JP5111253B2

JP5111253B2 - 銅系摺動材料

Info

Publication number: JP5111253B2
Application number: JP2008161635A
Authority: JP
Inventors: 真志越智; 和昭戸田; 亘矢後; 淳安川; 浩吏藤山
Original assignee: CHUETSU METAL CO., LTD.; Daido Metal Co Ltd
Current assignee: CHUETSU METAL CO., LTD.; Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2008-06-20
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2028-06-20
Also published as: EP2135964A3; EP2135964A2; JP2010001532A; EP2135964B1

Description

本発明は、過酷な条件下で使用される摺動材料、例えば、自動車等のターボチャージャ用フローティングブシュに好適な摺動材料であって生産性に優れる銅系摺動材料に関する。

近年、例えば、自動車用のエンジンではターボチャージャを装備して出力をアップすることが盛んに行われている。このターボチャージャはエンジンからの高温の排気ガスによってタービンを高速回転させ、コンプレッサを駆動する構造となっているため、その作動条件は大変厳しいものとなっている。特に、エンジンを高速回転し、その直後に停止した場合、フローティングブシュへの給油が停止するため、フローティングブシュはタービンケーシングからの熱伝導により３００℃を超える状態となる。この状態でエンジンを再始動すると、その直後にタービンは１０万ｒｐｍに及ぶ最高回転数に達するが、潤滑油の供給はそれよりも遅れるため、潤滑作用が停止した状態（ドライアップ）になる。つまり、フローティングブシュは、このような高温下におけるドライアップ状態の下でも、良好なる耐焼付性、耐摩耗性等を有することが求められる。

このような要求を満たす摺動用材料として、従来、特開平０３−２１５６４２号公報に示すような、質量％で、Ｍｎ１〜３．５％、Ｓｉ０．３〜１．５％、Ｚｎ１０〜２５％、Ｐｂ５〜１８％、残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなり、Ｐｂが全組織中に均一に分散し、マトリックスがα相の単一組織からなる高力黄銅があった。また、別の摺動用材料として、特開平９−３１６５７０号公報に示すように、質量％で、Ｍｎ０．３〜５％、Ｓｉ０．３〜３％、Ｚｎ１５〜３７％、Ｂｉ０．３〜４％、残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなり、金属組織中のβ相の量を３０％以下に制御し、冷間塑性加工性を持たせたケイ素化マンガン系高力黄銅合金があった。

しかしながら、前者の摺動用材料は、耐焼付性、耐摩耗性等に非常に良い性能が得られたがＰｂを含有するため、近年の環境問題を考慮した場合に懸念の残るものであった。また、後者の摺動用材料では、マトリックスに硬いβ相を含むため、耐摩耗性の向上は見られるものの、ターボチャージャ用フローティングブシュのような過酷な条件下で使用した場合、耐焼付性において、未だ課題を残すものであった。そこで、上記した各欠点を解消するために、Ｚｎを１５〜２５質量％、Ｂｉを４．２〜１０質量％、Ｍｎを２〜７質量％、Ｓｉを１〜３質量％含有し、残部がＣｕからなり、マトリックスがα相の単一組織で、このマトリックス中に、α相とＭｎ−Ｓｉ化合物との共晶組織及びＢｉ粒子を分散させた銅系摺動材料が提案されている（特許文献１）。
特開２００４−１３７５１２号公報（段落０００９〜００１０）

しかしながら、特許文献１に示される技術のように、α単相のマトリックスに多量にＢｉを含有させてＢｉ粒子相を分散させた銅合金は、大量生産に適する連続鋳造法等にて製造すると、鋳型からの引き抜き時の応力で銅合金に割れが発生し易いという欠点がある。銅合金に引き抜きによる応力がかかると延性が高いα相と延性をほとんど有さないＢｉ粒子相では変形量が異なるので、α相とＢｉ粒子相との界面に剪断が生じて合金割れの基点になるからであると考えられる。そこで、引き抜き速度を遅くすることにより合金割れを緩和することはできるが、生産性が悪く、大量生産に適する連続鋳造法等を採用するメリットがない。また、Ｚｎ含有量を多くして銅合金のマトリックスをα相とβ相組織とすると、マトリックスの強度が高くなり延性が低下するためＢｉ粒子相との変形量の差が緩和されるので銅合金の割れが起き難くなるが、ターボチャージャ用等の高温雰囲気で高速の回転軸を支持する摺動材料としては、強度が高くなりすぎて、耐焼付性やなじみ性（相手軸と接触しても自身が変形して接触による応力を緩和する性質）の低下により好ましいものではない。また、特許文献１の銅合金に対しＢｉ含有量を少なくすることにより合金割れを緩和することができるが、潤滑成分であるＢｉ含有量が少なすぎてターボチャージャ用等の高温雰囲気で高速の回転軸を支持する摺動材料に要求される摺動特性を満足しなくなる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、例えば、自動車等のターボチャージャ用フローティングブシュのような高温雰囲気で高速回転する過酷な条件下で使用された場合でも、優れた耐焼付性、耐摩耗性、摩擦特性、また、なじみ性を有し且つ生産性に優れる銅系摺動材料を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、Ｚｎを１５．０〜２５．０質量％、Ｂｉを４．２〜１０．０質量％、Ｍｎを２．０〜７．０質量％、Ｓｉを１．０〜３．０質量％、及びＳｎを０．１〜２．０質量％含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなり、α単相マトリックス中に、Ｍｎ−Ｓｉ化合物とＢｉ粒子相が分散している組織の銅系摺動材料において、前記Ｂｉに対する前記Ｓｎの質量比率が０．０２４〜０．２００であることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、前記Ｂｉに対する前記Ｓｎの質量比率が、０．０５０〜０．１４０であることを特徴とする。

