特許第6363931号(P6363931)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6363931
(24)【登録日】2018年7月6日
(45)【発行日】2018年7月25日
(54)【発明の名称】すべり軸受用銅合金
(51)【国際特許分類】
   C22C 9/00 20060101AFI20180712BHJP
   C22C 9/02 20060101ALI20180712BHJP
   C22C 9/06 20060101ALI20180712BHJP
   C22C 32/00 20060101ALI20180712BHJP
   F16C 33/12 20060101ALI20180712BHJP
   C22C 1/04 20060101ALN20180712BHJP
   C22C 1/05 20060101ALN20180712BHJP
   B22F 3/10 20060101ALN20180712BHJP
   B22F 7/00 20060101ALN20180712BHJP
【FI】
   C22C9/00
   C22C9/02
   C22C9/06
   C22C32/00 B
   C22C32/00 C
   C22C32/00 E
   F16C33/12 A
   !C22C1/04 A
   !C22C1/05 E
   !B22F3/10 G
   !B22F7/00 D
【請求項の数】4
【全頁数】9
(21)【出願番号】特願2014-209941(P2014-209941)
(22)【出願日】2014年10月14日
(65)【公開番号】特開2016-79432(P2016-79432A)
(43)【公開日】2016年5月16日
【審査請求日】2017年4月20日
(73)【特許権者】
【識別番号】000207791
【氏名又は名称】大豊工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000660
【氏名又は名称】Knowledge Partners 特許業務法人
(74)【代理人】
【識別番号】100167254
【弁理士】
【氏名又は名称】後藤 貴亨
(72)【発明者】
【氏名】江端 祐平
【審査官】 河野 一夫
(56)【参考文献】
【文献】 特開2005−200703(JP,A)
【文献】 米国特許出願公開第2008/0095658(US,A1)
【文献】 特開2005−350722(JP,A)
【文献】 米国特許出願公開第2006/0000527(US,A1)
【文献】 国際公開第2008/018348(WO,A1)
【文献】 米国特許出願公開第2010/0266444(US,A1)
【文献】 国際公開第2010/030031(WO,A1)
【文献】 米国特許出願公開第2011/0224112(US,A1)
【文献】 特表2010−535287(JP,A)
【文献】 米国特許出願公開第2008/0166578(US,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C22C 1/00 − 49/14
F16C 33/12
B22F 3/10
B22F 7/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
Bi1〜30質量%および平均粒径が10〜50μmの硬質物粒子0.1〜10質量%を含有し、残部がCuおよび不可避的不純物からなる組成を有し、前記硬質物粒子より平均粒径が小さいBi相がCuマトリックス中に分散し、
前記硬質物粒子は、単一粒子がFe2Pのみで構成される粒子と、単一粒子がFe3Pのみで構成される粒子と、単一粒子がFe2PとFe3Pとで構成される粒子と、からなり、
前記硬質物粒子におけるFe2PとFe3Pの質量比がFe2P:Fe3P=4:1〜2:3である、
すべり軸受用銅合金。
【請求項2】
Bi1〜30質量%と、Sn1〜15質量%、Ni0.5〜5質量%およびP0.5質量%以下からなる群の少なくとも1種と、平均粒径が10〜50μmの硬質物粒子0.1〜10質量%とを含有し、残部がCuおよび不可避的不純物からなる組成を有し、前記硬質物粒子より平均粒径が小さいBi相が銅合金マトリックス中に分散し、
前記硬質物粒子は、単一粒子がFe2Pのみで構成される粒子と、単一粒子がFe3Pのみで構成される粒子と、単一粒子がFe2PとFe3Pとで構成される粒子と、からなり、
