JP2012519778A

JP2012519778A - 無鉛高強度高潤滑性銅合金

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Publication number: JP2012519778A
Application number: JP2011553034A
Authority: JP
Inventors: アビジートミスラ、; ジェイソンセバスチャン、; ジェイムズエイ．ライト、
Original assignee: ケステックイノベーションズエルエルシー
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2010-03-02
Publication date: 2012-08-30
Anticipated expiration: 2030-03-02
Also published as: US20110303387A1; EP2403966A1; CA2753515A1; WO2010101899A1; US8518192B2; EP2403966B1; CN102341513A; JP5663500B2

Abstract

無鉛銅合金は、約１０．０重量％〜約２０．０重量％のビスマスと、約０．０５重量％〜約０．３重量％のリンと、約２．２重量％〜約１０．０重量％のスズと、最大約５．０重量％のアンチモンと、最大約０．０２重量％のホウ素と、実質的に銅並びに付随的な元素及び不純物である残部とを組み合わせて含む。上記合金は、約０．０５重量％以下、又は０．１０重量％以下の鉛を含む。

Description

関連出願の相互参照
本発明は、本明細書中に参照として包含され、かつ本明細書の一部を構成する、２００９年３月３日に出願した、米国特許仮出願第６１／１５７，０２３号に基づく優先権と利益とを主張する。

本発明は、一般的に銅合金に関し、及びより具体的には、高い強度、延性、及び潤滑性を有する銅−ビスマス合金に関する。

高鉛青銅としても知られる２０〜３０重量％の鉛を含有する銅合金は、高強度、高延性、高融点、及び高潤滑性などの利点により、一般的に使用される。高鉛青銅は、十分な量の追加の潤滑液の存在が不確実であるか又は定期的に中断される、平面ジャーナル軸受又はスリーブ軸受などの回転軸受にしばしば使用される。高鉛青銅中の潤滑性は、固化の間に形成される鉛ベースの第２相によって提供される。潤滑性は、この鉛ベースの第２相の体積分率に少なくとも部分的に比例しており、これは合金中の鉛の量に比例する。

健康上及び環境上の規制のために（これらのいくつかは留保されているが）、銅合金における鉛の使用を実質的に削減または除去することが望ましいものであり得る。「無鉛」と称するためには、鉛は合金の０．１０重量％未満でなければならない。しかしながら、高鉛青銅に対する無鉛置換は利用できていなかった。結果として、製造業者は高鉛青銅の使用に関する規制の適用除外を頻繁に要請している。例えば、空調と加熱ポンプに使用される圧縮器の大手製造業者は、特定有害物質使用制限指令からの、「鉛−青銅軸受シェル及び軸受筒中の鉛」についての適用除外（９ｂ）の継続を、最近要請している。したがって、無鉛、高強度、高潤滑性の銅合金の必要が生じている。

本発明の態様は、約１０．０重量％〜約２０．０重量％のビスマスと、約０．０５重量％〜約０．３重量％のリンと、約２．２重量％〜約１０．０重量％のスズと、最大約５．０重量％のアンチモンと、最大約０．０２重量％のホウ素と、実質的に銅並びに付随的な元素及び不純物である残部とを組み合わせて包含する無鉛銅合金に関する。上記合金は、０．１０重量％以下の鉛を包含する。

一態様によれば、上記合金は、０．０５重量％未満の鉛を包含する。

別の態様において、上記合金は、約１２．０重量％のビスマスと、約２．４重量％〜約３．１重量％のスズと、約１．０重量％のアンチモンと、約０．１重量％のリンと、約０．０１重量％のホウ素とを包含するか、又は、約１２．０重量％のビスマスと、約５．５重量％〜約６．２重量％のスズと、約０．１重量％のリンと、最大約０．０５重量％の鉛と、最大約０．０１重量％のホウ素とを包含する。

