JPH0239572B2 - OOBAREIYOMETSUKIGOKIN - Google Patents

OOBAREIYOMETSUKIGOKIN

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JPH0239572B2
JPH0239572B2 JP21937784A JP21937784A JPH0239572B2 JP H0239572 B2 JPH0239572 B2 JP H0239572B2 JP 21937784 A JP21937784 A JP 21937784A JP 21937784 A JP21937784 A JP 21937784A JP H0239572 B2 JPH0239572 B2 JP H0239572B2
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overlay
alloy
fatigue
resistance
plating
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Tatsuhiko Fukuoka
Yoshio Kumada
Shinichi Okamoto
Yasushi Yamaguchi
Noritoshi Matsuhashi
Yoshi Murakami
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Taiho Kogyo Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

(産業上の利用分野) 本発明はオーバレイ合金に関するものであり、
さらに詳しく述べるならば内燃機関に用いられる
ケルメツト軸受にメツキにより被着される四元オ
ーバレイ合金に関するものである。 (従来の技術) 内燃機関に用いられるすべり軸受は、円筒形ブ
ツシユ、半割メタル、または環状メタル形状に加
工された鋼板上にケルメツト合金を被着し、その
上にオーバレイ合金を被覆して構成されているこ
とは周知である。ここで、オーバレイ合金の主た
る機能は、軸受とクランクシヤフト等の軸のなじ
み性を向上させ、内燃機関のハウジングの加工精
度に起因する軸のミスアライメントによつて生じ
る軸と軸受の当り不良を解消し、潤滑油中に混入
する異物をオーバレイ合金中に埋収することなど
である。 従来より現在に至るまで多用されているオーバ
レイ合金の一つはPb−Sn二元系合金である。し
かしながら、近年の内燃機関の高出力化によつ
て、オーバレイに要求される苛酷な負荷能力に上
記Pb−Sn二元系合金は応えることができない。
そこで、近年負荷能力を向上させたPb基三元系
オーバレイ合金も現在広く用いられている。その
例には、Cu1〜10%およびTl5〜80%を含むPb−
Tl−Cu系合金がある。このような三元系オーバ
レイ合金は、耐摩耗性、耐腐食性および耐疲労性
の点で十分ではない。特に近年の内燃機関の高出
力化に伴つて軸から軸受に加えられる荷重が高く
なつているために、これらの間に介在する油膜の
厚さが減少するとともに軸と軸受が直接接触する
ことが多くなり、軸受が軸によつて摩耗を受ける
場合に要求される高度の耐摩耗性に対して三元系
合金は十分に応えることができない。さらに、
Pb−Sn−SbおよびPb−Sn−Cuの三元系合金で
はなじみ性が不足するという問題がある。一方、
Pb−Sn−Inの三元系合金はインジウムが高価で
あるにもかかわらず多量に添加しないと所望のな
じみ性が得られないという欠点があるのみなら
ず、負荷能力および耐摩耗性不足によつてもオー
バレイの早期損傷が発生する。 本出願人は、米国特許第4309064号において、
(1)5〜20%のSn、(2)0.05〜10%のInおよびTlの
1種以上、(3)0.05〜5%のMn、Bi、Ni、Cu、
CaおよびBaの1種以上、および(4)残部Pbおよび
不純物からなる四元系オーバレイ合金を提案し
た。 従来の一般的三元系オーバレイ合金から上記四
元系オーバレイ合金に技術が進む過程において、
耐疲労性、耐食性、負荷能力、耐摩耗性およびな
じみ性の五特性は相互に関連しており、一つの特
性が優れていないと他の特性もこれにより悪影響
を受け、オーバレイの信頼性および寿命が著しく
悪化するという事態になり、近年の内燃機関では
高出力化によりオーバレイへの機械的負荷が従来
より増大することに加えて、潤滑油の交換時期延
長に伴いオーバレイの潤滑状態が悪化しているこ
とが明らかにされ、この主たる対策として上述の
Mn等の耐摩耗性向上元素を添加した四元系オー
バレイ合金の開発に至つた。 本発明はこのような従来技術を出発点としてさ
らにオーバレイ合金の耐疲労性を改良するもので
ある。ここで、オーバレイ合金の耐疲労性はその
組織の緻密・均一性により向上すること、緻密な
組織の四元オーバレイ合金の形成のためには四元
同時メツキは好ましくないこと、また各メツキ層
の成分を拡散させることにより緻密かつ均一組織
が得られること、は上記米国特許から公知であ
る。 上記四元系オーバレイ合金を開示する米国特許
では上述のようにオーバレイ合金の五特性が相互
に関連していることが明らかになり、そして特に
耐摩耗性を向上させることにより五特性を総合的
に改良する手段が採用された。 さらに、上記米国特許で開示された耐疲労性に
すぐれたオーバレイ合金を得るためにその成分を
拡散させる手段によると、2層以上のオーバレイ
成分層間で合金成分が均一化される過程で、メツ
キ組織中の微小孔部が消失または縮小を伴いなが
ら組織緻密化が図られると考えられる。だが、拡
