JP2001050273A

JP2001050273A - 銅系摺動材料

Info

Publication number: JP2001050273A
Application number: JP11218755A
Authority: JP
Inventors: Kenji Sakai; 健至酒井; Naohisa Kawakami; 直久川上; Satoru Kurimoto; 覚栗本; Takashi Inaba; 隆因幡; Koichi Yamamoto; 康一山本; Takayuki Shibayama; 隆之柴山
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 1999-08-02
Filing date: 1999-08-02
Publication date: 2001-02-23

Abstract

(57)【要約】【課題】銅系摺動材料において、鉛をできるだけ使用
せずに非焼付性の向上を図る。【解決手段】タングステンが非焼付性の向上に効果が
あり、その粒径を選択することにより、耐疲労性を低下
させることなく非焼付性を向上できることを究明した。
そこで、銅系摺動材料の成分を、錫０．５〜１５重量
％、タングステン０．５〜１５重量％、残部が実質的に
銅および不可避的不純物とし、タングステンを平均粒径
１〜２５μｍの粉末とした。この場合、銅マトリックス
の強化元素として、ニッケル、銀、鉄、アルミニウム、
亜鉛、マンガン、コバルト、シリコン、燐のうちから選
択された１種または２種以上を総量で４０重量％以下を
含ませることが好ましい。埋収性、非焼付性の向上のた
めに、ビスマスおよび／または鉛を総量で２０重量％以
下含ませたり、また、窒化ほう素、黒鉛などの固体潤滑
剤を総量で５重量％以下含ませたりすることもできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は銅系摺動材料に係
り、特にタングステンにより非焼付性の向上を図るよう
にしたものに関する。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】銅系摺動材料としてケ
ルメットを用いた軸受がある。このケルメット軸受は、
銅鉛系合金を鋼製の裏金上に被着させ、表面にオーバレ
イ層を設けて自動車用エンジンの軸受として用いられ
る。この軸受では、オーバレイ層が摩耗し、下地の銅系
摺動材料が露出すると、含有された鉛が相手軸により引
き延ばされて軸受面上に軟質膜を作り、焼付きを防止す
る作用を呈する。

【０００３】このようにケルメット軸受に代表される従
来の銅系摺動材料では、鉛を添加することによって非焼
付性を向上させるようにしていた。しかしながら、鉛は
環境に悪影響を及ぼすため、添加量を少なくし、できれ
ばその使用を避けることが好ましい。

【０００４】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、鉛の添加量を少なくし、できれば使用
せずに、非焼付性の向上を図ることができる銅系摺動材
料を提供するところにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者は、タングステ
ンが非焼付性の向上に効果があることを発見し、本発明
を完成した。また、本発明者は、タングステンの粒径が
大きいと、タングステンの粒子が摺動表面に露出したと
き、相手から繰り返し荷重を受け、銅マトリックスを疲
労させるおそれがあること、および、タングステンの粒
径を選択することにより、耐疲労性を低下させることな
く非焼付性を向上できることを同時に究明した。

【０００６】以下に本発明の構成を説明する。請求項１
の銅系摺動材料は、錫０．５〜１５重量％、タングステ
ン０．５〜１５重量％、残部が実質的に銅および不可避
的不純物からなるものである。錫は銅マトリックスの耐
疲労強度を向上させる。錫が０．５重量％未満ではその
効果が得られない。また、錫が１５重量％を越えると、
銅−錫化合物が多く形成されて脆くなる。タングステン
を添加することにより、非焼付性、耐摩耗性が向上す
る。また、タングステンは銅マトリックスとの濡れも良
く、強度を余り低下させないため、耐疲労性にも優れ
る。タングステンが０．５重量％未満では、非焼付性の
向上効果が得られない。タングステンが１５重量％を越
えると、全体の強度が低下することにより、耐疲労性が
低下する。またタングステンの比重は１９．３ｇ／ｃｍ
^３と大きいため、重量が重くなる。

【０００７】請求項２の銅系摺動材料は、タングステン
が平均粒径１〜２５μｍの粉末からなることを特徴とす
るものである。タングステンの微細な粒子が銅マトリッ
クス中に分散することにより、確実なる非焼付性、耐摩
耗性の向上効果を期待できる。また、タングステンは比
較的硬質であるが銅マトリックスとの濡れ性が良いた
め、銅マトリックスから脱落し難くくなり、アブレッシ
ブ摩耗を起こさない。タングステンの粒径が１μｍ未満
では、非焼付性、耐摩耗性の向上に効果が得られず、２
５μｍを越えると、耐疲労性に悪影響を与え、相手材へ
の攻撃性が大きくなる。

