烧结铜合金滑动材料的制造方法以及烧结铜合金滑动材料

摘要

在Cu-Bi-In系铜合金滑动材料中，通过形成尽可能纯的Bi软质相，从而提高耐烧接性和耐磨耗性。使用由Cu-In系Cu基合金粉末和Cu-Bi系Cu基合金粉末构成的混合粉末。设定烧结条件，使得Bi向Cu-Bi系Cu基合金粉末的粒子外移动，形成不含In的Bi晶粒边界相，并且In由Cu-In系Cu基合金粉末向Cu-Bi系Cu基合金粉末扩散。

说明书

技术领域

本发明涉及烧结铜合金滑动材料的制造方法，更详细地讲涉及具有包括Cu基体和Bi相的组织的Cu-In-Bi系或者Cu-In-Bi-Sn系烧结合金滑动材料。

背景技术

滑动部件用Cu-Sn系铜合金中通常添加的Pb的熔点是327℃，由于滑动时温度上升导致在滑动面上出现膨胀或延展。结果在冷却滑动面的同时，Pb由于其优良的自润滑作用而防止烧接。此外Pb是软质分散相，因而具有磨合性和异物包埋性。

然而，Cu-Pb系合金中的Pb恐怕对人体和环境产生较坏的影响，因此也提出了旨在实现具有与Cu-Pb系合金同等滑动特性的无Pb合金。

Bi与Pb同样是软质金属，并且在滑动条件下在Cu-Bi系合金中产生液相，可以设想从硬度方面来看，Bi较Pb提高滑动性能的作用更弱。

如果按照专利文献1(特开平10-330868号公报)，含有5～50％质量由Bi或Bi基合金构成的Bi相，Bi相含有Sn、Ag和In中至少1种元素，至少1种该元素在该Bi相中的含量范围如下：Sn为20重量％以下，Ag为10重量％以下，In为5重量％以下，余量是由Cu或Cu合金构成的Cu相和不可避免的杂质构成。专利文献1实施例1中采用的烧结条件，就原料粉末而言，有纯Cu和纯Bi的组合、纯Cu和Bi-In基合金等Bi合金的组合、磷青铜和Bi-In合金等Bi合金的组合等，就加热条件而言，有在800℃下为1小时。如果采用该烧结铜合金，上述纯铜(或者Cu基合金粉末)与纯Bi(或者Bi基合金)之间发生扩散，结果如图所示，Bi相存在的地方成为Cu合金基体晶粒边界三相共存点及其附近的晶粒边界。另外Bi合金中添加的In在Bi相中被合金化，成为Bi-In系晶粒边界相。

专利文献2(特许第3421724号公报)中提出的烧结铜合金组成中不含有In，含有Sn：5～15重量％、Bi：1～20重量％、硬质粒子：0.1～10体积％，余量是Cu。如果硬质物混在Bi相中，则防止Pb、Bi的流出，Pb、Bi相成为缓冲相，缓和硬质物的配对轴攻击性；Pb、Bi相再次捕捉脱落的硬质物，从而缓和磨料磨耗。

在专利文献2中，烧结由Bi粉末、硬质粒子粉末、Sn粉末和Cu粉末构成的混合粉末，轧制制成滑动材料。制成的滑动材料中Sn强化基体，另外硬质物以包埋在Bi相中的状态存在。因而，可以认为烧结过程中在Cu-Sn间发生扩散，另外Bi在烧结中相分离并移动至与硬质粒子相同的地方。如果观察该专利文献的图1，Bi相存在于Cu合金粒子的晶粒边界、晶粒边界三相共存点上。

专利文献3(特开2001-220630号公报)公开了Cu-Bi(Pb)系烧结合金不含有In，通过形成使得为了提高耐磨耗性而添加的金属间化合物存在于Bi或Pb相的周围的组织，滑动中金属间化合物突出于铜合金表面，Bi、Pb相和Cu基体下凹，能集存油，可以得到耐烧接性和耐疲劳性优良的滑动材料。作为烧结条件的例子，可列举在800～920℃下进行约15分钟。

