JPWO2017150271A1 - Cu基焼結摺動材およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2016年3月4日に、日本に出願された特願2016−042776号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴部分を強調する目的で、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、同様の目的で、特徴とならない部分を省略して図示している場合がある。
なお、本明細書において、Cu基焼結摺動材10に含まれる各成分の含有量を単に「%」と表す場合には、「質量%」を意味する。
粒界相14は、Ni−P合金を含むため、合金粒11同士を強固に結合してCu基焼結摺動材10の強度を高めて耐摩耗特性を高める。
以下に、軸受1を構成するCu基焼結摺動材10の各組成比及び気孔率の好ましい範囲の理由について説明する。
NiはCu、Sn、Pと合金化して、合金粒11中のCu−Ni−Sn相、および合金粒11同士の粒界にNiとPを主成分とする相(粒界相14)を形成し、優れた強度および耐摩耗性を付与する効果がある。Ni含有量が7%未満では、所望の強度および耐摩耗性が得られない。一方で、Ni含有量が35%を超えると、焼結摺動材の材料コストが高くなるために好ましくない。Ni含有量は7.2%〜34.2%がより好ましく、12.9%〜34.2%がさらに好ましいが、これに限定されない。
Snは、焼結によりNi、Cuと共にCu−Ni−Sn相合金粒11同士の粒界にSnを含有するNiとPを主成分とする相(粒界相14)を形成して、優れた強度および耐摩耗性を付与する。また、Snは、合金粒11に含まれることにより、優れた強度および耐摩耗性を付与する効果を奏する。Sn含有量が、1%未満では所望の強度、耐摩耗性が得られない。また、Sn含有量が10%を超える場合、焼結時に多量の液相を発生させるため、寸法バラつきの原因となり、好ましくない。Sn含有量は1.4%〜9.2%がより好ましく、2.2%〜7.8%がさらに好ましいが、これに限定されない。
Pは、圧粉体の焼結性を高め、合金粒11および粒界相14からなる金属マトリックス20の強度を向上させる効果を有する。また、Pは、Niとともに粒界相14(NiとPを主成分とする相)を形成し、耐摩耗性向上に効果を有する。P含有量が、0.9%未満では所望の耐摩耗性が得られず、3%を超える場合は焼結体の変形が顕著に起こるようになり、製品歩留まりが低下し、好ましくない。P含有量は1.1%〜2.9%がより好ましく、1.5%〜2.5%がさらに好ましいが、これに限定されない。
Cは、合金粒11および粒界相14が構成する金属マトリックス20に含まれ素地と合金化しているC(Combined)と、合金粒11間に遊離黒鉛13として存在しているC(Free)と、があり、それぞれ作用が異なる。
Cu基焼結摺動材10は、合金粒11および粒界相14が構成する金属マトリックス20に含まれるC(Combined)と、遊離黒鉛13としてのC(Free)との総和として、0.5%〜5%のCを含んでいる。
合金粒11および粒界相14が構成する金属マトリックス20に含まれ合金化しているC(Combined)は、例えば、原料粉末の一つであるCu−Ni合金粉末およびCu−Ni−Sn合金粉中に含まれるCに由来する。原料粉末の一つであるCu−Ni合金粉末およびCu−Ni−Sn粉末中に所定量含有させることで、Cu−Ni合金粉末、Cu−Ni−Sn合金粉、Sn粉末、Cu−P合金粉末、Ni−P合金粉末、および黒鉛粉末からなる圧粉体の焼結時の寸法変化を安定させることができる。
Cu−Ni合金粉末中に含まれるCの含有量が0.02%未満であると、原料粉末同士の焼結を抑制するものがないために焼結が促進され、焼結によって寸法が縮みすぎてしまう。したがって、原料粉末中に含まれるCの含有量は、0.02%以上とすることが好ましい。また、これにより、金属マトリックス20に内在するCの含有量、より詳細には合金粒11と粒界相14に内在するCの含有量も、0.02%以上となっていることが好ましい。
また、原料粉末中に含まれるCの含有量が0.20%を超えると、原料粉末同士の焼結がいっそう進みにくくなり、焼結による寸法の拡大が大きくなる。したがって、原料粉末中に含まれるCの含有量は、0.20%以下とすることが好ましい。また、これにより、金属マトリックス20に内在するCの含有量、より詳細には合金粒11と粒界相14に内在するCの含有量も、0.20%以下となっていることが好ましい。
