JPH0428836A

JPH0428836A - 摺動材料

Info

Publication number: JPH0428836A
Application number: JP2134183A
Authority: JP
Inventors: Teruo Ohashi; 照男大橋; Yasuhisa Tanaka; 靖久田中
Original assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Current assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Priority date: 1990-05-25
Filing date: 1990-05-25
Publication date: 1992-01-31
Anticipated expiration: 2014-07-12
Also published as: JP2918292B2

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］本発明は、内燃機関のメインジャーナル軸受、コンロッ
ド軸受などの滑り軸受、一般機械要素としてのブシュな
どに使用される摺動材料に関するものである。さらに詳
しく述べるならば本発明は銅を主成分として、鉛、イン
ジウムなどの軟質金属を添加元素とした銅系焼結摺動材
料に関するものである。

［従来の技術］従来、上記用途に使用される摺動材料は銅・鉛系ケルメ
ツト合金が一般的であるので、以下この銅・鉛合金の例
を主として説明する。

従来、銅・鉛合金のバイメタル材は水またはガスアトマ
イズ法で作った粉末を鉄板上に散布し還元雰囲気中で焼
結して製造されていた。すべり軸受材料として使用され
る銅・鉛合金は銅に固溶しない鉛との合金であるために
、鉛は一種の介在物として働くため、その分布状態は微
細であるほど負荷能力を向上させることは容易に推定さ
れる。

しかし従来法ではＰｂ相の大きさには粉末の凝固速度に
より定められる微細化の限界があり、焼結温度や時間の
条件の工夫をしても十分な微細化焼結組織は得られない
。

近年自動車用エンジンを始めとして内燃機関の性能は著
しく向上し、その分、軸受への負荷も非常に厳しくなっ
ている状況ではより高負荷に耐える軸受として銅鉛合金
では鉛の分布をより微細なものにすることが求められる
ようになった。

銅・鉛合金軸受材料において銅マトリツクス内に分散し
た鉛相が潤滑金属として作用することは良（知られてい
るが、鉛の分布が微細な方がよいのか、粗い方がよいの
かについて賛否両輪あり、明解な答えはまだ得られてい
ない。

銅・鉛焼結合金の鉛層を微細化することを開示する特許
として米国特許第４，８１８，６２８号がある。この特
許では、焼結を、誘導加熱により６５０℃以上で行う第
１段加熱と、８５０℃程度で炉内で行う第２段加熱とに
より行い、鉛粒径が平均で８μｍ以下、最大鉛粒径が４
４μｍ以下の微細組織を得ることが提案されている。こ
の米国特許では原料粉末は、１４７μｍ以下のものが好
ましいとされており、粉末の製法は言及されておらない
が、この粉末のサイズを考慮すると一般的なガスもしく
は水アトマイズ法であると考えられる。また、上記米国
特許第４，８１８，６２８号は、腐食の発生、進展がオ
ーバレイのクラックから始まってケルメツト中の鉛相に
達する時、鉛相が粗いと鉛相での腐食の進展が起こりや
すいことからケルメツト地の鉛相を微細にすることを提
案している。

（発明が解決しようとする課題）本発明者はアトマイズ合金粉をできるだけ微細化し、ま
た焼結条件を工夫して結晶粒成長の抑制しつつ焼結を行
って銅・鉛焼結体を作成し、その組織を観察し、以下の
知見を得た。すなわち、焼結体中の鉛相は銅マトリック
スの粒界に沿って凝固した網状形状が残っている。この
ような組織を有する焼結体の性能は微細化により多少の
向上が見られるが、従来の性能を大幅に凌駕する性能の
達成は出来ない。

（課題を解決するための手段）本発明は、上記したような従来の焼結摺動材料の性能を
大幅に改良するものであり、Ｐｂ。

Ｉｎ、Ｂｉ、ＴＩから選択された一種以上の成分を５〜
６０％含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からな
る焼結合金から構成され、前記Ｐｂ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｔｌ
などが平均粒径１０μｍ以下の実質的に擬片状の微細粒
子として分散しており、境界潤滑条件下で相手軸との摺
動面略全面で皮膜を形成することを特徴とする。

さらに本発明はＰｂ、Ｉｎ、Ｂｉ、ＴＩから選択された
一種以上の成分を５〜６０％、およびＳｎを１５％以下
含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなる焼結
合金から構成され、前記Ｐｂ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｔｌなどが
平均粒径１０μｍ以下の実質的に擬片状の微細粒子とし
て分散しており、境界潤滑条件下で相手軸との摺動面略
全面で皮膜を形成することを特徴とする。