专利文献1：特开平10-330868号公报

专利文献2：特许第3421724号公报

专利文献3：特开2001-22063号公报

发明内容

在专利文献1提出的烧结方法中，可以认为是由于In添加到含Bi的合金中，从而生成Bi-In系晶粒边界相。该Bi-In相较纯Bi熔点低，恐怕会降低烧结合金的强度。因此，本发明者们针对烧结方法进行了专心研究，在Cu-Bi-In系铜合金滑动材料中，形成尽可能纯的Bi作为软质相，从而制造出耐烧接性和耐磨耗性优良的滑动材料。

本发明第一涉及的烧结铜合金滑动材料的制造方法，其特征在于在含有In和Bi、余量由Cu以及不可避免的杂质构成的烧结铜合金滑动材料的制造方法中，使用由Cu-In系Cu基合金粉末和Cu-Bi系Cu基合金粉末构成的混合粉末，另外设定烧结条件使得Bi向上述Cu-Bi系Cu基合金粉末的粒子外移动，形成不含In的Bi晶粒边界相，并且In由上述Cu-In系Cu基合金粉末向上述Cu-Bi系Cu基合金粉末中扩散。另外本发明第二涉及的烧结铜合金滑动材料的制造方法，其特征在于在含有In、Bi和Sn、余量由Cu以及不可避免的杂质构成的烧结铜合金滑动材料的制造方法中，使用(1)由Cu-In-Sn系Cu基合金粉末或Cu-In系Cu基合金粉末和Cu-Sn系Cu基合金粉末构成的Cu基混合合金粉末，和(2)由Cu-Bi系Cu基合金粉末或Cu-Bi-Sn系Cu基合金粉末构成的Cu基混合合金粉末，另外设定烧结条件使得Bi向上述Cu-Bi系Cu基合金粉末或上述Cu-Bi-Sn系Cu基合金粉末的粒子外移动，形成不含In的Bi晶粒边界相，并且In由上述Cu-In-Sn系Cu基合金粉末或上述Cu-In系Cu基合金粉末向上述Cu基混合合金粉末中扩散。

下面更详细地说明本发明的烧结方法。

在Cu-Bi-In系或Cu-Bi-In-Sn系烧结铜合金中，如果使用纯Bi粉末或者Bi浓度高的Bi系合金粉末，烧结后合金中的Bi浓度分布取决于各粉末的混合均匀程度，另外由于长时间烧结不可缺少，因此本发明方法中的Cu-Bi系Cu基合金粉末使用50％以上Cu、优选70％以上Cu的粉末。上述Cu-Bi系Cu基合金粉末以外的合金系也是Cu基合金为Cu的含量为50％以上、优选在70％以上的合金。这样一来，Cu-Bi系粉末或Cu-Bi-Sn系粉末和Cu-In、Cu-Sn、Cu-In-Sn系粉末的比重差几乎没有，从而可以均匀地混合，结果烧结后的Bi相分布微细均匀。

Cu-(Sn-)Bi系Cu基合金粉末中的Bi，在烧结前的阶段中处于全部包含在该合金粉末粒子中的状态。Bi在烧结时液化，液化的Bi从粉末中挤出，移动至Cu基体的粒外(原来的合金粉末粒子的晶粒边界)。还有，如果烧结中的加热在例如850℃下2小时以上等非常高温、长时间下进行，Bi会全部移动至Cu基体的粒外(原来的合金粉末粒子的晶粒边界)。但是在这样的烧结条件下，In和Bi反应生成Bi-In相，无法生成作为本发明特征的不含In的Bi晶粒边界相，因此本发明在时间和温度方面采用合适的条件。

此外，Bi-In相在Bi与In、Sn等其它元素在同一烧结原料粉末中存在的情况下容易生成，因此在本发明中将Cu-Bi系第1粉末与含有其它添加成分的Cu合金第2粉末混合。烧结中第2粉末中包含的In或In与Sn扩散到不含有这些的第1粉末中，实质上实现了Cu基体中的均匀浓度分布。还有可以认为In通过未形成Bi晶粒边界相的第1和第2粉末的铜合金晶粒边界，不接触Bi晶粒边界相而扩散，在与In扩散结束几乎同时，Bi移动至含Bi粉末粒子外。

