JPH04334A - 高温で耐摩耗性に優れた銅基焼結合金 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、常温および高温、特に高温で耐摩耗性に優
れた銅基焼結合金に関するものであり、内燃機関のバル
ブガイド部材、ターボチャージャーの軸受は部材等の摺
動部材に用いられる銅基焼結合金に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、内燃機関の各種機械部品を製造するための部材と
して、チル鋳物などの鉄系材料、重量％で、Ｃｕ−２８
％Ｚｎ−６％Ａｌｌの代表組成を有する銅基溶製合金、
または特開平１−４２５３７号公報に示されるＣｕ−１
０％５ｎ−０，３％Ｐ−３％Ｎ１の代表組成に黒鉛など
の固体潤滑剤を添加した銅基焼結合金が知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、最近の内燃機関は、高出力化にともない、燃焼
室内の温度は従来よりも一層高温となっており、従って
、燃焼室近傍に一部露出している摺動部材、例えばバル
ブガイド、ターボチャ−ジャーの軸受けなども従来より
は一層高温に曝らされている。かかる摺動部材は高温に
なるほど耐摩耗性および耐焼付き性が低下する。

また、内燃機関の燃焼室内の温度と外部の温度との間に
著しい差が生じ、内燃機関の燃焼室の内部から外部にか
けて取付けられている摺動部材、例えばバルブガイドま
たはターボチャージャーの軸受けなども燃焼室近傍に露
出している部分は従来より一層高温に曝らされ、特に、
燃焼室近傍のバルブガイドの径は熱膨脹により従来より
も一層拡大し、そのため、バルブガイドとバルブの間に
隙間が生じ、それによって、 （ａ）　　エンジンオイルが燃焼室に人込み、排ガス規
制に定められる基準を満たさなくなる、（ｂ）　　バル
ブガイドとバルブの間に隙間が生じるとバルブガイドの
機能が十分に作用せず、作動中にバルブが振動し、バル
ブの機能が低下する、などの問題も生じていた。

これ等の問題に対して上記チル鋳物などの鉄系材料は、
熱伝導率が低く、また耐焼付き性およびなじみ性も低い
ことから、内燃機関の燃焼室近傍に一部露出している摺
動部材、例えばバルブガイドまたはターボチャージャー
の軸受は部材として用いた場合、熱伝導率が低いために
内燃機関の燃焼室近傍に一部露出している部分での熱膨
脹が大きく生じ、バルブまたは軸受けとの間に隙間が生
じるので好ましくない。また、Ｃｕ−２８％Ｚｎ−６％
Ａ、Ｑの代表組成を有する銅基溶製合金が用いられてい
るが、この銅基溶製合金は、バルブガイドまたはターボ
チャージャーの軸受は部材としては耐摩耗性および耐熱
性か不足し、さらに気孔がないために耐焼付き性および
なじみ性も不足している。そのため、上記黒鉛などの固
体潤滑剤を添加した銅基焼結合金が用いられるようにな
ってきたが、この銅基焼結合金は、熱伝導性、耐焼付き
性およびなじみ性に問題は少ないものの、耐摩耗性およ
び耐熱性が不足している。

〔課題を解決するための手段〕

そこで、本発明者らは、上述のような問題を解決するた
めには、常温および高温、特に高温において耐摩耗性お
よび耐焼付き性に優れ、かつ熱伝導性に優れた材料をバ
ルブガイドまたはターボチャージャーの軸受は部材とし
て用いることのできる銅基焼結合金を得るべく研究を行
った結果、Ｓｎ：１〜１５重量％、 を含有し、残りがＣｕおよび不可避不純物からなる組成
のＣｕ合金素地中に、平均粒径；１〜１Ｏｔｌｎを有す
る硼化物が１〜１５容量％均一に分散し、かつ空孔が１
〜１５容量％分布した組織を有する銅基焼結合金は、熱
伝導性に優れかつ高温で耐焼付き性および耐摩耗性に優
れており、そのため、この銅基焼結合金を内燃機関のバ
ルブガイドまたはターボチャージャーの軸受は部材とし
て用いた場合、特に、この銅基焼結合金を内燃機関のバ
ルブガイド部材として用いた場合、バルブガイドの熱伝
導性が優れているために内燃機関の燃焼室近傍で高温に
加熱されても、燃焼室近傍に露出しているバルブガイド
部分の熱は外部に逃げて高温とはなラス、したがってバ
ルブガイドの径が熱膨脹により拡大することがなく、上
記（ａ）および（ｂ）に示されるバルブガイドとしての
機能低下もなく、長期にわたり優れた効果を発揮すると
いう知見を得たのである。

