(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板と、該鋼板に接合されている焼結銅合金とを有する銅系複層摺動材料において、
前記焼結銅合金の組成が、Ｓｎ：１．５〜１５質量％、Ｂｉ：１．５〜１５質量％、固体潤滑剤：１．５〜２０体積％、残部Ｃｕからなり、Ｂｉと固体潤滑剤の体積比が０．５〜２．０であることを特徴とする銅系複層摺動材料。
【請求項２】
鋼板と、該鋼板に接合されている焼結銅合金とを有する銅系複層摺動材料において、
前記焼結銅合金の組成が、Ｓｎ：１．５〜１５質量％、Ｐ：０．０３〜１質量％、Ｂｉ：１．５〜１５質量％、固体潤滑剤：１．５〜２０体積％、残部Ｃｕからなり、Ｂｉと固体潤滑剤の体積比が０．５〜２．０であることを特徴とする銅系複層摺動材料。
【請求項３】
前記固体潤滑剤は、黒鉛、ＢＮ、ＭｏＳ２、ＷＳ２のうちの１種または２種以上からなることを特徴とする請求項１または２記載の銅系複層摺動材料。
【請求項４】
Ｆｅ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｉのうちから選択された１種または２種以上を、総量で４０質量％以下含む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銅系複層摺動材料。
【請求項５】
前記鋼板と焼結銅合金との境界に厚さ２μｍ以上の銅めっき層が存在することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の銅系複層摺動材料。
【請求項６】
前記焼結銅合金の引張強さが２００Ｎ／ｍｍ２以上であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の銅系複層摺動材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車、農業機械、産業機械などに使用される軸受材料に適した銅系複層摺動材料に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
自動車、農業機械、産業機械などの分野で、軸受、ブシュ、ワッシャなどに使用されている摺動材料としては、従来より、焼結銅合金を鋼板上に接合してなる複層摺動材料が用いられてきた。上記の焼結銅合金は、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐｂ（鉛青銅）系のものが多く使用され、これは、Ｃｕ合金マトリックスが荷重を支持し、Ｐｂが相手材との非焼付性を向上させ、良好なる摺動特性を呈する。
【０００３】
このように焼結銅合金では、青銅にＰｂを含有させることによって非焼付性を向上させるようにしている。しかしながら、Ｐｂは環境に悪影響を及ぼすため、できれば使用しないことが好ましい。そこで、Ｐｂの代替としてＢｉが考えられるが、非焼付性においてＰｂほどの効果は期待できない。また、青銅に黒鉛（固体潤滑剤）を含有させて非焼付性を向上させるようにした材料もあるが、焼結時において液相となる低融点金属のＰｂが存在しないので焼結性が悪く、機械的強度も劣る。
【０００４】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、Ｐｂを含まずに鉛青銅系の焼結銅合金と同等、或いはそれ以上の優れた摺動特性を有する上、機械的強度にも優れた銅系複層摺動材料を提供するにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、青銅にＢｉと固体潤滑剤との双方を添加すると、ＢｉがＰｂと同程度に低融点であることから、焼結時にＢｉが溶融するので、焼結性が向上すると共に、固体潤滑剤によって良好なる非焼付性が得られ、しかも固体潤滑剤とＢｉとが共存することによって機械的強度の低下を防止することを見出し、本発明を完成させた。
【０００６】
請求項１に記載の銅系複層摺動材料は、鋼板と、この鋼板に接合されている焼結銅合金とを有する銅系複層摺動材料において、前記焼結銅合金の組成が、Ｓｎ：１．５〜１５質量％、Ｂｉ：１．５〜１５質量％、固体潤滑剤：１．５〜２０体積％、残部Ｃｕからなり、Ｂｉと固体潤滑剤の体積比が０．５〜２．０であることを特徴とする。
