JPH04300073A - 複合摺動材料とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般産業用の複合摺動
部材に関するものであり、特に、銅鉛合金及び鉛青銅合
金を鋼裏金の上に、プラズマアーク溶接肉盛法を利用し
て、安価に、容易に、高品質ライニングを行なった複合
摺動部材及びこの複合摺動部材を製造する方法に関する
。

【０００２】

【従来の技術】従来の複合摺動部材の製造方法は、銅鉛
合金及び鉛青銅合金を溶解して鋳造により行っていた。 そのため多くの工数と鋳造技術を要するためにコスト高
となっていた。また、その他の方法として銅合金を溶射
および各種溶接法（ＴＩＧ溶接、アーク溶接、ガス溶接
等）により肉盛していたが、より優れた摺動特性を発揮
する鉛を含む合金は、溶射及び溶接時に、鉛が蒸発し、
有害であると同時に、鉛の歩留りが悪く、また鉛の偏折
が大きく困難であるため、溶射又は溶接による肉盛の場
合は鉛を含まないアルミブロンズやりん青銅および黄銅
に限られていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】鋳造による複合摺動部
材の製造は、高温作業であるため作業がきつく危険であ
る。とくに、銅鉛合金及び鉛青銅合金については、溶解
温度が１０００℃を超え、有毒な鉛ヒュームが発生する
ため作業環境が極めて悪い。また鋳造の条件管理が難し
く、熟練した作業者の経験を要する。遠心鋳造によって
裏金の内面にライニングする製品以外、つまりスラスト
面への置注鋳造および外径ライニングする場合は、溶湯
が流れ落ちないように、セキが必要で、鋳造の前加工に
費用を要する。また、鋳造で巣の無い健全な鋳物を得る
ためには、ライニングの完成厚の数倍の押し湯が必要で
あり、合金費用を要す。複雑形状のハウジングに鋳造す
る場合、冷却のアンバランスから、組織ムラ、偏折、接
着不良が生じやすい。また製品の極一部にライニングが
必要な場合でも、鋳造方式によると、全体にライニング
した後、大部分の不必要な部分を切削除去しなければな
らず歩留りが悪く不経済である。いっぽう、溶射および
溶接による複合摺動部材の製造は、鋳造のような高温作
業からは解放され、高融点金属の肉盛において比較的容
易な方法であるが、より優れた摺動特性を発揮する鉛を
含む合金は、溶射時及び溶接時に、鉛が蒸発し、非常に
有害であると同時に、鉛の歩留りが悪く狙った成分が得
られず、鉛の偏折が多く微細均一な組織が得られない。 従って、高速、高面圧化が要求される複合摺動部材の性
能向上を阻んできた。本発明の目的は、鉛を含有する銅
合金から成る摺動層を有する複合摺動材料及びその製造
方法を得ることである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の複合摺動材料は
、裏金及び該裏金に接合された摺動部分を有し、該摺動
部分は０．２〜４ｍｍの厚さを有し且つ５〜４０重量％
の鉛を含む銅合金から成り、該鉛は銅合金マトリックス
中で、均一且つ微細に分布した鉛粒として存在し、鉛粒
は粒径が２０ミクロン以下のものが８０％以上を占める
ことを特徴とする。本発明の複合摺動材料を製造する方
法は、均一且つ微細に分布した５〜４０重量％の鉛を含
有する銅合金の粉末及び裏金を準備する段階と、プラズ
マアーク溶接肉盛法により非酸化性雰囲気中で銅合金の
粉末を裏金に溶着させ、鉛が微細且つ均一に銅合金中に
分布した組織を有する摺動部分を作る段階とを有するこ
とを特徴とする。

【０００５】鋳造方式及び溶射方式による課題を解決す
るために、プラズマアーク溶接肉盛法に注目した。即ち
トーチと裏金の間に電圧をかけ、アルゴンガスを流して
高温のプラズマアークを発生させ、その中に軸受合金の
粉末またはワイアを供給して、裏金の上に溶融させて肉
盛する方法である。同様な肉盛方法としては、ＴＩＧ溶
接、アーク溶接、ガス溶接等があるがこれらの溶接では
裏金中の鉄が軸受合金中に希釈し、軸受合金に悪影響を
及ぼす。軸受合金の様な低融点金属を肉盛する場合は、
プラズマアーク溶接肉盛法の中でもソフトプラズマを利
用して、鉄が軸受合金に希釈するのを防止するものであ
る。また、アルゴン等のシールドガスにより、溶融金属
の酸化を防止して、健全な肉盛を行う方法である。しか
しながら、本プラズマアーク溶接肉盛法においても、銅
合金粉末と鉛合金粉末を混合した原材料粉末を用いると
肉盛加工時に鉛が蒸発しやすいため、原材料として、あ
らかじめ銅合金に鉛が均一且つ微細に分布された状態の
粉末を使用する事により鉛の蒸発を抑えて、均一に鉛が
分布した摺動層が得られることが判明した。

