JPWO2007080824A1 - 銅系焼結摺動部材 - Google Patents

Abstract

本発明は、錫０．５〜２０重量％とマンガン０．１〜３５重量％と固体潤滑材２〜２５重量％と残余部の銅とから成ることを特徴とする銅系焼結摺動部材および銅系合金焼結層と金属製裏金とを一体化して成る複層銅系焼結摺動部材において、前記銅系合金焼結層が錫０．５〜２０重量％とマンガン０．１〜３５重量％と固体潤滑材２〜２５重量％と残余部の銅とから成ることを特徴とする複層銅系焼結摺動部材に関する。当該摺動部材は鉛を含有しない銅系焼結摺動部材であって、鉛を含有する銅系焼結摺動部材と同等以上の摺動特性を発揮し、含油焼結摺動部材として好適に使用できると共に、潤滑油の使用が困難な高温領域または乾燥摩擦条件下でも好適に使用できる銅系焼結摺動部材および高荷重条件下でも優れた摺動特性を有する複層焼結摺動部材である。

Description

本発明は、銅系焼結摺動部材に関し、詳しくは、固体潤滑材を分散含有した銅系焼結摺動部材および複層銅系焼結摺動部材に関する。

銅系焼結摺動部材（軸受）としては、黒鉛、鉛などの固体潤滑材を含有させたＣｕ−Ｓｎ−固体潤滑材系の焼結摺動部材が知られている。また、耐荷重性を向上させる目的で、鋼板などの裏金の表面に上記焼結材料の焼結層を一体形成した複層焼結摺動部材も知られている。例えば、銅系合金焼結層と鋼板裏金が複層一体化されて成る複層銅系焼結摺動部材において、この銅系焼結合金層が、錫１〜１１重量％、鉛１〜３０重量％、球状カ−ボン０．５〜５重量％を含み、残余が実質的に銅から成る複層銅系焼結摺動部材が提案されている（特許文献１参照）。

固体潤滑材としての鉛は、相手材との摺動においてなじみ性に優れ、耐焼付き性を向上させる物質として銅系焼結摺動部材の重要な成分である。しかしながら、近年、環境問題などの点から、鉛の使用を断念せざるを得ない状況にある。

特開平７−１３８６８１号公報

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、鉛を含有しない銅系焼結摺動部材であって、鉛を含有する銅系焼結摺動部材と同等以上の摺動特性を発揮し、含油焼結摺動部材として好適に使用できると共に、潤滑油の使用が困難な高温領域または乾燥摩擦条件下でも好適に使用できる銅系焼結摺動部材を提供することにある。また、他の目的は、高荷重条件下でも優れた摺動特性を有する複層焼結摺動部材を提供することにある。

本発明者らは、種々検討を重ねた結果、次の様な知見を得た。すなわち、Ｃｕ−Ｓｎマトリックスに特定量のマンガン（Ｍｎ）成分と固体潤滑材成分を含有させることにより、鉛を含有する銅系焼結摺動部材と同等以上の摺動特性を発揮し、含油焼結摺動部材として好適に使用できることを見出した。

本発明は、上記の知見に基づき完成されたものであり、その第１の要旨は、錫０．５〜２０重量％とマンガン０．１〜３５重量％と固体潤滑材２〜２５重量％と残余部の銅とから成ることを特徴とする銅系焼結摺動部材に存する。

また、第２の要旨は、銅系合金焼結層と金属製裏金とを一体化して成る複層銅系焼結摺動部材において、前記銅系合金焼結層が錫０．５〜２０重量％とマンガン０．１〜３５重量％と固体潤滑材２〜２５重量％と残余部の銅とから成ることを特徴とする複層銅系焼結摺動部材に存する。

本発明によれば、鉛を含有する銅系焼結摺動部材と同等以上の摺動特性を発揮し、さらに、含油焼結摺動部材としての使用は勿論のこと、潤滑油の使用が困難な高温領域での乾燥摩擦条件下での使用および高荷重条件下での使用においても優れた摺動特性を発揮することが出来る。

