JPS6263639A - アルミニウム軸受合金 - 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」 本発明はアルミニウム軸受合金に関し、より詳しくは高
温での強度の向上、耐焼付性の向上および疲労強度の増
大を図ったアルミニウム軸受合金に関する。

「従来の技術」 従来から、アルミニウム軸受合金については、高温での
強度の向上、耐焼付性の向上、或いは疲労強度の増大が
図られており、特公昭５２−１．２１３１号公報、特公
昭５ｇ−１４８６６号公報、特開昭５６−３５７４３号
公報等が知られている。

特公昭５２−１２１３１号公報のアルミニウム軸受合金
は１重量％で５ｎ３−４０％、ｐｂｏ、ｉ〜ｓ％、　Ｓ
ｂ　０．１〜３％未満、Ｃｕ　０．２〜２％、および残
部がＡ】からなり２さらに必要に応じて、　Ｎｉ、　Ｍ
ｎ、　Ｓｉのいずれか一種でその添加量が０．２〜３％
となるように添加することを要旨とするものである。

特公昭５８−１４８６６号公報のアルミニウム軸受合金
は、重量％でＳｎ　３．５〜３５％、　Ｃｒ　０．１％
〜１％、　Ｓｉ１〜１０％＋　Ｍｎ＋　Ｓｂ、　Ｔｉ、
　Ｎｉ、　Ｆｅｗ　Ｚｒ、　Ｍｏ、　Ｃｏ、の１種又は
２種以上を１〜１０％でその総量が１０％以下、および
残部がＡｌからなり、さらに必要に応じて、Ｃｕ及び／
又はＭｇを３．０％以下、或いはこれに代えて、又はこ
れとともに、Ｐｂ、　Ｂｉ、　Ｉｎの１種又は２種以上
を９％以下添加したことを要旨とするものである。

特開昭５６−３５７４３号公報のアルミニウム軸受合金
は、重量％でＳｎ３〜４０％、Ｐｂ０．１〜９％、Ｓｂ
３〜１０％と残部が実質的にＡＬからなり、さらに必要
に応じＣｕ及び／又はＭｇを０．１〜３％、或いはこれ
に代えて、又はこれとともに、ＳＬ、　Ｎｉ、　Ｍｎ、
　Ｔｉ、　Ｆｅ。

Ｚｒ、　Ｍｏ、　Ｇｏ、　Ｖ、　Ｎｂの１種又は２種以
上を０．１〜１０％以下添加したことを要旨とするもの
である。

［発明が解決しようとする問題点」 上記公知の各アルミニウム軸受合金はそれぞれ従来のも
のに対して優れた性能を有するものであるが、近年の内
燃機関のように小型化・高出力化が要求されるようにな
ると、軸受材料はより高荷重、高温度の条件下で使用さ
れることとなり、このような悪条件下では従来の軸受材
料は疲労破壊、異常摩耗、焼付き等を起こしてトラブル
の要因となっていた。

「問題点を解決するための手段」 本発明者等はこれらの問題点を解決するために、より高
温での強度の向上、耐焼付性の向上、疲労強度の増大を
図るため、上述したような各元素の種々の組合せについ
て、より効果的な組合せを見出した。

本発明の特徴であるアルミニウム軸受合金の組成につい
て説明する。

本発明に係るアルミニウム軸受合金は、重量％でＳｎを
３〜２０％、　Ｖ　、　１１７１）、　Ｍｏ、　Ｃｏの
少なくとも］種以上を０．１％〜１％、Ｃｕを０．２〜
２％、および残部が実質的にＡｌからなるものを基本と
し、必要に応じＳｉ　１．５〜８％を添加し、或いはこ
れに代えて又はこわとともにｐｂ　ｏ、ｉ〜５％を添加
したものである。

本発明のアルミニウム軸受合金におけるＳｎは潤滑を主
目的として添加される元素であって、３％未満では潤滑
の効果がなく、２０％を越えると全体に軟らかくなって
耐荷重性が低下する６Ｖ　、　Ｎｂ、　Ｍｏ、　Ｃｏの
１種以上の添加量はその総量が０．１〜１％である。す
なわち、それら自体の元素を複数添加する場合の添加量
は微量から１％以下となる。その総量が０．１％未満で
は高温硬さの改良は期待できず、１％を越えて添加する
と析出物が析出しすぎて軸受台金としては硬くなりすぎ
る。さらに好ましい範囲は０．２〜０．８％で、最も好
ましい範囲は０．３〜０．６％である。なお、添加目的
はＡｌ地の再結晶温度を上げると共に、これらの金属間
化合物がＡｌ粒界の移動を防ぐこと等にあるが、効果の
詳細は後述する。