【０００６】

【作用】以下に本発明の作用を従来の方法と比較して説
明する。本発明のプラズマアーク溶接肉盛法によれば、
自動化や遠隔操作が可能であり、鋳造のような高温作業
、重労働、悪環境から解放される。また肉盛条件の設定
を行えば、自動的に肉盛が行われ、鋳造のように熟練作
業者の経験を要することなく、良い品質の製品が安定し
て得られる。また鋳造のように溶湯が流れ落ちないよう
に裏金に堰を溶接したり、シールをする必要もなく自由
に肉盛が出来るため、スラスト面への置注鋳造および外
径ライニングする製品に対しては工程の短縮が出来、経
済的である。また製品の極一部にライニングが必要な場
合でも、必要な部分にだけ自由に肉盛することが可能で
、鋳造方式のように、全体にライニングした後、大部分
の不必要な部分を切削除去する必要がなく経済的である
。また、鋳造の場合、完成合金厚に対して数倍の厚さの
押し湯が必要であるが、本発明の場合は、１ｍｍ程度の
スラグ層を取るだけでよく、高価な合金費用を節約でき
経済的である。また複雑な形状の裏金に鋳造方式でライ
ニングする場合は、均一で急速な冷却が難しく、凝固が
遅れるため合金の巣、組織ムラや偏析が発生しやすく、
アンバランスな凝固で接着面で引っ張り合って、接着不
良が生じやすい。しかし本発明の場合は、特別な冷却が
不要なため、安定した品質の製品が得られる。いっぽう
、鉛が均一微細に分布したアトマイズ粉末を使用するた
め、鉛と銅合金の混合粉を使用して各種溶接法により肉
盛した時や、溶射のように鉛が蒸発しないため、銅鉛合
金や鉛青銅合金のような鉛入りの銅合金が肉盛できるた
め、黄銅や青銅に限られていた溶射及び溶接による複合
摺動部材と比べて、耐焼付性、耐荷重性等において大幅
な性能向上ができる。また、溶射方法は、裏金との接着
が、吹き付け時の投錨効果（アンカー効果）によるもの
で弱く、合金粒子の接着は、吹き付け時に溶融した粒子
が大気に触れて酸化し酸化皮膜を介しての接着であるた
め弱い。本発明の場合はアルゴン雰囲気の中で粉末がプ
ラズマアークにより溶融するため、裏金との接着および
合金間の結合は良好である。また鉛量は、５％未満では
、摺動特性が劣り、４０％以上では合金強度が低下し耐
食性もわるくなる。

【０００７】

【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。実験は第
６図に示すプラズマアーク溶接装置にて実施した。第６
図に示されるプラズマアーク溶接装置では粉末供給口１
０より、８０〜２００メッシュの粒度を有する鉛含有銅
合金のアトマイズ粉が担持ガスによりプラズマアーク溶
接装置に供給され、同時にシールドガス供給口１１より
アルゴンガスが供給されると共に裏金とタングステン電
極１２との間に電圧を付与することにより、プラズマア
ークが発生し、鉛含有銅合金が裏金に溶着し肉盛層１３
が形成される。アトマイズ粉の各粒子３はほぼ球形を有
し且つ粒子の断面の概略を示す第７図に示されるように
銅合金マトリックス４内に微細な鉛粒５が均一に分布し
た組織を有する。

【０００８】実施例１ 第１図に示す様に、直径２００ｍｍで高さ１５０ｍｍの
円柱裏金（Ｓ４５Ｃ）１の端面に鉛青銅合金（Ｃｕ−１
０Ｐｂ−１０Ｓｎ）２を第６図に示すプラズマアーク溶
接装置により３ｍｍの厚さで肉盛を行った。即ち裏金１
を回転テーブルに載せ、回転させながらトーチを内側か
ら外側へ移動させ渦巻条にライニングしていった。トー
チと裏金１の間に発生したプラズマアーク中に、鉛青銅
合金（Ｃｕ−１０Ｐｂ−１０Ｓｎ）２のアトマイズ合金
粉末を供給して、アルゴンガス保護雰囲気下で溶融させ
肉盛を行った。肉盛後、表面を１ｍｍ切削してスラグを
落し染色探傷した結果、巣等の欠陥は無く良好であった
。また合金と裏金の間に、タガネを入れて肉盛層がはが
れるか否かの接着試験を行ったがはがれはなく接着性は
良好であった。次に、破壊して硬度、接着強さを調査し
た結果、硬さは９０Ｈｖで接着強さは２２ｋｇｆ　／ｍ
ｍ２　であり鋳造で作成した合金と比べて差はなく良好
だった。また合金を分析した結果、供給粉末の成分と同
様のものが得られた。鉛含有銅合金の組織は第８図に示
されるように鉛が銅合金マトリックス中に均一且つ微細
に分布していた。また得られた摺動材の焼付試験をおこ
ない耐焼付性を調べた結果、第１表に示されるように焼
付きを生じない最高面圧は約６５０ｋｇｆ　／ｃｍ２　
と良好であった。また、円筒の端面が球面形状を持つ裏
金についても同様に肉盛を実施したが良好であった。い
っぽう、銅粉末と鉛粉末と錫粉末を上記鉛青銅粉末と同
じ成分に混合した粉末を使用したものは、鉛が蒸発して
所定の成分を得る事ができなかったと同時に、鉛が偏析
し均一な組織が得られなかった。耐焼付性も最高面圧が
約５５０ｋｇｆ／ｃｍ２　であり本発明品より劣ってい
た（第１表）。本発明材料は加工後、油圧部品のシリン
ダーブロックに適用される。

