JP5492089B2 - ＰｂフリーＣｕ−Ｂｉ系焼結材料製摺動部品 - Google Patents

Description

本発明は、摺動用銅合金になじみ性を発揮するために一般的に含有されている軟質金属であるＰｂの代わりに、Ｂｉを含有させたＣｕ−Ｂｉ系摺動材料の摺動面を機械加工した摺動部品に関するものであり、特に、焼結合金表面におけるこれら軟質金属が摺動特性に及ぼす影響に着目したＰｂフリーＣｕ−Ｂｉ系焼結材料製摺動部品に関するものである。

特許文献１：特開２００１−２２０６３０号公報は、１〜１０重量％のＢｉ相が分散したＰｂフリーＣｕ−Ｂｉ系焼結摺動材料を開示し、Ｂｉ相粒子の周りにＮｉ−Ｓｎなどの金属間化合物が存在する。なお、Ｂｉに代えてあるいはＢｉとともにＰｂも含有されることがある。焼結材料の顕微鏡組織のスケッチが図１に示されている。また、摺動材料の表面を機械加工で仕上げその後オーバレイ層を被着して軸受としている。

特許文献２：特開２００５−３５０７７２号公報は、１〜３０％のＢｉ及び平均粒径が１０〜５０μｍの硬質物粒子を０．１〜１０％含有し、硬質物粒子より小さいＢｉ相がＣｕマトリクス中に分散する組織を有するＰｂフリーＣｕ−Ｂｉ系焼結摺動材料を開示する。焼結材料の顕微鏡写真が図１〜４に示されている。また、このＰｂフリーＣｕ−Ｂｉ系焼結材料の表面状態はペーパーでラップして十点平均粗さを１．０μｍとしている。

特許文献３：ＷＯ２００８／０１８３４８は、１〜１５％のＳｎ、１〜１５％のＢｉ、１〜１０％の平均粒径が５〜７０μｍの硬質粒子を含有し、硬質粒子のすべてが銅マトリクスに接合されているＰｂフリーＣｕ−Ｂｉ系焼結摺動材料を開示する。焼結材料の顕微鏡写真が図１〜４に示されているとおりであり、多数のＢｉ相が分散している。

上記した従来技術公報に示されている焼結合金の顕微鏡組織写真又はスケッチでは、Ｂｉ相、硬質粒子及び銅マトリクスなどが示されている。顕微鏡組織観察用試料調製では、材料の切断、粗研磨から微細研磨、バフ研磨などの加工を順次行い、各相が正確に現れるようにしている。特に、Ｂｉ、Ｐｂなどは軟質であるから、研磨により削り取られ、あるいは流動しないように注意している。

従来のＣｕ−Ｐｂ系摺動材料から最近のＣｕ−Ｂｉ系摺動材料に移行するに当たっては、特許文献１〜３は、Ｂｉの特性を種々の観点から考慮している。また、ＢｉはＰｂよりも高価であるから、できるだけ添加量を少なくしたいという原料コストの観点も重要である。
特開２００１−２２０６３０号公報 特開２００５−３５０７７２号公報 ＷＯ２００８／０１８３４８

特許文献１〜３で提案されているＰｂフリーＣｕ−Ｂｉ系焼結摺動材料においては、Ｂｉの効果は、その組織形態が特定されると、添加質量％に依存するという趣旨で説明されている。これら特許文献においては図面に示された組織がＣｕ−Ｂｉ系焼結摺動材料のどの箇所でも見られる筈であるために、均質材料であるということができる。均質材料においては、組織が意図するものに特定されると、Ｂｉの効果はＢｉ添加量に依存する。

ところで、トランスミッション用ブシュ、エンジン用軸受などに使用した場合、その摺動表面は切削等の機械加工が施され所定表面粗さに仕上げられるが、Ｃｕ−Ｂｉ合金のような場合は焼結ダイヤモンドなどの高性能工具が使用されることが多い。この加工後の部品の摺動特性は、ＰｂフリーＣｕ−Ｂｉ系焼結摺動材料において同一Ｂｉ添加量かつ同一Ｂｉ相組織でも大きくばらつき、またＢｉ添加量が多い材料と少ない材料で特性が同じになることもあった。即ち、Ｃｕ−Ｂｉ系焼結摺動材料は、加工表面も含む全体の材料で評価すると、均質材料ではないことが分かった。本発明者らは、さらに調査を進めたところ、摺動部品表面の状態は、機械加工の影響を受けているので、Ｂｉが発揮すべき性能が不安定になっていることを見出した。特に、切削工具が銅合金表面を削り取る際に、銅合金の一部は切粉として被加工材料から分離される。一方、切削により除去されない材料は粗さを形成し、かつ、切削工具によるせん断応力の影響を受けた状態にある。この機械加工の影響を受けた状態ではＢｉ相の分散形態が焼結材料のバルクとは異なっていることが分かった。

