JP3507388B2 - 銅系摺動材料 - Google Patents

銅系摺動材料

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は銅系合金からなる摺
動材料に係り、特に耐疲労性、非焼付性を改善したもの
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。ケルメット軸受は、銅鉛
系焼結合金を鋼製の裏金上に被着し、更に銅鉛系焼結合
金の表面にオーバレイ層を設けて自動車用エンジンなど
のすべり軸受として用いられる。このケルメット軸受で
は、オーバレイ層が摩耗しても、下地である銅鉛系焼結
合金中のＰｂが摺動面に供給されるので、良好なる非焼
付性を呈する。
【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、Ｐｂを多く含有（約２０重量
％）させることによって非焼付性を向上させるようにし
ている。しかしながら、Ｐｂは環境に悪影響を及ぼすた
め、できるだけ含有量を少なくすることが好ましいが、
Ｐｂは上述のような作用を呈するため、その含有量を少
なくすると、非焼付性が低下してしまう。
【０００４】また、最近の自動車用エンジンでは、高回
転、高出力化により軸受の温度や面圧が高くなる傾向に
ある。ところが、従来のケルメット軸受では、軟質で低
融点であるＰｂの含有量が約２０重量％と多いため、強
度が低く、特に高面圧下では耐疲労性に劣り、また、高
温に晒されたＰｂが相手軸の摺動により過度に流出して
良好なる非焼付性を維持できなくなるという問題を生ず
る。
【０００５】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、Ｐｂの含有量を減少させながら高い非
焼付性を得ることができ、しかも、高温、高面圧下にお
いても良好なる非焼付性および耐疲労性を呈する銅系摺
動材料およびすべり軸受を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明者は銅系摺動材料
において、Ｐｂ相やＢｉ相の周りに金属間化合物が当該
Ｐｂ相やＢｉ相に接して存在する組織にすると、軸受特
性、特に非焼付性および耐疲労性が向上することを見出
した。即ち、Ｐｂ相やＢｉ相は軟質であるから、優れた
異物埋収性、非凝着性を呈し、また、金属間化合物はマ
トリックスよりも硬質であるため、耐摩耗性が向上す
る。そして、Ｐｂ相やＢｉ相に接して硬質な金属間化合
物が存在する形態になると、摺動材料の表面（軸受面）
では、荷重を受けて、或いは摺動摩耗によって図２に示
すように、硬質の金属間化合物８が凸、軟質のＰｂ相や
Ｂｉ相７およびマトリックス６が凹の状態となり、その
凹部分に潤滑油が保持されるので、非焼付性が向上す
る。しかも、Ｐｂ相やＢｉ相に接して金属間化合物が存
在すると、低融点金属であるＰｂやＢｉの過度の流出が
金属間化合物によって阻止され、高温下における非焼付
性が向上する。また、従来のケルメット軸受と同等以上
の非焼付性を少ないＰｂやＢｉで実現できるため、ケル
メット軸受に比べて耐疲労性に優れる。更に、軟質であ
るＰｂ相やＢｉ相は繰り返し荷重によって疲労の起点と
なり、銅系摺動材料の疲労強度が低下するという事情が
あるが、Ｐｂ相やＢｉ相が起点となって生じたき裂がマ
トリックスへ広がることを硬質の金属間化合物により防
止され、その結果、疲労強度が更に向上する。
【０００７】 以上のことから、請求項１記載の発明に
よれば、銅系摺動材料がＰｂおよび／またはＢｉを総量
で１〜１０重量％含有し、そのＰｂ相および／またはＢ
ｉ相の周りに金属間化合物が当該Ｐｂ相および／または
Ｂｉ相に接して存在する構成としたので、優れた異物埋
収性、非凝着性を呈すると共に、ＰｂやＢｉの含有量を
多くしなくとも優れた非焼付性を得ることができる上、
耐摩耗性および耐疲労性を高めることができる。しか
も、銅系摺動材料の硬さをビッカース硬度で１００以上
としたので、摺動材料の負荷能力が高まり、高面圧下に
おける耐疲労性が向上する。
【０００８】 しかも、銅系摺動材料を銅系焼結合金
により形成し、その銅系焼結合金の組成を、０．５〜１
５重量％のＳｎ、０．５〜１０重量％Ｎｉおよび０．１
〜１０重量％のＡｇのいずれか一方または両方を総量で
０．１〜１０重量％、ＰｂおよびＢｉのうちのいずれか
一方または両方を総量で１〜１０重量％、残部が実質的
にＣｕとしたので、焼結時に、その高温雰囲気によりＰ
ｂやＢｉが溶融して液相が発生することによって、液相
の触媒効果により、液相周辺のマトリックス成分の拡散
が促進され、Ｐｂ相やＢｉ相とマトリックスとの境界に
おいて金属間化合物が生成し、Ｐｂ相またはＢｉ相の周
りに金属間化合物が当該Ｐｂ相またはＢｉ相に接して存
在する組織を形成することができる。
【０００９】 ここで、各成分元素を上記のように限定
した理由とその作用効果を説明する。 （ａ）Ｓｎ（０．５〜１５重量％） Ｓｎはマトリックスを強化し、耐疲労性を向上させる。
また、軟質相であるＰｂ相、或いはＢｉ相の周りでマト