金属マトリックス20に内在するC(combined)、より詳細には合金粒11と粒界相14の素地と合金化しているC(Combined)の含有量を0.02%以上0.20%以下とすることで、焼結前後における寸法の変化率を−1.5%以上1%以下とすることができる。金属マトリックス20に含まれるC(Combined)の含有量は0.039%〜0.183%がより好ましく、0.054%〜0.092%がさらに好ましいが、これに限定されない。なお、金属マトリックス20に含まれるC(Combined)の含有量は、Cu基焼結摺動材10に含まれるCの含有量から、遊離黒鉛13として含まれるC(Free)の含有量を減じることにより算出される。
上述したように、Cu基焼結摺動材10は、合金化するC(Combined)と遊離黒鉛13としてのC(Free)との総和として、0.5%〜5%のCを含んでいる。また、Cu基焼結摺動材10は、0.02%〜0.20%のC(Combined)を含んでいる。したがって、Cu基焼結摺動材10は、Cの含有量の総和からC(Combined)の含有量を差し引いた量(0.3%〜4.98%)の遊離黒鉛13(C(Free))を含有する。
Cu基焼結摺動材10は、Fe系合金の軸を摺動させる軸受1として好適に用いられる。
Fe系合金からなる回転軸6は、軸受1の材質(例えばFe系合金を採用した場合等)によっては、焼き付きが起こりやすくなる。軸受1は、Fe系合金を相手材として摺動した場合であっても、焼き付きが起こりにくいことが望まれる。軸受1として、Cuが支配的な組成であるCu基焼結摺動材10を用いることで、Fe系合金からなる軸との焼き付きが生じにくくなる。
気孔12は、潤滑油を含浸、貯留し、軸受1が相手部材(例えば図1に示す回転軸6)と摺動する際に潤滑油を供給することで軸受1の耐摩耗性を高める作用がある。Cu基焼結摺動材10の気孔率が13%未満である場合には、十分な潤滑油を保有することができず、摩耗進行の原因となる虞がある。一方で、Cu基焼結摺動材10の気孔率が、28%を超える場合には、Cu基焼結摺動材10の密度が低下して強度が低くなり、高い面圧条件では摩耗の進行が速くなり好ましくない。気孔率は13.5%〜27.3%がより好ましく、15.7%〜23.5%がさらに好ましいが、これに限定されない。
なお、軸受1の気孔率は、日本粉末冶金工業会の焼結金属材料の開放気孔率試験方法(JPMA M 02−1992)により測定する事が出来る。
以下に、本実施形態のCu基焼結摺動材10からなる軸受1の製造手順を説明する。
まず、出発材料として10μm〜100μm程度の範囲内の所定の平均粒径を有する複数種類の粉末を用意する。複数種類の粉末としては、例えばCu−Ni合金粉末とCu−Ni−Sn合金粉末の少なくとも一方、Sn粉末、Cu−P合金粉末、Ni−P合金粉末、および黒鉛粉末が例示される。また、Cu及びNiの成分組成を調整するために、さらにCu粉末、Ni粉末を用意してもよい。ここで、複数種類の粉末は、Cu−Ni合金粉末、Cu−Ni−Sn合金粉末、Sn粉末、Cu−P合金粉末、およびNi−P合金粉末などの金属粉末と、黒鉛粉末と、に分類される。すなわち、複数種類の粉末は、金属粉末と、黒鉛粉末と、を含む。Cu−Ni合金粉末、Cu−Ni−Sn合金粉末には、不可避不純物として、質量%で0.02%〜0.20%のCが含まれる。
本実施形態のCu基焼結摺動材10は、Cu−Ni合金粒を焼結した焼結材であり、これら合金粒11および粒界相14が構成する金属マトリックス20中のCを適度な含有量に抑制しているので、焼結前後の寸法変化率を小さくすることができる。これにより、焼結前後で異常収縮や膨張などの大きな寸法変化を生じ難い、良好な歩留まりで生産できる焼結摺動材を提供できる。
特に、本実施形態のCu基焼結摺動材10では、Pの含有量を0.9%以上とすることで、合金粒11の粒界に所望量のNiとPを主成分とした粒界相14が形成される。粒界相14は、合金粒11同士を強固に結合すると共にCu基焼結摺動材10の耐摩耗特性を高くする。一方で、Pの含有量を高めると、寸法安定性が低下する。本実施形態のCu基焼結摺動材10によれば、Pを含有させたことにより低下した寸法安定性を補完するために、金属マトリックス20、より詳細には合金粒11にC(Combined)を適量含有させる事で、寸法安定性を向上させて生産性の高いCu基焼結摺動材10を提供できる。
まず、原料粉末として、Ni含有量の異なる数種類のCu−Ni合金粉末とCu−Ni−Sn合金粉末、Sn粉末、Cu−8%P合金粉末、Ni−11%P合金粉末および黒鉛粉末を用意した。
次に、この圧粉体を、天然ガスと空気を混合し、加熱した触媒に通すことで分解変成させたエンドサーミックガス(endothermic gas)雰囲気中において、760℃〜900℃範囲内の所定の温度で焼結し、焼結摺動材(Cu基焼結摺動材)を得た。
次に、得られた焼結体を金型に格納し、200MPa〜700MPa範囲内の所定の圧力を加えてサイジングを行った。次にCu基焼結材中に潤滑油を含浸せしめた。潤滑油は、鉱油あるは合成油(合成炭化水素、合成エステル、フッ素系油など)など潤滑作用のある油を用いることができる。
表1に、各試料の作製時における各種パラメータをまとめた。
