JPH04336A - 高温で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、常温および高温、特に高温で耐摩耗性に優
れた銅基焼結合金に関するものであり、内燃機関のバル
ブガイド部材またはターボチャージャーの軸受は部材等
の摺動部材に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、内燃機関の各種機械部品を製造するための部材と
して、チル鋳物などの鉄系材料、重量％で、Ｃｕ−２８
％Ｚｎ−６％Ａｊｌｌの代表組成を有する銅基溶製合金
、または特開平１−４２５３７号公報に示されるＣｕ−
１０％５ｎ−０，３％Ｐ−３％Ｎｉの代表組成に黒鉛な
どの固体潤滑剤を添加した銅基焼結合金などが知られて
いる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、最近の内燃機関は、高出力化にともない、燃焼
室内の温度は従来よりも一層高温となり、従って、燃焼
室近傍に一部露出している摺動部材、例えばバルブガイ
ド、ターボチャージャーの軸受けなども従来よりは一層
高温に鳴らされている。

かかる摺動部材は高温になるほど耐摩耗性および耐焼付
き性が低下し、また、内燃機関の燃焼室内の温度と外部
の温度との間に著しい差が生じ、内燃機関の燃焼室の内
部から外部にかけて取付けられている摺動部材、例えば
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
燃焼室近傍に露出している部分は従来より一層高温に曝
らされ、特に、燃焼室近傍のバルブガイドの径は熱膨脹
により従来よりも一層拡大し、そのため、バルブガイド
とバルブの間に隙間が生じ、それによって、（ａ）　　
エンジンオイルが燃焼室に人込み、排ガス規制に定めら
れる基準を満たさなくなる、（ｂ）　　バルブガイドと
バルブの間に隙間が生じるとバルブガイドの機能が十分
に作用せず、作動中にバルブが振動し、バルブの機能が
低下する、などの問題も生じていた。

これ等の問題に対して上記チル鋳物などの鉄系材料は、
熱伝導率が低く、また耐焼付き性およびなじみ性も低い
ことから、内燃機関の燃焼室近傍に一部露出している摺
動部材、例えばバルブガイドまたはターボチャージャー
の軸受は部材として用いた場合、熱伝導率が低いために
内燃機関の燃焼室近傍に一部露出している部分での熱膨
脹が大きく生じ、バルブまたは軸受けとの間に隙間が生
じるので好ましくない。また、Ｃｕ−２８％Ｚｎ６％Ａ
ｌｌの代表組成を有する銅基溶製合金が用いられている
が、この銅基溶製合金は、バルブガイドまたはターボチ
ャージャーの軸受は部材としては耐摩耗性および耐熱性
が不足し、さらに気孔がないために耐焼付き性およびな
じみ性も不足している。そのため、上記黒鉛などの固体
潤滑剤を添加した銅基焼結合金が用いられるようになっ
てきたが、この銅基焼結合金は、熱伝導性、耐焼付き性
およびなじみ性に問題は少ないものの、耐摩耗性および
耐熱性が不足している。

〔課題を解決するための手段〕

そこで、本発明者らは、上述のような問題を解決するた
めには、常温および高温、特に高温において耐摩耗性お
よび耐焼付き性に優れかつ熱伝導性に優れた材料をバル
ブガイドまたはターボチャージャーの軸受は部材として
用い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：１〜１５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、平均粒径：１〜５〇μｍを有する
Ｍｏ−５ｉ系金金属化合物が１〜Ｉ５容量％均一に分散
し、かつ空孔が１〜１５容量％分布した組織を有する銅
基焼結合金は、熱伝導性に優れかつ高温で耐焼付き性お
よび耐摩耗性に優れており、そのため、この銅基焼結合
金を内燃機関のバルブガイドまたはターボチャージャー
の軸受は部材として用いた場合、特に、この銅基焼結合
金を内燃機関のバルブガイド部材として用いた場合、バ
ルブガイドの熱伝導性が優れているために内燃機関の燃
焼室近傍で高温に加熱されても、燃焼室近傍に露出して
いるバルブガイド部分の熱は外部に逃げて高温とはなら
ず、したがってバルブガイドの径が熱膨脹により拡大す
ることがなく、上記（ａ）および（ｂ）に示されるバル
ブガイドとしての機能低下もなく、長期にわたり優れた
効果を発揮す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なされたものであ
って、この発明の銅基焼結合金は、上記組成を有する素
地中に、平均粒径：１〜５ｏＩＥｏの範囲内のＭｏ−３
ｉ系金金属化合物が１〜１５容量％均一に分散し、かっ
空孔が１〜１５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。

