JP6764397B2 - 高温耐摩耗性アルミニウム青銅系材料 - Google Patents
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Description
本発明は、高温雰囲気下で優れた耐摩耗性を有するアルミニウム青銅系材料に関するものである。
焼却炉等の産業機械や設備における高温雰囲気下で、エキゾーストバルブブッシュなどの摺動部材には、高力黄銅鋳物などの銅合金が一般的に用いられている。
そのような摺動部材の例として、特許文献１には、質量%で、3〜15%Al、1〜8%Mn、0.05〜5%Si、0.5〜5%Ni、1〜10%Feを含有し、残部不可避的不純物及びCuからなり、Fe-Mn-Si系硬質物が分散した銅系軸受摺動材料が開示されている。
しかしながら、特許文献１のような従来のアルミニウム青銅系の摺動部材は、高温雰囲気中（例えば、150℃〜350℃の高温雰囲気）では母材硬度の低下から許容面圧値が低くなり、耐摩耗性も十分とはいえない。したがって、交換が容易ではない劣悪な環境下で使用される産業用機械の摺動部材の交換頻度を減らすために更なる高性能素材の供給が望まれている。
本発明は、このような従来の問題を解決するためになされたもので、常温雰囲気のみならず、高温雰囲気において耐面圧性と耐摩耗性とを兼ね備えた素材を提供することにある。
本発明の高温耐摩耗性アルミニウム青銅系材料は、Alの含有量が9.0質量％以上11.0質量％以下であり、Niの含有量が1.0質量％以上3.0質量％以下であり、Mnの含有量が8.5質量％以上15.0質量％以下であり、Siの含有量が2.5質量％以上4.0質量％以下であり（ただし、Si：2.5%を除く）、Feの含有量が0.5質量％以上5.0質量％以下であり（ただし、Fe：1.5〜2.5%を除く）、Coの含有量が0.01質量％以上1.5質量％以下であり、残部がCuであることを特徴とする。
本発明の高温耐摩耗性アルミニウム青銅系材料によれば、高温雰囲気においても耐面圧性と耐摩耗性とを兼ね備えた摺動部材を提供することが可能となる。摺動による摩耗量を減らすことで、摺動部材の交換が容易ではない産業用機械や金型において、摺動部材などの部品交換回数を大幅に削減することが可能となる。
以下、本発明の実施形態である高温耐摩耗性アルミニウム青銅系材料について、詳細に説明をする。
本実施形態の高温耐摩耗性アルミニウム青銅系材料は、Al、Ni、Mn、Si、Fe、及びCoを所定の質量％で含有し、残部が実質的にCuの材料である。
本実施形態の高温耐摩耗性アルミニウム青銅系材料では、Alの含有量が、9.0質量％以上、11.0質量％以下、好ましくは9.0質量％以上、10.0質量％以下である。Alの含有量が上記数値範囲内であることにより、HV280以上の適切な母材の硬度が得られ、耐面圧性が向上する。なお、母材の硬度は、JIS Z2243 2008に準ずる方法で測定される。
Alの含有量が上記数値範囲未満である場合には、硬度が不十分となる。一方、Alの含有量が上記数値範囲を超える場合には、硬度は高くなるものの、靭性が下がる。そのため、耐熱性の低下を招く。
また、本実施形態の高温耐摩耗性アルミニウム青銅系材料では、Niの含有量が、1.0質量％以上、3.0質量％以下、好ましくは1.5質量％以上、2.5質量％以下である。Niを含有することにより、α相におけるAlの個溶限を広げることが可能となり、加えて、母材の融点を上げ耐熱性が向上する。さらに、Niを含有することにより、後述するFe-Si-Mnと共に硬質物の析出にも寄与する。
Niの含有量が上記数値範囲未満である場合には、母材の耐熱性を満足しない。一方、Niの含有量が上記数値範囲を超える場合には、母材を脆化させ、かつ、Niはレアメタルのため製品が高価になるという欠点がある。
また、本実施形態の高温耐摩耗性アルミニウム青銅系材料は、Fe-Mn-Si系硬質物が分散した組織とすることで、摺動部材として耐摩耗性が向上する。
