CN101370950A - 铜类烧结滑动部件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供铜类烧结滑动部件，其特征为，由0.5～20重量％的锡、0.1～35重量％的锰、2～25重量％的固体润滑材料和剩余部分的铜构成，和多层铜类烧结滑动部件，其特征为，在使铜类合金烧结层和金属制轴套一体化构成的多层铜类烧结滑动部件中，上述铜类合金烧结层由0.5～20重量％的锡、0.1～35重量％的锰、2～25重量％的固体润滑材料和剩余部分的铜构成。该滑动部件在不含有铅的铜类烧结滑动部件中，可发挥与含有铅的铜等类烧结滑动部件同等以上的滑动特性，并作为含油烧结滑动部件而适当地使用，同时为即使在润滑油的使用困难的高温区域或干燥摩擦条件下也能够使用的铜等类烧结滑动部件和在高负载条件下也具有优异的滑动特性的多层烧结滑动部件。

Description

铜类烧结滑动部件
技术领域
本发明涉及铜类烧结滑动部件，详细地说，涉及分散含有固体润滑材料的铜类烧结滑动部件和多层铜类烧结滑动部件。
背景技术
作为铜类烧结滑动部件(轴承)，已知含有石墨、铅等固体润滑材料的Cu-Sn-固体润滑材料类的烧结滑动部件。另外，以提高耐负载为目的，已知在钢板等轴套(裹金)的表面上一体地形成上述烧结材料的烧结层的多层烧结滑动部件。例如，提出了在铜类合金烧结层和钢板轴套多层一体化而构成的多层铜类烧结滑动部件中，该铜类烧结合金属包含1～11重量％的锡，1～30重量％的铅，0.5～5重量％的球状碳，剩余的实质上由铜构成的多层铜类烧结滑动部件(参照专利文献1)。
作为固体润滑材料的铅，作为在与配合材料的滑动中，磨合性优异，提高耐烧接性的物质，是铜类烧结滑动部件的重要成分。但是，近年来，考虑到环境问题等，有不得不放弃铅的使用的状况。
专利文献1：日本特开平7-138681号公报
发明内容
本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供在不含铅的铜类烧结滑动部件中，能够发挥与含有铅的铜类烧结滑动部件相同以上的滑动特性，并能够作为含油烧结滑动部件而适当地使用，并且在润滑油的使用困难的高温区域或干燥摩擦条件下也能够适当地使用的铜类烧结滑动部件。此外，另一目的是提供在高负载条件下具有优异的滑动特性的多层烧结滑动部件。
本发明者们重复各种研究的结果是得到如下的认识。即，发现通过在Cu-Sn基质(matrix)中含有特定量的锰(Mn)成分和固体润滑材料成分，能够发挥与含有铅的铜类烧结滑动部件相同以上的滑动特性，可以作为含油烧结滑动部件而适当地使用。
本发明是基于上述的见解而完成的，其第一要点是存在铜类烧结滑动部件，其特征在于，由0.5～20重量％的锡、0.1～35重量％的锰、2～25重量％的固体润滑材料和剩余部分的铜构成。
此外，第二要点是存在多层铜类烧结滑动部件，其特征在于，在使铜类合金烧结层和金属制轴套一体化构成的多层铜类烧结滑动部件中，所述铜类合金烧结层由0.5～20重量％的锡、0.1～35重量％的锰、2～25重量％的固体润滑材料和剩余部分的铜构成。
根据本发明，可以发挥与含有铅的铜类烧结滑动部件同等以上的滑动特性，并且当然可以作为含油烧结滑动部件使用，即使在润滑油的使用困难的高温区域中的干燥摩擦条件下的使用和高负载条件下的使用中，也能够发挥优异的滑动特性。
具体实施方式
以下，详细说明本发明。首先，对铜类烧结滑动部件进行叙述。本发明的铜类烧结滑动部件由0.5～20重量％的锡、0.1～35重量％的锰、2～25重量％的固体润滑材料和实质上为铜的剩余部分构成。
锡(Sn)成分与主成分的铜(Cu)合金化而形成Cu-Sn合金(青铜)。Sn成分强化Cu-Sn合金基质的固溶，提高其强度和硬度等机械强度，而且，提高作为烧结滑动部件的耐负载性，耐磨损性和耐烧接性。Sn成分的含有量为0.5～20重量％，优选为5～20重量％。在Sn的含有量小于0.5重量％的情况下，强化Cu-Sn合金基质的效果不足，此外，在含有量超过20重量％的情况下，有Cu-Sn合金基质变脆的缺点。
