JP4100583B2

JP4100583B2 - 鉄系材料と高力黄銅合金を接合する方法

Info

Publication number: JP4100583B2
Application number: JP24470197A
Authority: JP
Inventors: 邦夫中島; 良一石金; 亘矢後; 賢一市田; 淳安川; 滋行油谷
Original assignee: CHUETSU METAL CO., LTD.
Current assignee: CHUETSU METAL CO., LTD.
Priority date: 1997-08-25
Filing date: 1997-08-25
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2017-08-25
Also published as: JPH1158034A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、鋳込溶着又は固体接合（一部溶融状態での接合を含む）により、本体としての鉄系材料に、摺動部又は耐食部として高力黄銅合金を複合一体化する、鉄系材料と高力黄銅合金を接合する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような複合材としては、例えば、ジャーナル軸受、スラスト軸受等の軸受類、ピストンポンプ、ピストンモーター用のシリンダーブロック、斜板、シュー等の摺動部品等、さらには、高速、高荷重下で使用される部品等が挙げられ、高力黄銅合金単体では強度が不充分であるため、強靱な鉄系材料と摺動特性の良い高力黄銅合金を複合される。
【０００３】
また、このような複合材は、海水、汚水、淡水、酸、アルカリに触れる部分や、腐食性蒸気や腐食性ガス等の雰囲気で使用される。つまり、鉄系材料の強靱性と高力黄銅合金の優秀な耐食性を合わせ求められる耐食用部品及びこのような耐食性雰囲気下で使用される摺動部品として必要とされる。
【０００４】
従来、鉄系材料に対して高力黄銅合金を接合する場合には、次の如き方法が用いられている。
１）肉盛溶接
２）ロー付け、ハンダ付け
３）インサート法
４）接合界面にＮｉ材、リン青銅材等からなるインサート材、あるいはメツキ層を介して固体接合や鋳込溶着をなす方法
５）溶射法
６）粉末焼結法
７）鋳込溶着、固体接合
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の接合方法のうち、肉盛溶接や、ロー付け、ハンダ付け、インサート法では、技術的に困難であるとか、量産に適しない等の問題がある。
【０００６】
また、溶射法は、溶射材を加熱し溶射するので、溶射皮膜の接合強度が低く、摺動条件が厳しいと剥離することがある。また、溶射温度が約２０００℃の高温であるので、鉛や亜鉛等の沸点の低い成分やアルミニウムや珪素等の酸化しやすい成分を含有する高力黄銅合金材料では、溶射皮膜中のこれらの元素の含有量にバラツキが生じる。また、製造コストが高くなる欠点もある。
【０００７】
粉末焼結は、黄銅合金の粉末（ＰＢＣ−２，ＬＢＣ−３等）をプレスにより圧縮成形して圧粉体を造り、これを鉄基材料の上に置き、８００〜９００℃の高温で加熱して接合する方法である。この場合、通常、重錘を加え加圧した状態で加熱し、高力黄銅合金全部を溶融させることもある。いずれにしても、粉末焼結層がポーラスのため摺動条件の厳しい用途ではクラックが生じ剥離しやすく、また、接合強度も低いという難点がある。
【０００８】
鋳込溶着や固体接合による鉄系材料と黄銅合金との接合では、インサートを用いずに、鋳込や固体接合又は一部溶融状態での接合を行うことができるので、上記の方法に比較して、強力な接合強度を安価に得られるが、高力黄銅合金であると、接合界面にＡｌ−Ｆｅを主成分とする脆弱な金属間化合物層が生じるので（図１２参照）、さらに高度な接合強度を得るには、この脆弱な金属間化合物層の発生を防止する必要がある。
【０００９】
また、固体接合では、基本的には、接合材である高力黄銅合金を溶融点近くに加熱し、固体のまま鉄と銅の分子間の相互拡散により接合する方法であるが、所望の接合強度を得るためにはインサート材が必要であり、それを溶融させているのが現状である。
【００１０】
本発明は、上記のような実情に鑑みて、鋳込溶着法又は固体接合法において、鉄系材料と高力黄銅合金とをインサートを用いることなく直接接触させ、しかも、その間に脆弱な金属間化合物層が発生しないために、加圧をしなくとも、充分な接合強度（剪断強度が１３ｋｇｆ／ｍｍ^２以上）と耐食性が得られる鉄系材料と高力黄銅合金を接合する方法を提供することを目的とした。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、機械部品や摺動部品の本体としての鉄系材料に、耐食性、耐摩耗性、耐焼付性の良好な高力黄銅合金を接合させる際、それに用いる高力黄銅合金の化学成分について、Ａｌ；３％以下、Ｚｎ；１５〜５０％に加えて、Ｓｉ；０．１〜３％、Ｍｎ；０．１〜５％のうち少なくとも一種が混合され、残部Ｃｕとなし、接合面に酸素が介在しないよう窒素やアルゴン等の不活性ガスや還元性の分解ガス等の雰囲気でシールしたり、加熱温度で作用する硼砂やフラックスで覆ったり、真空やその他の方法を用いたりして酸素を遮断し、鉄系材料と高力黄銅合金の両方又は片方を７００〜１３００℃に加熱して高力黄銅合金を固体、液体又は半溶融状態で鉄系材料に加圧することなく直接接触させることを特徴とする鉄系材料と高力黄銅合金を接合する方法を提供するものである。
【００１２】
また、高力黄銅合金の化学成分について、Ａｌ；３％以下、Ｚｎ；１５〜５０％に加えて、Ｓｉ；０．１〜３％、Ｍｎ；０．１〜５％のうち少なくとも一種が混合され、残部Ｃｕをベースとし、これにさらに順次、Ｐｂ；０．１〜４％、Ｎｉ；０．１〜５％、Ｆｅ；０．１〜４％、Ｃｏ；０．１〜３％、Ｚｒ；０．０１〜２％、Ｃｒ；０．０１〜２％、Ｔｉ；０．０１〜３％、Ｍｏ；０．０１〜２％、Ｖ；０．０１〜２％、Ｓｎ；０．１〜３％、Ｎｂ；０．０１〜１％、Ｐ；０．００５〜０．５％、Ｓｂ；０．０５〜１％、Ｂｉ；０．１〜３％において、少なくとも一種が混合されていたり、すると目的の達成により有効である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この発明においては、鋳込溶着又は固体接合において、高力黄銅合金の成分を、Ａｌ；３％以下、Ｚｎ；１５〜５０％に加えて、Ｓｉ；０．１〜３％、Ｍｎ；０．１〜５％のうち少なくとも一種を混合することにより、鉄系材料との間に、脆弱な金属間化合物層の発生がなく、加圧工程を設けなくとも両金属が直接強力に接合する。Ａｌが３％よりも多いと、接合部にＡｌ−Ｆｅの脆弱な金属間化合物が生成し、接合強度が不足する（図１２参照）。
