JP2013144849A - 耐摩擦摩耗性に優れたCu−Ni−Sn系銅基焼結合金とその製造方法およびその合金からなる軸受材 - Google Patents
耐摩擦摩耗性に優れたCu−Ni−Sn系銅基焼結合金とその製造方法およびその合金からなる軸受材 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】Ni:10〜40%、Sn:5〜25%を含有し、さらに必要に応じて、P:0.1〜0.9%、C:1〜10%、フッ化カルシウム:0.3〜6%、二硫化モリブデン:0.3〜6%を含有し、残部:Cuおよび不可避不純物からなる成分組成、並びにCu(4−x−y)NixSny(ただし、x:1.7〜2.3、y:0.2〜1.3)からなる成分組成の相が分散している組織を有する強度および耐摩擦摩耗性に優れたCu−Ni−Sn系銅基焼結合金とその製造方法およびその合金からなる軸受材。
【選択図】 なし
Description
さらに、このCu−Ni−Sn系銅基焼結合金からなる軸受材の摩擦係数を下げて潤滑性を一層向上させるために、二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤を添加することも知られており、Cu−Ni−Sn系銅基焼結合金の潤滑性を高めるために含まれる二硫化モリブデンの量は通常1〜5%である。
所定成分組成の原料粉末を所定の成分組成となるように配合した混合粉末を、従来の焼結温度:700〜950℃よりも高い温度で焼結し、得られた焼結体をただちに従来の冷却速度(15℃/分以上)よりも緩やかな冷却速度:5〜10℃/分で徐冷することにより、Ni、SnおよびCuを含むCu−Ni−Sn系銅基焼結合金の素地中に、少なくとも、Cu(4−x−y)NixSny(ただし、x:1.7〜2.3、y:0.2〜1.3)からなる成分組成の相が分散している組織を有する耐摩擦摩耗性に優れたCu−Ni−Sn系銅基焼結合金、に特徴を有するものである。
より具体的にケース分けしていえば、以下のとおりである。
前記のNi、SnおよびCuを含むCu−Ni−Sn系銅基焼結合金は、質量%で、Ni:10〜40%、Sn:5〜25%を含有し、さらに必要に応じて、P:0.1〜0.9%および/またはC:1〜10%を含有し、残部:Cuおよび不可避不純物からなる成分組成を有するCu−Ni−Sn系銅基焼結合金であっても良い。前記必要に応じてP:0.1〜0.9%および/またはC:1〜10%を含むCu−Ni−Sn系銅基焼結合金の素地にはCu(4−z)Pz(ただし、z:0.7〜1.3)からなる成分組成の相および/または黒鉛相が生成する。
したがって、この発明は、
(1)質量%で、Ni:10〜40%、Sn:5〜25%を含有し、残部:Cuおよび不可避不純物からなる成分組成、並びに素地中にCu(4−x−y)NixSny(ただし、x:1.7〜2.3、y:0.2〜1.3)からなる成分組成の相が分散している組織を有する耐摩擦摩耗性に優れたCu−Ni−Sn系銅基焼結合金、
(2)質量%で、Ni:10〜40%、Sn:5〜25%、P:0.1〜0.9%を含有し、残部:Cuおよび不可避不純物からなる成分組成、並びに素地中にCu(4−x−y)NixSny(ただし、x:1.7〜2.3、y:0.2〜1.3)からなる成分組成の相およびCu(4−z)Pz(ただし、z:0.7〜1.3)からなる成分組成の相が分散している組織を有する耐摩擦摩耗性に優れたCu−Ni−Sn系銅基焼結合金。
(3)質量%で、Ni:10〜40%、Sn:5〜25%、C:1〜10%を含有し、残部:Cuおよび不可避不純物からなる成分組成、並びに素地中にCu(4−x−y)NixSny(ただし、x:1.7〜2.3、y:0.2〜1.3)からなる成分組成の相および黒鉛相が分散している組織を有する耐摩擦摩耗性に優れたCu−Ni−Sn系銅基焼結合金、
