(57)【要約】【課題】従来よりも摺動性が良好な摺動部材用銅合金を提供する。【解決手段】Ｓｎを３．０質量％以上１６．０質量％以下、Ｓを３．０質量％以上１５．０質量％以下含有し、残分が銅と不可避的不純物であるようにする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｎを３．０質量％以上１６．０質量％以下、Ｓを３．０質量％以上１５．０質量％以下含有し、残分が銅と不可避的不純物である摺動部材用銅合金。
【請求項２】
Ｓｎを３．０質量％以上１６．０質量％以下、Ｓを３．０質量％以上１５．０質量％以下、Ｆｅを検出限界以上１５．０質量％以下含有し、残分が銅と不可避的不純物である摺動部材用銅合金。
【請求項３】
Ｓｎを３．０質量％以上１６．０質量％以下、Ｓを３．０質量％以上１５．０質量％以下、Ｐを検出限界以上０．３質量％以下含有し、残分が銅と不可避的不純物である摺動部材用銅合金。
【請求項４】
Ｓｎを３．０質量％以上１６．０質量％以下、Ｓを３．０質量％以上１５．０質量％以下、Ｆｅを検出限界以上１５．０質量％以下、Ｐを検出限界以上０．３質量％以下含有し、残分が銅と不可避的不純物である摺動部材用銅合金。
【請求項５】
Ｓｎを３．０質量％以上１６．０質量％以下、Ｓを３．０質量％以上１５．０質量％以下含有する摺動部材用銅合金の製造方法であって、
Ｓｎを含有する銅合金粉末と、硫化銅及び硫化鉄、硫化錫の硫化物の粉末並びに単体硫黄の粉末の内１種又は２種以上とを混合して、焼結して一体となった摺動部材用銅合金を得ることを特徴とする摺動部材用銅合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、摺動部材の摺動面に用いる銅合金に関する。特に、鉛を主な成分として含まない摺動部材用銅合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、軸受などの摺動部を有する摺動部材には、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いた。それらの合金では鉛が摺動性に大きく寄与し、良好な摺動特性が得られる。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、摺動部材用銅合金についての特許文献１には、実施例としてＦｅを０．３１〜３．４３質量％、Ｓを０．４２〜１．０４質量％、Ｓｎを５．１４〜１５．５４質量％、Ｐを０．０１２〜０．０２質量％以下含有し、残分が銅と不可避不純物である摺動部材の例が挙げられている。また同文献には比較例６として、Ｆｅを１２．１５質量％、Ｓｎを１０．２７質量％、Ｓを２．２１質量％、Ｐを０．０２８質量％含有し、残分が銅と不可避的不純物である銅合金が記載されている。ただしこの比較例６は、Ｆｅが多すぎるために摩耗性に問題がある試験結果となっている。
【０００４】
また、鉛フリー銅合金摺動材についての特許文献２には、比較例３として、Ｓｎを５質量％、ＭｏＳ２を５質量％、ＣｕＳを０．７５質量％、ＭｏＯ３を１．５質量％含有し、Ｐｂを含有しない銅合金が示されている。この比較例３における各元素の含有量は、単純計算でＳが約２．２５質量％、Ｍｏが約４質量％、Ｏが約０．５質量％である。ただしこの比較例３は、Ｐｂを含有しないために焼き付きやすい試験結果となっている。
【０００５】
さらに、Ｐｂフリー銅合金複合摺動材についての特許文献３には、実施例１として、Ｓｎを５質量％、Ａｇを１質量％、ＣｕＳを１質量％含有する銅合金が示されている。これに含まれるＳの含有量は単純計算で約０．３３質量％となる。
【０００６】
なお、銅合金管についての特許文献４には、Ｓｎに加えてＳを５〜２５ｐｐｍ含む銅合金が開示されている。この文献の実施例には、それぞれの元素を質量％で示す表１−１で成分が記載されている中に、Ｓを５〜８５単位含む旨の記載がある。しかしこれは明細書［００１９］にＳは０．０００５質量％以下との記載があることと、表中の上限値から、％ではなくｐｐｍ単位であることが自明である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４６５８２６９号
【特許文献２】特許第４４２７４１０号
【特許文献３】特許第４７５７４６０号
【特許文献４】特開２０１３−１８９６６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１及び３の実施例に示された各種銅合金は、いずれも一定の摺動性を発揮するものの、実用上はさらに優れた摺動性を発揮する銅合金が求められるようになった。
【０００９】
