JP2002295473A - 鉛フリージャーナル軸受 - Google Patents

鉛フリージャーナル軸受

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JP2002295473A JP2001091650A JP2001091650A JP2002295473A JP 2002295473 A JP2002295473 A JP 2002295473A JP 2001091650 A JP2001091650 A JP 2001091650A JP 2001091650 A JP2001091650 A JP 2001091650A JP 2002295473 A JP2002295473 A JP 2002295473A
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一策 佐藤
Naoki Sato
直樹 佐藤
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Abstract

(57)【要約】 【課題】従来のジャーナル軸受は、固体潤滑剤として鉛
が不可欠であった。そのためジャーナル軸受を建設機械
に取り付けて河川工事をしたときに油漏れを起こすと油
中に溶け込んだ鉛が河川を汚染したり、機械を廃棄する
ときにジャーナル軸受を埋立て処分をしたときに鉛が地
下水を汚染したりすることがあった。また従来のジャー
ナル軸受は長時間の運転で焼付きを起こすことがあっ
た。 【解決手段】本発明の鉛フリージャーナル軸受は、Sn７
〜１３質量％、Agが0.7〜２質量％、残部がCu、さらに
この合金に二硫化モリブデンを0.5質量％以下、黒鉛を
２質量％以下添加した鉛フリージャーナル軸受である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、円筒状のジャーナ
ル軸受け、特にパワーシャベルやブルドーザーのような
建設機械に適した鉛フリーのジャーナル軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】パワーシャベルやブルドーザーのような
建設機械では無端の無軌道帯が回動することにより凹凸
や急傾斜のあるところを重量の大きな車体が自由に走行
できるようになっている。この建設機械には多数の軸が
取り付けられ、該軸はジャーナル軸受を介して無軌道帯
の回転を受けている。
【０００３】建設機械に使用されるジャーナル軸受は、
重量の大きな車体を支えることができるように高荷重に
耐えられ、しかも長時間の運転でも焼付けを起こさない
軸受特性が要求される。従来より、建設機械用のジャー
ナル軸受にはLBC-3(Cu-10Sn-10Pb)という銅を主成分と
した軸受合金が使用されていた。
【０００４】ところで、ジャーナル軸受としては、全体
を軸受合金だけで作製してもよいが、高価で機械的強度
に乏しい銅が主成分であるため、軸受合金だけでジャー
ナル軸受を作製することは経済的な面からも、そして機
械強度の面からも適当でない。特に建設機械のジャーナ
ル軸受は、高荷重に充分耐えられることが必要であり、
経済性、機械的強度を満足させるために軸受合金だけで
作製することには問題があった。そこで建設機械に使用
されるジャーナル軸受には、安価で機械的強度に優れた
鉄板を補強材として用い、該鉄板に軸受合金を薄く接合
した所謂バイメタルにしてジャーナル軸受を作製してい
たものである。
【０００５】鉄板に軸受合金を接合する方法としては、
圧着法、溶融法、焼結法がある。
【０００６】圧着法とは、予め軸受合金を板状にしてお
き、該板状の軸受合金と鉄板とを重ね合わせてローラー
で強力に圧延する。すると軸受合金と鉄板とが分子的に
接近して接合する。このようにして得られたバイメタル
材をプレスで打ち抜いて所定の大きさの短冊状にし、そ
の後、該短冊状のバイメタルを丸めてジャーナル軸受に
する。この圧着法では、軸受合金と鉄板の接合強度を充
