JP6803457B2 - 耐摩耗性銅亜鉛合金及びこれを用いた機械装置 - Google Patents
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Description
本開示は、耐摩耗性に優れる銅亜鉛合金に関し、特に、摺動面の変化に対しても耐摩耗性を発揮することのできる耐摩耗性銅亜鉛合金に関する。
黄銅合金をはじめとするＺｎを含む銅合金である銅亜鉛合金は、導電性に優れるとともに高い加工性を有し、電子製品の各種部材に用いられている。このような銅亜鉛合金のうち、特に機械的性質に着目し、その耐摩耗性を向上させる目的で耐摩耗性粒子を母相に分散させた粒子分散型の銅亜鉛合金が知られている。
特許文献１では、ハードディスクドライブ装置の動圧軸受用スリーブ及びスラストプレート用の銅亜鉛合金として、Ｔｉ及び／又はＳｉと、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ等の鉄族金属との化合物からなる硬質粒子を黄銅素地に耐摩耗性粒子として分散させた粒子分散型の黄銅合金を開示している。ここでは、硬質粒子の分散により耐摩耗性を向上させ得るが、硬質粒子の量が多くなりすぎると相手材に対する攻撃性が大きくなってしまうことを述べている。
このように硬質粒子を分散させることで摺動面における摩耗の進行を抑制できる一方、摺動面から硬質粒子が脱落しこれを摺動面に噛み込むと、相手材はもとより、摺動部材自身にも大きな損傷を発生させてしまう。そこで、硬質粒子の分散によらず、ＡｌとともにＦｅやＭｎ等の合金元素を添加して耐摩耗性を向上させた高力黄銅のような耐摩耗性に優れる銅亜鉛合金も提案されている。
特許文献２では、Ａｌ；０．２〜３ｗｔ％、Ｚｎ：１５〜５０ｗｔ％に加えて、Ｓｉ；０．１〜３ｗｔ％、Ｍｎ：０．１〜５ｗｔ％のうち少なくとも一種を添加した成分組成をベースとする高力黄銅を開示している。
また、特許文献３では、亜鉛に加え、第３元素として０．５〜２０ｗｔ％以上のＳｎを含有させて耐摩耗性を向上させた銅亜鉛合金を開示している。銅亜鉛合金素地にＳｎを過飽和に固溶させる溶体化処理を行うことで固溶強化による高い強度且つ耐摩耗性に優れる銅亜鉛合金を提供できるとしている。
Ｓｉなどの金属間化合物やアルミナなどの酸化物からなる硬質粒子を耐摩耗性粒子として母相に分散させた粒子分散型の耐摩耗性銅亜鉛合金や、母相に第３元素を固溶させた固溶強化型の耐摩耗性銅亜鉛合金が知られている。ここで、前者では、硬質粒子の脱落により大きな損傷を生じ摺動面の変化に対する安定性に欠くため、特に、衝撃が加わり得るような用途においては、後者の如き、固溶強化型の耐摩耗性銅亜鉛合金が好ましい。
しかし、摩耗の進行に伴い、新たな表面には酸化被膜を形成させ得るが、摩耗の進行によって摺動面から脱落した酸化被膜の噛み込みによる摺動面の損傷が生じて摩耗の過度な進行が生じる可能性がある。
本開示は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、摺動面の変化に対しても耐摩耗性を発揮することのできる耐摩耗性銅亜鉛合金を提供することにある。
本開示による耐摩耗性銅亜鉛合金は、質量％で、Ｚｎ：２８〜５５％、及び、Ｐ：０．５〜２％、を含み、残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなり、導電率を１０〜３３％ＩＡＣＳ、Ｚｎの含有量を［Ｚｎ］質量％としたときに硬さを３．６［Ｚｎ］−５５ＨＢＷ以上とする。
上記した開示において、質量％で、Ｍｎ：３％以下、及び／又は、Ｓｎ：２％以下、をさらに含んでもよい。
上記した開示において、金属間化合物の粒子の平均径を５μｍ以下としてもよい。
上記した開示において、耐摩耗性銅亜鉛合金は、質量％で、Ｚｎ：３０〜３３％、及び、Ｐ：０．９〜２％、を含み、残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなり、金属組織は、母相がα単相からなり、平均径が５μｍ以下の金属間化合物の粒子からなる析出相を含んでもよい。
上記した開示において、耐摩耗性銅亜鉛合金は、質量％で、Ｚｎ：４４〜４７％、及び、Ｐ：０．８〜１％、を含み、残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなり、金属組織は、母相がβ単相からなり、平均径が５μｍ以下の金属間化合物の粒子からなる析出相を含んでもよい。
上記した開示において、耐摩耗性銅亜鉛合金は、質量％で、Ｚｎ：４４〜４７％、Ｐ：０．８〜１％、及び、Ｓｎ：１〜１．１％、を含み、残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなり、金属組織は、母相がβ単相からなり、平均径が５μｍ以下の金属間化合物の粒子からなる析出相を含んでもよい。
上記した開示において、耐摩耗性銅亜鉛合金は、質量％で、Ｚｎ：４４〜４７％、Ｐ：０．８〜１％、Ｍｎ：１．４〜２％、及び、Ｓｎ：１〜１．１％、を含み、残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなり、金属組織は、母相がβ単相からなり、平均径が５μｍ以下の金属間化合物の粒子からなる析出相を含んでもよい。
