(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】
(24)【登録日】2023-01-30
(45)【発行日】2023-02-07
(54)【発明の名称】銅合金摺動材料
(51)【国際特許分類】
C22C 9/02 20060101AFI20230131BHJP
C22C 9/00 20060101ALI20230131BHJP
C22C 1/05 20230101ALN20230131BHJP
【FI】
C22C9/02
C22C9/00
C22C1/05 B
(21)【出願番号】P 2019189103
(22)【出願日】2019-10-16
【審査請求日】2021-11-08
(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弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】江端 祐平
【審査官】川口 由紀子
(56)【参考文献】
【文献】特表2010-535287(JP,A)
【文献】特許第3421724(JP,B2)
【文献】特開2001-240925(JP,A)
【文献】国際公開第2008/018348(WO,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C22C 9/00-9/02
C22C 1/05
B22F 5/00
B22F 1/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
0.5~12.0質量%のSn、2.0~8.0質量%のBi、1.0~5.0体積%の無機化合物を含有し、残部がCuおよび不可避不純物からなる銅合金摺動材料であって、
前記無機化合物は、平均粒径が0.5~3.0μmである第1無機化合物と、平均粒径が4.0~20.0μmである
前記第1無機化合物と異なる第2無機化合物と、からなり、
前記第1無機化合物の体積分率を、前記第2無機化合物の体積分率で除した値は、0.1~1.0であ
り、
前記第1無機化合物および前記第2無機化合物のビッカース硬さは1100より大きい、
銅合金摺動材料。
【請求項2】
前記第1無機化合物は0.3~1.0体積%であり、
前記第2無機化合物は0.5~4.5体積%である、
請求項1に記載の銅合金摺動材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、銅合金摺動材料に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、各種の部材間で相対的な運動が生じる場合に、接触面に摺動部材が設ける技術が知られている。摺動部材としては、各種の材料が知られており、Cuマトリクス内に各種の材料を添加する摺動部材が知られている。例えば、特許文献1においては、Sn,Bi,Fe-P系化合物がCuマトリクスに添加される構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
従来の技術よりもさらに耐摩耗性と耐焼き付き性とをともに向上させたいことがあった。すなわち、従来の技術においては、Fe-P系化合物が硬質物質であり、耐摩耗性を高めるが、耐摩耗性を高めるために添加された硬質物質のみでは耐焼き付き性を向上させられない場合があった。すなわち、CuマトリクスにおいてCuの塑性流動が生じると、CuによってBiが覆われ、また、Cu内のBiの脱落が生じる。この結果、摺動表面でBi減少してしまう。以下、これらを摺動表面におけるBiの減少と呼ぶ。摺動表面におけるBiの減少が生じると、Biによる耐焼き付き性の向上が期待できなくなる。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の銅合金摺動材料は、0.5~12.0質量%のSn、2.0~8.0質量%のBi、1.0~5.0体積%の無機化合物を含有し、残部がCuおよび不可避不純物からなる銅合金摺動材料であって、無機化合物は、平均粒径が0.5~3.0μmである第1無機化合物と、平均粒径が4.0~20.0μmである第2無機化合物と、からなり、第1無機化合物の体積分率を、第2無機化合物の体積分率で除した値は、0.1~1.0である。
