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JP2016098381A - すべり軸受用銅合金およびすべり軸受 - Google Patents

すべり軸受用銅合金およびすべり軸受 Download PDF

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JP2016098381A JP2014233488A JP2014233488A JP2016098381A JP 2016098381 A JP2016098381 A JP 2016098381A JP 2014233488 A JP2014233488 A JP 2014233488A JP 2014233488 A JP2014233488 A JP 2014233488A JP 2016098381 A JP2016098381 A JP 2016098381A
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祐平 江端
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慎司 松本
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Abstract

【課題】Mn−Si初晶における焼付きを防止できるすべり軸受用銅合金およびすべり軸受を提供する。【解決手段】本発明のすべり軸受用銅合金およびすべり軸受は、25wt%以上かつ48wt%以下のZnと、1wt%以上かつ7wt%以下のMnと、0.5wt%以上かつ3wt%以下のSiと、1wt%以上かつ10wt%以下のBiと、を含有し、残部が不可避不純物とCuとからなるすべり軸受用銅合金であって、相手材との摺動面において、最近接の3個のMn−Si初晶を頂点とする三角形のうち、面積が5000μm2以上であり、かつ、円相当径が10μm以上となるBi粒子が存在しない三角形の割合が20%以下であることを特徴とする。【選択図】図2

Description

本発明は、黄銅系のすべり軸受用銅合金およびすべり軸受に関する。
晶出型Mn−Si化合物の粒子を摺動面にて分散させた銅合金が知られている(特許文献1、参照)。特許文献1において、晶出型Mn−Si化合物の平均粒子間距離を20〜80μmとすることにより、銅合金のマトリクスの表面を均質に活性状態とすることができ早期に硫化膜を形成することが可能となる。そして、この硫化膜によって耐焼付性を高めている。
特開2011−179600号公報
しかしながら、マトリクスの摩耗が進行すると硬質の晶出型Mn−Si化合物が突出し、晶出型Mn−Si化合物に相手軸からの荷重が集中することとなり、晶出型Mn−Si化合物にて生じた摩擦熱により焼付きが生じやすくなるという問題があった。また、晶出型Mn−Si化合物の平均粒子間距離を20〜80μmに管理しても粒子間距離が大きくなる領域、すなわち晶出型Mn−Siが疎となる領域が生じ得る。このように、晶出型Mn−Siが疎となる領域においては、小数の晶出型Mn−Siに荷重が集中することとなり、焼付きが生じやすくなるという問題があった。
本発明は、前記課題にかんがみてなされたもので、Mn−Si初晶における焼付きを防止できるすべり軸受用銅合金およびすべり軸受を提供することを目的とする。
前記の目的を達成するため、本発明のすべり軸受用銅合金およびすべり軸受は、25wt%以上かつ48wt%以下のZnと、1wt%以上かつ7wt%以下のMnと、0.5wt%以上かつ3wt%以下のSiと、1wt%以上かつ10wt%以下のBiと、を含有し、残部が不可避不純物とCuとからなるすべり軸受用銅合金であって、相手材との摺動面において、最近接の3個のMn−Si初晶を頂点とする三角形のうち、面積が5000μm2以上であり、かつ、円相当径が10μm以上となるBi粒子が存在しない三角形の割合が20%以下である。
