JPS6112844A - アルミニウム系押出軸受合金およびその製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） この発明は、自動車、工作機械、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用の素材として適
する軸受台金に関し、とくに銅系材料に比べて軽量であ
ってしかも耐疲労性９表面性能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。

（従来技術） 従来、すべり軸受の素材として使用される合金には、Ｃ
ｕ−Ｐｂ系、バビット系等が所要の環境に応じて使用さ
れているが、内燃機関用の軸受台金としては、耐熱耐摩
耗性、耐腐食性、耐疲労性等の点からＡｌ系の軸受台金
が注目されている。なかでも、Ａｌ−３ｎ系、Ａｌ−５
ｎ−Ｐｂ系は上記性能の点で他の材質に比べすぐれてい
るため、近年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縮小、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
労性の面、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。

従来のＡ文系軸受合金は、種々の潤滑元素および硬質物
質形成元素を添加しゃすいアトマイズ粉を利用した粉末
圧延法によって得られる粉末圧延材と、種々の合金元素
を溶解ψ鋳造した圧延工程をへて得られる鋳造圧延材と
の２種に大別される。

これらのうち、粉末圧延法によって得られる軸受台金は
、例えばｐｂ、Ｓｎでは、状態図からして人文中に０．
２重量％程度しか固溶限をもたない成分であっても高温
合金溶湯から急冷噴霧することによって粉末粒子中にＰ
ｂ　、Ｓｎなどを鋳造材よりも多量かつ均一微細に分散
することができる。従って、内燃機関の軸受台金として
欠くことの出来ない潤滑性能（表面性能）を保証するこ
とができる。

しかしながら、粉末圧延法によって得られる軸受台金は
、焼結、圧延あるいはこれら工程の数回の履歴をもつも
のであってもｌ工程での加工度が小さいため、ＡＭ合金
粉末粒子表面の酸化皮膜の介在により、粉末粒界強度が
そこなわれ、結果として耐疲労性に大きな影響を与える
という問題がある。

一方、鋳造圧延材は、鋳造時の凝固速度が急冷噴霧であ
るアトマイズ法の凝固速度に比較して格段に遅いため、
Ｐｂ、ＳｎなどをＡＪ中へ均一微細に分散させるには限
度がある。このため、潤滑性能を保証すべく多量に上記
元素を添加すると、前記元素がマトリックス中に不均一
、粗大に偏在し、この偏析塊が軸受台金として重大な欠
陥となるという問題がある。

ちなみに軟質物質（Ｐｂ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ。

Ｂｉ）の分散度（量、大きさ）とアルミニウム軸受合金
との関係を記せば以下の様である。一般に軸受の潤滑性
能は、マトリックスに対する軟質物質の断面積比で一次
的に決定されるが、さらに軸受台金の性能に及ぼす重要
な要素として軟質物質の粒子径（大きさ）がある。この
発明において、軟質物質（潤滑成分）の添加量をマトリ
ックスに対する断面積比で規定し、しかも大きさを規定
したのもこの理由からである。また、析出する硬質物質
を同様の表現で規定したのは、硬質物質が軸受の耐摩耗
性９強度という点で軟質物質と同様の挙動を示すからで
ある。

軟質物質を例にとれば、軟質物質をマトリックスの断面
積比で０．０２４になる様添加すると、釣造法での軟質
物質の最大の大きさは３２ルｍであるのに対し、アトマ
イズ法では８７ｈｍとなる。

すなわち、１ｍｍｚ中軟質中質質物質る面積は共に０．
０２４ｍｍ２ではあるが、アトマイズ粉の単位面積（１
ｍｍ２）に占める軟質物質の個数は２１８９個、鋳造材
のそれは１３７個となる。つまり、アトマイズ粉の分散
個数は鋳造材に比べて（３２／８）２　＝１６倍となる
。ところで、微細分散率と潤滑効果との厳密な関係理論
式は未だ確立されていないが、経験則によって比例する
ことが知られている。

このことは、軟質物質が同一添加量ならばアトマイズ法
による合金粉の方が鋳造法のものより微細分散している
関係上、両者に著しい潤滑性能の差があるといえるし、
換言すれば同一潤滑効果を得るためにはアトマイズ法に
よるものの軟質物質添加量を少なくでき、その分マトリ
ックス強度を上げることができるといえる。