散法は本質的に熱処理プロセスであるために、
In、Sn等の低融点金属の溶融または軟化に伴う、
In等の相の粗大化も起こることも考えられる。公
知の拡散法は、メツキ組織の微小孔部消失または
縮小による耐疲労性向上効果が結晶粒または相の
粗大化による耐疲労性悪化よりも大であるから、
総合的に耐疲労性が向上していると言える。 (発明が解決しようとする問題点) 本発明は、上記米国特許に開示された四元オー
バレイ合金の組成に起因する耐疲労性を向上しよ
うとするものである。すなわち、本発明者等は、
Pb、Sn、In、Cuの四成分が耐疲労性およびメツ
キ組織にどのように影響するかを鋭意研究したと
ころ、意外にも高融点金属であるCuが最も強い
影響を有していることを見出した。 本発明者等は上述の公知の四元オーバレイのメ
ツキ組織について詳しく調査したところ、微小孔
部の大小および多少により表わされる緻密性の他
に、微小孔部以外の金属部分の均質性の二つの性
質によりメツキ組織の性状を表現できることを見
出した。後者の均質性は電子顕微鏡によるメツキ
層破断面の2次電子像により検知できる。但し、
この均質性は、大小(多少)により定量的表現は
できず、破断面の2次電子像の比較により均質程
度大小を判断し、比較により表現できるにすぎな
い。 本発明者等はCuとメツキ組織の均質性の関係
について調査したところ、Cuが0.05%を越えると
メツキ組織が非均質になり耐疲労性が、苛酷な軸
受使用条件においては劣つていることを見出し
た。 (問題点を解決するための手段) 本発明は、重量で2ないし20%のスズと、0.05
ないし15%のインジウムと、0.01ないし0.05%未
満の銅、とを含み、残部が鉛と不純物とからなる
組成を有するオーバレイ用メツキ合金にある。 本発明のオーバレイ合金組成について説明す
る。 鉛を主体とする本発明のオーバレイ合金に加え
られたスズは主として耐食性、耐摩耗性を付与す
る元素である。鉛−スズ二元系合金では錫が金属
形態で合金中に分散しており、これによりスズが
オーバレイの下地にライニング層に拡散し易くな
つており、オーバレイの使用とともに耐摩耗性が
低下する不都合がある。ところが、インジウム及
び銅を加えた本発明の合金では、スズは金属間化
合物を生成する傾向が大になり、上記拡散を起こ
さない程度に安定化され、なじみ性、耐食性、耐
摩耗性等の信頼性を高める。さらに、スズは潤滑
油中に生成する腐食性ある有機酸に対するオーバ
レイの耐食性も高める。スズの含有量が2%未満
ではあまり効果がなく、一方、20%を越えると高
温下におけるオーバレイの硬さが低下し、使用中
の性能低下(耐摩耗性低下)が問題となる。な
お、好ましいスズ含有量は5〜10%である。 インジウムは潤滑油中の腐食性ある有機酸に対
するオーバレイの化学的耐食性を高めるととも
に、上記のようにスズと金属間化合物を作つてス
ズを安定化しまたなじみ性を高める。インジウム
の含有量が0.05%未満では効果がなく、15%を越
えるとオーバレイ層が柔かくなり、耐摩耗性、耐
キヤビテイシヨンエロージヨン性が低下する。こ
の含有量は4〜7%が好まい。 本発明の最も特徴とするところは銅を0.05%未
満かつ0.01%以上にすることによりオーバレイ合
金の組織を緻密化したことにある。以下、銅含有
量によるオーバレイ合金の組織変化を第1図−第
5図により説明する。なお、第1図−第5図は7
%Sn、5.5%In、0〜0.015%Cu、残部鉛のオーバ
レイ合金の電子顕微鏡による2次電子像(倍率
3000倍)を示す。 第1図−第5図には、ケルメツト上にニツケル
バリアー層およびオーバレイ層が積層された破断
面組織が示されており、最上層がオーバレイ層に
相当する。Cu=0%(第1図)およびCu=0.15
%(第5図)の場合のオーバレイ層はCu0.01%
(第2図)、Cu0.03%(第3図)およびCu0.04%
(第4図)の場合と比較して金属粒子の充填状態
が粗になつている。一方、金属粒子の充填状態が
密な第2図−第4図のオーバレイ層は、電着粒の
粒界が比較的鮮明に配列された状況も認められ
る。上述の様にオーバレイ合金中の銅含有量がゼ
ロあるいは多い(0.15%)の何れの場合にも均質
な組織が得られない。このような組織変化に対応
して銅含有量が0.01%未満であると耐摩耗性が低
くなり、一方、銅含有量が0.05%以上では耐疲労
性が不十分になる。よつて、本発明のオーバレイ
合金の銅含有量を0.01〜0.05%未満にした。 本発明における四元オーバレイ合金では、上述
の如く組成を定めることによつてメツキ状態で均
質な組織を形成して耐疲労性を高めるとともに微
量のCuの作用によつて耐摩耗性を高めることに
特徴がある。このようなオーバレイ合金の特徴
は、従来の四元オーバレイ合金と比較して高回
転・高負荷の内燃機関において摩耗量が少なくか
つ疲労が少ないという軸受性能向上となつて表わ
れる。 (作 用) 本発明者等は軸受を各種条件で使用した後その
2次電子像を観察して次の知見を得た。すなわ
ち、Cuが0.05%未満であつてメツキ組織が均質な
オーバレイでは、軸受使用中のSnの軸受合金中
への拡散が不活発になつていることを知つた。 周知のように上述のSnの拡散を妨げるために
Niバリヤーが用いられているが、オーバレイの
組織自体によつてSnの拡散が抑制されることは
新たな知見である。よつて本発明者等はメツキ組
織が均質になつたためSnが移動し難くなつたこ
とも想定したが、EPMAを含む種々の機器を用
いた実験の結果、Cuが0.01〜0.05%(未満)であ
ると、SnがCuにより捕捉され拡散し難くなるこ
とが、Sn拡散抑制の有力な原因であると想定す
