JP5073925B2 - 鉛フリー銅系摺動材料 - Google Patents

Description

本発明は、鉛フリー銅系焼結摺動材に関するものであり、さらに詳しく述べるならば自動車用変速機や一般機械などのブシュに使用される銅合金焼結摺動材に関するものである。

鋼板裏金にＣｕ−Ｐｂ系合金粉末を散布し、電気炉で焼結してバイメタル構造の摺動材料を製造することは、メカニカルアロイ粉末の焼結に関して特許第３１９５０４２号（特許文献１）に記載されている。
銅合金粉末と黒鉛もしくは硬質粒子の混合物を焼結する際に、黒鉛粉末粒子に銅の被覆層を設けることにより焼結性を向上することは次の特許文献より公知である。

特開平０５−２０９２０７号公報（特許文献２）で提案されている銅基含油焼結軸受合金は、銅をコーティングしたグラファイト粉末と銅粉末を混合した混合粉末を焼結することにより、グラファイトを均一に分散させている。焼結条件としては７８０℃、３０分間の例が挙げられている。

特開平０５−２３０６７０号公報（特許文献３）では、（イ）鋼板、（ロ）Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐｂ−Ｐ系接着層及び（ハ）Ｃｕ−Ｓｎ−ＭｏＳ_２系表面層からなる多層複合摺動材料が提案されており、表面層にＣｕでコーティングされたＭｏＳ_２を添加することも提案されている。

特開平１１−５８５６８号公報（特許文献４）では、粒径が１０μｍ以下の黒鉛、二硫化モリブデンなどのセラミック粒子に銅又は銅合金を被覆した粉末の５〜３０体積％と、前記銅合金と同じ成分の銅合金粉末の残部とを焼結して耐摩耗性及び摺動特性を向上する方法が提案されている。焼結条件としては、７００〜９００℃、１０〜３０分間の例が挙げられている。

バイメタル構造の銅合金摺動材を高周波焼結法で製造することは、特開２００３−６０８６９号公報（特許文献５）にて公知である。この特許文献では、（イ）鋼裏金、（ロ）Ｃｕ−Ｓｎ−Ａｇ系焼結合金層からなるすべり軸受において、焼結を高周波焼結で行なうことにより、焼結合金層の少なくとも表面側でＳｎ、ＡｇをＣｕマトリックス中に固溶させることが提案されている。また、焼結用電気炉は長さが数１０ｍと長く、焼結時間も長いが、高周波加熱炉は長さを短くできる利点もある。
上記した特許文献２、４及び５は鉛フリー銅系摺動材料に関する。
特許第３１９５０４２号公報 特開平０５−２０９２０７号公報 特開平０５−２３０６７０号公報 特開平１１−１５８５６８号公報 特開２００２−０６０８６９号公報

近年の機械の高性能化に伴い、Ｃｕ−ＳｎにＰｂ以外の固体潤滑剤を添加した摺動材は求められている耐焼付性を十分に満足できなくなってきた。
Ｐｂは固体潤滑効果以外にＰｂそのものの硬さが低いことに起因するなじみ性の向上の効果が大きい。黒鉛、ＭｏＳ_２などはＰｂ代替固体潤滑剤であるが、Ｃｕ−Ｓｎ系マトリックスとの結合力が弱いために、摺動中の脱落により軸受表面が粗くなり、耐焼付性が低下する。この欠点は固体潤滑剤の表面にＣｕめっき被覆を施し、焼結することによりある程度改善されるが、なじみ性については改善されない。

例えばＣｕめっきを施した固体潤滑剤をＣｕ−Ｓｎ合金粉末と混合して特許文献２〜４で提案されている焼結条件で焼結すると、空孔の消滅、粒界移動などの通常の焼結現象が起こる過程で、被覆のＣｕめっき層に合金粉末中のＳｎが拡散する。この結果、固体潤滑剤は銅合金マトリックスに強固に接合され、またＳｎ濃度に関しては合金粉末もめっき層もほとんど差がなくなる。意外にも、このような固体潤滑剤の焼結性を高める条件が固体潤滑剤分散焼結銅合金のなじみ性を劣化させる原因となっていることが分かった。

本発明は、０．１〜１５質量％のＳｎを含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物であるＣｕ−Ｓｎ系銅合金及び、銅被覆を施したＭｏＳ _２ 、黒鉛、ＷＳ _２ 、ＢＮのいずれか１種以上からなる固体潤滑剤粒子を焼結してなる鉛フリー銅系焼結摺動材料において、焼結済状態での銅被覆の硬さが、前記少なくとも１種の固体潤滑剤を分散した前記Ｃｕ−Ｓｎ系銅合金からなるマトリックスの硬さよりも低いことを特徴とする鉛フリー銅系焼結摺動材料を提供する。
以下、本発明を詳しく説明する。

