(57)【要約】【課題】従来のCu-Sn-Bi系の銅系摺動材料は、油圧機械や建設機械のように過酷な条件で使用する場合、焼き付けを起こしたり、摺動材料と鋼板とが剥離したりすることがあった。本発明の銅系摺動材料は、過酷な使用条件においても焼き付けや剥離が起こらないという信頼性のあるものである。【解決手段】本発明の銅系摺動材料は、Biが2〜20質量％、Snが10超〜25質量％、残部Cuからなり、CuとSnからなるマトリックス中にBiが均一に点在している。また本発明の銅系摺動材料の製造方法は、Cu-Sn合金からなる第１合金粉末と、Sn-Bi合金粉末からなる第２合金粉末を均一に混合して所定の組成にしてから鋼板上に散布し、それを焼結する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Bi2〜20質量％、Sn10超〜25質量％、残部Cuからなり、しかもCuとSnとの合金がマトリックスを形成しているとともに該マトリックス中にBiが点在していることを特徴とする銅系摺動材料。
【請求項２】
前記マトリックス中に点在しているBi中にはCuやSnが含有されていないことを特徴とする請求項１記載の銅系摺動材料。
【請求項３】
前記マトリックス中に固体潤滑剤が点在していることを特徴とする請求項１乃至２いずれかに記載の銅系摺動材料。
【請求項４】
Cu、Bi、Snからなる摺動材料が焼結により鋼板上に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の銅系摺動材料。
【請求項５】
Cu、Bi、Sn、からなる摺動材料の表面には、摺動性樹脂が被覆されていることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の銅系摺動材料。
【請求項６】
Sn0〜20質量％、残部Cuからなる第１合金粉末と、Sn30〜60質量％、残部Biからなる第２合金粉末を所定の配合となるように混合し、この混合した粉末を鋼板上に散布した後、還元雰囲気中で焼結して合金粉末同士および合金粉末と鋼板とを接合したことを特徴とする銅系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、自動車、産業機械等の摺動部品に適した銅系摺動材料、特に鉛を含まない摺動材料およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車、産業機械等には、多数の回転部があり、該回転部には必ず摺動部品が設置されている。例えば、自動車では回転シャフトを受ける部分には軸受のような摺動部品が設置され、油圧機械のギヤーポンプでは歯車の側面を押さえるサイドプレートが、そしてピストンポンプではシリンダー、斜板、シュー等の摺動部品が設置されている。
【０００３】
ところで摺動部品が設置された機械が故障して修理に多大な費用がかかったり、古くなって使い勝手が悪くなったりした場合は廃棄されるが、省資源の関係から機械を構成する材料の多くは回収して再使用されている。しかしながら機械に設置された摺動部品は回収されることなく埋め立て処分されていた。なぜならば摺動部品の多くは鋼板と摺動材料を容易に分離できないからである。つまり摺動部品は、機械的強度を高めるため摺動材料と鋼板とが金属的な接合、即ち、摺動材量の金属と鋼板の金属中にそれぞれの金属原子が侵入した状態で接合されているため、摺動材料と鋼板を分離して回収することができない。従って、摺動部品を溶解して鉄材として回収しようとしても、鉄中に摺動材料成分が大量に含有されて鉄として使用できなくなる。このように摺動部品は再使用ができないことから、多くは産業廃棄物として埋め立て処分されていた。
【０００４】
