JPWO2010126026A1 - 鉛フリー銅系焼結摺動材料及び摺動部品 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明における摺動材料は、摩擦係数を低くすることを目的とする材料であって、具体的には自動車、二輪車、建設機械等の車両及び一般機械の軸受類、ワシャ類の部品に使用される。
(イ)Sn:青銅の一般的な添加元素であり、焼結性と摺動特性を高めるSnを好ましく
は15質量%以下、より好ましくは3〜10質量%を含有することができる。(ロ)P:液相を生成し、焼結を容易にするPを好ましくは1質量%以下、より好まし くは0.01〜0.2質量%含有することができる。(ハ)Bi:液相を生成し、なじみ性と耐焼付性を高めるBiを0.1〜10質量%含有することができる。(ニ)Al,Ni:マトリックスを強化し、耐焼付性を高める好ましくは5質量%以下のAl, 好ましくは10質量%以下のNiを含有することができる。(ホ)Zn:耐硫化性を向上するZnを30質量%以下含有することができる。(ヘ)In:耐焼付性に優れた濃縮相を形成するInを5質量%以下含有することができる。(ト)Ag::銅に固溶して耐焼付性を高め、また表面に潤滑性に優れた化合物を生成する(特許文献10-特許第3657742号)。これらの効果を達成するべく10質量%以下のAgを含有することができる。
上記した成分(但しZnを除く)は総量で30質量%以下含有することができる。Znを含有する場合は総量で40質量%以下の上記成分を含有することができる。
滑石は、パイロフィライト(pyrophyllite)系鉱物であり次のような性質(イ)〜(ホ)を有している。
(イ)組成式はMg3Si4O10(OH)2により表される。(ロ)モース硬度は1である。なお、上記(イ)で表わされる滑石組成の主成分であるSiO2の鉱物形態は石英(モース硬度7)、鱗珪石(tridymite)(モース硬度7)、クリストバル石(cristoballite)(モース硬度6.5)、スティショブ石(stishovite)(モース硬度8.5〜 9)であるので、滑石よりも高硬度鉱物であり、また層構造(ハ)をもっていない。(ハ)滑石の結晶構造は、[Si2O5]n2n- 層とMg(OH)2層が積層され、各層間は弱いファンデルワース力で結合しているために、層間ではがれ易い。鉱物学的にはへき開は{001}に完全であるが、摺動材料の観点からは、MoS2のようなへき開による顕著な低摩擦性は有していない。すなわち、滑石は従来銅合金の摺動特性改良剤として使用されていたMoS2のような低摩擦性をもっていないが、図1,2を参照して説明する摩擦係数の安定性をもっていることを本発明者らは発見し、摺動特性改良添加剤として有効であることを確認した。(ニ)真比重:2.7〜2.8。
(ホ)50μm以下の粒子径を有する薄片状形状のものが入手できる。なお滑石は価格が
100円/kg程度であり、資源供給の面での制約が少ない。続いて、滑石を添加した銅合金焼結摺動材料の特性を説明する。
図1は、滑石添加銅合金焼結材料、鉛含有青銅焼結材料及び鉛フリー青銅焼結材料の摩擦係数をスラスト試験で測定した結果を示すグラフである。試験条件は次のとおりである。
周速:1m/s
荷重:1MPa ステップアップ(15min-step)
潤滑油 流動パラフィン
給油温度 50℃
給油量(設定): 0.13L/min