(4)質量%で、Ni:10〜40%、Sn:5〜25%、P:0.1〜0.9%、C:1〜10%を含有し、残部:Cuおよび不可避不純物からなる成分組成、並びに素地中にCu(4−x−y)NixSny(ただし、x:1.7〜2.3、y:0.2〜1.3)からなる成分組成の相、Cu(4−z)Pz(ただし、z:0.7〜1.3)からなる成分組成の相および黒鉛相が分散している組織を有する耐摩擦摩耗性に優れたCu−Ni−Sn系銅基焼結合金、に特徴を有するものである。
(5)質量%で、Ni:10〜40%、Sn:5〜25%、フッ化カルシウム:0.3〜6%を含有し、残部:Cuおよび不可避不純物からなる成分組成、並びに素地中にCu(4−x−y)NixSny(ただし、x:1.7〜2.3、y:0.2〜1.3)からなる成分組成の相およびフッ化カルシウム相が分散している組織を有する耐摩擦摩耗性に優れたCu−Ni−Sn系銅基焼結合金、
(6)質量%で、Ni:10〜40%、Sn:5〜25%、P:0.1〜0.9%、フッ化カルシウム:0.3〜6%を含有し、残部:Cuおよび不可避不純物からなる成分組成、並びに素地中にCu(4−x−y)NixSny(ただし、x:1.7〜2.3、y:0.2〜1.3)からなる成分組成の相、Cu(4−z)Pz(ただし、z:0.7〜1.3)からなる成分組成の相およびフッ化カルシウム相が分散している組織を有する耐摩擦摩耗性に優れたCu−Ni−Sn系銅基焼結合金、
(7)質量%で、Ni:10〜40%、Sn:5〜25%、C:1〜10%、フッ化カルシウム:0.3〜6%を含有し、残部:Cuおよび不可避不純物からなる成分組成、並びに素地中にCu(4−x−y)NixSny(ただし、x:1.7〜2.3、y:0.2〜1.3)からなる成分組成の相、黒鉛相およびフッ化カルシウム相が分散している組織を有する耐摩擦摩耗性に優れたCu−Ni−Sn系銅基焼結合金、
(8)質量%で、Ni:10〜40%、Sn:5〜25%、P:0.1〜0.9%、C:1〜10%、フッ化カルシウム:0.3〜6%を含有し、残部:Cuおよび不可避不純物からなる成分組成、並びに素地中にCu(4−x−y)NixSny(ただし、x:1.7〜2.3、y:0.2〜1.3)からなる成分組成の相、Cu(4−z)Pz(ただし、z:0.7〜1.3)からなる成分組成の相、黒鉛相およびフッ化カルシウム相が分散している組織を有することを特徴とする耐摩擦摩耗性に優れたCu−Ni−Sn系銅基焼結合金、に特徴を有するものである。
(9)質量%で、Ni:10〜40%、Sn:5〜25%、二硫化モリブデン:0.3〜6%を含有し、残部:Cuおよび不可避不純物からなる成分組成、並びに素地中にCu(4−x−y)NixSny(ただし、x:1.7〜2.3、y:0.2〜1.3)からなる成分組成の相および二硫化モリブデン相が分散している組織を有する耐摩擦摩耗性に優れたCu−Ni−Sn系銅基焼結合金、
(10)質量%で、Ni:10〜40%、Sn:5〜25%、P:0.1〜0.9%、二硫化モリブデン:0.3〜6%を含有し、残部:Cuおよび不可避不純物からなる成分組成、並びに素地中にCu(4−x−y)NixSny(ただし、x:1.7〜2.3、y:0.2〜1.3)からなる成分組成の相、Cu(4−z)Pz(ただし、z:0.7〜1.3)からなる成分組成の相および二硫化モリブデン相が分散している組織を有する耐摩擦摩耗性に優れたCu−Ni−Sn系銅基焼結合金、
(11)質量%で、Ni:10〜40%、Sn:5〜25%、C:1〜10%、二硫化モリブデン:0.3〜6%を含有し、残部:Cuおよび不可避不純物からなる成分組成、並びに素地中にCu(4−x−y)NixSny(ただし、x:1.7〜2.3、y:0.2〜1.3)からなる成分組成の相、黒鉛相および二硫化モリブデン相が分散している組織を有する耐摩擦摩耗性に優れたCu−Ni−Sn系銅基焼結合金、
(12)質量%で、Ni:10〜40%、Sn:5〜25%、P:0.1〜0.9%、C:1〜10%、二硫化モリブデン:0.3〜6%を含有し、残部:Cuおよび不可避不純物からなる成分組成、並びに素地中にCu(4−x−y)NixSny(ただし、x:1.7〜2.3、y:0.2〜1.3)からなる成分組成の相、Cu(4−z)Pz(ただし、z:0.7〜1.3)からなる成分組成の相、黒鉛相および二硫化モリブデン相が分散している組織を有する耐摩擦摩耗性に優れたCu−Ni−Sn系銅基焼結合金、に特徴を有するものである。
