JP2002513890A - エンジン用多層軸受および製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 多層エンジン軸受２６は鋼製裏金３６を含む。鋼製裏金は、その上に形成された銅−鉛合金またはアルミニウム合金から成る軸受材料で形成されたライナー３８と、軸受２６のライニング基材４０を規定するための、ライナー３８上にめっきされた銅またはニッケルの薄層４４とを有する。表面側多層めっき４６は、ライニング基材４０上に形成され、厚さ約１０μｍの鉛−錫−銅合金製下張り層４６と、厚さ約５μｍの錫製上張り層５０とを含む。表面側多層めっき４６は、高い動荷重条件下で抜群の疲労抵抗を有するとともに、優れたなじみ性と埋収性とを保有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （発明の背景） １．技術分野 本発明は、広義において、すべり軸受とその製造方法に係わり、より具体的に
は、比較的軟質の金属で表層めっきされた、裏金付きの銅−鉛合金またはアルミ
ニウム合金製ライニング層を有する種類の、内燃機関で使用するエンジン用多層
軸受に関するものである。 ２．関連先行技術 高負荷エンジンで使用するジャーナルすべり軸受（例えば、連接棒軸受、高ト
ルクディーゼル機関または高性能ガソリン機関の主、副またはバランスクランク
軸軸受等）は、通常、鋼製裏金上に形成された銅−鉛合金またはアルミニウム合
金のライニングを含むライニング基材を有する。このライニングは、通常、厚さ
約２５μｍの鉛−錫−銅合金単一層を包含する軟質の軸受金属で表層めっきされ
る。ライニングと表層めっきの間には、ニッケル拡散防止層または銅接合層が介
挿されることが多い。最終段階として、軸受は、通常、厚さ約１μｍ以下の超薄
型鉛−錫フラッシュめっき層で被覆される。フラッシュめっき層は、主として化
粧用であり、見栄えのする光沢性外観を製品に与えるものである。また、フラッ
シュめっき層は、鋼製裏金に対して或るレベルの対腐食保護性を与える。表層側
めっき層に被着された極薄フラッシュめっき層は、エンジンの慣らし運転におけ
る最初の数時間以内に急速に消散し、それ自体としては表面側めっき層の軸受特
性に寄与することはない。

【０００２】 使用時、クランク軸用のかかる多層軸受は動荷重を受けるが、この動荷重は、
ピストン・連接棒機構により、またシリンダガスによって加えられる慣性荷重の
ために、大きさと方向が変化する。表面側めっき層が軟質であるため、軸受表面
が継続的に変化し、高荷重の下で被支持部材の輪郭の不整合または荷重変化に順
応する結果、荷重は軸受の広い表面積にわたって分配される。この特性は、「な
じみ性」として広く知られている。また、表面側めっき層は、軸受表面と被支持
部材の間に入り込む塵埃または金属の異物粒子を、軸受表面に埋収または吸収で
き、それにより軸受および軸部（ジャーナル）を過剰な摩耗や損傷から保護する
ことができる。この特性は「埋収性」として知られている。

【０００３】 なじみ性と埋収性が表面側めっき層の厚さに依存し、表面側めっき層は厚い方
が好ましいことは、広く認められている。また、表面側めっき層の厚さが増すに
つれて、軸受疲労（すなわち荷重下での軸受の破断）が生じやすくなることも広
く知られている。疲労割れ抵抗を得るには、軸受表面が十分な引張り強度を有し
、割れが生じることなく僅かな形状変化を生じさせるようにする必要がある。し
たがって、エンジン用軸受、特に、高い動荷重を受けるエンジン用軸受を設計す
る場合には、なじみ性／埋収性と疲労抵抗という競合的な特性を均衡させる必要
がある。