図1に示すように、上記した鉛含有青銅及び鉛フリー青銅は荷重が段階的に増加されたときに摩擦係数が瞬間的にピーク状に増減する(なお、摩擦係数増減周期は鉛フリー青銅の方が鉛含有青銅よりも短くなっている)のに対し、滑石添加銅合金焼結材料は摩擦係数が約0.05弱でほぼ一定で推移し、微小変動するもののピーク状変化を示さない。このように摩擦係数が瞬間的に増加した際に摩耗が起こるので、青銅は摩耗が多くなる。さらに、滑石の硬度は低い(上記(ロ))ので一般的には耐摩耗性が不良になると考えられるが、層構造(ハ)をもっているために、摩擦係数が安定し、その結果耐摩耗性が良好になると考えられる。
速度:0.06m/s
荷重:500g
潤滑 ドライ
温度:1 50℃
摺動:15mm 一方向1回
図2に示すように、滑石添加銅合金焼結材料は摩擦係数が安定しているのに対して、滑石が添加されていない鉛フリー青銅は摩擦係数が次第に高くなって、非常に高い極大に達する。したがって、滑石添加銅合金焼結材料は低い摩擦係数で安定しており、その結果耐摩耗性が良好になっていると考えられる。
図1に示した試験において荷重が増加すると、どの材料でも遂には焼付が起こる。しかしながら滑石は摩擦係数の安定性を発揮し、耐焼付性を高める。
(イ)化学組成はKAl2・AlSi3O10(OH)2, KMg3・ AlSi3O10(OH)2などである。(ロ)モース硬度は白雲母が2.5 〜4、黒雲母が2.5〜3であり、軟らかい。(ハ)雲母は滑石と同じ六角網構造を有する珪酸塩系鉱物であり、結晶構造は、四面体層と八面体層からなる層状鉱物であるために、層間で剥がれ易い。(ニ)真比重:2.8〜3.0。(ホ)薄片形状で入手できる。
(イ)化学組成はAl2Si2O6(OH)4と表される。(ロ)モース硬度は1 〜2である。
(ハ)片状層状構造を有する。(ニ)真比重は2.6である。
(イ)モンモリロナイトの化学組成は(Na,Ca)0.33(Al,Mg)2Si4O10(OH)2・nH2Oと表される。
(ロ)モース硬度は1〜2である。(ハ)層状構造を有し、へき開性がある。(ニ)粘土状のモンモリロナイト(ベントナイト(bentonite)といわれる)ではなく、10〜100μmの粒子形態のものが入手できる。粘土状モンモリロナイトは摺動材料ではクレー(clay、粘土)として、銅合金の摩擦特性を安定する作用を有しているが、摺動銅合金の摺動特性を滑石のように根本的には改良しない。ある程度の大きさの鉱物粉末形態のモンモリロナイトは相手軸と接触する面積が大きくなり、滑石と同様に摺動特性を根本的に改良する。
(ホ)真比重は2.4である。
先ず、平均粒径が150μm以下の銅(合金)粉末、平均粒径が20μm程度の鉱物成分粉末及び必要により任意成分をそれぞれ用意し、その後これらの粉末を十分に混合し、混合物を鋼板上に厚さが0.5〜1.5mmとなるように散布し、700〜 1000℃の温度範囲で、1秒から 30分間還元性雰囲気中で一次焼結する。その後中間圧延を行い、再度一次焼結と同じ焼結条件範囲内で二次焼結を行う。その後、必要により、硬さや寸法調節のために10%以下の加工率で圧延加工を行うことができる。最後に、ブシュなどの所望部品形状に仕上げ、切削などの機械加工により軸と接触する摺動面の表面粗さを所望の値に調節する。焼結層の厚さは200〜700μmが好ましい。
本発明の滑石添加銅合金焼結摺動材料及び従来の材料の諸特性を、優◎、良(○)、並(△)、の3段階評価により表わして次の表に示す。
表2に示す配合組成の銅合金焼結材料を次の原料を用いて調製した。
銅合金:Cu−3〜10%Sn合金粉末、場合によりAl,Ni,Inなどを含有、平均粒径150μm以下のアトマイズ粉。
鉱物成分:鉱石を篩別して平均粒径23μmとした粉末、但しエンスタタイトは平均粒径25μm。
黒鉛:平均粒径25μm
MoS2:平均粒径23μm
表2において、銅合金成分のSn,P,Bi,その他は銅合金に対する百分率で含有量を示し、鉱物成分及び任意成分は材料全体に対する含有量を示す。