Ｃｕの添加量は０．２％〜２％で、これは高温下での強
度の低下をより小さくするために添加するものである。

０．２％未満ではその効果がそれ程期待できず、２％を
越えて添加すると硬くなりすぎて圧延性を阻害する上、
耐蝕性が低下する。さらに好ましい範囲は０．２〜１．
５％で、最も好ましい範囲は０．５〜１．２％である。

ｐｂはＳｎの潤滑金属としての性能を改良するために０
．１〜５％添加したもので、０．１％未満では潤滑性の
改善効果は期待できず、逆に５％を越えて添加すると軟
らかくなりすぎ耐疲労性が悪くなる欠点がある。さらに
好ましい範囲は０．５〜３％で、最も好ましい範囲は１
．５〜２．５％である。

Ｓｉは耐摩耗性を向上させる目的で添加するもので、そ
の添加量は１．５〜８％である。１．５％未満では析出
量が少なくて耐摩耗性の有効な向上が認められず、逆に
８％を越えて添加すると析出物が析出しすぎ、圧延性が
悪くなって圧延、焼鈍の繰り返しが困鑑となり、Ｓｎの
微細化が妨げられるからである。さらに好ましい範囲は
１．５〜５％で、最も好ましい範囲は２〜４％である。

「作用」 上述したような各元素の種々の組合せについての効果を
確認するため、各種の実験を行った。

第１表のアルミニウム軸受合金について、雰囲気温度を
２０℃と１７５℃に変化させた場合の引張強度の試験を
下記の条件で行った。試験結果を第１ａ図および第１ｂ
図に示す。

〔引張強度の試験条件〕

試験機：インストロンタイプ引張試験機引張速度：　５
ｍｍ／ｍｉｎ 試験片：ＪＩＳ　　Ｇ号 第　　１　　表 第２図に下記の条件により行った疲労強度の試験結果を
示す。

〔疲労強度の試験条件〕

試験機：シェンク式平板曲げ試験機 ３０００サイクル／ｍｉｎで１０１回疲労強度を測定雰
囲気温度＝１７５±５℃ 第３図に下記の条件により行った疲労面圧の試験結果を
示す。

〔疲労面圧の試験条件〕

試験機：９田式動荷重試験機 回転数：　２１００〜３１００ｒｐｍ 軸　　径：直径４０１１１！ｌ 軸　　：５５０Ｃ焼入れ（Ｈｖ５００〜６００）潤滑油
：　Ｓ　Ａ　Ｅ　　ＩＯＶ／−３０油　　　量二　１４
０±５℃ 荷　　重：　４０　ｋｇ／ａ＃おき ］、０７回疲労強度を謂定 第１図ないし第３図よりＶ　＋　Ｎｂ、　Ｎｏ、　Ｃｏ
を添加した軸受は、　Ｃｒ、　Ｓｂを添加した軸受より
、高温下での引張強度、疲労強度、疲労面圧の面で効果
があることが判る。

この理由を詳述すると、Ｖ、　Ｎｂ、　Ｍｏ、　Ｃｏは
Ａｌ中に固溶することによってＡｌの再結晶温度を上げ
、かつ固溶すること自体でＡｌ地の硬さを上昇させるが
、これと同時に数回の圧延によっても鋳造時に比して硬
さが上昇する。再結晶温度を上げることは、内燃機関の
軸受がさらされる高温領域でも安定した機械的性質を維
持させるために効果があり、特に硬さについては、高温
下での硬さの低下を少なくして高温領域での軸受強度の
向上をもたらす。

また固溶限を過ぎて析出するＡｌ−Ｖ、　Ａｌ−Ｎｂ、
　ＡｌＭｏ、Ａｌ−Ｃｏの金属間化合物は、高温でも安
定して存在しこのためこの析出物が細かく分散すること
は再結晶温度を上げ高温硬さの維持を助けるので、これ
が適量分散することは良い効果を生じる。

さらに、上記析出物がＡｌ地金中に細かく分散して存在
すると、その金属間化合物が直接的にはＡｌ粒界の移動
、つまりはＳｎ粒子の粗大化を防ぎ、このことは圧延、
焼鈍の繰り返しによって微細化されたＳｎ粒子をそのま
まに保つことにつながり、前記種々の効果を持つのであ
る。またＳｎ粒子が微細。