（発明の目的） この発明は、このような点に着目してなされたもので、
軟質物質である潤滑成分としてＰｂ。

Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｂｉよりなる群から選ばれた１種以
上を多量かつ均一微細に含有させ、さらに軸受台金とし
ての有効成分をもつ合金噴霧粉末から成形したビレット
を押出成形することにより粉末粒子表面の酸化皮膜を粉
々に分散しくこれによってＳＡＰの如く耐熱性向上の効
果も生じる）、粉末粒子を強固に固着せしめた軸受台金
を得ることで耐疲労性と表面性能（潤滑性能）という軸
受における二律背反的性能を従来にない高い水準で実現
することを目的としている。

（発明の構成） この発明による軸受台金は、ＡＭ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Ａｌ７ト
リツクスに対する断面積比で０．０９６〜０．０４０、
硬質成分としてＳｉを同じく面積比で０．００３〜０．
０６０、強化成分としてＣｕ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ
、Ｚｎ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を含む希土類元素を
１種以上含む）の１種以上を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８μｍ以
下である合金粉末から成形したビレットを押出比１０以
上で押出成形して成り、ＡＩマトリックス中に分散した
Ｓｉ粒子の大きさか１２ルｍ以下、常温での引張強さが
１５Ｋｇｆ／ｍｍ２以上、常温テノ伸びが１３．５％以
上であることを特徴としており、ＡＪＪ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ＡＪＬ、Ｎｉ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ものである。

この発明による軸受台金の成分組成は、押出成形法を導
入することによって初めて従来以上の軸受性能を発揮す
ることができる範囲であり、特許請求の範囲外の成分に
あっては押出成形を行うことによる相乗効果は期待しが
たい。

ここで、この発明による軸受台金に使用するＡ１合金粉
について説明する。

（１）Ｐｂ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｂｉは潤滑成分として
有効であり、耐焼付性にすぐれたものである。これらの
うちＰｂは鋳造材ではマトリックスに対する断面積比で
０．００５以下が偏析を起さない上限である。しかしな
がら、前述の如くアトマイズ法では多量のＰｂを均一微
細に含有させることかでき、軸受台金の潤滑性能を発揮
させるためには断面積比で０．００６以上でなければな
らない。またＰｂのほか、潤滑成分であるＳｎ。

Ｉｎ、Ｓｂ、Ｂｉとの総量がマトリックスに対する断面
積比で０．０４０を超えると耐荷重性の点で軸受性能を
満足できなくなる。一方、ＳｎはＰｂとの共存により表
面性能を改善し、加えてｐｂの耐腐食性を改善する。Ｉ
ｎはＳｎと同じ作用をするが高価であるので実用的には
少量添加に抑える方が好ましい。Ｓｂ、ＢｉはＰｂ、Ｓ
ｎの微細分散に寄与するが、Ｐｂ、Ｓｎ添加量の０．１
〜８．５重量％にとどめるのが望ましい。

さらに、潤滑成分の粒子径が過大であると軸受台金の性
能に悪影響を及ぼすので８＃Ｌｍ以下とするのが良い。

（２）Ｓｉ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ＡＭ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。

このＳｉの雄加量としては前記潤滑成分の半分から１．
５倍程度迄の量がのぞましく、多く添加すると硬くても
ろくなり、加工性を阻害するので、マトリックスに対す
る断面積比で０．００３〜０．０６０とするのがよい。

また、Ｓｉ粒子の最大径が大きくなれば相手材を傷つけ
、分散の面密度が低下し、耐摩耗性が劣化するので、Ｓ
ｉ粒子の最大径は１２μｍ以下に抑えるべきである。

（３）Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ　、ＺｎはＡ文マ
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
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ＣｕＡｉｚ
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以外にマトリックスの強度を高める元素
として、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ　、Ｚｎがあり、Ａ１
合金展伸材の添加元素として良く使用され、Ｃｕを含む
これら元素の１種以上を０．２〜５．０重量％の範囲で
添加してもよい。

（４）Ｔｉ　　、Ｂ、Ｚｒ、Ｖ、Ｇａ、ＲＥＭ（Ｙ　、
　Ｓ　ｃを含む希土類元素を１種以上含む）は、ＡＪＪ
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０．０１〜３．０重量％の範
囲で添加することも望ましい。

