JPH10158766A - 耐熱・耐摩耗性銅合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エンジンのバルブシート、バルブガイドのよ
うな耐熱性と耐摩耗性を要求される用途に適し、鋳造
材、鍛造材、焼結材として、また金属基体上に局部的に
肉盛りするための溶加材や溶射用の材料として使用でき
る銅合金を提供する。 【解決手段】 重量％で、Ｎｉ：５．０％超２０．０％
以下、Ｓｉ：１．０％以上６．０％以下、Ａｌ：２．０
％以上８．０％以下、Ｆｅ：０．３％以上４．０％以
下、Ｍｎ：０．３以上５．０以下を含有し、さらに必要
に応じてＢ：０．３％以上４．０％以下、Ｍｏ：０．１
％以上３．０％以下の一方または両方を含有し、残部は
Ｃｕおよび不可避的不純物からなる耐熱・耐摩耗性銅合
金。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は耐熱・耐摩耗性に優
れた熱伝導率の高い銅合金に関する。特にエンジン用な
どの摺動部材、たとえばエンジンのバルブシート、バル
ブガイドのような耐熱性と耐摩耗性を要求されるような
部分に使用するのに適し、鋳造材、鍛造材、焼結材とし
て、また金属基体上に局部的に肉盛りするための溶加材
や溶射用の材料として提供される。

【０００２】

【従来の技術】自動車のエンジンのバルブシート、バル
ブガイド等には耐熱性や耐摩耗性に優れた材料が要求さ
れるが、特にエンジンの高性能化に伴ってより優れた耐
熱性、耐摩耗性のみならず優れた熱伝導性、耐酸化性等
も要求されるようになった。すなわち熱伝導率を大にす
ればバルブからの熱を冷却系に逃がすことにより出力の
向上が可能になる。銅合金は本来的に熱伝導性が優れて
いることから、耐熱鋼などのバルブ材料と接触したとき
の耐摩耗性を向上させたバルブシート用の銅合金が注目
されている。また耐熱・耐摩耗性の銅合金は高温での摺
動部材としての用途もある。

【０００３】耐熱性、耐摩耗性の優れた銅合金としては
Ａｌによる固溶強化の効果を利用したＣｕ−８．５〜１
０．５％Ａｌのアルミニウム青銅があり、Ｎｉ、Ｆｅを
添加して特性を向上したものが自動車エンジンのバルブ
シート等に使用されている。しかしながらエンジンの高
性能化に伴って高温での耐摩耗性が十分でないという問
題が発生している。また析出硬化型の合金としてＣｕ−
２％Ｂｅ−０．３５％Ｃｏのベリリウム銅が自動車エン
ジンのバルブシート用の材料として知られている。しか
しながらこの材料は高価であるため広く使用されるに至
っていない。

