JPS6156305B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はアルミニウム系合金軸受に関するもの
であり、さらに詳しく述べるならば内燃機関の軸
受として用いられるスズ含有アルミニウム系合金
軸受の改良に関するものである。 上記アルミニウム系合金はスズを含有するもの
が一般に裏金鋼板に圧接されて軸受として供用さ
れているが、軸受合金と裏金鋼板の接着強度を高
くするために圧接後にこれを焼鈍する工程が不可
欠であり、一般的にはこの焼鈍はAl−Feの金属
間化合物が生成する温度未満で時間を長くして行
なわれるところがスズ含有アルミニウム系合金で
は上記焼鈍によつて高温下に置かれると、合金組
織中でアルミニウム結晶粒及びスズの晶出物が粗
大化し、スズ含有アルミニウム合金の高温硬さ及
び耐疲労強度が低下するという欠点があつた。 そこで、スズ含有アルミニウム系軸受合金の上
記欠点を解消するために添加元素を含有させた軸
受合金も使用されており、例えば、3.5〜4.5％Sn
−3.5〜4.5％Si−0.7〜1.3％Cu−残Al、４〜８％
Sn−１〜２％Si−0.1〜２％Cu−0.1〜１％Ni−残
Al、３〜40％Sn−0.1〜５％Pb−0.2〜２％Cu−
0.1〜３％Sb−0.2〜３％Si−0.01〜１％Ti−残
Al、15〜30％Sn−0.5〜２％Cu−残Al、及び１〜
23％Sn−1.5〜９％Pb−0.3〜３％Cu−１〜８％
Si−残Alなどのスズ含有アルミニウム系軸受合金
（以下多元系軸受合金と称する）が使用されてい
た。 しかし、近年の自動車用内燃機関は小型化及び
高出力化が要求され、しかも排気ガスの浄化対策
のためのブローバイガス還元装置の取付が要求さ
れるようになると、内燃機関の軸受の使用条件は
従来より悪化するに至つた。すなわち近年の軸受
は小型にて従来より高荷重及び高温下で使用され
るようになつたため、従来の多元系軸受合金は疲
労破壊や異常摩耗を起こして、自動車の内燃機関
のトラブルの一つの要因になつていた。なお、金
属材料の疲労現象は一般的には長期に亘つて該材
料が使用されたときに発現するが、近年の内燃機
関では高負荷運転が比較的短時間継続したときで
も疲労による軸受の破壊が起こることがあつた。
これは内燃機関内の潤滑油が高負荷運転時に高温
になり、例えばオイルパン内の潤滑油の温度で測
定した温度が130ないし150℃にも達するため、軸
受は相手材であるクランクシヤフト等とかなりの
高温で摺動していると予測され、この結果従来の
多元系軸受合金の高温硬さが急激に低下し、又ス
ズの溶融又は移動が起こり、このことが耐疲労強
度を低下させる原因になつていると本願発明者は
考える。 本願出願人は特願昭55−851号にて重量百分率
で、2.5ないし25％のスズ、0.5ないし８％の亜鉛
及び0.1ないし1.0％未満のクロムを含有するアル
ミニウム系合金を提案した。又本願出願人は特願
昭55−852号にて、重量百分率で、2.5ないし25％
のスズ、0.5ないし８％の亜鉛及び１ないし７％
のケイ素、クロム、マンガン、ニツケル、鉄、ジ
ルコニウム、モリブデン、コバルト、タングステ
ン、チタン、アンチモル、ニオブ、バナジウム、
セリウム、バリウム及びカルシウムからなる群か
ら選択された少なくとも１種の元素を含有し、残
部が実質的にアルミニウムからなるアルミニウム
系合金も提案した。これらのアルミニウム系合金
ではケイ素、クロム等は極めて微細な硬質のAl
−Cr金属間化合物としてマトリツクス中に分散
し、主としてスズ粒子の粗大化防止の効果を奏
し、又亜鉛は殆んどがマトリツクス中に固溶して
マトリツクスを強化し、この結果該合金の耐疲労
強度及び高温硬さが向上する。これらのアルミニ
ウム系合金の軸受性能はマトリツクスの強化と微
細分散物による強化の両作用の相乗効果によつて
単一作用の場合よりも向上されるものである。 なお軸受性能の一つの尺度として、なじみ性と
いう概念があり、これは上記特許出願では、軸受
の相手材である軸の加工精度に対して軸受と軸と
の間に常に潤滑油の油膜が介在した状態で両者が
接触しうるように、軸受の表面が軸受使用の初期
に軸によつて部分的に削りとられるあるいは摩耗
される軸受の性質を、指すものと、とらえてお
り、軟質なスズ粒子が優れたなじみ性を実現する
ものと把握されている。上述のようななじみ性の
とらえ方は当業界において確立された考え方であ
り、軟質なスズ粒子により軸受になじみ性を付与
しようとする思想自体は、従来の当業界の考え方
に沿うものであり、その延長線上にあるというこ
とができる。また、クロム、ケイ素等の作用につ
いては、これらの粒子がスズ粒子の粗大化を妨げ
るという面からとらえられており、いわばクロ
ム、ケイ素等の粒子が直接的になじみ性を改良す
るという技術思想はなく、軟質なスズ粒子の形態
制御により間接的にスズ含有アルミニウム系合金
のなじみ性を改良するという技術思想及び後述の
技術的手段にて上記特許出願の記載は首尾一貫し
ているといえる。 本発明者はスズ含有アルミニウム系合金の軸受
性能を詳しく研究したところ、従来の考え方とは
全く異なる技術思想及び技術的手段により軸受性
能、特になじみ性及び耐焼付性を飛躍的に向上し
うることを見出して、本発明を完成した。この技
