JPH0247232A - アルミニウム系軸受合金 - Google Patents

アルミニウム系軸受合金

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JPH0247232A
JPH0247232A JP63195915A JP19591588A JPH0247232A JP H0247232 A JPH0247232 A JP H0247232A JP 63195915 A JP63195915 A JP 63195915A JP 19591588 A JP19591588 A JP 19591588A JP H0247232 A JPH0247232 A JP H0247232A
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Hiroe Okawa
広衛 大川
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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】 【発明の目的】
(産業上の利用分野) この発明は、自動車、産業機械、農業機械等の各種機械
装置の構造部品として使用される軸受ならびに摺動部材
用の素材として適する軸受台金に関し、とくに銅系の軸
受材料に比べて軽量であってしかも耐疲労性、耐焼付性
にすぐれたアルミニウム系の軸受台金に関するものであ
る。 (従来の技術) 従来、すべり軸受の素材として用いられる合金には、C
u−Pb系、バビット系等が使用目的などに応じて使用
されているが、近年、とくに内燃機関用の軸受台金とし
ては、耐熱耐摩耗性、耐腐食性、耐疲労性等の面からA
n系の軸受台金が注目されている。なかでも、AfL−
3n系、AJI−5n−Pb系の軸受台金は上記性能の
面で他の材質のものに比べてかなりすぐれているため、
最近に至り急速にその使用量が増加している。 しかしながら、内燃機関の小型化による軸受幅の減少、
高出力化に伴う軸受負荷の増大等の内燃機関の高性能化
により、軸受に課せられる要求はさらに強まり、とりわ
け耐疲労性の点、すなわち軸受台金の亀裂あるいは鋼裏
金からの局部的剥離を抑制すべく改善が望まれているの
が現状である。 このような内燃機関の高性能化に対応できAl系の軸受
台金の一例として、本出願人は特開昭62−13025
3号公報に示すようなAfL−Pb−3n系のアトマイ
ズ合金粉末に押出加工を加えることにより、高い疲労強
度と優れた潤滑性とを合わせ持たせた新しいタイプの軸
受台金を開発した。 このアルミニウム系軸受合金は、Alを主成分とし、潤
滑成分としてPb、Sn、In、Sb。 Biよりなる群から選ばれた1種以上の金属をAMマト
リックスに対する断面積比で0.04超過0.07以下
、硬質成分としてSiを同じく断面積比で0.01以上
0.17以下、強化成分としてCu、Cr、Mg、Mn
、Ni 、Zn、Feよりなる群から選ばれた1種以上
の金属を0.2〜5.0重量%含み、必要に応じて微細
化成分としてTi 、B、Zr、V、Ga、REM(S
c。 Yを含む希土類元素の1種以上)よりなる群から選ばれ
た1種以上の金属を全合金に対して0.01〜3.0重
量%含み、均一微細に分散した潤滑成分の大きさが8g
m以下である合金粉末から成形したビレットを押出比1
0以上で押出成形して成り、AfLマトリックス中に分
散したSi粒子の大きさが12pm以下、とくに望まし
くは6〜12ルm、常温での引張強さが12Kgf/m
m2以上、常温での伸びが11%以上であることを特徴
としており、Al系の軸受台金そのものとして使用した
り、該軸受台金を鋼板等と直接、あるいはAl;L、N
i等の密着層を介して接合した軸受として使用したりす
