JP2745699B2 - 高温で耐摩耗性にすぐれた銅基焼結合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、常温から高温までのいずれの状況下にお
いてもすぐれた耐摩耗性を有する銅基焼結合金、特に高
温下での耐摩耗性にすぐれた銅基焼結合金に関するもの
であり、内燃機関のガイドブッシュ、ターボチャージャ
ーの軸受などとして用いるに適した銅基焼結合金に関す
るものである。

〔従来の技術〕

従来、上記各種部材の製造に、重量％で（以下％は、
重量％を示す。）、Cu−28％Zn−６％Alの代表組成を有
する銅基溶製合金が用いられていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記の従来の銅基溶製合金は、比較的低温か
ら高温にわたって使用した場合、特に高温下において、
焼付きが発生し、耐摩耗性に問題があった。

最近の内燃機関は、高出力化にともない、従来よりも
摺動部が一層高温に曝らされるため、特に高温下におい
て、焼付きが発生せずかつ耐摩耗性にすぐれた銅基合金
の開発が強く望まれていた。

〔課題を解決するための手段〕

そこで、本発明者らは、上述のような観点から、特に
上記の従来の銅基溶製合金に着目し、一段とすぐれた耐
焼付き性および耐摩耗性を有する銅基焼結合金を開発す
べく研究を行った結果、 Zn:5〜25％、 Mn:0.1〜３％、 Si:0.1〜２％、 Fe,Ni、およびCoのうち１種または２種以上:0.1〜３
％、 酸素:0.01〜0.5％、 Al:0.1〜0.3％、 を含有し、さらに必要に応じて、 Cr,Mo、およびＷのうち１種または２種以上:0.1〜２
％、 を含有し、残りがCuおよび不可避不純物からなる組成、
並びに素地中に微細な酸化物および金属間化合物が均一
に分散しかつ空孔が容積率で１〜15％分布した組織を有
する銅基焼結合金は、常温および高温における耐摩耗性
が向上し、さらに素地中に微細な酸化物および空孔が存
在することにより高温下での耐焼付き性が向上するとい
う知見を得たのである。

この発明は、かかる知見にもとづいてなされたもので
あって、この発明の銅基焼結合金は、上記組成によっ
て、素地中に、１〜40μｍの粒度範囲内に分布した酸化
物が0.1〜７％の面積率で均一分散し、かつ同じく１〜2
5μｍの粒度範囲内に分布した金属間化合物が１〜８％
の面積率で均一分散し、さらに１〜40μｍの粒度範囲内
の空孔が１〜15容量％均一分布した組織を持ち、これら
酸化物と金属間化合物が素地中に存在することによって
常温および高温での耐摩耗性が著しく向上し、これら酸
化物と空孔が素地中に存在することによって高温下での
耐焼付き性が著しく向上するものである。

つぎに、この発明の銅基焼結合金の成分組成および空
孔を上記のごとく限定した理由について説明する。

（ａ） 空孔 空孔は、摺動面に分布し、特に高温下での耐焼付き性
を改善する作用を有するが、１容量％未満ではその効果
が得られず、一方、15容量％より多く分布すると強度が
低下するのみでなく、熱伝導度が低下することにより逆
に耐熱性が悪くなり、高温下での耐焼付き性が低下し、
また耐摩耗性も低下するので好ましくない。

したがって、空孔の分布量は、１〜15容量％に定め
た。

（ｂ） Zn Znは、Cuとともに素地を形成し、合金の強度および靭
性を向上させる作用があり、さらに酸素と結合して酸化
物を形成し、高温での耐焼付き性並びに常温および高温
での耐摩耗性を改善する作用を有するが、５％未満では
その効果がなく、一方、25％を越えて含有すると、熱伝
導度が低下するとともに高温下での耐焼付き性が低下す
るようになる。

したがって、Znの含有量は、５〜25％に定めた。

（ｃ） MnおよびSi これらの成分は、お互いに結合して素地中に微細に分
散する金属間化合物を形成し、また、Mnの一部は素地に
固溶して銅基焼結合金の強度を向上させる作用があり、
さらにSiは、W,Mo、またはCrと結合して硬くて微細な金
属間化合物を形成し、常温および高温での耐摩耗性およ
び耐焼付き性を改善する作用を有するが、これらの成分
は、それぞれ0.1％未満ではその効果がなく、一方、Mn
は３％を、Siは２％をそれぞれ越えて含有すると逆に耐
焼付き性が低下し相手攻撃性が増すので好ましくない。

