专利名称：：不含Pb的铜合金滑动材料和滑动轴承的制作方法
技术领域：
：本发明涉及不含Pb的铜合金滑动材料，更详细而言，本发明涉及Cu-Sn-Bi类滑动材料和滑动轴承。
背景技术：
：铸件用Cu-Sn-Pb系合金通过JISH2207进行了标准化，作为将同一组成的Cu-Sn-Pb系烧结合金粘结于里衬金属得到的所谓双金属轴承，正在用作太阳轮、液压泵、输送装置、端轴承、小齿轮等自动变速机(AutomaticTransmission)的衬套。在这种铜合金中，Pb作为4氐熔点二次相分散，作为润滑成分起作用。另夕卜，Pb降低了铜合金整体的硬度，提高了亲和性。其结果是铜合金的耐热胶着性变得良好。专利文献1:日本特开2001-107106号公报提出了将下述烧结铜合金进行双金属化得到的轴承，所述烧结铜合金是在以重量°/。计含有0.4%以下的P和12%以下的Sn作为必须元素、含有10。/。以下的Ni、5%以下的Ag、5%以下的Pb和5%以下的Bi作为任意元素的铜合金中，分散作为硬质粒子的Mo和/或W得到的合金。该专利文献描述，Bi、Pb提高了亲和性，Ag提高了耐腐蚀性和强度，只要Ag固溶于铜(Cu)即发挥这样的效果。专利文献2:日本特开2005-350722号公报的目的在于，在燃料喷射泵中使用的不含Pb的Cu-Bi-硬质物粒子系烧结合金中，通过使Bi相粒子比硬质物粒子微细，达到与含Pb铜合金同等的滑动特性。专利文献3:日本特许第3560723号(日本特愿平8-57874号)的滑动轴承铜合金涉及不含Pb的铜合金滑动材料，其将Ag、Sn、Sb、In、Mn、Fe、Bi、Zn、Ni和/或Cr(其中除去仅Ag和Sn的组合)固溶于Cu基质中，尤其将Ag非平衡地固溶，它们的二次相实质上并未形成。在该铜合金中，虽然Pb等软质二次相不存在，即所谓不含Pb,但由于特定固溶元素如Ag和Bi在滑动中浓缩于铜合金表面，形成了耐热胶着性优异的物质，所以可得到与含Pb铜合金相当的特性。从Cu-Bi的2元状态图来看，Cu和Bi可几乎没有固溶限地在液相下相互溶合，但在固相下分离成2相。因此，在将Bi固溶于铜合金中时，在通过急冷凝固制备Cu-Bi粉末时，需要将Cu、Bi从熔解状态非常迅速地冷却，且其速度必须快于工业上可能的速度。专利文献1:日本特开2001-107106号7>4艮专利文献2:日本特开3005-350722号公报专利文献3:日本特许第3560723号
发明内容专利文献l的铜合金的目的并非特别在于不含Pb。其中，作为任意成分若不选择Pb而选择Bi,虽然形成了不含Pb的Cu-Bi组成，但尤其对于Bi相的亲和性劣于Pb等没有任何描述。对于Bi作为软质二次相分散的专利文献2中提出的不含Pb的Cu-Bi系合金，由于Bi的摩擦系数高于Pb,所以在高温下达到与含Pb的Cu-Sn系合金相当的滑动特性是困难的，对于该问题设想通过Bi相的微细化来解决。但从亲和性本身的角度考虑，期望Bi相在一定程度上粗大。另一方面，专利文献3中提出的不含Pb的Cu-Bi-Ag系合金中，虽然在一定程度的滑动后得到了稳定的滑动特性，但在刚制造后作为滑动部件使用时也不存在软质二次相，因此存在滑动初期的摩擦系数高的问题。因此，本发明的目的在于提供与Cu-Pb系铜合金具有同等的耐热胶着性、且从滑动初期摩擦系数稳定的不含Pb的铜合金滑动材料和滑动轴承。本发明的不含Pb的铜合金滑动材料的特征在于，以质量百分率计含有1.015.0%的Sn、0.515.0%的Bi和0.055.0%的Ag，剩余部分包含Cu和不可避免的杂质，且Ag和Bi形成Ag-Bi共晶。以下详细i兌明本发明。合金组成首先，说明本发明的铜合金的组成。Sn是提高铜合金的强度、且提高对润滑油等中含有的腐蚀性成分尤其是对含S有机化合物的耐腐蚀性的成分。当Sn含量小于1.0%(若无特殊说明，百分率为质量％)时，这些效果小，另一方面当超过15.0%时，生成Cu-Sn系金属间化合物，铜合金变脆，耐热胶着性劣化。优选的Sn含量为2.0~10.0%,更优选为2.06.0%。Bi在降低铜合金整体的硬度、提高亲和性的同时，通过抑制Cu对对象轴的凝集性而提高耐热胶着性。当Bi的含量小于0.5%时，这些效果小，另一方面当超过15.0%时，铜合金的强度降低，结果耐磨损性降低。优选的Bi含量为2.010.0%,更优选为3.08.0%。Ag通过与Bi生成共晶，得到由上述Bi所致的低凝集性。当Ag含量小于0.05%时，该效果小，另一方面当Ag含量超过5.0y。时，铜合金的强度降低，耐磨损性劣化。优选的Ag含量为0.10.2%。