JPH04254539A

JPH04254539A - 耐摩耗性銅合金

Info

Publication number: JPH04254539A
Application number: JP3016539A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Tanaka; 正田中; Masaaki Sakamoto; 雅昭坂本; Koichi Yamamoto; 康一山本; Toru Kato; 徹加藤
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 1991-02-07
Filing date: 1991-02-07
Publication date: 1992-09-09
Anticipated expiration: 2011-01-17
Also published as: US5183637A; GB2252773B; GB9202657D0; GB2252773A; JPH083135B2

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高強度・耐摩耗性銅合
金に係わり、更に詳しく言えば苛酷な摺動条件下に於い
て使用される機器材料、例えば内燃機関の動弁機構に使
用されるローラーロッカーアームピンあるいはピストン
ブシュ等の摺動部等に使用される摺動材料として、優れ
た特性を有する高強度・耐摩耗性銅合金に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、低中荷重用摺動材料として、鉛青
銅系合金（ＪＩＳ　　Ｈ５１１５）が使用され、高荷重
用摺動材料としては燐青銅、快削燐青銅（ＪＩＳ　　Ｈ
３２７０）、高力黄銅、アルミニウム青銅（ＪＩＳ　　
Ｈ３２５０）、本出願人による先願特許発明としての低
摩擦高力黄銅合金（特公昭５３−４４１３５号公報、特
公昭５６−１１７３５号公報参照）等が存在する。しか
しながら、高速高荷重等の過酷な摺動条件下において、
かかる従来の合金は、耐摩耗性、非焼付特性等について
実用上十分満足できるものではなく、更に高性能の摺動
用材料が望まれている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】近年のエンジンは、高
出力化、高速度化、高荷重化、低燃費化等性能改善に対
する要求が一段と増してきており、軸受部等に使用され
る摺動材料は、より苛酷な条件を強いられるようになっ
てきた。従来より耐摩耗性に優れた材料として、燐青銅
系、高力黄銅、アルミニウム青銅系等の合金が広く使用
されているが、前述のような高速・高荷重の摺動条件下
で燐青銅系合金は、強度、焼付特性に劣り、また、アル
ミニウム青銅系合金は、強度についてはほぼ満足できる
が、耐摩耗性、焼付特性に劣る。一方、同じく耐摩耗性
の材料として推奨されている高力黄銅系合金は、強度、
焼付特性、耐摩耗性のいずれにも劣る。前述のように、
使用条件がますます厳しくなってきており、高速・高荷
重条件下では、強度、耐摩耗性等について十分満足でき
る材料がないのが現状であり、当業技術分野において大
きな課題となっており、更に、強い靱性、耐摩耗性を有
する摺動材料の開発が望まれる状況にある。

【０００４】かくて、本発明の目的は、エンジンの性能
改善に伴う摺動部材に要求される高温、高速高荷重の厳
しい摺動条件下に於いても、優れた耐摩耗性、耐焼付性
ならびに耐腐食性を有し、かつ、優れた耐荷重性を備え
た高性能の耐摩耗材料としての機能を備えた新規な高強
度、耐摩耗性銅合金を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この目的は、非焼付性に
優れた高強度ならびに高靱性を有する以下の耐摩耗性銅
合金■〜■を提供することによって達成される。一般に
、耐摩耗性、潤滑油に対する高温での黒化腐食現象は、
青銅系をマトリックスとする合金でこれを抑えるのは難
しい。そのため、本発明では、耐腐食性に強い黄銅系合
金を採用し、添加元素によりマトリックスに強度、靱性
を高めるとともに、特殊添加元素を加える事により非焼
付性を向上させ、更には金属間化合物あるいは鉛粒子を
マトリックス中に分散させて非焼付性、耐摩耗性の改善
を図った。

