不含Pb的銅合金滑動材料和滑動軸承的製作方法

2023-04-29 01:30:16 1

專利名稱：：不含Pb的銅合金滑動材料和滑動軸承的製作方法
技術領域：
：本發明涉及不含Pb的銅合金滑動材料，更詳細而言，本發明涉及Cu-Sn-Bi類滑動材料和滑動軸承。
背景技術：
：鑄件用Cu-Sn-Pb系合金通過JISH2207進行了標準化，作為將同一組成的Cu-Sn-Pb系燒結合金粘結於裡襯金屬得到的所謂雙金屬軸承，正在用作太陽輪、液壓泵、輸送裝置、端軸承、小齒輪等自動變速機(AutomaticTransmission)的襯套。在這種銅合金中，Pb作為4氐熔點二次相分散，作為潤滑成分起作用。另夕卜，Pb降低了銅合金整體的硬度，提高了親和性。其結果是銅合金的耐熱膠著性變得良好。專利文獻1:日本特開2001-107106號公報提出了將下述燒結銅合金進行雙金屬化得到的軸承，所述燒結銅合金是在以重量°/。計含有0.4%以下的P和12%以下的Sn作為必須元素、含有10。/。以下的Ni、5%以下的Ag、5%以下的Pb和5%以下的Bi作為任意元素的銅合金中，分散作為硬質粒子的Mo和/或W得到的合金。該專利文獻描述，Bi、Pb提高了親和性，Ag提高了耐腐蝕性和強度，只要Ag固溶於銅(Cu)即發揮這樣的效果。專利文獻2:日本特開2005-350722號公報的目的在於，在燃料噴射泵中使用的不含Pb的Cu-Bi-硬質物粒子系燒結合金中，通過使Bi相粒子比硬質物粒子微細，達到與含Pb銅合金同等的滑動特性。專利文獻3:日本特許第3560723號(日本特願平8-57874號)的滑動軸承銅合金涉及不含Pb的銅合金滑動材料，其將Ag、Sn、Sb、In、Mn、Fe、Bi、Zn、Ni和/或Cr(其中除去僅Ag和Sn的組合)固溶於Cu基質中，尤其將Ag非平衡地固溶，它們的二次相實質上並未形成。在該銅合金中，雖然Pb等軟質二次相不存在，即所謂不含Pb,但由於特定固溶元素如Ag和Bi在滑動中濃縮於銅合金表面，形成了耐熱膠著性優異的物質，所以可得到與含Pb銅合金相當的特性。從Cu-Bi的2元狀態圖來看，Cu和Bi可幾乎沒有固溶限地在液相下相互溶合，但在固相下分離成2相。因此，在將Bi固溶於銅合金中時，在通過急冷凝固製備Cu-Bi粉末時，需要將Cu、Bi從熔解狀態非常迅速地冷卻，且其速度必須快於工業上可能的速度。專利文獻1:日本特開2001-107106號7>4艮專利文獻2:日本特開3005-350722號公報專利文獻3:日本特許第3560723號
發明內容專利文獻l的銅合金的目的並非特別在於不含Pb。其中，作為任意成分若不選擇Pb而選擇Bi,雖然形成了不含Pb的Cu-Bi組成，但尤其對於Bi相的親和性劣於Pb等沒有任何描述。對於Bi作為軟質二次相分散的專利文獻2中提出的不含Pb的Cu-Bi系合金，由於Bi的摩擦係數高於Pb,所以在高溫下達到與含Pb的Cu-Sn系合金相當的滑動特性是困難的，對於該問題設想通過Bi相的微細化來解決。但從親和性本身的角度考慮，期望Bi相在一定程度上粗大。另一方面，專利文獻3中提出的不含Pb的Cu-Bi-Ag系合金中，雖然在一定程度的滑動後得到了穩定的滑動特性，但在剛製造後作為滑動部件使用時也不存在軟質二次相，因此存在滑動初期的摩擦係數高的問題。因此，本發明的目的在於提供與Cu-Pb系銅合金具有同等的耐熱膠著性、且從滑動初期摩擦係數穩定的不含Pb的銅合金滑動材料和滑動軸承。