前記のように構成したすべり軸受用銅合金において、Bi粒子から供給されたBiが摺動面を覆うことにより耐焼付性を向上させることができる。ここで、Mn−Si初晶を頂点とする三角形であって、面積が5000μm2以上となる三角形が形成される領域、すなわちMn−Si初晶が疎となる領域が形成され得る。なお、面積が5000μm2以上となる正三角形を想定すると、当該正三角形の1辺の長さ、すなわちMn−Si初晶間の距離は107.45μmとなる。このようにMn−Si初晶が疎となる領域においては、摩耗されにくいMn−Si初晶に荷重が集中することとなり、焼付きが生じやすくなる。しかしながら、面積が5000μm2以上であり、かつ、円相当径が10μm以上となるBi粒子が存在しない三角形の割合が多くとも20%以下であれば、Mn−Si初晶が疎となる領域が存在しても、BiがMn−Si初晶を覆うようにすることができ、Mn−Si初晶における摩擦抵抗を軽減できる。従って、Mn−Si初晶における摩擦熱を軽減し、焼付きを防止できる。
ここで、25.0wt%以上のZnを含有することにより、Cu−Znマトリクスの強度を強化することができるとともに、潤滑油中のS成分による硫化腐食を抑制することができる。Mn−Si初晶が疎となる領域では、Mn−Si初晶における摩擦熱によってS成分による硫化腐食が生じやすくなるが、Mn−Si初晶が疎となる領域をBiで覆うことができるためS成分による硫化腐食を抑制できる。なお、35.0wt%以上のZnを含有することにより、より優れた耐摩耗性を得ることができる大きさまでMn−Si初晶の粒子を成長させることができる。また、Znの含有量を48.0wt%以下に抑えることにより、Cu−Znマトリクス中にγ相が多量に析出することを防止でき、Cu−Znマトリクスが脆くなることを防止できる。
また、1.0wt%以上のMnおよび0.5wt%以上のSiを含有することにより、耐摩耗性を向上させるのに十分なMn−Si初晶の粒子を析出させることができる。一方、Mnの含有量を7.0wt%以下に抑え、Siの含有量を3.0wt%以下に抑えることにより、過剰なMn−Si初晶が析出することによって靭性が低下することを防止できる。なお、本発明の銅合金は、不可避不純物を含有し得る。
ラジアル軸受の斜視図である。 (2A)〜(2D)はラジアル軸受の摺動面の写真である。 (3A)は摩耗試験の説明図、(3B)は摩耗体積を説明する模式図である。 焼付試験の説明図である。
ここでは、下記の順序に従って本発明の実施の形態について説明する。
(1)ラジアル軸受の構成:
(2)ラジアル軸受の製造方法:
(3)実験結果:
(4)他の実施形態:
(1)ラジアル軸受の構成:
図1は、本発明の一実施形態にかかるすべり軸受用銅合金によって形成されたすべり軸受としてのラジアル軸受1(フローティングブシュ)の斜視図である。ラジアル軸受1は、例えば内燃機関用のターボ式過給機において、タービン翼とコンプレッサ翼とが軸方向の両端に備えられた相手軸2(一点鎖線)に作用する荷重をラジアル方向に支持する。ラジアル軸受1は円筒状に形成されており、軸方向に直交する断面が円環形状となっている。これにより、ラジアル軸受1の内側にて相手軸2を軸受け可能となる。本実施形態のラジアル軸受1の内径は7.5mmであり、外径は13.6mmである。ラジアル軸受1と相手軸2との間に潤滑油としてのエンジンオイルの油膜が形成される。相手軸2が回転することにより、ラジアル軸受1の内側の表面である摺動面1a上において相手軸2が摺動する。なお、図示しないが相手軸2に作用する荷重をスラスト方向に支持するスラストベアリングもラジアル軸受1と同一の銅合金によって形成してもよい。また、ラジアル軸受1は、半割形状の軸受部品を円筒状に2個組み合わせることによって形成されてもよい。
