JPS6267143A - 銅合金セラミツクス複合摺動材料 - 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 本発明は、銅合金とセラミックスとの複合による耐焼付
性、耐摩耗性等の摺動特性に優れた銅合金セラ建ツクス
複合摺動材料に関するもので６９、回転運動や往復運動
する摺動用部材として一般機械や油圧機器など幅広く利
用される複合摺動材料を提供するものである。

従来の技術 摺動用材料については、既に高力黄銅や鉛青＃ｌ系材料
としてＪＩＳに制定されている。また、耐焼付性や耐摩
耗性を改善したものとして、マトリックスがα＋β相の
混合組織あるいはβ相の単独組織を呈し、ｉｎ　、　Ｓ
ｉ　、　ＡＬを含有する黄銅合金にさらにＴ−を添加せ
しめた高力黄銅合金（特公昭５３−４４１３５号）、素
地中にＦａ、Ｓｉの微細結晶とｐｂ粉粒子分散させたア
ルミニウム青銅（ｔ！＃公昭５８−３２２２１号）、お
るいはアルミニウムを含有する黄銅にＮｉとＴｉあるい
はさらにＦ−を併用添加した合金（特公昭５９−３４２
２１号）かどの摺動用材料が提案されている。

しかし、これら従来の摺動用材料は、下記の如き欠点を
有する。すなわち、Ｚｎ、Ｓｎ、ＡＬなどの元素をＣｕ
に多量に添加しているために、摺動特性の要因である １）熱伝導率がＣｕに比較して一〜名と低い、ｉ：）融
点がＣｕに比較して１００〜３００℃低い、また１ｉｉ
）　ＭＦ＆、　Ｓｉ　、　Ｆａ　、　Ｎｉなどの第三元
素によって形成される金属間化合物の硬さが低く充分で
ない、 などの欠点を有する。

発明が解決しようとする問題点 優れた摺動材料の特性としては、 α）熱伝導率が高いこと、 ｂ）融点が高いこと、そして Ｃ）マトリックス中の粒子の硬さが高く、均一に分散し
ていること が要求されるが、前記したように、従来、このような要
求を全て満足し得るような摺動材料は見い出されていな
い。

従って、本発明の目的は、前記したよりな摺動材料に要
求される全ての特性を充分に満足し、耐焼付性や耐撃耗
性等の摺動特性に優れた摺動材料を提供することにある
。

間顯点を解決するための手段 本発明の複合摺動材料は、前記目的を達成するため、 α）　従来のＺｎ’ｐＳｎを添加するのではな（Ｚｒと
ｐｂとの組合せ添加により、摺動材として必要とされる
マトリックスの硬さが得られるようにし、ま九上記含金
元素の添加量を減少させて、Ｃ’ｕ単味の熱伝導率に近
づけることにより、熱伝導率を改良し、ま九 ｂ）融点の低下を防ぐには２％やＳｔＳよりもＺｒ　、
　ｐｈの方が優れているという知見に基づき、しかもこ
れら合金元素の添加量をできるだけ減少させて融点を高
くし、 Ｃ）さらに、Ｃｕ　−Ｚｒ−Ｐｂ系によって形成される
金属間化合物の他に、更に第３の硬質物質であるセラ建
ツクス粒子を積極的に分散させたものである。

すなわち、本発明の基本的思想は、高熱伝導であり高融
点である０語−Ｚｒ　−Ｐｈ系合金を用い。

しかもこれにセラミックスを分散させて硬軟２相以上と
するものであり、具体的には重量％（以下、チ表示は特
にことわらない限り重量％とする）でＺｒ００２〜１０
ｔｓ％ＰｂＯ０２〜９ｑｂを含有し残部銅と通常の不純
物からなる銅合金中にセラミックスを分散させてなる複
合摺動材料である。