(13)質量%で、Ni:10〜40%、Sn:5〜25%、フッ化カルシウム:0.3〜6%、二硫化モリブデン:0.3〜6%を含有し、残部:Cuおよび不可避不純物からなる成分組成、並びに素地中にCu(4−x−y)NixSny(ただし、x:1.7〜2.3、y:0.2〜1.3)からなる成分組成の相、フッ化カルシウム相および二硫化モリブデン相が分散している組織を有する耐摩擦摩耗性に優れたCu−Ni−Sn系銅基焼結合金、
(14)質量%で、Ni:10〜40%、Sn:5〜25%、P:0.1〜0.9%、フッ化カルシウム:0.3〜6%、二硫化モリブデン:0.3〜6%を含有し、残部:Cuおよび不可避不純物からなる成分組成、並びに素地中にCu(4−x−y)NixSny(ただし、x:1.7〜2.3、y:0.2〜1.3)からなる成分組成の相、Cu(4−z)Pz(ただし、z:0.7〜1.3)からなる成分組成の相、フッ化カルシウム相および二硫化モリブデン相が分散している組織を有する耐摩擦摩耗性に優れたCu−Ni−Sn系銅基焼結合金、
(15)質量%で、Ni:10〜40%、Sn:5〜25%、C:1〜10%、フッ化カルシウム:0.3〜6%、二硫化モリブデン:0.3〜6%を含有し、残部:Cuおよび不可避不純物からなる成分組成、並びに素地中にCu(4−x−y)NixSny(ただし、x:1.7〜2.3、y:0.2〜1.3)からなる成分組成の相、黒鉛相、フッ化カルシウム相および二硫化モリブデン相が分散している組織を有する耐摩擦摩耗性に優れたCu−Ni−Sn系銅基焼結合金、
(16)質量%で、Ni:10〜40%、Sn:5〜25%、P:0.1〜0.9%、C:1〜10%、フッ化カルシウム:0.3〜6%、二硫化モリブデン:0.3〜6%を含有し、残部:Cuおよび不可避不純物からなる成分組成、並びに素地中にCu(4−x−y)NixSny(ただし、x:1.7〜2.3、y:0.2〜1.3)からなる成分組成の相、Cu(4−z)Pz(ただし、z:0.7〜1.3)からなる成分組成の相、黒鉛相、フッ化カルシウム相および二硫化モリブデン相が分散している組織を有する耐摩擦摩耗性に優れたCu−Ni−Sn系銅基焼結合金、に特徴を有するものである。
Ni:5〜45質量%を含有し、残部がCuおよび不可避不純物からなる成分組成のCu−Ni合金粉末、
Ni:25〜60%、Sn:5〜60%を含有し、残部:Cuおよび不可避不純物からなる成分組成を有するCu−Ni−Sn合金粉末、
Sn粉末、
P:8質量%を含有し、残部がCuおよび不可避不純物からなる成分組成のCu−P合金粉末
黒鉛粉末、
フッ化カルシウム粉末
二硫化モリブデン粉末、
を用意し、これら原料粉末を前記(1)〜(16)記載の成分組成となるように配合し混合して混合粉末を作製し、この混合粉末を圧縮成形して得られた圧粉体を従来の焼結温度:700〜950℃よりも高い温度で焼結し、得られた焼結体をただちに従来の冷却速度(15℃/分以上)よりも緩やかな冷却速度:5〜10℃/分で徐冷することにより得られる。
このようにして得られた耐摩擦摩耗性に優れたCu−Ni−Sn系銅基焼結合金は、素地に気孔率:5〜25%の割合で気孔が分散分布している。
(a)Ni
Niは高温環境下における強度、耐摩擦摩耗性を向上させる成分であるが、その含有量が10%未満では所望の効果が得られず、一方、40%を越えて含有すると高温環境下におけるシャフトとの摺動面間の抵抗が大きくなって摩耗が急速に増大するようになることから好ましくない。したがって、この発明のCu−Ni−Sn系銅基焼結合金に含まれるNi含有量を10〜40%と定めた。
Sn成分には、CuおよびNiと素地の固溶体を形成して、軸受の強度を向上させ、もって軸受の耐摩耗性向上に寄与する作用があるが、その含有量が5%未満では所望の強度向上効果が得られず、一方その含有量が25%を越えると相手材であるステンレス鋼・シャフトに対する攻撃性が急激に増大し、ステンレス鋼・シャフトの摩耗が促進されるようになることから、その含有量を5〜25%と定めた。
