JP5566394B2 - 軸受材料 - Google Patents

Description

本発明は、特に滑り軸受、例えば内燃機関用軸受ブッシュに適した、銅を基礎とする軸受材料に関する。

機械類、殊に内燃機関における軸受ブッシュの幾つかの用途において、高い温度、高い負荷および摩耗率、および腐蝕に関連して環境は、極めて苛酷であると言える。１つのこのような用途は、例えばハイデューティーディーゼルエンジン（ｈｉｇｈ ｄｕｔｙ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅｓ）のシリンダヘッド中のロック・アーム・ブッシュであることができる。このブッシュは、任意の特殊な用途の正確な利用条件に応じて、劣化の特殊な形状に陥る傾向にある。バルブを作動させるロック・アームをエンジンのシリンダヘッド中で支持するロック・アーム・ブッシュにおいて、一般的な劣化の１つの形は、相対的に極めて高い摩耗率である。ディーゼルエンジンにおける高い摩耗率の問題は、潤滑油に到達する燃焼した燃料に由来する粒子の濃度によって悪化される。ロック・アーム・ブッシュにおける高い摩耗率の問題を克服するために、幾つかのエンジン製造業者は、滑り面上に極めて硬質の被膜を有する軸受ブッシュを使用したが、この軸受ブッシュは、軸受ブッシュそれ自体の摩耗率を減少させる一方で、ロック・アーム・シャフトそれ自体の協働面上で望ましくない摩耗効果を有しうる。更に、このように被覆された軸受ブッシュは、極めて高価な典型的な６気筒１２バルブエンジンであり、これは、１２個の軸受ブッシュを必要とする。

英国特許第２３８４００７号明細書Ａには、粉末を強度な裏層ストリップ、例えば鋼上に燒結させることによって製造された、銅を基礎とする軸受材料を有する多層滑り軸受が記載されている。この材料は、次の成分を質量％で含有することができる組成物を有する：錫１〜１１；燐０．２以下；ニッケルおよび銀の総和１０以下；鉛およびビスマスの総和２５；硬質粒子および高融点粒子の総和１５体積％以下；および／または固体潤滑剤１０体積％まで。硬質粒子および固体潤滑剤は、他の選択可能な添加剤であり、強制的なものではないが、１５体積％までの硬質粒子含量を有する視点によれば、利用する場合に、こうして製造された軸受材料において極めて望ましくない特性をまねくであろう。最初に、このように高い硬質粒子含量は、特につぎのことを引き起こすと思われる：エンジン構造に通常使用されている、前記タイプの金属対向面での高い摩耗率；延性が不足する脆性材料の形成；ならびにプロセスに使用される工場生産工具における高い摩耗率の発生およびこのような組成を有するストリップからの軸受の形成。

米国特許第４９４１９１９号明細書には、銅を基礎とする滑り材料およびその製造法が記載されている。この米国特許明細書において、１〜１０質量％の範囲内の黒鉛と一緒の０．１〜７質量％のアルミナ含量は、銅を基礎とする合金マトリックスにおいて使用されている。しかし、アルミナは、機械的混合手段、ボールミル粉砕によって銅と結合され、この場合、アルミナ粒子および銅粒子は、境界潤滑条件下で銅マトリックスから分離されることからアルミナ粒子を回避させるために、最初に一緒に燒結工程前に結合される。更に、結合された銅およびアルミナ粉末は、結合された銅−アルミナ−黒鉛粉末を支持体上、例えば鋼上に噴霧する前に黒鉛粉末と混合される。この材料の欠点は、次の事実を含む：銅とアルミナの結合工程は、２４時間まで、またはそれ以上を取る可能性があり、それ故に、高価であり；黒鉛は、構造を弱体化し；殊に黒鉛の存在で当該材料を脆化する構造に存在するアルミナが多すぎ、軸受に加工する材料のプロセスに使用される工具に対して極めて高い摩耗率を引き起こす。

本発明の目的は、公知技術水準の材料の欠点の少なくとも幾つかの欠点なしに、高い耐摩耗性および耐焼付性が必要とされる用途のために優れた耐摩耗性を有する経済的な材料を提供することである。

