滑动轴承用铜合金以及滑动轴承的制作方法

本发明涉及一种黄铜系的滑动轴承用铜合金以及滑动轴承。

背景技术：

已知在滑动面结晶出mn-si初晶的轴承(参照专利文献1)。在专利文献1中，mn-si初晶的粒子在副轴的滑动方向上伸长并分散。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3718147号

技术实现要素：

发明所要解决的问题

然而，存在如下问题：当磨耗发展时，mn-si初晶被破坏而从轴承脱落，脱落后的mn-si初晶会损伤轴承的滑动面。进而，存在如下问题：因形成于滑动面的伤痕而产生咬合。

本发明是鉴于所述问题而完成的发明，其目的在于提供一种能够防止由mn-si初晶而产生咬合的轴承用铜合金以及滑动轴承。

用于解决问题的方案

为了达成所述目的，本发明的滑动轴承用铜合金以及滑动轴承含有：25wt％以上且48wt％以下的zn、1wt％以上且7wt％以下的mn、0.5wt％以上且3wt％以下的si、以及1wt％以上且10wt％以下的bi，剩余部分由不可避免的杂质和cu构成，在与对方构件的滑动面中，存在当量圆直径大于mn-si初晶的平均当量圆直径的bi粒子和当量圆直径小于mn-si初晶的平均当量圆直径的bi粒子。

在以所述方式构成的滑动轴承用铜合金中，由bi粒子供给的bi覆盖滑动面，由此能够提高抗咬合性。在此，当量圆直径小于mn-si初晶的平均当量圆直径的bi粒子分散于滑动面，由此能够在滑动面中抑制bi稀疏的区域，能够在滑动面中均匀地供给bi。因此，能够提高抗咬合性。进而，当量圆直径大于mn-si初晶的平均当量圆直径的bi粒子分散于滑动面，由此，即使破坏后的mn-si初晶一旦从滑动面脱落，也能够将mn-si初晶包埋在当量圆直径大于该mn-si初晶的bi中。因此，能够防止破坏后的mn-si初晶损伤滑动面，能够防止由mn-si初晶而产生咬合。

在此，通过含有25.0wt％以上的zn，能够强化cu-zn基质的强度，并且能够抑制由润滑油中的s成分引起的硫化腐蚀。在mn-si初晶稀疏的区域中，因mn-si初晶中的摩擦热而容易产生由s成分引起的硫化腐蚀，但由于能够通过bi来覆盖mn-si初晶稀疏的区域，因此能够抑制由s成分引起的硫化腐蚀。需要说明的是，通过含有35.0wt％以上的zn，能够使mn-si初晶的粒子成长到能够获得更优异的耐磨耗性的大小。另外，通过将zn的含量抑制为48.0wt％以下，能够防止在cu-zn基质中大量析出γ相，能够防止cu-zn基质变脆。

另外，通过含有1.0wt％以上的mn以及0.5wt％以上的si，能够析出足以提高耐磨耗性的mn-si初晶的粒子。另一方面，通过将mn的含量抑制为7.0wt％以下、将si的含量抑制为3.0wt％以下，能够防止因过量的mn-si初晶析出而导致韧性降低。需要说明的是，本发明的铜合金可以含有不可避免的杂质。

在此，也可以构成为滑动面中的bi粒子的当量圆直径的标准偏差大于mn-si初晶的当量圆直径的标准偏差。由此，即使在分散有当量圆直径小的bi粒子的情况下，也能够同时分散当量圆直径大的bi粒子。

进而，也可以构成为滑动面中的当量圆直径小于mn-si初晶的平均当量圆直径的bi粒子的个数为bi粒子的总个数的70％以上且90％以下。如此，通过控制小于mn-si初晶的平均当量圆直径的bi粒子的个数，能够兼顾由当量圆直径大的bi粒子实现的mn-si初晶的包埋性和由当量圆直径小的bi粒子实现的bi的供给均匀性。