锰(Mn)成分相对于主成分的Cu成分形成全率固溶体。Mn成分主要是对Cu-Sn合金基质的固溶强化有帮助，能够有效地发挥机械强度和耐磨损性提高的效果。当Mn成分的含有量超过10重量％时，在Cu-Sn合金基质中，析出硬质的Cu-Sn-Mn相。但是，该硬质相在与后述的固体润滑材料共存下，起到提高耐磨损性的作用。另一方面，当Mn成分的含有量在0.1重量％时，开始显现强化Cu-Sn合金基质的作用和提高耐磨损性的作用，当含有量为0.5重量％时，这些作用显著地显现出来，而且，到35重量％为止发挥这些作用。但是，在Mn成分的含有量超过35重量％的情况下，硬质相的析出量过多，即使固体润滑材料的含有量多，耐磨损性也恶化，特别是存在损伤配合材料表面的情况。因此，Mn成分的含有量为0.1～35重量％，优选为0.5～20重量％。
通过使固体润滑材料成分分散含有在Cu-Sn-Mn合金基质中，可提高烧结滑动部件的自身润滑性。结果，进一步提高耐负载性和耐磨损性，同时可在干燥摩擦润滑条件下使用烧结滑动部件。另外，在含油烧结滑动部件中，固体润滑材料成分除了固体润滑作用之外，还起到润滑油的保持体的作用，可以进一步提高含油烧结滑动部件的耐负载性和耐磨损性。作为固体润滑材料成分，例如可以使用天然石墨、人造石墨、氮化硼(BN)，二硫化钼(MoS2)或它们的混合物。而且，固体润滑材料成分的含有量，根据烧结滑动部件的使用目的或上述的Mn含有量的Cu-Sn合金基质中的硬质相的析出比例相应地决定，为2～25重量％。在作为含油烧结滑动部件使用的情况下的固体润滑材料成分的含有量优选为2～5重量％，在干燥摩擦润滑条件下使用的情况下的固体润滑材料成分的含有量，优选为5～25重量％，更优选为10～25重量％。
铜(Cu)成分为铜类烧结滑动部件的主成分，为从铜类烧结滑动部件中除去Sn成分、Mn成分和固体润滑材料成分的剩余部分。Cu成分的含有量为从铜类烧结滑动部件的全体量减去Sn成分、Mn成分和固体润滑材料成分的含有量的剩余。另外，在铜类烧结滑动部件中，除了上述Cu成分、Sn成分、Mn成分和固体润滑材料成分以外，还含在有铜类烧结滑动部件制造中不可避免地包含的不可避免杂质，例如P、Fe、Al、Si等。而且，不可避免杂质的含有量通常为1.0重量％以下。
本发明的多层铜类烧结滑动部件是将由0.5～20重量％的锡、0.1～35重量％的锰、2～25重量％的固体润滑材料和实质上为铜的剩余部分构成的铜类合金烧结层和金属制轴套一体化而形成的。
铜类合金烧结层的组成与上述的铜类烧结滑动部件相同。作为金属制轴套可根据多层烧结滑动部件的使用用途适当选择冷轧钢板(SPCC：JIS-G-3141)、冷轧不锈钢板(SUS：JIS-G-4305)、无氧铜、韧铜、黄铜、铝青铜等的铜和铜合金板(JIS-H-3100)。另外，在使用上述冷轧钢板作为金属制轴套的情况下，以防锈为目的，也可以在钢板表面上进行镀Cu。
接着，说明本发明的铜类烧结滑动部件和多层铜类烧结滑动部件的制造方法的一个例子。
首先，说明铜类烧结滑动部件(单体)的制造方法。例如在粒径通常为75μm以下、优选为45μm以下的电解Cu粉末中，将粒径通常为75μm以下、优选为45μm以下的0.5～20重量％的雾化Sn粉末，粒径通常为45μm以下的0.1～35量％的Mn粉末，和粒径通常为150μm以下，优选为106μm以下的2～25重量％的固体润滑材料粉末投入到V型混合器中，通常混合20～40分钟，制作混合粉末。将得到的混合粉末装填到所希望形状的金属模中，通常在2～7ton/cm2的压力下进行压缩成形而制作压粉体。将得到的压粉体在调整为氨分解气体、氮气、氢气、氮氢混合气体等还原性气氛或非氧化性气氛的加热炉内，通常在700～900℃的温度下，通常烧结20～60分钟，然后从加热炉内取出，根据需要，通过机械加工加工成所希望的尺寸，制造铜类烧结滑动部件。根据得到的铜类烧结滑动部件的用途，对该滑动部件进行含油处理，制造铜类含油烧结滑动部件。