本発明の第１の視点によれば、質量％で：錫４〜１２；ニッケル０．１〜２；ビスマス１〜６；アルミナ０．０１以上０．１０未満；残分 付随する不純物は除き銅を含有する軸受材料が提供される。

好ましい組成範囲は、質量％で：錫７〜９；ニッケル０．５〜１．５；ビスマス２〜５；アルミナ０．０３〜０．０７；残分 付随する不純物は除き銅を含有する。

本発明による軸受材料は、鉛不含であるのが好ましい。

本明細書中で、「鉛不含」の用語は、銅を基礎とする合金材料が創成されうる基本溶融貯蔵材料中に誤って存在していてよい任意の不純物は除き、鉛の意図的な添加が存在しないことを意味する。

１つの典型的な組成物は、錫８；ニッケル１；ビスマス３．３；アルミナ０．０５；残分 付随する不純物は除き銅を含有することができる。

本発明の第２の視点によれば、軸受を製造する方法が提供され、この方法は、次の工程：
質量％で錫４〜１２；ニッケル０．１〜２；残分 付随する不純物は除き銅の範囲内にある組成を有する粉末を形成し；
前記銅−錫−ニッケル粉末とビスマス粉末およびアルミナ粉末とを含有する粉末混合物を形成し、質量％で錫４〜１２；ニッケル０．１〜２；ビスマス１〜６；アルミナ０．０１以上０．１未満；残分 付随する不純物は除き銅の範囲内にある全組成物を生じさせ；
この粉末混合物を強度な裏材料上に散布し；
この軸受材料粉末混合物を強度な裏材料に対して燒結し；
この燒結した軸受材料を硬化し；
この硬化した軸受材料を再焼結し；および
再焼結した材料から軸受を形成することを有することを含む。

本発明による軸受材料は、公知の燒結法によって製造されてよい。銅、錫およびニッケル成分を含有する、銅を基礎とする基本合金は、常用の溶融および合金化プロセスによって形成させることができ、こうして形成された溶融合金は、アトマイズされ、必要とされる合金組成の粉末を生じることができる。この粉末は、篩別され、特殊な粉末粒径範囲を有する、予め定められた画分に分割することができる。更に、実際の軸受合金組成の粉末は、アトマイズされた粉末をビスマス粉末およびアルミナ粉末と混合することによって形成されてよい。次に、この混合された粉末は、強度な裏材料のストリップ上に散布され、第１の燒結工程で保護／還元雰囲気下で燒結炉を通過し、粉末粒子が互いに結合され、および強度な裏ストリップに変えることができる。この段階での前記材料は、高度に孔隙を含み、最初に燒結された材料を例えば圧延機に通過させることによって大多数の孔隙を除去するために、銅を基礎とする軸受合金層を圧縮させることが必要とされる。この圧縮工程に続いて、前記材料は、再び第２の燒結工程のために燒結炉に通過させることができ、さらに、銅を基礎とする軸受合金層が圧縮され、ならびに裏ストリップに対する軸受合金層の結合が改善される。

軸受合金層の成分の組成範囲は、次の理由から形成される。

錫
高い強度、耐摩耗性および耐蝕性を有する錫青銅を形成するための銅マトリックスを有する錫合金。錫４質量％の比較的低い限界未満の場合、必要とされる強度および耐久性を成形させるには、強度は不適当であり、一方、１２質量％を上廻る場合には、軸受合金層のマトリックスは、意図される軸受用途のためには硬質すぎるようになり、また、この材料は、高すぎる錫含量で脆性になる傾向がある。

ニッケル
ニッケルは、マトリックスの強度を増加させる有益な効果を有する一方で、軸受合金の耐蝕性を改善する効果も有する。現在のディーゼルエンジン潤滑油は、硫黄を含有し、稼働中にエンジン内で達成される比較的高い温度で、エンジンの周囲に、および例えば、軸受滑り面とシャフト対向面との間の軸受空間内にポンプ輸送される油中で高度に腐蝕性の成分を形成しうる。本発明による合金中のニッケル範囲は、下端で耐蝕性の改善を提供することを意図し、一方、上端では、例えば高すぎる硬さおよび／または脆性に関連して問題を引き起こすほどには高すぎない。

