JP6376822B2 - すべり軸受用銅合金およびすべり軸受 - Google Patents

Description

本発明は、黄銅系のすべり軸受用銅合金およびすべり軸受に関する。

ＣｕとＺｎとで構成されるマトリクスにＭｎ−Ｓｉ化合物の粒子を分散させた銅合金が知られている（特許文献１、参照）。特許文献１において、硬質のＭｎ−Ｓｉ化合物を含有することにより、耐摩耗性を向上させることができる。

特許第３７１８１４７号

しかしながら、Ｍｎ−Ｓｉ化合物よりも軟らかいマトリクスが摩耗しやすく、Ｍｎ−Ｓｉ化合物が摺動面から突き出た状態となり、Ｍｎ−Ｓｉ化合物がマトリクスから脱落しやすくなるという問題があった。さらに、Ｍｎ−Ｓｉ化合物が脱落すると、Ｍｎ−Ｓｉ化合物が脱落した周辺のマトリクスがより摩耗しやすくなるという問題があった。
本発明は、前記課題にかんがみてなされたもので、耐摩耗性が良好なすべり軸受用銅合金およびすべり軸受を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明のすべり軸受用銅合金は、２５質量％以上かつ４８質量％以下のＺｎと、１質量％以上かつ７質量％以下のＭｎと、０．５質量％以上かつ３質量％以下のＳｉと、０質量％よりも大きくかつ３．４質量％以下のＢｉと、を含有し、残部が不可避不純物とＣｕとからなる。さらに、本発明のすべり軸受用銅合金は、すべり軸受用銅合金は、Ｍｎ−Ｓｉ初晶と、Ｍｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶と、Ｃｕ−Ｚｎマトリクスとを含む。

前記のように構成したすべり軸受用銅合金において、Ｃｕ−Ｚｎマトリクスよりも硬質のＭｎ−Ｓｉ初晶によって、Ｃｕ−Ｚｎマトリクスの摩耗を抑制でき、耐摩耗性を向上させることができる。さらに、すべり軸受用銅合金は、Ｃｕ−Ｚｎマトリクスよりも硬く、かつ、Ｍｎ−Ｓｉ初晶よりも軟らかいＭｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶を含むため、Ｍｎ−Ｓｉ初晶が突出して硬い状態を緩和できる。すなわち、Ｃｕ−Ｚｎマトリクスよりも摩耗しにくいＭｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶が存在するため、Ｃｕ−Ｚｎマトリクスが摩耗したとしても、Ｍｎ−Ｓｉ初晶が摺動面から突き出た状態となることを防止できる。従って、摺動面から突き出た状態のＭｎ−Ｓｉ化合物が脱落することを防止できる。さらに、仮にＭｎ−Ｓｉ化合物が脱落したとしても、Ｃｕ−Ｚｎマトリクスよりも硬いＭｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶が存在するため、Ｍｎ−Ｓｉ初晶が脱落した周辺が摩耗しやすくなることを防止できる。また、Ｍｎ−Ｓｉ初晶だけでなくＭｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶によってすべり軸受用銅合金を硬くすることができるため、Ｍｎ−Ｓｉ初晶の含有量を抑制できる。従って、Ｍｎ−Ｓｉ初晶による相手軸への攻撃性を緩和でき、相手軸の破損や軸振れを防止できる。Ｍｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶においては、相手軸に対する凝着性が小さいＭｎ−Ｓｉが分散しているため、耐焼付性を向上させることができる。

さらに、Ｍｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶におけるＭｎ−Ｓｉ粒子間の最短距離は０．３μｍ以上かつ２μｍ以下であってもよい。すなわち、Ｍｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶において、Ｍｎ−Ｓｉ粒子とＣｕ−Ｚｎとが０．３μｍ以上かつ２μｍ以下の周期で交互に存在するようにすべり軸受用銅合金が形成されてもよい。このように、Ｍｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶組織を緻密にすることにより、Ｍｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶内においてＣｕ−Ｚｎが局部的に摩耗することを防止できる。

