JPS62158842A - 摺動用材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、回転運動や往復運動する摺動用部材に用いら
れて高い熱伝導率・融点と高強度とをかねそなえた時効
析出型銅合金と耐摩耗性粒子との複合材よりなる摺動用
材料に関するものである。

従来の技術 摺動用材料としてはすでに特殊高力黄銅や、ＪＩ８に制
定されている鉛青銅系材料などがある。

また最近はこれらを改良したものとしては特公昭５９−
３４２２号や特公昭５３−４４１３５号がある。

発明が解決しようとする問題点 しかしこれらの従来の摺動用材料には以下の欠点がある
。

すなわち、Ｚｎ　、　８Ｂ　、　Ａｔなる元素をＣｔＬ
に多量に添加しているために （１）熱伝導率かＣμに比較してに〜イと低い（２）　
　融点がＣｔＬに比較して１００℃〜３００℃低い （３）　　Ｍｎ、　８ｉ、　Ｐａ、　Ｎｉなどの第三元
素によって形成される金属間化合物の硬さは超高負荷下
で用いられる摺動材としては十分ではない。

すぐれた摺動用材料の特性は印熱伝導率が高いこと　（
２］融点が高いこと　（３］マトリクス（１）の分散粒
子の硬さが高く均一に分散していることである。

発明の目的 本発明は上記の事情に鑑みなされたものであって、高熱
伝導率で高融点でしかも高強度なものとなり、既存の高
性能な摺動用材料に比べて格段の耐焼付性能を有する摺
動用材料を提供することを目的とＴる。

間層点を解決するための手段及び作用 上記の目的を達成するために、本発明は、Ｎｉおよび８
ｉを２：１の鳳子チ比で、総計１．０〜１２′Ｎ量係含
有し、残部実質的に銅と通常の不純物とからなる銅合金
中に直径０．３〜Ｆ３０μの耐摩耗性粒子０．００１〜
０．８１ｉ％を分散させで構成しである。

実　　施　　例 以下、本発明を図面を参照して説明する。

耐摩耗性粒子としての硬質粒子をＣｕ−Ｎｉ　−８ｉマ
トリクス中に均一に分散させる方法として焼結法がある
が価格面、強度面等の制約があり、必ずしも好適ではな
い。また硬質粒子を合金溶製時に物理的に添加すると、
多くの場合比重差によって粒子が浮上したり、あるいは
溶湯と粒子とのぬれ不良のため両者が全く混合されない
などの不具合を生じやすい。

発明者はこの点を種々検討した結果以下の手段を用いて
硬質粒子の均一分散をはかった。

■　硬質粒子を構成する元素をそれぞれ単独に溶湯中に
添加し、溶湯中に所期の硬質粒子をあらたに生ぜしめる
。

■　アーク溶解により溶湯と硬質粒子とをはげしく攪拌
して均一に混合させたのち急冷凝固させる。

上記■の方法によると、粒子と溶湯とのぬれ性の問題は
なくなり、また生成する硬質粒子の比重が溶湯の比重と
かなり異なっても、それら粒子が浮上あるいは沈澱する
度合もわずかなることがわかった。

添加する元素（多くは２種類）がともに０編に溶解しや
Ｔいものであるとこれら元素が溶湯中で結合する確率は
小さい。また添加量が多くなると元素によっては合金の
熱伝導率を大きく低下させてしまう。

一万添加する元素がともＫＣμに溶解しないものである
と、粉末等の形態で添加したこれら元素が溶湯中で出会
って結合Ｔる確率も低くなる。

以上より、硬質粒子形成元素のうちの片方がＣμ溶湯に
溶けこみ、かつ残る片方の元素がＣμ溶湯に溶けにくい
か、あるいは全く溶けないことか必要条件である。この
ような条件を満たす元素の組み合わせとして、 ＭＯ，Ｂ（Ｍ（ｌ　ｔ　Ｂｓを形成）　Ｉ　Ｗ、Ｂ（％
　Ｂｓを形成）Ｍｏ、８ｉ（ＭＯＳｉｔを形成）　ＩＣ
ｒ、　５ｉ（Ｃｒ８ｉ１を形成）などがある。とくにＭ
Ｏ，ＷなどＣｗに全く溶解しない元素を溶湯中に添加Ｔ
るとこれらの一部が純金属の状態でかたまって残留Ｔる
傾向がある。

