JP3839740B2 - 摺動材料 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｃｕ系合金からなる摺動材料に係り、特に耐食性および耐疲労性に優れた摺動材料に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
従来よりＣｕ系合金の摺動材料としてＣｕ‐Ｓｎ‐Ｐｂ系合金軸受がブシュ、スラストワッシャーなどに使用されている。ところが、コネクティングロッドの小端部に用いられるピストンブシュのような高温の環境下で使用される軸受では、潤滑油による腐食の問題があり、また大きな荷重変動に対する耐疲労性についても問題があった。これを改善するものとして、Ｐｂを減少若しくは使用せず、Ｎｉを添加したＣｕ−Ｓｎ−Ｎｉ系またはＣｕ−Ｓｎ−Ｎｉ−Ｐｂ系材料により、耐食性および耐疲労性を向上することが試みられている。しかしながら、最近の内燃機関のピストンブシュはますます高温環境下での使用となり、このような改善では腐食の問題を完全に解決するには至っていない。
【０００３】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、Ｃｕ系合金を用いた摺動材料において、耐食性および耐疲労性に優れた摺動材料を提供するところにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
Ｃｕ系合金の摺動材料は一般には焼結によって製造されるが、本発明者は、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｎｉ合金にある種の硬質粒子（ＷＣ、Ｗ_２Ｃ、Ｍｏ_２Ｃ、Ｗ、Ｍｏの粒子）を添加すると、最終の焼結工程時に結晶粒の成長が抑制され、微細な結晶の合金になることを見出した。そして、結晶粒の微細化により、強度が向上し、耐疲労性に優れたものになる他、特に潤滑油による腐食の防止に効果があることを見出した。
【０００５】
そこで、本発明は、焼結によって製造される摺動部材において、Ｓｎ０．５〜１５質量％、Ｎｉ０．２〜１０質量％、硬質粒子０．４〜１０容積％、残部が実質的にＣｕからなり、前記硬質粒子はＷＣ、Ｗ₂Ｃ、Ｍｏ₂Ｃ、ＷおよびＭｏのうちから選択された１種以上からなり、Ｃｕ‐Ｓｎ‐Ｎｉ系マトリックスを構成するＣｕ合金粉末として、７５μｍ以下が９０％以上で、且つ４５μｍ以下が６０％以上の粉末を用い、このＣｕ合金粉末を前記硬質粒子と混合して焼結することにより、Ｃｕ‐Ｓｎ‐Ｎｉ系マトリックスの結晶粒の大きさが０．０７０ｍｍ以下となるようにしたことを特徴とするものである（請求項１）。この結晶粒の大きさは、ＪＩＳ Ｈ ０５０１の伸銅品結晶粒度試験方法による。
【０００６】
この場合の硬質粒子の平均粒径は、ＷＣ、Ｗ_２Ｃ、Ｍｏ_２Ｃは０．１〜10μｍ、Ｗ、Ｍｏは１〜２５μｍであることが好ましい（請求項２）。
また、本発明は、総量で４０質量％以下のＦｅ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｐを１種以上含むことができる（請求項３）。
更に、本発明は、総量で10容積％以下のＭｏＳ_２、ＷＳ_２、ｈ−ＢＮ、黒鉛を１種以上含むことができる（請求項４）。
また、総量で10質量％以下のＢｉおよび／またはＰｂを含むことができる（請求項５）。
【０００７】
以上の限定理由を説明する。
（１）Ｓｎ：０．５〜１５質量％
ＳｎはＣｕ合金マトリックスを強化し、耐疲労性を向上させる。０．５質量％未満ではＣｕ合金マトリックスの強度向上効果がなく、１５質量％を超えるとＣｕ―Ｓｎ化合物が多く形成され、脆くなる。