以下、本発明を詳細に説明する。先ず、銅系焼結摺動部材について述べる。本発明の銅系焼結摺動部材は、錫０．５〜２０重量％とマンガン０．１〜３５重量％と固体潤滑材２〜２５重量％と実質的に銅である残余部とから成る。

錫（Ｓｎ）成分は、主成分の銅（Ｃｕ）成分と合金化してＣｕ−Ｓｎ合金（青銅）を形成する。Ｓｎ成分は、Ｃｕ−Ｓｎ合金マトリックスの固溶を強化して、その強度および硬度など機械的強度を高め、そして、焼結摺動部材としての耐荷重性、耐摩耗性および耐焼付き性を向上させる。Ｓｎ成分の含有量は、０．５〜２０重量％、好ましくは５〜２０重量％である。Ｓｎ成分の含有量が０．５重量％未満の場合は、Ｃｕ−Ｓｎ合金マトリックスを強化させる効果が乏しく、また、含有量が２０重量％を超える場合は、Ｃｕ−Ｓｎ合金マトリックスが脆くなるという欠点がある。

マンガン（Ｍｎ）成分は、主成分のＣｕ成分に対し全率固溶体を形成する。Ｍｎ成分は、主としてＣｕ−Ｓｎ合金マトリックスの固溶強化に寄与し、機械的強度および耐摩耗性の向上に効果を発揮する。Ｍｎ成分の含有量が、例えば、１０重量％を超えると、Ｃｕ−Ｓｎ合金マトリックスに硬質のＣｕ−Ｓｎ−Ｍｎ相が析出する。しかしながら、この硬質相は、後述の固体潤滑材との共存下で耐摩耗性を向上させる作用を示す。他方、Ｍｎ成分の含有量が、例えば、０．１重量％においてＣｕ−Ｓｎ合金マトリックスを強化する作用および耐摩耗性を高める作用が現れはじめ、含有量が０．５重量％でこれらの作用が顕著に現れ、そして、３５重量％までこれらの作用が発揮される。しかしながら、Ｍｎ成分の含有量が３５重量％を超える場合は、硬質相の析出量が多くなりすぎ、固体潤滑材の含有量を多量にしても耐摩耗性が悪化し、特に、相手材表面を損傷させることがある。それ故、Ｍｎ成分の含有量は、０．１〜３５重量％、好ましくは０．５〜２０重量％である。

固体潤滑材成分は、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｍｎ合金マトリックスに分散含有させることにより焼結摺動部材の自己潤滑性を高める。その結果、耐荷重性および耐摩耗性が一層向上すると共に、乾燥摩擦潤滑条件においての焼結摺動部材の使用が可能となる。また、固体潤滑材成分は、含油焼結摺動部材において、固体潤滑作用に加えて、潤滑油の保持体の役割を果たし、含油焼結摺動部材の耐荷重性および耐摩耗性を一層向上させる。固体潤滑材成分としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、窒化ホウ素（ＢＮ）、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）又はこれらの混合物を使用することが出来る。そして、固体潤滑材成分の含有量は、焼結摺動部材の使用目的または前述のＭｎ含有量に基づくＣｕ−Ｓｎ合金マトリックス中の硬質相の析出割合に応じて決定され、２〜２５重量％である。含油焼結摺動部材として使用する場合の固体潤滑材成分の含有量は、好ましくは２〜５重量％であり、乾燥摩擦潤滑条件下で使用する場合の固体潤滑材成分の含有量は、好ましくは５〜２５重量％、より好ましくは１０〜２５重量％である。

銅（Ｃｕ）成分は、銅系焼結摺動部材の主成分であり、銅系焼結摺動部材からＳｎ成分、Ｍｎ成分および固体潤滑材成分を除いた残余部である。Ｃｕ成分の含有量は、銅系焼結摺動部材の全体量からＳｎ成分、Ｍｎ成分および固体潤滑材成分の含有量を差引いた残余である。なお、銅系焼結摺動部材には、前述のＣｕ成分、Ｓｎ成分、Ｍｎ成分および固体潤滑材成分以外に、銅系焼結摺動部材の製造において含まれることが避けられない不可避不純物、例えば、Ｐ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｓｉ等が含まれる。そして、不可避不純物の含有量は、通常１．０重量％以下である。

