JP5099528B2 - 滑り軸受 - Google Patents

Description

本発明は、鋼製支持殻、及び支持殻上に設けられかつ銅を基本成分とし主合金元素として錫及び亜鉛を含む鉛なし軸受金属層を有する滑り軸受に関する。

鋼を基本成分とし主合金元素として錫及び亜鉛を含む滑り軸受材料は以前から公知であるが、内燃機関の動力伝達系用の流体力学的軸受に使用するため、これらの軸受材料に、摩擦特性を改善するために比較的大きい成分の鉛を添加せねばならなかった。それにもかかわらずこれらの公知の滑り軸受材料を持つ軸受は、鋼製支持殻上に設けられる軸受金属層が特別な滑り特性を持つ運転層で覆われる場合にのみ、課された要求を満たす。なぜならば、大きい鉛含有量は焼付き傾向に対する充分な安全性を保証するが、必要な滑り性能を保証しないからである。

しかし鉛青銅の毒性は、このような軸受材料の使用にますます反対している。銅を基本成分とし主合金元素として錫及び亜鉛を含む鉛なし滑り軸受材料により鉛青銅を代える試みは、使用軸受材料の損なわれる摩擦適性を常に伴った。例えば少なくとも２１．３重量％の亜鉛及び最大でも３．５重量％の錫を含む黄銅合金の滑り特性を、マグネシウム、鉄又はコバルト、ニッケル及びマンガン又は珪素の添加により改善することが提案されたが（ドイツ連邦共和国特許第１０３０８７７９号明細書）、充分な成果はなかった。少なくとも８．５重量％の亜鉛及び１〜５重量％の珪素を主合金元素として含み（ドイツ連邦共和国特許第１０３０８７７８号明細書）、また最大でも２重量％の錫及び鉄又はコバルトの僅かな成分を含む別の公知の鉛なし合金では、同様に不充分な滑り特性が生じる。最後に例えば６重量％までの錫含有量を持つ銅合金では、０．５〜２重量％の程度のビスマスの添加により、鉛の添加が回避されると（欧州特許第０４５７４７８号明細書）、摩擦特性を改善できるが、同時に機械的強度特性値が低下し、それによりこの軸受材料は、高出力内燃機関の動力伝達系用軸受における使用には不適当である。従って今まで鉛を多く含む青銅を基本成分とする軸受材料のみが、軸受の要求を満たすことができた。しかし最近の内燃機関の上昇する点火圧力は、このような鉛青銅も鉛成分のためその機械的負荷限界に突き当たることを示している。更に侵食性潤滑剤に対する充分な耐食性が保証され、良好な冷間変形性が考慮されねばならないので、鉛青銅も軸受材料の負荷可能性に対して増大する要求をもはや満たすことができない。

従って本発明の基礎になっている課題は、良好な耐食性、大きい靭性における大きい強度、潤滑剤の汚れ及び焼付きに対する改善された特性を示す、銅を基本成分とする鉛なし軸受金属層を持つ最初にあげた種類の滑り軸受を提供することである。

本発明は、軸受金属層が、２．５〜１１重量％の錫成分、０．５〜５重量％の亜鉛成分、合わせて少なくとも０．０１重量％のジルコニウム及びチタンの成分、及び少なくとも０．０３重量％の燐の成分を持ち、ジルコニウム、チタン及び燐の成分の和が最大でも０．２５重量％になり、錫成分及び亜鉛成分の和が３〜１３重量％であることによって、与えられた課題を解決する。

驚くべきことに、提案された組成により、軸受金属層の焼付き傾向を大規模に改善できることがわかった。一層少ない焼付き傾向は、主としてα青銅から成る基質及び結晶粒界に微細に分布したα−δ共析に帰せられることが前提とされ、元素であるチタン及びジルコニウムが燐の添加により旱すぎる酸化に対して保護される時にのみ、チタン及びジルコニウムがα−δ共析の細かさに著しい影響を及ぼす。軸受金属層の焼付き特性の著しい改善は、合わせて０．０１重量％のジルコニウム及びチタンの成分において既に行われる。そのための前提条件は、酸化に対する適当な保護であり、この保護は０．０３重量％の燐の最小成分を必要とする。ジルコニウム及びチタンの大きすぎる成分が選ばれると、これらの元素は基質を脆くするように作用し、それにより軸受金属層の変形性が許容できないほど限定される。軸受材料の延性及び疲労強度を危うくしないようにするため、過度の燐成分も回避すべきである。ジルコニウム、チタン及び燐の成分の和が最大でも０．２５重量％であると、要求に応じる延性が保障される。燐成分の上限が０．０８重量％であると有利である。

錫及び亜鉛の上述した成分範囲により、軸受金属層の滑り特性及び軸受の機械的負荷可能性に対する要求がよく満たされる。錫成分を最大でも１１重量％に限定すると、許容できない硬化効果はまだ起こらない。更に脆化を生じる組成もまだ予想されない。亜鉛は、そうでない場合使用される大きい燐成分に対する適当な代わりであり、この大きい燐成分は、鉄−燐の金属間化合物を形成するため、軸受金属層と鋼製支持殻との結合に対して不利な影響を及ぼすことがある。軸受金属層の合金は鋳造技術的及び焼結技術的によく意のままになるので、鋼上への鋳造及び焼結による被せがねに有利に適している。

亜鉛の添加は更に合金製造の溶融相における酸化に対する保護を改善し、摩擦にとって有利なα−δ共析の形成を助長する。軸受金属層にある亜鉛の利点を利用するため、０．５重量％の最小含有量が必要である。しかし耐食性を危うくしないために、亜鉛成分は５重量％を超過してはならない。