附图说明

图1是径向轴承的立体图。

图2a、图2b是径向轴承的滑动面的照片。

图3a是当量圆直径的直方图，图3b是累积比率的曲线图，图3c是圆形度的直方图。

图4a是咬合试验的说明图，图4b是径向轴承的剖面示意图。

具体实施方式

在此，按照下述顺序对本发明的实施方式进行说明。

(1)径向轴承的构成：

(2)径向轴承的制造方法：

(3)实验结果：

(4)其他实施方式：

(1)径向轴承的构成：

图1是作为由本发明的一实施方式的滑动轴承用铜合金形成的滑动轴承的径向轴承1(浮动衬套)的立体图。例如在内燃机用的涡轮式增压器中，径向轴承1在径向上支承作用于轴向的两端具备涡轮机叶片和压缩机叶片的副轴2(单点划线)的载荷。径向轴承1形成为圆筒状，与轴向正交的剖面呈圆环形状。由此，能够在径向轴承1的内侧轴支承副轴2。本实施方式的径向轴承1的内径为7.5mm，外径为13.6mm。在径向轴承1与副轴2之间形成有作为润滑油的发动机油的油膜。副轴2旋转，由此副轴2在作为径向轴承1的内侧表面的滑动面1a上滑动。需要说明的是，虽然未图示，但在推力方向上支承作用于副轴2的载荷的推力轴承也可以由与径向轴承1相同的铜合金形成。另外，径向轴承1可以通过将两个对开形状的轴承部件组合成圆筒状来形成。

以下，对构成径向轴承1的滑动轴承用铜合金进行说明。滑动轴承用铜合金含有40.0wt％的zn，含有4.0wt％的mn，含有1.3wt％的si，含有3.4wt％的bi，剩余部分由cu和不可避免的杂质构成。不可避免的杂质是mg、ni、ti、b、pb、cr等，是精炼或者废料中混入的杂质。不可避免的杂质的含量在整体中为1.0wt％以下。滑动轴承用铜合金中的各元素的质量利用icp发射光谱分析装置(岛津制作所制icps-8100)来计量。

图2a是径向轴承1的滑动面的照片。径向轴承1的滑动面的照片是用电子显微镜(日本电子制jsm6610a)以200倍的倍率拍摄的照片。如图2所示，在径向轴承1的滑动面中，mn-si初晶4(黑色)和bi粒子3分散于cu-zn基质5(灰色)中。mn-si初晶4具有棒状、圆形或者环状的剖面形状，bi粒子3具有大致圆形的剖面形状。

将图2a所示的滑动面的照片的图像(以下，称为解析图像)输入图像解析装置(nireco公司制luzex_ap)，对mn-si初晶4和bi粒子3的各粒子的像计量出当量圆直径(计量参数：heywood)。然后，计算出mn-si初晶4的各粒子的像的当量圆直径的算术平均值作为滑动面中的mn-si初晶4的平均当量圆直径，其结果为4.3μm。同样地，计算出bi粒子3的像的当量圆直径的算术平均值作为滑动面中的bi粒子3的平均当量圆直径，其结果为5.4μm。bi粒子3中存在当量圆直径大于mn-si初晶4的平均当量圆直径的bi粒子(大bi粒子)和当量圆直径小于mn-si初晶4的平均当量圆直径的bi粒子(小bi粒子)。计算出bi粒子3的像中当量圆直径小于mn-si初晶4的平均当量圆直径的bi粒子3的像的当量圆直径的算术平均值作为小bi粒子的平均当量圆直径，其结果为2.4μm。计算出bi粒子3的像中当量圆直径为mn-si初晶4的平均当量圆直径以上的bi粒子3的像的当量圆直径的算术平均值作为大bi粒子的平均当量圆直径，其结果为11.9μm。

图3a是滑动面中的mn-si初晶4和bi粒子3的当量圆直径的直方图。图3a的横轴表示当量圆直径的等级(0.2μm组距)，纵轴表示各等级中的频数(滑动面2.7×10⁵μm²中的mn-si初晶4的bi粒子3的个数)。如图3a所示，mn-si初晶4的当量圆直径的分布比bi粒子3的当量圆直径的分布更偏。mn-si初晶4的当量圆直径的标准偏差为4.1μm，bi粒子3的当量圆直径的标准偏差为8.5μm。bi粒子3的当量圆直径比mn-si初晶4的当量圆直径分布得更广。在1.8μm以下的当量圆直径的范围内，mn-si初晶4的个数多于bi粒子3的个数，而在小于1.8μm的当量圆直径的范围内，mn-si初晶4的个数多于bi粒子3的个数，而在1.8μm以上的范围内，大体上bi粒子3的个数多于mn-si初晶4的个数。

图3b是表示按照当量圆直径将滑动面中的bi粒子3的个数比例累积后的累积比率的曲线图。图3b的横轴表示当量圆直径的等级(0.2μm组距)，纵轴表示累积比率。累积比率是指，按照当量圆直径从小到大的顺序，将属于当量圆直径的等级的bi粒子3的数量除以bi粒子3的数量的总个数的值累积后的比率。如图3b所示，mn-si初晶4的平均当量圆直径(4.3μm(虚线))中的累积比率为78.6％，意味着bi粒子3的总个数中的78.6％的当量圆直径小于mn-si初晶4。