リックス中のＮｉ、Ａｇと反応して金属間化合物を生成
する。その添加量が０．５重量％未満では、マトリック
スを強化する効果が得られず、また１５重量％を越える
と、Ｃｕ−Ｓｎ系化合物が過度に生成されて脆くなる。
Ｓｎの好ましい含有量は１〜１１重量％である。
【００１０】（ｂ）０．５〜１０重量％のＮｉおよび／
または０．１〜１０重量％のＡｇ（総量で０．１〜１０
重量％） ＮｉやＡｇはＮｉ−Ｓｎ系、Ａｇ−Ｓｎ系などの金属間
化合物を生成し、マトリックスを強化させ、耐疲労性を
向上させる。０．５重量％未満のＮｉではＮｉ−Ｓｎが
生成されず、０．１重量％未満のＡｇではＡｇ−Ｓｎが
生成されない。また、Ｎｉおよび／またはＡｇが総量で
１０重量％を越えると、マトリックスが硬くなり過ぎ、
摺動材料として好ましくない。
【００１１】（ｃ）Ｐｂおよび／またはＢｉ（総量で１
〜１０重量％） 焼結中にＰｂ、Ｂｉの液相を生成して焼結を促進させ
る。このＰｂ、Ｂｉの液相はマトリックス中に分散した
軟質相を生成し、異物埋収性、非焼付性を向上させる。
Ｐｂおよび／またはＢｉが総量で１重量％未満では異物
埋収性、非焼付性の向上効果が認められず、１０重量％
を越えると強度が低下し、疲労強度が低下する。
【００１２】 請求項２記載の発明によれば、摺動材料
が総量で４０重量％以下のＦｅ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃ
ｏ、Ｐのうちから選択された１種または２種以上を付加
するので、マトリックスが強化され、耐疲労性が向上す
る。しかしながら、それらが総量で４０重量％を越える
と、マトリックスの硬度が高くなり過ぎてなじみ性を損
ない、摺動材料として好ましくない。
【００１３】 請求項３の発明によれば、以上のような
銅系摺動材料を裏金上に被着するので、高回転、高出力
の自動車用エンジンのすべり軸受として使用することが
でき、その過酷な使用条件下において良好なる非焼付
性、耐疲労性、耐荷重性を呈する。請求項４の発明によ
れば、銅系摺動材料の表面に金属および／または樹脂か
らなるオーバレイ層を設けたので、初期なじみ性、異物
埋収性、非焼付性に優れた摺動材料とすることができ
る。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を自動車
用エンジンの軸受に適用して図面を参照しながら説明す
る。図３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上に銅メッキ層からなる接着
層３を介して本発明に係る銅系摺動材料（軸受合金）４
を被着し、更にその銅系摺動材料４の表面に軟質金属や
樹脂などのオーバレイ層５を設けてなる。
【００１５】上記銅系摺動材料４は銅系焼結合金からな
るもので、０．５〜１５重量％のＳｎ、０．５〜１０重
量％Ｎｉおよび０．１〜１０重量％のＡｇのいずれか一
方または両方を総量で０．１〜１０重量％、Ｐｂおよび
Ｂｉのうちのいずれか一方または両方を総量で１〜１０
重量％、残部が実質的にＣｕからなる。また、この銅系
摺動材料４には、Ｆｅ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｏ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％
以下含有させることができる。そして、裏金２上に被着
された銅系摺動材料４の表面の硬度は、マイクロビッカ
ース硬さ試験機で測定したビッカース硬度で１００以上
であることが好ましい。
【００１６】ここで軸受１の製法について述べる。ま
ず、Ｓｎ、ＮｉおよびＡｇのいずれか一方または両方、
ＰｂおよびＢｉのうちのいずれか一方または両方、Ｃｕ
の各成分を用いて上記成分組成となるように合金粉末を
製造する。このとき、Ｆｅ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｏ、
Ｐのうちから選択された１種または２種以上の成分を含
有させることができる。この場合、合金粉末の粒径は２
５０μｍ以下であることが好ましい。また、上記粉末は
合金粉末に限られるものではなく、各金属粉末を上記組
成となるように混合した混合粉であっても良い。
【００１７】以上のような合金粉末（銅系摺動材料４）
を、表面に銅メッキ（接着層３）が施された鋼板（裏金
２）上に均一に散布し、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。このロール圧延後に、再度、焼結を行う。これによ
り、鋼板上に銅系摺動材料４を被着したバイメタルが製
造される。
【００１８】 このバイメタルの製造工程中、焼結時に
おいて、ＰｂやＢｉが液相となり、そのＰｂ相やＢｉ相
の周りに当該Ｐｂ相やＢｉ相に接してＮｉ−Ｓｎ系、Ａ
ｇ−Ｓｎ系のような金属間化合物が生成されるようにな
る。そして、Ｐｂ相やＢｉ相の周りにＮｉ−Ｓｎ系、Ａ
ｇ−Ｓｎ系のような金属間化合物を更に多く生成させた
い場合には、第２回目の焼結後に３５０〜５００℃で数