以下、ラジアル軸受1を構成するすべり軸受用銅合金について説明する。すべり軸受用銅合金は、40.0wt%のZnを含有し、4.0wt%のMnを含有し、1.4wt%のSiを含有し、3.9wt%のBiを含有し、残部がCuと不可避不純物とからなる。不可避不純物はMg,Ni,Ti,B,Pb,Cr等であり、精錬もしくはスクラップにおいて混入する不純物である。不可避不純物の含有量は、全体で1.0wt%以下である。すべり軸受用銅合金における各元素の質量は、ICP発光分光分析装置(島津製作所製ICPS−8100)によって計測した。
以下、ラジアル軸受1の摺動面の写真の解析結果と解析手法について説明する。図2A〜2Dは、ラジアル軸受1の摺動面の写真である。ラジアル軸受1の摺動面の写真は、電子顕微鏡(日本電子製 JSM6610A)で200倍の倍率で撮影した写真である。図2Aに示すように、ラジアル軸受1の摺動面においては、Cu−Znマトリクス5(灰色)中に、Mn−Si初晶4(黒色)とBi粒子3とが分散している。Mn−Si初晶4は棒状、円形状または環状の断面形状を有しており、Bi粒子3はほぼ円形状の断面形状を有している。
図2Aに示す摺動面の写真の画像(以下、解析画像)を画像解析装置(ニレコ社製 LUZEX_AP)に入力し、当該画像解析装置によって解析画像を以下の手順で解析した。まず、Mn−Si初晶4の像が黒色となり、Mn−Si初晶4以外の像が白色となるように、解析画像の明るさとコントラストを調整した。図2Bは、Mn−Si初晶4の像が黒色となり、Mn−Si初晶4の像以外が白色となるように調整された解析画像を示す。図2Bの解析画像を所定の明るさで二値化することにより、Mn−Si初晶4の像をMn−Si初晶4以外の像から分離した。さらに、Mn−Si初晶4の像の円相当径(計測パラメータ:HEYWOOD)を計測し、円相当径が3μm以上のMn−Si初晶4の像を抽出した。これは、微小なMn−Siの結晶(Mn−SiとCu−Znとの共晶も含む)を解析対象から除外するためである。なお、抽出したMn−Si初晶4の像の平均円相当径は26.5μmであった。
次に、円相当径が3μm以上のMn−Si初晶4の粒子の像のそれぞれについて像の幾何学的な重心を求め、最近接の重心同士を頂点とする三角形(以下、単位三角形と表記)を形成した。図2Cは、解析画像上に形成された単位三角形を示す。最近接の重心G同士を頂点とする単位三角形とは、当該単位三角形内に頂点の重心G以外の重心Gを含まない三角形を意味する。次に、単位三角形の全個数と面積とを計測し、当該面積が5000μm2以上となる単位三角形を抽出した。なお、単位三角形の平均面積は、6300μm2であった。
次に、Bi粒子3の像が白色となり、Bi粒子3の像以外が黒色となるように、解析画像の明るさとコントラストを調整した。図2Dは、Bi粒子3の像が白色となり、Bi粒子3の像以外が黒色となるように調整された解析画像を示す。図2Dの解析画像を所定の明るさで二値化することにより、Bi粒子3の像をBi粒子3以外の像から分離した。そして、Bi粒子3の像の円相当径(計測パラメータ:HEYWOOD)を計測し、円相当径が10μm以上のBi粒子3の像を抽出した。なお、Bi粒子3の像の平均円相当径は33μmであった。
そして、単位三角形のうち、面積が5000μm2以上であり、かつ、円相当径が10μm以上となるBi粒子3の像が存在しない三角形(以下、Bi不在三角形と表記)の個数を計測した。単位三角形にBi粒子3の像が存在しないとは、単位三角形内に円相当径が10μm以上となるBi粒子3の像が一部分も存在しないことを意味する。さらに、Bi不在三角形の個数を単位三角形の全個数で除算することにより、Bi不在三角形の割合を算出した。本実施形態において、Bi不在三角形の割合は、20%であった。ここで、Bi不在三角形とは、Mn−Si初晶4が疎となる領域であり、かつ、粒子のサイズが大きいBi粒子3が存在していない領域を意味する。従って、Bi不在三角形の割合が小さいことは、Mn−Si初晶4が疎となる領域が少ないこと、および、Mn−Si初晶4が疎となる領域においてBi粒子3が存在している可能性が大きいことを意味する。
