CN102272341B

CN102272341B - 滑动构件用高强度黄铜合金及滑动构件

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Publication number: CN102272341B
Application number: CN2010800040738A
Authority: CN
Inventors: 西村真哉; 山根与幸; 近藤武士
Original assignee: Oiles Corp
Current assignee: Oiles Corp
Priority date: 2009-01-06
Filing date: 2010-01-06
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2030-01-06
Also published as: EP2386664A4; KR20110100644A; JP2010159443A; EP2386664A1; CN102272341A; EP2386664B1; US20120020600A1; JP5342882B2; US9322085B2; WO2010079840A1; KR101607726B1

Abstract

本发明具有如下组织：使固溶于母相中的Si量无限接近于零来维持母相的β相的单相组织，并且在β相中分散有Fe-Mn-Si类金属互化物，藉此提供耐磨损性优良的滑动构件用高强度黄铜合金及滑动构件，所述滑动构件用高强度黄铜合金以质量比计包含Zn:17～28％、Al:5～10％、Mn:4～10％、Fe:1～5％、Ni:0.1～3％、Si:0.5～3％，余部为Cu和不可避免的杂质，该高强度黄铜合金呈如下所述的组织：母相呈β相的单相组织，并且该β相中分散有呈针状、球状和花瓣状的Fe-Mn-Si类金属互化物的至少一种。

Description

滑动构件用高强度黄铜合金及滑动构件

技术领域

本发明涉及一种耐磨损性优良的高强度黄铜合金，尤其涉及适合用于滑动轴承和滑动板等滑动用途的高强度黄铜合金及使用该高强度黄铜合金的滑动构件。

背景技术

作为以往用于轴承等滑动用途的高强度黄铜合金，有日本工业标准JISH5120(参照非专利文献1)规定的1种～4种高强度黄铜铸造物。这些高强度黄铜合金是通过在Cu−Zn合金中添加Al、Fe、Mn等元素而提高了耐海水性、强韧性、耐磨损性和硬度的合金，多用于汽车的传动机构中使用的同步器锁止环、普通机械用的齿轮、轴承等滑动用途。

高强度黄铜合金中，其母相根据用锌当量加权后的添加元素的总量(下称“锌当量相当量”)而呈现α相、β相、α+β相、γ相等各种相。锌当量相当量(亜鉛当量相当量)低的情况下，母相呈α相，该呈α相的高强度黄铜合金虽然韧性优良，但硬度低，因此用于滑动用途时容易发生磨料磨损。如果逐渐增加锌当量相当量，则母相呈β相，如果进一步增加锌当量相当量，则母相呈γ相。呈γ相的高强度黄铜合金具有硬度增大、耐磨损性提高的优点，但相对地，韧性显著下降，耐冲击性下降。

因此，在滑动用途中，母相为β相的单相组织的高强度黄铜合金由于韧性不会下降且具有优良的耐磨损性而得到广泛应用。但是，随着近年来的机械装置的高效率化和长寿命化，要求进一步提高由高强度黄铜合金制成的滑动构件的耐磨损性。

为了提高母相为α+β相或β相组织的高强度黄铜合金的耐磨损性，提出了在母相中分散有Mn₅Si₃等硅化锰类金属互化物的高强度黄铜合金(参照专利文献1)以及在母相中分散有Fe−Mn−Si类金属互化物的高强度黄铜合金(参照专利文献2和专利文献3)。