さらなる態様によれば、上記合金は、約０．１５（すなわち１５体積％）未満のＣｕ_３Ｓｎの相分画（ｐｈａｓｅｆｒａｃｔｉｏｎ）、約０．１５（すなわち１５体積％）未満のＣｕＳｂの相分画、及び約０．０１（すなわち１体積％）未満のＣｕ_３Ｐの相分画を有する。

さらに別の態様によれば、上記合金は約９０〜２１０ＭＰａ（１３〜３１ｋｓｉ）の範囲の最大引張強度（ＵＴＳ）、約８０〜１２０ＭＰａ（１２〜１７ｋｓｉ）の範囲の降伏強度、及び約１〜２０％の範囲の伸張率を有する。

さらに別の態様によれば、上記合金は、元素ランタン、元素セリウム、及びミッシュメタル、並びにこれらの組み合わせからなる群より選択される形態の、少なくとも一つの希土類元素をさらに包含する。

本発明のさらなる態様は、約１０．０重量％〜約２０．０重量％のビスマスと、約０．０５重量％〜約０．３重量％のリンと、約２．２重量％〜約１０．０重量％のスズと、最大約５．０重量％のアンチモンと、最大約０．０２重量％のホウ素と、元素ランタン、元素セリウム、及びミッシュメタル、並びにこれらの組み合わせからなる群より選択される形態の少なくとも一つの希土類元素と、実質的に銅並びに付随的な元素及び不純物である残部とを組み合わせて包含する無鉛銅合金に関する。上記合金は、最大約０．１０重量％の鉛を包含する。また、上記合金は、少なくとも０．０４の体積分率のビスマスベースの相を包含する。

本発明のさらなる態様は、約１０．０重量％〜約２０．０重量％のビスマスと、約０．０５重量％〜約０．３重量％のリンと、約２．２重量％〜約１０．０重量％のスズと、最大約５．０重量％のアンチモンと、最大約０．０２重量％のホウ素と、実質的に銅並びに付随的な元素及び不純物である残部とを包含し、約０．１０％以下の鉛を含む合金で形成されたビレットを鋳造することを包含する方法に関する。上記ビレットはその後室温まで冷却され、そして固化される。

一態様によれば、上記ビレットは遠心鋳造によって、ニアネットシェイプに鋳造される。別の態様によれば、上記ビレットは、約１００℃／分の速度で、室温まで冷却される。さらなる態様によれば、上記ビレットは直接チル鋳造によって鋳造された後、水で冷却される。

本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面と併せて、以下の発明の詳細な説明によって明らかになるだろう。

本発明のより完全な理解を可能にするために、本発明を、添付の図面を参照して、実施例を用いて記載する。

図１は、本発明の一態様を示す光学顕微鏡写真である。

一般的に、本発明は、１０重量％を超えるＢｉを包含する、延性無鉛Ｃｕ−Ｂｉ合金に関する。本明細書中に参照として包含され、そして本明細書の一部を構成する、米国特許第５，４１３，７５６号において開示された、２〜９重量％のＢｉを含む銅合金は、軸受材料として使用されているが、これらの合金の潤滑性は、高鉛青銅と比較して一般的に低い。低い潤滑性は、潤滑性ビスマスベースの第２相の、低い体積分率による。銅合金のビスマス含量を１０％を超える量に増加させる事前の取り組みは、粒界領域へと偏析されるビスマスベースの第２相をもたらし、これは合金の延性を低減した。いくつかの態様において、本明細書中に開示されるＣｕ−Ｂｉ合金は、合金化添加量のスズ、アンチモン、及び／又はリンを採用し、これはこの問題を回避するのに役立つことができる。