術的手段とは詳しくは後述するように、スズ含有
アルミニウム合金中のケイ素粒子の寸法制御であ
るが、Si−Al二元系合金においてケイ素粒子が析
出ないし晶出（以下、便宜上晶出と称する）する
こと自体は周知の事実であり、また内燃機関用ア
ルミニウム系軸受合金においてケイ素粒子の分布
について論じた論文又は特許も公表されている。 特開昭55−82756号によると、軸受用合金の製
造において、５〜15％のケイ素、銅５％以下、ビ
スマス10％以下、及び鉛１％以下からなるアルミ
ニウム系合金を熱間又は冷間圧延するか、あるい
は押出すことによつて、少なくとも90％の断面減
少率を得、それによつて合金中のケイ素粒子が連
続したスケルトン様網目構造とならずに微細に分
かれた粒子の状態で存在するようにした発明が提
案されている。そして、この軸受合金は軟質のメ
ツキ（オーバレイ）を施こした軸受にも施こさな
い軸受にも有用であると述べられている。この発
明の要点は鋳造状態の粗いケイ素粒子を圧延等に
より微細分散させ、圧延加工後に必要に応じて行
なう焼鈍は加工組織を回復させる程度にとどめ、
ケイ素粒子の微細形態を維持した点にある。さら
に、この発明では約10％程度の高いケイ素含有量
が好ましいと明記されているから、ケイ素含有量
が高いアルミニウム合金にてかなり大きく発達す
るケイ素粒子を微細分散させることに意義が見出
されている。しかしながら、本願発明者の研究に
よると、オーバレイを施こさずに使用する内燃機
関用軸受合金にあつては、ケイ素含有量が高いと
軸受の疲労強度が低下し、特に軸受が軸から繰返
し荷重を受けて摺動する場合に疲労破壊が起こつ
て、負荷能力が著しく低下するという欠点がある
ことが分かつた。さらに、軸受性能を高める目的
上はケイ素粒子を微細分散させる圧延等の方法に
よつては満足すべき結果は得られない。すなわち
軸受用アルミニウム合金は通常鋳造材を圧延等の
方法によつて所定寸法を付与することにより製造
され、この圧延等によりケイ素粒子は分断される
が、このようにケイ素粒子を分断するだけではな
く、場合によつてはケイ素粒子を粗大化させ所定
の寸法のケイ素・粒子を所定個数に制御した場合
に、軸受性能が顕著に高まることが分かつた。ち
なみに、上記公開公報では、11％Siのアルミニウ
ム合金について実験がなされ、そしてケイ素微細
粒子の寸法は0.0001インチ（2.5ミクロン）から
0.001インチ（25ミクロン）であると記載されて
いるが、単位面積当りの個数については何ら触れ
られておらない。 SAE Technical Paper SeriesのAluminium
Based Crankshaft Bearings for the High
Speed Diesel Engineと題する論文（1981年２月
23−27日、デトロイトで発表）は上記公開公報と
同一人が発表した論文であり、その中では11％Si
−１％Cu−Al合金についての焼付荷重が掲載さ
れている。これによるとケイ素粒子寸法が17ミク
ロンンを越えるものが、単位面積（m²）当り8.7
×10⁶個存在していると焼付荷重のばらつきが多
く、一方17ミクロンを越えるものが0.6×10⁶個存
在していると焼付荷重がより高くしかもばらつき
が少なくなるという説明がなされている。この説
明及びその他の理論的説明はアルミニウムマトリ
ツクス中に、硬度が高いケイ素粒子が微細分散し
ていることが適合性（compatibility）及び焼付
荷重向上に貢献するということである。さらに、
上記論文では「適合性」という概念とは相反する
概念として、クランクシヤフトと軸のミスアライ
メントを許容する「順応性」（conformability）
がうたわれており、ケイ素含有アルミニウム合金
は順応性が低いから、オーバレイを具備する必要
があると述べられている。したがつて、従来アル
ミニウム系合金軸受にて、ケイ素粒子寸法に着目
した考え方はあつても、オーバレイなしで軸受と
して使用可能なアルミニウム系合金の提供に成功
した例はなかつた。また、ケイ素粒子が硬質であ
るため直接相手材（鋼製クランクシヤフト等）を
研磨し、なじみ性又は適合性に直接影響を与える
ことは知られていたが、その粒子寸法の制御は軟
質マトリツクス中に微細な硬質粒子を均一に分散
させるという理論を応用してなされていたもので
あり、この理論自体は、例えば出願人の先願特許
出願にも内在しており、摺動材料の分野では良く
知られた一つの理論である。 本発明は上述したような従来技術とは全く異な
る理論に基づいており、なじみ性及び焼付荷重が
従来のものより飛躍的に高められており且つオー
バレイなしで軸受として使用可能なスズ含有アル
ミニウム系合金軸受を提供したものである。 本発明に係るアルミニウム系合金軸受は、重量
百分率で１ないし35％のスズ及び５ないし11％の
ケイ素を含有し、残部が実質的にアルミニウムか
らなる合金が裏金に接着されており、該アルミニ
ウム合金中のケイ素粒子の長径で測定した（ケイ
素・粒子の）寸法が５ミクロン以上且つ40ミクロ
ン以下の該ケイ素・粒子が該合金の任意の部分で
3.56×10^-2mm²当り５個以上存在しており、且つオ
ーバレイなしで使用可能なアルミニウム系合金軸
受である。 以下、本発明の構成要件を化学組成、ケイ素粒
子及び軸受構造の順に説明する。 まず、化学組成について述べると、スズはアル
