JPWO2007126006A1

JPWO2007126006A1 - 軸受性に優れた摺動材料用銅合金

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Publication number: JPWO2007126006A1
Application number: JP2007550329A
Authority: JP
Inventors: 小林　武; 武小林; 丸山　徹; 徹丸山; 英昌竹内
Original assignee: KAIBARA CORPORATION
Current assignee: KAIBARA CORPORATION
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2007-04-26
Publication date: 2009-09-10
Also published as: WO2007126006A1

Abstract

固溶強化した銅合金、又は固溶と化合物生成による強化を行った銅合金に、０．０５〜１．５質量％のＳを含有させることで、銅合金の耐摩耗性と耐焼付性を高いレベルで両立させることができるようになり、過酷な条件であっても摺動材料用部材として長期間にわたる使用を可能とした。

Description

本発明は、各種産業機械の摺動用材料に適するよう、軸受性すなわち耐摩耗性と耐焼付性に優れた摺動材料用銅合金に関するものである。

従来、銅合金系の摺動用材料としては、青銅系、鉛青銅系、りん青銅系のものが多く使用されている。また、アルミニウム青銅系や高力黄銅系のものも広く採用されている（非特許文献１）。
ＪＩＳ（日本工業規格）Ｈ５１２０

しかしながら、非特許文献１に規定された銅合金のうちの青銅系、鉛青銅系、りん青銅系のものは、いずれも強度が弱い。したがって、近年の連続的な高速・高圧条件のような過酷な条件下で使用する摺動用材料としては満足できない。また、鉛を含有するものは、環境や衛生面に悪影響を与えるという問題もある。

また、非特許文献１に規定された銅合金のうちのアルミニウム青銅系のものは、機械的強度，特に疲労強度には優れているものの、耐焼付性は大変劣っている。

また、非特許文献１に規定された銅合金のうちの高力黄銅系のものは、抗張力や靱性が優れているが、耐摩耗性の点でアルミニウム青銅系のものより劣っている。

本発明が解決しようとする問題点は、上記した従来の銅合金系摺動用材料では、耐摩耗性と耐焼付性を高いレベルで両立させることができないという点である。

本発明の軸受性に優れた摺動材料用銅合金は、
耐摩耗性と耐焼付性を高いレベルで両立させるために、
固溶強化した銅合金、
又は固溶と化合物生成による強化を行った銅合金に、
０．０５〜１．５質量％のＳを含有させたことを最も主要な特徴としている。

また、前記の本発明の軸受性に優れた摺動材料用銅合金は、
さらに０．１質量％以上、１１．０質量％以下のＰｂ、０．１質量％以上、５．４質量％未満のＢｉのうち少なくともどちらか一方を含有させたものでも良い。

本発明の摺動材料用銅合金は、従来は含有させていなかったＳを適量含有させることで、耐摩耗性と耐焼付性を高いレベルで両立させることができ、過酷な条件であっても摺動材料用部材として長期間にわたって使用できるようになる。

加えて、本発明の摺動材料用銅合金は、Ｐｂを添加していない場合には、環境や衛生面に悪い影響を与えることもない。

摩耗減量と摩擦係数を求める試験の説明図である。実験１において、発明例１と比較例の摩擦係数の調査結果を示した図である。固溶強化した銅合金について行った実験２において、発明例１と比較例の摩擦係数の調査結果を示した図である。実験２において、発明例１と比較例のロックウェル硬さの調査結果を示した図である。固溶強化した銅合金について行った実験３における図３と同様の図である。実験３における図４と同様の図である。固溶と化合物生成により強化した銅合金について行った実験４における図３と同様の図である。実験４における図４と同様の図である。固溶と化合物生成により強化した銅合金について行った実験５における図３と同様の図である。実験５における図４と同様の図である。固溶と化合物生成により強化した銅合金について行った実験６における図３と同様の図である。実験６における図４と同様の図である。固溶と化合物生成により強化した銅合金について行った実験７における図３と同様の図である。実験７における図４と同様の図である。摩擦係数を求める円筒軸受試験の概略説明図である。実験８において、摩擦係数の調査結果を示した図で、（ａ）は発明例１、（ｂ）比較例である。実験８において、焼付きを調査した結果を示した図で、（ａ）は発明例１、（ｂ）比較例である。

