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WO1997015695A1 - Materiau pour palier a base de cuivre et palier coulissant pour moteur a combustion interne - Google Patents

Materiau pour palier a base de cuivre et palier coulissant pour moteur a combustion interne Download PDF

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WO1997015695A1
WO1997015695A1 PCT/JP1996/003118 JP9603118W WO9715695A1 WO 1997015695 A1 WO1997015695 A1 WO 1997015695A1 JP 9603118 W JP9603118 W JP 9603118W WO 9715695 A1 WO9715695 A1 WO 9715695A1
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WO
WIPO (PCT)
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copper
bearing material
bearing
sliding
internal combustion
Prior art date
Application number
PCT/JP1996/003118
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English (en)
French (fr)
Inventor
Haruyuki Ohshiro
Takashi Tomikawa
Katsuyuki Hashizume
Soji Kamiya
Original Assignee
Taiho Kogyo Co., Ltd.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Taiho Kogyo Co., Ltd. filed Critical Taiho Kogyo Co., Ltd.
Priority to GB9713528A priority Critical patent/GB2312679B/en
Priority to DE19681103T priority patent/DE19681103T1/de
Priority to US08/860,441 priority patent/US6025081A/en
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    • Y10T428/12903—Cu-base component

Definitions

  • the present invention relates to a copper-based slide bearing material and a slide bearing for an internal combustion engine, and more specifically, to a novel composition used as an internal combustion engine bearing such as an engine main bearing and a connector bearing.
  • the present invention relates to a copper-based sliding bearing material having such a structure and a structure, and a sliding bearing such as an engine main bearing and a connecting rod bearing using such a material.
  • a plain bearing of a general internal combustion engine is made of a low carbon steel such as SAE1010 or 1020, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-145345. It is obtained by sintering so-called lining of a copper-based alloy consisting of Pb: about 8 to 35%, Sn: about 10% or less, and the remainder Cu on the strip.
  • the overlay has been provided with a thickness of 20 ⁇ or more so as to exhibit sliding bearing performance such as seizure resistance by itself, in addition to being familiar with the shaft.
  • thickening should be avoided in terms of the cost of sliding bearing materials.
  • the present invention provides a copper-based sliding bearing material and a sliding bearing for an internal combustion engine that can solve the above-mentioned problems.
  • a first aspect of the present invention is that, by weight percentage, Ag: 0.1 to 2%, and Sn: 1 to 10%, the balance consisting of Cu and unavoidable impurities, wherein the Ag and Sn are A copper-based plain bearing material with excellent seizure resistance characterized by being completely or substantially dissolved in a Cu matrix without substantially forming a second phase. ,
  • a second aspect of the present invention is characterized by comprising the above-mentioned copper-based plain bearing material, and an overlay made of a soft metal having a thickness of l to 25 Atm or a solid lubricant and a resin.
  • a third aspect of the present invention is a sliding bearing for an internal combustion engine, wherein the overlay is directly bonded to the sliding bearing material without an intermediate layer. For bearings.
  • Ag contained in the copper-based alloy improves seizure resistance by being uniformly and finely dispersed in the Cu matrix.
  • the preferred Ag content is between 0.4 and 1%.
  • Sn enhances the hardness and strength of the Cu matrix through solid solution, and also improves the corrosion resistance and shochu adhesion. If the Sn content is less than 1%, there is no effect of improving the anti-adhesion property, while if it exceeds 10%, the copper alloy becomes too hard, resulting in poor conformability in bearings, and Cu 3 Sn The compound ( ⁇ phase) starts to precipitate and the seizure resistance deteriorates.
  • the preferred Sn content is ⁇ 2-7%.
  • P 0.5% or less of P can be further added to the above composition.
  • P itself does not particularly contribute to the sliding properties, but as a deoxidizer during powder atomization, it improves the flow of molten metal to improve the properties of the powder and enables sintering at a relatively low temperature. I do.
  • P acts as a deoxidizing agent in the production of structural materials, and improves the flow of molten metal to reduce structural defects.
  • the amount of solute oxygen that would hinder the precipitation of Ag and Sn during use of the bearing is reduced by the addition of P, and the amount of Sn and Ag maintained in the solute is increased, resulting in good seizure resistance become. Therefore, when the amount of oxygen in the copper alloy is large, it is preferable to add P. However, when the P content exceeds 0.5%, the copper alloy becomes hard and brittle.
  • the preferred P content is 0.05-0.15%.
  • a particularly preferred composition is Cu-l% Ag-5% Sn, in which the content of A ⁇ and S ⁇ exceeds the solid solubility limit of the equilibrium state. Demonstrate.
  • Elements other than the above components are impurities usually contained in copper, such as 0, Fe, As, and Ni. The smaller these elements are, the better. In particular, oxygen may hinder the precipitation of forcedly dissolved Ag (see Figure 3 below), and Pb causes corrosion due to the S component in the lubricating oil. Since other components have no beneficial effect, it is preferable to limit the total to about 1% or less.