接着，说明多层铜类烧结部件的制造方法。例如利用与上述同样的方法，制造由0.5～20重量％的Sn成分、0.1～35重量％的Mn成分、2～25重量％的固体润滑材料成分和剩余部分为Cu成分构成的混合粉末。根据需要，将得到的混合粉末散布到预先脱脂洗净的厚度通常为1～2.5mm的金属制轴套上，在调整为与上述同样的气氛的加热炉内，在通常700～900℃的温度下，通常烧结10～30分钟，在该钢板上形成烧结层。接着，在利用轧辊压下进行轧制，使得该烧结层的厚度通常为0.2～1.0mm后，再在加热炉内，在通常700～900℃的温度下，通常烧结10～30分钟，制造多层铜类烧结滑动部件。
另外，在上述烧结滑动部件(单体)和多层烧结滑动部件的制造方法中，也可以使用Cu-Sn的合金粉末代替分别以单体使用Cu粉末和Sn粉末。
实施例
以下，利用实施例更详细地说明本发明，但本发明只要不超出其要点，就不限定于以下的实施例。
实施例1
在粒径为45μm以下的电解Cu粉末中，将粒径为45um以下的10重量％的雾化Sn粉末，粒径为45μm以下、6重量％的Mn粉末，和粒径为150μm以下的5重量％的天然石墨粉末，投入到V型混合器中，混合20分钟，制成混合粉末。将该混合粉末装填在金属模中，在成形压力2ton/cm2下压缩成形，得到平板状的压粉体。将该压粉体在调整为氢气气氛的加热炉内，在760℃的温度下烧结60分钟，冷却后，进行机械加工，制造成一边为30mm、厚度为5mm的方形烧结滑动部件。其次，对该烧结滑动部件进行含油处理，制成含油烧结滑动部件。
实施例2～5
在实施例1中，除了如表2～3所示那样变更组成以外，利用与实施例1同样的方法制成含油烧结滑动部件。
比较例1
在粒径为45μm以下的电解Cu粉末中，将粒径为45μm以下的10重量％的雾化Sn粉末和粒径为150μm以下的5重量％的天然石墨粉末，投入到V型混合器中，混合20分钟，得到混合粉末。与上述实施例1同样，对得到的混合粉末进行压缩成形、烧结和机械加工，制成一边为30mm、厚度为5mm的方形烧结滑动部件。其次，对该烧结滑动部件进行含油处理，制成含油烧结滑动部件。
另外，根据固体润滑材料成分的种类或成分配合比例，用于得到所希望的含油率的压粉体的成形压力和烧结时间不同，因此表2～3中表示各实施例和比较例的成形压力和烧结时间。
在表1所示条件下，对上述实施例1～5和比较例1得到的含油烧结滑动部件进行耐久试验，试验摩擦磨损特性。该试验结果表示在表2～3中。
[表1]
负载(面压力)：19.6MPa(200kgf/cm2)
速度：3m/min
配合材料：机械结构用碳素钢(S45C)
试验时间：20小时
[表2]
Figure A200780003067D00081
[表3]
Figure A200780003067D00082
从上述的试验结果可知，与比较例1的含油烧结滑动部件比较，实施例1～5的含油烧结滑动部件的摩擦类数和磨损量都低，具有优异的摩擦磨损特性。此外，得知实施例4和5的烧结滑动部件在Cu-Sn基质中有硬质的Cu-Sn-Mn相的析出，通过用眼观察配合材料表面，确认没有产生损伤配合材料表面的问题。
实施例6
将粒径为45μm以下的Cu—10重量％的Sn雾化合金粉末，粒径为45μm以下的2.5重量％的Mn粉末，和粒径为150um以下的20重量％的天然石墨粉末投入到V型混合器中，混合20分钟，制成混合粉末(Cu：69.8重量％，Sn：7.7重量％，Mn：2.5重量％，石墨：20重量％)。将得到的混合粉末装填在金属模中，在成形压力4ton/cm2下压缩成形，得到平板状的压粉体。将该压粉体在调整为氢气气氛的加热炉内，在760℃的温度下烧结60分钟，冷却后，进行机械加工，制成一边为30mm、厚度为5mm的方形烧结滑动部件。
实施例7～11
在实施例6中，除了如表5～6所示那样变更组成以外，利用与实施例6相同的方法，制成烧结滑动部件。
比较例2
将粒径为45μm以下的Cu—10重量％的Sn雾化合金粉末和粒径150μm以下的天然石墨粉末以石墨成为20重量％的方式配合，投入到V型混合器中，混合20分钟，得到混合粉末(Cu：72.0重量％，Sn：8.0重量％，石墨：20重量％)。与上述实施例6同样，对该混合粉末进行压缩成形、烧结和机械加工，制成一边为30mm、厚度5mm的方形烧结滑动部件。