発明の態様及び作用 まず、本発明の複合摺動材料の各種製造方法ないし複合
方法について説明しながら、本発明について詳細に説明
する。

本発明の基本となる鋼合金＃１ｃｕ−Ｚｒ−ｐｂ系であ
る。時効析出硬化型鋼合金で十分な時効処理の後に素地
が純銅に近い組成になるものけ幾つかあるが、熱伝導率
が特に優れ強度的に十分なものとしてＣ１＆−Ｚｒ系が
ある。このような時効析出硬化型合金は、時効処理後に
Ｃｕ相＋析出物なる金属組織を有するが、これらの析出
物は極めて微細である。従って、摺動材として用いた場
合には摺動面における油溜りが形成され難く、耐摩耗性
、耐焼付性が十分でないと考えられる。

一方、ＺｒのＣｕに対する最大固溶限は約０．１５　％
（９ｇＯ℃において）であり、これを大きく越えるＺｒ
をＣｕに添加すれば、比較的に多量のＣｕＨｚｒが鋳造
凝固時に晶出することが知られている。

しかし、このＣｕ３ＺｒはＣμとの共晶として層状に晶
出するために、油溜シを形成するには不十分な大きさで
あると共に、全体として初晶のデンドライトを囲んでネ
ット状に晶出し易いために、鍛造又は圧延なしに使用し
ようとすれば、材料の脆化及び熱伝導率の低下はまぬが
れない。

一方、Ｃｔｂにｐｂを添加すれば、Ｐｂは固体潤滑剤と
［７て働き、摺動面が過熱した際に溶は出して摩擦係数
を低下させると共に、Ｐｈが溶は出したあとの空孔は油
溜りとなって油膜の保持を良くするといわれているが、
硬度などの面で問題がある。

これに対し、ＣμｍＺｒ系合金にｐｂを添加すると、添
加したｐｂの一部がＣｕ及びＺｒとの比較的に硬い金属
間化合物をつくり、しかも粒状に晶出すると共に、熱伝
導率が大きく、まｆｐＺｒ及びｐｂ複合添加により耐焼
付性が著しく優れ九ものとなる（本川願人の出願に係る
特願昭５９−２４８８２０号参照）。

本発明の摺動材料は、このようなＣμｍＺｒ　−ｐｂ合
金にさらにセライック粒子を分散させ九ものである。Ｃ
μｍＺｒ　−ｐｈ金合金化学組成は、熱伝導率の低下及
び融点の低下を防ぐため、Ｚｒは０．２〜１０慢の範囲
、ま虎ｐｂは０．２〜９饅の範囲とした。また、金属組
織の観点から見ると、Ｚｒの添加量が０．２％未満の場
合、Ｐｈ量に関係なく、マ）　ＩＪラックス中十分な量
の金属間化合物を生成させ得ないため耐焼付性が劣る。

また、１０饅を超えると、Ｐｂ含有量に関係なく極めて
粗大な初晶の金属間化合物を晶出し、不適当である。

また、Ｐｂについては、０．２％未満の場合、　Ｚｒ量
に関係なく晶出物がネット状に晶出し、　　９００％’
の溶体化処理によっても消失せしめることが困難である
。また、１０チを超えるとＺｒ＠ｔｉｃ関係なく結晶粒
界にｐｂがネット状に晶出し不適当である。

上記鋼合金に分散させるセラミックスとしては、　Ｓｉ
Ｃ’　　、５ｉＨＮ６．Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＴｉＢ
２　、Ｔｉｎ、Ｃｒ＠０Ｂなどの酸化物系及び非酸化物
系があるが、特に硬さが高く市場性のあるＥｔｃが好ま
しい。これらセラミック粒子の直径は２〜４０μの範囲
が実用的に得られる範囲であるが、必ずしもこの範囲に
限定されるものではない。セラミック粒子の添加量は、
通常０．０２〜０．４５　％で充分であるが必ずしもこ
れに限定されるものではなく、またＳｉＣの場合０．０
３〜０．４−の範囲が特に好ましい。セラミック粒子は
、好ましくは、無電解メツ中法あるいけイオンブレーテ
ィング法などを利用してＮｉ　、Ｃｒ　、Ａｇ　、Ａμ
、Ｃｕなどで金属コーティングを施す。コーティングの
厚みは、処理時間を調節して３〜１００μの範囲とする
のが好ましい。