従来の摺動材料の多くは、Cu合金にPbが添加された鉛青銅（LBC3）であった。鉛青銅は、CuとSn合金のマトリックス中に鉛が点在しているものであり、硬いCu・Sn合金のマトリックスが磨耗することなく相手側部材を保持し、鉛がマトリックスの表面を薄く延び広がって潤滑油の作用をすることにより潤滑性を良好にする。この鉛青銅は、安価で、しかも適度な摺動性を有することから、古くから各種の摺動部品に使用されてきたものである。しかしながら、鉛青銅使用の摺動部品が埋め立て処分され、該摺動部品に酸性雨が接触すると、摺動材料中の鉛成分が溶出して地下水を汚染するようになる。このように鉛を含んだ地下水を人間や家畜が長年月にわたって飲用すると、鉛が体内に蓄積されてついには鉛中毒をおこすとされている。そのため、現在は地球規模で鉛の使用が規制されるようになってきており、摺動部品を使用する業界においても鉛を含まない摺動材料が強く要求されている。
【０００５】
鉛を含まない摺動材料としては、Cuを主成分としてSn、Ag、Bi、Ni、Fe、Al、Mn、Co、Zn、Si、P等を添加したものであるが、近時はCu基にSnとBiを添加したCu-Sn-Bi合金の銅系摺動材料が多数提案されている。この銅系摺動材料は、Biが従来の鉛青銅のPbと同様の作用、即ち、BiがCu・Sn合金のマトリックス表面を薄く覆って潤滑油の作用をし、良好な摺動特性を呈するようになっている。
【０００６】
Cu-Sn-Bi合金の銅系摺動材料の公知文献としての特開平9-249924号（特許文献１）は、Cuマトリックス中にAg、Sn、Sb、In、Mn、Fe、Bi、Zn、Ni、Crのいずれかを固溶させたものである。特開平10-330868号（特許文献２）は、Cu基にBiが5〜50重量％含有し、Bi相中にSn、Ag、Inの１種以上が含有されたものである。特開2001-81523号（特許文献３）は、Cu基にSn0.5〜15重量％、Bi1〜20重量％、硬質粒子0.1〜10体積％含有したものである。特開2001-220630号（特許文献４）は、Bi1〜10重量％含有し、Bi相の周りに金属間化合物が存在しているものである。特開2001-240925号（特許文献５）は、Cu基にSn0.5〜15重量％、WC、W2C、MoC2の１種以上を0.1〜10体積％含有したものである。特開2002-285262号（特許文献６）は、Cu基にSn1.5〜15質量％、Bi1.5〜15質量％、固体潤滑剤1.5〜20体積％含有するものである。特開2003-194061号（特許文献７）は、Cu基にSn1〜11質量％、Bi25質量％以下含有するものである。特開2003-269456号（特許文献８）は、Sn0.5〜15質量％、Ni0.2〜10質量％、硬質粒子0.4〜10容積％、Bi10質量％以下含有するものである。
【０００７】
【特許文献１】特開平9-249924号
【特許文献２】特開平10-330868号
【特許文献３】特開2001-81523号
【特許文献４】特開2001-220630号
【特許文献５】特開2001-240925号
【特許文献６】特開2002-285262号
【特許文献７】特開2003-194061号
【特許文献８】特開2003-269456号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで従来のCu-Sn-Bi合金の銅系摺動材料（以下、銅系摺動材料という）は、一般の摺動部品に使用するには特に問題ないが、使用状況が厳しい機械、例えば油圧機械や建設機械等で使用する場合は充分とはいえなかった。つまり油圧機械のように高速で回転するものを受ける斜板はPV値が高くなくてはならず、また建設機械のように高荷重のかかる軸受のような摺動部品は使用中に鋼板と摺動材料が剥離しないために鋼板との接合強度が充分に高く、しかもマトリックスが適度な硬さを有していなければならない。しかしながら従来の銅系摺動材料は高速・高加重に対してはPV値、接合強度おいて充分に満足できるものではなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らが従来の銅系摺動材料における問題点について鋭意検討を重ねた結果、従来の銅系摺動材料は、鋼板との接合強度が充分でなく、また潤滑剤としての作用があまり現れていないことから高速・高荷重に対応できないものであることが分かった。その理由は、従来のCu-Sn-Bi合金の銅系摺動材料は、SnやBiの添加量が適切でなく、また潤滑作用のあるBi中にCuやSnが含有されているからである。本発明は、銅系摺動材料において、過酷な使用条件に適した量のSnが添加されており、しかもBiが潤滑剤としての効果を充分に発揮することができる摺動材料およびその製造方法を提供することにある。