上述成分的剩余部分为Cu和不可避免的杂质，尤其Pb为痕量以下。本发明的铜合金可进一步含有0.15.0%的Ni、0.02~0.2%的P和0.530.0%的Zn中的至少1种作为任意成分。Ni提高铜合金的强度、且提高对润滑油等的耐腐蚀性。当M含量小于0.1%时，该效果小，当超过5.0%时，对对象材料的非凝集性降低。优选的Ni含量为0.52.0%。P是在烧结中产生液相、在提高与里衬金属的附着性的同时提高材料强度的成分。当P含量小于0.02%时，这些效果小，另一方面当超过0.2%时，起因于Cu-P化合物的材料脆化显著。Zn是提高对润滑油的耐腐蚀性的成分。当Zn含量小于0.5%时，该效果小，另一方面当超过30.0%时，材料强度降低，耐热胶着性、耐磨损性降低。优选的Zn含量为1.030.0Q/(),更优选的Zn含量为15.020.0%。进一步地，本发明的铜合金可以制成添加了硬质粒子的复合材料。硬质粒子可以提高铜合金对磨料磨损的耐磨损性，从而抑制热胶着。作为该硬质粒子，可以以质量百分率计向铜合金中添加平均粒径为1.5~70|im的Fe3P、Fe2P、FeB、廳和A1N中的至少1种1.010.0%。这些硬质粒子尤其Fe3P作为硬质粒子硬度低，所以不会使切削性降低，对对象轴的攻击性低且对铜合金的烧结性优异。当硬质粒子的平均粒径小于1.5pm时，由于硬质粒子进入Ag-Bi共晶中，所以在滑动中容易从铜合金表面脱落。另一方面，当平均粒径超过70]im时，硬质粒子磨损对象轴的所谓攻击性变大，其次，由于表面粗糙度变得粗大的对象轴磨损铜合金本身，使铜合金的滑动特性劣化。优选的平均粒径为1050nm，更优选为1540|am。另外，当硬质粒子的添加量小于1.0%时，该效果小，另一方面当超过10.0%时，上述对象轴5攻击性变大，另外导致材料强度降低、与内衬金属的附着性降低。合金组织对于本发明的铜合金组织，在任意成分、硬质粒子存在的情况下它们也是组织构成要素，但基本上由Cu基质和Ag-Bi共晶构成。更详细而言，虽然在添加硬质粒子的情况下这些粒子本身分散，成为组织构成元素，但必定形成Cu基质和Ag-Bi共晶。Cu基质在X射线衍射中检出了Cu结晶的衍射峰，与显微镜观察的Ag-Bi共晶的二次相是相区别的。Ag-Bi共晶具有Ag微细地分散在沿着Cu基质的晶界延伸的Bi相中的形态。该共晶属于棒状共晶。Ag-Bi共晶中混合了微量的Cu和P。在本发明的Cu-Sn-Bi-Ag系基本组成中，优选Cu基质由Cu和Sn构成，Bi、Ag实质上不固溶于Cu基质中，且实质上不形成Ag-Bi共晶以外的二次相。即，固溶于Cu基质中的Bi几乎不提高滑动特性，共晶形态以外的单相Bi有亲和性劣于Pb的缺点。同样地，Ag也以共晶形态有利于滑动特性。另一方面，Sn主要固溶于Cu基质中。"实质上不固溶，，是指，在后述的图像解析并用EPMA分析中，在Cu基质中未见Ag、Bi的4企测强度。另外，"实质上不形成二次相"是指，在专利文献3(段号0045)所述的X射线衍射条件(Cu管球、30kV、150mA)下，未检出二次相。在除了本发明的基本组成还含有任意成分的组成中，优选Bi和Ag实质上不固溶于由Cu、Sn以及Ni、P和/或Zn构成的Cu基质中，且不形成Ag-Bi共晶以外的二次相。Ni、P和Zn作为Cu基质的构成成分存在，发挥上述性能。即，虽然这些成分不形成妨碍Ag-Bi共晶形成的组织而成为Cu基质的构成成分，但优选Ag、Bi与基本成分的情况同样，即实质上不固溶在Cu基质中。制造方法将固溶了Sn、Bi和Ag的铜合金，从Ag-Bi二元系状态图的共晶温度262。C附近以一定程度的冷却速度冷却时，生成Ag-Bi共晶。即，从共晶温度附近以超高速冷却时，不发生共晶反应，Ag和Bi被强制固溶于Cu基质中。若Ag-Bi共晶形成，则在Cu-Bi系合金中所见的Cu基质界面(结晶晶界)上看不到网眼状延伸的Bi单相，在Cu基质的界面上生成Ag-Bi共晶。即，铜合金中的Bi相的形态因Ag的添加而完全不同。本发明的不含Pb的铜合金滑动轴承的制造方法的特征在于，利用上述现象，将具有上述组成的原料粉末散布于里衬金属钢板上，前后2次进行在70090(TC下烧结的烧结工序，中间进行缩小烧结空孔的加工工序。在本发明中，将含有全部必须元素和任意元素的铜合金粉末、或含有这些元素的一部分并通过混合达到所定组成的混合粉末，通过混合机等混炼，备用。粉末的粒径没有特别限定，优选粒径为180(im以下。将这些合金粉末或混合粉末散布于里衬金属上，烧结，然后进行旨在压碎烧结空孔的压延、挤压等加工，在同样条件下进行再烧结。