JPS62217B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はアルミニウム（Al）を母材とする、
アルミニウム―スズ（Sn）系摺動合金に関する
ものである。さらに詳しくはAl―Sn系摺動合金
中に硬質物を多量に分散させて、耐摩耗性の向上
を図つたAl―Sn系摺動合金を提供するものであ
る。 従来のアルミニウム系摺動合金、中でも軸受合
金としては、Al―Sn系合金が主として使用され
ており、最近の自動車用内燃機関の軸受の傾向に
代表されるように、より高速、高荷重の条件下で
使用されることが多くなり、この条件下では軸と
軸受の直接接触が生じやすくなり、その結果軸受
の摩耗量が大であつた。またSnを重量百分率で
20％前後と相当量含有しており比較的軟質である
ため、ピストンからの急激な爆発荷重に耐え切れ
ず軸受が変形してしまい、良好な軸―軸受間のク
リアランスが保てなくなり、十分な油膜が形成さ
れず円滑な作動が得られなくなることがある。 本発明は、軸と軸受が直接接触を起しても摩
耗・変形などのしにくい耐摩耗性および高負荷能
力にすぐれたAi―Sn系合金を得るため、アルミ
ニウムに少量のSnおよびZnを添加し、Si、Mn、
Sb、Ti、Zr、Ni、Fe、Ｗ、Ce、Nb、Ｖ、Mo、
Ba、Ca、CoからなるＡ群より選ばれた１種もし
くは２種以上の添加物を添加し分散析出させたこ
とを特徴としている。 この分散した析出物はヴイツカース硬さで数百
にも達し非常に硬いため、軸受の相手材すなわち
軸よりもかなり硬く、この硬い析出物が軸受の耐
摩耗性を著しく向上させる。また、これら添加物
はその一部が固溶などしてAl地金の硬さを改善
し、Snを低分率としたことともあいまつてすぐ
れた負荷能力を有する。 本発明のAl―Sn系合金は重量百分率で３％未
満のSn；0.5〜３％未満のZn；総量で１〜25％、
かつSiをを除いた総量が15％以下のＡ群（Si、
Mn、Sb、Ti、Zr、Ni、Fe、Ｗ、Ce、Nb、Ｖ、
Mo、Ba、Ca、Co）より選ばれた１種もしくは２
種以上の添加物；および残部が実質的にAlから
なるアルミニウム―スズ系合金を基本としてい
る。 この合金に、さらにＢ群、Ｃ群、Ｄ群の少なく
とも１群より選ばれた１種以上を添加することに
より、各種特色をもつた合金となる。ここでＢ群
はPb、Bi、Tl、Inからなり、その１種または２
種以上の添加量は総量で９％以下；Ｃ群はCu、
Mgからなり、その添加の総量は５％以下であ
る。もちろんＣ群も添加する場合は、Ｂ群同様に
目的・用途に応じてその成分範囲内で任意に添加
できる。Ｄ群はCrからなり、その添加量はＤ群
単独では0.1〜10％、Ａ群との合計で25％以下
で、なおかつSiを除いたＡ群の総量との合計量が
15％以下である。 次に本件合金に添加した各種元素の特性を示
す。 Sn： Snは低摩擦を主目的として添加される元素で
あるが、これを３％以上添加するとなじみ性、低
摩擦性は向上するが、分散しにくくなつて、硬さ
は低下し、高負荷運転を連続した時に部分的に溶
融して疲労破壊しやすい。またSnは高価な金属
でありその観点からも多量に添加するのは好まし
くない。SnはAl中により微細に分散する程、低
摩擦性を確保しながら全般の機械的強度を保つの
で、本件発明の合金はいずれもSnの含有量が低
く容易に微細に分散でき、Al地の機械的強度は
保たれる。0.1％未満では添加による低摩擦の効
果はほとんどないが、添加してもかまわない。好
ましくは0.5〜３％未満である。高負荷耐摩材な
どで特に高負荷能力が要求される場合はSn含有
量を少なくし、軸受材などで低摩擦性、なじみ性
が要求される場合はSn含有量を多くするのがよ
い。低摩擦性、なじみ性がより必要な場合は２〜
３％未満がより好ましい。特に耐荷重性あるいは
低摩擦性など双方の機能が要求される場合は後述
の別途方法で補助してもよい。 Zn： ZnはAlに対する固溶限が比較的高い元素であ
