JP4658269B2 - 摺動部材用銅合金 - Google Patents

Description

この発明は、摺動部材に用いる、鉛を主な成分として含まない銅合金に関する。

従来、軸受などの摺動部を有する摺動部材には、ＣＡＣ６０３を初めとする、鉛を含む銅合金が使用されていた。このような銅合金では、鉛が摺動性に大きく寄与しており、良好な摺動特性が得られている。しかし、鉛は場合によっては人体への影響が大きい場合があるので、鉛の使用は出来る限り控える事が望ましく、多くの鉛フリー銅合金が摺動部材用に検討されている。

例えば、特許文献１には、固体潤滑剤であるＭｏＳ_２と、凝着性能を高める酸化モリブデンと、材料硬度を下げて摺動性を良好にする硫化銅を含み、スズを２０％以下、リンを０．５％以下含む鉛フリーの銅合金が記載されている。ただし、ＭｏＳ_２は固体潤滑剤としての性能が高いが、焼結などの作業時に酸化されることでＭｏＯ_３が生じて摺動特性が低下してしまう場合がある。

これに対して、メッキしたＭｏＳ_２粒子を用いて銅合金複合材を焼結することにより、焼結工程でのＭｏＳ_２の酸化を防いだ摺動材が特許文献２に記載されている。また、ＭｏＳ_２やＷＳ_２を含む銅合金にＣｕＳ、Ｃｕ_２Ｓ，ＺｎＳ、ＡｇＳ、Ｋ_２Ｓ、ＣａＳ、ＦｅＳなどを複合させることで、強度の低下を抑えつつ、潤滑性能を確保した摺動材が特許文献３に記載されている。

また、特許文献４には、Ｎｉ（５〜４０％）−Ｍｎ（２〜２０％）−Ｓ（０．５〜５％）−Ｃｕ合金に、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｐ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｂｅ、Ｆｅなどを選択して添加した、鉛フリーの摺動部材用銅合金が記載されている。さらに、特許文献５には、Ｎｉ（５〜４０％）−Ｚｒ（２〜１０％）−Ｓ（０．５〜５％）−Ｃｕ合金に、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｐ、Ａｌ、Ｆｅなどを選択して添加した、鉛フリーの摺動部材用銅合金が記載されている。これらは、主にＭｎＳ又はＺｒＳ_２により潤滑作用を発揮するとともに、Ｎｉを含有することでＳを合金中に固溶させ、潤滑作用を発揮するＭｎＳ又はＺｒＳ_２を均一に分散させるものである。

さらにまた、特許文献６には、ＦｅＭｏＳ合金焼結体とＭｏＳ_２化合物とを固体潤滑作用を示す物質として含有し、マトリックス材料としてＣｕの一部をスズとＺｎで置き換えることで低温度での焼結を行い、潤滑性に寄与するＭｏＳ相の生成が硫化鉄によって妨げられることを防ぐ、低摩擦合金用の粉末が記載されている。

一方、特許文献７には、Ａｇを含有する銅合金に、固体潤滑剤となるＭｏＳ_２、ＷＳ_２とともにグラファイトを用いた銅合金系摺動材料が記載されている。

特開２００６−３７１７８号公報 特開２００６−３７１７９号公報 特開２００６−３７１８０号公報 特開２００５−１３３１３０号公報 特開２００５−２２０３８５号公報 特開２００３−７３７５８号公報 特許第３３７０７８９号公報

しかしながら、二硫化モリブデンは、製造中に酸化するだけでなく、完成した摺動材の摺動時にも酸化して硫黄を発生させ、周囲の金属を傷めてしまうので、特許文献１の摺動材だけでなく、特許文献２、３及び６の摺動材でも、摺動性能が徐々に低下する場合があり、出来るだけ含有しないことが望ましかった。

また、特許文献３や特許文献７に記載の材料のように、銀を含む材料であると、固体潤滑材料だけではなく、硫黄を多く含む潤滑油と併用しなければならなかった。

さらに、特許文献４及び５の合金では、含有するＭｎやＺｒが硫黄と硫化物を形成しやすく、この硫化物が浮上分離しやすいという問題点を有する。それを防ぐために多くのニッケルを添加しているが、ニッケルを含むことで硬度が上がりやすく、摺動部材としては適切な硬度を維持できなくなる場合があった。