ミニウム合金の性質を軟質に変化させ、軸受とし
て適する潤滑性能及びなじみ性を与える形素であ
る。ここでなじみ性とは、前述したように当業界
に一般的に受けいられている技術的概念によつて
定義され、これを以下一般的概念のなじみ性と称
する。スズの含有量が35％を越えると、一般的概
念のなじみ性及び潤滑性は向上するが、アルミニ
ウム合金の硬さが低下し、軸受としての強度が低
下する。一方スズの含有量が１％未満では軸受合
金としては一般的概念のなじみ性が不足する。ス
ズの添加量を１ないし35％の範囲でどのように定
めるかは、用途に応じて適宜決定されるべきもの
であるが、一般的には軸受に加わる荷重、すなわ
ち内燃機関のピストンを経由して加えられる爆発
荷重が大きいときは、スズ含有量を低く、例えば
５〜10％、小さいときはスズ含有量を高くする。
一方、高荷重・高速回転のために軸受の焼付が概
念される場合は、スズの含有量を高く、例えば20
〜35％にすれば良い。なお、スズ含有アルミニウ
ム合金の疲労強度及び高温硬さを軸受として要求
される性能に対して十分なものとするためには、
スズ粒子が合金中に微細に分散していることが重
要であると本願出願人は考え、先の特許出願では
クロム等の微細粒子により、15％を越える含有量
の場合起こり易いスズ粒子の粗大化を防止する提
案を行なつた。しかし、本発明では後述の特殊な
じみ作用が軸受性能を実質的に担つているから、
スズ粒子の微細化はさほど重視しなくとも内燃機
関用軸受として使用上の支障がなくなつた。好ま
しいスズ含有量は３〜20％である。 ケイ素は後述する特殊なじみ作用をもたらす元
素であり、その含有量が５％未満では該なじみ作
用が不足しまた耐荷重性が低くなる。一方ケイ素
の含有量が11％を越えると軸受合金の該なじみ作
用が向上されず、また疲労強度、焼付荷重が低下
する傾向がある。好ましいケイ素含有量は５〜９
％である。 続いて、ケイ素粒子ついて説明する。 本発明者の発見によると、ケイ素粒子の長径寸
法（以下単に寸法と称する）が５ミクロン未満で
は現れない特殊なじみ作用が５ミクロン以上で現
れ、スズ含有アルミニウム合金の軸受性能を飛躍
的に向上させる。なお、この作用は該５ミクロン
以上のケイ素粒子が3.56×10^-2mm²当り５個以上存
在しているときに認められ、多ければ多いほど顕
著になる。一方、ケイ素粒子の寸法が40ミクロン
を越えると、スズ含有アルミニウム合金の疲労強
度が低下する。 本発明のアルミニウム合金は高ケイ素組成にて
粗大なケイ素粒子を晶出させたという特徴をもつ
ものである。また、本発明において粗大なケイ素
粒子、すなわち寸法が５ミクロン以上のケイ素粒
子、を構成要件として規定している意義は、消極
的にいえば微細ケイ素粒子は耐焼付性向上に寄与
しないということであり、この点で従来のアルミ
ニウム系合金軸受の軸受性能のとらえ方とは異な
つている。すなわち、出願人の先願では微細なケ
イ素粒子が既述のようにスズ粒子の形態制御を介
して間接的に軸受性能を向上させ、且つ上記
SAE誌の論文では理論的にも実験データ的にも
微細なケイ素粒子の方が良好な軸受性能が得られ
ている。しかしながら、本発明では粗大なケイ素
粒子の方が疲労強度以外の性能は格段に良好であ
る。そこで、粗大なケイ素粒子の意義を積極的に
述べるならば、かかるケイ素粒子を含む軸受の相
手材である軸の加工精度による微細な凹凸、ある
いは軸が球状黒鉛鋳鉄である場合にラツピング作
用により表面部から黒鉛が脱落して生じた凹部の
周囲を、ケイ素粒子が平担化し以つて、軸受と軸
の間で常に油膜が介在した状態でこれらの良好な
摺動が起こるものと考えられる。なお、従来軸受
の分野ではスズ等の軟質な成分がアルミニウム合
金のなじみ性に寄与するものとの考え方が一般的
であり、硬質粒子が直接相手材の凹凸の平担化に
寄与するとの考え方は、発明者が知る限り、上記
SAE誌以外にはないので、ケイ素粒子によるな
じみ作用を特殊なじみ作用と称する。しかしなが
ら、このようなケイ素粒子の作用はSAE誌では
順応性を向上させるものであり、適合性には逆効
果であり、結果として軸受はオーバレイを備える
必要があると強調している。ここで、適合性とは
軸と軸受との加工上のミスアライメントに適合し
うる軸受の性能であるから、なじみ性（一般的概
念によるなじみ性）と意味上等価である。したが
つて、SAE誌にも、その他発明者が知る限りの
論文発表においても、硬質粒子が相手軸の表面凹
凸を削りとり、平坦化しなじみ性に寄与するとい
う考え方はなく、まして粗大なケイ素粒子などの
硬質粒子が軸受中に多く存在する方が焼付荷重そ
の他の軸受性能が向上するという実験データも発
表されていない。したがつて、上記特殊なじみ作
用は本発明の特色であり、従来の一般的概念のな
じみ作用のみをもつ材料と比較すると、軸受性
能、例えば焼付荷重、が格段に向上している。尤
も本発明の合金はスズを含有しているが一般的概
念のなじみ作用による軟質金属の相手材表面への
埋収は、特殊なじみ作用により相手材の凹凸を平
坦面してから実現されると考えられ、結果として
は両者の総合により自動車内燃機関の軸受として
優れた性能が発揮されると信じられる。 上述のような特殊なじみ作用が特に有効である
のは相手材軸が球状黒鉛鋳鉄又は片状黒鉛鋳鉄の
