JPH0121858B2

JPH0121858B2 -

Info

Publication number: JPH0121858B2
Application number: JP5303085A
Authority: JP
Inventors: Masahito Fujita
Original assignee: NDC Co Ltd
Current assignee: NDC Co Ltd
Priority date: 1985-03-15
Filing date: 1985-03-15
Publication date: 1989-04-24
Also published as: JPS61213336A

Description

【発明の詳細な説明】

＜発明の目的＞産業上の利用分野本発明はAl−Sn系合金の軸受材料に係り、詳
しくは、マトリツクス中に球状、だ円状若しくは
少なくとも一部に丸味をおびた形状にSi析出物が
析出されるほか、Cn、Ni、MnとAlとの金属間
化合物で棒状若しくは繊維状の繊維状析出物を析
出させ、高速・高負荷運転に適し、高温領域にお
ける強度を改善したAl−Sn系合金の軸受材料に
係る。従来の技術最近の自動車用エンジンは、小型化、省燃費、
高出力のものとなり、これにともなつて軸受にか
かる荷重が増加すると共に、潤滑油の温度が上昇
し、軸受の使用条件は苛酷化の一途をたどつてい
る。このため、従来例の多元系、Al系軸受合金
の表面にオーバーレイメツキ等によりPb−Sn系
等の表面層が形成されたものでは、潤滑面の高温
化により疲労や焼付現象にみまわれ、使用に耐え
られなくなつており、最近はオーバーレイメツキ
等の表面層を有しない軸受合金が求められてい
る。しかし、この種の軸受合金であつても、上記
の如き苛酷な条件であるため、必ずしも、安定し
た性能を発揮できないのが現状である。まず、表面にオーバーレイメツキ層を必要とす
る軸受はJIS H5402、AJ−１（10％Sn、0.75％
Cu、0.5％Ni、AlBal）や、JIS H5402、AJ−２
（６％Sn、2.5％Cu、1.0％Ni、AlBal）等のJIS規
格、SAE780（６％Sn、２％Si、１％Cu、0.5Ni、
0.1％Ti、AlBal）等のSAE規格に示される如く、
低Sn−Al合金から成るものである。これら軸受
の軸受面は何れもPb−Sn系合金のオーバーレイ
メツキ層を必要とする。しかし、これら軸受は、
近年の高負荷、高温の使用条件下ではメツキ層が
摩滅して焼付きに至り、使用に耐えられなくなつ
ている。これに対し、オーバーレイメツキ層を必
要としない軸受は、SAE783（20％Sn、0.5％Si、
1.0％Cu、0.1％Ti、AlBal）に示す如く、高Sn−
Al合金から成るものである。しかし、この様に
Snが20％程度の如く多く含まれる合金は硬度が
低くAlマトリツクスが弱くなることから、高負
荷に耐えられないのが現状である。また、以前から、Sn含有量の多少に拘らず、
Al−Sn系合金中にPbを添加して潤滑性を増進さ
せ、耐焼付性をもたせることが行なわれ、例え
ば、水野昴−著昭和29年日刊工業新聞社発行「軸
受合金」第139頁には、10％Sn、1.5％Cu、0.5％
Siを含むAl−Sn系合金中に３％Pbを添加したも
のが記載されている。更に、PbはAlにほとんど
固溶しないため、Pbの分散性を向上させるため
に、PbのほかにSbを添加したAl−Sn系合金が特
公昭52−12131号に記載され、この上に、Alマト
リツクス強化のためにCrを添加したAl−Sn系合
金が特公昭58−18985号に記載されている。しか
し、これらのAl−Sn系合金は通常運転時の潤滑
性の向上を目的として開発されたもので、高負荷
運転条件では十分な耐疲労性を示さない欠点があ
る。この理由は、通常の運転下に較べると、高負
荷運転下の軸と軸受との潤滑機構は根本的に相違
