JPH0814287B2 - 多層アルミニウム合金すべり軸受およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、自動車、船舶、農業機械等の軸受に関
し、特に内燃機関類の軸受として、非焼付性、耐疲労
性、及び耐フレツチング特性に優れた多層アルミニウム
合金すべり軸受に関する。

（従来の技術） 従来、アルミニウム合金すべり軸受としては、ガソリ
ンエンジン又は小型乗用車用エンジン等に使用される場
合にはすべり軸受表面にはオーバレイを施こさない状態
で使用するのが一般的であつた。但しごく一部の高負荷
エンジン又は中速デイーセルエンジン用として使用され
る上記すべり軸受には、ニツケルメツキ中間層を有し、
且つ鉛合金を主体とするオーバーレイを有するアルミニ
ウム合金軸受が使用されていた。またオーバーレイとし
ての錫又は錫合金は、１部の中低速船用エンジンの軸受
として銅−鉛合金又は鉛青銅合金の上に施された例もあ
つた。これは特に鉛合金に比較して耐腐食性、耐摩耗性
に優れた錫合金の特性を利用したものである。アルミニ
ウム合金の上への錫オーバーレイは特開昭61−153286に
示され、この公報ではアルミニウム軸受合金の上にニツ
ケル中間層無しで直接に錫をメツキした材料が開示され
ている。

（発明が解決しようとする問題点） 最近特に乗用車等小型用のガソリン又はデイーゼルエ
ンジンは高速回転側で使用され、そのためエンジン軸受
はより一層の非焼付特性、耐摩耗特性、耐疲労特性、耐
腐食性及び耐フレツチング特性の向上が必要となつてき
た。従来の鉛合金オーバーレイ付き銅−鉛合金軸受又は
鉛−青銅合金軸受は耐腐食性に問題があつた。最近特に
エンジン軸受の高寿命化及びエンジンの高回転に伴う高
油温化により潤滑油の劣化が激しくなり、その結果生じ
る有機酸が銅−鉛合金又は鉛−青銅合金を著しく腐食さ
せる場合がある。更に最近のエンジンの低コスト化を達
成するため、クランクシヤフトにダクタイル鋳鉄を使用
する場合が増え、この場合にはこれら従来の三層軸受に
関し、オーバーレイの早期摩耗又は早期焼付を生じるこ
とが多かつた。以上の問題により、最近では銅−鉛系三
層軸受の代りにアルミニウム合金軸受が使用されてい
る。アルミニウム合金はダクタイル鋳鉄軸との相性も良
く、耐腐食性についても充分満足できる特性を有する。
しかしこのアルミニウム合金をオーバーレイの無いまま
で軸受として使用すると、片当りやミスアライメントが
生じ、またアルミニウム合金はゴミの埋収性に劣る為、
その適用条件が悪いと早期に焼付現象を生じる場合があ
つた。しかしながら、このアルミニウム合金軸受に特開
昭62−110021号公報に示されているように従来の鉛合金
を主成分とするオーバーレイを施すと、再び耐腐食性及
び耐摩耗性の問題が生じる。そこで特開昭60−36641で
は鉛合金の代りに鉛合金オーバーレイを適用することが
開示されている。また特開昭61−153286ではアルミニウ
ム軸受合金の上にニツケルの中間層無しで直接錫をメツ
キした材料が開示されている。

しかしながらこれらの方法は、次のような問題点を有
していた。一般にアルミニウム合金上に電気メツキによ
りオーバーレイを施す場合その接着力を確保するためN
i,Co,Fe等の中間層を設けるのが通常であつた。ところ
がこれらの中間層は非常に硬いためオーバーレイが摩滅
すると表面に露出し、シヤフトと接触して焼付やかじり
が発生し、近年特にこの中間層を設けることにより生じ
る欠点が指摘されていた。この中間層を設けずに直接オ
ーバーレイを施こす方法も存在するが、この場合のオー
バーレイの接着強さは中間層（従来技術では通常0.5〜
3.0ミクロンの厚さ）を有するオーバーレイの接着強さ
と比較して非常に劣つており、直接に設けられたこのオ
ーバーレイは初期なじみ性は良好であるが耐久性に劣
り、層状摩耗あるいはオーバーレイ層の剥離を生じる欠
点を有していた。このためこのオーバーレイ層は単に犠
牲的層として設けられているにすぎなかつた。