また、グラファイトは銅合金に固溶せず、マトリックス中に保持される力が弱いので、特許文献７に記載の材料では、摺動中にグラファイト粒子が脱落するおそれがあった。

そこでこの発明は、有害となりうる鉛や酸化による劣化を起こしうる二硫化モリブデンを使用せず、かつ、硬度を上げてしまうニッケルの添加が必要となるマンガンやジルコニウムを使用せず、さらに、グラファイトの脱落も起こさないようＣを含まないで、高い摺動性を発揮する摺動材用銅合金を提供することを目的とする。

この発明は、鉄を０．３質量％以上６．０質量％以下、スズを３．０質量％以上１６．０質量％以下、硫黄を０．３質量％以上３．０質量％以下含有し、残分が銅と残余成分である摺動部材用銅合金により、上記の課題を解決したのである。

上記の含有量を規定した元素以外の残余成分は、いずれも意図的に添加する原料としては使用せず、その含有量を不純物として含まれる不可避の含有率以下とする。これにより、鉛による害や、二硫化モリブデンに由来するモリブデン酸化物による金属の劣化も防ぐ。また、その他に、マンガン及びジルコニウムの含有量を不純物としての量以下にすることで、硬度を上昇させることになるニッケルを含有させる必要性を無くした。また、銀の含有量を不純物としての量以下にすることで、潤滑油を併用する必要を無くし、グラファイトの脱落を起こす炭素の含有量も不純物として含まれる程度以下とした。

この発明にかかる銅合金を用いて摺動部材を製造すると、鉛を主な成分として用いない、いわゆる鉛フリーの素材でありながら高い摺動特性を発揮する摺動部材を得ることができる。また、二硫化モリブデンを含有する摺動部材用銅合金において製造時及び使用時に起こりうる硫黄による摺動部材の劣化を回避できるので、耐久性の高い摺動部材を得ることができる。さらに、ニッケルの含有量が不純物として含まれる程度以下であるので、硬度が必要以上に高くなることを抑え、かつ、グラファイトを用いることによる脱落も起こらないので、好適な摺動部材として用いることができる。その他、不純物の含有量を抑えることで、不具合が生じる可能性を抑え、確実な摺動特性等を発揮させる。

（ａ）ファビリー試験の概念図（ｂ）試験時の状況の断面図 実施例１〜８の試験後のシェアピンの外観写真 比較例１〜９の試験後のシェアピンの外観写真 参考例の試験後のシェアピンの外観写真 試験前のシェアピンの外観写真 チップオンディスク試験機の斜視図

以下、この発明にかかる摺動部材用銅合金について詳細に説明する。この摺動部材用銅合金は、スズ、鉄、硫黄を所定量含有し、残分が銅と不純物とからなる銅合金である。まず、この銅合金を構成する各々の元素について説明する。

上記銅合金は、スズを３．０質量％以上含むことが必要である。スズは銅合金のマトリックス強度を向上させ、耐摩耗性と耐食性を向上させ、かつ、摺動特性を良好に保つ効果があるが、３．０質量％未満であると、これらの効果が不十分となってしまう。一方で、スズの含有量は１６．０質量％以下であることが必要である。１６．０質量％を超えると、相手材を著しく摩耗させてしまい、良好な摺動特性が得られない可能性がある。

上記銅合金は、鉄を０．３質量％以上含むことが必要である。鉄は、後述する硫黄とともに、上記銅合金の摺動性を向上させるＦｅ−Ｓ系化合物を形成する。必要な摺動性を確保するために必要な量のＦｅ−Ｓ系化合物が形成されるには、少なくとも鉄が０．３質量％以上無ければならず、０．３質量％未満では必要な量のＦｅ−Ｓ系化合物を得られなくなってしまい、摺動性が不十分となるおそれが高くなるためである。一方で、鉄の含有量は６．０質量％以下であることが必要である。鉄の含有量が６．０質量％を超えると、上記銅合金の硬度が上がりすぎてしまい、摺動部材として用いたときに、相手材を攻撃して摩耗させてしまうおそれが高くなるためである。

上記銅合金は、硫黄を０．３質量％以上含むことが必要である。硫黄は銅、鉄、又はそれらの両方と反応して硫化物を形成する。この硫化物は、グラファイトや二硫化モリブデンと同様に固体潤滑性を有しており、摩擦係数を低下させ、なじみを良好にし、摺動状態において良好な摺動特性を付与するものとなる。また、これらの硫化物があることにより、上記銅合金は切削の際に切り屑が寸断された短い切粉となるので、切削に用いる刃物に巻き付いたりするといったことが起こりにくく、切削性を向上させることもできる。硫黄が０．３質量％未満であると、これらの効果が得られないか、又は不十分となってしまう。一方で、３．０質量％を超えると硫黄が強度を低下させるおそれが高くなってしまうので、３．０質量％以下であることが必要である。さらに、Ｃｕ−Ｓの金属状態図から、十分な摺動性能を発揮させるためには、１．５質量％以下であると好ましい。