符号の説明

１シェアピン
２ファビリー試験片
３回転軸
４ブッシュ

本発明の摺動材料用銅合金は、耐摩耗性と耐焼付性を高いレベルで両立させるという目的を、従来は含有させていなかったＳを、強化した銅合金に適量含有させることで実現するものである。

銅合金の場合、溶解させた銅中では、Ｓは早期に硫化物を形成して、溶解した銅の表面に浮上・分離するので、銅マトリックス中に硫化物を分散させること自体が困難であると考えられていた。従って、ＪＩＳで規定された銅合金では、その成分中にＳは含まれていない。

しかしながら、発明者らは、摺動材料用銅合金について種々実験及び検討を重ねた結果、硫化物の生成温度をα−Ｃｕの凝固温度に近づければ、銅マトリックス中に硫化物を効果的に分散できることを見出した。そして、この硫化物の生成によって、銅合金の耐摩耗性と耐焼付性が向上することも判明した。

すなわち、本発明の摺動材料用銅合金は、発明者らの前記実験及び検討の結果なされたものであり、
固溶強化した銅合金、
又は固溶と化合物生成による強化を行った銅合金に、
０．０５〜１．５質量％のＳを含有させることによって、耐摩耗性と耐焼付性を高いレベルで両立させたものである。

以下、本発明の構成要件の限定理由について説明する。
Ｓ：０．０５〜１．５質量％
Ｓは、Ｃｕと結合してＣｕ₂Ｓ化合物（Ｚｎを含有する場合はＺｎＳ化合物）を形成し、耐摩耗性と耐焼付性を向上させる。しかしながら、銅合金中に前記硫化物を形成させるには０．０５質量％以上含有する必要がある。一方、１．５質量％を超えて含有させると、組織中に占める硫化物が過剰となって、銅合金の脆化を招く。このため、本発明ではＳ含有量を０．０５〜１．５質量％とした。

本発明は、固溶強化した銅合金、又は固溶と化合物生成による強化を行った銅合金に、前記範囲のＳを含有させるものであるが、以下、これらの銅合金について、具体的に説明する。

1) 固溶強化した銅合金
固溶強化した銅合金としては、例えば鉛青銅系、高力黄銅系などが挙げられる。すなわち、鉛青銅では、Ｓｎを固溶したαマトリックス中に硬い（α＋δ）共析相が分布している組織中にＰｂが分散した組織構成となっているからである。また、高力黄銅では、４０質量％Ｚｎのα＋β黄銅にＡｌ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｓｎ，Ｎｉなどを添加してαとβ相への固溶強化と、β相の生成量を増して硬さと強さを向上させた組織構成となっているからである。

したがって、固溶強化した銅合金としては、前記鉛青銅系、高力黄銅系に限らず、他の銅合金であっても、Ｓｎ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｍｎを含有させた場合には本発明でいう固溶強化した銅合金に該当する。

また、Ｃｕとの二元平衡状態図を読み取れば、ＺｎやＳｉも前記Ｓｎなどと同様に銅合金を固溶強化する元素といえる。
よって、ＺｎやＳｉを含有させた場合にも、本発明でいう固溶強化した銅合金に該当する。

2) 固溶と化合物生成による強化を行った銅合金
固溶と化合物生成による強化を行った銅合金としては、例えばりん青銅系、アルミニウム青銅系などが挙げられる。

すなわち、りん青銅では、Ｃｕ−Ｓｎ系のδ相（Ｃｕ₃₁Ｓｎ₈）とＣｕ−Ｐ系のＣｕ₃Ｐ相とＳｎやＰが固溶したα（Ｃｕ）相とからなる（α＋δ＋Ｃｕ₃Ｐ）共晶相がαデンドライトの枝の間隙に分散した組織構成となっているからである。

また、アルミニウム青銅は、６〜１０．５質量％Ａｌを含有するＣｕ−Ａｌ系に所定量のＦｅ，Ｎｉ，Ｍｎを加えたＣｕ−Ａｌ−Ｆｅ、Ｃｕ−Ａｌ−Ｆｅ−Ｎｉ、Ｃｕ−Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ合金である。このＣｕ−Ａｌ系に固溶限以上のＦｅを含有するとκ相（ＦｅＡｌ及びこの固溶体）がマトリックス中に析出して硬化する。また、固溶限以上のＮｉを含有すると、κ相（ＮｉＡｌ）を析出し、Ｆｅとともに析出硬化特性を有するようになるからである。