ることを特徴としているものである。 また、このようなアルミニウム系軸受合金の製造方法に
おいては、Al−8〜12重量%Pb−0,4〜1.8
重量%5n−1,0〜15重量%5i−0,2〜5.0
重量%(Cu、Cr。 Mg 、Mn 、Ni 、Zn 、Feの1種以上)の
合金粉末を350〜550℃で加熱処理を施してSi粒
子を6〜12pmに成長させた後、Al−潤滑成分(P
b、Sn、In、Sb、Biの1種以上)−硬質成分(
St)−強化成分(Cu。 Cr 、Mg 、Mn 、Ni 、Zn 、Feの1種
以上)合金粉末を前記成分範囲となるようにして混合し
、さらに該混合粉末をビレットに成形した後該ビレット
を押出比10以上で押出成形するようにしたことを特徴
としているものである。 そして、上記したアルミニウム系軸受合金のなかでも、
潤滑成分として、潤滑性、耐熱耐摩耗性、親油性、耐腐
食性に優れたPbを多量に添加することが1合金金体の
高い疲労強度と優れた潤滑性を実現するという点からも
望ましいが、合金中のPb添加量が12重量%を超過す
ると、実用的な溶湯温度域から得られるアトマイズ粉末
では、Pb相の粗大化、偏析が生じるとともに、重力偏
析により材料間のPb含有量にばらつきが生じるため、
軸受合金の添加成分として用いた場合には、粗大なPb
相の存在により疲労強度が低下するほか、Pb含有量が
異なるために、耐焼付性が極端に劣る軸受台金(あるい
はその部分)や、耐疲労性が極端に劣る軸受合金(ある
いはその部分)が発生するという問題点が生じた。 したがって、上記したアルミニウム系軸受合金において
も潤滑成分を均一微細に分散させるという点から、アル
ミニウム合金中のPbの添加量については12重量%以
下に限定されていた。 一方、Pbをアルミニウム合金中には添加せず、単独粉
末として添加・混合する手法も考えられるが、押出のた
めの加熱時にPbの液相が粉末粒間にしみ出し、12重
量%を超過するPbを添加した場合にはPb粉末同士が
結びついてPb相が粗大になるだけでなく、押出欠陥が
発生するため、軸受台金に加工することは極めて困難で
あるという問題点があった。 そこで、本出願人は、このような問題点に着目して、特
願昭62−23469号明細書に示すような、潤滑成分
のうちのPbの一部を単独の純Pb粉末としてこれをア
ルミニウム合金粉末中に混合し、この混合粉末をビレッ
トに成形して該ビレットを押出比10以上で押出成形す
ることにより、Pbを均一かつ多量に添加することを可
能とし、従来よりも特に耐焼付性においてすぐれたアル
ミニウム系軸受合金をさらに開発した。 このアルミニウム系軸受合金は、AfLを主成分とし、
潤滑成分としてPb、Sn、In、Sb。 Biよりなる群から選ばれた1種以上の金属をAnマト
リックスに対する断面積比で0.03以上0.07以下
、硬質成分としてSiを同じく断面積比で0.01以上
0.17以下、強化成分としてCu、Cr、Mg、Mn
、Ni、Zn。 Feよりなる群から選ばれた1種以上の金属を0.2〜
5.0重量%、必要に応じて、微細化成分としてTi 
、B、Zr、V、Ga、REM(Sc、Yを含む希土類
元素の1種以上)よりなる群から選ばれた1種以上の金
属を0.01〜3.0重量%を含み、均一微細に分散し
た潤滑成分の大きさが8gm以下であるアルミニウム合
金粉末に、12重量%以下(0を含まず)のPb粉末を
添加・混合した混合粉末から成形したビレットを押出比
10以上で押出成形してなり、Anマトリックス中に分
散したSi粒子の大きさが12pm以下、常温での引張
強さが12Kgf/m12以上、常温での伸びが13%
以上であることを特徴とするものである。 (発明が解決しようとする課題) しかしながら、上記したアルミニウム系軸受合金におい
ても、特にPb添加量が多い場合には、押出材の材料歩
留りが低くなると共に軸受の表面性能1強度がばらつく
ため、Pb粒粉末添加したことによる耐焼付性と耐疲労