するからである。そこで、高負荷運転下の潤滑機構につき、基本
的な検討が行なわれ、その一つとしてAl−Si系
合金中に粗大なSi分散析出させたものが特開昭58
−64336号によつて提案されている。この軸受は硬いSi析出物により切削力を持たせ
たものであつて、切削力を持つが故に、相手軸の
表面凹凸部が得られて平坦化し、軸受性能を向上
させるものである。すなわち、相手軸が球状若し
くは片状の黒鉛鋳鉄から成ることを前提とする場
合、相手軸の表面には、研摩加工時に脱落した黒
鉛粒子のあとに凹部が残り、この凹部周囲の硬く
加工硬化したバリやエツジ等の凸部が生成し、こ
れら凹凸部により高負荷運転時には異常摩耗が発
生する。しかしながら、上記の軸受では硬いSiの
析出物により切削力が付与されているために、相
手軸の凹凸部分は機械的に切削されて平坦化さ
れ、これ故に、異常摩耗や焼付きが起らない。しかしながら、相手軸が黒鉛鋳鉄以外の場合に
は、高負荷運転のときに、かえつて粗大なSi析出
物によつて軸表面が不規則にけずられ、焼付きが
発生し、大きな障害がある。発明が解決しようとする問題点本発明は上記欠点の解決を目的とし、具体的に
は、従来例のAl−Sn軸受合金では潤滑性向上の
ためにSn量を高めたり、Pbを添加したり、更に、
Sbを添加してPbの分散性を高めても、高負荷運
転時には焼付きや異常摩耗等が発生し、ほとんど
高温下（100〜250℃）での耐疲労性を示さないと
いう、問題点を解決した合金組成であつて、しか
も、構造上でもこの問題点を解決した軸受材料を
提案する。＜発明の構成＞問題点を解決するための手段ならびにその作用すなわち、本発明に係る軸受材料は、重量％で
３〜35％Sn、0.1〜10％Pb、0.1〜６％Siならびに
３％以下Srを含むと共に、Cu、Ni若しくはMn
のうちの少なくとも１種若しくは２種以上を合計
で0.1〜５％含有し、残余が実質的にAlからなつ
て、しかも、マトリツクス中に球状、だ円状若し
くは少なくとも一部に丸味をおびた形状のSi析出
物を析出する一方、Cu、Ni若しくはMnとAlと
の金属間化合物で棒状若しくは繊維状の繊維状析
出物を析出してなることを特徴とする。そこで、この手段たる構成ならびにその作用に
ついて説明すると、次の通りである。まず、本発明に係るAl−Sn系合金は主成分の
Sn、Pb、Siのほかに、SrとCu、Ni、Mnのうち
１種若しくは２種以上を含む。この際、Sn、Pb
等の添加理由は主として潤滑性、なじみ性の向上
にあるが、主たる特徴とするところは、Srの添
加によつてSi粒子をAlマトリツクス中に球状、
だ円状若しくは少なくとも一部が丸味をおびた形
状に析出させると共に、そのSi粒子附近にSn−
Pb合金粒子を凝集させて、高温、高荷重下の潤
滑性を大巾に向上させる一方、Cu、Ni、Mnは
Alとの間で金属間化合物を棒状若しくは繊維状
に析出させ、この繊維状析出物によつて高温
（100〜250℃）での強度を改善することにある。すなわち、焼付現象はそれに達する過程が複雑
で多くの条件が相乗的に作用して達するため、一
義的に把握することは困難である。例えば、表面
にPb−Sn合金のオーバーレイメツキを形成した
Cu−Pb系軸受合金は高荷重運転下ではメツキ層
が摩減し焼付きに至るのに対し、Al−Sn−Pb−
Si−Cu系合金軸受は表面にオーバーレイメツキ
層が形成されていないのにも拘らず、焼付きに至
らない現象が存在する。更に詳しく説明すると、第８図は表面にオーバ
ーレイメツキ層を有する軸受の一部の拡大断面図
であり、第９図はAl−Sn−Pb−Si−Cu合金軸受
の一部の拡大断面図である。第８図から明らかな
如く、この軸受は表面のオーバーレイメツキ層
５、軸受合金６ならびに裏金７から成つて、この
オーバーレイメツキ層５の全表面によつて荷重が
支持される。これに対し、第９図に示す如く、Al−Sn−Pb