次に、各試料の成分組成、気孔率、圧環試験の結果としての圧環強度、焼結前後の寸法変化率、歩留まり、並びに摩耗試験結果としての耐摩耗性を測定し、表2にまとめた。
なお、表2の成分組成において、C(Free)の列は、遊離黒鉛として粒界に介在するCの質量%を表す。また、C(Combined)の列は、合金粒および粒界相14が構成する金属マトリックスに含まれるCの質量%を表す。さらに、C(総量)は、C(Free)及びC(Combined)として試料に含まれるCの質量%の総量を表す。
各測定方法について、以下に説明する。
焼結体の成分組成は、蛍光X線による定量分析法により求めた。
また、各試料に含まれるCの総量のうち、遊離黒鉛として粒界に介在するC(Free)と、合金粒と粒界相とを含む金属マトリックスに合金化して含まれるC(Combined)と、の比率は、以下の方法で求めた。
まず、試料の焼結摺動材に含まれるCの総量を赤外線吸収法(ガス分析法)により測定した。次いで、遊離黒鉛として含まれるC(Free)の含有量の分析をJIS G1211−1995の方法に準じて行った。合金粒と粒界相とを含む金属マトリックスに合金化して含まれるC(Combined)は、Cの総量から遊離黒鉛の含有量を差し引いて求めた。
なお、表1に示す、Cu−Ni合金粉末およびCu−Ni−Sn合金粉末中の不純物炭素量は、赤外線吸収法(ガス分析法)により測定した。
気孔率は、焼結金属材料の解放気孔率試験方法JPMA M 02−1992に準じて測定した。
リング形状を有する試料に半径方向から荷重を加え、試料が破壊した時の試験荷重を圧環強度とした。圧環強度は、150MPa以上であることが好ましい。
成形体(圧粉体)の外径寸法を焼結前にあらかじめ測定し、焼結を実施する。焼結後の焼結体(焼結軸受)の外径寸法を測定し、焼結前後での寸法変化率を計算にて求めた。
寸法変化率は、−1.5%以上1%以下とすることが好ましい。
同一条件で作製した50個の試料に対し、サイジング後の内径寸法が所定の寸法公差内か寸法交差外かで歩留まりを判定した。公差巾を0.006mmとして、公差内の内径寸法製品を合格品とした。さらに、全体に対する合格品の割合に基づき、A、B、Cの評価を行った。評価基準を以下に示す。
A:合格品が95%以上。
B:合格品が90%以上、95%未満。
C:合格品が90%未満。
まず、リング形状を有する各試料に、S45Cからなりφ8mmのシャフト(軸)を挿入した。さらに、シャフトの軸方向に対して直角方向に一定の荷重を加えることにより、試料の半径方向に面圧10MPaの負荷を与えた。この状態で、シャフトを100m/min.で50時間回転させる耐摩耗性試験を行った。試験終了後に、試験片を取り出し(試料をシャフトから取り外し)、シャフトとの摺動面(試料の内周面)における最大摩耗深さを測定した。測定結果に基づき、以下の評価基準に沿って、A、B、Cの耐摩耗性の評価を行った。なお、この摩耗試験は、焼結軸受を高面圧で高速回転させることを想定したものである。
A:最大摩耗深さ10μm以下。
B:最大摩耗深さが10μm超、20μm以下。
C:最大摩耗深さが20μm超。
表2から、実施例1〜実施例12の試料は、寸法変化率、歩留まり、圧環強度、耐摩耗性、ともに好ましい範囲となった。
Claims (5)
- 質量%でNi:7%〜35%、Sn:1%〜10%、P:0.9%〜3%、C:0.5%〜5%を含有し、残部Cuおよび不可避不純物からなる組成を有し、
SnとCを含有しCu−Ni系合金を主成分とする合金粒と、前記合金粒の粒界に分散分布するNiとPを主成分とした粒界相と、前記合金粒の粒界に介在する遊離黒鉛と、を有する焼結体からなり、
前記合金粒の粒界に気孔が分散形成された組織を有し、
前記合金粒と前記粒界相とを含む金属マトリックス内のCの含有量は、質量%で0.02%〜0.20%である、Cu基焼結摺動材。 - 気孔率が、13%〜28%である、請求項1に記載のCu基焼結摺動材。
- 複数種類の粉末を混合して混合粉末を得る混合工程と、
前記混合粉末をプレス成形して圧粉体を得る成形工程と、
前記圧粉体を焼結して焼結体を得る焼結工程と、
前記焼結体にサイジングを行うサイジング工程と、を有し、
前記複数種類の粉末は、金属粉末と、黒鉛粉末と、を含み、質量%でNi:7%〜35%、Sn:1%〜10%、P:0.9%〜3%、C:0.5%〜5%、残部Cu及び不可避不純物の合計組成となるように配合して混合され、
前記金属粉末には、質量%で0.02%〜0.20%のCが含まれる、Cu基焼結摺動材の製造方法。 - 前記焼結工程において、前記圧粉体を760℃〜900℃で焼結する、請求項3に記載のCu基焼結摺動材の製造方法。
- 前記焼結体の気孔率を13%〜28%とすることを特徴とする請求項3又は4に記載のCu基焼結摺動材の製造方法。
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