JP2023005976A

JP2023005976A - 複合摺動部品及びその製造方法

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Publication number: JP2023005976A
Application number: JP2021108311A
Authority: JP
Inventors: 克之舟木; Katsuyuki Funaki; 隆史明石; Takashi Akashi; 進弘中井; Nobuhiro Nakai; 一善大橋; Kazuyoshi Ohashi
Original assignee: AKASHI GODO KK; SAN-ETSU METALS CO Ltd; San Etsu Metals Co Ltd; Nippon Shindo Co Ltd
Current assignee: AKASHI GODO KK; SAN-ETSU METALS CO Ltd; San Etsu Metals Co Ltd; Nippon Shindo Co Ltd
Priority date: 2021-06-30
Filing date: 2021-06-30
Publication date: 2023-01-18
Anticipated expiration: 2041-06-30
Also published as: JP7649009B2

Abstract

【課題】鉄系材料の摺動面に耐摩耗性や耐焼き付き性に優れた高力黄銅合金層を形成した、鉄－銅系複合摺動部品及びその製造方法の提供を目的とする。
【解決手段】鉄系材料からなる本体部と、前記本体部の表面に形成したＺｎ－Ｆｅ系合金層と、前記合金層の表面に接合した耐摩耗性及び耐焼き付け性に優れた高力黄銅合金層を有していることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、鉄系材料の摺動面に耐摩耗性や耐焼き付き性に優れた高力黄銅合金層を形成した、鉄－銅系複合摺動部品及びその製造方法に関する。

従来、高荷重用途の軸受材やアキシャル・ピストン・ポンプの斜板やピストンシュー等の摺動部品には、繰り返し荷重に耐えうる高い疲労強度と耐摩耗性、耐焼き付き性が要求されることから、ＪＩＳＨ３２５０高力黄銅棒が使用されているが、近年の高速・高圧油圧ポンプではその強度が不十分であるため、強靭な鉄系材料と摩擦摩耗特性に優れた耐摩耗性高力黄銅合金を接合した複合摺動部材が使用される（特許文献１）。
油圧ピストンポンプの斜板やピストンシュー等の摺動部品に使用されている耐摩耗性高力黄銅合金としては、ＪＩＳの高力黄銅にアルミニウムやシリコンを添加して、高硬度のマンガンシリサイド（Ｍｎ_５Ｓｉ_３）を析出させたものが使用されている。

従来、鉄系材料に耐摩耗性高力黄銅合金を接合する場合には、次のいずれかの方法が用いられている。
１）ロウ付け
２）肉盛溶接
３）鋳ぐるみ
４）溶射
５）焼結接合
６）リン青銅やニッケルインサート材を使用した拡散接合
上記のような接合方法では、技術的に困難、コスト面や量産に不適、接合強度が低い等の問題がある。

特許文献１には、鉄系材料と耐摩耗性高力黄銅合金を接合する方法が開示されている。
特許文献１の接合方法では、何らインサート材を用いることなく、鉄系材料をフラックスで覆った、または真空等の方法で酸素を遮断した状態で加熱して、高温の鉄系材料と溶融状態の高力黄銅合金を直接接触させ、シャワー水冷により急冷することで接合界面での化合物層生成を抑制して接合している。
しかし、高温の鉄系材料をシャワー水冷するとマルテンサイト変態を生じて焼き入れされて高硬度になるため、高力黄銅合金の接合後に機械加工する際には６００℃程度の焼き戻しが必須となる。
しかし、鉄との親和性が高いＡｌやＳｉの合金元素は、焼き戻しにおいて鉄との化合物層を生成して接合強度を著しく低下させるので、機械加工を必要とする実部品への応用は極めて困難である。

特開平１１－５８０３４号公報

フラックスで覆った高温の鉄系材料と溶融状態の黄銅合金とを直接接触させる鋳込み溶着法は、普通黄銅では比較的容易な接合方法である。
しかし、アルミニウムやシリコンを添加した耐摩耗性高力黄銅合金の場合、接合界面でＦｅＡｌやＦｅＳｉ系の脆弱な金属間化合物膜を生成し、接合強度が著しく低下するという問題があり、この脆弱な膜状金属間化合物を発生させずに鉄系材料と高い接合強度を得ることが課題である。
したがって本発明は、鉄系材料と高力黄銅合金との接合強度に優れた複合摺動部品及びその製造方法の提供を目的とする。