なまま保持されてＡｌ地金中に存在するということは、
同時に２３２℃という低い融点をもつＳｎ粒子の高温化
での溶出現象を防止するためにも効果的である。

このような効果はＣｒにも若干あるがＣｒの場合には４
５０℃３０分でＳｎの粗大化が始まるのに対し、Ｖ　、
　Ｎｂ、　Ｍｏ、　Ｃｏの場合には５００℃３０分でも
Ｓｎの粗大化を阻止する能力があり、後の実験結果でも
示すように、Ｖ、　Ｎｂ、　Ｍｏ、　Ｃｏの方がＣｒよ
りも優れた効果が得られることが判った。

なお、ｓｂを添加するとＡ　ｌｓｂの粗大析出物が生じ
ることから、強度、延び、疲労に悪影響を与え、ｓｂに
ついては引張強度、疲労強度の面では効果を有しないこ
とが明らかになった。

また、Ｃｕの強度に関する効果はＶ　、　Ｎｂ、　Ｍｏ
、　Ｃ。

と同時に添加して生じるもので、Ｃｕ単独では高温化で
の強度の上昇の効果は期待できない。すなわちＣｕはＡ
ｌ中に添加した場合に圧延時の硬さの」−昇が大きく、
同一圧延率でも他の元素を添加したＡｌ材料に比し、硬
さの上昇は顕著であるが、２００℃近くまで加熱すると
容易に軟化し、高温強度の維持はできない。これに対し
てＶ、　Ｎｂ、　Ｍｏ、　Ｃｏの１種以上とＣｕとを同
時に添加すると、Ｃｕの添加によって圧延時に高くなっ
た硬さが焼鈍してもＶ、Ｎｂ。

Ｎｏ、　Ｃｏの添加効果によりあまり低下しない。この
ため強度の高いアルミニウム軸受合金が得られ。

かつこの強度は高温下においても従来のこの種の合金の
ように大きく低下することがない。

さらにｐｂの潤滑性に関する効果はＶ　、　Ｎｂ、　Ｍ
ｏ。

Ｃｏの１種以上と同時に添加して尚一層の効果がある。

すなわち、Ａｌ−３ｎ系軸受合金の中にｐｂを単独で加
えると、Ａｔ−８ｎ系合金中へ合金化されてＳｎの融点
か低くなってしまうという欠点が避けられない。これに
対し、Ｖ　、　Ｎｂ、　Ｍｏ、　Ｃｏを添加することに
よってＳｎ粒を微細化し、かつその組織を高温でも維持
できるようにしておくと、Ｐｂを加えても上記のような
弊害は生ぜずに潤滑性を改善することができると共に、
耐疲労性の向上を図ることができる。

なお、ｐｂを添加しないものもほぼ同じ値を示したので
ここでは省略する。

次に、第２表のアルミニウム軸受合金について、疲労面
圧、焼付面圧の試験を行った。試験結果を第４図および
第５図に示す。

第２表 第４図の試験条件は、第２図の条件と同じであり、第５
図の試験条件は下記の通りである。

〔焼付面圧の試験条件〕

試験機：ジャーナル型焼付試験機 回転数：１１０００ｒｐ 軸　　径：直径５２ｍｍ 軸　　　：　　Ｆ　ＣＤ　７０　（Ｈｖ２３０〜２５０
）Ｓ５０Ｇ焼入れ（Ｈｖ５００〜６００）潤滑油：　Ｓ
　Ａ　Ｅ　ｌ０Ｗ−３０ 油　　　ｆｆｉ：　　１４０＋５℃ 荷　　重＝３０分毎に５０　ｋｇ／ｃｄずつ増加第４図
および第５図より本発明のアルミニウム軸受合金は、比
較材のアルミニウム軸受合金より疲労面圧、焼付面圧が
優れていることが判る。

この理由を下記に詳述するが、Ｃｕ、　Ｐｂ、　Ｖ、　
Ｎｂ。

ＭＯｌＣＯの個々および組合せての効果は第１表の試験
結果で述べた通りであるので、ここでは省略し、第１表
の試験結果で説明しなかったＳｉの効果を中心に説明す
る。

Ｓｉはそれ自体の硬さが高くて鋳造性に優れており、ま
たその析出物はビッカース硬さで約１０００にも達して
非常に硬いため、軸との摺動による軸受の摩耗を著しく
減少させることができる。軸よりも軟らかい軸受ではそ
の軸受面が切削されることになり、この状況が進行する
と軸受表面粗さが粗くなったり、軸と軸受とのクリアラ
ンスが増大して油膜が構成されなくなり、軸と軸受との
直接接触、つまり金属接触が多く起って焼付に至るよう
になるが、上記析出物は焼入れ鋼軸は勿論、鋳鉄軸より
も硬いため、鋳鉄軸を使用した場合の耐摩耗性の向上並
びに耐焼付性の向上に特に効果がある。

