JPH08283889A

JPH08283889A - 高強度・高硬度銅合金

Info

Publication number: JPH08283889A
Application number: JP11388795A
Authority: JP
Inventors: Kunio Nakajima; 邦夫中島; Masao Hosoda; 征男細田; Wataru Yago; 亘矢後; Kazuyuki Inagaki; 一之稲垣; Atsushi Yasukawa; 淳安川
Original assignee: Chuetsu Gokin Chuko Kk; Chuetsu Metal Works Co Ltd
Current assignee: Chuetsu Gokin Chuko Kk; Chuetsu Metal Works Co Ltd
Priority date: 1995-04-14
Filing date: 1995-04-14
Publication date: 1996-10-29

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】高強度・高硬度を有し、苛酷な摺動条件に耐
えると共に、冷間加工性の良い、安価な銅合金の提供。【構成】重量％で、Ｎｉ：５〜２０、Ｓｎ：３〜１
５、Ｍｎ：０．５〜５、残部Ｃｕ及び不可避不純物の高
強度・高硬度銅合金。また、この銅合金に、重量％で、
Ｃｒ：１．１〜５％、Ｍｏ：０．４〜３％、Ｔｉ：０．
２〜３％、Ｃｏ：０．６〜３％、Ｖ：０．６〜３％、Ｐ
ｂ：０．０５〜３％、Ｂｉ：０．０５〜３％、Ｎｂ：
０．０５〜２％、Ｚｒ：０．１〜２％、Ｆｅ：０．１〜
３％、Ｚｎ：０．５〜５％、Ｓｉ：０．１〜２％の群か
ら選ばれた少なくとも１以上の元素を添加することもあ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高強度・高硬度を有
し、苛酷な摺動条件に耐えると共に、冷間加工性の良
い、安価な銅合金に関する。

【０００２】特に、大型トラックやスポーツ・カーの変
速装置に用いられているシンクロナイザーリング（以下
Ｓ／Ｒと記す）のように、高負荷に耐える高強度と高硬
度、苛酷な摺動条件に耐える良好な耐摩耗性と耐焼付
性、そして複雑な形状に成形できる塑性加工性が同時に
求められるような用途に最適である。

【０００３】Ｓ／Ｒ以外にも、一般産業用ブッシュ、ス
リーブ、ライナー等、形状が比較的単純でもこれまで強
度的な理由から銅合金が使用できなかった摺動部品への
適用が可能である。

【０００４】また、良好な冷間塑性加工性に着目して、
これまで熱間塑性加工でしかできないような複雑な形状
の部品に冷間塑性加工法を適用して、コストダウンを計
ることができる。

【０００５】さらに、本発明合金は、前述の高強度と高
硬度、良好な摺動特性と塑性加工性に加え、良好な耐食
性と銅合金特有の光沢を有するので、ゴルフ用クラブヘ
ッドや、海水、汚染水、その他腐食雰囲気で使用される
釣り具用金具やボート用部材、それに鎖、フック、ボル
ト、ナット等の締結金具や一般装飾部品等にも適してい
る。

【０００６】

【従来の技術】摺動用銅合金材料の強度は、概ね、引張
強さ＝４５〜８５ｋｇｆ／ｍｍ²、硬さはＨＲＣ＝１５
〜２５の範囲である。このため高い負荷の掛かる摺動部
では、負荷応力が摺動用銅合金材料の強度を越え、摺動
部品としての剛性が不足したり、ヘタリを生じたりする
場合がしばしばあった。

【０００７】このような場合には、通常、強度の大きい
鉄系の材料で摺動部品の本体を構成し、摺動部だけに摺
動材料を溶射、溶接、溶着、ロー付け、焼結、接着、嵌
合、ねじ止め、機械的接合等の方法で複合化し、摺動材
料の強度不足を補っている。

【０００８】例えば、一般乗用車に用いられるＳ／Ｒの
多くは、摺動用黄銅系合金の熱間鍛造材を用いている
が、大型トラックやスポーツ・カーのように、高負荷で
使用されるＳ／Ｒに要求される強度と硬さはそれを越え
ているため、高強度・高硬度の鉄系材料（ＪＩＳＳＣ
ｒ４２０Ｈ）を熱間鍛造してＳ／Ｒ本体を作り、その
摺動部にＭｏ等の摺動材料を溶射等の方法で複合化して
いるのが一般的である。