本発明者らは、以上の成分を決定する前にこれら組成の
単独粉の混合体あるいは一部合金粉と単独粉との混合体
を押出成形したが、押出し素材の表面欠陥および内部に
おける粉末粒界のクラックが発生し、結果として上記組
成の完全合金粉末を使用することにより健全な押出成形
体が得られた。これは、上記有効元素を粉末粒子内に内
包した１つ１つの粉末粒子硬さが混合粉の場合に比べて
均質であり、かつこのような粉末粒子が押出し時に粉末
粒子同士の摩擦による表面酸化皮膜の破壊と金属結合が
連続的に行われるためと推察される。

（実施例） 次に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表１に示す。

マス、９５０℃〜１０００℃の電気溶解炉にて表１の各
組成になるように各合金を溶製し、エアーアトマイズ法
により一１８メツシュの粒径をもつ合金粉末を得た。次
いで、これらの合金粉末を直径１００ｍｍ、長さ１００
ｍｍｃ７）円柱状に２ｔｏｎｆ／ｃｍ２の静水圧にて冷
間静水圧成形を行ってビレットに成形し、このビレット
を押出し前素材とした。なお、粉末を直接押出す方法は
、表面クラック、内部欠陥等を発生し、現実には実用に
供しうるちのは得られにくい。また、本発明者らによれ
ば、粉末の直接押出しでは、押出比を２０以上に設定し
ても健全なものはえられなかった。従って、冷間静水圧
若しくは金型成形により粉末を一旦ビレット状に固化成
形して押出前素材として準備する必要がある。次に、前
記ビレット状押出し前素材を紳出し温度２５０°Ｃ〜５
５０　”０にて前方押出しし、各種の押出し成形体を得
た。

押出方式には各種の方法および設備が検討されているが
、生産性の高さ、設備メンテナンスの容易さ、そして安
定した品質が得られやすいことなどから縦型あるいは横
型押出機による前方−軸押出しが好適である。また、押
出し温度は成形体の押出後の硬さおよび押出速度ならび
に押出比に影響を与えるが、押出し成形体の健全性は実
質的に押出比で決定される。すなわち、押出ししにくい
成分配合の場合には押出し温度を上昇させればよく、例
えばＮｏ、１１１組成は５００℃の押出し温度で押出比
８０が結果として得られている。押出比は本発明の軸受
性状に大きく影響し、第１図に示すように、実施したい
くつかの組成において押出比１０を境にそれ以上だと表
面クラックおよび内部クラックが顕著に減少し、押出比
２０を超えるといずれの組成でもクラックは皆無となっ
た。

なお、第１図のクラック数は５０倍顕微鏡視野における
クラック数である。

また、第２図に示す押出成形体の引張り強さをみても判
るように、押出比１０未満だと強度不足である。しかし
、押出比１０以上であればクラックが少なくかつ高強度
の成形体が得られ、押出比の上限は成形が可能である限
り、また設備能力の関係で設定されるべきであり、本発
明にあってその上限設定は不要である。そこで、例えば
押出比を４０として押出成形した場合の機械的特性を同
じく表１に示す。なお、Ｎ００７と同じ組成の粉末圧延
材では、軸受台金の引張り強さは１１ｋｇ　ｆ　／　ｍ
ｍ２．同組成の鋳造材では１３ｋｇｆ　／ａｍ２であり
、同組成の本発明材では押出比によって異なるか１７．
６〜２０．３ｋｇｆ／關２である。

第３図（ａ）はＮｏ、　７組成の本発明材の顕微鏡組織
写真を示し、第３図（ｂ）はＮｏ、　７組成となるべく
Ａ文−５ｉＣｕ粉末とＰｂ−５ｎ粉末を混合して押出し
成形した場合の組織写真を示すものである。このように
、本発明の成分外の組成や、本発明の成分内であっても
混合粉の場合、モして押出比が１０未満の場合はいづれ
も第３図（ｂ）に示すようにクラックが発生し、健全な
押出成形体が得られにくいことが確かめられた。

次に、軸受製造工程ｔとついて述べる。第４図は軸受を
製造するのに採用した１工程図である。

製造例（１） Ｎｏ、　４組成の合金を溶解温度９５０〜１０００℃で
溶製し、この合金溶湯かもエアーアトマイズ法で一１８
メツシュの粒径をもつ合金粉末を製造し、次いでこの合
金粉末を冷間静水圧２ｔ　ｏｎｆ／Ｃｍ２で加圧成形し
て直径１００ｍｍ、長さ１００ｍｍのビレット成形体を
製造した。次いで、このビレット成形体を押出し温度４
００℃。