性の向上代が少ないという課題があった。 (発明の目的) そこで、本出願人は、耐焼付性と耐疲労性という二律背
反的な特性の両方共が従来にない高い水準をもつ優れた
特性の軽量軸受合金を得るためにさらに研究・実験を積
重ねた結果、優れた潤滑性能と高い疲労強度とを安定的
に得るためには、潤滑成分元素の種類と添加量およびそ
の分散状態をさらに限定する必要があることがわかった
。 すなわち、この発明は、このような知見にもとづいてな
されたもので、潤滑成分元素の種類とその添加範囲を限
定するとともに押出条件を特定することで、添加したP
b粉末を摺動面上で円形に近い形状で分布させると共に
この摺動面においてPbおよびPb合金相の大きさを制
限することにより高い耐疲労性と共に従来よりも特に優
れた耐焼付性を有するアルミニウム系軸受合金を提供す
ることを目的としている。
【発明の構成】
(課題を解決するための手段) この発明によるアルミニウム系軸受合金は、AMを主成
分とし、潤滑成分としてPbを3〜15重量%およびS
nを5重量%以下のうちの1種または2種、硬質成分と
してStを1〜12重量%、強化成分としてCu、Cr
、Mg、Mn。 Ni、Zn、Feのうちから選ばれる1種または2種以
上の金属を0.2〜5.0重量%、必要に応じて微細化
成分としてTi 、B、Zr、V。 Ga、REMのうちから選ばれる1種または2種以上の
金属を0.01〜3.0重量%含有したアルミニウム合
金粉末に3〜12重量%のPb粉末を添加・混合した粉
末から成形したビレットを押出比40以上で押出成形し
てなり、Anマトリックス中に分散したSi粒子の大き
さが12μm以下、Pb粉末として添加したPb粒子の
半数以上が摺動面において円形度係数[=4πX物体の
面積/(物体の周囲長)2で算出される値]が0.74
以上で分散している構成としたことを特徴としており、
特に高い耐疲労性を要求する部品に用いる場合は、当該
摺動面において平均粒径50gm以下のPb相およびP
b合金相がすべてのPb相およびPb合金相に対して面
積率で85%以上を占めている構成としたことを特徴と
しており、このようなアルミニウム系軸受合金の構成を
上述した従来の課題を解決するための手段としたもので
ある。 前述したように、Pbを多量に含むA!;L−Pb系粉
末押出材においてPbがすべてアルミニウム合金粉末中
に含有される場合、実用的な溶湯温度域から得られるア
トマイズ粉末では、Pb相の粗大化、偏析が生じると共
に、材料間のPb含有量にばらつきが生じるという問題
がある。 一方、Pbをすべて単独粉末としてアルミニウム合金粉
末に混合させる場合、押出のための加熱時にPbの液相
が粉末粒子間にしみ出して押出性を低下させると共に、
Pb粉末同士が結びついてPb相が粗大になるという問
題がある。 これに対し、この発明によるアルミニウム系軸受合金で
は、アルミニウム合金粉末中に含有されるPbの量を実
用的な溶湯温度域から得られるアトマイズ粉末中に、こ
の後に押出比をより大きくすることも考慮して、Pb相
を均一・微細に分散させることが可能な範囲に限定し、
その他の単独粉末としてのPb粒粉末押出性を低下させ
ず且つPb相が粗大化しない量だけ別途添加・混合させ
たものであり、すべてのPbをアルミニウム合金粉末中
に含有させた場合の問題点、およびすべてをPb単独粉
末として別途添加・混合させた場合の問題点を生じるこ
となく、Pbの多量添加を可能にし、ざらに押出条件を
選定することにより添加したPb粒粉末摺動面で円形に
近い形状で分布させると共により優れた耐疲労性が得ら
れるように当該摺動面においてPb相およびPb合金相
の大きさを制限するようにしたものである。 以下、この発明によるアルミニウム系軸受合金の成分お
よび数値の限定理由について説明する。 (1)まず、アルミニウム合金粉末中に含まれる各元素
