JPH11124646A - 摺動特性及び被削性に優れた銅系焼結摺動材料 - Google Patents

摺動特性及び被削性に優れた銅系焼結摺動材料

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JPH11124646A
JPH11124646A JP9285829A JP28582997A JPH11124646A JP H11124646 A JPH11124646 A JP H11124646A JP 9285829 A JP9285829 A JP 9285829A JP 28582997 A JP28582997 A JP 28582997A JP H11124646 A JPH11124646 A JP H11124646A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 焼結Cu又はCu合金からなるマトリックス
中にAlN,Al23,NiB,Fe2 B,SiC,
TiC,WC、Si34 、Fe3 P,Fe2 P及び又
はFe3 Bなどの粒子を分散した銅系摺動材料の摺動特
性及び被削性を両立させる。 【解決手段】 Hv500以上及び1000以下の中硬
度粒子がHv1100以上の硬度粒子より重量割合で多
量でありかつ平均粒径が大きいように粒子の硬度と量を
制御して分散させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、銅系焼結摺動材料に関
するものであり、さらに詳しく述べるならばピストンピ
ンブシュ、オートマチックトランスミッションブシュな
どの軸受部品として使用される銅系焼結摺動材料に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】銅系焼結合金を製造する際に、銅又は銅
合金粉末と硬質粉末を混合して焼結して、後者により耐
摩耗性向上を図った摺動材料は多数の特許文献にて公表
されている。例えば、米国特許第5279638号で
は、Cu−Sn合金に、硬質粒子としてFe2P, Fe3P, FeB, F
e2B, Mo, Co, Co 基自溶合金、 Ni 基自溶合金、 SiC,
TiC, WC, B4C, TiN, 立方晶 BN, Si3N4, SiO2, ZrO2,
Al2O3, Si−Mn, Cu-Si,及び/又はFeS を添加すること
により、表面が粗い摺動相手材に対する耐摩耗性を高め
ることを提案されている。
【0003】また、特開平8−25026号公報は、A
lNは銅系焼結材料との密着性及び摺動特性も良好であ
り、さらに前段落で列挙した硬質物もAlNより少量な
らば添加してもAlNの特性は著しく損なわれず、十分
な特性が得られることを開示している。さらに、再公表
公報(A1)WO96/27685号にはAg0.1〜
2%を含有する銅合金に総量で20%以下のAl2O3,SiC,
SiO2,Fe3P,AlN,Si3N4,TiC,WC,BN,NiB 及び/又はFeB を
添加することが開示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】焼結材料は、焼結表面
の粗さが一般に10〜50μm程度であり、摺動面にお
ける潤滑油皮膜の形成に不利であるので、粗さをより小
さくする必要がある。この加工は通常バイトを使用した
切削加工により行われ、その後必要により砥石による仕
上げ加工が行われる。上記した硬質添加物により摺動材
の耐摩耗性は向上したが、焼結合金の表面を切削加工す
ると、焼結ダイアモンドバイトなどの最高硬度をもつ刃
具を使用しても、刃具の摩耗が大きく、刃具寿命が著し
く短くなるという問題が新たに発生した。
【0005】したがって、本発明は、硬質粒子による優
れた摺動特性を保ちつつ切削刃物の寿命の短縮を招かな
い硬質物添加銅系焼結摺動材料を提供することを目的と
する。
【0006】
【課題を解決するための手段】前掲特開平8−2502