（２）Ｎｉ：０．２〜10質量％
ＮｉはＣｕ系合金マトリックスに固溶し、Ｃｕ系合金マトリックスの耐食性を向上させる。且つ、マトリックスを強化させ、耐疲労性を向上させる。０．２質量％未満では、Ｃｕ系合金マトリックスの耐食性の向上効果がなく、強度向上効果も得られない。１０質量％を超えると、Ｃｕ系合金マトリックスが硬くなり過ぎて摺動材料として好ましくない。
【０００８】
（３）硬質粒子：ＷＣ、Ｗ_２Ｃ、Ｍｏ_２Ｃ、Ｗ、Ｍｏ
これらの硬質粒子はＣｕ合金マトリックスとの濡れ性が良いため、合金強度が低下せず、また合金の巣の発生もないので、Ｃｕ合金マトリックス中への潤滑油の浸透を防止し、耐食性を向上させる。
（４）硬質粒子：０．４〜１０容積％
硬質粒子の割合が０．４容量％未満では、Ｃｕ合金マトリックスの結晶粒を微細にする効果がなく、その結果、耐食性の向上効果が得られない。10容量％を超えると、相手材への攻撃性が強くなり過ぎ、非焼付性に劣る。
（５）Ｃｕ‐Ｓｎ‐Ｎｉ系合金マトリックスの結晶粒の大きさ：０．０７０ｍｍ以下
Ｃｕ‐Ｓｎ‐Ｎｉ系合金マトリックス（Ｃｕ合金マトリックス）の結晶粒の大きさが０．０７０ｍｍを超えると、大き過ぎて耐食性の向上効果が得られない。
【０００９】
（６）硬質粒子ＷＣ、Ｗ_２Ｃ、Ｍｏ_２Ｃの大きさ：０．１〜10μｍ
ＷＣ、Ｗ_２Ｃ、Ｍｏ_２Ｃは、０．１μｍ未満では、硬質粒子が細か過ぎ、結晶粒を微細化する効果に乏しく、耐食性の向上効果が得られない。また、10μｍを超えると、相手材への攻撃性が強くなり過ぎ、非焼付性に劣る。また、均一な分散状態でなくなり、結晶粒の微細化効果が少なくなる。
【００１０】
（７）硬質粒子Ｗ、Ｍｏの大きさ：１〜２５μｍ
Ｗ、Ｍｏは、１μｍ未満では、硬質粒子が細か過ぎ、結晶粒を微細化する効果に乏しく、耐食性の向上効果が得られない。また、２５μｍを超えると、相手材への攻撃性が強くなり過ぎ、非焼付性に劣る。また、均一な分散状態でなくなり、結晶粒の微細化効果が少なくなる。
【００１１】
（８）Ｆｅ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｐ：総量で４０質量％以下
これらは、Ｃｕ合金マトリックスを強化し、耐疲労性を向上させる。４０質量％を超えると、耐疲労性の向上に寄与しない。
【００１２】
（９）ＭｏＳ_２、ＷＳ_２、ｈ−ＢＮ、黒鉛：総量で10容積％以下
これらは固体潤滑材であり、その添加により非焼付性、耐摩耗性を一層向上させることができる。総量で10容量％を超えると、強度が低下する。
【００１３】
（１０）Ｂｉ、Ｐｂ：総量で１０質量％以下
これらはＣｕ合金マトリックス中に分散して軟質相を形成し、異物埋収性、非焼付性を向上させる。10質量％を超えると、Ｃｕ合金マトリックスの強度が低下する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をコネクティングロッドの小端部に設けられるピストンピン用のブシュに適用した一実施例を説明する。ピストンピン用のブシュ１は、いわゆる巻ブシュとして構成され、図１に示すように、薄肉の鋼板からなる裏金２の内周面に、接着性を高めるためのＣｕめっき層３を介して本発明に係る摺動材料としての軸受合金層４を被着して構成されている。
【００１５】
前記軸受合金層４は、Ｃｕ系の焼結合金からなり、後述する実施例品１〜１１に代表されるように、特許請求の範囲に記載された成分組成を備えるものである。すなわち、軸受合金層４は、Ｓｎ０．５〜１５質量％、Ｎｉ０．２〜１０質量％、硬質粒子０．４〜１０容積％、残部が実質的にＣｕからなる。上記硬質粒子は、ＷＣ、Ｗ_２Ｃ、Ｍｏ_２Ｃ、Ｗ、Ｍｏのうちから選択された１種以上からなり、Ｃｕ‐Ｓｎ‐Ｎｉのマトリックスの結晶粒の大きさは、０．０７０ｍｍ以下である。