る。 上述のところから、Cuを0.01〜0.05%(未満)
にしたことの耐疲労性耐摩耗性への向上効果を考
察すると次のようになる。 (イ) 上述のCu含有量範囲でメツキ組織が均質に
なるために耐疲労性が向上する。 (ロ) 上述のCu範囲でSnがCuにより捕捉されるで
耐疲労性が向上する。一方、Cu含有量が0.05%
以上になるとSnがCuにより捕捉される量が多
くなりすぎ、Sn本来の耐食性向上効果等が失
われ、波及的に耐疲労性が低下する。 (ハ) Cuが0.05%以上になると、メツキ組織の緻密
性が損われ微少な孔部が多くあるいは大きくな
り、オーバレイの強度が低下し、波及的に耐疲
労性が低下する。Cu含有量が0.01%から0.05%
に増大すると、同様に緻密性が損われるがCu
=0.01%〜0.05%(未満)の範囲では耐疲労性
への強度低下の波及的影響は少ない。 (ニ) Cuの耐摩耗性への影響はSn捕捉によつても
変わらない。すなわち、CuとSnは相対的捕捉
関係にあるが、Snにより捕捉されたCuは耐摩
耗性向上に効果がある。上述(ロ)項で述べた耐食
性はどちらかというと電気化学的現象であり、
耐摩耗性はどちらかというと機械的現象である
と、両者の特長を対照的に表わしうるから、
SnとCuの作用には上述の如く差が生じのであ
ろう。よつてCuは0.01%以上添加すると、オー
バレイの耐摩耗性を向上させる。 (イ)−(ニ)項にて述べた微量合金化(micro−
alloying)されたCuの作用を示すため、以下、
Cu含有量が耐疲労性および耐摩耗性に及ぼす影
響を本発明者の実験結果を示す第1表により説明
する。 第1表において、疲労条件Aは繰り返し荷重
200Kg/cm2、回転数5600rpm、試験時間10Hrの一
般的条件を示し、疲労条件Bは繰返し300Kg/cm2
回転数7300rpm、試験時間10Hr、および疲労条
件Cは繰返し300Kg/cm2、回転数7300rpm、試験時
間100Hrの苛酷な条件を示し、いずれもエンジン
試験により実機を使用して行つた耐疲労性試験条
件を示す。尚、いずれの条件も使用潤滑油SAE
#30相当、油温120℃であつた。また、◎、〇、
△および×は、何れもオーバレイ合金のすべり面
の観察結果の表示であつてそれぞれ良好(◎)、
局部的にわずかな疲労またはひきずり(〇)、わ
ずかな疲労面検出(△)、およびかなりの疲労面
およびひきずり面検出(×)を示す。 摩耗試験条件は次のとおりであつた。 (イ) 試験機−曽田式動荷重試験機 (ロ) 回転数−2000rpm (ハ) 面 圧−130±130Kg/cm2 (ニ) 時 間−1.5時間 (ホ) 使用潤滑油−SAE#30 (ヘ) 油 温−120℃ (ト) 相手軸−S55C円棒軸 (チ) ケルメツト−組成−Pb−Sn−Cu(厚さ
0.25μm) (リ) Niバリアー層−2.5μm オーバレイ合金のCu以外の組成はSn7%、In5
%であり、また厚さは15μmであつた。
(Industrial Application Field) The present invention relates to an overlay alloy,
More specifically, the present invention relates to a quaternary overlay alloy that is applied by plating to Kelmet bearings used in internal combustion engines. (Prior art) Sliding bearings used in internal combustion engines are constructed by depositing Kelmet alloy on a steel plate processed into a cylindrical bushing, half-split metal, or ring-shaped metal shape, and coating the top with an overlay alloy. It is well known that this has been done. The main function of the overlay alloy is to improve the compatibility between the bearing and the shaft of the crankshaft, etc., and eliminate poor contact between the shaft and bearing caused by shaft misalignment caused by the machining accuracy of the internal combustion engine housing. However, foreign matter mixed into the lubricating oil may be buried in the overlay alloy. One of the overlay alloys that has been widely used until now is a Pb-Sn binary alloy. However, due to the recent increase in the output of internal combustion engines, the above-mentioned Pb-Sn binary alloy cannot meet the severe load capacity required for overlays.
