JP6224992B2

JP6224992B2 - 摺動部材用銅合金及びそれを用いた摺動部材

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Publication number: JP6224992B2
Application number: JP2013227490A
Authority: JP
Inventors: 良政平井; 知広佐藤; 丸山　徹; 徹丸山
Original assignee: Kurimoto Ltd; Kansai University
Current assignee: Kurimoto Ltd; Kansai University
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2017-11-01
Anticipated expiration: 2033-10-31
Also published as: JP2015086450A

Description

本発明は、摺動部材に用いる熱伝導性に優れた摺動部材用銅合金及びそれを用いた摺動部材に関するものである。

従来より、鉛（Ｐｂ）、硫化物等の固体潤滑材を有する銅合金を摺動部材として使用することは知られている。

例えば、特許文献１のように硫化物を固体潤滑材とした青銅である摺動部材用銅合金が知られている。

また特許文献２には、例えば実施例１５，１９のようにニッケル（Ｎｉ），シリコン（Ｓｉ），硫黄（Ｓ），鉄（Ｆｅ）を含む銅合金が開示されている。

さらに特許文献３のように、Ｎｉ，Ｓｉ，Ｓ，Ｆｅの他にマンガン（Ｍｎ）やコバルト（Ｃｏ）を含有するクラッド性に優れた肉盛用銅合金が知られている。

特許４６５８２６９号公報特開２０１２−４６８１２号公報特許４４０９３４３号公報

しかしながら、特許文献１のような銅合金では、スズ（Ｓｎ）を大きな割合で含む場合、熱伝導率が低くなるので、高温環境等の熱伝導性が求められる環境では使用することができなかった。一方で、Ｓｎを含むことで摺動部材として必要な材料強度、耐摩耗性等の特性を確保していたので、単にＳｎの含有量を少なくしても良好な材料強度及び耐摩耗性を有する銅合金を得ることができなかった。

また、特許文献２のいずれの実施例の銅合金もＳ及びＦｅのいずれか一方の含有量が少なく、耐摩耗性が発揮できない。

さらに、特許文献３の肉盛用銅合金は、レーザー肉盛用として使用はできるが、鋳造には適さないことがわかっている。特にＭｎを多量に含有させると、Ｓを適切に含有させて硫化物を生成させることができない。

鋭意研究の結果、Ｓｎの含有量は極力少なくしながらＮｉ及びＳｉを適量配合させることで、摺動部材として良好な耐摩耗性を発揮する銅合金となることが判明した。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、各元素の含有量を適切に調整して十分な熱伝導率、耐摩耗性及び材料強度を確保すると共に、適切に鋳造を行うことができる銅合金を提供することにある。

上記の目的を達成するために、この発明では、鉄を０．３質量％以上１．３質量％以下、硫黄を０．４質量％以上３．０質量％以下、ニッケルを０．３質量％以上１０．０質量％以下、シリコンを０．５質量％以上５．０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により上記課題を解決した。

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、マンガンの含有による鋳造性の低下を防ぐことができる。また、スズの含有量を一定量以下にすることで、熱伝導率の低下を防ぐことができる。

さらに鋳造にて成形された摺動部材用銅合金を摺動面に有する摺動部材は、高温環境下でも優れた耐摩耗性を発揮することができる。

以上説明したように、本発明の摺動部材用銅合金は、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、Ｓｎの含有量を抑えて熱伝導率の低下を抑えているので、高温環境下で摺動部材を使用することができる。さらに、ＭｎやＣｏの含有量を不純物として含まれる程度以下としているので、鋳造性が極めて高い。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ことができる。

実施例１のピンオンディスク試験における摩擦係数を示すグラフである。比較例２のピンオンディスク試験における摩擦係数を示すグラフである。比較例３のピンオンディスク試験における摩擦係数を示すグラフである。比較例４のピンオンディスク試験における摩擦係数を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態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、Ｆｅ、Ｓ、Ｎｉ、Ｓｉを所定量含有し、残分がＣｕと不純物とからなる摺動部材用銅合金であり、鋳造に適している。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、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硫化物を形成する。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％以上含まれる必要があり、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１．３質量％以下であることが必要である。鉄の含有量が１．３質量％を超えると、摺動性が確保できなくなるためである。

上記銅合金は、硫黄を０．４質量％以上含むことが必要である。硫黄は銅、鉄等と反応して硫化物を形成する。この硫化物は、鉛やグラファイト、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０．４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％を超えると鋳造に適さなくなるので、３．０質量％以下であることが必要である。さらに、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、ニッケルを０．３質量％以上含むことが必要である。ニッケルは、０．３質量％未満であると、材料強度が低下する。好ましくは１．０質量％以上であると、より安定して材料強度を得ることができて有利である。一方で、１０．０質量％を超えると鋳造に適さなくなるので、１０．０質量％以下であることが必要である。好ましくは７．０質量％以上であると、より安定して良好な摺動部材を鋳造することができて有利である。

上記銅合金は、シリコンを０．５質量％以上含むことが必要である。シリコンは、０．５質量％未満であると、材料強度が低下する。一方で、５．０質量％を超えると鋳造に適さなくなるので、５．０質量％以下であることが必要である。好ましくは３．０質量％以下であると、より安定して良好な摺動部材を鋳造することができて有利である。