【０００４】またＣｕ−４％Ｎｉ−１％Ｓｉを代表成分
とするコルソン合金が耐熱性が良好で高強度なことで知
られている。これはＮｉ₂ Ｓｉの金属間化合物の相を析
出させることにより強化を図ったものであるが、上記の
基本成分のままではエンジンのバルブシート用としては
特性が不足であるためＡｌを添加して高温強度を上げた
ものが検討されている。本発明者は先にコルソン合金と
同じ系統の合金であって、コルソン合金の上記基本成分
に対してさらに代表成分として、Ａｌ：４％、Ｆｅ：１
％、Ｍｎ：１％を加えた合金を開発した（特願平７−３
０１３７７号）。この合金は溶体化処理と時効処理を行
なうことにより特性を発揮するが、４００℃に至るまで
ほとんど軟化せず、高温強度、耐摩耗性が優れたもので
ある。また酸化物などの硬質の粒子を含まないので被切
削性が良好であり、また摺動部材としたときに相手の鋼
材やチタン材などを摩耗させる量（攻撃性）も少ない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の本発明
者の開発した合金の特性を改良し、高温にしたときの軟
化する温度をさらに向上し、耐摩耗性の優れた材料を開
発するものである。また耐熱・耐摩耗性合金は適用対象
に応じて一般に鋳造材やこれを塑性加工した材料として
用いられるが、さらに金属基体に部分的に肉盛溶接した
りすることにより耐摩耗層を形成するなど各種の適用方
法に使用できる材料を提供することも課題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するものであって、重量％で、Ｎｉ：５．０％超２０．
０％以下、Ｓｉ：１．０％以上６．０％以下、Ａｌ：
２．０％以上８．０％以下、Ｆｅ：０．３％以上４．０
％以下、Ｍｎ：０．３以上５．０以下を含有し、さらに
必要に応じて、Ｂ：０．３％以上４．０％以下、Ｍｏ：
０．１％以上３．０％以下の一方または両方を含有し、
残部はＣｕおよび不可避的不純物からなることを特徴と
する耐熱・耐摩耗性銅合金である。またここにおいて、
上記耐熱・耐摩耗性銅合金からなる粉末焼結体である。
さらに溶融・凝固したときに上記成分の耐熱・耐摩耗性
銅合金になる粉末、または上記成分の耐熱・耐摩耗性銅
合金になるように外皮中に粉末を充填してなるワイヤで
ある。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明は本発明者の先の発明より
さらにＮｉとＳｉの量を増加し、Ｎｉ₂ Ｓｉの金属間化
合物の相を多量に析出させて高温軟化抵抗の増大を図
る。それとともにＡｌを多量に添加し、マトリックスで
ある銅を固溶強化させ、高温強度および高温耐酸化性を
向上させる。またさらにＦｅ、Ｍｎを添加することでＦ
ｅ₃ Ｓｉ₅ やＭｎ₃ Ｓｉ₅ などの多種類の金属間化合物
を析出させ、耐熱性、耐摩耗性を向上させる。これらに
より溶体化・時効の熱処理により高強度と優れた耐摩耗
性が得られるだけでなく、熱処理をしないで鋳造、鍛
造、焼結のままなどでも実用上十分な特性を得られるよ
うにする。特に肉盛溶接や溶射などに本発明合金を使用
した場合には、熱処理が困難な場合が多いのでこのこと
は重要である。以下に本発明の合金成分の作用について
述べる。

【０００８】ＮｉはＳｉとともにＮｉ₂ Ｓｉを析出させ
て高温軟化抵抗、耐摩耗性を向上する。Ｎｉの含有量は
Ｎｉ：５．０％超２０．０％以下が好ましく、特に好ま
しくは７．０％以上１６．０％以下である。５．０％以
下では上記の効果が不十分であり、一方２０．０％を超
えると熱伝導率の低下が大きくなりバルブシートなどの
用途に対して好ましくなく、また肉盛溶接用材料として
使用したときの溶着性が劣化する。

【０００９】Ｓｉは他の合金元素とともに種々の金属間
化合物を形成して高温軟化抵抗を増大し、また高温にお
ける耐摩耗性を向上させる。またこの合金を肉盛溶接用
の溶加材として使用するとき、Ｓｉはフラックスの作用
をして溶接性を向上させる。Ｓｉの含有量は１．０％以
上６．０％以下が好ましく、特に好まくは１．５％以上
４．０％以下である。１．０％未満ではその効果が不十
分であり、一方６．０％を超えると熱伝導率の低下が著
しくなる。

【００１０】Ａｌはマトリックスに固溶して強度を増大
させ、また高温でアルミナの緻密な酸化皮膜を形成させ
て高温での耐酸化性、耐摩耗性を向上させる。また他の
合金元素とともに複合金属間化合物を形成して高温軟化
抵抗を増大させる。Ａｌの含有量は２．０％以上８．０
％が好ましく、特に好ましくは３．０％以上６．０％以
下である。２．０％未満ではその効果が不十分であり、
一方８．０％を超えるとかえって高温強度が低下するお
それがある。

【００１１】Ｆｅは微細析出物により結晶組織を微細化
して強度、耐摩耗性を向上させるとともに熱間加工性も
向上させる。Ｆｅの含有量はＦｅ：０．３％以上４．０
％以下が好ましく、特に好ましくは０．５％以上３．０
％以下である。０．３％未満ではその効果が十分でな
く、一方４．０％を超えると材質が脆化し、また熱伝導
性も悪くなる。