非专利文献1：日本工业标准JISH5120

专利文献1：日本专利特公昭51-41569号公报

专利文献2：日本专利特公昭62-57700号公报

专利文献3：日本专利特公平2-38651号公报。

发明内容

已知通过在母相中分散硅化锰或Fe−Mn−Si类金属互化物，对于耐磨损性的提高是有效的，但Si的锌当量为10，在高强度黄铜合金的添加元素中极高。因此，锌当量相当量因添加Si而增加，所以为了将母相维持为β相的单相组织，其它元素的添加量受到制约。这里，作为其它元素，例如已知Al。Al是提高耐腐蚀性并增强母相的元素，如果Fe−Mn−Si类金属互化物分散在硬质的母相中，则具有进一步提高耐磨损性的效果。但是，Al的锌当量为6，非常高。因此，如果在添加上述的Si的同时添加Al，则锌当量相当量增大，在母相中生成γ相。其结果是，虽然耐磨损性提高，但伸长率显著下降。因此，即使试着通过添加Si来改善耐磨损性，也不得不减少Al的添加量，难以在维持β相的单相组织的同时进一步改善耐磨损性。

因此，本发明的目的在于，使固溶于母相中的Si量无限接近于零来将母相维持为β相的单相组织，同时母相具有在该β相中分散有Fe−Mn−Si类金属互化物的组织，藉此提供耐磨损性优良的滑动构件用高强度黄铜合金及滑动构件。

本发明人鉴于上述事实进行了反复认真研究后，将目光着眼于锌当量为0.5、在构成元素中最小的Mn，发现即使大量添加Mn也不会导致锌当量相当量的增加，并同时能使所添加的Si在锌当量相当量中所占的比例实质上为零。即，本发明人获得了如下发现：为了在母相中形成具有提高耐磨损性的效果的Fe−Mn−Si类金属互化物而添加Si，另一方面，增加Mn的添加量并同时也增加Fe的添加量，使所添加的Si的绝大部分以Fe−Mn−Si类金属互化物的形式析出，使固溶于母相中的Si无限接近于零，藉此抑制Si对母相的影响，将该母相维持为β相的单相组织并同时实现锌当量大的Al的添加。

本发明的滑动构件用高强度黄铜合金是基于上述发现而完成的发明，其特征在于，以质量比计包含Zn:17～28％、Al:5～10％、Mn:4～10％、Fe:1～5％、Ni:0.1～3％、Si:0.5～3％，余部为Cu和不可避免的杂质，该高强度黄铜合金呈如下所述的组织：母相呈β相的单相组织，并且该β相中分散有呈针状、球状和花瓣状的Fe−Mn−Si类金属互化物的至少一种。

本发明的高强度黄铜合金以质量比计包含Zn:17～28％、Al:5～10％、Mn:4～10％、Fe:1～5％、Ni:0.1～3％、Si:0.5～3％，余部为Cu和不可避免的杂质。下面对本发明的高强度黄铜合金的成分组成进行说明。

Zn是赋予母相的强度、耐磨损性、耐冲击性和对润滑油的耐腐蚀性，并且决定母相的组织的元素。根据Zn的添加量的多少，母相的组织呈现α相、β相、γ相等相。Zn的添加量根据其它添加元素的锌当量及其添加量而不同，如果添加量低于17质量％，则母相的组织中出现α相，使耐磨损性恶化，如果添加量高于28质量％，则母相的组织呈现γ相，合金变脆。因此，将Zn的添加量设为17～28质量％。

Al是β相的生成促进元素，对于母相的增强有效，而且与Si同样锌当量大，有助于γ相的生成，但如果低于5质量％，则无法获得耐磨损性所要求的足够的强度，如果添加量高于10质量％，则会生成γ相，合金脆化。因此，将Al的含量设为5～10质量％。

Mn是与下述的Fe和Si结合而析出Fe−Mn−Si类金属互化物，从而提高耐磨损性，并且通过与Si结合而使固溶于母相中的单独的Si无限接近于零的元素，因此必需大量含有。如果低于4质量％，则无法充分发挥上述效果，即使添加量高于10质量％，也无法期待上述效果之上的效果。因此，将Mn的含量设为4～10质量％。

Fe与上述的Mn和下述的Si结合而析出Fe−Mn−Si类金属互化物，从而提高耐磨损性。如果低于1质量％，则无法充分发挥上述效果，即使添加量高于5质量％，也无法期待上述效果之上的效果。因此，将Fe的含量设为1～5质量％。