場合である。球状黒鉛鋳鉄は内燃機関のクランク
シヤフト等の軸の低コスト化を図るために従来の
鍛造軸に代わつて使用される傾向にあるが、軸の
研磨加工時に黒鉛粒子が軸表面から削りとられ、
脱落した球状黒鉛の粒子の跡は多くの凹部又は窩
状部となつており、その周りの鉄基マトリツクス
は加工硬化した鋭いばり又はエツジとなつてい
る。このばり等が軸受表面の異常摩耗を起こすと
いう問題が従来のスズ含有アルミニウム系軸受用
合金にはあつた。本発明者の研究によると、軟質
のアルミニウムマトリツクスがばりにより削りと
られ凹部中にとりこまれ、またこのアルミニウム
と軸受材料のアルミニウム順応性不足によりが非
常に凝着し易いので、直ぐに焼付が生じることも
判明した。しかしながら、本発明によるスズ含有
アルミニウム合金では粗大なケイ素粒子がばりを
削りとり、凹部の周りを滑かな状態とする。この
結果、焼付が高荷重まで起こらないこととなり、
耐焼付性が格段と向上する。 本発明のスズ含有アルミニウム合金において
は、ケイ素含有量が５％未満の合金と比較する
と、５ミクロン未満の微細ケイ素粒子の析出個数
が多いという差異がある。換言すると、両者の合
金で５ミクロン以上の粗大ケイ素粒子の寸法及び
個数が同じであると仮定して、本発明の合金の方
が５ミクロン未満の微細ケイ素粒子の数が多い。
また、本発明のスズ含有アルミニウム合金はケイ
素含有量が５％未満のものと比較して５ミクロン
以上の粗大ケイ素粒子の個数も多くなる。これら
の粗大ケイ素粒子は特殊なじみ作用を発現すると
ともに、軸受と軸の間で油膜が介在しない金属接
触が起こるような摺動状況となつても、接触部を
微視的に考察するならば、硬質の粗大ケイ素粒子
が相手材軸を支えており、この支持点は高ケイ素
含有量のために数が多くなる。したがつて、本発
明の軸受は大荷重用に好適なケイ素粒子による軸
支持作用を有し、微視的に見ると相手材軸受と軸
の間は油膜が入り込むほどの隙間が上記作用によ
り形成される。然しながら、この軸支持作用を粗
大ケイ素粒子により発現するためには、これらの
粒子が単に軟いアルミニウムマトリツクス中に存
在するだけでは不十分であり、多数の微細ケイ素
粒子がアルミニウムマトリツクス中に存在するこ
とが重要である。これらの微細ケイ素粒子は析出
硬化によりアルミニウムマトリツクスを強化し、
この強いマトリツクスが粗大ケイ素粒子を強固に
保持し、軸からこれら粒子にかかる荷重によつて
該粒子がマトリツクス中に押し込まれることを阻
止しているものと考えられる。 以上のような性質を有しているので、本発明の
軸受は大きな一定の荷重を受ける部品に適してお
り、しかも焼付性能のばらつきが少ないが、特に
大きな繰返し荷重を受ける部品は疲労強度があま
り高くないので適していない。 上述の軸受合金の厚さは0.1〜１mm、特に0.2〜
0.5mmが好ましい。必要に応じ軸受合金上に防錆
油を塗布する。 本発明の軸受は上述のような理由により耐焼付
性に優れているためにオーバレイを施こさない構
造である。また軸受合金は下地付きの又は下地な
しのオーバレイに圧接等により接着される。 本発明のスズ含有アルミニウム合金は、(A)0.1
ないし10％、好ましくは１ないし５％の鉛、カド
ミウム、インジウム、タリウム及びビスマスの少
なくとも１種（以下鉛等と総称する）、(B)0.1ない
し２％、好ましくは0.2ないし１％の銅及びマグ
ネシウムの少なくとも１種（以下銅等と総称す
る）、及び(C)0.1ないし１％、好ましくは0.1ない
し0.8％のクロム及びMnからなる群の少なくとも
１種のＡ−Ｃの１群以上をさらに含有するもので
あつてよい。 鉛等はスズ含有アルミニウム合金の潤滑性及び
一般的概念のなじみ性及び耐摩耗性を改良する効
果を有し、またクロムとの共存下において耐疲労
強度を低下させずに上記潤滑性等を改良する。な
お、一般にAl−Sn二元系合金に鉛等を加える
と、これらはスズ粒子に合金化されてしまい、融
点が低下したスズ粒子の移動と溶融が起こり易く
なつて、軸受として高負荷連続運転されると、
Al−Sn−Pb合金が部分的に溶融しそして軸受か
ら剥離することもあつた。ところが本発明では軸
受性能向上のなかで特殊なじみ性の占める寄与が
高いから、スズ−鉛等の合金の低融点化は重大な
欠点とはならない。鉛等の含有量が0.1％未満で
はその結果が不十分であり、10％を越えると軸受
に要求される疲労強度が不十分となる。 銅等はスズ含有アルミニウム合金の硬さを高
め、軸受の疲労強度向上に寄与する。銅等の含有
量が0.1％未満では硬さ改善効果が少なく、2.0％
を越えるとスズ含有アルミニウム合金が硬くなり
過ぎ圧延性が害されるとともに、耐焼付性及び潤
滑油に対する耐食性も低下する。この銅等の硬さ
改善効果はクロムと共存すると一層顕著になり、
200℃強の温度でも硬さはあまり低下しない。 クロム及びマンガンは、スズ含有アルミニウム
系合金の硬さを上昇せしめ、また高温での軟化を
防止又は緩和し、高温でのスズ粒子の粗大化を招
かないという効果を奏する。クロム及びマンガン
は一部がアルミニウムマトリツクスに固溶しその
固溶強化をもたらし、また再結晶軟化温度を高温
側にずらし、さらに加工硬化性を増大させる。再
結晶軟化温度の上昇は、内燃機関の軸受がさらさ
れる高温域（オイルパンの温度で130〜150℃）で