【００１２】Ｍｎはマトリックスに固溶して強度、耐摩
耗性を向上させ、また熱間加工性を向上する。さらに組
織を微細化し、徐冷したときのβ相の分解による脆化を
防止する。Ｍｎの含有量は０．３％以上５．０％以下が
好ましく、特に好ましくは０．５％以上４．０％以下で
ある。０．３％未満ではその効果が不十分であり、一方
５．０％を超えると熱伝導性が低下する。

【００１３】Ｂは必要に応じて添加するが、他の合金元
素との化合物の微細析出物を生じて強度、耐摩耗性を向
上させる。また肉盛溶接や溶射のときフラックスの作用
をして接合性を向上させるので、これらの方法に使用す
る素材としてはＢを含有させることが特に好ましい。Ｂ
の含有量は０．３％以上４．０％以下が好ましく、特に
好ましくは０．５％以上３．０％以下である。０．３％
未満ではその効果が不十分であり、一方３．０％を超え
ると肉盛溶接のときに割れが発生するおそれがある。

【００１４】Ｍｏは必要に応じて添加するが、硬質の珪
化物などの分散相を生じ高温での耐摩耗性を向上する。
ＭｏはＣｕと液相状態で２相に分離するので冷却速度の
遅い鋳造材としては偏析の問題があり均一な添加が困難
である。しかし粉末を原料とする焼結材また肉盛溶接用
や溶射用の材料においては、Ｍｏ粉末またはＭｏ含有粉
末を配合することにより容易に添加できる。肉盛溶接や
溶射においてはＭｏの液相が生じても融液が小さくまた
急冷されるので偏析の問題はない。Ｍｏの含有量は０．
１％以上３．０％以下が好ましく、特に好ましくは０．
５％以上２．０％以下である。０．１％未満ではその効
果が不十分であり、一方３．０％を超えると効果が飽和
して不経済となり、また溶着性も劣化するおそれがあ
る。

【００１５】本発明の銅合金は上記のような配合で溶解
して鋳造することにより製造できる。ただし先にも述べ
たようにＭｏは均一な添加が困難で、歩留まりが安定し
ないの溶解材では配合しなくてもよい。金型圧力鋳造な
どで鋳込んだ鋳塊は塑性加工することなく、製品の形状
に切断などして使用することができる。またロストワッ
クス鋳造法により最終製品の形状に鋳造してもよい。さ
らに鋳造材を鍛造することにより強度、靭性などの機械
的性質を一層向上させることができる。本発明の銅合金
は冷間では硬度が高く塑性加工が困難であるが、熱間で
は鍛造などの加工ができる。本発明の銅合金は鋳放しや
熱間加工のままでも耐熱・耐摩耗性銅合金として一般の
使用に十分対応できる特性を有するが、熱処理すること
によりさらに特性を向上できる。熱処理は溶体化処理と
時効処理により達成でき、この場合溶体化温度は８５０
〜９５０℃、また時効温度は４７０〜６００℃が適当で
ある。

【００１６】また本発明の合金は焼結材としても優れた
特性を発揮でき、同一形状の小型部品を大量に製造する
のに適している。焼結用の原料を製造するには本発明の
配合の溶湯をアトマイズ法などで粉末にすればよい。焼
結材においては先にも述べたようにＭｏ粉末を配合する
ことにより、溶解方法で製造するのは困難なＭｏを含有
する本発明合金を製造できる。焼結は８００〜９５０℃
の温度で水素中や真空中で行なえばよい。焼結材におい
ても、熱処理をせずそのまま使用することも溶体化処理
と時効処理をして使用することもできる。