Therefore, Pb-based ternary overlay alloys whose load capacity has been improved in recent years are now widely used. Examples include Pb- containing Cu1-10% and Tl5-80%
There is a Tl-Cu alloy. Such ternary overlay alloys have insufficient wear, corrosion and fatigue resistance. In particular, as the output of internal combustion engines has increased in recent years, the load applied from the shaft to the bearings has increased, so the thickness of the oil film between them has decreased, and direct contact between the shaft and the bearings has become more difficult. ternary alloys cannot adequately meet the high degree of wear resistance required when the bearing is subjected to wear by the shaft. moreover,
Pb-Sn-Sb and Pb-Sn-Cu ternary alloys have a problem of insufficient compatibility. on the other hand,
Ternary alloys of Pb-Sn-In not only have the disadvantage of not being able to obtain the desired conformability unless indium is added in large amounts, even though indium is expensive, and also suffer from insufficient load capacity and wear resistance. However, premature damage to the overlay occurs. In U.S. Pat. No. 4,309,064, the applicant
(1) 5-20% Sn, (2) 0.05-10% one or more of In and Tl, (3) 0.05-5% Mn, Bi, Ni, Cu,
We proposed a quaternary overlay alloy consisting of one or more of Ca and Ba, and (4) the balance Pb and impurities. In the process of technology progressing from conventional general ternary overlay alloys to the above quaternary overlay alloys,
The five properties of fatigue resistance, corrosion resistance, load capacity, wear resistance, and conformability are interrelated, and if one property is not excellent, the other properties will also be adversely affected, reducing the reliability and service life of the overlay. In recent years, the mechanical load on the overlay has increased due to the high output of internal combustion engines, and the lubrication condition of the overlay has worsened due to the extension of the lubricating oil replacement period. It has been revealed that the above-mentioned
This led to the development of a quaternary overlay alloy containing elements that improve wear resistance such as Mn. The present invention uses such prior art as a starting point to further improve the fatigue resistance of overlay alloys. Here, it is important to note that the fatigue resistance of overlay alloys is improved by the denseness and uniformity of its structure, that simultaneous quaternary plating is not preferable in order to form a quaternary overlay alloy with a dense structure, and that It is known from the above-mentioned US patent that a dense and homogeneous structure can be obtained by diffusing the components. The US patent disclosing the above-mentioned quaternary overlay alloy reveals that the five properties of the overlay alloy are interrelated, as mentioned above, and that the five properties can be comprehensively improved by improving wear resistance in particular. Improving measures were adopted. Furthermore, according to the method of diffusing the components in order to obtain an overlay alloy with excellent fatigue resistance disclosed in the above-mentioned U.S. patent, the plating structure is It is thought that tissue densification is achieved while the micropores inside disappear or shrink. However, since the diffusion method is essentially a heat treatment process,
Due to melting or softening of low melting point metals such as In and Sn,
Coarsening of phases such as In may also occur. In the known diffusion method, the effect of improving fatigue resistance due to disappearance or shrinkage of micropores in the plating structure is greater than the deterioration of fatigue resistance due to coarsening of crystal grains or phases.
It can be said that fatigue resistance has improved overall. (Problems to be Solved by the Invention) The present invention seeks to improve the fatigue resistance resulting from the composition of the quaternary overlay alloy disclosed in the above-mentioned US patent. That is, the present inventors
After intensive research into how the four components of Pb, Sn, In, and Cu affect fatigue resistance and plating structure, we surprisingly found that Cu, a high melting point metal, had the strongest effect. I found it. The present inventors investigated in detail the plating structure of the above-mentioned known quaternary overlay, and found that in addition to the density represented by the size and degree of the micropores, there are two factors: the homogeneity of the metal parts other than the micropores. We found that the properties of the Metsuki tissue can be expressed by its properties. The latter homogeneity can be detected by a secondary electron image of the fractured surface of the plating layer using an electron microscope. however,
This homogeneity cannot be expressed quantitatively depending on the size (more or less), but can only be expressed by comparing the degree of homogeneity by comparing the secondary electron images of the fractured surface. The present inventors investigated the relationship between Cu and the homogeneity of the plating structure, and found that when Cu exceeds 0.05%, the plating structure becomes non-homogeneous, resulting in poor fatigue resistance under severe bearing usage conditions. I found it. (Means for Solving the Problems) The present invention comprises tin of 2 to 20% by weight and 0.05% tin by weight.