【０００９】実施例２ 第２図に示す様に、厚さ３０ｍｍ、外径４００ｍｍ及び
内径３００ｍｍのリング状裏金（Ｓ１５Ｃ）１の上面に
鉛青銅合金（Ｃｕ−２３Ｐｂ−３Ｓｎ）２を肉盛した。 即ち実施例１と同様に裏金１を回転テーブルに載せ、回
転させながらプラズマアーク溶接装置のトーチを内側か
ら外側へ移動させ渦巻状に３ｍｍの厚さでライニングし
ていった。なお粉末として鉛青銅合金（Ｃｕ−２３Ｐｂ
−３Ｓｎ）２のアトマイズ合金粉末を使用した。肉盛後
、表面を１ｍｍ切削してスラグを落し染色探傷した結果
、巣等の欠陥は無く良好であった。また合金と裏金の間
に、タガネを入れて接着試験を行ったが良好であった。 次に、破壊して硬度、接着強さを調査した結果、鋳造で
作成した合金と比べて差はなく良好だった。裏金に接着
された鉛青銅合金の組織は、鉛が青銅マトリックス中に
均一微細に分布していた。また合金を分析した結果、供
給粉末の成分と同様のものが得られた。また実施例１と
同様におこなった焼付試験では約７００ｋｇｆ／ｃｍ２
　の最高面圧が得られた（第１表）。本材料は加工後、
舶用エンジンのスラストワッシャーとして適用される。 これに対しこの実施例に使用した鉛青銅合金アトマイズ
粉末と同一成分を有する材料を使用し、鋳造及びプラズ
マアーク時に鉛と青銅合金粉末とを混合した比較例２及
び３では、第１表に示されるように最高面圧が本実施例
より低下していた。 実施例３ 第３図に示す様に、外径１００ｍｍで長さ２００ｍｍの
円筒裏金（Ｓ１５Ｃ）１の外周面に銅鉛合金（ＫＪ３）
２を肉盛した。即ち裏金１を回転治具に取り付け、円柱
裏金１の軸を水平に回転させながらプラズマアーク溶接
装置のトーチを外周の端から端へ水平に移動させ縄文状
に３ｍｍの厚さでライニングしていった。トーチと裏金
１の間に発生したプラズマアーク中に、銅鉛合金（ＫＪ
３）２のアトマイズ合金粉末を供給して、アルゴンガス
保護雰囲気の元で溶融させ肉盛を行った。肉盛後、表面
を１ｍｍ切削してスラグを落し染色探傷した結果、巣等
の欠陥は無く良好であった。また合金と裏金の間に、タ
ガネを入れて接着試験を行ったが良好であった。次に、
破壊して硬度、接着強さを調査した結果、鋳造で作成し
た合金と比べて差はなく良好だった。肉盛層の組織は、
銅マトリックス中に鉛が微細且つ均一に分布し、第８図
と同様の組織であった。また合金を分析した結果、供給
粉末の成分と同様のものが得られた。本材料は加工後、
減速機の遊星歯車軸受に適用される。

