JPS6164838A

JPS6164838A - 高密度銅系焼結合金

Info

Publication number: JPS6164838A
Application number: JP18700184A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Takahashi; 義孝高橋; Akira Manabe; 明真鍋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1984-09-06
Filing date: 1984-09-06
Publication date: 1986-04-03

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、高密度銅系焼結合金に関し、詳しくは、Ｃｕ
−Ｎｔ系合金からなる基地組織中に特定　□組成を有す
る微細硬質粒子を分散させて、優れた耐摩耗性、耐焼付
性、耐ピツチング性を併せ保有させることによって、苛
酷な使用条件のもとで摺動する摺動部材等として、好適
に適用することができる高密度銅系焼結合金にかかる。

〔従来の技術〕

焼結部材は、粉末冶金用金属粉末原料を金型等により圧
粉成形した後、加熱焼結炉により焼き固めて製造するも
ので、生産性が高く製品精度が優れていることから、自
動車用部品等に多く使用されている。

そして、焼結合金には、一般的に鉄系焼結合金と銅系焼
結合金があり、代表的な焼結合金である焼結軸受合金と
しても、ＪＩＳ規格Ｂ１５８１に鉄系焼結合金と銅系焼
結合金とが規定されている。

そして、銅系焼結合金は、一般的には、耐焼付性に優れ
ていることから軸受部材等に広く用いられているものの
、耐摩耗性に劣ることから高荷重の負荷される摺動部材
等には適用することが困難とされていた。

一方、鉄系焼結合金は、耐摩耗性に優れているものの耐
焼付性に劣ることから、潤滑油等の供給が不足しやすい
部位に摺動部材として通用すると焼付を発生しやすいと
いう欠点があった。

そこで、上述のような従来の銅系焼結合金と鉄系焼結合
金の欠点を補うものとして、鉄系合金粉末と銅系合金粉
末を混合して粉末冶金用混合粉末原料とした後、圧粉成
形、加熱焼結して製造した銅・鉄系焼結合金が開発され
ている（例えば、特公昭５６−５２９８８号等）。

そして、この銅・鉄系焼結合金においては、鉄系合金粉
末に銅系合金粉末を重量比率で１０〜４０％混合し、さ
らに、若干の錫と二硫化モリブデンを混粉した混合粉末
を、粉末冶金用混合粉末原料として圧粉成形５加熱焼結
することにより、耐摩耗性及び潤滑特性を向上させるこ
ととしている。

しかし、最近の高負荷エンジン等に使用される摺動部材
においては、最近のエンジンの高性能化（高速回転化、
高出力化）に伴って使用条件がさらに苛酷となり、上記
の銅・鉄系焼結合金（特公昭５６−５２９８８号）であ
っても、必ずしも、充分な摺動性能及び耐久性を確保す
ることができていないのが現樗犬である。

ところで、一般的に軸受部材として使用されている銅系
焼結合金の基地組織を構成するＣｕ−５ｎ系合金におい
ては１．加熱焼結過程において僅かながら体積膨張する
ことから、焼結体密度が圧粉成形体の密度とほぼ同等と
なり、従って、焼結体密度を理論密度の９０％以上とす
るためには、予め、圧粉成形体の密度を理論密度の９０
％以上としておくことが必要となる。

そし゛て、圧粉成形体をこのような高密度とするには、
圧粉成形時の加圧力を通常の銅系焼結合金における圧粉
成形時の加圧力（３〜７　ｔｏｎ　／　ｃｍ　”）より
大幅に高くする必要がある。

しかし、圧粉成形体を圧粉成形する型の焼付。

型の摩耗、操業の安全性等を考慮すると、圧粉成形時の
加圧力を７　ｔｏｎ　／　ｃｍ　”を越える高い加圧力
とすることは、実用上極めて困難であり、実質的には殆
ど不可能に近いものとなる。

上述の背景から、銅系焼結合金の基地組織を構成する合
金をＣｕ−５ｎ系合金として、理論密度の９０％以上の
焼結体密度を確保するには、新しい工程を追加すること
が必要となってくる。

即ち、そのような焼結体密度を高める１手段としては、
加熱焼結した後改めて再加圧する方法が考えられるもの
の、再加圧工程を追加すると製造された焼結合金の製造
コストが大幅に高騰することから、実用的な方法とはな
りえない。