【0006】
銅合金摺動材料において、Snは、Cu合金の強度を強化するために添加される。ただし、Snの含有量が0.5質量%未満ではCu合金マトリクスの強度を強化する効果が得られない。また、Snの含有量が12.0質量%を越えるとCu合金マトリクスが硬く脆くなる。そこで、Snの含有量は0.5~12.0質量%となっている。
【0007】
Biは、相手材と接触する際に低融点軟質金属の潤滑作用をもたらすために添加される。ただし、Biの含有量が2.0質量%未満では低融点軟質金属の潤滑作用が得られにくい。また、Biの含有量が8.0質量%を超えると耐焼き付き性が低下する。すなわち、Biは比較的軟らかいため、相手材に接触し得るBiの量が多くなると、Biがまとまって存在する部分と相手材とが接触することによって、当該まとまって存在するBiが表面から脱落し得る。そして、表面においてBiが過度に脱落すると、脱落した部分にCuが被さることで相手材との接触面に存在するBiが過小になりやすい。すなわち、摺動表面におけるBiの減少が発生する。この場合、相手材との接触が開始される前と比較してBiによる低融点軟質金属の潤滑作用が低下し、耐焼き付き性が低下する。そこで、Biの含有量は2.0~8.0質量%となっている。
【0008】
無機化合物は、平均粒径が異なる。すなわち、無機化合物は、平均粒径が0.5~3.0μmであり平均粒径が相対的に小さい第1無機化合物と、平均粒径が4.0~20.0μmであり平均粒径が相対的に大きい第2無機化合物とからなる。このように平均粒径が異なる無機化合物が含有されていると、それぞれの無機化合物によって異なる効果が得られる。
【0009】
すなわち、Cuマトリクス内に無機化合物を分散させる場合、同一量で平均粒径が異なる2種の無機化合物を想定すると、平均粒径が小さい場合の方が大きい場合よりもCuマトリクス内に分散しやすい。従って、無機化合物同士の粒子間距離は、平均粒径が大きい場合よりも小さい場合の方が平均的に小さくなり、Cuの塑性流動を阻害し得る無機化合物が均等に分散した状態となる。この結果、平均粒径が小さい無機化合物は、Cuの塑性流動を効果的に抑制し、摺動表面におけるBiの減少を抑制する。従って、Biによる低融点軟質金属の潤滑作用が低下することを効果的に抑制することができる。
【0010】
このように、Cuの塑性流動が抑制されることによってBiによる低融点軟質金属の潤滑作用を効果的に発現させることができ、耐焼き付き性を向上させることができる。特に、相手材が軸であり、銅合金摺動材料が軸受として利用された場合において、軸が局所的に軸受と接触する片当たりが発生すると、銅合金摺動材料において局所的に大きい荷重が作用する片当たりの状態となる。平均粒径が小さい無機化合物によってCuの塑性流動が抑制され、耐焼き付き性が向上している状態であれば、片当たりが発生するような状態であっても、Cuの塑性流動を効果的に抑制することができる。この結果、片当たりが発生するような状態であっても、摺動表面におけるBiの減少を抑制し、Biによる低融点軟質金属の潤滑作用の低下を効果的に抑制することができる。
【0011】
一方、無機化合物が相手材と接触すると、CuやBiよりも硬い無機化合物が相手材に接触し得るため、無機化合物が相手材と接触しない場合と比較して、銅合金摺動材料の耐摩耗性を向上させることができる。そして、平均粒径が小さい場合よりも大きい場合の方が、相手材からの荷重を受け得る面積が大きく、高負荷に耐えやすい。この結果、耐摩耗性を向上させることができる。
【0012】