−Si−Cu系合金から成る軸受は合金層６と裏金
７とから成つて、この合金層６とマトリツクス中
に棒状や片状のSi粒子２が析出している。従つ
て、この軸受では荷重は硬いSi粒子で支えられ、
しかも、Si粒子が上記の如く切削力を持つてい
る。要するに、両者の差は面接触と点接触であり、
この差によつて潤滑、摩擦面の温度上昇において
決定的な相違となり、とくに、第８図に如き面接
触では、高速、高負荷条件下で摩擦面の温度は急
速に上昇するのに対し、第９図の如き点接触で
は、合金層６の表面と相手軸表面との間に間隙が
形成され、この間隙の油膜にはあまり大きな荷重
がかからないため、十分な潤滑が保持され、摩擦
面の温度上昇はおさえられる。そこで、本発明者等はこれによる軸荷重の支持
が高荷重下の潤滑にきわめて有効であるという基
本的見地に立つて、その効果を最大限に生かすた
めの組成ならびに構造について研究し、本発明に
係る軸受材料を完成するに至つたのである。具体
的に示すと、本発明者等はAl−Sn−Pb−Si−Cu
系軸受合金におけるSiの析出形態に着目し、その
形態の潤滑面におよぼす効果について調査研究を
進めたところ、第１に、Siは融点が高い安定物質であり、か
つ、非金属的性質が強く、相手軸の主成分のFe
に20℃〜500℃程度の状態で接触しても、全く拡
散若しくは溶解を起さないことから、軸荷重の点
支持手段はSiがきわめて好適であることがわかつ
た。第２に、相手軸を油膜を介し点支持する場合、
考え方において、Si粒子はそのビツカース硬さが
599にも達するほど硬く、しかも、化合物でない
ためもろさがなく、弾性に富み、急激な変動荷重
に耐えられないことがわかつた。しかしながら、Siは上記の如き性質を持つてい
るのにも拘らず、結晶性が強く、Alとの共晶析
出形態でも、板状若しくは棒状を呈し、軸受の製
造過程で圧延や熱処理を経ても、その形状はわず
か変化する程度である。このため、Si粒子の析出
形態の制御を行なわない場合は第１０図に示す如
く、マトリツクス１中のSi粒子２は板状若しくは
棒状化し、Si粒子２から離れてSn−Pb合金粒子
３が存在している。この状態であると、硬いSi粒
子のエツジによつて相手軸が削られてきずつけら
れ易く、かえつて、潤滑性が低下し、焼付きが起
こる。この点から、本発明者等は、第１に、潤滑性の
飛躍的向上のため、Si粒子から切削力を除去し、
球状等の如くエツジ部に丸味をおびさせるよう形
態を制御した。すなわち、第２図は本発明の一つの実施例に係
る軸受合金の一部の拡大断面図であつて、第２図
に示す如く、マトリツクス１中に分散析出するSi
粒子２を後記の如くSrの添加によつて球状化し、
この球状粒子２によつて点接触の理想に近づけ、
より潤滑性を高め、また、高速かつ急激な高荷重
がかけられても、相手軸をきずつけることがな
い。このSiの粒子の球状化は、Siが析出する共晶点
のAl合金液相の性質を改善することによつて達
成でき、とくに、その添加元素として、Srが有
効であることを見出した。更に詳しく説明すると、Sn−Pb合金粒子３の
析出形態が変化し、第２図に示す様にSiの球状化
粒子２にSn−Pb合金３が隣接して存在する様に
なる。この構造は、従来例のもの（例えば、第１
０図参照）に比して、潤滑性能を飛躍的に向上さ
せる。第２に、以上のような表面性能の原理的解決を
計るとともに、Alマトリツクスの高温での強化
をはかる。すなわち、Alは熱に対して感受性が強く、150
℃をすぎると軟化してしまい（Hv10以下）、強度
を失なつてしまう。そこで、この軟化を防止する
為に、高温でも安定な化合物を析出させ、変形力
に対抗する構造が研究され、その結果、Cu、Ni、
Mn系の金属間化合物を単に析出するのではな
く、５〜30μ程度の長さの棒状若しくは繊維状の
析出物として析出させると、高温での強度が顕著
に上昇することが確認された。これはAlマトリ