ピンオンディスク試験
周速:1m/s
荷重:1MPa/15min.ステップアップ
潤滑:パラフィン系ベースオイル
ブシュジャーナル摩耗試験機
周速:1m/s 起動―停止サイクル
荷重:2MPa
潤滑:パラフィン系ベースオイル
試験結果を表2に示す。
本発明実施例は次のように分類される。
(イ)固体潤滑剤を含有しないもの(1〜14)
(a)Biを含有しないもの(1〜13)
(b)Biを含有するもの(14)
(ロ)固体潤滑剤を含有するもの(15,16)
摺動特性がすぐれている順に並べると(イ)(b)>(ロ)>(イ)(a)>比較 例である。
また、銅合金焼結摺動材料の価格の基準となる銅及びりん青銅は価格が300〜1000円/kg程度である。この摺動特性を改良するために添加されている従来の添加剤は、ビスマス2000円/kg程度をはじめとしてほとんどは価格を高くする方向に働く。例外は鉛であって、銅合金摺動材料の価格を下げるが、環境負荷物質であるために、規制されている。一方、ビスマスは、鉛の代替材として摺動材料に使用されるだけではなく、改削成分としても広く使用されるため、ビスマスの供給も今後不足することが懸念される。滑石にはこのような懸念がない。
さらに、現在最高の摺動特性を達成している鉛フリーBi含有銅合金焼結摺動材料の性能を損なわずにコストダウンをすることができる。
特開2005−179692号公報、MoS2粒子をめっきする特許文献8:特開2006−37179号公報などの提案がなされている。さらにMoS2や黒鉛は高価である。
[先行技術文献]
[特許文献]
[0009]
[特許文献1]特許第3298636号
[特許文献2]特許第3370785号
[特許文献3]特許第3929288号
[特許文献4]特開2002−256731号
[特許文献5]WO2005/068671
[特許文献6]特開2006−37178号公報
[特許文献7]特開2005−179692号公報
[特許文献8]特開2006−37179号公報
[特許文献9]特許第3274161号
[特許文献10]特許第3657742号
[非特許文献]
[0010]
[非特許文献1]トライボロジストVol.53/No.9/2008、第599〜604頁
[発明の開示]
[発明が解決しようとする課題]
[0011]
従来銅系合金焼結摺動材料に使用されていた添加剤を評価すると次のとおりである。先ず、Bi及びPbは軟質であり、なじみ性にすぐれるが、耐摩耗性は不足する。次に、硬質粒子は耐摩耗性にすぐれるが、相手材をきず付け易い。最後に、黒鉛や二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤はへき開性がすぐれた物質であり、これらのレベルのへき開性を満足する物質は限られている。
[課題を解決するための手段]
[0012]
本発明者らは、上記した従来技術の水準を越えるべく、鋭意研究を行い、滑石(talc)、カオリナイト鉱物(kaolinite mineral)及びモ
ンモリロナイト鉱物(montmorillonite mineral)からなる群から選択された少なくとも1種の鉱物と、下記(イ)−(ト)の少なくとも1種を含有する銅合金からなる鉛フリー銅系焼結摺動材料、及び必要により従来からの添加剤を併用した材料、並びに摺動部品の発明を完成するに至った。即ち、本発明の摺動材料は主成分であるPbを含有しない銅合金と、滑石、カオリナイト鉱物及び/又はモンモリロナイト鉱物(以下総称する場合は「鉱物成分」という)とを必須成分とするものである。
[0013]