上記Ｍｏ−３ｔ系金金属化合物は、ＭｏＦｅＳｉ。

ＭｏＮｉ　Ｓｔ　、ＭｏＣｏＳｉのうち一種または二種
以上である。

つぎに、この発明の銅基焼結合金のＭｏ−５ｔ系金金属
化合物および空孔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と共に素地を形成し、合金の高温下での強
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か、１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共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、１〜１５重量％に定めた
。

（ｂ）空孔 空孔は、摺動面に分布し、油溜の役割をし、特に高温下
で空孔が変形することによる耐焼付き性およびなじみ性
の改善に寄与するが、１容量％未満ではその効果が得ら
れず、一方、１５容量％より多く分布すると強度が低下
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。

したがって、空孔の分布量は、１〜１５容量％に定めた
。

（ｃ）Ｍｏ　−Ｓｔ系金金属間化合 物Ｍｏ３ｉ系金属間化合物はこの発明の銅基焼結合金素
地中に均一に分散して、常温および高温での凝着部の成
長を抑制することから耐摩耗性を向上させ、熱変形を防
止しかつ耐熱性の改善によって高温下での耐摩耗性を向
上させる作用があるが、平均粒径：１−未満および１容
量％では効果がなく、一方、その平均粒径が５０μｍを
越えて粗大化するか、１５容量％を越えると、合金の強
度および靭性が低下するほか、相手攻撃性を増すので好
ましくない。したかって、Ｍｏ−３ｉ系金属間化合物は
、平均粒径：１〜５０ＺＺ＋１１でかつその合計を１〜
１５容量％に定めた。この発明の銅基焼結合金素地中に
均一に分散しているＭｏ−８ｉ系金属間化合物は、Ｍ　
ｏ　Ｆ　ｅ　Ｓ　Ｉ　、　Ｍ　ｏ　Ｎ　ｉ　Ｓ　Ｉ　。

Ｍ　ｏ　Ｃｏ　Ｓ　ｉのうち一種または二種以上である
。

なお、この発明の銅基焼結合金は、不可避不純物として
Ｐ、Ｍｇ、Ｚｎおよびｐｂを含有する場合があるが、そ
の含有量が合計で１．５％以下であれば、合金特性が何
等損なわれるものでないので、その含有量を許容できる
。

この発明のＳｎ：１〜１５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、
平均粒径：１〜５０庫を有するＭｏ５ｊ系金属間化合物
が１〜１５容量％均一に分散し、かつ空孔が１〜１５容
量％分布した組織を有する銅基焼結合金を製造するには
、予め平均粒径：１〜５０庫を有するＭｏ−５ｉ系金属
間化合物をＣｕ　−Ｓｎ合金中に分散したＣｕ−Ｓｎ母
合金を水アトマイズすることにより得られたＣｕ−Ｓｎ
合金粉末を原料粉末として用いる。この原料粉末は、素
地中に微細Ｍｏ−５ｉ系金属間化合物が強固に結合して
いる。また、上記素地中に微細Ｍｏ−５ｉ系金属間化合
物が強固に結合しているＣｕ−Ｓｎ合金粉末を通常のＣ
ｕ−３ｎアトマイズ粉末に混合した混合粉末を使用して
もよい。

さらに、通常用いるステアリン酸亜鉛等の固定潤滑剤に
平均粒径５０即以下のＭｏ−５ｉ系金属間化合物を添加
・混合し、得られた混合粉末と通常のＣｕ−５ｎアトマ
イズ粉末を混合し、これを成形プレスして圧粉体とし、
この圧粉体を成形してもこの発明の銅基焼結合金を得る
ことができる。

また、アセトン、アルコール等の有機溶媒を用いて湿式
混合しても良い。

〔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、平均粒径：１〜５０μｓの範囲内の市販のＭｏ−
３ｉ系金属間化合物粉末：ＭｏＦｅ５＋粉末、ＭｏＮｉ
５＋粉末およびＭ　ｏ　Ｃｏ　Ｓ　ｉ粉末を用意し、こ
れらＭｏ−５ｉ系金属間化合物粉末を、Ｓｎ：１〜１５
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合金溶湯に添加し、Ｍｏ−３ｉ系金属間化合
物：ＭｏＦｅＳｉ。

