專利名稱：燒結(jié)銅合金滑動(dòng)材料的制造方法以及燒結(jié)銅合金滑動(dòng)材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燒結(jié)銅合金滑動(dòng)材料的制造方法，更詳細(xì)地講涉及具有包括Cu基體 和Bi相的組織的Cu-In-Bi系或者Cu-In-Bi-Sn系燒結(jié)合金滑動(dòng)材料
背景技術(shù)：
滑動(dòng)部件用Cu-Sn系銅合金中通常添加的Pb的熔點(diǎn)是327°C，由于滑動(dòng)時(shí)溫度上 升導(dǎo)致在滑動(dòng)面上出現(xiàn)膨脹或延展。結(jié)果在冷卻滑動(dòng)面的同時(shí)，Pb由于其優(yōu)良的自潤滑作 用而防止燒接。此外Pb是軟質(zhì)分散相，因而具有磨合性和異物包埋性。然而，Cu-Pb系合金中的Pb恐怕對(duì)人體和環(huán)境產(chǎn)生較壞的影響，因此也提出了旨 在實(shí)現(xiàn)具有與Cu-Pb系合金同等滑動(dòng)特性的無Pb合金。Bi與Pb同樣是軟質(zhì)金屬，并且在滑動(dòng)條件下在Cu-Bi系合金中產(chǎn)生液相，可以設(shè) 想從硬度方面來看，Bi較Pb提高滑動(dòng)性能的作用更弱。如果按照專利文獻(xiàn)1 (特開平10-330868號(hào)公報(bào))，含有5 50%質(zhì)量由Bi或Bi 基合金構(gòu)成的Bi相，Bi相含有SruAg和In中至少1種元素，至少1種該元素在該Bi相中 的含量范圍如下Sn為20重量％以下，Ag為10重量％以下，In為5重量％以下，余量是由 Cu或Cu合金構(gòu)成的Cu相和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。專利文獻(xiàn)1實(shí)施例1中采用的燒結(jié)條 件，就原料粉末而言，有純Cu和純Bi的組合、純Cu和Bi-In基合金等Bi合金的組合、磷青 銅和Bi-In合金等Bi合金的組合等，就加熱條件而言，有在800°C下為1小時(shí)。如果采用該 燒結(jié)銅合金，上述純銅(或者Cu基合金粉末)與純Bi (或者Bi基合金)之間發(fā)生擴(kuò)散，結(jié) 果如圖所示，Bi相存在的地方成為Cu合金基體晶粒邊界三相共存點(diǎn)及其附近的晶粒邊界。 另外Bi合金中添加的In在Bi相中被合金化，成為Bi-In系晶粒邊界相。專利文獻(xiàn)2 (特許第3421724號(hào)公報(bào))中提出的燒結(jié)銅合金組成中不含有In，含有 Sn 5 15重量％、Bi 1 20重量％、硬質(zhì)粒子0. 1 10體積％，余量是Cu。如果硬質(zhì) 物混在Bi相中，則防止Pb、Bi的流出，Pb, Bi相成為緩沖相，緩和硬質(zhì)物的配對(duì)軸攻擊性； Pb、Bi相再次捕捉脫落的硬質(zhì)物，從而緩和磨料磨耗。在專利文獻(xiàn)2中，燒結(jié)由Bi粉末、硬質(zhì)粒子粉末、Sn粉末和Cu粉末構(gòu)成的混合粉 末，軋制制成滑動(dòng)材料。制成的滑動(dòng)材料中Sn強(qiáng)化基體，另外硬質(zhì)物以包埋在Bi相中的狀 態(tài)存在。因而，可以認(rèn)為燒結(jié)過程中在Cu-Sn間發(fā)生擴(kuò)散，另外Bi在燒結(jié)中相分離并移動(dòng) 至與硬質(zhì)粒子相同的地方。如果觀察該專利文獻(xiàn)的圖l，Bi相存在于Cu合金粒子的晶粒邊 界、晶粒邊界三相共存點(diǎn)上。專利文獻(xiàn)3 (特開2001-220630號(hào)公報(bào))公開了 Cu-Bi (Pb)系燒結(jié)合金不含有In， 通過形成使得為了提高耐磨耗性而添加的金屬間化合物存在于Bi或Pb相的周圍的組織， 滑動(dòng)中金屬間化合物突出于銅合金表面，Bi、Pb相和Cu基體下凹，能集存油，可以得到耐燒 接性和耐疲勞性優(yōu)良的滑動(dòng)材料。作為燒結(jié)條件的例子，可列舉在800 920°C下進(jìn)行約 15分鐘。專利文獻(xiàn)1 特開平10-330868號(hào)公報(bào)
