JPH04339A - 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％Ａｆｉ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
は一層高温に曙らされている。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、熱伝導率か低いために
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％
Ａｊ７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、Ｚｎ：１０〜４０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虜を有する炭
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：１〜１ＯＩＥＯの範囲内の炭化物が
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に特徴を有するも
のである。

上記炭化物は、少なくとも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）　　Ｚｎ Ｚｎ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、１０重量％未
満ではその効果がなく、一方、４０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、Ｚｎの含有量は、１０〜４０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）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；１應未満および１容量％では効果かなく
、一方、その平均粒径がＩＯ−を越えて粗大化するか、
Ｉ５５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虜でかつその合計を
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、Ｓｉ炭化物、およびＣｒ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、Ｓｎ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Ｚｎ：１０〜４０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：１〜１０ｔｌｎ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Ｃｕ−Ｚｎ合金中に分散したＣｕ−Ｚｎ母合金を水
アトマイズすることにより得られたＣｕ−Ｚｎ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−Ｚｎ合金粉末を通
常のＣｕ−Ｚｎ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１０ｍ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−Ｚｎ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：１〜１Ｏｔｌｎの炭化物が均一に分散
してなるＣｕ−Ｚｎ母合金を作製し、このＣｕ−Ｚｎ母
合金を水アトマイズすることにより上記Ｃυ−ｚｎ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５〜７　ｔｏｎ／　ｃｄの範囲内の所定の圧力で圧粉
体にプレス成形し、露点二〇℃〜−３０℃の水素ガス中
、８５０〜９５０℃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Ｃ
ｕ基焼結合金１〜２８および比較Ｃｕ基焼結合金１〜１
２からなる、たて：１０＋＋＋ｍ、横；ＩＯ關、長さ７
４５ｍｍの寸法を有するブロックを作製した。

さらに、通常のＣｕ−Ｚｎ合金アトマイズ粉末にそれぞ
れ平均粒径：５ｔｍのＴ１炭化物、２「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２９〜３３からなる、たて＝１０關、
横：　１０ｍ１１％長さ：　４５ａｍ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※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：　４０ｍｍ、内径＝３０關、厚さ：　
１５＋ａｍ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エンジン油を塗布した後、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、摩擦係数が急増して焼付きと判定されるに至るま
でリング２の回転を続け、焼付きに至るまでの時間、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Ｏ１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基溶製合金に比べて、熱伝導
性に優れ、さらに−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量のうち
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）Ｚｎ：１０〜４０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。