さらに、第1無機化合物の体積分率を、第2無機化合物の体積分率で除した値は、0.1~1.0である。すなわち、第1無機化合物の体積%は、第2無機化合物の体積%以下であり、第1無機化合物の体積は第2無機化合物の体積の少なくとも1/9は存在する。すなわち、第1無機化合物は、Cuマトリクス内に分散して存在することでCuの塑性流動を阻害するが、過度に多い量が含まれていると、Cu同士の接合を阻害してしまうため、Cuマトリクスが一体の状態となることを阻害する。例えば、焼結体として銅合金摺動材料を製造することが困難になる。そこで、第1無機化合物の比率が第2無機化合物に対して過度に多くならないように構成される。また、第1無機化合物の比率が過度に少なくなると、Cuの塑性流動を抑制することが困難になる。そこで、第1無機化合物の体積は第2無機化合物の体積の1/9以上存在する構成とした。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【
図2】
図2Aは実施例の耐焼き付き性の試験結果を示す図、
図2Bは実施例の耐焼き付き性の試験結果を示す図である。
【
図3】Sn量(質量%)に対する焼き付き面圧を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0014】
ここでは、下記の順序に従って本発明の実施の形態について説明する。
(1)銅合金摺動材料の製造方法:
(2)試験結果:
(3)他の実施形態:
【0015】
(1)銅合金摺動材料の製造方法:
本発明の一実施形態においては、Cu-Sn-Biを含む粉末に無機化合物を混合し、焼結することによって銅合金摺動材料を製造する。このような、製造方法は、例えば、Cu-Sn-Bi系合金粉末に窒化クロムや窒化チタンなどの無機化合物を混合し、焼結が行われることで実現される。具体的には、Cu-Sn-Bi系合金粉末は、所定組成(後述)になるように調整された予備合金を、アトマイズ法によって粉末状にした後、粉末粒径を150μm以下に分級することで作製される。
【0016】
さらに、無機化合物の粉末が当該粉末およびCu-Sn-Biの全体に対して所定の体積%(後述)になるように調整される。さらに、Cu-Sn-Bi系合金粉末と無機化合物粉末とがVブレンダーにより20~50分混合され、混合粉とされる。次に、鋼等の基材(例えば、軸受の裏金になる材料)上で混合分の厚さが1~3mmとなるように散布され、還元ガス+窒素ガス雰囲気中で電気炉によって1次焼結が行われる。なお、焼結温度は700℃~900℃,時間は5~30分である。本実施形態においては、圧延により焼結層が緻密化され、再び同条件で2次焼結が行われる。最後に仕上圧延が行われ、最終的な焼結層の厚さが0.3~1.0mmとされる。
【0017】
Cu-Sn-Bi系合金粉末および無機化合物粉末の組成は、最終的な焼結層におけるSnが0.5~12.0質量%であり、Biが2.0~8.0質量%であり、無機化合物が1.0~5.0体積%となるように決められればよい。例えば、作製予定の焼結層の全重量が決められ、Snの質量%が0.5~12.0質量%の中から選択され、Biの質量%が2.0~8.0質量%の中から選択される。この結果、Cu,Sn,Bi,無機化合物の質量が決定される。所定組成のCu-Sn-Bi系合金粉末は、このようにして決定された重量のCu,Sn,Biによって作製される。
【0018】
また、作製予定の焼結層の全体積が決められ、無機化合物の体積%が1.0~5.0体積%から選択され、選択された体積%になるように無機化合物の質量(後述する2種類の無機化合物の量)が決められる。そして、既定の平均粒径の無機化合物粉末を購入し、以上のようにして決められた無機化合物の質量を秤量することによって、所定の体積%となるように無機化合物粉末を用意することができる。なお、本実施形態において、無機化合物は2種類用意される。すなわち、平均粒径が0.5~3.0μmである第1無機化合物と、平均粒径が4.0~20.0μmである第2無機化合物とが、無機化合物粉末として用意される。
【0019】