6号公報が特徴とするAlNは硬度がHv1300程度
であり、一方Fe3 Pの硬度はHv800程度であり、
そしてこの公報ではAlNより少量のFe3 Pを添加し
て耐摩耗性を良好にしているが、本発明者のその後の研
究によると、AlNとFe3 Pの合計量を一定とした場
合、Fe3 P量>AlN量であり、Fe3 P平均粒径>
AlN平均粒径の関係が成立すると被削性が著しく改善
されることを見出し、かつ各種硬質物につき実験を行
い、本発明を完成した。本発明は、Cu又はCu合金か
らなるマトリックス中にHv1100以上の高硬度粒子
とHv1000以下の中硬度粒子とを分散してなる銅系
焼結摺動材料において、中硬度粒子が高硬度粒子より重
量割合で多量でありかつ平均粒径が大きいことを特徴と
する摺動特性及び被削性に優れた銅系焼結摺動材料であ
る。以下本発明の構成を詳しく説明する。
【0007】本発明における高硬度粒子及び中硬度粒子
はともに硬質粒子として銅系焼結合金に複合されると、
その耐摩耗性が向上する。但し、Hv1100以上の高
硬度粒子の方がHv1000以下の中硬度粒子よりも耐
摩耗性を高める効果が大きく、一方Hv1000以下の
中硬度粒子は被削性を悪化させない。しかし中硬度粒子
が、顕著に被削性を改善するためには、平均粒径及び添
加量が共に高硬度粒子より大きいことが必要である。こ
のように耐摩耗性は硬質粒子の硬度に強い依存性を有
し、被削性は硬質粒子の硬度と平均粒径に強い依存性を
有するので、本発明ではこれらの因子を請求項1に特定
した。
【0008】
【作用】次の表は、後述の実施例の方法で、純銅にAl
N(Hv=1300;平均粒径=8μm,13μm)、
Fe3 P(Hv=800;平均粒径=25μm)を複合
した焼結銅合金につき前述の両特性を測定した結果を示
す。
【0009】
【表1】
【0010】表1における,と,,の比較よ
りAlN粗粒子の存在はバイト摩耗を多くすることが分
かる。次に、Fe3 Pが単独添加された及びAlN微
粒子が単独添加されたは粗粒AlNが単独添加された
よりもバイト摩耗が小さくなる。さらに、→及び
→の関係より、AlNを減してもFe3 Pを追加添
加するとで軸受摩耗が少なくなることが分かる。以上の
ような傾向から、AlN微粒子とFe3 Pが共存する
と、バイト摩耗(被削性)を劣化させることなく、軸受
の耐摩耗性を向上させることが可能になる。
【0011】
【発明の実施形態】本発明においては、高硬度粒子がA
lN,Al23 ,NiB,Fe2 B,SiC,Ti
C,WC及びSi34 からなる群から選択された少な
くとも1種であることが好ましく、中硬度粒子がFe3
P,Fe2 P及びFe3 Bからなる群から選択された少
なくとも1種であることが好ましい。これらは従来から
銅系焼結摺動材料の添加硬質粒子として使用されてお
り、安定した摺動特性を実現しているので、本発明にお
いても好ましく使用することができる。本発明者は各種
粒子の硬度を、銅系焼結材料中にビッカース硬度で測定
可能な大きさの粗粒として分散させた粒子につき測定
し、実施例の表2、3の値を得た。これらの値は純物質
の値とほとんど差がないので、所定の硬度関係が満たさ
れていると、本発明の効果が得られる。よって本発明に
おいては、上記に列挙した物質以外でも所定の硬度をも
つ物質の粒子であれば、焼結合金の分散粒子として使用
することができる。高硬度粒子をとしては上記化合物以
外にSiO2 ,Cr2 N,TiB2 ,FeB,NiBな
どがある。高硬度粒子として機能するには硬質(Hv8
00〜900)の相手軸との摺動において粒子自体が摩
耗しないことが重要であり、上記SiO2 などはそのた
めに必要なHv1100以上の硬さを有している。一
方、中硬度粒子としては上記化合物以外にTiSi2
ZrSi2 ,NiP,金属間化合物,Si,Cr,Co
等の硬質金属やそれらの合金がある。これらの化合物な
どは被削性を良好にするためのHv1000以下の硬さ