【００１７】また本発明の合金は肉盛溶接によって機械
部品の摺動部分だけに設けることもでき、鉄鋼材料はも
ちろん、エンジンのシリンダヘッドなどのアルミニウム
合金の上にも強固に溶着できる。肉盛溶接は各種の方法
が適用可能であり、不活性ガス中で母材とタングステン
電極との間にアークを発生させ、その中に肉盛すべき金
属の線を溶加材として入れて溶融させるＴＩＧ法、また
肉盛すべき金属の線自体を電極として母材との間にアー
クを発生させて溶融するＭＩＧ法などがある。また熱源
としてアークプラズマをノズルから噴出させるようにし
たプラズマトーチを用いることもできる。さらにまた熱
源としてレーザを用い、粉末をあらかじめ母材の上に置
くか順次母材の上に落とし、この上からレーザビームを
オッシレート走査するレーザ肉盛溶接法もある。この方
法は母材の溶け込みを正確に制御できるので、アルミニ
ウムなど低融点の金属への肉盛も容易にできる。また溶
射はノズル内の熱源により粉末または線状にした材料を
溶融し、高速で母材に吹き付けて瞬時に凝固させ被膜を
形成させるものであり、プラズマ溶射、レーザ溶射、火
炎溶射など各種の方法が適用できる。

【００１８】上記の肉盛溶接に使用する本発明の合金の
供給方法には、粉末のまま供給する方法と線状で供給す
る方法とがあるが、粉末は前記の焼結材に関して述べた
ような方法で製造すればよい。なおＭｏはＮｉやＦｅな
どＭｏと均一な合金を形成する金属と一緒に溶解して粉
末を製造すると、融点が低下して肉盛などの短時間の熱
サイクルでも完全に溶解できて好ましい。この場合これ
らの成分を差し引いた成分の銅合金の粉末を製造して適
当な割合で混合して使用すれば良い。本発明の材料は硬
くて線引ができないので、線状にするにはたとえば焼結
により棒材を製造するか、または連続送給できる長いも
のを作るには銅のチューブ内に溶解したときに所定の成
分になるように粉末を充填したものを製造すればよい。
これはたとえば、幅数十ｍｍの連続した銅の帯板をＵ型
に曲げ、この中に粉末を入れて順次ローラで丸めたのち
所定の寸法にダイスで線引するのを連続的に行なう方法
で製造できる。溶射用としては上記の肉盛用の材料のほ
か、線状の材料として粉末をプラスチックのチューブ内
に充填したいわゆるフレキシブルコードも使用できる。

【００１９】

【実施例】

実施例１ 高周波誘導炉を用い黒鉛るつぼ中で大気溶解することに
より、表１の成分の銅合金を製造した。これらの銅合金
は金型圧力鋳造により８０ｍｍ径×２００ｍｍ長の鋳塊
にした。この鋳塊の一部分については９００℃で１時間
の加熱後水冷して溶体化し、５００℃で１．５時間の時
効処理をする熱処理を行なった。これら鋳造のままの材
料と熱処理後の材料それぞれについてＪＩＳ４号引張り
試験片を採取するとともに、常温、４００℃および５０
０℃において硬度を測定した。その結果を表２および表
３に示す。なお硬度測定は低硬度の範囲はロックウェル
Ｂスケール、高硬度の範囲はロックウェルＣスケールで
行なったが、統一してわかり易くするためビッカース硬
度に換算して示してある。

【００２０】

【表１】

【００２１】

【表２】

【００２２】

【表３】

【００２３】引張り強さについてはこの種の材料におけ
る今までの経験から６００Ｎ／ｍｍ² 以上であれば種々
の使用性能を満足するのでこれを目標とした。また伸び
については種々の加工に耐える靭性を確保するため最低
限１％を目標とした。硬度については、同種の銅合金に
おける従来からの摩耗試験のデータなどとの対応から、
その材料の使用温度においてビッカース硬度で２００以
上を目標にした。本発明の銅合金の用途として現在考え
られるもので最も温度条件がきびしいのは自動車のバル
ブシートであるが、この用途のためには５００℃での硬
度がこの条件を満足すれば良い。