さらに、本発明のすべり軸受用銅合金を銅合金層として備えるすべり軸受においても、耐摩耗性が良好とすることができる。

ラジアル軸受の斜視図である。 （２Ａ）はラジアル軸受の断面模式図、（２Ｂ）はラジアル軸受の断面写真である。

ここでは、下記の順序に従って本発明の実施の形態について説明する。
（１）ラジアル軸受の構成：
（２）ラジアル軸受の製造方法：
（３）他の実施形態：

（１）ラジアル軸受の構成：
図１は、本発明の一実施形態にかかるすべり軸受用銅合金によって形成されたすべり軸受としてのラジアル軸受１（フローティングブシュ）の斜視図である。ラジアル軸受１は、例えば内燃機関用のターボ式過給機において、タービン翼とコンプレッサ翼とが軸方向の両端に備えられた相手軸２（一点鎖線）に作用する荷重をラジアル方向に支持する。ラジアル軸受１は円筒状に形成されており、軸方向に直交する断面が円環形状となっている。これにより、ラジアル軸受１の内側にて相手軸２を軸受け可能となる。本実施形態のラジアル軸受１の内径は７．５ｍｍであり、外径は１３．６ｍｍである。ラジアル軸受１と相手軸２との間に潤滑油としてのエンジンオイルの油膜が形成される。相手軸２が回転することにより、ラジアル軸受１の内側の表面である摺動面１ａ上において相手軸２が摺動する。なお、図示しないが相手軸２に作用する荷重をスラスト方向に支持するスラストベアリングもラジアル軸受１と同一の銅合金によって形成してもよい。また、ラジアル軸受１は、半割形状の軸受部品を円筒状に２個組み合わせることによって形成されてもよい。

以下、ラジアル軸受１を構成するすべり軸受用銅合金について説明する。すべり軸受用銅合金は、４０．０質量％のＺｎを含有し、４．０質量％のＭｎを含有し、１．３質量％のＳｉを含有し、３．４質量％のＢｉを含有し、残部がＣｕと不可避不純物とからなる。不可避不純物はＭｇ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｂ，Ｐｂ，Ｃｒ等であり、精錬もしくはスクラップにおいて混入する不純物である。不可避不純物の含有量は、全体で１．０質量％以下である。すべり軸受用銅合金における各元素の質量は、ＩＣＰ発光分光分析装置（島津製作所製ＩＣＰＳ−８１００）によって計測した。

図２Ａはラジアル軸受１の断面模式図であり、図２Ｂはラジアル軸受１の断面写真である。ラジアル軸受１の断面写真は、電子顕微鏡（日本電子製 ＪＳＭ６６１０Ａ）で２００倍の倍率で撮影した組成像である。図２Ａ，２Ｂに示すように、ラジアル軸受１の断面に、Ｍｎ−Ｓｉ初晶３（図２Ｂ：黒色）とＭｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶４（図２Ｂ：黒斑を含む灰色）とＣｕ−Ｚｎマトリクス５（図２Ｂ：灰色）とが含まれていた。Ｍｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶４は、Ｍｎ−Ｓｉ粒子４ａとＣｕ−Ｚｎ部４ｂとで構成されていた。Ｍｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶４とは、Ｍｎ−Ｓｉ粒子４ａ間の最短距離が０．３μｍ以上かつ２μｍ以下となる状態で、Ｍｎ−Ｓｉ粒子４ａが分布している領域である。また、Ｍｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶４は、多数のＭｎ−Ｓｉ粒子４ａと、当該Ｍｎ−Ｓｉ粒子４ａ間を埋めるＣｕ−Ｚｎ部４ｂとで構成されている。ここで、Ｍｎ−Ｓｉ粒子４ａとは、Ｍｎ−Ｓｉ化合物で構成された領域のうち、断面における円相当径が０．１〜３μｍであり、最も近い他のＭｎ−Ｓｉ粒子４ａとの間の粒子間距離が０．３〜２μｍとなる部分を意味する。ラジアル軸受１の断面において共晶中のＭｎ−Ｓｉ粒子４ａが占める面積割合は４０％であった。

以下、ラジアル軸受１の断面の解析手法について説明する。まず、ラジアル軸受１の断面を金属顕微鏡（オリンパス社製 ＧＸ５１）によって１０００倍の光学倍率で撮影することにより、観察画像の画像データを得た。そして、観察画像を画像解析装置（ニレコ社製 ＬＵＺＥＸ＿ＡＰ）に入力し、観察画像に存在する各粒子の像を抽出した。各粒子の外縁にはエッジ（明度や彩度や色相角が所定値以上異なる境界）が存在する。そこで、画像解析装置によって、エッジによって閉じられた領域を各粒子の像として観察画像から抽出した。

さらに、観察画像における各粒子の像に対応するラジアル軸受１の断面上の部位に存在する物質を、波長分散型のＸ線分析装置（日本電子製 ＪＸＡ−８１００）およびＸ線回折分析装置（リガク製 ＳｍａｒｔＬａｂ）によって特定した。その結果、ラジアル軸受１の断面上において、Ｍｎ−Ｓｉ化合物の粒子が存在することが確認された。さらに、上述した分析装置によってＭｎ−Ｓｉ化合物が存在すると特定された粒子と同一または類似する色（明度や彩度や色相角等）の粒子の像を、Ｍｎ−Ｓｉ化合物の粒子の像として観察画像から抽出した。

