(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅の固体材料と鉄の固体材料との原子組成百分率が９５：５である混合材料にバルクメカニカルアロイング法による冷間塑性加工を施すことによって銅中に鉄を固溶させた銅合金を製造することを特徴とする銅合金摺動材料の製造方法。
【請求項２】
前記銅の固体材料に前記鉄の固体材料をバルクメカニカルアロイング法を用いて固溶させ銅合金を製造した後、得られた銅合金に放電プラズマ焼結法による加熱加圧を施すことを特徴とする請求項１に記載の銅合金摺動材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動材料の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
銅合金は鉄鋼材料に対する耐摩耗性が優れていることから摺動材料として用いられており、銅合金としては鉛青銅が多く用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２５７０３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
鉛青銅は、人体に有害な鉛を有しているため、鉛フリー摺動材料の開発が求められている。しかしながら、摺動材料は高速、高面圧下の特殊な環境で使用され、高い摺動性能が要求されるものであり、鉛青銅と同等な摺動性能を有する代替材料の開発は進んでいないのが現状である。
【０００５】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、高い摺動性能を有する摺動材料の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る銅合金摺動材料の製造方法は、銅の固体材料と鉄の固体材料との原子組成百分率が９５：５である混合材料にバルクメカニカルアロイング法による冷間塑性加工を施すことによって銅中に鉄を固溶させた銅合金を製造することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
銅と鉄は平衡状態図上ほとんど固溶し合わない組み合わせであるが、バルクメカニカルアロイング法を用いることによって銅中に鉄を強制固溶させた銅合金を製造することができる。このようにして得られた銅合金は摺動材料として高い摺動性能を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】バルクメカニカルアロイング法による冷間塑性加工装置の加工動作を時系列順に示した図である。
【図２Ａ】本発明の実施形態に係る製造方法によって製造されたＣｕ９７Ｆｅ３銅合金のＸ線回折結果を示す。
【図２Ｂ】図２Ａの部分拡大図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態に係る製造方法によって製造されたＣｕ９５Ｆｅ５銅合金のＸ線回折結果を示す。
【図３Ｂ】図３Ａの部分拡大図である。
【図４】摺動試験の方法を示す図である。
【図５】摺動試験結果を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００１０】
本発明の実施形態に係る製造方法によって製造された銅合金摺動材料は、液圧ポンプやモータのスラスト摺動面の材料として用いられるものである。具体的には、斜板型ピストンポンプモータにおける斜板に摺動するシューの材料やシリンダブロックが摺動するバルブプレートの材料、及びギヤポンプやベーンポンプのサイドプレートの材料として用いられるものである。
【００１１】
以下に、摺動材料として用いられる銅合金の製造方法について説明する。
【００１２】
銅合金の原料は、粒径が１５０μｍ以下の銅粉末と鉄粉末である。銅粉末及び鉄粉末の純度は９９．９％である。
