WO2007080824A1

WO2007080824A1 - 銅系焼結摺動部材

Info

Publication number: WO2007080824A1
Application number: PCT/JP2007/000012
Authority: WO
Inventors: Shoichiro Iwahashi; Kazuo Kato; Takehiro Shirosaki; Takashi Kikkawa
Original assignee: Oiles Corporation
Priority date: 2006-01-16
Filing date: 2007-01-15
Publication date: 2007-07-19
Also published as: CN101370950A; EP1975260B1; US20100279139A1; CN102773488A; CA2636900A1; CA2636900C; JP2014208914A; EP1975260A1; KR20080087815A; KR101344964B1; JPWO2007080824A1; JP5613973B2; JP5783303B2; EP1975260A4; US8142904B2

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

明細書

銅系焼結摺動部材

技術分野

[0001 ] 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。

背景技術

[0002] 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 C u _ S n—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〜 1 1重量％、鉛 1〜 3 0重量％、球状力—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）。

[0003] 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。

[0004] 特許文献 1 ：特開平 7 _ 1 3 8 6 8 1号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] 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。課題を解決するための手段

[0006] 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、 C u _S n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。

[0007] 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⁰ /oとマンガン 0. 1〜35重量⁰ /oと固体潤滑材 2〜2 5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。

[0008] 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。

発明の効果

[0009] 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。

発明を実施するための最良の形態

[0010] 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。

[0011] 錫（S n) 成分は、主成分の銅（C u) 成分と合金化して C u _S n合金

(青銅）を形成する。 S n成分は、 C u _S n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。 S n成分の含有量は、 0. 5〜20重量％、好ましくは 5〜20重量％である。 S n成分の含有量が 0. 5重量％未満の場合は、 C u _ S n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— S n合金マトリックスが脆くなるという欠点がある。

[0012] 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_S n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。 M n成分の含有量が、例えば、 1 0重量％を超えると、 C u _S n合金マトリックスに硬質の C u _S n_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_S n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。

[0013] 固体潤滑材成分は、 C u _S n _M n合金マ卜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（M oS₂) 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 C u-S n合金マ卜リックス中の硬質相の析出割合に応じて決定され、 2〜 2 5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 1 0〜25重量％でぁる。

[0014] 銅（C u) 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 S n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。 C u 成分の含有量は、銅系焼結摺動部材の全体量から S n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 C u成分、 S n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、 F e、 Aし S i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。

[0015] 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。

[0016] 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（S PCC： J I S-G-3 1 4 1) 、冷間圧延ステンレス鋼板（S US : J I S_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（J I S_H_3 1 00 ) 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、防鲭を目的として鋼板の表面に C uメツキを施してもよい。

[0017] 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。

[0018] 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 75 m以下、好ましくは 45 m以下の電解 C u粉末に粒径が通常 75 m以下、好ましくは 45 m以下のアトマイズ S n粉末 0. 5〜 20重量％と粒径が通常 45 m以下の M n粉末 0. 1〜 35重量％と粒径が通常 1 50 m以下、好ましくは 1 06 m以下の固体潤滑材粉末 2〜 2 5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 2〜7 t o n Z cm²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ァ分解ガス、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°C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。

[0019] 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、 5门成分が0. 5〜20重量％、 1\1门成分が0. 1〜 35重量％、固体潤滑材成分が 2〜25重量％および残余部が C u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. 5 mm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°Cの温度で通常 1 0〜30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. Omm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°Cの温度で通常 1 0〜30分間焼結し、複層銅系焼結摺動部材を製造する。

[0020] 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、 C u粉末と S n粉末をそれぞれ単体で使用する代わりに、 C u _S n 合金粉末を使用することも出来る。

実施例

[0021] 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。

[0022] 実施例 1 ：

粒径が 45 m以下の電解 C u粉末に粒径が 45 m以下のァ卜マイズ S n粉末 1 0重量％と粒径が 45 m以下の Mn粉末 6重量％と粒径が 1 50 U m以下の天然黒鉛粉末 5重量％を V型ミキサ一に投入して 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 2 t o nZ cm²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°Cの温度で 60分間焼結し、冷却した後、機械加ェを施して一辺 30mm、厚さ 5 mm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。

