(57)【要約】【課題】環境への負荷を低減するため、Ｐｂに替わりＢｉを用いた摺動用銅基合金において、より高い非焼付性、耐摩耗性、摩擦特性、そしてなじみ性が望まれている。【解決手段】Ｚｎを１５〜２５質量％、Ｂｉ粒子を４．２〜１０質量％、Ｍｎを２〜７質量％、Ｓｉを１〜４質量％含有し、残部がＣｕからなり、マトリックスがα相の単一組織で、このマトリックス中に、α相とＭｎ−Ｓｉ化合物との共晶組織及びＢｉを分散させる。このように、マトリックス中に比較的柔らかいα相とＭｎ−Ｓｉ化合物との靭性に富む共晶組織及びＢｉ粒子が分散することにより非焼付性、耐摩耗性、摩擦特性、そしてなじみ性において、Ｐｂを使用した摺動用銅基合金と比較しても、より優れた摺動用銅基合金となる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚｎを１５〜２５質量％、Ｂｉを４．２〜１０質量％、Ｍｎを２〜７質量％、Ｓｉを１〜３質量％含有し、残部がＣｕからなり、マトリックスがα相の単一組織で、このマトリックス中に、α相とＭｎ−Ｓｉ化合物との共晶組織及びＢｉ粒子が分散していることを特徴とする摺動用銅基合金。
【請求項２】
硬さが９０〜１８０ＨＶであることを特徴とする請求項１記載の摺動用銅基合金。
【請求項３】
熱処理によって、硬さが１２０〜１８０ＨＶに硬化していることを特徴とする請求項１記載の摺動用銅基合金。
【請求項４】
更に、Ｓｅを０．０５〜０．３質量％及び／又はＢを０．０１〜０．２質量％添加したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の摺動用銅基合金。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非焼付性、耐摩耗性等に優れた摺動用銅基合金に係り、過酷な条件下で使用される摺動用材料、例えば、自動車等のターボチャージャのフローティングブシュ用材料に適する摺動用銅基合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えば、自動車用のエンジンではターボチャージャを装備して出力をアップすることが盛んに行われている。このターボチャージャはエンジンからの高温の排気ガスによってタービンを高速回転させ、コンプレッサを駆動する構造となっているため、その作動条件は大変厳しいものとなっている。特に、エンジンを高速回転し、その直後に停止した場合、フローティングブシュへの給油が停止するため、フローティングメタルはタービンケーシングからの熱伝導により３００℃を超える状態となる。この状態でエンジンを再始動すると、その直後にタービンは１０万ｒｐｍに及ぶ最高回転数に達するが、潤滑油の供給はそれよりも遅れるため、潤滑作用が停止した状態（ドライアップ）になる。つまり、フローティングブシュは、このような高温下におけるドライアップ状態の下でも、良好なる非焼付性、耐摩耗性等を呈することが求められる。
【０００３】
このような要求を満たす摺動用材料として、従来、質量％で、Ｍｎ１〜３．５％、Ｓｉ０．３〜１．５％、Ｚｎ１０〜２５％、Ｐｂ５〜１８％、残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなり、Ｐｂが全組織中に均一に分散し、マトリックスがα相の単一組織からなる高力黄銅がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、別の摺動用材料として、質量％で、Ｍｎ０．３〜５％、Ｓｉ０．３〜３％、Ｚｎ１５〜３７％、Ｂｉ０．３〜４％、残部Ｃｕ及び不可避的不純物からなり、金属組織中のβ相の量を３０％以下に制御し、冷間塑性加工性を持たせたケイ素化マンガン系高力黄銅合金がある（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平３−２１５６４２号公報（第１−４頁、第１表）
【０００６】
【特許文献２】
特開平９−３１６５７０号公報（第１−２頁、表１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１の摺動用材料は、非焼付性、耐摩耗性等に非常に良い性能が得られたがＰｂを含有するため、近年の環境問題を考慮した場合に懸念の残るものであった。