上記銅合金は、上記の元素と残分である銅以外に、その他の残余成分を含んでいても良い。この残余成分としては、微少成分ながら上記銅合金の有効な性質を阻害することなくさらに有益な効果を付与するために意図的に含めても良い成分や、不可避的に含まれてしまう不純物であって、上記銅合金の特性を阻害しない程度に含まれるものなどがある。

上記銅合金は、上記残余成分として、リンを０．０１質量％以上含んでいてもよい。リンは、脱酸剤として作用し、ガス欠陥等の発生を抑制し、銅合金の健全性を高める効果がある。ただし、０．０１質量％未満であるとその効果が不十分になってしまう。一方で、リンの含有量は０．３質量％以下である必要がある。０．３質量％を超えてリンが存在すると、鉄との間にＦｅ−Ｐ化合物を形成して、銅合金全体の硬度が増加しすぎてしまい、耐焼き付き性が低下してしまうためである。

上記の不純物は、環境に配慮してリサイクル材料を用いる場合や、上記銅合金の調製や摺動部材の鋳造において設備を共有する場合に、不可避的に含まれてしまう成分である。もちろん、物性上はこの不純物の含有量は少ないほど好ましく、無いことがより好ましいが、ゼロにすることは困難である。

上記不純物として上記銅合金に含まれる鉛の量は、０．２５質量％以下であると好ましい。鉛は人体に与える影響が無視できない場合があるので、上記銅合金に含まれる鉛の量は少ないほど好ましく、検出限界未満であるとより好ましい。０．２５質量％を超えると、摺動部材を切削する際に出る切削分の処理や、上記銅合金を再利用するにあたっても、鉛の存在を無視できなくなるおそれがある。

また、上記不純物として上記銅合金に含まれるモリブデンの量は、０．０１質量％以下であると好ましく、検出限界未満であるとより好ましい。モリブデンが上記銅合金に硫黄と結合した二硫化モリブデンとして含まれていると、上記銅合金の調製時や、摺動部材の製造時、及び摺動部材の使用時に、二硫化モリブデンが酸化されて意図せぬ硫黄分が生じてしまい、上記銅合金を侵すおそれがあるためである。

上記銅合金では、従来の銅合金において鉛や二硫化モリブデンを用いることで発揮していた摺動特性を、銅及び鉄と硫黄との化合物や、スズを含有することにより補っている。

この他、上記不純物として上記銅合金に含まれうる元素としては、ニッケル、銀、炭素、ジルコニウム、マンガン、ビスマス、インジウム、セレン、アルミニウム、酸素、ホウ素、タングステン、亜鉛、アンチモン、シリコンなどが挙げられるが、これらの含有量はいずれも０．０１質量％未満であると好ましく、検出限界未満であるとより好ましい。これらの中でも特に、ニッケルが多いと上記銅合金の硬度が上がってしまい、銀が多いと上記銅合金だけでは固体潤滑剤として不十分で潤滑油と併用する必要が生じてしまい、炭素が多いと上記銅合金から脱落するおそれがある。

なお、この発明において規定するそれぞれの成分の質量混合比は、製造段階での原料の混合比ではなく、原料を溶融して得られた合金における成分の質量混合比である。

上記の銅合金の残分は銅である。上記の元素成分を含む合金は、一般的な銅合金の製造方法で得ることができ、この銅合金からなる摺動部材は、一般的な鋳造法や粉末冶金法により製造することが出来る。

この発明にかかる銅合金を用いた摺動部材は、構成する銅合金が、鉛や二硫化モリブデンを含有する従来の銅合金と比べても十分な摺動特性、耐摩耗性を発揮するものとなる。具体的には、図１に記載のように、Ｓ４５Ｃ鉄鋼製のシェアピンを、この発明にかかる銅合金製の摺動部材となるＶブロックで挟んで荷重をかけ、シェアピンを回転させるファビリー試験を行っても、焼き付けによりシェアピンが折れたり、凝着したりすることがない程度に、摺動特性や耐摩耗性を発揮するものである。このような摺動部材としては、例えば軸受などが挙げられる。