【００１６】
この場合、硬質粒子ＷＣ、Ｗ_２Ｃ、Ｍｏ_２Ｃの平均粒径は０．１〜10μｍ、Ｗ、Ｍｏは１〜２５μｍであることが好ましい。また、Ｆｅ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｐのうちから１種以上を総量で４０質量％以下含ませても良いし、Ｂｉおよび／またはＰｂを総量で10質量％以下含ませても良く、ＭｏＳ_２、ＷＳ_２、ｈ−ＢＮ、黒鉛のうちから１種以上を総量で10容積％以下を含ませても良い。
【００１７】
ここで上記のブシュ１の製造方法を簡単に説明する。まず、所定の成分のＣｕ合金粉末と硬質粒子とを所定の比率となるように混合機で混合する。Ｃｕ合金粉末は、Ｃｕ‐Ｓｎ‐Ｎｉ合金、Ｃｕ‐Ｓｎ‐Ｎｉ‐Ｚｎ合金等が用いられる。この混合工程において、Ｃｕ合金粉末は、硬質粒子との混合が均一に行われるようにするために、７５μｍ以下が９０％以上で、且つ４５μｍ以下が６０％以上の粉末を用いた。
【００１８】
次に、予めＣｕめっき層３を被着した厚さ１．３ｍｍの帯鋼板（裏金２）に、上記のように混合された粉末を散布し、還元性雰囲気にて８００〜９５０℃に加熱して初回の焼結を約１５分行い、その後、軸受合金層の緻密化のためにロール圧延を行う。更に、軸受合金層の緻密化のために焼結、ロール圧延を繰り返し、総厚約１．６ｍｍ、軸受合金層の厚さ約０．４ｍｍのバイメタルを得た。
【００１９】
このバイメタルの製造過程において、最後に実施する焼結工程での焼結温度は、結晶粒の成長を抑制するために９２０℃以下に設定した。この９２０℃以下の温度は、Ｃｕ‐Ｓｎ−Ｎｉ系マトリックスにおいて液相が発生しない温度である。後述する試験での比較例３の試料は最終焼結温度を９７０℃で行った。その後、バイメタルを機械加工して円筒状にし、最後にオーバレイ層５を被着してブシュ１に製造される。
【００２０】
さて、本発明者は、実施例品の効果を確かめるために、次の表１に示す組成の本発明品と比較例品とについて、Ｃｕ合金の結晶粒の大きさを測定すると共に、腐食試験、焼付試験、疲労試験を行った。
【００２１】
Ｃｕ合金の結晶粒の大きさは、ＪＩＳ Ｈ ０５０１の伸銅品結晶粒度試験方法によった。腐食試験は、バイメタルから総厚（軸受合金層厚さ０．３ｍｍ）１．５ｍｍ、幅２５ｍｍ、長さ５０ｍｍの試験片を作製し、潤滑油中で行った。焼付試験は、総厚（軸受合金層厚さ０．３ｍｍ）１．５ｍｍ、内径２０ｍｍ、幅１５ｍｍのブシュを作製し、このブシュについて行った。また、疲労試験は、総厚（軸受合金層厚さ０．３ｍｍ）１．５ｍｍの半割軸受を作製し、この半割軸受を２個突き合わせた円筒状軸受について行った。各試験の条件は、表２〜表４に示す通りである。
【００２２】
【表１】

【００２３】
【表２】

【００２４】
【表３】

【００２５】
【表４】

【００２６】
焼付試験は、軸受面圧を５Ｍｐずつ高めて行き、各軸受面圧毎に１０分間運転し、軸受の背面温度が２００℃を超えるか、または回転軸を駆動するモータの駆動電流が異常値を示したときの軸受面圧よりも一段低い軸受面圧を焼付かない最高面圧とした。疲労試験は、半割軸受に一定荷重をかけて摺動させ、試験後軸受合金の疲労発生の有無を確認した。
【００２７】
表1から明らかなように、発明品1〜１１は、比較例品１〜5との比較において、耐食性では格段に優れ、また、非焼付性および耐疲労性については同等或いはそれ以上の優れた成績を示す。