【００１４】
Ｓｉについては、マトリックスに固溶し、マトリックスの強化と材料の耐食性を向上させる。また、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｐ、Ｓｂと共存し、金属間化合物を構成し、これにより耐摩耗性、耐焼付性が向上する。そして、Ｓｉが３％よりも多いと、耐食性は飽和し、金属間化合物の分布が不均一となる。また、０．１％よりも少ないと、耐食性向上の効果が認められず、金属間化合物の量も不足を来す。
【００１５】
Ｍｎ（０．１〜５％）については、マトリックスに固溶し、材料の強度を向上させる。主としてＳｉと結びついて金属間化合物を構成し、耐摩耗性、耐焼付性を向上させる。
【００１６】
さらに、Ｚｎが１５％よりも少ないと、高力黄銅合金としての耐摩耗性や耐食性が得られない。５０％よりも多いと、高力黄銅合金中に硬くて脆い相が析出し、靭性が不足する。
【００１７】
次に、このような高力黄銅合金に他の元素を混合する場合の元素の選定理由と、添加量限定理由について説明する。
【００１８】
（請求項３）
Ｐｂ（０．１〜４％）については、耐焼付性、被削性の向上が望める。
（請求項４）
Ｎｉ（０．５〜５％）は、マトリックスに固溶し、耐食性と強度を向上させる。また、Ｐ、Ｓｂ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖと金属間化合物を作り、耐摩耗性、耐焼付性が向上する。
Ｆｅ（０．１〜４％）の添加は、結晶の粗大化の防止と材料強度の向上のためで、Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｃｏ、Ｐ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｓｂ、Ｖと金属間化合物を構成し、耐摩耗性、耐焼付性が向上する。
Ｃｏ（０．１〜３％）は、結晶の微細化が促進され、また、Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｐ、Ｓｂ、Ｎｂ、Ｖと金属間化合物を構成する。
Ｚｒ（０．０１〜１％）は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｐ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｓｂとの間の金属間化合物の結晶を微細化する。
Ｃｒ（０．０１〜２％）は、Ｐ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｓｂとの間に金属間化合物を作ると共に、一部固溶して耐食性を向上させる。
Ｍｏ（０．０１〜２％）は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｎｉと金属間化合物を構成する。
Ｖ（０．０１〜２％）は、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｓｂと金属間化合物を構成する。
Ｎｂ（０．０１〜２％）は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｐ、Ｓｂと金属間化合物を構成し、結晶の微細化を促進する。
Ｓｎ（０．１〜３％）については、マトリックスの強化、耐食性の向上、脱亜鉛腐食の防止が望める。
Ｐ（０．００５〜０．５％）は、金属間化合物の構成と、脱亜鉛腐食の防止とを果たす。
Ｓｂ（０．０５〜１％）については、Ｐ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｎｉとの金属間化合物の構成と、脱亜鉛腐食の防止が望める。
Ｂｉ（０．１〜３％）は、鉛害の防止と、被削性の向上に作用する。
【００１９】
次に、鉄系材料については、軟鉄、炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼が適宜に使用される。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明は、鉄系材料と高力黄銅合金とをインサートを用いることなく直接接触させ、しかも、その間に脆弱な金属間化合物層が発生しないために、加圧をしなくとも、充分な接合強度（剪断強度が１３ｋｇｆ／ｍｍ^２以上）が得られる鉄系材料と高力黄銅合金を接合する方法を提供することに成功したものであって、これによれば、従来に比して、高力黄銅合金の結合強度が格段に優れ、且つ、耐摩耗性、耐食性、耐焼付性を有効に発揮し得る製品を製造することができるという効果がある。
【００２１】
【実施例】
以下に、鋳込溶着法による場合と、固体接合法による場合とを図面及び表を用いて説明する。いずれも、図４に示すように、φ９５×２９ｔの鉄系材料１の円盤面の片面に厚さ２ｍｍの高力黄銅合金３を接合した複合材Ｐを得た場合である。
【００２２】
本体素材としての鉄系材料１の形状については、図１が鋳込溶着用を示し、図２が固体（半溶融）接合用を示す。また、図３は、高力黄銅合金３の材料を示す。いずれの図面においても、寸法はｍｍ単位で示す。
【００２３】
また、いずれも、鉄系材料１については、Ｓ４５Ｃ（ＪＩＳＧ４５１）材を使用した。これは、炭素が０．４２〜０．４８％を成分として含むため、圧延材又は鍛造材として使用され、一般機械部品用の材料である。強度の高い要求があれば、焼入れ、焼戻しの熱処理を行って強靱性を高めて使用でき、比較的多用途材として広く用いられている。そこで、本実施例では、この用途を考慮して材料選択した。
【００２４】
高力黄銅合金３の材料寸法については、φ１００×５ｍｍ厚とした（図３）。本発明による高力黄銅合金３の化学成分については表１の通りであって、鋳込溶着法と固体接合法とにそれぞれ１６種（Ｎｏ１〜１６）の資料を得た。また、比較例として本発明から外れる高力黄銅合金３の化学成分について、同じく鋳込溶着法と固体接合法とにそれぞれ９種の資料を得た。これを表２に示す（Ａ〜Ｉ）。
【表１】

