JPS61272358A - 軸受材料の製造方法 - 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 本発明は軸受材料およびその製造方法に関し、特に銅、
ケイ素および比較的軟質相、例えばスズを含む合金添加
物を有するアルミニウムを主成分とした軸受材料に関す
る。

従来の技術及び発明が解決しようとする問題点約２０重
量％Ｓｎおよび１重量％Ｃｎを含有するアルミニウムを
主成分とした軸受材料は周知であって、例えば自動車産
業において平ジャーナル軸受用に広く使用さｎてＡる。

疲労抵抗および両立性，すなわちこの軸受材料の軸受合
金と回転シャフト間の局部的溶接に対する抵抗性能は殆
んどの用途において全く充分であるが，かかる材料を高
定格エンジンに使用した場合に疲労の問題がある。その
上．かかる材料の両立性は，鋳鉄と共に使用した場合に
若干望ましくなくなる。一般に。

鋳鉄シャフトのジャーナルの表面仕上げは鋼シャフトで
得られるものよシ劣る。この結果は，鋳鉄シャフトが鋼
シャフトよりも摩耗する傾向にあるためである。

Ａｌ−Ｓｎ２０−Ｃｕｌよりも高い疲労強度を有する別
の周知アルミニウムを主成分とした材料は八ノ−Ｓｉｌ
１〜Ｃｕｌである。そのケイ素は一般にマトリックス全
体の均一な粒子分布として存在する。

この材料の疲労強度は高いけｎども．マ｝　ＩＪソック
ス性質が比較的高い九めにそのなじみやすさが比較的悪
い。なじみやすさ、すなわち合金自体と回転シャフト間
の小さなミスアラインメントの調節能力の問題を解決す
るために．後者の材料はしばしば．例えばＰｂ−Ｓｎ１
０の電着被覆層（オーバーレイ）と、該オーバーレイと
軸受台金との間のニッケル中間層とを備えて作動さ扛て
いる。軟質のオーバーレイはなじみやすさと、きよう雑
物の埋め込み能の両方を提供する。

きよう雑物の埋め込み能は、ジーゼルエンジンがますま
す低精製度の燃料で運転される傾向にあるのに伴い一層
重要になってきている。低精製度の燃料から出る残渣は
軟質オーバーレイのエロージョンおよび腐食をして、作
動寿命を短縮する。

さらに、オーバーレイが拶耗してニッケル中間層の露出
面積が大きくなる場合には，軸受の焼付きの危険が増す
傾向にある。

オーバーレイの摩耗速度は鋳鉄シャフトを有する自動車
エンジンではさらに増大する。

アルミニウムを主成分とする軸受材料にケイ素を添加し
、マトリックス内に軟質層を保持することによって優れ
た疲労強度および優ｎたなじみやすさ並びに両立性が得
らｎることは多くの研究が示している。我々による同時
係属出願の英国特許出願第２，１１１１１号はｇ−３５
重量％Ｓｎ，１〜１１重量％Ｓ１および０．２〜３重量
％Ｃｕを有するアルミニウムを主成分とした軸受材料を
開示している。これらの材料は，鋳鉄シャフトに対して
Ａｊ−Ｓｎ２０−Ｃｕｌ　　よシも優れた疲労強度およ
び両立性，そして非めっきのＡｌ−Ｓｉｌ１〜Ｃｕｌよ
りも優れたなじみやすさを有する。しかしながら、これ
ら合金の疲労強度は後者の材料ほど高くない。

Ａｊ−Ｓｉｌ１〜Ｃｕｌ材料のさらに別の問題は、高コ
ストの生産手段となるオーバーレイめっきの必要性の外
に、安価なボア・ブローチ削りと異なりめっきをする仕
上げ表面を機械加工する必要があることである。

問題点を解決するための手段および作用従って１本発明
の目的は、鋳鉄シャフトに対してＡｎ−８ｎ２０−Ｃｕ
ｌよりも著しく優れた疲労強度および優れた両立性を有
する軸受材料を提供することである。

