JPH083135B2

JPH083135B2 - 耐摩耗性銅合金

Info

Publication number: JPH083135B2
Application number: JP3016539A
Authority: JP
Inventors: 正田中; 雅昭坂本; 康一山本; 徹加藤
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 1991-02-07
Filing date: 1991-02-07
Publication date: 1996-01-17
Anticipated expiration: 2011-01-17
Also published as: GB9202657D0; US5183637A; JPH04254539A; GB2252773B; GB2252773A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高強度・耐摩耗性銅合
金に係わり、更に詳しく言えば苛酷な摺動条件下に於い
て使用される機器材料、例えば内燃機関の動弁機構に使
用されるローラーロッカーアームピンあるいはピストン
ブシュ等の摺動部等に使用される摺動材料として、優れ
た特性を有する高強度・耐摩耗性銅合金に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、低中荷重用摺動材料として、鉛青
銅系合金（ＪＩＳＨ５１１５）が使用され、高荷重用
摺動材料としては燐青銅、快削燐青銅（ＪＩＳＨ３２
７０）、高力黄銅、アルミニウム青銅（ＪＩＳＨ３２
５０）、本出願人による先願特許発明としての低摩擦高
力黄銅合金（特公昭５３−４４１３５号公報、特公昭５
６−１１７３５号公報参照）等が存在する。しかしなが
ら、高速高荷重等の過酷な摺動条件下において、かかる
従来の合金は、耐摩耗性、非焼付特性等について実用上
十分満足できるものではなく、更に高性能の摺動用材料
が望まれている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】近年のエンジンは、高
出力化、高速度化、高荷重化、低燃費化等性能改善に対
する要求が一段と増してきており、軸受部等に使用され
る摺動材料は、より苛酷な条件を強いられるようになっ
てきた。従来より耐摩耗性に優れた材料として、燐青銅
系、高力黄銅、アルミニウム青銅系等の合金が広く使用
されているが、前述のような高速・高荷重の摺動条件下
で燐青銅系合金は、強度、焼付特性に劣り、また、アル
ミニウム青銅系合金は、強度についてはほぼ満足できる
が、耐摩耗性、焼付特性に劣る。一方、同じく耐摩耗性
の材料として推奨されている高力黄銅系合金は、強度、
焼付特性、耐摩耗性のいずれにも劣る。前述のように、
使用条件がますます厳しくなってきており、高速・高荷
重条件下では、強度、耐摩耗性等について十分満足でき
る材料がないのが現状であり、当業技術分野において大
きな課題となっており、更に、強い靱性、耐摩耗性を有
する摺動材料の開発が望まれる状況にある。

【０００４】かくて、本発明の目的は、エンジンの性能
改善に伴う摺動部材に要求される高温、高速高荷重の厳
しい摺動条件下に於いても、優れた耐摩耗性、耐焼付性
ならびに耐腐食性を有し、かつ、優れた耐荷重性を備え
た高性能の耐摩耗材料としての機能を備えた新規な高強
度、耐摩耗性銅合金を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この目的は、非焼付性に
優れた高強度ならびに高靱性を有する以下の耐摩耗性銅
合金、を提供することによって達成される。一般
に、耐摩耗性に優れる青銅系であっても、高速、高荷重
下では、強度、非焼付性に劣り、潤滑油に対する高温で
の黒化腐食現象は、青銅系をマトリックスとする合金で
これを抑えるのは難しい。黄銅は、高速、高荷重下では
耐摩耗性に劣るものの、耐腐食性については、青銅系よ
りも良好である。そのため、本発明では、耐腐食性に強
い黄銅系合金を採用し、添加元素によりマトリックスの
強度、靱性を高めるとともに、特殊添加元素を加える事
により非焼付性を向上させ、更には金属間化合物あるい
は鉛粒子をマトリックス中に分散させて非焼付性、耐摩
耗性の改善を図った。