【表２】

【００２５】
フラックスには、融点７６０℃の粉末の硼砂４を使用した。硼砂４は、金属酸化物を良く溶かす性質を有し、金属ロウ付け等の溶剤として知られている。基本的には、硼砂４以外のフラックスであっても、本発明の接合適正温度７００℃よりも低い融点を有するフラックスで、７００〜１３００℃の温度範囲で活性を示せば、硼砂に限定されない。現状では、種々の他のフラックスの使用を試みたが、硼砂が最も良好な結果を得た。
【００２６】
次に、鋳込溶着の手順について説明する。
【００２７】
図５に示すように、鋳込面５に硼砂４を入れ、それから加熱炉へ入れ、９００〜９５０℃の温度を保持し、１時間加熱して炉から取り出し、別の溶解炉で溶解しておいた高力黄銅合金３の溶湯を注入する（図６）。それから、シャワー水冷により冷却した（図７）。なお、焼入れを行なわない場合には、エアー冷却による。次に、溶融又は半溶融状態でプレスにより押圧する。これには油圧シリンダーを用い、荷重１８〜１２ｔｏｎとした。これに関しては、加圧したもの（プレス施工）、しないもの（プレス無し）との２通りの資料を得た。次いで、シャワー水冷したものについて、６００℃の温度で１時間焼戻し、放冷してから図４のように機械加工した。
【００２８】
次に、固体接合（半溶融接合）について説明する。
【００２９】
まず、鉄系材料１の接合面を脱脂洗浄してから、接合面に硼砂４を散布し（図８）、その上に高力黄銅合金３を載せる（図９）。次に、加熱炉へ挿入し、９００〜９５０℃の温度を保持して１時間加熱処理した後、炉から取り出し、固体状態でプレスにて、荷重８〜１２ｔｏｎで加圧する。この場合も、加圧したものと、しないものとの２通りとした。次に、図４に示すように、機械加工を行なった。
【００３０】
次に、鋳込溶着及び固体接合についての評価については、剪断強度測定と浸透採傷試験（Ｐ．Ｔ．）とを行った。その結果を表１の材料において「プレス無し」は表３に、同材料において「プレス施行」を参考例として表４に、表２の比較例材料（Ａ〜Ｉ）における試験結果は表５に示した。
【表３】

