JP5684977B2 - Ｃｕ基焼結摺動部材 - Google Patents
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Description
本発明は、Ｃｕ基焼結摺動部材に係わり、特に高負荷環境下に対応可能なＣｕ基焼結摺動部材に関する。
自動車に使用される軸受において、高負荷で使用される用途：例えば自動車のＡＢＳシステムの軸受等の様な高負荷用途には高価なボールベアリングが使用されている。また、自動車のワイパーなどのモータシステム用途には安価なＦｅ−Ｃｕ系の焼結軸受が使用されているが、モータシステムの小型化により、軸受も小型化が進み、軸受部品が受ける負荷が高くなるため、従来より耐摩耗性、耐焼付性に優れた性能が要求されている。
最近、市場からの強いコストダウン要求から、前述の自動車ＡＢＳシステムのような高負荷用途にも、高価なボールベアリングから安価な焼結軸受への置換えが検討されているが、従来のＣｕ基焼結摺動部材では使用負荷範囲を超えてしまうため使用できず、また、Ｃｕ基焼結摺動部材よりも硬度、強度の高いＦｅ−Ｃｕ系焼結摺動部材は、Ｆｅを含むため、相手シャフトにＦｅ系材料が用いられることから、トモガネ現象による異常摩擦や焼付けが起こる可能性が低いながらもある事により、摺動部材としての信頼性が不十分である問題があった。そこで、高価なボールベアリングよりも安価で、従来よりも高負荷環境下で使用可能な、Ｃｕ基焼結摺動部材が求められていた。
高負荷環境下で使用可能なＣｕ基焼結摺動部材の従来技術として、内燃機関用のバルブガイド等の用途に、高温・高負荷・低潤滑下の環境下において優れた耐摩耗性と耐焼付性を有するＣｕ基焼結合金（例えば特許文献１）が開示されている。
前記従来技術のＣｕ基焼結合金は、時効処理によってスピノーダル分解を起こす組成のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系合金であり、スピノーダル分解させることで微細な組織が形成され素地が強化され、さらに素地と密着性の良いＮｉ基硬質粒子と固体潤滑剤のＭｏＳ２を添加することで、高温・高負荷・低潤滑下の環境下において耐摩耗性と耐焼付性を付与するものである。
しかし、従来技術に用いられるＮｉ基硬質粒子は高価であり、さらにＮｉ基硬質粒子にはＣｒが含まれることから、真空焼結が必要となるため製造コストも高く、コストメリットが不十分であった。
そこで、本発明は、高価な硬質粒子添加を必要とせず、高負荷な使用環境下で使用可能なＣｕ基焼結摺動部材を提供することを目的とする。
５〜３０質量％のＮｉと、５〜２０質量％のＳｎと、０．１〜１．２質量％のＰとを含有し、さらに固体潤滑剤として、黒鉛、フッ化黒鉛、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化ホウ素、フッ化カルシウム、タルク、珪酸マグネシウム鉱物粉末のうち少なくとも１種類以上を０．３〜１０質量％含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる、時効硬化したＣｕ基焼結摺動部材であって、原料粉末を上記の成分となるように配合し、ステアリン酸亜鉛を０．５質量％加えて混合した後、２００〜３００ＭＰａの圧力でプレス成形して圧粉体を製作し、この圧粉体を吸熱型ガス雰囲気中で、８４０〜９４０℃の温度で焼結し、サイジングを行い、非酸化性雰囲気中で３５０〜４５０℃の温度で時効処理を行い、合成油を含浸させたものであり、金属組織の粒界に前記Ｎｉと前記Ｐと前記Ｓｎの濃度が前記摺動部材全体における前記Ｎｉと前記Ｐと前記Ｓｎの平均濃度よりも高い合金相が存在することを特徴とするものである。
上記構成によれば、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系合金が時効処理によって硬化を起こす性質を利用すると共に、前記合金にＰを添加することで合金素地の強度をさらに高めるとともに、素地よりもＮｉとＰとＳｎの濃度の高いＮｉ−Ｐ−Ｃｕ−Ｓｎの合金相を粒界に存在させることで、優れた耐摩耗性が得られ、高価な硬質粒子が不要なため低コストであり、高負荷な軸受使用環境下で使用可能なＣｕ基焼結摺動部材を得ることができる。