したがって、Mnの含有量は0.1〜３％、Siの含有量
は、0.1〜２％にそれぞれ定めた。

（ｄ） 酸素 酸素は、Cu,ZnおよびSi、並びに必要に応じて含有さ
れるAl,W,MoおよびCrと結合して、素地中に均一微細に
分散する酸化物を形成し、常温および高温での耐摩耗性
を向上させ、特に耐焼付き性および耐熱性の改善によっ
て、高温下での耐摩耗性を向上させる作用を有するが、
0.01％未満ではその効果がなく、一方、0.5％を越えて
含有すると、酸化物の粒径が40μｍを越えて粗大化する
ばかりでなく、面積率で７％を越えて多くなりすぎ、合
金の強度および靭性を低下させるほか、相手攻撃性を増
し、好ましくない。

したがって、酸素の含有量は、0.01〜0.5％に定め
た。

（ｅ） Fe,NiおよびCo これらの成分は、いずれも素地中に分散して合金の強
度および靭性を向上させるとともにCu、並びに必要に応
じて含有されるAl,W,MoおよびCrと結合して、素地中に
分散する微細な金属間化合物を形成し、耐摩耗性を向上
させるとともに耐熱性を向上させ、耐焼付き性にも効果
があるが、その含有量が0.1％未満では、所望の効果が
得られず、一方、その含有量が３％を越えて含有すると
靭性が低下するとともに熱伝導度が低下することにより
耐焼付き性が劣化するようになるので好ましくない。

したがって、Fe,NiおよびCoの含有量は、0.1〜３％に
定めた。

（ｆ） Al Alは、CuおよびZnとともに高強度および高靭性を有す
る素地を形成するほか酸素と結合して酸化物を形成し、
高温下での耐焼付き性並びに常温および高温下での耐摩
耗性を向上させる作用があるが、その含有量が0.1％未
満では、所望の効果が得られず、一方、その含有量が0.
3％を越えて含有すると熱伝導度が低下し、耐焼付き性
が劣化するようになるので好ましくない。

したがって、Alの含有量は、0.1〜0.3％に定めた。

（ｇ） W,MoおよびCr これらの成分は、いずれもFe,NiおよびCoと結合し
て、素地中に分散する微細な金属間化合物を形成し、ま
た酸素と結合して微細な酸化物を形成し、耐摩耗性を向
上させるとともに耐焼付き性を向上させる効果がある
が、その含有量が0.1％未満では、所望の効果が得られ
ず、一方、その含有量が２％を越えて含有すると靭性が
低下するので好ましくない。

したがって、W,MoおよびCrの含有量は、0.1〜２％に
定めた。

なお、この発明の銅基焼結合金は、不可避不純物とし
てP,Mg,SnおよびPbを含有する場合があるが、その含有
量が合計で1.5％以下であれば、合金特性が何等損なわ
れるものではないので、その含有量を許容できる。

〔実施例〕

つぎに、この発明の銅基焼結合金を実施例により具体
的に説明する。

原料粉末として、いずれも200mesh以下の、Cu−５％Z
n合金粉末、Cu−30％Zn合金粉末、Cu粉末、Zn粉末、Al
粉末、Si粉末、Mo粉末、Ｗ粉末、Cr粉末、Fe粉末、Ni粉
末、およびCo粉末を用意し、これら原料粉末を配合し、
Ｖ型ミキサーで３時間粉砕混合したのち、５〜7ton/cm²
の範囲内の所定の圧力で圧粉体にプレス成型し、露点:0
℃〜−30℃の水素ガス中、850〜950℃の範囲内の所定の
温度で１時間保持の条件で焼結し、ついで空孔量をコン
トロールするために、必要に応じて400〜600℃の範囲内
の所定の温度に１分間保持後、再加圧を行うことによ
り、 圧壊荷重測定用として、外径:63mm、内径:54mm、厚
さ:8mmの寸法を有し、第１表に示される組成を有する本
発明Cu基焼結合金１〜10および比較Cu基焼結合金１〜13
からなるリングを、また、 摩耗測定用として第１表の本発明Cu基焼結合金１〜10
および比較Cu基焼結合金１〜13からなる直径:10mm、高
さ:30mmの寸法を有する丸棒および外径:12mm、内径:6m
m、長さ:45mmの寸法を有するパイプを、それぞれ製造し
た。

さらに、通常の溶解法により溶解し鋳造して第１表に
示される成分組成を有する従来Cu基溶製合金からなる上
記寸法のリング、丸棒およびパイプを製造した。

なお、本発明Cu基焼結合金１〜10は、いずれも素地中
に微細な酸化物および金属間化合物が均一に分散した組
織をもつものであった。

また、比較Cu基焼結合金１〜13は、いずれも構成成分
のうちのいずれかの成分含有量または空孔含有量（第１
表に※印を付したもの）がこの発明の範囲から外れたも
のである。