本発明に係る複合摺動部品は、鉄系材料からなる本体部と、前記本体部の表面に形成したＺｎ－Ｆｅ系合金層と、前記合金層の表面に接合した耐摩耗性及び耐焼き付け性に優れた高力黄銅合金層を有していることを特徴とする。
このようにすると、従来鋳込み溶着で発生する脆弱なＦｅＡｌやＦｅＳｉ系の膜状金属間化合物を、本発明では金属間化合物と銅合金が３次元的に入り組んだ複合形態に変化させて脆弱性を改善し、接合強度の高い鉄系材料と耐摩耗性高力黄銅からなる複合摺動部品が得られる。

本発明を適用したピストンシューの例を図１に示す。
疲労耐久性の高いクロムモリブデン鋼製のシュー本体１の摺動面にマンガンとシリコンを含む耐摩耗の高力黄銅合金２を溶融接合している。
また、接合界面の金属組織には、ＦｅＳｉ系の柱状金属間化合物と銅合金が３次元的に入り組んだ接合層を有している。
シュー本体１は、球状部１２をピストン５の第一端部５１に形成した収容凹部３１に回転可能に収容し、カシメにより結合され、４０ＭＰａのピストン吐出の反力を受けながら、斜板４上を１０ｍ／ｓの高速で摺動する。
シュー表面の潤滑は、ピストン中心部に設けた第一流通孔３および第二流通孔３２によりピストン油圧の一部を導入し、環状突起２１でシールすることでピストンシュー表面の油圧バランスを保っている。

アキシャル・ピストン・ポンプのシューは、相手材となる浸炭鋼製の高硬度な斜板と高圧下での摺動性や耐摩耗性が要求されることから、Ａｌ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ等の成分が添加された高力黄銅合金が好ましいが、これらの溶融銅合金を高温の鉄系材料に直接接触させ、マルテンサイト変態を生じないように高圧エアー冷却を用いて溶着すると、接合面にＦｅ－Ｓｉ－Ｍｎ化合物等の脆弱な膜状析出物が発生して、接合面に剥離欠陥を生じ、著しく接合強度が低下することが本発明者らの検討により明らかになった。
また、ＡｌもＦｅとの親和性が高く、Ａｌ－Ｆｅ系の脆弱な金属間化合物層を接合面に析出することが知られている。

そこで本発明では、鉄系材料表面に亜鉛メッキを施すと、溶融銅合金との接触により銅合金中に亜鉛が溶け出し、接触面近傍における溶質濃度勾配が大きくなり、脆弱な金属間化合物が膜状ではなく、柱状晶として凝固成長することを見出した。
詳細は後述するが、図２（ａ）は鉄系材料からなる鉄素地に溶融亜鉛メッキをした上に、高力黄銅の溶湯を接触させたものであり、図２（ｂ）は溶融亜鉛メッキの替わりに電気Ｃｕメッキを施したものである。
柱状晶成長に十分な濃度勾配を生じさせるためには、亜鉛メッキの厚さは１５ミクロン以上であることが好ましく、例えば溶融亜鉛メッキでは、膜厚の大きな亜鉛メッキが容易に得られる。
ただし、亜鉛の膜厚が過大であると接触面近傍における黄銅合金の亜鉛当量が高くなりすぎて、δ銅が晶出して接合強度が低下することから、亜鉛メッキは３００ミクロン以下とすることが好ましい。

接合界面となる鉄素地表面をＺｎ－Ｆｅ系の合金層とすることで、Ｆｅ－Ｓｉ系化合物の不均一凝固核となる鉄の表面積が減少し、柱状晶成長するＦｅ－Ｓｉ系化合物の間隔は疎となる。
柱状晶の隙間が銅合金で満たされた金属と化合物の複合体は、接合界面で生成する金属間化合物の脆弱性を著しく改善し、高い接合強度が得られる。

一方、溶融亜鉛メッキは、メッキプロセス中に亜鉛が鉄素地中に拡散して、Ｚｎ－Ｆｅ系合金層を形成する。
特に、溶融亜鉛メッキ後に放冷すると合金層の厚さを増大できる。
また、Ｚｎ－Ｆｅ系合金層は、電気亜鉛メッキ後に３５０℃～５００℃で熱処理することでも得られるが、溶着工程においてフラックスが溶融する温度（８００℃以上）まで加熱することで得ることもできる。
Ｚｎ－Ｆｅ合金層のうち、ζ層と称される合金層の組成は、ＦｅＺｎ_１３と推定され、鉄と亜鉛の比較的結合性の低い合金層である。
溶融銅合金と接触して銅合金中に亜鉛が溶け出すと鉄のスケルトンが残り、この空隙に銅合金が濡れて侵入して、鉄と銅合金が３次元的に入り組んだ接合層が形成される。
図３（ａ）に、図２（ａ）の接合部の拡大写真を示し、図３（ｂ）にＣｕ－Ｋαの解析（分布）像を示す。
この接合層により接合強度が著しく改善され、鉄系材料と高力黄銅合金の接合品質が向上する。

