滑动部件用高强度黄铜合金及滑动部件的制作方法

专利名称：滑动部件用高强度黄铜合金及滑动部件的制作方法
技术领域：
本发明涉及耐磨性优异的高强度黄铜合金，尤其是涉及适于在滑动轴承或滑板等滑动部件用途中使用的高强度黄铜合金及使用了该高强度黄铜合金的滑动部件。
背景技术：
目前，作为在轴承等滑动用途中使用的高强度黄铜合金，有日本工业标准JISH5120(参照非专利文献I)中规定的高强度黄铜铸件I类 4类。这些高强度黄铜合金通过在Cu-Zn合金中添加Al、Fe、Mn等元素，来提高耐海水性、强韧性、耐磨性及硬度，多被用于汽车的传动机构中使用的同步器锁止环(synchronizer ring)、一般机械用的齿轮、轴承(bearing)等滑动用途。在高强度黄铜合金中，根据添加元素的锌当量出现a相、0相、a +0相、y相等各种母相。在锌当量低的情况下，出现a相。由于出现了该a相的高强度黄铜合金虽然韧 性优异但是硬度较低，所以在滑动用途中使用的情况下，容易产生齿面磨损(tooth wear) 0另外，当逐渐增加锌当量时，P相出现，进一步使锌当量增加时，呈现Y相。出现了 Y相的高强度黄铜合金具有硬度增大、耐磨性提高这样的优点，另一方面，韧性显著降低，耐冲击性降低。因此，在滑动用途中，使母相为P相的单相的高强度黄铜合金，由于韧性不会降低且具有优异的耐磨性，因此被广泛使用。但是，随着近年来的机械装置的高效化和长寿命化,要求进一步提高由高强度黄铜合金构成的滑动部件的耐磨性。以提高母相为a + @相或@相组织的高强度黄铜合金的耐磨性为目的，已提出在母相中分散有Mn5S i3等硅化锰系的金属间化合物的高强度黄铜合金(例如，参照专利文献I)、及在母相中分散有由Fe-Mn-Si系金属间化合物构成的金属间化合物的高强度黄铜合金(例如，参照专利文献2及专利文献3)。现有技术文献非专利文献非专利文献I :日本工业标准JIS H5120专利文献专利文献I :特公昭51-41569号公报专利文献2 :特公昭62-57700号公报专利文献3 :特公平2-38651号公报

发明内容
发明所要解决的课题已知通过在母相中分散硅化锰或Fe-Mn-Si系金属间化合物，有提高耐磨性的效果，但Si的锌当量为10，在高强度黄铜合金的添加元素中非常高。因此，由于通过添加Si而锌当量增加，因此为了将母相维持为3相的单相组织，在其它元素的添加量方面受到制约。在此，作为其它元素已知有例如Al。Al是提高抗蚀性并且对母相进行强化的元素，但Al的锌当量为6，非常高，因此当添加量变多时，在母相中就会出现Y相。因此，当与上述的Si —起添加Al时，锌当量增大，在母相中生成Y相。其结果是，虽然耐磨性提高，但延伸率显著降低。因此，即使尝试通过添加Si来改善耐磨性，也不得不减少Al的添加量，既维持P相的单独组织又改善耐磨性是很困难的。本发明人鉴于上述实际情况反复进行锐意研究的结果发现，作为使抗蚀性提高并且在高强度黄铜合金成分中的Fe和Si之间生成金属间化合物的元素，着眼于Cr，以规定量的比例添加了该Cr的高强度黄铜合金，确认其母相维持3相的单相组织，并且在3相中分散析出Fe-Cr-Si系金属间化合物,能够谋求进一步提高高强度黄铜合金的抗蚀性及耐磨性。本发明是基于上述见解而完成的，其目的在于，提供一种滑动部件用高强度黄铜合金及使用了该高强度黄铜合金的滑动部件，该滑动部件用高强度黄铜合金维持母相的3相的单相组织，并且具有在P相中分散有Fe-Cr-Si系金属间化合物的组织，且耐磨性能优 巳升。用于解决课题的手段用于实现上述目的的本发明的滑动部件用高强度黄铜合金的特征在于，(I)以质量比计，包含17%以上28%以下的范围内的Zn、3%以上10%以下的范围内的Al、1%以上3%以下的范围内的Fe、0. 1%以上4%以下的范围内的Cr、0. 