を有している。なお、軸受性能の面からは中硬度粒子の
粒径は比較的大きい方が好ましい。
【0012】さらに、本発明においては、高硬度粒子の
添加量が銅系焼結摺動材料全体に対して0.01〜15
重量%であり、また中硬度粒子の添加量が0.5〜20
重量%であり、これらの範囲において中硬度硬質粒子が
高硬度硬質粒子の量より多く調節することが好ましい。
これらの添加量の下限未満では焼結摺動材料の耐摩耗性
が不足し、一方上限を超えると焼結性が不良になり好ま
しくない。より好ましくは、高硬度粒子の添加量が銅系
焼結摺動材料全体に対して0.1〜5重量%であり、ま
た中硬度粒子の添加量が1〜10重量%である。
【0013】また、本発明において、好ましくは高硬度
粒子の平均粒径が0.5μm以上でありまた中硬度粒子
の平均粒径が5μm以上である。ここで、高硬度粒子の
平均粒径が0.5μm未満であると、添加量一定の場合
粒子個数が多くなるに伴い、銅合金中における粒子の均
一な分散が困難となり、耐摩耗性が低下し、さらに銅合
金がもつなじみ性、被凝着性が発揮され難くなるために
摺動特性が不良になる。中硬度粒子の平均粒径が5μm
未満であると、中硬度粒子による耐摩耗性改良効果があ
まり大きくない。より好ましくは高硬度粒子の平均粒径
が0.8μm以上であり、また中硬度粒子の平均粒径が
8μm以上である。
【0014】また、本発明においては、高硬度粒子及び
中硬度粒子は上記の平均粒径関係を満たし、加えて好ま
しくは上限もしくは下限を満たしていれば、個々の粒径
は特に規制されない。例えば、高硬度粒子の一部が中硬
度粒子の一部より粒径が大きくともよく、また、個々の
粒子の粒径も特に制限がないが、過度に粗粒であると、
焼結材の強度、被削性の面で好ましくないので、高硬度
粒子の平均粒径が3μm以下、特に2μm以下、また中
硬度粒子の平均粒径が50μm以下、特に30μm以下
であることが好ましい。
【0015】硬質粒子を分散する基地は純銅もしくは銅
合金の粒子である。この銅合金は摺動特性が普通に要求
される程度以上であるならば、組成は特に限定されな
い。例えば、特開平8−25026号で本出願人が開示
したように、Agを添加した銅系摺動材料を劣化潤滑油
中で摩耗試験した後、摺動面にAgとSが濃縮してお
り、腐食の進行が停止する。Agが含有されていないと
Cu、Pbなどと化学的に反応し反応生成物が潤滑油中
に溶け出すことにより銅合金の減量がもたらされる。し
かしAgが含有されているとSとの化学的反応は起こる
が、表面にAg−S濃縮層が安定的に形成され、その後
の腐食は停止する。このCu−Ag系もしくはCu−P
b−Ag系も本発明で使用でき、そのAgの添加量は
0.1〜5%(銅合金に対する重量百分率)の範囲が好
ましく、より好ましくは0.2〜2%である。又、Pb
の添加量(銅合金に対する重量百分率)は20%以下、
が好ましく、より好ましくは1〜10%である。
【0016】さらに、以下の添加元素を銅合金に対する
重量百分率で添加することができる。 Ni:5%を超え50%以下、好ましくは5〜15% Sn:20%以下、好ましくは3〜15% P :0.5%以下、好ましくは0.01〜0.1% Al:5%以下、好ましくは0.5〜3% Si:1%以下、好ましくは0.1〜0.5% Bi:1%以下、好ましくは0.1〜0.5% Mn:5%以下、好ましくは0.5〜3% Zn:30%以下、好ましくは5〜25% Fe:10%以下、好ましくは1〜5% Sb:1%以下、好ましくは0.1〜0.5% 但し、添加総量は50%以下である。これらの元素の内
でNi,Znは銅の耐硫化抵抗を高めることにより劣化
潤滑油中での耐食性を向上する。Pb、Sbは軟質成分
としてなじみ性を付与し、P,Al,Si,Mn,F
e,Sbは銅基地を硬化し耐摩耗性を高める。
【0017】なお、純銅−AlN−Fe3 Pの組み合わ
せからなる系も勿論実用可能である。この系は軟質金属
であるPb,Snを含有していないが摺動特性は、潤滑