【００２４】表１ないし表３において番号１ないし番号
９は本発明の材料である。これらの材料は引張り強さ、
伸びともに鋳造のままでも良好であり、溶体化・時効の
熱処理を行なうことにより引張り強さはさらに向上す
る。また硬度は、鋳造のままではＮｉ、Ｓｉが低い番号
５および６は５００℃では目標に達しないが、その他は
良好な結果になっている。さらに熱処理をしたものは硬
度が向上し、５００℃でもすべて目標の範囲内になって
いる。

【００２５】一方、表１ないし表３において番号１０な
いし１９は比較例の材料である。番号１０および１１は
それぞれＭｎ、Ｆｅを含有していないので４００℃です
でにかなり硬度が低下している。また番号１２はＡｌの
含有量が不足しているので引張り強さが不十分であり、
また硬度も低い。一方、番号１３はＡｌの含有量が高す
ぎるので鋳造のままにおける伸びが低く、また５００℃
における硬度の低下が大きい。

【００２６】番号１４および１５はそれぞれＮｉ、Ｓｉ
の含有量が不足しているので引張り強さが不十分であ
り、また硬度も低い。一方、番号１６および１７はそれ
ぞれＮｉ、Ｓｉの含有量が高すぎるので伸びが不足して
いる。また番号１８および１９はそれぞれＦｅ、Ｍｎの
含有量が高すぎるのでやはり伸びが不足している。

【００２７】実施例２ 前記の番号１ないし９の本発明の材料の鋳塊の一部分を
約８００℃に加熱して３０ｍｍ径に熱間鍛造した。この
鍛造材の一部分については先の実施例１と同じ条件の、
９００℃で１時間の加熱後水冷で溶体化、５００℃で
１．５時間の時効処理を行なった。これら鍛造のままの
材料と熱処理後の材料それぞれについてＪＩＳ４号引張
り試験片を採取するとともに、常温、４００℃および５
００℃において硬度を測定した。その結果を表４に示
す。

【００２８】

【表４】

【００２９】鍛造した材料は表２に示した鋳造のままの
材料よりも引張り強さ、伸びともに向上し、鍛造のまま
でも目標とする特性を満足している。さらに鍛造後溶体
化・時効処理をすることにより極めて優れた特性を発揮
する。

【００３０】実施例３ 前記の方法で溶解した本発明の成分の溶湯をアトマイズ
法により粉末にして、これをポンチ・ダイスで成形して
９００℃で３時間水素気流中で焼結した。表５に化学成
分を示すが、番号２１ないし２５はいずれも焼結法で製
造した本発明の銅合金である。なお番号２４および２５
のＭｏ入りの材料は、Ｍｏを含まない成分の合金粉末に
Ｍｏ粉末を所定の割合で混合して製作した。またこの焼
結法で製造した材料について、先の実施例１などと同じ
条件の、９００℃で１時間の加熱後水冷で溶体化、５０
０℃で１．５時間の時効処理を行なった試料も製作し
た。これらの焼結のままおよび焼結後熱処理をした材料
について、常温、４００℃および５００℃において硬度
を測定した。その結果を表５に示す。

【００３１】

【表５】

【００３２】焼結のままの硬度はＮｉ、Ｓｉが低い番号
２２は５００℃では目標に達しないが、その他は良好な
結果になっている。特にＭｏ入りの材料である番号２４
および２５は高温でも軟化が少なく５００℃でも硬度が
高い。さらに熱処理をしたものは５００℃の硬度がすべ
て目標範囲内に入り、一層良好な特性のものが得られ
る。

【００３３】実施例４ 溶融・凝固したときに本発明の銅合金になる成分の粉末
を使用してアルミニウム上に肉盛溶接を行なった。熱源
として５ｋＷの炭酸ガスレーザを用い、ビーム径を２ｍ
ｍとして幅８ｍｍを２００Ｈｚでオッシレートしつつ、
あらかじめ置いた粉末の上に照射して溶融し肉盛溶接し
た。なお溶融金属部分にはアルゴンをノズルから吹き付
けてシールドした。銅合金の溶着厚みは約４ｍｍであ
る。