  • the copper-based alloy of the present invention does not contain Pb, which is a soft metal, as an essential component, but has extremely good sliding characteristics without Cu adhering to the mating material. . However, Pb and Bi may be added to a copper-based alloy in an amount of 4% or less in order to impart free cutting properties. Next, the structure of the copper alloy according to the present invention will be described.
  • the solid solubility limit at equilibrium is about 2% for Sn and about 0.2% for Ag. Therefore, the alloy composition of the present invention The contents of these elements range from less than the solid solubility limit to more than the solid solubility limit.
  • the solid solution state is preferably a complete solid solution, but may be a substantially solid solution state in which a secondary phase is hardly detected.
  • substantially solid solution state refers to an X-ray photograph of each component such as Ag, which is observed by an image analyzer, and the area of the secondary phase in an arbitrary observation field ( ⁇ 1000) is 5% or less.
  • Ag concentrates on the surface during use of the bearing to form an AgS compound, and this phenomenon is considered to be the cause of the dramatic improvement in the sliding performance of the sliding bearing material of the present invention.
  • approximately 500-60 O'C to preheated thickness is is 1. 5 mm about the steel sheet (S PCC) N pouring molten metal within 2 atmosphere, cooled 1 00 ° or more CZ seconds after its Water cooling from the backing of the steel plate at a speed is preferred.
  • the contents of Ag and Sn may be lower than the solid solubility limit in an equilibrium state, but it is also preferable to rapidly cool to prevent segregation of these elements.
  • the sliding bearing material of the present invention does not need to be reinforced with a thick overlay as in the conventional case, the overlay only needs to have a thickness necessary to conform to the shaft. xm, preferably 2-8 ⁇ m.
  • Overlays include Pb-In, Pb-Sn-Cu, Pb-Sn-In, Pb-Sn-In-Cu alloy, S Various metal overlays such as n-based plating and In-based plating can be used. Furthermore, Boriimido a solid lubricant such as Mo S 2 (PI), polyamide Midoimido (PA I), bound by a resin binder such as epoxy resin Overlays can also be used.
  • PI Mo S 2
  • PA I polyamide Midoimido
  • the overlay since the overlay only needs to have a function to make it familiar, the overlay does not need to have a long-term performance so as to cause the depletion of Sn, and from this viewpoint, the nickel barrier is not suitable. Necessary, and by actively removing the nickel barrier, seizure due to the exposed nickel barrier can be prevented, and on the contrary, the excellent seizure resistance of the exposed lining can be utilized.
  • the surface of the copper-based plain bearing material can be subjected to a treatment to enhance the adhesion to the overlay by etching, shot blasting, or plating.
  • the phenomena observed when the copper-based material according to the present invention 1 and the copper-based material ⁇ for comparison are used as bearings are as follows: (a) The solute Ag in the matrix indicates that the bearing is in use. 1 8 0 e C) to react with S Ingredients in the lubricating oil deposited on the sliding surface that form a very thin film of a g 2 S is a g- S compound (1); (mouth No precipitation of Ag can be detected inside the lining more than 1 m away from the sliding surface. (1); (c) Ag precipitated as the second phase from the early stage of use of the bearing is too hard and has poor sliding characteristics.
  • FIG. 1 is a graph showing the relationship between the Ag content and the area ratio of the Ag precipitated portion.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the Ag content and the seizure load.
  • Figure 3 shows a SEM image of Ag of a copper-based material containing 4% Ag. You.
  • FIG. 4 is a diagram showing a stick-slip tester.
  • FIG. 5 is a view showing a seizure tester. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • Fig. 1 shows the results of measuring the Ag deposition area ratio
  • Fig. 2 shows the seizure load of this material.
  • Figures 1 and 2 show that (a) the seizure load increases dramatically with the Ag content when Ag is completely dissolved in 1% or less; (mouth) The Ag content is 1.
  • Fig. 3 shows an example of the precipitation form of the Ag secondary phase.
  • Sn is also a solute element of the Cu matrix, it will have excellent sliding characteristics. If it precipitates as a secondary phase before the use of the bearing, it will be hard and brittle, degrading the sliding characteristics.
  • the solute Sn precipitates on the sliding surface during use of the bearing, and Ag also precipitates where Sn precipitates. Therefore, it is presumed that compounds such as Ag 2 S, Ag 3 Sn, and Sn S are formed on the sliding surface as a secondary phase, and that these compounds improve the sliding characteristics.
  • Example 1 Example 1
  • SPCC backing steel plate
  • Fig. 4 1 is a test piece, 2 is a heater, and 3 is a steel ball that moves on the sample surface while applying a load.
  • the test conditions were as follows.
  • Table 1 shows the results of the stick-slip test. 1 Composition (wt /%) Cu adhesion area when stick-slip occurs
  • Comparative Example 6 is made of pure copper, and adhesion of the test piece occurs at low temperature even if the adhesion area of the test piece is large.