請求項２に記載の銅系複層摺動材料は、上記請求項１に記載の組成の焼結銅合金に、更に、Ｐを０．０３〜１質量％添加したものである。
【０００７】
ここで、上記成分の限定理由を説明する。
（１）Ｓｎ：１．５〜１５質量％
ＳｎはＣｕマトリックスを強化する。１．５質量％未満であると、Ｃｕマトリックスを強化する効果が得られない。１５質量％を越えると、Ｃｕ−Ｓｎ化合物が多く形成され、脆くなる。
【０００８】
（２）Ｂｉ：１．５〜１５質量％
Ｂｉは焼結時に液相となり、焼結性を向上させる。また、油潤滑領域での非焼付性、耐摩耗性を向上させると共に、固体潤滑剤と共存して切削性を向上させる。Ｂｉが１．５質量％未満であると、非焼付性、耐摩耗性に効果がなく、固体潤滑剤との十分な共存が得られないため、切削性が悪くなる。１５質量％を越えると、Ｃｕ合金の強度が低下する。
【０００９】
（３）固体潤滑剤：１．５〜２０体積％
固体潤滑剤は境界潤滑、無潤滑領域での非焼付性、耐摩耗性を向上させる。固体潤滑剤が１．５体積％未満であると、非焼付性、耐摩耗性の向上効果が見られない。２０体積％を越えると、Ｃｕ合金の強度低下となり、また切削性が悪くなる。
【００１０】
（４）Ｂｉと固体潤滑剤の体積比が０．５〜２．０
Ｂｉと固体潤滑剤の体積比（Ｂｉの体積／固体潤滑剤の体積）が０．５〜２．０の範囲にあると、Ｂｉと固体潤滑剤とが共存し、図１に示すように固体潤滑剤がＢｉ中に取り込まれる状態となって、固体潤滑剤が簡単に脱落したりせず、非焼付性、耐摩耗性が向上する。Ｂｉと固体潤滑剤とが共存する最も好ましい体積比は１前後である。Ｂｉと固体潤滑剤の体積比が０．５未満であると、固体潤滑剤によりＣｕ合金の引張強さの低下をＢｉで抑制する効果が低下する。２．０を越えると、固体潤滑剤による非焼付性の効果が低下する。
【００１１】
固体潤滑剤としては、請求項３のように、黒鉛、ＢＮ、ＭｏＳ２、ＷＳ２の１種または２種以上を用いることができる。もちろん、これ以外の固体潤滑剤を用いても良い。
【００１２】
（５）Ｐ：０．０３〜１質量％
ＰはＣｕマトリックスの強度を向上させる。Ｐが０．０３質量％未満では、Ｃｕマトリックスの強度向上効果が得られない。１質量％を越えると、Ｃｕマトリックスが脆化する。
【００１３】
請求項４に記載の銅系複層摺動材料は、Ｆｅ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｉのうちから選択された１種または２種以上を総量で４０質量％以下含むことを特徴とするものである。これらの元素は、Ｃｕマトリックスに固溶し、Ｃｕマトリックスを強化する。総量で４０質量％を越えると、Ｃｕマトリックスの硬度が高くなり過ぎてなじみ性を損なう。
【００１４】
請求項５に記載の銅系複層摺動材料は、鋼板と焼結銅合金との境界に厚さ２μｍ以上の銅めっき層が存在することを特徴とする。銅めっき層は、焼結銅合金と鋼板との接着強度を向上させる。２μｍ未満では、その効果がない。
請求項６に記載の銅系複層摺動材料は、焼結銅合金の耐疲労性の低下を防止するために、焼結銅合金の引張強さを２００Ｎ／ｍｍ２以上としたことを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例により説明する。
まず、表１に示す組成となるように、各実施例品および各比較例品（実施例品２、１０と比較例品６、７を除く）について、Ｃｕ−Ｓｎ系の銅合金粉末とＢｉ粉末と固体潤滑剤（実施例品８以外は黒鉛、実施例品８はＢＮ）粉末を混合機によって約１時間混合し、焼結用混合粉末を作製した。
【００１６】
実施例品２については、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐ系の銅合金粉末とＢｉ粉末と固体潤滑剤粉末を混合機により約１時間混合して焼結用混合粉末を作製した。
実施例品１０については、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｃｏ系の銅合金粉末とＢｉ粉末と固体潤滑剤粉末を、上記と同様に混合機によって約１時間混合し、焼結用混合粉末を作製した。
また、比較例品６については、Ｂｉ粉末に代えてＰｂ粉末を用いる以外、実施例品１と同じ成分にし、Ｐｂの量は体積において実施例品１のＢｉと同体積になるようにして焼結用混合粉末を作製した。