これらを防止するためには １　）　ＭＯ，Ｗなどの粉末を多量のＣｕ粉と均一混合
した状態で添加して、かたまるのを防ぐ。

＋１）Ｎｉ−Ｍｏ合金など固溶体のかたちで添加するな
どが有効である。

次に上記■の方法について説明する。

基本的な考え方は、セラミック粉末を添加した溶湯をは
げしく攪拌した状態から急速凝固させて低比重のセラミ
ック粉末の浮上分離を阻止しようとするものである。

溶湯を急速に凝固させるためには、溶湯を攪拌停止後瞬
時に熱伝導率の大きい金属にふれさせる必要がある。こ
のためには溶湯をとりべにとって金型に鋳込む時間的な
余裕はない。したがって溶解工程は高熱伝導率の金型内
で実施する必要がある。このような溶解はアーク溶解に
よってのみ可能であり、とくに溶湯をはげしく攪拌する
ことができるのは溶解素材に直接通電Ｔる直接アーク溶
解法のみである。

以上より発明者は具体的な目的達成手段として、水冷銅
金型を有するアルゴンアーク炉により材料を溶製するこ
とを考えた。

なおこのほかＴｊＧ溶接器などを用いて金属母材上にこ
れら鋼合金セラミックス複合材を肉盛りすることも可能
である。

以上■、■の方法にて製造した合金を９００℃前後にて
ＩＨ程度保持したのち水冷して溶体化した。こののち５
００℃ＸＩＨの時効処理を施して所期の高硬度を得た。

以下、本発明の詳細な説明する。

実施例■ アルゴンアーク炉にてセラミック粒子を溶解時に混合す
ることを考えた。

マトリクス合金としてＮｉとＳｉとを原子チ比で２：１
の割合で添加したＣｇ−Ｎｉ−Ｓｉ金合金用いた。溶体
化後の時効処理により、Ｎｉ、９ｉが析出して合金全体
が硬化Ｔる。組成はＣｕ　−２Ｎ＆！　８＊（ｗｔｌ）
とした。

セラミック粉末として平均径ｇμのｓ　ｉ　Ｃ１同じく
８０μのｓｉｏ、、同じく２０μの人ｔ、０．ならびに
同じ＜３０μのｓｉ、ｏ、をとりあげ、０．０１９〜Ｑ
、３ｗｔ％添加した。

アルゴンアーク炉の調合型中に金属ｓｉ、Ｎｉ塊、電気
鋼塊および平均径約８０μの電解銅粉と上記セラミック
粉との混合物を挿入し、アルボｙ雰囲気中１００〜３５
０人にて溶解をおこなった。

インゴット重量は１００Ｆである。

溶製後、インゴットを中央部で切断し、セラミック粉の
分布を観察した。その結果、すべてのインゴットにつき
分布はきわめて均一良好であった。マトリクス合金が高
熱伝導率であり、凝固が十分ずみやかに進行したことも
大きく寄与していると考えられる。

なおセラミック粉を銅粉と混合して添加したのはセラミ
ック粉のみであると溶解中にこれらがチャージアップし
て飛散するためである。

したがってセラきツク粉に無電解Ｎｉメッキを施こすな
どによっても同じ効果が期待される。

以上の溶製材８９００℃ｘｌｌ（→水冷なる溶体化処理
ののち、５００℃ＸＩＨの時効処理を施こして硬度測定
ののち摺動試験に供した。

試験条件を表１に示Ｔ、試験機は自家製で５寵ｘｌｏｗ
ａ＋Ｘ２０藺の試験片２枚をφ１３０の１転する相手板
と摺動させる型式である。

表１　　摺動試験の条件 以上の結果を総合して比較例の結果とあわせて表２およ
び第１図に示Ｔ。

どのセラミック粉末を添加した場合にも、無添加のもの
（比較例２）にくらべてｐｖｍａｓｇ値は向上しており
、とくに２０μ径の人４０．粉をＯ＊３ｗｔ％前後添加
したものがＴぐれる。

