(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ５ＦｅＳ４を１質量％以上２０質量％以下、Ｓｎを９質量％以上１１質量％以下、Ｆｅを１．５質量％以上２．５％質量以下、Ｓを０．５質量％以上２．２質量％以下、Ｐを０．０１質量％以上０．０３質量％以下含有し、残分がＣｕと不可避的不純物である摺動材用銅合金。
【請求項２】
請求項１の摺動材用銅合金を摺動面に用いた摺動材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、軸受材料などの摺動部材に用いる銅合金であって、摺動性に寄与する成分として鉛以外の摺動性に寄与する成分を含有するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
軸受材料などの摺動部材には、ＣＡＣ６０３（Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐｂ系銅合金）に代表される鉛を含む銅合金が使用されており、いずれも鉛が摺動性に寄与している。しかし、鉛の使用を抑制する社会的要請に応えるため、鉛の使用量を抑制した摺動材用銅合金が様々に検討されている。【０００３】
例えば、特許文献１には、一部をＳｎかＺｎで置き換えても良いＣｕをマトリクス材料とし、低摩擦合金としてＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏのいずれかと、ＭｏとＳとからなる合金を用いてこれらを焼結して得られる摺動部材が記載されている。ＭｏＳ２相が摩擦係数の低減に寄与し、硫化鉄によりＭｏＳ２の生成が妨げられることを、Ｆｅの一部をＭｉ、Ｃｏに置き換えることで抑制する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−７３７５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＭｏＳ２を主な摺動材とする銅合金（特許文献１）では、ＭｏＳ２を得る焼結工程だけでなく、使用中でもＭｏＳ２が酸化して劣化することがあるため、焼結工程での酸化を防ぐだけでは潤滑性能の低下を防ぐことができないという問題がある。【０００６】
そこでこの発明は、酸化の恐れがあるＭｏＳ２に頼ることなく、有効な摺動特性を発揮する銅合金を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、Ｃｕ５ＦｅＳ４を含む摺動材用銅合金により上記の課題を解決したのである。Ｃｕ５ＦｅＳ４を含む銅合金は、高い摺動性能を発揮する。【０００８】
Ｃｕ５ＦｅＳ４を含む銅合金を得る方法としては、例えば、アトマイズ法によりＣｕとＳとＦｅとを含有する原料粉末を形成させると、Ｃｕ５ＦｅＳ４を含む銅合金が生じる。これはアトマイズ法の急冷によるものと考えられ、同様の条件を達成できるのであれば製造方法は特に限定されない。
【発明の効果】
【０００９】
この発明にかかる銅合金は、含有するＣｕ５ＦｅＳ４が摺動性を発揮するため、従来の摺動材用銅合金が有していた問題を解決したものとなる。【００１０】
この銅合金は焼結体とした後もＣｕ５ＦｅＳ４が存在できるため、軸受に用いる金具の裏金上にガスアトマイズ法により生成した粒子粉を散布し、焼結、圧延することで、表面に摺動性能を発揮する層を形成した積層焼結部材として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１の焼結前の原料粉末のＸ線回折グラフ
【図２】実施例２の焼結前の原料粉末のＸ線回折グラフ
【図３】実施例１の焼結後の原料粉末のＸ線回折グラフ
【図４】実施例２の焼結後の原料粉末のＸ線回折グラフ
【図５】摩擦摩耗試験に用いるチップの形状を示す図