第1無機化合物は、第2無機化合物よりも平均粒径が小さい。本実施形態において、第1無機化合物は、銅合金摺動材料が摺動部材の表面に形成され、摺動部材として利用された場合において、Cuの塑性流動を抑制する。すなわち、平均粒径が小さい無機化合物は、平均粒径が大きい無機化合物よりもCuマトリクス内に分散しやすい。無機化合物がCuの粒界に存在するとCuの塑性流動が阻害されるため、無機化合物がCuマトリクス内に均等に分散していると、Cuマトリクス内の全体で塑性流動が阻害される。一方、無機化合物がCuマトリクス内に局在していると、Cuマトリクス内で無機化合物が存在しない部分で塑性流動が生じやすくなる。従って、平均粒径が小さい無機化合物は、平均粒径が大きい無機化合物と比較して、Cuの塑性流動を効果的に抑制し、摺動表面におけるBiの減少を抑制する。従って、Biによる低融点軟質金属の潤滑作用が低下することを効果的に抑制することができる。
【0020】
以上のようなCuの塑性流動の抑制は、無機化合物の平均粒径が0.5~3.0μmである場合に発現する。すなわち、平均粒径が0.5μmより小さいと無機化合物同士が凝集しやすくなり、均質な分散が困難になることによって塑性流動の抑制効果が得られにくくなる。また、平均粒径が3.0μmより大きいと無機化合物が過度に大きくなり、粒子間距離が長くなるため、塑性流動の抑制効果が得られにくくなる。
【0021】
そこで、本実施形態においては、第1無機化合物の平均粒径を0.5~3.0μmとした。この結果、Cuの塑性流動が抑制されることによってBiによる低融点軟質金属の潤滑作用を効果的に発現させることができ、耐焼き付き性を向上させることができる。特に、相手材が軸であり、銅合金摺動材料および基材が軸受として利用された場合において、軸が局所的に軸受と接触する片当たりが発生しても、Cuの塑性流動を効果的に抑制することができる。この結果、片当たりが発生するような状態であっても、摺動表面におけるBiの減少を抑制し、Biによる低融点軟質金属の潤滑作用の低下を効果的に抑制することができる。
【0022】
一方、銅合金摺動材料が摺動部材の表面に形成され、摺動部材として利用された場合において、銅合金摺動材料内の表面に存在する物質が相手材と接触し得る。そして、銅合金摺動材料内の無機化合物が相手材と接触すると、CuやBiよりも硬い無機化合物が相手材に接触することになる。このため、無機化合物が相手材と接触しない場合と比較して、銅合金摺動材料の耐摩耗性を向上させることができる。
【0023】
そして、平均粒径が小さい場合よりも大きい場合の方が、相手材からの荷重を受け得る面積が大きく、高負荷に耐えやすい。この結果、耐摩耗性をより向上させることができる。そこで、本実施形態においては、第2無機化合物の平均粒径を4.0~20.0μmとした。なお、平均粒径が4.0μmより小さいと摩耗粉形成の際に摩耗粉内部に第2無機化合物が取り込まれやすく、耐摩耗性の向上効果が得られにくい。また、平均粒径が20.0μmより大きいと被削性が大幅に低下してしまう。
【0024】
本実施形態において、無機化合物は1.0~5.0体積%である。すなわち、本実施形態において、無機化合物は、耐焼き付き性の向上と、耐摩耗性の向上とを図るために混合される。無機化合物が過度に少ないとこれらの性質が向上しないため、無機化合物は、1.0体積%以上とされる。一方、無機化合物が過度に多いとCuマトリクスが一体として形成されにくくなる、強度が弱くなるなどの弊害が生じる。そこで、無機化合物は5.0体積%以下とされる。
【0025】
さらに、第1無機化合物の体積分率を、第2無機化合物の体積分率で除した値は、0.1~1.0である。すなわち、第1無機化合物の体積%は、第2無機化合物の体積%以下であり、第1無機化合物の体積は第2無機化合物の体積の少なくとも1/9は存在する。すなわち、第1無機化合物は、第2無機化合物より体積が多くならないように構成されている。
【0026】
第1無機化合物は、Cuマトリクス内に分散して存在することでCuの塑性流動を阻害するが、過度に多い量が含まれていると、Cu同士の接合を阻害してしまう。さらに、第1無機化合物は、平均粒径が小さいため、体積が多くなくても、Cuマトリクス内に分散して存在することができる。そこで、第1無機化合物は、第2無機化合物より体積が多くならないように構成されている。ただし、第1無機化合物の比率が過度に少なくなると、Cuの塑性流動を抑制することが困難になるため、少なくとも第1無機化合物の体積は第2無機化合物の体積の1/9以上存在するように無機化合物粉体の量が調整される。
