JPH04341A - 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％Ａｇ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Ｃ　ｕ　−
１０％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などが知られて
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、ターボチャー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
の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％Ｚｎ６％Ａ
ｇ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
熱性が不足していた。

〔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：１〜５０−を有するＷ
−５ｉ系金金属化合物が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、上記組成を有する素地中に、平均粒径：１〜５０
ＩＥａの範囲内のＷ−Ｓｔ系金金属間化合物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Ｗ−３ｉ系金属間化合物は、ＷＦｅＳｉ。

ＷＮ　ｉ　Ｓｉ　、　ＷＣｏ　Ｓｉのうち少なくとも一
種または二種以上である。

つぎに、この発明の銅基焼結合金のＷ−Ｓｔ系金金属間
化合物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２％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）Ｗ−Ｓｉ系金属間化合物 Ｗ−Ｓｉ系金属間化合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：１μｓ未満および１容
量％では効果がなく、一方、その平均粒径が５０庫を越
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、Ｗ−Ｓｉ系金属間化合物は、平
均粒径：１〜５０遍でかつその合計を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Ｗ−Ｓｉ系金属間化合物は、ＷＦｅＳｉ　、ＷＮ
ｉ　Ｓｉ　、ＷＣｏＳｉのうち一種または二種以上であ
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：１〜５０μｓを有するＷ　−Ｓ　ｉ基金属
間化合物が１〜Ｉ５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、予め平均粒径：１〜５０虜を有するＷ−８ｉ
系金金属化合物をＣｕ−Ｚｎ合金中に分散したＣｕ−Ｚ
ｎ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Ｗ−Ｓｉ系金属間化合物が強固に結合し
ている。また、上記素地中に微細Ｗ−Ｓｉ系金属間化合
物が強固に結合しているＣｕ−Ｚｎ合金粉末を通常のＣ
ｕ−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５０庫以下のｗ−ｓｉ系金金属間化合物添加・
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：１〜５０即の範囲内のＷ−Ｓｉ系金属
間化合物粉末：ＷＦｅＳｉ粉末、ＷＮｉＳ＋粉末および
ＷＣｏＳ＋粉末を用意し、これらＷ−Ｓｉ系金属間化合
物粉末を、Ｚ　ｎ：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合金溶湯に添
加し、Ｗ〜Ｓｔ系金属間化合物：ＷＦｅＳｉ　、ＷＮｉ
　Ｓｔ　。

ＷＣｏＳｉのうち一種または二種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Ｃｕ−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／ｃｊの範囲内の所定の圧力で圧粉体にプレス成
形し、露点、０℃〜−３０℃の水素ガス中、８５０〜９
５０”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〜Ｂ００℃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Ｗ−５ｌ系金属間化合物平均粒径を有する本
発明Ｃｕ基焼結合金１〜２５および比較Ｃｕ基焼結合金
１〜１０からなる、たて：１０龍、横＝１（１ｍｉ、長
さ：　４０ｍｍ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平均粒
径：２５−のｗ−ｓｉ系金属間化合物：ＷＦｅＳｉ　、
ＷＮｉ　Ｓｔ　、ＷＣｏＳｉのうち一種または二種を配
合し、混合し、プレス成形して圧粉体とし、この圧粉体
を焼結して本発明Ｃｕ基焼結合金２６〜３０からなる、
たて：ｌＤｍｒａ、横：１０ｍｍ。

長さ：４０ｍｍ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
０および比較Ｃｕ基焼結合金１〜１０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１〜１ｏは、成分含有量、Ｗ−Ｓｉ
系金属間化合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鋼材で外径二４０關、内径＝３０龍、厚さ：１５ｍ
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：２
ｋｇをかけ、室温および温度二６００℃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○、
荒れ面であるときは△、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〜
３０は、いずれも従来Ｃｕ基基型製合金比べて、はぼ同
等の熱伝導性を有し、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１〜１０
に見られるように、構成成分、Ｗ−３ｊ系金金属化合物
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：１〜５０μｍを有するＷ−Ｓｉ系金属間化合
   物：１〜１５容量％が均一に分散し、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Ｗ−Ｓｉ系金属間化合物は、ＷＦｅＳｉ，Ｗ
   ＮｉＳｉ，ＷＣｏＳｉのうち少なくとも一種または二種
   以上の合計が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。