【００１３】
これら銅粉末と鉄粉末を原子組成百分率で９７：３（Ｃｕ−３％Ｆｅ）と９５：５（Ｃｕ−５％Ｆｅ）の組成となるように秤量し、乳鉢で約２０分間混錬する。
【００１４】
混錬した銅と鉄の混合粉末に、バルクメカニカルアロイング法による冷間塑性加工装置１００を用いて加工を施す。バルクメカニカルアロイング法とは、金属の原料に対して冷間状態で塑性加工を施して合金を製造する方法である。
【００１５】
図１を参照して、冷間塑性加工装置１００の構成及び冷間塑性加工装置１００による加工方法について説明する。図１は冷間塑性加工装置１００の加工動作を時系列順に示した図である。
【００１６】
図１（ａ）に示すように、冷間塑性加工装置１００は、銅と鉄の混合粉末を収容するダイ１と、ダイ１の内周に沿って移動し粉体に対してせん断塑性ひずみを付与する第１パンチ１１ａ及び第２パンチ１１ｂと、油圧によって駆動し第１パンチ１１ａ及び第２パンチ１１ｂの背面に荷重を付与する油圧駆動装置（図示せず）と、を備える。
【００１７】
ダイ１は、貫通孔２を有する略筒状の部材である。貫通孔２は、大きな内径の大径部２ａと、大径部２ａと比較して小さな内径の小径部２ｂと、大径部２ａから小径部２ｂに向かって序々に縮径された傾斜部２ｃと、からなる。
【００１８】
第１パンチ１１ａは大径部２ａに挿入され大径部２ａに沿って移動し、第２パンチ１１ｂは小径部２ｂに挿入され小径部２ｂに沿って移動する。
【００１９】
第１パンチ１１ａと第２パンチ１１ｂは、互いの先端面が対向した状態で配置される。第１パンチ１１ａ及び第２パンチ１１ｂの先端面と貫通孔２の内周面とによってダイ１の内部に空間２０が区画され、空間２０に混合粉末が収容される。空間２０に収容された混合粉末には、油圧駆動装置の駆動による第１パンチ１１ａ及び第２パンチ１１ｂの移動によって塑性加工が加えられてせん断塑性ひずみが付与される。
【００２０】
次に、冷間塑性加工装置１００による加工方法について説明する。
【００２１】
図１（ａ）に示すように、第１パンチ１１ａを進入させ、第１パンチ１１ａと第２パンチ１１ｂとの間にて混合粉末を圧縮する。これにより、混合粉末には、圧縮力が付与されると共に、ダイ１の傾斜部２ｃを通過する際にせん断力が付与される。この工程で、混合粉末は圧縮力を受けて互いに密着し、圧粉体に変化する。
【００２２】
次に、図１（ｂ）に示すように、第１パンチ１１ａを後退させる。そして、図１（ｃ）に示すように、第２パンチ１１ｂをその先端面が傾斜部２ｃの最小径部に位置するまで進入させる。
【００２３】
次に、図１（ｄ）に示すように、第１パンチ１１ａを進入させ、第１パンチ１１ａと第２パンチ１１ｂとの間にて圧粉体を圧縮する。これにより、圧粉体には圧縮力が付与される。
【００２４】
次に、図１（ｅ）に示すように、第２パンチ１１ｂを後退させる。そして、図１（ｆ）に示すように、第１パンチ１１ａを再び進入させ、圧粉体を大径部２ａから小径部２ｂに押し出す。これにより、圧粉体は傾斜部２ｃを通過する際に縮径されて、圧粉体にせん断力が付与される。
【００２５】
最後に、第２パンチ１１ｂを進入させ、第１パンチ１１ａと第２パンチ１１ｂとの間にて圧粉体を圧縮する。これにより、図１（ａ）に示す状態に戻る。以上の工程を１サイクルとして、複数サイクル繰り返すことによって、圧粉体に冷間状態で強加工が施され、圧粉体中には多数のせん断塑性ひずみが付与される。
【００２６】
以上のように、銅と鉄の混合粉末に対してバルクメカニカルアロイング法による冷間塑性加工を施すことによって、出発原料が粉末であったにもかかわらずバルク状の銅合金が得られる。以下では、Ｃｕ−３％Ｆｅ組成の銅合金を「Ｃｕ９７Ｆｅ３銅合金」と称し、Ｃｕ−５％Ｆｅ組成の銅合金を「Ｃｕ９５Ｆｅ５銅合金」と称する。
【００２７】
バルクメカニカルアロイング法による冷間塑性加工では、原料の回収率がほぼ１００％であり、原料粉末を金属製ボールと共に攪拌して原料粉末に対して加工を施すボールミリング法と比較して高い回収率が得られ、歩留まりが非常に良い。