以下、本発明の詳細な説明する。

先ず本発明の摺動材料の組成を説明する。本発明に係る
摺動材料はＰｂ、Ｉｎ、Ｂｉ、ＴｌなどのＣｕに対する
固溶度が少ない元素を軟質金属として含有する。これら
の金属はＣｕマトリックス中に分布してなじみ性、潤滑
性などを発揮する。

軟質金属の含有量が５％（百分率は特に断らない限り重
量％である）未満であると上記の性能が不十分となり、
一方含有量が６０％を超えると銅・鉛合金の強度が不十
分になり負荷能力が不十分となる。また、後述するよう
に本発明においてはＰｂ、Ｉｎなどの相は微細な形状で
密集していることに関連してＰｂ、Ｉｎ、Ｂｉ、ＴＩな
どの含有量が５％未満であると軟質相が孤立し、散開し
て分散し、本発明による鉛等の連続層を摺動面に形成す
る効果を奏することができないので、上記した下限含有
量５％以上の添加が必要である。軟質金属の含有量は特
に耐疲労性・高負荷用の目的では好ましくは５〜３０％
、より好ましくは８〜２５％とするとよく、また境界潤
滑用の目的では、好ましくは２０〜６０％、より好まし
くは３０〜５０％とするとよい。

上記した軟質金属の残部はＣｕおよび不純物である。Ｃ
ｕはマトリックスとして上記した軟質金属を均一微細に
分布させ、強固に支持するとともに摩擦により発生した
熱を逃がす熱の良導体の役割を担う。

ここで、従来のアトマイズ粉焼結ではｐｂの含有量を高
（すると材料自体の強度が低くなり、耐疲労性に劣り、
高負荷用としては十分な使用には耐えないが、本願の如
（、メカニカルアロイング法による粉末の焼結体ではＣ
ｕ地自体が強化されるため高ｐｂ含有量が採用できる。

この高ｐｂがＣｕに比べ廉価のため材料コストの点でも
有利となる。

次に上記組成でさらにＳｎを１５％以下添加することが
できる。ＳｎはＣｕ地を固溶強化する成分であり、１５
％を超えると固溶限を超えた過剰金属間化合物によりＣ
ｕ地を逆に脆くしてしまう。好ましくは０．５〜１２％
のＳｎ含有量がよい。

上言己した成分以外にＳｂ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどを硬
質成分として各５％以下の少量を添加することができる
。これらの硬質成分は分散強化によって焼結体を強化し
、負荷能力を高める。さらに、Ｃｕ系摺動材の公知の副
成分を適宜、例えばＰを１％以下、好ましくは０．００
１〜０．５％添加してもよい。

以下、本発明が最も特徴とする焼結組織を説明する。

従来の銅・鉛合金においては鋳造状態の鉛相が残存する
か、あるいは焼結中に鉛相が再溶融して銅の結晶粒界に
沿って再分布しており、網状に分布していた。しかし本
発明による鉛相はこのような鋳造・再溶融組織の痕跡が
な（、接片状を呈している。このような組織は従来銅・
鉛合金では類似した例がな（、鋳鉄においてＭｇ添加し
た球状黒鉛と通常のねずみ鋳鉄の片状黒鉛の中間形状の
黒鉛に見られる（日本金属学会編「改訂５版、金属便覧
」第５９７頁参照）。この接片状鉛相は一般的な形状と
しては片状である（網状形態を有しない、長い形状であ
り、球状のように縦横比率が路間等でない）が、ぎざぎ
ざした形状、小さい突起を有する形状、局部的に太くな
っている形状、末端が枝別れした形状などの不規則形状
があるので「擬」片状と称する。

本発明の鉛相は寸法が平均寸法が１０μｍ以下である。

鉛相の平均寸法１０ｔＬｍ以下は上述の接片状組織とと
もに本発明による鉛皮膜形成作用を奏するために必要な
条件である。これらの条件が満たされると、従来の網状
鉛相はＣｕ結晶粒界を取り巻いているので、通常２０〜
４０μｍの鋳造凝固したＣｕ相の粒径とほぼ同じ間隔て
鉛相が散開して分散している。本発明においては鉛相は
鋳造組織では得られない接片状であるので、アトマイズ
粉よりも鉛相は遥かに密集しており、鉛相の平均間隔が
遥かに狭（なっている。

以上鉛相を例をとって本発明の詳細な説明したがインジ
ウム、ビスマス、タリウムなどが添加元素である場合に
もメカニカルアロイング法により銅が硬質金属として、
インジウムなどが延性金属として作用し、ｋｎｅａｄｉ
ｎｇ効果によりインジウムなどが光学顕微鏡では検出で
きないほど微細に分散した組織を作ることができる。な
お、本願で言うメカニカルアロイング法とは、狭義のメ
カニカルアロイングとメカニカルグラインディングの総
称である。