本発明は、Ｃｕ−Ｓｎ系合金マトリックス中にめっきを施した固体潤滑剤を分散させた焼結摺動材料である。
Ｃｕ−Ｓｎマトリックス中のＳｎ量は０．１〜１５質量％（以下、特に断らない限り、百分率は質量％を意味する）とする。摺動材として十分な機械強度を満たすためには、当該マトリックスに対して０．１％以上のＳｎの添加は必要であり、一方１５％を超える添加は脆いＣｕ−Ｓｎの金属間化合物を析出させてＣｕ−Ｓｎマトリックスの耐荷重性、耐衝撃性を劣化させてしまう。好ましいＳｎ量は３〜１０％である。

本発明において使用される用語の意味を説明する。
先ず、「マトリックス」とは母材であって、Ｃｕ−Ｓｎ系合金を指す。「銅被覆」とは固体潤滑剤の周囲にあらかじめ施されている銅めっき被覆のことを指している。すなわち、固体潤滑剤粒子に施されていた銅めっき被覆とＣｕ−Ｓｎ合金の間では焼結中に相互拡散が起こり、これらは一体化してマトリックスを作るが、本発明ではこの拡散を完全には進行させないようにしているので、焼結後においても銅めっき被覆中のＳｎ濃度がマトリックス中のＳｎ平均濃度の２０％以下になるようなＳｎ濃度勾配が生じる。「なじみ性」とは摺動材料の表面が相手軸表面と摺動初期に摩擦し、特に前者の摩耗により両者の間の摺動が流体潤滑に近づく性質である。これに対して、摺動材料の固体潤滑剤の脱落は起こっても、流体潤滑には進行しない。

固体潤滑剤にめっきする金属としては、例えばＣｕめっきであり、めっき方法は電解、無電解いずれも使用可能である。

固体潤滑剤は摺動材料全体に対して、質量比で、２〜１０％、好ましくは３〜８％含有される。固体潤滑剤に施されるめっきの厚さは０．１μｍ以上が好ましい。めっき厚さが０．１μｍ以下のめっきでは後に説明するなじみ性改善の効果が小さくなるとともに、固体潤滑剤や硬質粒子を保持できないので固体潤滑剤などが脱落し摺動材表面が粗くなり耐焼付性を低下させるためである。めっき厚さの上限は、１０μｍが好ましい。

一般に、マトリックスの硬度はＨｖ９０〜１５０である。また純銅めっきの硬度は一般にＨｖ６５程度である。本発明において、被覆層はマトリックスよりも軟質であることが必要であるが、好ましい硬度差がＨｖ１０〜６０である。

上記以外の任意の添加元素として、Ｃｕ−Ｓｎ系合金はＮｉを１０％以下含有することができる。また、残部については不可避的不純物であるが、Ｐｂについても不純物レベルとなっている。
ライニング層は厚さが通常２００〜８００μｍである。
焼結後、必要により冷間圧延を１回または２回行なうことにより密度を高めることができる。焼結後は、必要により樹脂、潤滑油の含浸、あるいは表面の切削を行なう。

焼結は少なくとも７５０℃以上の温度で高周波焼結を行なうのがよい。焼結温度は８５０〜１０００℃の範囲が好ましく、焼結温度までの昇温時間を２分以内、焼結温度での保持時間ゼロ以上３分以内とする。保持時間終了後はガスおよびロール冷却等によって速やかに冷却する。ここで保持時間ゼロとは焼結温度に達した瞬間に冷却を開始することである。焼結を上記条件より長時間で行った場合、固体潤滑剤のめっき部分がマトリックスと溶融したりＳｎの拡散が起こるために固体潤滑剤にめっきを施した効果が失われる。

めっきした固体潤滑剤や硬質粒子とＣｕ−Ｓｎ粉末を混合し、前記の条件で焼結をおこなった場合、Ｃｕ−Ｓｎマトリックス中のＳｎとめっき成分の交互拡散が抑えられ、マトリックス中のＳｎ量とめっき中のＳｎ量に差が生じる。マトリックス中のＳｎ濃度より少ないＳｎ濃度の被覆層は摺動時に塑性変形しやすいことが、なじみ性が向上して耐焼付性が向上する原因と考えられる。

