JP2001107106A - 銅系焼結摺動材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来と同等以上の耐摩耗性と耐焼付性を有
し、従来材に優る高強度を有する銅系焼結摺動材料を提
供する。 【解決手段】 本発明の銅系焼結摺動材料は、裏金鋼板
３の片面に銅を主成分とする原料粉末が焼結された銅系
焼結層２が接合された摺動材料において、銅系焼結層２
が、粒径１０〜６０μｍで１〜５重量％のＭｏおよびま
たはＷと、０．４重量％以下のＰと、１２重量％以下の
Ｓｎとを含み、残部は実質的にＣｕよりなるようにし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、銅系焼結摺動材料
に係わり、特に、内燃機関用すべり軸受に好適な銅系焼
結摺動材料に係わる。

【０００２】

【従来の技術】従来の銅系焼結摺動材料は、組成として
燐青銅鋳物ＪＩＳ５１１３、軸受用銅鉛合金鋳物Ｈ５４
０３、鉛青銅鋳物Ｈ５１１５に記載されている０〜４０
重量％のＰｂ、０〜１１重量％のＳｎ、０〜２重量％の
ＮｉまたはＡｇを含み、残部はＣｕよりなる銅合金粉末
を鋼板上に焼結し、銅焼結合金の軸受層としたものが一
般的である。

【０００３】内燃機関用銅系焼結摺動材料の殆どはＰｂ
を１０〜３０重量％含み、さらに、連接棒の大端部軸受
や主軸受は軸受表面にＰｂ系のオーバーレイメッキを施
している。

【０００４】近年の内燃機関では軸受は高温雰囲気と高
面圧で使用され、潤滑油は低粘度化される傾向にあり、
軸と軸受面が直接接触するようになると軸受層表面付近
のＰｂが溶出しやすく軸受層中に空隙が生じ強度が低下
し、運転中に軸受にかかる負荷により座屈して疲労や焼
付が起りやすくなるという問題がある。この問題を解消
するため銅焼結合金から潤滑性に富むＰｂを単純に除い
た場合には、焼付が起りやすくなってしまうという問題
がある。

【０００５】こうした問題を解決するため、本出願人が
先に出願した特願平１０−２７５０２０号の発明は、１
〜２０重量％のＭｏおよびまたはＷと０．５〜２０重量
％のＢｉとを含み、残部をＣｕの組成としており、さら
に、０．４重量％以下のＰ、１２重量％以下のＳｎ、１
０重量％以下のＮｉおよび、５重量％以下のＡｇの１種
あるいは少なくとも２種を含むことを特徴としている。

【０００６】しかし、最近の内燃機関は軽量化や低摩擦
化のために、軸受面積は減少させられる傾向にあり、前
記特願平１０−２７５０２０号の銅系焼結摺動材料より
高負荷に耐えられる摺動材料も要求されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題に
鑑みてなされたものであって、従来と同等以上の耐摩耗
性と耐焼付性を有し、従来材に優る高強度を有する銅系
焼結摺動材料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】本発明の銅系焼結摺動材
料は、裏金鋼板の片面に銅を主成分とする原料粉末が焼
結された銅系焼結層が接合された摺動材料において、前
記銅系焼結層が、粒径１０〜６０μｍで１〜５重量％の
ＭｏおよびまたはＷと、０．４重量％以下のＰと、１２
重量％以下のＳｎとを含み、残部は実質的にＣｕよりな
ることを特徴とする。

【０００８】また、前記銅系焼結層は、粒径１０〜６０
μｍで１〜５重量％のＭｏおよびまたはＷと、０．４重
量％以下のＰと、１２重量％以下のＳｎとを含み、さら
に、１０重量％以下のＮｉを含むことを特徴とする。

【０００９】また、前記銅系焼結層は、粒径１０〜６０
μｍで１〜５重量％のＭｏおよびまたはＷと、０．４重
量％以下のＰと、１２重量％以下のＳｎとを含み、さら
に、５重量％以下のＡｇを含むことを特徴とする。

【００１０】また、前記銅系焼結層は、粒径１０〜６０
μｍで１〜５重量％のＭｏおよびまたはＷと、０．４重
量％以下のＰと、１２重量％以下のＳｎとを含み、さら
に、５重量％以下のＰｂを含むことを特徴とする。