上記した開示において、耐摩耗性銅亜鉛合金は、質量％で、Ｚｎ：５１〜５５％、Ｐ：０．８〜１％、Ｍｎ：０．８〜１．１％、及び、Ｓｎ：１〜１．１％、を含み、残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなり、金属組織は、母相が（β＋γ）相からなり、金属間化合物の粒子からなる析出相を含まないとよい。
さらに本開示による耐摩耗性銅亜鉛合金は、質量％で、Ｚｎ：４０〜５５％、及び、Ｍｎ：１〜６％、を含み、残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなり、導電率を１０〜３３％ＩＡＣＳ、Ｚｎの含有量を［Ｚｎ］質量％としたときに硬さを３．６［Ｚｎ］−５５ＨＢＷ以上とする。
上記した開示において、質量％で、Ｐ：０．５％未満、及び／又は、Ｓｎ：２％以下、をさらに含んでもよい。
上記した開示において、耐摩耗性銅亜鉛合金は、質量％で、Ｚｎ：４４〜４７％、Ｍｎ：１．４〜２％、及び、Ｓｎ：１〜１．１％、を含み、残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなり、金属組織は、母相がβ単相からなり、金属間化合物の粒子からなる析出相を含まないとよい。
上記した開示において、耐摩耗性銅亜鉛合金は、鍛造材であるとよい。
さらに、本開示による機械装置は、上記した耐摩耗性銅亜鉛合金からなる摺動部材を被摺動部材と摺動するように備える。
上記した開示において、前記被摺動部材並びに前記摺動部材は、過給機に組み込まれ、それぞれ連結シャフト並びにラジアル軸受及び／又はスラスト軸受としてもよい。
本開示の構成によれば、摺動面の変化に対しても耐摩耗性を発揮することができる。
以下に本開示の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
本開示による耐摩耗性銅亜鉛合金は、質量％で、Ｚｎ：２８〜５５％、及び、Ｐ：０．５〜２％、を含み、残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなり、導電率を１０〜３３％ＩＡＣＳ、Ｚｎの含有量を［Ｚｎ］質量％としたときに硬さを３．６［Ｚｎ］−５５ＨＢＷ以上とする。かかる開示によれば、主として、脱落したＰの金属間化合物や酸化物による損傷を抑制でき、摺動面の変化に対しても耐摩耗性を発揮できるのである。
この耐摩耗性銅亜鉛合金の合金組成は、質量％で、Ｚｎ：２８〜５５％、及び、Ｐ：０．５〜２％、を含み、残部Ｃｕ及び不可避的不純物から構成されている。
Ｚｎは、Ｃｕよりも低コストであるため、含有量を多くしており、また、母相をα相、（α＋β）相、β相又は（β＋γ）相とするような含有量としている。
Ｐは、ＣｕやＺｎとは原子半径が大きく異なるため、母相に固溶させることで材料をより強化させ得る。母相にＰを固溶させることで硬さを高くして耐摩耗性を向上させる。Ｐの含有量を０．５〜２質量％の範囲内とすることで耐摩耗性を向上させている。
また、製造時や使用時に生じ得る表面の酸化被膜においては少なくともアルミナよりは軟質なＰの酸化物を生成させる。このように表面に生成され得る酸化物を比較的軟質なものとすることで、摩耗の進行の際に摺動面から酸化被膜の一部を脱落させてもその噛み込みによる摺動面の損傷を抑制し摩耗の過度な進行を抑制して、向上させた耐摩耗性を維持しようとするものである。
上記した開示において、質量％で、Ｍｎ：３％以下、及び／又は、Ｓｎ：２％以下、をさらに含んでもよい。かかる開示によれば、耐摩耗性の発揮に寄与し得る。
上記した開示において、金属間化合物の粒子の平均径を５μｍ以下としてもよい。かかる開示によれば、金属間化合物の脱落による摺動面への影響をより小さくして、耐摩耗性の発揮を容易とし得る。
上記した開示において、耐摩耗性銅亜鉛合金は、質量％で、Ｚｎ：３０〜３３％、及び、Ｐ：０．９〜２％を含み、残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなり、金属組織は、母相がα単相からなり、平均径が５μｍ以下の金属間化合物の粒子からなる析出相を含んでもよい。この場合には、比摩耗量がより小さくなるので、耐摩耗性をより向上させることができる。
上記した開示において、耐摩耗性銅亜鉛合金は、質量％で、Ｚｎ：４４〜４７％、及び、Ｐ：０．８〜１％を含み、残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなり、金属組織は、母相がβ単相からなり、平均径が５μｍ以下の金属間化合物の粒子からなる析出相を含んでもよい。この場合には、比摩耗量がより小さくなるので、耐摩耗性をより向上させることができる。
上記した開示において、耐摩耗性銅亜鉛合金は、質量％で、Ｚｎ：４４〜４７％、Ｐ：０．８〜１％、及び、Ｓｎ：１〜１．１％、を含み、残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなり、金属組織は、母相がβ単相からなり、平均径が５μｍ以下の金属間化合物の粒子からなる析出相を含んでもよい。この場合には、比摩耗量がより小さくなるので、耐摩耗性をより向上させることができる。