Ｓｎを添加することにより、銅合金組織はα相の各結晶粒の外周部とＢｉ粒子相の外周部を取り囲むように層状の「Ｓｎを含むα相」が形成される。そして、銅合金組織の各相の延性は、α相＞「Ｓｎを含むα相」＞Ｂｉ粒子相である。このため、応力が加わったとき、「Ｓｎを含むα相」がＢｉ粒子相とα相との間で変形量の差を緩和する役割を果たすため、これが連続鋳造工程における引き抜き時に発生するα相とＢｉ粒子相間に発生する変形量の差による剪断応力を緩和する働きをすると推定され、これによって合金割れという不具合を防止することができると考えられる。

そして、Ｓｎを０．１〜２．０質量％、Ｂｉを４．２〜１０質量％とし、且つＢｉに対するＳｎの質量比率を０．０２４〜０．２００（より好ましいのは０．０５０〜０．１４０）とする理由は、Ｂｉに対するＳｎの質量比率が０．０２４未満の場合、Ｂｉ粒子相の外周部に形成される「Ｓｎを含むα相」の量が少なく、Ｂｉ粒子相の外周部を完全には取り囲むように形成できなくなるので銅合金割れの防止効果が小さくなる。一方、Ｂｉに対するＳｎの質量比率が０．２００を超えると、合金割れ防止効果が小さくなる。これは、銅合金を冷却過程にて、まだ凝固する前のＢｉ粒子相と「Ｓｎを含むα相」とが反応して界面に、Ｂｉ−Ｓｎ亜共晶合金が形成することが原因であると推定される。このＢｉ−Ｓｎ亜共晶合金はＢｉ−Ｓｎ共晶組成（Ｂｉ−４３質量％Ｓｎ、融点約１４０℃）よりＳｎの含有量が少ないＢｉ−Ｓｎ合金であるが、この組成範囲においては、Ｓｎの含有量が増加するほど融点が低下する。連続鋳造法にて製造する際は、銅合金組織中で最も融点が低いＢｉ粒子相（融点約２７０℃）が完全に凝固する温度以下に冷却した後に銅合金を引き抜くが、Ｂｉに対するＳｎの質量比率が高くＢｉ−Ｓｎ亜共晶合金が形成してしまう場合には、Ｂｉ−Ｓｎ亜共晶合金の一部が凝固していない状態で引き抜きの応力が加わるので、合金割れが発生してしまうと推定される。Ｂｉに対するＳｎの質量比率が０．２００以下の場合には、Ｂｉ−Ｓｎ亜共晶合金が僅かにしか形成しないか、または、全く形成しないため銅合金割れを防ぐことができると推定する。

ところで、銅系摺動材料においてα単相マトリックス中に、Ｍｎ−Ｓｉ化合物を分散させる理由は、銅合金摺動材料の高温強度を高めるためである。ターボチャージャ用フローティングブシュのように高温域で使用される銅系摺動材料には延性と同時に高温強度も要求される。銅合金は温度の上昇とともに強度の低下を起こすが、高温域でも強度低下しないＭｎ−Ｓｉ化合物を分散させることにより銅合金の高温強度を高めることができる。

また、Ｂｉは銅系摺動材料の耐焼付性を向上させるために潤滑成分として添加する。Ｂｉは銅合金のマトリックスにはほとんど固溶することなく、微細粒子となってマトリックス中に分散する。Ｂｉの添加量が４．２質量％未満では、高温雰囲気で高速回転する軸を支持する銅系摺動材料としては耐焼付性を高める効果が不十分であり、又、１０．０質量％より多いと、銅系摺動材料の強度が低下しすぎてしまう。