【0027】
(2)試験結果:
以下、上述の製造方法によって焼結層として製造された銅合金摺動材料について実施した試験結果を説明する。表1は、実施例1~12,比較例1~5におけるSnおよびBiの質量%、無機化合物の平均粒径および体積%と、各材料の特徴および試験結果を示している。
【表1】
【0028】
なお、表1に示す実施例および比較例3~5において、第1無機化合物はTiNであり、第2無機化合物はCr2Nである。表1において、無機化合物の平均粒径はμmと示された列に表記されている。実施例1~12、比較例3~5において、第1無機化合物であるTiNの平均粒径は2.0~2.5μmであり、第2無機化合物であるCr2Nの平均粒径は4.0~6.5μmである。比較例1,2において、無機化合物は1種類であり、平均粒径も1種類である。すなわち、比較例1は無機化合物として平均粒径が12.0μmのFe3Pを含み、比較例2は無機化合物として平均粒径が2.5μmのMo2Cを含む。
【0029】
さらに、表1に示されたように、実施例1~12において、第1無機化合物であるTiNの体積%は0.3~1.0%であり、第2無機化合物であるCr2Nの体積%は0.5~4.5%である。さらに、表1に示されたように、実施例1~12において、第1無機化合物の体積分率(体積%)を、第2無機化合物の体積分率(体積%)で除した値は、0.1(0.08)~1.0である。さらに、表1に示されたように、実施例1~12において、第1無機化合物の体積分率(体積%)と、第2無機化合物の体積分率との和は1.0~5.0体積%である。
【0030】
表1に示された無機化合物の平均粒径は、製造後の銅合金摺動材料について観測して得られた平均粒径である。表1に示す実施形態においては、光学顕微鏡写真に基づいて測定された値が表記されている。すなわち、本実施形態においては、実施例1~12および比較例1~6の複数(例えば6個)の表面または断面について、400倍の倍率の光学顕微鏡(オリンパス社製 GX51)で組織写真が撮影された。
【0031】
さらに、当該組織写真から無機化合物を抽出する画像処理が行われた。画像処理には画像解析ソフト(ニレコ社製 LUZEX_AP)が用いられた。さらに、抽出された無機化合物と残部とを区別する2値化処理が行われ、無機化合物の円相当径と面積率とが測定された。この結果、円相当径が粒径とみなされ、面積%が体積%とみなされた。なお、画像解析においては、例えば、色調の差に基づいて第1無機化合物と第2無機化合物とを区別することが可能である。むろん、SEM-EDSのマッピング等で無機化合物が区別されてもよい。
【0032】
なお、比較例1,2においては、無機化合物がFe
3
P、Mo
2
Cのそれぞれ1種類を含有している点で実施例1~12と異なる。比較例3は、Snを15.0質量%含有している点で実施例1~12と異なる。比較例4は、Biを10.0質量%含有している点で実施例1~12と異なる。比較例5は、第1無機化合物の体積分率を第2無機化合物の体積分率で除した値が1.6である点で実施例1~12と異なる。
【0033】
表1においては、実施例1~12および比較例1~5の硬さに関する情報が含まれている。無機化合物の硬さは、各無機化合物が単独で存在する場合におけるビッカース硬さを示しており、例えば、ナノインデンタによる計測結果をビッカース硬さに変換することによって特定することができる(変換は例えば、第61回理論応用力学講演会、超微小硬度計による結晶粒の機械的特性評価法に関する基礎的検討 荒翔太らを参照)。さらに、実施例1~12および比較例1~5のビッカース硬さが「材料全体硬さ」として示されている。
【0034】
焼き付き面圧は、耐焼き付き性の試験(焼き付き面圧の試験)の結果である。当該耐焼き付き性の試験は、銅合金摺動材料を軸受とした状態で実施された。すなわち、上述の製造方法により、円筒を軸方向に切断した形状であって組み合わせると円筒になる基材上に銅合金摺動材料が形成され、軸受が製造される。