  • Comparative Example 7 in which small amounts of Ag and P were added, the tendency of adhesion was somewhat suppressed.
  • Sn When a large amount of Sn is added (Comparative Examples 8, 10), the tendency of adhesion is further suppressed.
  • Pb and Sn are added in combination (Comparative Example 9), adhesion is completely suppressed. In contrast, in Examples 1 to 5 of the present invention, adhesion was completely suppressed without adding Pb.
  • a copper alloy sintered material having the composition shown in Table 2 was produced in the same manner as in Example 1.
  • the seizure resistance of the obtained sintered material was investigated with a pin-on-disk tester shown in Fig. 5.
  • 5 is a hydraulic cylinder
  • 6 is a lubricating pad
  • 7 is a test piece
  • 8 is a disk as a sliding partner
  • 9 is a balance weight that balances with the hydraulic cylinder
  • 10 is a load cell.
  • test conditions were as follows.
  • Comparative Example 20 is a typical composition example of the conventional Kelmet, and it can be seen from comparison with this performance that the seizure resistance of Examples 11 to 15 of the present invention is improved to less than twice. .
  • the materials of the examples of the present invention have excellent seizure resistance despite containing no Pb.
  • a copper-based sliding bearing material with the composition shown in Table 3 was prepared to produce a sliding bearing for a conrod bow of a diesel engine with a turbocharger (displacement 2400 cc). did.
  • the overlay was formed by a method of combining electric plating with a fluoride bath and diffusion of In, and a method of baking a mixture with a resin was used for a solid lubricant-based overlay.
  • the sliding characteristics of each slide bearing were evaluated by the following method.
  • Table 3 shows the test results.
  • the test conditions were as follows.
  • Comparative Example 34 is a normal Kelmet bearing with an overlay, but is a comparative example in which the thickness of the overlay is thin enough to be familiar, and seizure occurs under the experimental conditions.
  • Comparative Example 35 in which a small amount (0.05%) of Ag was added and Pb was removed, seizure was more likely to occur.
  • Comparative Example 36 in which the Ag content was further increased and Sn was added in a large amount, and in Comparative Example 37 in which only Ag was added in a large amount, seizure was slightly less likely to occur.