【０００８】請求項３の銅系摺動材料は、ニッケル、
銀、鉄、アルミニウム、亜鉛、マンガン、コバルト、シ
リコン、燐のうちから選択された１種または２種以上を
総量で４０重量％以下含むことを特徴とするものであ
る。ニッケル、銀、鉄、アルミニウム、亜鉛、マンガ
ン、コバルト、シリコン、燐は、銅マトリックスを強化
し、耐疲労性を向上させる。これらの総量が４０重量％
を越えると、耐疲労性の向上に寄与しない。

【０００９】請求項４の銅系摺動材料は、ビスマスおよ
び／または鉛を総量で２０重量％以下含むことを特徴と
するものである。ビスマス、鉛は、銅マトリックス中に
分散した軟質のビスマス相、鉛相を形成し、異物埋収
性、非焼付性を向上させる。ビスマスおよび／または鉛
が総量で１重量％未満では、異物埋収性、非焼付性の効
果が得られなず、２０重量％を越えると、強度を低下さ
せる。

【００１０】請求項５の銅系摺動材料は、窒化ほう素、
黒鉛などの固体潤滑剤を総量で５重量％以下含むことを
特徴とするものである。窒化ほう素、黒鉛などの固体潤
滑剤は、自己潤滑により非焼付性、耐摩耗性を向上させ
る。５重量％を越えると、強度を低下させる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を自動車のエンジン
用軸受に適用して図面を参照しながら説明する。図１に
示す軸受１は、半割軸受と称されるもので、２個１組に
して使用される。この軸受１は、例えば薄肉の鋼板によ
り形成された裏金２上に接着層３を介して本発明に係る
摺動材料４を被着し、更にその摺動材料４上に軟質金属
や樹脂などのオーバレイ層５を被着してなる。上記接着
層３は摺動材料４を裏金２に強固に被着させるためのも
ので、例えばニッケル、または銅、或いはニッケルと銅
との合金からなる。なお、オーバレイ層５はなくとも良
い。

【００１２】摺動材料４は、銅系のもので、錫０．５〜
１５重量％、タングステン０．５〜１５重量％、残部が
実質的に銅および不可避的不純物からなる。この場合、
タングステンは平均粒径が１〜２５μｍの粉末からなる
ことが好ましい。また、摺動材料４には、ニッケル、
銀、鉄、アルミニウム、亜鉛、マンガン、コバルト、シ
リコン、燐のうちから選択された１種または２種以上を
総量で４０重量％以下含ませることができ、ビスマスお
よび／または鉛を総量で２０重量％以下含ませることも
できる。更に、窒化ほう素、黒鉛などの固体潤滑剤を総
量で５重量％以下含ませるようにしても良い。

【００１３】ここで、軸受１の製造手順の一例について
述べる。まず、錫粉末、タングステン粉末、銅粉末を１
時間混合し、摺動材料４形成用の混合粉末を得る。この
場合、ニッケル、銀、鉄、アルミニウム、亜鉛、マンガ
ン、コバルト、シリコン、燐のうちから選択された１種
または２種以上の粉末、或いは、ビスマス、鉛、窒化ほ
う素、黒鉛などの粉末を混合するようにしても良い。上
記のうち、タングステン粉末は、平均粒径が１〜２５μ
ｍのものが好ましい。また、タングステン粉末を除く他
物質の粉末は、２５０μｍ以下の粒径のものが好まし
い。また、上記各組成の粉末は単体粉末に限られるもの
ではなく、合金粉末であっても良い。

【００１４】このような混合粉末（摺動材料４）を、図
２に示すように、鋼板（裏金２）上に電気的に銅メッキ
された接着層３の表面に均一に散布し、還元雰囲気中で
８００〜９２０℃の温度で約１５分間焼結し、その後、
ロール圧延する。更に、摺動材料４の緻密化と鋼板との
接合強度を高めるために、再度、焼結、圧延を繰り返し
て複合焼結材料を作成する。

【００１５】この後、このようにして作られた複合焼結
材料を所定幅、所定長さに切断して半円状に曲げ加工
し、そして摺動材料４の表面を機械加工して仕上げ、そ
の後、オーバレイ層５を被着する。以上により図１に示
す軸受１を得る。そして、この軸受１は、２個突き合わ
せて円筒状に構成され、自動車のエンジンのクランク軸
を受ける主軸受、コネクティングロッドの大端部に設け
られてクランクピンを受けるためのクランクピン軸受な
どに用いられる。このようにして製造された軸受１にお
いて、裏金２の厚さ１．２ｍｍ、接着層３の厚さ５μ
ｍ、摺動材料４の厚さ０．３ｍｍ、オーバレイ層５の厚
さ１０μｍであった。

