TWI662140B

TWI662140B - 耐磨損性銅合金

Info

Publication number: TWI662140B
Application number: TW104132841A
Authority: TW
Inventors: 山本秀樹; 丸山健司; 伊藤智樹; 森岡祐行
Original assignee: 日商上越高級銅合金股份有限公司
Priority date: 2015-01-20
Filing date: 2015-10-06
Publication date: 2019-06-11
Also published as: WO2016117158A1; JP6046177B2; TW201627506A; JP2016132803A

Abstract

本發明提供一種維持強度、韌性、耐衝撃性，保有高水準的耐磨損性的耐磨損性銅合金。本發明的耐磨損性銅合金，其係以質量比而計含有Zn：10~40%、Al：2~9%、Fe：0.4~3.5%、Ni：0.5~4.0%、Co：0.3~2.0%、Mn：1.0~5.0%、Si：0.3~3.5%，殘餘部分由Cu及無法避免的雜質所構成，並且具有Al-Fe-Mn-Si-Ni-Co系金屬間化合物分散於α相+β相、α相+β相+γ相或β相的至少1者的組織。

Description

耐磨損性銅合金

本發明關於一種耐磨損性銅合金。

以往，在高負重用途所使用的黃銅合金，可列舉JIS H 5120所記載的CAC301~CAC304、或矽化錳系金屬間化合物結晶析出型高力黃銅材(以下稱為Mn-Si系)等。這些材料使用於軸襯或建設機械用零件等，因此需要高強度、高硬度，耐磨損性、耐熔執性優異。

附帶一提，CAC301~CAC304、Mn-Si系統(參考例如日本特許文獻1等)中，α相、β相、γ相的比率都會因為α相+β相、β相組織，添加元素的表觀的鋅當量(以下稱為鋅當量)的增減而發生變化。

合金成分中，在鋅當量低的情況下，母相組織為α單相，韌性高，然而強度、硬度、耐磨損性低，在高負重用途時，會發生負荷的重量造成材料變形或磨蝕。在鋅當量高的情況下，因為γ相的析出，而變成β相+γ相，硬度、耐磨損性提升，然而強度、韌性、衝撃值顯著降低，因此無法承受滑動部所產生的衝撃負重。

所以，高負重滑動用途，必須如α相+β相、α相+β相+γ相、β相般，呈現韌性、強度、硬度、耐磨損性、耐衝撃性取得平衡的金屬組織，然而現況中依然無法滿足近年來隨著產業機械零件的輕量化、長壽命化所需要的磨損特性。

亦即可推測高力黃銅系統具有與以鋅當量來繪製的Cu-Zn二元狀態圖有一致性的相組織，將多元系統高力黃銅材改以Cu-Zn二元狀態圖來表示的情況，以鋅當量為50%附近為分界，在β相中會有γ相析出。此γ相為硬質而不具有延性，因此β相+γ相組織會對強度、韌性、耐衝撃性造成顯著的不良影響。所以，在不會產生β相+γ相的範圍添加鋅當量係數高達10的Si會有所限制，難以確保藉由添加Si所得到的耐磨損性提升及強度、韌性、耐衝撃性。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特公昭51-41569號公報

本發明人等鑽研的結果，發現將所添加的Si以及所添加的其他元素全部使用於形成金屬間化合物的情況下，金屬間化合物的形成元素不會在母相中發生固溶，而對母相組織造成的影響輕微。然後進一步摸索的結果，著眼於鋅當量係數低於Zn的1的元素Co、Fe、Mn。這些元素會與Si以一定的比率形成金屬間化合物，而且Si在母相的固溶顯著受到抑制。然而在一定比率以上的情況，Co、Fe、Mn、Si元素會發生固溶，然而Co、Fe、Mn即使在母相中固溶，與Si的鋅當量係數10相比也較低，因此得到對母相組織的影響輕微的結論。藉此，將鋅當量係數高達10的添加Si一定量至Fe、Mn、Co之間，形成Al-Fe-Mn-Si-Co系金屬間化合物，使結晶析出，可保有藉由大量添加Si所得到的高硬度化、高耐磨損特性。所以認為，藉由控制及抑制母相中的固溶元素，可添加最大限度的Si，儘管鋅當量高，γ相也不會析出，可維持強度、韌性、耐衝撃性。

亦即發現藉由控制Si、其他元素在母相中的固溶，儘管鋅當量在50%以上，也不會發生γ相析出造成的強度、韌性、耐衝撃性的劣化，可藉由添加Si謀求耐磨損性提升。

本發明基於上述見解而完成，目的為提供一種耐磨損性銅合金，藉由添加Si，儘管鋅當量在50%以上，也不會產生β相+γ相組織，而具有屬於α相+β相、α相+β相+γ相、β相之任一者的相組織，並且維持強度、韌性、耐衝撃性，保有高水準的耐磨損性。