專利文獻(xiàn)2 特許第3421724號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)3 特開2001-22063號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
在專利文獻(xiàn)1提出的燒結(jié)方法中，可以認(rèn)為是由于In添加到含Bi的合金中，從而 生成Bi-In系晶粒邊界相。該Bi-In相較純Bi熔點(diǎn)低，恐怕會(huì)降低燒結(jié)合金的強(qiáng)度。因此， 本發(fā)明者們針對(duì)燒結(jié)方法進(jìn)行了專心研究，在Cu-Bi-In系銅合金滑動(dòng)材料中，形成盡可能 純的Bi作為軟質(zhì)相，從而制造出耐燒接性和耐磨耗性優(yōu)良的滑動(dòng)材料。本發(fā)明第一涉及的燒結(jié)銅合金滑動(dòng)材料的制造方法，其特征在于在含有In和Bi、 余量由 Cu以及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的燒結(jié)銅合金滑動(dòng)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基合金粉末構(gòu)成的混合粉末，另外設(shè)定燒結(jié)條件使得Bi向上 述Cu-Bi系Cu基合金粉末的粒子外移動(dòng)，形成不含In的Bi晶粒邊界相，并且In由上述 Cu-In系Cu基合金粉末向上述Cu-Bi系Cu基合金粉末中擴(kuò)散。另外本發(fā)明第二涉及的燒 結(jié)銅合金滑動(dòng)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 的雜質(zhì)構(gòu)成的燒結(jié)銅合金滑動(dòng)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基合金粉末構(gòu)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基合金粉末構(gòu)成的Cu基混合合金粉末，另外設(shè)定 燒結(jié)條件使得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 外移動(dòng)，形成不含In的Bi晶粒邊界相，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基混合合金粉末中擴(kuò)散。下面更詳細(xì)地說明本發(fā)明的燒結(jié)方法。在Cu-Bi-In系或Cu-Bi-In-Sn系燒結(jié)銅合金中，如果使用純Bi粉末或者Bi濃度 高的Bi系合金粉末，燒結(jié)后合金中的Bi濃度分布取決于各粉末的混合均勻程度，另外由于 長時(shí)間燒結(jié)不可缺少，因此本發(fā)明方法中的Cu-Bi系Cu基合金粉末使用50%以上Cu、優(yōu)選 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基合金為Cu的 含量為50%以上、優(yōu)選在70%以上的合金。這樣一來，Cu-Bi系粉末或Cu-Bi-Sn系粉末和 Cu-In, Cu-Sn, Cu-In-Sn系粉末的比重差幾乎沒有，從而可以均勻地混合，結(jié)果燒結(jié)后的Bi 相分布微細(xì)均勻。Cu-(Sn-)Bi系Cu基合金粉末中的Bi，在燒結(jié)前的階段中處于全部包含在該合金 粉末粒子中的狀態(tài)。Bi在燒結(jié)時(shí)液化，液化的Bi從粉末中擠出，移動(dòng)至Cu基體的粒外(原 來的合金粉末粒子的晶粒邊界)。