も軸受合金の高温強度が良好に保たれることにつ
ながり、耐疲労強度及び耐負荷能力上望ましい結
果が得られる。クロム及びマンガンのアルミニウ
ムマトリツクスに固溶しない部分はAl−Cr
（Mn）金属間化物として極めて微細に析出し、ス
ズ粒子が軸受合金の裏金への接着時の焼鈍あるい
は内燃機関内の高温により粗大化するのを防止す
る。このAl−Cr（Mn）金属間化合物の硬さはビ
ツカース硬さで約370であり、ケイ素粒子の硬さ
が約1000であるので比較して小さい。このような
硬さの差がある故に、Al−Cr（Mn）金属間化合
物はスズ粒子の粗大化を防止して一般的概念のな
じみ作用を向上させ、一方ケイ素粒子は相手材軸
の凹凸を平坦化して特殊なじみ作用を実現するも
のと考えられる。上述のようなクロム及びマンガ
ンの利点がもたらされるためには0.1％の含有量
が、必要であり、一方１％を越えるとクロムが粗
大なAl−Cr（Mn）金属間化合物として析出する
ため好ましくない。 続いて、ケイ素粒子の寸法及び個数の制御方法
について説明する。一般に、Al−Si合金では鋳造
過程でケイ素の多くは針状の共晶結晶として晶出
し、鋳造合金を圧延し軸受としての必要な厚さに
圧延される過程で分断され、寸法が小さくなる。
このような鋳造−圧延法により得られたAl−Si合
金薄板中のケイ素粒子はほとんどが５ミクロン以
下であり、10ミクロン以下のものも稀にはあるが
その単位面積当りの個数は少なく、針状又は扁平
形状である。また圧延の後に中間焼鈍が行なわれ
るが、その温度は再結晶温度程度に選択されるの
で、その中間焼鈍によつてはケイ素粒子がほとん
ど粗大化しない。上述のような鋳造−圧延（中間
焼鈍）により所定の厚さの軸受合金を得た後に、
これを裏金鋼板に圧延し、この際Al−Feの金属
間化合物生成温度未満、例えば350℃、にて圧延
後、焼鈍するのが従来のスズ含有アルミニウム合
金軸受の製造方法であつた。この350℃の温度で
も通常の保持時間ではケイ素粒子は殆んど粗大化
せず、結果としてほとんどが５ミクロン未満の微
細ケイ素粒子が最終軸受製品中に存在していた。
これに対して、本発明による粗大ケイ素粒子を５
ミクロン以上40ミクロン以下のものが3.56×10^-2
mm²当り５個以上存在させるためには、上記圧接前
に軸受合金を350〜550℃の高温熱処理を、保持時
間を調節して、することが最も有効であることが
分かつた。すなわち、圧接前の熱処理工程以外で
のケイ素粒子寸法制御は効果が低く、例えば圧延
工程での加熱温度、圧下率等の制御、又は鋳造工
程での冷却速度制御あるいは中間焼鈍等によつて
はケイ素粒子の寸法制御が至難であり、そうかと
いつて圧接時又圧接後の熱処理ではAl−Fe金属
間化合物の生成、あるいは完成直前の軸受のアル
ミニウム合金内でのスズ等の低融点成分の溶解等
が起こり、これらは軸受性能、特に一般的概念の
なじみ性、上望ましくない結果をもたらす。 全ケイ素が立方体として晶出したとして仮定し
て５％Siのケイ素晶出個数を計算すると、立方体
の一辺が５μｍで3500個、10μｍで430個、20μ
ｍで50個、30μｍで15個、40μｍで６個となる。 上述の圧接前の高温熱処理により５ミクロン以
上の粗粒子の５ミクロン未満の微細粒子に対する
割合が高められる。そして、例えば５〜10ミクロ
ン粗粒ケイ素の割合を高めるために350〜450℃の
圧接前高温熱処理を利用することができる。 本発明のスズ含有アルミニウム合金のケイ素含
有量の範囲内で、しかも５ないし40ミクロンの粒
子寸法の範囲内でより粗大ケイ素粒子を特定個数
析出させることができる。この好ましい例は、次
のとおりである。 (イ) 10ミクロンを越えるケイ素粒子５個以上、 (ロ) 17ミクロンを越えるケイ素粒子２個以上、 (ハ) 30ミクロンを越えるケイ素粒子１個以上。 次に本発明による粗大ケイ素粒子の形態につい
て説明する。一般に圧延されたスズ含有アルミニ
ウム合金中のケイ素粒子は針状を呈し、圧延方向
に長手方向が一致している場合が多いが、本発明
の高温熱処理を介挿させるとケイ素粒子は比較的
圧延直交方向の巾が大きくなり扁平又は塊状とな
る。このケイ素粒子は軸受の水平面、すなわち相
手材軸と接する面で見たときに扁平又は塊状を呈
する。好ましい形状は水平面及び垂直面で見て塊
状である。そして、５ミクロン以上のケイ素粒子
は殆んどが塊状であり、扁平形状が少なく、針状
は所定面積では殆んどない。このよう塊状形状が
軸支持作用及び特殊なじみ作用上極めて有効であ
る。 さらに、スズ含有アルミニウム系合金の組織観
察は機械加工により変質した最表面を除き上記水
平面で行ないケイ素粒子の寸法を測定するものと
する。該合金中にはケイ素粒子の他にクロムの金
属間化合物、スズ粒子その他の粒子（相）が存在
しているが、これからケイ素粒子を識別するため
には、金属顕微鏡で見たときにスズ、クロムは灰
色、ケイ素粒子はエツチング法の如何を問わず灰
色（濃灰色）を呈することに依れば良い。 以下、本発明を実施例により説明する。これら
の実施例においては特に断わらない限り、軸受又
は軸受合金の製造方法は次のとうりであつた。 所定組成のアルミニウム合金を連続鋳造により
厚さ15mmの板とし、鋳造板をピーリングした後連
続的に６mmの板厚に冷間圧延した。次に中間焼鈍