The overlay plating alloy has a composition of from 1 to 15% indium, from 0.01 to less than 0.05% copper, with the remainder being lead and impurities. The overlay alloy composition of the present invention will be explained. Tin added to the lead-based overlay alloy of the present invention is an element that primarily imparts corrosion resistance and wear resistance. In lead-tin binary alloys, tin is dispersed in the alloy in metallic form, and this makes it easy for tin to diffuse into the lining layer beneath the overlay, resulting in a disadvantage that the wear resistance decreases with the use of the overlay. There is. However, in the alloy of the present invention in which indium and copper are added, tin has a greater tendency to form intermetallic compounds, and is stabilized to the extent that the above diffusion does not occur, resulting in poor reliability in conformability, corrosion resistance, wear resistance, etc. enhance sexuality. Additionally, tin increases the corrosion resistance of the overlay against certain corrosive organic acids that form in lubricating oils. If the tin content is less than 2%, it is not very effective, while if it exceeds 20%, the hardness of the overlay at high temperatures decreases, causing a problem of decreased performance during use (decreased wear resistance). Note that the preferred tin content is 5 to 10%. Indium increases the chemical corrosion resistance of the overlay to corrosive organic acids in lubricating oils, and also forms intermetallic compounds with tin to stabilize the tin and improve compatibility, as described above. If the indium content is less than 0.05%, there will be no effect, and if it exceeds 15%, the overlay layer will become soft and the abrasion resistance and cavitation and erosion resistance will decrease. This content is preferably 4 to 7%. The most distinctive feature of the present invention is that the structure of the overlay alloy is made dense by containing copper in an amount of less than 0.05% and more than 0.01%. Hereinafter, changes in the structure of the overlay alloy depending on the copper content will be explained with reference to FIGS. 1 to 5. In addition, Figures 1 to 5 are 7
Secondary electron image (magnification) of an overlay alloy of %Sn, 5.5%In, 0~0.015%Cu, balance lead
3000x). 1 to 5 show a fractured surface structure in which a nickel barrier layer and an overlay layer are laminated on Kelmet, and the uppermost layer corresponds to the overlay layer. Cu=0% (Figure 1) and Cu=0.15
% (Figure 5), the overlay layer is Cu0.01%
(Figure 2), Cu0.03% (Figure 3) and Cu0.04%
Compared to the case shown in FIG. 4, the filling state of the metal particles is coarser. On the other hand, in the overlay layer shown in FIGS. 2 to 4, in which the metal particles are densely packed, the grain boundaries of the electrodeposited grains are relatively clearly arranged. As mentioned above, a homogeneous structure cannot be obtained either when the copper content in the overlay alloy is zero or high (0.15%). Corresponding to such structural changes, if the copper content is less than 0.01%, the wear resistance will be low, while if the copper content is 0.05% or more, the fatigue resistance will be insufficient. Therefore, the copper content of the overlay alloy of the present invention was set to less than 0.01% to 0.05%. In the quaternary overlay alloy of the present invention, by determining the composition as described above, a homogeneous structure is formed in the plating state to improve fatigue resistance, and the wear resistance is also improved by the action of a small amount of Cu. It has characteristics. These characteristics of overlay alloys are manifested in improved bearing performance, such as less wear and less fatigue in high-speed, high-load internal combustion engines, compared to conventional quaternary overlay alloys. (Function) The inventors of the present invention obtained the following findings by observing secondary electron images of bearings after using them under various conditions. In other words, we found that in overlays with a Cu content of less than 0.05% and a homogeneous plating structure, the diffusion of Sn into the bearing alloy during bearing use becomes inactive. As is well known, in order to prevent the above-mentioned diffusion of Sn
Although a Ni barrier is used, it is a new finding that Sn diffusion is suppressed by the overlay structure itself. Therefore, the present inventors assumed that the plating structure became homogeneous, making it difficult for Sn to move, but as a result of experiments using various equipment including EPMA, it was found that Cu was 0.01% to 0.05% (less than 0.05%). It is assumed that if there is Sn, Sn will be captured by Cu and difficult to diffuse, which is a strong cause of suppressing Sn diffusion. From the above, Cu from 0.01 to 0.05% (less than)
Considering the effect of improving fatigue resistance and wear resistance by using (b) Fatigue resistance improves because the plating structure becomes homogeneous within the above-mentioned Cu content range. (b) Sn is captured by Cu in the above Cu range, improving fatigue resistance. On the other hand, Cu content is 0.05%
If the amount exceeds that amount, the amount of Sn captured by Cu becomes too large, and the inherent corrosion resistance improvement effect of Sn is lost, resulting in a ripple effect of lowering fatigue resistance. (c) When Cu exceeds 0.05%, the density of the plating structure is impaired, minute pores become numerous or large, the strength of the overlay decreases, and the fatigue resistance decreases as a result. Cu content from 0.01% to 0.05%
When Cu increases, the density is similarly impaired, but Cu
In the range of =0.01% to 0.05% (less than), the ripple effect of strength reduction on fatigue resistance is small. (d) The influence of Cu on wear resistance does not change even if Sn is captured. That is, Cu and Sn have a relative capture relationship, and Cu captured by Sn is effective in improving wear resistance. The corrosion resistance mentioned in section (b) above is rather an electrochemical phenomenon;
Wear resistance is more of a mechanical phenomenon, and the features of the two can be expressed in contrast.
There may be a difference in the effects of Sn and Cu as described above. Therefore, when Cu is added in an amount of 0.01% or more, the wear resistance of the overlay is improved. Micro-alloying (micro-
To show the effect of alloyed Cu, below:
The influence of Cu content on fatigue resistance and wear resistance will be explained with reference to Table 1 showing the experimental results of the present inventor. In Table 1, fatigue condition A is a repeated load
The general conditions are 200Kg/cm 2 , rotation speed 5600rpm, and test time 10Hr, and fatigue condition B is 300Kg/cm 2 repeatedly.