時間の熱処理を行うと良い。その後、硬さがビッカース
硬度で１００に達しない場合には、ビッカース硬度を１
００以上とするために、また更に強度を増して耐疲労性
を向上させたい場合には、最終のロール圧延を行う。
【００１９】上記のようにしてバイメタルを製造した
後、そのバイメタルを所定幅、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の表面を機械加工に
より仕上げ、その後、オーバレイ層５を被着する。以上
により図３に示す半割軸受１が形成される。この軸受１
は２個突き合わされて円筒状に構成され、自動車用エン
ジンのクランク軸を受ける主軸受、コネクティングロッ
ド軸受などに用いられる。なお、以上のようにして製造
された半割軸受１において、裏金２の厚さ１．２ｍｍ、
接着層３の厚さ５μｍ、銅系摺動材料４の厚さ０．３ｍ
ｍ、オーバレイ層５の厚さ１０μｍであった。
【００２０】さて、本発明者は、次の表１に示す組成の
実施例品と比較例品とについて、硬さ試験、焼付試験お
よび疲労試験を行い、硬さ試験の結果は表１に示し、焼
付試験および疲労試験はそれぞれ図４および図５に示し
た。ここで、硬さ試験はビッカース硬さ試験機を用いて
行った。焼付試験は、モータによって駆動される回転軸
を図３と同様の軸受（ただし、銅系摺動材料４の特性を
より顕著に確認するため、オーバレイ層５はない）によ
り支持し、そして最初６０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１段低い軸
受面圧を焼付かない最高面圧とした。焼付試験の他の試
験条件は表２に示した。
【００２１】疲労試験は、銅系摺動材料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５
０ＭＰａから１０ＭＰａずつ増加され、各試験荷重毎に
その試験荷重を５万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もので
ある。
【００２２】
【表１】
【００２３】
【表２】
【００２４】 上記の試験結果を分析する。比較例品１
はＰｂを２３重量％と多量に含有しており、従来のケル
メット軸受に相当する。実施例品１〜８はこの比較例品
１との対比において、非焼付性は同等であり、耐疲労性
においては大幅に向上している。これは、実施例品１〜
８の組織を顕微鏡で拡大して見ると、図１（ａ）に示す
ように、マトリックス６中にＰｂ相やＢｉ相の軟質相７
が微細に分散し、そして図１（ｂ）に示すように、Ｐｂ
相やＢｉ相の軟質相７の周りに当該Ｐｂ相やＢｉ相に接
してＮｉ−Ｓｎ系やＡｇ−Ｓｎ系のような硬質の金属間
化合物８が存在する組織となっているからである。
【００２５】 つまり、Ｐｂの少含有量で優れた非焼付
性を得ることができる理由は、Ｐｂ相やＢｉ相に接して
硬質なＮｉ−Ｓｎ系やＡｇ−Ｓｎ系が存在する実施例品
１〜８では、荷重を受けることにより、或いは摺動摩耗
により、図２に示すように、軟質のＰｂ相やＢｉ相７お
よびマトリックス６が金属間化合物８よりも凹んだ状態
となり、その凹部分に潤滑油が保持されるようになるの
で、非焼付性が向上するものと考えられる。
【００２６】 そして、比較例品１と同等な非焼付性を
Ｐｂ、Ｂｉの少ない含有量で実現できたために耐疲労性
が向上し、更に、疲労発生の起点となるＰｂ相やＢｉ相
に接してマトリックス６よりも硬質なＮｉ−Ｓｎ系やＡ
ｇ−Ｓｎ系が存在しているので、Ｐｂ相やＢｉ相が起点
となって生じたき裂がマトリックス６へ広がることが防
止され、疲労強度が向上するのである。
【００２７】ここで、Ｎｉ、Ａｇ量およびＰｂ、Ｂｉ量
と非焼付性、耐疲労性との関係について見てみる。ま
ず、実施例品３と比較例品４とは、Ｎｉの含有の有無が
相違するだけで、他の成分は同じである。そして、Ｓｎ
と金属間化合物を生成するＮｉおよびＡｇのうちＮｉを
含有する実施例品３は、ＮｉもＡｇも含まない比較例品
４に比べ、耐疲労性および非焼付性において優れてい
る。このことから、Ｎｉ（またはＡｇ）の含有による耐
疲労性および非焼付性の向上効果が理解されるであろ
う。
【００２８】また、実施例品７と比較例品６とは、Ｐｂ
の含有の有無が相違するだけで、他の成分は同じであ
る。ＰｂまたはＢｉのうちＰｂを含む実施例品７はＰｂ
が軟質であることから、ＰｂもＢｉも含まない比較例品
６に比べて耐疲労性において若干劣る。しかしながら、
実施例品７では、少量のＰｂ（３重量％）を添加するだ
けで、非焼付性において比較例品６より格段に優れたも
のとなっている。この非焼付性の改善は、実施例品７で
は、Ａｇを含有していることから、Ａｇ−Ｓｎ系の金属
間化合物とＰｂとの相乗効果によるものと考えられる。
【００２９】次に、Ｂｉ（またはＰｂ）の含有量につい
て見てみる。実施例品５と比較例品５とは、Ｂｉの含有
量が異なるだけで、他の成分は同じである。そして、Ｂ
ｉの含有量が多い（１２重量％）比較例品５では、非焼
付性はほぼ同等であるのに対し、耐疲労性において実施