如上所述，划分成Cu-Bi系第1粉末和含有其它添加成分的Cu合金的第2粉末，减少Bi和In的接触，同时避免缓和的烧结条件，可以阻止Bi-In相的生成。

Cu-Bi系合金的一种形式的EPMA像如图1中所示。EPMA测定条件是加速电压20kV、探针电流0.05μA。

接着说明如果In和Bi在烧结中接触机会多，在Bi晶粒边界相周围的Cu基体内形成In富集相。Cu有In的固溶度，并且即使在低温下也具有相当的In固浓度。如果生成Bi+In液相，烧结中液相中的In扩散至Bi相，形成Bi+In富集相。作为形成Bi+In富集相的条件的例子，就原料粉末而言，有使用Cu-Bi-In-Sn系、Cu-Bi-In系、Cu-Sn系、Cu-Bi系，在750～950℃、200秒下进行烧结，然后以20℃/秒的冷却速度进行冷却。在该例中，烧结条件是比较短时间的烧结，冷却速度比较快，In与Bi在同一粉末中共存，因而分别形成In富集相和Cu基体。因此，为了避免In富集相的形成，如前所述，需要预备Bi和In各自在独立的粉末中含有的粉末。

在本发明中，优选的烧结方法是在700～950℃和5～60分钟的条件下烧结2次。如果较此显著延长烧结时间，结果将与使用不是混合粉末而是Cu-Bi-In(-Sn)单一粉末的情况相同。另外，该条件比本说明书前一段落中提及的200秒烧结时间长，这是因为本发明为了In扩散需要时间。另外，冷却速度可以采用通常的速度即20～200℃/分。烧结原料粉末的粒度优选为100目以下。

烧结方法按常规以使用背衬金属的双金属形式或者烧结压粉体的固体形式进行。烧结后，根据需要进行表面切削、软质材料的涂敷或烧结孔隙浸渍、镀敷、干式镀敷等。

本发明的烧结铜合金滑动材料的特征第一在于，按照质量百分率计含有In：0.3～15％和Bi：0.5～30％，余量由Cu和不可避免的杂质构成，烧结组织包括Cu基体和不含In的Bi晶粒边界相，在Cu基体中未形成In富集区域，特征第二在于，按照质量百分率计含有In：0.3～15％、Bi：0.5～30％以及Sn和In总量为超过2.0～15％，余量由Cu和不可避免的杂质构成，烧结组织包括Cu基体和不含In的Bi晶粒边界相，未形成In富集区域。

接下来说明本发明烧结铜合金滑动材料的组成限定理由。

In含量在0.3％以上则耐烧接性提高，在15％以上则变成高硬度，但是耐烧接性降低。优选的In浓度是0.5～6.0％。

Bi含量在0.5～30％时润滑性有效。即不足0.5％时得不到Bi的润滑效果，在30％以上时强度降低，得不到足够的强度。优选的Bi含量是0.7～15％。

作为实现In辅助作用的成分，可以含有Sn。In和Sn的总量如果超过2.0％，Cu基体的耐烧接性提高，但如果在15％以上则变成高硬度，耐烧接性降低。Sn可以添加到Cu-In系粉末和Cu-Bi系粉末的任何一方或者双方中。优选的In和Sn的总量是2～15％。

本发明中涉及的烧结铜合金滑动材料中含有Bi晶粒边界相，另外具有这样的组织：不仅未形成含有In的相，而且在Cu基体中未形成In浓度局部高的In富集区域。这里，所谓Bi相是采用EPMA装置测定、仅仅检测出Cu和Bi的相，所谓In富集区域指的是不能作为相被识别，但在Cu基体内浓度变换EPMA检测的In特性X射线检测强度，通过颜色映射，在Bi相的周围In浓度变得相对较高的区域。