【００１６】さて、発明者は、次の表１に示す組成の実
施例品と比較品とについて、疲労試験と焼付試験とを行
った。疲労試験は、摺動材料４だけの小片を用い、その
小片に試験荷重を加えて行う。試験荷重は２５ＭＰａか
ら２ＭＰａずつ増加され、各試験荷重毎に、その試験荷
重を２万回ずつ正弦波状に加え、クラックを生じた時の
試験荷重を疲労破断荷重とする内容の試験である。

【００１７】焼付試験は、モータによって駆動される回
転軸を実施例品、比較品として形成された図１と同様の
軸受（但し、摺動材料４の特性をより顕著に確認するた
めにオーバレイ層なし）により支持し、そして、最初６
０分間のなじみ運転を行い、その後、潤滑油を絞って軸
受面圧を５ＭＰａずつ高めて行き、各軸受面圧毎に１０
分間運転し、軸受の背面温度が２２０℃を越えるか、ま
たは、回転軸を駆動するモータの駆動電流が異常値を示
した時の軸受面圧より一段低い軸受面圧を焼付かない最
高面圧とした。その他の試験条件を表２に示す。

【００１８】

【表１】

【表２】上記表１を分析する。まず、実施例品３〜５と比較品１
とに着目してみるに、タングステンを２〜６重量％含有
する実施例品３〜５では、焼付かない最高面圧が６５〜
８５ＭＰａであるのに対し、タングステンを含有しない
他は成分が実施例品３〜５とほとんど同一である比較品
１では焼付かない最高面圧が４０ＭＰａと低い。このよ
うに、タングステンは非焼付性の向上に効果がある。

【００１９】また、従来より非焼付性に効果があるとさ
れている鉛を含有した比較品６では、鉛を含有しない比
較品１に比べ、焼付かない最高面圧が７０ＭＰａとかな
り高い値を示している。しかしながら、疲労破断荷重に
ついてみると、鉛を含まない比較品６では１３８ＭＰａ
と高い値を示すが、鉛を含む比較品６では、７４ＭＰａ
と低下している。

【００２０】これに対し、タングステンを含む実施例品
は、疲労破断荷重が１００〜１６６ＭＰａと比較品６に
比べて相当高い値を示している。このことから、タング
ステンは耐疲労性を低下させることなく非焼付性を向上
させる効果があることが理解される。

【００２１】しかし、タングステンの含有率は０．５〜
１５重量％が好ましく、タングステンの含有量が１５重
量％を越えると、強度が低下する。例えば、比較品２は
タングステンを１８重量％含有しており、その疲労破断
荷重は９８ＭＰａであり、実施例品１〜８に比べてかな
り低くなっている。

【００２２】このようにタングステンが非焼付性を向上
させる理由としては、タングステンは銅マトリックスよ
りも硬いため、タングステン粒子が銅マトリックスより
凸となり相手軸と部分的に接触し、それにより相手軸を
ラップする。これにより摺動材料４の非焼付性、耐摩耗
性を向上させる。また、タングステンは熱伝導率が１７
４．４Ｗ／ｍ・Ｋと比較的高いため、摺動面上のタング
ステン粒子と相手軸との局部的金属接触で摩擦熱が発生
しても速やかに摩擦熱が銅マトリックス中へ移動し、タ
ングステン粒子にこもらないため、非焼付性が向上す
る。更に、高温化において、タングステンは潤滑油中の
硫黄成分と反応して固体潤滑剤である硫化タングステン
（ＷＳ_２）を生成し、焼付きを防止すると思われる。

【００２３】次に、タングステンの平均粒径に着目して
実施例品５と比較品３とを比較する。タングステンの平
均粒径は１〜２５μｍが好ましいが、タングステンの平
均粒径が１５μｍである実施例品５では、疲労破断荷重
が１３０ＭＰａ、焼付かない最高面圧が６５ＭＰａであ
るのに対し、タングステンの平均粒径が３０μｍである
比較品３では、疲労破断荷重が１２８ＭＰａ、焼付かな
い最高面圧が４５ＭＰａで、耐疲労性、非焼付性のいず
れも低くなっている。このことから、タングステンの平
均粒径は２５μｍを越えると、耐疲労性、非焼付性のい
ずれに対しても悪い影響を及ぼすことが分かる。