Ni固溶于母相中，从而提高合金的强度和韧性，并且也与下述的Si、Zn结合形成分散于母相中的微细的Ni类金属互化物，从而提高耐磨损性。如果低于0.1质量％，则无法充分发挥上述效果，而且Ni具有负的锌当量，为了得到β相的单相组织，需在3质量％以下。因此，将Ni的含量设为0.1～3质量％。

Si与上述的Fe和Mn结合而析出Fe−Mn−Si类金属互化物，从而起到提高耐磨损性的作用。而且，利用同时添加的Mn和Fe，可使固溶于母相中的Si无限接近于零，从而避免母相中出现γ相。为了确保所需的Fe−Mn−Si类金属互化物的量，Si的含量需在0.5质量％以上，另一方面，如果Si的含量高于3质量％，则Si在母相中的固溶量增加，出现γ相。因此，将Si的含量设为0.5～3质量％。

本发明的高强度黄铜合金中，Fe−Mn−Si类金属互化物呈针状、球状和花瓣状中的至少任一种状态。图1(a)所示为包含25.90质量％的Zn、5.67质量％的Al、5.95质量％的Mn、2.00质量％的Fe、2.32质量％的Ni、1.45质量％的Si、余部为Cu和不可避免的杂质的通过砂型铸造而得的高强度黄铜合金的倍数200倍的光学显微镜照片中的合金组织，图1(b)所示为倍数450倍的光学显微镜照片中的合金组织。图1(a)、图1(b)中，外观呈针状、球状和花瓣状的是Fe−Mn−Si类金属互化物，该Fe−Mn−Si类金属互化物以5.7％的面积比例分散于β相的单相组织中。

图2(a)所示为包含20.46质量％的Zn、5.66质量％的Al、5.93质量％的Mn、2.75质量％的Fe、2.52质量％的Ni、1.48质量％的Si、余部为Cu和不可避免的杂质的通过砂型铸造而得的高强度黄铜合金的倍数200倍的光学显微镜照片中的合金组织，图2(b)所示为倍数450倍的光学显微镜照片中的合金组织。图2(a)、图2(b)中，外观呈针状、球状和花瓣状的是Fe−Mn−Si类金属互化物，该Fe−Mn−Si类金属互化物以8.8％的面积比例分散于β相的单相组织中。

图3(a)所示为包含16.98质量％的Zn、6.63质量％的Al、7.75质量％的Mn、2.91质量％的Fe、1.96质量％的Ni、1.49质量％的Si、余部为Cu和不可避免的杂质的通过砂型铸造而得的高强度黄铜合金的倍数200倍的光学显微镜照片中的合金组织，图3(b)所示为倍数450倍的光学显微镜照片中的合金组织。图3(a)、图3(b)中，外观呈针状、球状和花瓣状的是Fe−Mn−Si类金属互化物，该Fe−Mn−Si类金属互化物以12.9％的面积比例分散于β相的单相组织中。

本发明的高强度黄铜合金中，与Si的含量相比，Mn和Fe的含量更多。因此，锌当量较高的Si因为形成Fe−Mn−Si类金属互化物而被消耗，可减少固溶于母相中的Si的量，母相中的锌当量相当量的增加被抑制，且不会受到Al含量的制约。

本发明中，母相因Al而得到增强，并且呈β相的单相组织，呈现因Al而变为硬质的β相中分散有硬质的Fe−Mn−Si类金属互化物的组织，因此起到下述效果：硬度和拉伸强度增大，耐磨损性进一步提高，且韧性提高，可确保一定的伸长率等。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的高强度黄铜合金的组织的光学显微镜照片。