對於本發明的要旨作說明。

關連於一種耐磨損性銅合金，其特徵為：以質量比而計，含有Zn：10~40%、Al：2~9%、Fe：0.4~3.5%、Ni：0.5~4.0%、Co：0.3~2.0%、Mn：1.0~5.0%、Si：0.3~3.5%、殘餘部分由Cu及無法避免的雜質所構成，並且具有Al-Fe-Mn-Si-Ni-Co系金屬間化合物分散於α相+β相、α相+β相+γ相或β相的至少1者的組織。

另外還關連於如請求項1所記載的耐磨損性銅合金，其中，Fe、Mn、Co及Si的質量比滿足下式(1)：[數1]0.861×Fe(質量%)+0.194×Mn(質量%)+0.487×Co(質量%)≧Si(質量%)．．．(1)

另外還關連於如請求項1所記載的耐磨損性銅合金，其中，將由各元素的質量比藉由下式(2)所得到的值代入下式(3)時，滿足下式(3)：

此處，左邊A^X為將Cu、Sn、Pb、Zn、Al或Ni之任一者的含量代入右邊的X時之值，並以含量代入右邊的X之元素為上標，表示為A^Cu、A^Sn、A^Pb、A^Zn、A^Al或A^Ni。

另外還關連於如請求項2記載的耐磨損性銅合金，其中，將由各元素的質量比藉由下式(2)所得到的值代入下式(3)時，滿足下式(3)：

本發明是如上述般構成，因此藉由添加Si，儘管鋅當量在50%以上，也不會產生β相+γ相組織，而成為具有屬於α相+β相、α相+β相+γ相、β相之任一者的相組織，並且維持強度、韌性、耐衝撃性，保有高水準的耐磨損性的耐磨損性銅合金。

圖1為試樣的金屬組織的電子顯微鏡照片。

圖2表示試樣(實施例)的化學成分組成表。

圖3表示試樣(比較例)的化學成分組成表。

圖4表示試樣(實施例)的化學成分組成表。

圖5表示試樣(比較例)的化學成分組成表。

圖6表示試樣(實施例)的各種特性值之表。

圖7表示試樣(比較例)的各種特性值之表。

圖8為夏比衝撃測試片的說明圖。

圖9表示母相鋅當量與拉伸強度的關係圖。

圖10表示母相鋅當量與延展性的關係圖。

圖11表示母相鋅當量與夏比值的關係圖。

圖12為大越式磨損測試的對象材料的說明圖。

圖13為法維測試片的說明圖。

圖14為法維測試的對象材料的說明圖。

圖15為實施例與比較例的磨損量的比較圖。

圖16為實施例與比較例的磨損量的比較圖。

圖17為實施例與比較例的法維值的比較圖。

以下揭示本發明的作用，對於認為是本發明合適的實施形態作簡單說明。

本發明為一種耐磨損性高力黃銅合金，藉由添加Si，儘管鋅當量高，γ相也不會析出，因此強度、韌性、耐衝撃性不會顯著劣化，藉由使Al-Fe-Mn-Si-Ni-Co系金屬間化合物結晶析出，分散於α相+β相、α相+β相+γ相或β相組織中，謀求耐磨損性提升。

以下針對本發明中如上述方式設定成分組成等的理由作說明。

Zn會在母相中固溶，而決定強度、硬度、耐磨損性、母相組織。依照Zn量，其他添加元素量來決定母相組織為α相、α相+β相+γ相、α相+β相、β相、β相+γ相，若而Zn未達10質量%，則硬度不足，容易發生磨損，而導致耐磨損性的惡化。若Zn超過40質量%，則雖然Zn使母相充分強化，但是在γ相不析出的範圍，藉由Al固溶所得到的強化不足，另外鑄造時的鋅蒸發顯著，因此將Zn的添加量定為10質量%~40質量%。

Al有助於形成金屬間化合物，提升耐磨損性，另外，會在母相中固溶，並決定強度、硬度、耐磨損性、母相組織。依照Al量及其他添加元素量來決定母相組織為α相、α相+β相+γ相、α相+β相、β相、β相+γ相，若Al未達2質量%，則硬度不足，容易發生磨損，而容易導致耐磨損性的惡化。若Al超過9質量%，則β相容易表現出共析變態，α相+β相+γ相中的γ相比例變大，使韌性惡化，因此將Al的添加量定在2質量%~9質量%。