前記硬質物粒子におけるFe2PとFe3Pの質量比がFe2P:Fe3P=4:1〜2:3である、
すべり軸受用銅合金。
【請求項3】
Bi1〜30質量%および平均粒径が10〜50μmの硬質物粒子0.1〜10質量%を含有し、残部がCuおよび不可避的不純物からなる組成を有し、Bi相と接している前記硬質物粒子に関して、該硬質物粒子全周に対するBi相の接触長さ割合が50%以下である前記硬質物粒子の存在割合が前記硬質物粒子個数の全体に対して70%以上であり、
前記硬質物粒子は、単一粒子がFe2Pのみで構成される粒子と、単一粒子がFe3Pのみで構成される粒子と、単一粒子がFe2PとFe3Pとで構成される粒子と、からなり、
前記硬質物粒子におけるFe2PとFe3Pの質量比がFe2P:Fe3P=4:1〜2:3である、
すべり軸受用銅合金。
【請求項4】
Bi1〜30質量%と、平均粒径が10〜50μmの硬質物粒子0.1〜10質量%と、Sn1〜15質量%、Ni0.5〜5質量%、および0.5質量%以下のPからなる群の少なくとも1種とを含有し、残部がCuおよび不可避的不純物からなる組成を有し、Bi相と接している前記硬質物粒子に関して、該硬質物粒子全周に対するBi相の接触長さ割合が50%以下である前記硬質物粒子の存在割合が前記硬質物粒子個数の全体に対して70%以上であり、
前記硬質物粒子は、単一粒子がFe2Pのみで構成される粒子と、単一粒子がFe3Pのみで構成される粒子と、単一粒子がFe2PとFe3Pとで構成される粒子と、からなり、
前記硬質物粒子におけるFe2PとFe3Pの質量比がFe2P:Fe3P=4:1〜2:3である、
すべり軸受用銅合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、すべり軸受用銅合金に関する。
【背景技術】
【0002】
摺動用銅合金に通常添加されているPbは摺動時の温度上昇によって摺動面において膨張・展伸する結果、Pbは摺動面を冷却すると同時に、その優れた自己潤滑作用により焼付きを防止する。さらに、Pbは軟質分散相であるから、なじみ性および異物埋収性を有している。しかしながら、Pbは硫酸以外の酸に腐食され易く、Cu合金中に粗大粒子として存在すると、軸受の負荷能力が低下するために、特許文献1(特公平8−19945号公報)では特定の計算式で表わされる微細粒子として分散させることを提案する。その式の意味は、0.1mm2(105μm2)の視野で観察される全Pb粒子の平均面積率が1個当たり0.1%以下であると解釈できる。この公報の実施例では、Cu-Pb-Snプレアロイ粉末が使用されており、焼結温度が低い方が微細Pb組織が得られると説明されているから、低温焼結によりPbの析出・成長を押さえる手法が採用されていると考えられる。
【0003】
焼結銅合金の耐摩耗性を高めるために、Cr23,Mo2C,WC,VC,NbCなどの炭化物を硬質物として添加することは特許文献2(特公平7−9046号公報)より公知である。この公報によると、平均粒径が10〜100μmの銅合金粉末および平均粒径が5〜150μmの硬質物粉末をV型混合機で混合し、次に圧粉と焼結を行なっている。Pbは銅粒子の粒界に存在するとの説明(第4欄第21〜22行)は、PbはCuにほとんど固溶しないとの平衡状態図から導かれる知見と矛盾はしていない。
【0004】
Cu-Pb系焼結合金と同等の摺動特性を達成するPbフリー合金は特許文献3(特開平10−330868号公報)より公知であり、この公報の図から、Bi(合金)相の存在箇所は粒界3重点およびこの近傍の粒界であることが分かる。
【0005】
焼結銅合金において、硬質物がPb、Bi相中に混在すると、Pb、Biの流出を防ぎ、Pb、Bi相がクッションになって、硬質物の相手軸攻撃性を緩和する;脱落した硬質物をPb、Bi相が再度捕捉し、アブレシブ摩耗を緩和することが特許文献4(特許第3421724号)にて提案されている。この特許では、硬質物はBi相中に包み込まれたような状態で存在するので、Bi相は硬質物よりも寸法が大きくなる。
【0006】
特許文献5(特開2001−220630号公報)は、Cu-Bi(Pb)系焼結合金において、耐摩耗性向上のために添加された金属間化合物がBiまたはPb相の周りに存在する組織とすることにより、摺動巾に金属間化合物が銅合金表面から突出し、Bi、Pb相およびCuマトリックスは凹んでオイル溜まりとなり、耐焼付性および耐疲労性に優れた摺動材料が得られることが開示されている。焼結条件の例としては、800〜920℃で約15分が挙げられている。