さらに、固体潤滑剤を添加することで耐摩耗性を向上することができる。固体潤滑剤としては黒鉛、フッ素黒鉛、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化ホウ素、フッ化カルシウム、タルク（Ｍｇ３ＳｉＯ４（ＯＨ）２）、珪酸マグネシウム（ＭｇＳｉＯ３）鉱物粉末である。
さらに、固体潤滑剤を添加することで耐摩耗性を向上することができる。固体潤滑剤としては黒鉛、フッ素黒鉛、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化ホウ素、フッ化カルシウム、タルク（Ｍｇ３ＳｉＯ４（ＯＨ）２）、珪酸マグネシウム（ＭｇＳｉＯ３）鉱物粉末である。
本発明における好適な実施の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須条件であるとは限らない。各実施例では、従来とは異なる新規なＣｕ基焼結摺動部材を採用することにより、従来にないＣｕ基焼結摺動部材が得られ、Ｃｕ基焼結摺動部材を夫々記述する。
本発明は、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系合金が時効処理によって硬化を起こす性質を利用すると共に、前記合金にＰを添加することで合金素地の強度をさらに高めるとともに、素地よりもＮｉとＰとＳｎの濃度の高いＮｉ−Ｐ−Ｃｕ−Ｓｎの合金相を粒界に存在させることで、優れた耐摩耗性が得られ、高価な硬質粒子が不要なため低コストであり、高負荷な軸受使用環境下で使用可能なＣｕ基焼結摺動部材を得ることができる。さらに固体潤滑剤を添加することで耐摩耗性を向上することができる。
また、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系合金が時効処理によって硬化を起こす性質については、所定の組成範囲内において、ＮｉおよびＳｎはＣｕに固溶し単一α相構造となり、時効処理によりスピノーダル硬化を起こすことが知られている。このスピノーダル硬化とは、スピノーダル分解によって生成する組織が数ナノメータ単位の周期構造を持ち、非常に微細な組織が形成されるため、歪エネルギ等の上昇によって変形抵抗が増加し、硬さあるいは強度が増加する現象をいう。
次に、本発明のＣｕ基焼結摺動部材において、これを構成する焼結Ｃｕ合金の組成の限定理由を説明する。
（ａ）Ｎｉ：５〜３０質量％
Ｎｉは、Ｐ、Ｓｎ、Ｃｕと素地の固溶体を形成し、時効硬化によって焼結合金の強度を向上させる。さらに素地よりもＮｉ、Ｐ、Ｓｎの濃度が高い合金相を粒界に存在させることで、耐摩耗性向上に寄与する。時効処理による硬化を得るために必要なＮｉ量は５質量％以上で、３０質量％を超える量を添加しても時効処理による硬化の向上は認められなくなり、かえって原料コストが高くなるので好ましくない。
（ｂ）Ｓｎ：５〜２０質量％
Ｓｎは、Ｎｉ、Ｐ、Ｃｕと素地の固溶体を形成し、時効硬化によって焼結合金の強度を向上させる。さらに素地よりもＮｉ、Ｐ、Ｓｎの濃度が高い合金相を粒界に存在させることで、耐摩耗性向上に寄与する。時効処理による硬化を得るために必要なＳｎ量は５質量％以上添加することが必要で、２０質量％を超える量を添加しても時効処理による硬化の向上は認められなくなり、かえって相手攻撃性が高くなるので好ましくない。
（ｃ）Ｐ：０．１〜１.２質量％
Ｐは、焼結性を向上させ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｃｕと素地の固溶体を形成して、焼結合金の強度を向上させる。さらに、素地よりもＮｉ、Ｐ、Ｓｎの濃度が高い合金相を粒界に存在させることで、耐摩耗性に寄与する。Ｐ含有量が０．１質量％未満では所定の耐摩耗性が得られず、一方、１．２質量％を越えると摺動相手材への攻撃性が高まり、相手材を磨耗させてしまうので好ましくない。