【０００４】 高荷重エンジンでの多くの使用事例の場合に判明したことは、単一層である前
記厚さ２５μｍの鉛−錫−銅表層めっきが、優れたなじみ性および埋収特性と良
好な疲労抵抗とを有するという点である。しかし、エンジンの出力と効率とが絶
えず増大するにつれて、クランク軸軸受に加わる動荷重も増大し、軸受疲労の可
能性が増すことになる。過度な荷重条件下で、鉛−錫−銅の単一層である表層め
っきを有する前記従来軸受は疲労しやすいことが判っている。単に鉛−錫−銅表
層めっきの厚さを２５μｍ未満に減じる一方、同時に、許容可能なレベルのなじ
み性および埋収性を維持することにより、疲労を軽減する努力は、現在までに大
部分が不成功に終わっている。 かくして、前記高動荷重条件の下で疲労を生じることなく、しかも、良好なな
じみ特性と埋収特性を維持し得る改善されたジャーナル軸受が業界で求められて
いる。

【０００５】 （発明の要約） 本発明によれば、エンジン用多層軸受が、剛性の大きな裏金と、該裏金上に形
成された軸受金属ライナー（きせ金）とを有するライニング基材を含み、予め定
められた厚さ約１０μｍの鉛−錫−銅合金下張り層と、予め定められた厚さ約５
μｍの錫機能上張り層とを含む、前記ライニング基材上に形成された表面側多層
めっきによって特徴づけられる。 この軸受は、疲労なしに極めて高い動荷重条件に耐えることができるとともに
、良好ななじみ特性と埋収特性を有する。極めて高い動荷重条件下での比較試験
では、特徴とされる表面側多層めっきを有する本発明軸受は、観察可できる疲労
割れの兆候を示さなかったのに対し、単一層である在来の厚さ２５μｍの鉛−錫
−銅表層めっきで形成された従来軸受はかなりの疲労割れを示した。

【０００６】 在来のエンジン用軸受に採用されている極薄フラッシュめっき錫層と異なり、
本発明の錫上張り層は、使用時、鉛−錫−銅下張り層上の全面にわたって定位置
に残るように、意図的に、より大きな厚さになされて、表層めっきの軸受特性に
寄与するようになっている。下張り層と上張り層の特性は、組み合わされた時に
、極めて高い動荷重条件下で所望の無疲労軸受表面特性が得られる一方、なじみ
性と埋収性が維持されるように、互いに相乗効果を発揮する。 また、本発明により、エンジン用多層軸受の製造方法が提供され、該製造方法
は、剛性の大きな裏金上に軸受金属製ライニングを形成することによってライニ
ング基材を設ける段階を含み、ライニング基材上に、予め定められた厚さ約１０
μｍの鉛−錫−銅合金下張り層と、予め定められた厚さ約５μｍの錫上張り層と
を形成する段階を含む表面側多層めっきを形成する段階によって特徴づけられる
。本発明のこれらの態様は、公知の先行技術に比して、前記利点と同じ利点を有
する。

【０００７】 （好適例の詳細な説明） 前記利点およびその他の利点と特徴は、添付図面を引用した以下の詳細な説明
から更によく判るだろう。 図面の詳細を見ると、図１には、内燃機関が全体として符号１０で示されてお
り、内燃機関１０は、その内部でピストン１６が往復動する複数のピストンシリ
ンダ１４（１個のみ示す）が形成されたエンジンブロック１２を有する。各ピス
トン１６は、ピストンピン２０によって、組合せ関係にある連接棒１８の上端に
結合されている。各連接棒１８は、下端２２で、クランク軸２４に結合されてい
る。本発明による多層すべり軸受２６は、各連接棒１８とクランク軸２４の間に
配置され、連接棒１８とクランク軸２４とが軸受連結されている。