【０００９】一方、鉄系材料より成形性と摺動特性の良
い銅合金材料の中で、引張強さが８５ｋｇｆ／ｍｍ²、
硬さがＨＲＣ２７を越える高強度・高硬度の銅合金材料
としては、ベリリウム銅（Ｂｅ−Ｃｕ）と、Ｎｉ−Ｓｎ
−Ｃｕ系スピノーダル合金が知られている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、摺動
部品においては、強度的な理由から、摺動用銅合金単体
で摺動部品を成すことは不可能であった。また、鉄系材
料と摺動材を複合化した摺動部品は、部品点数が増した
り、複合化のためのスペースや費用を必要とするので、
一般的には、摺動用銅合金単体の摺動部品よりコストが
高くなり、用途の限定を受けるものであった。

【００１１】さらに、摺動部へのＭｏの溶射は、摺動用
銅合金単体Ｓ／Ｒと費用を比較すると、Ｍｏが極めて高
価なことと、溶射加工が比較的高価なことから、複合化
の費用が非常にかさむ欠点があった。また、Ｓ／Ｒ本体
を構成するＪＩＳＳＣｒ４２０Ｈの熱間鍛造性は、一
般のＳ／Ｒに用いられている摺動用黄銅系合金より劣る
ので、鍛造成形費用も高くなる欠点があった。

【００１２】Ｂｅ−Ｃｕは含有するＢｅが極めて高価な
ことから、一般用摺動部品には用いられておらず、用途
が限定されている。一方、Ｎｉ−Ｓｎ−Ｃｕ系スピノー
ダル合金は価格もそれ程高くなく、強度も硬度も充分で
あるが、摺動用材料としては、耐摩耗性と耐焼付性が不
足しているので、摺動部品には適さず、しかも、時効熱
処理（３００〜４００℃×０．５〜５Ｈｒ→空冷）時
に、この合金特有の粒界析出現象が鋳造材や加工度の低
い冷間加工材に発生し、高強度が発現しない場合が多い
点からしても、摺動部品への適用は成されていなかっ
た。

【００１３】本発明は、かかる実情に鑑みなされたもの
で、従来のＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ系スピノーダル合金の持つ
高強度と高硬度と良好な成形性を損なわずに、耐摩耗性
と耐焼付性を改善し、高負荷の掛かる摺動部品への適用
を可能にすると共に、従来のＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ系スピノ
ーダル合金でしばしば発生する粒界析出現象を防止し
て、強度発現を確実なものとすることで、部品の信頼性
を高めることができ、且つ、成形に際しては、冷間鍛造
法の採用も可能であり、更にコストダウンを計ることが
できる高強度・高硬度銅合金を提供することを目的とし
ている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の銅合金は、重量％で、Ｎｉ：５〜２０
％、Ｓｎ：３〜１５％、Ｍｎ：０．５〜５％、残部Ｃｕ
及び不可避不純物よりなることをその要旨とする。

【００１５】また、上記銅合金に、重量％で、Ｃｒ：
１．１〜５％、Ｍｏ：０．４〜３％、Ｔｉ：０．２〜３
％、Ｃｏ：０．６〜３％、Ｖ：０．６〜３％、Ｐｂ：
０．０５〜３％、Ｂｉ：０．０５〜３％、Ｎｂ：０．０
５〜２％、Ｚｒ：０．１〜２％、Ｆｅ：０．１〜３％、
Ｚｎ：０．５〜５％、Ｓｉ：０．１〜２％の群から選ば
れた少なくとも１以上の元素を添加することもある。

【００１６】さらに、上記各銅合金を使用してなるシン
クロナイザーリングや摺動部品をその要旨とするもので
ある。

【００１７】

【作用】従来のＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ系スピノーダル合金
は、摺動材料としての耐摩耗性と耐焼付性が充分でない
ことと、粒界析出現象から生じる強度の低下があること
から、摺動部品への適用は成されていなかったが、本発
明合金によれば、従来のＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ系スピノーダ
ル合金の持つ高強度及び高硬度と、良好な成形性を損な
わずに、耐摩耗性と耐焼付性を改善し、高負荷の掛かる
摺動部品への適用を可能にすると共に、従来のＮｉ−Ｓ
ｎ−Ｃｕ系スピノーダル合金でしばしば発生する粒界析
出現象を防止して、強度発現を確実なものとすること
で、部品の信頼性を高めることができ、且つ、成形に際
しては、冷間鍛造法の採用も可能であり、更にコストダ
ウンを計ることができる。

