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JP2745757B2 - 高温で耐摩耗性にすぐれた銅基焼結合金 - Google Patents

高温で耐摩耗性にすぐれた銅基焼結合金

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Publication number
JP2745757B2
JP2745757B2 JP2026659A JP2665990A JP2745757B2 JP 2745757 B2 JP2745757 B2 JP 2745757B2 JP 2026659 A JP2026659 A JP 2026659A JP 2665990 A JP2665990 A JP 2665990A JP 2745757 B2 JP2745757 B2 JP 2745757B2
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JP
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oxide
alloy
based sintered
copper
sintered alloy
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JP2026659A
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英俊 阿久津
利雄 寺岡
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Mitsubishi Materials Corp
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、高温で耐摩耗性にすぐれた銅基焼結合金
に関するものであり、特に内燃機関のバルブガイドまた
はターボチャージャーの軸受用銅基焼結合金に関するも
のである。
〔従来の技術〕
従来、内燃機関用各種機械部品を製造するための部材
として、重量%で、Cu−28%Zn−6%Alの代表組成を有
する銅基溶製合金または焼結合金が用いられていた。ま
た、酸化物粉末の分散した銅基焼結合金も知られている
が、この合金の素地中に分散している酸化物は、平均粒
径:20μm以上(20〜70μm)の粗粒酸化物であった。
〔発明が解決しようとする課題〕
最近の内燃機関は、高出力にともない、燃焼室内の温
度は従来よりも一層高温となっており、従って、燃焼室
近傍に一部露出している摺動部材、例えばバルブガイド
も従来よりも一層高温に曝らされている。かかる摺動部
材は高温になるほど耐摩耗性および耐焼付き性が低く、
また、内燃機関の燃焼室内の温度と外部の温度との間に
著しい差が生じ、内燃機関の燃焼室の内部から外部にか
けて取付けられている摺動部材、例えばバルブガイドも
燃焼室近傍に露出している部分は従来より一層高温に曝
らされ、燃焼室近傍のバルブガイドの径は熱膨脹により
従来よりも一層拡大し、そのため、バルブガイドとバル
ブの間に隙間が生じ、それによって、 (a)エンジンオイルが燃焼室に入込み、排ガス規制に
定められる基準を満たさなくなる、 (b)作動中にバルブが振動してバルブガイドの機能が
十分に作用せず、バルブの機能も低下する、などの問題
も生じていた。
〔課題を解決するための手段〕
そこで、本発明者らは、上述のような問題は、常温お
よび高温において耐摩耗性および耐焼付き性にすぐれか
つ熱伝導性にすぐれた材料をバルブガイドの材料として
用いることにより解決できるとの認識のもとに研究を行
った結果、 Zn:5〜35重量%、 Al:0.1〜3重量%、 Mn:0.1〜3重量%、 を含有し、残りがCuおよび不可避不純物からなる組成の
Cu合金素地中に、平均粒径:3〜10μmを有する酸化物が
1〜15容量%均一に分散しかつ空孔が6〜15容量%分布
した組織を有する銅基焼結合金は、熱伝導性にすぐれか
つ高温で耐焼付き性および耐摩耗性にすぐれており、こ
の銅基焼結合金を内燃機関のバルブガイドとして用いた
場合、バルブガイドの熱伝導性がすぐれているために内
燃機関の燃焼室近傍で高温に加熱されても、燃焼室近傍
に露出しているバルブガイド部分の熱は外部に逃げて高
温とはならず、そのためにバルブガイドの径が熱膨脹に
より拡大することなく、上記(a)および(b)に示さ
れるバルブガイドとしての機能低下がなく、長期にわた
りすぐれた効果を発揮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、上記組成を有する
素地中に、平均粒径:3〜10μmの範囲内の酸化物が1〜
15容量%均一に分散しかつ空孔が6〜15容量%分布した
組織を有する高温で耐摩耗性にすぐれた銅基焼結合金に
特徴を有するものである。
上記酸化物は、Al酸化物、Si酸化物、Zr酸化物、Cr酸
化物、およびW酸化物の一種または二種以上を含むこと
が必要である。
つぎに、この発明のバルブガイド用銅基焼結合金の酸
