銅合金の摺動材料を選ぶ実務判断：荷重・速度条件による使い分けと鉄系代替の可否
摺動部品に銅合金が選ばれる理由
- 相手材より軟らかい：鋼軸（硬さ 50HRC程度）に対して銅合金（80〜200HB）は軟らかく、軸を傷つけません。
- 適度な摩耗：銅合金自身が消耗することで、軸側を保護します（「犠牲材」の考え方）。
- 潤滑油の保持：多孔質の鋳造組織や鉛・黒鉛の固体潤滑相が油を保持し、摩擦係数を低く抑えます。
摺動用銅合金の系統比較
| 系統 | 代表JIS | 硬さ (HB) | 耐摩耗性 | 摺動性 | 荷重耐性 | 主な用途 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 錫青銅（砲金） | CAC406 | 60〜80 | 中 | 良好 | 中 | 一般軸受・バルブ |
| Pb青銅 | CAC603 | 50〜70 | 中〜高 | 非常に良好 | 中〜高 | 自動車エンジン軸受 |
| りん青銅（快削） | C5341 | 80〜130 | 良好 | 良好（潤滑条件） | 中 | ブッシュ・スライド |
| アルミニウム青銅 | CAC701 | 160〜200 | 非常に高い | 良好（高荷重） | 高 | 歯車・高荷重軸受 |
| 高力黄銅（鋳物） | CAC301 | 120〜170 | 高い | 良好 | 高 | プロペラ・舶用機器 |
| 含油軸受（焼結） | — | 50〜80 | 中 | 無給油で動作可 | 低〜中 | 小型モーター・OA機器 |
荷重・速度条件で材料を選ぶ境界
軸受材料の選定は「どの材料が良さそうか」ではなく、面圧（MPa）と摺動速度（m/s）の組み合わせから絞り込むのが正しい順序です。以下は実務でよく参照される境界値です。
| 面圧条件 | 摺動速度 | 推奨材料 | 選定理由 |
|---|---|---|---|
| 〜5 MPa | 〜1 m/s | 錫青銅（CAC406） | 油潤滑下では十分な耐荷重性。コストと加工性のバランスが最良。一般ポンプ・コンプレッサー軸受の標準材料。 |
| 5〜20 MPa | 〜0.5 m/s | りん青銅（C5341・CAC502） | 錫青銅より硬く耐摩耗性が高い。ブッシュ・スライドプレートに使用。潤滑が途切れると焼き付きやすいため、給油経路の確保が前提。 |
| 20 MPa超 | 低速（〜0.1 m/s） | アルミニウム青銅（CAC701） | 硬さ160〜200HBで銅合金中最高。高面圧・低速の重荷重軸受・ウォームホイールに対応。鋼軸との組み合わせでも焼き付きにくい。 |
| 任意 | 無給油または少給油 | 含油焼結軸受（Cu-Sn系） | 内部に含浸させた潤滑油が摺動時に滲み出す。給油設備を設けられない小型機器・OA機器の軸受に最適。高荷重・高速には不向き（面圧上限 約5〜10 MPa）。 |
摺動性能比較レーダー
アルミニウム青銅が高荷重摺動に選ばれる理由
アルミニウム青銅（Cu-Al合金）は銅合金の中で最も高い硬さと耐摩耗性を持ちます。Al 8〜11%の添加によって生成するαとβ相（熱処理によりマルテンサイト状β’相も形成）が硬く緻密な組織を作ります。硬さは160〜200HBに達し、ステンレス軸・鋼軸との組み合わせでも優れた耐摩耗性を発揮します。また、金属の硬さを材料間で比較することで、相手材との適合性を確認することができます。
銅合金を鉄系（FC・SCM）に換えられるか？の判断基準
設備コスト削減や調達安定化のため、銅合金軸受を鉄系（ねずみ鋳鉄FC・クロムモリブデン鋼SCM）に変更できないかという検討は現場でよく出てきます。以下のマトリクスで代替可否を判断してください。
| 条件 | 錫青銅→FC200 | 錫青銅→SCM（調質） | アルミ青銅→SCM（調質） |