【００１０】実施例４ 第４図および第５図に示す様に、外径５０ｍｍ、内径１
０ｍｍ及び厚さ５ｍｍのリング状裏金（Ｓ１５Ｃ）１の
両面に鉛青銅合金（Ｃｕ−１０Ｐｂ−１０Ｓｎ）２を外
径４０ｍｍ、内径３０ｍｍのリング形状に肉盛した。即
ち裏金１を回転テーブルに載せ回転させながら、プラズ
マアーク溶接装置のトーチを固定して幅５ｍｍ厚さ３ｍ
ｍで１周肉盛した。なお粉末として鉛青銅合金（Ｃｕ−
１０Ｐｂ−１０Ｓｎ）２のアトマイズ合金粉末を使用し
た。次に製品を反転させ、同様に反対面に肉盛した。肉
盛後、表面を１ｍｍ切削してスラグを落し染色探傷した
結果、巣等の欠陥は無く良好であった。また合金と裏金
の間に、タガネを入れて接着試験を行ったが良好であっ
た。次に、破壊して硬度、接着強さを調査した結果、鋳
造で作成した合金と比べて、差はなく良好だった。また
合金を分析した結果、供給粉末の成分と同様のものが得
られた。肉盛層の組織は、青銅のマトリックス中に鉛が
微細且つ均一に分布した第８図と同様の組織が得られた
。本材料は加工後、ターボチャージャーの両面スラスト
ワッシャーとして適用される。以上の実施例で、肉盛厚
２ｍｍ及び３ｍｍの場合を示したが、多重積層肉盛によ
り厚く肉盛が可能である。肉盛厚さとして好ましくは１
ｍｍ〜１０ｍｍ、より好ましくは２ｍｍ〜５ｍｍである
。

【表１】 焼付は、背面温度が２００℃を越えるか又は電流値が１
０Ａを越えた場合をいう。 ＊　　焼付試験の試験条件： シャフト直径　　　　　　５３ｍｍ 回転数　　　　　　　　　　　　２，０００ｒｐｍ潤滑
油　　　　　　　　　　　　ＳＡＥ２０給油量　　　　
　　　　　　　　２０ｃｃ／分シャフト材質　　　　　
　ＪＩＳ　　Ｓ５５Ｃ負荷方式　　　　　　　　　　２
０分ごとに５０ｋｇｆ　づつ累積負荷した。 ＊＊　　比較例３及び４ではＣｕ−１０Ｓｎ合金の粉末
とＰｂの粉末をプラズマアーク溶接時に混合させて使用
した（混合粉末と表示）。

【００１１】

【発明の効果】本発明によれば、どのような形状の裏金
に対しても容易に鉛入りの銅系軸受合金を必要な部分に
肉盛することができ、鋳造の高温作業および悪環境から
解放され、また鋳造のように熟練作業者の経験を要する
ことなく、条件設定により安定した品質の製品が得られ
る。また鋳造のように溶湯が流れ落ちないように堰を溶
接する必要もなく工程の短縮ができ、しかも押し湯の必
要もなく合金の節約ができ経済的である。また、裏金の
自動脱着とコンピューターコントロールによる自動溶接
により無人運転も可能であり省力化及び省人化によるコ
ストダウンができる。　　また、鉛を均一微細に分布さ
せた、アトマイズ粉末を使用するため、銅合金粉末と鉛
合金粉末を混合した粉末を使用した時のように、鉛が蒸
発して所定の鉛成分が得られない点と、合金中に鉛が偏
析し均一な組織が得られない点を解決し、優れた軸受性
能を持つ複合摺動部材を得るものである。従って、鉛を
含む銅合金をライニングした複合摺動部材をその形状に
かかわらず、容易に製造できるため、耐焼付性、耐荷重
性等において大幅な向上がなされ、一般産業機械及び内
燃機関の、高速化及び高出力化を可能にし、大幅な性能
向上をさせるものである。

【００１２】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の複合摺動材料を示す斜視
図。

【図２】本発明の第２実施例の複合摺動材料を示す斜視
図。

【図３】本発明の第３実施例の複合摺動材料を示す斜視
図。

【図４】本発明の第４実施例の複合摺動材料を示す斜視
図。

【図５】図４のＡ−Ａ線に沿う縦断面図。

【図６】本発明に使用したプラズマアーク溶接装置の使
用状態を示す断面図。

【図７】本発明で使用したアトマイズ粉の各粒の断面図
。

【図８】複合摺動材料の摺動部分の顕微鏡組織写真。

【符号の説明】

１　　裏金 ２　　摺動部分

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　裏金及び該裏金に接合された摺動部分
   を有する複合摺動材料において、該摺動部分は０．２〜
   ４ｍｍの厚さを有し且つ５〜４０重量％の鉛を含む銅合
   金から成り、該鉛は銅合金マトリックス中で均一且つ微
   細に分布した鉛粒として存在し、鉛粒は粒径が２０ミク
   ロン以下のものが８０％以上を占めることを特徴とする
   複合摺動材料。
2. 【請求項２】　　裏金及び該裏金に接合された摺動部分
   を有する複合摺動材料の製造方法において、均一且つ微
   細に分布した５〜４０重量％の鉛を含有する銅合金の粉
   末及び裏金を準備する段階と、プラズマアーク溶接肉盛
   法により非酸化性雰囲気中で銅合金の粉末を裏金に溶着
   させ、鉛が微細且つ均一に銅合金中に分布した組織を有
   する摺動部分を作る段階とを有することを特徴とする複
   合摺動材料の製造方法。