また、特許文献２の摺動用材料では、マトリックスに硬いβ相を含むため、耐摩耗性の向上は見られるものの、ターボチャージャ用フローティングブシュのような過酷な条件下で使用した場合、非焼付性において、未だ課題を残すものであった。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、昨今の環境問題に十分配慮するため、Ｐｂを用いず、例えば、自動車等のターボチャージャ用フローティングブシュのような過酷な条件下で使用された場合でも、優れた非焼付性、耐摩耗性、摩擦特性、また、なじみ性を有する摺動用銅基合金を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の摺動用銅基合金はＺｎを１５〜２５質量％、Ｂｉを４．２〜１０質量％、Ｍｎを２〜７質量％、Ｓｉを１〜３質量％含有し、残部がＣｕからなり、マトリックスがα相の単一組織で、このマトリックス中に、α相とＭｎ−Ｓｉ化合物との共晶組織及びＢｉ粒子が分散していることを特徴とする（請求項１）。
α相はβ相と比べ、比較的軟らかいが、Ｍｎ−Ｓｉ化合物とα相との共晶組織は靭性を有し、優れたすべり特性を有する。よって、軟らかいα相の単一組織中に、Ｍｎ−Ｓｉ化合物とα相との靭性に富む共晶組織が分散することにより、なじみ性、耐摩耗性、非焼付性に優れた摺動用銅基合金となる。
【００１０】
本発明の特徴の一つは、Ｐｂを含まず、その代わりにＢｉを添加したことにある。Ｂｉは固体潤滑剤として、摺動用銅基合金における非焼付性の向上に寄与し、その金属的性質はＰｂと同様に、鉄、銅と全く合金化せず、微細粒子となってマトリックス中に分散する。この摺動用銅基合金をすべり軸受として用いると、相手軸と軸受との摺動面が高温になった場合、その摺動面に介在して潤滑性を発揮する。
【００１１】
つまり、Ｂｉは、Ｐｂと比較して融解熱が大きく（Ｂｉは１１．３ｋＪ／ｍｏｌ、Ｐｂは４．７７ｋＪ／ｍｏｌ）、摺動の際の相手軸との摩擦熱によって、Ｂｉの融解温度を超えた場合、その融解熱により表面温度の上昇を防止し、溶解したＢｉは、摺動面に薄膜を形成して両者の焼付を防止する。さらに、Ｂｉを、この摺動用銅基合金に微細に分散させることにより、なじみ性や、摩擦特性を改善することができる。Ｂｉの添加量が４．２質量％未満では、これらの効果は十分でなく、又、１０質量％より多いと、材料強度を低下させ、ひいては軸受性能に問題を起す。
【００１２】
Ｍｎは、マトリックス強度を向上させる。また、Ｍｎ−Ｓｉ化合物（Ｍｎ５Ｓｉ３）といった、高い硬さ、優れたすべり特性を有する化合物を形成し、耐摩耗性、非焼付性、そして摩擦特性の向上に寄与する。Ｍｎの比率が２質量％未満だと、この効果が得られず、７質量％を超えると、後述するＺｎの添加意義が薄れてしまう。
【００１３】
Ｓｉは、上述したように、Ｍｎと共にＭｎ−Ｓｉ化合物を形成し、Ｍｎ同様、耐摩耗性、非焼付性、そして摩擦特性の向上に役立つ。その添加量はＭｎ−Ｓｉ化合物の構成割合により決定され、Ｍｎ対Ｓｉの質量比が１対０．３の時に化合物となる。故に、Ｓｉは最低０．６質量％あればよいが、すべてのＳｉがＭｎと化合物を形成することはないので、本発明ではＳｉの最少添加量を１質量％とした。そして、４質量％を超えると、遊離するＳｉが多くなり過ぎ、摺動用銅基合金の脆化を招いてしまう。
【００１４】
Ｚｎは、マトリックス強度、耐摩耗性、及び潤滑油に対する耐腐食性を向上させる。このＺｎの添加量に言及すると、Ｃｕ−Ｚｎ状態図によれば、Ｚｎが３８質量％以下であれば、マトリックスはα相の単一組織となり、Ｚｎの添加量がそれを上回るとβ相組織が現れる。ところが、α相、或いはβ相に固溶する第三元素、本発明ではＭｎ及びＳｉを添加した場合、このＭｎ、ＳｉがあたかもＺｎの添加量を増加させたかのようにマトリックスの組織を変化させる。このため、Ｍｎ、Ｓｉの含有量を考慮して、Ｚｎの添加量を最大２５質量％とすることにより、マトリックスをα相の単一組織とすることができる。しかし、Ｚｎが１５質量％未満だと、前述した、耐摩耗性や潤滑油に対する耐腐食性という効果が薄れてしまう。
【００１５】
