JP6396865B2 - 耐摩耗性銅基合金 - Google Patents
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Description
(1) モリブデン、タングステン及びバナジウムからなる群から選択される少なくとも1種と炭化ニオブを含み、
クロムの含有量が重量%で1.0%未満であり、
マトリックスとマトリックスに分散した硬質粒子とを備えており、
硬質粒子が、炭化ニオブと、その周辺にNb−C−Mo、Nb−C−W及びNb−C−Vからなる群から選択される少なくとも1種とを含む、耐摩耗性銅基合金。
(2)重量%で、ニッケル:5.0〜30.0%;シリコン:0.5〜5.0%;鉄:3.0〜20.0%;クロム:1.0%未満;炭化ニオブ0.01〜5.0%;モリブデン、タングステン及びバナジウムからなる群から選択される少なくとも1種:3.0〜20.0%;残部銅;及び不可避不純物を含む、(1)に記載の耐摩耗性銅基合金。
(3)クロムを含まない、(1)又は(2)に記載の耐摩耗性銅基合金。
(4)クロムの含有量が0を超え1.0%未満である、(1)又は(2)に記載の耐摩耗性銅基合金。
(5)コバルトの含有量が2.0%未満である、(1)〜(4)のいずれかに記載の耐摩耗性銅基合金。
(6)モリブデンの含有量が10%以下である、(5)に記載の耐摩耗性銅基合金。
(7)肉盛用合金として用いられる、(1)〜(6)のいずれかに記載の耐摩耗性銅基合金。
(8)肉盛層を構成している、(1)〜(6)のいずれかに記載の耐摩耗性銅基合金。
(9)内燃機関用の動弁系部材又は摺動部材に用いられる、(1)〜(6)のいずれかに記載の耐摩耗性銅基合金。
・ニッケル(任意成分):5.0〜30.0%
ニッケルは一部が銅に固溶して銅基のマトリックスの靱性を高め、他の一部はニッケルを主要成分とする硬質なシリサイド(珪化物)を形成して分散され、耐摩耗性を高める。ニッケルは、硬質粒子内のNbC周辺に炭素領域が形成されることによりその領域から排除されたシリコンと、銅基材中にニッケルシリサイドの網目状強化層を形成し、基材の耐凝着性を向上させる。またニッケルは、鉄、モリブデン等と共に硬質粒子の硬質相を形成する。硬質粒子内の炭素領域から排除されたシリコンとのバランスから、ニッケルの含有量の上限値は30.0%とし、さらには25.0%、20.0%を例示できるが、これらに限定されるものではない。銅−ニッケル系合金の有する特性、特に良好な耐食性、耐熱性及び耐摩耗性を確保し、また十分な硬質粒子を生成させることにより靱性を確保し、肉盛層としたときにワレを発生しにくくし、さらに肉盛する場合に対象物に対する肉盛性を維持する観点から、ニッケルの含有量の下限値は5.0%とし、さらには10.0%、15.0%を例示できるが、これらに限定されるものではない。上記した事情を考慮し、本発明の銅基合金のニッケルの含有量は、5.0〜30.0%、好ましくは10〜25%、さらに好ましくは15〜20%とすることができる。
シリコンはシリサイド(珪化物)を形成する元素であり、ニッケルを主要成分とするシリサイド、又は、モリブデン(タングステン、バナジウム)を主要成分とするシリサイドを形成し、さらに銅基のマトリックスの強化に寄与する。ニッケルシリサイドが少ない場合、基材の耐凝着性が低下する。また、モリブデン(又はタングステン、バナジウム)を主要成分とするシリサイドは、本発明の銅基合金の高温潤滑性を維持する働きがある。十分な硬質粒子を生成させることにより靱性を確保し、肉盛層としたときにワレを発生しにくくし、さらに肉盛する場合に対象物に対する肉盛性を維持する観点から、シリコンの含有量の上限値は5.0%とし、さらに4.5%、3.5%を例示できるが、これらに限定されるものではない。上記した効果が十分に得る観点から、シリコンの含有量の下限値は0.5%とし、さらに1.5%、2.5%を例示できるが、これらに限定されるものではない。上記した事情を考慮し、本発明の銅基合金のシリコンの含有量は、0.5〜5.0%、好ましくは1.5〜4.5%、さらに好ましくは2.5〜3.5%とすることができる。
鉄は銅基のマトリックスにはほとんど固溶せず、主に、Fe−Mo系、Fe−W系又はFe−V系のシリサイドとして硬質粒子中のNbC周辺以外の部分に存在する。Fe−Mo系、Fe−W系又はFe−V系のシリサイドは、Co−Mo系のシリサイドよりも硬さが低く、かつ靱性もやや高い。十分な硬質粒子を生成させることにより耐摩耗性を得る観点から、鉄の含有量の上限値は20.0%とし、さらに15.0%、10.0%を例示できるが、これらに限定されるものではない。十分な硬質粒子を生成させることにより耐摩耗性を得る観点から、鉄の含有量の下限値は3.0%とし、さらに5.0%、7.0%を例示できるが、これらに限定されるものではない。上記した事情を考慮し、本発明の銅基合金の鉄の含有量は、3.0〜20.0%、好ましくは5.0〜15.0%、さらに好ましくは7.0〜10.0%とすることができる。