ビスマス
ビスマス含量は、第１の燒結工程で粉末粒子の間に間隙が存在した、銅を基礎とする合金マトリックス中に含有された、実質的に元素状ビスマスとして残留する軟質相である。ビスマスの目的は、著しく改善された耐焼付性を前記材料に備えさせ、また、青銅マトリックスの順応性を改善することである。

好ましくは、初期の粉末混合物に添加した場合に、ビスマス粒子の寸法は、最大６０μｍである。

アルミナ
アルミナは、本発明による軸受材料の耐摩耗性を著しく向上させることが見い出された。３質量％までのアルミナ含量は、試験され、軸受材料に基礎金属合金組成物と比較して著しく改善された耐摩耗性を備えさせることが見い出された。しかし、このようなレベルのアルミナは、幾つかの環境で軸受材料の滑り面が走行する対向面に対して腐蝕性である可能性があり、また、ストリップ材料を軸受に処理するために使用される工具中で高い摩耗率を発生させ、これは、多大な費用および形成される軸受の減少された精度をまねく。

３質量％のアルミナ含量が利用されたが、意外なことに、０．０５質量％およびそれ以下の範囲のアルミナ含量は、３質量％の範囲のアルミナ含量と比較してもっと少ない摩耗率の減少を生じることが見い出された。更に、０．０５以上０．１質量％未満の範囲内の比較的低い含量のアルミナは、公知技術水準の材料の高価で時間の掛かる結合工程を必要としない。それというのも、比較的低いアルミナ含量は、粒子を、銅を基礎とするマトリックスからの分離傾向の状態にしないからである。

粉末混合物は、機械的な合金化法、例えばボールミル粉砕等が必要とされることなく、回転ミキサー中での通常の混合によって形成させることができる。こうして形成された粉末混合物は、常用の粉末散乱ダイによる支持体ストリップ上での散乱、引続くルーズな粉末の燒結および上記したような後加工に完全に適用可能である。

従来、研究技術者らは、アルミナの使用を軸受材料それ自体の摩耗率における固有の改善のための原因であるという見方をしていた。しかし、任意の特殊な理論に結び付けられることは望ましくないが、摩耗率の減少の機構は、若干微妙なものであると考えられている。低いレベルのアルミナは、対向面それ自体を比較的平滑にするジャーナル対向面上で穏和な研磨作用を発揮し、その結果、軸受表面に対してより少なく摩耗性を生じると考えられている。

従って、アルミナ含量は、上記に討論した理由から、０．０１以上０．１質量％未満の範囲内、好ましくは０．０３〜０．０７質量％範囲内であることができる。

アルミナ粉末の形は、好ましくは高い密度、低い多孔度、低い浸透率および高い耐火性の粒子を有する融解アルミナであることができる。粒径は、８〜１９μｍの範囲内にあることができる（５０％値）（３〜３２μｍ ９０％値）が、しかし、比較的好ましくは、粒径範囲は、１１〜１４μｍ（５０％値）（５〜２５μｍ ９０％値）であることができ、５０％および９０％の外延は、粒子の５０％および９０％がそれぞれ規定された範囲内にあることを意味する。本発明による第３の視点によれば、本発明の第１の視点により軸受材料から軸受機能ライニングを形成させる際に、強度な裏材料に結合された軸受が提供される。

強度な裏材料は、当業者に公知であるように任意であることができ、例えば鋼または青銅を含有することができる。

例えば、ロック・アーム用外装ブッシュまたは連接棒小端軸受のような用途に最初に意図されたが、本発明の軸受材料は、例えばクランクシャフトベアリングのための半周軸受に利用されることができるが、しかし、滑り面上に軟質金属被膜を有する半周軸受に利用されることができると考えられる。例えば、錫および錫合金を基礎とするこのような軟質金属被膜は、軸受技術においてよく知られており、通常、上塗り塗装として公知である。このような塗装は、軸受における順応性および汚れ埋め可能性（ｄｉｒｔ ｅｍｂｅｄａｂｉｌｉｔｙ）の必要とされる機能を満たす。