(1−1)耐摩耗性の評価:
ラジアル軸受1を構成するすべり軸受用銅合金の耐摩耗性を評価するために摩耗試験を行った。図3Aは、摩耗試験に使用した円筒平板型摩擦摩耗試験機を説明する模式図である。摩耗試験は、潤滑油としてのエンジンオイル(流動パラフィン)Fに一部が浸漬した状態で円柱状の相手材Aを回転させるとともに、相手材Aに所定の静荷重が作用するように試験片Tを相手材Aに接触させることにより行った。試験片Tは、ラジアル軸受1を構成するすべり軸受用銅合金と同一条件で形成し、平面板状とした。相手材Aは、ラジアル軸受1が軸受けする相手軸2と同等の材料で形成し、具体的に焼き入れ処理を行ったSCM415(クロムモリブデン鋼)で形成した。相手材Aの回転軸方向における試験片Tの長さaを10mmとし、相手材Aの底面の半径rを20mmとした。摺動部における相手材Aの試験片Tに対する相対移動速度bが200mm/secとなるように、相手材Aの回転速度を制御した。また、静荷重を139Nとし、潤滑油の温度を室温とし、試験時間cを3600sec(1時間)とした。以上の条件で摩耗試験を行った後に、表面粗さ計(小坂研究所製 SE3400)よって試験片Tにおける相手材Aとの摺動部の深さのプロフィールを計測した。そして、深さのプロフィールにおける平坦部(非摩耗部)と最深部との深さの差を摩耗深さdとして計測した。
さらに、下記の(1)式によって、比摩耗量Kを算出した。
Lは摺動距離であり、摩耗試験において試験片T上を摺動した相手材Aの表面の長さである。摺動距離Lは、相対移動速度bに試験時間cを乗算した値(b×c)である。Vは、摩耗試験において摩耗した試験片Tの体積(摩耗体積)である。(1)式に示すように、比摩耗量Kとは、試験片Tに単位荷重(1N)を作用させた場合に、単位摺動距離(1mm)あたりに摩耗した試験片Tの体積を意味する。比摩耗量Kが小さいほど、耐摩耗性が高いことを意味する。
次に、摩耗体積Vについて説明する。図3Bは、摩耗体積Vを説明する模式図である。図3Bにおいてハッチングで示すように、試験片Tのうち摩耗した部分の形状は、相手材Aのうち、摩耗試験の終了時において試験片Tに入り込んだ部分の形状となると考えることができる。相手材Aの円形状の底面のうち中心Cから試験片Tの摺動面1aに直交する半径CP0において相手材Aが最も深く入り込み、当該半径CP0において相手材Aが入り込んでいる深さが摩耗深さdとなる。ここで、相手材Aの底面の円周上において、摩耗試験の終了時において試験片Tに入り込んだ部分の下限の点をそれぞれP1,P2と表すと、摩耗体積Vは、相手材Aの底面のうち円弧P12と弦P12とによって囲まれた部分の面積に試験片Tの長さaを乗算することにより得ることができる。相手材Aの底面のうち円弧P12と弦P12とによって囲まれた部分の面積は、円弧P12と半径CP1,CP2とによって囲まれた扇形の面積S1から、弦P12と半径CP1,CP2とによって囲まれた三角形の面積S2を減算した面積となる。従って、摩耗体積Vは以下の(2)式によって算出できる。
前記扇形の面積S1は以下の(3)式によって算出できる。
ここで、θは、半径CP1,CP2が相手材Aの底面の中心Cにてなす角度の半分を表す。なお、角度θは、以下の(4)式を満足する。
一方、前記三角形の面積S2は図形の対称性から以下の(5)式によって算出できる。
以上のようにして、本実施形態のラジアル軸受1を構成するすべり軸受用銅合金の比摩耗量Kを計測したところ、1.95×10-10mm2/Nと良好であった。
(1−3)耐焼付性の評価:
ラジアル軸受1を構成するすべり軸受用銅合金の耐焼付性を評価するために焼付試験を行った。図4は、焼付試験に使用したピンオンディスク試験機を説明する模式図である。