  • the examples of the present invention have a very small amount of wear and have excellent seizure resistance.
  • the Sn content is at least very good (Examples 22 and 24).
  • the Cu—Sn—Ag based copper alloy according to the present invention has a very excellent seizure resistance required as a plain bearing and causes corrosion due to deteriorated lubricating oil. It is characterized by being a lead-free material without Pb or a material with a small amount of lead added.
  • a copper alloy of this composition is conventionally used as a spring, a contact material or an electric component (for example, see Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 49-75417, 50-771). No. 7216, JP-A-2-2-28439, JP-A-1991-195173), Ag that precipitated on the sliding surface during use as a bearing after forced solid solution,
  • the material of the present invention utilizing the Sn secondary phase for improving the performance is a material which should be particularly noted from the viewpoint of the metallographic structure control technology as compared with these known materials.

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Description

曰月 糸田 銅系すベり軸受材料および内燃機関用すべり軸受 技術分野
本発明は、 銅系すベり軸受材料及び内燃機関用すベり軸受に関するも のであり、 さらに詳しく述べるならば、 エンジン主軸受、 コンロッ ド軸 受などの内燃機関軸受として使用される新規な組成および組織を有する 銅系すベり軸受材料、 ならびにかかる材料を使用したエンジン主軸受、 コンロッド軸受などのすべり蚰受に関するものである。 背景技術
従来、 一般的な内燃機関のすべり軸受は、 特開昭 6 0— 1 4 5 3 4 5 号公報に記載されているように、 S A E 1 0 1 0または 1 0 2 0などの 低炭素鋼からなるストリッブに P b：約 8〜3 5 %、 S n ：約 1 0 %以 下、 残部 C uからなる銅系合金のいわゆるライニングを焼結してなるも のである。
さらに、 特表平 1一 5 0 3 1 5 0号公報に詳しく説明されているよう に、 ライニングの上に P b— S n系もしくは P b— S n— C u系オーバ レイを設けた軸受構造においては、 S nがライニングに拡散する結果と してオーバレイ中の S nが枯渴し、 潤滑油に対する耐食性が急激に劣化 するために、 ライニングとオーバレイの中間にめっきによる N iバリャ 一を介挿する。 この鉛に起因する耐食性劣化を防止する対策として前掲 公報ではオーバレイ中の鉛相を微細にすることが提案されている。 従来のオーバレイ付きケルメッ卜軸受のライニングは鉛を含有してい るが、 鉛は軟質金属であり潤滑性及びなじみ性に優れているために、 ケ ルメッ 卜の C uが相手軸に凝着することによる焼付を、 なじみをとるこ とによって、 防止する目的を以て鉛が使用されていた。
従来のすべり軸受を劣化した潤滑油中で長時間使用すると、 ライニン グが露出した際にライニング中の鉛相が腐食溶解され、 ライニングの面 が荒れ焼付に至る。 あるいは鉛相の溶出により空隙が形成されるために ライニングの強度が低下し、 ライニングが座屈して焼付が起こる。 この ような鉛相の腐食を軽減するために鉛相を微細にするなどの対策が講じ られてきたが、 すべり鈾受材料が鉛を含有する限りその対策には限界が あった。
また、 ケルメットは劣化した潤滑油中で長時間使用されると、 銅が潤 滑油中の硫黄 （S ) と反応して硫化して硫化銅がライニングの表面に形 成され、 これにより耐食性及び耐摩耗性が劣化するという問題がある。 この対策として Z nを添加することも行われているが、 Z nは耐焼付性 をほとんど向上しない。
さらに、 従来オーバレイには、 軸とのなじみを取る他にそれ自体によ る耐焼付性などのすベり軸受性能を発揮するように 2 0 μ πι以上の厚さ をもたせていた。 しかしすベり軸受材料のコストの面からは厚めつきは 避けることがよいのは言うまでもない。
また別の観点からの問題としては、 従来ニッケルバリヤ一は S nの拡 散を防止するために使用せざるを得なかったが、 オーバレイの摩耗によ りニッケルバリヤ一が露出した段階では、 硬質の N i露出部では焼付が 極めて起こり易くなるので、 この時点が軸受寿命と判定することも行わ れてていた。 このようなニッケルバリヤ一の問題点は従来から指摘され ていたが、 すずの拡散を防止するためにやむを得ずニッケルバリヤ一を 使用していたと言える。 発明の開示