【０００６】本発明合金は、次の６つの形態で提供され
る。 ■　　重量％でＭｎ１．２〜８．５％、Ｓｉ０．３〜２
．５％、Ａｌ３．０〜８．０％、Ｚｎ２０〜４０％、残
部が実質的に不可避的不純物とＣｕからなる合金に於い
て、更に重量％で０．０５〜１．５％のＴｅを添加する
ことにより、非焼付性を向上させたことを特徴とする高
強度ならびに高靱性を有する耐摩耗性銅合金。 ■　　重量％でＭｎ１．２〜８．５％、Ｓｉ０．３〜２
．５％、Ａｌ３．０〜８．０％、Ｎｉ０．５〜３％、Ｚ
ｎ２０〜４０％、残部が実質的に不可避的不純物とＣｕ
からなる合金に於いて、更に重量％で０．０５〜１．５
％のＴｅを添加することにより、非焼付性を向上させた
ことを特徴とする高強度ならびに高靱性を有する耐摩耗
性銅合金。 ■　　重量％でＭｎ１．２〜８．５％、Ｓｉ０．３〜２
．５％、Ａｌ３．０〜８．０％、Ｚｎ２０〜４０％、Ｔ
ｅ０．０５〜１．５％含み、残部が実質的に不可避的不
純物とＣｕからなる合金に於いて、更に重量％で０．５
〜１３％のＰｂを添加することにより、自己潤滑性を有
するとともに、更に非焼付性を向上させたことを特徴と
する高強度ならびに高靱性を有する耐摩耗性銅合金。 ■　　重量％でＭｎ１．２〜８．５％、Ｓｉ０．３〜２
．５％、Ａｌ３．０〜８．０％、Ｎｉ０．５〜３％、Ｚ
ｎ２０〜４０％、Ｔｅ０．０５〜１．５％含み、残部が
実質的に不可避的不純物とＣｕからなる合金に於いて、
更に重量％で０．５〜１３％のＰｂを添加することによ
り、自己潤滑性を有するとともに、更に非焼付性を向上
させたことを特徴とする高強度ならびに高靱性を有する
耐摩耗性銅合金。 ■　　重量％でＭｎ１．２〜８．５％、Ｓｉ０．３〜２
．５％、Ａｌ３．０〜８．０％、Ｚｎ２０〜４０％、Ｔ
ｅ０．０５〜１．５％、Ｐｂ０．５〜１３％を含み、残
部が実質的に不可避的不純物とＣｕからなる合金に於い
て、更に重量％で０．０２〜１．５％のＭｇを添加する
ことにより、Ｐｂを微細均一に分散させたことを特徴と
する高強度ならびに高靱性を有する耐摩耗性銅合金。 ■　　重量％でＭｎ１．２〜８．５％、Ｓｉ０．３〜２
．５％、Ａｌ３．０〜８．０％、Ｎｉ０．５〜３％、Ｚ
ｎ２０〜４０％、Ｔｅ０．０５〜１．５％、Ｐｂ０．５
〜１３％を含み、残部が実質的に不可避的不純物とＣｕ
からなる合金に於いて、更に重量％で０．０２〜１．５
のＭｇを添加することにより、Ｐｂを微細均一に分散さ
せたことを特徴とする高強度ならびに高靱性を有する耐
摩耗性銅合金。

【０００７】次に、本発明に係わる銅基合金の各成分に
ついて、特許請求の範囲に記載のごとく限定する理由と
その作用効果について説明する。（１）　Ｚｎ：２０〜４０重量％Ｚｎは、強度、耐摩耗性及び潤滑油に対する耐腐食性を
合金に付与する。また、摩擦特性は、α相組織よりもα
＋β相或いはβ相組織のマトリックスを有するものが良
好であるが、γ相が出現すると合金が脆くなるため、Ｚ
ｎの上限は制約される。他の合金成分の亜鉛当量とその
添加量によって、Ｚｎの添加量は違ってくるものの、有
用性の見地から実験された結果によれば、Ｚｎは概ね２
０〜４０重量％の範囲で添加される。