さらに１本発明の目的は、非めっき状態でＡＪ−８ｉｌ
１〜Ｃｕｌ　の疲労強度を有すると共に最終寸法にボア
・ブローチ削かできる軸受材料を提供することである。

米国特許第２．　ｌ　Ｉｔ　４．１４９号に開示さ扛て
いる範囲内の合金は適当な熱処理によって前記の目的を
達成できることが思いがけなく発見された。さらに、規
定の範囲内で熱処理を調節することによって、得られる
軸受材料の性質は特定の用途に適するように調節するこ
とができる。

本発明の１つであるところの重量％表示で付随する不純
物以外に８〜３５Ｓｎ、１〜うＣｕ、２〜１０Ｓ１およ
び残部のＡｌからなる組成を有する軸受材料の製造方法
は、前記組成の合金を適当な形状に鋳造し、該合金の温
度を１Ｉ００℃以上５２５℃以下の温度に上げ、続いて
該合金を少なくとも５０℃／分の冷却速度で環境温度に
冷却する工程から成る。

Ｓｎの含量は９〜１５重量％と１５〜２５重量％の２つ
の範囲の１つにすることが望ましい、同様にＣｕの含量
はＬ５〜２．５重量％の範囲内が望ましい。Ｓｎ含量が
９〜１３重量％の範囲内にある場合、Ｓｉ含量は５〜５
重量％の範囲内にあることが望ましい。しかしながら、
Ｓｎ含量が１５〜２５重量％の範囲内におる場合、Ｓｉ
含量は２〜４重量％の範囲内にあることが望ましい。

合金は少なくとも５０℃／分の冷却速度で２００℃以下
の温度に冷却することが望ましい、その際必要ならば冷
却速度を変えることができる。

前述の方法は一般にモノリシックの形状の合金に適用す
ることができる。しかしながら、本発明は軸受台金が、
例えば鋼のような強い裏当て材に接着されるバイメタル
の形の軸受材料に使用したり、いわゆる薄壁軸受の製造
に使用する場合に最も有利である。

鋼のよ５な裏当て材料に接着されたアルミニウムを主成
分とする合金は一般に連続または半連続式製造法によっ
て作られ、そこで最終的に個々の軸受にさらに加工する
ために大型のバイメタル材コイルが作らｎる。鉄基材に
接着されたアルミニウムを主成分として合金の熱処理を
行うときの最重要の考慮事項はアルミニウムと鋼との間
の界面またはその近傍に金属間化合物の形成の可能性で
ある。かかる化合物の形成は軸受台金と鋼量の接着（結
合）の耐久性に劇的な悪影響を与える。その上、この劇
的な悪影響は金属間化合物の形成が光学顕微鏡下で観察
できるようになる前に生じる。

従って、いずれの熱処理も光学顕微鏡下で観察されよう
とされまいと鉄とアルミニウムの金属間化合物の形成を
回避することが必須である。こｎまでかかる脆い金属間
化合物のために鋼に接着さｎたアルミニウムを主成分と
した合金では実行できないと考えられていた温度を実際
に利用できることが今発見された。これは、その温度へ
の加熱速度が高くかつその温度における滞留時間が十分
短いことを必要とする。さらに、前記の高加熱速度およ
び短時間はＣｕおよびＳｌの十分な固溶体化をもたらし
て、得らｎた軸受材料に本発明の疲労強度およびブロー
チ削り性１等の目的を達成させることができることも見
出さｎた。

本発明の第２の発明において、鋼裏当て材と、付随する
不純物以外に重量％でＦ３〜３５Ｓｎ、１〜３Ｃｕ、２
〜１０Ｓ１、残部Ａｌからなる組成を有するＡｌを主成
分とする軸受材料の製造法は。

前記所望の合金組成物を適当な形状に製造し、該合金を
鋼に接着させ、接着さｎた材料の温度を少なくとも４０
０℃、５２５℃以下の温度に上げ。

該温度に加熱する時間と該温度での滞留時間の総計時間
を６０秒〜２１１０分の範囲内にし、続いて接着さｎた
材料を少なくとも５０℃／分の冷却速度で環境温度に冷
却する工程からなる。