【００３４】表６に化学成分を示すが、番号３１ないし
３４はいずれも本発明の肉盛した銅合金である。これら
のうち番号３１および３２はそれぞれ単一の成分の合金
粉末を使用した。一方、番号３３および３４はそれぞれ
２種類の成分の合金粉末を混合して使用した。すなわち
概略の成分で、番号３３はＣｕ−２％Ｎｉ−２％Ｓｉ−
３％Ａｌの合金粉末を８０％、Ｎｉ−６％Ｓｉ−１０％
Ａｌ−８％Ｆｅ−７％Ｍｎ−８％Ｍｏの合金粉末を２０
％の割合に混合した。また番号３４はＣｕ−２％Ｎｉ−
２％Ｓｉ−３％Ａｌの合金粉末を８０％、Ｎｉ−８％Ｓ
ｉ−１４％Ａｌ−８％Ｆｅ−６％Ｍｎ−８％Ｂ−６％Ｍ
ｏの合金粉末を２０％の割合に混合した。これらの肉盛
した銅合金について、常温、４００℃および５００℃に
おいて硬度を測定した。その結果を表６に示す。

【００３５】

【表６】

【００３６】いずれの肉盛金属とも目標とする硬度を有
し、良好な特性を示している。特にＭｏ入りの材料であ
る番号３３および３４は高温でも軟化が少なく５００℃
でも硬度が高い。なおＢの入った番号３２および３４の
材料は肉盛溶接において湯流れが良好で、特に滑らかな
溶着金属が得られた。

【００３７】

【発明の効果】本発明の銅合金は摺動部材として使用し
たときに耐摩耗性、特に高温での耐摩耗性が優れ、かつ
適度の硬度を有するため鋼材などの摺動相手の金属を摩
耗させることも少ない。特に銅合金の特徴である良好な
熱伝導性を維持しているので、エンジンのバルブシート
など熱伝導性を要求される用途に適している。また鋳
造、鍛造、焼結、粉末の肉盛溶接などの方法による材料
が使用でき、これらの工程のままの状態でも十分な特性
を発揮できる。またこれにさらに溶体化・時効処理の熱
処理を施すことにより極めて優れた特性を発揮できる。

【手続補正書】

【提出日】平成９年１月１４日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２７】実施例２ 前記の番号１ないし９の本発明の材料の鋳塊の一部分を
９００ないし９５０℃に加熱して３０ｍｍ径に熱間鍛造
した。この鍛造材の一部分については先の実施例１と同
じ条件の、９００℃で１時間の加熱後水冷で溶体化、５
００℃で１．５時間の時効処理を行なった。これら鍛造
のままの材料と熱処理後の材料それぞれについてＪＩＳ
４号引張り試験片を採取するとともに、常温、４００℃
および５００℃において硬度を測定した。その結果を表
４に示す。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、Ｎｉ：５．０％超２０．０％
   以下、Ｓｉ：１．０％以上６．０％以下、Ａｌ：２．０
   ％以上８．０％以下、Ｆｅ：０．３％以上４．０％以
   下、Ｍｎ：０．３以上５．０以下を含有し、残部はＣｕ
   および不可避的不純物からなることを特徴とする耐熱・
   耐摩耗性銅合金。
2. 【請求項２】 さらに、Ｂ：０．３％以上４．０％以下
   を含有することを特徴とする請求項１に記載の耐熱・耐
   摩耗性銅合金。
3. 【請求項３】 さらに、Ｍｏ：０．１％以上３．０％以
   下を含有することを特徴とする請求項１または２に記載
   の耐熱・耐摩耗性銅合金。
4. 【請求項４】 請求項１、２または３に記載の成分の耐
   熱・耐摩耗性銅合金からなる粉末焼結体。
5. 【請求項５】 溶融・凝固したときに請求項１、２また
   は３に記載の成分の耐熱・耐摩耗性銅合金になる粉末。
6. 【請求項６】 溶融・凝固したときに請求項１、２また
   は３に記載の成分の耐熱・耐摩耗性銅合金になるように
   外皮中に粉末を充填してなるワイヤ。