WO2010126026A2 - 鉛フリー銅系焼結摺動材料及び摺動部品 - Google Patents

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淳 小山
奈穂美 濱口
佳央 毛利
裕美 横田
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Definitions

  • the present invention relates to a sliding material obtained by sintering copper or a copper alloy, and in particular, lead-free having excellent sliding characteristics even without containing Pb, which is included for imparting conformability and seizure resistance.
  • the present invention relates to a copper-based sintered sliding material and a sliding component.
  • Common copper alloys are specified in bronze alloy ingots for casting (JIS H 2203), phosphor bronze ingots for casting (JIS H 2204), and brass ingots for casting (JIS H 2205). Furthermore, wrought phosphor bronze (JIS C5191) and wrought brass (JIS C2801) are also specified. A sintered alloy obtained by sintering these same components is used as a sliding material.
  • a sliding material is a material for controlling the friction coefficient between two opposing objects.
  • a material intended to lower the friction coefficient for example, a material for engine metal
  • a friction coefficient for example, a material for engine metal
  • the sliding material in the present invention is a material for the purpose of lowering the coefficient of friction. Specifically, it is used for parts such as automobiles, motorcycles, construction machines, etc., bearings of general machines, and washers.
  • Sintered materials of bronze and phosphor bronze have basic components to achieve the above-mentioned purpose of copper-based sliding materials, and are used for bearings in automatic transmissions.
  • An end bearing which is a specific application, is a sliding member that is used in a one-way clutch portion of a transmission gear in an automatic transmission and is located between an outer ring and an inner ring. The driving force is transmitted smoothly by sliding the outer circumference of the end bearing with the outer ring and the inner circumference with the inner ring.
  • a sliding bearing for supporting a load generated in the radial direction when one of the outer ring and the inner ring rotates is called an end bearing.
  • the planetary pinion washer which is another application, is used between the pinion gear and the carrier of the planetary gear portion which is a main component of the automatic transmission.
  • hard particles are also added, and the types of hard particles include Fe 2 P, Fe 3 P, FeB, Fe 3 B, Co, Co-based self-fluxing alloy, Ni-based self-fluxing alloy, Fe-Cr, Fe-Mn, Fe-Ni, Fe-Si, Fe-W, Fe-Mo, Fe-V, Fe-Ti, Fe-Nb, CuP ( Patent Document 1: Japanese Patent No. 3298636), Aluminum Nitride (Patent Document 2: Japanese Patent No. 3370785); Fe-Mn-Si Hard Material (Patent Document 3: Japanese Patent No. 3929288); Cu-Al Intermetallic Compound (Patent Document 4: Japanese Patent Laid-Open No. 2002-256731).
  • Patent Document 5 WO2005 / 068671.
  • This material contains 1 to 30% Bi, 10 to 50% hard particles such as Fe 2 P, Fe 3 P, FeB, Fe 2 B, and Fe 3 B, and a finer Bi phase than the hard particles has a copper matrix.
  • the contact length ratio of the hard particles to the entire circumference of the Bi phase is a copper alloy sintered material of 50% or less.
  • Bi-containing lead-free copper alloy sintered material has excellent seizure resistance because Bi can be finely and uniformly dispersed in the copper alloy as a soft phase, and Bi has non-adhesion to iron and has a low melting point. It has sex. For this reason, Bi addition is currently the best means in terms of making the copper alloy sliding material lead-free and keeping the seizure resistance equivalent to that of the lead-containing copper alloy sliding material. Used in parts (Non-Patent Document 1: Tribologist Vol. 53 / No. 9/2008, pages 599-604).
  • Patent Document 6 in which Mo oxide and Cu sulfide are added: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-37178
  • Patent Document 7 in which a sulfate compound and graphite are added: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-179692 and MoS 2 particles are plated
  • Patent Document 8 Japanese Patent Laid-Open No. 2006-37179 has been proposed. Further MoS 2 and graphite is expensive.
