐摩耗性及び被削性を示す図表（表３−２）である。

Claims

焼結Cu又はCu合金からなるマトリックス中に Hv１１００〜３５００の高硬度粒子と Hv５００〜１０００の中硬度粒子を分散してなる銅系焼結摺動材料において、前記中硬度粒子が前記高硬度粒子より重量割合で多量でありかつ平均粒径が大きいことを特徴とする摺動特性及び被削性に優れた銅系焼結摺動材料。
前記高硬度粒子がＡｌＮ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＮｉＢ，Ｆｅ₂ Ｂ，ＳｉＣ，ＴｉＣ，ＷＣ及びＳｉ₃ Ｎ₄からなる群から選択された少なくとも１種からなり、また前記中硬度粒子がＦｅ₃Ｐ，Ｆｅ₂Ｐ及びＦｅ₃Ｂからなる群から選択された少なくとも１種であることを特徴とする請求項１記載の摺動特性及び被削性に優れた銅系焼結摺動材料。
銅系焼結摺動材料全体に対して、前記高硬度粒子の添加量が０．０１〜１５重量％であり、また前記中硬度粒子の添加量が０．５〜２０重量％であることを特徴とする請求項１又は２記載の摺動特性及び被削性に優れた銅系焼結摺動材料。
前記高硬度粒子の平均粒径が０．５μｍ以上であり、また前記中硬度粒子の平均粒径が５０μｍ以下であることを特徴とする請求項３記載の摺動特性及び被削性に優れた銅系焼結摺動材料。
前記高硬度粒子の平均粒径が３μｍ以下であり、また前記中硬度粒子の平均粒径が５μｍ以上であることを特徴とする請求項４記載の摺動特性及び被削性に優れた銅系焼結摺動材料。
Ｃｕ合金が０．１〜５重量％のＡｇを含有する請求項１から５までの何れか１項記載の摺動特性及び被削性に優れた銅系焼結摺動材料。
Ｃｕ合金が、重量百分率で、
Ｐｂ：２０％以下、
Ｎｉ：１％を超え５０％以下、
Ｓｎ：２０％以下、
Ｐ：０．５％以下、
Ａｌ：５％以下、
Ｓｉ：１％以下、
Ｂｉ：１％以下、
Ｍｎ：５％以下、
Ｚｎ：３０％以下、
Ｆｅ：１０％以下、
Ｓｂ：１％以下、の１種又は２種以上を，総量で５０％以下含有する
請求項１から６までの何れか１項記載の摺動特性及び被削性に優れた銅系焼結摺動材料。
無加圧状態でもしくは実質的に無加圧状態で裏金上に焼結されたことを特徴とする請求項１から７までの何れか１項記載の摺動特性及び被削性に優れた銅系焼結摺動材料。