(57)【要約】【課題】高荷重条件下で使用するのに充分な機械的強度を有するとともに、高荷重条件下で優れた摺動特性を有する銅系焼結摺動部材を提供する。【解決手段】銅に対して固溶限がほとんどない元素（Ａ）成分を０．５〜１０重量％と固体潤滑成分を１〜１０重量％含有する銅系焼結摺動部材であって、銅または銅合金素地中に元素（Ａ）成分粒子、固体潤滑成分粒子が分散してなり、該元素（Ａ）成分粒子は、最大粒径が１５０μｍ以下であって、粒径が７５μｍを超え１５０μｍ以下の粒子が元素（Ａ）成分の総量の２０〜８０％、粒径４５μｍ以下の粒子が元素（Ａ）成分の総量の２０〜８０％であることを特徴とする銅系焼結摺動部材。【選択図】　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅に対して固溶限がほとんどない元素（Ａ）成分を０．５〜１０重量％と固体潤滑成分を１〜１０重量％含有する銅系焼結摺動部材であって、銅または銅合金素地中に元素（Ａ）成分粒子、固体潤滑成分粒子が分散してなり、該元素（Ａ）成分粒子は、最大粒径が１５０μｍ以下であって、粒径が７５μｍを超え１５０μｍ以下の粒子が元素（Ａ）成分の総量の２０〜８０％、粒径４５μｍ以下の粒子が元素（Ａ）成分の総量の２０〜８０％であることを特徴とする銅系焼結摺動部材。
【請求項２】
元素（Ａ）は、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒ、ＭｏおよびＴｉから選択される１種または２種以上である請求項１に記載の銅系焼結摺動部材。
【請求項３】
銅合金素地は、０．５〜１５重量％のＳｎおよび０．５〜４０重量％のＺｎの少なくとも一方を含む請求項１または２に記載の銅系焼結摺動部材。
【請求項４】
銅合金素地は、さらに、Ｍｎ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｓｉ、ＣｏおよびＰから選択される１種または２種以上を、Ｓｎおよび／またはＺｎとの合計量で４５重量％以下含む請求項３に記載の銅系焼結摺動部材。
【請求項５】
固体潤滑成分は、黒鉛、ＷＳ２、ＭｏＳ２およびＢＮから選択される１種または２種以上である請求項１〜４のいずれか一項に記載の銅系焼結摺動部材。
【請求項６】
潤滑油が含浸されている請求項１〜５のいずれか一項に記載の銅系焼結摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、銅を主成分とする銅系焼結摺動部材、特に、低速高荷重条件下において優れた摺動特性を発揮する銅系焼結摺動部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
摺動部材として用いられる銅系焼結材料としては、例えば、ＪＩＳ　Ｚ　２５５０に規定されている青銅系焼結材料がある。この焼結材料は、焼結材料特有の気孔を利用して潤滑油を含浸させて使用される。ところで、近年、使用条件の過酷化に伴い、高荷重下での良好な摺動特性が要求されるようになってきた。前記焼結材料は、含油のために必要な気孔を確保するために密度が低くなり、高荷重条件下で使用するには強度が不充分である。そこで、耐荷重性や耐摩耗性の向上のために、黒鉛等の固体潤滑剤を分散させた焼結材料があるが、高荷重条件下での使用に際しては、銅合金素地の強化や固体潤滑剤の固着化、換言すれば、銅合金素地中での保持性が重要になってくる。
【０００３】
銅合金素地の強化については、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣなどのセラミックス粒子を銅合金素地中に分散させることが考えられる。しかしながら、これらセラミックス粒子はその硬度が非常に高いので、相手材との摺動時に相手材を損傷させる虞がある。さらに、これらセラミックス粒子は銅合金素地との間に何ら反応を起こさないため銅合金素地から脱落しやすい状態にあり、高荷重条件下での相手材との摺動の際に、剪断応力により摺動面である銅合金素地表面から脱落して摺動面に介在し、相手材のみならず摺動部材自体をも攻撃して、相手材および摺動部材の摩耗を進行させるという問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の実情に鑑みなされたもので、その目的は、高荷重条件下で使用するのに充分な機械的強度を有するとともに、高荷重条件下で優れた摺動特性を有する銅系焼結摺動部材を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、銅系焼結材料において、銅に対して固溶限がほとんどない元素を配合することによって、銅合金素地の結晶成長が抑えられ結晶が微細化するとともに、素地の気孔率が減少し緻密化して、素地が強化されることを見出した。さらに、上記銅に対して固溶限のほとんどない元素について、特定の粒径および粒度分布を選択することにより、上記効果がより効率的に得られることを見出した。