  • Japanese Patent No. 3298636 Japanese Patent No. 3370785 Japanese Patent No. 3929288 Japanese Patent Laid-Open No. 2002-256731 WO2005 / 068671 JP 2006-37178 A JP 2005-179692 A JP 2006-37179 A Japanese Patent No. 3274161 Japanese Patent No. 3657742
  • the present inventors have intensively studied to exceed the level of the prior art described above, and are selected from the group consisting of talc (talc), mica (mica), kaolinite mineral (kaolinite mineral) and montmorillonite mineral.
  • Lead-free copper-based sintered sliding material made of copper or copper alloy containing at least one kind of mineral, and materials that use conventional additives if necessary, and the invention of sliding parts. It was. That is, the sliding material of the present invention must contain copper (alloy) that does not contain Pb as a main component, and talc, mica, kaolinite mineral and / or montmorillonite mineral (hereinafter collectively referred to as “mineral component”). Ingredients.
  • the overall configuration of the sintered material according to the present invention will be described. 50% by mass or more of copper or copper alloy, mineral component, 20% by volume or less of known solid lubricant, hard particles, etc.
  • mineral component talc, mica, kaolinite mineral and / or montmorillonite mineral are essential components, and the preferred content is 0.05% to 10% by volume. If the proportion of the mineral component exceeds 10% by volume, the sliding characteristics are impaired.
  • Copper (alloy) and mineral components contain unavoidable impurities, and in the case of mineral components, decomposition products inevitably generated during the production of the sintered material of the present invention and gangue derived from the mountains are also impurities. Included as Hereinafter, it demonstrates in order of copper (alloy), an ore component, an arbitrary component, and a manufacturing method.
  • the ratio of copper (alloy) to the entire sintered sliding material is preferably 80 to 99% by mass, more preferably 90 to 99% by mass, and most preferably 95 to 99% by mass. If the proportion of copper (alloy) is too small, the strength of the sintered material is insufficient, while if the proportion of copper (alloy) is too large, the wear resistance and seizure resistance are insufficient.
  • Copper may be pure copper, and in the case of a copper alloy, it may contain one or more of the following additive elements. That is, various components can be contained in the following ratios relative to the copper alloy.
  • Sn A common additive element of bronze, Sn that enhances sinterability and sliding characteristics can be contained preferably in an amount of 15% by mass or less, more preferably 3 to 10% by mass.
  • B P, which forms a liquid phase and facilitates sintering, is preferably 1% by mass or less, more preferably 0.01 to 0.2% by mass.
  • Bi Bi can be contained in an amount of 0.1 to 10% by mass, which produces a liquid phase and improves the conformability and seizure resistance.
  • the above-described components (excluding Zn) can be contained in a total amount of 30% by mass or less. When it contains Zn, it can contain the said component of 40 mass% or less in total amount.
  • the talc is a pyrophyllite mineral and has the following properties (a) to (e).
  • the composition formula is represented by Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 2 .
  • Mohs hardness is 1.
  • the mineral form of SiO 2 which is the main component of the talc composition represented by (b) above is quartz (Mohs hardness 7), tridymite (Mohs hardness 7), cristoballite (Mohs hardness 6.5) Since it is stishovite (Mohs hardness 8.5-9), it is a harder mineral than talc and does not have a layer structure (c).
  • (C) The crystal structure of talc is composed of [Si 2 O 5 ] n 2 n- layer and Mg (OH) 2 layer, and each layer is bonded by weak van der Waals force. easy. Mineralogically, the cleavage is complete to ⁇ 001 ⁇ , but from the viewpoint of the sliding material, it does not have a remarkable low friction property due to cleavage like MoS 2 . In other words, talc does not have the low frictional properties like MoS 2 that has been used as a sliding property improver for copper alloys, but it has the stability of the friction coefficient described with reference to FIGS. The inventors have discovered and confirmed that they are effective as additives for improving sliding properties.
  • (D) True specific gravity: 2.7 to 2.8.
  • FIG. 1 is a graph showing the results of a thrust test of the friction coefficients of talc-added copper alloy sintered material, lead-containing bronze sintered material, and lead-free bronze sintered material.