焼付試験は、回転する円盤状の相手材Aを厚み方向に挟み込むように一対の試験片Tを配置し、油圧シリンダーWによって試験片T間に静荷重を作用させることにより行った。
相手材Aと試験片Tとの接触部における両者の相対速度が15m/secとなるように相手材Aの回転速度を調整した。また、相手材Aに対して潤滑油(SAE30 CD級)を保持する給油パッドPを接触させることにより、相手材Aと試験片Tとの接触部に給油を行った。相手材Aは、焼き入れ処理を行ったSCM415で形成した。一対の試験片Tは相手材Aと平行な面内にて回転可能に保持された梁部Eの先端に取り付けられ、当該梁部Eの水平回転を妨げるようにロードセルYを配置した。梁部Eのうち試験片Tが備えられない端部には、バランスウェイトBを取り付け、油圧シリンダーWによって梁部Eに生じる鉛直方向のモーメントを相殺させた。
相手材Aと試験片Tとの間に摩擦力が生じ、当該摩擦力によって梁部Eが水平回転することとなる。そのため、ロードセルYには梁部Eを水平回転させる摩擦力が作用し、ロードセルYが計測する荷重の大きさは、試験片Tと相手材Aとの間に生じる摩擦力の大きさを意味する。そのため、ロードセルYに作用する荷重が所定の閾値以上となった場合に、試験片Tと相手材Aとの間の摩擦力が異常に大きく、焼付きが生じたと判定した。
油圧シリンダーWによって試験片T間に作用する静荷重の大きさを徐々(2MPa/5min)に大きくしていき、試験片Tと相手材Aとの間に焼付きが生じた際の静荷重である焼付荷重を計測した。さらに、焼付荷重を試験片Tと相手材Aとの接触面積で除算することによって焼付面圧を計測した。
以上のようにして、本実施形態のラジアル軸受1を構成するすべり軸受用銅合金の焼付面圧を計測したところ、23Mpaと良好であった。なお、焼付面圧が大きいほど、耐焼付性が高いことを意味する。
以上説明したように、本実施形態では、ラジアル軸受1の摺動面におけるBi不在三角形の割合が20%であり、Mn−Si初晶4が疎となる領域が少ないこと、および、Mn−Si初晶4が疎となる領域においてもBi粒子3が存在している可能性が大きいことが確認できた。そのため、Mn−Si初晶4が疎となる領域が存在しても、BiがMn−Si初晶4を覆うようにすることができ、Mn−Si初晶4における摩擦抵抗を軽減できる。従って、Mn−Si初晶4における摩擦熱を軽減し、23Mpaと良好な焼付面圧が実現できることが確認できた。
(2)ラジアル軸受の製造方法:
本実施形態においてラジアル軸受1は、a.溶融、b.連続鋳造、c.切断、d.機械加工の各工程を順に行うことにより製造される。以下、各工程について説明する。
a.溶融
まず、40.0wt%のZnを含有し、4.0wt%のMnを含有し、1.4wt%のSiを含有し、3.9wt%のBiを含有し、残部がCuと不可避不純物とからなるすべり軸受用銅合金が形成できるように各原料を計量して用意した。本実施形態では、Cuのインゴットと、Znのインゴットと、Cu−Mnのインゴットと、Cu−Siのインゴットとをそれぞれを計量して用意した。ここでは、目標とするラジアル軸受1の機械特性に応じた質量の原料を用意すればよい。目標とするラジアル軸受1の機械特性は、例えば相手軸2の機械特性に応じて定められる。次に、用意した各原料を高周波誘導炉によって1200℃まで加熱する。これにより、各インゴットが融解する。その後、Arガスの気泡を分散噴出させて、水素ガスや介在物の除去を行う。
b.連続鋳造
次に、すべり軸受用銅合金の溶融材料を鋳型に注入し、当該鋳型の開口からすべり軸受用銅合金を鋳造方向に連続的に引き抜き、そのまま室温まで冷却することにより、すべり軸受用銅合金の連続鋳造棒を形成する。例えば、炭素で形成された鋳型によって1060℃にて鋳造を行い、90mm/minの引抜速度で引き抜いて連続鋳造棒を形成する。溶融状態から連続鋳造における凝固過程において、まずMn−Si初晶4が晶出し、その後Cu−Znマトリクス5が晶出し、最後にMn−SiとCu−Znとの共晶が凝固すると考えられる。なお、すべり軸受用銅合金の連続鋳造棒の直径は、ラジアル軸受1の外径よりも機械加工における切削量だけ大きくされる。