本発明をさらに完全に理解することができるようにするために、図によって本発明をさらに詳説する。

図１の試験装置上で製造された種々の材料に対する潤滑摩耗試験の結果のヒストグラムを示す略図。 公知のサファイアタイプの耐疲労性および耐焼付性を測定する試験装置上で実施された、耐焼付性の試験結果のヒストグラムを示す略図。

鋼裏付け軸受を有する試験材料を、本発明による銅を基礎とする合金のライニングを用いて製造した。また、内燃機関におけるロック・アーム・ブッシュ用途に通常使用されるライニングを有する比較試験材料を、当業界において通常使用されかつよく知られている製造法により製造した。比較試験材料は、次のものを含有していた：
銅−１０錫−１０鉛；および銅−８錫−１ニッケル。

本発明による試験材料を次の方法によって製造した。実質的に球状粒子を有しおよび付随する不純物は除き、質量％でＣｕ−８Ｓｎ−１Ｎｉを有する基準組成を有するアトマイズされた銅−錫−ニッケル粉末を、ビスマス粉末３質量％および融解アルミナ粉末０．０５質量％と回転ミキサー中で混合した。

生じる混合した粉末を適当な厚さの鋼製ストリップの表面上に散布し、最初に第１の燒結工程で誘導燒結により窒素中の水素２２％の雰囲気下で燒結させた。燒結されたバイメタル材料を、４〜１２％（鋼タイプおよび厚さに依存する）に等価の鋼上での延伸率が存在するような程度にサイズロール（ｓｉｚｅ ｒｏｌｌ）処理した。これは、銅を基礎とするベアリング合金材料を硬化し、第１の燒結操作で残留する孔隙を除去するために行なわれた。次に、この材料を常用のガス加熱燒結炉中で８５０℃の温度で窒素中の水素３３％の雰囲気下で第２の燒結工程に掛けた。

生じる軸受材料層の構造は、目立って見える極めて小さな孔隙を有する合金全体に亘って十分に分布したビスマス相を示した。アルミナの極めて低い含量のために、この相の存在は、当該材料の微細部分からは簡単には、見ることができなかった。

摩耗試験が実施され、この摩耗試験は、内燃機関において見い出された軸受ブッシュの用途、例えばロック・アーム・ブッシュおよび小端軸受に適切である耐摩耗性の加速された試験を意図するものであった。摩耗試験は、公知の「Ｖｉｐｅｒ」摩耗試験機中で比較的大きな直径の試験軸受に対して比較的小さな直径の回転する負荷されたシャフトを回転させることによって実施され、こうして潤滑条件下で線状接触を形成する。摩耗率は、ｍｇ／時間で質量損失によって測定され、試験時間は、摩耗率に依存して３０〜４８０分であり、この場合結果は、図１に示されている。

図１のヒストグラムから判断することができるように、本発明による軸受材料を有する軸受からの摩耗した軸受材料の質量（図１中のコード化ＲＢ１１９Ｖ）は、それぞれ同じ試験条件下で２７および３７〜６６ｍｇ／時間の摩耗率が証明された比較材料ＣｕＳｎ１０Ｐｂ１０およびＣｕＳｎ８Ｎｉ１よりも２〜４ｍｇ／時間で極めて少なかった。ビスマスの添加は、耐摩耗性の改善に制限されて貢献しうる一方、改善された耐摩耗性を引き起こす原理であるのは、０．０５質量％の小さなアルミナ添加量であると考えられている。

耐スカッフィング焼付性試験（ｓｃｕｆｆ ｓｅｉｚｕｒｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｅｓｔｓ）を実施するための半周軸受は、公知の「サファイア（Ｓａｐｐｈｉｒｅ）」試験器に適した寸法で製造された。また、比較試験を上記したような銅−８錫−１ニッケル材料について実施した。