  • the test conditions are as follows. Circumferential speed: 1m / s Load: 1MPa step up (15min-step) Lubricating oil Liquid paraffin oil supply temperature 50 °C Lubrication amount (setting): 0.13L / min
  • the above-mentioned lead-containing bronze and lead-free bronze increase and decrease the friction coefficient instantaneously when the load is increased in stages (the friction coefficient increase / decrease period is that of lead-free bronze).
  • the talc-added copper alloy sintered material has a coefficient of friction of about 0.05 and remains almost constant, and does not show a peak change although it fluctuates slightly. Since wear occurs when the coefficient of friction increases momentarily in this way, bronze wears more. Furthermore, since the hardness of talc is low (above (b)), it is generally considered that the wear resistance is poor. However, because of the layer structure (c), the friction coefficient is stabilized, resulting in wear resistance. Is considered to be favorable.
  • FIG. 2 is a graph showing the results of measuring the friction coefficient of talc-added copper alloy sintered material and lead-free bronze by an adhesion sliding test.
  • the test conditions are as follows. Speed: 0.06m / s Load: 500g Lubrication Dry temperature: 1 50 °C Sliding: 15mm once in one direction
  • Speed 0.06m / s Load: 500g Lubrication Dry temperature: 1 50 °C
  • Sliding 15mm once in one direction
  • the talc-added copper alloy sintered material has a stable friction coefficient
  • lead-free bronze without talc has a higher coefficient of friction. And reach a very high maximum. Therefore, it is considered that the talc-added copper alloy sintered material is stable with a low coefficient of friction, and as a result, wear resistance is improved.
  • the chemical composition is KAl 2 ⁇ AlSi 3 O 10 (OH) 2 , KMg 3 ⁇ AlSi 3 O 10 (OH) 2, etc.
  • Mohs hardness is 2.5 to 4 for muscovite and 2.5 to 3 for biotite, which is soft.
  • C Mica is a silicate-based mineral having the same hexagonal network structure as talc, and the crystal structure is a layered mineral composed of a tetrahedral layer and an octahedral layer, and thus is easily peeled off between layers.
  • D True specific gravity: 2.8-3.0.
  • E Available in a flake form.
  • the properties of kaolinite mineral are as follows.
  • montmorillonite mineral The properties of montmorillonite mineral are as follows.
  • A The chemical composition of montmorillonite is expressed as (Na, Ca) 0.33 (Al, Mg) 2 Si 4 O 10 (OH) 2 .nH 2 O.
  • B Mohs hardness is 1-2.
  • C It has a layered structure and is cleaved.
  • D Not in the form of clay-like montmorillonite (referred to as bentonite) but in the form of particles of 10-100 ⁇ m is available.
  • Clay-like montmorillonite has the effect of stabilizing the frictional properties of copper alloys as clay in sliding materials, but it fundamentally improves the sliding properties of sliding copper alloys like talc. do not do.
  • Montmorillonite in the form of mineral powder of a certain size has a large area in contact with the mating shaft, and fundamentally improves the sliding characteristics like talc.
  • E The true specific gravity is 2.4.
  • the mineral-added copper alloy sintered sliding material according to the present invention can contain 20 vol% or less of arbitrary components in total. Specifically, graphite, MoS 2 , WS 2 and the like can be added in an amount of 0.1 to 5% by mass, particularly 3% by mass or less in order to impart low friction.
  • hard particles those listed in paragraphs 0005 and 0006 can be added in order to improve wear resistance and seizure resistance.
  • Fe 2 P, Fe 3 P, FeB, AlN, Mo 2 C, BN, SiO 2 , Si 3 N 4 or the like having a particle size of 50 ⁇ m or less can be added in an amount of 5% by mass or less.
  • enstatite When talc is sintered with a copper alloy, depending on the sintering conditions, it is inevitable that a part of the talc decomposes at 450-600 ° C and changes to enthatite.
  • the properties of enstatite are as follows.
  • (C) The unit cell of diopside has a structure in which twins are repeated. Enstatite is harder than talc and does not have a layered structure.