上記した組織を作るためにはメカニカルアロイング法な
どの超微細組織を作る方法により得た粉末を焼結するこ
とが必要である。かかる方法により得た粉末の表面は非
常に活性であるので、焼結を行う際には焼結雰囲気条件
の点に注意しなければならない。焼結は、裏金上での一
次焼結、−次焼結粉の裏金への圧下、および二次焼結の
プロセスで行うことができる。

以下、メカニカルアロイング粉焼結材に例をとって本発
明をさらに説明する。

〔作用〕

一定時間摺動させたメカニカルアロイング粉焼結材とア
トマイズ粉焼結材の摩擦面の観察を行ったところ、アト
マイズ粉焼結材の摺動試験後の表面は銅マトリックスの
金属光沢を呈しているが、メカニカルアロイング粉焼結
材の方は摩擦方向に延びた黒い縞模様が帯状に何本も観
察された。この黒い縞模様の境界部分を電子顕微鏡観察
、鉛のライン分析およびＥＰＭＡの観察結果からメカニ
カルアロイング粉焼結材に現れる黒い縞模様は鉛で、そ
れが摩擦方向に表面を覆っていることが分かった。

ケルメツト合金で鉛が表面にしみ出してくることは一般
に知られていることであるが、従来のアトマイズ粉焼結
材では今回のメカニカルアロイング粉焼結材のように摩
擦面全面のかなりの部分を覆うほどにはならなかった。

今回の摺動試験は潤滑油として粘度の低い灯油を用いて
おり、速度も０．５　ｍ／ｓと遅いので実験は境界潤滑
領域で行われている。したがって軸と試験片とが固体接
触する部分が存在し、その部分で鉛がしみだしたと考え
られる。

メカニカルアロイング粉焼結材とアトマイズ粉焼結材と
では基地での鉛の分布状態が異なるため、そのしみ出し
方とそれが摺動方向へ流動して摩擦面を覆う様相に違っ
た結果を招いている。

メカニカルアロイング粉焼結材とアトマイズ粉焼結材の
表面の鉛のしみ出しを観察した結果をそれぞれ第３図（
Ａ）〜（Ｄ）および第４図（Ａ）〜（Ｄ）に示す。図中
、Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄはそれぞれ１０分後、３０分後、６０
分後、１２０分後を示す。

メカニカルアロイング粉焼結材の鉛分布の細かいものは
摺動時間で１０分に満たないうちから摩擦面に鉛のしみ
出しがあり（第３図（Ａ）参照）、それらが表面を流動
しながら近傍の鉛のしみだし流動につながり、次々にそ
のつながりが成長し摩擦方向に一本の筋となって現れ、
そのすじ模様が集まって次第に摩擦面全面のかなりの部
分を覆う縞模様に成長する（第３図（Ｄ）参照）。

これに対し、アトマイズ粉焼結材では摺動面の大部分が
銅地として露出しており、わずかにｐｂの筋が観察され
るのみである。その摺動表面から見たｐｂの筋の面積率
は多（ても４０％前後（３０％ｐｂとｐｂを多くした場
合）までにしかならない。

一方、本願の如くメカニカルアロイング焼結材では、前
述の如く摺動面のかなりの部分なｐｂで覆う。本願では
、摺動面から見たｐｂの面積率が、摺動定常状態で略５
０％〜約１００％である。この面積率は配合されるｐｂ
量により左右されるが、通常は８０〜９５％となること
が多い。

以上の観察結果から、鉛相が密集して存在することが鉛
のしみ出し面積を本質的に高め、摺動面の略全面を鉛で
被覆することに重要な役割を果たしていることが分かる
。このように鉛相を密集させるためには鉛の添加量、鉛
相の寸法および形状を本発明が定義するところにより限
定することが必要である。

以下、実施例によりさらに詳しく本発明を説明する。

〔実施例〕

水アトマイズ法で作った３０％鉛を含む銅鉛合金粉末を
ステンレス製ボールを用いた高エネルギ型ボールミル（
アトライタ）にかけ、５０時間のメカニカルアロイング
を行って微細合金粉を作った。ソノ組成は３１．６％Ｐ
ｂ、０．９１％Ｓｎ、Ｆｅ＜０．０５５．Ｎｉ＜０．０
５％。

Ｓｂ＜０．０５％、残部Ｃｕであった。アトマイズ後の
合金粉およびメカニカルアロイング５０時間後の合金粉
の電子顕微鏡写真とＥＰＭＡによる鉛の分布を調べた結
果、メカニカルアロイング合金粉では、鉛の分布をほと
んど識別できないほどに組織が細かく均一になっていた
。