【０００８】 各多層すべり軸受２６は、上半体２８と下半体３０を含み、これらの半体は、
従来方式で一体的にクランク軸２４を包囲するように連接棒１８の各上下軸受座
３２，３４内に取付けられる。同じ形式の多層すべり軸受２６（すなわち、図示
されない主軸受せず）を、通常の形式でエンジンブロック１２内でクランク軸２
４の端部に隣接して配置することもでき、また、多くのエンジンへにおいて、ク
ランク軸軸線を中心とするエンジンブロック１２に対する回転を可能にする軸受
支持体をクランク軸２４に対して与えるように、隣接するシリンダ１４間でクラ
ンク軸の長さに沿って間隔を置いて、多層すべり軸受２６を配置することもでき
る。本発明の狙いとしては、多層すべり軸受２６は、一般にジャーナル軸受また
はスリーブ軸受と呼ばれるものであり、図示例の場合はクランク軸軸受であるが
、連接棒軸受や主軸受をも包含してよく、同様に、多層すべり軸受が作動系の回
転可能な構成部材の軸受に使用されるその他の高い動荷重用としても用いられる
。また、多層軸受という用語は、またその範囲に多層ブッシュを含むものとも理
解される。

【０００９】 図２、図３を見ると、本発明の多層すべり軸受２６は、剛性の大きな支持裏金
３６と、裏金３６上に形成された軸受金属材料製ライナー３８とを含み、これら
が一体として、多層すべり軸受２６の基礎となるライニング基材４０を形成する
。裏金３６は、好ましくは、アーチ形の半円形帯鋼を包含し、相手の凹状支持構
造物内に着座するようになされた凸形外表面４１と、反対側の凹形内表面４２と
を含む。ライナー３８は、在来組成の銅−鉛合金またはアルミニウム合金で形成
することができ、該合金は、鋳造または他の方法で、周知の手法に従って裏金３
６の内表面上に形成することができる。ライニング基材４０は、ニッケルまたは
銅から成る薄いバリアー層（障壁層）または薄いバリアー膜（すなわち、厚さ約
１〜２μｍ）をも含む。この薄いバリアー層または薄いバリアー膜が従来の手法
でライナー３８上に電気めっきされ、後述する表面めっき用の移動防止層または
接合層として働く。

【００１０】 ライニング基材４０に関して、これまで説明した構成は従来のものである。本
発明が従来の手法と異なる点は、ライニング基材４０の形成に続いて、ライニン
グ基材４０上に合計厚さ約１５μｍの表面側多層めっき４６が形成される点であ
る。対照的に、従来の高荷重エンジン軸受の表層めっきは、通常、厚さ約２５μ
ｍの単一層である鉛−錫−銅合金層で形成されている。 図３に最もよく示されるように、本発明の表面側多層めっき４６は、鉛−錫−
銅合金から成る下張り層４８と錫上張り層５０を包含する。下張り層４８は、従
来の単一表層めっきに使用されるものと同じ鉛−錫−銅合金製であるのが好まし
いが、厚さは小さく約１０μｍである。下張り層４８は、従来の手法で層４４上
に電着できる。鉛−錫−銅合金から成る下張り層４８の好ましい組成は、重量百
分率で、錫１０％、銅２％、残部としての鉛を含むが、軸受の上張りとして通常
使用される他の鉛−錫−銅合金を使用してもよく、その場合の組成は、典型例と
して、錫約８〜１６重量％、銅０〜１０重量％（典型的な場合）、残部としての
鉛を含む。

【００１１】 錫から成る上張り層５０は、好ましくは、下張り層４６上に電着された厚さ約
５μｍの純粋な錫であり、これにより厚さ約１５μｍの組合わせ表層めっきが形
成される。錫から成る上張り層５０は、在来の錫めっき装置を用いて形成できる
。錫上張り層５０は、２１５アンペア／ｍ²（２０アンペア／平方フィート）を
超える電流密度、好ましくは約５３７．５アンペア（５０アンペア／平方フィー
ト）を超える電流密度で、フッ化ホウ素酸塩電解めっき液によってめっきされる
。本発明の多層すべり軸受２６に関して図４のグラフに示した成績に一致する結
果は、電流密度約８０６アンペア／ｍ²（７５アンペア／平方フィート）で、フ
ッ化ホウ素酸塩電解めっき浴によって、錫上張り層５０をめっきすることで得ら
れる。