Ｃｕ　−Ｚｑ−ｐｈ金合金セラミックスを複合する方法
としては、溶解による方法あるいは焼結による方法など
が採用できる。溶解による方法の場合。

まず、高周波真空溶解炉あるいはアルゴンアーク溶解炉
などによりＣｔＬを溶解し、続いてＺｒ及びｐｂを添加
し溶解せしめた後に、予め種々の金属でコーティングし
たセラミックスを添加し攪拌し次後、直ちに鋳型に鋳入
、固化する。

溶製後、複合材を８５０〜９５００Ｃ’の温度に所定時
間、通常約６０分間加熱保持し、溶体後水冷して溶体化
処理を施す。続いて、３５０〜６５０℃最も好ましくは
５００℃近辺の温度に所定時間、通常約６０分間保持し
て時効処理を行なう。その後、必要な寸法、形状に加工
し、使用に供する。なお、マトリックスへの時効析出を
促進させるために、溶体化処理後室温にて１０〜１５０
俤の塑性加工を施し、その後時効処理することもできる
。

上記各プロセスの作用について説明すると、Ｃｔｂ　、
　Ｚｒ　、　ｐｂを溶解させた後添加する金属コーティ
ングした七うばツクス粒子は、金属コーティング層の溶
湯とのぬれ性が艮いため、攪拌することによって容易に
溶湯に分散し、溶湯に浮くことはない。ただし、セライ
ック粒子の金属コーティングは製造上不可欠な工程では
ない。例えば、電解銅粉とセラミック粒子とを混合して
圧粉体とした状態で溶湯中に添加すると、上２１２２粒
子は溶湯中にうまく分散する。さらに、粒子の粒径が０
．２〜４０μと小さく、かつその添加絶対量が少ない場
合には、通常の砂型鋳造を行なっても粒子の重力偏析は
わずかなものである。ただ、材料の性能上の信頼性向上
の九めには、前記金属コーティングを行なうことが望ま
しい。

次いで、固化後、溶体化処理を施すことによつて鋳造組
織は改質される。さらに溶体化処理後に時効処理を施す
ことによってマトリックスの硬さは摺動材としての使用
に耐えるレベルにまで向上する。一方、Ｃｕ−Ｚｒ−Ｐ
ｂからなる金属間化合物は微細な粒子状の晶出物で、マ
トリックスよりも硬い性質を持つ。しかし、添加したセ
ラミックスに比較すればその硬さは低い。

従って、本発明の複合摺動材料の組織は、（１）マトリ
ックス（非常に軟い相）　、（２）ＣμｍＺｒ　−ｐｂ
系金金属間化合物中間的に硬い相）　、（３）セラ建ツ
クス粒子（非常に硬い相）の三相から成り、摺動特性に
必要な硬軟の相を形成していることになる。

一方、焼結による複合方法の場合、Ｃｕ−；ｌｒ　−ｐ
ｂ金合金通常のアトマイズ法にて粉末状態（２〜４０μ
）に精製し虎後、種々の金属でコーティングしたセラミ
ックスあるいは無メッキのセラミックスと混合し、２０
０〜５００１１７ｃｍ”の圧力で常温において成形し次
後、前記溶解による方法と同様に溶体化処理し１時効処
理を施す。そ（印 の作用も前記と同様である。

実施列 以下、実施例を示して本発明について具体的に説明する
。

実施例１ 本例は溶解による方法の実施例を示す、実―に供した試
料の化学組成を表−１に示す。

表−１に示したセラミックスはいずれも、試料ＡＩにお
いては＃ｊ（３／Ｊ）、４２においては（：’ｒ（ＩＱ
μ）、厘３においてはＡ９（＋０μ）、Ａ４においては
Ａｕ（５１１）　、Ａ　５においてはＣｍ（２０μ）、
煮６においてはＡｒ１（ｌｏ＃）、扁７においてはＣｒ
（２０μ）、１６ＢＶＣ（＞、い。

てはＡｇ（２０μ）、４９においてはＡｕ（ｓａｐ）、
Ｉ６＋　ｏにおいてはＣｕ　（Ｉ　ＯＯ＃　）、Ａｌｌ
におイテは／Ｖｊ（２０＃）、屓１２においてＦｉＣｒ
ｔ５０＃）、Ｊ１６１３においてはＡｇ（１００μ）を
それぞれコーティングしたものを供した。

