JPH01503150A - 複合軸受材料の製法およびその方法で製造される軸受材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 複合軸受材料の製法およびその方法で製造される軸受材料又ユΩ宵景 本発明は概して、硬質金属製裏当片（ｈ・・ｄ・・ｔａに５ｔｒｉｐ）、たとえ ば鋼製のものであって、少なくとも該裏当片の一つの面に強く結合した鉛入り青 銅（−ｋｓｈｈｈ４　ｂｒｏｎｚｅ）製軸受ライニング（張り付は金）を有する ものより成る複合軸受金属にの組立てに好適であり、広く使用されている。

前記の一般的な型の複合軸受材料はＬｅｗｉｓ等の１９６１年５月３０日付の米 国特許第２，９８６．４６４号およびＬｅＢｒａｓｓｅ等の１９７７年１月１１ 日付の米国特許第４．００２．４７２号（いずれも本発明の譲受人に譲渡されて いる）に記載のような方法で製造されてきた。これ、らの二つの米国特許につい ては、本願に関係ある点について参考に供した。

前記米国特許に記載の方法およびその方法で製造される複合軸受材料は、様々な 軸受部材を組立て、高品質複合軸受材料を製造するのに大変適している。しかし 、比較的大きな鉛粒子が軸受ライニング中に存在するため、軸受ライニングの物 理的性質およびこれから製造される軸受部材の性能はそれほど最適なものではな い、このことは、エンジンの稼働条件（たとえば、高い動荷重、酸性のエンジン オイルおよび高温になったオイルの熱）のゆえに、軸受材料に電着した鉛錫（ｌ ｅａｄ　ｔｉｎ）または鉛錫ＩＲ（ｒｅａｃｒ　ｔｉｎ　ｃｏｐｐｅｒ）のオー バープレート（被せ金）が必要かあるいは望ましい場合に特に言える。これは本 発明の共同発明者の一人が書いたＳＡＥ技術報告書８６０３＋５に詳しく記載さ れているとおりの周知の拡散現象のためである０本発明を理解する上で関係のあ るこれらの教示を参考にする。エンジン温度において鉛錫または鉛錫銅オーバー プレート中の錫原子はランダムに拡散するため、ニッケルバリヤーの上にニッケ ル錫金属間化合物の層が形成される。ニッケルバリヤーにより錫が下にある銅鉛 へ拡散するのが防止される。ニッケルバリヤーがないと錫の広範囲にわたる拡散 が連続した鉛の層を通して生じ、銅−鉛界面で銅錫化合物が形成し、錫の減少が 一層重大となる。酸性のエンジンオイルによる腐食に対する耐性を得るのに必要 な錫の含有量は約３％である。ニッケルバリヤーがないと、錫含有量はニッケル バリヤーが存在するときよりも急速にこの値に向けて低下する。しかしこの錫の 減少によりニッケル錫化合物以外のものは形成されない。高い動荷重が、特に強 力ディーゼルエンジンの連棒（コネクチングロッド）用軸受に、加わると、ニッ ケルバリヤーの破損が生じることがある。これらの破損は鉛相において見られ、 錫原子がニッケルバリヤーを通って銅鉛の中へ拡散するのにを効な路が作られる ことになる。錫原子は銅錫化合物として銅鉛中に捕捉されるので、鉛は銅鉛から 追い出される。その場合、破損したニッケルバリヤーも錫と共に運ばれる。破損 が広がり、さらに錫が拡散するままにしておくと、ニッケルバリヤーの破損部は オーバープレートの厚みの中途で終る。ニッケルバリヤー破損が生じるかどうか はその下の鉛相の大きさによって決まる。鉛が粗いほどバリヤーを支持しにくく なり、破損が生じやすくなる。