分に強くすることができないため、この方法で得られた
ジャーナル軸受は高荷重のかかる建設機械用ジャーナル
軸受に使用した場合、鉄板と軸受合金板が剥離してしま
うことがあった。従って、圧着法で得られたジャーナル
軸受は建設機械用ジャーナル軸受としては適していない
ものである。
【０００７】溶融法とは、鉄板上に溶融した軸受合金を
流し込むことにより、鉄板と軸受合金とを接合するもの
である。この溶融法は、鉄板上に溶融した軸受合金を流
し込むため、鉄板と軸受合金とが金属的に接合して鉄板
と軸受合金とが強い接合となる。この溶融法では、冷却
固化した軸受合金は表面に酸化物が残っていたり、冷却
時の凝固で表面に引け巣や凹凸ができていたりするた
め、軸受合金の表面を厚く削って平滑にする。また鉄板
も高温となった溶融軸受合金で急激に加熱されて表面が
酸化したり熱歪で変形したりしているため、鉄板も削っ
て平滑にする。このようにして得られたバイメタル材を
プレスで打ち抜いて所定の大きさの短冊状にし、その
後、該短冊状のバイメタルを丸めてジャーナル軸受にす
る。溶融法は軸受合金と鉄板との強い接合強度を得るこ
とができるが、多大な手間がかかるばかりでなく、溶融
した軸受合金を流し込むときに酸化物の巻きこみや引け
巣ができ、これらが軸受特性に悪影響を与えることがあ
った。
【０００８】焼結法は、粉末状の軸受合金を用い、鉄板
との接合を粉末を完全に溶融させない状態で加熱して拡
散現象により行なうものである。焼結法で得られたバイ
メタルは、軸受合金と鉄板との接合強度が強く、また焼
結温度を低くできることから鉄板や軸受合金に対する熱
影響が少なくてすみ、しかも酸化物の混入や引け巣等の
欠陥もないというジャーナル軸受を製造するには最も適
したものである。ここでジャーナル軸受を焼結法により
製造する工程について簡単に説明する。
【０００９】粉末散布工程 長尺の鉄板上に軸受合金粉末を均一に散布する。 一次焼結工程 焼結炉内に上記軸受合金粉末が散布された長尺材を通過
させる。このとき焼結炉内は、軸受合金の固相線温度よ
りも少し高い温度で軸受合金が完全に溶融しない温度に
し、また水素ガスのような還元ガスを充満させた還元雰
囲気にしておく。このような条件で軸受合金粉末が散布
された長尺材の加熱を行なうと、軸受合金粉末同士およ
び鉄板と軸受合金粉末が拡散現象で接合する。これを一
次焼結という。 一次圧延工程 一次焼結を行なった長尺材は、鉄板上に散布した軸受合
金粉末を完全に溶融させないため、軸受合金粉末間が多
孔質の軸受合金層となっており、このままではジャーナ
ル軸受として使用できない。なぜならば、軸受合金層が
多孔質となっていると、高荷重がかかった場合、多孔質
の部分がつぶれて変形し、軸との接触が部分接触、つま
り片当たりとなって軸を傷付けてしまうからである。そ
こで多孔質部分をつぶすために圧延を行なう。一次圧延
は、焼結を行なった長尺材を上下に一対のローラーが設
置された圧延ローラー間を通過させて行なう。ここでは
長尺材の軸受合金層に存在していた多孔質部分を完全に
つぶさなければならないため、圧下率を大きくして行な
う。 二次焼結工程 一次圧延を行なっただけでジャーナル軸受を製造した場
合、ジャーナル軸受は、軸受合金層内部から破壊が起こ
って軸受合金層が剥離することがある。この原因は、多
孔質をつぶした部分が金属的に接合されてなく、高荷重
がかかると、ここから破壊が起こるからである。そこで
多孔質がつぶれた部分を金属的に接合するために二次焼
結を行なう。二次焼結は、前述一次焼結と同一条件で行
う。 二次圧延工程 二次焼結を行なった長尺材でジャーナル軸受を製造する
ことも好ましくない。これは二次焼結を行うと、二次焼
結で軸受合金や鉄板が焼鈍されて硬さが下がり、高荷重
で軸受合金層が磨耗したり変形したりするからである。
そこで硬さを高めるとともに厚さを整えるために二次圧
延を行う。二次圧延も前述ローラーで行なうが、圧下率