一方、最近のエンジンの小型化と軽量化はハウジング
剛性の低下を伴ない、そのため軸受背面のフレツチング
現象（即ち微少振幅の相対運動を受ける接触２面間に生
じる摩耗現象）が大きい問題点としてクローズアツプさ
れている。

この発明の第１の目的は、従来技術の前記欠点が解消
された多層アルミニウム合金すべり軸受とその製造方法
とを得ることである。この発明の第２の目的は、従来技
術の前記欠点を解消すると共に軸受背面のフレツチング
現象に関し改善された多層アルミニウム合金すべり軸受
とその製造方法とを得ることである。

（問題点を解決するための手段） この発明の第１の目的を達成する多層アルミニウム合
金すべり軸受は、鋼裏金層と、この鋼裏金層に接合され
たアルミニウム軸受合金層と、このアルミニウム軸受合
金に接合されたオーバーレイ層とを有し、オーバーレイ
層は重量で０〜15％の銅と０〜20％のアンチモンと残部
すずとから実質上成り、該オーバーレイ層とアルミニウ
ム軸受合金層との間に、ニツケルとコバルトと鉄とから
成る群から選択された１種とオーバーレイ層とが混在し
た混在層が0.05−0.5ミクロンの厚さ存在する構成を有
する。

この発明の第２の目的を達成する多層アルミニウム合
金すべり軸受は、鋼裏金層と、この鋼裏金層の内側の面
に接合されたアルミニウム軸受合金層と、このアルミニ
ウム軸受合金層に接合されたオーバーレイ層と、鋼裏金
層の外側の面に接合されオーバーレイ層と同一の成分組
成から成る背面メツキ層とを有し、オーバーレイ層は重
量で０〜15％の銅と０〜20％のアンチモンと残部すずと
から実質上成り、該オーバーレイ層とアルミニウム軸受
合金層との間に、ニツケルとコバルトと鉄とから成る群
から選択された１種とオーバーレイ層とが混在した混在
層が0.05−0.5ミクロンの厚さ存在する構成を有する。

背面メツキ層は0.1〜５ミクロンの範囲の厚さを有す
ることが好ましい。0.1ミクロンより小さい厚さでは背
面メツキ層を設けることによるフレツチング現象を防止
する効果がなく、５ミクロンより大きな値の厚さである
とマイグレーシヨン現象（即ち接触２面間の微小運動に
より、２面間に異物、劣化物または摩耗粉が集堆積する
現象）が生じやすくなる。

オーバーレイ層は好ましくは５％以下のCuと0.5〜10
％のSbと残部Snとから成る。

この発明の多層アルミニウム合金すべり軸受の製造方
法は、鋼裏金上に内張りされたアルミニウム軸受合金か
らなる半割りまたは円筒状のすべり軸受内面に、無電解
メッキ処理によりニッケル、コバルト、鉄のいずれか一
種を0.05−0.5ミクロンの厚さ設け、次に重量で０−15
％の銅および０−20％のアンチモンと、残部が実質的に
スズとからなるオーバレイを電気メッキ法により電着す
ることにより、オーバレイ層とアルミニウム軸受合金層
との間に、ニッケル、コバルト、鉄のいずれか一種とオ
ーバレイ層の成分とが0.05−0.5ミクロンの厚さで混在
する混在層を設けること特徴とする。

（作用） 本発明者は、多層アルミニウム合金すべり軸受のオー
バーレイ層とアルミニウム軸受合金層との間に、0.5ミ
クロンより小さい厚さで且つニツケルとコバルトと鉄と
から成る群から選択された一種とオーバーレイの組成と
が混在する混在層を設けることにより、従来技術の欠点
即ちオーバーレイを設けないアルミニウム合金軸受に生
じる上記欠点と中間層なしでオーバレイを設けることに
よる上記欠点と中間層を介在させてオーバレイを設ける
ことによる上記欠点とのいずれの欠点も解消できること
を見出した。換言すると0.05−0.5ミクロンの厚さの該
混在層により、アルミニウム軸受合金とオーバーレイと
の接着力が大きくなりそれによりオーバーレイの層状摩
耗あるいは剥離が防止されると共に、Ni,Co,Feのいずれ
かが不連続で、さらにその間にSn基合金オーバレイが含
浸されているから、オーバレイ層が摩滅してもNi不連続
層とオーバレイが共存することにより、Ni連続層と軸と
の接触による焼付きや、かじりが全く生じないようにす
ることが可能となった。