【０００８】（２）　Ｍｎ：１．２〜８．５重量％、Ｓ
ｉ：０．３〜２．５重量％ＭｎとＳｉは、Ｍｎ５　Ｓｉ３　なるすべり特性に優れ
た金属間化合物を形成し耐摩耗性及び耐焼付性の向上に
寄与するとともに、金属間接触の発生時にマトリックス
の流動を阻止する。その含有量は、Ｍｎ５　Ｓｉ３　化
合物の構成割合により決定され、Ｍｎ５　Ｓｉ３はＭｎ
対Ｓｉの重量比で１：０．３の割合のときに全てが化合
物となる。従って、Ｍｎは最低１．２重量％、Ｓｉは最低０．３重
量％必要である。また、Ｍｎ５　Ｓｉ３　が１１％以上
存在すると展延性を著しく害するとともに合金を脆化さ
せる。Ｍｎ５　Ｓｉ３　１１％では、Ｍｎ８．５重量％
、Ｓｉ２．５重量％である。したがってこの値を上限値
とした。このようにＭｎ，Ｓｉは、Ｍｎ１．２〜８．５
重量％、Ｓｉ０．３〜２．５重量％の範囲内でそれぞれ
自由に選択され得る。そして、この時Ｍｎ５　Ｓｉ３　
の形成に寄与しない遊離Ｍｎまたは遊離Ｓｉが生じるが
、この場合、それぞれ以下の特性が得られる。Ｍｎを遊
離させると、合金の靱性が向上し、またＳｉを遊離させ
ると、合金の耐摩耗性が向上する。しかし、遊離Ｓｉが
多過ぎるとＳｉの亜鉛当量が１０と大きいため、脆弱な
γ相の生成を助長し、好ましくない。

【０００９】（３）　Ａｌ：３．０〜８．０重量％Ａｌ
はマトリックスの強化に有効であり、またＳｉと同様に
亜鉛当量が大きく、γ相の生成を助長するが、３．０重
量％より少ないと、耐摩耗性に必要な十分な硬さが得ら
れず、８重量％を超えて添加されると、合金の脆化及び
結晶粒が粗大化する弊害を生じる。よって、Ａｌの含有
量は３．０〜８．０重量％とする。

【００１０】（４）　Ｔｅ：０．０５〜１．５重量％Ｔ
ｅは少量の添加で、Ｐｂの均一分散性、非焼付性および
靱性を向上させるとともに、耐腐食性の改善にも効果が
ある。ただし、０．０５重量％より少ないと、その効果
は期待できず、一方１．５重量％より多く添加すると、
コスト高となる上、前記効果が格別向上するわけでもな
く、利点が少ない。故に、Ｔｅの添加量は０．１〜１．
５重量％とする。

【００１１】（５）　Ｐｂ：０．５〜１３重量％Ｐｂは
自己潤滑性を有し、摺動摩擦熱によって溶融し、摺動面
上で流動して数ミクロンの薄膜を形成するので、非焼付
性に優れた結果をもたらすと共に合金の被切削性も改善
する。０．５重量％より少ないと、非焼付性向上の効果
は少く、１３重量％を超えると、Ｐｂの偏析、Ｐｂ粒子
の粗大化等弊害が生じ、合金の強度が低下するため、１
３％をその上限とする。以上の理由により、Ｐｂの添加
量は０．５〜１３重量％とする。

【００１２】（６）　Ｍｇ：０．０２〜１．５重量％Ｍ
ｇはＰｂを均一分散させるのに有効であるとともに、マ
トリックスの強化改善にも効果がある。その添加量は、
０．０２％以下ではその効果は少なく、また多過ぎると
、ＭｇとＰｂの金属間化合物が晶出し過ぎてＰｂの自己
潤滑作用が損なわれる。以上の理由により、Ｍｇの添加
量は０．０２〜１．５重量％とする。

【００１３】（７）　Ｎｉ：０．５〜３．０重量％Ｎｉ
はマトリックスを強化し、強度を向上させ、耐摩耗性を
高める。また、再結晶温度を上昇させ、熱間塑性加工時
の結晶粒粗大化に防止効果がある。ただし、０．５重量
％未満においては上記の効果は見られず、また３％を超
えると、合金の疲労強度、耐衝撃性を著しく低下させる
。故に、その添加量は、０．５〜３．０重量％とする。