【００１０】
請求項１の発明は、Bi2〜20質量％、Sn10超〜25質量％、残部Cuからなり、しかもCuとSnとの合金がマトリックスを形成しているとともに該マトリックス中にBiが点在していることを特徴とする銅系摺動材料である。
【００１１】
請求項２の発明は、前記マトリックス中に点在しているBi中にはCuやSnが含有されていないことを特徴とする請求項１記載の銅系摺動材料である。
【００１２】
請求項３の発明は、前記マトリックス中に固体潤滑剤が点在していることを特徴とする請求項１乃至２いずれかに記載の銅系摺動材料である。
【００１３】
請求項４の発明は、Cu、Bi、Snからなる摺動材料が焼結により鋼板上に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の銅系摺動材料である。
【００１４】
請求項５の発明は、Cu、Bi、Sn、からなる摺動材料の表面には、摺動性樹脂が被覆されていることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の銅系摺動材料である。
【００１５】
請求項６の発明は、Sn0〜20質量％、残部Cuからなる第１合金粉末と、Sn30〜60質量％、残部Biからなる第２合金粉末を所定の配合となるように混合し、この混合した粉末を鋼板上に散布した後、還元雰囲気中で焼結して合金粉末同士および合金粉末と鋼板とを接合したことを特徴とする銅系摺動材料の製造方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の摺動材料は、Cu・Sn合金のマトリックス中にBiが点在しているおり、しかも該Bi中にはCuやSnがほとんど含まれていないため、Biが潤滑剤の作用を充分に発揮して摺動性を良好にし、またSnの適度な含有量がマトリックスの硬さを相手側材を傷付けることなく、また摺動材料の摩耗を軽減する。本発明の摺動材の製造方法は、Cu・Snからなるマトリックス中にBiを均一に点在させるとともに、Bi中にCuやSnを含有させないため、摺動材の摺動特性を充分に発揮させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の銅系摺動材料は、Biの添加量が2質量％よりも少ないと、マトリックス中に点在するBiの量が少なくなり、潤滑性が充分に現れない。しかるにBiの添加量が20質量％よりも多くなると鋼板との接合強度が弱くなって建設機械のように高荷重のかかる摺動部品として使用したときに摺動材料が鋼板から剥離してしまう。
【００１８】
またSnの添加量が10質量％以下であると、Cu・Sn合金のマトリックスの硬さが油圧機械の斜板のように高速回転となる摺動部品に対しては摩擦特性が充分でなくなり、焼き付けを起こしてしまう。しかるにSnの添加量が25質量％よりも多くなると、かえって硬さが硬くなりすぎて相手側となる部材を傷付けるようになる。
【００１９】
本発明では、Cu・Sn合金のマトリックス中にBiが均一に点在しており、しかも該Bi中にはCuやSnが存在していない。つまりBi中にCuやSnが存在していると、Bi特有の潤滑性が薄れてしまうため、本発明ではBi中にCuやSnを存在させないようにしてある。
【００２０】