条件が比較的良好であるならば、ケルメット級以上に良
好である。
【0018】銅又は銅合金粒子は、一般のアトマイズ
粉、破砕粉、電解粉などであってよく、これらの粒径は
一般的なものであり、特に平均粒径が10〜100μm
のものを好ましく使用することができる。
【0019】以下、本発明にかかる焼結摺動材料の製造
方法を説明する。この方法は本出願人の米国特許明細書
第5279638号のカラム3、第21行〜28行に記
載された一般的な方法と基本的には同じである。ただ
し、窒化アルミなどが銅(合金)粉末よりも比重が約1
/2未満であるために、前者と後者を均一に分散するた
めにはV型ブレンダーの回転数を低くしてゆっくりと攪
拌を行う点が大切である。銅(合金)粉末と硬質粒子の
混合粉は厚みを約1mm〜数mm程度に散布し、そのま
まの状態あるいは表面厚さの不均一状態を多少ならす程
度に軽く圧力をかけるが実質的に無加圧状態のままの粉
末を焼結する。その後、厚みを約50〜70%減少させ
るロール圧下を行いさらに2回目の焼結を行うことが好
ましい。なお焼結は好ましくは700〜900℃で還元
性雰囲気で行う。必要により、焼結材料の焼結空孔に樹
脂を含浸して摺動特性をより良好にすることもできる。
以下、実施例により本発明をより詳しく説明する。
【0020】
【実施例】
実施例1 図1(表2−1)、図2(表2−2)及び図3(表2−
3)に示す高硬度粒子(AlN)、中硬度粒子(Fe3
P)及び銅もしくは銅合金粉末をV型混合機により十分
に混合した。銅粉末及び銅合金粉末は平均粒径が40μ
mのアトマイズ粉である。これらの混合粉末を板厚が2
mmの鋼板に厚み1.3mmに散布し、その後890℃
で第1焼結を行った。続いて、厚さ減少率が50%で圧
延を行った。その後さらに、890℃で第2焼結を行っ
た。表面仕上げとして焼結ダイアモンド刃具により表面
の粗さを2μmとした。
【0021】この焼結材料につき以下の試験を行った。 円筒/平板式摩擦摩耗試験 (1)供試材:上記の焼結材料の平板状軸受 (2)相手材:直径40mmの円筒;材質JIS SC
M420H、表面粗さ1μm (3)荷重:98N (4)潤滑:流動パラフィン (5)摺動距離:1800m
【0022】切削試験 焼結ダイアモンド刃具(刃先R0.4mm)を使用した
NC旋盤で上記焼結材料の平板状軸受を合計20km切
削してバイトの摩耗量を測定した。切削条件は:切削速
度−160m/min;送り速度0.03mm/re
v;無潤滑であった。
【0023】これらの試験の結果を図1,2,3に示
す。なお、表に記された「粒径」は平均粒径を意味し、
各粒子の最大粒径は次のとおりである。AlN:平均粒
径0.5μm−最大粒径3μm、平均粒径1.3μm−
最大粒径6μm、平均粒径2.1μm−最大粒径10μ
m、平均粒径3μm−最大粒径15μm、平均粒径8μ
m−最大粒径25μm。Fe3 P;平均粒径5μm−最
大粒径30μm、平均粒径25μm−最大粒径100μ
m、平均粒径50μm−最大粒径150μmである。
【0024】表1−1,2,3において、比較例Eの銅
系焼結材料は耐摩耗性は不良であるが被削性は良好であ
る。これに対してAlNを添加すると耐摩耗性が著しく
良好になるが被削性が著しく悪化しており(比較例A〜
C)、Fe3 Pを添加するとAlN添加と同様の傾向が
現れるが耐摩耗性向上の結果は顕著でなはなく、被削性
は良好である。これに対して本発明実施例No.1〜3
0では耐摩耗性及び被削性共に良好になっている。
【0025】実施例2 高硬度粒子及び中硬度粒子の組み合わせを種々変えて実
施例1と同様に試験を行った。その結果を示す図3(表
3−1)及び図4(表3−2)に示す。この表からも本
発明実施例No.31〜52では耐摩耗性及び被削性共
に良好になっていることが分かる。
【0026】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