【図６】摩擦摩耗試験に用いるチップホルダーの形状を示す図
【図７】摩擦摩耗試験に用いるピンの形状を示す図
【図８】摩擦摩耗試験に用いるディスクの形状を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、この発明について詳細に説明する。この発明は、Ｃｕ５ＦｅＳ４を含む摺動材用銅合金である。Ｃｕ５ＦｅＳ４はＣｕとＦｅとＳを有する原料を溶融混合した後ガスアトマイズ法や水アトマイズ法などの方法で急冷することで銅合金中に生成する。ここで、銅合金とは５０質量％以上が銅からなる合金をいう。
【００１３】
この銅合金はＣｕとＦｅとＳ以外の元素を含んでいてもよい。例えば、Ｓｎを１質量％以上１５質量％以下含む青銅系銅合金でもよい。このような青銅系銅合金となる成分で焼成すると、高強度となるため好ましい。
【００１４】
また、脱酸効果を発揮させるため、急冷を実行する前の溶融した段階でＰを含めてもよい。
【００１５】
焼結後の上記銅合金中が有するＰｂの量は、少ないほど好ましい。Ｐｂが多いと環境負荷の点から好ましくない。
【００１６】
これらの元素を含む、急冷を行う溶湯を作製する際に用いる原料としては、Ｃｕの単体、Ｓｎの単体、硫化鉄、Ｃｕ−Ｆｅ、ＣｕＰなどを用いることができる。
【００１７】
これらの材料を混合して溶解した後、溶湯を急冷してＣｕ５ＦｅＳ４を含有する銅合金材料または銅合金を生成させる。急冷方法としては、アトマイズ法を用いると、速やかに冷却できるとともに均一な粒子が得られやすいので好ましく、ガスアトマイズ法によると均一で良好な銅合金材料の原料となる粒子が得られる。ガスアトマイズ法により銅合金粒子を得るには、溶湯を入れた容器の底部に設けたノズル孔からその溶湯を流し、その流れに向かって不活性ガスをジェットで吹きつける。不活性ガスを用いるのは、原料が酸化してしまうことを防ぐためである。具体的には、窒素、アルゴンなどを用いることができる。
【００１８】
上記の不活性ガスの温度は規定しないが溶湯との十分な温度差による急冷が必要となる。具体的には、１０３Ｋ／ｓｅｃ程度か、又はそれ以上の冷却速度であればよい。
【００１９】
溶湯の流れはジェットで吹きつけられる不活性ガスによって微細化されるとともに急冷して微細粉末となる。この、液滴化と冷却を同時に行うために、粒子は球形に近く均質なものが得られる。この急冷の際に、Ｃｕ５ＦｅＳ４の化合物が一旦合金内に形成される。
【００２０】
このガスアトマイズ法で生成する原料粉末の粒子径は１５０μｍ以下であると好ましい。粒径が大きすぎると摺動材の製造が効率的に行えないおそれがある。
【００２１】
こうして得られた原料粉末を焼結して、摺動材として適した銅合金が得られる。この焼結は例えば、摺動層を形成させたい材料上に粉末を散布してから焼結すべき温度に加熱するといった方法で行うとよい。散布してから焼成する場合、一時焼結の後、圧延した後に、二次焼結を行って再度圧延すると、一時焼結だけの場合よりも強固に基材と一体化した摺動層を得ることができる。ここで焼結前の粉末に銅合金など他の合金粉末を混合した後、焼結に使用する事もできる。
【００２２】
原料粉末を焼結する温度は、８００℃以上９００℃以下が好ましく、特に８３０℃以上８６０℃以下の条件で、５分〜６０分焼結を行うことが好ましい。温度が低すぎても時間が短すぎても、温度が高すぎたり時間が長すぎたりしても摺動材として好適な機械的特性を得られなくなるおそれがある。また、焼結は還元雰囲気下で行うことが好ましい。粉末が酸化してしまうおそれがあるためである。なお、焼結炉はバッチ炉でも連続炉でもよい。
【００２３】
この発明にかかる摺動材用銅合金は、Ｃｕ５ＦｅＳ４を１質量％以上含有すると、必要な摺動性を発揮することができ、２質量％以上であると十分な摺動性を確保できるのでより好ましい。一方、２０質量％を超えて含有させようとしても他の相が生じてしまうために困難であり、１５質量％以下であると摺動材用銅合金として現実的で好ましい。