混在層の厚さが0.5ミクロンを越える場合は、オーバ
ーレイの摩耗による消滅時に軸受とシヤフトとの焼付及
びかじり発生が多くなる。

銅及びアンチモンはオーバーレイの主成分である錫の
有するなじみ性を損なわずにオーバーレイの耐久性を向
上させるのに有効であるが、銅が10％を越えると及び／
またはアンチモンが20％を越えるとオーバーレイ合金が
脆くなり衝撃荷重により疲労クラツクを生じ易く、また
オーバーレイ合金のかたさも大きくなりオーバーレイの
本来の特性であるなじみ性を損う。

本発明者は更に、軸受背面側の裏金層に、内面側に設
けられているオーバーレイ層と同一成分のメツキ層を設
けることによりフレツチング現象の発生が改善できるこ
とを見出した。軸受背面側に設けたこのメツキ層の厚さ
は0.1〜５ミクロンであり、好ましくは0.5〜５ミクロン
である。0.1ミクロンより小さい厚さではメツキ層を設
けた効果が少なく且つ鋼裏金の防錆効果も小さく、５ミ
クロンより大きな厚さではマイグレーシヨン現象が生じ
易くなり軸受の性能低下を引き起こす恐れを生じ、且つ
製造上メツキ層の厚さのバラツキを生じ易くするので不
適である。裏金層の軸受背面側に設けたこのメツキ層
は、内面側のオーバーレイ層を設ける際に同時に電解メ
ツキにより設けるのが工程の簡略化のために好ましい。
但しオーバーレイ層と異なる組成の背面メツキ層を設け
ることもでき且つオーバーレイ層と別工程で付与するこ
ともできる。

なお、耐フレツチング特性の必要のない用途に使用す
る軸受においては、裏金層の軸受背面側にメツキ層を設
ける必要はない。

（実施例） 次に本発明の実施例を示す。

アルミニウム軸受合金層用として、12％Snと2.5％Si
と1.7％Pbと１％Cuと0.3％Sbと残部Alとから成るアルミ
ニウム合金板を、厚さ1.20mmで上記アルミニウム合金板
と同じ形状の鋼裏金にロール圧延法により圧着した。次
にこれを350℃で４時間熱処理し、すべり軸受用素材と
してのバイメタル（肉厚1.65mm及び幅110mm）を製造し
た。このバイメタルを軸受性能試験用寸法の半割軸受形
状にプレス加工し、更に所定の寸法（外径56mm、長さ17
mm及び厚さ1.5mm）に機械加工した後、溶剤により脱脂
した。その後無水炭酸ソーダとリン酸層ソーダ苛性ソー
ダの水溶液中で温度50℃で約60秒アルカリエツチング、
酸処理、ジンケート（苛性ソーダーを主とする水溶液中
に酸化亜鉛を溶解し、摂氏20度で約20秒間浸漬し、表面
に亜鉛を析出させる処理）、Ni無電解メツキ処理（硫酸
ニツケルを主にした水溶液中で摂氏50度、約15〜60秒間
浸漬し、好ましくは30秒間で0.05〜0.2ミクロンの厚さ
になるように液濃度を調整した）及びオーバーレイ層付
与の電解メツキと軸受背面メツキ層付与の電解メツキ
（通電時間60秒前後で0.8ミクロン程度の厚さになるよ
うに電流と液濃度を定めた）とを同時におこない軸受完
成品を得た。この軸受完成品の内面オーバーレイ層の厚
さは８ミクロンであり、Ni−オーバーレイ混在層の厚さ
は0.1ミクロンであり、アルミニウム軸受合金層の厚さ
は0.3mmであり、鋼裏金層の厚さは1.2mmであり、背面メ
ツキ層の厚さは1.5ミクロンであつた。

本発明実施例であるこの軸受完成品と従来品との比較
をおこなうために上記実施例と同じ材料、寸法及び工程
を使用し、オーバーレイのない軸受、オーバーレイを直
接にアルミニウム軸受合金に施した軸受及びアルミニウ
ム軸受合金にNi中間層（２ミクロンの厚さ）を設けこの
中間層にオーバーレイを施した軸受の３種類の従来技術
による比較品を製作した。更に本発明実施例の上記軸受
のオーバーレイ層については、オーバーレイ層を構成す
る錫基合金中の銅及びアンチモンの含有量を変化させそ
れによつて生じる特性の変化を調査した。更にフレツチ
ング現象の改善効果を確認するため、本発明実施例の上
記軸受完成品と比較して背面メツキ層の厚さが８ミクロ
ンであること以外は同じ軸受を作り、これを比較試験し
た。