本発明は上述の諸問題を解決することができる銅系すベり軸受材料及 び内燃機関用すベり軸受を提供するものである。
本発明の第一は、 重量百分率で、 Ag : 0. l〜2%、 S n : l〜l 0%を含有し、 残部が C u及び不可避的不純物からなり、 前記 A g及び S nが第 2相を実質的に形成しないで、 C uマトリックス中に完全にも しくは実質的に固溶した状態であることを特徴とする耐焼付性にすぐれ た銅系すベり軸受材料であり、
本発明の第二は、 上記の銅系すベり軸受材料と、 厚さが l〜2 5 Atm の軟質金属からなりあるいは固体潤滑剤と樹脂からなるオーバレイとを 含んでなることを特徴とする内燃機関用すベり軸受であり、 また、 本発明の第三は、 上記すベり軸受材料に前記オーバレイが中間層を介 さずに直接接着されていることを特徴とする内燃機関用すベり軸受に関 する。
以下、 本発明の構成を説明するが、 まず本発明に係るすべり軸受材料 の合金組成を説明する。
銅系合金に含有された A gは C uマトリックス中に均一に微細に分散 することによって耐焼付性を向上する。 A g含有量が 0. 1 %未満およ び 2%を超過いずれの場合も耐焼付性向上の効果は奏されない。 好まし い A g含有は 0. 4〜； 1 %である。
次に、 S nは固溶により C uマトリックスの硬さおよび強度を高め、 また耐食性および酎凝着性を向上させる。 S n含有量が 1 %未満である と耐凝着性を向上させる効果がなく、 一方 10%を超えると銅系合金が 硬くなりすぎて軸受してのなじみ性が劣り、 また C u3 Sn化合物 （ ε 相） が析出し始め耐焼付性が劣化する。 好ましい S n含有量 η 2〜7% である。 A
上記組成にさらに 0. 5%以下の Pを添加することができる。 Pはそ れ自体では摺動特性には特に寄与しないが、 粉末アトマズ時に脱酸剤と して湯流れを改良して粉末の性状を良好にするとともに、 比較的低温で の焼結を可能にする。 また、 Pは铸造材製造の際には脱酸剤として作用 するとともに、 湯流れを良好にして铸造欠陥を少なくする。 軸受使用中 の A g、 S nの析出を妨げるであろう溶質酸素の量は Pの添加により少 なくなり、 溶質状態に保たれる S n及び A gの量が多くなつて耐焼付性 が良好になる。 したがって、 銅合金中の酸素量が多い場合には Pを添加 することが好ましい。 しかしながら P含有量が 0. 5%を超えると、 銅 合金が硬くかつ脆くなる。 好ましい P含有量は 0. 05〜0. 1 5%で ある。
特に好ましい組成は A εと S ηの含有量が平衡状態の固溶限を超える C u - l %Ag - 5%Snであり、 これらの元素を強制固溶した合金が 極めて優れた摺動特性を発揮する。
上記成分以外の元素は、 銅に通常含有される 0, F e， As, N iな どの不純物である。 これらの元素は少ないほど好ましい。 特に酸素は強 制固溶された A gの析出 （後述の図 3参照） を妨げるおそれがあり、 ま た P bは潤滑油中の S成分による腐食をもたらすから、 少ない方が良 レ、。 その他の成分は有益な作用をもたらさないから、 合計で 1 %程度以 下に規制することが好ましい。 なお、 本発明の銅系合金は軟質金属であ る P bは必須成分として含有していないが、 Cuが相手材に凝着するこ となく摺動特性は極めて良好である点が特筆される。 但し、 Pbおよび B iは快削性を付与するために 4%以下銅系合金に添加してもよい。 続いて、 本発明に係る銅合金の組織を説明する。
本 Cu— S n-A g系合金においては、 平衡状態で固溶限は S nが約 2%、 Agが約0. 2%である。 したがって、 本発明の合金組成はこれ らの元素の含有量が固溶限未満から固溶限以上に亘つている。
これらの元素は Cuマトリックス中に固溶して、 電子顕微鏡レベルで 微細に分散していることが摺動特性を向上するために重要である。 本発 明において、 完全固溶組織は、 電子顕微鏡により二次相の存在が認めら れず、 また EPMAにより Cu, Sn, Pが A g, ε - C u S nx
(C u3 Sn) , η ' 一 Cu Sn (C u6 S ns ) などの二次相形態に 濃縮して分布して検出されない組織である。 なお、 本発明では Cu, S n , A gなどの主要成分が二次相を実質的に形成しないことが必要で あるが、 不純物が微量の介在物もしくは二次相を形成することは支障が ない。
本発明においては、 固溶状態は完全固溶が好ましいが、 二次相がほと んど検出されない実質的固溶状態でもよい。 ここで、 実質的固溶状態と は具体的には A gなどの各成分の X線写真を画像解析装置により観察 し、 任意の観察視野 （ 1000倍） における二次相の面積が 5%以下の 組織状態である。
詳しくは後述するように A gは軸受使用中に表面に濃縮して A g-S 化合物を形成し、 この現象が本発明のすべり軸受材料の摺動性能が飛躍 的に改善された原因であると考えられる。 A g— S化合物の形成を可能 にするのが、 C uマトリックスにおける上記の固溶状態であるから、 固 溶状態の確認は使用中のすべり軸受においてはライニングの最表面を除 いて行うことが必要である。 さらに、 固溶状態は軸受使用中の摺動特性 を良好にするための必要条件であるから、 軸受の摩耗が起こる可能性が ある表面から 1 m程度以下の浅い位置において固溶状態が実現されて おればよく、 素材急冷の際の質量効果により冷却速度が遅くなる素材内 部で A gなどが析出していてもよいことは、 以下の説明から明らかにな るであろう。 A g及び S nを C uマトリヅクスに固溶させるためには、 銅合金粉末 の焼結を好ましくは 800〜90 O'Cで行った後、 50°C/分以上の冷 却速度で急冷を行うか、 あるいは同様の条件で溶体化熱処理を行うこと により、 これらの元素を強制的に C uマ卜リックス中に溶け込ませる必 要がある。