上記表−１の各試料の組成のＣｕ　−Ｚｒ　−Ｐｂを高
周波真空溶解炉で溶解せしめた後、表−１に示す各種セ
ラミックスを添加した。添加後、直ちに攪拌し鋼製金型
に鋳入した。その後、試験片を切り出し、９００９Ｃに
て６０分間保持し水冷し喪。

更に試験片を二分し、一つは引続き３５０〜６５００Ｃ
に６０分間保持し空冷した。他方は室温にて１２０　％
の圧廷を行なった後、上記と同様に５００００に６０分
間保持し喪後空冷した。これらの試験片を用いて材料の
特性を評価した。

第１図は熱伝導率に及ぼす合金元素の影響を示したもの
である。図中、Ｘ印は従来からある特殊高力黄銅（Ｚ＋
％２８饅−Ｎｉ３饅−残Ｃｕ）であり、その熱伝導率を
１とすれば、　Ｚｒ無添加（純銅）は４．１倍である。

Ｚｒを添加すると熱伝導率は添加量と共に低下し、１０
１以上となると従来の特殊高力黄銅よりも熱伝導率は悪
くなることがわかる。Ｊまた、Ｐｂｆ：０．２チから８
ｔｓまで変化させても熱伝導率にはほとんど変化を及ぼ
さないことも明らかになった。

第２図に融点の変化を調べた結果を示す。第２図から、
Ｚｒとｐｂとの合計添加量が増大するにつれて融点は低
下することがわかる。しかし、添加量の合計が１２．２
％に達しても、純銅の融点より４００Ｃ程度下るのみで
あり、従来のＣｕ　−ＺＦ＆（２ａ１合金のそれに比較
して著しく高融点を示すことがわかる。

次に、時効処理による硬さの変化を調べた結果を第３図
に示す。各時効温度に６０分間保持したが、最高硬さが
生じるのは４５０℃であった。

３５０８Ｃ以下の温度では析出硬化の現象が現われてい
ないことがわかる。一方、６００℃以上では過時効によ
って硬さは低下していることがわかる。また、図中目印
で示し良ものは時効前に１２０饅の圧廷を施してから４
５０℃で時効したものである。この場合の硬さは従来合
金を超える硬さを示し穴。これより、塑性変形を与えて
から時効するのが硬さの向上策には良いことがわかった
。

また、時効温度としては４００〜５ｏｏ０Ｃの範囲が実
用的な立場から適温である。

第４図には、ＰＶ値に及ぼす粒子の大きさの影響を調査
した結果を示す。第４図から、いずれの試料も従来合金
よりも約２倍のｐｖ値を示すことがわかる。しかし、粒
子の直径及びセラミックスの種類、金属コーティング層
の厚みの影響はほとんどないことも明らかになった。ま
た、圧砥後時効した方が、圧廷をせずに時効し九場合よ
りもＰマ値が高くなることもわかる。

実施例２ 本例は焼結による方法の実施例を示す。実験に供した試
料の化学組成は前記光−１に示したものと同じである。

前記光−１に示した組成のＣｕ　−Ｚｒ　−ｐｈ金合金
アトマイズ法にて２〜４０μサイズに精製した。

次に、前記実施例１で使用したのと全く同様の組合せ（
表−１）にて、成形圧を質えてｑｏｏ０ｃ’にて焼結し
た。焼結後の時効処理は前記実施例１と全く同じ要領で
実施した。また、Ｃｕ　−Ｚｒ　−ｐｂ合金粉末とセラ
ミックス粉体との混合方法は、市販のミキサで１５分処
理した。

実施した試料のうち試料煮１について、Ｐｖ値に及ぼす
成形圧の影響を第５図に示す。第５図を第４図と比較対
照すれば明らかなように、成形圧力２ｏｏ１ｃｙ１０♂
以上で成形すると、溶解して作る方法のものとほぼ同等
の特性を発揮する摺動材料が得られる。