【0035】
図1は、試験機の説明図である。具体的には、
図1に示すように、試験軸H(ハッチング)が貫通可能な貫通穴が形成されたハウジングブロックRを用意し、当該貫通穴にて試験軸Hを軸受けさせた。なお、ハウジングブロックRの貫通穴の内周に実施例1~12および比較例1~5の軸受Ps(黒色)を装着して試験軸Hを軸受けした。ハウジングブロックRは、コンロッドの代用であるため、コンロッドが使用されてもよい。この試験において、試験軸Hの直径dは40mmであり、試験軸Hの軸方向における軸受Psの長さLは10mmである。また、基材上の銅合金摺動材料の厚さは0.6mmである。
【0036】
当該試験機を利用し、試験軸Hの軸方向におけるハウジングブロックRの両外側において試験軸Hを軸受けし、試験軸Hを5m/sで回転させた。さらに、
図1に示すように、ハウジングブロックRの長さ方向に荷重を作用させた。さらに、ハウジングブロックRに装着された軸受Psと試験軸Hとの間には、約60℃の自動変速機油(ATF)を給油した。
【0037】
さらに、荷重は150Nから段階的に大きくなる。すなわち、荷重が一定の状態で5分間回転され、5分経過すると荷重が既定の大きさ大きくなるようにして試験が行われた。なお、試験軸Hは、軸受Psに対して片当たりの状態になるようにセットされる。すなわち、試験軸Hと軸受Psの円筒軸とは互いに一定角度傾斜するように、試験軸HとハウジングブロックRとがセットされる。片当たりの量は、実施例1~12,比較例1~5で同一になるように構成されている。
【0038】
本実施形態においては、以上の試験機によって焼き付き面圧を測定した。ここで、焼き付き面圧は、予め決められた温度(焼付きが生じたと想定された温度)に達したときの面圧である。温度は、軸受PsやハウジングブロックRに取り付けた温度センサ等によって測定可能である。本試験は片当たりの状態で実施され、面圧は、試験後に軸受Psを半分に切断して垂直上方から片当たり部分を撮影した画像から、接触部の投影面積を取得し、負荷荷重を投影面積によって除することによって特定される。
【0039】
摩耗深さは、耐摩耗性の試験(摩耗深さの計測試験)の結果である。当該耐摩耗性の試験は、ブロックオンリング試験によって実施された。すなわち、上述の製造方法により、直方体の基材上に銅合金摺動材料が形成され、当該ブロックによってブロックオンリング試験が行われた。ブロックオンリング試験機は、公知の種々の試験機が利用されて良い。
【0040】
本例において、ブロックの大きさは長さ15mm、幅10mm、厚さ2mm、リングの大きさは直径40mmである。リングの材質はS45C(炭素鋼)である。また、ブロックとリングとの相対的な滑り速度は0.5m/sであり、荷重は90Nである。試験時間は30分であり、温度は室温、油は自動変速機油(ATF)が利用された。そして、ブロックの幅方向に摺動痕が形成される方向で試験を行い、試験後の銅合金摺動材料の表面において摩耗深さが計測された。摩耗深さは、表面粗さ測定機(小坂研究所製SE-3400)で銅合金摺動材料の表面の真直をとり、幅方向の3カ所(端から2.5mm、0.5mm、7.5mm)について測定された深さの平均値である。
【0041】
以上のようにして行われた試験によれば、実施例1~12においては、比較例1~5と比較して、耐焼き付き性と耐摩耗性とがともに良好であることがわかる。具体的には、実施例1~12においては、多くののサンプルにおいて焼き付き面圧が60MPa以上であるが、比較例1~5において焼き付き面圧が60MPaに達したサンプルはない。また、実施例5の焼き付き面圧は57MPaであるが、この値は充分に大きい値であるとともに実施例5の摩耗深さが1.9μmである。摩耗深さとしての1.9μmは、非常によい値である。従って、実施例5においては、耐焼き付き性と耐摩耗性とがともに良好である。
【0042】
図2Aおよび
図2Bは耐焼き付き性の試験の結果を示すSEMの撮影結果であり、片当たり部分の500倍の観察画像である。