について説明する。 (1)−■Pb:3〜15重量%およびSn:5重量%
以下のうちの1種または2種 PbおよびSnはともに潤滑成分として有効であり、耐
焼付性の点ではSnよりもPbの方が優れている。 しかし、Pbの量が3重量%未満の場合は耐焼付性およ
び異物埋収性が劣り、15重量%を超えるとマトリック
スの疲労強度不足となり、耐荷重性の点で軸受性能を満
足できなくなる。また、アルミニウム合金粉末中のPb
4が12重量%を超えると実用的な溶湯温度域から得ら
れる7トマイズ粉末中のPb相が粗大化、偏析を生じ、
押出比を大きくとったときでもこの影響が顕著になるこ
とがあるため、望ましくは12重量%以下とするのがよ
い。 他方、SnもPbと同様に潤滑成分として有効であり、
Pbの耐腐食性を改善する効果もある。 しかし、Snが5重量%を超えるとマトリックスの疲労
強度不足となり、押出時には液相となって溶は出し、押
出欠陥を発生させるため5重量%以下とした。 (I)−■5ill〜12gL量% Stは硬質成分として添加するものであり、共晶Siま
たは初晶SiとしてAnマトリックス中に分散し、硬質
物質として軸受強度の向上および耐摩耗性の向上に寄与
するが、Siの量が1重量%未満では添加した効果が少
なく、12重量%を超えるともろくなり、加工性を阻害
するので、1〜12重量%の範囲とした。 また、押出成形後にAnマトリックス中に分散したSi
粒子径については、12μmを超えると相手材を傷つけ
やすくなり、分散の面密度が低下し、耐摩耗性が劣化す
るので、12μm以下とするのがよい。 なお、特開昭62−130253号公報に開示された第
2の製造法のように、Si粒子径が6〜12ILmであ
るAM−8〜30重量%Siアトマイズ合金粉末の形で
Siを添加しても問題はない。 (1)−■Cu、Cr、Mg、Mn、Ni。 Zn、Feのうちから選ばれる1種または2種以上の金
属二0.2〜5.0重量% Cu、Cr、Mg、Mn、Ni 、Zn、FeはA見マ
トリックスの強度を高めるのに有効な成分である、これ
らのうちCuはクリープ強度すなわち高温軟化抵抗を高
める主要な元素であり、高温摺動下における耐疲労性の
向上に寄与する。しかし、0.2重量%未満では上記し
た効果が少なく、5.0重量%を超えると針状のCuA
l2化合物が多量に析出して脆くなり、耐疲労性の低下
を招く、また、Cu以外にAnマトリックスの強度を高
める元素として、Cr、Mg、Mn。 Ni、Zn、Feがあり、これらはA1合金展伸材の添
加元素としてよく使用されるもので、Cuを含むこれら
の元素の1種または2種以上を0.2〜5.0重量%の
範囲で添加してもよい。 CI)  −■Ti  、B、Zr、V、Ga、REM
(Y、Scを含む希土類元素)の1種または2種以上:
0.01〜3.0重量% Ti 、B、Zr、V、Ga、REMは、A1合金の結
晶粒微細化剤として有効であり、この発明の主旨である
潤滑成分(軟質物質)の均一微細化を助長するものとし
て、必要に応じてo、oi重i12%以上3.0重量%
以下の範囲で添加することも望ましく、特許請求の範囲
に記載されたアルミニウム合金粉末にこれらの結晶粒微
細化剤を添加することはこの発明に含まれるものである
。 (II)次に、単独粉末として添加O混合するPb粗粉
末ついて説明する。 (n)−■ 単独粉末として含まれるPbは、前記アルミニウム合金
粉末中の潤滑成分と同様に耐焼付性にすぐれ、親油性、
耐腐食性においてもすぐれている。しかし、単独粉末と
して添加・混合するPb粗粉末量が3重量%未満では添
加した効果が少なく、12重量%を超過すると、押出の
ための加熱時にPbの液相が粉末粒子間にしみ出して押
出性を低下させると共に、Pb粉末同士が結びついてP
b相が粗大になるため好ましくない。 なお、単独粉末として添加番混合するPbの粒径につい