图2是表示本发明的实施方式的另一种高强度黄铜合金的组织的光学显微镜照片。

图3是表示本发明的实施方式的又一种高强度黄铜合金的组织的光学显微镜照片。

图4是本发明的实施方式的板状滑动构件的俯视图。

图5是本发明的实施方式的圆筒状滑动构件的剖视图。

图6是本发明的实施方式的圆筒状滑动构件的另一例的剖视图。

图7是图6所示的圆筒状滑动构件的滑动构件基体的剖视图。

图8是表示实施例中的磨损量的试验方法的立体图。

符号的说明

1、1a、1b 滑动构件

2、2a、2b 滑动构件基体。

具体实施方式

对本发明的实施方式进行更详细的说明。另外，显然本发明不局限于这些实施方式。

本发明的高强度黄铜合金中，分散于作为母相的β相的单相组织中的Fe−Mn−Si类金属互化物如图1～图3的光学显微镜的组织照片所示，其形态呈针状、球状和花瓣状中的至少一种状态。该Fe−Mn−Si类金属互化物的质地坚硬，Fe−Mn−Si类金属互化物分散于作为母相的β相的单相组织中的面积比例与高强度黄铜合金的耐磨损性之间的关系大致呈正比关系。Fe−Mn−Si类金属互化物以微量、例如以3％的面积比例分散于作为母相的β相的单相组织中时，开始体现出提高高强度黄铜合金的耐磨损性的效果，该效果可维持到20％的面积比例为止。但是，Fe−Mn−Si类金属互化物分散包含于作为母相的β相的单相组织中的面积比例如果高于20％，则虽然高强度黄铜合金本身的耐磨损性增强，但另一方面，不仅使对象材料磨损的比例升高，而且可能会使机械性质、特别是伸长率显著下降。因此，Fe−Mn−Si类金属互化物分散包含于作为母相的β相的单相组织中的面积比例优选3％～20％，更优选5～15％。

本发明的高强度黄铜合金中，将Fe、Mn及Si的质量百分率记作[Fe]、[Mn]及[Si]时，理想的是满足下式1。

0.31×[Mn]+0.17×[Fe]≥[Si] (1)

上式是基于下述思路而推导出的公式。即，作为金属互化物，已知代表性的有Mn₅Si₃和Fe₃Si。假设生成该金属互化物，根据原子量算出将所有Si消耗掉所需的Mn量和Fe量。将Si原子的质量设为1时，Mn为54.94(Mn的原子量)/28.09(Si的原子量)=1.956，Fe为55.85(Fe的原子量)/28.09=1.988。以Mn₅Si₃的形式将Si消耗掉所需的Mn量为1.956×5÷3=3.26(倒数为0.31)，以Fe₃Si的形式将Si消耗掉所需的Fe量为1.988×3=5.964(倒数为0.17)，从而导出上式。

通过将Fe、Mn、Si的含量设为满足上式的含量，可使固溶于作为母相的β相的单相组织中的Si无限接近于零，避免在母相中出现γ相。其结果是，可同时添加Si和Al，可藉由Fe−Mn−Si类金属互化物的析出来实现耐磨损性的提高。

此外，可以将本发明的高强度黄铜合金铸造成板状而形成板状体，在板状体的作为滑动面的表面上形成多个孔或沟，在该孔或沟中埋设固定石墨等固体润滑剂，从而制成固体润滑剂埋入型滑动构件。

图4是表示作为使用本发明的高强度黄铜合金的板状体的形态的滑动构件(滑动板)1的俯视图。高强度黄铜合金制的滑动构件基体2的一个表面(滑动面)3上形成有在其厚度方向上凹陷的多个凹部4。该凹部4的形成条件是使得开口部的面积的总和在该滑动构件基体2的表面3的面积中所占的比例达到10～40％。凹部4用于填充保持石墨等固体润滑剂5，为了良好地发挥出该滑动构件1的耐磨损性，凹部4的开口部的面积的总和在滑动构件基体2的表面3的面积中所占的比例至少需为10％。但是，凹部4的开口部的面积的总和在滑动构件基体2的表面3的面积中所占的比例如果高于40％，则会导致滑动构件基体2的强度下降。应予说明，凹部4可以通过使用钻头或立铣刀等的开孔加工或切削加工而形成，也可以通过其它方法形成。