The rotation speed is 7300 rpm, the test time is 10 Hr, and the fatigue condition C indicates the severe conditions of 300 Kg/cm 2 repetition, the rotation speed is 7300 rpm, and the test time is 100 Hr, and both are fatigue resistance test conditions that were conducted using an actual engine test. shows. In addition, the lubricant used in all conditions is SAE
Equivalent to #30, the oil temperature was 120℃. Also, ◎, 〇,
△ and × are both indications of observation results of the slip surface of the overlay alloy, and are respectively good (◎),
Indicates locally slight fatigue or drag (○), slight fatigue surface detection (△), and significant fatigue and drag surface detection (×). The wear test conditions were as follows. (a) Testing machine - Soda type dynamic load tester (b) Rotation speed - 2000rpm (c) Surface pressure - 130±130Kg/cm 2 (d) Time - 1.5 hours (e) Lubricating oil used - SAE#30 ( F) Oil temperature -120℃ (G) Mating shaft - S55C circular rod (H) Kelmet - Composition - Pb-Sn-Cu (thickness
(0.25μm) (li) Ni barrier layer - 2.5μm The composition of the overlay alloy other than Cu is Sn7%, In5
%, and the thickness was 15 μm.

【表】 第1表より、疲労条件が苛酷でない場合(A)は
Cu含有量はオーバレイの耐疲労性にほとんど影
響を与えないが、苛酷な条件(B)および(C)下では
Cu含有量が0.5%を越えると耐疲労性が著しく劣
化することが分かる。 Cuの耐摩耗性に及ぼす影響はCu含有量が0.01
%を超えるとほとんどなくなつている。一方、耐
摩耗性が同等でも配断面組織が劣るCu0.1%以上
では耐疲労性が低下している。Cu含有量が0.01%
の場合は耐摩耗性はあま良くないが、良好な耐疲
労性が得られている。 上述のように、本発明者等はEPMAなどを用
いて、微量合金化されたCuはSnの拡散を抑制し、
これがCuの最も有力な耐疲労性向上作用である
と考えている。なお、メツキ組織の均質性・緻密
性も直接的間接的に耐疲労性に影響を与えるの
で、以下この点を説明する。 第1表と第1図−第5図を照合して考察する
と、Cuの耐摩耗性に及ぼす影響は組成依存的で
あり、一定量(0.01%)以上になると耐摩耗性に
すぐれた合金が得られるので、Cu含有量の影は
少なくなつていると言える。別の観点からする
と、耐摩耗性はオーバレイ断面全体よりもむしろ
相手材と接しているその表面硬さに、より支配的
に影響され、そしてオーバレイ表面硬さは表面に
Cuが存在しているとその硬化作用による耐摩耗
性向上が生じる。 一方、耐疲労性はCu含有量が微少量(0.005%)
以上あると耐摩耗性による影響よりも、Cu自体
の直接的影響を受け易くなる。例えばCu=0.01%
では耐摩耗性はあまりよくない(3mg)が、オー
バレイの組織が均質であり、しかもオーバレイと
Niバリヤー間も密着している(第2図)ので、
耐摩耗性不良にもかかわらず耐疲労性は良好にな
つている(第1表◎印)。そしてCuがさらに増加
してCu=0.04%になると耐摩耗性は良くなる(1
mg)が、耐疲労性は〇印(条件B)となり低下傾
向が見られる。これは、第4図(0.04%)の傾向
より分かるように、Cuが0.05%近くなると、オー
バレイ中に微小空孔が発生しさらにオーバレイと
Niバリヤー間にも、メツキ欠陥と思われる部分
が発生しているために、このような空孔、欠陥等
が疲労の起点になることによるものと推定され
る。Cu含有量がさらに多くなると(0.05〜1%
Cu)、第5図の如き粗い組織がさらに顕著になつ
て、オーバレイ全体が粗い粒子がルーズに結合し
た状態になつて、オーバレイ全体が疲労の起点に
なると考えられる。これらの傾向は条件(C)で著し
い。 もつとも、上述の如き疲労は、条件が緩い場合
(条件A)は、メツキ組織に敏感ではなくなる。 本願発明は上述の如き知見および考察に基づい
てCuを0.01〜0.05%未満とした四元オーバレイメ
ツキ合金を提供したことを最大の特徴とするもの
である。 さらに、本発明の特徴は上述の2〜20%Sn、
0.05〜15%Inなる組成も耐疲労性向上の観点から
定められている点にある。Sn含有量が20%を越
えると四元オーバレイ合金の組織が粗くなりかつ
高温強度が低下し、また2%未満であるとその耐
食性が低下し、何れの場合も耐疲労性低下を招
く。またIn含有量が0.05%未満であると耐食性が
低下し、15%を超えると組織が粗くなり且つ高温
強度が低下するために、何れの場合も四元オーバ
レイメツキ合金の耐疲労性が低下する。 本発明に係るオーバレイ合金の製法を以下説明
する。上記米国特許第4309064号により公知のホ
ウフツ化鉛150〜200g/、ホウフツ化スズ5〜
15g/、ホウフツ化銅1〜3g/、ゼラチン約
2g/、ハイドロキノン約2g/のメツキ浴を
使用して、メツキ時間を調節してメツキを行うと
Cu含有量が異なるPb−Sn−低Cuの三元メツキが
形成される。同様に公知のフラツシユメツキ、ま
たはシアンアルカリ浴によりインジウムメツキを
行い、最後にIn層とPb−Sn−Cu層間の拡散を行
う。オーバレイの厚さは使用条件により2〜
30μmとする。拡散温度条件および時間、フラツ
シユメツキ、アルカリメツキ浴組成その他の条件
は上記米国特許第4309064号にて公知のものを用
いることができる。 (実施例) 以下、耐疲労性が最良となるCu=0.03%で、
SnおよびIn含有量を変化させた四元オーバレイ
合金の疲労特性を調べた実施例を説明する。 試験条件は試料1〜22について前述の条件Bで
試験時間を10、50、200時間と変化させ、試料23
〜29は条件D(試験時間50Hr、油温140℃、その
他条件Aと同じ)で測定した。 試験結果を第2表に示す。
[Table] From Table 1, if the fatigue conditions are not severe (A),
The Cu content has little effect on the fatigue resistance of the overlay, but under severe conditions (B) and (C)
It can be seen that fatigue resistance deteriorates significantly when the Cu content exceeds 0.5%. The effect of Cu on wear resistance is that the Cu content is 0.01
When it exceeds %, it almost disappears. On the other hand, fatigue resistance decreases with Cu of 0.1% or more, which has an inferior cross-sectional structure even if the wear resistance is the same. Cu content is 0.01%
In the case of , wear resistance is not so good, but good fatigue resistance is obtained. As mentioned above, the present inventors used EPMA etc. to suppress the diffusion of Sn, and the micro-alloyed Cu suppresses the diffusion of Sn.