８ｉＣについては第１図より添加量がＱ、）ｗｔｌをこ
えると既存の特殊高力黄銅のレベルよりもｐ　ｖｍａｘ
値が低下することがわかる。これは８ｉＣがとくに高硬
度であり、添加量が増Ｔと相手板をひつかく効果が増し
て摺動面の発熱をまねくためである。これに対してｓ　
ｉ　ｏ、はもっとも低硬度であり、０．８ｗｔ＠まで添
加してもＴぐれたＰＶｍａｓ：　値を維持し得る。

なおＡ　４０Ｂ　１ｍ子も高硬度であるが、その粒径が
２０μとＳｉＣよりも大きいために比較的に多量に添加
しても粒子の数はさほど増さない。

このために相手板をひつかく確率が小さくなりＴぐれた
結果が得られたのである。この傾向は３０μのｓｉ、Ｎ
４粉を添加したものについても同様であろう。

表２　　　セラミック粉混合溶製材のＰｖｍａｘ値と硬
さ実施例■ Ｃａｔ−２〜εＮｉＲ８１合金マトリクス中に、ｚｒＢ
、、　８ｉＢ、、　Ｗ、　Ｂ、、　ＣｒＢ、、　Ｍｏ、
　Ｂ、、　ＶＳｉｔ。

Ｍ　ｏ　ＳＬ　ｔなる硬質粒子をそれぞれ生成させる目
的で、これら構成元素を単独に添加した表３に示す合金
を溶製した。９００℃ｘｌＨ，５００℃ＸＩＨの溶体化
および時効処理を施こして、硬度測定、光顕微鏡組織観
察ののち摺動試験した。

便宜上溶解は実施例のと同じアルゴンアーク炉によって
実施した。添加元素のうちＣｔＬに全く溶解しないＷと
ＭＯのみは２〜３ｓ径の粉末で添加した。

結果を表３に右欄に併記した。

表３　　硬質粒子溶解時生成材の諸性性光顕微鏡観察の
結果どの合金にも硬質粒子の均一分散がみとめられた。

粒子の硬度は測定不能であったが、どの合金の研贋面に
もパフ研磨後に研磨方向と平行に硬質粒子特有の条痕を
生じたため、十分な硬度の粒子の生成がうらづけられた
。なお湯がアークによってはげしく攪拌されるために、
純Ｗ、純ＭＯなどがかたまって残留することはなかった
。

摺動試験の結果は表３よりどの合金も表１に示Ｔ比較例
にくらべて格段にすぐれていることがわかる。１２４〜
２５合金はＮｉ、９ｉ含有量が多量であるため高硬度で
あり、ミクロな片当りを生じやＴいためにｐ’ｉｍａｘ
値は若干低下している。

実施例０ 実施例■において比較的にｐｖｍａｘ値が高く、コスト
的にも有利でかつＣμ溶湯との比重差の小さい粒子とし
でＷ、　Ｂ、　、　ＭＯ，Ｂ、　、ならびにＭＯ！９８
１をとりあげた。５９の大気溶解をおこない、インゴッ
トを徐冷凝固させて粒子分布の不均一性などをチェック
したのち溶体化、時効処理を行なって硬度測定ののち摺
動試（験に供した。

溶解は黒鉛ルツボを用いたルツボ溶解により、溶解温度
１２５０℃にて実施した。

電気鋼溶落ののち木炭系のカバー剤で溶湯表面を被覆し
、０．０２％Ｐにで脱酸ののち、硬質粒子構成元素を添
加した。５〜（ＱｍｉｎののちＮｉおよびＣμｍ１５％
Ｓｉ母合金を添加して５ｍｉル保持後ルツボを加熱炉外
に取り出して凝固さセた。