上記した開示において、耐摩耗性銅亜鉛合金は、質量％で、Ｚｎ：４４〜４７％、Ｐ：０．８〜１％、Ｍｎ：１．４〜２％、及び、Ｓｎ：１〜１．１％を含み、残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなり、金属組織は、母相がβ単相からなり、平均径が５μｍ以下の金属間化合物の粒子からなる析出相を含んでもよい。この場合には、比摩耗量がより小さくなるので、耐摩耗性をより向上させることができる。
上記した開示において、耐摩耗性銅亜鉛合金は、質量％で、Ｚｎ：５１〜５５％、Ｐ：０．８〜１％、Ｍｎ：０．８〜１．１％、及び、Ｓｎ：１〜１．１％を含み、残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなり、金属組織は、母相が（β＋γ）相からなり、金属間化合物の粒子からなる析出相を含まないとよい。この場合には、比摩耗量がより小さくなるので、耐摩耗性をより向上させることができると共に、硬さがより高くなり、材料の機械強度を向上させ得る。また、金属組織は、金属間化合物の粒子からなる析出相を含まないでので、摩耗の進行により金属間化合物の粒子が脱落することによる摺動面への影響を更に抑制できる。
さらに本開示による耐摩耗性銅亜鉛合金は、質量％で、Ｚｎ：４０〜５５％、及び、Ｍｎ：１〜６％、を含み、残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなり、導電率を１０〜３３％ＩＡＣＳ、Ｚｎの含有量を［Ｚｎ］質量％としたときに硬さを３．６［Ｚｎ］−５５ＨＢＷ以上とする。かかる開示によれば、脱落したＭｎの酸化物による損傷を抑制でき、摺動面の変化に対しても耐摩耗性を発揮できる。
この耐摩耗性銅亜鉛合金の合金組成は、質量％で、Ｚｎ：４０〜５５％、及び、Ｍｎ：１〜６％、を含み、残部Ｃｕ及び不可避的不純物で構成されている。
この耐摩耗性銅亜鉛合金は、母相にＭｎを固溶させることで硬さを高くして耐摩耗性を向上させる。第３元素をＰの代わりにＭｎとした場合においても、Ｐの場合と同様に比摩耗量を向上させる観点からＭｎの含有量は、１〜６質量％の範囲内とされる。但し、Ｚｎの含有量を約３０質量％とした場合に、Ｐの場合とは異なり第３元素としてＭｎを添加しても比摩耗量を大きくしてしまう。つまり、Ｍｎを第３元素として添加する場合のＺｎの含有量は４０〜５５質量％の範囲内とされる。
また、製造時や使用時に生じ得る表面の酸化被膜においては少なくともアルミナよりは軟質なＭｎの酸化物を生成させる。このように表面に生成され得る酸化物を比較的軟質なものとすることで、摩耗の進行の際に摺動面から酸化被膜の一部を脱落させてもその噛み込みによる摺動面の損傷を抑制し摩耗の過度な進行を抑制して、向上させた耐摩耗性を維持しようとするものである。
上記した開示において、質量％で、Ｐ：０．５％未満、及び／又は、Ｓｎ：２％以下、をさらに含んでもよい。かかる開示によれば、耐摩耗性の発揮に寄与し得る。
上記した開示において、耐摩耗性銅亜鉛合金の合金組成は、質量％で、Ｚｎ：４４〜４７％、Ｍｎ：１．４〜２％、及び、Ｓｎ：１〜１．１％を含み、残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなり、金属間化合物の粒子からなる析出相を含まないとよい。この場合には、比摩耗量がより小さくなるので、耐摩耗性をより向上させることができる。また、金属組織は、金属間化合物の粒子からなる析出相を含まないでので、摩耗の進行により金属間化合物の粒子が脱落することによる摺動面への影響を更に抑制できる。
また、上記した開示の耐摩耗性銅亜鉛合金において、導電率は、同等のＺｎを含有するベース材である２元系銅亜鉛合金に対して耐摩耗性を向上させるために第３元素（Ｐ又はＭｎ）及びその他の添加元素を固溶させる量の１つの指標となり得て、１０〜３３％ＩＡＣＳの範囲内とされる。
更に、上記した開示の耐摩耗性銅亜鉛合金において、耐摩耗性を確保するためには、ベース材相当硬さ以上の硬さであるとよい。つまり、硬さは、Ｚｎの含有量を［Ｚｎ］質量％として、３．６［Ｚｎ］−５５（ＨＢＷ）以上とする。なお、硬さは、主として上記した第３元素及びその他の添加元素の固溶量によって制御される。
上記した開示において、耐摩耗性銅亜鉛合金は、鍛造材であるとよい。鍛造によって、耐摩耗性を損なうことなく材料の機械強度を向上させ得る。
本開示による機械装置は、上記した耐摩耗性銅亜鉛合金からなる摺動部材を合金鋼等からなる被摺動部材と摺動するように備える。かかる開示によれば、摺動面の変化に対しても耐摩耗性を発揮する摺動部材を備える機械装置とし得る。
上記した開示において、前記被摺動部材並びに前記摺動部材は、過給機に組み込まれ、それぞれ連結シャフト並びにラジアル軸受及び／又はスラスト軸受としてもよい。かかる開示によれば、過給機におけるラジアル軸受及びスラスト軸受の摺動面の変化に対しても耐摩耗性を発揮し得る。
また、上記した開示の耐摩耗性銅亜鉛合金は、耐焼付き性に優れているので、過給機におけるラジアル軸受及びスラスト軸受等の摺動部材に好適に用いることができる。より詳細には、上記した開示の耐摩耗性銅亜鉛合金は、Ｚｎよりも酸化しやすいＰまたはＭｎを第３元素として含むので、摺動面にＰまたはＭｎの軟質な酸化物が生成されて、耐焼付き性が向上する。