材料の加熱温度は４２５°〜５００℃の範囲内。

そして加熱時間は１２０秒〜１０分の範囲内が望ましい
。その温度は１１５０°〜４９０℃の範囲にあることが
さらに望ましい。

本発明の望ましい実施態様において、該軸受材料はさら
に、軸受合金と鋼裏当て材との間に１例えばアルミニウ
ムの中間層を含むことができる。

かかる中間層は、鋼裏自て材に接着する前に、例えばロ
ール圧力による接着によって合金ビレットをクラッドす
ることによって作ることができる。

さらに、本発明法の別の利点は、前記の高温および短時
間が加工組織内にスズ相の網状組織を生成すると共に合
金と鋼量の結合を完全に強固にするのに十分なことであ
る。こｎら軸受材料の予想外の高性能は網状組織をもっ
たもののみに得られると考えら詐る。

しかしながら、本発明によシ接着された材料の熱処理は
、技術的に周知の他の熱処理１例えば典型的な約３５０
℃で約５時間の加熱後に行うことができる。かかる長時
間かつ高価な熱処理の省略は軸受材料の生産にかなりの
経済的節約をもたらすことが予測される。

加熱時間は材料の温度に依存する。例えば、最終の最高
温度が約１＋５艷の場合には、冷却前の総加熱時間は約
１０分であるが、得られる最高温度が約５００℃の場合
には総使用時間は約１２０秒になる。

加熱後の冷却速度は合金の性質に影響を及ぼす。

例えば、冷却速度が約り５℃／分の場合には、固溶体か
ら若干のＣｕと８１が析出する。冷却速度が１例えば約
り５０℃〜３００℃／分のようにさらに速い場合には、
さらに多くのＣｕおよびＳｌが固溶体中に保持される。

接着材料の熱処理は連続ストリップを基準にして達成で
きることが企図され、ストリップを最初急熱手段に通し
続いて急冷手段に通す。かかる方法を経済的に実行司能
にするために、ス）　ＩＪツブは適当な速度で移動させ
る必要がある。従って。

比較的高温で短時間がより望ましい。ｑｏｏ℃において
合金系はかなりの量のＣｕおよびＳｌを固溶化できるけ
れども、その反応は遅く連続ス）　ＩＪツブ・プロセス
として行うことは困難である。バッチ法でコイル材を、
例えば１１２５℃において５〜４時間加熱することかで
きるけれども、コイル全体を急冷することな（Ｃｕおよ
びＳｉの固溶化を保つのに必要な冷却速度を達成するこ
とは困難であり、この方法は厄介でありかつ扱いにくい
。

注意でちるが、さらに付加的熱処理を行うことができる
。その熱処理によって固溶化されているＣ　ｕＪｓ　ｉ
は析出する。かかる熱処理は、望ましくは軸受の予想作
動温度以上の温度において１例えば１〜７２時間の熱処
理期間を含む。適当な温度は１例えば１５０℃〜２５０
℃であるが、さらに望ましい温度は１８０℃〜２２０℃
であり、それに対応する時間は２〜２１時間の範囲にあ
る。

本発明の方法をさらに十分に理解するために。

２．５の非限定の実施例を説明のみを意図して以下に記
載する。

実施例　１ Ａｊ−８ａｌ１〜８Ｌ＋＋−Ｃｕ２の組成を有する合金
を２５ｍの厚さのビレットに連続的に鋳込んだ。

それらのビレットはｌｌ９０℃において１６時間均質化
焼鈍を行ってから１つ簡の厚さに機械加工した。それら
のビレットは次に数パスの圧延をして７．６ｗ厚さにし
、最終焼鈍を行った。圧延したストリップは１次に圧延
圧力による接着を利用して０、８　ｔｍ　１％さに調製
されたアルミニウム箔を片側にクラッドした。クランド
の後、そのストリップを０．８９■厚さに圧下し、箔側
を浄化および研摩し。