また、Ｖ、　Ｎｂ、　Ｍｏ、　Ｃｏの１種以上とＳｉ、
Ｐｂが同時に添加されると、５ｎ−Ｐｂの共晶の組織が
」二連した微細効果によって微細となるので、低融点と
いう不利な点が補われて耐疲労性の低下が抑制される。

そして摩擦係数も安定しやすくなって耐疲労性、耐焼付
性が極めて良好となる。

ｒ実施例」 以下図示実施例について本発明を説明する。第３ａ表お
よび第３ｂ表に示すアルミニウム軸受合金について、引
張強度、焼付面圧、疲労の試験を行った。試験結果も同
表に示す。

表中試料１〜１３．１６〜２９．３２〜４２．４５〜５
８は本発明に係るアルミニウム軸受合金材であり、１４
．１５３０．３１．４３．４４．５９．６０は比較材で
ある。

なお、第１表ないし第３ｂ表の試料はガス炉においてＡ
Ｉ地金を溶解し次にＡｌ−Ｃｕ母合金、Ａｌ−Ｖ母合金
、Ａｌ、−Ｎｂ母合金、Ａｌ−Ｍｏ母合金、Ａｌ−Ｃｏ
母合金、Ａｌ−５ｉ母合金、Ａｌ−Ｃｒ母合金、Ａｌ−
Ｍｎ母合金を目的成分に応じて溶解し、最後にＳｎ、　
Ｐｂ、　Ｓｂを添加した後脱ガス処理をし、金型に鋳造
を行ったもので、その後数回の圧延と焼鈍を繰返して試
料を調製し引張強度の試験を行った。次にこの試料をさ
らに圧延し、その後これらの合金と裏金鋼板とを圧接し
てバイメタル材とし、これを焼鈍した後すべり軸受に加
工して焼付面圧試験および各種疲労の試験を行った。

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。

各種の試験条件は、下記に示す回転荷重疲労試験を除い
ては第１図ないし第５図のものと同じ条件である７ 〔回転荷重疲労試験の条件〕 試験機：回転荷重試験機 回転数：８０００ｒｐｍ 面　　　圧：３００ｋｇ／ａｌ？ 軸　　径：直径４０ｍｍ ＠　　　：５５０Ｃ焼入れ（Ｈｖ５００〜６００）潤滑
油：　Ｓ　Ａ　Ｅ　ｌ０Ｗ−３０ 油　　　量−１２０〜１６０℃ １０７回の試験に耐える軸受背面の限界温度を測定第３
ａ表および第３ｂ表の試験結果から、本発明のアルミニ
ウム軸受合金は比較材のアルミニウム軸受合金よりも優
れていることが確認できた。

特に、引張強度については、油温２０℃の場合は比較材
と差がないのに対し、油温が〕−７５℃になると明確な
差があられれる。従って、Ｖ、Ｎｂ。

Ｍｏ、　Ｃｏの少なくとも１種以上およびＣｕの添加に
より高温下での強度が充分維持されていることが判る。

更に、シェンク式平板曲げ試験機、９田式動荷重試験機
および回転荷重試験機による疲労試験では、尚一層顕著
な差が出た。

なお、第３ａ表および第３ｂ表に試験結果が記されてい
ない試料については、試験を行っていないものである。

「発明の効果」 以上のように、本発明によれば、従来に比較して一層高
温強度の向上、耐焼付性の向上、および疲労強度の増大
を図ることができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は第１表のアルミニウム軸受合金に
ついての引張強度の試験結果、疲労強度の試験結果、疲
労面圧の試験結果を各々示す図、第４図および第５図は
第２表のアルミニウム軸受合金についての疲労面圧、焼
付面圧の試験結果を各々示すものである。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％でＳｎを３〜２０％、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃ
   ｏの少なくとも１種以上を０．１％〜１％、Ｃｕを０．
   ２〜２％、および残部が実質的にＡｌからなるアルミニ
   ウム軸受合金。
2. （２）重量％でＳｉ１．５〜８％添加してなることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載のアルミニウム軸
   受合金。
3. （３）重量％でＰｂ０．１〜５％添加してなることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項または第２項に記載のア
   ルミニウム軸受合金。