一方、例えば、２元系の銅亜鉛合金の場合には、摺動面にＺｎの酸化物が生成されるため、耐焼付き性が低下する。銅亜鉛合金にＡｌが含有されている場合には、Ａｌが優先的に酸化されて、摺動面にアルミナが生成される。アルミナは、硬質な酸化物であることから、摺動中に摺動面に生成したアルミナが剥離し易くなり、焼付きが発生しやすい。また、銅亜鉛合金に、Ｍｎ及びＳｉを含有させることにより、硬質粒子であるマンガン珪化物を母相中に分散させている場合には、Ｓｉが優先的に酸化されて、摺動面にシリカが生成される。シリカは、硬質な酸化物であることから、摺動中に摺動面に生成したシリカが剥離し易くなり、焼付きが発生しやすい。
これに対して上記した開示の耐摩耗性銅亜鉛合金は、摺動面にアルミナ等より軟質なＰまたはＭｎの酸化物が生成されるので、耐焼付き性を向上させることができる。また、過給機におけるラジアル軸受やスラスト軸受等は、約１５０℃から３５０℃の高温に曝される場合がある。上記した開示の耐摩耗性銅亜鉛合金は、高温硬さが高く、材料の機械強度を向上させ得るので、過給機におけるラジアル軸受やスラスト軸受等に好適に用いることができる。
以上、上記した開示によれば、母相にＰやＭｎを固溶させることで硬さを高くして耐摩耗性を向上させる。この場合、製造時や使用時に生じ得る摺動面の表面の酸化被膜においては軟質なＰやＭｎの酸化物を生成させる。このように表面に生成され得る酸化物を比較的軟質なものとすることで、摩耗の進行の際に摺動面から酸化被膜の一部を脱落させてもその噛み込みによる摺動面の損傷を抑制し摩耗の過度な進行を抑制する。したがって、上記した開示の構成によれば、摺動面の変化に対しても耐摩耗性を発揮することができる。
以下に、本開示による耐摩耗性銅亜鉛合金の１つの実施例について、図１を用いて説明する。
図１のＮｏ．５、６、８〜１８、２２〜２６に示すように、本実施例において、耐摩耗性銅亜鉛合金は２８〜５５質量％のＺｎを含む銅亜鉛合金（ベース材：Ｎｏ．１〜４参照）にＰ又はＭｎのうちのいずれかを含有させて母相に固溶させたものである。Ｚｎは、Ｃｕよりも低コストであるため、含有量を多くしており、また、母相をα相、（α＋β）相、β相又は（β＋γ）相とするような含有量としている。例えば、Ｚｎの含有量は、２８〜５５質量％であり、典型的には３０、４０、４５、又は５２質量％である。
耐摩耗性を向上させる手段として、ビッカース硬さで１５００ＨＶ程度以上の硬さとなるアルミナに代表されるような硬質な酸化物や硬質な金属間化合物を母相に分散させる手段も用いられているが、本実施例においては、母相にＰやＭｎを固溶させることで硬さを高くして耐摩耗性を向上させる。この場合、製造時や使用時に生じ得る表面の酸化被膜においては少なくともアルミナよりは軟質なＰやＭｎの酸化物を生成させる。このように表面に生成され得る酸化物を比較的軟質なものとすることで、摩耗の進行の際に摺動面から酸化被膜の一部を脱落させてもその噛み込みによる摺動面の損傷を抑制し摩耗の過度な進行を抑制して、向上させた耐摩耗性を維持しようとするものである。
また、Ｚｎよりも酸化しやすいＰ又はＭｎを第３元素として含むため、脱亜鉛腐食をも抑制できる。
さらに、Ｐは、ＣｕやＺｎとは原子半径が大きく異なるため、母相に固溶させることで材料をより強化させ得る。なお、Ｐは、母相に固溶するだけでなく、ＣｕやＺｎと金属間化合物を形成する傾向があり、これによっても硬さの向上に寄与し得ると考えられるが、積極的に金属間化合物を生成させようとするものではない。Ｐの金属間化合物は、Ｓｉなどの金属間化合物に比べて軟質ではあるものの、少なくとも母相よりは硬い。そのため、摩耗の進行により脱落しても摺動面への影響をより小さくするよう、その金属間化合物の平均粒径を５μｍ以下としてもよい。
本実施例による耐摩耗性銅亜鉛合金によれば、少なくとも高力黄銅合金として知られるＣｕ−２６Ｚｎ−４．２Ａｌ−２．２Ｆｅ−３Ｍｎや、硬質なＭｎ珪化物を耐摩耗性粒子として含むＣｕ−２８Ｚｎ−３．２Ａｌ−３Ｍｎ−０．６Ｓｉ−１Ｎｉよりも高い耐摩耗性を得られる。
次に、図１に示す成分組成の銅亜鉛合金において、導電率の測定、硬さ測定、比摩耗量の測定を行ったのでその結果について説明する。
Ｎｏ．１〜２８に示す成分組成の銅亜鉛合金の溶湯をφ７７ｍｍ×１６０ｍｍＬの形状に鋳込み、そのうちの一部（Ｎｏ．１１、１３、２４、２６及び２７）についてはさらに熱間鍛造して３５ｍｍ角に成形し、各測定に供した。
導電率は、ＪＩＳ Ｚ ０５０５に準拠して測定した。また、硬さはＪＩＳ Ｚ ２２４３に準拠してブリネル硬さを測定した。なお、試験力は５００ｋｇｆ（４９０３Ｎ）、１０００ｋｇｆ（９８０７Ｎ）、３０００ｋｇｆ（２９４２０Ｎ）に、適宜、変更した。
比摩耗量は、葉山式摩耗試験機を用いたピン・オン・リング式試験によって測定した。試験片の寸法を５ｍｍ×５ｍｍ×２５ｍｍとし、相手材に硬さＨＲＣ５０に調整したＳＣＭ４３５材を用い、潤滑油なしで、面圧を４０ｋｇｆ／ｃｍ２（３９２Ｎ／ｃｍ２）、周速を１．０ｍ／ｓｅｃ、走行距離を２ｋｍとした。