いくつかの態様において、Ｃｕ−Ｂｉ合金は、約１０．０重量％〜約２０．０重量％のビスマスと、約２．２重量％〜約１０重量％のスズと、最大約５．０重量％のアンチモンと、約０．０５重量％〜約０．３重量％のリンと、最大約０．０２重量％のホウ素と、実質的に銅並びに付随的な元素及び不純物である残部とを包含する。一態様において、上記合金は、「無鉛」であり、これは合金が、０．１０重量％未満の鉛を包含することを意味し、または別の態様において、０．０５重量％未満の鉛を包含すること意味する。上記合金は、いくつかの不純物を除去するのに役立つ、少量だが効果的な量の希土類元素を包含してよい。このような希土類元素は、ミッシュメタル（セリウム、及び／又はランタンの混合物を包含してよく、他の元素もまた包含する可能性がある）、又は元素セリウム若しくは元素ランタン、又はこれらの形態の組み合わせによって添加されてよい。一態様において、上記合金は、このような希土類元素の凝集量（ａｇｇｒｅｇａｔｅｃｏｎｔｅｎｔ）を約０．０２重量％の量で包含する。

他の態様において、Ｃｕ−Ｂｉ合金は、約１２．０重量％のビスマス、約２．４重量％〜約３．１重量%のスズ、約１．０重量％のアンチモン、約０．１重量％のリン、及び約０．０１重量％のホウ素、並びに実質的に銅及び不可避の元素及び不純物である残部を包含する。この態様において、上記合金は「無鉛」であり、これは合金が０．１０重量％未満の鉛を包含すること示す。他の態様において、この組成式は、それぞれ示された重量パーセントの５％又は１０％の変動を包含してよい。図１は、この態様を示す光学顕微鏡写真である。

さらなる態様において、Ｃｕ−Ｂｉ合金は、約１２．０重量％のビスマスと、約５．５重量％〜約６．２重量%のスズと、約０．１重量％のリンと、最大約０．０５重量%の鉛と、最大約０．０１重量％のホウ素と、実質的に銅並びに付随的な元素及び不純物である残部とを包含する。他の態様において、この組成式は、それぞれ示された重量パーセントの５％又は１０％の変動を包含してよい。

様々な態様による合金は、高強度、高延性、高融点、及び高潤滑性などの、有利な物理的特性及び物理的特徴を有してよい。上記合金は、約９０〜２１０ＭＰａ（１３〜３１ｋｓｉ）の範囲の最大引張強度（ＵＴＳ）、約８０〜１２０ＭＰａ（１２〜１７ｋｓｉ）の範囲の降伏強度、及び約１〜２０％の範囲の伸張率を有してよい。別の態様において、上記合金は、約１４０〜２１０ＭＰａ（２１〜３１ｋｓｉ）の範囲のＵＴＳ、約８０〜１２０ＭＰａ（１２〜１７Ｋｓｉ）の範囲の降伏強度、及び約７〜２０％の範囲の伸張率を有してよい。また、上記合金は、約１０００℃の融点を有してよい。さらに、合金の潤滑性は、高鉛青銅などの、鉛含有銅合金と同等であり得る。

一態様において、上記合金は、既存のＣｕ−Ｂｉ合金と比べて、高い体積分率のビスマスベースの第２相を有する。これは、合金の潤滑性を向上させることができる。なぜなら、ビスマスベースの第２相は高い潤滑性を有するからである。合金中のビスマスベースの第２相の体積分率は、一態様において、少なくとも０．０４（すなわち４体積％）である。一態様において、図１に示すように、ビスマスベースの第２相がＣｕマトリックス中に分離かつ分散され、そして相粒子の相互連結が制限されることが望ましいものであり得る。合金化添加量のスズ、アンチモン、及び／又はリンは、粒界領域へのビスマスベースの第２相の偏析を回避するのに役立つことができる。上述したように、このような偏析は、合金の延性を低下させ得る。また、本明細書中に開示されるＣｕ−Ｂｉ合金は、液体非混和性を促進する。２つの液体が非混和性である場合、低い凝固温度の液体（すなわち、Ｂｉ）は、他の液体（すなわち、Ｃｕ）から形成された固体の粒界へは一般的に偏析しにくいようである。鋳造に使用されるＣｕ−Ｂｉ合金にこの方法を適用すると、粒界偏析を防ぐことができ、かつ高延性を達成することができる。液体非混和性を促進するために、開示される合金のいくつかの態様は、適切な合金化添加量のスズ、アンチモン、及びリンを包含する。

