JPH0762192B2 - 潤滑性に優れたＣｕ基耐摩耗合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明はすべり軸受面を構成するための軸受合金に最
適な潤滑性に優れたCu基の耐摩耗合金に関するものであ
る。

従来の技術 従来、すべり軸受面を構成するための軸受合金として
は、ホワイトメタルや、一般にケルメットと称される銅
鉛合金（Cu−Pb系合金）、さらにはスズ青銅などが使用
されている。これらのうちCu−Pb系合金は軟質なPb相と
硬質なCu相とが非固溶状態で混在したものであって、硬
質なCuが荷重を支持する一方、軟質なPbが窪んで油溜り
を形成するとともに固体潤滑剤としても機能するもので
あり、このようなCu−Pb系軸受合金は耐焼付性が優れる
とともに、ホワイトメタル等と比較すれば耐荷重性が大
きいため、高速高荷重軸受に適している。但し、このよ
うな従来のCu−Pb系軸受合金は、ホワイトメタル等と比
較すれば耐荷重性が高いとは言えども、それ自体の強度
が未だ充分ではないことから、高速高荷重軸受としてこ
の種の合金を使用する場合には、鋼製の裏金（バックメ
タル）に接着させた状態の軸受、すなわちバイメタル軸
受として使用するのが一般的である（Cu−Pb系軸受合金
の従来の一般的な解説としては、「金属工学シリーズ１
改訂 構成金属材料とその熱処理」（社団法人日本金属
学会発行）第40頁〜第41頁参照）。

発明が解決すべき問題点 前述のように従来のCu−Pb系軸受合金等においては、そ
れ自体の強度が低いため鋼製のバックメタルに接着して
軸受として用いるのが一般的であるが、この場合摺動部
の形状が複雑な軸受には適用困難となる問題がある。ま
たこの場合、軸受支持部（ワーク）と軸受部（メタル）
とを個別に作成しておかなければならないため、ワーク
にも高い加工精度が要求され、そのため特に硬質なワー
クを用いる場合は加工コストが高くなる問題がある。さ
らに従来のCu−Pb系軸受合金は耐摩耗性が未だ充分とは
言えず、そのため耐久性が不充分であるとともに、耐熱
性も充分とは言えないのが実情であった。

この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、軸
受支持部（ワーク）等の基材上に直接溶着（肉盛）する
ことが可能であって、しかも強度、耐摩耗性、耐熱性が
優れ、なおかつ軸受合金に必要な優れた潤滑性を有する
Cu基の合金を提供することを目的とするものである。

問題点を解決するための手段 この発明の潤滑性に優れたCu基耐摩耗合金は、Ni5〜30w
t％、B0.1〜5wt％、Si1〜8wt％、Pb20〜40wt％、残部Cu
および不可避的不純物よりなり、Niが固溶したα−Cuか
らなるα相デンドライトの間をNiの硼化物および珪化物
が埋めておりしかも非固溶Pb粒子が均一に分散した組織
を有することを特徴とするものである。

作用 この発明のCu基合金は、金属基材上にレーザやTIGアー
ク、プラズマアーク、電子ビームなどの高密度加熱エネ
ルギを用いて溶着（肉盛）することにより容易に形成さ
れるものであり、その合金自体の強度が高いことから、
軸受に使用する場合にも鋼製のバックメタルを用いるこ
となく、直接ワークに溶着して使用することができるも
のである。またこの発明のCu基合金の組織は、Niが固溶
したα−Cuからなるα相のデンドライトの間をNiの硼化
物、珪化物が埋めており、そのα相デンドライトとNiの
硼化物、珪化物からなるマトリックス（以下これをCu−
Niマトリックスと記す）中にほぼ球形に近い形状のPb粒
子が均一に分散した状態となっている。このような組織
においては、α相自体がNiの固溶によって強化されると
ともに、α相デンドライトの間を埋めている硬質なNiの
硼化物、珪化物によってさらに強化されて、Cu−Niマト
リックスが高強度と優れた耐摩耗性を示して、荷重を支
持する役割を果たし、また均一に分散しているPb粒子は
軟質で剪断強さが低いところから、摺動時にPb粒子の部
分が窪んで油溜りを形成するとともに固体潤滑作用を果
たし、したがってこのような組織により全体として高強
度で耐摩耗性が優れしかも耐熱性に優れた合金となって
いる。なおこの合金は、マトリックスの部分の硬さはHv
130〜350程度、全体の平均硬さはHv100〜250程度であ
る。