（350℃）を行ない、続く冷間圧延によりアルミニ
ウム合金薄板を得た。続いて350〜550℃の範囲で
所望の大きさのケイ素粒子を得るように高温熱処
理し、続いてアルミニウム合金薄板を100℃に予
熱し同様に予熱した裏金鉄板に圧接しそして350
℃で圧接のための焼鈍を行ない軸受を完成した。
軸受合金自体の性能を試験する場合には圧延以降
の工程を省略した。 実施例 １ 第１表は供試材アルミニウム合金の組成及びケ
イ素粒子分布を示している。表中及び以下特に断
わらない限り、ケイ素粒子の個数は3.56×10^-2mm²
当りの個数を指す。なお供試材B1以降の２〜５
ミクロンのケイ素粒子個数は測定していない。

【表】

【表】 第１表の供試材を以下の条件による焼付荷重測
定に付した。ここでは低粘度潤滑油を用い荷酷な
条件とした。 条件Ａ テスター：ジヤーナル型焼付試験機 条件：相手材軸−FCD70 潤滑油種−SAE5W−30 軸表面粗さ−0.4〜0.6μｍRz 潤滑油温−160±2.5℃ 軸回転数−1000rpm 軸径−52mm 軸硬度−Hv200−300 荷重−50Kg／cm²／30min間隔で同量増加 軸受粗さ−１〜1.8μｍRz 軸受性−52mm 焼付荷重測定結果を第１図に示す。第１図にお
いて横軸は供試材の最大寸法ケイ素粒子の個数で
ある。供試材は、第１表の五つの範囲の最大粒子
寸法によりＡからＥまでの五つの群に分けられて
第１図に示されている。この図より分かる焼付荷
重は最大寸法ケイ素粒子により左右され、より小
さい寸法のケイ素粒子の個数には殆んど影響され
ないとの事実より、本発明では最低５ミクロンの
ケイ素粒子が５個以上あることに限定したもので
ある。 実施例 ２ 第２表(1)に示す供試材について焼付荷重（条件
Ａ）、疲労強度及び摩耗量を測定した。疲労強度
の測定条件は次のとおりであつた。 条件Ｂ テスター：交番荷重試験機 条件：相手材軸−S55C 潤滑油種：SAE10W−30 軸表面粗さ−0.8μｍRz 潤滑油温−140±2.5℃ 潤滑油圧−５Kg/cm² 軸回転数−3000rpm 軸径−52φ 軸硬度−Hv500〜600 軸回転数−10⁷回 軸受粗さ−１〜1.8μｍRz 軸受径−52×20mm 測定結果を第２表(2)に示す。これより、本発明
によると耐焼付性及び耐摩耗性が向上し、また耐
疲労性は粗大ケイ素粒子が多くとも低下が目立た
ないことが分かる。 摩耗量の測定条件は次のとうりであつた。 条件Ｇ テスター：混合潤滑試験機 条件：相手材軸−FCD70 軸表面粗さ−0.8〜0.9μｍRz 潤滑油種−流動パラフイン 軸回転数−100rpm 軸径−40φ（mm） 軸硬度−Hv200〜300 荷重−50Kg テスト時間−5Hrs

【表】 実施例 ３ ケイ素含有量が８％の供試材について実施例２
と同様な実験を行なつたところ、第３表(1)及び(2)
に示すように同様な結果が得られた。

【表】 実施例 ４ ケイ素含有量が11％の供試材につき実施例２と
同様に実験を行なつた結果を第４表(1)及び(2)に示
す。この結果は実施例２とほぼ同様である。

【表】 実施例 ５ 第５表に示す供試材の如くケイ素粒子分布を一
定にし、ケイ素含有量を変化させた場合の焼付荷
重を各２個供試材につき測定した結果（条件Ａ）
を第２図に示し、また疲労強度を測定した結果
（条件Ｂ）を第３図に示した。

【表】 第２図より、ケイ素含有量が約６％において焼
付荷重が極大になることが分かる。既述のよう
に、本発明の耐焼付性は、特殊なじみ性及び軸支
持作用をケイ素粒子が発揮することによりもたら
される。この実施例では、５ミクロン以上のケイ
素粒子の分布を一定にしたので特殊なじみ性の耐
焼付性への寄与はケイ素含有量にかかわらず一定
と考えられる。しかしながら、焼付荷重すなわち
耐焼付性は約６％で極大となる。これは５ミクロ
ン未満の微細粒子の作用が約６％で最も顕著にな
り、粗大ケイ素粒子を強固にアルミニウムマトリ
ツクスにより保持するためである。一方、約６％
を越えるとアルミニウムマトリツクスが特に動的
挙動の信頼性を欠き、疲労現象も顕著になるの
で、アルミニウムマトリツクスの強度低下の面か
ら、合金全体の耐焼付性が低下する。 第３図より、ケイ素含有量が５％を越えると疲
労強度が低下していることが分かる。これも上記
微細粒子によるものと考えられる。 実施例 ６ 鉛等、銅等及びクロムの添加元素の種類及び量
を変化させた供試材につき、焼付荷重、疲労強度
及び摩耗量を測定した結果を第６表(1)、(2)−第８
表(1)、(2)に示す。これらの表より、本発明の粗大
ケイ素粒子制御により各種添加元素含有アルミニ
ウム合金について優れた軸受性能が得られること
が分かる。

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】 実施例 ７ 第１表の供試材を用いて以下に述べる実験を行
なつた。 (1) 摩耗試験（条件Ｇ） 摩耗試験の結果を示す第４図より、スズ含有
アルミニウム合金の耐摩耗性は第一に、ケイ素
粒子の量大寸法（すなわちＡからＥ群までの何
れか）及び、第二に最大寸法粒子個数によつて
決まることが分かる。 (2) 潤滑油油温の影響 C2の供試材につき条件Ａにおいて80℃及び
140℃の油温にて焼付荷重を測定した。比較材