図１に示すように、Ｎｏ．１〜４は、Ｃｕ及びＺｎの２元素からなる銅亜鉛合金で他の材料の比較対象とするベース材であり、Ｚｎの含有量（質量％）を３０％、４０％、４５％及び５２％とした。その結果、比摩耗量をそれぞれ４．４０×１０−７、７．００×１０−７、５．２０×１０−７、及び、４．４０×１０−７ｍｍ２／ｋｇｆ（４．４９×１０−８、７．１４×１０−８、５．３０×１０−８、及び、４．４９×１０−８ｍｍ２／Ｎ）とした。つまり、Ｚｎの含有量を４０％とする場合に最も比摩耗量が大きく、３０％に減少させても、５２％に増加させても比摩耗量が小さくなった。また、導電率についてはＺｎの含有量を多くすると高くなる傾向にあり、２９〜３９％ＩＡＣＳの範囲で変化した。
図２に示すように、ベース材（Ｎｏ．１〜４）の硬さについては、Ｚｎの含有量を［Ｚｎ］質量％とすると、
硬さ（ＨＢＷ）＝３．６［Ｚｎ］−５５ （式１）
と近似できるほぼ線形の関係があった。
硬さ（ＨＢＷ）＝３．６［Ｚｎ］−５５ （式１）
と近似できるほぼ線形の関係があった。
Ｎｏ．５〜２６のうち、同等のＺｎを含有するベース材よりも比摩耗量を小さくすれば、少なくともＰ又はＭｎの第３元素やその他の添加元素によって、耐摩耗性を向上させていると言える。すなわち、Ｎｏ．５、６、８〜１８、及び、２２〜２６はいずれも同等のＺｎを含有するベース材よりも比摩耗量を小さくし、耐摩耗性を向上させている。
より詳細には、Ｚｎを約４５質量％とし、第３元素としてＰを含有させたＮｏ．７〜１３において、約０．２質量％の含有では、比摩耗量は５．８８×１０−７ｍｍ２／ｋｇｆ（６．００×１０−８ｍｍ２／Ｎ）とベース材（Ｎｏ．３）の５．２０×１０−７ｍｍ２／ｋｇｆ（５．３０×１０−８ｍｍ２／Ｎ）よりも大きくしたものの、添加量を増加させると比摩耗量は減じ、約１質量％の添加において最も小さく２．２１×１０−７ｍｍ２／ｋｇｆ（２．２５×１０−８ｍｍ２／Ｎ）となった。これより含有量を増やすと比摩耗量は増加傾向にある。すなわち、Ｐの含有量を０．５〜２質量％の範囲内とすることで耐摩耗性を向上させている。
また、Ｚｎを約３０質量％として、同様に第３元素としてＰを含有させたＮｏ．５及び６において、約１質量％及び約２質量％の含有でそれぞれ比摩耗量を２．８２×１０−７及び２．１０×１０−７ｍｍ２／ｋｇｆ（２．８８×１０−８及び２．１４×１０−８ｍｍ２／Ｎ）と、ベース材（Ｎｏ．１）の４．４０×１０−７ｍｍ２／ｋｇｆ（４．４９×１０−８ｍｍ２／Ｎ）よりも小さくした。つまり、Ｚｎを約３０質量％の含有量とした場合も、第３元素としてＰを含有させることで耐摩耗性を向上させ得る。
また、その他の添加物としてＭｎやＳｎをさらに含有させてもよい。Ｎｏ．１４〜１６に示すように、ＭｎやＳｎをさらに含ませても、ベース材であるＮｏ．３よりも小さい比摩耗量とし得る。このとき、Ｍｎは３質量％以下とされ、Ｓｎは２質量％以下とされる。
さらに、Ｎｏ．１７、１８に示すように、Ｚｎの含有量を約５２質量％及び約５４質量％としても同様にＰ、Ｍｎ、Ｓｎの含有によって比摩耗量をベース材（Ｎｏ．４）の４．４０×１０−７ｍｍ２／ｋｇｆ（４．４９×１０−８ｍｍ２／Ｎ）よりも低減し得る。以上により、Ｐを第３元素として添加した場合に比摩耗量を低減し得るようなＺｎの含有量は２８〜５５質量％の範囲内とされる。
第３元素をＰの代わりにＭｎとした場合においても、Ｐの場合と同様に比摩耗量を向上させる観点からＭｎの含有量は、Ｎｏ．２１〜２４の結果より、１〜６質量％の範囲内とされる。但し、Ｎｏ．１９及び２０の結果から、Ｚｎの含有量を約３０質量％とした場合に、Ｐの場合とは異なり第３元素としてＭｎを添加しても比摩耗量をベース材（Ｎｏ．１）よりも大きくしてしまう。つまり、Ｍｎを第３元素として添加する場合のＺｎの含有量は４０〜５５質量％の範囲内とされる。
また、第３元素をＭｎとした場合に、その他の添加物としてＰやＳｎをさらに含有させてもよい。Ｎｏ．２５やＮｏ．２６に示すように、さらにＳｎを含有させても、Ｚｎの含有量を約４５質量％とするベース材であるＮｏ．３よりも小さい比摩耗量とし得る。Ｐについても同様に添加し得る。このとき、Ｓｎは、２質量％以下とされる。また、Ｐは上記したＰを第３元素とする場合との重複を避ける意味で０．５質量％未満とされる。
鍛造材であるＮｏ．１１、１３、２４、２６を、それぞれ鋳造材であるＮｏ．１０、１２、２３、２５と比べると、鍛造材は比摩耗量を鋳造材と同等程度としたまま、硬さを鋳造材よりも高くさせる傾向にあることが判る。つまり、鍛造によって、耐摩耗性を損なうことなく材料の機械強度を向上させ得る。
上記したＮｏ．５、６、８〜１８、２２〜２６は、導電率を１１〜３３％ＩＡＣＳとしている。導電率は、Ｐ、Ｍｎ、Ｓｎの含有量の増加に伴い低下する傾向のあることが判る。つまり、導電率は、Ｐ、Ｍｎ、Ｓｎの含有量を上記した範囲とするための、すなわちベース材に対して耐摩耗性を向上させるために第３元素及びその他の添加元素を固溶させる量の１つの指標となり得て、１０〜３３％ＩＡＣＳの範囲内とされる。
また、硬さを高くすることは、耐摩耗性に直結するものではないものの、一般に耐摩耗性を向上させることに寄与する。例えば、Ｎｏ．２１の場合、ベース材相当硬さ（式１）である１１２ＨＢＷよりも低い９６ＨＢＷの硬さを得ており、比摩耗量をベース材であるＮｏ．３よりも大きくしてしまっている。これは、Ｍｎの固溶による硬さの向上が少なかったことに加えて鋳放しでの熱履歴等のばらつきなどによって硬さが低下し、かかる硬さの低下によって耐摩耗性が低下したものと考えられる。そこで、耐摩耗性を確保するためにはＺｎの含有量から式１によって求められるベース材相当硬さ以上の硬さであることも必要である。つまり、硬さは、Ｚｎの含有量を［Ｚｎ］質量％として、３．６［Ｚｎ］−５５（ＨＢＷ）以上とする。なお、硬さは、主として上記した第３元素及びその他の添加元素の固溶量によって制御される。