【００２８】
以下にＣｕ合金マトリックスの結晶粒の大きさ、Ｃｕ合金マトリックスの構成元素、硬質粒子の種類と耐食性とについて述べる。
▲１▼表１から明らかなように、発明品１〜１１と比較例品１〜５とは、Ｃｕ合金マトリックスの結晶粒の大きさが０．０７０ｍｍ以下であるところで一致している。
▲２▼発明品１〜１１は、Ｃｕ合金マトリックスをＣｕ‐Ｓｎ‐Ｎｉ系（発明品１〜10は、Ｃｕ‐Ｓｎ‐Ｎｉ、発明品１１はＣｕ‐Ｓｎ‐Ｎｉ‐Ｚｎ）とし、硬質粒子にＭｏ_２Ｃ、ＷＣ、Ｍｏ、Ｗを使用している。
▲３▼これに対し、比較例品１は、Ｃｕ合金マトリックスをＣｕ‐Ｓｎ‐Ｎｉとしているが、硬質粒子を含んでいない。
▲４▼また、比較例品２、３は、硬質粒子としてＭｏ_２Ｃを使用しているが、Ｃｕ合金マトリックス中にＮｉ、Ｓｎを含んでいない。
▲５▼更に、比較例品４、５は、Ｃｕ合金マトリックスをＣｕ‐Ｓｎ‐Ｎｉとし、硬質粒子としてＭｏ_２Ｃの他に、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣを使用している。
▲６▼そして、発明品１〜１１は比較例品１〜５に比べ、耐食性に優れる。
▲７▼以上のことから、結晶粒の大きさが０．０７０ｍｍ以下のＣｕ‐Ｓｎ‐Ｎｉ系のＣｕ合金マトリックス中にＭｏ_２Ｃ、ＷＣ、Ｍｏ、Ｗを含ませると、耐食性が向上することが分かる。
【００２９】
なお、本発明は上記し、且つ図面に示す実施例に限定されるものではなく、以下のような拡張或いは変更が可能である。
硬質粒子はＷ_２Ｃであっても良い。
硬質粒子はＷ_２Ｃ、Ｍｏ_２Ｃ、ＷＣ、Ｍｏ、Ｗのうちから選択した2種以上を含めるようにしても良い。
コネクティングロッドの小端側に設けられるピストンピン用のブシュに限らず、半割軸受として構成される内燃機関の主軸受に適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すブシュの断面図
【符号の説明】
1はブシュ、２は裏金、４は軸受合金層（摺動材料）である。

Claims (5)

1. 焼結によって製造される摺動部材において、
   Ｓｎ０．５〜１５質量％、Ｎｉ０．２〜１０質量％、硬質粒子０．４〜１０容積％、残部が実質的にＣｕからなり、
   前記硬質粒子はＷＣ、Ｗ₂Ｃ、Ｍｏ₂Ｃ、ＷおよびＭｏのうちから選択された１種以上からなり、
   Ｃｕ‐Ｓｎ‐Ｎｉ系マトリックスを構成するＣｕ合金粉末として、７５μｍ以下が９０％以上で、且つ４５μｍ以下が６０％以上の粉末を用い、このＣｕ合金粉末を前記硬質粒子と混合して焼結することにより、Ｃｕ‐Ｓｎ‐Ｎｉ系マトリックスの結晶粒の大きさが０．０７０ｍｍ以下となるようにしたことを特徴とする摺動材料。
2. 前記硬質粒子の平均粒径は、ＷＣ、Ｗ_２ＣおよびＭｏ_２Ｃは０．１〜10μｍ、ＷおよびＭｏは１〜２５μｍであることを特徴とする請求項１記載の摺動材料。
3. Ｆｅ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｚｎ、ＳｉおよびＰのうちから１種以上を総量で４０質量％以下含むことを特徴とする請求項１または２記載の摺動材料。
4. ＭｏＳ_２、ＷＳ_２、ｈ−ＢＮおよび黒鉛のうちから１種以上を総量で10容積％以下含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の摺動材料。
5. 総量で10質量％以下のＢｉおよび／またはＰｂを含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の摺動材料。