上記各実施例に見られる如く、本発明の複合摺動材料は
、従来から多用されている合金に比較してｐｖ値で約２
倍の特性を示す。このように優れた特性を発揮する理由
としては、熱伝導率を高めたこと及び融点を高くしたこ
とにより、摺動によって生じた熱を熱伝導によって放散
し易くなったこと、ま九焼付が生ずるに際しても接触面
の融点が高いために焼付し離いことなどが挙げられる。

また、摺動材は硬質層と軟質層とから成形するのが通常
であり、従来は合金の熱処理によって金属間化合物を析
出させる方法であり、従って従来の摺動材はマ）　ＩＪ
ツクス＋析出物の二相からなっている。これに対して、
本発明は積極的にセラミックスを添加することによって
従来の硬質層よりも異なるより硬い物質を混入させ、ま
ｉｔ　Ｃｕ　−Ｚｒ　−Ｐｂ金属間化合物の晶出も同時
に生じさせるものであり、このため、本発明の複合摺動
材料はマトリックス＋Ｃｕ　−Ｚｒ　−Ｐｈ晶出物十セ
ラζツクスの三相からなっている。このＣ′μｍＺｒ　
−ｐｈ晶出物とセラミックスとの組合せがマトリックス
との複合によって、前記実施例から明らかなように、従
来とは全く異なる優れた特性を発揮するものであって、
従来の考えからすれば全く新規な驚くべき知見である。

実施例３ 下記表−２に示す組成で、まずＣｕを溶解した後にＺｒ
及びｐｈを添加し、溶解せしめた後、予めＭメッキした
平均粒径７μのＳｉＣの粉末を０．０２〜０．４５％の
範囲で変えて添加し、攪拌後直ちに銅製鋳型にて固化し
た。次いで、９００℃にて６０分間加熱保持し溶体後水
冷し、引き続き５００６Ｃにて６０分間時効処理を施し
た。その後、必要寸法、形状に加工し、使用に供した。

供した試料の化学組成と実験結果を表−２に示す。

以下余白 表−２：化学組成（ｗｔ％）と実験結果着）０：優れて
いる　　×：劣る Ｚｒとｐｈの合金元素量の総量と熱伝導率指数との関係
を第６図に示す。第６図より、Ｚｒとｐｂの合計量が１
０％を超えると、従来合金と同等以下に熱伝導率が低下
することがわかる。

また、Ｚｒとｐｈの合計量と融点との関係を第７図に示
す。第７図より、Ｚｒとｐｂの総量がＩ　＋　、０　％
であっても従来合金の融点よりも１００’Ｃも高いこと
がわかる。

第８図は、　ＳｉＣ’の添加量とｐｖ値との関係を示し
たものである。この図から、０．０２％のＳｉＣ添加で
は従来合金と比較してほとんど効果はない。

また、０．３６−以上の添加では同様に顕著な効果は認
められない。しかし、従来合金より優れていることは明
らかである。従って、ＳｔＣの添加量は０．０３〜０．
４％の範囲に止めるべきであり、また最も望ましいＳｉ
Ｃ含有量は０．０５〜０．２５％である。一方、ＳｉＣ
の粒径についてみると、粒子の平均径が４０μを超える
と相手面をひつかくため、耐焼付性が急激に低下する。

また、２μ未満では添加の効果が認められないことも明
らかになつ次。従って、好ましいＳｉＣの粒径は２〜４
０μとなる。

発明の効果 前配し九ところから明らかなように、本発明の銅合金セ
ラミックス複合摺動材料は、従来合金に比較して著しく
相違する特性を示す。

すなわち、 α）本発明の複合摺動材料のｐｖ値は約２０００〜３５
００であり、従来合金のそれに比較して約２〜３．５倍
の値を示し、格段に優れている。

本発明の複合摺動材料が従来のものに比較して優れた効
果を発揮する理由は、次のように考えられる。すなわち
、セラミックス例えばＳｔＣ’の硬さはＨマ３０００程
度と測定されている。また、従来の合金に晶析用する金
網間化合物の硬さはＨマ５００〜１０００といわれてい
る。従って、本発明の材料と摺動する相手材との間には
、 １）セラミックスは硬いので相手材を適度に削って摺動
面の片当りを防ぐ。