また、Ｐは母相に固溶するとともにその一部を析出させて金属間化合物を形成する傾向がある。硬さは、このような金属間化合物の量やその粒径等にも影響を受けると考えられる。つまり、固溶量とともに金属間化合物によっても硬さを制御しているものと言える。但し、上記したように金属間化合物を積極的に生成させるものではない。
また、Ｎｏ．２７は、いわゆる高力黄銅合金であって、ＪＩＳ Ｈ ５１２０に定められるＣＡＣ３０３の鍛造材である。その比摩耗量は７．９７×１０−７ｍｍ２／ｋｇｆ（８．１３×１０−８ｍｍ２／Ｎ）であった。これに比べて、上記したＮｏ．５、６、８〜１８、及び、２２〜２６はいずれも比摩耗量を小さくしており、耐摩耗性が高いと言える。
さらに、Ｎｏ．２８は、Ｍｎ及びＳｉを含有させることにより、硬質粒子であるマンガン珪化物を耐摩耗性粒子として母相中に分散させた高力黄銅である。その、比摩耗量は８．７０×１０−７ｍｍ２／ｋｇｆ（８．８７×１０−８ｍｍ２／Ｎ）であった。これに比べて、上記したＮｏ．５、６、８〜１８、及び、２２〜２６はいずれも比摩耗量を小さくしており、同様に耐摩耗性が高いと言える。
次に、図１に示す成分組成の銅亜鉛合金において、光学顕微鏡により金属組織観察を行った。各銅亜鉛合金の金属組織観察結果を図１に示す。Ｎｏ．１の金属組織は、母相がα単相で形成されていた。Ｎｏ．２の金属組織は、母相が（α＋β）相で形成されていた。Ｎｏ．３の金属組織は、母相がβ単相で形成されていた。Ｎｏ．４の金属組織は、母相が（β＋γ）相で形成されていた。
Ｎｏ．５〜６の金属組織は、母相がα単相からなり、平均径が５μｍ以下の金属間化合物（Ｃｕ，Ｚｎ）ＸＰの粒子からなる析出相を有していた。Ｎｏ．７〜１６の金属組織は、母相がβ単相からなり、平均径が５μｍ以下の金属間化合物（Ｃｕ，Ｚｎ）ＸＰの粒子からなる析出相を有していた。Ｎｏ．１７〜１８の金属組織は、母相が（β＋γ）相からなり、金属間化合物の粒子からなる析出相を有していなかった。
Ｎｏ．１９〜２０の金属組織は、母相が（α＋β）相からなり、金属間化合物の粒子からなる析出相を有していなかった。Ｎｏ．２１〜２６の金属組織は、母相がβ単相からなり、金属間化合物の粒子からなる析出相を有していなかった。
Ｎｏ．２７の金属組織は、母相が（α＋β）相からなり、金属間化合物の粒子からなる析出相を有していなかった。Ｎｏ．２８の金属組織は、母相がβ単相からなり、金属間化合物Ｍｎ５Ｓｉ３等の粒子からなる析出相を有していた。
次に、図１に示す成分組成の銅亜鉛合金において、高温硬さを測定した。高温硬さは、上記の硬さの測定と同様に、ＪＩＳ Ｚ ２２４３に準拠してブリネル硬さを測定した。なお、試験力は５００ｋｇｆ（４９０３Ｎ）とした。試験温度は、１５０℃、２００℃、２５０℃、３００℃及び３５０℃とした。
図３は、各銅亜鉛合金の高温硬さ測定結果を示す図である。なお、図３には、図１に示す各銅亜鉛合金の室温硬さも合わせて記載した。Ｎｏ．５〜６は、ベース材の銅亜鉛合金Ｎｏ．１よりも、高温硬さが高くなる傾向が得られた。Ｎｏ．８〜１６は、ベース材の銅亜鉛合金Ｎｏ．３よりも、高温硬さが高くなる傾向が得られた。Ｎｏ．１７から１８は、ベース材の銅亜鉛合金Ｎｏ．４よりも、高温硬さが高くなる傾向が得られた。Ｎｏ．２２〜２６は、ベース材の銅亜鉛合金Ｎｏ．３よりも、高温硬さが高くなる傾向が得られた。この結果から、本実施例による耐摩耗性銅亜鉛合では、母相にＰまたはＭｎを固溶させることで高温硬さを高くできることがわかった。
また、本実施例のＮｏ．５〜６、８〜１８、２２〜２６の中で、Ｎｏ．５〜６、９〜１１、１５〜１８、２５〜２６は、いずれも比摩耗量がより小さくなり、耐摩耗性がより向上することがわかった。
より詳細には、Ｎｏ．５〜６の比摩耗量がより小さくなることから、耐摩耗性銅亜鉛合金は、質量％で、Ｚｎ：３０〜３３％、及び、Ｐ：０．９〜２％を含み、残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなり、金属組織は、母相がα単相からなり、平均径が５μｍ以下の金属間化合物の粒子からなる析出相を含むとよいことがわかった。
Ｎｏ．９〜１１の比摩耗量がより小さくなることから、耐摩耗性銅亜鉛合金は、質量％で、Ｚｎ：４４〜４７％、及び、Ｐ：０．８〜１％を含み、残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなり、金属組織は、母相がβ単相からなり、平均径が５μｍ以下の金属間化合物の粒子からなる析出相を含むとよいことがわかった。
Ｎｏ．１５の比摩耗量がより小さくなることから、耐摩耗性銅亜鉛合金は、質量％で、Ｚｎ：４４〜４７％、Ｐ：０．８〜１％、及び、Ｓｎ：１〜１．１％、を含み、残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなり、金属組織は、母相がβ単相からなり、平均径が５μｍ以下の金属間化合物の粒子からなる析出相を含むとよいことがわかった。