押出比８０の条件で押出し、幅６０ｍｍＸ厚さ１．６ｍ
ｍの板状押出成形体を得た。次に、この押出成形体を、
研削ベルトで表面層を除去した厚さ２ｍｍの鋼板に圧接
した後、１．８ｍｍの厚さとなるようにロール圧接を行
った。この圧接後、軸受台金（押出し成形体）と鋼製裏
金との密着性をさらに向上させ、軸受台金の加工歪を除
去するために４００℃×６時間のアニール処理を行った
。この時の軸受台金部は圧接前と顕微鏡による組織変化
は大差がなく、電子顕微鏡による軟質物質（Ｐｂ、Ｓｎ
など）の分布は均一微細に分散しており、潤滑成分とし
ての軟質物質の大きさは４μｍ以内であった。このアニ
ール処理後の軸受台金の硬さは、圧接前の押出し成形体
の硬さと同程度であり、Ｈｖ４４であった。

製造例（２） Ｎｏ、　７組成の合金を溶製したのち、この合金溶湯か
らエアーアトマイズ法で合金粉末を製造した。ここで得
られた合金粉末の粒俄分布その他の特性は表２に示すと
おりであった。

表２Ｎｏ、７組成合金粉末の緒特性（合金粉末時）次い
で、上記合金粉末から製造例（’１）と同一条件で板状
押出し成形体に成形し、この成形体を２μｍのＮｉメッ
キを施した厚さ２　ｍ　ｍの鋼板に圧接した後２ｍｍ厚
となるようにロール圧接を行った。この圧接後４００℃
×６時間のアニール処理を行った。アニール処理後の軸
受台金の硬さは圧接前の押出し成形体と同程度のＨｖ４
６であった。また、電子顕微鏡による軟質物質の分布は
均一微細に分散されており、潤滑成分である軟質物質の
大きさは８ルｍ以内であった。

また、Ｎｏ、　７組成に微細化成分としてＴｉを０．０
１重量％添加して製造例（２）と同一方法で実施したＮ
ｏ、１４４組成軟質物質の大きさは６μｍ以内となって
おり、結晶粒の微細化を助長していることが確認された
。

製造例（３） Ｎｏ、１２２組成合金′粉末を上記と同様にアトマイズ
法によって製造したのち冷間静水圧２ｔｏｎｆ／ｃｍ２
で直径１００　ｍ　ｍ　、長さ１００ｍｍのビレットに
成形し、押出し温度５００’Ｃ。

押出比８０の条件で押出して＠６０ｍｍＸ厚さ１．６ｍ
ｍの板状押出し成形体を得た。次いで、この成形体に、
幅６２ｍｍＸ厚さ０．４ｍｍの純アルミニウム薄板を圧
接し、厚さ１．２ｍｍの二層軸受合金板を得た。この合
金板の硬さがＨｖ７６であったので、４００℃×６時間
のアニール処理を施すことによりＨｖ５０に軟化させ、
この合金板を粗面−化した厚さ２ｍｍの鋼板に圧接した
後厚さが１．８ｍｍとなるようにロール圧接を行った。

そして、圧接後に４００℃×６時間のアニール処理を行
った。

なお、上記の製造例（１）（２）（３）においては、密
着層を省略する方法、密着層にＮｉメッキを利用する方
法、Ａ文薄板を密着層とする方法を記載したが、軸受台
金組成、工法および経済性等の観点から適宜の工程を選
定すべきであって、他の材＃４（例えばＡ４粉末、Ｃｏ
メッキなど）であっても差支えない。また、圧接前に押
出成形体の熱処理を行うことも当然可能であり、圧接条
件によっては押出成形体の前記予備熱処理を行うこ　　
□とにより圧下率をさらに大きくとることができる。

次に、表１の組成をもつＡＭ系軸軸受合金表面性能を調
べるために、前記製造例において述べたアニール処理後
の材料から試料（３５Ｘ３５ｍｍ）を切出し１表３に示
す条件で摩耗試験を行った。また、表１に示す陽、２．
および参考のため崩、１６の組成をもつ軸受台金に対し
ても同様の摩耗試験を行った。なお、陽、２は製造例（
１）と同様にして、またＮＯ，１６については製造例（
３）と同様にしてそれぞれ試験片を作成した。