以下にこの発明の合金における成分限定理由を説明す
る。

Ni: Niはα−Cuに固溶するとともに硬質なNiの硼化物、珪化
物を形成し、これらによりCu−Niマトリックスを強化す
る役割を果たす。Niが５％未満ではマトリックスを強化
する効果が充分に得られず、一方30％を越えれば溶着の
際に割れの発生頻度が著しく高くなるから、５〜30％の
範囲内に限定した。

B,Si: これらはいずれも材料に自溶性を与えて溶着性を良好に
する役割を果たすとともに、Niの硼化物、珪化物を生成
してマトリックスを強化し、材料の強度、耐摩耗性を向
上させるに有効な元素である。B0.1％未満、Si1％未満
ではこれらの効果が充分に得られず、一方B5％、Si8％
を越えれば溶着の際に割れが発生し易くなる。したがっ
てＢは0.1〜５％、Siは１〜８％の範囲内とした。

Pb: Pbは非固溶Pb粒子として分散晶出して潤滑性を高めるに
重要な元素である。Pbが20％未満では潤滑性を高める効
果が少なく、一方40％を越えれば溶着性、特に基材との
濡れ性を害してしまうから、20〜40％の範囲内とした。

なお上記各元素のほかは、Cuおよびその他の不可避的不
純物とすれば良い。

実 施 例 ［実施例１］ レーザ肉盛法によって基材上に溶着させたこの発明の合
金材料としてのCu−20％Ni−２％Si−１％Ｂ−25％Pb合
金の組織を第１図に示す。第１図において灰色で点在し
ている粒子がPb粒子であり、白色部分はCu−Niマトリッ
クスである。この溶着合金は、マトリックスの硬さはHv
180〜210、平均硬さHv130〜180であった。なおこの合金
では、Si量、Ｂ量が多いため自溶性が高く、Al合金から
なる基材上にも容易に溶着させ得ることが確認されてお
り、以下の実施例２、実施例３の場合も全く同様であ
る。なおまた、このときのレーザ肉盛の条件は次の通り
である。なお、以下に示すビームオシレート周波数は、
合金の溶融プールを撹拌するために、レーザビームの照
射点を、溶着の進行方向に対して直交する方向に往復動
させる周波数である。

レーザ出力:3.6kw ビーム径:2.5mm ビームオシレート周波数:150Hz 処理速度:600mm/min ［実施例２］ Cu−28％Ni−８％Si−２％Ｂ−20％Pbなる成分組成の合
金をレーザ肉盛によって基材上に溶着させた。その溶着
合金は、実施例１の場合と同様にCu−Niマトリックス中
にPb粒子が均一に分散していることが確認された。また
この合金は、マトリックスの硬さがHv300〜320と高く、
平均でもHv240の硬さを示した。なお、このときのレー
ザ肉盛条件は次の通りである。

レーザ出力:4.5kw ビーム径:3.0mm ビームオシレート周波数:200Hz 処理速度:900mm/min ［実施例３］ Cu−10％Ni−１％Si−５％Ｂ−35％Pbなる成分組成の合
金をレーザ肉盛法によって基材上に溶着させた。その溶
着合金は、実施例１の場合と同様にCu−Niマトリックス
中にPb粒子が均一に分散していることが確認された。ま
たこの合金は、マトリックスの分部の硬さがHv140、平
均でHv115であった。なおこの場合のレーザ肉盛条件は
次の通りである。