  • talc a considerable amount, specifically less than about 10% by volume of enstatite, hinders the properties of the copper-based sintered alloy sliding material of the present invention. Absent. Nevertheless, the amount of enstatite preferably does not exceed the amount of talc. Impurity minerals having similar properties derived from Yamamoto, which has the same Mohs hardness as Enstite, can be handled in the same way.
  • the manufacturing method of the mineral addition copper (alloy) sintered sliding material which concerns on this invention is demonstrated.
  • a copper (alloy) powder with an average particle size of 150 ⁇ m or less, a mineral component powder with an average particle size of about 20 ⁇ m, and optional components, if necessary, and then mix these powders thoroughly.
  • intermediate rolling is performed, and secondary sintering is performed again within the same sintering condition range as the primary sintering.
  • rolling can be performed at a processing rate of 10% or less for adjusting hardness and dimensions.
  • a desired part shape such as a bush is finished, and the surface roughness of the sliding surface contacting the shaft is adjusted to a desired value by machining such as cutting.
  • the thickness of the sintered layer is preferably 200 to 700 ⁇ m.
  • the talc-added copper alloy sintered sliding material (2) of the present invention improves the performance of lead-free bronze (1), and it is clear that talc is a sliding performance improving component. Furthermore, although the material (2) does not contain Bi or Pb, its performance is comparable to Pb / hard particle-added bronze (6) and Bi / hard particle-added bronze (7). Similarly, the talc / Bi-added copper alloy sintered sliding material (3) of the present invention is comparable to Pb / hard particle-added bronze (6) and Bi / hard particle-added bronze (7). The three-step evaluation is the same for mineral components other than talc.
  • Example 1 A copper alloy sintered material having the composition shown in Table 2 was prepared using the following raw materials. Copper alloy: Cu-3 to 10% Sn alloy powder, optionally containing Al, Ni, In, etc., atomized powder with an average particle size of 150 ⁇ m or less. Mineral component: Ore sifted powder with an average particle size of 23 ⁇ m, but enstatite has an average particle size of 25 ⁇ m. Graphite: Average particle size 25 ⁇ m MoS 2 : Average particle size 23 ⁇ m In Table 2, Sn, P, Bi, etc. of the copper alloy component indicate the content as a percentage with respect to the copper alloy, and the mineral component and the optional component indicate the content with respect to the entire material.
  • Copper alloy Cu-3 to 10% Sn alloy powder, optionally containing Al, Ni, In, etc., atomized powder with an average particle size of 150 ⁇ m or less.
  • Mineral component Ore sifted powder with an average particle size of 23 ⁇ m, but enstatite has an average particle size of 25 ⁇
  • the above raw material powder is mixed with a V-type blender and sprayed on a steel plate with a thickness of 1.5 mm to a thickness of 800-1200 ⁇ m.
  • a V-type blender was sprayed on a steel plate with a thickness of 1.5 mm to a thickness of 800-1200 ⁇ m.
  • rolling was performed so that the thickness of the sintered layer was reduced by 500 ⁇ m, and secondary sintering was performed again under the same conditions.
  • the obtained bimetallic material was processed into a bush, and a seizure resistance test and an abrasion resistance test were performed under the following conditions.
  • talc decomposes to about 50% enstatite under the above sintering conditions. Therefore, the amount of talc shown in Table 2 is a blending amount.
  • test numbers 1 to 20 are examples of the present invention, and test numbers 21 to 27 are comparative examples. Since Comparative Examples 19 to 26 do not contain a mineral component, the seizure resistance is inferior. Further, Comparative Example 27 has poor seizure resistance because the mineral component is composed only of enstatite. Examples of the present invention are classified as follows. (A) Does not contain solid lubricant (1-14) (A) Does not contain Bi (1-13) (B) Containing Bi (14) (B) Containing solid lubricant (15, 16) Arrangement in the order of excellent sliding characteristics is (b)>(b)> (b) (a)> comparative example.
  • the present invention can improve the wear resistance and seizure resistance of bronze and lower the material price, so that sliding parts are required to have further improved characteristics and cost reduction.
  • the place that contributes to the industry is big.