本発明の合金組織を図１に示すが、図１から、α相の単一組織からなるマトリックス中に、微細なＢｉ粒子が均一に分散し、且つα相とＭｎ−Ｓｉ化合物との共晶組織がラメラ状となって均一に分布していることが理解される。なお、図１の摺動用銅基合金は、Ｚｎ２０質量％、Ｍｎ５質量％、Ｓｉ２質量％、Ｂｉ６．５質量％の組成のものである。
【００１６】
また、本発明の摺動用銅基合金は、硬さが９０〜１８０ＨＶであることを特徴とする。
特に、鋳造後、硬さを向上させるために、例えば４００℃で１〜５時間の熱処理を行った場合、時効硬化により、硬さが１２０〜１８０ＨＶに硬化していることを特徴とする（請求項２及び３）。
この構成によれば、更に硬い摺動用銅基合金となり、上述した特徴と併せ、更に耐摩耗性が向上する。ここで、熱処理の温度は３５０〜６００℃が好ましい。より好ましくは４００℃付近である。
【００１７】
そして、本発明の摺動用銅基合金は、更に、Ｓｅを０．０５〜０．３質量％、及び／又はＢを０．０１〜０．２質量％添加したことを特徴とする（請求項４）。
Ｓｅはマトリックス中におけるＢｉの分散、微細化を促し、上述したＢｉの持つ特性を十分に引き出すのに寄与する。
また、Ｂを添加することにより結晶粒を微細化する効果を有し、全体として強固な摺動用銅基合金を構成させることが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
表１に示す比較品１〜５、及び発明品１〜７における組成の合金を溶解後、連続鋳造した棒材から、機械加工によって、焼付試験、摩耗試験の試験片を得た。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
なお、発明品３〜５においては、鋳造後、硬さの向上を目的に、４００℃で１時間の熱処理を施した。各試験は連続鋳造法で作成した試験片について行ったが、さらに置注鋳造方法等の方法によっても同じ様な効果が得られ、鋳造方法について、特に限定がなされるものではない。
【００２１】
焼付試験の条件は表２、摩耗試験の条件は表３に示した。
【表２】
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【００２２】
【表３】
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【００２３】
焼付試験は、軸受面圧を５ＭＰａから３０分毎に５ＭＰａずつ高めて行き、最大面圧５０ＭＰａまで行い、焼付の判定基準は軸受の背面温度が２００℃を超えるか、又は摩擦力が４９０Ｎ・ｃｍに達した時とし、その結果を表１に示した。
【００２４】
また、摩耗試験は、５ＭＰａで１０分間のなじみ運転をした後、１０ＭＰａで８時間行い、その摩耗量を測定し、その結果を表１に示した。
【００２５】
各試験結果を検討するに、まず焼付試験において、Ｂｉを４．２〜１０質量％含有する発明品１〜７は、優れた非焼付性を示した。比較品１はＰｂを６．５質量％含有するため、優れた非焼付性を示しているが、ＰｂもＢｉも含有しない比較品、２、３及びＢｉを２質量％しか含有しない比較品４、５は非焼付性において格段に劣っている。
【００２６】
発明品１と比較品１とは、前者がＢｉを６．５質量％、後者がＰｂを６．５質量％含有する点で異なるが、Ｂｉを含有する発明品１の方が耐摩耗性において優れている。
また、摩耗試験において、発明品２は発明品１よりＭｎ、Ｓｉの添加量が多いため、耐摩耗性が向上し、発明品３は発明品２と同じ組成からなるが、熱処理を行っているため、より良い耐摩耗性を示す結果となった。
そして、発明品４、５は発明品３と同じ組成からなるが、熱処理を行い、さらにＳｅ又はＢを添加しているため、マトリックスが微細化し、Ｂｉ粒子が細かく均一に分散する結果となり、より耐摩耗性の改善がなされた。
【００２７】
なお、本発明の摺動用銅基合金は、自動車等のターボチャージャ用フローティングブシュに使用されるだけでなく、過酷な条件下、例えば、高い非焼付性、耐摩耗性、摩擦特性、或いはなじみ性といった特性が要求される軸受一般に、広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における摺動用銅基合金の顕微鏡写真
【図１】
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