P成分は、焼結時に焼結性を向上させ、もって素地の強度、すなわち軸受けの強度を向上させる作用があるので必要に応じて含有させるが、Pの含有量が0.1%未満では十分な焼結性を発揮させることができないことから十分な強度が得られないので好ましくなく、一方、0.9%を越えて含有させると、粒界部の強度が急激に低下するので焼結合金の強度がかえって低下するようになるので好ましくない。したがって、P成分の含有量を0.1〜0.9%に定めた。
C成分は、主体が素地に分散分布する遊離黒鉛として存在し、軸受の潤滑性を向上させ、もって軸受およびステンレス鋼・シャフトの耐摩耗性向上に寄与する作用をもつので必要に応じて添加するが、その含有量が1%未満では遊離黒鉛の分散分布割合が不十分で、所望のすぐれた潤滑性を確保することができず、一方その含有量が10%を越えると、軸受の強度が急激に低下し、摩耗が急激に進行するようになることから、その含有量を1〜10%と定めた。
フッ化カルシウムは耐焼付き性を著しく向上させる作用があるので必要に応じて添加するが、その含有量が0.3%未満では所望の効果が得られず、一方、6%を越えて含有すると、強度が低下し、さらに強度、耐摩擦摩耗性が低下するようになるので好ましくない。したがって、フッ化カルシウムの含有量を0.3〜6%に定めた。
二硫化モリブデンは耐焼付き性を向上させる作用があるので必要に応じて添加するが、その含有量が0.3%未満では所望の効果が得られず、一方、6%を越えて含有すると、強度が低下し、さらに強度、耐摩擦摩耗性が低下するようになるので好ましくない。したがって、二硫化モリブデンの含有量を0.3〜6%に定めた。
前記Cu(4−x−y)NixSnyからなる相においてxおよびyをそれぞれx:1.7〜2.3、y:0.2〜1.3と定めたのは、通常よりも高い温度:900〜1080℃で焼結し、通常よりも緩やかに冷却することにより素地中に高硬度のCuNi2Sn相が主として生成するが、すべて完全なCuNi2Sn相が生成することは少なく、Cu(4−x−y)NixSnyとすると、x:1.7〜2.3、y:0.2〜1.3の範囲内にある相となることがあり、かかるxおよびyを有する相であれば耐摩擦摩耗性が向上するからである。
平均粒径:150μm以下でNi:15〜42.5質量%を含有し、残部がCuおよび不可避不純物からなる成分組成のアトマイズCu−Ni粉末、
平均粒径:150μm以下でNi:25〜60%、Sn:5〜60%を含有し、残部:Cuおよび不可避不純物からなる成分組成を有するCu−Ni−Sn合金粉末、
平均粒径:20μmのアトマイズSn粉末、
平均粒径:150μm以下のCu−P合金(Cu−8.4%P共晶合金)粉末、平均粒径:20μmの黒鉛粉末、平均粒径:60μmのCaF2粉末、
平均粒径:150μm以下のMoS2粉末を用意した。
得られた上記の本発明Cu−Ni−Sn系銅基焼結合金1〜16からなるリング状試験片の内でも代表的なものをEPMAにより観察し、その観察して写生した組織を図1〜5に示した。図1は本発明Cu−Ni−Sn系銅基焼結合金1の組織の写生図であり、図2は本発明Cu−Ni−Sn系銅基焼結合金3の組織の写生図であり、図3は本発明Cu−Ni−Sn系銅基焼結合金4の組織の写生図であり、図4は本発明Cu−Ni−Sn系銅基焼結合金8の写生図であり、さらに図5は本発明Cu−Ni−Sn系銅基焼結合金16の写生図である。
圧壊試験:
合成油を含浸せしめた本発明Cu−Ni−Sn系銅基焼結合金1〜16、比較Cu−Ni−Sn系銅基焼結合金1〜8および従来Cu−Ni−Sn系銅基焼結合金1〜3からなるリング状試験片を120℃に加熱制御し、この加熱制御されたリング状試験片に半径方向から荷重をかけ、リング状試験片が破壊したときの圧壊荷重を測定し、その結果を表1〜2に示すことにより強度及び靭性を評価した。