適切なレベルの延性を提供するために、本明細書中に開示されるＣｕ−Ｂｉ合金は、Ｃｕ_３Ｓｎ、ＣｕＳｂ、及び／又はＣｕ_３Ｐなどの好ましくない相の形成も制限することができる。いくつかの態様において、Ｃｕ_３Ｓｎの相分画を約０．１５（すなわち、１５体積％）未満に限定し、ＣｕＳｂの相分画を約０．１５（すなわち、１５体積％）未満に限定し、そしてＣｕ_３Ｐの相分画を約０．０１（すなわち、１体積％）未満に限定する。これは、スズの添加量を約１０．０重量％未満、アンチモンの添加量を約５．０重量％未満、そしてリンの添加量を約０．３重量％未満に限定することによって達成することができる。これらの金属間相のうち少なくともいくつかは、図１に示すサンプル中に存在するが、これらの相は使用したエッチング技術によっては明らかにされていないことに留意されたい。

一態様において、本発明の上記合金は、真空融解することなく、鉄鋼鋳型における鋳造により製造することができる。いくつかの用途において、上記合金は遠心鋳造して、ニアネットシェイプ部品とすることができる。鋳造物は、その後、約１００℃／分の速度で、室温まで冷却される。より速い冷却速度が、鋳放し偏析を除去するために望ましい。高い冷却速度は、ビレットが、例えば、固化の間に水で冷却される、直接チル鋳造によって使用することができる。

いくつかの態様において、上記合金は、本明細書中に開示される元素組成からなり得、又は本明細書中に開示される元素組成から実質的になり得ることが理解される。本発明の態様が、一つ以上の上述の態様による合金で全体的又は部分的に形成される、鋳型産物などの産物において具体化され得ることも理解される。

作成及び試験された特定の態様のいくつかの実施例は、以下に詳細に説明され、これらの態様の工程及び結果として得られる物理的特性及び物理的特徴についての詳細を含む。以下の実施例で評価されるプロトタイプは、それぞれの合金の残部を銅として、以下の表にまとめられる。

実施例１
重量％で、組成式がＢｉ：１２．０、Ｓｎ：２．５、Ｓｂ：１．０、Ｐ：０．１、Ｂ：０．０１、及び残部Ｃｕである合金を、真空融解することなく鋳造した。上記合金は、不純物を除去するのに役立つ、約０．０２重量％のミッシュメタルも含んでいた。鋳造物は、重さが約３６ｋｇであり、かつ高さが４２ｃｍであった。２５〜１５０℃の間の温度でのピンオンディスク摩擦磨耗試験において、合金は、〜３０重量％のＰｂを含む銅合金と同等の潤滑性を示した。この態様の降伏強度は約８０〜１００ＭＰａ（１２〜１４ｋｓｉ）であり、そして最高引張強度（ＵＴＳ）は約９０〜１９０ＭＰａ（１３〜２８ｋｓｉ）であった。さらに、合金は約４〜１２％の伸張率を示した。図１は、この態様を示す光学顕微鏡写真であり、Ｃｕマトリックス、並びにＢｉベースの第２相を示す。

実施例２
重量％で、組成式がＢｉ：１２．０、Ｓｎ：３．０、Ｓｂ：１．０、Ｐ：０．１、Ｂ：０．０１、及び残部Ｃｕである合金を、真空融解することなく鋳造した。上記合金は、不純物を除去するのに役立つ、約０．０２重量％のミッシュメタルも含んでいた。鋳造物は、重さが約３６ｋｇであり、かつ高さが４２ｃｍであった。２５〜１５０℃の間の温度でのピンオンディスク摩擦磨耗試験において、合金は、〜３０重量％のＰｂを含む銅合金と同等の潤滑性を示した。この態様の降伏強度は約１００ＭＰａ（１４〜１５ｋｓｉ）であり、そしてＵＴＳは約１１０〜１８０ＭＰａ（１６〜２６ｋｓｉ）であった。さらに、合金は約３〜１３％の伸張率を示した。