（ｄ）固体潤滑剤：０．３〜１０質量％
固体潤滑剤として、黒鉛、フッ化黒鉛、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化ホウ素、フッ化カルシウム、タルク（Ｍｇ３ＳｉＯ４（ＯＨ）２）、珪酸マグネシウム（ＭｇＳｉＯ３）鉱物粉末のうち少なくとも１種類以上を０．３〜１０質量％含有することができ、固体潤滑剤の含有量が０．３質量％未満では耐摩耗性の向上効果が得られず、１０質量％を超えると、強度が著しく低下するので好ましくない。
（ａ）Ｎｉ：５〜３０質量％
Ｎｉは、Ｐ、Ｓｎ、Ｃｕと素地の固溶体を形成し、時効硬化によって焼結合金の強度を向上させる。さらに素地よりもＮｉ、Ｐ、Ｓｎの濃度が高い合金相を粒界に存在させることで、耐摩耗性向上に寄与する。時効処理による硬化を得るために必要なＮｉ量は５質量％以上で、３０質量％を超える量を添加しても時効処理による硬化の向上は認められなくなり、かえって原料コストが高くなるので好ましくない。
（ｂ）Ｓｎ：５〜２０質量％
Ｓｎは、Ｎｉ、Ｐ、Ｃｕと素地の固溶体を形成し、時効硬化によって焼結合金の強度を向上させる。さらに素地よりもＮｉ、Ｐ、Ｓｎの濃度が高い合金相を粒界に存在させることで、耐摩耗性向上に寄与する。時効処理による硬化を得るために必要なＳｎ量は５質量％以上添加することが必要で、２０質量％を超える量を添加しても時効処理による硬化の向上は認められなくなり、かえって相手攻撃性が高くなるので好ましくない。
（ｃ）Ｐ：０．１〜１.２質量％
Ｐは、焼結性を向上させ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｃｕと素地の固溶体を形成して、焼結合金の強度を向上させる。さらに、素地よりもＮｉ、Ｐ、Ｓｎの濃度が高い合金相を粒界に存在させることで、耐摩耗性に寄与する。Ｐ含有量が０．１質量％未満では所定の耐摩耗性が得られず、一方、１．２質量％を越えると摺動相手材への攻撃性が高まり、相手材を磨耗させてしまうので好ましくない。
（ｄ）固体潤滑剤：０．３〜１０質量％
固体潤滑剤として、黒鉛、フッ化黒鉛、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化ホウ素、フッ化カルシウム、タルク（Ｍｇ３ＳｉＯ４（ＯＨ）２）、珪酸マグネシウム（ＭｇＳｉＯ３）鉱物粉末のうち少なくとも１種類以上を０．３〜１０質量％含有することができ、固体潤滑剤の含有量が０．３質量％未満では耐摩耗性の向上効果が得られず、１０質量％を超えると、強度が著しく低下するので好ましくない。
なお、黒鉛およびフッ化黒鉛は、素地に分散分布する遊離黒鉛、遊離フッ化黒鉛として存在し、焼結合金に優れた潤滑性を付与し、もって焼結合金の耐摩耗性向上に寄与する。また、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化ホウ素、フッ化カルシウム、タルク（Ｍｇ３ＳｉＯ４（ＯＨ）２）、珪酸マグネシウム（ＭｇＳｉＯ３）鉱物粉末は、焼結合金に優れた潤滑性を付与すると共に、摺動部材同士の金属接触を少なくし、もって焼結合金の耐摩耗性向上に寄与する。なお、タルクは、焼結後エンスタタイトとなる。
以下、本発明の実施例添付図面を参照して説明する。
焼結合金の製造において、原料粉末を所要形状の金型に充填し、圧粉成形して所要の密度の成形体を得る。この成形体を還元雰囲気中で、焼結して焼結合金を得る。この焼結合金を金型で、製品の寸法精度を満たすようにサイジングを行う。サイジング後の焼結合金の寸法、密度、硬さ、強度などを検査し、検査に合格したものを製品とする。この製品としては、摺動部材たる軸受が例示される。
実験例