強度、耐熱性及び耐食性に対するニッケル、マンガン、アルミニウム、銀、鉄、砒素、アンチモン、マグネシウム及びコバルトの既知の効果のため、軸受金属層がこれらの元素の少なくとも１つを含むことができ、これらの元素の個別成分が最大でも２．５重量％、この群の使用される元素の合計成分が最大でも１１重量％なるべく最大でも９．５重量％であるようにする。なぜならば、そうしないと軸受金属層の必要な特性が得られないからである。これに関連して考慮すべきことは、α青銅の形の基質の形成を妨げないために、例えば大きすぎる亜鉛成分によりこれらの元素の溶解度を妨げてはならないことである。元素群の使用される元素の個別成分が最大でも０．５重量％なるべく最大でも０．０５重量％であると、一般に特に有利な状態が生じる。

焼付き傾向を更に少なくするため、軸受金属層が最大でも２重量％までのビスマス成分を持っている。２重量％以下のビスマス成分で、要求される強度値を保つことができる。しかしもっと大きいビスマス成分は基質を弱めることになる。ビスマスにより生じる一層小さい耐食性は、一層深い所にある基質範囲における腐食が活動的になるようにする。

焼付き抵抗を求めるため、４８．０ｍｍの直径、２１．０ｍｍの幅及び１．４％の軸受遊隙を持つ試料軸受が、５０００ｒ．ｐ．ｍ．の回転数、及び０．７ｂａｒの圧力及び１２０℃の油供給温度で１．１ｌ／ｍｉｎの油割合において、すべて１．７５分段階的に焼付くまで高められる静的荷重を受け、すりつぶし荷重が測定された。銅を基本成分とし主合金元素として錫を含む公知の鉛なし軸受金属合金では、すりつぶし荷重に対して例えば２０ＭＰａの平均焼付き抵抗及び２．１０^６荷重変化における例えば１５０ＭＰａの疲れ強度のために必要な最小値のせいぜい１つが得られるが、本発明による滑り軸受によりこれらの最小値は直ちに保証される。銅を基本成分とし３重量％の錫、１重量％の亜鉛、及びジルコニウム、チタン及び燐の０．０８重量％の合計成分を含む軸受金属合金において、１重量％のニッケル成分及び０．３重量％のアルミニウム成分で、２４ＭＰａのすりつぶし荷重及び１５２ＭＰａの曲げ疲れ強度が測定された。錫成分が４重量％に、ジルコニウム、チタン及び燐の合計成分が０．０９重量％に高められると、ニッケル及びアルミニウムの添加なしに、すりつぶし荷重は２４ＭＰａ、曲げ疲れ強度は１５４ＭＰａであった。ジルコニウム、チタン及び燐の合計成分が０．１２重量％に増大され、０．０５重量％のコバルト及び０．０５重量％のマグネシウムが添加されると、すりつぶし荷重が２８ＭＰａに、曲げ疲れ強度が１６４ＭＰａに増大された。銅を基本成分とし４重量％の錫、１重量％の亜鉛、及びジルコニウム、チタン及び燐の０．１１重量％の合計成分を含む軸受金属層では、圧延被せがねにより鋼製支持殻上に設ける際，２６ＭＰａのすりつぶし荷重及び１６３ＭＰａの曲げ疲れ強度が得られた。同じであるが注ぎかけられる軸受金属合金により、２４ＭＰａの摩擦荷重及び１５６ＭＰａの曲げ疲れ強度が得られた。錫成分を更に高めることにより、すりつぶし荷重及び曲げ疲れ強度に対するこれらの値も増大する。５重量％の錫成分により、１重量％の変らない亜鉛成分、及びジルコニウム、チタン及び燐の０．１０重量％の合計成分により、０．２重量％の鉄および０．１重量％のマンガンの付加成分において、３４ＭＰａのすりつぶし荷重及び１６８ＭＰａの曲げ疲れ強度が得られた。鉄およびマンガンのこれらの付加元素がないと、すりつぶし荷重は３５ＭＰａ、曲げ疲れ強度は１６３ＭＰａであった。錫成分を８重量％に、またジルコニウム、チタン及び燐の合計成分を０．１７重量％に更に高めると、不変な亜鉛成分及び０．２重量％のマンガン、０．１重量％のコバルト及び１重量％のニッケルの付加成分において、３７ＭＰａのすりつぶし荷重及び１７３ＭＰａの曲げ疲れ強度が得られた。

Claims (5)

1. 鋼製支持殻、及び支持殻上に設けられかつ銅を基本成分とし主合金元素として錫及び亜鉛を含む鉛なし軸受金属層を有する滑り軸受において、軸受金属層が、２．５〜１１重量％の錫成分、０．５〜５重量％の亜鉛成分、合わせて少なくとも０．０１重量％のジルコニウム及びチタンの成分、及び少なくとも０．０３重量％の燐の成分を持ち、ジルコニウム、チタン及び燐の成分の和が最大でも０．２５重量％になり、錫成分及び亜鉛成分の和が３〜１３重量％であることを特徴とする、滑り軸受。
2. 燐成分の上限が０．０８重量％であることを特徴とする、請求項１に記載の滑り軸受。
3. 軸受金属層が、ニッケル、マンガン、アルミニウム、銀、鉄、砒素、アンチモン及びコバルトを含む元素群から少なくとも１つの付加的な元素を持ち、これらの元素の個別成分が最大でも２．５重量％、この群の使用される元素の合計成分が最大でも１１重量％なるべく最大でも９．５重量％であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の滑り軸受。
4. 元素群の使用される元素の個別成分が最大でも０．５重量％なるべく最大でも０．０５重量％であることを特徴とする、請求項３に記載の滑り軸受。
5. 軸受金属層が最大でも２重量％までのビスマス成分を持っていることを特徴とする、請求項１〜３の１つに記載の滑り軸受。