るため、本発明によるアルミニウム系合金への添
加範囲内でも殆んどがAl地中に固溶している。
一般にアルミニウムに亜鉛を若干量含有させた二
元系合金は強度が低いため実用されておらず、
Al―Zn―Ｘの三元系金属間化合物（Ｘは第三元
素）を析出するようにしたアルミニウム合金が使
用されていることは良く知られている。本発明
は、従来の亜鉛含有アルミニウム合金とは異な
り、Al地の強化により耐疲労強度、負荷能力及
び高温硬さを良好にする作用を亜鉛添加により図
ることを目的としている。ZnはSnと同様に低融
点金属と一般に称されているが、Snより高融点
でありなじみ性には乏しい。しかし、本発明のア
ルミニウム系合金のようにSnを含有するアルミ
ニウム系合金にZnを添加すると、なじみ性が損
われず上記諸性質が向上する。0.5％以下ではZn
の効果はほとんどなく３％以上になると耐荷重性
が低下する。後述するＣ群および／またはＤ群と
の組合せは、Znの添加効果を助長し、高温硬さ
の低下は極めて起り難くなり、この結果負荷能力
および耐疲労強度が著しく向上する。 Ａ群： Ａ群はSi、Mn、Sb、Ti、Zr、Ni、Fe、Ｗ、
Ce、Nb、Ｖ、Mo、Ba、Ca、Coからなる。これ
らのうち１種もしくは２種以上の元素（一般的に
母合金で添加）をAlとともに鋳造することによ
り、晶出物、析出物等を生じさせる。この晶出
物、析出物等はすべてビツカース硬さで数百以上
の硬質物であるため合金全体の硬さの向上、耐摩
耗性を向上させる。またAl地を強化する作用も
ある。この添加物は、増加すれば、耐摩耗性の点
でよくなるが、総量で15％を超えると合金は硬く
なりすぎ、脆くなる。しかし、添加物としてSiが
選択されており、析出物を微細に分散すれば、Si
を除いたＡ群の総量が15％を超えない範囲でＡ群
の総量を25％まで添加することができる。25％を
超えて添加すると耐摩耗性が逆に低下し、曲げ強
度が極端に低下し、相手材を著しく毀損しはじめ
る。 Ａ群の総量が１％に満たない時は、硬質物がほ
とんど析出しないため十分な耐摩耗性が得られな
い。 上記析出物の析出形態がアルミニウムの結晶粒
の成長を軸受製造及び使用時の高温下で妨げるよ
うになつていると、Sn粒子の微細均一分散を促
進する。この点に関し、Si等の各元素は程度の差
こそあれこの促進作用を有し、特に添加量が少な
い場合にこの作用が著しい。なおこれら添加元素
の相互の合金化した合金またはAlと合金化した
合金を添加させてもよい。またＡ群の各元素のう
ち、好ましい添加順位は、まずSi、次にMn、
Sb、次にZr、Mo、Fe、Co、次にTi、Nb、Ｗ、
Ｖ最後にNi、Ce、Ba、Caの順である。その理由
は、Siはそれ自体の硬さおよび鋳造性に優れてい
ることからこれを選択することが最も好ましい。
Si以下の順位は、Al又は他の元素との金属間化合
物の均一分散度合および鋳造性を考慮したもので
ある。ただしその順位中、Mo、Fe、Coは耐蝕性
にやや劣るので、特に耐蝕性が要求される使用条
件下ではそれらの添加量を少なくし、或いは他の
元素を用いる等の配慮が必要である。 以上の点からSi、Mn、Sbの１種以上が選択さ
れている合金はＡ群の添加効果が特に著しい。 Ａ群の析出物（または晶出物、以下同じ）の形
態としては、これら添加元素単体からなる析出
物、これら添加元素相互の金属間化合物からなる
析出物、これら添加元素とAlとの金属間化合物
からなる析出物、これら添加元素相互の金属間化
合物とAlとの金属間化合物からなる析出物とが
あるが、どの形態で析出物を形成しても耐摩耗性
等に効果がある。 これら析出物はヴイツカース硬さで数百にも達
し、非常に硬いため、軸との摩擦による軸受の摩
耗をこれらの析出物により著しく減少させること
ができ、これら析出物がAl地金中に適量分散す
ることは良い効果を生ずる。適量の範囲は前述の
とおりであるが、より好ましくはSiを含む場合は
