JP3709548B2

JP3709548B2 - 銅系摺動材料

Info

Publication number: JP3709548B2
Application number: JP08487594A
Authority: JP
Inventors: 貴志冨川; 荘司神谷
Original assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Current assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Priority date: 1994-04-22
Filing date: 1994-04-22
Publication date: 2005-10-26
Anticipated expiration: 2020-10-26
Also published as: JPH07292428A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、銅系摺動材料に関するものであり、さらに詳しく述べるならば、特に、トランスミッション用ブシュもしくはワッシャ、ピストンピンブシュ、カムブシュ、バランサ軸受（ブシュメタル）あるいはターボチャージャ用各種部品、例えば、フローティングブシュ、スラストワッシャ等の硫黄含有潤滑油による潤滑下で使用される部品用摺動材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来上記摺動材料としては鉛青銅あるいはりん青銅などが使用されてきた。
また、これらの銅合金の耐焼付性を向上させるために、Ｐ，ＡｌなどのＣｕマトリックスを強化する元素を添加する、なじみ性が優れたＢｉなどを添加するなどの提案がなされ、それなりの成果を達成している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、鉛青銅もしくはりん青銅は硫黄分が多い潤滑油中かつ/または高温で使用されると、表面に黒色の硫化銅が生成し、この硫化銅層は強度が弱くかつ母材に密着していないために容易に剥離する腐食摩耗を起こし、この結果焼付もしくは異常摩耗を起こしていることが分かった。また、腐食によって材料の強度劣化や疲労も起こっていることが分かった。
また潤滑油が少なく混合―境界潤滑領域中の摺動条件では鉛青銅及びりん青銅が容易に焼付を招いていた。
【０００４】
したがって、本発明は第一に、耐硫化性に優れた銅系摺動材料を提供することを目的とする。
第二に、本発明は耐焼付性に優れた銅系摺動材料を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述のような観点から銅系摺動材料の特性を改良するための研究を行い、少量のＡｇ及び適量のＺｎの添加が耐硫化性及び耐焼付性を飛躍的に高めることを発見して完成したものである。
【０００６】
すなわち、本発明の第一は、重量百分率で0.1〜5％（以下特記しない限り百分率は「重量百分率」を表すものとする）のAg及び7〜35％のZnを含有し、残部が実質的にCu及び不可避的不純物からなり、硫黄含有潤滑油の潤滑下最高油温150 〜200℃の条件で使用されることを特徴とする耐硫化性に優れた銅系摺動材料であり、
本発明の第二は、第一発明の成分の他に、10％以下の Sn、 0.4 ％以下の P、 0.5 ％以下の Al, 0.9 ％以下の Si、 3 ％以下の Mn、 2 ％以下の Cr, 2 ％以下の Ni, 2 ％以下の Sb、0.01 ％以下の S、 1 ％以下の Mgからなる群から選択された1種又は2 種を、さらに含有することを特徴とする耐硫化性に優れた銅系摺動材料であり、
本発明の第三は、第一発明及び第二発明の成分の他に、総量で1 ５％以下のPb 及びBiからなる群から選択された1種又は2種をさらに含有する耐硫化性に優れた銅系摺動材料である。
【０００７】
以下本発明の構成を説明する。
本発明の第一から第三に共通する添加元素であるZnはCu合金に関して潤滑油中のＳ成分による硫化に伴う黒変化を起こし難くする成分である。したがって、硫化銅は生成され難くなり、硫化銅が原因となる腐食摩耗は起こり難くなる一方で硫化銅の優れた耐焼付性は利用できなくなる。Znの黒変化抑制の効果は７％以上で発揮されるが、35%を超えると摺動特性が劣化する。したがって、Ｚｎ含有量は7〜35%であり、好ましいZnの含有量は15〜25%である。
【０００８】
ＡｇはＣｕマトリックスに固溶して耐焼付性を高める元素である。特に、摺動材料の摺動条件が流体潤滑から境界潤滑に移行して焼付易い潤滑状態となると、Ａｇの効果が顕著になる。Ａｇの含有量が０．１％以上でこの効果が発揮され、含有量が５％を超えると析出するＡｇが多くなりかつＡｇ粒子が粗大析出するようになるのでその効果が失われる。５％を超えるＡｇを含有する銅合金は特殊な急冷鋳造をしなければＡｇを固溶することができない。したがってＡｇの含有量は０．１〜５％とし、好ましくは０．２〜２％である。