【００１１】また、前記銅系焼結層は、粒径１０〜６０
μｍで１〜５重量％のＭｏおよびまたはＷと、０．４重
量％以下のＰと、１２重量％以下のＳｎとを含み、さら
に、５重量％以下のＢｉを含むことを特徴とする。

【００１２】さらに、前記銅系焼結層は、粒径１０〜６
０μｍで１〜５重量％のＭｏおよびまたはＷと、０．４
重量％以下のＰと、１２重量％以下のＳｎとを含み、さ
らに、１０重量％以下のＮｉ、５重量％以下のＡｇ、５
重量％以下のＰｂ、５重量％以下のＢｉのうち少なくと
も２種を含むことを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。

【００１４】図１は本発明に係わる銅系焼結摺動材料の
断面を模式的に示したものである。１はＭｏやＷを示
し、２は銅系焼結層を示し、３は裏金鋼板を示す。

【００１５】従来の銅軸受合金軸受から単純にＰｂを除
いた組成では耐焼付性が不足し、また、潤滑成分として
一般的な固体潤滑剤であるＭｏＳ２やＷＳ２や黒鉛など
を含有させることで内燃機関用すべり軸受として満足す
る潤滑性を確保しようとすると、２０体積％以上を必要
とするので銅軸受合金の強度が低くなり、最近の高負荷
用軸受として成立しない。

【００１６】このため、銅系焼結層２中に金属として分
散焼結させ、内燃機関の軸受として充分な強度を持たせ
ることができ、内燃機関の運転時に潤滑油中に添加され
ているＳ系添加剤と反応して表面に硫化膜が形成される
と潤滑性を持つＭｏやＷを含有させることとした。

【００１７】ＭｏやＷに限定する理由は、ＭｏやＷ以外
の金属上に形成された硫化膜はその被膜に潤滑性があっ
たとしても摩耗により容易に消失するため耐久性のある
潤滑膜とはならないが、ＭｏやＷ上ではいかなる硫化膜
でも潤滑膜としての効果があり、かつ、他の金属上の硫
化膜よりも耐久性が高いからである。

【００１８】ＭｏやＷの粒径を１０〜６０μｍに限定す
る理由は、ＭｏやＷの粉末を銅粉末に混合後焼結する場
合、粉末混合時に１０μｍ未満のＭｏやＷの粉末では、
微粉でありすぎるため凝集しやすく、また、粉末の数が
多くなるためＭｏやＷの粉末同士が接触する頻度が多く
なるからである。

【００１９】焼結は銅系焼結層２が適正に焼結される温
度で行い、銅粉末同士と、銅粉末とＭｏやＷとの焼結は
問題ないが、ＭｏやＷの粉末同士は単に接触している状
態であり焼結は起こらず、焼結層の強度を下げ、また、
軸受運転時に軸受表面よりＭｏやＷが脱落しやすく、軸
受としての潤滑性も充分ではない。

【００２０】粒径が６０μｍを超えるＭｏやＷは、銅系
焼結層２にまばらに点在する状態となり潤滑性能が充分
でなく、さらに、軸受運転開始直後の初期摩耗状態時に
は軸受表面に露出するＭｏやＷの表面に充分な硫化膜が
形成されていないが、この状態で大きい粒径で点在する
ＭｏやＷと相手軸表面が接触すると、軸表面に傷ができ
やすく、初期なじみの完了を遅らせる。

【００２１】本発明の銅系焼結摺動材料は、粒径１０〜
６０μｍのＭｏやＷを銅系焼結層２に均一に分散させ
て、焼結合金強度や潤滑性能に不利な１０μｍ未満と６
０μｍを超えるＭｏやＷを含まないことを特徴の１つと
する。

【００２２】このためＭｏやＷの含有量を１〜５重量％
に減少でき、さらに、なじみ性が向上したために、初期
なじみのために必要であったＢｉなどの潤滑成分含有量
を全く含有しなくても、あるいは、含有する場合でも最
小限の量で従来と同等以上の潤滑性能を持つことができ
る。

【００２３】さらに、１０μｍ未満のＭｏやＷを含まな
いこととＭｏやＷの含有量を少なくすることができるこ
とと、Ｂｉなどの潤滑成分を全く含まないか減少させる
ことができることと、ＭｏやＷの粉末の銅系焼結層２へ
のより均一な分散により、従来以上に銅系焼結層２の強
度を向上させることができる。

【００２４】ＭｏやＷの含有量が１重量％未満では潤滑
性が不十分となり、５重量％を超えると銅系焼結層２の
強度が最近の高負荷内燃機関用すべり軸受として不充分
となる。