簡単に言うと、このようなわけで焼結銅鉛合金中の鉛の大きさに影響を及ぼす要 因に注意が払われてきたのである。また、焼結中の鉛の成長を抑制し、エンジン 運転中のニッケルバリヤーの破損を起りにくくする様、この合金の製造方法に変 更が加えられてきた０本発明により軸受用複合材料およびその製造方法が改善さ れるがこの材料は軸受ライニングと鋼製裏当片との間が十分強く結合されるよう な粉末冶金法によって製造される。

その場合粗い鉛粒が形成されるのを防ぐような時間と温度が用いられるので、軸 受ライニングの基地（マトリックス）に微細な鉛粒が均一に分散した独特な鉛− 青銅が得られる。

主ｌ曵東！１ 本発明の利益と効果は、本発明の製造態様、即ち鋼裏当片に平均粒径がだいたい 約１４７　ミクロン未満の予備合金化した鉛入り青銅粉末を塗布することにより 得られる。その後この上にのった粉末層は鋼冨打当が強磁性を失う７００　’Ｃ で、なるべくなら液相焼結し、そして粉末層が鋼片面に結合するのに十分な時間 、約１４５０下（８００℃）〜約１６００下（８５０℃）で、一般的には約１５ ００下（８２５℃）で加熱される。焼結された金属片はさらに冷却され、金属粉 末層が実質的に完全に繊密化するように、たとえばロール加圧によって圧縮（ｃ ｏｐｍａｃｔｉｏｎ）される０次に、この圧縮複合金属片は、ライニングの物理 的性質が一層向上°し、そしてライニングと裏当口片との間の結合が一層増加す るまでの時間約１４５０下ないし１６００下で再加熱される。再焼結された複合 金属片はその後保護雰囲気の中で約８００″Ｆ未満に、一般的には３００°Ｆ〜 ４５０°Ｆに冷却される。そして好ましくはたとえばロールにより、−ｍ的には 約３００Ｔ〜約４５０°Ｆの温度で再び熱間圧縮され、複合ストリップの性質が さらに高められ、そしてその「張り付き性Ｊ　（ｓｉｚｉｎｇ）が改良される。

得られた複合金属片はしかして様々な軸受部材の組立てに供されるが、ライニン グの外面は最終寸法に機械加工してもよい。

さらに、軸受ライニングの機械加工された外面に約９０ｗｔ、％以下の鉛を含有 する鉛−錫または鉛−錫一銅軸受合金のような適当な軸受金属または金属合金の 被せ金を付すといったようなことも考えられる。

本発明の製造態様では、複合軸受材料の軸受ライニングは大よそ約８〜約３５ｈ ｔ、χの鉛、約０．５〜ｌｈｔ、χの錫を含有し、残りは本質的に銅よりなる軸 受ライニンイグを有することを特徴とする。軸受ライニングの基材はさらに、こ れの鉛成分が一般に約８ミクロン未満の平均粒径の微細粒子の形でライニング基 材中に実質的に均一に分散しており、約４４ミクロンを越える鉛の島あるいは島 状鉛が存在しないという特徴を有する。

本発明の別の利点は以下の好ましい具体例および実施例の記載から明らかになる 。

亡しい貝　の管 本発明の好ましい実施に成る複合軸受材料は基本的には鋼嘉打当およびこの上に 焼結した金属粉末ライニングよりなる。鋼裏当はふつう、たとえば約０．０４０ インチから約０．２５０インチの厚さ−多くの自動車用エンジンの連棒用軸受に おいてはふつう０．１２５インチが好まれているーを有するＳＡＦ型式１０１０ または１０２０の低合金鋼である。

粉末冶金法によって軸受ライニングを形成する際に用いられる金属粉末は、通常 約８〜３５ｗｔ、χの鉛、ｌｋｔ、％以下の錫を含有し、残りが本質的に銅であ る銅−鉛一錫系の予備合金化（予め合金化した）粉末からなる。粉末を予備合金 の形で使用することは、最終的な軸受ライニング中において鉛成分の独特な分布 を得るために重要なことである。粉末の各粒子が望ましい最終軸受ライニングの 組成と同じである予備合金化粉末を用いるのが望ましいが、別の組成の予備合金 化粉末を一緒に混合して最終軸受ライニングの組成に相当する混合物を得てもよ いと考えられる。