【０００６】本発明合金は、次の２つの形態で提供され
る。重量％で、Ｍｎ１．２〜８．５％、Ｓｉ０．３〜
２．５％、３％＜Ａｌ≦８．０％、２５％＜Ｚｎ≦４０
％、Ｔｅ０．０５〜１．５％、Ｐｂ０．５〜１３％を含
み、残部が実質的に不可避的不純物とＣｕからなる合金
に於いて、更に重量％で、０．０２〜１．５％のＭｇを
添加することにより、Ｐｂを微細均一に分散させたこと
を特徴とする高強度ならびに高靱性を有する耐摩耗性銅
合金。重量％で、Ｍｎ１．２〜８．５％、Ｓｉ０．３〜
２．５％、３％＜Ａｌ≦８．０％、Ｎｉ０．５〜３％、
２５％＜Ｚｎ≦４０％、Ｔｅ０．０５〜１．５％、Ｐｂ
０．５〜１３％を含み、残部が実質的に不可避的不純物
とＣｕからなる合金に於いて、更に重量％で、０．０２
〜１．５のＭｇを添加することにより、Ｐｂを微細均一
に分散させたことを特徴とする高強度ならびに高靱性を
有する耐摩耗性銅合金。

【０００７】次に、本発明に係わる銅基合金の各成分に
ついて、特許請求の範囲に記載のごとく限定する理由と
その作用効果について説明する。（１）Ｚｎ：２５超重量％〜４０重量％Ｚｎは、強度、耐摩耗性及び潤滑油に対する耐腐食性を
合金に付与する。また、摩擦特性は、α相組織よりもα
＋β相或いはβ相組織のマトリックスを有するものが良
好であるが、γ相が出現すると合金が脆くなるため、Ｚ
ｎの上限は制約される。他の合金成分の亜鉛当量とその
添加量によって、Ｚｎの添加量は違ってくるものの、有
用性の見地から実験された結果によれば、Ｚｎは２５超
重量％〜４０重量％の範囲で添加される。

【０００８】（２）Ｍｎ：１．２〜８．５重量％、Ｓ
ｉ：０．３〜２．５重量％ＭｎとＳｉは、Ｍｎ_５Ｓｉ_３なるすべり特性に優れた金
属間化合物を形成し耐摩耗性及び耐焼付性の向上に寄与
するとともに、金属間接触の発生時にマトリックスの流
動を阻止する。その含有量は、Ｍｎ_５Ｓｉ_３化合物の構
成割合により決定され、Ｍｎ_５Ｓｉ_３はＭｎ対Ｓｉの重
量比で１：０．３の割合のときに全てが化合物となる。
従って、Ｍｎは最低１．２重量％、Ｓｉは最低０．３重
量％必要である。また、Ｍｎ_５Ｓｉ_３が１１％以上存在
すると展延性を著しく害するとともに合金を脆化させ
る。Ｍｎ_５Ｓｉ_３１１％では、Ｍｎ８．５重量％、Ｓｉ
２．５重量％である。したがってこの値を上限値とし
た。このようにＭｎ，Ｓｉは、Ｍｎ１．２〜８．５重量
％、Ｓｉ０．３〜２．５重量％の範囲内でそれぞれ自由
に選択され得る。そして、この時Ｍｎ_５Ｓｉ_３の形成に
寄与しない遊離Ｍｎまたは遊離Ｓｉが生じるが、この場
合、それぞれ以下の特性が得られる。Ｍｎを遊離させる
と、合金の靱性が向上し、またＳｉを遊離させると、合
金の耐摩耗性が向上する。しかし、遊離Ｓｉが多過ぎる
とＳｉの亜鉛当量が１０と大きいため、脆弱なγ相の生
成を助長し、好ましくない。

【０００９】（３）Ａｌ：３超重量％〜８．０重量％Ａｌはマトリックスの強化に有効であり、またＳｉと同
様に亜鉛当量が大きく、γ相の生成を助長するが、３重
量％より少ないと、耐摩耗性に必要な十分な硬さが得ら
れず、８重量％を超えて添加されると、合金の脆化及び
結晶粒が粗大化する弊害を生じる。より好ましいＡｌ含
有量は、３超重量％〜８．０重量％であり、本発明では
この範囲内でＡｌを添加する。