して20％Sn−１％Cu−Al合金を供試材
（COMP）として同様の測定を行なつた。この
結果を第５図に示す。比較材と本発明の材料で
は高温下の焼付荷重に極端な差があることが分
かる。 (3) 油温140℃における相手材（鍛造軸及び球状
黒鉛鋳鉄）の影響 C2の供試材及び20％Sn−１％Cu−Al合金を
比較供試材とし、条件Ａ（但し油温140℃）に
て焼付荷重を測定した結果を第６図に示す。本
発明と比較例の供試材では相手材が鍛造材の場
合には焼付荷重に差はないが、球状黒鉛鋳鉄
（DCI）でけ極端な差が現われる。 (4) 焼付荷重のばらつき C2の供試材及び比較材として、20％Sn＋１
％Cu−Al及び８％Si＋１％Cu−Al（但しケイ
素粒子の寸法は５ミクロン未満）を用い、それ
ぞれ３個の供試材につき条件Ａで焼付荷重を測
定した。この結果を第７図に示す。第７図よ
り、本発明のC2の材料は焼付荷重が高く且つ
ばらつきが少ないことが分かる。 (5) 耐摩耗性 C2の供試材につき以下の条件にて摩耗量を
測定した。 条件Ｃ テスター：混合潤滑試験機 条件：相手材軸−FCD70 軸表面粗さ−0.8〜0.9μｍRz 潤滑油種−流動パラフイン 軸回転数−100rpm 軸径−40φ（mm） 軸硬度−Hv200〜300 荷重−25Kg 測定結果を第８図に示す。 比較のためにケイ素を含有しない20％Sn−１
％Cu−Al合金−COMP１−及び８％Si−１％Cu
−Al合金−COMP２−の摩耗量を条件Ｃにより
測定結果を示す第８図より、比較材は時間ととも
に摩耗が進行するが本発明材料は約２時間後には
ほとんど摩耗量が増大していない。このような差
異につてて発明者は次のように考える。比較材１
では主として軟質のスズ相が相手材軸により削り
とられることにより、絶えず比較材は摩耗してい
る。比較材２のケイ素粒子は５ミクロン未満であ
り、その耐摩耗性に目立つほどの寄与をせず、ま
た軟質金属が少なく、アルミニウムマトリツクス
が脆くなつているところからその消耗が多いと考
えられる。一方本発明材料では軸受表面に存在し
ている粗大ケイ素粒子が摺動初期の段階で相手軸
の表面粗さの突出部及び表面に存在する球状黒鉛
周辺のバリ等のエツジ部を摩耗させ（削り取
り）、軸を軸受にとつてより良い摺動状態となる
軸表面に変化させることにより、流体潤滑に近い
状態とし、軸・軸受の直接接触を妨げており、こ
れが軸受の摩耗進行を停止させているものと想定
している。 実施例 ８ 15％Sn、３％Pb、0.5％Cu、0.4％Crを含有
し、さらにケイ素含有量を変化させたアルミニウ
ム合金比較材を冷間圧延後の冷間圧延板の焼鈍を
省略した他は本発明の供試材と同様の製造により
軸受を製造した。条件Ａで各比較例供試材につき
３個測定した焼付荷重を第９図に示す。第９図を
第２図と比較すると本発明の高温処理よりケイ素
粒子寸法を制御した供試材は高い耐焼付性を示す
ことが理解される。 上記比較材と本発明の供試材22〜29（第５表）
の条件Ｇで測定した摩耗量を第１０図に示す。こ
の図面より、本発明による高温熱処理を行ないケ
イ素粒子寸法の制御を行うと（22〜29）スズ含有
アルミニウム合金の耐摩耗性が著しく向上するこ
とが分かる。 実施例 ９ ８％Si、15％Sn、３％Pb、．５％Cu、及び0.4
％Crを含有するアルミニウム合金の圧接前焼鈍
温度を以下のように変化させた場合の水平面顕微
鏡組織スケツチ図それぞれ次の図面に示す 270℃（比較例低温熱処理） 第１１図 500℃加熱後徐冷（高温熱処理） 第１２図 これより本発明の高温熱処理はケイ素粒子を塊
状に変えることが分かる。

【図面の簡単な説明】

第１図は焼付荷重と最大寸法ケイ素粒子の個数
の関係を示すグラフ、第２図は焼付荷重とケイ素
含有量の関係を示すグラフ、第３図は疲労強度と
ケイ素含有量の関係を示すグラフ、第４図は摩耗
量と最大寸法ケイ素粒子の関係を示すグフ、第５
図は焼付荷重と潤滑油温の関係を示すグラフ、第
６図は相手材軸の種類による焼付荷重変化を示す
図、第７図は焼付荷重のばらつきを示すグフ、第
８図は摩耗量の時間変化を示すグラフ、第９図は
焼付荷重とケイ素含有量の関係を示すグラフ、第
１０図は摩耗量とケイ素含有の関係を示すグラ
フ、第１１図及び第１２図は供試材アルミニウム
合金の顕微鏡組織スケツチ図である。 図面中COMPは比較材、その他の数字及び符号
は供試材の番号を指す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量百分率で１ないし35％のスズ及び５ない
   し11％のケイ素を含有し、残部が実質的にアルミ
   ニウムからなる合金が裏金に接着されており、該
   アルミニウム合金中のケイ素粒子の長径で測定し
   たケイ素粒子の寸法が５ミクロン以上且つ40ミク
   ロン以下の該ケイ素粒子が該合金の任意の部分で
   3.56×10^-2mm²当り５個以上存在しており、且つオ
   ーバレイなしで使用可能なアルミニウム系合金軸
   受。 ２ ケイ素粒子の寸法が10ミクロン以上且つ40ミ
   クロン以下の粒子が該合金の任意の部分で3.56×
   10^-2mm²当り５個以上存在している特許請求の範囲
   第１項記載のアルミニウム系軸受合金。 ３ スズの含有量が３ないし20％、ケイ素の含有