そのストリップを予め調製した２、５鋼厚さの鋼ストリ
ップにロール圧力で接着させた。得られたバイメタル・
ストリップはＬ５簡の厚さを有する鋼裏板と、全体の厚
さがα５■の合金／箔うイニングとを有した。ロール圧
力での接着後の軸受台金は約７６Ｈｖの硬度を有した。

かく得られたバイメタル・ストリップは次に空気循環炉
内で３５０℃において５時間のサイクルで熱処理した。

かかる熱処理後の軸受台金の硬度は約５７Ｈｖであった
。

熱処理したバイメタル・ストリップは、さらに流動床内
で４７５℃に１６０秒の全サイクル時間迅速加熱するこ
とによって熱処理した。そのバイメタル・ストリップは
１１２０℃になるのに約４０秒かかった。そして残りの
１２０秒は１４２０℃からｌ＋７５℃に上げる時間と４
７５℃での滞留時間からなった。次にそのバイメタル・
ストリップは約り５０℃／分の冷却速度で冷却された。

この段階でのス）　ＩＪツブの硬度は約’＋７Ｈｖであ
った。

そのストリップから、長さ５０日、直径３５諺の試験軸
受を作製した。流動床での熱処理前のストリップからも
試験軸受を作った。

かく作製した軸受は次の条件で試験リングについて疲労
試験を行った： シャフト速度　　２１！ＯＯｒｐｍ 初荷重　６２ＭＰａ 各荷重下で２０時間後に、疲労まで荷重を７ＭＰａずつ
増大さす 油温度　８０℃ 正弦曲線の荷重パターン 軸受は比較のためＡＪ−８ｎ２０−Ｃｕｌに対して試験
を行った。それらの結果を第１表に示した。

材料は焼付き試験のための軸受にも作った。試験条件は
次の通りである。

Ｌ　疲労試験に使用した軸受のサイズは、通常得られる
よりも高い特定荷重の使用を容易にするために半分の長
さに機械加工した。

ａ　潤滑油（ｓＡｇ　１ｏ）は１２０℃に予熱した。

う、　そのリングはｌ　ＯＱ　ＭＰａで１時間実験した
。

ヰ、その荷重は２０　ＭＰａずつ増加させて、リングを
新しい荷重で１０分間実験した。この操作を焼付きが生
じるまでまたは軸受の裏側の温度が約１６０℃に急速に
上昇するまでくり返した。

急速ｆ！温度上昇のために焼付きが生じたまたは試験を
終わらせた荷重が焼付きの定格である。

それらの結果を第２表に示す。試験軸受は、異なる材料
に対する両立性および耐焼付き性を評価するために軟鋼
および鋳鉄のシャフトについて行った。

的記第２表の試験結果において、　２６０１ｖｉＰａは
使用した特定の試験リングで得られる最高荷重を示し、
５つの試験がＡｌ−８ｎ２０−Ｃｕｌに対して２６０　
ＭＰａの定格を与え、１つは実際に焼付かずさらに高い
定格が得られるであろうことがわかる。

本発明の方法で製造した材料に対して５つの試験が２６
０　ＭＰａ　　の定格を与え、これらの軸受はいずれも
実際に焼付かず、５つは全てさらに高い定格を与えると
思われる。

第１表から１本発明の方法によって作った材料の疲労抵
抗はＡｊ−８ｎ２Ｑ−Ｃｕｌ材料および英国特許第２．
　ｌ　ＩＩ４，１１４９号に開示されている材料（これ
は後続の熱処理をしていない）よりも明らかに優れてい
る。Ａｊ−８ｎ２０−Ｃｕｌの平均疲労定格は約８５　
ＭＦ’ａであるが、入１−８ｎｌＬ−８ｉＫ−Ｃｕ２材
料の比較疲労定格は熱処理前に約９３ＭＰａである。し
かしながら１本発明による処理後の平均疲労定格は１１
１４．５　ＭＰａに改善され５本発明の方法によって疲
労強度が２５％向上した。