ては、押出加工により分断されて細かくなるが、アルミ
ニウム合金粉末中のPbと同程度に微細にするためには
300メツシユ以下のものを用いることが望ましい。 (III)続いて、Pb相あるいはPb合金相の分散状
態について説明する。 口り一■軸受合金中のPb相が楕円状あるいは片状に分
布していると、円形に近い形状で分布した場合に比べ、
軸受メタルとシャフトとが片当りなどの局所的な接触を
起こした場合にその接触面にPb相が存在していない確
率が高くなり、耐焼付性が低くなる、またPb相の長手
方向に垂直な荷重に対する強度が特に低くなり、耐疲労
性にも劣る。さらに、各軸受メタルごとのPbの分布量
が異なり、性能がばらつくという点でも劣る。 そして、本出願人の実験によれば、Pb粗粉末して添加
したPb粒子の半数以上が、摺動面において、[4π×
(物体の面積)/(物体の周囲長)2」で表わされる円
形度係数が0.74以上である場合に、耐焼付性、耐疲
労性ともに優れ、そのばらつきも小さいことが確認され
た。 (III)−■また、円形に近い形状で分布したPb相
およびPb合金相が大きすぎると疲労強度を低下させる
ため、特に高い疲労強度が要求される場合には、摺動面
において、平均粒径50ILm以下のPb相およびPb
合金相が、すべてのPb相およびPb合金相に対して面
積率で85%以上を占めているようにすることが必要で
ある。 (IV)次に、押出成形について説明する。 (IV)−■前記アルミニウム合金粉末にPb粗粉末添
加・混合した混合粉末を成形体(ビレット〕に成形した
後、当該混合粉末成形体に対する押出比については、押
出比が40未満であると、Pb粗粉末して添加したPb
粒子が摺動面上で円形に近い形状で分布できなくなる。 また、押出比が小さい場合には内部クラックおよび表面
割れなどの押出欠陥が発生するため、押出比40以上と
した。 なお、押出温度についても同じ理由で450℃以下とす
るのが望ましい。 (実施例) 次に、本発明の実施例を比較例と共に説明する。 ここで使用した合金粉末組成を第1表に示す。 まず、No、  1−No、 23に示す合金組成のA
nアトマイズ合金粉末を1100℃のアルミニウム合金
溶湯からエアーアトマイズ法によってそれぞれ得た。た
だし、No、18のAnアトマイズ合金粉末については
、アルミニウム合金粉末の中にPb 、Snが主成分と
なった偏析粉が多数混在していた。 次いで、このAiアトマイズ合金粉末に同じく第1表に
示す粒度および混合割合のPb粒粉末添加・混合し、該
混合粉末を直径200mm、長さ150mmの円柱形状
に2.0tonf/cm2の圧力で圧粉成形してビレッ
トとし、このビレットを純アルミニウム板で被覆しなが
ら押出加工して、厚さ3mm、幅105mmの板状押出
成形体を得た。この押出時のビレット加熱温度は、No
、 20 、 No、 21が470°C1その他はす
べて400℃とした。 なお、No、18はアルミニウム合金粉末中のPbiが
多いため、またNo、14は添加・混合するPblが多
いため、そしてまたNo、16はアルミニウム合金粉末
中のSn量が多いため、いずれも押出材の表面および端
部に割れなどの欠陥が発生し、実用的な押出成形体は得
られなかった。 また、No、24については、Anアトマイズ合金粉末
として一150メツシュのAl−4重量%5i−1,0
0重量%Cu合金粉末とPb粒粉末して1b−30重量
%Sn粉末とを84:16の割合で混合し、この混合粉
末を直径200mm。 長さ150mmの円柱形状に2.0tonf/cm2の
圧力で圧粉成形してビレットとし、このビレットを純ア
ルミニウム板で被覆しながら、ビレット加熱温度380
℃にて押出加工して、厚さ25mm、11@100mm
の板状押出成形体を得た。 摩擦試験 健全な板状押出材が得られた本発明合金(No。 1−12)および比較合金(No、13.15゜17.