此外，可以将本发明的高强度黄铜合金铸造成圆筒状而形成圆筒体，至少在圆筒体的作为滑动面的内周面上形成多个孔或沟，在孔或沟中埋设固定石墨等固体润滑剂，从而制成固体润滑剂埋入型滑动构件。

图5是表示作为使用本发明的高强度黄铜合金的圆筒状衬套的形态的滑动构件(圆筒轴承)1a的剖视图。在高强度黄铜合金制的滑动构件基体2a的内周面(滑动面)3a上形成有沿着其长边方向排列的多个环状的沟4a。该沟4a与所述滑动构件1同样，其形成条件是使得环状沟4a的开口部的面积的总和在滑动构件基体2a的内周面3a的面积中所占的比例达到10～40％。应予说明，沟4a可以通过使用车刀等的切削加工而形成，也可以通过其它方法形成。

图6是表示作为使用本发明的高强度黄铜合金的圆筒状衬套的形态的滑动构件1b的剖视图。该滑动构件1b是在图7所示的由高强度黄铜合金制成的圆筒状的滑动构件基体2b上形成将其内周面(滑动面)3b和外周面连通的多个圆柱状的孔4b，在孔4b中填充固体润滑剂5而构成。孔4b与所述滑动构件1同样，其形成条件是使得开口部的面积的总和在滑动构件基体2b的内周面3b的面积中所占的比例达到10～40％。该孔4可以通过使用钻头等的开孔加工而形成，也可以通过其它方法形成。

实施例

接着，基于实施例对本发明进行详细说明。另外，显然本发明不局限于以下实施例。

实施例1～6和比较例1～5

按照表1的化学成分将Cu、Zn、Al、Cu−Fe母合金、Ni−Al母合金、Si−Cu母合金、Mn−Cu母合金、Fe−Al母合金用低频熔化炉熔化，以1100℃以上的熔液温度浇铸至内径50mm、外径80mm、长度100mm的砂型，制成圆筒体后实施机械加工，制成内径60mm、外径75mm、长度50mm的圆筒状轴承。在所得的圆筒状轴承上沿壁厚方向在该内周面上形成直径10mm的多个贯通孔，使得开口面积相对于内周面的面积达到30％，并且在贯通孔中埋入由石墨制成的固体润滑剂。接着，使润滑油真空浸透至固体润滑剂部位，将其作为磨损试验用试验片。此外，以JISH5120的B号为基准来铸造拉伸试验用试验片后，以JISZ2201(金属材料拉伸试验片)为基准对4号试验片进行机械加工，以JISZ2241(金属材料拉伸试验方法)为基准进行拉伸试验。硬度(布氏硬度)测定中使用上述4号试验片。表1中，金属互化物面积比例(％)表示分散包含于母相中的Fe−Mn−Si类金属互化物的面积比例。

表2表示上述实施例和比较例的机械性质和磨损量，表2中的磨损量表示通过图8中模式化地表示的轴颈摇动试验(ジャーナル揺動試験)而得的结果。试验方法如下所述：使转轴(对象材料)B相对于上述实施例和比较例的圆筒状轴承A摇动旋转，对圆筒状轴承A施加负荷而将其固定，使转轴B以恒定的滑动速度摇动旋转，测定规定的试验时间后的圆筒状轴承A和转轴B的磨损量。试验条件如下。

<试验条件>

滑动速度：0.47m/min

表面压力 1000kgf/cm²(98MPa)

试验时间 100小时

运动形态转轴连续摇动运动

摇动角度 ±45°

对象材料材质机械结构用碳钢(S45C)

润滑条件试验开始时在滑动面上涂布锂类润滑脂

[表1]