【０００６】
本発明は、上記知見に基づき完成されたものであり、その要旨は、銅に対して固溶限がほとんどない元素（Ａ）成分を０．５〜１０重量％と固体潤滑成分を１〜１０重量％含有する銅系焼結摺動部材であって、銅または銅合金素地中に元素（Ａ）成分粒子、固体潤滑成分粒子が分散してなり、該元素（Ａ）成分粒子は、最大粒径が１５０μｍ以下であって、粒径が７５μｍを超え１５０μｍ以下の粒子が元素（Ａ）成分の総量の２０〜８０％、粒径４５μｍ以下の粒子が元素（Ａ）成分の総量の２０〜８０％であることを特徴とする銅系焼結摺動部材に存する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を説明する。先ず、銅に対して固溶限がほとんどない元素（Ａ）成分について説明する。このような元素（Ａ）としては、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｔｉなどが挙げられ、これらの中から１種または２種以上が配合される。配合の方法としては、これら元素（Ａ）の単体粉末であっても、これらの元素（Ａ）を含有する銅合金粉末であってもよく、また、これら元素（Ａ）の単体粉末と銅粉末あるいは銅合金粉末との混合粉末をメカニカルアロイング法で処理して銅粉末あるいは銅合金粉末素地内に元素（Ａ）粉末粒子を分散させたものを用いてもよい。
【０００８】
元素（Ａ）成分は、焼結時に、銅または銅合金粉末粒子の表面または粒界へ拡散して、焼結の進行に伴う銅または銅合金素地の結晶粒の成長を抑えるという働きをする。その結果、銅または銅合金素地の結晶の微細化がなされる。また、元素（Ａ）成分を配合することにより、銅または銅合金素地に存在する気孔が減少し、素地の緻密化がなされる。これら、銅または銅合金素地の結晶の微細化および緻密化により、銅または銅合金素地の強化が達成される。
【０００９】
また、元素（Ａ）成分は、上記のように銅または銅合金素地に対して表面・粒界拡散そして一部粒内拡散しているので、元素（Ａ）成分粒子と銅または銅合金素地との境界には空隙（カーケンダルボイド）が生じるものの、元素（Ａ）成分粒子と銅または銅合金素地との固着はしっかりなされている。さらに、拡散により、元素（Ａ）成分粒子の角部は円滑化される。したがって、元素（Ａ）成分粒子は、銅または銅合金素地表面にしっかりと保持され、高荷重条件下において相手材と摺動する際に応力集中を生ずることがなく、摺動面から脱落することがない。そして、相手材に対する攻撃性も小さい。
【００１０】
つぎに、本発明においては、配合される元素（Ａ）成分粒子の粒径およびその割合が重要となる。すなわち、銅または銅合金素地中に分散される元素（Ａ）成分粒子は、最大粒径が１５０μｍ以下であって、粒径が７５μｍを超え１５０μｍ以下の粒子が元素（Ａ）成分の総量の２０〜８０％、粒径４５μｍ以下の粒子が元素（Ａ）成分の総量の２０〜８０％である。粒径が７５μｍを超え１５０μｍ以下の粒子は、銅または銅合金素地中に分散されて主に摺動時の荷重を支える役割を担うもので、粒径４５μｍ以下の粒子は、おもに焼結時の結晶の微細化、緻密化の役割を担うものである。大きい粒子のみでは、体積の割に表面積が小さく、銅または銅合金素地結晶の微細化、緻密化が不充分となる。また、小さい粒子のみでは、体積の割に表面積が大きいので、銅または銅合金素地結晶の微細化、緻密化は促進されるが、摺動部材として使用する場合には、耐荷重性の向上には不充分である。本発明においては、これら大きい粒子と小さい粒子を組み合わせることによって、良好な銅または銅合金素地を得ることが可能となったものである。大きい粒子が点在する空間に小さい粒子が分散されることにより、大きい粒子から離れた部分でも銅または銅合金素地結晶の微細化、緻密化は促進される。この結果、焼結時間の短縮化がなされ、先に述べた元素（Ａ）成分粒子と銅または銅合金素地との境界に生じる空隙（カーケンダルボイド）を最小限に抑えることができる。このとき、銅または銅合金素地の平均結晶粒径は、３０μｍ以下となることが好ましい。