そこで、本発明者らは、このようなＣｕ−５ｎ系合金を
基地組織用合金とした、銅系焼結合金における問題点を
解決すべく研究を重ねた結果に基づいて、銅系焼結合金
の基地組織用合金としてＣｕ−Ｎｉ系合金を開発した。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述のような従来の技術の現状に鑑み、本発明が解決し
ようとする問題点は、従来の銅系焼結合金は耐焼付性に
優れており軸受部材等に広く用いられているものの、耐
摩耗性に劣ることから高荷重の負荷される摺動部材等に
は通用することが困難であり、また、鉄系焼結合金は耐
摩耗性に優れているものの耐焼付性に劣ることから、潤
滑油等の供給が不足しやすい部位に摺動部材として適用
すると焼付を発生しやすく、さらに、これら銅系合金粉
末と鉄系合金粉末を混合して製造した銅・鉄系焼結合金
であっても、最近の高負荷エンジン等に使用される摺動
部材としては、必ずしも、充分な摺動特性及び耐久性を
確保することができていないことである。

従って、本発明の技術的課題とするところは、Ｃｕ−Ｎ
ｉ系合金を基地組織用合金とすることにより、優れた耐
焼付性及び耐ピツチング性を確保するとともに、このＣ
ｕ−Ｎｉ系合金からなる基地組織中に、特定組成を有す
る微細硬質粒子の適量を分散させて優れた耐摩耗性を付
与し、苛酷な使用条件のもとでも優れた摺動特性を保有
させることによって、銅系焼結合金でありながら優れた
耐摩耗性を有し、摺動部材としての好適な通用を可能と
することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

このような従来の技術における問題点に鑑み、本発明に
おける、従来の技術の問題点を解決するための手段は、
重量比率で、Ｎｉ；５〜５０％を含有する銅系合金から
なる基地組織中に、Ｃ；０゜２〜３．５％、及び、Ｃｒ
；０．５〜２５％２Ｍｏ；０．３〜７．０％、Ｗ、０．
５〜２５％、Ｖ；０．２〜６゜０％、Ｃｏ；０．５〜１
８％、Ｎｉ；０．２〜３゜０％。

Ｍｎ；１．２％以下のうちから少なくとも１種類以上、
残部不可避の不純物とＦｅからなる微細硬質粒子を、重
量比率にて１０〜７０％分〜７０％ことを特徴とする高
密度銅系焼結合金、及び、重量比率で、Ｎｉ；５〜５０
％を含有する銅系合金からなる基地組織中に、Ｃ；　０
．２〜３．５％、及び。

Ｃｒ；０．５〜２５％、　Ｍｏ　；　０．３〜７．０％
、Ｗ；０．５〜２５％、Ｖ、０．２〜６．０％、Ｃｏ；
０．５〜１８％、Ｎ１Ｈ０，２〜３．０％、Ｎｂ、０．
０５〜３゜０％、Ｂ；０．０３〜０．５％、Ｐ；０．１
〜０．８％。

Ｍｎ；１．２％以下、Ｓｉ；１．５％以下のうちから少
なくとも１種類以上、残部不可避の不純物とＦｅからな
る微細硬質粒子を、重量比率にて１０〜７０％分〜７０
％ことを特徴とする高密度銅系焼結合金からなっている
。

〔作用〕

以下、本発明の作用について説明する。

本発明において、基地組織を構成する合金をＣｕ−Ｎｉ
系合金としているのは、この合金においては、加熱焼結
過程において体積収縮を惹起して焼結体寸法が収縮する
ことから、焼結体密度が圧粉成形体の密度より高くなる
からであり、このことは、本発明材の重要な特徴となっ
ている。

さらに、基地組織を構成するＣｕ−Ｎｉ系合金の液相生
成温度が、従来の銅合金の融点より高いことから、従来
のＣｕ−３ｎ系合金等を基地組織を構成する合金とした
、銅系焼結合金の加熱焼結温度より高温での加熱焼結が
可能となり、より強固な焼結体とすることも可能となる
。

上述の基地組織を構成するＣｕ−Ｎｉ系合金の特性から
、本発明の高密度銅系焼結合金は、焼結体密度を理論密
度の９０％以上とするにも、通常の圧粉成形、加熱焼結
の工程で容易に製造することが可能となり、優れた耐ピ
ツチング性を確保することができるのである。

また、本発明の高密度銅系焼結合金においては、上述の
ように基地組織を構成する銅系合金中にＮｉが添加され
ていることから、基地組織の硬さが向上し、耐摩耗性の
向上にも有効に作用するのである。

しかし、本発明の高密度銅系焼結合金におけるＮｉ添加
量は、５％未満では基地組織の硬さ向上効果が充分でな
く、一方、５０％を越えると逆に基地組織の硬さを低下
する傾向があって好ましくないことから５〜５０％とし
た。