先ず、本発明に係る焼結材料の全体の構成を述べると、50質量%以上の銅合金と、鉱物成分と、任意成分としての20体積%以下の公知の固体潤滑剤、硬質粒子などからなり、鉱物成分としては滑石、カオリナイト鉱物及び/又はモンロリロナイト鉱物が必須成分であり、その好ましい含有量は0.05〜10体積%である。鉱物成分の割合が10体積%を超えると摺動特性が損なわれる。なお、銅合金及び鉱物成分は不可避的不純物を含み、鉱物成分の場合は、本発明の焼結材料製造中に不可避的に生成する分解生成物や、山元に由来する脈石なども不純物として含まれる。以下、銅合金、鉱石成分及び任意成分、製造方法の順で説明する。
[0014]
焼結摺動材料全体に対する銅合金の割合は好ましくは80〜99質量%、より好ましくは90〜99質量%、最も好ましくは95〜99質量%である。銅合金の割合が少なすぎると、焼結材料の強度が不足し、一方銅合金の割合が多すぎると、耐摩耗・焼付性が不足する。
[0015]
銅合金は次の1種以上の添加元素を含有する。すなわち各種成分を銅合金に対する割合で次のように含有することができる。
(イ)Sn:青銅の一般的な添加元素であり、焼結性と摺動特性を高めるSnを好ましくは15質量%以下、より好ましくは3〜10質量%を含有することができる。
(ロ)P:液相を生成し、焼結を容易にするPを好ましくは1質量%以下、より好ましくは0.01〜0.2質量%含有することができる。
(ハ)Bi:液相を生成
荷重:500g
潤滑 ドライ
温度:150℃
摺動:15mm 一方向1回
図2に示すように、滑石添加銅合金焼結材料は摩擦係数が安定しているのに対して、滑石が添加されていない鉛フリー青銅は摩擦係数が次第に高くなって、非常に高い極大に達する。したがって、滑石添加銅合金焼結材料は低い摩擦係数で安定しており、その結果耐摩耗性が良好になっていると考えられる。
[0020]
耐焼付性
図1に示した試験において荷重が増加すると、どの材料でも遂には焼付が起こる。しかしながら滑石は摩擦係数の安定性を発揮し、耐焼付性を高める。
[0021]
続いて、参考例の添加剤である雲母の特性は次のとおりである。
(イ) 化学組成はKAl2・AlSi3O10(OH)2,KMg3・AlSi3O10(OH)2などである。
(ロ) モース硬度は白雲母が2.5〜4、黒雲母が2.5〜3であり、軟らかい。
(ハ)雲母は滑石と同じ六角網構造を有する珪酸塩系鉱物であり、結晶構造は、四面体層と八面体層からなる層状鉱物であるために、層間で剥がれ易い。
(ニ)真比重:2.8〜3.0。
(ホ)薄片形状で入手できる。
[0022]
カオリナイト鉱物の性質は次のとおりである。
(イ)化学組成はAl2Si2O6(OH)4と表される。
(ロ)モース硬度は1〜2である。
(ハ)片状層状構造を有する。
(ニ)真比重は2.6である。
[0023]
モンモリロナイト鉱物の性質は次のとおりである。
(イ)モンモリロナイトの化学組成は(Na,Ca)0.33(Al,Mg)2Si4O10(OH)2・nH2Oと表される
(ロ)モース硬度は1〜2である。
(ハ)層状構造を有し、へき開性がある。
(ニ)粘土状のモンモリロナイト(ベントナイト(bentonite)といわれる)で
はなく、10〜100μmの粒子形態のものが入手できる。粘土状モンモリロナイトは摺動材料ではクレー(clay、粘土)として、銅合金の摩擦特性を安定する作用を有しているが、摺動銅合金の摺動特性を滑石のように根本的には改良しない。ある程度の大きさの鉱物粉末形態のモンモリロナイトは相手軸と接触する面積が大きくなり、滑石と同様に摺動特性を根本的に改良する。
(ホ)真比重は2.4である。
[0024]
