JPH04131338A - 耐摩耗性に優れた銅基焼結合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、耐摩耗性に優れた銅基焼結合金に関するも
のであり、ガイドブツシュ、バルブシート、バルブガイ
ドまたはターボチャージャーの軸受けなどの内燃機関の
摺動構造部材として用いられるだけでなく、その他の各
種の摺動駆動装置の構造部材として用いられる銅基焼結
合金に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、例えば、特開昭６３−２４１１２６号公報および
特開昭５９−１５００４３号公報に記載されるような内
部酸化による方法で製造された酸化アルミニウムがＣｕ
またはＣｕ−Ａｉ）合金の素地中に均一に分散した組織
を有する銅基合金粉末は知られており、この銅基合金粉
末を焼結して得られる銅基焼結合金は、耐摩耗性に優れ
ているために、各種め摺動構造部材として用いられてい
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、最近の各種摺動駆動装置は、高性能化および高
速化にともない、これの使用環境も従来よりも一段と苛
酷さを増し、このため、上記各種摺動駆動装置に用いる
摺動構造部材、例えばガイドブツシュ、バルブシート、
バルブガイド、ターボチャージャーの軸受けなども従来
よりは一層の耐摩耗性が要求されている。ところが上記
従来の内部酸化方法で製造された銅基合金粉末を焼結し
て得られる焼結摺動構造部材では素地中に分散する酸化
アルミニウム粒の含有割合が少ないために十分な耐摩耗
性が得られず、これらの要求に満足な対応をすることが
できないのが現状である。このため、酸化アルミニウム
粒の含有割合を多くするために、酸化アルミニウムを多
量に含む銅合金粉末を焼結して、素地中に分散する酸化
アルミニウム含有割合の多い銅基焼結合金も提案されて
いるが、酸化アルミニウム粒の含有割合の多い銅合金粉
末は、焼結性が著しく低下し、実用に供することができ
ないなどの課題があった。

〔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、各種摺
動駆動装置の摺動構造部材として用いた場合に、優れた
耐摩耗性を発揮することのできる銅基焼結合金を得るべ
く研究を行った結果、Ｓｎ：２〜１５重量％を含有し、 さらに必要に応じて、 Ｐ　　：０．１〜１重量％、 Ｆｅ：１〜１４重量％、 Ｚｎ：１〜１４重量％、 のうち１種または２種以上を含有し、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、 平均外径：５〜２５μｍ、 平均厚さ：１〜１０μｍ、 の寸法を有し、殻状に凝集した微細な酸化アルミニウム
を主体とする殻状硬質相が３〜３０容量％分布した組織
を有する銅基焼結合金は、酸化アルミニウムの含有割合
が高いにもかかわらず、焼結性が良好で耐摩耗性にすぐ
れてい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成されたものであ
って、 Ｓｎ：２〜１５重量％を含有し、 さらに、必要に応じて、 Ｐ　　：０．１〜１重量％、 Ｆｅ：１〜１４重量％、 Ｚｎ：１〜１４重量％、 のうち１種または２種以上を含有し、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、 平均外径＝５〜２５μｍ、 平均厚さ：１〜１０ｍ。

の寸法を有し、殻状に凝集した微細な酸化アルミニウム
を主体とする殻状硬質相が３〜３０容量％分布した組織
を有する銅基焼結合金に特徴を有するものである。

つぎに、この発明の耐摩耗性に優れた銅基焼結合金の成
分組成および組織を上記のごとく限定した理由について
説明する。

（ａ）　　５ｎ Ｓｎ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、さらに耐凝着性を向上さ
せ、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、２重量％未満ではその
効果がなく、一方、１５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。

したがって、Ｓｎの含有量は、２〜１５重量％に定めた
。

（ｂ）　　ｐ Ｐは、素地のＣｕと反応して非常に硬い金属間化合物を
形成し、この金属間化合物は合金の耐摩耗性の改善に寄
与するが、その含有量が０．１重量％未満では十分な効
果が得られず、一方、１重量％より多く含有すると強度
および靭性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
。