次に、本発明において微細硬質粒子は、炭化物形成元素
を含有する鉄系微細硬質粒子とするのが望ましく、硬さ
は）ｌｖ２００以上とする必要がある。

これは、微細硬質粒子の硬さがＨＶ２００未満では、耐
摩耗性の改善に対する寄与が殆ど認められないからであ
る。

次に、微細硬質粒子の大きさは、平均粒径で５〜１５０
μが望ましい。

これは、微細硬質粒子の大きさが５μ未満では耐摩耗性
の改善効果が充分でなく、逆に、１５０μを越えると微
細硬質粒子が粗大となり過ぎて、摺動する相手材に対す
る損傷性が増大する場合もあり、また、微細硬質粒子が
基地組織から脱落しやすくなることから５〜１５０μと
した。

また、Ｃｕ−Ｎｉ系合金の基地組織中に分散させる微細
硬質粒子の分散量は、１０〜７０％とするのが望ましい
。

これは、微細硬質粒子の分散量が、１０％未満では耐摩
耗性の改善効果が充分でなく、７０％を越える多量とな
ると分散微細硬質粒子量が過多となり耐焼付性が劣化す
ることから１０〜７０％とした。

さらに、焼結体密度は、理論密度の９０％以上とするこ
とが必要である。

これは、焼結体密度が理論密度の９０％未満では耐ピツ
チング性が低下するからである。

〔実施例〕以下、添付図面に基づいて、本発明の１実施例を説明す
る。

第１表は、各本発明材及び比較材の緒特性評価用試験片
の製造条件を示している。

第１表注１）組成（１）は、１．５％Ｃ−０，２％Ｍｎ−１２
％Ｃｒ−１％Ｍｏ−０，３５％Ｖ−ＢａｌＦｅからなる
組成のＪＩＳ規格５ＫＤＩＩ相当材である。

注２）組成（２）は、０．４％Ｃ−５％Ｃｒ−１％Ｍｏ
−Ｏ，Ｓ％Ｐ−ＢａｌＦｅからなる組成である。

注３）組成（３）は、０．９％Ｃ−４，５％Ｃｒ−５％
Ｍ　ｏ　−６％Ｗ−２％Ｖ−ＢａｌＦｅからなるＪＩＳ
規格５ＫＤ９相当材の組成である。

注４）組成（４）は、０．０２％Ｃ−１，１％Ｃｒ　−
０゜３％Ｍｎ−Ｂａ１ＦｅからなるＪＩＳ規格規格ＳＣ
ｒ付当材成である。　　゛本発明材■は、銅系焼結合金の基地組織中に分散させる
微細硬質粒子を、１．５％Ｃ−０，２％Ｍｎ−１２％Ｃ
ｒ−１％Ｍｏ−０，３５％Ｖ−ＢａｌＦｇからなる組成
のＪＩＳ規格５ＫＤＩＩ相当材の組成を有する市販合金
粉末として、この微細硬質粒子を１５重量％と電解銅粉
末及び電解銅粉末に対して１０重量％のＮｉ粉末と潤滑
剤としてのステアリン酸亜鉛粉末とを、■型混合機にて
３０分間混粉した。

上述により製造された粉末冶金用混合粉末原料を、圧粉
成形型により４　ｔｏｎ　／　ｃｍ　２の加圧力で圧粉
成形した。

ついで、この圧粉成形体をアンモニア分解ガス雰囲気中
にて、１０００℃×３０分間の加熱焼結を実施し、本発
明材■の試験片を製作した。

なお、微細硬質粒子としては、硬さＨｖ３９０゜平均粒
径７２μのものを使用した。

次に、本発明材■は銅系焼結合金の基地組織中への微細
硬質粒子の分散量を４０重量％とじ、他の条件は基本的
には本発明材■と同一条件として本発明材■の試験片を
製作した。

次に、本発明材■は、銅系焼結合金の基地組織中への微
細硬質粒子の分散量を６５重量％とし、他の角件は基本
的には本発明材■と同一条件として本発明材■の試験片
を製作した。

次に、本発明材■は、銅系焼結合金の基地組織中に分散
させた微細硬質粒子の平均粒径を３０μとし、他の条件
は基本的には本発明材■と同−条件として本発明材■の
試験片を製作した。

次に、本発明材■は、銅系焼結合金の基地組織中に分散
させた微細硬質粒子の平均粒径を１４０μとし、他の条
件は基本的には本発明材■と同一条件として本発明材■
の試験片を製作した。