【００１８】次に、本発明合金の構成成分について、そ
の作用と添加時の限定理由を説明する。

【００１９】（１）ＮｉＮｉは、この合金のマトリックスを強化すると共に、Ｓ
ｎと作用してスピノーダル分解による硬度と強度を発現
させる。５％未満では強度と硬度の発現が不充分であ
り、２０％を越えると伸びが低下して脆くなるので、５
〜２０％とする。

【００２０】（２）ＳｎＳｎは、この合金のマトリックスを強化すると共に、Ｎ
ｉと作用してスピノーダル分解による硬度と強度を発現
させる。５％未満では強度と硬度の発現が不充分であ
り、２０％を越えると伸びが低下して脆くなるので、５
〜２０％とする。

【００２１】（３）ＭｎＭｎは、Ｎｉ−Ｓｎ−Ｃｕ系スピノーダル合金の鋳造材
で生じる粒界析出を防止する元素であり、０．５％未満
では粒界析出の防止が不充分で、５％を越えるとマトリ
ックスと反応してスピノーダル分解を阻害し、高強度、
高硬度が得られない。

【００２２】（４）Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｆｅこれ等の元素は、Ｎｉ−Ｓｎ−Ｍｎ又はＳｉ、若くはこ
のグループの添加元素どうしで硬い金属間化合物を作
り、マトリックス中に晶出し、耐摩耗性と耐焼付性の向
上に寄与する。本発明で定めた添加量を越えると、晶出
物に凝集が生じ、その分布が不均一になり、少ない場合
には晶出物の大きさ、分布量が不足し、耐摩耗性と耐焼
付性を向上させることができない。

【００２３】（５）Ｐｂ、Ｂｉ両者は、本合金の耐焼付性を向上させると共に、被削性
にも良い結果をもたらす。添加量が本発明の上限を越え
ると延性が低下し、下限未満の場合には充分な効果を発
揮しない。

【００２４】（６）ＳｉＳｉの添加は、溶湯を脱酸する効果があり、鋳造欠陥の
発生を防止すると共に、（４）で添加した元素と金属間
化合物を作り、耐摩耗性と耐焼付性の向上に効果があ
る。上限を越えると、スピノーダル分解を阻害し、強度
・硬度の発現をさまたげ、下限未満では効果が発揮され
ない。

【００２５】（７）ＺｎＺｎの添加は、溶解時の酸化やガス吸収の防止に効果が
あり、鋳造品質を向上させる。上限を越えると強度・硬
度が低下し、下限未満では効果が少ない。

【００２６】

【実施例】

１）引張試験，硬さ試験，粒界析出確認試験，摩耗試験
用の各供試材本発明実施例合金を表１に、比較例合金を表２に示す。
表１及び表２に示す各合金を高周波誘導炉にて溶製し、
表１の合金は、ＪＩＳＨ５１１３Ｅ号供試材に鋳造
後、溶体化熱処理（８００〜９００℃×２〜８ｈｒ→水
冷）と時効熱処理（３００〜４００℃×０．５〜４ｈｒ
→空冷）を行ない、供試材とした。また、表２の合金
は、溶製後、φ２０５×３００Ｌの押出用ビレットに金
型鋳造し、φ５３×３０００Ｌに熱間押出（６００〜８
００℃）して、供試材とした。

【表１】

【表２】

【００２７】２）引張試験及び硬さ試験各供試材は、ＪＩＳＺ２２０１４号引張試験片（硬
度片付）に機械加工し、試験した。その結果は表１，表
２に示した。

【００２８】３）摩耗試験各供試材を図１に示す試験片（テストピン）の形状に機
械加工し、図２のＶブロックを相手材として、図３及び
以下の条件でファビリー摩耗試験を行った。摩耗量とフ
ァビリー値から、表３に示す基準で、耐摩耗性と耐焼付
性を評価した。その結果は表１及び表２に示す通りであ
る。

【表３】

【００２９】試験条件回転数：３００rpm 滑り速度：０．１０２m／sec 試験片寸法： φ６．５×４０潤滑油：タービン油＃３２相手材材質：ＳＣＭ４１５（HCQT）ＨＲＣ＝６
０表面粗さ：試験片−２〜３Ｓ，相手材−２〜３
Ｓ