[0023] 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。

[0024] 比較例 1 ：

粒径が 45 m以下の電解 C u粉末に粒径が 45 m以下のァ卜マイズ S n粉末 1 0重量％と粒径 1 50 m以下の天然黒鉛粉 5重量％を型ミキサ一に投入して 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 5 mm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。

[0025] 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。

[0026] 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。

[0027] [表 1] 荷重（面圧）： 19. 6MP a (200kg f/cm2)

速度： 3 m/m i n

相手材：機械構造用炭素鋼（S 45 C)

試験時間： 20時間

[0028] [表 2]

[表 3]

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_S n7 h リックス中に硬質の C u-S n _M n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。

[0031] 実施例 6 ：

粒径が 45 m以下の C u _ 1 0重量％S nァ卜マイズ合金粉末と粒径が

45 m以下の M n粉末 2. 5重量％と粒径が 1 50 m以下の天然黒鉛粉末 20重量％を型ミキサーに投入して 20分間混合し、混合粉末（C u ： 69. 8重量％、 S n ： 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 4 t o nZ cm²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°Cの温度で 60分間焼結し、冷却した後、機械加ェを施して一辺 3 Omm、厚さ 5 mmの方形状焼結摺動部材を作製した。

[0032] 実施例 7〜 1 1 ：

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。

[0033] 比較例 2 ：

粒径が 45 m以下の C u _ 1 0重量％S nァ卜マイズ合金粉末と粒径が 1 50 m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（C u ： 72. 0重量％、 S n ： 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

5 mmの方形状焼結摺動部材を作製した。

[0034] 上記実施例 6〜 1 1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。

[0035] [表 4]

荷重（面圧）：初期荷重 2. 94MP a (30kg f cm^) で、 20分間毎に

2. 94MP a ( 30 k g fノ c m²) ずつ累積負荷

速度： 1 m/m i n

相手材：機械構造用炭素鋼（S 45 C)

潤滑：無潤滑

[0036] [表 5]

[0037] [表 6]

[0038] 上述の試験結果から、実施例 6〜 1 1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. 8MP a (600 k g f /cm²) 〜 79. 4MP a (8 1 0 k g f Zcm²) 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〜 1 1の焼結摺動部材は、 C u _S nマトリックス中に硬質の C u -S n _ M n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。

[0039] 実施例 1 2 ：

粒径が 45 m以下の電解 C u粉末に粒径が 45 m以下のァ卜マイズ S n粉末 1 0重量％と粒径が 45 m以下の Mn粉末 2. 5重量％と粒径が 1 50 m以下の天然黒鉛粉末 1 5重量％を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. 7 mmの鋼板（冷間圧延鋼板： S P CC) 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°C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°C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 3 Omm、厚さ 2 mmの方形状の複層からなる銅系焼結摺動部材を作製した。

[0040] 実施例 1 3〜 1 5 ：

実施例 1 2において、表 8に示す様に組成を変更した以外は、実施例 1 2 と同様の方法により、焼結摺動部材を作製した。

[0041] 比較例 3 ：

粒径が 45 m以下の電解 C u粉末に粒径が 45 m以下のァ卜マイズ S n合金粉末 1 0重量％と平均粒径が 75 mのスタンプ鉛（ P b ) 粉末 1 0 重量％および粒径が 1 50 m以下の天然黒鉛粉末 3重量％を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 1 2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。

[0042] 上記実施例 1 2〜 1 5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。

[0043] [表 7]

荷重（面圧）：（1) 19. 6MP a (200 kg f cm2) 及ぴ

(2) 29. 4MP a (300 kg f /cm^) 速度： 1 m/ m i n

相手材：機械構造用炭素鋼（ S 45 C)

試験時間： 20時間

潤滑：無潤滑

[0044] [表 8]

上述の試験結果から、実施例 1 2〜1 5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 1 9. 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. 4MP aの荷重条件において固体潤滑材の P b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. 4ΜΡ a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 1 4及び 1 5 の複層焼結摺動部材は、 Cu_S nマトリックス中に硬質の Cu_S n_M n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

請求の範囲

[1] 錫 0. 5〜20重量⁰ /oとマンガン 0. 1〜35重量⁰ /oと固体潤滑材 2〜2 5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. 1〜3 5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。