【００１２】 本発明による多層軸受２６の製造方法では、従来方式により、裏金３６の内表
面４２に金属ライナー３８を接合し、次いで、表面側多層めっき４６の被着準備
のために、金属ライナー３８をバリアー層４４でめっきすることにより、ライニ
ング基材４０が用意される。表面側多層めっき４６は、まずバリアー層４４上に
鉛−錫−銅合金から成る下張り層を厚さ約１０μｍに電着し、次いで、下張り層
４８上に錫から成る上張り層５０を厚さ約５μｍに電着することで得られる。最
終段階として、軸受表面４１に、厚さ約１μｍ以下の錫フラッシュめっき薄層５
２が被着される。鉛−錫フラッシュめっき層を用いてもよい。フラッシュめっき
層５２は、鋼製裏金３６の露出した外表面４１と側辺を覆うことで、裏金３６の
腐食を防止し、裏金３６に光輝ある魅力的な外観を与えるが、この外観は、本発
明の錫上張り層５０の外観と同じであるのが好ましい。

【００１３】 本発明により製造された軸受２６を、エンジンに適用して、極めて高い動荷重
の生じる環境の代表的条件下で試験した。他の軸受を、比較のために等しい条件
下で試験した。その結果が図４に示されている。各軸受は、等しいライニング基
材構成を有し、表層めっきの組成と厚さだけが異なっていた。Ｂ−１は、厚さ１
５μｍの表面側多層めっき４６を有する本発明軸受２６を示す。Ｂ−２は、厚さ
２５μｍの従来の鉛−錫−銅合金（すなわち、ＰｂＳｎ₁₀Ｃｕ₂）単一層として
表層めっきを有する在来のエンジン軸受である。Ｂ−３は、Ｂ−２軸受と類似す
るエンジン軸受であるが、１５μｍの表層めっきのみで形成されている。最後に
Ｂ−４は、厚さ１５μｍの純粋な錫から成る表層めっきを有するエンジン軸受を
である。

【００１４】 採用した試験装置は、図１に符号１０で示した大容量ディーゼル機関（すなわ
ち、７．２リッター Ｉ６ ２７５ＨＰ）に動力計を接続したものである。試験
軸受は連接棒軸受であり、それぞれが従来手法でエンジンの連接棒とクランク軸
の間に組み込まれた。エンジンは、約７０Ｍｐａの単位荷重（実測値６８．６Ｍ
ｐａ）が軸受に加わる条件下で運転された。各試験の持続時間は約７５時間であ
り、この時間は、軸受に対する約４．９５×１０⁶の荷重サイクルに等しい。 図４に示した結果から、本発明軸受Ｂ−１が、従来軸受Ｂ−２よりも明らかに
高性能であることが判るだろう。試験に続く精密な目視検査で、軸受Ｂ−１の軸
受表面には疲労割れの可視兆候が認められなかったのに対し、軸受Ｂ−２には、
軸受表面積の約３０％に疲労割れが認められた。

【００１５】 比較のために、軸受Ｂ−３を用意して試験したが、表層めっきの厚さを２５μ
ｍから１５μｍに減少させたことで予想されるように、軸受Ｂ−３の疲労抵抗性
能にかなりの改善が見られた（疲労面積約１５％）。しかし、驚くべきは、同じ
１５μｍ厚のオーバーめっき層を有する軸受Ｂ−1の表面側多層めっきは、軸受
Ｂ−３をも遥かに凌ぐ高性能を有しており、このことは、軸受Ｂ−１により得ら
れた結果が、単なる表層めっきの厚さ以上のものに起因していることを示してい
る。 軸受Ｂ−４もまた、軸受Ｂ−１の結果との比較のために用意して試験したが、
軸受Ｂ−３同様、等厚の軸受Ｂ−１の表面側多層めっき４６を遥かに超える疲労
割れを示した（疲労面積約１０％）。したがって、この結果は、本発明軸受Ｂ−
１の無疲労性能が、複数の表層めっき材料とそれらの相対厚さとの特別な組み合
わせに起因することを示している。 さらに驚くべきは、本発明軸受Ｂ−１の疲労抵抗の著しい改善が、エンジン軸
受の他の重要な特性、すなわち、なじみ性、埋収性、耐摩耗性、耐焼付き性を犠
牲にすることなしに達成された点である。なじみ性や埋収性を含めて、全ての特
性が許容限度内にあることが判った。