Ｎｏ．１６の比摩耗量がより小さくなることから、耐摩耗性銅亜鉛合金は、質量％で、Ｚｎ：４４〜４７％、Ｐ：０．８〜１％、Ｍｎ：１．４〜２％、及び、Ｓｎ：１〜１．１％を含み、残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなり、金属組織は、母相がβ単相からなり、平均径が５μｍ以下の金属間化合物の粒子からなる析出相を含むとよいことがわかった。
Ｎｏ．１７〜１８の比摩耗量がより小さくなることから、耐摩耗性銅亜鉛合金は、質量％で、Ｚｎ：５１〜５５％、Ｐ：０．８〜１％、Ｍｎ：０．８〜１．１％、及び、Ｓｎ：１〜１．１％を含み、残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなり、金属組織は、母相が（β＋γ）相からなり、金属間化合物の粒子からなる析出相を含まないとよいことがわかった。また、Ｎｏ．１７〜１８は、Ｎｏ．５〜６、Ｎｏ．９〜１１、Ｎｏ．１５及びＮｏ．１６よりも硬さが高くなる傾向があることがわかった。
Ｎｏ．２５〜２６の比摩耗量がより小さくなることから、耐摩耗性銅亜鉛合金は、質量％で、Ｚｎ：４４〜４７％、Ｍｎ：１．４〜２％、及び、Ｓｎ：１〜１．１％を含み、残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなり、金属組織は、母相がβ単相からなり、金属間化合物の粒子からなる析出相を含まないとよいことがわかった。
次に、図１に示す成分組成の銅亜鉛合金の一部について、耐焼付き性を評価した。本実施例の耐摩耗性銅亜鉛合金には、Ｎｏ．１０及びＮｏ．２３を用いた。比較例の銅亜鉛合金には、Ｎｏ．１、Ｎｏ．３及びＮｏ．７を用いた。更に、比較例の銅亜鉛合金として、Ｃｕ−３０質量％Ｚｎ−３質量％Ａｌ合金（Ｎｏ．２９）、Ｃｕ−４５％質量Ｚｎ−２％質量Ｍｎ−０．６質量％Ｓｉ合金（Ｎｏ．３０）についても評価した。
まず、耐焼付き性の評価方法について説明する。試験装置には、高速軸受摩擦試験装置を用いた。図４は、耐焼付き性試験方法を説明するための模式図である。図４に示すように、供試軸受に対してスラストカラーを対向させて、スラスト荷重を負荷した。供試軸受は、中空円板形状の試験片とした。供試軸受は、ホルダの円周方向の４箇所に配置した。軸受荷重は、供試軸受の背面から油圧シリンダにて負荷し、荷重を段階的に増加させた。試験中の急激な温度上昇およびトルク上昇を焼付きと判断して、焼付き時の軸受面圧を求めて焼付面圧とした。軸受面圧は、３分間毎に０．０３ＭＰａで昇圧した。潤滑油には、エンジンオイル（ＳＡＥ１０Ｗ−３０）を用いた。スラストカラー材には、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４３５）を用いた。軸の回転数は、約２５０００ｒｐｍとした。
次に、耐焼付き性の試験結果について説明する。図５は、耐焼付き性の試験結果を示すグラフである。図５のグラフでは、横軸に各銅亜鉛合金を取り、縦軸に焼付面圧を取り、各銅亜鉛合金の焼付面圧を棒グラフで示している。焼付面圧が大きいほど、耐焼付き性に優れていることを示している。なお、各銅亜鉛合金の焼付面圧は、４個の供試軸受の平均で求めた。
比較例の銅亜鉛合金の焼付面圧は、Ｎｏ．１が約１．４ＭＰａ、Ｎｏ．３が約１．６ＭＰａ、Ｎｏ．７が約０．７ＭＰａ、Ｎｏ．２９が約０．５ＭＰａ、Ｎｏ．３０が約１．０ＭＰａであった。これに対して本実施例の耐摩耗性銅亜鉛合金は、Ｎｏ．１０が約２．７ＭＰａ、Ｎｏ．２３が約２．７ＭＰａであった。このように、Ｎｏ．１０及びＮｏ．２３の耐摩耗性銅亜鉛合金は、Ｎｏ．１、Ｎｏ．３、Ｎｏ．７、Ｎｏ．２９及びＮｏ．３０の銅亜鉛合金よりも焼付面圧が大きくなった。この結果から、本実施例による耐摩耗性銅亜鉛合金は、耐焼付き性に優れていることが明らかとなった。
以上のように、２８〜５５質量％のＺｎを含有した銅亜鉛合金にＰを第３元素として所定量固溶させ、４０〜５５質量％のＺｎを含有した銅亜鉛合金にＭｎを第３元素として所定量固溶させ、又は、さらにその他の添加元素を所定量含ませることで、Ｃｕ及びＺｎの２元素からなるベース材に比べて耐摩耗性を向上させ得る。主として母相に第３元素を固溶させることで硬さを高くして耐摩耗性を向上させたものと考えられる。
また、摩耗の進行に伴い、新たな表面には酸化被膜を形成させ得るが、ＰやＭｎを含むもののＳｉを含まないことからＳｉの酸化物すらも形成せず、かかる酸化被膜は少なくともアルミナよりは軟質な酸化物である。このように表面に生成され得る酸化物を比較的軟質なものとすることで、摩耗の進行によって摺動面から脱落した酸化被膜の噛み込みによる摺動面の損傷を抑制し摩耗の過度な進行を抑制されたものと考えられる。つまり、摺動面の変化に対しても耐摩耗性を発揮し、結果として従来材である高力黄銅（Ｎｏ．２７、２８参照）に比べて耐摩耗性を向上させたものと考えられる。また、摺動の相手材に対する攻撃性をも低下させ得る。
また、特にＰを第３元素として含有させたときに、５μｍ以下の粒径の金属間化合物が観察されたが、このような金属間化合物が摩耗によって脱落しても、径が小さいだけでなく比較的軟質なものなので、摺動面への噛み込みによる摺動面の損傷を抑制できると考えられる。つまり、同様に耐摩耗性を発揮できると考えられる。