We believe that this is the most powerful effect of Cu on improving fatigue resistance. Note that the homogeneity and density of the plating structure also directly and indirectly affect the fatigue resistance, so this point will be explained below. Comparing and considering Table 1 and Figures 1 to 5, we can see that the effect of Cu on wear resistance is composition dependent, and when the amount exceeds a certain amount (0.01%), an alloy with excellent wear resistance becomes Therefore, it can be said that the shadow of the Cu content has diminished. From another point of view, the wear resistance is more dominantly influenced by its surface hardness in contact with the mating material than by the entire overlay cross section, and the overlay surface hardness is influenced by the surface hardness of the overlay.
The presence of Cu improves wear resistance due to its hardening effect. On the other hand, fatigue resistance is due to the very small amount of Cu content (0.005%).
If this is the case, the direct effect of Cu itself will be more likely than the effect of wear resistance. For example, Cu=0.01%
Although the wear resistance is not very good (3 mg), the overlay structure is homogeneous, and
Since the Ni barriers are also in close contact (Figure 2),
Despite poor wear resistance, fatigue resistance is good (marked with ◎ in Table 1). When Cu further increases to Cu=0.04%, wear resistance improves (1
mg), but the fatigue resistance is marked with a circle (condition B), showing a decreasing tendency. As can be seen from the trend in Figure 4 (0.04%), when Cu approaches 0.05%, micropores are generated in the overlay and the overlay is further reduced.
Since areas that appear to be plating defects also occur between the Ni barriers, it is presumed that such pores, defects, etc. are the starting point of fatigue. When the Cu content increases further (0.05-1%
Cu), the coarse structure as shown in FIG. 5 becomes more prominent, and the entire overlay becomes a state in which coarse particles are loosely combined, and it is thought that the entire overlay becomes the starting point of fatigue. These trends are remarkable in condition (C). However, the above-mentioned fatigue becomes less sensitive to the plating structure when the conditions are mild (condition A). The greatest feature of the present invention is that it provides a quaternary overlay plating alloy with Cu content of less than 0.01 to 0.05% based on the above-mentioned findings and considerations. Furthermore, the feature of the present invention is the above-mentioned 2 to 20% Sn,
The composition of 0.05 to 15% In is also determined from the viewpoint of improving fatigue resistance. When the Sn content exceeds 20%, the structure of the quaternary overlay alloy becomes coarse and the high temperature strength decreases, and when it is less than 2%, its corrosion resistance decreases, and in either case, the fatigue resistance decreases. Furthermore, if the In content is less than 0.05%, the corrosion resistance will decrease, and if it exceeds 15%, the structure will become coarse and the high temperature strength will decrease, so in either case, the fatigue resistance of the quaternary overlay plating alloy will decrease. . A method for manufacturing an overlay alloy according to the present invention will be described below. Lead borofluoride 150-200 g/, tin borofluoride 5-5 as known from the above US Pat. No. 4,309,064
When plating is performed by adjusting the plating time using a plating bath containing 15g/, copper borofluoride 1-3g/, gelatin about 2g/, and hydroquinone about 2g/
Pb-Sn-low Cu ternary plating with different Cu contents is formed. Similarly, indium plating is performed using known flash plating or a cyan alkali bath, and finally, diffusion is performed between the In layer and the Pb--Sn--Cu layer. The thickness of the overlay varies from 2 to 2 depending on the usage conditions.
Set to 30 μm. As for the diffusion temperature conditions and time, flash plating, alkali plating bath composition and other conditions, those known in the above-mentioned US Pat. No. 4,309,064 can be used. (Example) Below, the fatigue resistance is the best at Cu = 0.03%,
Examples will be described in which the fatigue properties of quaternary overlay alloys with varying Sn and In contents were investigated. The test conditions were the above-mentioned condition B for samples 1 to 22, with the test time varied to 10, 50, and 200 hours, and sample 23
-29 was measured under condition D (test time 50 hours, oil temperature 140°C, other conditions same as condition A). The test results are shown in Table 2.