第２表から、Ａｊ−８ｎ２０−Ｃｕｌに優る鋳鉄シャフ
トとの両立性における改善が本合金において維持される
ことがわかる。Ａｊ−８ｎ２０−Ｃｕｌの平均焼付き定
格は１５２ＭＰａ　　である。本発明の合金の平均焼付
き定格は２０５　ＭＰａである。さらに。

本発明の合金の焼付き性能は鋼シャフトと共に使用した
ときも優れている。

バイメタル・ストリップから作った軸受についてブロー
チ削り試験も行った。軸受は流動床の熱処理を行ったス
トリップおよびかかる熱処理前のストリップから作製し
た。試験は、タングステンカーバイド・カッターおよび
比較のための鋼カッター（両者は共に５０°のレーキを
有した）を使用して合金を約α０２５−除去することか
らなった。

表面の粗さをブローチ削りを行った軸受について測定し
た。それらの結果を第５表に示す。

第５表から本発明の方法によって作製した材料は既知の
合金よシも細かく均一に仕上がり、その上製造工程とし
てブローチ仕上げができることがわかる。これは、高マ
トリックス強度および軟質相の欠除のためにブローチ仕
上げのできないＡト５ｉｌ１〜Ｃｕｌと対照的である。

実施例　２ 同じ組成の合金で、実施例１のように合金の鋼へのロー
ル圧力接着を含むバイメタルを製造および処理した。

かく製造したバイメタルは次に流動床内でｌｌ７５℃に
迅速加熱し、全体で４分間保持した後それを約５００で
７分の冷却速度で冷却した。試験によυ鋼と合金間の結
合は金属間化合物の形底がないことがわかった。そして
これは実施例１のものに比較して極めて完全な結合を示
した試験によって確認された。その軸受台金は微細網状
組織を有することもわかった。

実施例　５ 得られたバイメタルを５００℃に全体で２分加熱したこ
と以外は実施例２のように合金を製造そして処理した鋼
界面の合金も完全な結合を示すと共に接着試験によって
確認された、そしてその組織も網状であった。

実施例　４ バイメタルの試料は、空気中で３５０℃×５時間のサイ
クルの熱処理工程を含むと共に実施例１におけるように
作製した。バイメタル片は次に１８０秒のサイクルで４
５０℃に加熱し２次に１０００℃／分以上の冷却速度を
与える水噴霧焼入れを行った。得られた合金の硬度は５
２ｆ（ｖであった。次にこの材料片を２００℃で１〜２
１４時間の範囲の時間で熱処理した。約１６時間後に最
高硬度６０Ｈｖが得られた。

実施例　５ 実施例４におけるように調製した試料を２２０℃で１〜
２１４時間熱処理した。約６時間後に最高硬度５　ｇＨ
ｖが得られた。そして約２１４時間後に３５Ｈｖへ徐々
に低下した。

以上記載した実施例においては流動床加熱によつて急速
加熱を行った。しかしながら、加熱速度が十分速い限り
いずれの手段も用いることができる。別の方法１例えば
誘導加熱、高強度放射加熱。

プラズマ加熱または他の周知方法が含まれる。ストリッ
プの冷却はガス衝突または他の方法によって１例えば２
００℃に下げ、しかる後にマツフルの周囲の通常の水冷
ジャケットによって行うことができる。或いは流動床冷
却、液体噴霧冷却、またはストリップを焼入れ浴に通す
方法等が可能で−ある。

発明の詳細 な説明したように１本発明の合金は、既知の合金（ある
場合には高価なオーバーレイを必要とする）に比較して
疲労抵抗および焼付き抵抗を著しく改善する。その上９
本発明の方法によって製造された合金はブローチ削り仕
上げができる。任意の工程であるが、必要ならば本発明
の方法によって作製された軸受にオーバーレイを提供す
ることもできる。