なお、本実施例においては上記したように、鋳造又はその鍛造によって銅亜鉛合金を得ており、特に熱処理を必要としていないが、必要に応じて熱処理をしてもよい。
本実施例による銅亜鉛合金は、回転機械などの摺動部を有する機械装置において、被摺動部材と摺動する摺動部材として用いられると耐摩耗性を発揮し得る。例えば、図６に示すように、機械装置としての過給機１において、タービンインペラ２とコンプレッサインペラ３とを連結するシャフト４（被摺動部材）に対して摺動するラジアル軸受（フローティングメタル）５（摺動部材）及び／又はスラスト軸受６（摺動部材）として、本実施例による銅亜鉛合金を使用できる。特に、過給機１のラジアル軸受５及びスラスト軸受６のような高速摺動においては、上記したように材料の硬さが耐摩耗性に直結するものではない。そのため、表面に生成され得る酸化物を比較的軟質なものとする本実施例による銅亜鉛合金を用いることで、耐摩耗性を発揮し得る。
以上、本開示による実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本開示は必ずしもこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、本開示の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。例えば、合金の成分組成については、本開示の本質的な特徴を失わない限りにおいて追加の合金成分を与え、追加の効果を得られるようにし得る。
本開示の耐摩耗性銅亜鉛合金によれば、摺動面の変化に対しても耐摩耗性を発揮することができるので、過給機のラジアル軸受及び／又はスラスト軸受等に有用である。
Claims (13)
- 質量％で、
Ｚｎ：２８〜５５％、及び、
Ｐ：０．５〜２％、を含み、
残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなり、
導電率を１０〜３３％ＩＡＣＳ、Ｚｎの含有量を［Ｚｎ］質量％としたときに硬さを３．６［Ｚｎ］−５５ＨＢＷ以上とし、
金属間化合物の粒子の平均径を５μｍ以下とする、耐摩耗性銅亜鉛合金。 - 質量％で、
Ｚｎ：４０〜５５％、を含み、
Ｍｎ：３％以下、及び／又は、
Ｓｎ：２％以下、
をさらに含む、請求項１に記載の耐摩耗性銅亜鉛合金。 - 質量％で、Ｚｎ：３０〜３３％、及び、Ｐ：０．９〜２％、を含み、
金属組織は、母相がα単相からなる、請求項１に記載の耐摩耗性銅亜鉛合金。 - 質量％で、Ｚｎ：４４〜４７％、及び、Ｐ：０．８〜１％、を含み、
金属組織は、母相がβ単相からなる、請求項１に記載の耐摩耗性銅亜鉛合金。 - 質量％で、Ｚｎ：４４〜４７％、Ｐ：０．８〜１％、及び、Ｓｎ：１〜１．１％、を含み、残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなり、
金属組織は、母相がβ単相からなる、請求項２に記載の耐摩耗性銅亜鉛合金。 - 質量％で、Ｚｎ：４４〜４７％、Ｐ：０．８〜１％、Ｍｎ：１．４〜２％、及び、Ｓｎ：１〜１．１％、を含み、
金属組織は、母相がβ単相からなる、請求項２に記載の耐摩耗性銅亜鉛合金。 - 質量％で、Ｚｎ：５１〜５５％、Ｐ：０．８〜１％、Ｍｎ：０．８〜１．１％、及び、Ｓｎ：１〜１．１％、を含み、
残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなり、
導電率を１０〜３３％ＩＡＣＳ、Ｚｎの含有量を［Ｚｎ］質量％としたときに硬さを３．６［Ｚｎ］−５５ＨＢＷ以上とし、
金属組織は、母相が（β＋γ）相からなり、金属間化合物の粒子からなる析出相を含まない、耐摩耗性銅亜鉛合金。 - 質量％で、
Ｚｎ：４０〜５５％、及び、
Ｍｎ：１〜６％、を含み、
残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなり、
導電率を１０〜３３％ＩＡＣＳ、Ｚｎの含有量を［Ｚｎ］質量％としたときに硬さを３．６［Ｚｎ］−５５ＨＢＷ以上とする、耐摩耗性銅亜鉛合金。 - 質量％で、
Ｐ：０．５％未満、及び／又は、
Ｓｎ：２％以下、
をさらに含む、請求項８に記載の耐摩耗性銅亜鉛合金。 - 質量％で、Ｚｎ：４４〜４７％、Ｍｎ：１．４〜２％、及び、Ｓｎ：１〜１．１％、を含み、残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなり、
金属組織は、母相がβ単相からなり、金属間化合物の粒子からなる析出相を含まない、請求項９に記載の耐摩耗性銅亜鉛合金。 - 前記耐摩耗性銅亜鉛合金が、鍛造材である、請求項１から１０のいずれか１項に記載の耐摩耗性銅亜鉛合金。
- 請求項１から１１のいずれか１項に記載の耐摩耗性銅亜鉛合金からなる摺動部材を被摺動部材と摺動するように備える、機械装置。
- 前記被摺動部材並びに前記摺動部材は、過給機に組み込まれ、それぞれ連結シャフト並びにラジアル軸受及び／又はスラスト軸受である、請求項１２に記載の機械装置。
Applications Claiming Priority (3)
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