１〜15％である。またＡ群のうちSiを除いた総量
が10％以下であることがより好ましい。好ましい
範囲においては、上記析出物はより均一分散し、
その他の性能に悪影響を与えることなく耐摩耗性
を向上させる効果がある。 Ｂ群： Ｂ群は、Pb、Bi、Tl、Inからなる。これらの
うち１種または２種以上を総量で９％以下加える
と、特にSnの低摩擦性等を有する金属としての
性質を改善することができる。また、これらの元
素、たとえばPbはSnとともに存在させると一部
Sn―Pbの合金を作り、Sn、Pbより融点の低い合
金が存在することになつて金属接触が生じた場合
には、特に低摩擦性の効果が発揮される。もちろ
ん、合金化していない形で存在していても、それ
が低摩擦性等を備えていることは言うまでもな
い。 なお、これらの添加順位は、まずPb、In、次
にBi最後にTlの順が好ましい。これは、Pb、In
は圧力を受けたときに最も流動し易く、そのため
すべり性、なじみ性に優れているからである。
PbはさらにSnなどに比して非常に安価であり、
また安定に供給できより好ましい。次のBiは上記
Pb、Inに比してやや硬く、融点もやや高い。最
後のTlは、その性質はPb、Inと同程度である
が、資源が乏しく高価であるからである。 重量百分率でＢ群の総量が９％を超えると不均
一分散となり負荷能力は著しく低下し、合金全体
としての硬さが低くなり、耐摩耗性が劣化する。
好ましくは0.1〜５％の範囲で添加するとよい。
添加量が0.1％未満ではSnの低摩擦性等を有する
金属としての性質を改善する効果はあまり期待で
きないが、添加してもかまわない。また、耐摩耗
性・耐荷重性を特に必要とする場合は、３％以下
の添加がより好ましい。というのはSnの低摩擦
等を有する金属としての性質を改善する際に、Ａ
群の元素の組合せによつては、Ｂ群の多量の添加
でAl地が相当軟化する場合があるからである。
なお、Ｂ群の添加元素には、合金の切削性を良好
にし、軸受材料などを製造する際の後加工を容易
化する効果もある。 Ｃ群： Ｃ群はCu、Mgからなる。この元素はAl地の硬
度を上昇さすほか、他の添加元素との組合せで特
殊な効果を出す。 CuはAlとα固溶体を形成して合金の曲げ強度
を向上するなど機械的特性を改善すると共に耐摩
耗性も向上する。５％を超えて添加すると、合金
が脆くなる。0.5％以下ではあまり効果がないが
添加してもよい。特に耐摩耗性が必要な場合は２
〜５％がより好ましい。機械的特性の改善を重視
したい場合は0.5〜２％未満がより好ましい。 MgはCuと同様に、Al地の硬さを向上して、高
い負荷能力を得ることができる。５％を越えて添
加すると加工性が低下する。３％以下がより好ま
しい。なお、MgはCuと同時に添加すると一部が
Al―Cu―Mgの三元系合金を形成し、Ａ群を多量
に添加析出した際、析出物をAl地中により安定
的に分散させる作用もある。この場合CuとMgの
合計添加量は５％以下が望ましい。５％を越えて
添加すると機械的性質の向上が衰える。 Ｄ群： Ｄ群はCrからなる。Crは特殊な２通りの作用
があり、まず１％以上の添加に対してはＡ群同様
Al地の硬さを向上しつつ、その一部が析出（ま
たは晶出）した析出物により、耐摩耗性も向上す
る。 Siを含むＡ群との添加合計量が25％を超えると
耐摩耗性は逆に低下しはじめ、またSiを除くＡ群
との添加合計量が15％を超えるまたはCr単独で
10％を超えると合金は硬くなりすぎ、脆くなる。 次に0.1〜１％では析出物による著しい耐摩耗
性向上は見られないが、CrのAl地への固溶およ
び析出物の微細な分散により、高温時のAl地軟
化の防止作用があり、耐荷重性を一層向上させ
る。また本発明の合金はSn含有量が少ないので
もともと容易に微細化できるが、前述の微細に分
散したCrにより、高温時（約400℃）においても
Snの粗大化は妨げられ微細なSn粒を保ち得る。
このようにSnが高温時に移動したり粗大化しな