   量が５ないし９％である特許請求の範囲第１項又
   は第２項記載のアルミニウム系合金軸受。 ４ 軸受相手材の軸が球状黒鉛鋳鉄又は片状黒鉛
   鋳鉄である特許請求の範囲第１項から第３項まで
   の何れか１項に記載のアルミニウム系合金軸受。 ５ ５ミクロンないし40ミクロンの粒子寸法をも
   つ前記ケイ素粒子が、水平面、すなわち相手材軸
   と接する面と平行面で見て、塊状である特許請求
   の範囲第４項記載のアルミニウム系合金軸受。 ６ 重量百分率で１ないし35％のスズ、0.1ない
   し10％の鉛、カドミウム、インジウム、タリウム
   及びビスマスからなる群より選択された少なくと
   も１種、５ないし11％のケイ素を含有し、残部が
   実質的にアルミニウムからなる合金が裏金に接着
   されており、該アルミニウム合金中のケイ素の長
   径で測定した寸法が５ミクロン以上且つ40ミクロ
   ン以下の該ケイ素粒子が該合金の任意の部分で
   3.56×10^-2mm²当り５個以上存在しており、且つオ
   ーバレイなしで使用可能なアルミニウム系合金軸
   受。 ７ 重量百分率で１ないし35％のスズ、0.1ない
   し２％の銅及びマグネシウムからなる群より選択
   された少なくとも１種及び５ないし11％のケイ素
   を含有し、残部が実質的にアルミニウムからなる
   合金が裏金に接着されており、該アルミニウム合
   金中のケイ素粒子の長径で測定した寸法が５ミク
   ロン以上且つ40ミクロン以下の該ケイ素粒子が該
   合金の任意の部分で3.56×10^-2mm²当り５個以上存
   在しており、且つオーバレイなしで使用可能なア
   ルミニウム系合金軸受。 ８ 重量百分率で１ないし35％のスズ、0.1ない
   し10％の鉛、カドミウム、インジウム、タリウム
   及びビスマスからなる群より選択された少なくと
   も１種、0.1ないし２％の銅及びマグネシウムか
   らなる群より選択された少なくとも１種、及び５
   ないし11％のケイ素を含有し、残部が実質的にア
   ルミニウムからなる合金が裏金に接着されてお
   り、該アルミニウム合金中のケイ素粒子の長径で
   測定した寸法が５ミクロン以上且つ40ミクロン以
   下の該ケイ素粒子が該合金の任意の部分で3.56×
   10^-2mm²当り５個以上存在しており、且つオーバレ
   イなしで使用可能なアルミニウム系合金軸受。 ９ 重量百分率で１ないし35％のスズ、0.1ない
   し１％のクロム及びマンガンからなる群から選択
   された少なくとも１種、及び５ないし11％のケイ
   素を含有し、残部が実質的にアルミニウムからな
   る合金が裏金に接着されており、該アルミニウム
   合金中のケイ素粒子の長径で測定した寸法が５ミ
   クロン以上且つ40ミクロン以下の該ケイ素粒子が
   該合金の任意の部分で3.56×10^-2mm²当り５個以上
   存在しており、且つオーバレイなしで使用可能な
   アルミニウム系合金軸受。 １０ 重量百分率で１ないし35％のスズ、0.1な
   いし１％のクロム及びマンガンからなる群から選
   択された少なくとも１種、0.1ないし10％の鉛、
   カドミウム、インジウム、タリウム及びビスマス
   からなる群より選択された少なくとも１種、及び
   ５ないし11％のケイ素を含有し、残部が実質的に
   アルミニウムからなる合金が裏金に接着されてお
   り、該アルミニウム合金中のケイ素粒子の長径で
   測定した寸法が５ミクロン以上且つ40ミクロン以
   下の該ケイ素粒子が該合金の任意の部分で3.56×
   10²mm²当り５個以上存在しており、且つオーバレ
   イなしで使用可能なアルミニウム系合金軸受。 １１ 重量百分率で１ないし35％のスズ、0.1な
   いし１％のクロム及びマンガンからなる群から選
   択された少なくとも１種、0.1ないし２％の銅及
   びマグネシウムからなる群より選択された少なく
   とも１種、及び５ないし11％のケイ素を含有し、
   残部が実質的にアルミニウムからなる合金が裏金
   に接着されており、該アルミニウム合金中のケイ
   素粒子の長径で測定した寸法が５ミクロン以上且
   つ40ミクロン以下の該ケイ素粒子が該合金の任意
   の部分で3.56×10^-2mm²当り５個以上存在してお
   り、且つオーバレイなしで使用可能なアルミニウ
   ム系合金軸受。 １２ 重量百分率で１ないし35％のスズ、0.1な
   いし１％のクロム及びマンガンからなる群から選
   択された少なくとも１種、0.1ないし10％の鉛、
   カドミウム、インジウム、タリウム及びビスマス
   からなる群より選択された少なくとも１種、0.1
   ないし２％の銅及びマグネシウムからなる群より
   選択された少なくとも１種、及び５ないし11％の
   ケイ素を含有し、残部が実質的にアルミニウムか
   らなる合金が裏金に接着されており、該アルミニ
   ウム合金中のケイ素粒子の長径で測定した寸法が
   ５ミクロン以上且つ40ミクロン以下の該ケイ素粒
   子が該合金の任意の部分で3.56×10^-2mm²当り５個
   以上存在しており、且つオーバレイなしで使用可
   能なアルミニウム系合金軸受。