进而，利用上述的图像解析装置对bi粒子3的各像计量出圆形度。然后，在全部的bi粒子3的像中，圆形度为0.7以上的bi粒子3的个数比例为97％。圆形度是指，面积与bi粒子3的像的面积相等的圆的圆周长度(＝当量圆直径×π)除以bi粒子3的像的轮廓长度的值。圆形度在bi粒子3的像是圆形的情况下为1，bi粒子3的像的形状越背离圆形，圆形度的值越小。

图3c是滑动面中的bi粒子3的圆形度的直方图。图3c的横轴表示圆形度的等级(0.1组距)，纵轴表示各等级中的频数(bi粒子3的个数)除以全部bi粒子3的个数的比率。如图3b所示，可知：圆形度小于0.5的bi粒子3的个数极少，在0.5以上，随着圆形度的增加，bi粒子3的个数增加的倾向变大。

(1-2)抗咬合性的评价：

为了对构成径向轴承1的滑动轴承用铜合金的抗咬合性进行评价，进行了咬合试验。图4a是对在咬合试验中使用的销盘式(pin-on-disk)试验机进行说明的示意图。咬合试验通过如下方式进行：以在厚度方向上将旋转的圆盘状的对方构件a夹入的方式配置一对试验片t，利用液压缸w使静载荷作用于试验片t之间。调整对方构件a的转速，以便对方构件a与试验片t的接触部中的二者的相对速度为15m/sec。另外，使保持有润滑油(sae30cd级)的供油垫p与对方构件a接触，由此向对方构件a与试验片t的接触部进行供油。对方构件a由进行了淬火处理的scm415形成。一对试验片t装配于以能够旋转的方式保持在与对方构件a平行的面内的梁部e的顶端，配置有测力传感器y，以便阻碍该梁部e的水平旋转。在梁部e的不具备试验片t的端部装配有平衡配重b，使由液压缸w在梁部e产生的铅直方向的力矩抵消。

在对方构件a与试验片t之间产生摩擦力，梁部e通过该摩擦力而水平旋转。因此，使梁部e水平旋转的摩擦力作用于测力传感器y，测力传感器y所计量的载荷的大小是指，在试验片t与对方构件a之间产生的摩擦力的大小。因此，在作用于测力传感器y的载荷为规定的阈值以上的情况下，判定为试验片t与对方构件a之间的摩擦力异常大，产生了咬合。

逐渐(2mpa/5min)增大利用液压缸w作用于试验片t之间的静载荷的大小，计量出作为在试验片t与对方构件a之间产生咬合时的静载荷的咬合载荷。进而，通过使咬合载荷除以试验片t与对方构件a的接触面积来计量出咬合面压。

按照以上方式计量出构成本实施方式的径向轴承1的滑动轴承用铜合金的咬合面压，其结果为26mpa，是良好的。需要说明的是，咬合面压越大，意味着抗咬合性越高。

图2b是使副轴2滑动后的滑动面的照片。如图2b所示，在bi粒子3中包埋有破坏后的mn-si初晶4。如图2a那样原本为大致圆形的bi粒子3由于如图2b那样与副轴2的滑动而变成一部分被拉长的形状。如此，bi在滑动面上延长，由此能够在滑动面上广泛地供给bi。在本实施方式中，当量圆直径小于mn-si初晶4的平均当量圆直径的bi粒子3分散于滑动面，由此，能够在滑动面中抑制bi稀疏的区域，能够在滑动面中均匀地供给bi。因此，能够提高抗咬合性。进而，当量圆直径大于mn-si初晶4的平均当量圆直径的bi粒子3分散于滑动面，由此，即使破坏后的mn-si初晶4一旦从滑动面脱落，也能够将mn-si初晶4包埋在当量圆直径大于该mn-si初晶4的bi粒子3中。因此，能够防止破坏后的mn-si初晶4损伤滑动面，能够防止由mn-si初晶4而产生咬合。

另外，bi粒子3的当量圆直径的标准偏差大于mn-si初晶4的当量圆直径的标准偏差，bi粒子3在当量圆直径大的一侧分布得更广，因此，能够提高可包埋mn-si初晶4的可能性。进而，使bi粒子3的总个数中的78.6％的当量圆直径小于mn-si初晶4，由此，能够兼顾由当量圆直径大的bi粒子实现的mn-si初晶的包埋性和由当量圆直径小的bi粒子实现的bi的供给均匀性。