在本发明中，所谓杂质是指Ag、Pb、Ni等，包含在任一种滑动用的铜合金烧结材料中的那些。根据本说明书第二段中所述的意思，希望Pb的含量尽可能的低。Ag可以提高耐烧接性等，但是本发明的铜合金通过上述组成·组织能够达到滑动特性的改良，因此Ag作为杂质处理。

本发明的滑动材料可以通过上述方法制造。但是也可以维持上述基本的烧结条件而改变其它条件。例如即使以极少量例如5质量％以下并且以其它粉末的平均粒度的1/5以下的微粉的形式混合纯Cu粉末并烧结，也能够实现上述In的扩散以及Bi晶粒边界相的形成。

如果针对本发明中涉及的烧结滑动材料的特性进行描述，Cu-Bi-In-Sn系材料，微细分散不含有In的Bi相并且In的浓度在Cu基体中没有局部升高，因此即使没有Pb，也能保持与Cu-10Sn-10Pb喷镀材料同等的耐烧接性。

下面通过实施例更详细地描述本发明。

用于实施发明的最佳方式

在混合机中混合下面的粉末，调制成表2中所示组成的混合粉末。

(1)Cu-Bi系粉末(Bi含量10～60质量％，平均粒度80μm)

(2)Cu-In系粉末(In含量5～30质量％，平均粒度80μm)

(3)Cu-Sn系粉末(Sn含量5～40质量％，平均粒度80μm)

(4)Cu-Bi-Sn系粉末(Bi含量5～20质量％，Sn含量5～20质量％，平均粒度80μm)

(5)Cu-In-Sn系粉末(In含量5～15质量％，Sn含量5～15质量％，平均粒度80μm)

另外，对于表2中实施例No.3、6、7、9、11、12使用粉末(1)和(2)，对于其它实施例分别使用粉末(1)和(5)、粉末(1)和(2)和(3)、粉末(2)和(4)、粉末(2)和(3)和(4)、粉末(4)和(5)中任一种。另外比较例全部使用单一粉末。

表1

在背衬钢板上分散1000μm厚度的烧结原料粉末，在750℃、30分钟的条件下在电炉中进行2次烧结，在烧结中途进行轧制，压缩烧结层。将由此得到的具有500μm厚度烧结层的双金属状试样进行如下试验。

图1中显示对于实施例5进行EPMA观察的结果。EPMA装置使用日本电子制造的JXA-8100。此时，Cu相在基体部分显示相当于约90质量％的均匀浓度。另外Cu与Bi共存。In、Sn存在于Cu相中，分别为相当于约2.5质量％、约5质量％的均匀浓度，并且显示比铜显著低的浓度。即，Sn、In浓度虽然存在不均匀性，但与Cu浓度的不均匀性为同等程度。另一方面Bi相显示70～100质量％的高浓度，与In、Sn不共存。

耐烧接性试验

在图2所示的冷介质氛围气试验中，按每15分钟增1.5MPa来渐渐增加荷重。图中1是试样，2是配对材料(Fe半球)，3是泵。

耐摩耗性试验(往复滑动试验)

油种：冷冻基油

油温：室温

荷重：980N

频率：7Hz

行程：10mm

如表2中所示，采用Cu-Bi-In-Sn单独粉末的比较例9与混合粉末相比较，耐烧接性和耐磨耗性差。即使在比较例1～8中，由于Bi或In任何一方或者双方都未添加，因此耐磨耗性或耐烧接性任一方或者双方都比实施例差。另外，实施例中In、Sn形成均匀浓度分布，而在比较例9中形成Bi-In晶粒边界相和In富集相。

产业可利用性

本发明的烧结滑动材料可优选用于斜板式压缩机的斜板、内燃机的轴承金属、涡轮增压机的推力轴承、LSD的垫片、连杆小端的衬套等中。

附图的简单说明

图1是表示本发明实施例的Cu-5％Sn-3％In-6％Bi合金各元素浓度的EPMA图象。

图2是冷介质试验机的图。