铸造材料の場合は、 約 500〜60 O'Cに予熱された厚さが 1. 5mm程度の鋼板 （S PCC) に N2 雰囲気内で溶湯を流し込み、 その 後 1 00°CZ秒以上の冷却速度で鋼板の裏金から水冷却することが好ま しい。
上述のように、 A g及び S nの含有量は平衡状態での固溶限未満のこ ともあるが、 これらの元素の偏析を防止するためにやはり急冷すること が好ましい。
続いて本発明のすべり軸受材料を使用したすべり軸受を説明する。 こ のすベり軸受材料は、 従来のようにオーバレイを利用するなど公知のあ らゆる形態で使用することができる。 しかしながら、 摺動特性が非常に 優れた本発明のすべり軸受材料の特に有益な使用法は以下のとおりであ る。
本発明のすべり軸受材料は、 従来のように厚いオーバレイによる補強 を行う必要がないので、 オーバレイは軸とのなじみを取るのに必要な厚 さがあればよく、 その厚さは l〜25 /xm、 好ましくは 2〜 8 μ mであ る。
オーバレイ と しては、 P b— I n系、 P b— S n— C u系、 P b - S n - I n系、 P b - S n - I n - C u系合金めつき、 S n系 めっき、 I n系めつきなどの各種金属オーバレイを使用することができ る。 さらに、 Mo S2 などの固体潤滑剤をボリイミド （P I ) , ポリア ミドイミド （PA I ) 、 エポキシ樹脂などの樹脂バインダーで結合した オーバレイを使用することもできる。
上述のように軸受使用中にオーバレイ中の S nはライニングに拡散す る現象が起こる。 本発明においてはォ一バレイはなじみを取るだけの機 能をもたせればよいから、 S nの枯渴を招くほどオーバレイは長期間に 性能をもたせる必要はなく、 この観点からするとニッケルバリヤーは不 必要であり、 また積極的にニッケルバリヤ一を排除することにより、 露 出したニッケルバリヤ一による焼付を防止し、 却って露出したライニン グの優れた耐焼付性を活用することができる。 このすベり軸受において は、 銅系すベり軸受材料の表面はエッチング、 ショッ トブラスト、 めつ きなどによりオーバレイとの密着性を高める処理をすることはできる。 本発明に係る銅系材料①及び比較のための銅系材料②を軸受として使 用した際に認められる現象は、 （ィ） マトリックス中の溶質 A gは軸受 使用中 （温度： 1 2 0〜1 8 0 eC ) に摺動面に析出して潤滑油中の S成 分と反応して A g— S化合物である A g 2 Sの極めて薄い皮膜を形成す る （①） ； （口） 摺動面から 1 m以上離れたライニング内部では A g の析出は検出できない （①） ； （ハ） 軸受使用初期から第 2相として析 出した A gは硬質すぎるために摺動特性が悪く、 摺動部において上記し た A g 2 Sの皮膜が広くまんべんなく形成されないので、 摺動特性が優 れない （②） ； （二） 平衡状態の固溶限より少ない量の A gでも （ィ） の現象が起こる （①） 、 などである。 図面の簡単な説明
第 1図は A g含有量と A g析出部分の面積率の関係を示すグラフであ る。
第 2図は A g含有量と焼付荷重の関係を示すグラフである。
第 3図は 4 % A gを含有する銅系材料の A gの S E M像を示す図であ る。
第 4図はスティックスリッブ試験機を示す図である。
第 5図は焼付試験機を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
S n = 5%, P = 0. 05 %, A g≤5%, 残部 C uの組成をもつ焼 結材料を後述の実施例 1と同じ製造法で製造し、 軸受使用前に 5視野で A g析出面積率を測定した結果を第 1図に示し、 またこの材料の焼付荷 重を第 2図に示す。 また第 3図には A g= 4%, A g析出面積率 = 4% の S EMによる A g像 （倍率 1 000倍） を示す。 第 1図及び 2より、 (ィ） A gが完全固溶している 1 %以下では A g含有量とともに焼付荷 重が飛躍的に増大している； （口） A g含有量が 1. 0%を超えると強 制固溶が不可能になって A gの析出が始まり、 これに伴って焼付荷重が 徐徐に低下する； （ハ） A g含有量の上限である 2%では 1 %の A gが 溶質として存在し、 残りの 1 %の A gが二次相として存在する。 このよ うな組織状態であつても溶質 A gの作用により焼付荷重は非常に高いレ ベルに保たれている。
第 3図には A g二次相の析出形態の一例を示す。
—方、 S nも C uマトリックスの溶質元素であると摺動特性が優れる カ^ 軸受使用前から二次相として析出すると硬くかつ脆くなるために摺 動特性を劣化する。 本発明が特徴とする組織をもつ銅系合金では溶質 S nは軸受使用中に摺動面に析出し、 しかも S nが析出する場所には A g も共に析出している。 したがって、 A g2 S, A g3 S n, S n Sなど の化合物が二次相として摺動面に形成され、 これらの化合物が摺動特性 を改善していることが推定される。