例品５よりも低くなっている。Ｂｉおよび／またはＰｂ
は、総量で１０重量％以上添加しても、非焼付性の向上
は期待できず、耐疲労性が低下するのみである。以上の
ように、Ｐｂおよび／またはＢｉの多過ぎる含有は耐疲
労性に悪影響を及ぼすが、本発明において開示した適度
な含有は非焼付性、耐疲労性を向上させるものである。
【００３０】一方、摺動材料４の硬さについて考察して
見る。実施例品１、２と比較例品２、３とは、成分は同
じで摺動材料４の硬さだけが異なる。実施例品１、２と
比較例品２、３とは、焼き付かない最高面圧のばらつき
範囲が１０ＭＰａ程度で、ほぼ同等の非焼付性を示して
いると言えるが、耐疲労性において高硬度の実施例品
１、２は低硬度の比較例品２、３よりも格段に優れる。
高面圧条件で使用される場合に良好なる耐疲労性を得る
には、ビッカース硬度で１００以上とすることが必要で
ある。
【００３１】以上のように、本発明によれば、少量のＰ
ｂで、或いはＰｂに代えてＢｉを用いることによって、
非焼付性および耐疲労性に優れた摺動材料を提供できる
ものであり、また、特に高回転化および高出力化の傾向
にある自動車用エンジンの軸受として良好なる軸受性能
を呈するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す摺動材料の組織を示す
もので、（ａ）は２００倍の顕微鏡写真の模式図、
（ｂ）は同２０００倍の模式図
【図２】非焼付性向上の理由を説明するための図
【図３】半割軸受の断面図
【図４】焼付試験の結果を示すグラフ
【図５】疲労試験の結果を示すグラフ
【符号の説明】
図中、１は半割軸受、２は裏金、３は接着層、４は銅系
摺動材料、５はオーバレイ層である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｃ２２Ｃ 9/06 Ｃ２２Ｃ 9/06 Ｆ１６Ｃ 33/12 Ｆ１６Ｃ 33/12 Ａ Ｚ 33/20 33/20 Ｚ (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 (56)参考文献 特開 平11−293305（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−253826（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−26341（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−247732（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−293368（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−30137（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−53725（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−46272（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−217637（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C22C 9/02 C22C 9/00 C22C 9/01 C22C 9/04 C22C 9/05 C22C 9/06 F16C 33/12 F16C 33/20

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ０．５〜１５重量％のＳｎ、０．５〜１
    ０重量％Ｎｉおよび０．１〜１０重量％のＡｇのいずれ
    か一方または両方を総量で０．１〜１０重量％、Ｐｂお
    よびＢｉのうちのいずれか一方または両方を総量で１〜
    １０重量％、残部が実質的にＣｕからなる銅系焼結合金
    により形成され、 Ｐｂ相および／またはＢｉ相の周りに金属間化合物が当
    該Ｐｂ相および／またはＢｉ相に接して存在し、 硬さがビッカース硬度で１００以上であることを特徴と
    する銅系摺動材料。
  2. 【請求項２】 Ｆｅ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｐ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
    ％以下付加したことを特徴とする請求項１記載の銅系摺
    動材料。
  3. 【請求項３】 裏金上に被着されていることを特徴とす
    る請求項１または２記載の銅系摺動材料。
  4. 【請求項４】 表面に金属および／または樹脂からなる
    オーバレイ層を設けた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。
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