図2Aは実施例12,
図2Bは比較例1の試験後であり、双方においてグレーがCu合金、黒が無機化合物、白がBiである。両者を比較すると、実施例12においてBiが表面に残っているが、比較例1においてBiは表面に残っていない。従って、実施例12においてBiによる低融点軟質金属の潤滑作用は得られるが、比較例1においてBiによる低融点軟質金属の潤滑作用は得られず、この結果、表1に示されるように焼き付き面圧に大きな差異が生じたと考えられる。
【0043】
さらに、実施例1~12においては、いずれのサンプルにおいても摩耗深さが3.0μm以下であり、多くのサンプルは2μm台であり、摩耗深さが2.0μm以下であるサンプルも存在する。一方、比較例1~5において、摩耗深さが2.8μmより小さいサンプルは存在しない。比較例4以外のサンプルは全て3.0μm以上である。
【0044】
そして、摩耗深さが2.8μmである比較例4は、焼き付き面圧が50MPaであり、実施例1~12のいずれよりも劣っている。従って、実施例1~12と比較例1~5とを比較すると、実施例1~12は耐焼き付き性と耐摩耗性とがともに高い水準で実現されたサンプルであると言える。
【0045】
さらに、比較例1は、無機化合物がFe3Pの1種類であり、平均粒径が12.0μmと大きい。比較例1は、平均粒径が小さい第1無機化合物を含んでいないため、この影響によって、Cuの塑性流動を抑制することができず、著しく焼き付き面圧が小さい値になっていると考えられる。また、比較例1の無機化合物Fe3Pの硬さは800HV相当であり、他のサンプルより小さい。また、材料全体の硬さも他のサンプルより小さい。この結果、相手材と接触した場合の摩耗が他のサンプルより大きく、摩耗深さも9.0μmと、他のサンプルと比較して著しく大きくなっている。
【0046】
比較例2は、無機化合物がMo2Cの1種類であり、平均粒径が2.0μmと小さい。このため、比較例1と比較すれば焼き付き面圧は大きいが、実施例1~12と比較すると最低レベルの面圧である。また、摩耗深さも実施例1~12と比較すると最低レベルの摩耗深さである。実施例1~12のいずれにおいても、焼き付き面圧と摩耗深さとの双方が同時に上述の最低レベルになっているサンプルはなく、この意味で、第2無機化合物が含まれた方が良好な材料になることがわかる。
【0047】
比較例3は、Snが15.0質量%である。この結果、Cuマトリクスの強度が不充分になるため、焼き付き面圧が40MPaと小さい値になっており、耐摩耗性も3.1μmであってさほど小さくはなっていない。比較例4は、Biが10.0質量%である。この結果、摺動表面におけるBiの減少によってBiの低融点軟質金属の潤滑作用を利用できなくなり、焼き付き面圧が50MPaと小さい値になっている。
【0048】
比較例5は、第1無機化合物の体積分率を、第2無機化合物の体積分率で除した値が1.6である。従って、実施例1~12と比較して、第1無機化合物が第2無機化合物に対して過剰に添加されている。このため、Cu合金粉末間の結合が阻害され、接触摩擦によってCu合金が脱落(摩耗)しやすくなる。また、無機化合物の添加総量が1.0質量%より少ないため、無機化合物による耐摩耗性の向上が得られにくい。以上の結果、摩耗深さが3.4μmと大きい値になっている。
【0049】
以上示したように、比較例1~5においては、耐焼き付き性と耐摩耗性の少なくとも一方が、実施例1~12よりも劣っている。そして、実施例1~12においては、耐焼き付き性と耐摩耗性とをともに向上させることができる。
【0050】
(3)他の実施形態:
本発明に係る銅合金摺動材料は、上述の実施形態に示した軸受以外にも、種々の摺動部材に利用することができる。例えば、本発明の銅合金摺動材料によってトランスミッション用のギヤブシュやピストンピンブシュ・ボスブシュ等のラジアル軸受を形成してもよい。また、軸受の用途としても限定されず、エンジンのクランクシャフトを軸受けするすべり軸受であってもよいし、他の用途のすべり軸受を形成してもよい。基材は、銅合金摺動材料が形成される部材であれば良く、その組成や形状等は限定されない。