以下、 実施例によりさらに詳しく本発明を説明する。 実施例 1
表 1に組成を示す銅合金の溶溻をアトマイズにより粉末化し、 その後 粉末粒度が 1 5 0 μ mのものを裏金鋼板 （ S P C C、 厚さ = 1. 4mm) の上に厚さが 0. 6mm程度になるように散布し、 圧縮するこ となく 850で、 水素ガス雰囲気中で焼結した。 その後 50 eCZ m i nの冷却速度で急冷を行った。 その後全体の厚さが 1. 5mmにな るように焼結層を圧縮した。 その後、 再度 850eC、 水素ガス雰囲気で 焼結し、 その後 50°CZm i nの冷却速度で急冷した。 焼結材料を表面 粗さが 0. 5 μ mになるように研磨して調製した試料 （厚さ 1. 5mm) を第 4図に方法を図解するスティックスリッブ試験に供した。 この試験は凝着による焼付が起こる傾向を調査するのに適した試験であ る。 第 4図において、 1は試験片、 2はヒーター、 3は荷重を加えつつ 試料面を移動する鋼球である。 試験条件は以下の通りであった。
(ィ） 荷重 （W) ： 500 g
(口） 鋼球先端面半径： 4mm
(ハ） 鋼球移動速度： 3. 6mm/m i n
(二） 鋼球移動距離： 2 Omm
(ホ） ヒーターによる加熱最高温度： 200°C
(へ） 銅凝着面積の測定：鋼球表面写真による
スティックスリッブ試験の結果を表 1に示す。 1 組成 ( w t / % ) スティックスリップ 発生時 Cu凝着面積
No Cu Ag Sn Pb P 発生温度 （"c) 摩擦係数 ( mz )
① 残 0.5 5 0.03 無 し 0
② 1.0 3 T 0 施
③ 1.5 7 0.05 T 0 例
④ 2.0 10 0.08 T 0
⑤ 0.1 1 ΐ 0
T
⑥ 100 0.40 2000 比 ⑦ 0.05 0.1 120 0.42 1700 較 ⑧ 5 0.05 150 0.50 1500 例 ⑨ 3 10 0.02 し 0
® 0.01 15 0.03 160 0.55 900 表 1において、 比較例 6は純銅であり、 試験片の凝着面積が大きくし かも低温で試験片の凝着が発生している。 A g及び Pを少量添加した比 較例 7は凝着傾向が多少抑制されている。 S nを多量に添加すると （比 較例 8、 1 0) とさらに凝着傾向が抑制される。 Pbと Snを複合添加 すると （比較例 9) 凝着は完全に抑制される。 これに対して本発明実施 例 1〜 5では P bを添加しなくとも凝着は完全に抑制される。
実施例 2
表 2に示す組成の銅合金焼結材を実施例 1と同様の方法により製造し た。 得られた焼結材の耐焼付性を第 5図に示すピンオンディスク試験機 により調査した。 第 5図において、 5は油圧シリンダー、 6は給油パッ ド、 7は試験片、 8は摺動の相手材となるディスク、 9は油圧シリンダ 一にパランスするバランスウェイ 卜、 10はロードセルである。
試験条件は以下のとおりであった。
(ィ） すべり速度： 15m/s e c
(口） 荷重：荷重漸増 （ステップ式） ， 60 ONノ m i n
(ハ） 油種： 10W - 30
(二） 油温：室温
(ホ） 相手材： S 55 C焼入れ （Hv= 550〜650) 、 粗さ 0. 5〜0. 8 m R ζ
(へ） 試験片：面積一 1 cm2 , 粗さ一 1. 0〜1. 5 mR z 耐焼付性試験結果を表 2に示す。 組成 （ w tノ％ ) 焼付き試験 焼付き荷重
No Cu Ag S η Pb Ρ (kg/cm2)
11 残 0.1 3 0.03 860
12 1.0 5 900 施
13 2.0 10 830 例
14 0.5 5 0.05 880
15 1.5 1 0.01 850
16 400 比 17 0.08 450 較 18 15 420 例 19 0.05 0.5 480
20 3.5 24 0.02 450
21 5 8 0.03 480 表 2において比較例 20は従来のケルメッ 卜の代表的組成例であり、 この性能と比較すると本発明実施例 1 1〜1 5の耐焼付性は 2倍弱に改 善されていることが分かる。 特に、 本発明実施例の材料は P bを含有し ないにもかかわらず、 耐焼付性が優れていることに注目される。
A g (比較例 1 7) 及び S n (比較例 1 8) の単独添加では純銅 （比 較例 1 6) よりも耐焼付性は改善されるが、 その程度は僅かである。 A と S nの複合添加 （比較例 1 9 ) ではさらに耐焼付性が改善されるが Pが欠けていると、 その程度はやはり少ない。 比較例 2 1は A g含有量 が多過ぎるために耐焼付性は十分ではない。
実施例 3
実施例 1と同じ方法により、 表 3に示す組成の銅系すベり軸受材料を 調製して、 ターボチャージヤー付きディーゼルエンジン （排気量 240 0 c c) のコンロッ ド舳受用すベり軸受を製作した。 使用した裏金は鋼 板 （S P CC, 厚さ = 1. 2 mm) であり、 ライニングの厚さは 0. 3 mmであり、 ライニング表面にニッケルバリヤ一を介さずに直接オーバ レイを被着した。 オーバレイの形成方法は、 金属オーバレイはほうふつ 化浴電気めつきと I nの拡散を組み合わせる方法により行い、 固体潤滑 剤系オーバレイは樹脂との混合物を焼付ける方法により行った。 各すベ り軸受の摺動特性を以下の方法で評価した。
(ィ） 回転数： 4000 r pm
(口） 軸受面圧： 450, 600, 700 k g/cm2 (ハ） 油種： 1 0 W - 30 , CD
(二） 油温： 1 25°C
(ホ） 試験時間： 400 h