は一次圧延よりも小さい。 機械加工工程 二次圧延で所定の硬さと厚さとなった長尺材を所定の幅
と長さに切断し、粗丸め、仕上げ丸め、内面切削等の機
械加工工程を経てジャーナル軸受を得る。建設機械の下
転輪に使用する場合は、ジャーナル軸受の一端に円環状
のフランジを接合する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】従来のジャーナル軸受
は、軸受合金がLBC-3（Cu-10Sn-10Pb）であった。LBC-3
は、高速・低荷重の一般機械用のジャーナル軸受として
は適した材料であるが、建設機械のように低速・高荷重
となるところに使用した場合、焼付きを起こすことがあ
った。またLBC-3は、鉛を含有しているため、環境汚染
に関して問題のある材料でもあった。例えば、パワーシ
ャベルを河川の護岸工事に使用したときに、油漏れで河
川を汚染することが懸念されている。これは下転輪部分
でジャーナル軸受と軸とが焼付きを起こすと摩擦熱によ
りジャーナル軸受が高温となり、下転輪部分のオイルシ
ールが劣化して下転輪に充填されていた油が漏れて河川
の水に混入する。建設機械は、使用中に軸受合金中の鉛
が擦られて油に分散したり、或いは鉛が高温となった油
により化学変化して油中に溶け込んだりする。従って、
建設機械による河川での工事中に油漏れが起こると鉛成
分を含んだ油が河川の水に混入し、それを飲料用として
使用すると人体に鉛が蓄積され、鉛中毒を起こす恐れが
あるとされている。
【００１１】また建設機械が壊れたり、古くなって充分
に機能が発揮できなくなると、分解して有効資源となる
ものは再利用される。建設機械のように構成材料の多く
が金属のものでは、各金属毎に分類して回収されるが、
ジャーナル軸受は軸受合金と鉄板とが金属的に接合され
ているため、これらを分離することができず、鉄板或い
は銅合金材として再利用できないものである。そこで再
利用できないジャーナル軸受は、埋立て処分されるしか
なく、ここでも鉛の環境汚染が問題となっていた。つま
り近年のガソリンや重油等の化石燃料の多用により、大
気中には硫黄酸化物や窒素酸化物が大量に放出されてい
るため、雨は酸性度の強い酸性雨となっている。酸性雨
は、地中に埋立て処分されたジャーナル軸受の軸受合金
から鉛を溶出させて地下に染み込み、地下水を汚染する
ようになる。このようにして鉛で汚染された地下水を飲
用していると、やはり鉛中毒を起こす恐れがあるものと
されている。そこで建設機械業界からは、鉛を含まない
ジャーナル軸受、所謂「鉛フリージャーナル軸受」の出
現が強く望まれていたものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】従来のジャーナル軸受に
使用されていたLBC-3における鉛の作用は、銅合金のマ
トリックス中に点在し、この鉛が軸の回転により薄く伸
ばされて、あたかも軸受合金の表面を油で覆ったように
なり、これが円滑な軸の回転を行なわしめるものであ
る。このような働きをする鉛を固体潤滑剤と称してい
る。ところが本発明者らの検討結果によると、ジャーナ
ル軸受において鉛のように軸受合金表面を覆うという固
体潤滑作用がなくても軸受合金の性質が変われば高荷重
に対して焼付きを起こさないことが判明した。そこで鉛
のように環境汚染の問題がなく、しかも焼付きを起こさ
ないジャーナル軸受について鋭意研究を行なった結果、
Cu-Sn合金にAgを少量添加するとLBC-3にない優れた軸受
特性が得られることを見出し本発明を完成させた。
【００１３】本発明の第１発明は、Sn7〜13質量％、Ag
0.7〜2質量％、残部Cuからなる軸受合金粉末が円筒状の
鉄板の内側に焼結法で接合されていることを特徴とする
鉛フリージャーナル軸受である。
【００１４】本発明の第２発明は、Sn7〜13質量％、Ag
0.7〜2質量％、二硫化モリブデン0.5質量％以下、黒鉛
２質量％以下、残部Cuからなる軸受合金粉末が円筒状の
鉄板の内側に焼結法で接合されていることを特徴とする