実施例３
重量％で、組成式がＢｉ：１２．０、Ｓｎ：２．５、Ｓｂ：１．０、Ｐ：０．１、Ｂ：０．００５、及び残部Ｃｕである合金を、真空融解することなく鋳造した。上記合金は、ミッシュメタルを含んでいなかった。鋳造物は、重さが約３６ｋｇであり、かつ高さが４２ｃｍであった。この態様の降伏強度は約１００〜１１０ＭＰａ（１４〜１６ｋｓｉ）であり、そしてＵＴＳは約１１０〜２１０ＭＰａ（１６〜３１ｋｓｉ）であった。さらに、合金は約５〜２０％の伸張率を示した。

実施例４
重量％で、組成式がＢｉ：１２．０、Ｓｎ：２．５、Ｓｂ：１．０、Ｐ：０．１、Ｂ：０．００５、及び残部Ｃｕである合金を、真空融解することなく鋳造した。上記合金は、不純物を除去するのに役立つ、ミッシュメタルも含んでいた。鋳造物は、重さが約３６ｋｇ、かつ高さが４２ｃｍであった。この態様の降伏強度は約１００〜１１０ＭＰａ（１４〜１５ｋｓｉ）であり、そしてＵＴＳは約１５０〜１８０ＭＰａ（２２〜２７ｋｓｉ）であった。さらに、合金は約７〜１０％の伸張率を示した。

実施例５
重量％で、組成式がＢｉ：１４．１、Ｓｎ：５．５、Ｐ：０．１、Ｐｂ：０．０１、及び残部Ｃｕである合金を、真空融解することなく鋳造した。上記合金は、ミッシュメタルを含んでいなかった。鋳造物は、重さが約３６ｋｇであり、かつ高さが４２ｃｍであった。２５〜１５０℃の間の温度でのピンオンディスク摩擦磨耗試験において、合金は、〜３０重量％のＰｂを含む銅合金と同等の潤滑性を示した。この態様の降伏強度は約１２０ＭＰａ（１７ｋｓｉ）であり、そしてＵＴＳは約１２０〜１３０ＭＰａ（１８ｋｓｉ）であった。さらに、合金は約１〜３％の伸張率を示した。

いくつかの別の態様及び実施例が、本明細書中に開示及び例示されている。当業者は、個々の態様の特徴、及び成分の可能な組み合わせ及び変更を理解するであろう。当業者は、任意の態様が、本明細書中に開示される他の態様との任意の組み合わせで提供され得ることも理解するであろう。本発明は、本発明の精神又は主要な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で具体化され得ることが理解される。本明細書中の実施例及び態様は、したがって、あらゆる観点から見て例示的及び非限定的と考えられるものであり、そして本発明は、本明細書中の所定の詳細に限定されない。したがって、特定の態様が例示及び記載されている一方で、多くの変更が、本発明の精神から顕著に逸脱することなく想起され、そして保護の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims

約１０．０重量％〜約２０．０重量％のビスマスと、約０．０５重量％〜約０．３重量％のリンと、約２．２重量％〜約１０．０重量％のスズと、最大約５．０重量％のアンチモンと、最大約０．０２重量％のホウ素と、実質的に銅並びに付随的な元素及び不純物である残部とを組み合わせて含み、０．１０％以下の鉛を含む、合金。
約０．０５重量％未満の鉛を含む、請求項１に記載の合金。
約１２．０重量％のビスマスと、約２．４重量％〜約３．１重量％のスズと、約１．０重量％のアンチモンと、約０．１重量％のリンと、約０．０１重量％のホウ素とを含む、請求項１に記載の合金。
約１２．０重量％のビスマスと、約５．５重量％〜約６．２重量％のスズと、約０．１重量％のリンと、最大約０．０５重量％の鉛と、最大約０．０１重量％のホウ素とを含む、請求項１に記載の合金。
元素ランタン、元素セリウム、及びミッシュメタル、並びにこれらの任意の組み合わせからなる群より選択される形態の、少なくとも１つの希土類元素をさらに含む、請求項１に記載の合金。
前記合金が、約０．１５未満のＣｕ_３Ｓｎの相分画、約０．１５未満のＣｕＳｂの相分画、及び約０．０１未満のＣｕ_３Ｐの相分画を有する、請求項１に記載の合金。
最大引張強度（ＵＴＳ）が約９０〜１２０ＭＰａ（１３〜３１ｋｓｉ）の範囲であり、降伏強度が約８０〜１２０ＭＰａ（１２〜１７ｋｓｉ）の範囲であり、伸張率が約１〜２０％の範囲である、請求項１に記載の合金。
少なくとも０．０４の体積分率のビスマスベースの相を含む、請求項１に記載の合金。
約１０．０重量％〜約２０．０重量％のビスマスと、約０．０５重量％〜約０．３重量％のリンと、約２．２重量％〜約１０．０重量％のスズと、最大約５．０重量％のアンチモンと、及び最大約０．０２重量％のホウ素と、元素ランタン、元素セリウム、及びミッシュメタル、及びこれらの任意の組み合わせからなる群より選択される形態の、少なくとも１つの希土類元素、実質的に銅並びに付随的な元素及び不純物である残部とを組み合わせて含み、少なくとも０．０４の体積分率のビスマスベースの相を含む、合金。
前記合金が、約０．１５未満のＣｕ_３Ｓｎの相分画、約０．１５未満のＣｕＳｂの相分画、及び約０．０１未満のＣｕ_３Ｐの相分画を含む、請求項９に記載の合金。
最大引張強度（ＵＴＳ）が約９０〜１２０ＭＰａ（１３〜３１ｋｓｉ）の範囲であり、降伏強度が約８０〜１２０ＭＰａ（１２〜１７ｋｓｉ）の範囲であり、伸張率が約１〜２０％の範囲である、請求項９に記載の合金。
約１０．０重量％〜約２０．０重量％のビスマスと、約０．０５重量％〜約０．３重量％のリンと、約２．２重量％〜約１０．０重量％のスズと、最大約５．０重量％のアンチモンと、最大約０．０２重量％のホウ素と、実質的に銅並びに付随的な元素及び不純物である残部とを組み合わせて含む合金のビレットを鋳造するステップであって、ここで前記合金は０．１０％未満の鉛を含むステップと、
前記ビレットを室温で冷却するステップ
とを含む方法。
約０．０５重量％未満の鉛を含む、請求項１２に記載の方法。
約１２．０重量％のビスマスと、約２．４重量％〜約３．１重量％のスズと、約１．０重量％のアンチモンと、約０．１重量％のリンと、約０．０１重量％のホウ素とを含む、請求項１２に記載の方法。
約１２．０重量％のビスマスと、約５．５重量％〜約６．２重量％のスズと、約０．１重量％のリンと、最大約０．０５重量％の鉛と、最大約０．０１重量％のホウ素とを含む、請求項１２に記載の方法。
元素ランタン、元素セリウム、及びミッシュメタル、並びにこれらの任意の組み合わせからなる群より選択される形態の、少なくとも１つの希土類元素をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
前記合金が、約０．１５未満のＣｕ_３Ｓｎの相分画、約０．１５未満のＣｕＳｂの相分画、及び約０．０１未満のＣｕ_３Ｐの相分画を有する、請求項１２に記載の方法。
前記ビレットがニアネットシェイプに遠心鋳造される、請求項１２に記載の方法。
前記ビレットが約１００℃／分の速度で室温まで冷却される、請求項１２に記載の方法。
前記ビレットが直接チル鋳造され、そして水で冷却される、請求項１２に記載の方法。