しかしながら、ある場合１例えばターボチャージャーで
過給されるエンジンまたは高速エンジンにおいては優れ
た両立性と共に高疲労強度を有する軸受を設けることが
望ましい。かかる用途においては、軸受合金はＳｎ、ｐ
ｂ／ｓｏ、Ｐｂ／Ｓｎ／Ｃｕ、Ｓｎ／Ｃｕ、　Ｓｎ／Ｓ
ｂ、　Ｓｎ／Ｃｔ／／ＳｂおよびＰｂ／Ｓｎ／Ｃｕ／Ｓ
　ｂを含む群から選んだオーバーレイをコーティングす
る。さらに、合金ライニングとオーバーレイ・コーティ
ングの間に、Ｎ１、Ｆ１３．Ａｔ。

Ｃｏ、Ｃｕ、ＺｎおよびＣｕ　／Ｓ　ｎを含む群から選
んだ中間層を挿入することかできる。

また１本発明に従った合金から作製した軸受け、同時係
属中の我々のヨーロッパ特許出願第８５３０９１ｇ０．
９号に開示されている種類のオーバーレイ（該オーバー
レイは犠牲用のスズ薄層からなる）を備えることができ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、付随する不純物の外に、重量％表示で８〜３５Ｓｎ
   、１〜３Ｃｕ、２〜１０Ｓｉおよび残りＡｌから成る組
   成を有する合金を適当な形状に鋳造する工程、該合金の
   温度を４００℃以上５２５℃以下の温度に上げる工程、
   および続いて該合金を少なくとも５０℃／分の冷却速度
   で環境温度に冷却する工程から成ることを特徴とする軸
   受材料の製造方法。 ２、付随する不純物の外に、重量％表示で８〜３５Ｓｎ
   、１〜３Ｃｕ、２〜１０Ｓｉおよび残りＡｌからなる組
   成を有する合金を適当な形状に作る工程、該合金を鋼裏
   当て材に接着させる工程、得られた被接着材料の温度を
   少なくとも４００℃、５２５℃以下の温度に上げ、該温
   度に加熱する時間と該温度における滞留時間との総計時
   間を６０秒〜２４０分の範囲内に保つ工程、および続い
   て被接着材料を少なくとも５０℃／分の冷却速度で環境
   温度に冷却する工程からなることを特徴とする鋼裏当て
   材と合金材とを有するＡｌ−基軸受材料の製造方法。 ３、前記Ａｌ−基軸受合金の組成が９〜１３重量％Ｓｎ
   、１．５〜２．５重量％Ｃｕ、３〜５重量％Ｓ１、残り
   Ａｌの範囲内にあることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項または第２項に記載の方法。 ４、前記Ａｌ−基軸受合金の組成が１５〜２５重量％Ｓ
   ｎ、１．５〜２．５重量％Ｃｕ、２〜４重量％Ｓｉ、残
   りＡｌの範囲内にあることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項または第２項に記載の方法。 ５、前記被接着材料が４５０〜５００℃の温度に９０秒
   〜１０分の総計時間上げられることを特徴とする特許請
   求の範囲第２項ないし第４項のいずれか１項に記載の方
   法。 ６、前記軸受材料が２００℃以下の温度に少なくとも５
   ０℃／分の冷却速度で冷却されることを特徴とする前記
   特許請求の範囲のいずれか１項に記載の方法。 ７、前記冷却速度が少なくとも３００℃／分であること
   を特徴とする前記特許請求の範囲のいずれか１項に記載
   の方法。 ８、前記軸受材料が、４００℃〜５２５℃の温度に上げ
   られる前に約３５０℃の温度で所定時間熱処理されるこ
   とを特徴とする前記特許請求の範囲のいずれか１項に記
   載の方法。 ９、前記軸受材料がさらに１５０℃〜２３０℃の温度で
   １〜７２時間熱処理されることを特徴とする前記特許請
   求の範囲のいずれか１項に記載の方法。 １０、前記被接着材料が流動床によつて温度上昇される
   ことを特徴とする前記特許請求の範囲のいずれか１項に
   記載の方法。 １１、前記軸受材料がオーバーレイを有することを特徴
   とする前記特許請求の範囲のいずれか１項に記載の方法
   。