原料粉末に、粒径−１００meshの電解Ｃｕ粉末と、粒径−２５０meshのＳｎアトマイズ粉末と、粒径−２００meshのＣｕ−８質量％Ｐアトマイズ粉末と、粒径２５０meshのＣｕ−３０質量％Ｎｉアトマイズ粉末と、添加する固体潤滑剤として平均粒径：２０μmの黒鉛粉末、平均粒径：１５０μｍ以下の二硫化モリブデン粉末、平均粒径６０μmのフッ化カルシウム粉末、平均粒径：２０μｍのタルクの粉末を用意した。
原料粉末に、粒径−１００meshの電解Ｃｕ粉末と、粒径−２５０meshのＳｎアトマイズ粉末と、粒径−２００meshのＣｕ−８質量％Ｐアトマイズ粉末と、粒径２５０meshのＣｕ−３０質量％Ｎｉアトマイズ粉末と、添加する固体潤滑剤として平均粒径：２０μmの黒鉛粉末、平均粒径：１５０μｍ以下の二硫化モリブデン粉末、平均粒径６０μmのフッ化カルシウム粉末、平均粒径：２０μｍのタルクの粉末を用意した。
これらの原料粉末を表１及び表２に示した最終成分組成となるように配合し、ステアリン酸亜鉛を０．５質量％加えてＶ型混合機で２０分間混合した後、２００〜３００ＭＰａの範囲内の所定の圧力でプレス成形して圧粉体を製作し、この圧粉体を天然ガスと空気を混合し、加熱した触媒に通すことで分解変成させたendothermic gas（吸熱型ガス）雰囲気中で、８４０〜９４０°Ｃ範囲内の所定温度で焼結し、続いてサイジングを行い、非酸化性雰囲気中で３５０〜４５０°Ｃ範囲内の所定の温度で１時間の時効処理を行い、さらに、Ｃｕ基焼結合金中に合成油を含浸せしめることによりいずれも外径：１８ｍｍ×内径：８ｍｍ×高さ：８ｍｍの寸法を有し、表１に示される組成成分のＣｕ基焼結摺動部材（以下、参考例という）、及び比較としてＰを添付していないＣｕ基焼結摺動部材と発明から外れた組成成分のＣｕ基焼結摺動部材（以下、比較例という）からなるリング状試験片を製作した。こうして得られたＣｕ基焼結摺動部材は、素地に５〜２５質量％の割合で気孔が分散している。
得られた上記のＣｕ基焼結摺動部材１〜４（以下、参考例１〜４という）、比較のＣｕ基焼結摺動部材１〜１３（以下、比較例１〜１３という）および従来例１，２として時効硬化が起こらないＣｕ基焼結部材とＦｅ−Ｃｕ系焼結摺動部材からなるリング状試験片を用いて、以下の試験を行い、表１および表２にその圧環試験と耐摩耗試験の結果を示した。
尚、表１には、参考例１〜４と比較例１〜８と従来例１〜２を示し、表２には、本発明例５〜１３と比較例９〜１３を示した。
圧環試験：
参考例１〜４、本発明例５〜１３、比較例１〜１３、従来例１〜２からなるリング状試験片を半径方向から荷重をかけ、リング状試験片が破壊したときの圧環荷重を測定し、強度を算出した。その結果を表１および表２の「圧環強度」の欄に示した。
参考例１〜４、本発明例５〜１３、比較例１〜１３、従来例１〜２からなるリング状試験片を半径方向から荷重をかけ、リング状試験片が破壊したときの圧環荷重を測定し、強度を算出した。その結果を表１および表２の「圧環強度」の欄に示した。
耐摩耗試験：
参考例１〜４、本発明例５〜１３、比較例１〜１２および従来例１〜２からなるリング状試験片にＳ４５Ｃのシャフトを挿入し、参考例１〜４、本発明例５〜１３、比較例１〜１３および従来例１〜２からなるリング状試験片の半径方向（シャフトの軸方向に対して直角方向）に面圧：１．５ＭＰａとなるように荷重を前記リング状試験片の外側からかけながら前記シャフトを７５ｍ／ｍｉｎで１０００時間回転させて試験を実施し、試験後のリング状試験片及びＳ４５Ｃシャフトのそれぞれの摺動面における最大摩耗深さを測定し、耐摩耗性を評価した。その結果を表１および表２に記載した。
参考例１〜４、本発明例５〜１３、比較例１〜１２および従来例１〜２からなるリング状試験片にＳ４５Ｃのシャフトを挿入し、参考例１〜４、本発明例５〜１３、比較例１〜１３および従来例１〜２からなるリング状試験片の半径方向（シャフトの軸方向に対して直角方向）に面圧：１．５ＭＰａとなるように荷重を前記リング状試験片の外側からかけながら前記シャフトを７５ｍ／ｍｉｎで１０００時間回転させて試験を実施し、試験後のリング状試験片及びＳ４５Ｃシャフトのそれぞれの摺動面における最大摩耗深さを測定し、耐摩耗性を評価した。その結果を表１および表２に記載した。