本発明の実施において満足して使用できる鉛入り青銅のＳＡε規格における代表 的公称組成（―ｔ、χ）は下記のとおりである。

Ｃｕ　Ｐｄ　５ｎ ＳＡＥ　Ｇｒａｄｅ　？９７　：　８０　１０　１０ＳＡＥ　Ｇｒａｄｅ７９８ ：　８８　８　４ＳＡＥ　Ｇｒａｄｅ　７９９　：　７３．５　２３　３．５Ｓ ＡＥ　Ｇｒａｄｅ　４９　：　７５．５　２４　０．５ＳＡＥ　Ｇｒａｄｅ　４ ８０　：　６４．５　３５　０．５特に満足のいく結果が得られたのは、銅約８ ０．５〜約８３．５ｗｔ、χ、船釣１３〜約１６ｈｔ、χおよび錫約３．５ｗｔ 、χを含有する予備合金化粉末を用いて本発明によって製造した高荷重軸受ライ ニングの場合であった。

銅鉛ライニングの冶金学的構造は２つの明瞭な相、すなわち鉛の島が相互に連結 した網目状構造と銅に冨む基材とからなり、錫は銅に溶解した状態にある。

予備合金化粉末の形は限定されないが、通常球状の粒子が望ましい、予備合金化 粉末の粒径は約１００メツシユ（１４７ミクロン）未満で最小１ミクロンまでの ものにすべきである。好ましい実施態様では、予備合金化粉末の粒径は許容され た範囲に分布しており、その５ＯＮは３２５メツシユ（４４ミクロン）未満であ り、そのため最適な粉末自然充填密度（ｌｏｏｓｅ　Ｐｏｗｄｅｒ　Ｐａｃｋｉ ｎｇ　ｄｅｎ−峙 ｓ　ｉ　ｔｙ）が得られる。金属メン−１した裏当片に塗布したままの粉末の上 記密度は通常理論密度を１００χとしたときの約５０〜約６０２である。塗布し た粉末の量は複合軸受材料から組立てる軸受部材の特定の種類によって変わり、 通常約０．０２０インチ〜約０．０７０インチであり、そのためその後焼結およ び圧縮すると、ライニングは最終的に厚さが約０．０１０１０インチル、０５０ インチとなる。

通常コイルの形で供給される鋼裏当片は、その表面に面した部分、土、さびおよ び／またはスケールを除去する必要があるので、蒸気脱脂、アルカリまたは酸洗 浄、ワイヤブラッシングかけおよび酸洗いのような適当な清浄処理を行なう、清 浄にした鋼裏当片はその後予備合金化した鉛入り青銅粉末の入った適当な供給ホ ッパーのすぐ下の実質的に水平な位置に進める。粉末はドクターナイフ等によっ て調整しながら実質的に均一な層状に供給する。粉末層が上に載った金属片をそ の後非酸化性雰囲気にされている連続した２つの炉内で焼結する。たとえば、非 酸化性雰囲気は大体水素的１２χ、−酸化炭素１０χおよび二酸化炭素５χを含 有し、残りは本質的に窒素である天然ガスの不完全燃焼から取り出した還元雰囲 気よりなるのが好ましい、還れるのが防止できる。

第１の炉は主に単一誘導コイルである。誘導焼結によれば、鉛粒子が成長し始め る温度である６５０　”Ｃを越える温度で長時間昇温しなくてもしっかりと結合 させるのが可能になる。誘導焼結では、電流が鋼裏当内に誘導され、これが鋼裏 当を直接加熱し、銅−鉛粉末は誘導および鋼からの輻射によって加熱される。

を流は籏片の面内か鋼片周囲を流れるが、誘導コイルの幾何学的形状によっては 両方に流れる。したがって粉末層内でも若干の熱が直接発生し得る。

熱がストリップ自体内で誘導されるので、昇温速度は従来の焼結におけるよりも ずっと速い、従来の焼結とは後に記載するような、そして前記米国特許第２．９ ８６．４６４号および第４．００２．４７２号に示されているような電熱式焼結 炉を意味する。