表３　摩擦試験条件 表４　試験結果（圧接−熱処理後） Ｎ２２ 表３９表４に示す結果より、本実施例の軸受台金は極め
て良好な表面性能を示すことが確かめられた。

続いて、崩、１〜Ｎ０．４とＮｏ、１６については製造
例（１）と同様にして、また、陽、５〜Ｎｏ。

７については製造例（２）と同様にして、さらに陽、８
〜Ｎｏ、１５および崩、１７．Ｎｏ、１８については製
造例（３〕と同様にして作成したのち、鋼板と圧接レア
ニール処理後の軸受台金から当業界公知の機械加工で軸
受を製作し、表５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６図に示す。なお、参考例とし
て、Ｎ００７組成に相当する各成分の金属粉を混合した
混合粉材（参考例２１）、Ｎｏ、７組成に相当するＡｆ
Ｌ−Ｓｉ−Ｃｕ粉末とＰｂ−３ｎ粉末とよりなる合金粉
末圧延材（参考例２２）、そして同様組成の鋳表５　軸
受耐疲労性試験条件 第６図に示すように、本発明による軸受は従来軸受には
見られないすぐれた耐疲労性を有しており、耐久時間が
長いことがわかる。

（発明の効果） 以上説明してきたように、この発明による軸受台金は、
ＡＭ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種以上の金属をマ
トリックスに対する断面積比で０．００６〜０．０４０
、硬質成分としてＳｉを同じく断面積比で０．００３〜
０．０６０、強化成分としてＣｕ、Ｃｒ、Ｍｇ。

Ｍｎ、Ｎｉ、Ｚｎ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Ｔ　ｉ　、　Ｂ　、　Ｚ　ｒ　、　Ｖ　、　Ｇ　ａ
　。

ＲＥＭの１種以上を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８μｍ以下である合
金粉末から成形したビレットを押出比１０以上で押出成
形して成り、Ａ文マトリックス中に分散したＳｉ粒子の
大きさが１２μｍ以下、常温での引張強さが１５ｋｇｆ
　／ｍｍ２以上、常温での伸びが１３．５％以上であり
、銅系材料に比較して著しく軽量であってしかも耐疲労
性および表面性能（潤滑性能）という二律背反的特性の
両方共が従来にない高い水準をもつ著しく優れた軸受合
金であるという著大なる効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は軸受台金素材（押出し時）の押出比とクラック
数との関係を調べた結果を示すグラフ、第２図は同様に
押出比と引張り強さとの関係を調べた結果を示すグラフ
、第３図（ａ）（ｂ）はこの発明の実施例による軸受台
金の組織および比較例の軸受台金め組織を示し、特にク
ラックの有無についての説明に使用した金属組織顕微鏡
写真、第４図はこの発明による軸受台金の製造工程例を
示す説明図、第５図は摩擦試験において使用した負荷パ
ターンの説明図、第６図はこの発明による軸受と従来に
よる軸受との耐疲労性試験の結果を示す説明図である。 特許出願人　　日産自動車株式会社 同　出願人　　エヌデーシー株式会社 代理人弁理士　小　　塩　　　豊 第１図 ！Ｐ：Ａ比

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）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Ａｌマトリックスに対する断面積比で
   ０．００６〜０．０４０、硬質成分としてＳｉを同じく
   断面積比で０．００３〜０．０６０、強化成分としてＣ
   ｕ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｚｎ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、均一
   微細に分散した潤滑成分の大きさが８μｍ以下である合
   金粉末から成形したビレットを押出比１０以上で押出成
   形して成り、Ａｌマトリックス中に分散したＳｉ粒子の
   大きさが１２μｍ以下、常温での引張強さが１５Ｋｇｆ
   ／ｍｍ＾２以上、常温での伸びが１３．５％以上である
   ことを特徴とするアルミニウム系軸受合金。
2. （２）Ａｌマトリックス中に微細化成分としてＴｉ、Ｂ
   、Ｚｒ、Ｖ、Ｇａ、希土類元素よりなる群から選ばれた
   金属を全合金に対して０．０１〜３．０重量％含んでい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載のア
   ルミニウム系軸受合金。