比較例品７については、Ｂｉ粉末と固体潤滑剤粉末は添加せず、Ｃｕ−Ｓｎ系合金粉末とＰｂ粉末を混合機によって約１時間混合し、焼結用混合粉末を作製した。
なお、Ｃｕ−Ｓｎ系合金粉末とＢｉ粉末は、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｂｉ系合金粉末に代えても良い。
【００１７】
以上のように作製した焼結用混合粉末を、実施例品２を除き、厚さ１．３ｍｍの鋼板上に均一に散布し、還元雰囲気中で７５０〜９００℃に加熱して初回の焼結を行い、その後、ロール圧延を実施し、更に再度上記の初回の焼結と同条件にて焼結を行った。その後、再度ロール圧延（最終圧延）を行ない、バイメタル状の複層摺動材料を得た。なお、実施例品９は最終圧延を実施していない。
【００１８】
実施例品２については、上記のように作製した焼結用混合粉末を、厚さ３μｍのＣｕめっきを施した厚さ１．３ｍｍの鋼板上に均一に散布し、上記と同様に焼結、ロール圧延、再度の焼結を行った後、更に最終圧延を行なってバイメタル状の複層摺動材料を得た。
【００１９】
以上のようにして得た複層摺動材料を機械加工し、厚さ１．５ｍｍの平板軸受を製造し、焼付試験と摩耗試験を行った。また、同様に厚さ１．５ｍｍの半割軸受を製造し、疲労試験を行なった。更に、上記の複層摺動材料の焼結銅合金層の引張強さを確認するために、鋼板（鋼裏金）を除去し、引張試験を行なった。また、複層摺動材料の焼結銅合金層と鋼裏金との接着強さを確認するために、剪断試験を実施した。
【００２０】
ここで、焼付試験は、モータにより駆動される相手材を平板軸受上で摺動させ、軸受面圧を３Ｎ／ｍｍ２ずつ高めながら、各軸受面圧毎に３０分間運転し、平板軸受の背面が２００℃を越えるか、または相手材を駆動するモータの駆動電流が所定値を越えたとき、その時点の軸受面圧を焼付面圧とした。その他の試験条件を表２に示す。
摩耗試験は、モータにより駆動される相手材を平板軸受上で一定の面圧を与えた状態で摺動させ、試験時間の終了後の摩耗量を測定した。疲労試験は、半割軸受に一定荷重を加えて摺動させ、試験後、軸受合金の疲労発生の有無を確認した。摩耗試験と疲労試験の条件を次の表３と表４に示す。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
【表２】
0003939931.tif 000003
【００２３】
【表３】
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【００２４】
【表４】
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【００２５】
上記の試験結果を分析する。
（全体評価）
比較例品７は従来の鉛青銅合金に相当する。実施例品１〜１０は、この比較例品７との対比において、非焼付性、耐摩耗性、耐疲労性において同等以上の優れた特性を示しており、Ｂｉおよび固体潤滑剤を用いることによって、Ｐｂを含まずにＣｕ−Ｓｎ−Ｐｂ系の焼結合金と同等、或いはそれ以上の優れた摺動特性を有する銅系複層摺動材料であることが理解される。
【００２６】
（Ｓｎについて）
実施例品１と比較例品１とは、Ｓｎ量が異なるだけで、他は同じである。そして、Ｓｎ量の少ない比較例品１は、引張強さが低く、耐疲労性に劣っており、Ｓｎが少ないと高い強度が得られず、優れた耐疲労性が得られないことが理解される。
【００２７】
（Ｂｉと固体潤滑剤について）
▲１▼含有量
Ｂｉと固体潤滑剤は非焼付性、耐摩耗性および耐疲労性に影響を及ぼす。実施例品１と比較例品２とを対比すると、Ｂｉと固体潤滑剤の含有量が少ない比較例品２は、実施例品１に比べ、非焼付性および耐摩耗性に劣る。また、実施例品１と比較例品３とを対比すると、Ｂｉと固体潤滑剤の含有量が多い比較例品３は、実施例品１に比べ、耐摩耗性および耐疲労性に劣っている。このようにＢｉと固体潤滑剤は多くても、少なくても非焼付性、耐摩耗性および耐疲労性を低下させる。
【００２８】
▲２▼体積比