したかって、Ｐの含有量は０，１〜１重量％に定めた。

（ｃ）　　Ｆｅ Ｆｅは銅基焼結合金素地中に均一に分散して、合金の強
度および靭性を向上させるとともに、殻状硬質相を形成
する酸化アルミニウムのＡＩとも結合して耐摩耗性を向
上させるとともに、耐焼付き性を改善する効果もあるが
、その含有量が１重量％未満では効果がなく、一方、そ
の含有量が１４重量％を越えて含有すると合金の靭性が
低下するので好ましくない。

したがって、Ｆｅの含有量は、１〜１４重量％に定めた
。

（ｄ）　　Ｚｎ Ｚｎは、Ｃｕと共に素地を形成し、合金の強度および靭
性を向上させる作用があり、さらに耐凝着性を向上させ
、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、１重量％未満ではその効
果がなく、一方、１４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か低下す
るようになる。

したかって、Ｚｎの含有量は、１〜１４重量％に定めた
。

（ｅ）　　殻状硬質相 この発明の銅基焼結合金素地中に均一に分散している殻
状に凝集した微細な酸化アルミニウムを主体とする殻状
硬質相は、 平均外径＝５〜２５ｉＩＭ、 平均厚さ＝１〜■０μｍ、 の寸法を有し、３〜３Ｄ容量％分布していることが必要
であり、その理由は、平均外径＝５１ｔＩａ未満および
平均厚さ＝１１血満の殻状硬質相が３容量％未満分布し
ていても耐摩耗性を十分に改善することができず、一方
、平均外径＝２５拳を越えかつ平均厚さ＝１０血を越え
た殻状硬質相が３０容量％を越えて分布していると相手
攻撃性が増すので好ましくないことによるものである。

この発明の銅基焼結合金を製造するには、原料粉末の１
つとして、ＣｕまたはＣｕ合金粉末内部に微細な酸化ア
ルミニウムを主体とした酸化物がシェル状に凝集して形
成されている特殊なＣｕ合金粉末（以下、このＣｕ合金
粉末を殻状硬質相内包Ｃｕ合金粉末という）を用いる。

この殻状硬質相内包Ｃｕ合金粉末は、次のようにして製
造される。

まずＡＮ　：１．５〜ｉｏ重量％含有のＣｕ−ＡＮ合金
粉末を用意し、このＣｕ−Ａ、Ｑ合金粉末を６００〜１
０００℃の温度で酸化すると、主体が酸化銅からなる素
地に微細なＣｕ−Ａｌの複合酸化物か殻状に凝集してな
る構造の酸化粉末か得られ、得られた酸化粉末を２００
〜４００℃の温度で還元すると、酸化粉末の素地を形成
していた主体の酸化銅が銅に還元されて微細な酸化アル
ミニウムを主体とした酸化物がシェル状に凝集して形成
され、上記殻状硬質相内包Ｃｕ合金粉末が得られるので
ある。この殻状硬質相内包Ｃｕ合金粉末の表面には、酸
化アルミニウムか存在せず、Ｃｕ合金で覆われていると
ころから、焼結性か極めて良好である。

この発明の銅基焼結合金は、 Ｓｎ：２〜１５重量％を含有し、さらに、必要に応じて
、 Ｐ　　：Ｏ，］〜１重Ｉ％、 Ｆｅ：１〜１４重量％、 Ｚｎ：１〜１４重量％、 のうち１種または２種以上を含有し、残りがＣｕおよび
不可避不純物からなる組成のＣｕ合金粉末に、上記殻状
硬質相内包Ｃｕ合金粉末を所定量配合し、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
焼結すると、Ｃｕ合金素地中に、平均外径：５〜２５μ
ｍ、平均厚さ＝１〜１０伽の範囲内の殻状硬質相が分散
したこの発明の銅基焼結合金が得られる。上記殻状硬質
相のＣｕ合金素地における分布量は、上記殻状硬質相内
包Ｃｕ合金粉末の配合量によって決定される。このよう
にして得られたこの発明の銅基焼結合金の組織の殻状硬
質相内部の組成も殻状硬質相外部の組成とほぼ同等の組
織となっている。