また、特許文献２に示された銅合金では、ＭｏＳ２を含有することで摺動性を発揮するものであり、Ｍｏの存在を前提とする。しかし、ＭｏはＦｅやＣｕ、Ｓｎに比べて比較的高価であり、これを含まない低コストでの銅合金が求められている。
【００１０】
さらに、特許文献４に記載の銅合金は、Ｓの含有量が特許文献１〜３に記載の銅合金と較べて極端に少なく、事実上摺動性能を発揮できるものではなかった。
【００１１】
そこでこの発明は、余分な元素を含まずに従来よりも摺動性が良好な摺動部材用銅合金を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
Ｓｎを３．０質量％以上、１６．０質量％以下、Ｓを３．０質量％以上１５．０質量％以下含有し、残分が銅と不可避的不純物である摺動部材用銅合金により、上記の課題を解決したのである。
【００１３】
すなわち、この発明にかかる摺動部材用銅合金の特徴は、Ｓｎを適量に調整するとともにＳの含有量を従来の常識よりも極端に高くすることにある。
【発明の効果】
【００１４】
この発明により、合金の製造に必要なコストを低廉にしたままで従来の摺動部材用銅合金よりもさらに高い摺動性能を発揮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例で用いるボールオンディスク試験の構成図
【図２】保持具の概略図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、この発明について詳細に説明する。この発明は、摺動部材の摺動面に用いられる摺動部材用銅合金である。
【００１７】
この発明にかかる摺動部材用銅合金は、Ｓｎを３．０質量％以上含有することが必要である。Ｓｎは銅合金のマトリックス強度を向上させ、耐摩耗性と耐食性とを向上させ、かつ、摺動特性を良好に保つ効果があるが、３．０質量％未満ではこれらの効果が不十分となってしまう。一方で、Ｓｎの含有量は１６．０質量％以下である必要がある。１６．０質量％を超えると、相手材を著しく摩耗させてしまい、良好な摺動特性が得られなくなる可能性がある。
【００１８】
上記摺動部材用銅合金は、Ｓを３．０質量％以上含有することが必要であり、４質量％以上であると好ましく、５質量％以上であるとより好ましい。銅合金中ではＳはＣｕやＦｅ（含有する場合）と結合した硫化物として存在しており、これら硫化物が摺動性に寄与する。本発明にかかる上記摺動部材用銅合金では、Ｓを従来の常識で製造可能とされた範囲よりも多く含有させることで、合金中に占める硫化物の割合を従来は不適と判断された範囲に増加させて、よりよい摺動性を発揮できるようにした。一方、Ｓの含有量は１５．０質量％以下である必要があり、１４．０質量％以下であると好ましい。１５．０質量％を超えると、摺動部材として摺動性以外に求められる機械的性質に問題を生じやすくなるからである。
【００１９】
上記摺動部材用銅合金を製造する場合、単純に単体のＳを混合させて溶融させても製造することは難しいが、予めＳと他の元素とでＳの含有量が高い化合物を生成した後、この化合物を用いて銅合金を製造することで、従来よりも高い比率でＳを有する銅合金を得ることができる。具体的には例えば、Ｓを多く含む銅合金の溶湯を噴霧急速冷却させて、Ｓを多く含有するアトマイズ粉末を得て、このアトマイズ粉末を焼結して製造する方法や、銅合金の粉末（Ｓを含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい）と、硫化銅や硫化鉄、硫化錫などの硫化物の粉末若しくは単体硫黄の粉末、又はそれらを二種以上混合した粉末とを混合した後、この混合粉末を焼結して製造する方法などが挙げられる。ただし、製造方法はこれらに限定されるものではなく、全体に占めるＳの含有量が３．０質量％を超えても銅合金として製造できればよい。
【００２０】
上記摺動部材用銅合金は、Ｆｅを含有してもよい。ＦｅはＣｕと共に硫化物を形成し、摺動性に寄与する。検出限界以上であれば僅かずつでも効果を発揮すると考えられるが、この摺動性への寄与効果を十分に発揮させるためには、Ｆｅを０．３質量％以上含有すると好ましく、０．５質量％以上含有するとより好ましい。一方、Ｆｅを１５．０質量％を超えて含有すると、摺動部材としての性能が大きく低下するおそれがあるため、１５．０質量％以下であると好ましく、１４．０質量％以下であるとより好ましい。
【００２１】
上記摺動部材用銅合金は、Ｐを含有してもよい。Ｐを検出限界以上に含有すると、その量に応じて銅合金溶湯を脱酸させる効果を発揮する。さらに、アトマイズ法で生成させた粉末を焼結する場合、互いに焼結する粉末の粒子同士の境界に存在する不純物が脱酸によって減少すると、焼結の際に障害が少なくなるので、焼結密度を向上させる効果が発揮される。これらの効果を十分に発揮させるには、０．０１質量％以上含有するとよい。一方、０．３質量％を超えて含有すると、摺動部材としての性能を阻害するおそれがあるため、０．３質量％以下であると好ましい。