【００１６】 以上、本発明を特別な具体例について説明したが、使用した用語は、説明を意
図したものであって限定を意図したものではない。例えば、表面側多層めっき４
６の下張り層と上張り層４８，５０について示した厚さは、標準的な製造限界内
での公称厚さまたは平均厚さと考えねばならないこと、また或る場合には、表層
めっき４６を、軸受４６の或る領域では大きな厚さとし、他の領域では薄い厚さ
にしてもよいことが判るだろう。したがって、１５μｍよりも幾分大きな厚さ、
または薄い厚さを有する表面側多層めっき、および、同じく、それぞれ１０μｍ
、５μｍよりも幾分大きな厚さ、または薄い厚さを有する銅合金下張り層４８と
錫上張り層５０は、同等または類似の結果が得られるのであれば、本発明の精神
の枠内で、等価の構造であると考える。 前記説明に照らし、本発明は、多くの変形形態が可能である。したがって、特
許請求の範囲の記載の枠内で、本発明は、具体的に説明したこととは別の形態で
実施可能である。また、特許請求の範囲における括弧付きの符号は、便宜上のも
のであり、何ら限定的なものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 現時点で好適な本発明の具体例としての軸受によって支承された回転可能な部
材を有する内燃機関の部分断面図。

【図２】 本発明による軸受の拡大斜視図。

【図３】 概ね図２の３−３線に沿って截断した部分断面図。

【図４】 異なる表層めっきを有する軸受について、耐疲労性能を、表層めっきの厚さの
関数として示したグラフ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダガン、ダニエル、イー アメリカ合衆国 ミシガン、ロチェスタ ー、デイキシアナ コート 4121 Ｆターム(参考） 3J011 AA20 DA02 QA01 SB03 SB05 3J033 AA05 AC01 GA07 GA20