c.切断
次に、すべり軸受用銅合金の連続鋳造棒をラジアル軸受1の厚み(相手軸2の長さ方向の厚み)ごとに切断する。
d.機械加工
最後に、切断後のすべり軸受用銅合金の連続鋳造棒に対して切削加工やプレス加工をすることにより、ラジアル軸受1を完成させる。ここでは、相手軸2の外径よりも所定量だけ大きい内径を有する貫通穴を形成するとともに、ラジアル軸受1の外径の大きさが設計値と一致するように切削加工を行う。
(3)実験結果:
表1は、複数の実施例1〜3についての実験結果を示す表である。なお、実施例3は第1実施形態と同じである。また、表1の摩耗量比の値は、実施例3の比摩耗量Kで各実施例1〜3の比摩耗量Kを除算した値である。
実施例1〜3は、Biの含有量を除き第1実施形態と同様の材料組成において、Biの含有量を調整するとともに、連続鋳造における保持時間や冷却速度を調整することにより、Bi粒子3やMn−Si初晶4の分布状態や形状を調整した。具体的に、実施例1におけるBiの含有量を1.5wt%とし、実施例2におけるBiの含有量を4.3wt%とし、実施例3におけるBiの含有量は3.9wt%とした。表1に示すように、単位三角形の平均面積が最も大きい実施例3において最も良好な焼付面圧が得られている。単位三角形の平均面積が大きいほど、Mn−Si初晶4が疎となる領域が多くなり、Mn−Si初晶4における摩擦熱によって焼付きが生じやすくなることが予想される。しかしながら、Bi不在三角形の割合を20%以下に抑制した上で、ある程度Biの含有量を大きくしてBi粒子3の密度を確保し、かつ、Bi粒子3の平均円相当径を大きくすることにより、単位三角形の平均面積が大きくても十分な耐焼付性が得られることが分かった。
(4)他の実施形態:
前記実施形態においては、本発明の銅合金によってラジアル軸受1を形成した例を示したが、本発明の銅合金によって他の摺動部材を形成してもよい。例えば、本発明の銅合金によってトランスミッション用のギヤブシュやピストンピンブシュ・ボスブシュ等を形成してもよい。また、本発明のすべり軸受用銅合金は、連続鋳造以外の製造方法で製造されてもよい。
1…ラジアル軸受、2…相手軸、3…Bi粒子、4…Mn−Si初晶、5…Cu−Znマトリクス

Claims (2)

  1. 25wt%以上かつ48wt%以下のZnと、
    1wt%以上かつ7wt%以下のMnと、
    0.5wt%以上かつ3wt%以下のSiと、
    1wt%以上かつ10wt%以下のBiと、を含有し、
    残部が不可避不純物とCuとからなるすべり軸受用銅合金であって、
    相手材との摺動面において、最近接の3個のMn−Si初晶を頂点とする三角形のうち、面積が5000μm2以上であり、かつ、円相当径が10μm以上となるBi粒子が存在しない三角形の割合が20%以下である、
    ことを特徴とするすべり軸受用銅合金。
  2. 25wt%以上かつ48wt%以下のZnと、
    1wt%以上かつ7wt%以下のMnと、
    0.5wt%以上かつ3wt%以下のSiと、
    1wt%以上かつ10wt%以下のBiと、を含有し、
    残部が不可避不純物とCuとからなるすべり軸であって、
    相手材との摺動面において、最近接の3個のMn−Si初晶を頂点とする三角形のうち、面積が5000μm2以上であり、かつ、円相当径が10μm以上となるBi粒子が存在しない三角形の割合が20%以下である、
    ことを特徴とするすべり軸受。
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