【００２４】その理由としては、次のようなことが考え
られる。非焼付性に関しては、タングステンの粒径が大
きいと、相手軸への攻撃性が大となり、それにより、非
焼付性に対して悪い影響を及ぼしていると思われる。一
方、耐疲労性に関しては、マトリックスに異材質が分散
した場合、異材質近傍に応力が集中し、マトリックスと
異材質間で剪断力が生じてマトリックスと異材質間で微
小クラックが生ずる。その後、この微小クラックが起点
となり、疲労が発生する。タングステンの粒子が大きい
場合、タングステン粒子の数が少ないため、タングステ
ン粒子と銅マトリックスとの境界に集中する応力が大と
なり、銅との濡れ性の良いタングステン粒子でも早期疲
労を起こしたりする。しかしながら、タングステンの粒
径が小さい場合、タングステン粒子の数が多くなるた
め、１つのタングステン粒子と銅マトリックスとの境界
に集中する応力が小となり、それにより、耐疲労性に優
れているものと思われる。

【００２５】実施例品１および２では、それぞれ７重量
％、３重量％のニッケルを含有する。これに対し、実施
例品３〜８はニッケル、銀、鉄、アルミニウム、亜鉛、
マンガン、コバルト、シリコン、燐などの強化元素を含
有しない。銅マトリックスの強化元素を含有する実施例
品１，２の疲労破断荷重は１６０〜１６６ＭＰａと高い
が、強化元素を含有しない実施例品３〜８は１００〜１
３８ＭＰａと比較的低い。このことから、強化元素は疲
労強度を向上させることが理解される。

【００２６】ビスマスや鉛は異物埋収性や非焼付性の向
上に寄与するが、２０重量％を越えると、強度の低下を
招来する。実施例品６，８ではビスマスを５重量％含有
するが、比較品４ではビスマスを２５重量％、比較品６
では鉛を２３重量％含有している。このため、実施例品
６，８の疲労破断荷重が１０４〜１１２ＭＰａであるの
に対し、比較品４，６の疲労破断荷重は７４〜７８ＭＰ
ａと低い。

【００２７】窒化ほう素や黒鉛は自己潤滑性により、非
焼付性、耐摩耗性を向上させる。しかし、５重量％を越
えると、強度の低下を招来する。実施例品７では黒鉛を
１．５重量％含有するが、比較品５では黒鉛を７重量％
含有する。そして、実施例品７の疲労破断荷重が１００
ＭＰａであるのに対し、比較品５の疲労破断荷重は４２
ＭＰａと低い。上記の試験はオーバレイ層５のない試験
軸受で行ったが、なじみ性、異物埋収性、非焼付性を更
に向上させるために、オーバレイ層５を設けることも当
然可能である。

【００２８】なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施
例に限定されるものではなく、以下のような拡張、或い
は変更が可能である。円筒状に形成されてコネクティン
グロッドの小端部に設けられるピストンピン軸受として
用いることもできる。軸受のための摺動材料に限られな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す軸受の断面図

【図２】製造過程を説明するための部分断面図

【符号の説明】

１は軸受、２は裏金、３は接着層、４は摺動材料、５は
オーバレイである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者栗本覚名古屋市北区猿投町２番地大同メタル工業株式会社内 (72)発明者因幡隆名古屋市北区猿投町２番地大同メタル工業株式会社内 (72)発明者山本康一名古屋市北区猿投町２番地大同メタル工業株式会社内 (72)発明者柴山隆之名古屋市北区猿投町２番地大同メタル工業株式会社内Ｆターム(参考） 3J011 KA02 KA03 MA02 QA03 SB02 SB03 SB04 SB05 SB14 SB15 SB20 SE04 SE05 SE10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】錫０．５〜１５重量％、タングステン
０．５〜１５重量％、残部が実質的に銅および不可避的
不純物からなる銅系摺動材料。
【請求項２】タングステンは平均粒径が１〜２５μｍ
の粉末からなることを特徴とする請求項１記載の銅系摺
動材料。
【請求項３】ニッケル、銀、鉄、アルミニウム、亜
鉛、マンガン、コバルト、シリコン、燐のうちから選択
された１種または２種以上を総量で４０重量％以下含む
ことを特徴とする請求項１または２記載の銅系摺動材
料。
【請求項４】ビスマスおよび／または鉛を総量で２０
重量％以下含むことを特徴とする請求項１ないし３のい
ずれかに記載の銅系摺動材料。
【請求項５】窒化ほう素、黒鉛などの固体潤滑剤を総
量で５重量％以下含むことを特徴とする請求項１ないし
４のいずれかに記載の銅系摺動材料。