化物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) 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重量%未満
ではその効果がなく、一方、35重量%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。従って、Znの含有量は、5〜35
重量%に定めた。
(b) 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を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重
量%未満ではその効果がなく、一方、その含有量が3重
量%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ので好ましくない。従
って、Alの含有量は、0.1〜3重量%に定めた。
(c) Mn Mnは、素地に固溶し、合金の強度を向上させる作用が
あるが、その含有量が0.1重量%未満では所望の効果が
得られず、一方、その含有量が3重量%を越えて含有す
ると、耐熱性が低下し、高温下での耐焼付き性および耐
摩耗性が低下するので好ましくない。したがって、Mnの
含有量は、0.1〜3重量%に定めた。
(d) 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、6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。
従って、空孔の分布量は、6〜15容量%に定めた。
(e) 酸化物 酸化物はこの発明の銅基焼結合金素地中に均一に分散
して、常温および高温での耐摩耗性を向上させ、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が
あるが、平均粒径:3μm未満および1容量%未満では効
果がなく、一方、その平均粒径が10μmを越えて粗大化
するか、15容量%を越えると、合金の強度および靭性が
低下するほか、相手攻撃性を増すので好ましくない。従
って、酸化物は、平均粒径:3〜10μmでかつその合計を
1〜15容量%に定めた。この発明の銅基焼結合金素地中
に均一に分散している酸化物は、Al酸化物、Si酸化物、
Zr酸化物、Cr酸化物、およびW酸化物の内の一種または
二種以上であることが必要である。
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
れるものでないので、その含有量を許容できる。
この発明のZn:5〜35重量%、Al:0.1〜3重量%および
Mn:0.1〜3重量%を含有し、残りがCuおよび不可避不純
物からなる組成のCu合金素地中に、平均粒径:3〜10μm
を有する酸化物が1〜15容量%均一に分散しかつ空孔が
6〜15容量%分布した組織を有する銅基焼結合金を製造
するには、予め酸化物がCu−Zn−Al−Mn合金中、Cu−Zn
合金中、Cu−Al合金中、Cu−Zn−Al合金中、Cu−Mn合金
中、Cu−Zn−Mn合金中にそれぞれ分散した母合金を水ア
トマイズすることにより製造し得られたCu−Zn−Al−Mn
合金粉末、Cu−Zn合金粉末、Cu−Al合金粉末、Cu−Zn−
Al合金粉末、Cu−Mn合金粉末およびCu−Zn−Mn合金粉末
を原料粉末として用いる。この原料粉末は、素地中に微
細酸化物が強固に結合している。また、上記素地中に微
細酸化物が強固に結合しているCu−Zn−Al−Mn合金粉末
を通常のCu−Zn−Al−Mnアトマイズ粉末に混合した混合
粉末を使用してもよい。しかし、通常のCu−Zn−Al−Mn
アトマイズ粉末に平均粒径:10μm以下の酸化物粉末を
添加し混合し、得られた混合粉末をプレス成形して圧粉
体とし、この圧粉体を焼結してもこの発明の銅基焼結合
金は得られない。通常のCu−Zn−Al−Mnアトマイズ粉末
に平均粒径:10μm以下の酸化物粉末を添加し混合する
と、酸化物粉末が微粉末であるために、均一に混合する
ことは難しく、この混合粉末をプレス成形して焼結して
も酸化物粉末は空孔内に凝集するかまたは空孔に接触し
て機械的に不均一に存在しており、脱落しやすく耐摩耗
性および相手攻撃性に問題が生じるのみでなく、偏析し
やすいという欠点が生じるからである。
そのため、従来の銅基焼結合金の素地中に分散した酸
化物は、平均粒径が20μm以上であった。
〔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。
先ず、酸化物が均一に分散してなるCu−Zn−Al−Mn母
合金を作製し、このCu−Zn−Al−Mn母合金を水アトマイ
ズすることにより上記Cu−Zn−Al−Mn母合金とほぼ同一
組成の原料粉末を作製し、これら原料粉末を5〜7ton/c
m2の範囲内の所定の圧力で圧粉体にプレス成形し、露