溶融状態の高力黄銅合金と高温の鉄系材料を直接接触させれば、接触面から溶け出した鉄との親和力が高いＡｌ、Ｓｉ等の合金元素との脆弱な金属間化合物生成を避けられず、この金属間化合物が膜状に生成することで接合強度は著しく低下する。
本発明に係る摺動部品は、接合面に生成する金属間化合物を銅合金と化合物の複合体に変化させるとともに、鉄と銅合金が３次元的に入り組んだ接合層が形成されており、接合品質に優れる。

本発明に係る摺動部品ピストンシューの態様本発明を適用するアキシャル・ピストン・ポンプのシューの断面図を示す。本体と斜板との摺動面に高力黄銅合金層が形成されている。接合界面に生成する金属間化合物の形態を示した組織写真ａ）は鉄系材料の表面に直接高力黄銅を鋳込み溶着した接合面、ｂ）は本発明を適用した鉄系材料に高力黄銅を鋳込み溶着した接合面である。接合界面で生成する金属間化合物の形態に変化が見られる。銅合金が３次元的に入り組んだ接合層を示した走査電子顕微鏡写真ａ）は化合物層と接合層の拡大写真であり、ｂ）は同視野における銅の分布である。化合物層は銅と複合体を形成し、その下の鉄素地に鉄と銅が３次元的に入り組んだ接合層を確認することができる。鋳込み溶着の製造方法を示した図本実施例に用いた高力黄銅合金の成分を示した表せん断試験方法を示した図溶着性の評価結果を示した表

従来の硼砂等のフラックスで覆って大気中、または還元性雰囲気中や真空中で酸化しないように加熱した高温の鉄系材料にアルミニウムやシリコンを含む高力黄銅の溶湯を接触させて溶着すると、溶湯との接触面で鉄系の脆弱な化合物層を生じるため、接合強度が低く、摺動部品の使用中に剥離し易い。化合物層は膜状であり、黄銅合金の凝固後の冷却過程で拡散反応によって生成している。
従来、銅やニッケルをメッキして鉄の拡散を抑制しようとする試みもあるが、メッキが溶融黄銅合金と接触すると直ちに溶解し、黄銅合金の凝固後の冷却過程における化合物の生成を抑制することはできない。そのため、高力黄銅と鉄系材料の接合では、ロウ付けなどの方法で銅合金を溶かさずに、かつ高温の鉄と銅合金を直接接触させずに複合摺動部品を製造している。
これに対して、本発明は鋳込み溶着における化合物の生成を抑制するのではなく、生成する化合物の形態を変えて、接合性を向上させる新たな発想に基づいている。

高力黄銅合金中に含まれるシリコンやマンガンの量は、鉄系材料の間で生成する化合物層の厚さに関係し、本発明の実施では、高力黄銅合金の成分を以下全て質量％で、Ｍｎ：２．０～５．０％、Ｓｉ：０．５～２．０％とすることにより、鉄系材料と強力に接合する。
マンガンはシリコンと結合して、金属組織中にＭｎ_５Ｓｉ_３の針状金属間化合物を生成し、高力黄銅合金の耐摩耗性や耐焼き付き性を向上させる。
マンガンが２．０％よりも少ないと、耐摩耗性の向上に十分な針状金属間化合物が得られず、５．０％よりも多いと接合部に脆弱な金属間化合物層が生成し、接合強度が低下する。
また、シリコンが０．５％よりも少ないと、耐摩耗性の向上に十分な針状金属間化合物が得られず、２．０％よりも多いと接合部に脆弱な金属間化合物層が生成し、接合強度が低下する。