5%以上2%以下的范围内的Si、剩余部分包括Cu及不可避免的杂质，(2)母相呈现P相的单相组织，并且呈现在该P相中分散有Fe-Cr-Si系金属间化合物的组织。另外，用于实现上述目的的本发明的滑动部件的特征在于，(3)在由上述(I)、(2)所述的滑动部件用高强度黄铜合金制作的圆筒体的至少作为滑动面的内周面形成有多个孔或槽，在这些孔或槽中埋设固定有石墨等固体润滑剂。在此，用于实现上述目的的本发明的另一滑动部件的特征在于，(4)在由上述(I)、(2)所述的滑动部件用高强度黄铜合金制作的板状体的作为滑动面的表面，形成有多个孔、槽或凹部，在这些孔、槽或凹部中埋设固定有石墨等固体润滑剂。进而，(5)作为所述滑动面的内周面或表面中固体润滑剂所占的面积比例，优选在10%以上40%以下的范围内。发明效果根据本发明，由于母相呈现P相的单相组织，且呈现在该P相中分散有硬质的Fe-Cr-Si系金属间化合物的组织，所以能够提供硬度增大，并且耐磨性进一步得到提高的滑动部件用高强度黄铜合金及使用了该高强度黄铜合金的滑动部件。


图I是本发明实施方式的板状滑动部件的平面图；图2是本发明实施方式的圆筒状滑动部件的剖面图3是本发明实施方式的圆筒状滑动部件的另一例的剖面图；图4是表示实施例中的磨损量的试验方法的立体图。符号说明I、la、Ib 滑动部件2、2a、2b滑动部件基体3、3a、3b 滑动面4 凹部 4a 槽4b 孔5固体润滑剂
具体实施例方式接着，进一步详细地说明本发明及其实施的方式。另外，不用说，本发明不限定于这些实施方式。本发明的滑动部件用高强度黄铜合金，以质量比计，包含Zn : 17 28%、Al 3 10%、Fe :1 4%、Cr :0. I 4%、Si :0. 5 3%、剩余部分包括Cu及不可避免的杂质。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、耐磨性、耐冲击性及对润滑油的耐腐蚀性，并且决定母相的组织的元素。根据Zn添加量的多少而在母相的组织中出现a相、P相、Y相等相。Zn的添加量因其它添加元素的锌当量和其添加量的不同而不同，但在添加量不足17质量％的情况下，在母相的组织中出现a相而使耐磨性恶化，另外，当添加量超过28质量％时，在母相的组织中出现Y相而使合金变脆。因此，Zn的添加量为17 28质量％。Al是促进0相生成的元素，对强化母相、增大硬度有效，另外，与Si同样，锌当量大，促进Y相组织的生成，但在不足3质量％的情况下，不仅得不到耐磨性需要的充分的硬度，而且不能充分实现母相的强化，另外，超过10质量％而添加时，生成Y相组织，合金脆化。因此，Al的添加量为3 10质量％，优选4 6质量％。Fe与后述的Si及Cr结合,使硬质的Fe-Cr-Si系金属间化合物析出，使耐磨性提高。在添加量不足I质量％的情况下，Fe-Cr-Si系金属间化合物的析出量少，不仅在提高耐磨性上不能发挥充分效果，而且合金组织的细化受到损害，并且有可能使机械性能降低。另外，当超过4质量％时，Fe-Cr-Si系金属间化合物的析出量变多，反而会使耐磨性降低。因此，Fe的添加量为I 4质量％。Cr与所述Fe及后述的Si结合,使硬质的Fe-Cr-Si系金属间化合物析出，有助于耐磨性的提高。在添加量不足0. I质量％的情况下，无助于耐磨性的提高，另外，超过4质量％时，成为使机械加工性及铸造性恶化的原因。因此，Cr的添加量为0. I 4质量％。Si与所述Fe及Cr结合,使硬质的Fe-Cr-Si系金属间化合物析出，有助于耐磨性的提高。在添加量不足0. 5质量％的情况下，无助于耐磨性的提高，另外，超过3质量％时，出现Y相，有可能使耐磨性恶化。因此，Si的添加量为0. 5 3质量％。本发明的高强度黄铜合金可以将其铸造成板状而形成板状体，将板状体的一面作为滑动面并在表面形成多个孔或槽，制成在孔或槽中埋设固定有石墨等固体润滑剂的固体润滑剂埋入型滑动部件。