本実施形態の高温耐摩耗性アルミニウム青銅系材料では、Mnの含有量が、8.5質量％以上、15.0質量％以下、好ましくは8.5質量％以上、13.0質量％以下、より好ましくは8.5質量％以上10.0質量％以下である。Mnの含有量が上記数値範囲内であることにより、後述するSi、Mnなどと共に、Fe-Si-Mn系硬質物を母材中に析出させて、耐摩耗性が向上する。また、Mnの含有比率を高めることで母材の好適な靱性が得られる。
Mnの含有量が上記数値範囲未満である場合には、母材として必要十分な靭性は得られない。Mnの含有量が上記数値範囲を超える場合には、必要以上の靱性となる。
また、本実施形態の高温耐摩耗性アルミニウム青銅系材料では、Feの含有量が0.5質量％以上、5.0質量％以下、好ましくは1.0質量％以上、5.0質量％以下、より好ましくは1.5質量％以上、5.0質量％以下である。Feの含有量が上記数値範囲内であることにより、Mn-Siなどと硬質物として母材中に析出し、特に上記硬質物組織の微細化に寄与することで摺動部材としての性質が向上する。
Feの含有量が上記数値範囲を超える場合には、耐食性の低下を招き、固溶限（包共晶点）以上の溶解により組織中に偏析したFeは摩擦係数の増加を招くため、相手材攻撃性が高まる。摺動の相手材が主に鋼材であることを考慮すると、Feの過剰な含有により凝着し易くなるため摺動性は下がることとなる。
また、本実施形態の高温耐摩耗性アルミニウム青銅系材料では、Siの含有量が2.0質量％以上、4.0質量％以下、好ましくは2.0質量％以上、3.0質量％以下、より好ましくは2.5質量％以上、3.0質量％以下である。Siの含有量を上記数値範囲内とすることにより、MnおよびFeと共に共晶硬質物を析出し、摺動性を向上させることができる。
また、本実施形態の高温耐摩耗性アルミニウム青銅系材料は、Coの含有量が0.01質量％以上1.5質量％以下である。本実施形態によれば、Coを含有することにより、耐熱性が向上する。
図１から４は、本実施形態の高温耐摩耗性アルミニウム青銅系材料を基材に用いた摺動部材の構成を示す図である。図１は固体潤滑材がないタイプの板状の摺動部材１を示す。図２は複数の固体潤滑材３が埋め込まれたタイプの板状の摺動部材２を示す。図３は固体潤滑剤がないタイプの中空円筒状の摺動部材４を示す。図４は複数の固体潤滑剤６が埋め込まれたタイプの中空円筒状の摺動部材５を示す。なお、図１から４は、摺動部材の形態の例を示すものであり、摺動部材の形態はこれに限られない。
図に示すように、本実施形態の高温耐摩耗性アルミニウム青銅系材料からなる摺動面には、自己潤滑作用を有する複数の固体潤滑剤が埋設されてもよい。本実施形態の固体潤滑剤には、例えば、黒鉛系、PTFE系、MoS2系、Pb合金系等の固体潤滑剤を用いることができる。
本実施形態によれば、固体潤滑剤が埋設された摺動面を有することにより、高温雰囲気でも潤滑材が摺動面に分散する。これにより、滑り性能を向上させ摺動部材として好適となる。
また、本実施形態の高温耐摩耗性アルミニウム青銅系材料のビッカース硬度はHV280以上であり、伸びは0.5％以上であり、引張強さは500N／mm2以上であることが好ましい。硬度をHV280以上とすることにより、高温雰囲気での耐面圧性及び耐摩耗性が向上する。
また、伸びを0.5％以上とすることにより、摺動部材に好適な材料強度が得られる。なお、ここでいう「伸び」とは、JIS Z2241に記載の引張試験片による測定結果の伸び率を表す。また、引張強さを500N／mm2以上とすることにより、高温雰囲気での耐荷重性能が向上する。本発明の摺動性については、実施例により詳しく説明する。
以下に、本発明の実施例について説明をする。なお、本発明は以下の実施例に限定されない。