この発明の銅基焼結合金は、さらに通常の固体潤滑剤、
例えば黒鉛、雲母、亜鉛華、滑石、酸化鉛、硫黄、２硫
化モリブデンなどを１〜１０重量％含んでもよい。

〔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、第１表に示される成分組成の水アトマイズＣｕ−
５ｎ系母合金原料粉末Ａ−Ｈを用意した。

さらに、もう１つの原料粉末として、平均粒径：２Ｄｍ
を有し、ＡＩ！＋７．２０重量％含有の成分組成を有す
るＣｕ−Ａ、１７合金原料粉末を用意し、このＣｕ−Ａ
、Ｑ合金原料粉末を温度＝８００℃、大気中、２時間保
持の条件で酸化処理し、ついで水素雰囲気中、温度＝４
００℃、３時間保持の条件で還元処理することにより、
内部に平均外径：１４血および平均厚さ、５血を有する
酸化アルミニウム殻状硬質相内包Ｃｕ合金粉末を作成し
た。

上記Ｃｕ−５ｎ系母合金原料粉末Ａ−Ｈに対して上記酸
化アルミニウム殻状硬質相内包Ｃｕ合金粉末を第２表に
示される割合で配合し、混合して混合粉末を作成し、こ
れら混合粉末を６　ｔｏｎ／Ｃ−の圧力て圧粉体にプレ
ス成形し、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、第２表に示される酸化アルミニウム殻状硬質相
の分布量を有する本発明Ｃｕ基焼結合金１〜３６および
比較Ｃｕ基焼結合金１〜１６（第２表においてこの発明
の範囲から外れた値に※印を付して示した）からなる、
たて二１０龍、横：１０ｏｍ、長さ＝４５關の寸法を宵
するブロックを作製した。

さらに、通常のＣｕ−３ｎ合金アトマイズ粉末にそれぞ
れ平均粒径：５Ｉｌ！ｍの酸化アルミニウム粉末を配合
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、たて：１０關、横＋　ｌＯ＋ｕ。

長さ：４５ｍｍの寸法を有する従来Ｃｕ基焼結合金ブロ
ックを作製した。

このようにして作製された本発明Ｃｕ基焼結合金１〜３
６、比較Ｃｕ基焼結合金１〜１６および従来Ｃｕ基焼結
合金からなるブロックを用いて摩耗試験片を作成し、ブ
ロック・オン・リング型摩耗試験の相手材として、通常
、内燃機関のバルブ材として知られている５ＵＨ３鋼材
で外径：４０ｍｍ。

内径：３０ｍｍ、厚さ：１５關の寸法を有するリングを
作製し、上記ブロックおよびリングを用い、第１図に示
されるように、ブロック１をリング２に接するように組
合わせ、リング２の周囲に潤滑油としてタービン油を塗
布した後、ブロック１に荷重・３．５ｋｇをかけ、室温
および温度＝３００℃の雰囲気下でリング２を摺動速度
：１．５ｍ／秒で回転せしめ、焼付きか生じて摩擦係数
が急増するに至るまでリング２の回転を続け、焼付きに
至るまでの時間、焼付きに至った時点でのブロック１お
よびリング２の摩耗量を測定するブロック・オン・リン
グ型摩耗試験を実施し、それ等の測定値を第２表に示し
た。