実施例品１と比較例品４とを対比すると、Ｂｉと固体潤滑剤との体積比  （Ｂｉの体積／固体潤滑剤の体積）の小さい比較例品４は、引張強さが低く、耐疲労性に劣る。また、実施例品１と比較例品５とを対比すると、Ｂｉと固体潤滑剤との体積比の大きい比較例品５は、引張強さおよび耐疲労性については実施例品１と同等で、非焼付性、耐摩耗性において劣る。
【００２９】
このようにＢｉと固体潤滑剤との体積比は、引張強さ、非焼付性、耐摩耗性および耐疲労性に影響を及ぼす。図２はＳｎ１０質量％で、Ｂｉと固体潤滑剤との合計量が１０体積％となるように調合された材料において、Ｂｉと固体潤滑剤との体積比を種々変えて引張試験と焼付試験を実施した結果の傾向を示すもので、同図から体積比が０．５未満では引張強さにおいて劣り、体積比が２を越えると非焼付性の低下が著しい。このため、Ｂｉと固体潤滑剤との体積比は０．５〜２．０が好ましい。
【００３０】
▲３▼Ｂｉと固体潤滑剤の作用の考察
以上のようにＢｉと固体潤滑剤の含有量、その体積比は摺動特性に影響を及ぼす。ＢｉはＰｂと同じ程度の低融点金属であるから、焼結時に液相となって銅合金粉末の境界部分に浸入し、銅合金粉末の焼結を促進する。このとき、液相となったＢｉは固体潤滑剤に吸収されるようになって外部への流出が防止され、銅合金粉末の結合に効果的に寄与する。以上のようなＢｉおよび固体潤滑剤の作用によって良好なる焼結性が得られる。なお、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｂｉ系合金であっても、焼結時には、その合金中からＢｉが溶け出して銅合金粉末の境界部に浸入するものである。
【００３１】
図１は各実施例品の焼結銅合金の組織を概略的に示したもので、Ｃｕマトリックスの境界にＢｉ相が存在している。また、図１には、Ｂｉ相中に固体潤滑剤が取り込まれている、という本発明の焼結銅合金組織の特徴が現れている。Ｂｉと固体潤滑剤の体積比を０．５〜２．０に定めると、このようにＢｉ相中に固体潤滑剤が取り込まれた組織が得られるのである。このＢｉ相中に固体潤滑剤が取り込まれた組織を得るに最も好ましい両者の体積比は１前後である。
【００３２】
固体潤滑剤はその潤滑性によって非焼付性を向上させる。しかし、固体潤滑剤が銅合金粉末間に単独で存在すると、これが巣のようになってＣｕ合金の強度を低下させ、更には相手材の摺動時に容易に脱落したりする。
【００３３】
ところが、本発明では、上述のように固体潤滑剤がＢｉ相中に取り込まれているので、固体潤滑剤によるＣｕ合金の強度低下を防止でき、相手材との摺動時に固体潤滑剤が簡単に脱落することがなく、また、摺動による高温化で固体潤滑剤がＢｉの摺動面への過度な流出を防止し、耐摩耗性に優れたものとなる。以上のようなＢｉおよび固体潤滑剤の相互作用によって優れた性能を発揮する。
【００３４】
耐摩耗性については、Ｂｉもその向上に寄与する。実施例品１と比較例品６とを対比すると、Ｂｉに代えてＰｂを使用した比較例品６は摩耗量が多く、ＢｉはＰｂに比べて耐摩耗性の向上に寄与している。
【００３５】
（Ｃｕめっきについて）
鋼板と焼結銅合金との境界に存在すると、Ｃｕめっき層を有する実施例品１１とＣｕめっき層のない実施例品１との対比から明らかなように、実施例品１の方が接着剪断強さが大きい。
【００３６】
（Ｐ、Ｃｏについて）
Ｐ、Ｃｏは引張強さの向上に寄与する。Ｐを含む実施例品２およびＣｏを含む実施例品１０は、Ｐ、Ｃｏを含まない実施例品１に比べ、引張強さが大きい。また、最終圧延を実施した実施例品１と非実施の実施例品９の引張強さを比較すると、実施例品１の方が強く、最終圧延によって生ずる加工硬化による引張強さの向上も期待できる。
以上のように本発明はＰｂを用いずに、鉛青銅系の焼結銅合金と同等、或いはそれ以上の優れた摺動特性を有する上、機械的強度にも優れた銅系複層摺動材料を提供上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の焼結銅合金組織の概略を示す断面図
【図２】Ｂｉと固体潤滑剤との体積比と焼結銅合金の引張強さ、焼付面圧との関係を示すグラフ
【図１】
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【図２】
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