鉛フリージャーナル軸受である。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明の鉛フリージャーナル軸受
は、Cu-Sn-Agを基本組成とするものである。ここでSnが
７質量％よりも少ないと固相線温度が高くなるため、焼
結温度を高くせざるを得ず、その結果、裏金となる鉄板
が熱影響で機械的強度が弱くなってしまうばかりでな
く、鉄板との接合強度も弱くなってしまうものである。
しかるにSnの添加量が１３質量％を超えると、固相線温
度が下がりすぎて充分な焼結ができなくなり、やはり接
合強度が弱まってしまう。
【００１６】Cu-Sn合金中へのAgの添加量が0.7質量％よ
りも少ないと耐焼付き特性が現れず高荷重に対して焼付
きを起こすようになる。一方、Agの添加量が２質量％を
超えても焼付き起こすようになる。図１はCu-10Sn合金
中へのAgの添加量による油温上昇率の変化を現したグラ
フである。図１から明らかなように軸受面圧が4.9Mpaで
も9.8MPaでもAgが0.7〜2質量％の間で油温上昇率が低く
なっていることが分かる。ここで油温上昇率とは、焼付
きの状況を知るバロメーターとなるものである。つまり
建設機械では、ジャーナル軸受の内部に油を充填して油
による潤滑を行なっているが、ジャーナル軸受と軸との
摩擦が大きくなると摩擦熱が発生し、油の温度が上昇す
る。この油の温度の上昇は摩擦が大きくなっている証拠
であり、焼付きの前兆となるものである。そこでジャー
ナル軸受の油温上昇率を測っておくと、焼付き性が判断
できる。
【００１７】本発明では、Cu-Sn-Ag系合金に二硫化モリ
ブデンや黒鉛等の固体潤滑剤となる材料を軸受合金粉末
に混入すると、さらに軸受特性に優れたジャーナル軸受
となるものである。Cu-Sn-Ag系合金に二硫化モリブデン
は0.5質量％以下、黒鉛は2質量％以下混入すると焼付き
の発生が少なくなる。
【００１８】本発明の鉛フリージャーナル軸受は、軸受
合金の硬さがHv100以上でなければならない。軸受合金
の硬さがHv100よりも小さいと、高荷重を受けたときに
軸受合金が変形して、軸との接触が均一とならなくなっ
て焼付きを起してしまう。
【００１９】また本発明の鉛フリージャーナル軸受は、
軸受け合金と鉄鉄板との接合強度が200MPａ以上でなけ
ればならない。この接合強度が200MPａよりも小さい
と、高荷重を受けたときに、軸受合金層と鉄板が剥離し
てしまうからである。
【００２０】
【実施例】ここで本発明のジャーナル軸受を製造する方
法について説明する。幅１８０ｍｍ、厚さ３ｍｍの長尺
の鉄板（SPCC）の上にCu-10Sn-1Agの軸受合金粉末（４
５μｍアンダー）を厚さ１ｍｍにして均一に散布する。
この長尺材をアンモニア分解ガスで水素雰囲気となった
８５０℃の焼結炉内を通過させて一次焼結を行なう。一
次焼結を行った長尺材をロールで圧下率１０％に圧延を
行なう。次いで一次圧延した長尺材を前述焼結炉で二次
焼結を行ない、さらにローラーで圧下率３％で二次圧延
を行なう。ここでの軸受合金の硬さはHv120であり、剪
断強度は230MPaであった。このようにして鉄板に軸受合
金が接合された長尺材をスリッターで幅６５ｍｍに切断
した後、プレスで長さ２００ｍｍにするとともに、両端
にクリンチを形成する。クリンチは、一端が略円形の突
状、他端が円形突状と同一形状の凹みである。その後、
軸受合金層が内側となるようにして丸めると同時に端部
の円形突状と凹みのクリンチを嵌合させる。建設機械の
下転輪ブッシュでは、固定した軸に対してジャーナル軸
受が回転するものであるが、ジャーナル軸受は軸に対し
て回転する荷重を受けるばかりでなく横方にかかる力も
受けなければならないため、ジャーナル軸受の一端に円
環状のフランジを接合する。該フランジも本発明のジャ
ーナル軸受に使用する軸受け合金が接合された円環状鉄
板である。ジャーナル軸受の内面は傷がなく軸とは微小
なクリアランスを保たなければならない。そこでジャー