  • the price of copper and phosphor bronze which are the standard for the price of sintered copper alloy sliding materials, is about 300 to 1000 yen / kg.
  • Conventional additives that have been added to improve the sliding properties work mostly in the direction of increasing the price, starting with about 2,000 yen / kg of bismuth. An exception is lead, which lowers the price of copper alloy sliding materials, but is regulated because it is an environmentally hazardous substance.
  • bismuth is not only used as a sliding material as a substitute for lead, but also widely used as a cutting component, so there is a concern that the supply of bismuth will be insufficient in the future. There is no such concern for talc. Furthermore, the cost can be reduced without impairing the performance of the lead-free Bi-containing copper alloy sintered sliding material that currently achieves the highest sliding characteristics.

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Abstract

【課題】鉛フリー青銅焼結材料の耐摩耗性を向上する。 【解決手段】滑石、雲母、及び/又はカオリナイト鉱物と銅又は銅合金とからなる鉛フリー銅系焼結摺動材料。

Description

鉛フリー銅系焼結摺動材料及び摺動部品
　本発明は、銅又は銅合金を焼結した摺動材料に関するものであり、特に、なじみ性及び耐焼付性を付与するために含有されるＰｂを含有しないでも優れた摺動特性を有する鉛フリー銅系焼結摺動材料及び摺動部品に関するものである。
　一般的銅合金は、鋳物用青銅合金地金(JIS H 2203),　鋳物用りん青銅地金(JIS H 2204),鋳物用黄銅地金（JIS H 2205）に規定されている。さらに展伸用りん青銅（JIS C5191）、展伸用黄鋼（JIS C2801）も規定されている。これらと同じ成分を焼結した焼結合金が摺動材料として使用されている。
　一般的に摺動材料とは、相対する二物体間の摩擦係数を制御するための材料であり、摩擦係数を低くすることを目的とする材料（例えば、エンジンメタル用材料）と、摩擦係数を高くすることを目的とする材料（例えばブレーキ用材料）の二つに大別できる。
　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。
　青銅やりん青銅（JIS H 2204, PbCIn2 及び3）の焼結材料は、銅系摺動材料の上記目的を達成するために基本的成分をもっており、オートマチックトランスミッションの軸受などに使用されている。具体的用途である、エンドベアリングは、オートマチックトランスミッション内の変速ギヤのワンウェイクラッチ部に使用され、外輪と内輪との間にある摺動部材である。このエンドベアリングの外周が外輪と、内周が内輪と摺動することにより、駆動力を滑らかに伝達させる。この外輪または内輪の一方が回転している時に、それぞれの半径方向に発生する荷重を支持するためのすべり軸受をエンドベアリングという。他の用途であるプラネタリピニオンワッシャは、オートマチックトランスミッションの主要構成要素であるプラネタリギヤ部のピニオンギヤとキャリアとの間に使用さている。
また、上記した青銅などの耐摩耗性を高めるために、硬質粒子を添加することも行なわれており、硬質粒子の種類としては、Fe2P,Fe3P,FeB,Fe3B,Co, Co系自溶合金, Ni系自溶 合金、Fe-Cr,Fe-Mn, Fe-Ni,Fe-Si, Fe-W, Fe-Mo,Fe-V, Fe-Ti,Fe-Nb, CuP（特許文献１：特許第３２９８６３６号）、窒化アルミ（特許文献２：特許第３３７０７８５号）；Fe-Mn-Si系硬質物（特許文献３：特許第３９２９２８８号）；Cu-Al金属間化合物（特許文献４：特開２００２－２５６７３１号）などがある。
　従来の銅系焼結摺動材料に含有されていたPbは環境負荷物質であるために、PbをBiで置換えた材料が例えば特許文献５：ＷＯ２００５／０６８６７１に提案されている。この材料は、Bi 1～ 30％、Fe2P,Fe3P,FeB,Fe2B,Fe3Bなど硬質物粒子 10～ 50％を含有し、硬質物粒子より微細なBi相が銅マトリックス中に分散しているか、あるいは硬質物粒子と接触している Bi相に関し、該Bi相の全周に対する硬質物粒子の接触長さ割合が50％以下である銅合金焼結材料である。 
　Bi含有鉛フリー銅合金焼結材料は、Biが銅合金中に微細かつ均一に軟質相として分散でき、またBiは鉄に対する非凝着性を有しかつ融点が低いために、優れた耐焼付性を有している。このため、銅合金摺動材料を鉛フリーとしかつ耐焼付性を鉛含有銅合金摺動材料と同等に保つという面では、現在のところBi添加は最も優れた手段であり、オートマティックトランスミッションの摺動部品に使用されている（非特許文献１：トライボロジストVol.53/No.9/2008、第５９９～６０４頁）。