烧结温度为70090(TC的范围。另外，添加硬质粒子时，将硬质粒子混合在合金粉末或混合粉末中。将烧结体加工成圆筒状作为轴承(衬套)。表示摩擦系数变化的图表示对对象材料的凝集的照片显示本发明的滑动材料的一个实施例的金属显微镜组织(倍率200倍)的照片将图3的材料的EPMA颜色映射黑白化后的图像具体实施例方式将Cu成分-Bi-Ag雾化并分末(并分末粒径-180pm以下)和石更质粒子(平均粒径-1.570^im)用V型混合机均匀混合，使成为表l所示的组成，将混合粉末以约lmm的厚度散布于钢板上，进行一次烧结、压延和二次烧结，制备在钢板上附着了铜合金的铜合金双金属。一次和二次烧结是在700~900°C、烧结时间530分钟、共晶温度附近的冷却速度200°C/mm的条件下进行的。另外，将上述双金属成型为圆筒状作为轴承(衬套)。对如上制作的轴承部件进行下述试-睑。摩擦试验在测定微细分散有Ag-Bi共晶的铜合金与分散有Bi单相的铜合金的摩擦系数时，由于在25。C下二者均摩擦系数低且稳定，所以在以下条件下测定了高温下的摩擦系数。试验机附着滑动试验机(付着十^9試験機)试-验片温度120°C润滑无润滑滑动速度0.3mm/s在该摩擦试验中，为了严格润滑条件，采用了不使用润滑油的无润滑条件。进一步地，试验片温度通过K热电偶测定。测定结果如表l的右端所示。另夕卜，在表1的实施例2、4、8、11和比较例7中，采用以下的方法进行了衬套形状的热胶着试验。试验结果如表2所示。热胶着试验方法试验机BushJournal试验机(力^^卞一于々試験機)对象轴SCM415周速15m/s负荷lMPa递增润滑ATF(自动传动液，AutomaticTransmissionFluid)油温120°C<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>由于与对象轴接触而滑动面达到高温，在即将热胶着时防止对对象轴的凝集，从而可防止热胶着。其次，表1的实施例4的烧结合金的组织如图3所示，由EPMA(日本电子社制、型号(JXA8100)、(加速电压20kV))所得的颜色映射如图4所示。如图3所示，沿着包括通过烧结结合的铜粒子的Cu基质的晶界延伸、以白色表示之处，为作为二次相的Ag-Bi共晶，但微细Ag不明显。由于Ag相在图4的EPMA中可以识别，且Bi与Ag的高浓度浓缩区域一致，所以可知它们作为共晶结晶。另外，Bi和Ag在Cu基质中未检出。另外，图3中灰色多角形的物质为Fe3P。在表l的其它实施例中，可观察到与图3、4同样的组织。产业实用性如以上说明，本发明的不含Pb的烧结铜合金由于在高温下初期摩擦特性优异，所以滑动轴承可优选用于自动变速机(AutomaticTransmission)的衬套等。权利要求1.不含Pb的铜合金滑动材料，其特征在于，以质量百分率计含有1.0～15.0％的Sn、0.5～15.0％的Bi和0.05～5.0％的Ag，剩余部分包含Cu和不可避免的杂质，且前述Ag和Bi形成Ag-Bi共晶。2.权利要求1所述的不含Pb的铜合金滑动材料，其特征在于，以质量百分率计，进一步含有0.15.0%的Ni、0.020.2%的P和0,530.0%的Zn中的至少1种。3.权利要求1或2所述的不含Pb的铜合金滑动材料，其特征在于，>以质量百分率计，含有1.010.0%平均粒径为1.570pm的Fe3P、Fe2P、FeB、NiB和A1N中的至少1种硬质粒子。4.权利要求1至3中任一项所述的不含Pb的铜合金滑动材料，其特征在于，Ag和Bi实质上不固溶于Cu基质中，且不以前述Ag-Bi共晶以外的形态析出。5.滑动轴承，其特征在于，将权利要求1至4中任一项所述的不含Pb的铜合金滑动材料通过烧结粘接于里衬金属上。全文摘要本发明提供不含Pb的铜合金滑动材料，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也达到与含Pb材料同等的特性，且摩擦系数稳定。根据需要也可含有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种、以质量百分率计1.0～10.0％平均粒径为1.5～70μm的Fe<sub>3</sub>P、Fe<sub>2</sub>P、FeB、NiB和/或AlN。文档编号C22C1/05GK101688268SQ20088001591公开日2010年3月31日申请日期2008年5月14日优先权日2007年5月15日发明者加藤慎一,向井亮,横田裕美,滨口奈穗美申请人:大丰工业株式会社