なお、本耐摩耗試験で行った条件は、高負荷環境下を想定したものである。
表１および表２に示される結果から、本発明例からなるリング状試験片はいずれも比較例および従来例からなるリング状試験片に比べて最大磨耗深さが小さいことから優れた耐摩耗性を有していることが分かる。
一方、この発明の範囲から外れた成分組成を有する比較例１〜１３からリング状試験片は強度、耐摩耗性、相手シャフト材への攻撃性のうち少なくともいずれかの特性が劣ることが分かる。
表１において、Ｐが０.１質量％未満の比較例１〜３は、本発明例に比べて、最大磨耗深さが大きくなり、また、Ｐが１.２質量％を超える比較例４は、本発明例に比べて、相手シャフトの最大磨耗深さが大きくなり、また、Ｎｉが５質量％未満の比較例５は、本発明例に比べて、最大磨耗深さが大きくなり、また、Ｎｉが３０質量％を超える比較例６は、本発明例に比べて、最大磨耗深さおよび相手シャフト材の最大磨耗深さが大きくなり、また、Ｓｎが５質量％未満の比較例７は、本発明例に比べて、最大磨耗深さが大きくなり、また、Ｓｎが２０質量％を超える比較例７は、本発明例に比べて、相手シャフト材の最大磨耗深さが大きくなる。さらに、比較例１，２，３，５及び７は、本発明例に比べて、圧環強度に劣る。
表２において、Ｐが０.１質量％未満の比較例９と、固体潤滑材が１０質量％を超える比較例１０〜１２と、固体潤滑材が１０質量％を超えると共にＰが１.２質量％を超える比較例１３は、本発明例に比べて、圧環強度に劣ると共に、最大磨耗深さが大きくなる。
本発明例１の合金について、金属組織の粒界に存在するＮｉとＰとＳｎの濃度が合金全体におけるＮｉとＰとＳｎの平均濃度よりも高い合金相中のＮｉ、Ｐ、Ｓｎ、Ｃｕを電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いて分析した。その結果を表３に示し、また、分析した合金相の一例として、電子顕微鏡写真（ＣＯＭＰＯ像）を図１に示す。
ＥＰＭＡ分析条件は、加速電圧１５ｋＶで、ビーム径をφ１μｍに設定で、図１に示す粒界の合金相を５箇所測定した。その平均した値を表３に記載した。このＥＰＭＡによる
分析結果から本発明例１の合金には、ＮｉとＰとＳｎのそれぞれの濃度が焼結合金全体におけるＮｉとＰとＳｎの平均濃度よりも高い合金相が粒界に存在していることが分かる。
分析結果から本発明例１の合金には、ＮｉとＰとＳｎのそれぞれの濃度が焼結合金全体におけるＮｉとＰとＳｎの平均濃度よりも高い合金相が粒界に存在していることが分かる。
尚、本発明は、前記実施形態に限定されるものでは無く、種々の変形実施が可能である。例えば、実施例では、摺動部材として内周に摺動面を有する軸受を例示したが、摺動面を有する他の摺動部材にも適用できる。
Claims (1)
- ５〜３０質量％のＮｉと、５〜２０質量％のＳｎと、０．１〜１．２質量％のＰとを含有し、さらに固体潤滑剤として、黒鉛、フッ化黒鉛、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化ホウ素、フッ化カルシウム、タルク、珪酸マグネシウム鉱物粉末のうち少なくとも１種類以上を０．３〜１０質量％含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる、時効硬化したＣｕ基焼結摺動部材であって、原料粉末を上記の成分となるように配合し、ステアリン酸亜鉛を０．５質量％加えて混合した後、２００〜３００ＭＰａの圧力でプレス成形して圧粉体を製作し、この圧粉体を吸熱型ガス雰囲気中で、８４０〜９４０℃の温度で焼結し、サイジングを行い、非酸化性雰囲気中で３５０〜４５０℃の温度で時効処理を行い、合成油を含浸させたものであり、金属組織の粒界に前記Ｎｉと前記Ｐと前記Ｓｎの濃度が前記摺動部材全体における前記Ｎｉと前記Ｐと前記Ｓｎの平均濃度よりも高い合金相が存在することを特徴とするＣｕ基焼結摺動部材。
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