鋼の誘導加熱は約７３０℃以下で特に有効であり、この温度で綱は強磁性を失う 、従って、好ましい２つの炉による焼結法は７３０°Ｃまでの誘導加熱に７３０ °Ｃ〜８００　／８５０°Ｃの従来の焼結を組合わせたものである。そのような 「混成」方式は装置コスト部分での昇温速度が大きいので、冶金学上の組織から みて誘導焼結のみの方式で得られるのと同様の微細な鉛が大体か完全に得られる と判定された。

第２の炉は約１４５０°〜約１６００下に加熱される。第２の焼結炉で用いられ る特定の温度は予備合金化された粉末の個々の組成によっていくらか変わる。そ の場合の温度は、粉末粒子を濡らし、粉末粒子層中に存在する間隙をうめ、また 口片の表面を濡らすことによってしっかりした結合を起こさせるような、主とし て鉛よりなる液相が十分に生成されるように調整する０通常、約１４５０下未満 の焼結温度では、粉末層と裏当金属片との間に十分な結合が形成されないので不 満足であり、約１６００下を越す温度では過剰量の液相が形成されるのでやはり 不満足である。

ふつうの焼結炉を一つだけ用いて行うこれまでの方法では、焼結温度は約３〜約 ５分間、約１５００下に調整される０本発明では、第１誘導加熱を行うことに鑑 み、第１焼結を付したものを。

第２の炉温で焼結する際の時間は約２分以下にするのがよく、さらに短時間にす ればもっとよい、理想的には、両方の炉における焼結温度における合計の時間は 約２分である。鉛の成長は、合金が焼結温度またはその付近に保たれている時間 によって直接左右されるので、本発明によって製造された合金の鉛の大きさは従 来の焼結法によって製造されたものよりかなり微細である。

あるいは、第１焼結を付したものの第２焼結炉での焼結を省略し、全体の焼結工 程を誘導コイル内のみで完結させることもできる。しかしながら、上述のように 、鋼を７３０°Ｃを越える温度で誘導加熱するのは効率的ではない、しかし、複 合軸受金属片の温度が約６５０℃を越える時間は著しく減少するであろうし、う まくいけばほんの１分もかからない、従って鉛の成長は可及的に抑制され、以下 の表１に示すものよりおそらくがなり小さくなる。

焼結操作の終了時点で複合金属片を焼結炉から出し、非酸化性保護雰囲気の適当 な冷却部に入れる。ここで金属片を約３００°Ｆ未満の温度に冷却し、その後こ れを実質的に理論密度の１００χまで圧縮して粉末層内の残りの空隙を減少させ る。この圧縮は、ストリップを一対の圧縮ローラに通すことによって行なえば便 利である。

ロール圧縮工程の後、複合金属片を非酸化性、好ましくは還元性雰囲気炉の中で 、第１焼結温度と同じ範囲内の温度、好ましくは約１５００下に、約３〜約５分 間の焼結時間となる予熱時間を含めた合計約１０分の滞留時間の間再加熱し、軸 受ライニングと鋼裏当片との間の結合をさらに強化しそして軸受ライニング、の 物理的特性をさらに改善する。再加熱操作の後、望ましくは鋼片を保護雰囲気中 にて約８００　’Ｆの温度で溶融鉛の浴に通して冷却し、軸受ライニングに残存 する細孔を満たす。さらに、望ましくは約３００〜４５０°Ｆの範囲内の温度に 冷却した直後、冷却した複合金属片を更に最終圧縮、好ましくは熱間ロール加圧 工程により、複合金属片の性質をまたさらに改善し、そして軸受ライニングの張 り付き性および均一性の改良を行なう。