ツクスを単に金属間化合物で強化されるのみにと
どまらず、繊維強化によつて一層強化されること
になる。更に詳しく説明すると、第１図に示す構造の軸
受では、潤滑面がマトリツクス１の表面から突出
するSi粒子２の先端部であり、しかも、Si粒子と
相手軸との間に油膜が介在し、流体潤滑が保たれ
ている。しかし、急激な変動荷重を受け、この油
膜が破れ、局部的に境界潤滑に達し、この時に、
Si粒子２の上面にSn−Pb合金のフイルムが存在
すれば、焼付きを防止でき、しかも、正常に油膜
が再生されて流体潤滑の状態にすみやかに復帰す
ることができる。このときにも、第１図に示す構
造であると、Si粒子２の近傍にSn−Pb合金粒子
３が存在し、この合金が溶融状態でも親和性があ
り、このため、油切れを起こしにくい。また、相
手軸とSi粒子との摩擦で、Si粒子が高温になつて
も、Sn−Pbの融解熱で熱吸収され、近傍のマト
リツクスのAl合金と相手軸との焼付きが起りに
くくなる。又、この時にも第３図に示す如く、Si
粒子２に隣接するSn−Pb合金粒子３の少なくと
も一部が液相化しており、この液相３ａがSi粒子
２の突出面に供給される。この供給量は温度の上
昇とともにふえて、Si粒子２の潤滑面には常に
Sn−Pbの液相３ａが介在するため、オーバーヒ
ートを未然に防止できる。要するに、Si粒子２が
球状化し、これにSn−Pb合金粒子３が隣接する
構造は、境界潤滑状態（油膜が切れた）で非常に
有効であり、また、普通の流体潤滑状態でも、硬
いSi粒子２が相手軸に適切になじみかつやわらか
いSn−Pb合金層におおわれ、これがシヨツクア
ブソーバー的な働きをする。また、すぐれた潤滑面を得る為にはSi粒子や
Sn−Pb合金粒子を支持する強靭なAlマトリツク
スが必要である。このため、Cu、Ni、Mnのうち
の少なくとも１種又は２種以上を添加し、Alと
の金属間化合物を析出させるほか、この金属間化
合物を棒状若しく繊維状の析出物として析出させ
る。すなわち、マトリツクス強化のために、Cu、
Ni、Mn等の成分を添加することが知られている
が、単にこれら成分の添加のみでは、長時間にわ
たつて上記潤滑状態を保持することがきわめてむ
づかしい。この点について、本発明者等は、Cu
等とAlとの金属間化合物を析出させるのみでな
く、この析出形態を制御することによつて、棒状
又は繊維状に析出させると、高負荷運転条件に適
するよう、マトリツクスが制御できる。なお、この析出形状の制御は、鋳造時の凝固ス
ピードをおくらせて徐冷させることによつて、金
属間化合物の析出を促進し、併せて、このときに
一つの側面に冷し金をあてて方向性のある冷却を
行なう。このように制御すると、金属間化合物は
繊維状又は棒状に析出する。また、この際の冷却
速度に、テンドライトセルサイズ（DCS）を測
定し、この粒子の成長でみて、６ミクロン／秒以
下、好ましくは５〜１ミクロン／秒である。また、Cu、Ni、Mnの量は総量で５％を越える
て、化合物が粗大化しかえつてその靭性を劣化さ
せるのでその添加量としては、総量で0.1〜５％
が適切である。更にSnも３〜35％の範囲でPbも
0.1〜10％の範囲で適切な潤滑面が形成できる。実施例次に、実施例について説明する。まず、第１表に示す組成のAl−Sn系合金を連
続鋳造により厚さ20mmの板状材として鋳造した。
このときの冷却は一つの側面に冷し金をあてて方
向性を与えて冷却し、しかも、冷却速度はDCS
を測定し、その成長速度で４ミクロン／秒〜２ミ
クロン／秒とした。その後、各鋳造ビレツトの上
下面を1.0mm面削し、続いて冷間圧延により２mm
の厚さまで４回に分けて圧下した。この状態で
300〜350℃の熱処理を行なつてひずみを除去し、
その後、純Alの薄い板を介して裏金の鉄板に圧
着させて厚み1.50mmの軸受を得た。なお、比較材（供試材No.１）は冷し金を与え
ず、DCSの成長速度７ミクロン／秒で冷却した。