【００３０】試験方法イ）耐摩耗性評価試験荷重３００ｋｇｆで１０分間試験して、試験前と試験後
の質量を測定し、密度から摩耗減量（ｍｍ³）を算出し
評価する。摩耗減量の小さい方が、耐摩耗性が良好であ
る。ロ）耐焼付性評価試験初期荷重２００ｋｇｆから毎秒３８ｋｇｆで荷重を増加
させ、焼付に至るまで試験し、トルクと荷重を記録す
る。荷重をＰ（ｋｇｆ）、トルクをＴ（ｋｇｆ−ｃ
ｍ），時間をｔ（ｓｅｃ），焼付迄の時間をｔ₁（ｓｅ
ｃ）とすると、耐焼付性の評価値であるファビリー値Ｆ
（ｋｇｆ・ｍ）は次式の数１で求められる。Ｆ値の大き
い方が耐焼付性が良い。

【数１】

【００３１】４）粒界析出確認テスト各供試材の硬度片を顕微鏡（×４００）で観察し、粒界
析出の有無を確認した。なお、ミクロエッチングには塩
化第２鉄を用いた。

【００３２】５）Ｓ／Ｒへの成形テスト（ａ）成形テスト用供試材表１に示す材料を高周波誘導炉にて溶製し、φ８０×φ
５０×１００Ｌの形状に金型鋳造し、機械加工にて、φ
８０×φ５５×９０Ｌにした。機械加工後、溶体化熱処
理（８００〜９００℃×２〜８ｈｒ→水冷）を行ない、
再度機械加工で、φ６９×φ５６．４×９Ｌにして、供
試材とした。（ｂ）上記（ａ）の供試材を用い、４００ｔｏｎフリク
ションプレスにて冷間金型鍛造を行ない、冷間塑性加工
性を確認した。全ての供試材は、完全に金型を充満し、
Ｓ／Ｒの歯先やコーナー部への肉の廻りも充分であっ
た。

【００３３】

【発明の効果】以上のテスト結果から分かるように、本
発明合金は、従来のＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ系スピノーダル合
金が持つ高強度と高硬度とを備え、且つ、良好な成形性
を損なわずに耐摩耗性と耐焼付性を改善し、高負荷の掛
かる摺動部品への適用を可能にした。

【００３４】更に、従来のＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ系スピノー
ダル合金でしばしば発生する粒界析出現象を防止して、
強度発現を確実なものとすることで、部品の信頼性を高
めることができた。

【００３５】特に、大型トラックやスポーツ・カー等に
用いられるＳ／Ｒのように、摺動条件が厳しく高負荷で
使用されるため、これまでは複合化せざるを得なかった
部品でも、本発明合金を用いることで、単体で製造でき
る利点がある。

【００３６】また、これまでは、Ｓ／Ｒの形状に成形す
るには、主として熱間鍛造法を採用してきたが、本発明
合金によれば、冷間鍛造法の採用も可能になり、更にコ
ストダウンを計ることができるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】摩耗試験に使用される試験片の形状を説明した
図。

【図２】摩耗試験に使用される相手材の形状を説明した
図。

【図３】ファビリー摩耗試験における試験方法を説明し
た図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者稲垣一之富山県中新川郡立山町西芦原新１番地の１中越合金鋳工株式会社内 (72)発明者安川淳富山県中新川郡立山町西芦原新１番地の１中越合金鋳工株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｎｉ：５〜２０％、Ｓｎ：３
〜１５％、Ｍｎ：０．５〜５％、残部Ｃｕ及び不可避不
純物よりなる高強度・高硬度銅合金。
【請求項２】請求項１記載の銅合金に、重量％で、Ｃ
ｒ：１．１〜５％、Ｍｏ：０．４〜３％、Ｔｉ：０．２
〜３％、Ｃｏ：０．６〜３％、Ｖ：０．６〜３％、Ｐ
ｂ：０．０５〜３％、Ｂｉ：０．０５〜３％、Ｎｂ：
０．０５〜２％、Ｚｒ：０．１〜２％、Ｆｅ：０．１〜
３％、Ｚｎ：０．５〜５％、Ｓｉ：０．１〜２％の群か
ら選ばれた少なくとも１以上の元素を添加して成ること
を特徴とする高強度・高硬度銅合金。
【請求項３】請求項１記載の銅合金が使用されている
シンクロナイザーリング。
【請求項４】請求項２記載の銅合金が使用されている
シンクロナイザーリング。
【請求項５】請求項１記載の銅合金が使用されている
摺動部品。
【請求項６】請求項２記載の銅合金が使用されている
摺動部品。