【０００９】
上記組成の残部はＦｅ、Ｓ，Ｏなどの銅に通常含まれる不純物である。銅の純度は竿銅、電気銅、電解精製銅，ＯＦＨＣなどいずれであってもよい。
【００１２】
本発明の第二において銅に添加されるＳｎ，Ｐ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｎｉ、Ｍｇ及びＳｂはＣｕマトリックスを強化する元素であり、マトリックス強化により耐焼付性及び耐摩耗性を向上させることができる。これらの機能に加えて、ＳｉはＭｎと金属間化合物を形成して耐摩耗性及び耐焼付性を改善する。またＰは銅の脱酸材として使用されるが、鋳造銅中に残存して潤滑油との親油性を改善して摺動面での潤滑油分布を良好にする。さらに、Ａｌ，Ｓｉ及びＭｇは高温における摺動面の酸化を抑制する。最後にＳｂは高温での凝着を起こし難くする。
【００１３】
上記添加元素にあっては、 Sn は 10 ％ , P は 0.4 ％ , Al は 0.5 ％ ,Si は 0.9%,Mn は 3 ％ , Cr は 2 ％ , Ni は 2 ％ , Sb は 2 ％ , S は 0.01 ％を超え、 Mg は 1%を超えるとＣｕの延性が損なわれるので、これらの値を含有量上限とする必要がある。
【００１４】
本発明の第二において添加されるSは、摺動材料使用中に潤滑油による黒変化を阻止する元素である。すなわち、予めSを均一に銅合金母材に合金元素として添加して置くとAgとSが結合してAg ₂ Sを形成し、最表面である摺動面ではAg ₂ Sが薄く延びて表面を覆い、CuSの形成を遅らせる。また表面のAg₂Sは摺動特性が良い。さらに潤滑油との親油性を改善する効果もある。しかしながらSの含有量が0.01 ％を超えると、銅合金の強度が低下するために好ましくない。
【００１５】
本発明の第三に添加されるPb及びBiは高温における耐焼付性、なじみ性、切削性及び異物埋収性を高める元素である。Pb 及びBiの含有量が総量で15 ％を超えると、強度と耐食性が劣化する。好ましい含有量は0.5〜15%である。耐食性がさらに要求される場合は0.5 〜10％が望ましい。
【００１６】
本発明の銅系摺動材料の成分元素の機能を発揮するためには鋳造もしくは鋳造後焼鈍を行えばよい。部品の形状を得るために塑性加工及び／又は機械加工を適宜行うことができる。
【００１７】
【作用】
銅系摺動材料の黒変化はＣｕよりもＳに対する親和力が大きいＺｎを添加することにより防止できたが、摺動特性、特に耐焼付性は著しく劣化した。従来銅系摺動材料の摺動性能はケルメットに見られるようにＰｂなどの軟質金属が重要な役割をすると認識されていたが、Ａｇを少量添加することによりケルメットを凌ぐ耐焼付性を発揮が達成できた。
またＰｂは黒変化を防止せずかつ摺動特性向上の効果はＡｇほどでないことも分かった。
【００１８】
一方Agのみの添加では黒変化も十分に防止できず摺動特性もケルメットを大幅に上回ることができなかった。Znの添加により硫化銅の生成を防止することができるので、硫化亜鉛が生成していると考えられるが、確証は得られなかった。このようなＺｎ添加とＡｇ添加を同時に行うことにより黒変化を防止しかつ摺動特性もケルメット以上に著しく改良することができた。すなわち、硫化銅生成量が少ないと耐焼付性が低くなるという欠点はＣｕに添加された Ag が解消する。
【００１９】
以下、実施例により本発明をより詳しく説明する。
【００２０】
【実施例】
実施例１
表１に示す含有量となるよう電気銅に各種元素を添加した合金を高周波炉で溶製し金型鋳造した素材をターボチャージャー用のフローティングブシュに機械加工し、直列４気筒、２０００ｃｃディーゼルエンジンに組み込んで試験を行った。運転条件は、全負荷×４０００ｒｐｍで５分間運転後急停止し、５分後に再び全負荷を行うサイクルを３００時間繰り返すものであった。
全負荷運転中の推定最高油温は１５０〜１８０℃であるが急停止時のターボハウジング部は３００〜３５０℃に達している。
【００２１】
試験条件は、耐硫化性１は試料の外観観察により試験し、○は試験前とほとんど変化なし、△は黒化しているが銅色も見える、×は黒変化しているの三段階で評価した。耐硫化性２はＣｕＳ−Ｘ線強度（ｃｐｓ）を測定したものである。
【００２２】
耐焼付性試験は次の条件で行ったものである。
試験機：図１に示すもの
すべり速度：１５ｍ／ｓ
荷重：荷重漸増（ステップ式）５０ｋｇｆ／１０ｍｉｎ
油種：１０Ｗ−３０ＣＣ級（Ｓ含有量０．５％）
油温：室温
相手材：Ｓ５５Ｃ焼入れ（Ｈｖ５５０〜６５０）、粗さ；０．５〜０．８μｍＲｚ
図１において、１は給油パッド、２は油圧シリンダー、３はテストピース、４はディスク、５はバランスウェイト、６はロードセルである。
試験結果を表１に示す。
【００２３】
【表１】