本発明の銅基合金に含有させることができる成分の中では、酸化しやすさを示すエリンガム図(例えばhttp://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/ellingham_diagrams/interactive.php参照)より、クロムが最も酸化しやすい。NbC周辺に存在するNbCMoはFeMoSiよりもクロムの存在によって酸化膜形成が阻害される程度が高い。クロムの含有量が多いとわずかな酸素がクロムに消費されてしまい、モリブデン等の酸化を阻害するためモリブデン等の酸化膜の形成が阻害される。耐摩耗性は硬質粒子表面のモリブデン等の酸化膜で確保されるのでクロムが多いと耐摩耗性が低下する。よって、クロムは、1.0%未満とし、さらには含有量の上限値は0.8%、0.6%、0.4%、0.1%、0.001%を例示できるが、これらに限定されるものではない。上記観点から、本発明の銅基合金はクロムを含有しないことが特に好ましい。
ニオブ炭化物は、硬質粒子の核生成作用を有し、硬質粒子の微細化を図り、耐割れ性及び耐摩耗性を両立させるのに貢献できる。ニオブ炭化物は硬質粒子内に炭素領域を形成し、その領域からシリコンが排除されることで銅基材中のニッケルシリサイドの網目状強化層の量を増やし、基材の耐凝着性を向上させる。これに対し、ニオブをニオブ炭化物としてではなくニオブ単体として添加した場合は、ニオブはモリブデン等と同様の効果を奏し、また、硬質粒子内において、MoFeシリサイド又はNbFeシリサイドのラーベス層が形成される点で本発明の銅基合金におけるニオブとは異なる作用を示す。耐割れ性の阻害を回避するために、ニオブ炭化物の含有量の上限値は5.0%とし、さらには4.0%、3.0%、2.0%、1.0%を例示できるが、これらに限定されるものではない。ニオブ炭化物添加による硬質粒子の微細化改善効果を得る観点から、ニオブ炭化物の含有量の下限値は0.01%とし、0.1%、0.3%、0.6%を例示できるが、これらに限定されるものではない。上記した事情を考慮し、本発明の銅基合金のニオブ炭化物の含有量は、0.01〜5.0%、好ましくは0.1〜2.0%、さらに好ましくは0.6〜1.0%とすることができる。
モリブデンはNbC周辺にNbCMoとして存在する。NbCMoはFeMoSiよりもクロムの存在によって酸化膜形成能が阻害される程度が高い。よって、クロムを上記したような範囲で含む本発明の銅基合金は、耐摩耗性に寄与する酸化膜の形成が阻害される程度が顕著に低減されているため、酸化膜が形成されやすく、よって望ましい酸化特性を有する。具体的にはこの酸化物は、使用時に銅基のマトリックスの表面を覆い、相手材とマトリックスとの直接接触を避けるのに有利となり、これにより自己潤滑性が確保される。タングステン及びバナジウムについても基本的にはモリブデンと同様の働きをする。また、モリブデンはシリコンと結合してシリサイド(NbC周辺以外の、靱性を有するFe−Mo系のシリサイド)を硬質粒子内に生成し、高温における耐摩耗性と潤滑性とを高める。このシリサイドはCo−Mo系のシリサイドよりも硬さが低く、靱性が高い。このようなシリサイドは硬質粒子内に生成し、高温における耐摩耗性と潤滑性とを高める。硬質粒子が過剰となり、靱性が損なわれ、耐割れ性が低下し、ワレが発生し易くなることを回避するために、モリブデン等の含有量の上限値は20.0%とし、さらには15.0%、10.0%、8.0%を例示できるが、これらに限定されるものではない。十分に硬質粒子を生成させて耐摩耗性を確保する観点から、モリブデン等の含有量の下限値は3.0%とし、さらには4.0%、5.0%、6.0%を例示できるが、これらに限定されるものではない。上記した事情を考慮し、本発明の銅基合金のモリブデン等の含有量は、3.0〜20.0%、好ましくは4.0〜10.0%、さらに好ましくは5.0〜8.0%とすることができる。また後述するように、本発明の銅基合金はコバルトを含む場合、好ましくは2.0%未満、さらに好ましくは0.01未満含むことが好ましく、特には含有しないことが好ましいが、この場合にはモリブデン等の添加量を増やすことにより、靱性を確保することが好ましい。この場合、耐割れ性が低下を回避する観点から、モリブデン等の含有量の上限値は10%とすることが好ましい。