一般的な固体潤滑剤である黒鉛やMoS２を銅合金焼結材に分散させることも公知であるが、黒鉛は銅に対する焼結性がすぐれない、MoS2は焼結温度で分解するなどの問題があるので、酸化Moと硫化Ｃｕを添加する特許文献６：特開２００６－３７１７８号公報、硫酸塩化合物及び黒鉛を添加する特許文献７：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。
特許第３２９８６３６号 特許第３３７０７８５号 特許第３９２９２８８号 特開２００２－２５６７３１号 ＷＯ２００５／０６８６７１ 特開２００６－３７１７８号公報 特開２００５－１７９６９２号公報 特開２００６－３７１７９号公報 特許第３２７４１６１号 特許第３６５７７４２号
トライボロジストVol.53/No.9/2008、第５９９～６０４頁
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。
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）、雲母（mica）、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種の鉱物を含有する銅又は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、雲母、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。
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％以上の銅又は銅合金と、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、雲母、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。
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。
銅は純銅であってよく、銅合金の場合は次の1種以上の添加元素を含有することができる。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。
続いて、本発明が最も特徴とする鉱物成分について説明する。
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。
荷重をステップアップ方式で増加させて摩擦係数を測定した結果を示すグラフである。 付着すべり試験の結果を示すグラフである。
耐摩耗性
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。
図２は、滑石添加銅合金焼結材料及び鉛フリー青銅の摩擦係数を付着すべり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。
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。
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。
続いて、別の添加剤である雲母につき説明するそ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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
[発明の効果]
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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
  
本発明の滑石添加銅合金焼結摺動材料（２）は、鉛フリー青銅（１）の性能を改良しており、滑石が摺動性能改良成分であることが明らかである。さらに、同材料（２）はBi,Pbを含有していないが、Pb・硬質粒子添加青銅（６）及びBi・硬質粒子添加青銅（７）に性能が匹敵している。同様に、本発明の滑石・Bi添加銅合金焼結摺動材料（３）もPb・硬質粒子添加青銅（６）及びBi・硬質粒子添加青銅（７）に匹敵している。滑石以外の鉱物成分についても３段階評価は同じである。
実施例１
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。
上記した原料粉末をV型ブレンダーにより混合し、厚さが1.5mmの鋼板上に厚さが800～1200μmとなるように散布し、その後還元性雰囲気の電気炉で850 ～900℃、20分焼結した。焼結後焼結層の厚さが500μm減少するように圧延を行い、再び同じ条件で二次焼結した。得られたバイメタル状素材をブシュに加工し、耐焼付性試験及び耐摩耗性試験を次の条件で行った。なお、上記焼結条件では滑石は約50％エンスタタイトに分解する。よって、表２に示す滑石の量は配合量である。
耐焼付性試験方法
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
耐摩耗性試験方法
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。
 
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
表2において、試験番号1～20は本発明実施例であり、試験番号21～27は比較例である。比較例19～26は鉱物成分を含有していないので、耐焼付性が劣っている。また、比較例27は鉱物成分がエンスタタイトのみからなるので、耐焼付性が劣っている。
　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。
以上説明したように、本発明は青銅の耐摩耗性及び耐焼付性を改良することができ、しかも材料価格を下げることができるので、一層の特性向上とコストダウンが要求されている摺動部品の業界に貢献するところが大である。
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。
 

Claims (10)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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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