上記銅合金は、Ｓｎを１．５質量％以下含んでいてもよい。１．５質量％よりも多くＳｎが含まれると、熱伝導率が低下し、高温環境下での使用に適さなくなるためである。さらに０．５質量％以下であるとより安全に熱伝導率が確保できて好ましい。

上記銅合金は、上記の元素と残分である銅以外に、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を含んでいてもよい。

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、ないことがより好ましいが、０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コバルトの量は、０．１質量％以下であると好ましい。０．１質量％を超えると、鋳造品の品質が悪化するためである。

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、０．１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を含有することにより補っている。

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、一般的な鋳造法により製造することができる。

この発明にかかる銅合金を鋳造し、少なくともその表面に用いた摺動部材は、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。このような摺動部材としては、例えばブッシュ、軸受、ライナー、プレートなどが挙げられる。

本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。以下、熱伝導率試験及びピンオンディスク試験ついて説明する。

＜熱伝導率試験＞

表１にＳｎを１０．０質量％含む従来の青銅合金（比較例１）、Ｓｎを含有しない実施例１、Ｓｎを０．５質量％含有する実施例２の組成を示す。比較例１、実施例１及び２の銅合金を砂型鋳造で製造し、各銅合金の熱伝導率を計測した結果を表１に示す。

（熱拡散率分析）
各銅合金の一部を切り出し、直径１０ｍｍに加工し、両面にカーボンスプレーを施した。測定装置としてレーザーフラッシュアナライザー（ＬＦＡ４５７ＭｉｃｒｏｆｌａｓｈＮＥＴＺＳＣＨ製）を用い、室温及び６００℃について熱拡散率を測定した。

（比熱分析）
室温での比熱を測定するために各銅合金の一部を切り出し、直径約４ｍｍに加工した。また、６００℃での比熱を測定するために各銅合金の一部を切り出し、直径約６ｍｍに加工した。ＤＳＣ法で、室温及び６００℃について測定した。測定装置は、室温において示差走査熱量計（ＤＳＣ２００Ｆ３ＭａｉａＮＥＴＺＳＣＨ製）を使用し、６００℃において同時熱分析装置（ＳＴＡ４４９ＣＪｕｐｉｔｅｒＮＥＴＺＳＣＨ製）を使用した。基準物質は、サファイアとし、測定雰囲気として、室温では窒素１００ml/min、６００℃ではアルゴン５０ml/minとした。測定プログラムとして、ー１０℃〜７０℃は、１０℃/min（昇温前後で約１０分等温保持）、４５０℃〜６７０℃は、１０℃/min（昇温前後で約２０分等温保持）を使用した。

（かさ密度分析）
上記各分析で残った材料で、かさ密度をＪＩＳＲ１６３４準拠の方法で測定した。

この分析結果を基に熱拡散率と比熱と密度とを掛け合わせて熱伝導率を求めた。この結果、Ｓｎを意図的に含有しない（原料や溶解設備の点から不可避的にＳｎを０．１８質量％含有する）実施例１は、９４W/(m・K)と良好な値となった。また、Ｓｎを０．５３％のみ含有する実施例２でも１０２W/(m・K)となり熱伝導性について良好であった。一方で、Ｓｎを１０．１４質量％含有する比較例１では、５８．７W/(m・K)となって熱伝導性が悪く、高温環境下での使用には適さないことがわかった。

＜ピンオンディスク試験＞

表２に記載の実施例１及び比較例２〜４の成分となるように銅合金を砂型鋳造後、表裏面が平行となるように機械加工した厚さ３ｍｍの略円形のディスクを用意した。

各ディスクに対し、ＪＩＳＧ４０５１の鋼材である直径５ｍｍの円柱状のピンを回転中心から１０ｍｍの位置に無給油環境で１０Ｎの力で押圧しながら、ディスクを回転させる。回転数は、試験開始から６０秒間は、２００rpmとし、それ以降は４００rpmとして６００秒間試験を行い、試験後のディスクをクリーニングした後、その質量を測定し、試験開始前からの質量差を摩耗量とする耐摩耗試験を行った。参考として試験中の各実施例及び比較例の摩擦係数を表すグラフを図１乃至図４に示す。

表２に示すように、Ｓを０．４５質量％、Ｆｅを０．４５質量％含有させた実施例１は、摩耗量が０ｇと極めて良好な耐摩耗性を発揮した。一方、Ｓを０．３２質量％しか含有しない比較例２、Ｆｅを０．１２質量％しか含有しない比較例３、Ｆｅを１．４５質量％と過剰に含有する比較例４は、それぞれ摩耗が生じ、十分な耐摩耗性を発揮しないことがわかった。ここで比較例２〜４のＳｎの含有量は実施例１と同じく意図的に含有させたものではなく、原料や溶解設備の点から不可避的に含有したものである。

なお、本発明は意図的にＳｎを１．５質量％以下含有させたものを含み、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物や用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、高温環境下等の高い熱伝導率が必要な環境でも使用可能な摺動部材用銅合金について有用である。

Claims

スズの含有量が１．５質量以下であり、鉄を０．３質量％以上１．３質量％以下、硫黄を０．４質量％以上３．０質量％以下、ニッケルを０．３質量％以上１０．０質量％以下、シリコンを０．５質量％以上５．０質量％以下含有し、残分が銅と不可避的不純物である
ことを特徴とする摺動部材用銅合金。
鋳造にて成形された請求項１に記載の摺動部材用銅合金を摺動面に有する
ことを特徴とする摺動部材。