本發明的不含Pb的銅合金滑動材料的特徵在於，以質量百分率計含有1.015.0%的Sn、0.515.0%的Bi和0.055.0%的Ag，剩餘部分包含Cu和不可避免的雜質，且Ag和Bi形成Ag-Bi共晶。以下詳細i兌明本發明。合金組成首先，說明本發明的銅合金的組成。Sn是提高銅合金的強度、且提高對潤滑油等中含有的腐蝕性成分尤其是對含S有機化合物的耐腐蝕性的成分。當Sn含量小於1.0%(若無特殊說明，百分率為質量％)時，這些效果小，另一方面當超過15.0%時，生成Cu-Sn系金屬間化合物，銅合金變脆，耐熱膠著性劣化。優選的Sn含量為2.0~10.0%,更優選為2.06.0%。Bi在降低銅合金整體的硬度、提高親和性的同時，通過抑制Cu對對象軸的凝集性而提高耐熱膠著性。當Bi的含量小於0.5%時，這些效果小，另一方面當超過15.0%時，銅合金的強度降低，結果耐磨損性降低。優選的Bi含量為2.010.0%,更優選為3.08.0%。Ag通過與Bi生成共晶，得到由上述Bi所致的低凝集性。當Ag含量小於0.05%時，該效果小，另一方面當Ag含量超過5.0y。時，銅合金的強度降低，耐磨損性劣化。優選的Ag含量為0.10.2%。上述成分的剩餘部分為Cu和不可避免的雜質，尤其Pb為痕量以下。本發明的銅合金可進一步含有0.15.0%的Ni、0.02~0.2%的P和0.530.0%的Zn中的至少1種作為任意成分。Ni提高銅合金的強度、且提高對潤滑油等的耐腐蝕性。當M含量小於0.1%時，該效果小，當超過5.0%時，對對象材料的非凝集性降低。優選的Ni含量為0.52.0%。P是在燒結中產生液相、在提高與裡襯金屬的附著性的同時提高材料強度的成分。當P含量小於0.02%時，這些效果小，另一方面當超過0.2%時，起因於Cu-P化合物的材料脆化顯著。Zn是提高對潤滑油的耐腐蝕性的成分。當Zn含量小於0.5%時，該效果小，另一方面當超過30.0%時，材料強度降低，耐熱膠著性、耐磨損性降低。優選的Zn含量為1.030.0Q/,更優選的Zn含量為15.020.0%。進一步地，本發明的銅合金可以製成添加了硬質粒子的複合材料。硬質粒子可以提高銅合金對磨料磨損的耐磨損性，從而抑制熱膠著。作為該硬質粒子，可以以質量百分率計向銅合金中添加平均粒徑為1.5~70|im的Fe3P、Fe2P、FeB、廳和A1N中的至少1種1.010.0%。這些硬質粒子尤其Fe3P作為硬質粒子硬度低，所以不會使切削性降低，對對象軸的攻擊性低且對銅合金的燒結性優異。當硬質粒子的平均粒徑小於1.5pm時，由於硬質粒子進入Ag-Bi共晶中，所以在滑動中容易從銅合金表面脫落。另一方面，當平均粒徑超過70]im時，硬質粒子磨損對象軸的所謂攻擊性變大，其次，由於表面粗糙度變得粗大的對象軸磨損銅合金本身，使銅合金的滑動特性劣化。優選的平均粒徑為1050nm，更優選為1540|am。另外，當硬質粒子的添加量小於1.0%時，該效果小，另一方面當超過10.0%時，上述對象軸5攻擊性變大，另外導致材料強度降低、與內襯金屬的附著性降低。合金組織對於本發明的銅合金組織，在任意成分、硬質粒子存在的情況下它們也是組織構成要素，但基本上由Cu基質和Ag-Bi共晶構成。更詳細而言，雖然在添加硬質粒子的情況下這些粒子本身分散，成為組織構成元素，但必定形成Cu基質和Ag-Bi共晶。Cu基質在X射線衍射中檢出了Cu結晶的衍射峰，與顯微鏡觀察的Ag-Bi共晶的二次相是相區別的。