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 剛性の大きな裏金（３６）と、該裏金（３６）上に形成され
   た軸受金属ライナー（３８）とを含むライニング基材（４０）を有する多層すべ
   り軸受において、 予め定められた厚さ約１０μｍの鉛−錫−銅合金下張り層（４８）と、予め定
   められた厚さ約５μｍの錫機能上張り層（５０）とを含む、前記ライニング基材
   （４０）上に形成された表面側多層めっき（４６）によって特徴づけられる多層
   すべり軸受。
2. 【請求項２】 更に、実質的に純粋な錫を包含する前記錫上張り機能層によ
   って特徴づけられる請求項１に記載された多層すべり軸受。
3. 【請求項３】 更に、約２１５アンペア／ｍ²（２０アンペア／平方フィー
   ト）を超える電流密度で、フッ化ホウ素酸塩電解液によってめっきされた電着錫
   層（５０）を包含する前記錫上張り機能層（５０）によって特徴づけられる請求
   項２に記載された多層すべり軸受。
4. 【請求項４】 更に、フッ化ホウ素酸塩電解液によって、電流密度約８０６
   アンペア／ｍ²（７５アンペア／平方フィート）でめっきされた電着錫層（５０
   ）を包含する前記錫上張り機能層（５０）によって特徴づけられる請求項２に記
   載された多層すべり軸受。
5. 【請求項５】 更に、錫約８〜１６重量％、銅約０〜１０重量％および残部
   としての鉛を含む前記下張り層（４８）の鉛−錫−銅合金によって特徴づけられ
   る請求項１に記載された多層すべり軸受。
6. 【請求項６】 更に、錫約１０重量％、銅約２重量％および残部としての鉛
   を含む前記下張り層（４８）の前記鉛−錫−銅合金によって特徴づけられる請求
   項１に記載された多層すべり軸受。
7. 【請求項７】 更に、実質的に銅−鉛合金から成る材料群とアルミニウム合
   金のうちから選択された材料から成る前記軸受金属ライナー（３８）によって特
   徴づけられる請求項１に記載された多層すべり軸受。
8. 【請求項８】 更に、前記軸受金属ライナー（３８）と前記表面側多層めっ
   き層（４６）との間に介挿された金属層（４４）を含む前記ライニング基材（３
   ６）によって特徴づけられる請求項１に記載された多層すべり軸受。
9. 【請求項９】 更に、実質的にニッケルおよび銅から成る群から選択された
   材料から成る前記金属層（４４）によって特徴づけられる請求項８に記載された
   多層すべり軸受。
10. 【請求項１０】 更に、前記錫上張り機能層（５０）の厚さを実質的に下回
    る予め定められた厚さで、前記軸受の少なくとも前記裏金（３６）に被着された
    フラッシュめっき層（５２）を有することによって特徴づけられる請求項１に記
    載された多層すべり軸受。
11. 【請求項１１】 鋼製裏金（３６）と、該裏金（３６）上に形成された銅−
    鉛軸受金属ライナー（３８）と、前記軸受金属ライナー（３８）上に形成された
    ニッケル製拡散防止層（４４）とを有するライニング基材（４０）を含むエンジ
    ン用多層すべり軸受において、 前記拡散防止層（４４）に被着され、予め定められた厚さ約１０μｍの鉛−錫
    −銅合金下張り層（４８）と、予め定められた厚さ約５μｍの錫上張り層（５０
    ）とを含む表面側多層めっき（４６）を特徴とするエンジン用多層すべり軸受。
12. 【請求項１２】 少なくとも１つの回転可能な構成部材（２４）と、 該回転可能な構成部材を支持する少なくとも１つのすべり軸受（２６）とを有
    し、前記すべり軸受（２６）が、剛性の大きな裏金（３６）と、前記裏金（３６
    ）上に形成された軸受材料ライナー（３８）とを有するライニング基材（４０）
    を含む構成の内燃機関組立体において、 前記ライニング基材（４０）上に形成され、予め定められた厚さ約１０μｍの
    鉛−錫−銅合金下張り層（４８）と、予め定められた厚さ約５μｍの錫上張り層
    （５０）とを含む表面側多層めっき（４６）を特徴とする内燃機関組立体。
13. 【請求項１３】 剛性の大きな裏金（３６）を用意する段階と、前記裏金（
    ３６）上に軸受金属材料製ライナー（３８）を形成する段階とを含む、ライニン
    グ基材（４０）を用意する段階を含む、エンジン用多層すべり軸受の製造方法に
    おいて、 予め定められた厚さ約１０μｍを有する鉛−錫−銅合金下張り層（４８）を形
    成する段階と、予め定められた厚さ約５μｍを有する錫上張り機能層（５０）を
    下張り層（４８）上に形成する段階とを含む、ライニング基材（４０）上に表面
    側多層めっき（４６）を形成する段階によって特徴づけられるエンジン用多層す
    べり軸受の製造方法。
14. 【請求項１４】 更に、フッ化ホウ素酸塩電解めっき浴によって、約２１５
    アンペア／ｍ²（２０アンペア／平方フィート）を超える電流密度で錫上張り機
    能層（５０）を電着させることにより、錫上張り機能層（５０）を形成する段階
    によって特徴づけられる請求項１３に記載されたエンジン用多層すべり軸受の製
    造方法。
15. 【請求項１５】 更に、フッ化ホウ素酸塩電解めっき浴によって、約８０６
    アンペア／ｍ²（７５アンペア／平方フィート）の電流密度で錫上張り機能層（
    ５０）を電着することにより、錫上張り機能層（５０）を形成する段階によって
    特徴づけられる請求項１３に記載されたエンジン用多層すべり軸受の製造方法。
16. 【請求項１６】 更に、少なくとも裏金（３６）に、錫上張り機能層（５０
    ）の厚さを実質的に下回る予め定められた厚さを有するフラッシュめっき層（５
    ２）を形成する段階によって特徴づけられる請求項１３に記載されたエンジン用
    多層すべり軸受の製造方法。