したがって、本発明はＰｂフリーＣｕ−Ｂｉ系焼結材料製摺動部品において、Ｂｉの性能を安定して発揮させることを目的とする。

本発明は、相手軸と接触する側が切削加工により所定の粗さに仕上げられ且つ多数のＢｉ相が仕上面に存在し、下記Ｂｉ含有量を有するＰｂフリーＣｕ−Ｂｉ系焼結材料製摺動部品において、前記切削加工により該焼結材料が一部のＢｉ相を被覆しており、且つ被覆されていないＢｉ相全体の露出面積率が前記仕上面に対して０．５％以上であることを特徴とするＰｂフリーＣｕ−Ｂｉ系焼結材料製摺動部品を提供するものである。
以下、本発明を詳しく説明する。なお、ＢｉとＣｕはほとんど固溶しない。そのためＢｉはＣｕ−Ｂｉ焼結合金中でＣｕの複数の結晶粒界にＢｉだけで分布する。したがって、Ｂｉ相はＣｕ−Ｂｉ焼結合金中で、上記の結晶粒界の形態に倣う粒子形態をもち、多数の粒子形態をとっているが、本明細書ではそれぞれをＢｉ相と称している。したがって、焼結材料製摺動部品の仕上面には多数のＢｉ相が存在する。

ＰｂフリーＣｕ−Ｂｉ系焼結材料製摺動部品とは、トランスミッション用ブシュ、燃料噴射ポンプ用ブシュ、自動車エンジン用すべり軸受、工作機械用ブシュ、船舶エンジン用すべり軸受などの各種部品である。
これらの相手軸と接触する側の摺動面は焼結ダイヤモンド、サーメット、高速度鋼、超硬工具などの切削工具により加工されている。なお、加工後の表面粗さは一般にＪＩＳＲｚ０．５〜５μｍ程度である。

本発明におけるＣｕ−Ｂｉ系摺動部品に使用されるＣｕ−Ｂｉ系焼結材料は、１〜１５質量％、好ましくは２〜１０質量％のＢｉを含有する。

さらに、任意成分として次の元素を含有することができる。例えば、強度を向上するＳｎを１〜１５質量％、好ましくは３〜１０質量％、同様に強度を向上するＮｉを５質量％以下、Ｃｕマトリクス中への固溶、Ａｇ−Ｓｎ濃縮層の形成またはＢｉ−Ａｇ共晶の形成などを行うＡｇを５質量％以下、好ましくは０．１〜１質量％、焼結性を向上するＰを０．２質量％以下、Ｃｕマトリクスに固溶して耐焼付性を向上するＩｎを１０質量％以下、強度及び耐腐食性を向上するＺｎを３０質量％以下に含有することができる。これらの元素は組み合わせて含有することができるが、総量は４０質量％以下が好ましい。上記以外に銅合金において不純物元素や随伴元素として含有され、あるいは摺動特性向上以外の目的で添加されるＦｅ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｂｅ、Ｓ、Ｔｉ、Ｓｉなどを少量、例えば０．５質量％以下含有することができる。

さらに、Ｃｕ−Ｂｉ系摺動部品は、耐摩耗性を向上する硬質粒子を１０質量％以下、好ましくは１〜５質量％含有することができる。硬質粒子は、Ｆｅ_３Ｐ、Ｆｅ_２Ｐ、ＦｅＢ、Ｆｅ_２ＢなどのＦｅの化合物、ＡｌＮ、ＮｉＢ、Ｍｏ_２Ｃ、Ａｌ_２Ｏ_３などであって、好ましくはＦｅ_３Ｐ、Ｆｅ_２Ｐ、ＦｅＢ、Ｆｅ_２ＢなどのＦｅの化合物である。硬質粒子の平均粒径は１．５〜７０μｍが好ましい。
また、固体潤滑剤として、ＭｏＳ_２、黒鉛を１０質量％以下、好ましくは１〜３質量％含有することができる。

続いて、本発明が最も特徴とするＣｕ−Ｂｉ系摺動部品の表面におけるＢｉ相の状態について説明する。
従来のＣｕ−Ｐｂ系摺動材料では、Ｐｂ含有量が５〜３０質量％と比較的多く、加工表面に多くのＰｂが露出し易い傾向があったが、Ｃｕ−Ｂｉ系摺動材料ではＢｉの含有量が少ないために、Ｂｉが加工表面に露出し難い傾向がある。