【表４】

【表５】

【００３１】
剪断強度測定は、複合材から図１０の形状の剪断試験片Ｐａを採取し、図１１に示すように剪断力を測定し、１３ｋｇｆ／ｍｍ^２以上の値のものを合格とした。
【００３２】
浸透採傷試験は、機械加工した複合材について、「ＪＩＳＺ２３４３」に従って、接合界面を浸透採傷検査（Ｐ．Ｔ．）した。合否の判定基準は、１．６ｍｍ未満の指示模様を許容するものとした。
【００３３】
表３から本発明の場合であると、剪断強度測定及び浸透採傷試験の両方において、特にプレスをしなくとも、全ての資料で合格したが、比較例の場合（表５）は、Ｐ．Ｔ．は全て合格したが、剪断強度は全て不合格となった。また、溶射品についても同時に測定したが、両方の測定において不合格であった（表５の末欄参照）。
【図面の簡単な説明】
【図１】鋳込溶着に用いた鉄系材料の断面図である。
【図２】固体接合に用いた鉄系材料の断面図である。
【図３】固体接合に用いた高力黄銅合金材料の断面図である。
【図４】複合材の断面図である。
【図５】鋳込溶着の手順を示す断面図である。
【図６】鋳込溶着の次の手順を示す断面図である。
【図７】鋳込溶着のさらに次の手順を示す断面図である。
【図８】固体接合の手順を示す断面図である。
【図９】固体接合の次の手順を示す断面図である。
【図１０】剪断強度測定に用いる試験片を示す平面図である。
【図１１】同測定状態を示す側面図である。
【図１２】従来例の説明図である。
【符号の説明】
Ｐ鉄系材料と高力黄銅合金を接合した複合材
１鉄系材料
３高力黄銅合金
４フラツクスとしての硼砂

Claims

機械部品や摺動部品の本体としての鉄系材料に、耐食性、耐摩耗性、耐焼付性の良好な高力黄銅合金を接合させる際、それに用いる高力黄銅合金の化学成分について、Ａｌ；３％以下、Ｚｎ；１５〜５０％に加えて、Ｓｉ；０．１〜３％、Ｍｎ；０．１〜５％のうち少なくとも一種が混合され、残部Ｃｕとなし、接合面に酸素が介在しないよう窒素やアルゴン等の不活性ガスや還元性の分解ガス等の雰囲気でシールしたり、加熱温度で作用する硼砂やフラックスで覆ったり、真空やその他の方法を用いたりして酸素を遮断し、鉄系材料と高力黄銅合金の両方又は片方を７００〜１３００℃に加熱して高力黄銅合金を固体、液体又は半溶融状態で鉄系材料に加圧することなく直接接触させることを特徴とする鉄系材料と高力黄銅合金を接合する方法。
高力黄銅合金の化学成分について、Ａｌ；３％以下、Ｚｎ；１５〜５０％、Ｓｉ；０．１〜３％、Ｍｎ；０．１〜５％、残部Ｃｕであることを特徴とする請求項１記載の鉄系材料と高力黄銅合金を接合する方法。
高力黄銅合金の化学成分について、Ａｌ；３％以下、Ｚｎ；１５〜５０％、Ｓｉ；０．１〜３％、Ｍｎ；０．１〜５％、Ｐｂ；０．１〜４％、残部Ｃｕであることを特徴とする請求項１記載の鉄系材料と高力黄銅合金を接合する方法。
高力黄銅合金の化学成分について、Ａｌ；３％以下、Ｚｎ；１５〜５０％に加えて、Ｓｉ；０．１〜３％、Ｍｎ；０．１〜５％のうち少なくとも一種が混合され、さらにＰｂ；０．１〜４％、Ｎｉ；０．１〜５％、Ｆｅ；０．１〜４％、Ｃｏ；０．１〜３％、Ｚｒ；０．０１〜２％、Ｃｒ；０．０１〜２％、Ｔｉ；０．０１〜３％、Ｍｏ；０．０１〜２％、Ｖ；０．０１〜２％、Ｓｎ；０．１〜３％、Ｎｂ；０．０１〜１％、Ｐ；０．００５〜０．５％、Ｓｂ；０．０５〜１％、Ｂｉ；０．１〜３％において少なくとも一種が混合され、且つ、残部がＣｕであることを特徴とする請求項１記載の鉄系材料と高力黄銅合金を接合する方法。