次に、画像解析装置によって、Ｍｎ−Ｓｉ化合物の各粒子の各像について円相当径（計測パラメータ：ＨＥＹＷＯＯＤ）によって計測し、円相当径が０．１〜３μｍであるＭｎ−Ｓｉ化合物の粒子の像を抽出した。円相当径とは、投影面積円相当径である。さらに、画像解析装置によって、抽出したＭｎ−Ｓｉ化合物の粒子の各像について、最も近い他のＭｎ−Ｓｉ化合物の粒子の像との間の粒子間距離を計測し、当該粒子間距離が０．３〜２μｍとなるＭｎ−Ｓｉ化合物の粒子の像を、Ｍｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶４を構成するＭｎ−Ｓｉ粒子４ａの像として抽出した。

Ｍｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶４においては、微小なＭｎ−Ｓｉ粒子４ａが小さい距離を隔てて存在するため、Ｍｎ−Ｓｉ粒子４ａの像が抽出されたことをもってラジアル軸受１においてＭｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶４が存在していると判断できる。一方、Ｍｎ−Ｓｉ初晶３は、円相当径が３μｍよりも大きいＭｎ−Ｓｉ化合物の粒子、および、円相当径が３μｍ以下であるが最短の粒子間距離が２μｍよりも大きいＭｎ−Ｓｉ化合物の粒子である。図２に示すように、Ｍｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶４とＭｎ−Ｓｉ初晶３との間には、Ｃｕ−Ｚｎマトリクス５が存在していた。

なお、ラジアル軸受１の断面を撮影した観察画像において、Ｍｎ−Ｓｉ粒子４ａが占める面積（各粒子の断面積の合計）を画像解析装置によって計測し、当該面積を観察画像の全面積で除算することによりＭｎ−Ｓｉ粒子４ａの面積割合を計測した。Ｍｎ−Ｓｉ粒子４ａの面積割合を計測するために使用した観察画像は、金属顕微鏡によって２００倍の光学倍率で撮影することにより得た。

本実施形態のすべり軸受用銅合金において、Ｃｕ−Ｚｎマトリクス５よりも硬質のＭｎ−Ｓｉ初晶３によって、Ｃｕ−Ｚｎマトリクス５の摩耗を抑制でき、耐摩耗性を向上させることができる。さらに、すべり軸受用銅合金は、Ｃｕ−Ｚｎマトリクス５よりも硬く、かつ、Ｍｎ−Ｓｉ初晶３よりも軟らかいＭｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶４を含むため、Ｍｎ−Ｓｉ初晶３が突出して硬くなっている状態を緩和できる。すなわち、Ｃｕ−Ｚｎマトリクス５よりも摩耗しにくいＭｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶４が存在するため、Ｍｎ−Ｓｉ初晶３が摺動面から突き出た状態となることを防止できる。従って、摺動面から突き出た状態のＭｎ−Ｓｉ化合物が脱落することを防止できる。さらに、仮にＭｎ−Ｓｉ化合物が脱落したとしても、Ｃｕ−Ｚｎマトリクス５よりも硬いＭｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶４が存在するため、Ｍｎ−Ｓｉ初晶３が脱落した周辺が摩耗しやすくなることを防止できる。また、Ｍｎ−Ｓｉ初晶３だけでなくＭｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶４によってすべり軸受用銅合金を硬くすることができるため、Ｍｎ−Ｓｉ初晶３の含有量を抑制できる。従って、Ｍｎ−Ｓｉ初晶３による相手軸への攻撃性を緩和でき、相手軸の破損や軸振れを防止できる。Ｍｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶４においては、相手軸に対する凝着性が小さいＭｎ−Ｓｉが分散しているため、耐焼付性を向上させることができる。

さらに、Ｍｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶４におけるＭｎ−Ｓｉ粒子間の最短距離は０．３μｍ以上かつ２μｍ以下であり、Ｍｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶組織を緻密であるため、Ｍｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶４内においてＣｕ−Ｚｎが局部的に摩耗することを防止できる。

（２）ラジアル軸受の製造方法：
本実施形態においてラジアル軸受１は、ａ．溶融、ｂ．連続鋳造、ｃ．切断、ｄ．機械加工の各工程を順に行うことにより製造される。以下、各工程について説明する。