【００１１】
次に、銅系焼結摺動部材の素地をなす銅合金の成分について説明する。銅合金素地は、０．５〜１５重量％のＳｎおよび０．５〜４０重量％のＺｎの少なくとも一方を含む。これらＳｎおよびＺｎは、いずれも銅合金素地の強度、硬度を高め、銅合金素地の強化をもたらすもので、結果として、銅系焼結摺動部材の耐荷重性、耐摩耗性の向上に寄与する。Ｓｎの含有量が０．５重量％未満では銅合金素地を強化する効果が発揮されず、１５重量％を超えると銅合金素地が脆くなってしまう。Ｚｎの含有量が０．５重量％未満では銅合金素地を強化する効果が発揮されず、４０重量％を超えると銅合金素地が脆くなってしまう。
【００１２】
銅合金素地には上記Ｓｎ、Ｚｎに加えてさらに、Ｍｎ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｓｉ、ＣｏおよびＰから選択される１種または２種以上を含有させることにより、より効果的に銅合金素地の強化がなされる。その含有量は、Ｓｎ、Ｚｎとの合計量で４５重量％以下が好ましい。含有量が４５重量％を超えると、銅合金素地の硬度が高くなり過ぎて摺動部材として使用するには不適当となる。
【００１３】
上記銅合金の各成分は、個々の元素粉末を配合してもよいし、各成分を含有する銅合金粉末として配合してもよい。
【００１４】
固体潤滑成分としては、黒鉛、ＷＳ２、ＭｏＳ２およびＢＮから選択される１種または２種以上が使用される。これら固体潤滑成分を分散含有させることにより、摺動部材の自己潤滑性が高められ、高荷重条件下での摺動において、耐荷重性、耐摩耗性を一層向上させることができる。固体潤滑成分の含有量は１〜１０重量％である。含有量が１重量％未満では配合の効果が発揮されず、１０重量％を超えると、銅合金素地の強度が低下してしまう。先にも述べたように、これら固体潤滑成分の粒子が銅または銅合金素地中にしっかりと固着化されることが重要である。焼結前の圧粉体の状態では銅または銅合金素地部分と固体潤滑成分粒子の界面には空隙が存在するが、焼結時に銅または銅合金素地が収縮することによりこの空隙が充分小さくなり、その結果として固体潤滑成分の粒子が銅または銅合金素地にしっかりと固着化される。
【００１５】
次に、摺動部材の製造方法について簡単に述べる。摺動部材の素地の組成および元素（Ａ）成分と固体潤滑成分が所定の割合となるように、各成分の粉末またはそれら成分を含む銅合金粉末を混合して混合粉末を得る。この混合粉末を所望の形状を有する金型に装填し、３〜７ｔｏｎ／ｃｍ２の圧力下で圧縮成形し圧粉体を作製する。得られた圧粉体を非酸化性雰囲気または還元性雰囲気に調整された加熱炉内で７３０〜９００℃の温度で２０〜６００分間焼結し、その後炉から取り出し、必要に応じて機械加工により所望の寸法に加工して銅系焼結摺動部材を得る。ここで、非酸化性雰囲気または還元性雰囲気としては、アンモニア分解ガス、炭化水素の分解ガス、窒素ガス、水素ガスなどが使用される。得られた銅系焼結摺動部材に含油処理を施すことにより、摩擦係数が下がり、さらに耐荷重性が向上する。
【００１６】
【実施例】
以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
【００１７】
＜実施例１＞
平均粒径１０μｍのアトマイズＣｕ−１０重量％Ｓｎ合金粉末と粒径が７５μｍを超え１５０μｍ以下の粒子、粒径が４５μｍを超え７５μｍ以下の粒子および粒径が４５μｍ以下の粒子の割合がそれぞれ３０％、３０％、４０％である搗砕Ｃｒ粉末と粒径１０６〜１５０μｍの人造黒鉛粉末を、Ｃｒ２重量％、黒鉛５重量％となるように配合しミキサーで混合して混合粉末（Ｃｕ：８３．７重量％、Ｓｎ：９．３重量％、Ｃｒ：２重量％、黒鉛：５重量％）を得た。得られた混合粉末を金型に装填して成形圧力４ｔｏｎ／ｃｍ２で成形して平板状圧粉体を得た。この平板状圧粉体を水素ガス雰囲気の加熱炉内に置き、７６０℃の温度で６０分間焼結し冷却した後、機械加工して３０ｍｍ×３０ｍｍ×厚さ５ｍｍの銅系焼結摺動部材を得た。得られた銅系焼結摺動部材の密度は６．２ｇ／ｃｍ３、銅合金素地の平均結晶粒径は２０μｍであった。この銅系焼結摺動部材に含油処理を施し、含油率１５体積％の含油銅系焼結摺動部材を得た。
【００１８】
＜実施例２＞