図１はＣｕ−Ｂｉ系焼結材料の表面を切削工具で加工した後の断面組織写真であり、図２は図１の組織写真のＢｉ相を黒、Ｃｕマトリクスを白という二値化表現で表した模式図である。これらの図に示す、表面より上方のＣｕ−Ｂｉ系焼結材料は切削工具により除去されている。切削面の組織状態は切削加工のせん断応力の影響を受けていることは、焼結組織状態を維持している内部、即ちバルクと比較すると明らかである。即ち、切削工具は図面の左側から右側に向かって移動しているので、焼結材料はこの方向のせん断応力にさらされ、切削終了後には、異なる相が接している箇所で切削加工の影響が見られる。即ち、Ｂｉ相が三箇所の楕円で囲まれた位置に示されているようにＣｕマトリクス表面まで伸ばされる（以下「ケース１」という）か、あるいは逆に銅がＢｉ相の表面を被覆している（以下「ケース２」という）。

図３及びこれを白黒二値化表現した模式図４には同様の断面組織を示し、ケース１に相当し、図５及びこれを白黒二値化表現した模式図６はケース２に相当する。ケース１では、均質材料の仮定から予測される以上のＢｉが加工表面に露出する。一方、ケース２ではＢｉ添加量の一部しか表面に露出しないために、Ｂｉ添加量に釣り合った摺動特性は発揮されない。

続いて、Ｃｕ−Ｂｉ系摺動部材のＢｉ露出面積率の測定方法を説明する。先ず、機械加工後の部材を脱脂、洗浄した後測定用試料を採取する。続いて、図７及び８の上半に示されるようなＢｉの表面露出状態を電子顕微鏡で観察し、その結果を画像解析装置で解析してＢｉの露出面積率を算出する。この際、試料を研磨すると、試料表面のＢｉ相状態が変化するから、脱脂・洗浄以外の研磨などの処理を行ってはならない。

機械加工された部品の表面を脱脂、洗浄した後電子顕微鏡で観察すると、ケース１、２などの様々な存在形態で表面に存在するＢｉ相がパターンとして検出され、このパターンの面積が試料全体の面積に対して計算され、Ｂｉ露出面積率が求められる。図７は、表１の送り速度条件Ａで機械加工してケース１とした表面状態（Ｂｉ露出面積率１２．５％）の顕微鏡写真（上部）及びこの二値化した図（下部）を示し、図８は同じ試料を送り条件Ｂで機械加工してケース２とした表面状態（Ｂｉ露出面積率０．３％）の顕微鏡写真（上部）及びその二値化した図（下部）を示す。

Ｃｕ−Ｂｉ系摺動部品の加工面におけるＢｉ相の形態と電子顕微鏡によるＢｉの検出について説明する。
Ｃｕ−Ｂｉ系合金においては焼結時にＣｕ粒子の粒界にＢｉ相が存在する。任意元素が添加された組成では、Ａｇと同時添加された場合Ａｇ−Ｂｉ共晶相として存在する。このような様々のＢｉ存在形態はあるが、ＢｉはＣｕにはほとんど固溶しないため、ＢｉはＢｉ相として他の相から区別して検出される。さらに、硬質粒子が添加されていると、焼結中に生成する液相Ｂｉと硬質粒子が同じ箇所に存在し、この状態がそのまま焼結材料の組織となる。このような組織においても電子顕微鏡において硬質粒子とＢｉ相は区別される。以上のように種々の焼結組織が生成されるが、個々には図１〜６に示すような形態で存在するＢｉ相の割合を機械加工面に対するＢｉ露出面積率として求めることができる。
加工表面のＢｉ相の面積率をＢｉ露出面積率と定義する。同一材料であっても内部の断面組織のＢｉ相面積率と加工表面のＢｉ露出面積率は異なることが多い。

本発明者が多数のブシュにつきＢｉ露出面積率を測定した結果を、Ｂｉ含有量範囲毎に整理して次の表に示す。この表から分かるように、Ｃｕ−Ｂｉ系摺動部品のＢｉ含有量が多くなっても、Ｂｉ露出面積率が非常に少ないレベルに留まることがある。この表に見られるように、Ｂｉ含有量が１０％以上と非常に多くとも、送り速度Ｂ条件の場合のようにほとんどがケース２となり、多数のＢｉ相が機械加工で変形したＣｕにより被覆され、露出率が極めて低くなるという予想外の結果が得られた。

切削条件
加工機：旋盤
切削工具材質：焼結ダイヤモンド
ブシュ内径：３０ｍｍ
回転数：９７０ｒ．ｐ．ｍ
送り速度Ａ：０．５ｍｍ／ｒｅｖ．以上
送り速度Ｂ：０．０１ｍｍ／ｒｅｖ．以下