【表】これらの軸受のうちで供試材No.１はSrを添加
し、Siを球状化したもの、供試材No.２はNi、Mn
をNo.１の成分に加え、No.３はNo.２にさらにCuを
添加し、化合物を析出させた本発明によるもので
ある。これらの各供試材は、軸受として使用される常
温〜250℃までの機械的な性質を見るために常温
（25℃）、50℃、100℃、150℃、200℃、250℃の６
条件下での引張り強度と伸びの試験を行なつたと
ころ、第４図ならびに第５図に示す関係が得られ
た。なお、各供試材は裏金を機械加工により削除
してAl−Sn合金部分のみとし、形状はJIS z2201
の５号に示すものとした。これらの結果から供試材２、３は特に高温100
〜250℃における強度低下があまりみられず、
Cu、Ni、Mnの添加効果がうかがえる。又、この
供試材２、３の組織は第１図にみられる様にCu、
Ni、MnとAlとの化合物が棒状に析出しているも
のであつた。次に、これらの供試材の表面の摩擦性能を知る
ために、鈴木式摩擦摩耗試験機を用いて試験し、
その試験条件は次の通りであつた。面圧 10Kgｆ／cm²〜100Kgｆ／cm²まで15分
毎に10Kgｆ／cm²づつStep upさせる。マサツ速度４ｍ／sec 相手材 S45C、硬さH_RＣ＝55 面アラサ0.8〜1.0S 使用オイル SAE、20w−40 油温 150℃±５℃ この結果を示すと、第６図に示す通りであつ
た。これによれば、供試材１〜３何れも良好な摩擦
係数値を示しており、Cu、Ni、Mnの化合物によ
る摩擦性能の影響はほとんどないと見てよい。ち
なみに、100Kgｆ／cm²の荷重下で供試材３の摩擦
係数は0.011とすぐれた値を示している。次に、実際に、各供試材をベアリング形状に加
工し、最終的なベアリング性能をチエツクするア
ンダーウツド疲労試験を行なつたところ、第７図
の通りの結果が得られた。これらは実際のエンジ
ンの条件とはほぼ同じようにベアリングをコンロ
ツドのハウジングに固定し、軸に偏心荷重をかけ
て、以下の条件で耐久テストを行ない、焼付かず
にその性能を維持した時間の長さで評価するテス
トである。面圧 600Kgｆ／cm² 回転数 4000r.p.m／分相手軸材質 FCD70、アラサ0.8〜1.5S 使用オイル 20w−40（SAE）油温 170℃±10℃ なお、そのテスト時間の上限は250時間とした。
この最終チエツクによつても、高温での耐久性を
付加した本発明合金はすぐれた構造をもつた合金
系であることがわかる。このように潤滑面の構成とその潤滑機構に着目
して開発された本発明合金は、高負荷、高速運転
におけるAl合金軸受として推奨されるものであ
る。＜発明の効果＞以上詳しく説明した通り、本発明は重量％で、
３〜35％Sn、0.1〜10％Pb、0.1〜６％Si、３％以
下SrならびにCu、Ni、Mnのうちの少なくとも
１種若しくは２種以上を合計で0.1〜５％含有し、
残余が実質的にAlからなり、しかも、このマト
リツクス中にSi粒子を球状、だ円状若しくはそれ
に近い形状に析出させ、かつ、Cu、Ni、Mnと
Alとの化合物を棒状若しくは繊維状に析出させ
て成るものである。これらの構成による本発明軸受合金は極めて潤
滑性に優れ、かつ、100〜250℃の高温における機
械的性質が極めて良好であり、高負荷運転による
使用条件の苛酷化に十分に耐える軸受合金であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一つの実施例に係る軸受合金
の一部の拡大断面図、第２図はSi粒子を球状化し
潤滑性を高めた軸受の一部の拡大断面図、第３図
は第２図に示す軸受合金の潤滑機構の説明図、第
４図は本発明による軸受合金を比較材と対比した
温度〜引張強さの関係を示すグラフ、第５図は比
較材と対比した温度〜伸びの関係を示すグラフ、
第６図は比較材と対比した荷重〜摩擦係数の関係
を示すグラフ、第７図は比較材と対比した各供試
材の耐久時間を示すグラフ、第８図ならびに第９
図は従来例の軸受の一部の各拡大断面図、第１０
図は第９図の軸受合金の一部の拡大断面図であ
る。符号１……マトリツクス、２……Si粒子、３…
…Sn−Pb合金粒子、３ａ……Sn−Pb液相、４…
…繊維状金属間化合物、５……オーバーレイメツ
キ、６……軸受合金層、７……裏金。

Claims

【特許請求の範囲】

１重量％で３〜35％Sn、0.1〜10％Pb、0.1〜６
％Siならびに３％以下Srを含むと共に、Cu、Ni
若しくはMnのうちの少なくとも１種若しくは２
種以上を合計で0.1〜５％含有し、残余が実質的
にAlからなつて、しかも、マトリツクス中に球
状、だ円状若しくは少なくとも一部に丸味をおび
た形状のSi析出物を析出する一方、Cu、Ni若し
くはMnとAlとの金属間化合物で棒状若しくは繊
維状の繊維状析出物を析出してなることを特徴と
するAl−Sn系合金の軸受材料。