【００２５】ＰとＳｎは同時添加することで微細なＰ−
Ｓｎの各種化合物を銅系焼結層２中に形成して強化する
ために添加するが、Ｐで０．４重量％、Ｓｎで１２重量
％を超えると銅系焼結層２は脆くなりすぎる。Ｐと化合
物とならないＳｎは、Ｃｕと合金化して青銅となり、耐
食性も良好となる。少なくとも、Ｐは０．０１重量％以
上、Ｓｎは０．１重量％以上添加するのが望ましい。

【００２６】Ｎｉは銅系焼結層２の強化と耐腐食性を向
上させるために添加するが、１０重量％を超えると銅系
焼結層２は脆くなりすぎる。

【００２７】Ａｇは銅系焼結層２の強化と耐腐食性を向
上させるために添加するが、５重量％を超えると銅系焼
結層２は脆くなりすぎる。

【００２８】Ｐｂは銅系焼結層２のなじみ性を向上させ
るために添加するが、５重量％を超えると銅系焼結層２
は脆くなりすぎる。

【００２９】Ｂｉは銅系焼結層２のなじみ性を向上させ
るために添加するが、５重量％を超えると銅系焼結層２
は脆くなりすぎる。

【００３０】さらに、運転初期のなじみ性を向上させる
ために、本発明の銅系焼結摺動材料の銅合金表面に通常
のオーバーレイ層を被覆することもできる。つまり、Ｓ
ｎを必須とし、Ｉｎ、Ｃｕ、Ｐｂから選ばれた１種以上
からなる組成のオーバーレイ層付とすることができる。

【００３１】次に、本発明の銅系焼結摺動材料の実施例
の試料につき行った摩耗試験、焼付試験と疲労試験につ
いて説明する。試料はアトマイズ法により製造した銅合
金粉末（−６０メッシュ）に、粒径１０〜６０μｍのＭ
ｏやＷの粉末を１〜５重量％混合後、裏金鋼板３上に１
ｍｍ厚さで散布し、温度８００〜９００℃の還元性雰囲
気下で１５〜３０分間焼結後、ロールで冷間圧延を施
し、再び、同一条件で焼結後、冷間圧延を施し銅焼結摺
動材料を製造する。

【００３２】表１は、試料Ｎｏ．１〜２９の組成と試験
結果を示す。試料Ｎｏ．１〜１８は本発明の実施例であ
り、試料Ｎｏ．１９〜２９は比較例である。試料Ｎｏ．
１〜１８、２３、２４、２８、２９は表１に示した組成
のうちＭｏやＷを除く銅合金粉末（−６０メッシュ）を
アトマイズ法により製造し、粒径が１０〜６０μｍのＭ
ｏやＷを１〜５重量％混合後、試料Ｎｏ．２３、２４は
本発明範囲外でありＭｏ０．５重量％と７．５重量％を
それぞれ混合後、上記焼結方法で銅合金焼結摺動材料を
製造したものである。

【００３３】試料Ｎｏ．２０〜２２、２５〜２７は表１
に示した組成の銅合金粉末（−６０メッシュ）をアトマ
イズにより製造し、粒径が１００μ以下で６０μｍを超
えるものを２０重量％含むＭｏやＷの粉末を１〜５重量
％混合後、上記焼結方法で銅合金焼結摺動材料を製造し
たものである。