【００２８】
図２及び図３に、Ｃｕ９７Ｆｅ３銅合金及びＣｕ９５Ｆｅ５銅合金の原料混合粉末、及びバルクメカニカルアロイング法による冷間塑性加工を１０００及び２０００サイクル施した資料のＸ線回折結果を示す。
【００２９】
図２Ａ及び図３Ａから、冷間塑性加工を１０００及び２０００サイクル施すことによって、Ｆｅ（１１０）の回折がブロードニング化していることがわかり、また、図２Ｂ及び図３Ｂから、Ｃｕ（１１１）の回折が高角度側へシフトしていることがわかる。このことから、鉄原子が銅原子間に侵入して銅の格子定数が大きくなっているといえる。つまり、固体の状態で銅中へ鉄が拡散して固溶し、固溶拡散合金が製造されたといえる。このように、バルクメカニカルアロイング法による冷間塑性加工を用いることによって、平衡状態図上ほとんど固溶し合わない銅と鉄であるにもかかわらず、銅中に鉄を強制固溶させた銅合金（Ｃｕ９７Ｆｅ３銅合金及びＣｕ９５Ｆｅ５銅合金）を製造することができる。
【００３０】
次に、Ｃｕ９７Ｆｅ３銅合金及びＣｕ９５Ｆｅ５銅合金の摺動試験を行うにあたり、Ｃｕ９７Ｆｅ３銅合金及びＣｕ９５Ｆｅ５銅合金に放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ（Spark Plasma Sintering）法）による加熱加圧を施す。具体的には、銅合金を砕き、その砕いた銅合金を放電プラズマ焼結法による加熱加圧を施して焼結する。放電プラズマ焼結法は、被接合体の間隙に低電圧でパルス状の大電流を印加し、瞬間的に発生する放電プラズマにより、熱および電界拡散を助長させる焼結法である。
【００３１】
摺動試験を行うにあたり放電プラズマ焼結法による加熱加圧を施すのは、バルクメカニカルアロイング法によって得られた銅合金は脆く、また、一部粉末状になっており、摺動試験に適さないためである。放電プラズマ焼結法による加熱加圧を施すことによって銅合金をプレート状の固体とすることができ、摺動試験に供することが可能となる。
【００３２】
表１に、放電プラズマ焼結法による加熱加圧条件を示す。表１に示すように、加熱は銅と鉄の融点以下にて行われる。放電プラズマ焼結法による加熱加圧を施した銅合金のＸ線回折試験を行ったところ、図２及び図３に示すＸ線回折結果と比較してピークの変化はなかった。
【００３３】
【表１】
0005953103.tif 000002
【００３４】
上述のように、本実施形態では、放電プラズマ焼結法による加熱加圧を施すのは、銅合金を摺動試験に供するためであるが、放電プラズマ焼結法による加熱加圧を施すことによって、銅合金の靭性等の機械的性質が向上する。また、焼結によって所望の形状を得ることができるため、その後の機械加工が容易となる。例えば、焼結時に使用する治具の形状を製品の形状に合わせれば、焼結後の機械加工を最低限の加工だけにすることができる。
【００３５】
図４に銅合金の摺動試験の方法を示す。摺動試験は鈴木式摺動試験により行った。具体的には、放電プラズマ焼結法による加熱加圧によって得られた銅合金のプレート２１に対してＦＣＤ７００（球状黒鉛鋳鉄）製のリング２２を回転させながら押し付け、プレート２１とリング２２の焼き付いた時点の荷重を計測した。摺動試験条件は、リング２２の回転数が３０００ｒｐｍ、プレート２１に対するリング２２の荷重上昇率は２０Ｎ／ｓ、試験油の温度は８０℃である。
【００３６】
図５に摺動試験結果を示す。図５中のＬＢＣ（鉛青銅）と純銅は比較材であり、ＬＢＣは摺動材料として現在多く用いられている銅合金である。
【００３７】