いで、剥離しにくく、耐疲労性が向上する。なお
Crに前記Ｃ群のCuおよび／またはMgを併用する
とCuおよび／またはMgは、Al合金の高温硬さを
一層改善し、耐疲労性もより向上する。Crの効
果は0.1未満ではあまり期待できない。またより
好ましい範囲は0.1〜６％である。 このように本発明のアルミニウム系摺動合金
は、低SnおよびZnを含有し、Ａ群より選択され
た添加物の析出物等を有するので極めて耐摩耗性
に優れる。さらには、Ｂ群〜Ｄ群のあらゆる組合
せの添加により各種合金を本発明は提供するが、
これらは若干の差はあるが、いずれも耐摩耗性に
優れ、なおかつなじみ性、低摩擦性、耐疲労性、
高負荷能力など各種特徴を備えるものである。す
なわちこの合金群は、耐摩耗性を要求される摺動
部位に利用することができ、その摺動条件によつ
て添加物の種類と添加量を変化させれば、容易に
その要求に応じることができる。 本発明のアルミニウム系摺動合金は、裏金鋼板
を圧接して、摺動材料の一種である軸受材料とし
て用いることができる。勿論、これを摺動部材と
して用いてもかまわない。本発明の合金はいずれ
も耐摩耗性、高負荷能力に優れ、高速・高荷重の
過酷な条件下での使用に耐えうる。なお、なじみ
性はSnあるいはＢ群のPb、Bi、Tl、Inでかなり
改善しうるが、若干高負荷能力が低下するので、
高負荷能力およびなじみ性の両方を特に必要とす
る場合は、特に負荷能力の高い組合せの合金、例
えばＡ群としてSi、Ｃ群としてCu・Mg、Ｄ群の
Crを選択し、この合金上にPb系合金のオーバー
レイを形成すれば、負荷能力は本発明の中から選
択した前記合金とほとんど変らず、なじみ性、耐
焼付性はオーバーレイのPb系合金とほぼ同一と
なり、非常に良好な複合摺動材料となる。この時
オーバーレイの厚さは１μｍ以下では耐焼付性、
なじみ性の効果は少なく、オーバーレイが疲労剥
離しやすい。逆に厚くなりすぎる（数百μｍ）場
合は、軟質なPd系合金により耐荷重性は低下す
るので、１〜150μｍが好ましい。オーバーレイ
の合金としては、Pd系合金に限らず耐摩擦性を
向上し、焼付性を向上すれば何んでもよいが、そ
の厚さを調節すれば、本発明の合金の持つ高負荷
能力、耐摩耗性を失なわず、疲労剥離などがおこ
りにくくなるものが望ましい。またオーバーレイ
は必要に応じて２層以上形成してもよい。 次に実施例によつて本発明を説明する。下記第
１表は本発明に係る合金（試料）１〜30と比較用
の合金（試料）31〜34の組成を示すものである。

【表】

【表】 第１表の試料１〜34はガス炉においてAl地金
を溶解し次にAl―Si母合金、Al―Mn母合金、Al
―Ti母合金、Al―Zr母合金、Al―Ni母合金、Al
―Fe母合金、Al―Ｗ母合金、Al―Ce母合金、Al
―Nb母合金、Al―Ｖ母合金、Al―Mo母合金、Al
―Ba母合金、Al―Ca母合金、Al―Co母合金、Al
―Cu母合金、Al―Mg母合金、Al―Cr母合金を目
的成分に応じて溶解し、最後にSn、Zn、Sb、
Pb、Bi、Tl、Inを目的成分に応じて添加した後
脱ガス処理をし、金型に鋳造（厚さ18mm）を行つ
たもので、その後２mmまたは１mmずつの圧延と焼
鈍（350℃・４時間）を繰り返して試料（合金厚
さ２mm）を調製して下記の試験を行つた。 なお、本発明に係る合金組成において、通常の
精錬技術ではどうしても避けられない不純物が含
まれることは勿論である。 下記第2a表および第2b表は、第１表に示す組
成の耐摩耗性の試験結果で、試験は次のように行
なつた。まず、鉄鋼製の回転リングに供試材ブロ
ツク（合金塊）を一定の荷重で押圧しつつ、回転
リングを回転させて摺動させた。特定の摺動時間
試験した後、ブロツクの形状変化を測定し、体積
摩耗量（mm^３）を測定して、耐摩耗性の判断をし
た。なお試験条件としては荷重2000g、周速800
cm／min、で無潤滑である。

【表】 第2a表および第2b表から明らかなように、本