この発明は、かかる知見にもとづいてなされたものであ
って、この発明の銅基焼結合金は、上記組成を有する素
地中に、平均粒径：１〜１ｏｕｎの範囲内の硼化物か１
〜１５容量％均一に分散し、がっ空孔が１〜１５容量％
分布した組織を有する銅基焼結合金に特徴を有するもの
である。

上記硼化物は、少なくともＴｉ硼化物、Ｚｒ硼化物、Ｃ
ｒ硼化物のうち一種または二種以上を含むことが必要で
ある。

つぎに、この発明のバルブガイド用銅基焼結合金の硼化
物および空孔を上記のごとく限定した理由について説明
する。

（ａ）　　５ｎ Ｓｎは、Ｃｕと共に素地を形成し、合金の高温下での強
度および靭性を向上させる作用があり、さらに耐凝着性
を向上させ、高温での耐焼付き性並びに常温および高温
での耐摩耗性を改善する作用を有するか、１重量％未満
てはその効果がなく、一方、１５重量％を越えて含有す
ると、熱伝導度が低下すると共に高温下での耐焼付き性
が低下するようになる。

したがって、Ｓｎの含有量は、１〜１５重量％に定めた
。

（ｂ）空孔 空孔は、摺動面に分布し、油溜の役割をし、特に高温下
で空孔が変形することによる耐焼付き性およびなじみ性
の改善に寄与するが、１容量％未満ではその効果が得ら
れず、一方、１５容量％より多く分布すると強度が低下
するのみでなく、熱伝導度が低下することにより逆に耐
熱性が悪くなり、高温下での耐焼付き性が低下し、また
耐摩耗性も低下するので好ましくない。

したがって、空孔の分布量は、１〜１５容量％に定めた
。

（ｃ）硼化物 硼化物はこの発明の銅基焼結合金素地中に均一に分散し
て、常温および高温での凝着部の成長を抑制することか
ら耐摩耗性を向上させ、熱変形を防止しかつ耐熱性の改
善によって高温下での耐摩耗性を向上させる作用がある
か、平均粒径＝１−未満および１容量％では効果がなく
、一方、その平均粒径が１０如を越えて粗大化するか、
１５容量％を越えると、合金の強度および靭性が低下す
るほか、相手攻撃性を増すので好ましくない。したがっ
て、硼化物は、平均粒径：１〜１０扉でかつその合計を
１〜１５容量％に定めた。この発明の銅基焼結合金素地
中に均一に分散している硼化物は、少なくともＴｉ硼化
物、Ｚｒ＠化物、Ｃｒ硼化物のうち一種または二種以上
であることが必要である。

なお、この発明の銅基焼結合金は、不可避不純物として
ｐ、Ｍｇ、ｚｎおよびｐｂを含有する場合があるが、そ
の含有量が合計で１．５％以下であれば、合金特性が何
等損なわれるものでないので、その含有量を許容できる
。

この発明のＳｎ：　１〜１５重量％を含有し、残りがＣ
ｕおよび不可避不純物からなる組成のＣｕ合金素地中に
、平均粒径：１〜１０１Ｅａを有する硼化物が１〜１５
容量％均一に分散し、かつ空孔が１〜１５容量％分布し
た組織を有する銅基焼結合金を製造するには、予め硼化
物をＣｕ−Ｓｎ合全中に分散したＣｕ−Ｓｎ母合金を水
アトマイズすることにより得られたＣｕ−Ｓｎ合金粉末
を原料粉末として用いる。この原料粉末は、素地中に微
細硼化物が強固に結合している。また、上記素地中に微
細硼化物が強固に結合しているＣｕ−Ｓｎ合金粉末を通
常のＣｕ−５ｎアトマイズ粉末に混合した混合粉末を使
用してもよい。

さらに、通常用いるステアリン酸亜鉛等の固定潤滑剤に
平均粒径１０−以下の硼化物を添加・混合し、得られた
混合粉末と通常のＣｕ−５ｎアトマイズ粉末を混合し、
これを成形プレスとして圧粉体とし、この圧粉体を成形
してもこの発明の銅基焼結合金を得ることができる。ま
た、アセトン、アルコール等の有機溶媒を用いて湿式混
合しても良い。

〔実　施　例〕

つぎに、この発明の銅基焼結合金を実施例により具体的
に説明する。

先ず、平均粒径：１〜１０！Ｅｎの硼化物が均一に分散
してなるＣｕ−Ｓｎ母合金を作製し、このＣｕ−Ｓｎ母
合金を水アトマイズすることにより上記Ｃｕ−Ｓｎ母合
金とほぼ同一組成の原料粉末を作製し、これら原料粉末
を５〜７ｔｏｎ／ｃ−の範囲内の所定の圧力て圧粉体に
プレス成形し、露点：０℃〜−３０℃の水素ガス中、８
５０〜９５０”Ｃの範囲内の所定の温度で１時間保持の
条件で焼結し、ついで空孔量をコントロールするために
、必要に応じて３００〜６００℃の範囲内の所定の温度
に１分間保持後、再加圧を行うことにより、第１表に示
される空孔量および硼化物平均粒径を有する本発明Ｃｕ
基焼結合金１〜１９および比較Ｃｕ基焼結合金１〜９か
らなる、た”Ｃ：　ｌＯｍ＋＊、横：１０ｍｍ、長さ＝
４５鰭の寸法を有するブロックを作製した。