【実施例】
【００２４】
以下、この発明について、青銅系銅合金としての具体的な実施例を挙げて説明する。まず、用いる原料について説明する。【００２５】
（実施例１、２）
単体のＣｕ、単体のＳｎ、硫化鉄、Ｃｕ−Ｆｅ、ＣｕＰを混合して坩堝に入れ、窒素雰囲気中で加熱し融解させて溶湯を得る。【００２６】
この溶湯を、流し出し、その流路上のノズルから常温窒素ガスを噴射し、１０３Ｋ／ｓ程度で急冷するとともに粒子を得た。この粒子の内、粒径が１５０μｍ以下の粉末を後述する試験に用いた。【００２７】
アトマイズ法で得る実施例の目標とする材料中元素比は、実施例１ではＳｎが９．０〜１１．０質量％、Ｆｅが１．５〜２．５質量％、Ｓが０．５〜０．７質量％、Ｐが０．０１〜０．０３質量％、残部がＣｕと不可避不純物である。また、実施例２では、Ｓｎが９．０〜１１．０質量％、Ｆｅが１．５〜２．５質量％、Ｓが１．８〜２．２質量％、Ｐが０．０１〜０．０３質量％残部がＣｕと不可避不純物である。【００２８】
＜Ｘ線回折試験＞
こうして得られた粒子の粉末について、粉末Ｘ線回折法による解析を行った。装置はＸ線回折装置（ＸＲＤ、（株）リガク  ＲＩＮＴ−２５００Ｈ／ＰＣ）を用いた。Ｘ線源はＣｏＫα（３０ｋＶ−１００ｍＡ）であり、方式はθ−２θ法である。走査解像度は０．０２°で、走査速度は２°／ｍｉｎで行うよう６０ｒｐｍで試料を回転させた。実施例１の結果を図１に、実施例２の結果を図２に示す。それぞれ（ａ）は全強度グラフ、（ｂ）は拡大グラフである。いずれも、Ｃｕ５ＦｅＳ４の一形態であるＰＤＦ（Ｐｏｗｄｅｒ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  Ｆｉｌｅ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｅｎｔｒｅ  ｆｏｒ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  Ｄａｔｅ−ＩＣＤＤ発行））４２−１４０５の回折ピーク（各図下のピーク）に相当する箇所にピークが観測されており、溶湯からの急冷によってＣｕ５ＦｅＳ４が生成していることが確認された。またその他の硫化物及び硫黄単体は検出されなかった。このため、実施例１及び２において、硫黄はほぼ全量がＣｕ５ＦｅＳ４を形成していると考えられる。【００２９】
この粒子粉末とＣｕ（８０）―Ｓｎ（２０）合金粉末を混合したものを、厚さ３．２ｍｍのバックメタル（ＳＰＣ鋼板１００ｍｍ×２８ｍｍ）上に厚さ２．５ｍｍとなるように散布し、還元雰囲気下の管状炉にて、８３０〜８６０℃の範囲で、１０分間に亘って加熱し一次焼結を行った。その後ローラにて一次圧延を行い、次に一次焼結と同等の条件で二次焼結を行い、総厚さが９０％程度（銅合金層の厚さ２ｍｍ程度）となった焼結試料を得た。この焼結試料について、上記と同様に粉末Ｘ線回折法による解析を行った。実施例１の結果を図３に、実施例２の結果を図４に示す。いずれも、Ｃｕ５ＦｅＳ４の一形態であるＰＤＦ２５−１４２４の回折ピーク（各図下のピーク）に対応する箇所にはっきりとしたピークが観測された。またその他の硫化物及び硫黄単体は検出されなかった。このため、焼結後もＣｕ５ＦｅＳ４の構造が変化しているものの、硫黄はほぼ全量がＣｕ５ＦｅＳ４を形成したままであると考えられる。【００３０】
＜成分分析＞