硬質粒子を分散させた焼結銅合金摺動材料において、耐
摩耗性とバイトの摩耗量で測定される被削性を優れたレ
ベルで両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例1における焼結摺動材料の構成、耐摩
耗性及び被削性を示す図表(表2−1)である。
【図2】 実施例1における焼結摺動材料の構成、耐摩
耗性及び被削性を示す図表(表2−2)である。
【図3】 実施例1における焼結摺動材料の構成、耐摩
耗性及び被削性を示す図表(表2−3)である。
【図4】 実施例2における焼結摺動材料の構成、耐摩
耗性及び被削性を示す図表(表3−1)である。
【図5】 実施例2における焼結摺動材料の構成、耐摩
耗性及び被削性を示す図表(表3−2)である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI F16C 33/10 F16C 33/10 A F16J 1/01 F16J 1/01 (72)発明者 佐藤 英知 愛知県豊田市緑ケ丘3丁目65番地 大豊工 業株式会社内

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 焼結Cu又はCu合金からなるマトリッ
    クス中にHv1100以上の高硬度粒子とHv500以
    上及び1000以下の中硬度粒子とを分散してなる銅系
    焼結摺動材料において、 前記中硬度粒子が前記高硬度粒子より重量割合で多量で
    ありかつ平均粒径が大きいことを特徴とする摺動特性及
    び被削性に優れた銅系焼結摺動材料。
  2. 【請求項2】 前記高硬度粒子がAlN,Al23
    NiB,Fe2 B,SiC,TiC,WC及びSi3
    4 からなる群から選択された少なくとも1種からなり、
    また前記中硬度粒子がFe3 P,Fe2 P及びFe3
    からなる群から選択された少なくとも1種であることを
    特徴とする請求項1記載の摺動特性及び被削性に優れた
    銅系焼結摺動材料。
  3. 【請求項3】 銅系焼結摺動材料全体に対して、前記高
    硬度粒子の添加量が0.01〜15重量%であり、また
    前記中硬度粒子の添加量が0.5〜20重量%であるこ
    とを特徴とする請求項1又は2記載の摺動特性及び被削
    性に優れた銅系焼結摺動材料。
  4. 【請求項4】 前記高硬度粒子の平均粒径が0.5μm
    以上であり、また前記中硬度粒子の平均粒径が50μm
    以下であることを特徴とする請求項3記載の摺動特性及
    び被削性に優れた銅系焼結摺動材料。
  5. 【請求項5】 前記高硬度粒子の平均粒径が3μm以下
    であり、また前記中硬度粒子の平均粒径が5μm以上で
    あることを特徴とする請求項4記載の摺動特性及び被削
    性に優れた銅系焼結摺動材料。
  6. 【請求項6】 Cu合金が0.1〜5重量%のAgを含
    有する請求項1から5までの何れか1項記載の摺動特性
    及び被削性に優れた銅系焼結摺動材料。
  7. 【請求項7】 Cu合金が、重量百分率で、 Pb:20%以下、 Ni:1%を超え50%以下、 Sn:20%以下、 P :0.5%以下、 Al:5%以下、 Si:1%以下、 Pb:30%以下、 Bi:1%以下、 Mn:5%以下、 Zn:30%以下、 Fe:10%以下、 Sb:1%以下、 の1種又は2種以上を,総量50%以下で含有する請求
    項1から6までの何れか1項記載の摺動特性及び被削性
    に優れた銅系焼結摺動材料。
  8. 【請求項8】 無加圧状態でもしくは実質的に無加圧状
    態で裏金上に焼結されたことを特徴とする請求項1から
    7までの何れか1項記載の摺動特性及び被削性に優れた
    銅系焼結摺動材料。
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