本発明に係る鉱物添加銅合金焼結摺動材料は総量で20体積%以下の任意成分を含有することができる。具体的には、低摩擦性を付与するために黒鉛、MoS2,WS2などを0.1〜5質量%、特に3質量%以下を添加することができる。
[0025]
次の任意成分である、硬質粒子としては段落番号0005、0006で列挙したものを耐摩耗性及び耐焼付性を向上するために添加することができる。好ましくは,粒径が50μm以下のFe2P,Fe3P,FeB,AlN,Mo2C,BN,SiO2,Si3N4などを5質量%以下添加することができる。
[0026]
滑石を銅合金と焼結すると、焼結条件にはよるが、滑石の一部は450〜600℃で分解してエンスタタイト(enthtatite、頑化輝石)に変化することは避けられない。エンスタタイトの性質は次のとおりである。
(イ) 化学組成式はMg2Si2O6と表される。
(ロ) モース硬度が4〜4.5である。
(ハ) 透輝石の単位胞が双晶を繰り返した構造を有している。
エンスタタイトは、滑石に比べると硬度が高く、層状構造をもっていない。しかしながら、未分解滑石が所定量存在する限り、かなりの量、具体的には約10体積%未満のエンスタタイトが存在していても、本発明の銅系焼結合金摺動材料の特性を妨げない。とはいえエンスタタイトの量は滑石の量を超えないことが好ましい。エンスタイトと同様のモース硬度を有する山元に由来する同様の特性をもつ不純物鉱物も同様に取り扱うことができる。
[0027]
本発明に係る鉱物添加銅合金焼結摺動材料の製造方法について説明する。
先ず、平均粒径が150μm以下の銅合金粉末、平均粒径が20μm程度の鉱物成分粉末及び必要により任意成分をそれぞれ用意し、その後これらの粉末
Claims (10)
- 鉛フリー銅又は銅合金を焼結した摺動材料において、滑石、雲母、カオリナイト鉱物及びモンモリロナイト鉱物から選択された少なくとも1種の鉱物を含むことを特徴とする鉛フリー銅系焼結摺動材料。
- 前記少なくとも1種の鉱物が焼結材料全体に対して0.5〜10体積%である請求項1記載の鉛フリー銅系焼結摺動材料。
- 前記銅合金が、当該銅合金に対して15質量%以下のSnを含有し、残部がCu及び不可避的不純物であることを特徴とする請求項1又は2記載の鉛フリー銅系焼結摺動材料。
- 前記銅合金が、当該銅合金に対して1質量%以下のPを含有し、残部がCu及び不可避的不純物であることを特徴とする請求項1から3までの何れか1項記載の鉛フリー銅系焼結摺動材料。
- 前記銅合金が、当該銅合金に対して0.1 〜10質量%のBiを含有し、残部がCu及び不可避的不純物であることを特徴とする請求項1から4までの何れか1項記載の鉛フリー銅系焼結摺動材料。
- 前記銅合金が、当該銅合金に対して5質量%以下のAl,10質量%以下のNi、30質量%以下のZn、5質量%以下のIn、10質量%以下のAgの少なくとも1種を合計で30質量%以下、但しZnが含有される場合は40質量%以下、含有し、残部がCu及び不可避的不純物であることを特徴とする請求項1から5までの何れか1項記載の鉛フリー銅系焼結摺動材料。
- さらに、固体潤滑剤及び硬質粒子の少なくとも1種を含有する請求項1から6までの何れか1項記載の鉛フリー銅系焼結摺動材料。
- 前記固体潤滑剤の含有量が焼結材料全体に対して0.1〜5質量%である請求項7記載の鉛フリー銅系焼結摺動材料。
- 前記硬質粒子の含有量が焼結材料全体に対して5質量%以下である請求項7又は8記載の鉛フリー銅系焼結摺動材料。
- 請求項1から9までの何れか1項記載の鉛フリー銅系焼結摺動材料からなる摺動部品。
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