【００３４】試験供試品の形状は摩耗試験と焼付試験は
平板であり、疲労試験は半割軸受形状である。

【００３５】今回実施した摩耗試験条件は以下である。 １．試験機 円筒平板型摩擦摩耗試験機 ２．すべり速度 ６０ｍ／ｍｉｎ． ３．荷重 ２００ｋｇｆ ４．潤滑油 １０Ｗ−３０ ５．油温 １２０℃ ６．潤滑法 油浴 ７．相手軸 Ｓ５５Ｃ 粗さ０．２Ｒａ ８．試験時間 １２０分 今回実施した焼付試験条件は以下である。 １．試験機 円筒平板型摩擦摩耗試験機 ２．すべり速度 ６０ｍ／ｍｉｎ． ３．荷重 １０ｋｇｆ／１０分間毎 累積 ４．潤滑油 １０Ｗ−３０ ５．油温 １２０℃ ６．潤滑法 油浴 ７．相手軸 Ｓ５５Ｃ 粗さ０．２Ｒａ ８．焼付判断基準 摩擦面背面温度２００℃以上 今回実施した疲労試験条件は以下である。 １．試験機 アンダーウッド試験機 ２．回転数 ３５００ｒｐｍ ３．面圧 ９００ｋｇｆ／ｃｍ^２ ４．潤滑油 １０Ｗ−３０ ５．油温 １５０℃ ６．潤滑法 強制給油 ７．相手軸 Ｓ５５Ｃ 粗さ０．０８Ｒａ ８．疲労性評価 軸受合金に割れが発生せず、正常
な状態を維持できた耐久時間 試料Ｎｏ．１〜２９の摩耗試験、焼付試験、疲労試験の
結果は表１の右側欄に示す。本発明の実施例の試料Ｎ
ｏ．１〜１８は従来の内燃機関に使用されている比較例
の試料Ｎｏ．１９と比較すると耐摩耗性、耐焼付性、耐
疲労性共に優れていることが判る。ＭｏやＷの含有量を
１〜５重量％とし、粒径１０〜６０μｍとした本発明の
効果は実施例の試料Ｎｏ．１、２、３と比較例の試料Ｎ
ｏ．２０〜２２との各同一組成の銅系焼結層２で比較す
ると明確であり、耐摩耗性、耐焼付性、耐疲労性共に発
明実施例の試料の方が優れている。Ｍｏ添加量が本発明
の範囲外である比較例の試料Ｎｏ．２３と２４を本発明
実施例の試料Ｎｏ．２と３を各々比較すると、実施例の
試料の方が耐摩耗性、耐焼付性、耐疲労性とも優れてい
ることが判る。ＰとＳｎを同時に添加し銅系焼結層２を
強化した本発明の効果は、ＰやＳｎを単独で添加した比
較例の試料Ｎｏ．２８、２９と実施例の試料Ｎｏ．４と
の比較により耐摩耗性、耐疲労性に優れていることが判
る。さらに、実施例の試料Ｎｏ．１７と比較例の試料Ｎ
ｏ．２７との比較により、なじみ性向上のために添加し
たＢｉの添加量を減少させても、同等以上の耐焼付性を
確保し、耐摩耗性、耐疲労性は優れていることが判る。
Ｎｉ、Ａｇの添加効果は、Ｎｉ、Ａｇを含まない比較例
の試料Ｎｏ．２１と実施例の試料Ｎｏ．７、８、９、１
３、１４、１５との比較により耐摩耗性、耐焼付性、耐
疲労性共優れていることが判る。Ｂｉ、Ｐｂの添加効果
は、Ｂｉ、Ｐｂを含まない実施例の試料Ｎｏ．７、１３
と実施例の試料Ｎｏ．１０、１１、１６、１７との比較
により耐摩耗性、耐疲労性は若干劣るものの耐焼付性に
優れていることが判る。実施例の試料の試料Ｎｏ．１
０、１１、１６、１７と従来の内燃機関に使用されてい
る比較例の試料Ｎｏ．１９との比較により、本発明の銅
系焼結摺動材料は、Ｂｉ、Ｐｂを含有させ強度を若干犠
牲にしてなじみ性を向上させる場合でも、従来材よりも
耐摩耗性、耐焼付性、耐疲労性に優れていることが判
る。本発明の銅系焼結摺動材料は、添加するＭｏやＷを
１０〜６０μｍとした効果によりその添加量を１〜５重
量％に減らしても潤滑性に優れ、また、なじみ性のため
に必要であったＢｉ、Ｐｂの含有量を全く無くするか減
少させても初期なじみが早期に完了し、使用時の摩耗量
を減少させると共に耐疲労性も向上できることが判る。
また、早期に軸受面と軸とのなじみが完了するため、摩
擦が安定するのでなじみ性向上のためにＢｉやＰｂを含
有する場合でも摩擦熱による銅系焼結層２中からのＢｉ
やＰｂの溶出は殆ど無かった。