本発明の複層銅系焼結摺動部材は、錫０．５〜２０重量％とマンガン０．１〜３５重量％と固体潤滑材２〜２５重量％と実質的に銅の残余部とから成る銅系合金焼結層と金属製裏金とを一体化して成る。

銅系合金焼結層は、前述の銅系焼結摺動部材と同一組成である。金属製裏金としては、冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ：ＪＩＳ−Ｇ−３１４１）、冷間圧延ステンレス鋼板（ＳＵＳ：ＪＩＳ−Ｇ−４３０５）、無酸素銅、タフピッチ銅、黄銅、アルミニウム青銅などの銅及び銅合金板（ＪＩＳ−Ｈ−３１００）が複層焼結摺動部材の使用用途に応じて適宜選択される。なお、金属製裏金として上記冷間圧延鋼板を使用する場合は、防錆を目的として鋼板の表面にＣｕメッキを施してもよい。

次に、本発明の銅系焼結摺動部材および複層銅系焼結摺動部材の製造方法の一例について説明する。

先ず、銅系焼結摺動部材（単体）の製造方法について説明する。例えば、粒径が通常７５μｍ以下、好ましくは４５μｍ以下の電解Ｃｕ粉末に粒径が通常７５μｍ以下、好ましくは４５μｍ以下のアトマイズＳｎ粉末０．５〜２０重量％と粒径が通常４５μｍ以下のＭｎ粉末０．１〜３５重量％と粒径が通常１５０μｍ以下、好ましくは１０６μｍ以下の固体潤滑材粉末２〜２５重量％をＶ型ミキサーに投入して通常２０〜４０分混合して混合粉末を作製する。得られた混合粉末を所望の形状の金型に装填し、通常２〜７ｔｏｎ／ｃｍ^２の圧力下で圧縮成形して圧粉体を作製する。得られた圧粉体をアンモニア分解ガス、窒素ガス、水素ガス、窒素・水素混合ガスなどの還元性雰囲気または非酸化性雰囲気に調整された加熱炉内で通常７００〜９００℃の温度で通常２０〜６０分間焼結し、その後加熱炉から取出し、必要に応じて機械加工により所望の寸法に加工して銅系焼結摺動部材を製造する。得られた銅系焼結摺動部材の用途に応じて該摺動部材に含油処理を施し、銅系含油焼結摺動部材を製造する。

次に、複層銅系焼結摺動部材の製造方法について説明する。例えば、上記と同様の方法により、Ｓｎ成分が０．５〜２０重量％、Ｍｎ成分が０．１〜３５重量％、固体潤滑材成分が２〜２５重量％および残余部がＣｕ成分からなる混合粉末を作製する。得られた混合粉末を必要に応じて予め脱脂洗浄した厚さが通常１〜２．５ｍｍの金属製裏金上に散布し、上記と同様の雰囲気に調整された加熱炉内で通常７００〜９００℃の温度で通常１０〜３０分間焼結して該鋼板上に焼結層を形成する。次いで、該焼結層の厚さが通常０．２〜１．０ｍｍとなるようにロール圧下で圧延した後、再度加熱炉内で通常７００〜９００℃の温度で通常１０〜３０分間焼結し、複層銅系焼結摺動部材を製造する。

なお、上述の焼結摺動部材（単体）及び複層焼結摺動部材の製造方法において、Ｃｕ粉末とＳｎ粉末をそれぞれ単体で使用する代わりに、Ｃｕ−Ｓｎ合金粉末を使用することも出来る。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り以下の実施例に限定されるものではない。