Ag-Bi共晶具有Ag微細地分散在沿著Cu基質的晶界延伸的Bi相中的形態。該共晶屬於棒狀共晶。Ag-Bi共晶中混合了微量的Cu和P。在本發明的Cu-Sn-Bi-Ag系基本組成中，優選Cu基質由Cu和Sn構成，Bi、Ag實質上不固溶於Cu基質中，且實質上不形成Ag-Bi共晶以外的二次相。即，固溶於Cu基質中的Bi幾乎不提高滑動特性，共晶形態以外的單相Bi有親和性劣於Pb的缺點。同樣地，Ag也以共晶形態有利於滑動特性。另一方面，Sn主要固溶於Cu基質中。"實質上不固溶，，是指，在後述的圖像解析並用EPMA分析中，在Cu基質中未見Ag、Bi的4企測強度。另外，"實質上不形成二次相"是指，在專利文獻3(段號0045)所述的X射線衍射條件(Cu管球、30kV、150mA)下，未檢出二次相。在除了本發明的基本組成還含有任意成分的組成中，優選Bi和Ag實質上不固溶於由Cu、Sn以及Ni、P和/或Zn構成的Cu基質中，且不形成Ag-Bi共晶以外的二次相。Ni、P和Zn作為Cu基質的構成成分存在，發揮上述性能。即，雖然這些成分不形成妨礙Ag-Bi共晶形成的組織而成為Cu基質的構成成分，但優選Ag、Bi與基本成分的情況同樣，即實質上不固溶在Cu基質中。製造方法將固溶了Sn、Bi和Ag的銅合金，從Ag-Bi二元系狀態圖的共晶溫度262。C附近以一定程度的冷卻速度冷卻時，生成Ag-Bi共晶。即，從共晶溫度附近以超高速冷卻時，不發生共晶反應，Ag和Bi被強制固溶於Cu基質中。若Ag-Bi共晶形成，則在Cu-Bi系合金中所見的Cu基質界面(結晶晶界)上看不到網眼狀延伸的Bi單相，在Cu基質的界面上生成Ag-Bi共晶。即，銅合金中的Bi相的形態因Ag的添加而完全不同。本發明的不含Pb的銅合金滑動軸承的製造方法的特徵在於，利用上述現象，將具有上述組成的原料粉末散布於裡襯金屬鋼板上，前後2次進行在70090(TC下燒結的燒結工序，中間進行縮小燒結空孔的加工工序。在本發明中，將含有全部必須元素和任意元素的銅合金粉末、或含有這些元素的一部分並通過混合達到所定組成的混合粉末，通過混合機等混煉，備用。粉末的粒徑沒有特別限定，優選粒徑為180(im以下。將這些合金粉末或混合粉末散布於裡襯金屬上，燒結，然後進行旨在壓碎燒結空孔的壓延、擠壓等加工，在同樣條件下進行再燒結。燒結溫度為70090(TC的範圍。另外，添加硬質粒子時，將硬質粒子混合在合金粉末或混合粉末中。將燒結體加工成圓筒狀作為軸承(襯套)。表示摩擦係數變化的圖表示對對象材料的凝集的照片顯示本發明的滑動材料的一個實施例的金屬顯微鏡組織(倍率200倍)的照片將圖3的材料的EPMA顏色映射黑白化後的圖像具體實施例方式將Cu成分-Bi-Ag霧化並分末(並分末粒徑-180pm以下)和石更質粒子(平均粒徑-1.570^im)用V型混合機均勻混合，使成為表l所示的組成，將混合粉末以約lmm的厚度散布於鋼板上，進行一次燒結、壓延和二次燒結，製備在鋼板上附著了銅合金的銅合金雙金屬。一次和二次燒結是在700~900°C、燒結時間530分鐘、共晶溫度附近的冷卻速度200°C/mm的條件下進行的。另外，將上述雙金屬成型為圓筒狀作為軸承(襯套)。對如上製作的軸承部件進行下述試-瞼。摩擦試驗在測定微細分散有Ag-Bi共晶的銅合金與分散有Bi單相的銅合金的摩擦係數時，由於在25。C下二者均摩擦係數低且穩定，所以在以下條件下測定了高溫下的摩擦係數。