第１表に各軸受についての試験によつて判明したオー
バーレイとアルミニウム軸受合金との接着力、最大疲労
荷重及び最大焼付荷重を示した。

この第１表で最大疲労荷重は、100℃に予熱したSAE20
の潤滑油を使用し、回転数3250r.p.m.の状態での各荷重
下にて20時間運転し疲労が生じなかつた最大荷重を最大
疲労荷重とした。最大焼付荷重は、100℃に予熱したSAE
20の潤滑油を使用し、回転数3600r.p.m.で１時間無負荷
でならし運転後、潤滑油の供給を12.5cc/minに絞り100k
gf/cm²の負荷を与えその後10分経過毎に50kgf/cm²づつ
累積的に荷重を増加させ、軸受背面温度が220℃を越え
るか又は試験時の軸駆動の電流値が20アンペアを越えた
時点を焼付と判定した。

第１表から明らかなように、オーバーレイ層のアルミ
ニウム軸受合金層への接着力は、接着層を使用せずに直
接にオーバーレイ層をアルミニウム軸受合金に付与した
場合には接着テープによる剥離テストによりオーバーレ
イ層は容易に剥離した。本発明軸受における混在層を有
する場合及び従来技術における厚さ２ミクロンのNi中間
層を有する場合は共に良好な接着力をオーバーレイ層は
有していた。

最大疲労荷重に関しては、オーバーレイ層のない軸受
及び接着力の劣つたオーバーレイ層を有する軸受は最大
疲労荷重が低い値であつた。Niから成る厚さ２ミクロン
の中間層を有する軸受は最大疲労荷重に達する以前に焼
付を生じた。この軸受ではオーバーレイの部分的な摩滅
によりNiが露出しており、このNi露出部により焼付が生
じたものと考えられる。Niとオーバーレイ層とが混在し
ている混在層を有する軸受は本発明軸受及び比較用軸受
のいずれも良好な最大疲労荷重を有していた。

最大焼付荷重に関しては、オーバーレイ層のない軸受
では最大焼付荷重の値が低く、直接オーバーレイ層をア
ルミニウム軸受合金層に付与した軸受では950kgf/cm²で
軸受背面温度が220℃を越えその時の軸受のオーバーレ
イ層には剥離が生じていた。中間層として厚さ２ミクロ
ンのNiメツキ層を有する軸受では950kgf/cm²で焼付が生
じ、この時の軸受表面にはNiメツキ層の露出が見られ
た。Niとオーバーレイ層との混在した混在層を有する軸
受では、Sb及びCuの量が多い場合に最大焼付荷重が比較
的に低い値となつた。これはオーバーレイ層の硬度が多
量のSbあるいはCuにより大きくなりすぎたことで、なじ
み性が劣化した結果と考えられる。

次にアルミニウム軸受合金層用の金としてAl−17％Sn
−1.7％Pb−0.9％Cu−0.3％Sb（Al−Sn系合金）、Al−1
2％Pb−５％Sn−４％Si−１％Cu（Al−Pb系合金）及びA
l−3.5％Zn−３％Si−１％Pb−１％Cu（Al−Zn系）を使
用した以外は第１表における本発明実施例と同じ材料及
び製造条件で軸受を作り、これを第１表における場合と
同じ試験に供した。この場合についても第１表の結果と
同じ傾向の試験結果が得られた。

次に本発明軸受に設けられた混在層が、コバルト−オ
ーバーレイ層から成る混在層及び鉄−オーバーレイ層か
ら成る混在層であること以外は第１表における本発明実
施例と同じ材料及び製造条件で軸受を作り、第１表にお
ける場合と同じ試験に供した。この場合についても第１
表の結果と同じ傾向の試験結果が得られた。

フレツチング現象は試験用の軸受では発生しにくいの
で、厚さ0.5ミクロンの背面メツキ層を有する以外は第
１表のSn−２％Cu−６％Sbオーバーレイ層の軸受と同じ
第１の軸受と８ミクロンの背面メツキ層を有する以外は
前記第１の軸受と同じ第２の軸受を実際の1500ccターボ
チヤージヤー付デイーゼル直列４気筒エンジンに装着し
フレツチング現象の有無を目視によりを調べた。結果と
して第１及び第２の軸受にはフレツチング現象は生じな
かつた。しかし目視によれば第２の軸受にはマイグレー
シヨン現象が生じた。