得られた複合ストリップはその後簡単に巻くことができ、後続の組立て操作にシ ェル型軸受、ブツシュ、スラストワッシャ等のような軸受部材に組立てることが できる。

軸受部材組立て工程の後、通常軸受ライニングの面を最終仕上げして精ざ軸受部 材とする。任意に、好ましくは機械加工した軸受表面にこの技術分野で周知の種 類の適当な軟質金属軸受ライニングの被せ金（オーバープレート）を付してもよ い。本発明の好ましい実施では、機械加工した軸受面を電気メッキして一’−７ ケルバリヤ一層を厚さが−ｍニｏ、ｏｏｏ１〜０．００５　ｍｃ（０，００００ ４〜０．０００２インチ）のライニング表面上に施す、その後適当な被せ金を約 ｏ、　ｏｏｏｓインチ〜約０．００１５インチの厚さで取り付ける。

前述の銅−鉛合金の場合、好ましい重畳層（オーバーレイ）組成物はＰｂ５ｎ　 、。Ｃｕ２であり、その厚さは約０．０２５　ｍｍである。通常適しているのは 銅約２〜約４　ｗｔ、Ｘ、錫約８〜約１ｈｔ、χを含み、残りが本質的に鉛より なる軸受台金である。

前記の方法に係るヶ軸受ライニングでは、その中の鉛成分が。

ライニング基材中を軸受面から内部の裏当片まで実質的に均一に分散している極 めて微細な粒子の形で存在していることを特徴とする。鉛粒子はさらに、平均粒 径が一般に約８ミクロン未満（１卿２当り粒子が少なくとも約１５５０個と言う 粒子含有量で分布している）であり、４４ミクロンを越える鉛粒子はなく、約０ ．４χ未満の鉛粒子が３６ミクロンを越えるいう特徴を有する。鉛粒子が極めて 微細であり、これらがライニング母材中に実質的に均一に分布していることによ って、そのようなライニングは大荷重用軸受に非常に適したものとなる。それは 、このような軸受ライニングの物理的性質が、鉛粒子が実質的にこれより大きな 大きさでありそして／または不均一な分布をなす同様な合金組成の従来技術の軸 受ライニングに較べて、改良されているからである。微細粒子は、主として特定 な条件、すなわち従来法におけるように鉛成分が好ましくないより大きな粒子に 凝集するのを実質的に妨げるような条件で誘導焼結して得られる。

本発明の方法を十分に説明するために、以下に実施例を示す。

皇施■ 厚さ０．０７５インチのコイル状のＳＡＥタイプ１０１０ｔｆｆｌを一般に行な われている方法で清浄にした。予備合金化した一１００メツシュの（１００メツ シユのふるいを通過する）船釣１４ｔ＋ｔ、χ、錫約３．５ｉ１ｔ。

χを含有し、残部が銅である鉛入り青銅粉末を鋼コイルの面に通し、金属片の囲 りにｔ流が流れるように調に誘導した。このストリップを約７３０″Ｃに加熱し 、この温度に達したら冷却し、６インチ×２インチの供試金属片をコイル状金属 片から採取し、そして記載のような従来から使われている電熱式焼結炉に入れ、 ６５０℃を越す温度に約５．１分間加熱した。両方の炉での効果的な滞留時間の 合計は約５．２分であり、約８００°Ｃの焼結温度での合計時間は約２分であっ た。その後、ストリップを室温（７０下）に冷却し、ロール加圧機に通すことに よって圧縮して、粉末層を約０．０２３インチにした。圧縮した複合試験ストリ ップを従来焼結炉内で約１４９０下にて、約３〜約５分の予熱し、最終焼結を含 めてさらに約１０分間再加熱し、室温にて放冷した。