焼結方法
Ｃｕ−Ｂｉ系焼結材料の製造に際しては、裏金上に散布した粒径１５０μｍ以下のＣｕ−Ｂｉ粉末を温度７００〜１０００℃、不活性雰囲気中で焼結する。Ｃｕ−Ｂｉ粉末は所定の成分になるようにＣｕ粉末とＢｉ粉末を混合しても良い。また、Ｂｉ量、焼結温度条件を調節することができる。また、Ｐなどの添加元素、あるいは硬質粒子や固体潤滑剤を配合する場合はこれらも混合した上で、焼結を行う。

加工方法
焼結製品の表面は、焼結粒子による凹凸面が圧延ロールなどで圧下され、密度が高くなった状態である。通常、摺動材として使用する場合は軸受寸法及び表面粗さの調整のために切削工具などを使用して機械加工を行う。さらに、表面の材料が削り取られた後の切削面において、流動する物質の割合、即ち純Ｃｕ、Ｓｎ、Ｎｉなどを固溶したＣｕやＣｕ−Ｓｎ系金属間化合物などを分散した種々の組織で存在するＣｕマトリクスとＢｉ相のどちらが多いか、が機械加工条件により異なる。このため、焼結合金のＢｉ含有量が一定でも、機械加工条件により、Ｂｉ露出面積率が変化すると考えられる。即ち、切削工具の送り速度を速くするほうが、Ｂｉが流動して切削面を被覆しやすいことが分かった。非常に低速の送り速度では、表１の送り速度Ｂ条件のような低いＢｉ露出面積率の結果が得られる。
加工後のＣｕ−Ｂｉ系摺動部品はそのまま使用されるが、必要によりなじみ性を有するＳｎなどの金属系あるいは樹脂系オーバレイを被着して使用することができる。なお、この場合のＢｉ露出面積率とは、オーバレイを被覆する前の機械加工表面のＢｉ露出面積率である。

続いて、本発明におけるＢｉ露出面積率限定理由を説明する。図９は、焼結材料部品のＢｉ又はＰｂ露出面積率と焼付面圧の関係を示すデータである。
図中の供試材の焼結合金組成は、次のとおりであり、機械加工により表面粗さＪＩＳＲｚ２〜３μｍとした。但し、主として送り速度を調節し、切削速度と切削工具の形状を微調節して、ケース１と２の割合を変化させることによりＢｉ露出面積率を変化させた。
●（黒丸）：Ｃｕ‐３％Ｓｎ−７％Ｂｉ
◇（白菱形）：Ｃｕ−３％Ｓｎ−２３％Ｐｂ
△（白三角形）：Ｃｕ−３％Ｓｎ

耐焼付性の試験条件は次のとおりであった。
試験機：ブシュジャーナル試験機
すべり速度：２０ｍ／Ｓ
荷重：１ＭＰａステップアップ
潤滑：ＡＴＦ

図９から分かるように、Ｂｉ露出面積率と耐焼付性は関連している。機械加工の結果、Ｂｉ露出面積率がきわめて低い場合は焼付き面圧が低く、Ｂｉ露出面積率が増加するにつれて焼付き面圧が高くなっている。即ち、切削工具により塑性流動して焼結材料の表面を覆っているＢｉも耐焼付性向上に寄与する。また、Ｂｉ露出面積率０．５％から急激に焼付面圧が高くなっている。したがって、本発明においては、このような発見に基づいて、従来の焼結材料のようにＢｉ添加量もしくは含有量で特定するのではなく、Ｂｉ露出面積率で摺動部品を特定することとした。また上述のＢｉ露出面積率０．５％を本発明のＣｕ−Ｂｉ系摺動部品における特性として採用した。次に、Ｂｉ露出面積率は約３％でほぼ焼付面圧がほぼ一定となり、これ以上Ｂｉを添加しても添加量に見合う効果は得られない。また、この一定焼付面圧領域は従来のＣｕ−Ｐｂ合金の特性とほぼ一致しているから、ＰｂフリーＣｕ−Ｂｉ系焼結合金ではＣｕ−Ｐｂ系材料に匹敵する性能が得られることが分かる。