レーザ出力:4.0kw ビーム径:3.0mm ビームオシレート周波数:350Hz 処理速度:900mm/min ［性能評価］ 以上の各実施例１〜３の各溶着合金について、次のよう
にして摩耗試験を行なった。すなわち溶着合金属表面に
SUJ焼入材からなるロータの外周面を荷重3kgで押し付け
つつ、ローターをすべり速度（周速）0.3m/sで回転させ
る摩耗試験をすべり距離200mまで行ない、試験後の溶着
合金（軸受材）およびロータの摩耗量を摩耗痕面積で調
べた。その結果を第２図に示す。なお比較のため、従来
のケルメット合金（Cu−30％Pb合金）についても同様な
摩耗試験を行なった。

第２図の上段に示すように、この発明の各実施例１〜３
の合金（軸受材）は、いずれも従来のケルメット合金よ
り摩耗量が少なく、耐摩耗性が優れていることが明らか
である。なお相手材であるロータの摩耗、すなわち相手
攻撃性については、実施例２の場合にやや大きい値を示
したが、この実施例２の合金は後に改めて示すように他
の実施例の合金よりも高強度でかつ高温での強度も高い
ため、高荷重でかつ耐熱性も必要な場合の軸受に適して
いる。また従来のケルメット合金の場合には摩耗試験に
おいてCuの部分の凝着が生じたが、この発明の各実施例
１〜３の合金の場合には、マトリックス部分の硬さが比
較的高いため、凝着は生じなかった。

さらに上記各実施例１〜３の合金について、大気雰囲気
において50〜200℃の種々の温度で引張強さを調べた結
果を第３図に示す。なおこのときの引張試験片は、第４
図に示すような形状寸法を有する丸棒状試験片であっ
て、Al合金（JIS AC2C）製の基材１の中央部外周に溝部
1aを形成して、その溝部1aに各実施例の合金２をそれぞ
れ前記同様なレーザ肉盛条件によって溶着したものであ
る。

第３図から明らかなように、この発明の各実施例の合金
の場合は、50℃から200℃の高温まで従来のケルメット
合金（Cu−30％Pb合金）よりも高い強度を示し、特に実
施例２の合金では著しい高強度を示した。

この発明のCu基合金の性能を確認するために行なった実
施例および比較例をさらに示す。

［実施例４］ Cu−25％Ni−３％Si−0.5％Ｂ−40％Pbなる成分組成の
合金をレーザ肉盛法によって基材上に溶着させた。その
溶着合金は、実施例１の場合と同様にCu−Niマトリック
ス中にPb粒子が均一に分散していることが確認された。
またこの合金は、マトリックスの部分の硬さがHv250、
平均でHv120であった。なおこの場合のレーザ肉盛条件
は次の通りである。

レーザ出力:4.5kw（CO₂レーザ） ビーム径：φ2.5mm ビームオシレート周波数:180Hz 処理速度:800mm/min ［実施例５］ Cu−15％Ni−４％Si−２％Ｂ−28％Pbなる成分組成の合
金をレーザ肉盛法によって基材上に溶着させた。その溶
着合金は、実施例１の場合と同様にCu−Niマトリックス
中にPb粒子が均一に分散していることが確認された。ま
たこの合金は、マトリックスの部分の硬さがHv210、平
均でHv140であった。なおこの場合のレーザ肉盛条件は
次の通りである。

レーザ出力:4.5kw ビーム径：φ2.5mm ビームオシレート周波数:180Hz 処理速度:800mm/min ［実施例６］ Cu−25％Ni−１％Si−１％Ｂ−22％Pbなる成分組成の合
金をレーザ肉盛法によって基材上に溶着させた。その溶
着合金は、実施例１の場合と同様にCu−Niマトリックス
中にPb粒子が均一に分散していることが確認された。ま
たこの合金は、マトリックスの部分の硬さがHv220、平
均でHv130であった。なおこの場合のレーザ肉盛条件は
次の通りである。