：１）相手材のひつかき痕をなめらかに補修して摺動を
スムーズにする。

ｉｉ）　　焼付現象を呈する寸前では互いに接触してい
る物質が相手に移着を生ずるが、本発明の特徴である添
加されたセラミックスは硬質であるため、相手材に融着
し九〇ｕ合金をセラミックスが削り去って、融着の加速
度的な進展を防ぐ。

という作用をなし、これによって高いｐｖ値が得られる
ものと考えられる。

さらに、本発明の摺動材料は、 ｂ）　従来の合金に比較して熱伝導率が極めて高い。こ
のため、摺動によって生じた熱が容易に伝わり、摺動面
の温度が上昇しにくい。

Ｃ）融点が従来の合金に比較して極めて高い。

従って、仮に摺動面の温度が−Ｆ昇して本、従来の合金
に比較して焼付にくい。

ｄ）　マトリックスの硬さは従来よりも低いが、セラミ
ックスが混合分散されているので摺動特性が著しく優れ
ている。

摺動特性として必要な硬さについては、硬軟の相を有す
ることが大切である。本発明の摺動材料で＃′１ｃｕ−
Ｚｒ　−Ｐｂとからなる金属間化合物を生じており、こ
れはマトリックスよりも硬い相である。また、物理的に
混合分散されているセラミックスは著しく硬い粒子であ
り、軟かいマトリックスと中間的な硬さの金属間化合物
と著しく硬いセラミックスの硬質粒子とが混合分散され
ている。これが著しく高いｐｖ値を発揮しているもので
あり、このような硬軟相の組合せは従来にない全く新規
なものである。

−）セラミックスを金属でコーティングすることにより
、セラミックス単独で添加するよりもセラミックスと溶
湯とのぬれ性が増大し、このため均一分散度がより一層
向上する。

ｆ）粉末成形法あるいは溶製法などによって製造できる
が、粉末成形による方法の場合溶製材に比較して仕上工
数の節減となる。

以上述べた如（、Ｃｕ−Ｚｒ−ｐｂ金合金セラミックス
を混合溶解あるいは焼結などにより分散させて得られる
本発明の複合摺動材料は、従来の第１ 摺動材料に見られない新規なものであり、格別に優れた
摺動特性を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来合金（ＩＶＦ殊高力黄銅）に対する本発明
の摺動材料の熱伝導率指数とＺｒ添加量との関係を示す
グラフ、＠２図は融点とＺｒ＋Ｐｂ含有量との関係を示
すグラフ、第３図はビッカース硬さと時効温度との関係
を示すグラフ、第４図はｐｖ値と粒径との関係を示すグ
ラフ、第５図はｐｖ値と成形圧との関係を示すグラフ、
第６図はセラミックスとしてＳｉＣを用いた本発明の摺
動材料における熱伝導率指数とＺｒ　−１−ｐｈ含含有
色の関係を示すグラフ、第７図はその融点とＺｒ＋ｐｈ
含有量との関係を示すグラフ、第８図はｐｖ値とＳｉＣ
添加獣との関係を示すグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、重量％でＺｒ　０．２〜１０％、Ｐｂ　０．２〜９
   ％を含有し残部銅と通常の不純物からなる銅合金中にセ
   ラミックスを分散させてなる複合摺動材料。 ２、セラミックスが直径２〜４０μのＳｉＣで、その添
   加量が０．０３〜０．４％（重量％）である特許請求の
   範囲第１項に記載の複合摺動材料。 ３、セラミックスが金属コーティングしたものである特
   許請求の範囲第１項又は第２項に記載の複合摺動材料。 ４、銅合金にセラミックスを混合溶解し、約９００℃で
   溶体化処理後、３５０〜５５０℃で時効させたものであ
   る特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれかに記載の
   複合摺動材料。 ５、時効温度が４００〜５００℃である特許請求の範囲
   第４項に記載の複合摺動材料。 ６、溶体化処理後、時効処理前に塑性変形を与えたもの
   である特許請求の範囲第４項又は第５項に記載の複合摺
   動材料。 ７、銅合金粉末とセラミックスとを混合、焼結したもの
   である特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれかに記
   載の複合摺動材料。