【００１４】

【実施例】（１）　本発明合金表１に示すＮｏ．１〜Ｎｏ．１０の組成の本発明合金を
溶解し、連続鋳造法により鋳造後、押出し加工後、直径
３５ｍｍの棒状体を作成し、しかる後に、棒状体を加工
して引張強度試験、疲労試験、焼付試験、摩耗試験、腐
食試験用の各試料を得た。（２）　従来合金表１に示すＮｏ．１１〜Ｎｏ．１４の市販の材料ならび
に先願発明合金Ｎｏ．１５の材料を、溶解し、連続鋳造
法により鋳造後、押出し加工後、直径３５ｍｍの棒状体
を作成し、しかる後に、棒状体を加工して前記本発明合
金の場合と同様な試験用の試料を得た。

【００１５】（３）　表１に示す各種銅合金を表３〜７
に示す各種試験条件にて、引張試験、疲労試験、焼付試
験、摩耗試験、腐食試験を行った。引張試験、硬さ試験
の結果を表２に、疲労試験結果を図１〜２に、焼付試験
結果を図３に示し、また代表的な摩耗試験結果を図４に
、腐食試験結果を図５にそれぞれ示す。Ｎｏ．１〜Ｎｏ
．１５の合金に於いて、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０は本発明
合金であり、Ｎｏ．１１は鉛青銅４種、Ｎｏ．１２は燐
青銅２種、Ｎｏ．１３は高力黄銅２種、Ｎｏ．１３はア
ルミ青銅２種、Ｎｏ．１５は先願発明合金である。なお
、本実施例では連続鋳造法による試料を用いたが、置注
鋳造法等の方法でも同じ効果が得られ、鋳造方法につい
ては特に限定されるものではない。

【００１６】

【表１】

【００１７】

【表２】表　　２

【００１８】

【表３】表　　　　３

【００１９】

【表４】表　　　　４

【００２０】

【表５】表　　５

【００２１】

【表６】表　　６

【００２２】

【表７】表　　７

【００２３】

【表８】表　　８曲げ疲労試験結果

【００２４】（４）　試験結果の評価表１に示す組成の各種銅合金のそれぞれの機械的性質を
表２に示した。Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０は本発明合金であ
り、Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．１５は従来合金である。表２か
ら明らかなように、本発明合金は公知のＮｏ．１１〜Ｎ
ｏ．１５に比べ引張強度が著しく高く、硬さも同程度も
しくはそれ以上である。また、図１および図２の疲労試
験結果からも明らかなように、本発明合金は従来合金よ
り、疲労強度も数段優れており、高強度、高靱性を有す
ることは明瞭である。次に、図３は表１に示した各種銅
合金の焼付試験結果を示したものである。図３から明ら
かなように、本発明合金はいずれも最大面圧１５０Ｋｇ
ｆ／ｃｍ２　でも焼付が発生せず、摺動材料として極め
て優れた焼付性能を有していることが認められる。一方
、図４は本発明合金と従来合金の代表的な摩耗試験結果
を表し、その試験結果について比較してみると、本発明
合金はいずれも従来合金に比し、摩耗量が小さく、優れ
た耐摩耗性を有していることが理解できよう。なお、摩
耗試験により、潤滑油使用による湿式法で行い、摩擦の
相手は一般に使用されるＪＩＳ　　ＳＫ３の焼入品なら
びにＪＩＳ　　ＳＵＪ２を用いた。また、本発明合金と
従来合金の腐食テストについても、図５（詳細数値は表
８参照）に示すように本発明合金の方が良い結果を示し
ている。

【００２５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の銅基合金は従来合金に比べ、耐焼付性、耐摩耗性およ
び耐腐食性や馴染み性にも優れ、しかも、高強度ならび
に高靱性を有する等、機械的性質の面でも優れた特性を
有することは明瞭である。特に高速、高荷重に於ける耐
摩耗性ならびに耐焼付性に優れており、昨今における高
出力化、高速度化、高荷重化等のますます苛酷な使用条
件が要求される各種機器の摺動部材として、本発明合金
は、卓越した性能を有するとともに、該使用条件に十分
対応することができる合金である。