【発明の効果】本発明の銅系焼結摺動材料は、裏金鋼板
の片面に銅を主成分とする原料粉末が焼結された銅系焼
結層が接合された摺動材料において、銅系焼結層が、粒
径１０〜６０μｍで１〜５重量％のＭｏおよびまたはＷ
と、０．４重量％以下のＰと、１２重量％以下のＳｎと
を含み、残部は実質的にＣｕよりなるようにしたため、
従来と同等以上の耐摩耗性と耐焼付性、そして従来以上
の耐疲労性を有する。また、銅系焼結層は、粒径１０〜
６０μｍで１〜５重量％のＭｏおよびまたはＷと、０．
４重量％以下のＰと、１２重量％以下のＳｎとを含み、
さらに、１０重量％以下のＮｉを含むようにしたため、
銅系焼結層の強化と耐腐食性を確実に向上させることが
できる。また、銅系焼結層は、粒径１０〜６０μｍで１
〜５重量％のＭｏおよびまたはＷと、０．４重量％以下
のＰと、１２重量％以下のＳｎとを含み、さらに、５重
量％以下のＡｇを含むようにしたため、銅系焼結層の強
化と耐腐食性を確実に向上させることができる。また、
銅系焼結層は、粒径１０〜６０μｍで１〜５重量％のＭ
ｏおよびまたはＷと、０．４重量％以下のＰと、１２重
量％以下のＳｎとを含み、さらに、５重量％以下のＰｂ
を含むようにしたため、銅系焼結層のなじみ性を確実に
向上させることができる。また、銅系焼結層は、粒径１
０〜６０μｍで１〜５重量％のＭｏおよびまたはＷと、
０．４重量％以下のＰと、１２重量％以下のＳｎとを含
み、さらに、５重量％以下のＢｉを含むようにしたた
め、銅系焼結層のなじみ性を確実に向上させることがで
きる。さらに、銅系焼結層は、粒径１０〜６０μｍで１
〜５重量％のＭｏおよびまたはＷと、０．４重量％以下
のＰと、１２重量％以下のＳｎとを含み、さらに、１０
重量％以下のＮｉ、５重量％以下のＡｇ、５重量％以下
のＰｂ、５重量％以下のＢｉのうち少なくとも２種を含
むようにしたため、各種性能を確実に向上させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる銅系焼結摺動材料の断面を模式
的に示したものである。

【符号の説明】

１ Ｍｏ、Ｗ ２ 銅系焼結層 ３ 裏金鋼板

【表１】

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 裏金鋼板の片面に銅を主成分とする原料
   粉末が焼結された銅系焼結層が接合された摺動材料にお
   いて、前記銅系焼結層は、粒径１０〜６０μｍで１〜５
   重量％のＭｏおよびまたはＷと、０．４重量％以下のＰ
   と、１２重量％以下のＳｎとを含み、残部は実質的にＣ
   ｕよりなることを特徴とする銅系焼結摺動材料。
2. 【請求項２】 前記銅系焼結層は、粒径１０〜６０μｍ
   で１〜５重量％のＭｏおよびまたはＷと、０．４重量％
   以下のＰと、１２重量％以下のＳｎとを含み、さらに、
   １０重量％以下のＮｉを含むことを特徴とする請求項１
   に記載の銅系焼結摺動材料。
3. 【請求項３】 前記銅系焼結層は、粒径１０〜６０μｍ
   で１〜５重量％のＭｏおよびまたはＷと、０．４重量％
   以下のＰと、１２重量％以下のＳｎとを含み、さらに、
   ５重量％以下のＡｇを含むことを特徴とする請求項１に
   記載の銅系焼結摺動材料。
4. 【請求項４】 前記銅系焼結層は、粒径１０〜６０μｍ
   で１〜５重量％のＭｏおよびまたはＷと、０．４重量％
   以下のＰと、１２重量％以下のＳｎとを含み、さらに、
   ５重量％以下のＰｂを含むことを特徴とする請求項１に
   記載の銅系焼結摺動材料。
5. 【請求項５】 前記銅系焼結層は、粒径１０〜６０μｍ
   で１〜５重量％のＭｏおよびまたはＷと、０．４重量％
   以下のＰと、１２重量％以下のＳｎとを含み、さらに、
   ５重量％以下のＢｉを含むことを特徴とする請求項１に
   記載の銅系焼結摺動材料。
6. 【請求項６】 前記銅系焼結層は、粒径１０〜６０μｍ
   で１〜５重量％のＭｏおよびまたはＷと、０．４重量％
   以下のＰと、１２重量％以下のＳｎとを含み、さらに、
   １０重量％以下のＮｉ、５重量％以下のＡｇ、５重量％
   以下のＰｂ、５重量％以下のＢｉのうち少なくとも２種
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の銅系焼結摺動
   材料。