実施例１：
粒径が４５μｍ以下の電解Ｃｕ粉末に粒径が４５μｍ以下のアトマイズＳｎ粉末１０重量％と粒径が４５μｍ以下のＭｎ粉末６重量％と粒径が１５０μｍ以下の天然黒鉛粉末５重量％をＶ型ミキサーに投入して２０分間混合し、混合粉末を作製した。この混合粉末を金型に装填し、成形圧力２ｔｏｎ／ｃｍ^２で圧縮成形して平板状の圧粉体を得た。この圧粉体を水素ガス雰囲気に調整した加熱炉内で７６０℃の温度で６０分間焼結し、冷却した後、機械加工を施して一辺３０ｍｍ、厚さ５ｍｍの方形状焼結摺動部材を作製した。次いで、この焼結摺動部材に含油処理を施し、含油焼結摺動部材を作製した。

実施例２〜５：
実施例１において、表２〜３に示す様に組成を変更した以外は、実施例１と同様の方法により、含油焼結摺動部材を作製した。

比較例１：
粒径が４５μｍ以下の電解Ｃｕ粉末に粒径が４５μｍ以下のアトマイズＳｎ粉末１０重量％と粒径１５０μｍ以下の天然黒鉛粉５重量％をＶ型ミキサーに投入して２０分間混合し、混合粉末を得た。得られた混合粉末を上記実施例１と同様にして圧縮成形、焼結および機械加工を行い、一辺３０ｍｍ、厚さ５ｍｍの方形状焼結摺動部材を作製した。次いで、この焼結摺動部材に含油処理を施し、含油焼結摺動部材を作製した。

なお、固体潤滑材成分の種類や成分配合割合により、所望の含油率を得るための圧粉体の成形圧および焼結時間が異なるので、各実施例および比較例における成形圧および焼結時間を表２〜３に示す。

上記実施例１〜５及び比較例１で得た含油焼結摺動部材について、表１に示す条件で耐久試験を行い摩擦摩耗特性を試験した。その試験結果を表２〜３に示す。

上述の試験結果から、実施例１〜５の含油焼結摺動部材は、比較例１の含油焼結摺動部材に比較して摩擦係数および摩耗量ともに低く、優れた摩擦摩耗特性を有する。また、実施例４及び５の焼結摺動部材は、Ｃｕ−Ｓｎマトリックス中に硬質のＣｕ−Ｓｎ−Ｍｎ相の析出が認められたが、相手材表面の目視による観察により、相手材表面を損傷させるという不具合が生じていないことを確認した。

実施例６：
粒径が４５μｍ以下のＣｕ−１０重量％Ｓｎアトマイズ合金粉末と粒径が４５μｍ以下のＭｎ粉末２．５重量％と粒径が１５０μｍ以下の天然黒鉛粉末２０重量％をＶ型ミキサーに投入して２０分間混合し、混合粉末（Ｃｕ：６９．８重量％、Ｓｎ：７．７重量％、Ｍｎ：２．５重量％、黒鉛：２０重量％）を作製した。得られた混合粉末を金型に装填し、成形圧力４ｔｏｎ／ｃｍ^２で圧縮成形して平板状の圧粉体を得た。この圧粉体を水素ガス雰囲気に調整した加熱炉内で７６０℃の温度で６０分間焼結し、冷却した後、機械加工を施して一辺３０ｍｍ、厚さ５ｍｍの方形状焼結摺動部材を作製した。

実施例７〜１１：
実施例６において、表５〜６に示す様に組成を変更した以外は、実施例６と同様の方法により、焼結摺動部材を作製した。

比較例２：
粒径が４５μｍ以下のＣｕ−１０重量％Ｓｎアトマイズ合金粉末と粒径が１５０μｍ以下の天然黒鉛粉末を黒鉛が２０重量％となる様に配合し、Ｖ型ミキサーに投入して２０分間混合し、混合粉末（Ｃｕ：７２．０重量％、Ｓｎ：８．０重量％、黒鉛：２０重量％）を得た。この混合粉末を上記実施例６と同様にして圧縮成形、焼結および機械加工を行い、一辺３０ｍｍ、厚さ５ｍｍの方形状焼結摺動部材を作製した。