Ｍｎは、マトリックス強度を向上させる。また、Ｍｎ−Ｓｉ化合物（主にＭｎ₅Ｓｉ₃）といった、硬質で、優れたすべり特性を有する化合物を形成し、耐摩耗性、耐焼付性、摩擦特性および高温強度の向上に寄与する。Ｍｎの添加量が２．０質量％未満だと、この効果が得られず、７．０質量％を超えると、後述するＺｎの添加意義が薄れてしまう。

Ｓｉは、上述したように、Ｍｎと共にＭｎ−Ｓｉ化合物を形成し、Ｍｎ同様、耐摩耗性、耐焼付性、そして摩擦特性および高温強度の向上に役立つ。その添加量はＭｎ−Ｓｉ化合物の構成割合により決定され、Ｍｎ対Ｓｉの質量比が１対０．３の時に化合物となる。故に、Ｓｉは最低０．６質量％あればよいが、すべてのＳｉがＭｎと化合物を形成することはないので、本発明ではＳｉの最少添加量を１．０質量％とした。そして、３．０質量％を超えると、遊離するＳｉが多くなり過ぎ、銅系摺動材料の脆化を招いてしまう。

Ｚｎは、マトリックス強度、耐摩耗性、及び潤滑油に対する耐腐食性を向上させる。このＺｎの添加量に言及すると、Ｃｕ−Ｚｎ二元系状態図によれば、Ｚｎが３８．０質量％以下であれば、マトリックスはα単相組織となり、Ｚｎの添加量がそれを上回るとβ相組織が現れる。ところが、α相、或いはβ相に固溶する第三元素、本発明ではＭｎ及びＳｉを添加した場合、このＭｎ、ＳｉがあたかもＺｎの添加量を増加させたかのようにマトリックスの組織を変化させる。このため、Ｍｎ、Ｓｉの含有量を考慮して、Ｚｎの添加量を最大２５．０質量％とすることにより、マトリックスをα単相組織とすることができる。しかし、Ｚｎが１５．０質量％未満だと、前述した耐摩耗性や潤滑油に対する耐腐食性という効果が薄れてしまう。

本発明の合金組織を図１の模式図に示すが、図１において、銅合金のα単相組織からなるマトリックス中に、Ｍｎ−Ｓｉ化合物と微細なＢｉ粒子相とが均一に分散している。さらにα単相組織はＳｎをほとんど含まない初晶のα相の結晶粒の周囲を層状の「Ｓｎを含むα相」が取り囲んだ組織となっており、Ｂｉ粒子相もこの層状の「Ｓｎを含むα相」に取り囲まれている。Ｍｎ−Ｓｉ化合物は層状の「Ｓｎを含むα相」に分布している。このように、延性が高いα相と延性をほとんど有さないＢｉ粒子相との間に「Ｓｎを含むα相」が存在するため、この「Ｓｎを含むα相」が、外力が加えられた場合のＢｉ粒子相とα相との変形量の差による剪断応力を緩和する役割を果たし、これが連続鋳造工程における引き抜き時に発生するα相とＢｉ粒子相間に発生する合金割れを防止する働きをすると考える。なお、図１の銅系摺動材料は、Ｚｎが２０．０質量％、Ｍｎが３．５質量％、Ｓｉが１．５質量％、Ｂｉが６．５質量％、Ｓｎが０．４７質量％の組成のものである。

次に、表１に示す本発明に係る実施例１〜１１の組成の合金、及び比較品１〜５の組成の合金を、表２に示す鋳造条件及び引抜速度で引き抜いた銅合金の表面の合金割れの有無を目視により確認した合金割れ評価試験を行った。合金割れの有無は、表１に示す。

実施例１〜１１は、いずれも本発明の範囲内のものであり、そのうち、実施例１〜実施例９は、Ｚｎ，Ｍｎ，Ｓｉの含有量をほぼ中間の値のものを採用し、実施例１０，１１は、Ｚｎの値を上限又は下限にし、その他の組成が中間の値を採用したものである。さらに、実施例１〜１１のうち、実施例１〜４は、請求項１に係る発明を具体化した実施例であり、実施例１，２は、「Ｂｉに対するＳｎの質量比率が上限値」、実施例３，４は、「Ｂｉに対するＳｎの質量比率が下限値」、実施例５，１０，１１は、「Ｂｉに対するＳｎの質量比率が中央値」となる組成を採用し、一方、実施例６〜９は、請求項２に係る発明を具体化した実施例であり、実施例６，７は、「Ｂｉに対するＳｎの質量比率が好ましい上限値」、実施例８，９は、「Ｂｉに対するＳｎの質量比率が好ましい下限値」となる組成を採用した。

一方、比較例１〜５は、いずれも本発明の範囲外のものであり、比較例１，２は、「Ｂｉに対するＳｎの質量比率が下限値未満」、比較例３，４は、「Ｂｉに対するＳｎの質量比率が上限値超え」、比較例５は、本発明の特徴であるＳｎを添加しない組成を採用したものである。