この発明にかかる摺動部材用銅合金について、具体的な実施例を挙げる。まず、用いる銅合金の組成について説明する。

＜鋳造合金について＞
（実施例１〜８、比較例１〜９）
錫、硫黄、鉄を表１に記載の質量％だけ含み、その他の成分としてリンを表１に記載の質量％だけ含み、残分が銅からなり、鉛、モリブデン、ニッケル、マンガン、シリコンが検出限界未満である銅合金を調整し、この銅合金を用いて供試材を作製した。

さらに、参考例１として、従来から用いられている鉛入りの銅合金であるＣＡＣ６０３に該当する、スズ９．７３質量％、鉛９．２１質量％、リン０．００４質量％、残分が銅からなる銅合金を用い、これを基準材として摩耗や変色が許容範囲であるか否かの評価における比較対象とした。

それぞれの銅合金について、以下の試験を行った。なお、前記の成分量は、鋳造前の原料比ではなく、下記のＶブロックの製造後に分析した分析値である。

それぞれの成分の含有率の分析は、スズ、鉄、シリコンについてはＩＣＰ発光分光分析法により行い、硫黄の含有率の分析は高周波燃焼赤外線吸収法により行い、リンの含有率はモリブドバナドりん酸吸光光度法により行い、鉛、モリブデン、ニッケル、マンガンについては、ＩＣＰ発光分光分析法により行った。なお、ＩＣＰ発光分光分析法にあたっては、ＩＣＰ分析装置として、サーモエレクトロン社製：ＩＲＩＳ Ａｄｖａｎｔａｇｅ ＲＰ ＣＩＤ 検出器を用いた。

（ファビリー試験）
試験体のＶブロック１１、１１’と相手材となるシェアピン１２とが図１に記載の配置となるファビリー摩耗試験機（東京熱処理工業（株）製：ＦＬ−２、最大荷重３トン（２９．４ｋＮ））を用いて測定を行った。試験体となる、それぞれの合金製であるＶブロック１１，１１’は、直径１２ｍｍ、高さ９．７ｍｍの円柱の一方の底面に、最大深さが３．７ｍｍ、底部の角度が９０度である溝が刻まれたものである。このＶブロックを二つ（１１，１１’）用意し、相手材となるシェアピン１２（Ｓ４５Ｃ製、直径６．５ｍｍ）をＶブロック１１，１１’の溝で挟んで荷重をかけて、シェアピン１２を３００ｒｐｍで回転させた。

Ｖブロック１１，１１’によりシェアピン１２を挟む加重は、１０ｋｇ（９８Ｎ）ごとに段階的に上昇させていき、それぞれの荷重での保持時間は５分間とした。接触部分には潤滑油を介することなく、乾式で摺動させ、トルクの値を、電圧値として試験機から２秒間隔で出力させた。

それぞれの試験は、焼き付き状態が生じたと考えられるトルクの急激な上昇や、試料の摩耗による空転を生じたと考えられるトルクの０値が観測された場合に終了するものとした。それぞれの例において、終了時点におけるシェアピンの状態を観察して評価した。グルービング状の摩耗が無視できる程度であるものを○、摩耗が確認できるが許容範囲であるものを△、摩耗による傷が問題となる程度以上に刻まれているものを×と評価した。また、熱変色が許容範囲であるものを○、許容範囲を超えるものを×とした。

試験したもののうち、トルクの０値を示したものは、摩耗限界に達したものとして不的確とした（比較例１〜３）。また、試験後の相手材であるシェアピンにグルービング状の摩耗が見られるものと、熱による変色が見られるものは、摺動材として不的確とし、比較例４〜９とした。なお、その判定結果を表１に示す。それ以外の、摩耗限界とならず、かつトルクの急激な上昇を検知しないものは実施例とした。実施例におけるシェアピンの外観を図２に、比較例１〜９の外観を図３に、参考例１のシェアピンの外観を図４に、対比のための試験前のシェアピンの外観を図５に示す。

＜焼結合金について＞
（実施例９、１０、参考例）
ＳＰＨＣ鋼板からなる裏金（厚さ４．５ｍｍ）に、表２に記載の成分比である銅合金粉末を散布厚が約２ｍｍとなるように散布し、還元雰囲気中、８００〜８６０℃の環境で焼結、圧延を行って約５．５ｍｍに調製した。この圧延板を、１．６６５ｃｍ×０．４ｃｍの試験片に加工した、