実施例１と同様の粉末を用いて、Ｃｒ５重量％、黒鉛５重量％となるように混合粉末（Ｃｕ：８１重量％、Ｓｎ：９重量％、Ｃｒ：５重量％、黒鉛：５重量％）を調製した。その後、実施例１と同様にして銅系焼結摺動部材を得た。得られた銅系焼結摺動部材の密度は６．１ｇ／ｃｍ３、銅合金素地の平均結晶粒径は１８μｍであった。この銅系焼結摺動部材に含油処理を施し、含油率１８体積％の含油銅系焼結摺動部材を得た。
【００１９】
＜実施例３＞
実施例１と同様の粉末を用いて、Ｃｒ１０重量％、黒鉛５重量％となるように混合粉末（Ｃｕ：７６．５重量％、Ｓｎ：８．５重量％、Ｃｒ：１０重量％、黒鉛：５重量％）を調製した。その後、実施例１と同様にして銅系焼結摺動部材を得た。得られた銅系焼結摺動部材の密度は６．０ｇ／ｃｍ３、銅合金素地の平均結晶粒径は１５μｍであった。この銅系焼結摺動部材に含油処理を施し、含油率２０体積％の含油銅系焼結摺動部材を得た。
【００２０】
＜実施例４＞
実施例１において、Ｃｒ粉末の替わりに、粒径が７５μｍを超え１５０μｍ以下の粒子、粒径が４５μｍを超え７５μｍ以下の粒子および粒径が４５μｍ以下の粒子の割合がそれぞれ４０％、３０％、３０％である搗砕Ｖ粉末を用いて、Ｖ２重量％、黒鉛５重量％となるように混合粉末（Ｃｕ：８３．７重量％、Ｓｎ：９．３重量％、Ｖ：２重量％、黒鉛：５重量％）を調製した。その後、実施例１と同様にして銅系焼結摺動部材を得た。得られた銅系焼結摺動部材の密度は６．１ｇ／ｃｍ３、銅合金素地の平均結晶粒径は２２μｍであった。この銅系焼結摺動部材に含油処理を施し、含油率１８体積％の含油銅系焼結摺動部材を得た。
【００２１】
＜実施例５＞
平均粒径１０μｍのアトマイズＣｕ−１０重量％Ｓｎ合金粉末と粒径が７５μｍを超え１５０μｍ以下の粒子、粒径が４５μｍを超え７５μｍ以下の粒子および粒径が４５μｍ以下の粒子の割合がそれぞれ３０％、３０％、４０％である搗砕Ｃｒ粉末と粒径１０６〜１５０μｍの人造黒鉛粉末と粒径１０６〜１５０μｍの搗砕Ｍｎ粉末を、Ｃｒ２重量％、黒鉛５重量％、Ｍｎ２重量％となるように配合しミキサーで混合して混合粉末（Ｃｕ：８１．９重量％、Ｓｎ：９．１重量％、Ｍｎ：２重量％、Ｃｒ：２重量％、黒鉛：５重量％）を得た。その後実施例１と同様にして銅系焼結摺動部材を得た。得られた銅系焼結摺動部材の密度は５．９ｇ／ｃｍ３、銅合金素地の平均結晶粒径は２０μｍであった。この銅系焼結摺動部材に含油処理を施し、含油率２２体積％の含油銅系焼結摺動部材を得た。
【００２２】
＜比較例＞
平均粒径１０μｍのアトマイズＣｕ−１０重量％Ｓｎ合金粉末と粒径１０６〜１５０μｍの人造黒鉛粉末を、黒鉛５重量％となるように配合しミキサーで混合して混合粉末（Ｃｕ：８５．５重量％、Ｓｎ：９．５重量％、黒鉛：５重量％）を得た。その後、実施例１と同様にして銅系焼結摺動部材を得た。得られた銅系焼結摺動部材の密度は６．２ｇ／ｃｍ３、銅合金素地の平均結晶粒径は３５μｍであった。この銅系焼結摺動部材に含油処理を施し、含油率１５体積％の含油銅系焼結摺動部材を得た。
【００２３】
上記実施例および比較例で得た摺動部材について、スラスト試験機により下記受験で耐荷重性評価試験を行なった。
＜試験条件＞
速度：３ｍ／ｍｉｎ
荷重：初期荷重２５ｋｇｆ／ｃｍ２で、２０分毎に２５ｋｇｆ／ｃｍ２ずつ累積していった。
相手材：機械構造用炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）
評価方法：摩擦係数が０．２を超えた荷重のひとつ手前の荷重を限界荷重とした。
試験結果を表１に示す。摩擦係数は限界荷重における摩擦係数を示す。
【００２４】
【表１】
2004018941.tif 000002
【００２５】
試験結果より、本発明による銅系焼結摺動部材は、低い摩擦係数を示すとともに、高い限界荷重を示し耐荷重性に優れるものであった。これに対し、比較例の銅系焼結摺動部材は、低い摩擦係数を示すものの限界荷重が低く、耐荷重性に劣るものであった。
【００２６】
以上の説明においては、銅系焼結摺動部材は銅系焼結材料単体からなる摺動部材について説明したが、鋼などの裏金に銅系焼結材料からなる層を一体に被着形成させた複層焼結摺動部材であってもよい。複層焼結摺動部材とすることによって、さらなる耐荷重性の向上が可能となる。
【発明の効果】
本発明によれば、高荷重条件下で使用するのに充分な機械的強度を有するとともに、高荷重条件下で優れた摺動特性を有する銅系焼結摺動部材を提供できる。