したがって、固溶と化合物生成による強化を行った銅合金としては、前記りん青銅系、アルミニウム青銅系に限らず、他の銅合金であっても、ＣｕとＳｎ、ＣｕとＰ、ＡｌとＦｅ、ＡｌとＮｉを含有させた場合には本発明でいう固溶と化合物生成による強化を行った銅合金に該当する。

また、Ｃｕとの二元或いは三元平衡状態図を読み取れば、ＮｉとＳｉ、ＭｎとＳｉなども前記と同様に固溶と化合物生成により銅合金を強化する元素といえる。

よって、固溶限以上にＮｉとＳｉを含有させたコルソン合金や、ＭｎとＳｉを含有させた場合にも、本発明でいう固溶と化合物生成による強化を行った銅合金に該当する。

本発明の摺動材料用銅合金は、上記構成に加えて、さらに０．１質量％以上、１１．０質量％以下のＰｂ、０．１質量％以上、５．４質量％未満のＢｉのうち少なくともどちらか一方を含有させたものでも良い。

以下、これらＰｂ及びＢｉについて説明する。
ＰｂはＣｕマトリックスには固溶せずに、分散した微細な収縮巣の周辺に凝集して、耐圧性を向上させるのと共に耐摩耗性を改善させる。さらに、ＰｂとＳが結合しＰｂＳ化合物を形成し、耐摩耗性と耐焼付性を向上させる。しかしながら、その含有量が０．１質量％未満では、耐摩耗性を向上させる効果が小さい。一方、その含有量が１１．０質量％を超えるとＰｂを含有させない場合の耐摩耗性と変化がなくなるのみならず、環境や衛生面に悪影響を与える。従って、本発明では、Ｐｂを添加する場合は、その含有量を０．１質量％以上、１１．０質量％以下とした。

また、Ｃｕとの二元平衡状態図を読み取れば、ＢｉもＰｂと同様にＣｕマトリックスには固溶せずに単独、或いはＢｉ₂Ｓ₃化合物として存在して耐摩耗性を向上させる元素といえる。発明者らの検討によれば、Ｂｉの最適含有量は０．１質量％以上、５．４質量％未満である。

すなわち、Ｂｉの含有量が０．１質量％未満では、耐摩耗性を向上させる効果が小さい一方、含有量が５．４質量％以上になるとＢｉを含有させない場合よりも耐摩耗性が悪くなる場合が発生し、またコスト高になるからである。

以下、本発明の摺動材料用銅合金の効果を確認するために行った実験結果を基に、発明例を比較例と対比しながら説明する。なお、これらの発明例は本発明に係る摺動材料用銅合金の効果を示す例示であって、本発明の技術的範囲を制限するものでないことは言うまでもない。

（請求項１の効果を確認するための実験１）
実験は、青銅（ＣＡＣ４０３相当）、りん青銅（ＣＡＣ５０２Ｂ相当）、アルミニウム青銅（ＣＡＣ７０３相当）で図１に示す形状のファビリー試験片を製造して行った。その結果を表１及び図２に示す。なお、発明例１は、前記ＪＩＳで規定された青銅（ＣＡＣ４０３）、りん青銅（ＣＡＣ５０２Ｂ）、アルミニウム青銅（ＣＡＣ７０３）に０．６質量％のＳを目標として含有させたものである。

表１より明らかなように、発明例１のほうがＪＩＳで規定された比較例よりもシェアピンやファビリー試験片＋シェアピンの摩耗減量が小さくなり、摺動性が向上していることが分かる。なお、表１中に測定不能と記載したものは、試験中に焼付きを起こした資料であり、このことから耐焼付き性が向上していることも分かる。

また、図２より明らかなように、発明例１のほうがＪＩＳで規定された比較例よりも摩擦係数が小さくなり、摺動性が向上していることが分かる。

なお、表１に示した摩耗減量と図２に示した摩擦係数を求める試験は、３００rpmで回転させた状態のシェアピン１（外径６．５mm）を、ファビリー試験片２である２個のＶブロックで所定の荷重を作用させて挟持することにより行った（図１参照）。