試驗機附著滑動試驗機(付著十^9試験機)試-驗片溫度120°C潤滑無潤滑滑動速度0.3mm/s在該摩擦試驗中，為了嚴格潤滑條件，採用了不使用潤滑油的無潤滑條件。進一步地，試驗片溫度通過K熱電偶測定。測定結果如表l的右端所示。另夕卜，在表1的實施例2、4、8、11和比較例7中，採用以下的方法進行了襯套形狀的熱膠著試驗。試驗結果如表2所示。熱膠著試驗方法試驗機BushJournal試驗機(力^^卞一於々試験機)對象軸SCM415周速15m/s負荷lMPa遞增潤滑ATF(自動傳動液，AutomaticTransmissionFluid)油溫120°Ctableseeoriginaldocumentpage8tableseeoriginaldocumentpage9由於與對象軸接觸而滑動面達到高溫，在即將熱膠著時防止對對象軸的凝集，從而可防止熱膠著。其次，表1的實施例4的燒結合金的組織如圖3所示，由EPMA(日本電子社制、型號(JXA8100)、(加速電壓20kV))所得的顏色映射如圖4所示。如圖3所示，沿著包括通過燒結結合的銅粒子的Cu基質的晶界延伸、以白色表示之處，為作為二次相的Ag-Bi共晶，但微細Ag不明顯。由於Ag相在圖4的EPMA中可以識別，且Bi與Ag的高濃度濃縮區域一致，所以可知它們作為共晶結晶。另外，Bi和Ag在Cu基質中未檢出。另外，圖3中灰色多角形的物質為Fe3P。在表l的其它實施例中，可觀察到與圖3、4同樣的組織。產業實用性如以上說明，本發明的不含Pb的燒結銅合金由於在高溫下初期摩擦特性優異，所以滑動軸承可優選用於自動變速機(AutomaticTransmission)的襯套等。權利要求1.不含Pb的銅合金滑動材料，其特徵在於，以質量百分率計含有1.0～15.0％的Sn、0.5～15.0％的Bi和0.05～5.0％的Ag，剩餘部分包含Cu和不可避免的雜質，且前述Ag和Bi形成Ag-Bi共晶。2.權利要求1所述的不含Pb的銅合金滑動材料，其特徵在於，以質量百分率計，進一步含有0.15.0%的Ni、0.020.2%的P和0,530.0%的Zn中的至少1種。3.權利要求1或2所述的不含Pb的銅合金滑動材料，其特徵在於，>以質量百分率計，含有1.010.0%平均粒徑為1.570pm的Fe3P、Fe2P、FeB、NiB和A1N中的至少1種硬質粒子。4.權利要求1至3中任一項所述的不含Pb的銅合金滑動材料，其特徵在於，Ag和Bi實質上不固溶於Cu基質中，且不以前述Ag-Bi共晶以外的形態析出。5.滑動軸承，其特徵在於，將權利要求1至4中任一項所述的不含Pb的銅合金滑動材料通過燒結粘接於裡襯金屬上。全文摘要本發明提供不含Pb的銅合金滑動材料，其含有1.0～15.0％的Sn、0.5～15.0％的Bi和0.05～5.0％的Ag，Ag和Bi形成Ag-Bi共晶，即使不含Pb也達到與含Pb材料同等的特性，且摩擦係數穩定。根據需要也可含有0.1～5.0％的Ni、0.02～0.2％的P、和/或0.5～30.0％的Zn中的至少1種、以質量百分率計1.0～10.0％平均粒徑為1.5～70μm的Fe3P、Fe2P、FeB、NiB和/或AlN。文檔編號C22C1/05GK101688268SQ20088001591公開日2010年3月31日申請日期2008年5月14日優先權日2007年5月15日發明者加藤慎一,向井亮,橫田裕美,濱口奈穗美申請人:大豐工業株式會社