ＭｏＮ　ｉ　Ｓｔ　、ＭｏＣｏＳｉのうち一種または二
種が均一に分散してなるＣｕ−Ｓｎ母合金を作製し、こ
のＣｕ−Ｓｎ母合金を水アトマイズすることにより上記
Ｃｕ−Ｓｎ母合金とほぼ同一組成の原料粉末を作製し、
これら原料粉末を５〜７ｔｏｎ／ｃｄの範囲内の所定の
圧力で圧粉体にプレス成形し、露点二〇℃〜−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、ついて空孔量をコントロー
ルするだめに、必要に応じて３００〜６００℃の範囲内
の所定の温度に１分間保持後、再加圧を行うことにより
、第１表に示される空孔量およびＭｏ−６ｔ系金金属化
合物平均粒径を有する本発明Ｃｕ基焼結合金１〜２３お
よび比較Ｃｕ基焼結合金１〜１０からなる、たて：１０
ｍｍ、横：１０ｍｍ５長さ二４５ｍｍの寸法を有するプ
ロ・ツクを作製した。

さらに、通常のＣｕ−３ｎ合金アトマイズ粉末に平均粒
径：２５−のＭｏ−５ｉ系金金属化合物：ＭｏＦｅＳｉ
　、ＭｏＮｉＳｉ　、ＭｏＣｏ５ｊ　のうち一種または
二種を配合し、混合し、プレス成形して圧粉体とし、こ
の圧粉体を焼結した本発明Ｃｕ基焼結合金２４〜２７か
らなる、たて：ｌＯ＋ｏ＋＊。

横：１０關、長さ：４５關の寸法を有するプロ・ツクを
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１〜２
７および比較Ｃｕ基焼結合金１〜１０からなるブロック
の熱伝導率を測定し、その結果を第１表に示した。上記
比較Ｃｕ基焼結合金１〜１０は、成分含有量、Ｍｏ−５
ｉ系金金属化合物平均粒径および空孔含有量の内のいず
れかがこの発明の範囲から外れたもの（第１表において
来印を付して示した）である。

一方、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ＳＵ
Ｈ：３鋼材で外径：　４０ｍｍ、内径：３０１、厚さ＝
１５１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
に潤滑油としてエンジン油を塗布した後、ブロック１に
荷重：２）ｃｇをかけ、室温および温度二６００℃の雰
囲気下でリング２を摺動速度：　１．２ｍ／秒で回転せ
しめ、摩擦係数が急増し、焼付と判定されるに至るまで
リング２の回転を続け、焼付きに至るまでの時間および
焼付きに至った時点でのブロック１の摩耗量を測定する
と共にリング２の面状態を観察するブロック・オン・リ
ング型摩耗試験機を用いた加速摩耗試験を実施し、それ
等の測定値および観察結果を第１表に示した。上記リン
グ面の観察結果は、試験後のリング２の面がほぼ平滑で
あるときは０１荒れ面であるときは△、凝着面であると
きはＸとして第１表に示した。

〔発明の効果〕

第１表に示される結果から、本発明Ｃｕ基焼結合金１〜
２７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Ｃｕ
基焼結合金１〜１０に見られるように、構成成分、Ｍｏ
−５ｉ系金属間化合物平均粒径および空孔量のうちいず
れかでもこの発明の範囲または条件から外れると、熱伝
導性、高温下での耐摩耗性、耐焼付き性もしくは相手攻
撃性、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Ｃυ基焼結合金は、熱伝導性
、高温下での耐摩耗性、耐焼付き性もしくは耐相手攻撃
性を共に有するので、高出力化に伴う高温度に曝らされ
る内燃機関の構造部材とくにバルブガイド部材として用
いても、燃焼室近傍のバルブガイドの温度が上昇するこ
となく、したかって、バルブガイドの径が拡大せず、エ
ンジンオイルのリークもなく、高出力内燃機関の構造部
材とくにバルブガイド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１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・リング型摩耗試験方法を示
す説明図である。 １・・・ブロック、　　　　　　２・・・リング。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｓｎ：１〜１５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、 平均粒径：１〜５０μｍを有するＭｏ−Ｓｉ系金属間化
   合物：１〜１５容量％が均一に分散し、かつ空孔が１〜
   １５容量％分布した組織を有することを特徴とする高温
   で耐摩耗性に優れた銅基焼結合金。
2. （２）上記Ｍｏ−Ｓｉ系金属間化合物は、ＭｏＦｅＳｉ
   ，ＭｏＮｉＳｉ，ＭｏＣｏＳｉのうち少なくとも一種ま
   たは二種以上の合計が１〜１５容量％であることを特徴
   とする請求項１記載の高温で耐摩耗性に優れた銅基焼結
   合金。