Fe有助於形成金屬間化合物，可提升耐磨損性。若Fe未達0.4質量%，則與Si的化合物形成不足，若Fe超過3.5質量%，則由於在固溶極限附近，熔解時產生熔融殘渣，而成為硬點(hard spot)，因此將Fe的添加量定為0.4質量%~3.5質量%。

Ni有助於形成金屬間化合物，可提升耐磨損性。另外，會在母相中固溶，而提升母相強度。若Ni未達0.5質量%，則藉由Ni固溶所得到的母相強化不足，若Ni超過4.0質量%，則無法得到與成本符合的效果，因此將Ni的添加量定為0.5質量%~4.0質量%。

Co有助於形成金屬間化合物，提升耐磨損性。若未達0.3質量%，則無法發揮藉由金屬間化合物球狀化所得到的延性提升，而且與Si的化合物並未充分形成。若Co超過2.0質量%，則無法得到與成本符合的效果，因此將Co的添加量定在0.3質量%~2.0質量%。

Mn有助於形成金屬間化合物，提升耐磨損性。若Mn未達1.0質量%，則並未充分形成金屬間化合物，導致耐磨損性的惡化。另外，若Mn超過5.0質量%，則因為針狀金屬間化合物生成過多，延性惡化。所以，將Mn的添加量定在1.0質量%~5.0質量%。

Si與上述Al、Ni、Fe、Co、Mn形成金屬間化合物，可提升耐磨損性。若Si未達0.3質量%，則並未充分形成金屬間化合物，導致耐磨損性的惡化。若Si超過3.5質量%，則需要大量的Fe、Mn、Co來抑制在母相的固溶，一併產生大量的金屬間化合物並且結晶析出，造成延性降低，因此將Si的添加量定在0.3質量%~3.5質量%。

更具體而言，本發明是以抑制Si在母相中的固溶，高鋅當量造成的γ相析出不會發生為主旨，在Si存在一定比率以上的情況，固溶於母相中，助長γ相析出，而導致強度、韌性、耐衝撃性的惡化。於是，為了抑制Si在母相的固溶，必須滿足上述式(1)。

上述式(1)表示Fe、Mn、Co在1質量%附近與Si鍵結的質量%，在滿足左邊≧右邊的情況下，Si在母相中的固溶不會發生。然而因為與其他含有的元素的平衡，而發生γ相析出，因此可達成滿足上述式(1)而且滿足上述式(3)，並以一定量保持與其他元素的平衡而不會發生γ相析出的構成。另外，以下將上述式(3)的右邊所計算出的值稱為母相鋅當量。

[實施例]

藉由圖式對本發明具體的實施例作說明。

將本發明合金所關連的試樣的化學成分組成表示於圖2、3。No.1~8為滿足本發明申請專利範圍全部的實施例、No.9~17為比較例(各成分的單位為質量%。滿足式(1)及式(3)的情況以○來表示，不滿足的情況以×來表示)。使用高頻熔解爐，分別將這些合金熔解，鑄造JIS H 5120 B號金屬模具各兩個。

由B號金屬模具採取JIS Z 2201 4號拉伸測試片，依照JIS Z 2241進行拉伸測試。測試後，以20mm將拉伸測試片的夾具部切斷，並以樹脂包埋，實施鏡面研磨後，以光學顯微鏡進行金屬組織觀察，針對α、β、γ相的有無，將觀察到的金屬組織表示於圖1。

此外，鋅當量是藉由Guillet的鋅當量係數，依照下式(4)求得。

鋅當量(%)=(Y+Σqt)/(X+Y+Σqt)×100(質量%)…(4)

式(在4)之中，X為合金中實際的Cu含有率(質量%)、Y為合金中實際的Zn含有率(質量%)、q為Cu、Zn以外的元素含有率(質量%)、t為Cu、Zn以外的元素的鋅當量係數。並且，各元素的鋅當量係數為Zn=1、Si=10、Al=6、Sn=2、Pb=1、Fe=0.9、Mn=0.5、Ni=-1.3。此外，Co的鋅當量係數並沒有明確規定，而在本說明書中以0.5來計算。

另外，為了測得耐衝撃特性，在圖4、5的No.18~27成分合金之中，採取JIS Z 2202 V缺口測試片(圖8)，依據JIS Z 2242，在室溫下進行夏比衝撃測試。

圖4、5所示的No.18~22的實施例、No.23~26的比較例的CAC301~CAC304試樣、No.27的比較例的Mn-Si系(專利文獻1)試樣，是分別使用高頻熔解爐，並使用JIS H 5120 B號金屬模具來製作。