〔発明の効果〕

第２表に示される結果から、本発明Ｃｕ基焼結合金１〜
３６は、いずれも従来Ｃｕ基焼結合金に比べて、−段と
優れた、耐摩耗性および耐焼付き性をもち、また比較Ｃ
ｕ基焼結合金１〜１６に見られるように、この発明の範
囲または条件から外れると、耐摩耗性もしくは耐焼付き
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、耐摩耗性
もしくは耐焼付き性をともに有するので、高出力内燃機
関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、優れた性能を長期にわたって発揮することに
より工業上優れた効果をもたらすものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ブロック・オン・リング型摩耗試験の説明図
である。 １・・・ブロック、　　　　　　２・・・リング。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｓｎ：２〜１５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、 平均外径：５〜２５μｍ、 平均厚さ：１〜１０μｍ、 の寸法を有し、殻状に凝集した微細な酸化アルミニウム
   を主体とする殻状硬質相が５〜５０容量％分布した組織
   を有することを特徴とする耐摩耗性に優れた銅基焼結合
   金。
2. （２）Ｓｎ：２〜１５重量％、Ｐ：０．１〜１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、 平均外径：５〜２５μｍ、 平均厚さ：１〜１０μｍ、 の寸法を有し、殻状に凝集した微細な酸化アルミニウム
   を主体とする殻状硬質相が３〜３０容量％分布した組織
   を有することを特徴とする耐摩耗性に優れた銅基焼結合
   金。
3. （３）Ｓｎ：２〜１５重量％、Ｆｅ：１〜１４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、 平均外径：５〜２５μｍ、 平均厚さ：１〜１０μｍ、 の寸法を有し、殻状に凝集した微細な酸化アルミニウム
   を主体とする殻状硬質相が３〜３０容量％分布した組織
   を有することを特徴とする耐摩耗性に優れた銅基焼結合
   金。
4. （４）Ｓｎ：２〜１５重量％、Ｐ：０．１〜１重量％、
   Ｆｅ：１〜１４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、 平均外径：５〜２５μｍ、 平均厚さ：１〜１０μｍ、 の寸法を有し、殻状に凝集した微細な酸化アルミニウム
   を主体とする殻状硬質相が３〜３０容量％分布した組織
   を有することを特徴とする耐摩耗性に優れた銅基焼結合
   金。
5. （５）Ｓｎ：２〜１５重量％、Ｚｎ：１〜１４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、 平均外径：５〜２５μｍ、 平均厚さ：１〜１０μｍ、 の寸法を有し、殻状に凝集した微細な酸化アルミニウム
   を主体とする殻状硬質相が３〜３０容量％分布した組織
   を有することを特徴とする耐摩耗性に優れた銅基焼結合
   金。
6. （６）Ｓｎ：２〜１５重量％、Ｐ：０．１〜１重量％、
   Ｚｎ：１〜１４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、 平均外径：５〜２５μｍ、 平均厚さ：１〜１０μｍ、 の寸法を有し、殻状に凝集した微細な酸化アルミニウム
   を主体とする殻状硬質相が３〜３０容量％分布した組織
   を有することを特徴とする耐摩耗性に優れた銅基焼結合
   金。
7. （７）Ｓｎ：２〜１５重量％、Ｆｅ：１〜１４重量％、
   Ｚｎ：１〜１４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、 平均外径：５〜２５μｍ、 平均厚さ：１〜１０μｍ、 の寸法を有し、殻状に凝集した微細な酸化アルミニウム
   を主体とする殻状硬質相が３〜３０容量％分布した組織
   を有することを特徴とする耐摩耗性に優れた銅基焼結合
   金。
8. （８）Ｓｎ：２〜１５重量％、Ｐ：０．１〜１重量％、
   Ｆｅ：１〜１４重量％、Ｚｎ：１〜１４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、 平均外径：５〜２５μｍ、 平均厚さ：１〜１０μｍ、 の寸法を有し、殻状に凝集した微細な酸化アルミニウム
   を主体とする殻状硬質相が３〜３０容量％分布した組織
   を有することを特徴とする耐摩耗性に優れた銅基焼結合
   金。