コバルトは2.00%まではニッケル、鉄、クロム等と固溶体を形成し、靱性を向上させる。コバルトの含有量が多い場合、ニッケルシリサイド組織にコバルトが入りこむことにより耐割れ性が低下する(図4)。よって、これを回避する観点から、コバルトの含有量は2.0%未満、好ましくは0.01未満とし、また上限値は1.5%、1.0%、0.5%を例示できるが、これらに限定されるものではない。上記観点から、本発明の銅基合金はコバルトを含有しないことが特に好ましい。
実施例1−3、比較例1−7及び8−10
実施例1−3の耐摩耗性銅基合金及び比較例1−7の銅基合金の組成(配合組成)を表1に示す。
(1)試料準備
各銅基合金について試料形状:縦10mm×横10mm×厚さ1mmの直方体形状に加工した試料を準備した。
(2)重量測定
上記試料の初期重量を測定した。
(3)加熱
上記試料を500℃に加熱した電気炉内にて100時間保持した。
(4)重量測定
上記試料の加熱後の重量を測定した。
(5)重量増加率の算出
重量増加率は、上記(2)及び(4)の測定結果を用い、以下の式:
重量増加率=(加熱後重量−初期重量)/初期重量×100(%)
から算出した。
耐摩耗性を図5に示す繰り返し叩き式凝着試験機を用いて測定した。当該装置はバルブ/バルブシート間の動作を考慮して試験片接触面に高温不活性ガスを吹き付けて加熱しながら円柱状相手材チップで繰り返し叩く方式としており、相手材が1rpm程度で自転する。また当該装置において試験片端部に溶着した熱電対により吹き付けガスを加熱するヒータを制御して接触面の温度制御を行っている。耐凝着性は相手材に凝着したシート材の重量により評価した。具体的な試験条件は以下の条件で行った。
本発明者等がEPMA分析装置を用いて上記実施例1の肉盛層の組織を調べたところ、NbC周辺にNbCMoが形成されており、また肉盛層を構成するマトリックスは、Cu−Ni系の固溶体と、ニッケルを主要成分とする網目状のシリサイドとを主要素として形成されていた(図1)。上記実施例1の肉盛層の組織において硬質粒子中にNb及びMoの複合炭化物が形成されていることが確認された(図2)。X線回折分析装置を用いて上記実施例1の肉盛層の組織を調べたところ、MoFeシリサイド又はNbFeシリサイドのラーベス層ではないことが確認され、また肉盛層を構成するマトリックスは、Cu−Ni系の固溶体と、ニッケルを主要成分とする網目状のシリサイドとを主要素として形成されていた。
Claims (11)
- 重量%で、ニッケル:5.0〜30.0%;シリコン:0.5〜5.0%;鉄:3.0〜20.0%;クロム:1.0%未満;炭化ニオブ0.01〜5.0%;モリブデン、タングステン及びバナジウムからなる群から選択される少なくとも1種:3.0〜20.0%;残部銅;及び不可避不純物からなり、
マトリックスとマトリックスに分散した硬質粒子とを備えており、
硬質粒子が、炭化ニオブと、その周辺にNb−C−Mo、Nb−C−W及びNb−C−Vからなる群から選択される少なくとも1種とを含む、耐摩耗性銅基合金。 - 重量%で、ニッケル:10〜25%;シリコン:1.5〜4.5%;鉄:5.0〜15.0%;クロム:0.8%以下;炭化ニオブ0.1〜2.0%;モリブデン、タングステン及びバナジウムからなる群から選択される少なくとも1種:4.0〜10.0%;残部銅;及び不可避不純物からなる、請求項1に記載の耐摩耗性銅基合金。
- クロムを含まない、請求項1又は2に記載の耐摩耗性銅基合金。
- クロムの含有量が0を超える、請求項1又は2に記載の耐摩耗性銅基合金。
- コバルトの含有量が2.0%未満である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の耐摩耗性銅基合金。
- モリブデンの含有量が10%以下である、請求項5に記載の耐摩耗性銅基合金。
- 肉盛用合金として用いられる、請求項1〜6のいずれか1項に記載の耐摩耗性銅基合金。
- 肉盛層を構成している、請求項1〜6のいずれか1項に記載の耐摩耗性銅基合金。
- 内燃機関用の動弁系部材又は摺動部材に用いられる、請求項1〜6のいずれか1項に記載の耐摩耗性銅基合金。
- エタノール含有燃料の排気バルブシートに用いられる、請求項1〜6のいずれか1項に記載の耐摩耗性銅基合金。
- アルミニウム系合金に対して請求項1〜6のいずれか1項に記載の耐摩耗性銅基合金が肉盛された内燃機関用のバルブシート。
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