|---|---|---|---|
| 軸材：炭素鋼（S45C調質） | 条件付き可 給油充分・低面圧に限る |
可 硬さ差あり・焼き付きリスク低 |
可 高荷重でも対応 |
| 軸材：ステンレス（SUS304） | NG SUS同士の凝着摩耗リスク |
条件付き可 表面処理（硬質Crめっき等）が必要 |
可 銅合金が相手材を傷めない |
| 無給油・少給油環境 | NG 鋳鉄は乾燥摺動で急速摩耗 |
NG 焼き付きが起きる |
NG 銅合金含油焼結か固体潤滑コーティングを使う |
| 面圧 20 MPa超 | NG FC は引張強さが低く割れるリスク |
条件付き可 SCM415〜440調質なら対応可。軸との硬さ差確認が必要 |
可 アルミ青銅が適合 |
| 腐食環境（海水・薬液） | NG FCは腐食が激しい |
NG SCMも腐食環境では不利 |
可 ニッケルアルミ青銅（NAB）が最適 |
鉄系への代替が「条件付き可」となる場合は、必ず以下を確認します。①軸と軸受の硬さ差（軸受が軟らかい構成になっているか）、②給油経路・給油量の確保、③試運転後の初期摩耗量の測定。特に軸受側をSCMにすると「軸より硬い軸受」になるケースがあり、軸側が摩耗する逆転現象が起きます。
鋼軸 vs 銅合金軸受の相性チェックリスト
設計・発注前に確認すべき項目
- [ ] 軸の材料と硬さを確認した（例：S45C調質で200〜250HB）。軸受材料はこれより軟らかいか？
- [ ] 面圧（荷重÷投影面積）を計算し、推奨材料の適用範囲内に収まっているか確認した。
- [ ] 摺動速度（m/s）を確認し、含油焼結・錫青銅・りん青銅・アルミ青銅の速度域に合っているか確認した。
- [ ] 給油方式（強制給油・グリース封入・無給油）を決定した。無給油の場合は含油焼結または固体潤滑コーティングを指定した。
- [ ] 腐食環境（水・海水・薬液接触）の有無を確認した。腐食あり→アルミニウム青銅（CAC701）またはニッケルアルミ青銅を選定した。
- [ ] 軸受のはめあい公差（H7/f7等）と圧入代を設計図面に記入した。
- [ ] 交換頻度と補修方法（ライナー交換・焼き付き時の対応）を保全計画に記載した。
用途別カード
一般機械軸受（CAC406）
面圧5 MPa以下・油潤滑前提。ポンプ・コンプレッサーの軸受に最適な錫青銅の定番用途。
自動車エンジン軸受（Pb青銅）
コンロッド大端部・メタル軸受に使用。Pbが固体潤滑として機能し、焼き付き防止に優れます。
高荷重歯車・ウォームホイール（CAC701）
面圧20 MPa超・ウォームギア・大型歯車の歯面に使用。硬さ160〜200HBが高面圧条件に対応します。
OA機器・小型モーター軸受（焼結）
含油焼結軸受は無給油での動作が可能。面圧5〜10 MPa以下の用途に限定して使用します。
まとめ：銅合金の摺動用途で押さえておきたいこと
- 摺動用銅合金の選定は面圧（MPa）×速度（m/s）×潤滑条件の3軸で決まります。「銅合金なら何でも同じ」は選定ミスの原因です。
- 面圧5 MPa以下・油潤滑→錫青銅（CAC406）。面圧5〜20 MPa→りん青銅。面圧20 MPa超→アルミニウム青銅（CAC701）が基本線です。
- 無給油環境には含油焼結軸受のみ対応。鉄系・一般銅合金を無給油で使うと急速摩耗または焼き付きが起きます。
- 鉄系（FC・SCM）への代替は「軸より軟らかい軸受」という原則を守れる構成でのみ条件付き可。軸受がSCMになると軸側が摩耗する逆転現象が起きるため確認が必要です。
- ステンレス軸との組み合わせでFCや無処理SCMを使うと凝着摩耗が起きます。銅合金またはSUS軸+表面処理の組み合わせを選んでください。
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