さらに、通常のＣｕ−Ｓｎ合金アトマイズ粉末に平均粒
径：５μｓのＴｉ硼化物、Ｚｒ硼化物、およびＣｒ硼化
物を配合し、混合し、プレス成形して圧粉体とし、この
圧粉体を焼結した本発明Ｃｕ基焼結合金２０〜２２から
なる、たて＝１０關、横：１０龍、長さ：　４５＋ａ＋
＊の寸法を有するブロックを作製した。

このようにして作製された本発明Ｃｕ基焼結合金１〜２
２および比較Ｃｕ基焼結合金１〜９からなるブロックの
熱伝導率を測定し、その結果を第１表に示した。上記比
較Ｃｕ基焼結合金１〜９は、成分含有量、硼化物平均粒
径または空孔含有量の内のいずれかがこの発明の範囲か
ら外れたもの（第１表において※印を付して示した）で
ある。

一方、ブロック・オン・リング型摩耗試験の相手材とし
て、通常、内燃機関のバルブステム材として知られてい
る５ＵＨ３鋼材で外径：　４０ｍｍ５内径：３（Ｉｎｎ
、厚さ：１５關の寸法を有するリングを作製し、上記ブ
ロックおよびリングを用い、第１図に示されるように、
ブロック１をリング２に接するように組合わせ、リング
２の周囲に潤滑油として冷凍機油を塗布した後、ブロッ
ク１に荷重：２ｋｇをかけ、室温および温度＝６００℃
の雰囲気下でリング２を摺動速度：１．２ｍ／秒で回転
せしめ、焼付きが生じて摩擦係数が急増するに至るまで
リング２の回転を続け、焼付きに至るまでの時間および
焼付きに至った時点でのブロック１の摩耗量を測定する
と共にリング２の面状態を観察するブロック・オン・リ
ング型摩耗試験機を用いた加速摩耗試験を実施し、それ
等の測定値および観察結果を第１表に示した。上記リン
グ面の観察結果は、試験後のリング２の面がほぼ平滑で
あるときは０１荒れ面であるときはΔ、凝着面であると
きはＸとして第１表に示した。

〔発明の効果〕

第１表に示される結果から、本発明Ｃｕ基焼結合金１〜
２２は、いずれも従来Ｃｕ基焼結合金に比べて、−段と
優れた耐摩耗性および耐焼付き性をもち、また比較Ｃｕ
基焼結合金１〜９に見られるように、構成成分、硼化物
平均粒径および空孔のうちいずれかでもこの発明の範囲
または条件から外れると、熱伝導性、高温下での耐摩耗
性、耐焼付き性もしくは相手攻撃性、のうち少なくとも
いずれかの性質が劣ったものとなることが明らかである
。

上述のように、この発明のＣｕ基焼結合金は、熱伝導性
、高温下での耐摩耗性、耐焼付き性もしくは耐相手攻撃
性を共に有するので、高出力化に伴う高温度に曝らされ
る内燃機関の構造部材とくにバルブガイド部材として用
いても、燃焼室近傍のバルブガイドの温度が上昇するこ
となく、したがって、バルブガイドの径が拡大せず、エ
ンジンオイルのリークもなく、高出力化内燃機関の構造
部材とくにバルブガイドとして十分に対応することがで
き、実用に際しては、優れた性能を長期にわたって発揮
することにより工業１優れた効果をもたらすものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ブロック・オン・リング型摩耗試験方法を示
す説明図である。 １・・・ブロック、　　　　　　２・・・リング。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｓｎ：１〜１５重量％、 を含有し、残りがＣｕおよび不可避不純物からなる組成
   のｃｕ合金素地中に、 平均粒径：１〜１０μｍを有する硼化物：１〜１５容量
   ％が均一に分散し、かつ空孔が１〜１５容量％分布した
   組織を有することを特徴とする高温で耐摩耗性に優れた
   銅基焼結合金。
2. （２）上記硼化物は、Ｔｉ硼化物、Ｚｒ硼化物、および
   Ｃｒ硼化物のうち少なくとも一種または二種以上を含み
   、かつそれらの硼化物の合計が１〜１５容量％であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の高温で耐摩耗性に優れた
   銅基焼結合金。