合金組成、硬質粒子構成元素の添加法並びに摺動試験の
結果を表４にまとめて示Ｔ、Ｂを含有するものは市販の
純Ｂ結晶で添加した。

ＭＯおよびＷは２〜３μ径の粉末を重量比で１００倍の
電解銅粉（平均径ＦＥＯμ）と均一混合して添加Ｔるか
、ＭＯの場合はこのほかに別に溶製したＮｉ−５Ｍｏ母
合金のかたちで添加した。Ｎｉ−Ｍｏ母合金はアルゴン
アーク炉にて溶製したが、一度の溶解での使用量がわず
かなるため量産を考慮してもコスト高にはならない。

表４　　　大気溶解後徐冷凝固材の製法とｐｖｍＧｘ値
つぎに表４の合金２６〜３３についてＭＯ，Ｂ。

分散量とＰＶｍａｘ値との関係を図示すると第２図の通
りである。わずかＯ−０００−０Ｏ１のＭｅｚ　Ｂ６粒
子の分散でも無添加のものに比べて効果が認められ、０
．００２ｗ４％に至ると既存高性能材のレベルをＴでに
超えている。第１図のものにくらべてはるかく少ない分
散量でこのような効果があられれるのは、ＭＯ，Ｗを微
細な粉末で添加Ｔるために硬質粒子の平均径も０．３〜
３μと微細になり、粒子の分散数が非常に増Ｔためであ
る。硬質粒子の粒径は電子顕微鏡レプリカ法にて正しく
確認した。

次にＮｉ、ｆ３ｉ、硬質粒子の粒径及び硬質粒子の分散
量の限定理由を述べる。

Ｎｉｆｆ１ｓｉ Ｎｉ、Ｓｉ　　１ｖｙｔ％未満では、時効処理をおこな
ってもほとんど硬さの向上が認められない。また１２Ｗ
ｆ％をこえると著しく脆化して摺動中に亀裂を生じるな
どの不具合を生じる。また熱伝導率も大きく低下する。

好′ましくは１．５〜５ｗ４％である。

硬質粒子 ０．３μ程度の粒径から分散の効果が認められる（合金
４２６〜３５）。また上限は８０μであり（第１図参照
）、８０μをこえると粒子が相手板にくい込むために摩
擦係数が上昇して摺動部が発熱しＰＶ７７！α２値の低
下をまねく。７好ましくは１〜３０Ｊである。

硬質粒子の分散量 第１図、第２図よりｏ、ｏｏ＋　〜ｏ、ｓｗｔｔｓで効
果があることがわかる。好ましくは０．００２〜０．４
ｗｔ’ｌＡである。

発明の効果 、以上詳述したように、本発明はＮｉおよび８ｉを２＝
１の原子チルで、総計１．０〜１２重量係含有し、残部
実質的に銅と通常の不純物とからなる銅合金中に直径０
．３〜Ｆ３０μの耐摩耗性粒子０．００１〜０．８重量
％を分散させでなる摺動用材料である。

したがって、本発明に係る摺動用材料は、高熱伝導率で
高融点でしかも高強度なものとなり、既存の高性能な摺
動材料に比べて格段の耐焼付性能を有Ｔるものになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は硬質粒子の添加量とＰＶｍａｘ値との関係図、
第２図は硬質粒子分散量とｐ’ｉｍａｘ値との関係図で
ある。 第１図 粒子の添加！　　［ｗｔＸ］ 第２図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＮｉおよびＳｉを２：１の原子％比で、総計１．
   ０〜１２重量％含有し、残部実質的に銅と通常の不純物
   とからなる銅合金中に直径０．３〜８０μの耐摩耗性粒
   子０．００１〜０．８重量％を分散させてなる摺動用材
   料。
2. （２）耐摩耗粒子が硼化物である特許請求の範囲の記載
   （１）の摺動用材料。
3. （３）耐摩粍粒子が硅化物である特許請求の範囲の記載
   （１）の摺動用材料。
4. （４）耐摩耗粒子が窒化物系または酸化物系または炭化
   物系セラミックスである特許請求の範囲の記載（１）の
   摺動用材料。