なお、使用したシェアピン１は、Ｓ４５Ｃ（機械構造用炭素鋼鋼材）調質材でロックウェル硬さＨR Ｂを９７としたものである。また、前記所定の荷重とは、青銅、りん青銅の場合は２００kg、アルミニウム青銅の場合は１００kgである。

（請求項１の効果を確認するための実験２）
Ｃｕに、Ｎｉを含有させて固溶強化した銅合金（比較例）と、この銅合金に適量のＳを添加した発明例１でファビリー試験片を製造し、実験１と同様の実験を行った。実験した比較例と発明例１のＮｉ含有量とＳ添加量を表２に、摩擦係数を図３に示す。また、図４には、実験した比較例と発明例１のロックウェル硬さＨR Ｈを示す。なお、実験時にＶブロックに作用させた荷重は４kgである。

図３より、添加するＳ量の増加に伴って、摩擦係数が減少し、軸受性能が向上していることが分かる。また、図４より、ロックウェル硬さは、Ｓを添加した場合も、Ｓを添加していない場合と同等であることが分かる。

（請求項１の効果を確認するための実験３）
Ｃｕに、Ｓｉを含有させて固溶強化した銅合金（比較例）と、この銅合金にＳを添加した発明例１でファビリー試験片を製造し、実験２と同じ実験を行った。実験した比較例と発明例１のＳｉ含有量とＳ添加量を表３に、摩擦係数を図５に示す。また、図６には実験した比較例と発明例１のロックウェル硬さＨR Ｈを示す。なお、実験時にＶブロックに作用させた荷重は４kgである。

図５より、適量のＳを添加した場合には、摩擦係数が減少し、軸受性能が向上していることが分かる。また、図６より、ロックウェル硬さは、Ｓを添加した場合も、Ｓを添加していない場合と同等であることが分かる。

（請求項１の効果を確認するための実験４）
ＣｕにＳｎ及びＰを固溶させるのと、Ｃｕ−Ｐの化合物及びＣｕ−Ｓｎの化合物によって強化した銅合金（りん青銅：ＣＡＣ５０２Ｂ相当）と、この銅合金にＳを添加した発明例１でファビリー試験片を製造し、実験２と同じ実験を行った。実験したＣＡＣ５０２Ｂ相当品と発明例１のＳｎ，Ｐ含有量とＳ添加量を表４に、摩擦係数を図７に示す。また、図８には実験したＣＡＣ５０２Ｂ相当品と発明例１のロックウェル硬さＨR Ｂを示す。なお、実験時にＶブロックに作用させた荷重は３０kgである。

図７より、添加するＳ量の増加に伴って、摩擦係数が減少し、軸受性能が向上していることが分かる。また、図８より、Ｓを添加した場合、ロックウェル硬さも、ＣＡＣ５０２Ｂ相当品よりも大きくなっていることが分かる。

（請求項１の効果を確認するための実験５）
ＣｕにＳｎ，Ｎｉ及びＳｉを固溶させるのと、Ｎｉ−Ｓｉの化合物及びＣｕ−Ｓｎの化合物によって強化した銅合金（コルソン合金）にＳを添加した発明例１でファビリー試験片を製造し、実験２と同じ実験を行った。実験した発明例１のＳｎ，Ｎｉ，Ｓｉ含有量とＳ添加量を表５に、摩擦係数を図９に示す。また、図１０には実験した発明例１のロックウェル硬さＨR Ｂを示す。なお、実験時にＶブロックに作用させた荷重は３０kgである。

図９より、添加するＳ量の増加に伴って、摩擦係数が減少し、焼付き性が向上していることが分かる。また、図１０より、ロックウェル硬さは、Ｓを添加した場合も、Ｓを添加していない場合と同等であることが分かる。

（請求項２の効果を確認するための実験６）
ＣｕにＰを固溶させるのと、Ｃｕ−Ｐ化合物を分散させることによって強化した銅合金にＳを含有させた請求項１に対応する発明例１と、この銅合金にさらにＰｂを添加した請求項２に対応する発明例２及びＰｂ添加量が発明例２を外れた比較例とでファビリー試験片を製造し、実験２と同じ実験を行った。

実験した発明例１，２及び比較例のＰ，Ｓ含有量とＰｂ添加量を表６に、摩擦係数を図１１に示す。また、図１２には実験した発明例１，２及び比較例のロックウェル硬さＨR Ｈを示す。なお、実験時にＶブロックに作用させた荷重は６kgである。