【0007】
特許文献6(特許第4476634号)は、Cuマトリックス中に焼結性が優れたFe2P、Fe3P、FeB、Fe2B、Fe3BなどのFe系化合物を分散させることを開示している。Fe系化合物はCuマトリックスよりも硬質であるため、耐摩耗性、耐焼付き性を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特公平8−19945号公報
【特許文献2】特公平7−9046号公報
【特許文献3】特開平10−330868号公報
【特許文献4】特許第3421724号
【特許文献5】特開2001−220630号公報
【特許文献6】特許第4476634号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
Cu合金中のPbおよびBiはCuマトリックスにほとんど固溶せず、また金属間化合物を生成しないため、Cuマトリックスとは別の相を形成する。摺動用銅合金のなじみ性はこの組織・性質を利用しているが、反面Pb、Bi相は低強度部分であるために、耐疲労性の低下を招いている。したがって、特許文献1が提案する低温焼結によるPb相の微細化はこの弊害を少なくするために有効である。しかしながら、Pbの成長を抑えるために必要な低温は、銅合金粒子どうしの結合力を低下させるという弊害もある。
【0010】
特許文献3,4,5で提案されているCu-Bi系合金中のBi相は高温中、あるいは劣化油中で使用した場合、Biの発汗や腐食が起きて、添加したBi量に対し、Bi量が減少してしまうため、摺動性能が低下する。また、Biは潤滑油に溶出することもある。しかし、Biが微細に分散していると、個々のBi相の体積が小さいため、発汗や腐食、流出によるBi量の減少を抑制できる。ただし、Biの微細分散と銅合金の焼結性とは相反する関係にある。
【0011】
また、特許文献4および特許文献5のBi含有Cu基合金では、焼結中にBi相が液相になるためCuマトリックス中の成分がBi相に拡散し易くなり、金属間化合物がそこで生成する。したがって、金属間化合物は常にBi相とCuマトリックスの境界に存在することになるために、Cuマトリックスによる金属間化合物の保持効果が少なくなる。特許文献5で提案された焼結銅合金では、通常の焼結では所望の組織状態が得られないので、所望組織を得るための長時間焼結を行っている。この結果、特許文献4の図2に示されているようにBi相が硬質物粒子よりも寸法が大きくなり、かつ後述する硬質物存在率がほぼ100%となっていると考えられる。また、特許文献5の図1においては、後述する硬質物接触率が高くなる。このようなBi相はCu-Bi系焼結合金の耐疲労性や耐食性を低下させる原因となる。
【0012】
さらに、特許文献7において、Fe2Pの硬質物粒子とFe3Pの硬質物粒子との双方がCuマトリックス中に分散していることが開示されているが、Fe2Pの硬質物粒子の周辺の焼結性と、Fe3Pの硬質物粒子の周辺の焼結性との間に差が生じるという問題があった。ここで、Fe2Pの硬質物粒子とFe3Pの硬質物粒子から周辺にPが拡散することにより、焼結温度を低くすることができるが、Fe3Pの方がFe2PよりもPを放出しにくいため、Fe3Pの硬質物粒子の周辺の焼結性がFe2Pの硬質物粒子の周辺の焼結性よりも悪くなるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【0013】
(1)合金組成
本発明のCu-Bi系焼結合金において、Bi含有量が、1質量%未満であると耐焼付性が劣り、一方、30質量%を超えると強度が低下し、耐疲労性が劣るために、Bi含有量は1〜30質量%である。好ましいBi含有量は1〜15質量%である。さらに、Fe系化合物はBiとの濡れ性が低く、逆にCuとは濡れ性が高いので、Bi相と硬質物粒子が接する割合が小さく、Cuマトリックスに保持され易くなる。これにより、硬質物の脱落や欠けが生じにくくなり、耐摩耗性、耐焼付き性が低下するのを抑えることができる。硬質物の含有量が0.1質量%未満であると耐焼付性、耐摩耗性が劣り、一方、10質量%を超えると強度が低下し、耐疲労性が劣るとともに、相手材を傷つけたり、焼結性を低下させる。
【0014】