複合摺動部品に溶着する高力黄銅合金に求められる特性を得るため、この高力黄銅合金に添加するその他元素の選定理由と添加量の制限範囲については、次のとおりである。
Ｃｕ：５５．０～６５．０％
銅は合金の主成分で、６５．０％よりも多いと、高力黄銅合金としての引張強さや硬さ、耐摩耗性が得られない。また、５５．０％よりも少ないと黄銅合金の亜鉛当量が大きすぎて伸びが低下し、靭性が不足する。好ましくは、Ｃｕ：５８．０～６３．０％である。
Ａｌ：０．５～２．０％
本発明においてＡｌは必須成分ではないが、Ａｌは銅に固溶して黄銅合金の引張強さや硬さを上昇させる。
０．５％よりも少ないとその効果は低く、２．０％よりも多いと、接合部に脆弱な金属間化合物層が生成し、接合強度が低下する。
Ｐｂ：０．５～４．０％
本発明においてＰｂは必須成分ではないが、鉛は黄銅合金の被削性と耐焼き付き性を向上させる。
一方、ＲｏＨＳ指令等で環境有害元素として指定されており、その添加は少量に留める必要がある。
なお、０．５％よりも少ないとその効果は低い。
現在、ＲｏＨＳ指令では、銅合金中に含まれる４．０％未満の鉛を許容している。
Ｓｎ：１．０％以下
本発明においてＳｎは必須成分ではないが、Ｓｎは少量でも高力黄銅の脱亜鉛腐食を防止する。
しかし、Ｓｎが１％以上含まれるとＣｕ_４Ｓｎ相が現われて、黄銅合金を脆化させるので、１．０％以下とする。
Ｐ：０．１％以下
本発明においてＰは必須成分ではないが、Ｐを添加した溶湯は滓を含まず、流動性に富むため、接合時に用いたフラックスの浮上除去を容易にする効果がある。
しかし、０．１％を越えて含まれると黄銅合金を硬くし、また気泡巣を生じ易くなるため、その量は０．１%以下とする。
Ｚｎ：残部
亜鉛は銅とともに合金の主成分で、高力黄銅合金としての引張強さや硬さ、耐摩耗性を決定する。合金中の亜鉛量は、銅の成分量によりコントロールされる。

次に、接合強度向上のために行う、鉄系材料の溶着前処理について説明する。
鉄系材料の接合面には溶融メッキ法、電気メッキ法、金属溶射法など適宜な方法で１５μｍ以上の亜鉛層を形成している。
亜鉛層の厚さが不十分な場合、接合界面における溶質濃度勾配を大きくならず、膜状化合物層に形態変化が起こらない。
溶融メッキ法の場合、亜鉛層の形成時に亜鉛との合金層が形成されるが、溶融メッキ法以外の方法で亜鉛層を形成した場合には、３５０～５００℃で３０分以上の熱処理を行い、鉄表面に亜鉛との合金層を形成する。
この時形成される合金層は、ζ相と呼ばれる鉄と亜鉛の比較的に結合性の低い合金層である。

亜鉛層と合金層を形成した鉄系材料は、フラックスで覆う等の接合面の酸化防止策を施して黄銅合金の融点（８８０℃）直上の温度で３０分以上（製品の体積に応じて加減）予熱し、溶融高力黄銅合金を鋳込み溶着する。
溶融黄銅合金が鉄と亜鉛の結合性の低い合金層と接触すると、亜鉛が溶融黄銅合金に溶出して多孔質な鉄素地が形成されるとともに、黄銅合金が濡れて侵入し、鉄に黄銅合金が３次元的に入り組んだ複合体が形成される。
この複合体は溶着した黄銅合金と連続体であるため、接合層として溶着黄銅合金の密着強度を高めている。

一方、鉄系材料表面の亜鉛層は、溶融黄銅合金に接して溶出し、接合界面における溶質濃度勾配が大きくなる。
その結果、鉄表面で生成する膜状Ｆｅ－Ｓｉ－Ｍｎ系化合物は、溶融黄銅合金中に向けて凝固成長する柱状晶の形態に変化する。
また、亜鉛と合金化させた鉄系材料表面は不均一凝固核の生成が少なく、疎に成長した柱状晶間の隙間に残った黄銅合金と化合物が複合体を形成して、化合物層の脆弱性が改善される。
これにより、溶着黄銅合金の密着強度を高めている。

本発明で使用する鉄系材料については、軟鋼、炭素鋼、合金鋼、球状黒鉛鋳鉄などが用途に応じて適宜使用できる。

＜実施例＞
次に、図１に示したピストンシューへ適用することを想定して、クロムモリブデン鋼に高力黄銅を鋳込み溶着して接合評価を実施した。
鋳込み溶着に用いた試料は、鉄系材料としてφ５０ｍｍのＳＣＭ４４０Ｈ丸棒に内径φ４５ｍｍの湯溜めを旋削加工して、その上に（１）厚さ５０μｍの溶融亜鉛メッキ（溶融Ｚｎ）、（２）厚さ２５μｍの電気亜鉛メッキ（電気Ｚｎ）、比較例として（３）厚さ１５μｍの電気銅メッキ（電気Ｃｕ）を施した。
電気亜鉛メッキしたサンプル（２）については、３５０～５００℃にて熱処理をした。