図１１より、Ｓに加えて適量のＰｂを添加した場合、Ｓのみを添加した場合よりも摩擦係数がさらに減少し、焼付き性がより向上していることが分かる。また、図１２より、ロックウェル硬さは、Ｐｂを添加した場合は、Ｐｂを添加していない場合と同等か、さらに向上していることが分かる。

（請求項２の効果を確認するための実験７）
ＣｕにＰを固溶させるのと、Ｃｕ−Ｐ化合物を分散させることによって強化した銅合金にＳを含有させた請求項１に対応する発明例１と、この銅合金にさらにＢｉを添加した請求項２に対応する発明例２及びＢｉ添加量が発明例２を外れた比較例とでファビリー試験片を製造し、実験２と同じ実験を行った。

実験した発明例１，２及び比較例のＰ，Ｓ含有量とＢｉ添加量を表７に、摩擦係数を図１３に示す。また、図１４には実験した発明例１と発明例２のロックウェル硬さＨR Ｈを示す。なお、実験時にＶブロックに作用させた荷重は６kgである。

図１３より、Ｓに加えて適量のＢｉを添加した場合、Ｓのみを添加した場合よりも摩擦係数がさらに減少し、焼付き性がより向上していることが分かる。また、図１４より、ロックウェル硬さは、Ｂｉを添加した場合は、Ｐｂを添加していない場合と略同等であることが分かる。

（請求項１の効果を確認するための実験８）
実験は、図１５に示すように、回転軸３を嵌入したブッシュ４の上下から油圧を作用させて荷重を加えた状態で、回転軸３を回転させてトルクを検出し、摩擦係数を計算することにより行った。その結果を図１６及び図１７に示す。

図１６は前記ブッシュ４をりん青銅（ＣＡＣ５０２Ｃ相当）で製造した従来例と、この従来例のりん青銅に０．６質量％のＳを目標として含有させた発明例１を使用した摩耗試験結果を示した図である。また、図１７は前記従来例と発明例１を使用した焼付き試験結果を示した図である。

なお、図１６に示した摩耗試験は、５MPaの一定荷重をブッシュ４に作用させた状態で、０．７m／secの周速で２時間回転させることにより行った。また、図１７に示した焼付き試験は、０．７m／secの周速で回転させつつ、ブッシュ４に作用させる荷重を、５MPaから１０分ごとに５MPa増加することにより行った。

図１６より明らかなように、発明例１のほうがＪＩＳで規定された比較例よりも摩擦係数が小さくなると共に、一時的に摩擦係数が増加することもなく、摺動性が向上していることが分かる。

また、図１６に示した摩耗試験に供した従来例と発明例１の試験前と試験後の重量差から比重で除して摩耗体積（摩耗減量）を求めたところ、従来例は２．１５９mm³であったものが発明例１では１．０４７mm³と、摩耗減量は約１／２であった。

また、図１７より明らかなように、比較例では１５MPaの荷重をブッシュ４に作用させた約２分後に焼付きが発生したが、発明例１の場合は２０MPaの荷重をブッシュ４に作用させた約２分後に焼付きが発生した。このことからも、発明例１では比較例より摺動性が向上していることが分かる。

なお、図１６及び図１７で示した結果を得た、円筒軸受試験に使用した回転軸３は、実験１で使用したシェアピンと同様のＳ４５Ｃ調質材である。

以上の実験では、ＰｂとＢｉを共に添加した銅合金についての実験は行っていない。しかしながら、ＰｂとＢｉのみを添加した場合の実験を行って、本発明の優位性を確認している。したがって、ＰｂとＢｉを共に添加した場合も、同様の優位性を備えることは容易に推察できる。

Claims

固溶強化した銅合金、
又は固溶と化合物生成による強化を行った銅合金に、
０．０５〜１．５質量％のＳを含有させたことを特徴とする軸受性に優れた摺動材料用銅合金。
さらに０．１質量％以上、１１．０質量％以下のＰｂ、０．１質量％以上、５．４質量％未満のＢｉのうち少なくともどちらか一方を含有させたことを特徴とする請求項１に記載の軸受性に優れた摺動材料用銅合金。