【表】【table】

【表】 第2表において、No.13、14およびNo.27〜29の比
較例のオーバレイ合金は耐疲労性が不良である。
またSn含有量が2〜20%、好ましくは5〜10%、
特に5.5〜9%である場合にオーバレイ合金の耐
疲労性が良好になることが分かる。このSnの含
有量範囲では、Cuにより捕捉されたSnと捕捉さ
れないSnの量比率が好ましいバランスになつて
いると考えられる。 実施例 2 Pb−Sn−Cuケルメツト(厚さ0.25mm)の上に
厚さ2.5μmのNiバリヤー層および厚さ15μmのオ
ーバレイを形成した。オーバレイの組成は7%
Sn、5%In、第3表に示す百分率のCu、残部鉛
であつた。 上記ケルメツト、Niバリヤー層およびオーバ
レイを有する軸受を前記苛酷なB、C条件による
実機エンジン試験に供した。
[Table] In Table 2, the overlay alloys of Comparative Examples Nos. 13, 14, and Nos. 27 to 29 have poor fatigue resistance.
In addition, the Sn content is 2 to 20%, preferably 5 to 10%,
It can be seen that the fatigue resistance of the overlay alloy is particularly good when the content is 5.5 to 9%. In this Sn content range, the ratio of Sn captured by Cu to Sn not captured by Cu is considered to be in a favorable balance. Example 2 A 2.5 μm thick Ni barrier layer and a 15 μm thick overlay were formed on Pb-Sn-Cu Kelmet (0.25 mm thick). Overlay composition is 7%
The composition consisted of Sn, 5% In, Cu in the percentage shown in Table 3, and the balance lead. The bearing having the Kelmet, Ni barrier layer, and overlay was subjected to an actual engine test under the severe conditions B and C.

【表】 第3表において、破面組織は、実機エンジン試
験前にオーバレイの破面を電子顕微鏡で観察した
結果を、第1図−第5図の説明と同様の条件で評
価したものである。表面状態は試験後軸受をエン
ジンから取り外してオーバレイのすべり面を観察
したものであつて、〇印は局部的なわずかな疲労
発生、△印は全面的にわずかな疲労発生、×印は
疲労発生程度大をそれぞれ示す。摩耗量は条件B
での試験前後の重量差測定による。 第3表より、本発明によると、従来の三元系オ
ーバレイ(Cu=0%)より耐摩耗性がすぐれ、
また従来の四元系オーバレイ(Cu=0.15%)と同
等の耐摩耗性を有し、耐疲労性がすぐれたオーバ
レイが得られることが分かる。 (効 果) 本発明によると、高回転・高負荷の内燃機関に
おいて従来の四元オーバレイメツキ合金と同等以
上の耐摩耗性を有しまた従来の四元オーバレイメ
ツキ合金よりすぐれた耐疲労性を有するオーバレ
イ合金が提供される。
[Table] In Table 3, the fracture surface structure is the result of observing the fracture surface of the overlay with an electron microscope before the actual engine test, and evaluated under the same conditions as explained in Figures 1 to 5. . The surface condition was obtained by removing the bearing from the engine after the test and observing the sliding surface of the overlay. 〇 indicates slight localized fatigue, △ indicates slight fatigue throughout, and × indicates fatigue occurred. The degree of severity is indicated respectively. Wear amount is condition B
By measuring the difference in weight before and after the test. From Table 3, according to the present invention, the wear resistance is superior to that of the conventional ternary overlay (Cu = 0%).
It can also be seen that an overlay with wear resistance equivalent to that of the conventional quaternary overlay (Cu = 0.15%) and excellent fatigue resistance can be obtained. (Effects) According to the present invention, it has wear resistance equal to or higher than conventional quaternary overlay plating alloys in high-speed, high-load internal combustion engines, and has superior fatigue resistance than conventional quaternary overlay plating alloys. An overlay alloy is provided having.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図−第5図はケルメツト上にニツケルバリ
ヤー層およびオーバレイ層が積層された軸受の金
属顕微鏡写真(倍率3000倍)であつて、それぞれ
のオーバレイ合金のCu含有量は、0%(第1
図)、0.01%(第2図)、0.03%(第3図)、0.04%
(第4図)、および0.15%(第5図)である。
Figures 1 to 5 are metallurgical micrographs (3000x magnification) of bearings in which a nickel barrier layer and an overlay layer are laminated on Kelmet, and the Cu content of each overlay alloy is 0% (the first
Figure), 0.01% (Figure 2), 0.03% (Figure 3), 0.04%
(Figure 4) and 0.15% (Figure 5).

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 重量で2ないし20%のスズと、0.05ないし15
%のインジウムと、0.01ないし0.05%未満の銅、
とを含み、残部が鉛と不純物とからなるオーバレ
イ用メツキ合金。 2 スズ含有量が5ないし10%である特許請求の
範囲第1項記載のオーバレイ用メツキ合金。 3 インジウム含有量が4ないし7%である特許
請求の範囲第1項記載のオーバレイ用メツキ合
金。
[Claims] 1. 2 to 20% tin by weight and 0.05 to 15% tin
% indium and 0.01 to less than 0.05% copper,
An overlay metal alloy containing lead and impurities. 2. The plating alloy for overlay according to claim 1, wherein the tin content is 5 to 10%. 3. The plating alloy for overlay according to claim 1, wherein the indium content is 4 to 7%.
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