ナル軸受では、内面を切削加工により精密に仕上げる。
【００２１】上記のようにして作製した本発明の鉛フリ
ージャーナル軸受とLBC-3を用いたジャーナル軸受にお
いて、油の上昇試験を行なった。試験装置および試験条
件は次の通りである。 試験装置：トラックローラー試験機（油量：200cc）。
カラーの給油穴より熱電対を挿入して温度を測定する。 ジャーナル軸受：内径が60.26ｍｍ 軸：外径が59.95ｍｍ 試験条件：運転時における負荷は、繰り返し動負荷とす
る。下限負荷軸受面圧が2.5MPａ、上限負荷軸受面圧が
4.9ＭＰａの二段階変動荷重方式である。負荷時間は１
サイクル30秒で実施。ローラー車速は３Km/ｈ。油温と
運転時間の関係を表したグラフが図２である。図２から
明らかなように本発明の鉛フリージャーナル軸受は運転
時間が１時間までは急激に昇温するが、それ以上は温度
上昇がなく10時間を超えても平衡状態ととなっていた。
10時間運転後の軸受合金層の顕微鏡組織を見てみたとこ
ろ、図3に示すように軸受合金層の組織には全く異常が
なかった。一方、LBC-3を用いたジャーナル軸受は１時
間で急激な温度上昇があり、その後、２時間を越えると
さらに急激な温度上昇となって４時間で130℃を超えて
しまった。さらにこのジャーナル軸受の運転を続けたと
ころ５時間の運転で焼付きが起こり、図４に示すように
軸受合金層にクラックが発生していた。
【００２２】
【発明の効果】従来のジャーナル軸受では軸受面を覆っ
て軸を円滑に回転させる固体潤滑剤としての鉛が不可欠
と考えられていたが、本発明の鉛フリージャーナル軸受
は、鉛を含有していないにもかかわらず従来のLBC-3の
ジャーナル軸受よりも優れた軸受特性を有しているもの
である。さらに本発明の鉛フリージャーナル軸受は、環
境汚染に問題となる有害物質を含んでいないため、河川
の工事中にジャーナル軸受取り付け部から油漏れが起こ
って、油が河川の水に混入しても有害物質で河川の水を
汚したり、ジャーナル軸受を取りつけた機械を廃棄する
ときに再利用のきかないジャーナル軸受を埋立て処分を
しても、酸性雨により地下水や河川の水を汚染したりす
ることがないという地球環境にも優しいジャーナル軸受
である。
【図面の簡単な説明】
【図１】軸受合金中へのAg量の添加による油温上昇率の
グラフ
【図２】本発明の鉛フリージャーナル軸受と従来のジャ
ーナル軸受の運転時間と油温との関係を示すグラフ
【図３】本発明の鉛フリージャーナル軸受の10時間運転
後の組織写真
【図４】LBC-3を用いたジャーナル軸受の５時間運転後
の組織写真
フロントページの続き Ｆターム(参考） 3J011 AA06 AA20 BA02 CA05 DA01 DA02 JA02 KA04 LA04 MA02 QA03 SB19 4K018 AA05 AB05 AB07 AC01 JA25 KA03

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】Sn7〜13質量％、Ag0.7〜2質量％、残部Cu
    からなる軸受合金粉末が円筒状の鉄板の内側に焼結法で
    接合されていることを特徴とする鉛フリージャーナル軸
    受。
  2. 【請求項２】Sn7〜13質量％、Ag0.7〜2質量％、二硫化
    モリブデン0.5質量％以下、黒鉛２質量％以下、残部Cu
    からなる軸受合金粉末が円筒状の鉄板の内側に焼結法で
    接合されていることを特徴とする鉛フリージャーナル軸
    受。
  3. 【請求項３】前記焼結法で鉄板に接合された軸受合金
    は、硬さがHv100以上であることを特徴とする請求項
    １、２記載の鉛フリージャーナル軸受。
  4. 【請求項４】前記鉄板と軸受合金との接合強度は、200M
    Pa以上であることを特徴とする請求項１、２記載の鉛フ
    リージャーナル軸受。
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