表1に示すように、組成の銅合金を高周波炉で溶解して金型を用いて鋳造し、実施例１から８、及び、比較例１から５に示すブロック試験片を作製した。表１に実施例１から８、及び、比較例１から５の試験片の組成値[Wt％]を記載する。組成値は、ICP発光分光分析法で分析を行った結果である。
表１に示すように、実施例１から実施例８の試験片の組成は、Alの含有量が9.0質量％以上11.0質量％以下であり、Mnの含有量が8.5質量％以上15.0質量％以下であり、Feの含有量が0.5質量％以上5.0質量％以下であり、Niの含有量が1.0質量％以上3.0質量％以下であり、Siの含有量が2.0質量％以上4.0質量％以下であり、Coの含有量が0.01質量％以上1.5質量％以下であり、残部が実質的にCuである。
一方、比較例１から比較例５については、その一部の金属の組成が、上記実施例の範囲外となっている。
表２は、実施例１から８、及び、比較例１から５に示すブロック試験片の硬度及び摩耗量を測定した結果を示す。
硬度は、実施例１から８、及び、比較例１から５に示すブロック試験片のビッカース硬度を室温で測定した。表2に示すように、実施例１から８の試験片の硬度は280以上であることがわかる。
摩耗量は、実施例１から８、及び、比較例１から５に示すブロック試験片について、ブロック・オン・リング方式の摺動試験を行い、測定した。摺動試験の条件は、面圧10MPa、摺動速度10m/min、雰囲気温度250℃、摺動距離は500ｍである。摺動試験は専用の試験機を用いて行い、試験機内温度が250℃一定の状態でブロック試験片をリング試験片に押し当てて荷重を与え、リング試験片を一定速度で回転させた。尚、相手材のリング試験片はS45C（高周波焼入れ焼き戻し）を用いた。
表２に示すように、実施例１から８のブロック試験片については、摩耗量が35.5μｍ以上42.8μｍ以下となり、摩耗量が少ないことがわかる。一方、比較例１から５に示すブロック試験片については、摩耗量が48.0μｍ以上58.8μｍ以下となり、摩耗量が多いことがわかる。よって、本発明の実施例の効果が確認された。
特に、実施例４から実施例８では、摩耗量が40.8μｍ以下であるため、この組成とすることが好ましいことがわかる。さらに、実施例６から実施例８では、摩耗量が36.5μｍ以下であるため、この組成とすることがより好ましいことがわかる。
以上説明したように、本実施形態の高温耐摩耗性アルミニウム青銅系材料によれば、高温雰囲気において耐面圧性と耐摩耗性とを兼ね備えた摺動部材を提供することが可能となる。そして、摺動部材の摩耗量を減らすことで、摺動部材の交換が容易ではない産業用機械において、摺動部材の交換回数を大幅に削減することが可能となる。
Claims (4)
- Alの含有量が9.0質量％以上11.0質量％以下であり、
Niの含有量が1.0質量％以上3.0質量％以下であり、
Mnの含有量が8.5質量％以上15.0質量％以下であり、
Siの含有量が2.5質量％以上4.0質量％以下であり（ただし、Si：2.5%を除く）、
Feの含有量が0.5質量％以上5.0質量％以下であり（ただし、Fe：1.5〜2.5%を除く）、
Coの含有量が0.01質量％以上1.5質量％以下であり、
残部がCuである、
ことを特徴とする高温耐摩耗性アルミニウム青銅系材料。 - 前記高温耐摩耗性アルミニウム青銅系材料は、Fe-Mn-Si系硬質物が分散した組織であることを特徴とする請求項１に記載の高温耐摩耗性アルミニウム青銅系材料。
- 前記高温耐摩耗性アルミニウム青銅系材料のビッカース硬度は280以上、伸びは0.5％以上、引張強さは500N／mm2以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の高温耐摩耗性アルミニウム青銅系材料。
- 請求項１から３のいずれかに記載された高温耐摩耗性アルミニウム青銅系材料の基材を有することを特徴とする摺動部材。
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