実施例１及び２の焼結した試験片について、成分分析を行った。それぞれの成分の含有率の分析は、Ｓｎ、ＦｅについてはＩＣＰ発光分光分析法により行い、Ｓの含有率の分析は高周波燃焼赤外線吸収法により行い、Ｐの含有率はモリブドバナドりん酸吸光光度法により行い、Ｐｂについては、ＩＣＰ発光分光分析法により行った。なお、ＩＣＰ発光分光分析法にあたっては、ＩＣＰ分析装置として、サーモエレクトロン社製：ＩＲＩＳ  Ａｄｖａｎｔａｇｅ  ＲＰ  ＣＩＤ  検出器を用いた。また、残余分を銅と計算した。その結果を表１に示す。上記の通り、Ｓは全量がＣｕ５ＦｅＳ４を形成していると考えられるので、成分比から、実施例１では２．０３質量％、実施例２では６．３４質量％のＣｕ５ＦｅＳ４が含まれると考えられる。また、比較例１及び２については合金の目標値を表１に記載した。【００３１】
【表１】
0005902615.tif 000002
【００３２】
＜摩擦摩耗試験＞
次に、上記の実施例１及び２、比較例１として従来の鉛含有摺動材用合金であるＣＡＣ６０３、比較例２としてＣｕ：８８ｗｔ％−Ｓｎ：１２ｗｔ％からなるＣｕ−Ｓｎ合金について、試験片を作製して摩擦摩耗試験を行い、ＰＶ値を測定した。【００３３】
まず、試験片の作製について説明する。実施例１，２ではガスアトマイズ法で得られた粒子とＣｕ（８０）−Ｓｎ（２０）合金粉末を混合したもの、比較例２では下記表１に記載の成分比の粉末を用いＸ線回折試験と同じ方法にて試験片を制作した。【００３４】
実施例１，２及び比較例２の焼結品を、図５に示す形状のφ５×４ｔで摺動表面はＲａ３．２のバイメタルチップ１１に加工した。なお、図の左側１２が銅合金層で、右側１３がバックメタルである。これを、図６に示す形状の内周がφ５．０であるチップホルダー１５に、セットボルト１６にて固定して試験片とした。また、比較例１のＣＡＣ６０３摺動材については、図７に示す形状のピン１７（非段つき部１９がφ８×２５ｔで、段つき部１８がφ５×６ｔであるように摺動側を段つき加工してある。摺動表面はＲａ３．２。）に加工したものを試験片とした。これらのピンと摺動させるディスクは、図８に示す形状の通り、φ５５×５ｔで試験面がＲａ３．２のＳ４５Ｃ鉄鋼製試料ディスク２１を用いた。【００３５】
試験機は、高千穂精機（株）製摩擦摩耗試験機ＲＩ−Ｓ−５００ＮＰを用いた。試験機のディスク２１及びチップ試験片２２は流量２００ｍｌ／ｍｉｎで流れるオイル（昭和シェル（株）製リムラＤ２０Ｗ−２０）に浸漬させており、試験環境の温度は８０±５℃を維持させた。【００３６】
試験はディスクの周速を６．２ｍ／ｓとし、３分間のなじみ運転の後、２５ＭＰａずつ荷重（平均面圧）を上昇させるステップ運転とし、各荷重では２分間保持した。試験中に油煙が発生した時点を焼き付きと想定して試験を終了させた。表１に各荷重での平均摩擦係数と焼き付き時の付加における平均面圧と周速の積である最大ＰＶ値を示す。【００３７】
実施例１及び２は鉛を有する従来の摺動材ＣＡＣ６０３と同等以上の平均摩擦係数とＰＶ値を示し、有効な摺動特性が発揮することが確かめられた。また実施例１と２を比較するとＣｕ５ＦｅＳ４を多く含む実施例２の方が良好な平均摩擦係数とＰＶ値を示していることがわかる。これに対し、Ｃｕ５ＦｅＳ４を有さない比較例２は一段階目の昇圧後すぐに焼き付きを起こしてしまい、摺動特性を発揮しなかった。【００３８】
他の実施例として水アトマイズ法にて製作した粒子粉末を使用して上記と同様に製作した試験片と焼結前の粉末のＸ線回折試験を行ったところ、図示は省略するが両者ともＣｕ５ＦｅＳ４（ＰＤＦ２５−１４２４）の回折ピークに相当する箇所にはっきりとピークが観測され、その他の硫化物や硫黄単体のピークは観測されなかった。
【符号の説明】
【００３９】
１１  バイメタルチップ
１２  銅合金層
１３  バックメタル
１５  チップホルダー
１６  セットボルト
１７  ピン
１８  段つき部
１９  非段つき部
２１  試料ディスク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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