点:0℃〜−30℃の水素ガス中、800〜950℃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300〜600℃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、第1表に示される空孔量および酸化物平均粒径を
有する本発明Cu基焼結合金1〜37および比較Cu基焼結合
金1〜12を作製した。
さらに、通常のCu−Zn−Al−Mn合金アトマイズ粉末に
平均粒径:5μmのAl酸化物、Si酸化物、Zr酸化物、Cr酸
化物、およびW酸化物を配合し、混合し、プレス成形し
て圧粉体とし、この圧粉体を焼結して比較Cu基焼結合金
13〜17を作製した。上記比較Cu基焼結合金1〜17は、い
ずれも構成成分のうちのいずれかの成分含有量、酸化物
平均粒径、空孔含有量または製造方法がこの発明の範囲
から外れたもの(第1表において*印を付して示した)
である。
このようにして作製された本発明Cu基焼結合金1〜37
および比較Cu基焼結合金1〜17を用いて、直径:1.5mmの
ピン、および外径:14mm、内径:7mm、長 さ:40mmの寸法を有するパイプを作製し、その熱伝導性
を評価するために電気伝導度を測定し、その結果を第1
表に示すとともに、上記ピンおよびパイプを用いて、下
記の摩耗試験を行った。
摩耗試験 I 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
500℃に加熱しながら周速:1.6m/secで回転せしめ、一
方、上記直径:1.5mmのピンを押付荷重:7.5kgで上記ディ
スクに押付付け、エンジンオイルを滴下しながら摺動距
離:10kmを摺動せしめ、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確認をし、さらにピン
の異常摩耗の有無の確認をし、これらの結果を第1表に
示した。
摩耗試験 II 相手材としてSUH材をタフトライド処理した直径:6.9m
m、長さ:60mm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480℃とし、パイプ内面に相手材
である丸棒を押付荷重:5kgで押付け、7.5W−40のオイル
を滴下しながら、軸方向に上記丸棒をストローク:10m
m、3000回/分で1時間、摩耗試験を行い、摩耗量の測
定、焼付きの有無、および相手材表面状態を観察し、そ
れらの結果を第1表に示した。
なお、相手材表面状態については、全くキズが見られ
なかったものに○、一部焼付きによるキズが見られたも
のに△、摩耗キズが表面に見られたものに×を付して区
別した。
〔発明の効果〕
第1表に示される結果から、本発明Cu基焼結合金1〜
37は、いずれも従来Cu基溶製合金に比べて、熱伝導性に
すぐれ、さらに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1〜17に見られるよう
に、構成成分、酸化物平均粒径、空孔および製造方法の
うちいずれかでもこの発明の範囲または条件から外れる
と、熱伝導性、高温下での耐摩耗性、耐焼付き性もしく
は相手攻撃性、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、熱伝導
性、高温下での耐摩耗性、耐焼付き性もしくは相手攻撃
性をともに有するので、高出力化に伴う高温度に曝らさ
れる内燃機関の構造部材とくにバルブガイド部材として
用いても、燃焼室近傍のバルブガイドの温度が上昇する
ことなく、従って、バルブガイドの径が拡大せず、エン
ジンオイルのリークもなく、高出力内燃機関の構造部材
とくにバルブガイド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。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−55348(JP,A) 特開 昭61−149449(JP,A) 特開 平1−252745(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】Zn:5〜35重量%、 Al:0.1〜3重量%、 Mn:0.1〜3重量%、 を含有し、残りがCuおよび不可避不純物からなる組成の
    Cu合金素地中に、 平均粒径:3〜10μmを有する酸化物:1〜15容量%が均一
    に分散しかつ空孔が6〜15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】上記酸化物は、Al酸化物、Si酸化物、Zr酸
    化物、Cr酸化物、およびW酸化物の内の一種または二種
    以上を含み、かつそれらの酸化物の合計が1〜15容量%
    であることを特徴とする請求項1記載の高温で耐摩耗性
    にすぐれた銅基焼結合金。
JP2026659A 1990-02-06 1990-02-06 高温で耐摩耗性にすぐれた銅基焼結合金 Expired - Lifetime JP2745757B2 (ja)

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