次に、本発明材■は、銅系焼結合金の基地組織をＣｕ−
４５重量％Ｎｉ系合金とし、他の条件は基本的には本発
明材■と同一条件として本発明材■の試験片を製作した
。

次に、本発明材■は、銅系焼結合金の基地組織中に分散
させた微細硬質粒子を、０．４％Ｃ−５％Ｃｒ−１％Ｍ
　ｏ　−０，５％Ｐ−ＢａｌＦｇからなる組成の噴霧粉
末とし、他の条件は基本的には本発明材■と同一条件と
して本発明材■の試験片を製作した。

なお、微細硬質粒子の平均粒径は６０μ、硬さはＨｖ２
６０のものである。

次に、本発明材■は、銅系焼結合金の基地組織中に分散
させた微細硬質粒子を、０．９％Ｃ−４，５％Ｃｒ−５
％Ｍ　ｏ　−６％Ｗ−２％Ｖ−ＢａｌＦｅからなるＪＩ
Ｓ規格５ＫＤ９相当材の組成を有する噴霧粉末とし、他
の条件は基本的−には本発明材■と同一条件として本発
明材■の試験片を製作した。

なお、微細硬質粒子の分散量は４０重量％、平均粒径は
３８μ、硬さはＨＶ４３０のものである。

次に、比較材■は、本発明材■と同様に銅系焼結合金の
基地組織中に分散させた微細硬質粒子を、０、９％Ｃ−
４，５％Ｃｒ−５％Ｍ　ｏ　−６％Ｗ−２％Ｖ−Ｂａｌ
ＦｅからなるＪＩＳ規格５ＫＤ９相当材の組成を有する
噴霧粉末とし、他の条件は基本的には本発明材■と同一
条件として比較材■の試験片を製作した。

なお、微細硬質粒子の分散量は５％としている。

次に、比較材■は、本発明材■と同様に銅系焼結合金の
基地組織中に分散させた微細硬質粒子を、０、９％Ｃ−
４，５％Ｃｒ−５％Ｍｏ−６％Ｗ−２％Ｖ−ＢａｌＦｅ
からなるＪＩＳ規格５ＫＤ９相当材の組成を有する噴霧
粉末とし、他の条件は基本的には本発明材■と同一条件
として比較材■の試験片を製作した。

なお、微細硬質粒子の分散量は８０％としている。

次に、比較材■は、本発明材■と同様に銅系焼結合金の
基地組織中に分散させた微細硬質粒子を、０．９％Ｃ−
４，５％Ｃｒ−５％Ｍ　ｏ　−６％Ｗ−２％Ｖ−Ｂａｌ
ＦｅからなるＪＩＳ規格５ＫＤ９相当材の組成を有する
噴霧粉末とし、他の条件は基本的には本発明材■と同一
条件として比較材■の試験片を製作した。

なお、微細硬質粒子の分散量は８０％、平均粒径は２０
５μ１粒子硬さはＨＶ４１Ｑとしている。

次に、比較材■は、銅系焼結合金の基地組織中に分散さ
せた微細硬質粒子を、０．０２％Ｇ　−１，１％Ｑ　ｒ
　−０，３％Ｍｎ−Ｂａ１ＦｅからなるＪＩＳ規格ＳＣ
ｒ相当材の組成を有する噴霧粉末とし、他の条件は基本
的には本発明材■と同一条件として比較材■の試験片を
製作した。

なお、微細硬質粒子の分散量は８０％、平均粒径は４０
μ１粒子硬さはＨＶ１２０としている。

次に、比較材■は、銅系焼結合金の基地組織を構成する
合金をｃｕ−ｓｓｎの組成の銅系合金粉末を用いて、そ
の銅系焼結合金の基地組織中に分散させた微細硬質粒子
を、１．５％Ｃ−１２％Ｃｒ−１％Ｍ　Ｏ−０，３５％
Ｖ　−０，２％Ｍｎ−Ｂａ１ＦｅからなるＪＩＳ規格５
ＫＤＩ相当材の組成を有する噴霧粉末とし、他の条件は
基本的には本発明材■と同一条件として比較材■の試験
片を製作した。

なお、微細硬質粒子の分散量は８０％、平均粒径は７２
μ２粒子硬さはＨＶ３９０としている。

上述により製作された各試験片に対して、大越式摩耗試
験機による「摩耗痕幅」により耐摩耗性を評価し、また
、焼付試験機による「焼付荷重」により耐焼付性を評価
し、また、森弐転勤疲労試験機による転勤疲労試験にお
けるピッチング発生に基づいて、「５０％破壊寿命」に
より耐ピ・ノチング性を評価した。