(注)表1中的比较例1的金属互化物栏中的*标记中，金属互化物为Fe−Cu−Al类金属互化物，分散于β相中的面积比例为(4％)。

[表2]

本发明的实施例的高强度黄铜合金中，母相为β相的单相组织，固溶于母相中的Si无限接近于零，因而可抑制Si对母相的影响，将该母相维持为β相的单相组织，并且呈现该β相中分散有Fe−Mn−Si类金属互化物的组织。因而实施例的高强度黄铜合金的耐磨损性优良，且机械性质优良。可以确认在该高强度黄铜合金中埋入固体润滑剂而得的固体润滑剂埋入型滑动构件中，作为基底金属的高强度黄铜合金的优良的耐磨损性和固体润滑剂的低摩擦性相辅相成，从而发挥出作为轴承的优良的耐磨损性。

另一方面，可知在比较例1的高强度黄铜合金中，虽然母相呈β相的单相组织，但分散于该β相中的金属互化物为Fe−Cu−Al类金属互化物，埋入有固体润滑剂的滑动构件中，磨损量增大，耐磨损性差。比较例2的高强度黄铜合金中Mn的含量少，因此可以观察到剩余的Si固溶于母相中，母相的组织呈β+γ相，伸长率显著下降。此外，可知在比较例2的埋入有固体润滑剂的滑动构件中，磨损量增大，耐磨损性差。比较例3的高强度黄铜合金中Zn的含量少，比较例4的高强度黄铜合金中显示出负的锌当量的Ni的含量多，因此各高强度黄铜合金中均在β相中出现了α相，耐磨损性均显著下降。此外，比较例5的高强度黄铜合金中Mn的含量多，虽然母相为β相的单相组织，但金属互化物的面积比例超过20％，可观察到作为机械性质的伸长率显著下降。而且还可知，比较例5的埋入有固体润滑剂的滑动构件中，对象材料的磨损量显著增加。

工业适用性

如上所述，本发明的高强度黄铜合金呈如下所述的组织：母相呈β相的单相组织，该β相中以规定的面积率分散有硬质的Fe−Mn−Si类金属互化物，该高强度黄铜合金的硬度和拉伸强度增大，耐磨损性提高，并且可确保一定的伸长率。因此，本发明的高强度黄铜合金可用于滑动轴承、垫圈和滑动板等滑动用途。

Claims

1.一种滑动构件用高强度黄铜合金，其特征在于，以质量比计，包含Zn:17～28％、Al:5～10％、Mn:4～10％、Fe:1～5％、Ni:0.1～3％、Si:0.5～3％，余部为Cu和不可避免的杂质，该高强度黄铜合金呈如下所述的组织：母相呈β相的单相组织，并且该β相中以3～20％的面积比例分散有呈针状、球状和花瓣状的Fe−Mn−Si类金属互化物的至少一种。

2.权利要求1所述的滑动构件用高强度黄铜合金，其特征在于，将Fe、Mn及Si的质量百分率记作[Fe]、[Mn]及[Si]时，满足下式1：

0.31×[Mn]+0.17×[Fe]≥[Si] (1)。

3.一种滑动构件，其特征在于，在由权利要求1或2所述的高强度黄铜合金制成的圆筒体的作为滑动面的内周面上形成多个孔或沟，在该孔或沟中埋设固定有固体润滑剂。

4.一种滑动构件，其特征在于，在由权利要求1或2所述的滑动构件用高强度黄铜合金制成的板状体的作为滑动面的表面上形成多个孔、沟或凹部，在该孔、沟或凹部中埋设固定有固体润滑剂。

5.权利要求3所述的滑动构件，其特征在于，固体润滑剂在所述作为滑动面的内周面中所占的面积比例为10～40％。

6.权利要求4所述的滑动构件，其特征在于，固体润滑剂在所述作为滑动面的表面中所占的面积比例为10～40％。