图I是表示使用了本发明的高强度黄铜合金的制成板状体形态的滑动部件(滑板)I的平面图。在高强度黄铜合金的滑动部件基体2的一个表面(滑动面)上，形成有在其厚度方向凹陷的多个凹部4。该凹部4以在该滑动部件基体2的表面的面积中凹部4的开口部所占面积的总和成为10 40%的比例的方式形成。凹部4是填充且保持石墨等固体润滑剂5的部位，为了使该基体2及固体润滑剂5的耐磨性得以良好地发挥，需要使滑动部件基体2的表面3的面积中凹部4的开口部所占面积的总和为至少10%。但是，滑动部件基体2的表面的面积中凹部4的开口部所占面积的总和超过40%时，会招致滑动部件基体2的强度降低。凹部4是填充且保持石墨等固体润滑剂5的部位，为了使该基体2及固体润滑剂5的耐磨性得以良好地发挥，需要使滑动部件基体2的表面的总面积中凹部4的开口部所占面积的总和至少为10%。但是，滑动部件基体2的表面的面积中凹部4的开口部所占面积的总和超过40%时，会招致滑动部件基体2的强度降低。另外，凹部4通过使用钻头或立铣刀的钻孔加工或者切削加工来形成，但也可以用其他方法形成。
被填充且保持在形成于滑动部件基体2的表面的多个凹部4中的固体润滑剂5，优选以相邻的固体润滑剂5在一个方向或正交的二个方向相互重叠(重叠重叠带5)的方式来配置。图I表示被填充且保持在形成于滑动部件基体2的表面的多个凹部4中的相邻的固体润滑剂5以在正交的二个方向互相重叠的方式配置的例子。另外，本发明的高强度黄铜合金可以将其铸造成圆筒状而形成圆筒体，在圆筒体的作为滑动面的至少内周面形成多个孔或槽，在孔或槽中埋设固定石墨等固体润滑剂，制成固体润滑剂埋入型滑动部件。图2是表示使用了本发明的高强度黄铜合金的形成圆筒状套筒的形态的滑动部件(圆筒轴承)Ia的剖面图。在高强度黄铜合金制的滑动部件基体2a的内周面(滑动面)3a，形成有沿其长度方向排列的多个环状的槽4a。该槽4a和所述滑动部件I同样，以滑动部件基体2a的内周面3a的面积中环槽4a的开口部所占面积的总和成为10 40%的比例的方式形成。该比例的理由也和上述的10 40%是同样的理由。另外，槽4a通过使用车刀等的切削加工来形成，但也可以用其他方法形成。图3是表示使用了本发明的高强度黄铜合金的形成圆筒状套筒的形态的滑动部件Ib的剖面图。在该滑动部件Ib中，形成有圆筒状的滑动部件基体2b、与其内周面(滑动面)3b和外周面连通的多个圆柱状的孔4b，在孔4b中填充有石墨等固体润滑剂5。孔4b和所述滑动部件I同样，以滑动部件基体2b的内周面3b的面积中开口部所占面积的总和成为10 40%的比例的方式来形成。该比例的理由也和上述的10 40%是同样的理由。另外，该孔4b通过使用钻头等的钻孔加工来形成，但也可以用其他方法形成。优选固体润滑剂5以相邻的固体润滑剂5在轴方向相互重叠的方式被埋设固定于所形成的孔4b中；或者，固体润滑剂5以相邻的固体润滑剂5在圆周方向相互重叠的方式被埋设固定于所形成的孔4b中；或者，固体润滑剂5以相邻的固体润滑剂5在轴方向及圆周方向相互重叠的方式被埋设固定于所形成的孔4b中。图3表示被填充且保持在形成于圆筒状的滑动部件基体2b上的多个孔4b中的固体润滑剂5以在该基体2b的轴方向及圆周方向这两个方向相互重叠(重叠重叠带S )的方式配置的例子。实施例I接着，基于实施例对本发明详细地进行说明。另外，不用说，本发明不限定于以下的实施例。