図５からわかるように、Ｃｕ９７Ｆｅ３銅合金の焼付き荷重は１．１ｋＮ程度であり、実用上問題のない耐焼付き荷重が得られた。また、Ｃｕ９５Ｆｅ５銅合金の焼付き荷重は２．９程度であり、ＬＢＣ及び純銅と比較して非常に高い耐焼付き荷重が得られた。Ｃｕ９７Ｆｅ３銅合金及びＣｕ９５Ｆｅ５銅合金が高い耐焼付き荷重を有するのは、摺動初期からＣｕＦｅ混合摩耗粉が生成され、相手材である鉄鋼材料との摩擦摩耗特性が向上するためであると考えられる。バルクメカニカルアロイング法による冷間塑性加工を用いて銅中に鉄を強制固溶させた銅合金は、高い摺動性能を有し、ＬＢＣの代替材料に成り得るといえる。
【００３８】
以下に、本実施形態の変形例について説明する。
（１）上記実施形態では、銅合金の原料として粒径が１５０μｍ以下の銅粉末と鉄粉末の混合粉末を用いた。しかし、銅合金の原料は、銅の固体材料と鉄の固体材料の混合材料であればよく、原料の大きさ形状は限定されるものではない。例えば、粉末の他、ペレット状、バルク状、ワイヤ状の原料であってもよい。ただし、原料が粉末の場合には、バルクメカニカルアロイング法による冷間塑性加工のサイクルを減らすことができる。つまり、少ないサイクル数で銅中に鉄を強制固溶させることができるという利点がある。
（２）上記実施形態では、バルクメカニカルアロイング法による冷間塑性加工装置として、ダイ１、第１パンチ１１ａ、第２パンチ１１ｂ、及び油圧駆動装置を備える装置について説明した。これに代え、冷間塑性加工装置として、所定の隙間を持って対向して配置された２つの回転ロールを備え、その２つの回転ロールの間に原料を通すことによって、原料に対して冷間塑性加工を施す双ロール圧延機を用いるようにしてもよい。
【００３９】
以上に示す実施形態によれば、以下に示す効果を奏する。
【００４０】
銅と鉄は平衡状態図上ほとんど固溶し合わない組み合わせであるが、バルクメカニカルアロイング法を用いることによって銅中に鉄を強制固溶させた銅合金を製造することができる。このようにして得られた銅合金を摺動材料として用いれば銅と鉄の混合摩耗粉が摩擦摩耗特性を向上させるように作用する。したがって、本実施形態の製造方法によって得られた銅合金は、摺動材料として多く用いられているＬＢＣと同等以上の高い摺動性能を有し、ＬＢＣの代替材料に成り得るといえる。この結果、人体に有害な鉛を有さない鉛フリー摺動材料が得られる。
【００４１】
また、バルクメカニカルアロイング法を用いることによって、ボールミリング法と比較して１／５程度の時間で銅合金を製造することができる。
【００４２】
また、バルクメカニカルアロイング法を用いることによって、得られる銅合金がバルク状となるため、粉末状の合金が得られるボールミリング法と比較して得られる銅合金の取り扱いが容易であり、かつ銅合金が酸化し難い。
【００４３】
また、バルクメカニカルアロイング法では、原料の回収率がほぼ１００％であるため、ボールミリング法と比較して高い回収率が得られ、歩留まりが非常に良い。
【００４４】
さらに、バルクメカニカルアロイング法による冷間塑性加工によって得られた銅合金に、放電プラズマ焼結法による加熱加圧を施すことによって、靭性等の機械的性質を向上させることができると共に、所望の形状を得ることができるため、その後の機械加工が容易となる。
【００４５】
本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【符号の説明】
【００４６】
１      ダイ
２      貫通孔
２ａ    大径部
２ｂ    小径部
２ｃ    傾斜部
１１ａ  第１パンチ
１１ｂ  第２パンチ
２０    空間
２１    プレート
２２    リング
１００  冷間塑性加工装置
【図１】
0005953103.tif 000003
【図２Ａ】
0005953103.tif 000004
【図２Ｂ】
0005953103.tif 000005
【図３Ａ】
0005953103.tif 000006
【図３Ｂ】
0005953103.tif 000007
【図４】
0005953103.tif 000008
【図５】
0005953103.tif 000009