JPH04337A - 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％Ａｉ）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−１
０％５ｎ−０，３％Ｐ−３％Ｎ１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
高温に曝らされている。

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し、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、特ニ、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％Ｚｎ−６％
Ａｊ）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た。

〔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：１〜５０ｍを有するｗ
−ｓｉ系金金属間化合物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、上記組成を有する素地中に、平均粒径：１〜５０
ｕｍの範囲内のＷ−Ｓｉ系金属間化合物が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育するものである。

上記Ｗ−３ｉ系金属間化合物は、ＷＦｅＳｉ。

ＷＮｉＳＩ　、ＷＣｏＳｉ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Ｗ−Ｓｉ系金属間化
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が、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）Ｗ−３ｊ系金金属化合物 ｗ−ｓｉ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５０−を越え
て粗大化するか、１５容量％を越えると、合金の強度お
よび靭性か低下するほか、相手攻撃性を増すので好まし
くない。したかって、Ｗ−Ｓｉ系金属間化合物は、平均
粒径：１〜５０−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Ｗ−Ｓｉ系金属間化合物は、ＷＦｅＳｉ　、ＷＮｉ
Ｓｉ　、ＷＣｏＳＩ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：１〜５ｏ−を有するＷ−Ｓｉ系金属間化合物
が１〜】５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趨を有するＷ−Ｓｉ系金属間
化合物をＣｕ−Ｓｎ合全中に分散した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Ｗ−Ｓｉ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Ｗ−Ｓｉ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Ｃｕ−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５Ｑｍ以下のＷ−５ｌ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：１〜５０ｔ！ｒ＠の範囲内のＷ＝Ｓｌ
系金属間化合物粉末：ＷＦｅＳｉ粉末、ＷＮｉＳｉ粉末
およびＷＣｏＳｉ粉末を用意し、これらＷ−Ｓｉ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、Ｗ−８ｉ系金金属化合物：ＷＦｅＳｉ　、ＷＮ
ｉ　Ｓｌ　。

ＷＣｏＳ＋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−８ｒｌ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／ｃ−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”Ｃの範囲内の所定の温度で１時間保持の条件
で焼結し、ついで空孔量をコントロールするために、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Ｗ−８ｔ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〜ｌＯからなる、たて：１０關、横：１０重１１
長さ：　４０＋ｎの寸法を有するブロックを作製した。

さらに、通常のＣｕ−５ｎ合金アトマイズ粉末に平均粒
径：　２５ｍのｗ−ｓｉ系金属間化合物＝ＷＦｅＳｉ　
、ＷＮｉＳｌ　、ＷＣｏＳｉ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＋ｎ、横：１０ｍｍ、長さ：　４０＋ｎの
寸法を有するブロックを作製した。

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〜ｌＯは、成分含有量、Ｗ−Ｓｉ
系金属間化合物：平均粒径たは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表において秦
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５Ｕ
Ｈ３鋼材で外径：４０龍、内径＝３０ｍｍ、厚さ：１５
ｍｍ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：２ｋｇをかけ、室温および温度：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、
摩擦係数が急増して焼付き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２
の面の観察結果は、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×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、Ｗ−
Ｓｊ系金金属間化合物平均粒径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Ｃｕ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、シたがって、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、　　　　　　訃・・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Ｗ−Ｓｉ系金属間化合
   物：１〜１５容量％が均一に分散し、かつ空孔が１〜１
   ５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Ｗ−Ｓｉ系金属間化合物は、ＷＦｅＳｉ，Ｗ
   ＮｉＳｉ，ＷＣｏＳｉ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。