しかして、表１の合金割れ評価の欄の記載から理解できるように、実施例１〜１１は、何れも引き抜き速度２０ｍｍ／ｓｅｃで引き抜いた場合、合金割れは起こらないのに対し、従来の摺動材に用いられてきたＳｎを含まない銅合金である比較例５、Ｓｎ及びＢｉを含むもののＢｉに対するＳｎの質量比率が本発明の範囲外である比較例１〜４は何れも合金割れが起こった。さらに、本発明の実施例にてＢｉに対するＳｎの質量比率をより好ましい０．０５０〜０．１４０の範囲とした実施例５〜１１は、引抜速度を３０ｍｍ/ｓｅｃとして高速に引き抜いた場合でも、合金割れは起こらなかった。

より詳しく説明すると本願の実施例の1〜１１の銅合金の組織は何れも図１に示したように、α単相組織からなるマトリックス中に、Ｍｎ−Ｓｉ化合物と微細なＢｉ粒子相とが均一に分散している。さらにα単相組織からなるマトリックスはＳｎをほとんど含まない初晶のα相の結晶粒の周囲を完全に層状の「Ｓｎを含むα相」が取り囲んだ組織となっており、Ｂｉ粒子相もこの層状の「Ｓｎを含むα相」に取り囲まれている。Ｍｎ−Ｓｉ化合物は層状の「Ｓｎを含むα相」に分布している。このように、延性が高いα相と延性をほとんど有さないＢｉ粒子相との間にこれらの中間の延性を有する「Ｓｎを含むα相」が存在するため、この「Ｓｎを含むα相」が、外力が加えられた場合のＢｉ粒子相とα相との変形量の差による剪断応力を緩和する役割を果たし、これが連続鋳造工程における引き抜き時に発生するα相とＢｉ粒子相間に発生する合金割れを防止する働きをすると考える。
これに対し比較例１，２はＢｉに対するＳｎの質量比率が低いために、合金割れが起きた。これはＢｉ粒子相の外周部に形成される「Ｓｎを含むα相」の量が少なく、Ｂｉ粒子相の外周部を完全には取り囲むように形成できなくなるので、外力が加えられた場合に変形量の差による剪断が発生したと推定される。

一方、比較例３，４はＢｉに対するＳｎの質量比率が高いために、合金割れが起きた。これは銅合金の冷却過程でＢｉ粒子相と「Ｓｎを含むα相」とが反応して界面にＢｉ−Ｓｎ亜共晶合金が形成され、銅合金を引き抜く時でも、まだ、Ｂｉ−Ｓｎ亜共晶合金の一部が凝固していない状態で引き抜きの応力が銅合金に加わるので、合金割れが発生したと推定される。Ｂｉに対するＳｎの質量比率が０．２００以下の場合には、Ｂｉ−Ｓｎ亜共晶合金が僅かにしか形成しないか、または、全く形成しないため銅合金割れを防ぐことができたと推定される。

以上の合金割れ評価の結果から理解できるように、Ｂｉに対するＳｎの質量比率を適正に添加することにより、α単相マトリックス中の延性が高いα相と延性をほとんど有さないＢｉ粒子相との間に層状の「Ｓｎを含むα相」が存在するため、この「Ｓｎを含むα相」がＢｉ粒子相とα相との間での延性の差を緩和する役割を果たし、これが連続鋳造工程における引き抜き時に発生するα相とＢｉ粒子相間に発生する変形量の差により、相界面にかかる剪断応力を緩和する働きをすると考えられ、これによって合金割れという不具合を防止することができる。なお、実施例では本発明の代表的な銅合金組成を例として示しているが、発明者は本願発明の範囲内の組成の銅合金においても実施例と同じ効果を有することを確かめている。

なお、本発明の銅系摺動材料は、自動車等のターボチャージャ用フローティングブシュに使用されるだけでなく、過酷な条件下、例えば、高い耐焼付性、耐摩耗性、摩擦特性、或いはなじみ性といった特性が要求される軸受一般に、広く適用できる。

本発明における銅系摺動材料の顕微鏡写真を基にした模式図である。

Claims

Ｚｎを１５．０〜２５．０質量％、Ｂｉを４．２〜１０．０質量％、Ｍｎを２．０〜７．０質量％、Ｓｉを１．０〜３．０質量％、及びＳｎを０．１〜２．０質量％含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなり、α単相マトリックス中に、Ｍｎ−Ｓｉ化合物とＢｉ粒子相が分散している組織の銅系摺動材料において、前記Ｂｉに対する前記Ｓｎの質量比率が０．０２４〜０．２００であることを特徴とする銅系摺動材料。
前記Ｂｉに対する前記Ｓｎの質量比率が、０．０５０〜０．１４０であることを特徴とする請求項１記載の銅系摺動材料。