それぞれの試料の湯溜めに硼砂等のフラックスを充填し、９１０℃の炉で３５分間加熱してフラックスを溶解し、図４に示す如く、柄杓５ａで鉄系材料１ａに、高周波溶解炉で溶解した図５の組成の高力黄銅合金２ａを流し込んだ。
接合面では溶融フラックス４ａが押し流され、空気と触れずに高力黄銅合金と置換される。
銅合金を流し込んだ後、直ちに底面から高圧エアーで冷却して、接合面から溶湯中へ方向性をもって凝固が進むようにした。
図５の表にて、実施例１～５はＡｌが実質的に含まれていない黄銅合金であり、実施例６はＰｂの含有量を抑え、Ａｌ：１．６２％含有する黄銅合金を用いたが、いずれも本発明にて設定した範囲であり、接合部は図２（ａ）に示したものに近かった。
これに対して比較例７，１０は、電気Ｃｕメッキをしたもので、図２（ｂ）に近い接合構造であった。

鋳込み溶着後の評価については、浸透探傷試験及びせん断強度試験により行った。
浸透探傷試験は、銅合金を溶着した試料を縦割り切断し、ＪＩＳＺ２３４３の試験方法に従って、接合界面における探傷反応（溶着不良）の有無を目視で調べた。
合否判定は、長さ１．６ｍｍ未満の探傷反応が３個以内とした。
また、せん断強度試験は、銅合金を溶着した試料を機械加工して断面が５ｍｍ角の試験片とし、図６に示すダイセットを使用して、固定ダイ６２と可動パンチ６１との間に荷重Ｐを加え、接合界面のせん断に要する荷重を測定し、断面積で除してせん断強度とした。
評価結果は、図７にまとめて示した。

本発明を適用した実施例１から６では、浸透探傷試験がすべて合格となり、せん断強度も１２０Ｎ／ｍｍ^２以上の値が得られた。
一方、比較例の７から１０では、接合界面における探傷反応長さが大きく、せん断試験では、ごく小さな力で銅合金が剥離したため、せん断強度を求めることができなかった。

１シュー本体
２高力黄銅合金
３第一流通孔
４斜板
５ピストン
１２球状部
２１環状突起
３１収容凹部
３２第二流通孔
５１第一端部
６１可動パンチ
６２固定ダイ
Ｐ荷重

Claims

鉄系材料からなる本体部と、前記本体部の表面に形成したＺｎ－Ｆｅ系合金層と、前記合金層の表面に接合した耐摩耗性及び耐焼き付け性に優れた高力黄銅合金層を有することを特徴とする複合摺動部品。
前記高力黄銅合金は以下質量％で、Ｃｕ：５５．０～６５．０％，Ｍｎ：２．０～５．０％，Ｓｉ：０．５～２．０％含有し、さらにＡｌ：０．５～２．０％，Ｐｂ：０．５～４．０％，Ｓｎ：１．０％以下，Ｐ：０．１％以下のうち、いずれか１つ以上含有し、残部がＺｎ及び不可避的不純物であることを特徴とする請求項１記載の複合摺動部品。
請求項１又は２記載の複合摺動部品の製造方法であって、
前記鉄系材料の表面にＺｎ－Ｆｅ系合金層を形成するステップと、その上に溶融状態の前記高力黄銅合金を接触させて亜鉛を高力黄銅合金中に溶解させるステップと、を有することを特徴とする複合摺動部品の製造方法。
前記Ｚｎ－Ｆｅ系合金層を形成するステップは、前記鉄系材料の表面に溶融亜鉛メッキにより１５μｍ以上の厚みを有する亜鉛層を形成することで、その界面下にＺｎ－Ｆｅ系合金層を形成することを特徴とする請求項３記載の複合摺動部品の製造方法。
前記Ｚｎ－Ｆｅ系合金層を形成するステップは、前記鉄系材料の表面に１５μｍ以上の厚みを有する亜鉛層を形成した後に３５０～５００℃の熱処理を行い、その界面下にＺｎ－Ｆｅ系合金層を形成することを特徴とする請求項３記載の複合摺動部品の製造方法。
前記亜鉛層と鉄材料との界面にＺｎ－Ｆｅ系合金層を形成した後に接合面をフラックスで覆い、前記フラックスが溶融する温度まで加熱するステップと、溶融した前記高力黄銅合金を流し込み溶着するステップとを有することを特徴とする請求項４又は５記載の複合摺動部品の製造方法。
前記亜鉛層の厚さは１５～３００μｍの範囲であることを特徴とする、請求項１～５のいずれかに記載の複合摺動部品又はその製造方法。