還有，如果燒結(jié)中的加熱在例如850°C下2小時(shí)以上等 非常高溫、長時(shí)間下進(jìn)行，Bi會(huì)全部移動(dòng)至Cu基體的粒外(原來的合金粉末粒子的晶粒邊 界)。但是在這樣的燒結(jié)條件下，In和Bi反應(yīng)生成Bi-In相，無法生成作為本發(fā)明特征的 不含In的Bi晶粒邊界相，因此本發(fā)明在時(shí)間和溫度方面采用合適的條件。此外，Bi-In相在Bi與IruSn等其它元素在同一燒結(jié)原料粉末中存在的情況下容 易生成，因此在本發(fā)明中將Cu-Bi系第1粉末與含有其它添加成分的Cu合金第2粉末混合。 燒結(jié)中第2粉末中包含的In或In與Sn擴(kuò)散到不含有這些的第1粉末中，實(shí)質(zhì)上實(shí)現(xiàn)了 Cu 基體中的均勻濃度分布。還有可以認(rèn)為In通過未形成Bi晶粒邊界相的第1和第2粉末的 銅合金晶粒邊界，不接觸Bi晶粒邊界相而擴(kuò)散，在與In擴(kuò)散結(jié)束幾乎同時(shí)，Bi移動(dòng)至含Bi粉末粒子外。如上所述，劃分成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， 減少Bi和In的接觸，同時(shí)避免緩和的燒結(jié)條件，可以阻止Bi-In相的生成。Cu-Bi系合金的一種形式的EPMA像如

圖1中所示。EPMA測(cè)定條件是加速電壓 20kV、探針電流0. 05 μ A0接著說明如果In和Bi在燒結(jié)中接觸機(jī)會(huì)多，在Bi晶粒邊界相周圍的Cu基體內(nèi) 形成In富集相。Cu有In的固溶度，并且即使在低溫下也具有相當(dāng)?shù)腎n固濃度。如果生成 Bi+In液相，燒結(jié)中液相中的In擴(kuò)散至Bi相，形成Bi+In富集相。作為形成Bi+In富集相 的條件的例子，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°C、200秒下進(jìn)行燒結(jié)，然后以20°C /秒的冷卻速度進(jìn)行冷卻。在該例中，燒結(jié) 條件是比較短時(shí)間的燒結(jié)，冷卻速度比較快，In與Bi在同一粉末中共存，因而分別形成In 富集相和Cu基體。因此，為了避免In富集相的形成，如前所述，需要預(yù)備Bi和In各自在 獨(dú)立的粉末中含有的粉末。
在本發(fā)明中，優(yōu)選的燒結(jié)方法是在700 950°C和5 60分鐘的條件下燒結(jié)2次。 如果較此顯著延長燒結(jié)時(shí)間，結(jié)果將與使用不是混合粉末而是Cu-Bi-In(-Sn)單一粉末的 情況相同。另外，該條件比本說明書前一段落中提及的200秒燒結(jié)時(shí)間長，這是因?yàn)楸景l(fā)明 為了 In擴(kuò)散需要時(shí)間。另外，冷卻速度可以采用通常的速度即20 200°C/分。燒結(jié)原料 粉末的粒度優(yōu)選為100目以下。燒結(jié)方法按常規(guī)以使用背襯金屬的雙金屬形式或者燒結(jié)壓粉體的固體形式進(jìn)行。 燒結(jié)后，根據(jù)需要進(jìn)行表面切削、軟質(zhì)材料的涂敷或燒結(jié)孔隙浸漬、鍍敷、干式鍍敷等。本發(fā)明的燒結(jié)銅合金滑動(dòng)材料的特征第一在于，按照質(zhì)量百分率計(jì)含有In: 0. 3 15%和Bi 0. 5 30%，余量由Cu和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，燒結(jié)組織包括Cu基體和 不含In的Bi晶粒邊界相，在Cu基體中未形成In富集區(qū)域，特征第二在于，按照質(zhì)量百分 率計(jì)含有In 0. 3 15%、Bi 0. 5 30%以及Sn和In總量為超過2. 0 15%，余量由Cu 和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，燒結(jié)組織包括Cu基體和不含In的Bi晶粒邊界相，未形成In富集 區(qū)域。