なお、各試験における試験条件は下記の通りである。

即ち、大越式摩耗試験においては、荷重；１８゜９Ｋｇ
、相手材の周速；　０．１１９　　ｍ／ｓｅｃ　、摩耗
距Ｍ；１６０ｍ、相手材の材質；ＪＩＳ規格５４５Ｃと
して「摩耗痕幅」を測定した。

また、焼付試験は、滑り速度；　１５　　ｍ／ｓｅｃ　
。

荷重＋　２０　Ｋｇ／　ｃｍ　２から２０　Ｋｇ／　ｃ
ｍ　”づつ漸増（各荷重段階において３０分試験継続）
、潤滑剤；ＳＡＥ＃４０の潤滑油、相手材としては材質
ＪＩＳ規格５４５Ｃを用いて、真円度；１μ以下１表面
粗さ；１．２〜２．０μのディスク、シュー試験片とし
ては本発明材■〜■及び比較材■〜■により製作した試
験片で、表面粗さ；１．９〜３．５μとして、「焼付荷
重Ｊを測定した。

また、ピッチング試験は、森弐転勤疲労試験機を用いて
、試験荷重を１００　Ｋｇとして鋼球による転勤疲労試
験による「５０％破壊寿命」を測定した。

なお、使用した鋼球は、３／８インチのものである。

それらの試験結果を第２表に示している。

第２表上述の第２表から明らかなように、本発明材■〜■は比
較材■〜■に比較して、摩耗試験における「摩耗痕幅」
が小さいことから耐摩耗性に優れており、また、焼付試
験における「焼付荷重」が大きいことから耐焼付性に優
れており、さらに、ピッチング試験における「５０％破
壊寿命」が大きいことから耐ピツチング性に優れている
ことが理解される。

〔発明の効果〕

以上により明らかなように、本発明にかかる高密度銅系
焼結合金によれば、Ｃｕ−Ｎｉ系合金を基地組織用合金
とすることにより、優れた耐焼付性及び耐ピツチング性
を確保するとともに、このＣｕ−Ｎｉ系合金からなる基
地組織中に、特定組成を有する微細硬質粒子の適量を分
散させて優れた耐摩耗性を付与し、苛酷な使用条件のも
とでも優れた摺動特性を保有させることによって、銅系
焼結合金でありながら優れた耐摩耗性有する摺動部材と
しての好適な適用を可能とすることができる利点がある
。

Claims

【特許請求の範囲】１、重量比率で、Ｎｉ；５〜５０％を含有する銅系合金
からなる基地組織中に、Ｃ；０．２〜３．５％、及び、
Ｃｒ；０．５〜２５％、Ｍｏ；０．３〜７．０％、Ｗ；
０．５〜２５％、Ｖ；０．２〜６．０％、Ｃｏ；０．５
〜１８％、Ｎｉ；０．２〜３．０％、Ｍｎ；１．２％以
下のうちから少なくとも１種類以上、残部不可避の不純
物とＦｅからなる微細硬質粒子を、重量比率にて１０〜
７０％分散させたことを特徴とする高密度銅系焼結合金
。２、重量比率で、Ｎｉ；５〜５０％を含有する銅系合金
からなる基地組織中に、Ｃ；０．２〜３．５％、及び、
Ｃｒ；０．５〜２５％、Ｍｏ；０．３〜７．０％、Ｗ；
０．５〜２５％、Ｖ；０．２〜６．０％、Ｃｏ；０．５
〜１８％、Ｎｉ；０．２〜３．０％、Ｎｂ；０．０５〜
３．０％、Ｂ；０．０３〜０．５％、Ｐ；０．１〜０．
８％、Ｍｎ；１．２％以下、Ｓｉ；１．５％以下のうち
から少なくとも１種類以上、残部不可避の不純物とＦｅ
からなる微細硬質粒子を、重量比率にて１０〜７０％分
散させたことを特徴とする高密度銅系焼結合金。３、微細硬質粒子の硬さをＨｖ２００以上とした、特許
請求の範囲第１項または第２項記載の高密度銅系焼結合
金。４、微細硬質粒子の平均粒径を５〜１５０μとした、特
許請求の範囲第１項または第２項記載の高密度銅系焼結
合金。５、焼結体密度を理論密度の９０％以上とした、特許請
求の範囲第１項または第２項記載の高密度銅系焼結合金
。