また、本発明のCu-Bi系焼結合金において、硬質物粒子として、単一粒子内にFe2PとFe3Pとを含む粒子を含有する。単一粒子内にFe3PだけでなくFe2Pが含まれるようにしたため、Fe2PのPが容易に拡散し、硬質物粒子の周辺の焼結性を向上させることができる。すなわち、Fe3Pのみで構成される硬質物粒子を抑制でき、焼結性の悪い領域が局所的に形成されることを抑制できる。周辺の焼結性が悪い硬質物粒子を抑制できるため、低温で焼結を行っても均一な焼結を実現できる。本実施形態における硬質物粒子(粉末)をX線回折によって解析したところ、Fe2P:Fe3Pの重量比7:3であった。硬質物粒子の粒子径が大きくなるほど単一粒子内にFe2PとFe3Pとが含まれる確率が高くなり、粒子径が20μm以上のほぼ全ての硬質物粒子の粒子において単一粒子内にFe2PとFe3Pとが含まれることが分かった。また、粒子径が20μm以上の硬質物粒子の重量割合は全体の25%程度であった。このように、硬質物粒子として、単一粒子内にFe2PとFe3Pとを含む粒子を含有することにより、良好な焼結性を均一に得ることができる。
【0015】
また、硬質物粒子として、単一粒子内にFe2PとFe3Pとを含む粒子を含有することにより、Fe2Pのみで構成される硬質物粒子を抑制でき、Pの拡散が過多となる領域が局所的に形成されることを抑制できる。従って、Pの拡散が過多となることにより、銅合金が脆くなる領域が局所的に形成されることを抑制できる。
【0016】
前記組成の残部は不可避的不純物とCuである。不純物は通常のものであるが、その中でもPbも不純物レベルとなっている。必要により、銅合金への添加元素を添加してもよい。例えば、Cuの融点を下げ、焼結性を高めるPを0.5質量%以下添加することができる。P含有量が0.5質量%を超えると銅合金が脆くなる。また、強度および耐疲労性を高めるSnを1〜15質量%添加することができる。Sn含有量が1質量%未満であると、強度向上の効果が少なく、一方15質量%を超えると金属間化合物が生成し易くなり、合金が脆くなる。また、強度および耐食性を高めるために、0.1〜5%のNiを添加することもできる。Ni含有量が0.1%未満であると、強度向上の効果が少なく、一方5質量%を超えると金属間化合物が生成し易くなり、合金が脆くなる。これら元素はCuに合金化されて銅合金マトリックスを構成する。
さらに、銅合金に対する複合成分として、MoS2、黒鉛などの固体潤滑剤を5質量%以下添加することができる。
【0017】
(2)合金組織
硬質物粒子の平均粒径は10〜50μmである。平均粒径が10μm未満であると、耐摩耗性に対する硬質物の効果が小さく、50μmを超えると焼結銅合金の強度が低下する。好ましい硬質物粒子の平均粒径は15〜30μmである。
本発明の合金組織は、銅合金の焼結中に硬質物粒子とBi相が接するような後者の流動をできるだけ阻止することである。
【0018】
この結果を本発明の第一においては、Bi相の平均粒径(Bi相の円相当径)(DBi)は添加した硬質物の平均粒径(DH)より小さい(DBi<DH)ことである規定している。
【0019】
また、本発明の第二においては、Bi相と接している硬質物粒子に関して、該硬質物粒子の全周に対するBi相の接触長さ割合が50%以下である硬質物粒子の存在割合が硬質物粒子個数の全体に対して70%以上であると規定している。ここで、「硬質物粒子の全周に対するBi相の接触長さ割合」を「硬質物接触比率」ということにする。硬質物接触比率が100%であると、特定の1個のBi相と接している1または2以上の硬質物粒子のそれぞれが、全周でBi相と接していることであり、これは、とりもなおさず、硬質物粒子がBi相中に埋め込まれている状態である。一方硬質物接触比率が100%未満であり、0でないとすると、硬質物粒子はBi相外にはみ出した部分を必ず有しており、この部分は銅合金と接していることになる。本発明において、硬質物接触比率を50%以下としたのは、硬質物粒子とBi相との接触をできるだけ少なくすることにより、それぞれの特性を十分に発揮させるためである。次に、50%以下の硬質物接触比率の硬質物粒子が硬質物全体に対して存在する個数割合を『硬質物存在率』ということにする。硬質物存在率が100%であると、すべての硬質物接触比率が50%以下である。一方、硬質物存在比率が0%であると、すべての硬質物粒子に関して硬質物接触比率が50%を超えることになる。
本発明においては硬質物存在比率を70%以上に限定したのは、接触が少ないBi相
と硬質物粒子を相対的に多くすることにより、それぞれの特性を十分に発揮させるためである。
【0020】