メカニカルアロイング合金粉のＸ１１回折結果は銅相手
と鉛相ともに各格子面のピーク位置の変化は認められず
銅と鉛とが原子の置換を起こすほどの合金化は起こって
いないことを示した。

このようにして得た合金粉を４〜５トン／ｃｍ”の加圧
力で直径１３φ厚さ約３ｍｍの円板形状の圧粉体にして
、水素ガス還元性雰囲気で７００℃、６０分間焼結し銅
・鉛焼結体を得た。

メカニカルアロイングを行っていないアトマイズ合金粉
についても同じ条件で焼結体を作り比較材とした。

第１図、第２図はメカニカルアロイング合金粉の焼結組
織とアトマイズ合金粉の焼結組織の光学顕微鏡写真をそ
れぞれ示す。メカニカルアロイング粉の焼結組織が非常
に細かくなっており、アトマイズ粉焼結材はｐｂの網状
組織が見られる。これらの組織の画像解析にかけた結果
、鉛相の平均面積と平均粒径がメカニカルアロイング法
の焼結材の方がそれぞれおよそ１／３および１／８にな
っていることがわかった。

（以下余白）表１：画像解析による鉛相の平均面積と平均粒径、およ
び硬さ機械的特性としての代表として測定した硬さはメカニカ
ルアロイング粉焼結材の方がアトマイズ粉焼結材より高
くなっており、ｐｂ分散僧を微細にしたことによる強化
が認められる。

また円筒平板試験機を用い、下記条件で摩擦係数および
摩耗量の測定を行った。

潤滑油：灯油バス温度：室温軸：　５４５Ｃ焼入れ材（直径４５ｍｍ）軸表面粗さ：
ＲＺ０．８μｍ荷重：　９ｋｇ軸回転数：２７３ｒｐｍ速度：０．５ｍ／ｓｅｃ時間；１２６分アトマイズ粉焼結材とメカニカルアロイング粉焼結材の
摩耗量を第５図に、３０％Ｐｂ−Ｃｕに対するｐｂのし
み出し面積率を第６図にそれぞれ示す。摩耗量はアトマ
イズ粉焼結材よりメカニカルアロイング粉焼結材の方が
明らかに少なくかつ定常状態でのしみだし面積率も極め
て高くなっている。

したがって、メカニカルアロイング粉焼結材は耐摩耗性
に優れており、これは軸と軸受との間で固体接触が起こ
ると接触部で温度が上昇し鉛がしみ出し、摩耗を抑制す
るためであると考えられる。

［発明の効果］以上説明したように本発明の焼結材料の材料特性は低摩
耗量と高負荷能力に特長があり、また軸受使用中には鉛
等の軟質金属が軸受の接触面略全面を被覆することに特
長がある。よって本発明の摺動材料は高負荷・高出力の
内燃機関用軸受材料や境界潤滑領域で使用される軸受材
料として好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の焼結材料の金属顕微鏡写真、第２図は
従来の焼結材料の金属顕微鏡写真、第３図（Ａ）〜（Ｄ
）は本発明の摺動材料の摺動後の表面のｐｂ組織を観察
した金属顕微鏡写真、第４図（Ａ）〜（Ｄ）は従来の摺動材料の摺動後の表面
のｐｂ組織を観察した金属顕微鏡写真、第５図はメカニ
カルアロイング粉焼結材料とアトマイズ粉焼結材料の摩
耗量を示すグラフ、第６図はメカニカルアロイング粉焼
結材料とアトマイズ粉焼結材料のｐｂのしみ出し面積率
を示すグラフである。特許出願人　　　大豊工業株式会社

Claims

【特許請求の範囲】

１．Ｐｂ，Ｉｎ，Ｂｉ，Ｔｌから選択された一種以上の
成分を５〜６０％含有し、残部がＣｕおよび不可避的不
純物からなる焼結合金から構成され、前記Ｐｂ，Ｉｎ，
Ｂｉ，Ｔｌなどが平均粒径１０μｍ以下の実質的に擬片
状の微細粒子として分散しており、境界潤滑条件下で相
手軸との摺動面略全面で皮膜を形成することを特徴とす
る摺動材料。
２．Ｐｂ，Ｉｎ，Ｂｉ，Ｔｌから選択された一種以上の
成分を５〜６０％、およびＳｎを１５％以下含有し、残
部がＣｕおよび不可避的不純物からなる焼結合金から構
成され、前記Ｐｂ，Ｉｎ，Ｂｉ，Ｔｌなどが平均粒径１
０μｍ以下の実質的に擬片状の微細粒子として分散して
おり、境界潤滑条件下で相手軸との摺動面略全面で皮膜
を形成することを特徴とする摺動材料。