(I)实施例I 5及比较例I 2以成为表I的化学成分的方式，将电解Cu、Zn、Al、Cu-Fe母合金、Si-Cu母合金、Cu-Cr母合金、Fe-Al母合金在低频熔化炉中熔化，在1100°C以上的熔融液温度下浇铸在内径50mm、外径80mm、长度IOOmm的砂型中，制造圆筒体后，施行机械加工，制成内径60mm、夕卜径75mm、长度50mm的圆筒状轴承。在获得的圆筒状轴承上，以在其内周面上开口面积相对于内周面的面积成为30%的方式在壁厚方向形成直径IOmm的多个贯通孔，并且在贯通孔中埋入由石墨构成的固体润滑剂。接着，向固体润滑剂部位真空浸溃润滑油，将其作为磨损试验用试样。另外，硬度(布氏硬度)是测定磨损试验用试样的高强度黄铜合金部位。(2)比较例3 4以成为表I的化学成分的方式，将电解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母合金在低频熔化炉中熔化，在1100°C以上的熔融液温度下烧铸到内径50mm、外径80mm、长度IOOmm的砂型中，制造圆筒体后，施行机械加工，制造出内径60mm、外径75mm、长度50mm的圆筒状轴承。以下，和所述实施例同样地操作，制作磨损试验用试样。另外，硬度(布氏硬度)是测定磨损试验用试样的高强度黄铜合金部位。表2表示在上述实施例及比较例中获得的圆筒状轴承的机械性能(布氏硬度)及磨损量，表2中的磨损试验用试样的磨损量通过图4中示意性地表示的轴颈摆动试验进行。试验方法是使旋转轴(对方材料)B相对上述的实施例及比较例的圆筒状轴承A摆动旋转而进行，在圆筒状轴承A上负载并固定载荷，使旋转轴B以一定的滑动速度进行摆动旋转，测定规定的试验时间后的圆筒状轴承A及旋转轴B的磨损量(ym)。试验条件如下。(3)试验条件
滑动速度 0. 47m/min面压IOOOkgf/cm2 (98MPa)
试验时间 100小时 运动形态摆动运动 摆动角度 ±45°
对方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涂布锂系润滑脂[表 I]
权利要求
1.一种滑动部件用高強度黄铜合金，其特征在干，以质量比计，包含17%以上28%以下的范围内的Zn、3%以上10%以下的范围内的Al、1%以上4%以下的范围内的Fe、0. 1%以上4%以下的范围内的Cr、0. 5%以上3%以下的范围内的Si、剰余部分包括Cu及不可避免的杂质，母相呈现P相的単相组织，并且呈现在该P相中分散有Fe-Cr-Si系金属间化合物的组织。
2.一种滑动部件，其特征在于，在由权利要求I所述的滑动部件用高強度黄铜合金制作的圆筒体的至少作为滑动面的内周面形成有多个孔或槽，在这些孔或槽中埋设固定有固体润滑剤。
3.一种滑动部件，其特征在于，在由权利要求I所述的滑动部件用高強度黄铜合金制作的板状体的作为滑动面的表面形成有多个孔、槽或凹部，在这些孔、槽或凹部中埋设固定有固体润滑剤。
4.权利要求2或3所述的滑动部件，其特征在于，作为所述滑动面的内周面或表面中固体润滑剂所占的面积比例为10%以上40%以下的范围内。
全文摘要
本发明提供一种滑动部件用高强度黄铜合金及使用了该高强度黄铜合金的滑动部件，该滑动部件用高强度黄铜合金维持母相β相的单相组织，并且具有在β相中分散有Fe-Cr-Si系金属间化合物的组织，耐磨性能优异。本发明的滑动部件用高强度黄铜合金的特征在于，以质量比计，包含17%以上28%以下的范围内的Zn、3%以上10%以下的范围内的Al、1%以上4%以下的范围内的Fe、0.1%以上4%以下的范围内的Cr、0.5%以上3%以下的范围内的Si、剩余部分包括Cu及不可避免的杂质，母相呈现β相的单相组织，并且呈现在该β相中分散有Fe-Cr-Si系金属间化合物的组织。根据本发明的滑动部件用高强度黄铜合金，母相呈现β相的单相组织，并且呈现在该β相中分散有硬质的Fe-Cr-Si系金属间化合物的组织，因此硬度增大，而且提高了作为滑动部件的耐磨性。
文档编号F16C33/12GK102859015SQ20108006640
公开日2013年1月2日 申请日期2010年5月21日 优先权日2010年5月21日
发明者平山真树, 渡壁卓, 大久保健太郎 申请人:奥依列斯工业株式会社