レーザ出力:4.5kw ビーム径：φ2.5mm ビームオシレート周波数:180Hz 処理速度:800mm/min ［実施例７］ Cu−30％Ni−３％Si−３％Ｂ−25％Pbなる成分組成の合
金をレーザ肉盛法によって基材上に溶着させた。その溶
着合金は、実施例１の場合と同様にCu−Niマトリックス
中にPb粒子が均一に分散していることが確認された。ま
たこの合金は、マトリックスの部分の硬さがHv270、平
均でHv170であった。なおこの場合のレーザ肉盛条件は
次の通りである。

レーザ出力:4.5kw ビーム径：φ2.5mm ビームオシレート周波数:180Hz 処理速度:800mm/min ［実施例８］ Cu−21％Ni−３％Si−1.5％Ｂ−20.3％Pbなる成分組成
の合金をレーザ肉盛法によって基材上に溶着させた。そ
の溶着合金は、実施例１の場合と同様にCu−Niマトリッ
クス中にPb粒子が均一に分散していることが確認され
た。またこの合金は、マトリックスの部分の硬さがHv24
0、平均でHv150であった。なおこの場合のレーザ肉盛条
件は次の通りである。

レーザ出力:4.5kw ビーム径：φ2.5mm ビームオシレート周波数:180Hz 処理速度:800mm/min ［実施例９］ Cu−20％Ni−3.1％Si−1.5％Ｂ−30.5％Pbなる成分組成
の合金をレーザ肉盛法によって基材上に溶着させた。そ
の溶着合金は、実施例１の場合と同様にCu−Niマトリッ
クス中にPb粒子が均一に分散していることが確認され
た。またこの合金は、マトリックスの部分の硬さがHv24
0、平均でHv135であった。なおこの場合のレーザ肉盛条
件は次の通りである。

レーザ出力:4.5kw ビーム径：φ2.5mm ビームオシレート周波数:180Hz 処理速度:800mm/min ［実施例10］ Cu−19％Ni−2.9％Si−1.6％Ｂ−40％Pbなる成分組成の
合金をレーザ肉盛法によって基材上に溶着させた。その
溶着合金は、実施例１の場合と同様にCu−Niマトリック
ス中にPb粒子が均一に分散していることが確認された。
またこの合金は、マトリックスの部分の硬さがHv215、
平均でHv110であった。なおこの場合のレーザ肉盛条件
は次の通りである。

レーザ出力:4.5kw ビーム径：φ2.5mm ビームオシレート周波数:180Hz 処理速度:800mm/min ［比較例１］ Cu−20％Ni−３％Si−1.5％Ｂなる成分組成の合金をレ
ーザ肉盛法によって基材上に溶着させた。この場合のレ
ーザ肉盛条件は次の通りである。

レーザ出力:4.5kw ビーム径：φ2.5mm ビームオシレート周波数:180Hz 処理速度:800mm/min ［比較例２］ Cu−25％Ni−４％Si−２％Ｂ−10％Pbなる成分組成の合
金をレーザ肉盛法によって基材上に溶着させた。この場
合のレーザ肉盛条件は次の通りである。

レーザ出力:4.5kw ビーム径：φ2.5mm ビームオシレート周波数:180Hz 処理速度:800mm/min ［比較例３］ Cu−20％Ni−3.1％Si−1.4％Ｂ−10.2％Pbなる成分組成
の合金をレーザ肉盛法によって基材上に溶着させた。こ
の場合のレーザ肉盛条件は次の通りである。

レーザ出力:4.5kw ビーム径：φ2.5mm ビームオシレート周波数:180Hz 処理速度:800mm/min ［比較例４］ Cu−22％Ni−3.1％Si−1.5％Ｂ−50.5％Pbなる成分組成
の合金をレーザ肉盛法によって基材上に溶着させた。こ
の場合のレーザ肉盛条件は次の通りである。