接下來說明本發(fā)明燒結(jié)銅合金滑動(dòng)材料的組成限定理由。In含量在0. 3%以上則耐燒接性提高，在15 %以上則變成高硬度，但是耐燒接性 降低。優(yōu)選的In濃度是0. 5 6. 0%。Bi含量在0. 5 30%時(shí)潤滑性有效。即不足0. 5%時(shí)得不到Bi的潤滑效果，在 30%以上時(shí)強(qiáng)度降低，得不到足夠的強(qiáng)度。優(yōu)選的Bi含量是0. 7 15%。作為實(shí)現(xiàn)In輔助作用的成分，可以含有Sn。In和Sn的總量如果超過2. 0%，Cu基 體的耐燒接性提高，但如果在15%以上則變成高硬度，耐燒接性降低。Sn可以添加到Cu-In 系粉末和Cu-Bi系粉末的任何一方或者雙方中。優(yōu)選的In和Sn的總量是2 15%。本發(fā)明中涉及的燒結(jié)銅合金滑動(dòng)材料中含有Bi晶粒邊界相，另外具有這樣的組 織不僅未形成含有In的相，而且在Cu基體中未形成In濃度局部高的In富集區(qū)域。這 里，所謂Bi相是采用EPMA裝置測(cè)定、僅僅檢測(cè)出Cu和Bi的相，所謂In富集區(qū)域指的是不 能作為相被識(shí)別，但在Cu基體內(nèi)濃度變換EPMA檢測(cè)的In特性X射線檢測(cè)強(qiáng)度，通過顏色 映射，在Bi相的周圍In濃度變得相對(duì)較高的區(qū)域。
在本發(fā)明中，所謂雜質(zhì)是指Ag、Pb、Ni等，包含在任一種滑動(dòng)用的銅合金燒結(jié)材料 中的那些。根據(jù)本說明書第二段中所述的意思，希望Pb的含量盡可能的低。Ag可以提高耐 燒接性等，但是本發(fā)明的銅合金通過上述組成·組織能夠達(dá)到滑動(dòng)特性的改良，因此Ag作 為雜質(zhì)處理本發(fā)明的滑動(dòng)材料可以通過上述方法制造。但是也可以維持上述基本的燒結(jié)條件 而改變其它條件。例如即使以極少量例如5質(zhì)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純Cu粉末并燒結(jié)，也能夠?qū)崿F(xiàn)上述In的擴(kuò)散以及Bi晶粒邊界相的 形成。如果針對(duì)本發(fā)明中涉及的燒結(jié)滑動(dòng)材料的特性進(jìn)行描述，Cu-Bi-In-Sn系材料，微 細(xì)分散不含有In的Bi相并且In的濃度在Cu基體中沒有局部升高，因此即使沒有Pb，也能 保持與Cu-lOSn-lOPb噴鍍材料同等的耐燒接性。下面通過實(shí)施例更詳細(xì)地描述本發(fā)明。用于實(shí)施發(fā)明的最佳方式在混合機(jī)中混合下面的粉末，調(diào)制成表2中所示組成的混合粉末。(I)Cu-Bi系粉末(Bi含量10 60質(zhì)量％，平均粒度80 μ m)(2) Cu-In系粉末(In含量5 30質(zhì)量％，平均粒度80 μ m)(3) Cu-Sn系粉末(Sn含量5 40質(zhì)量％，平均粒度80 μ m)(4) Cu-Bi-Sn系粉末(Bi含量5 20質(zhì)量％，Sn含量5 20質(zhì)量％，平均粒度 80 μ m)(5) Cu-In-Sn系粉末(In含量5 15質(zhì)量％，Sn含量5 15質(zhì)量％，平均粒度 80 μ m)另外，對(duì)于表2中實(shí)施例No. 3、6、7、9、11、12使用粉末(1)和(2)，對(duì)于其它實(shí)施例 分別使用粉末(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)中任一種。另外比較例全部使用單一粉末。表 權(quán)利要求