試験結果の評価：摩耗量を測定し、 平均値を計算；表面状態-目視に より再使用可能な状態のものを合格 （〇） 、 不可能なものを不合格 (x) とした。
試験結果を表 3に示す。 試験条件は下記のとおりであった。
(ィ） ェジンン ： L4. 2ヂーゼル、 TZC付 (口） 回転数： 4000 r pm
(ハ） 軸受面圧： 45， 60k g/cm2
(二） 油種： 10 W - 3 a
(ホ） 油温： 125'C
(へ） 試験時間： 400 h
表 3 ェ ン ジ ン 試 験 結 果
ラ ィ 二 ン グ 分 N i 才- -バレイ成^ 表面コ一テ ィ ング^ オ-バレイ K耗量 （ m ε ) 400h ( w t / % (w t/%) 樹脂 /1体潤滑材 = 5Q/50 VOlX) Ifさ
めっき ^
No Cu Ag S n Pb P Pb Sn In Cn 榭 脂 固体潤滑剤 5 Pa 60MPa 70MPa
22 残 0.1 1 一 0.03 '無 残 10 2 一 - 5 27 33 38 o
23 1.0 5 一 一 T 10 T - - 10 40 44 49 o 実 24 1. o 1 - - T T T - - 3 21 25 32 o
†
25 1.0 5 - ― τ 一 T - 一 - 5 30 35 41 o 施 τ
26 2.0 10 - 0.05 2 一 ― 25 50 59 64 o 例 27 2.0 1 l n u 5 25 vi 39 o
28 t 2.0 5 - 一 τ t T † - - 一 1 12 20 29 〇
29 2.0 3 ― 残 一 ― 5 23 ' 33 40 〇
Τ
0.1 ―
30 2.0 10 PI M 0 S 5 18 25 33 o
31 t 2.0 7 一 t PAI T 10 26 30 38 〇
32 0.5 7 0.5 ェポシキ榭脂 T 5 16 23 31 〇
33 1.0 3 PI ΐ 3 14 21 28 〇
34 5 25 残 10 5 310hで 17 Ohで 100hで X 比 焼付 焼付 焼付
35 0.05 T T 10 T 5 Ohで lOOhで 70hで X 較 焼付 焼付 焼付
† c
36 1.0 15 τ T T 5 70hで 50hで 30hで X 例 焼付 焼付 焼付
37 3.0 ΐ ΐ T 5 廳で 80hで 50hで X 焼付 焼付 焼付
表 3において、 比較例 3 4は通常のオーバレイ付きケルメッ ト軸受で あるが、 オーバレイの厚さをなじみをとる程度だけの薄くした比較例で あり、 本実験条件では焼付が起こっている。 これに対して、 少量 （0 . 0 5 % ) の A gを添加し、 P bを除いた比較例 3 5はさらに焼付が起こ り易くなっている。 A g含有量をさらに増加しかつ S nを多量に添加し た比較例 3 6及び A gのみを多量に添加した比較例 3 7ではやや焼付が 起こり難くなつている。
これらの比較例に比べ本発明実施例では摩耗量が非常に少なくかつ耐 焼付性が優れている。 特に、 S n量が非常に少なくとも性能が優れてい る （実施例 2 2、 2 4 ) 。 産業上の利用可能性
以上説明したように、 本発明に係る C u— S n - A g系銅合金はすべ り軸受として要求される耐焼付性が非常に優れている点、 及び劣化潤滑 油による腐食の原因となる P bがない鉛フリ一材料あるいは鉛添加量が 少ない材料である点に特徴がある。
なお、 この組成系の銅合金は、 従来ばね、 接点材料もしくは電気部品 として使用することは知られていた （例えば、 特開昭 4 9— 7 5 4 1 7 号、 特開昭 5 0 - 7 7 2 1 6号、 特開平 2 - 2 2 8 4 3 9号、 特開平 5 一 1 9 5 1 7 3号） 、 強制固溶後軸受として使用中に摺動面に析出し た A g， S n二次相を性能向上に利用する本発明材料は、 これら公知の ものと比較して金属組織制御技術の観点からも特筆すべき材料である。

Claims

言青求の範囲
1. 重量百分率で、 A g : 0. 1〜2%、 S n : l〜l 0%を含有し、 残部が C u及び不可避的不純物からなり、 前記 A g及び S nが第 2 相を実質的に形成しないで、 Cuマトリックス中に完全にもしくは 実質的に固溶した状態であることを特徴とし、 耐焼付性にすぐれた 銅系すベり軸受材料。
2. さらに、 0. 5%以下の Pを含有することを特徴とする請求項 1記 載の銅系すベり軸受材料。
3. A g含有量が 0. 4〜1 %である請求項 1または 2記載の銅系すベ り軸受材料。
4 - S n含有量が 2〜 7%である請求項 1から 3までの何れか 1項記載 の銅系すベり軸受材料。
5. P含有量が 0. 05〜0. 15%である請求項 1から 4までの何れ か 1項記載の銅系すベり軸受材料。
6. P b及び B iの少なくとも 1種を 4%以下含有する請求項 1から 5 までのいずれか 1項記載の銅系すベり軸受材料。
7. 請求項 1から 6までの何れか 1項記載の銅系すベり軸受材料と、 厚 みが 1〜25 jamの軟質金属からなりあるいは固体潤滑剤と樹脂か らなるオーバレイとを含んでなることを特徴とする内燃機関用すベ り軸受。
8. オーバレイの厚さが 1〜25 rnである請求項 7記載の内燃機関用 すべり軸受。
9. 前記軸受材料に前記オーバレイが中間層を介さずに直接接着されて いることを特徴とする請求項 7または 8記載の内燃機関用すベり軸 軸との摺動面以外で前記完全もしくは実質的に固溶した状態が保 たれていることを特徴とする請求項 6から 8までの何れか 1項記 載の内燃機関用すベり軸受。
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