以上説明したところから、本発明は次のような効果を達成する。
（イ） Ｃｕ−Ｂｉ系焼結摺動部品のＢｉ露出面積率を制御することにより耐焼付性を良好にすることができる。
（ロ） 少ないＢｉ添加量でも部品表面に露出するＢｉ相の量（Ｂｉ露出面積率）を多くすることにより、良好な耐焼付性を得ることができる。
（ハ） 従来のＣｕ−Ｐｂ系焼結材料と同等の耐焼付性を達成することができる。
（ニ） Ｂｉ系焼結材料のＢｉ添加量を多くすると、耐焼付性が向上するが、その反面耐疲労性、強度及び耐摩耗性が劣化する。本発明により少ないＢｉ添加量によって、優れた耐焼付性が得られるので、耐疲労性などの特性も良好にすることができる。

実施例及び比較例
粒径１５０μｍ以下の表２に組成を示す銅合金アトマイズ粉末を裏金鋼板に厚さ１ｍｍに散布し、８５０℃で２０分間焼結した。その後、焼結材を圧延し、再び同一条件での焼結及び圧延を行った。得られたバイメタル状焼結材の表面を、内径が５０ｍｍのブシュ状に曲げ加工した。ブシュ内面を焼結ダイヤモンドの切削工具で加工した。ブシュのＢｉ露出面積率及び耐焼付性を表２に示す。

表２から、Ｂｉ露出面積率が０．５％以上の本発明実施例では高い焼付面圧が得られていることが分かる。

以上説明したように、従来技術はＣｕ−Ｂｉ系摺動材料において種々の改良を提案しているが、本発明は機械加工された摺動部品の分野にまで考察と研究を進め、優れた摺動部品を提供するものである。

機械加工されたＣｕ−Ｂｉ系摺動部品の表面を示す断面顕微鏡組織写真である。 図１の模式図である。 機械加工されたＣｕ−Ｂｉ系摺動部品の表面を示す断面顕微鏡組織写真であって、Ｂｉ相がＣｕマトリクスの表面まで伸ばされているケース１を示す。 図３の模式図である。 機械加工されたＣｕ−Ｂｉ系摺動部品の表面を示す断面顕微鏡組織写真であって、ＣｕがＢｉ相の表面まで伸ばされているケース２を示す。 図５の模式図である。 表１の送り条件Ａで機械加工した表面（Ｂｉ露出面積率１２．５％）を示し、上側が顕微鏡写真であり、下側が模式図である。 図７と同じ試料を送り条件Ｂで機械加工した表面（Ｂｉ露出面積率０．３％）を示し、上側が顕微鏡写真であり、下側が模式図である。 Ｃｕ−Ｓｎ系、Ｃｕ−Ｂｉ系及びＣｕ−Ｐｂ系摺動部品について、Ｂｉ又はＰｂの露出面積率と焼付面圧の関係を示すグラフである。

Claims (7)

1. 相手軸と接触する側が切削加工により所定の粗さに仕上げられ、且つ多数のＢｉ相が仕上面に存在するＰｂフリーＣｕ−Ｂｉ系焼結材料製摺動部品において、前記Ｃｕ−Ｂｉ系焼結材料のＢｉ含有量が１〜１５質量％であり、前記切削加工により該焼結材料が一部のＢｉ相を被覆しており、且つ被覆されていないＢｉ相の全体の露出面積率（以下「Ｂｉ露出面積率」という）が前記仕上面に対して０．５％以上であることを特徴とするＰｂフリーＣｕ−Ｂｉ系焼結材料製摺動部品。
2. Ｂｉ露出面積率が２〜１０％である請求項１記載のＰｂフリーＣｕ−Ｂｉ系焼結材料製摺動部品。
3. 前記Ｃｕ−Ｂｉ系焼結材料のＢｉ含有量が２〜１０質量％である請求項２記載のＰｂフリーＣｕ−Ｂｉ系焼結材料製摺動部品。
4. １〜１５質量％のＳｎ、５質量％以下のＮｉ、５質量％以下のＡｇ、０．２質量％以下のＰ、１０質量％以下のＩｎ、及び３０質量％以下のＺｎの１種又は２種以上を総量で４０質量％以下含有することを特徴とする請求項１から３までの何れか１項記載のＰｂフリーＣｕ−Ｂｉ系焼結材料製摺動部品。
5. １０質量％以下の硬質粒子を含有する請求項１から４までの何れか１項記載のＰｂフリーＣｕ−Ｂｉ系焼結材料製摺動部品。
6. １０質量％以下の固体潤滑剤を含有する請求項１から５までの何れか１項記載のＰｂフリーＣｕ−Ｂｉ系焼結材料製摺動部品。
7. 切削加工されたＣｕ−Ｂｉ系焼結材料の表面がオーバレイで被覆されていることを特徴とする請求項１から６までの何れか１項記載のＰｂフリーＣｕ−Ｂｉ系焼結材料製摺動部品。