実施例９の銅合金粉末は、銅以外の含有量について表２に示す値を目標値とし、アトマイズ法にて作製した１００メッシュ以下の合金粉末である。得られた焼結、圧延後の実際の合金からサンプルを得て分析した分析値を併せて表２に記載する。

また、実施例１０の銅合金粉末は、二段階を経て製造した。まず、スズ３３％、残分銅となるようにアトマイズ法により１００メッシュ以下の合金粉末を作製した。次に、この合金粉末９４ｇに対して実施例９の銅合金粉末１０００ｇを混合し、全体として銅以外の含有量が表２に示す値を目標値とし銅合金粉末を得た。その得られた焼結、圧延後の実際の合金からサンプルを得て分析した分析値を併せて表２に記載する。

なお、表２に記載の参考例２の組成は、アトマイズ法にて作製した１００メッシュ以下の合金粉末の分析値であり、これは従来から用いられている鉛入りの銅合金であるＣＡＣ６０３に該当する。

試験機として、図６に記載のＴＲＡＳ型チップオンディスク試験機（高千穂精機（株）製：ＴＲＡＳ−３００特型）を使用した。その具体的な構成は、以下の通りである。チップ試験片２２は、試料片押え２３によってソケット２４に固定されて、上方からスプライン軸２５により試料ディスク２１に押し付けられている。スプライン軸２５の上方には、押し付け荷重計測用の圧縮型ロードセル２６が設けられ、さらにその上方には、シリンダーベース２７を介して、空圧シリンダー２８が設けられてあり、この空圧シリンダー２８からスプライン軸２５を介して荷重がかけられる。また、空圧シリンダー２８の上部には監視用圧力計２９が設けてある。一方、試料ディスク２１は、それが載せられた回転軸３０の回転により回転する。なお、回転軸３０の下にはラジアルスラスト軸受３１が設けてある。

この試験機の、Ｓ４５Ｃ鉄鋼製の試料ディスク２１（直径１３９ｍｍ、孔径１０５ｍｍ、厚さ６ｍｍ）のディスク表面に、参考例２、実施例９及び１０のそれぞれの銅合金からなる、上記の加工したチップ試験片２２を載せ、ディスクを回転させるとともに、チップ試験片２２にかける荷重を０，１０，２０，３０，……，２４０，２５０，２６０ｋｇｆのように、１０ｋｇｆごとにステップ的に上昇させていった。このとき面圧は、１ステップあたり、１０ｋｇ／（１．６６５×０．４）ｃｍ^２≒１５（ｋｇ／ｃｍ^２）上昇する。

保持時間はそれぞれのステップで２分間である。回転速度は８０ｒｐｍ（０．５ｍ／ｓ）と、８００ｒｐｍ（５．０ｍ／ｓ）との二つの条件で測定した。試験機のディスク及びチップ試験片２２は、流量２００ｃｃ／ｍｉｎで流れるオイル（昭和シェル石油（株）製：リムラＤ２０Ｗ）に浸漬させており、試験環境の温度は８０±５℃を維持させた。

上記の状況で、焼き付けが起こる目安として、周速０．５ｍ／ｓでは平均摩擦係数が０．１を超えたときの荷重を、周速５．０ｍ／ｓでは平均摩擦係数が０．０７を超えたときの荷重を算出した。それぞれの周速における試験結果を、それぞれの参考例２及び実施例９，１０のａ，ｂとして表２に示す。また、荷重の値とチップ試験片の面積からＰＶ値を算出して、同様に表２に示す。いずれの実施例も、平均摩擦係数が指定値を超えるまでの荷重は参考例２よりも高い値となり、良好な摺動特性が得られた。また、実施例９よりも実施例１０の方が良好な摺動特性が得られた。

１１ Ｖブロック
１２ シェアピン
２１ 試料ディスク
２２ チップ試験片
２３ 試料片押さえ
２４ ソケット
２５ スプライン軸
２６ 圧縮型ロードセル
２７ シリンダーベース
２８ 空圧シリンダー
２９ 監視用圧力計
３０ 回転軸
３１ ラジアルスラスト軸受

Claims (2)

1. 鉄を０．３質量％以上６．０質量％以下、スズを３．０質量％以上１６．０質量％以下、硫黄を０．３質量％以上３．０質量％以下、リンを０．０１質量％以上０．３質量％以下含有し、残分が銅と不可避的不純物である摺動部材用銅合金。
2. 請求項１に記載の摺動部材用銅合金を用いた摺動部材。