発明に係るすべての合金１〜30は比較合金31〜34
に比して摩耗量は大幅に減少しており、耐摩耗性
が向上していることがわかる。また、Ａ群の添加
量が高いと耐摩耗性も高くなる傾向にある。ここ
では耐摩耗性のみ示したが、負荷能力も同様の傾
向を示す。 第3a表および第3b表は第2a表および第2b表と
同様に耐摩耗性試験の結果を示すが、条件として
オイル点滴を加えたものである。この潤滑オイル
としてはSAE10W30のエンジンオイルを使用
し、点滴は毎分10滴とした。その他の条件は潤滑
である他は前述の無潤滑の試験条件に等しい。

【表】 第3a表および第3b表においては、本発明の合
金の１部のみを代表として示したが、その傾向は
同じで、比較合金31〜34に比して耐摩耗性はいず
れも高い。このように潤滑条件においては、Ａ群
の添加量よりもその他の群の添加量の効果がどち
らかと言えば支配的である。 以上の如く本発明の合金は特に耐摩耗性に優れ
ている。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量百分率で３％未満のSn；0.5〜３％未満
   のZn；総量で１〜25％、かつSiを除いた総量が
   15％以下のＡ群より選択された１種または２種以
   上の添加物；および残部が実質的にアルミニウム
   からなるアルミニウム系摺動合金。 Ａ群：Si、Mn、Sb、Ti、Zr、Ni、Fe、Ｗ、
   Ce、Nb、Ｖ、Mo、Ba、Ca、Co ２ Ａ群のうちSiが選択されている特許請求の範
   囲第１項記載のアルミニウム系摺動合金。 ３ Ａ群のうちMnが選択されている特許請求の
   範囲第１項記載のアルミニウム系摺動合金。 ４ Ａ群のうちSbが選択されている特許請求の
   範囲第１項記載のアルミニウム系摺動合金。 ５ Ａ群のうちSiおよびMnが選択されている特
   許請求の範囲第１項記載のアルミニウム系摺動合
   金。 ６ Ａ群のうちSiおよびSbが選択されている特
   許請求の範囲第１項記載のアルミニウム系摺動合
   金。 ７ Ａ群のうちMnおよびSbが選択されている特
   許請求の範囲第１項記載のアルミニウム系摺動合
   金。 ８ Ａ群のうちSiおよびMnおよびSbが選択され
   ている特許請求の範囲第１項記載のアルミニウム
   系摺動合金。 ９ 重量百分率で３％未満のSn；0.5〜３％未満
   のZn；総量で１〜25％、かつSiを除いた総量が
   15％以下のＡ群より選択された１種または２種以
   上の添加物；Ｂ群、Ｃ群、Ｄ群の少なくとも１種
   より選ばれた１種以上の添加物；および残部が実
   質的にアルミニウムからなるアルミニウム系摺動
   合金。 Ａ群：Si、Mn、Sb、Ti、Zr、Ni、Fe、Ｗ、
   Ce、Nb、Ｖ、Mo、Ba、Ca、Co Ｂ群：Pb、Bi、Tl、In、 Ｂ群は総量で９％以下 Ｃ群：５％以下のCuおよび／またはMg Ｄ群：0.1〜10％のCr （但しＡ群との添加合計量は25％以下、か
   つSiを除いたＡ群との添加合計量は15％以
   下） １０ Ａ群のうちSiが選択されている特許請求の
   範囲第９項記載のアルミニウム系摺動合金。 １１ Ａ群のうちMnが選択されている特許請求
   の範囲第９項記載のアルミニウム系摺動合金。 １２ Ａ群のうちSbが選択されている特許請求
   の範囲第９項記載のアルミニウム系摺動合金。 １３ Ａ群のうちSiおよびMnが選択されている
   特許請求の範囲第９項記載のアルミニウム系摺動
   合金。 １４ Ａ群のうちSiおよびSbが選択されている
   特許請求の範囲第９項記載のアルミニウム系摺動
   合金。 １５ Ａ群のうちMnおよびSbが選択されている
   特許請求の範囲第９項記載のアルミニウム系摺動
   合金。 １６ Ａ群のうちSiおよびMnおよびSbが選択さ
   れている特許請求の範囲第９項記載のアルミニウ
   ム系摺動合金。