【００２２】
上記摺動部材用銅合金は、上記の元素以外は銅と不可避不純物であるとよい。上記不可避不純物として含有される元素の含有量は少ないほど好ましい。このような元素としては、例えば、Ｍｏなどが挙げられる。
【実施例】
【００２３】
（実施例１）
Ｓｎが１０質量％、Ｓが４．２質量％、Ｆｅが３．２質量％、Ｐが０．０２質量％、残部が銅と不可避不純物となるように調整し、アトマイズ法により生成した粉末を、鋼板上に散布した。この鋼板を粉末ごと、８５０℃にて２０分間かけて一次焼結を行った。一次焼結後の鋼板を圧延機で圧延した後、８５０℃で１０分間かけて二次焼結を行った。なお、二次焼結後における銅合金層の厚さは、アトマイズ法により生成した粉末の散布厚さに対して、６５％であった。この二次焼結後の銅合金表面を研磨して、鏡面状態に仕上げたものを試験材とする。
【００２４】
この試験材からなるディスク１１に対して、3ball on disc試験を行った。具体的な試験の概略図を図１及び図２に示す。相手材となる高炭素クロム軸受鋼鋼材（SUJ2)製のボール１２を３つ、直径３３．５ｍｍの円上に、１２０度の角度に均等配置するように保持具１３のボール穴１３ａにセットする。このボール１２がディスク１１に対する接触面がφ１．５ｍｍとなるように調整し、面圧１．９ＭＰａとなる荷重を掛け、ボールの摺動速度が１ｍ／ｓとなるように回転させた。特に潤滑油は使用しない。ディスク面が焼き付くまでの速度を測定し、焼き付かない場合は１０００ｍで完走としたところ、二度の試験でいずれも完走した。
【００２５】
【表１】
2017082328.tif 000002
【００２６】
（比較例１）
Ｓｎが１０質量％、Ｓが０．６質量％、Ｆｅが０．１質量％、Ｐが０．０２質量％、残部が銅と不可避不純物となるように調整した銅合金の板を鋳造した。この銅合金板の表面を鏡面状態に仕上げたものを試験材とし、実施例１と同様に3ball on disc試験を二度行ったところ、平均焼き付き距離は４４．５ｍとなり、早々に焼き付いてしまった。
【００２７】
（比較例２）
Ｓｎが１０質量％、Ｐが０．２質量％、残部が銅と不可避不純物となるように調整した銅合金の板を鋳造した。この銅合金板の表面を鏡面状態に仕上げたものを試験材とし、実施例１と同様に3ball on disc試験を二度行ったところ、平均焼き付き距離は１８ｍとなり、早々に焼き付いてしまった。
【００２８】
（実施例２）
Ｓｎが１０．１質量％、Ｓが３．５質量％、Ｆｅが３．５質量％、残部が銅と不可避不純物となるように調整した以外は、実施例１と同様の手順により試験材を得た。3ball on disc試験にあたっては、概略図は図１及び図２の通りであり、実施例１と同様である。ただし、潤滑油が存在する環境での性能を確認するため、ボール１２がディスク１１に対する接触面がφ１．０ｍｍとなるように調整し、摩擦速度２．０ｍ／ｓ、摩擦距離１００ｍの条件で、潤滑油は基油を使用して事前にディスク１１のボール１２と接触する箇所に１．０ｇ塗布して、摩擦試験を行った。
【００２９】
【表２】
2017082328.tif 000003
【００３０】
まず、面圧８．４ＭＰａ、及び、面圧１２．６ＭＰａでそれぞれ５００ｍ予備摺動させた後に、２０．９ＭＰａで２５０ｍ試験し、完走した場合は継続して２９．２ＭＰａで２５０ｍ試験し、完走した場合はさらに継続して３７．５ＭＰａで２５０ｍというように、２５０ｍ毎に約８．３ＭＰａずつ荷重を増加させて焼付きが発生するまで試験を実施し、焼付きが生じた面圧（ＭＰａ）と摺動距離（ｍ）で摺動性を評価した。結果を表２に示す。
【００３１】
（比較例３）
Ｓｎが１０．２質量％、Ｓが１．０質量％、Ｆｅが０．８質量％、Ｐが０．０３３質量％、残部が銅と不可避不純物となるように調整した以外は、実施例１、及び、２と同様の手順により試験材を得た。この試験材について、実施例２と同様に3ball on disc試験を行った結果を表２に示す。実施例２と比較例３を比較したところ、実施例２の方が大きく優れた摺動性能を発揮することが確認された。
【符号の説明】
【００３２】
１１  ディスク
１２  ボール
１３  保持具
１３ａ  ボール穴
１４  ディスク押さえ
１５  治具
【図１】
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【図２】
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