一般に、摺動材料は、強度が充分でないため鋼板に接合させて使用するが、その製造方法は焼結法による。従来の摺動材料の焼結法に用いる合金粉末は、摺動材料の合金を溶融させておいて、それをアトマイズ法で摺動材料組成の合金粉末にする。そして該合金粉末を鋼板上に散布してから還元雰囲気中で加熱して合金粉末同士および合金粉末と鋼板とを接合していた。しかしながら摺動材料組成の合金粉末を焼結すると、Bi中にCuやSnが残ってしまいBiの潤滑特性を充分に発揮できない。本発明の摺動材料の製造方法は、Cu-Sn合金からなる第１合金粉末と、Sn-Bi合金からなる第２合金粉末を均一に混合して混合粉末にし、該混合粉末を鋼板上に散布して焼結を行うため、Bi中にはCuやSnが存在しなくなる。その理由は、Sn-Bi合金粉末は融点が低いため（共晶温度：Sn20質量％以上）700℃以上の焼結温度で溶融状態となっている。この溶融したSn-BiがCu-Sn粉末やCu粉末に接触すると、Cuと合金しやすいSnがSn-Bi合金から選択的に抜け出てCu-Sn粉末やCu粉末中に拡散して合金化する。そのためBi中にはSnやCuが存在しなくなり、Biの潤滑特性が充分に発揮できるようになる。
【００２１】
本発明の銅系摺動材料の製造方法において、第１合金粉末のCu-Sn合金粉末は、Snが20質量％よりも多くなるとマトリックス中のSn含有量も多くなってマトリックスを必要以上に硬くして相手側材を傷付けたり、鋼板との接合強度が弱くなったりする。本発明に使用する第１合金粉末は、Snを含まないCu単体の粉末でもよい。
【００２２】
また本発明の銅系摺動材料の製造方法に使用するSn-Bi合金の第２合金粉末は、Sn含有量が30質量％よりも少なかったり、60質量％よりも多かったりすると液相線温度が高くなって焼結時に第合金粉末中に拡散しにくくなる。
【００２３】
本発明では、鋼板上に混合粉を散布して銅系摺動材料を製造したものであり、このまま摺動材料として使用できることは勿論であるが、さらに焼結した摺動材料に摺動性樹脂を被覆して使用することも可能である。摺動性樹脂としては、例えばポリテトラフルオロエチレンを主成分としたものであり、水に混合したディスパージョンの形で焼結した摺動材料の多孔質部分に含侵させる。
【００２４】
また本発明の銅系摺動材料は、Cu・Snマトリックス中にMoS2、WC、黒鉛等の固体潤滑剤を点在させてもよい。マトリックス中に固体潤滑剤が点在していると、摺動材料の潤滑特性、特にPV値が良好となり、焼き付けが起こりにくくなる。
【実施例】
【００２５】
実施例と比較例を表１に示す。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
古来からあるLBC3の摺動材料は、多くの産業機械の摺動部に問題なく使われていた。従って、本発明の銅系摺動材料も、摺動特性がLBC3と同等以上であることを目的としている。LBC3の油を使わないドライ状態でのPV値は、45Kg/cm2・m/secである。これに対して本発明の銅系摺動材料のPV値は、約50〜90Kg/cm2・m/secの実力値を有している。また接合強度とは、摺動材料と鋼板との接合強度であり、10Kg/mm2以上であれば、建設機械の摺動部に用いても充分に使用可能である。硬さは、Hv100以上であれば高荷重に対しても摺動材料が摩耗することはない。
【００２８】
表１からも明らかなように、全ての実施例の銅系摺動材料はドライでのPV値がLBC3のPV値である45Kg/cm2・m/sec以上であり、接合強度も10Kg/mm2以上である。
【００２９】
ここで本発明銅系摺動材料の製造方法における実施例と比較例について説明する。
【００３０】
１．実施例１
第１合金粉末（Cu-12Sn合金粉末）：90質量％
第２合金粉末（Sn-58Bi合金粉末）：10質量％
計算上の合金組成：Cu-16Sn-６Bi
鋼板：直径90mm、厚さ6mm、材質S45C
製造工程は以下のとおりである。
(1)混合工程：第１合金粉末と第２合金粉末をY字混合機で均一に混合する。
(2)散布工程：鋼板上に混合粉末を厚さ2mmに散布する。
(3)一次焼結工程：混合粉末が散布された鋼板をアンモニア分解ガスを用いた焼結炉で720〜760℃で焼結を行い、粉末同士、粉末と鋼板とを金属的に接合して複層材を得る。
(4)一次押圧工程：前記複層材をプレスにより500〜900トンで押圧し、焼結層の緻密化を図る。
(5)二次焼結工程：焼結層が緻密化された複層材を前述焼結炉で720〜760℃で二次焼結する。
(6)二次押圧工程：焼鈍した複層材をプレスにより200〜600トンで押圧して、鋼板を所定の硬さにする。