19〜24)の押出成形体に数回の圧延を施した後、幅
35m、長さ35mm、厚さ1.5mmの供試材を切り
出した。 なお、比較合金No、24については、圧延途中、厚さ
10mmと4mmになった段階で300’CX5時間の
中間焼鈍を行い、供試材の切り出しの前には350℃×
5時間の最終焼鈍を行った。 また、その他の合金については、最終焼鈍のみを行った
。 また、No、15については圧延割れが多く、最終厚さ
まで圧延できなかった。 次に、各供試材を用い、第2表および第1図に示す条件
で摩擦試験を行った。その結果を第3表に示す。 第2表;塵賄尋U噂 第3表;摩擦試験結果 第4表;疲労試験条件 第3表に示すように、この発明による軸受台金(No、
1〜12)は、比較合金(No、13゜17.19〜2
4)よりも優れた表面性能を有していることが明らかで
ある。 軌ヌlJじ
【lス碧 健全な押出および圧延材が得られた本発明合金(NO,
1〜12)および比較合金(陽、13゜17.19〜2
4)を用いて、厚さ1.7mm(7)鋼板とともに圧下
率48%のロール圧接を行い、その後350℃で10時
間のアニール処理を行って公知の機械加工により軸受を
製作した。 次に、各々製作した軸受に対して、第4表に示すような
苛酷な軸受耐疲労性試験を行った。この結果を第5表に
示す。 第5表;疲労試験結果 本発明合金はPbの添加量と分布状態を規定することに
より、比較合金よりも高い耐焼付性を持たせるようにし
たものであるが、第5表に示すように、本発明合金(N
o、1〜12)はそれにより軸受の耐疲労性が低下する
ことはは°とんどなかった。そして、比較合金の中でも
No 、 20 。 21.24については短時間でクラックが発生し、耐疲
労性が劣っていることが認められた。 【発明の効果】 以上説明してきたように、この発明によるアルミニウム
軸受合金は、A!;Lを主成分とし、潤滑成分としてP
bを3〜15重量%およびSnを5重量%以下のうちの
1種または2種、硬質成分としてSiを1〜12重量%
、強化成分としてCu。 Cr、Mg、Mn、Ni、Zr、Fe(7)うちから選
ばれる1種または2種以上の金属を0.2〜5.0重量
%、必要に応じて微細化成分としてTi 、B、Zr、
V、Ga、REMのうちから選ばれる1種または2種以
上の金属を0.01〜3.0重量%含有したアルミニウ
ム合金粉末に3〜12重量%のPb粒粉末添加・混合し
た粉末から成形したビレットを押出比40以上で押出成
形してなり、AfLマトリックス中に分散したSi粒子
の大きさが12pm以下、Pb粒粉末して添加したPb
粒子の半数以上が摺動面において円形度係数0.74以
上で分散していると共に当該摺動面において平均粒径5
0ILm以下のPb相およびPb合金相がすべてのPb
相およびPb合金相に対して開鎖率で85%以上を占め
ている構成としたものであるから、耐焼付性および耐疲
労性という二律背反的な特性の両方共が従来にない高い
水準をもつ優れた特性の軽量軸受合金であり、とくに潤
滑成分としてPbを従来合金よりも多量かつ均一微細に
分散させると共にPbの摺動面部分における分布を軸受
に適したものにしているため。 潤滑性、#熱耐摩耗性、親油性、耐腐食性において極め
て高い水準をもつ軸受台金であるという非常に優れた効
果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の実施例および比較例によるアルミニ
ウム系軸受合金に対する摩擦試験の際の負荷パターンを
示す説明図である。 第1図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)Alを主成分とし、潤滑成分としてPbを3〜1
    5重量%およびSnを5重量%以下のうちの1種または
    2種、硬質成分としてSiを1〜12重量%、強化成分
    としてCu、Cr、Mg、Mn、Ni、Zn、Feのう
    ちから選ばれる1種または2種以上の金属を0.2〜5
    .0重量%含有したアルミニウム合金粉末に3〜12重
    量%のPb粉末を添加・混合した粉末から成形したビレ
    ットを押出比40以上で押出成形してなり、Alマトリ
    ックス中に分散したSi粒子の大きさが12μm以下、
    Pb粉末として添加したPb粒子の半数以上が摺動面に
    おいて円形度係数0.74以上で分散していると共に当
    該摺動面において平均粒径50μm以下のPb相および
    Pb合金相がすべてのPb相およびPb合金相に対して
    面積率で85%以上を占めていることを特徴とするアル
    ミニウム系軸受合金。
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