【００１０】（４）Ｔｅ：０．０５〜１．５重量％Ｔｅは少量の添加で、Ｐｂの均一分散性、非焼付性およ
び靱性を向上させるとともに、耐腐食性の改善にも効果
がある。ただし、０．０５重量％より少ないと、その効
果は期待できず、一方１．５重量％より多く添加する
と、コスト高となる上、前記効果が格別向上するわけで
もなく、利点が少ない。故に、Ｔｅの添加量は０．０５
〜１．５重量％とする。

【００１１】（５）Ｐｂ：０．５〜１３重量％Ｐｂは自己潤滑性を有し、摺動摩擦熱によって溶融し、
摺動面上で流動して数ミクロンの薄膜を形成するので、
非焼付性に優れた結果をもたらすと共に合金の被切削性
も改善する。０．５重量％より少ないと、非焼付性向上
の効果は少く、１３重量％を超えると、Ｐｂの偏析、Ｐ
ｂ粒子の粗大化等弊害が生じ、合金の強度が低下するた
め、１３％をその上限とする。以上の理由により、Ｐｂ
の添加量は０．５〜１３重量％とする。

【００１２】（６）Ｍｇ：０．０２〜１．５重量％ＭｇはＰｂを均一分散させるのに有効であるとともに、
マトリックスの強化改善にも効果がある。その添加量
は、０．０２％未満ではその効果は少なく、また多過ぎ
ると、ＭｇとＰｂの金属間化合物が晶出し過ぎてＰｂの
自己潤滑作用が損なわれる。以上の理由により、Ｍｇの
添加量は０．０２〜１．５重量％とする。

【００１３】（７）Ｎｉ：０．５〜３．０重量％Ｎｉはマトリックスを強化し、強度を向上させ、耐摩耗
性を高める。また、再結晶温度を上昇させ、熱間塑性加
工時の結晶粒粗大化に防止効果がある。ただし、０．５
重量％未満においては上記の効果は見られず、また３％
を超えると、合金の疲労強度、耐衝撃性を著しく低下さ
せる。故に、その添加量は、０．５〜３．０重量％とす
る。

【００１４】

【実施例】（１）本発明合金表１に示すＮｏ．８〜Ｎｏ．１０の組成の本発明合金を
溶解し、連続鋳造法により鋳造後、押出し加工後、直径
３５ｍｍの棒状体を作成し、しかる後に、棒状体を加工
して引張強度試験、疲労試験、焼付試験、摩耗試験、腐
食試験用の各試料を得た。（２）従来合金表１に示すＮｏ．１１〜Ｎｏ．１４の市販の材料ならび
に先願発明合金Ｎｏ．１５の材料を、溶解し、連続鋳造
法により鋳造後、押出し加工後、直径３５ｍｍの棒状体
を作成し、しかる後に、棒状体を加工して前記本発明合
金の場合と同様な試験用の試料を得た。

【００１５】（３）表１に示す各種銅合金を表３〜７に
示す各種試験条件にて、引張試験、疲労試験、焼付試
験、摩耗試験、腐食試験を行った。引張試験、硬さ試験
の結果を表２に、疲労試験結果を図４，図５に、焼付試
験結果を図６に示し、また代表的な摩耗試験結果を図７
に、腐食試験結果を図８にそれぞれ示す。Ｎｏ．１１は
鉛青銅４種、Ｎｏ．１２は燐青銅２種、Ｎｏ．１３は高
力黄銅２種、Ｎｏ．１４はアルミ青銅２種、Ｎｏ．１５
は先願発明合金である。なお、本実施例では連続鋳造法
による試料を用いたが、置注鋳造法等の方法でも同じ効
果が得られ、鋳造方法については特に限定されるもので
はない。