另外，由于圆形度大的bi粒子3的个数比例大，因此，能够可靠地包埋破坏后的mn-si初晶4。图4b是滑动面的垂直剖面的示意图。如图4b所示，由于bi粒子3的圆形度大，因此，bi粒子3的外边缘构成平滑的曲面，破坏后的mn-si初晶4沿着该曲面滑行移动，由此能够将破坏后的mn-si初晶4顺利地引导至bi粒子3的深位置。因此，能够防止破坏后的mn-si初晶4损伤滑动面，能够防止由mn-si初晶4而产生咬合。

(2)径向轴承的制造方法：

在本实施方式中，径向轴承1通过依次进行a.熔融、b.连铸、c.切割、d.机械加工的各工序来制造。以下，对各工序进行说明。

a.熔融

首先，计量并准备各原料，以便能够形成滑动轴承用铜合金，所述滑动轴承用铜合金含有40.0wt％的zn，含有4.0wt％的mn，含有1.3wt％的si，含有3.4wt％的bi，剩余部分由cu和不可避免的杂质构成。在本实施方式中，分别计量并准备cu锭、zn锭、cu-mn锭、以及cu-si锭。在此，只要准备满足作为目标的径向轴承1的机械特性的质量的原料即可。作为目标的径向轴承1的机械特性例如根据副轴2的机械特性而定。接着，利用高频感应炉将所准备的各原料加热至1200℃。由此，各锭熔化。然后，使ar气体的气泡分散喷出，对氢气和夹杂物进行去除。

b.连铸

接着，将滑动轴承用铜合金的熔融材料注入铸模，从该铸模的开口沿铸造方向连续地拉拔滑动轴承用铜合金，直接冷却至室温，由此形成滑动轴承用铜合金的连铸棒。例如，利用由碳形成的铸模在1060℃下进行铸造，以90mm/min的拉拔速度进行拉拔来形成连铸棒。在从熔融状态起连铸的凝固过程中，可认为，首先结晶出mn-si初晶4，然后结晶出cu-zn基质5，最后mn-si与cu-zn的共晶进行凝固。需要说明的是，与径向轴承1的外径相比，滑动轴承用铜合金的连铸棒的直径大出机械加工中的切削量。

c.切割

接着，按照径向轴承1的厚度(副轴2的长度方向的厚度)对滑动轴承用铜合金的连铸棒进行切割。

d.机械加工

最后，对切割后的滑动轴承用铜合金的连铸棒进行切削加工、冲压加工，由此完成径向轴承1。在此，形成具有比副轴2的外径大出规定量的内径的贯通孔，并且进行切削加工，以便径向轴承1的外径的大小与设计值一致。

(3)实验结果：

表1是表示实施例1～3的实验结果的表。需要说明的是，实施例1与第一实施方式相同。实施例1～3利用与第一实施方式大致相同的制造方法来制造。其中，对于实施例3而言，通过使拉拔速度(凝固速度)大于实施例1、2，使mn-si初晶4和bi粒子3的平均当量圆直径小于实施例1、2。需要说明的是，凝固速度越大，越能缩小mn-si初晶4和bi粒子3的平均当量圆直径，但也可以通过增大连铸中的铸模的冷却水流量来增大凝固速度。

[表1]

如表1所示，在实施例1～3的任一滑动面中，均存在当量圆直径大于mn-si初晶4的平均当量圆直径的bi粒子3和当量圆直径小于mn-si初晶4的平均当量圆直径的bi粒子3。因此，通过圆形度大的bi粒子3能够包埋破坏后的mn-si初晶4，在实施例1～3的任一滑动面中，均能够获得良好的咬合面压。另外，如表1所示，可知：圆形度大的bi粒子3的个数比例越大，越能获得良好的咬合面压，越能高效地包埋破坏后的mn-si初晶4。通过增大bi粒子3(大bi粒子+小bi粒子)的平均当量圆直径的同时，增大圆形度大的bi粒子3的个数比例，能够协同地提高bi粒子3对mn-si初晶4等异物的包埋性，能够飞跃性地提高咬合面压。

(4)其他实施方式：

在所述实施方式中，示出了由本发明的铜合金形成径向轴承1的例子，但也可以由本发明的铜合金形成其他滑动构件。例如，可以由本发明的铜合金形成变速器用的齿轮衬套、活塞销衬套/轮毂衬套等。另外，本发明的滑动轴承用铜合金可以通过连铸以外的制造方法来制造。

附图标记说明

1：径向轴承；2：副轴；3：bi粒子；4：mn-si初晶；5：cu-zn基质。