ａ．溶融
まず、４０．０質量％のＺｎを含有し、４．０質量％のＭｎを含有し、１．３質量％のＳｉを含有し、３．４質量％のＢｉを含有し、残部がＣｕと不可避不純物とからなるすべり軸受用銅合金が形成できるように各原料を計量して用意する。本実施形態では、Ｃｕのインゴットと、Ｚｎのインゴットと、Ｃｕ−Ｍｎのインゴットと、Ｃｕ−Ｓｉのインゴットとをそれぞれを計量して用意した。ここでは、目標とするラジアル軸受１の機械特性に応じた質量の原料を用意すればよい。目標とするラジアル軸受１の機械特性は、例えば相手軸２の機械特性に応じて定められる。次に、用意した各原料を高周波誘導炉によって１２００℃まで加熱する。これにより、各インゴットが融解する。その後、Ａｒガスの気泡を分散噴出させて、水素ガスや介在物の除去を行う。

ｂ．連続鋳造
次に、すべり軸受用銅合金の溶融材料を鋳型に注入し、当該鋳型の開口からすべり軸受用銅合金を鋳造方向に連続的に引き抜き、そのまま室温まで冷却することにより、すべり軸受用銅合金の連続鋳造棒を形成する。例えば、炭素で形成された鋳型によって１０６０℃にて鋳造を行い、９０ｍｍ／ｍｉｎの引抜速度で引き抜いて連続鋳造棒を形成する。溶融状態から連続鋳造における凝固過程において、まずＭｎ−Ｓｉ初晶３が晶出し、その後Ｃｕ−Ｚｎマトリクス５が晶出し、最後にＭｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶４が凝固すると考えられる。

本発明では、凝固過程においてできたＭｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶４とＭｎ−Ｓｉ初晶３によってすべり軸受用銅合金の耐摩耗性を確保できるため、鋳造後に加工や熱処理をしなくてもすべり軸受用銅合金の耐摩耗性を確保できる。なお、すべり軸受用銅合金の連続鋳造棒の直径は、ラジアル軸受１の外径よりも機械加工における切削量だけ大きくされる。

ｃ．切断
次に、すべり軸受用銅合金の連続鋳造棒をラジアル軸受１の厚み（相手軸２の長さ方向の厚み）ごとに切断する。

ｄ．機械加工
最後に、切断後のすべり軸受用銅合金の連続鋳造棒に対して切削加工やプレス加工をすることにより、ラジアル軸受１を完成させる。ここでは、相手軸２の外径よりも所定量だけ大きい内径を有する貫通穴を形成するとともに、ラジアル軸受１の外径の大きさが設計値と一致するように切削加工を行う。

（３）他の実施形態：
前記実施形態においては、本発明の銅合金によってラジアル軸受１を形成した例を示したが、本発明の銅合金によって他の摺動部材を形成してもよい。例えば、本発明の銅合金によってトランスミッション用のギヤブシュやピストンピンブシュ・ボスブシュ等を形成してもよい。また、本発明のすべり軸受用銅合金は、凝固課程においてＭｎ−Ｓｉ初晶３とＭｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶４とＣｕ−Ｚｎマトリクス５とが析出すればよく、連続鋳造以外の製造方法で製造されてもよい。

１…ラジアル軸受、２…相手軸、３…Ｍｎ−Ｓｉ初晶、４…Ｍｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶、５…Ｃｕ−Ｚｎマトリクス。

Claims (3)

1. ２５質量％以上かつ４８質量％以下のＺｎと、
   １質量％以上かつ７質量％以下のＭｎと、
   ０．５質量％以上かつ３質量％以下のＳｉと、
   ０質量％よりも大きくかつ３．４質量％以下のＢｉと、を含有し、
   残部が不可避不純物とＣｕとからなるすべり軸受用銅合金であって、
   Ｍｎ−Ｓｉ初晶と、Ｍｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶と、Ｃｕ−Ｚｎマトリクスとを含むことを特徴とするすべり軸受用銅合金。
2. Ｍｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶におけるＭｎ−Ｓｉ粒子間の最短距離は０．３μｍ以上かつ２μｍ以下である、
   請求項１に記載のすべり軸受用銅合金。
3. ２５質量％以上かつ４８質量％以下のＺｎと、
   １質量％以上かつ７質量％以下のＭｎと、
   ０．５質量％以上かつ３質量％以下のＳｉと、
   ０質量％よりも大きくかつ３．４質量％以下のＢｉと、を含有し、
   残部が不可避不純物とＣｕとからなるすべり軸受であって、
   Ｍｎ−Ｓｉ初晶と、Ｍｎ−ＳｉとＣｕ−Ｚｎとの共晶と、Ｃｕ−Ｚｎマトリクスとを含む銅合金層を備えるすべり軸受。