【００２４】
表において＊符号を付した試料は比較例である。比較例５はリン青銅であり、耐硫化性が劣りかつ焼付荷重が低く耐焼付性が著しく不良である。比較例１、２は従来の鉛青銅軸受（ＪＩＳＬＢＣ−３相当）に相当する材料であり、同様に耐硫化性と耐焼付性が不良である。比較例４はＺｎの添加により耐硫化性が改善されているが、焼付荷重はむしろ低下している。ただし、比較例４の表面は荒れ始めており、焼付のおそれがあった。これに対してＺｎとＡｇを共存させた本発明実施例材料１〜１１は耐硫化性及び耐焼付性が顕著に改善されている。
【００２５】
実施例２
表１の本発明材料Ｎｏ５及び比較例材料Ｎｏ２をオートマチックトランスミッションのサンギヤブシュに加工し、実車のオートマチックトランスミッションに組み込んで３００００ｋｍの走行試験を行った。使用したトランスミッションオイルは（キャッスルデクスロンＩＩ−商品名）であり、Ｓ含有量は１．５％、使用中の推定最高温度は１５０〜２００℃であった。なお走行期間中トランスミッションオイルの交換は行わなかった。
本発明材料を使用したブシュは試験後も表面は銅色を呈していたが、比較例材料を使用したブシュは黒変しておりまた摩耗量が前者の３倍であった。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の銅系摺動材料は潤滑油中の硫黄による耐硫化性腐食に優れておりしかも耐焼付性は従来の鉛青銅やりん青銅よりも優れているという画期的材料である。したがって本願冒頭で説明した各種部品に本発明の銅系摺動材料は極めて適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】焼付試験機の図である。
【符号の説明】
１給油パッド
２油圧シリンダー
３テストピース
４ディスク
５バランスウェイト
６ロードセル

Claims

0.1〜5重量％のAg及び7〜35重量％のZnを含有し、残部が実質的にCu及び不可避的不純物からなり、硫黄含有潤滑油の潤滑下最高油温150 〜200℃の条件で使用されることを特徴とする耐硫化性に優れた銅系摺動材料。
10 重量％以下の Sn、 0.4 重量％以下の P、 0.5 重量％以下の Al, 0.9 重量％以下の Si、 3 重量％以下の Mn、 2 重量％以下の Cr, 2 重量％以下の Ni, 2 重量％以下の Sb、0.01 重量％以下の S、 1 重量％以下の Mgからなる群から選択された1種又は2 種を、さらに含有することを特徴とする請求項１記載の耐硫化性に優れた銅系摺動材料。
総量で1 ５重量％以下のPb 及びBiからなる群から選択された1種又は2種をさらに含有することを特徴とする請求項1又は２記載の耐硫化性に優れた銅系摺動材料。
鋳造材を機械加工したことを特徴とする請求項１から３までの何れか1項記載の耐硫化性に優れた銅系摺動材料。