(7)仕上げ工程：複層材の焼結層を旋盤で所定の厚さまで切削するとともに、焼結層の表面を平滑に仕上げる。
【００３１】
上記実施例１で得られた銅系摺動材料の焼結層を光学顕微鏡で組織を観察したところ、Cu・Sn合金のマトリックス中にBiが均一に点在していた。そして該Biの成分をXMA(X線マイクロアナライザー）で測定したところ、Bi中にCuやSnの存在は認められなかった。
【００３２】
２．実施例２
第１合金粉末（Cu-12Sn合金粉末）：90質量％
第２合金粉末（Sn-58Bi合金粉末）：10質量％
計算上の合金組成：Cu-16Sn-6Bi
鋼板：直径90mm、厚さ6mm、材質S45C
製造工程は以下のとおりである。
(1)混合工程：第１合金粉末と第２合金粉末をY字混合機で均一に混合する。
(2)散布工程：鋼板上に混合粉末を厚さmmに散布する。
(3)焼結工程：混合粉末が散布された鋼板をアンモニア分解ガスを用いた焼結炉で720〜760℃で焼結を行い、粉末同士、粉末と鋼板とを金属的に接合して複層材を得る。
(4)樹脂含侵工程：複層材の焼結層上にポリテトラフルオロエチレン、ポリフェニレンサルファイド、二硫化モリブデンからなるディスパージョンを載置し、ローラーで押圧して、多孔質の焼結層に摺動性樹脂を含侵させる。
(5)乾燥工程：200℃の乾燥炉でディスパージョンの水分を乾燥させる。
(6)焼成工程：水分が乾燥させられた複層材を焼成炉で350〜400℃に加熱して摺動性樹脂を緻密化する。
(7)仕上げ工程：焼結層に含侵させた樹脂を旋盤で所定の厚さまで切削する。
【００３３】
３．比較例１
合金粉末：Cu-10Sn-1Bi
製造工程は実施例１と同じ。
【００３４】
上記実施例２で得られた摺動材料の焼結層を光学顕微鏡で組織を観察したところ、マトリックス中に前述実施例１、２と異なる色のBiが点在していた。該Biの成分をXMA(X線マイクロアナライザー）で測定したところ、Bi中にSnの存在が認められた。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の銅系摺動材料は、特に軸受、油圧機械の斜板、サイドプレート、シュー等の過酷な条件で使用する摺動部品に適している。これらの摺動部品は、摺動材料を鋼板に接合して強度を持たせることにより過酷な使用条件でも長期間にわたって信頼性のある摺動性が維持できる。しかしながら本発明の銅系摺動材料は、上記摺動部品に限らず、事務機、家電製品、精密機械等の摺動部にも使用可能である。また本発明の銅系摺動材料は、好ましくは鋼板に接合して使用するが、鋼板に接合しなくとも単体、即ち圧粉焼結、ロストワックス、板材等でも使用することができるものである。
【手続補正書】
【提出日】平成15年12月3日(2003.12.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
一般に、摺動材料は、強度が充分でないため鋼板に接合させて使用するが、その製造方法は焼結法による。従来の摺動材料の焼結法に用いる合金粉末は、摺動材料の合金を溶融させておいて、それをアトマイズ法で摺動材料組成の合金粉末にする。そして該合金粉末を鋼板上に散布してから還元雰囲気中で加熱して合金粉末同士および合金粉末と鋼板とを接合していた。しかしながら摺動材料組成の合金粉末を焼結すると、Bi中にCuやSnが残ってしまいBiの潤滑特性を充分に発揮できない。本発明の摺動材料の製造方法は、Cu-Sn合金からなる第１合金粉末と、Sn-Bi合金からなる第２合金粉末を均一に混合して混合粉末にし、該混合粉末を鋼板上に散布して焼結を行うため、Bi中にはCuやSnが存在しなくなる。その理由は、Sn-Bi合金粉末は融点が低いため700℃以上の焼結温度で溶融状態となっている。この溶融したSn-BiがCu-Sn粉末やCu粉末に接触すると、Cuと合金しやすいSnがSn-Bi合金から選択的に抜け出てCu-Sn粉末やCu粉末中に拡散して合金化する。そのためBi中にはSnやCuが存在しなくなり、Biの潤滑特性が充分に発揮できるようになる。