このような焼結過程をもたらすためには、Cu-Biプレアロイアトマイズ粉末あるいはCu(合金)アトマイズ粉末とCu-Bi合金粉末との混合粉末を焼結温度での保持時間が2分以下の短時間焼結を行なうことが好ましい。このような短時間焼結は特許文献6(特開2002−12902号公報)で本出願人が提案した高周波焼結により行なうことができる。
【0021】
(3)合金の性質
本発明の銅基焼結合金は、一般的にいうと、Bi相はなじみ性を発揮し、硬質物粒子がCuマトリックスに強固に保持され、その脱落が起こりがたく、耐摩耗性および耐焼付き性が向上するとともに、強度や耐疲労性が良好になる。
(イ)Bi相は焼結合金全体において微細に分散しているために、材料自体のバルク性質が耐疲労性、耐食性および強度の点で優れている。
(ロ)硬質物粒子は殆どがCuもしくは銅合金マトリックスに保持されているので、摺動面における材料は耐摩耗性に優れている。
(ハ)摺動面に存在するBi相によりPbフリーでも優れたなじみ性が達成される。
(ニ)微細に分散されたBi相が優れた非凝着性と耐焼付性をもたらす。
(ホ)単一粒子内にFe2PとFe3Pとを含む硬質物粒子が優れた焼結性をもたらす。
以下、実施例により本発明をより詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【0022】
図1】本発明の一実施例に係る焼結銅合金の顕微鏡組織を示す写真である(200倍)。
図2】本発明の一実施例に係る焼結銅合金の顕微鏡組織を示す写真である(500倍)。
図3】比較例に係る焼結銅合金の顕微鏡組織を示す写真である(200倍)。
図4】比較例に係る焼結銅合金の顕微鏡組織を示す写真である(500倍)。
【発明を実施するための形態】
【0023】
表1に組成を示すCu-Biプレアロイ合金粉末(粒径150μm以下、アトマイズ粉末)と硬質物粒子(平均粒径−表1に示す)を混合し、鋼板上に約1mmの厚さになるように散布した後、750〜900℃、焼結時間20〜1800秒、水素還元雰囲気中で1次焼結を行った。その後圧延を行い、同じ条件で2次焼結を行って得られた焼結材を供試材とした。焼結時間範囲内の長時間焼結はBi相の拡散を促進して本発明外の比較例を調製するための条件である。なお、FeとPとで構成される溶融金属(P:20wt%)を凝固させることにより硬質物粒子用のインゴットを形成し、当該硬質物粒子用のインゴットを塊状に粉砕し、ふるいによって粒径を揃えることにより粉末状の硬質物粒子を用意した。粉末状の硬質物粒子には、単一粒子がFe2Pのみ構成される粒子と、単一粒子がFe3Pのみ構成される粒子と、単一粒子がFe2PとFe3Pとで構成される粒子とが含まれる。
【0024】
耐焼付性試験方法
前記方法により調製された銅合金表面をペーパーでラップして表面粗さ(十点平均粗さ)を1.0μm以下にした供試材に鋼球をあて、荷重をかけて一方向に滑らせる。滑らせた後の鋼球を観察し、鋼球に凝着しているCu合金の面積を測定する。凝着しやすい材料は耐焼付き性に劣るため、凝着面積が小さいものが耐焼付性に優れる。
試験機:スティックスリップ試験機
荷重:500g
軸材質:SUJ2
潤滑油:なし
温度:室温〜200℃漸増
【0025】
耐食性
供試材の表面を粗さ1.0μmに仕上げ、油中に浸漬し、前後の重量変化を測定する。重量減少量が少ないものが耐腐食性に優れる。
油種:劣化ATF
油温:180℃
時間:24h
【0026】
耐疲労性
疲労強度と引張強度はよい相関にあり、引張強度が高いものが耐疲労性に優れているため、Cu-Bi合金の材料強度(引張強度)をJISに準拠した引張試験により行ない、これを疲労強度の代替特性とした。
【0027】
硬質物存在率並びに前記特性の試験の結果を表1に示す。
【0028】
【表1】
【0029】
表1より本発明実施例は耐焼付性、耐疲労性および耐食性を兼備していることが明らかである。
【0030】
図1および2に本発明実施例No.3の200倍および500倍の顕微鏡組織写真を示し、同様に図3および4に比較例No.3の200倍および500倍の顕微鏡組織写真を示す。前者の図1,2は硬質物とBi相の接触割合が少なく、後者の図3,4は硬質物とBi相の接触割合が大きいことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【0031】
本発明に係る焼結銅合金は、各種軸受、例えばAT(Automatic Transmission)用ブシュ、ピストンピンブシュなどに使用することができる。これらの用途に対して本発明が達成した高レベルのなじみ性、耐摩耗性、耐焼付性及び耐疲労性は有効に作用する。
図1
図2
図3
図4