在表4所示的条件下，对上述实施例6～11和比较例2得到的烧结滑动部件试验耐负载性能。该试验结果表示在表5～6中。
表4
负载(面压力)：在初期负载2.94MPa(30kgf/cm2)下，每20分钟增加2.94MPa(30kgf/cm2)累计负载。
速度：1m/min
配合材料：机械结构用碳素钢(S45C)
润滑：无润滑
[表5]
Figure A200780003067D00101
[表6]
Figure A200780003067D00102
从上述的试验结果可知，实施例6～11的烧结滑动部件在干燥摩擦条件(无润滑)下到极限负载(面压力)为58.8MPa(600k gf/cm2)～79.4MPa(810kgf/cm2)的高负载为止发挥优异的摩擦特性，并且耐负载性优异。此外，虽然可以确认实施例8～11的烧结滑动部件在Cu-Sn基质中有硬质的Cu-Sn-Mn相的析出，但通过用眼观察配合材料表面，确认不产生损伤配合材料表面的问题。
实施例12
在粒径为45μm以下的电解Cu粉末中，将粒径为45μm以下的10重量％的雾化Sn粉末、粒径为45μm以下的2.5重量％的Mn粉末和粒径为150μm以下的15重量％的天然石墨粉末投入到V型混合器中，混合20分钟，制成混合粉末。在将上述混合粉末散布到厚度1.7mm的钢板(冷轧钢板：SPCC)表面上后，在调整为氮和氢混合气体气氛的加热炉内，在780℃的温度下烧结20分钟，在该钢板上一体地形成由该混合粉末构成的烧结层。接着，在以该烧结层厚度成为0.3mm的方式辊轧后，在加热炉内，在780℃的温度下烧结20分钟，冷却后，进行机械加工，制成由一边为30mm、厚度为2mm的方形的多层构成的铜类烧结滑动部件。
实施例13～15
在实施例12中，除了如表8所示那样变更组成以外，利用与实施例12相同的方法，制成烧结滑动部件。
比较例3
在粒径为45μm以下的电解Cu粉末中，将粒径为45μm以下的10重量％的雾化Sn粉末和平均粒径为75μm的10重量％的捣结(stamp)铅(Pb)粉末和粒径为150μm以下的3重量％的天然石墨粉末投入到V型混合器中，混合20分钟，得到混合粉末。将该混合粉末与上述实施例12同样，进行烧结和机械加工，制成一边为30mm、厚度为2mm的方形的多层烧结滑动部件。
在表7所示的条件下，对上述实施例12～15和比较例3得到的烧结滑动部件进行耐久试验，试验摩擦磨损特性。该试验结果表示在表8中。
[表7]
负载(面压力)：(1)19.6MPa(200kgf/cm2)和
            (2)29.4MPa(300kgf/cm2)
速度：1m/min
配合材料：机械结构用碳素钢(S45C)
试验时间：20分钟
润滑：无润滑
[表8]
Figure A200780003067D00121
从上述试验结果可知，与比较例3的多层烧结滑动部件比较，实施例12～15的多层烧结滑动部件，在面压力19.6MPa的负载条件下，具有同等的摩擦磨损特性，并且在面压力29.4MPa的负载条件下，即使不使用固体润滑材料Pb，也具有优异的摩擦磨损特性。另外，表8的比较例3的“*”符号表示在面压力29.4MPa的负载条件下，不清除试验时间，就不能测定磨损量。实施例14和15的多层烧结滑动部件，在Cu-Sn基质中有硬质的Cu-Sn-Mn相的析出，但通过用眼观察配合材料的表面，确认不产生损伤配合材料表面的问题。

Claims (2)

1.一种铜类烧结滑动部件，其特征在于：
由0.5～20重量％的锡、0.1～35重量％的锰、2～25重量％的固体润滑材料和剩余部分的铜构成。
2.一种多层铜类烧结滑动部件，其特征在于：
在使铜类合金烧结层和金属制轴套一体化构成的多层铜类烧结滑动部件中，所述铜类合金烧结层由0.5～20重量％的锡、0.1～35重量％的锰、2～25重量％的固体润滑材料和剩余部分的铜构成。
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