合成油を含浸せしめた本発明Cu−Ni−Sn系銅基焼結合金1〜16、比較Cu−Ni−Sn系銅基焼結合金1〜8および従来Cu−Ni−Sn系銅基焼結合金1〜3からなるリング状試験片にSUS304の6S仕上げのシャフトを挿入し、本発明Cu−Ni−Sn系銅基焼結合金1〜16、比較Cu−Ni−Sn系銅基焼結合金1〜8および従来Cu−Ni−Sn系銅基焼結合金1〜3からなるリング状試験片の半径方向(シャフトの軸方向に対して直角方向)に荷重:0.2MPaを前記リング状試験片の外側からかけながら前記リング状試験片を120℃になるように加熱制御し、前記シャフトを50m/minで30分間回転させる試験を実施し、試験後の試験片の内径の最大摩耗深さを測定し、その結果を表1〜2に示すことにより強度、耐摩擦摩耗性を評価した。
合成油を含浸せしめた本発明Cu−Ni−Sn系銅基焼結合金1〜16、比較Cu−Ni−Sn系銅基焼結合金1〜8および従来Cu−Ni−Sn系銅基焼結合金1〜3からなるリング状試験片にSUS304の6S仕上げのシャフトを挿入し、本発明Cu−Ni−Sn系銅基焼結合金1〜16、比較Cu−Ni−Sn系銅基焼結合金1〜8および従来Cu−Ni−Sn系銅基焼結合金1〜3からなるリング状試験片を温度:120℃に保持し、リング状試験片の半径方向(シャフトの軸方向に対して直角方向)に荷重をかけながら前記シャフトを50m/minで30分間回転させ、前記荷重を段階的に増加させ、焼付きが発生したときの荷重を焼付き荷重として測定し、その結果を表1〜2に示すことにより耐焼付き性を評価した。
Claims (5)
- 質量%で、Ni:5〜45%を含有し、残部がCuおよび不可避不純物からなる成分組成のCu−Ni合金粉末、Ni:25〜60%、Sn:5〜60%を含有し、残部:Cuおよび不可避不純物からなる成分組成を有するCu−Ni−Sn合金粉末、及び、Sn粉末からなる混合粉末を焼結したCu−Ni−Sn系銅基焼結合金において、質量%で、Ni:10〜40%、Sn:5〜25%を含有し、残部:Cuおよび不可避不純物からなる成分組成、並びに素地中にCu(4−x−y)NixSny(ただし、x:1.7〜2.3、y:0.2〜1.3)からなる成分組成の相が分散している組織を有することを特徴とする耐摩擦摩耗性に優れたCu−Ni−Sn系銅基焼結合金。
- 質量%で、Ni:5〜45%を含有し、残部がCuおよび不可避不純物からなる成分組成のCu−Ni合金粉末、Ni:25〜60%、Sn:5〜60%を含有し、残部:Cuおよび不可避不純物からなる成分組成を有するCu−Ni−Sn合金粉末、Sn粉末を含有し、さらに、P:8%を含有し、残部がCuおよび不可避不純物からなる成分組成のCu−P合金粉末、黒鉛粉末、フッ化カルシウム粉末、及び、二硫化モリブデン粉末の内から選ばれる一種又は二種以上の粉末からなる混合粉末を焼結したCu−Ni−Sn系銅基焼結合金において、質量%で、Ni:10〜40%、Sn:5〜25%、さらに、P:0.1〜0.9%、C:1〜10%、フッ化カルシウム:0.3〜6%、二硫化モリブデン:0.3〜6%の内から選ばれる一種又は二種以上を含有し、残部:Cuおよび不可避不純物からなる成分組成、並びに素地中にCu(4−x−y)NixSny(ただし、x:1.7〜2.3、y:0.2〜1.3)からなる成分組成の相、さらに、Cu(4−z)Pz(ただし、z:0.7〜1.3)からなる成分組成の相、黒鉛相、フッ化カルシウム相および二硫化モリブデン相の内から選ばれる一種又は二種以上の相が分散している組織を有することを特徴とする耐摩擦摩耗性に優れたCu−Ni−Sn系銅基焼結合金。
- 請求項1に記載の混合粉末を、900〜1080℃で焼結し、5〜10℃/分で徐冷することからなる請求項1記載の耐摩擦摩耗性に優れたCu−Ni−Sn系銅基焼結合金の製造方法。
- 請求項2に記載の混合粉末を、900〜1080℃で焼結し、5〜10℃/分で徐冷することからなる請求項2記載の耐摩擦摩耗性に優れたCu−Ni−Sn系銅基焼結合金の製造方法。
- 請求項1または2記載の耐摩擦摩耗性に優れたCu−Ni−Sn系銅基焼結合金からなる軸受材。
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