上記実施例６〜１１及び比較例２で得た焼結摺動部材について、表４に示す条件で耐荷重性能を試験した。その試験結果を表５〜６に示す。

上述の試験結果から、実施例６〜１１の焼結摺動部材は、乾燥摩擦条件（無潤滑）下で限界荷重（面圧）が５８．８ＭＰａ（６００ｋｇｆ／ｃｍ^２）〜７９．４ＭＰａ（８１０ｋｇｆ／ｃｍ^２）という高荷重まで優れた摩擦特性を発揮し、耐荷重性に優れている。また、実施例８〜１１の焼結摺動部材は、Ｃｕ−Ｓｎマトリックス中に硬質のＣｕ−Ｓｎ−Ｍｎ相の析出が認められたが、相手材表面の目視による観察により、相手材表面を損傷させるという不具合は生じていないことを確認した。

実施例１２：
粒径が４５μｍ以下の電解Ｃｕ粉末に粒径が４５μｍ以下のアトマイズＳｎ粉末１０重量％と粒径が４５μｍ以下のＭｎ粉末２．５重量％と粒径が１５０μｍ以下の天然黒鉛粉末１５重量％をＶ型ミキサーに投入して２０分間混合し、混合粉末を作製した。厚さ１．７ｍｍの鋼板（冷間圧延鋼板：ＳＰＣＣ）の表面に上記混合粉末を散布したのち、窒素・水素混合ガス雰囲気に調整した加熱炉内で７８０℃の温度で２０分間焼結し、該鋼板上に該混合粉末からなる焼結層を一体に形成した。ついで、該焼結層の厚さが０．３ｍｍとなるようにロール圧延した後、加熱炉内で７８０℃の温度で２０分間焼結し、冷却した後、機械加工を施して一辺３０ｍｍ、厚さ２ｍｍの方形状の複層からなる銅系焼結摺動部材を作製した。

実施例１３〜１５：
実施例１２において、表８に示す様に組成を変更した以外は、実施例１２と同様の方法により、焼結摺動部材を作製した。

比較例３：
粒径が４５μｍ以下の電解Ｃｕ粉末に粒径が４５μｍ以下のアトマイズＳｎ合金粉末１０重量％と平均粒径が７５μｍのスタンプ鉛（Ｐｂ）粉末１０重量％および粒径が１５０μｍ以下の天然黒鉛粉末３重量％をＶ型ミキサーに投入して２０分間混合し、混合粉末を得た。この混合粉末を上記実施例１２と同様にして焼結および機械加工を行い、一辺３０ｍｍ、厚さ２ｍｍの方形状の複層焼結摺動部材を作製した。

上記実施例１２〜１５及び比較例３で得た焼結摺動部材について、表７に示す条件で耐久試験を行い摩擦摩耗特性を試験した。その試験結果を表８に示す。

上述の試験結果から、実施例１２〜１５の複層焼結摺動部材は、比較例３の複層焼結摺動部材に比較して面圧１９．６ＭＰａの荷重条件において同等の摩擦摩耗特性を有し、且つ、面圧２９．４ＭＰａの荷重条件において固体潤滑材のＰｂを使用しなくても優れた摩擦摩耗特性を有する。なお、表８の比較例３の「＊」印は、面圧２９．４ＭＰａの荷重条件において試験時間をクリアできず摩耗量の測定が出来なかったことを示す。実施例１４及び１５の複層焼結摺動部材は、Ｃｕ−Ｓｎマトリックス中に硬質のＣｕ−Ｓｎ−Ｍｎ相の析出が認められたが、相手材表面の目視による観察により、相手材表面を損傷させるという不具合は生じていないことを確認した。

Claims (2)

1. 錫０．５〜２０重量％とマンガン０．１〜３５重量％と固体潤滑材２〜２５重量％と残余部の銅とから成ることを特徴とする銅系焼結摺動部材。
2. 銅系合金焼結層と金属製裏金とを一体化して成る複層銅系焼結摺動部材において、前記銅系合金焼結層が錫０．５〜２０重量％とマンガン０．１〜３５重量％と固体潤滑材２〜２５重量％と残余部の銅とから成ることを特徴とする複層銅系焼結摺動部材。