【0051】
さらに、銅合金摺動材料は添加材が含まれていてもよい。すなわち、0.5~12.0質量%のSn、2.0~8.0質量%のBi、1.0~5.0体積%の無機化合物、添加材を含有し、残部がCuおよび不可避不純物からなる銅合金摺動材料であって、前記無機化合物は、平均粒径が0.5~3.0μmである第1無機化合物と、平均粒径が4.0~20.0μmである第2無機化合物と、からなり、前記第1無機化合物の体積分率を、前記第2無機化合物の体積分率で除した値は、0.1~1.0である、銅合金摺動材料が構成されても良い。
【0052】
添加材としては、種々の材料が挙げられる。例えば、Al,Ni,Zn,Fe,Ag,P等の元素が添加材とされてもよい。添加材の量としては、総量で5質量%程度が想定される。例えば、Al,Ni,Znの少なくとも一つを添加すると、Cuマトリクスの強度を向上させることができる。この場合、これらの添加材はSnとともに添加されてもよいし、Sn代わりに添加されてもよい。後者であれば、Snは0.5~12.0質量%より少なくなる。Agが、例えば0.15質量%程度添加されると、耐焼き付き性の向上が期待される。また、Pが例えば0.1質量%程度添加されると、焼結性の向上が期待される。
【0053】
さらに、上述の実施形態における銅合金摺動材料の製造方法は一例であり、工程の一部において、変更、順序の入れ替え、省略等があってもよい。例えば、Cu,Sn,Bi,無機化合物の粉末が混合されてもよい。また、圧延の少なくとも一方が省略されてもよいし、条件が変更されてもよい。
【0054】
さらに、第1無機化合物と第2無機化合物は同一(元素の組成が同一)の物質でもよいし、異なる種類の物質(元素および組成の少なくとも一方が異なる物質)であってもよい。さらに、第1無機化合物、第2無機化合物の少なくとも一方が2種類の物質であってもよい。例えば、第1無機化合物、第2無機化合物の少なくとも一方が、異なる種類の物質であって平均粒径が同一の範囲に含まれる物質からなる構成であってもよい。
【0055】
上述の表1において、Snの質量%の上限値は10.0質量%であるが、Snは12.0質量%まで含まれてよいと考えられる。
図3は、実施例1~3のサンプルのSn量(質量%)に対する焼き付き面圧を示すグラフである。この値を最小二乗法で直線近似した場合(破線)、実施例として想定している焼き付き面圧の範囲(57MPa以上)になるために必要なSn量は12.0質量%よりも多い。従って、12.0質量%までSn量が増加しても、本発明の実施例であると考えられる。
【0056】
さらに、無機化合物は、上述のTiN、Cr2Nに限定されない。すなわち、他の窒化物であってもよい。また、窒化物に限定されず、例えば、炭化物、硼化物、珪化物等であってもよい。なお、無機化合物は、その硬度が硬いと摩耗深さを小さくすることに寄与すると考えられる。また、表1の比較例1において、変換後の無機化合物のビッカース硬さは800であり、他のサンプルよりビッカース硬さが小さい。従って、比較例1よりも無機化合物が硬ければ比較例1よりも耐摩耗性を向上させると考えられる。
【0057】
そこで、ビッカース硬さが800よりも大きい無機化合物、例えば、表2に示したようにビッカース硬さが1000よりも大きい窒化物、炭化物、硼化物、珪化物を本発明の実施形態とすることが可能である。なお、無機化合物のビッカース硬さが硬いほど耐摩耗性が向上する効果が高いと考えられる。従って、表2に記載された無機化合物の中で、ビッカース硬さが1100より大きい無機化合物が好ましく、ビッカース硬さが1200より大きい無機化合物がさらに好ましい。ビッカース硬さが1400より大きい無機化合物はさらに好ましい。表2においては、各無機化合物として市販されている粉末の平均粒径を例示している。このように、無機化合物としては、各種の化合物を選択可能であり、各種の平均粒径として市販されている化合物を選択して、第1無機化合物および第2無機化合物とすることができる。
【表2】