即ち、本発明の摺動材の組織を模式的に示す図１において、固体潤滑剤は従来材と同程度にＣｕ−Ｓｎ系合金マトリックス（５％Ｓｎ、Ｈｖ１１０）に保持されている。よってＣｕ−Ｓｎ系合金マトリックス中にマトリックスよりも軟らかい合金（０．６％Ｓｎ、Ｈｖ７０）が点在している組織になる。このような組織を持つ材料を摺動材として用いた場合、軟らかい低Ｓｎ合金部分がなじみ性を良くして耐焼付性を向上させている。
ところで、硬度と近似する降伏強度はＰｂが１〜２×１０^３ｐｓｉであり、Ｃｕは３０〜５０×１０^３ｐｓｉであるので、Ｐｂは硬度がＣｕの約６％以下であると考えられ極めて軟質であり、これがＰｂの優れたなじみ性に寄与している。これに対して、本発明の被覆層の硬度はマトリックスの約６０％程度であり、Ｐｂほど軟質ではないが、後述する耐焼付性試験結果から被覆層がなじみ性を高める効果をもっていると考えられる。

本発明の摺動材においては、固体潤滑剤とめっき部分の結合性が良いので表面の固体潤滑剤の脱落が防止され、結果として軸受表面の粗さが細かいことが耐焼付性の向上にも寄与している。続いて、本発明を実施例によりさらに詳しく説明する。

実施例
使用した原料、素材は次のとおりである。
（１）銅合金粉末：Ｃｕ−６％Ｓｎ合金（アトマイズ粉末；１８０μｍ以下）
（２）裏金鋼板：ＳＡＥ１０１５鋼板（厚さ１．５ｍｍ）
（３）Ｃｕめっきグラファイト：平均粒径３０μｍ：めっき厚さ５μｍ
（４）ＣｕめっきＭｏＳ_２：平均粒径２５μｍ：めっき厚さ５μｍ
（５）ＣｕめっきＷＳ_２：平均粒径２５μｍ：めっき厚さ５μｍ
（６）ＣｕめっきＢＮ：平均粒径１５μｍ：めっき厚さ５μｍ

固体潤滑剤を３％混合した銅合金粉末を裏金上に１ｍｍの厚さで散布して、実施例については高周波加熱炉により、比較例については電気炉９３０℃で焼結を行なった。
マトリックス及び被覆の硬度はヴィッカース硬度計により測定した。マトリックスの硬度は実施例はＨｖ１３０、比較例はＨｖ１３０であった。

焼付試験はピンオンディスク型試験機で、５０ｍｍ×５０ｍｍの平板形状で表面粗さを１．０〜３．０Ｒｚに加工した供試材を用いて、以下の試験条件で行なった。
相手材：Ｓ４５Ｃ（Ｈｖ４３０〜５３０、Ｒｚ０．８〜１．０）
荷重ステップ：３ＭＰａ／５ｍｉｎ
周速：１ｍ／ｓ
油種：無添加パラフィン油
油温：室温
焼付は供試材背面温度が１９０℃以上になったときに焼付と判定した。
また、表面粗さは焼結後、表面を切削しないで測定した。
試験の結果を表１に示す。

めっきした固体潤滑剤を使用しても、昇温時間、焼結温度保持時間、冷却時間が長い比較例の場合、めっき部分にＳｎが完全に拡散して、Ｃｕ−Ｓｎマトリックスと溶融していた。それに比べてめっき固体潤滑剤を使用して本発明の焼結条件にて焼結したものは焼結時間が短いのでＳｎの拡散が抑えられ、固体潤滑剤のめっき部分に拡散したＳｎは少なかった。実施例の被覆部分はマトリックスと比較して硬さが低くなっている。

以上説明したように、本発明に係る摺動材料は従来の材料よりも耐焼付性に優れているため自動車用変速機や一般機械などのブシュに好ましく使用することができる。

本発明の摺動材料の模式的組織図である。

Claims (3)

1. 厚さが０．１〜１０μmの銅被覆を施したＭｏＳ _２ 、黒鉛、ＷＳ _２ 、 ＢＮのいずれか１種以上からなり、かつ質量比で２〜１０％の固体潤滑剤粒子と、残部のＣｕ−Ｓｎ系銅合金とを焼結してなる鉛フリー銅系焼結摺動材であって、前記Ｃｕ−Ｓｎ系銅合金が当該銅合金に対して０．１〜１５質量％のＳｎを含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物であるとともに、焼結済状態での前記銅被覆の硬さが前記Ｃｕ−Ｓｎ系銅合金からなるマトリックスの硬さよりも低いことを特徴とする鉛フリー銅系焼結摺動材料。
2. 前記マトリックスと前記焼結済状態での銅被覆との硬度差がＨｖ１０〜１００であることを特徴とする請求項１記載の鉛フリー銅系焼結摺動材料。
3. 高周波焼結法によって焼結されたことを特徴とする請求項１又は２記載の鉛フリー銅系焼結摺動材料。