一種燒結(jié)銅合金滑動(dòng)材料的制造方法，其特征在于在含有In和Bi、余量由Cu以及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的燒結(jié)銅合金滑動(dòng)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基合金粉末構(gòu)成的混合粉末，進(jìn)而設(shè)定燒結(jié)條件，使得Bi向上述Cu Bi系Cu基合金粉末的粒子外移動(dòng)，形成不含In的Bi晶粒邊界相，并且In由上述Cu In系Cu基合金粉末向上述Cu Bi系Cu基合金粉末中擴(kuò)散。
2.權(quán)利要求1記載的燒結(jié)銅合金滑動(dòng)材料的制造方法，其特征在于燒結(jié)銅合金按質(zhì)量 百 分率計(jì)含有In 0. 3 15%和Bi 0. 5 30%。
3.一種燒結(jié)銅合金滑動(dòng)材料的制造方法，其特征在于在含有IruBi和Sn、余量由Cu以 及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的燒結(jié)銅合金滑動(dòng)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基合金粉末構(gòu)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基合金粉末構(gòu)成的Cu基混合合金 粉末，進(jìn)而設(shè)定燒結(jié)條件，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動(dòng)，形成不含In的Bi晶粒邊界相，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基混合合金粉末中擴(kuò)散。
4.權(quán)利要求3記載的燒結(jié)銅合金滑動(dòng)材料的制造方法，其特征在于燒結(jié)銅合金按質(zhì)量 百分率計(jì)含有In 0. 3 15%、Bi 0. 5 30%以及Sn和In的總量為超過2. 0%至15%。
5.權(quán)利要求1 4任一項(xiàng)中記載的燒結(jié)銅合金滑動(dòng)材料的制造方法，其特征在于將 700 950°C下5 60分鐘的燒結(jié)進(jìn)行2次。
6.一種燒結(jié)銅合金滑動(dòng)材料，其特征在于，按照質(zhì)量百分率計(jì)含有In 0. 3 15%和 Bi :0. 5 30%，余量由Cu和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，其中燒結(jié)組織包括Cu基體和不含In的 Bi晶粒邊界相，在上述Cu基體內(nèi)未形成In富集區(qū)域。
7.一種燒結(jié)銅合金滑動(dòng)材料，其特征在于，按照質(zhì)量百分率計(jì)含有In :0.3 15%、Bi 0. 5 30%以及Sn和In總量為超過2. 0%至15%，余量由Cu和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，其中 燒結(jié)組織包括Cu基體和不含In的Bi晶粒邊界相，在上述Cu基體內(nèi)未形成In富集區(qū)域。
全文摘要
在Cu-Bi-In系銅合金滑動(dòng)材料中，通過形成盡可能純的Bi軟質(zhì)相，從而提高耐燒接性和耐磨耗性。使用由Cu-In系Cu基合金粉末和Cu-Bi系Cu基合金粉末構(gòu)成的混合粉末。設(shè)定燒結(jié)條件，使得Bi向Cu-Bi系Cu基合金粉末的粒子外移動(dòng)，形成不含In的Bi晶粒邊界相，并且In由Cu-In系Cu基合金粉末向Cu-Bi系Cu基合金粉末擴(kuò)散。
文檔編號(hào)C22C9/00GK101970701SQ20098010302
公開日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2009年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月23日
發(fā)明者吉留大輔, 和田仁志, 富川貴志, 橫田裕美 申請(qǐng)人:大豐工業(yè)株式會(huì)社