レーザ出力:4.5kw ビーム径：φ2.5mm ビームオシレート周波数:180Hz 処理速度:800mm/min 上記の実施例１ないし実施例９の合金およひ比較例１な
いし比較例４の合金ならびに従来例としてのケルメット
合金について焼付き試験を行なった。この焼付き試験
は、各合金を0.5mmの厚さに形成し、その合金層に向け
て、Hv750〜800のSUJ焼結材から成る円筒体を回転させ
つつ押し付け、その押し付け荷重を連続的に変化させて
焼付きの生じた際の荷重を測定した。なお、その回転数
は1000rpm、押し付け荷重の変化率は25kg/minとし、エ
ンジンオイルを滴下して潤滑を行なった。さらに使用の
予定される箇所での耐焼付き荷重が220kgでそれ以上の
焼付き荷重を示したものを可とし、焼付き荷重が220kg
に満たないものを不可とした。試験結果を第５図にまと
めて示す。

この試験結果から明らかなように、この発明による合金
は、実用に耐え得る充分高い焼付き荷重を示した。これ
に対して比較例およびケルメット合金は、耐摩耗性に劣
るために磨滅してしまい、あるいは実用に供し得ない程
度の低い焼付き荷重を示した。

なお、前述したようにこの発明の耐摩耗合金は、レーザ
ビームなどの高密度エネルギを照射し、かつその照射点
の移動によって溶融プールを撹拌することによる急速加
熱・急速冷却を行なって得られる。その肉盛条件は前記
の各実施例で示したとおりであり、このような方法によ
れば、エネルギ密度が高いことに加えて、基材の熱容量
が大きいことにより基材が冷却材として作用し、その結
果、急速冷却が行なわれて、Niが固溶したα−Cuからな
るα相デントライトの間をNiの硼化物および珪化物が埋
め、しかも非固溶Pb粒子が均一に分散した組織が得られ
る。

これに対して冷却速度を遅くした場合には、Niの硼化物
や珪化物あるいは非固溶Pb粒子が大きく凝集して均一に
分散しなくなり、非固溶Pb粒子による潤滑性が得られな
くなって焼付きを生じやすくなる。本発明者らの実験に
よれば、実施例８で示した成分組成の合金を加熱溶融し
た後、２℃/sec（徐冷）で冷却したところ、得られた合
金の焼付き荷重は150kgにとどまり、実用に耐え得ない
ものであった。またこの組織を観察したところ、非固溶
Pb粒子が大きく凝集していることが認められた。

発明の効果 この発明のCu基耐摩耗合金は、優れた潤滑性を有してい
て耐摩耗性が高いばかりでなく、合金それ自体の強度が
高いため高面圧下で使用される軸受に最適であり、また
このように合金自体で高強度を有するため、従来の軸受
合金に必要とされていた鋼等のバックメタルが不要とな
り、しかも金属基材上に直接溶着可能となるため、軸受
支持基材上に直接溶着した後に加工によって任意の形状
に仕上げることができ、したがって複雑な形状の摺動部
を有する軸受にも適用できるとともに、軸受支持基材に
対する加工精度が低くても良いため低コストで軸受を構
成することができ、さらには耐熱性が良好で高温強度も
高いため、高速回転用の軸受にも適している。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例１の合金の金属組織写真（倍
率200倍）、第２図は摩耗試験結果を示すグラフ、第３
図は種々の温度での引張強さを示すグラフ、第４図は引
張試験片の形状寸法を示すための断面図、第５図は実施
例および比較例についての焼付き試験結果を表にまとめ
て示す図表である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ni5〜30wt％、B0.1〜5wt％、Si1〜8wt％、
   Pb20〜40wt％、残部Cuおよび不可避的不純物よりなり、
   Niが固溶したα−Cuからなるα相デンドライトの間をNi
   の硼化物および珪化物が埋めておりしかも非固溶Pb粒子
   が均一に分散した組織を有することを特徴とする潤滑性
   に優れたCu基耐摩耗合金。