JPH04335A - 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
ブガイド部材または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％Ａｊ）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％Ｎｉ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か知られている。

〔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し、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％
ＡＩの代表組成を冑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
が不足し、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〜ｌＯｍを有する炭
化物が１〜１５容量％均一に分散し、かつ空孔が１〜１
５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らず、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：１〜１ｏ−の範囲内の炭化物が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。

上記炭化物は、少なくともＴｊ炭化物、Ｚｒ炭化物、Ｗ
炭化物、Ｓｉ炭化物、およびＣｒ炭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炭化
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が、１重量％未満
ではその効果がなく、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
。

（ｅ）炭化物 炭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
が、平均粒径：１ｕｎ未満および１容量％では効果かな
く、一方、その平均粒径が１０！Ａ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、炭化物は、平均粒径：１〜１０−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炭化物は、少なくともＴｉ
炭化物、Ｚｒ炭化物、Ｗ炭化物、Ｓｔ炭化物、およびＣ
「炭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：１〜１０部を有する炭化物が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、予め炭化物をＣ
ｕ−Ｓｎ合金中に分散した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、素地中に微細炭化
物が強固に結合している。また、上記素地中に微細炭化
物が強固に結合しているＣｕ−Ｓｎ合金粉末を通常のＣ
ｕ−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ｌ〇−以下の炭化物を添加・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：１〜１０ｕｎの炭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、８５
０〜９５０℃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
る空孔量および炭化物平均粒径を有する本発明Ｃｕ基焼
結合金１〜２８および比較Ｃｕ基焼結合金１〜１２から
なる、たて：１０ｍ＋＊、横：１０ｍ、長さ２４５ｍｍ
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それぞ
れ平均粒径：５μｓのＴｉ炭化物、Ｚ「炭化物、Ｗ炭化
物、Ｓｉ炭化物、およびＣｒ炭化物を配合し、混合し、
プレス成形した圧粉体とし、この圧粉体を焼結して本発
明Ｃｕ基焼結合金２９〜３３からなる、たて＝１０■、
横＋１０ａｍ、長さ：４５ｍｍ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１〜３
３および比較Ｃｕ基焼結合金１〜１２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１〜１２は、成分含有量、炭化物平
均粒径および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表において棗印を付して示した
）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、内燃機関のバルブ材として知られている５Ｕ
Ｈ３鋼材で外径：　４０ｍｒｍｓ内径：３０關、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△、凝着面であるときは×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〜
３３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１〜１２に見られるように、構成成分、炭化
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を有する炭化物：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）上記炭化物は、Ｔｉ炭化物、Ｚｒ炭化物、Ｗ炭化
   物、Ｓｉ炭化物、およびＣｒ炭化物のうち少なくとも一
   種または二種以上を含み、かつそれらの炭化物の合計が
   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。