由這些試樣評估耐磨損性、耐熔執性。

耐磨損性是採用乾式，藉由大越式磨損測試來評估。

．測試片形狀 10t×20w×80L

．對象材料 SCM415滲碳淬火HRC56~59(圖12)

．測試速度 0.055、0.101、0.310、0.512m/S各3次

．負重初期負重4.5N最終負重67N

．測試距離 200m

以表面積大的一面為測試面，將測試片固定，以對象材料從垂直方向抵住，並使其旋轉。連續增加負重，測試距離到達200m時為67N。評估是由測試片的測試前、測試後的重量變化計算出比磨損量，比磨損量愈大，耐磨損性評為愈差。

耐熔執性評估是浸漬在油中，藉由法維(Faville)測試來進行評估。

．測試片圖13

．對象材料 SCM415滲碳淬火HRC56~59(圖14)

．測試速度 300rpm

．測試負重 30kgf/s

．油種 Shell Turbo Oil T32

以對象材料夾住測試材，由對象材料側連續增加負重，並使針旋轉。

評估是測定至產生熔執的階段為止對試樣的作功量(kgf．s)，定為法維值。法維值愈小，則耐熔執性評為愈差。

將金屬組織、拉伸測試、夏比測試結果表示於圖1、6、7、9、10、11，將大越式磨損測試、法維測試結果表示於圖15、16、17。

由圖1可確認本實施例的金屬組織為Al-Fe-Mn-Si-Ni-Co系金屬間化合物在母相(α相+β相+γ相或β相) 中結晶析出，呈現分散的組織。此外，在母相為α相+β相的情況，也確認了若Al-Fe-Mn-Si-Ni-Co系金屬間化合物結晶析出，呈分散的組織，則具備與本實施例同樣優異的耐磨損特性。

在圖2、3的No.9~17之中，如圖1般，觀察到β相+γ相。這些比較例不滿足式(1)或式(3)，因此母相成為β相+γ相組織。結果，不滿足式(1)的合金No.16、17由於具有β相+γ相，因此拉伸強度、延展性低於No.1~8。另外，由β相+γ相所構成的合金No.9~15不滿足式(3)，因此如圖9、10、11所示般，觀察到各種特性的降低，尤其在圖9的拉伸強度之中，觀察到顯著降低。由這些結果可知，為了確保一定量的機械性質，必須在滿足式(1)及式(3)的範圍內製作出合金。

由上述結果可知，在母相為β相+γ相組織時，機械性質惡化，因此必須滿足式(1)及(3)，在滿足這些條件的範圍所製作出的試樣的磨損特性如圖15、16、17所記載的結果。

圖15、16為大越式磨損測試(磨損速度0.055m/s，0.101m/s)的結果，實施例(No.18~22)與比較例(No.23~27)相比，磨損量較少，算是保有優異的耐磨損性。

圖17表示法維測試結果，而此結果也顯示實施例(No.18~22)與比較例(No.23~27)相比，算是保有較優異的耐熔執性。

由以上結果看來，實施例由於抑制了Si在母相的固溶，且與其他元素取得平衡，儘管鋅當量在50%以上，母相並非由β相+γ相組織所構成，因此成為保有一定量的強度、韌性、耐衝撃性，而且具備優異的耐磨損特性的耐磨損性高力黃銅合金。所以，由這些成分所構成的本發明的合金，算是適合於軸襯、軸承等的滑動構件的材料。

Claims

一種耐磨損性銅合金，其特徵為：以質量比而計含有Zn：10~40%、Al：2~9%、Fe：0.4~3.5%、Ni：0.5~4.0%、Co：0.3~2.0%、Mn：1.0~5.0%、Si：0.3~3.5%，殘餘部分由Cu及無法避免的雜質所構成，並且具有Al-Fe-Mn-Si-Ni-Co系金屬間化合物分散於α相+β相、α相+β相+γ相或β相的至少1者的組織，將由各元素的質量比藉由下式(2)所得到的值代入下式(3)時，滿足下式(3)，此處，左邊A^X為將Cu、Sn、Pb、Zn、Al或Ni之任一者的含量代入右邊的X時之值，並且以含量代入右邊的X之元素為上標，表示為A^Cu、A^Sn、A^Pb、A^Zn、A^Al或A^Ni，
如申請專利範圍第1項的耐磨損性銅合金，其中Fe、Mn、Co及Si的質量比滿足下式(1)：0.861×Fe(質量%)+0.194×Mn(質量%)+0.487×Co(質量%)≧Si(質量%)‧‧‧(1)。