【図面の簡単な説明】

【図１】表３に示した第１の疲労試験条件における試験
荷重パターンを示す図。

【図２】表４に示した第２の疲労試験条件における試験
片を示す図。

【図３】表５に示した焼付試験条件における圧力印加ス
ケジュールを示すグラフ。

【図４】本発明合金例と従来合金例についての第１の疲
労試験結果を示す棒グラフ。

【図５】本発明合金例の一部試料および従来合金例の一
部試料についての第２の疲労試験結果を「荷重−繰り返
し数」の関係として示した折れ線グラフ。

【図６】焼付試験結果を示す棒グラフ。

【図７】摩耗試験結果を示す棒グラフ。

【図８】腐食試験結果を示す棒グラフ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　重量％でＭｎ１．２〜８．５％、Ｓｉ
０．３〜２．５％、Ａｌ３．０〜８．０％、Ｚｎ２０〜
４０％、残部が実質的に不可避的不純物とＣｕからなる
合金に於いて、更に重量％でＴｅ０．０５〜１．５％添
加させることにより、非焼付性を向上させたことを特徴
とする高強度ならびに高靱性を有する耐摩耗性銅合金。
【請求項２】　　重量％でＭｎ１．２〜８．５％、Ｓｉ
０．３〜２．５％、Ａｌ３．０〜８．０％、Ｎｉ０．５
〜３％、Ｚｎ２０〜４０％、残部が実質的に不可避的不
純物とＣｕからなる合金に於いて、更に重量％でＴｅ０
．０５〜１．５％添加させることにより、非焼付性を向
上させたことを特徴とする高強度ならびに高靱性を有す
る耐摩耗性銅合金。
【請求項３】　　重量％でＭｎ１．２〜８．５％、Ｓｉ
０．３〜２．５％、Ａｌ３．０〜８．０％、Ｚｎ２０〜
４０％、Ｔｅ０．０５〜１．５％含み、残部が実質的に
不可避的不純物とＣｕからなる合金に於いて、更に重量
％でＰｂ０．５〜１３％を添加せしめることにより、自
己潤滑性を有するとともに、更に非焼付性を向上させた
ことを特徴とする高強度ならびに高靱性を有する耐摩耗
性銅合金。
【請求項４】　　重量％でＭｎ１．２〜８．５％、Ｓｉ
０．３〜２．５％、Ａｌ３．０〜８．０％、Ｎｉ０．５
〜３％、Ｚｎ２０〜４０％、Ｔｅ０．０５〜１．５％含
み、残部が実質的に不可避的不純物とＣｕからなる合金
に於いて、更に重量％でＰｂ０．５〜１３％を添加せし
めることにより、自己潤滑性を有するとともに、更に非
焼付性を向上させたことを特徴とする高強度ならびに高
靱性を有する耐摩耗性銅合金。
【請求項５】　　重量％でＭｎ１．２〜８．５％、Ｓｉ
０．３〜２．５％、Ａｌ３．０〜８．０％、Ｚｎ２０〜
４０％、Ｔｅ０．０５〜１．５％、Ｐｂ０．５〜１３％
を含み、残部が実質的に不可避的不純物とＣｕからなる
合金に於いて、更に重量％でＭｇ０．０２〜１．５％を
添加せしめることにより、Ｐｂを微細均一に分散させた
ことを特徴とする高強度ならびに高靱性を有する耐摩耗
性銅合金。
【請求項６】　　重量％でＭｎ１．２〜８．５％、Ｓｉ
０．３〜２．５％、Ａｌ３．０〜８．０％、Ｎｉ０．５
〜３％、Ｚｎ２０〜４０％、Ｔｅ０．０５〜１．５％、
Ｐｂ０．５〜１３％を含み、残部が実質的に不可避的不
純物とＣｕからなる合金に於いて、更に重量％でＭｇ０
．０２〜１．５％を添加せしめることにより、Ｐｂを微
細均一に分散させたことを特徴とする高強度ならびに高
靱性を有する耐摩耗性銅合金。