複合ストリップのライニングと裏当金属片との結合強度について評価するために 試験を行い、結合−剪断強度が約１０，４００ｐｓｉであることがわかった。ラ イニング断面の顕微鏡検査により、以下の表１に示すとおり鉛粒子は極めて微細 であり、表面から網の界面にまで均一に分布していることが分った。鉛粒子の総 数は１０２当り少なくとも１５５０個に等しく、鉛粒子の平均粒度は４〜８ミク ロンであった。表１に得られた鉛の大きさの分布を示す。全般的な鉛の大きさが 、たとえば前記のＳＡＥ技術報告書８６０３５に記載されている従来の焼結材料 で得られるものより非常に小さくなったこと、および表１のヒストグラムの粒子 の荒い端における鉛の島の数が約０．４χに減少したことが注目される。これま では、誘導加熱を行なわない従来の焼結を実施する最高の条件下では、３６ミク ロンより大きな鉛粒子は約３．８χまでしか減少させることができなかった。

裏−Ｌ ＣｕＰｂ、、Ｓｎｓ、ｓ合金における鉛の大きさの望ましい分布＋＋声（ミクロ ン　１の会　に・する　）二葺玉 １２−１６　１０．０ １６−２０　６．４ ２０−２４　３．９ ２４−２８　１．６ ２８−３２　０．７ ３２−３６　０．８ ３６−４０　０．３ ４０−４４　０．１ ０νｅｒ４４　０ 合計１０ｏｚ この実施例は本発明を説明するために示したものであり、明細書および特許請求 の範囲に記載の本発明の範囲を限定するものではない。

記載した本発明の好ましい具体例は上記の目的が達成されるように十分に考慮し たものであるのは明らかであるが、特許請求の範囲または趣旨から逸脱すること なく本発明に変更を加えるのは当然許される。

補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の８） 昭和６３年１り月所都日

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．鉛含有率が８〜３５ｗｔ．％，錫含有率が０．５〜１．０ｗｔ．％であり、 残部が実質的に全て銅である銅鉛錫合金であって、顕微鏡組識が銅に富む基材中 の互いに連なる鉛の島よりなり、前記鉛の島の平均の大きさが８ミクロン未満で あり、４０ミクロンを越える鉛の島が高々１％のものである前記合金。
2. ２．鉛含有率が１３〜２６ｗｔ．％、錫含有率が０．５〜５．０ｗｔ．％である 、請求の範囲第１項に記載の銅鉛錫台金。
3. ３．鉛入り青銅軸受ライニングが鋼裏当片の少なくとも１つの面にしっかりと結 合している鋼裏当片よりなる複合軸受材料であって、前記軸受ライニングは実質 的に十分に級密であり、約８ｗｔ．％〜約３５ｗｔ．％の鉛、約１０ｗｔ．％以 下の錫を含有し、残部は実質的に全て銅であり、さらにまた前記軸受ライニング は、その鉛成分が１ｍｍ２当り少なくとも約１５５０の鉛総数で、微細鉛粒子の 形でライニング母材中に実質的に均一に分布しており、平均の大きさが約８ミク ロン未満であり、前記鉛粒子の約０．４％以下が３６ミクロン以下の粒子である 前記の材料。
4. ４．軸受ライニングに結合したニッケルの内層およびこの内層に結合した鉛がベ ースとなった合金の重畳層を有し、内層の厚さが０．００１〜０．００５ｍｍ、 重畳層の厚さが０．０１〜０．０５ｍｍである、請求の範囲第３項に記載の複合 軸受材料。
5. ５．鉛含有率が１３〜２６ｗｔ．％、錫含有率が０．５〜５．０ｗｔ．％である 、請求の範囲第４項に記載の複合軸受材料。
6. ６．銅−鉛−錫合金粉末を鋼片上に塗布した銅−鉛−錫合金のライニングを有す る鋼裏当片の製法において、該片の温度を誘導コイル内で７００℃を越す温度に 上げ、この温度をその後他の手段で約８００〜８５０°Ｃに上げて前記粉末粒子 同志、およびこの粒子と鋼を焼結し、ストリップの６５０〜８５０℃における時 間の合計が２分未満であり、全加熱操作を還元雰囲気中で行ない、そして焼結層 をその後ロール加圧し、再焼結する前記の方法。