【００１６】

【表１】

【００１７】

【表２】

【００１８】

【表３】

【００１９】

【表４】

【００２０】

【表５】

【００２１】

【表６】

【００２２】

【表７】

【００２３】

【表８】

【００２４】（４）試験結果の評価表１に示す組成の各種銅合金のそれぞれの機械的性質を
表２に示した。Ｎｏ．８〜Ｎｏ．１０は本発明合金であ
り、Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．１５は従来合金である。表２か
ら明らかなように、本発明合金は公知のＮｏ．１１〜Ｎ
ｏ．１５に比べ引張強度が著しく高く、硬さも同程度も
しくはそれ以上である。また、図４および図５（詳細数
値は表８参照）の疲労試験結果からも明らかなように、
本発明合金は従来合金より、疲労強度も数段優れてお
り、高強度、高靱性を有することは明瞭である。次に、
図６は表１に示した各種銅合金の焼付試験結果を示した
ものである。図６から明らかなように、本発明合金はい
ずれも最大面圧１５０Ｋｇｆ／ｃｍ^２でも焼付が発生せ
ず、摺動材料として極めて優れた焼付性能を有している
ことが認められる。一方、図７は本発明合金および従来
合金の代表的な摩耗試験結果を表し、その試験結果につ
いて比較してみると、本発明合金はいずれも従来合金に
比し、摩耗量が小さく、優れた耐摩耗性を有しているこ
とが理解できよう。なお、摩耗試験は、潤滑油使用に
よる湿式法で行い、摩擦の相手は一般に使用されるＪＩ
ＳＳＫ３の焼入品ならびにＪＩＳＳＵＪ２を用いた。
また、本発明合金と従来合金の腐食試験についても、図
８に示すように本発明合金の方が良い結果を示してい
る。

【００２５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の銅基合金は従来合金に比べ、耐焼付性、耐摩耗性およ
び耐腐食性や馴染み性にも優れ、しかも、高強度ならび
に高靱性を有する等、機械的性質の面でも優れた特性を
有することは明瞭である。特に高速、高荷重に於ける耐
摩耗性ならびに耐焼付性に優れており、昨今における高
出力化、高速度化、高荷重化等のますます苛酷な使用条
件が要求される各種機器の摺動部材として、本発明合金
は、卓越した性能を有するとともに、該使用条件に十分
対応することができる合金である。

【図面の簡単な説明】

【図１】表３に示した第１の疲労試験条件における試験
荷重パターンを示す図。

【図２】表４に示した第２の疲労試験条件における試験
片を示す図。

【図３】表５に示した焼付試験条件を示すグラフ。

【図４】本発明合金および従来合金についての第１の疲
労試験結果を示す棒グラフ。

【図５】本発明合金および従来合金の各一部試料例につ
いての第２の疲労試験結果を「荷重−繰り返し数」の関
係として示した折れ線グラフ。

【図６】焼付試験結果を示す棒グラフ。

【図７】摩耗試験結果を示す棒グラフ。

【図８】腐食試験結果を示す棒グラフ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｍｎ１．２〜８．５％、Ｓｉ
０．３〜２．５％、３％＜Ａｌ≦８．０％、２５％＜Ｚ
ｎ≦４０％、Ｔｅ０．０５〜１．５％、Ｐｂ０．５〜１
３％を含み、残部が実質的に不可避的不純物とＣｕから
なる合金に於いて、更に重量％で、Ｍｇ０．０２〜１．
５％を添加することにより、Ｐｂを微細均一に分散させ
たことを特徴とする高強度ならびに高靱性を有する耐摩
耗性銅合金。
【請求項２】重量％で、Ｍｎ１．２〜８．５％、Ｓｉ
０．３〜２．５％、３％＜Ａｌ≦８．０％、Ｎｉ０．５
〜３％、２５％＜Ｚｎ≦４０％、Ｔｅ０．０５〜１．５
％、Ｐｂ０．５〜１３％を含み、残部が実質的に不可避
的不純物とＣｕからなる合金に於いて、更に重量％で、
Ｍｇ０．０２〜１．５％を添加することにより、Ｐｂを
微細均一に分散させたことを特徴とする高強度ならびに
高靱性を有する耐摩耗性銅合金。