つぎに、この結果得られた各種のCu基焼結合金につい
て、強度および靭性を評価する目的でリングを三分割
し、その１つを試料として常温下の圧壊荷重を測定し、
その結果を第１表に示すとともにさらに高温下での耐摩
耗性を評価する目的で、下記の摩耗試験を行った。

摩耗試験 Ｉ 上記直径:10mm、高さ:30mmの寸歩を有する丸棒を加工
して、直径:1.5mmのピンを作製し、さらに相手材として
クロムメッキしたSUH材製ディスクを用意し、上記ディ
スクの裏側よりバーナーにてディスクを620℃に加熱し
ながら周速:2.1m/secで回転せしめ、一方、上記ピンを
押付荷重:8kgで上記ディスクに押付け、5W−30オイルを
滴下しながら摺動距離:15kmを摺動せしめ、相手材に対
する高温での同期特性を評価する目的でピンオンディス
ク摩擦摩耗試験を行ない、トルクメーターにより発生ト
ルクの変化から焼付き発生の有無の調査を行い、この結
果を第１表に示した。

摩耗試験 II 上記外径:12mm、内径:6mm、長さ:45mmの寸法を有し、
第１表に示される各種本発明Cu基焼結合金、比較Cu基焼
結合金および従来Cu基溶製合金からなるパイプをそれぞ
れ加工して外径:11mm、内径:6.5mm、長さ:45mmの寸法を
有するパイプを試料として製造し、一方、相手材として
SUH材を塩クロムメッキ処理した直径:6.42mm、長さ:150
mmの丸棒を用意した。

上記相手材である丸棒を上記試料であるパイプ孔に挿
入し、相手材である丸棒の片端部をバーナーで加熱しつ
つ片端部雰囲気温度を550℃とし、上記試料を相 手材に押付荷重:6kgで押付け、5W−30オイルを滴下しな
がら、上記相手材である丸棒を上記試料であるパイプ孔
の軸方向にストローク摺動距離:15mm、4000ストローク
／分で30分間摺動の条件で摩耗試験を行い、摩耗量を測
定し、さらに焼付きの有無および相手材の表面状態を観
察し、それらの結果を第１表に示した。

なお、相手材の表面状態については、全くキズが見ら
れなかったものを○印、一部焼付きによるキズが見られ
たものを△印、摩耗キズが表面に見られたものを×印を
付して区別した。

〔発明の効果〕

第１表から示される結果から、本発明Cu基焼結合金１
〜10は、いずれも従来Cu基溶製合金に比べて一段とすぐ
れた耐摩耗性および耐焼付き性をもち、また比較Cu基焼
結合金１〜13に見られるように、構成成分および空孔の
うちのいずれかでもこの発明の範囲から外れると、高温
下での耐摩耗性、耐焼付き性もしくは相手攻撃性、また
は常温下での強度および靭性のうち少なくともいずれか
の性質が劣ったものとなることが明らかである。

上述のように、この発明のCu基焼結合金は、高温下で
の耐摩耗性および同期特性を有するので、高出力化に伴
う高温度にさらされる各種機器の構造部材として十分に
対応することができ、実用に際しては、すぐれた性能を
長期にわたって発揮することにより工業上すぐれた効果
をもたらすものである。

なお、この発明のCu基焼結合金は特に高温下で優れた
特性を示すが、常温下でも十分な強度および靭性を有す
るところから常温下でも使用できることは勿論である。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Zn:5〜25％、 Mn:0.1〜３％、 Si:0.1〜２％、 Fe,Ni、およびCoのうち１種または２種以上:0.1〜３
   ％、 酸素:0.01〜0.5％、 を含有し、さらに、 Al:0.1〜0.3％、 を含有し、残りがCuおよび不可避不純物からなる組成
   （以上重量％）、並びに素地中に微細な酸化物および金
   属間化合物が均一に分散しかつ空孔が１〜15容量％分布
   した組織を有することを特徴とする高温で耐摩耗性にす
   ぐれた銅基焼結合金。
2. 【請求項２】Zn:5〜25％、 Mn:0.1〜３％、 Si:0.1〜２％、 Fe,Ni、およびCoのうち１種または２種以上:0.1〜３
   ％、 酸素:0.01〜0.5％、 を含有し、さらに、 Al:0.1〜0.3％、 Cr,Mo、およびＷのうち１種または２種以上:0.1〜２
   ％、 を含有し、残りがCuおよび不可避不純物からなる組成
   （以上重量％）、並びに素地中に微細な酸化物および金
   属間化合物が均一に分散しかつ空孔が１〜15容量％分布
   した組織を有することを特徴とする高温で耐摩耗性にす
   ぐれた銅基焼結合金。