図２のヒストグラムに関連して、本発明による軸受材料の全ての耐焼付性は、比較材料の耐焼付性を上廻り著しく改善されている。本発明による軸受材料は、比較軸受材料と比較してビスマス３質量％およびアルミナ０．０５質量％の添加量を有する。耐焼付性の改善は、主に常用の材料についての１０〜６２ＭＰａの範囲と比較して４０〜１１５ＭＰａの焼付荷重範囲（ｓｅｉｚｕｒｅ ｌｏａｄ ｒａｎｇｅ）を生じたビスマス含量に基づくものであると考えられている。

従って、アルミナ含量は、常用の材料を上廻る摩耗率の改善に貢献し、ビスマスの添加は、常用の材料と比較して耐焼付性を改善した。重要なことに、アルミナの添加は、耐摩耗性の著しい改善を提供する一方で、従来技術で使用された比較的高いレベルのアルミナで予想された耐焼付性の劣化を引き起こさなかった。

本明細書の発明の詳細な説明および特許請求の範囲の全体を通して、「含有するまたは含む（それぞれｃｏｍｐｒｉｓｅ）」および「含有する（ｃｏｎｔａｉｎ）」ならびにこれらの変形、例えば「含有するまたは含むまたは有する（それぞれｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「含有する（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」は、「制限なしに含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｂｕｔ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」ことを意味し、他の成分、添加剤、構成成分、整数または工程を排除することを意図するものではない（かつ排除しない）。

本明細書の発明の詳細な説明および特許請求の範囲の全体を通して、単数の記載は、別記しない限り、複数の記載を含む。殊に、不定数の記載内容が使用される場合には、別記しない限り、複数ならびに単数の記載を考慮しているものと理解すべきである。

本発明の特殊な視点、実施態様または実施例に関連して記載された、特徴、整数、特性、化合物、化学成分または基は、非適合ではない限り、本明細書中に記載された任意の他の視点、実施態様または例に適用可能であると理解すべきである。

Claims (8)

1. 質量％で：錫４〜１２；ニッケル０．１〜２；ビスマス１〜６；アルミナ０．０１以上０．１０未満；残分 付随する不純物は除き銅を含有する軸受材料。
2. 組成範囲が質量％で：錫７〜９；ニッケル０．５〜１．５；ビスマス２〜５；アルミナ０．０３〜０．０７；残分 付随する不純物は除き銅を含む、請求項１記載の軸受材料。
3. 前記組成が質量％で：錫８；ニッケル１；ビスマス３．３；アルミナ０．０５；残分 付随する不純物は除き銅を含む、請求項１または２記載の軸受材料。
4. 付随する不純物は除き鉛不含である、請求項１から３までのいずれか１項に記載の軸受材料。
5. アルミナ粒子の５０％が粒径８〜１９μｍの範囲内にある、請求項１から４までのいずれか１項に記載の軸受材料。
6. アルミナ粒子の５０％が粒径１１〜１４μｍの範囲内にある、請求項５記載の軸受材料。
7. 請求項１から６までのいずれか１項に記載の軸受材料の層を強度な裏付け材料上に有する、上記裏付け材料を含む軸受。
8. 請求項７記載の軸受を製造する方法において、この方法が次の工程：
   質量％で錫４〜１２；ニッケル０．１〜２；残分 付随する不純物は除き銅の範囲内にある組成を有する粉末を形成し；
   前記銅−錫−ニッケル粉末とビスマス粉末およびアルミナ粉末との粉末混合物を形成し、質量％で錫４〜１２；ニッケル０．１〜２；ビスマス１〜６；アルミナ０．０１以上０．１未満；残分 付随する不純物は除き銅の範囲内にある全組成物を生じさせ；
   この粉末混合物を強度な裏付け材料上に散布し；
   この軸受材料粉末混合物を強度な裏付け材料に対して燒結し；
   この燒結した軸受材料を硬化し；
   この硬化した軸受材料を再焼結し；および
   再焼結した材料から軸受を形成することを有することを特徴とする、請求項７記載の軸受を製造する方法。

Images