（発明の効果） 多層アルミニウム合金すべり軸受において、オーバー
レイ層とアルミニウム軸受合金層との間に、ニツケルと
コバルトと鉄とから成る群から選択された１種とオーバ
ーレイ層との混在した混在層を有する本発明の第１の多
層アルミニウム合金すべり軸受は、従来技術による多層
アルミニウム合金すべり軸受よりも最大疲労荷重及び最
大焼付荷重に関し優れているため前記従来軸受の欠点が
改良され、特に高速高荷重を受ける高速デイーゼルエン
ジン用軸受及びターボチヤージヤー付エンジン用軸受に
適する。

上記本発明の第１の多層アルミニウム合金すべり軸受
の構成に加えて背面メツキ層を有する本発明の第２の多
層アルミニウム合金すべり軸受は、従来技術による多層
アルミニウム合金すべり軸受よりも最大疲労荷重及び最
大焼付荷重に関し優れていると同時にフレツチング現象
を防止することが可能となつたことにより従来軸受の前
記欠点が改善された。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の目的を達成したすべり軸受の断
面組織の模型図であり、 第2a図は中間層付きオーバーレイ層を有する従来すべり
軸受の断面顕微鏡組織の模型図であり、 第2a−１図は第2a図の場合のエレクトロン・プローブ・
マイクロアナライザ（以下EPMAという）による中間層の
面分析を示す模型図であり、 第2b図は中間層なしでオーバーレイ層を直接付与した従
来すべり軸受の断面顕微鏡組織の模型図であり、 第2b−１図は第2b図の場合のEPMAによる各断面層の面分
析を示す模型図であり、 第2c図は第１図に示した本発明すべり軸受の断面顕微鏡
組織の模型図であり、 第2c−１図は第2c図の場合のEPMAによる混在層の面分析
を示す模型図であり、 第３図は本発明の第２の目的を達成したすべり軸受の断
面組織の模型図である。 １はオーバーレイ層、２は中間層、 ３は混在層、４はアルミニウム軸受合金層、 ５は裏金層、及び６は背面メツキ層を示す。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】鋼裏金層、アルミニウム軸受合金層、およ
   びオーバレイ層の多層構造からなる多層アルミニウム合
   金すべり軸受において、オーバレイ層が重量で０−15％
   の銅および０−20％のアンチモンと、残部が実質的にス
   ズとからなり、オーバレイ層とアルミニウム軸受合金層
   との間に、ニッケル、コバルト、鉄のいずれか一種とオ
   ーバレイ層の成分とが混在する混在層が0.05−0.5ミク
   ロンの厚さで存在することを特徴とする多層アルミニウ
   ム合金すべり軸受。
2. 【請求項２】背面メッキ層、鋼裏金層、アルミニウム軸
   受合金層、およびオーバレイ層の多層構造からなる多層
   アルミニウム合金すべり軸受において、オーバレイ層が
   重量で０−15％の銅および０−20％のアンチモンと、残
   部が実質的にスズとからなり、オーバレイ層とアルミニ
   ウム軸受合金層との間に、ニッケル、コバルト、鉄のい
   ずれか一種とオーバレイ層の成分とが混在する混在層が
   0.05−0.5ミクロンの厚さで存在することを特徴とする
   多層アルミニウム合金すべり軸受。
3. 【請求項３】背面メッキ層が、オーバレイ層と同一の成
   分から成り、また背面メッキ層が0.1−５ミクロンの厚
   さを有することを特徴とする特許請求の範囲第２項に記
   載の多層アルミニウム合金すべり軸受。
4. 【請求項４】鋼裏金上に内張りされたアルミニウム軸受
   合金からなる半割りまたは円筒状のすべり軸受内面に、
   無電解メッキ処理によりニッケル、コバルト、鉄のいず
   れか一種を0.05−0.5ミクロンの厚さ設け、次に重量で
   ０−15％の銅および０−20％のアンチモンと、残部が実
   質的にスズとからなるオーバレイを電気メッキ法により
   電着することにより、オーバレイ層とアルミニウム軸受
   合金層との間に、ニッケル、コバルト、鉄のいずれか一
   種とオーバレイ層の成分とが0.05−0.5ミクロンの厚さ
   で混在する混在層を設けること特徴とする多層アルミニ
   ウム合金すべり軸受の製造方法。
5. 【請求項５】オーバレイ層を電気メッキ法により電着す
   るときに、すべり軸受の背面にオーバレイ層と同一成分
   のメッキ層を0.1−５ミクロンの厚さ範囲で電着させる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第４項に記載の多層ア
   ルミニウム合金すべり軸受の製造方法。