JPH01212729A - 軸受材料 - 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】 Ｃ発明の目的〕 産業上の利用分野 本発明は軸受材料に関するものであり、さらに詳しく述
べるならば繊維強化ｐｂ基すべり軸受合金を含む軸受材
料に関するものである。

従来の技術 バビットメタルまたはホワイトメタルとして知られるｐ
ｂ基軸軸受合金軟らかい基地中に硬い金属１ｆ［Ｉ化合
物の粒子を分布させた合金で、融点が低く軸とのなじみ
性が優れているので、利用価値が高く軸受台金の主流と
して使用されてきたが、エンジンの高出力、高油温化に
よる軸受温度上昇に伴ない疲労強度が著しく低下する欠
点があることがわかってきた。

この結果、１９８０年以降の日本製乗用車用主軸受およ
びフンロッド軸受は、殆ど全部がケルメツトおよびアル
ミニウム軸受合金で占められるに至った。勿論バピット
メタル等の性能の改良も鋭意試みられていたが結果にお
いてケルメツトおよびアルミニウム軸受合金をしのぐ性
能のｐｂ基軸軸受合金出現しなかった。

従来のバビットメタル合金性能の改良は主として合金元
素の添加により試みられてきたが、かかる試行によりあ
る程度の性能改良は達されたのであるが、達成性能はエ
ンジンの高出力、高油温化には適応できなかったのであ
る。

一方、ＦＲＭ用強用材化材料て、一般に、Ａｌ。

０、系、ＳｉＣ系、ＡＬＯ，−８ｉＯ２系、鋼糸、ガラ
ス系の繊維およびＡ１□０３．ＳｉＣ，Ｓ　ｉ３Ｎ４お
よび黒鉛などのウィスカなどの無機質繊維をアルミニウ
ム、銅あるいは鉄の各マトリックスに対して複合化して
使用されている。また、かかる材料が内燃機関用コンロ
ッドなどの軽量化および高強度化に有用であることは広
く知られている。

発明が解決しようとする課題 従来試行されてきたバビットメタルへの合金元素の添加
は各種性能の劣化を招くことが多く、特に高出力内燃機
関用エンジン用軸受材料に要求される耐疲労性は甚々不
十分となる。このような耐疲労性不足問題の方策として
、いわゆるマイクロバビットと呼ばれるライニングの薄
肉化の方向に進んできた。しかし、その方策も万全とは
いかず、最近では高速高荷重用軸受としては用いられず
、低中荷重用軸受としてわずかにカムブシュに用いられ
ているにすぎない。

上述の耐疲労性の他にバビットメタル等は耐摩耗性が低
いおよび耐食性が低い等の弱点があり、この事もバビッ
トメタル等が他の軸受台金により代替されたひとつの理
由になっている。

ＦＲＭが軸受材料として有利な点は、繊維強化により強
度が向上し、またＡｌ２Ｏ３，ＳｉＣ等の無機材料は、
金属材料、特に軟質であるところに一つの特質がある鉛
合金よりも耐摩耗性が高いところにある。ＦＲＭのすぐ
れた基礎物性は軸受性能向上にも有利に作用することは
明らかであるが、このような性質がすぐれているという
ことだけではＦＲＭを軸受には使用できない。

Ａｌ２Ｏ，、ＳｉＣなどの無機材料はなじみ性および埋
収性をもたないので軸受に使用する一般的特性を有して
おらず、また複合ＦＲＭ材料中に存在するＡＩ、Ｏ，、
ＳｉＣなどは埋収性およびなじみ性を発揮することはで
きないので、ＦＲＭの埋収性およびなじみ性をどのよう
にして発現させるかが問題となる。

ところで上記したなじみ等の個々の性質を実験室では試
験することができる。ところが実用されているすべり軸
受においてはこれらの性質を個々に再現することができ
ず、何れかの性質が不足すると、軸受の焼付等のトラブ
ルとなる。

そこで本発明者等は無機質繊維によるなじみ性と繊維強
化と相俟って、実用化できる軸受材料が提供されるであ
ろうとの着想の下に実験を行ない本発明を完成した。

本発明は、ｐｂ基すべり軸受合金を含む軸受材料の性能
を、少しでもＡｌ系もしくはケルメツト系バイメタル軸
受合金のレベルに近づけることを目的とする。

〔発明の構成〕

課題を解決するための 手段ならびにその作用 本発明は、基材上にｐｂｂ軸受合金層を設けてなる軸受
材料において、前記ｐｂ基軸受合金中に全体に対して５
〜５０容量％のＡ１２０１．Ａ１□○、−８ｉｎ２，５
ｉｎ２．ＳｉＣ，ＢＮ、Ｓｉ３Ｎ、　、　Ｋ２Ｔｉ、０
１．等より選択された繊維もしくはウィスカを分散複合
させたことを特徴とする。

また、前記基材が裏金鋼板であることを特徴とし、ある
いは、前記基材がアルミニウム合金または銅合金を裏金
鋼板上に備えたバイメタル材料であることを特徴とする
。

さらに、本発明は上載の基材上にｐｂｂ軸受合金層を設
けてなる軸受材料において、前記ｐｂ基軸受合金中に０
．０５〜１重量％のＰを含有することを特徴とする。

すなわち、電気メツキもしくは鋳造等で設けられたｐｂ
基軸軸受合金層中５〜５０容量％のＡ１□○１．Ａ１□
Ｏ，−Ｓ　ｉ　Ｏ２，Ｓ　ｉ　Ｏ２，Ｓ　ｉ　Ｃ，Ｂ　
Ｎ。

Ｓ　ｉ、Ｎ１．　Ｋ２Ｔ　１Ｇ０１．等の無機質繊維あ
るいはウィスカを分散複合せしめること、および好まし
くは前記ｐｂ基軸受台中にＰを０．０５〜１重量％添加
することにより、耐疲労性および強度が高温にて急速に
劣化する欠点および低い耐摩耗性および耐食性の欠点を
緩和するとともに、その他の軸受性能は従来のｐｂ系軸
受合金と同等以上に保つ作用をなす。

以下１本発明に係る軸受材料の一方の構成部分であるｐ
ｂｂ軸受合金層の成分を説明する。

本発明に係るすヘリ軸受材料の成分であるＡ１□０、、
Ａｌ□０．−８　ｉ　０２．　Ｓ　ｉ○ｚｔ　Ｓ　ｉ　
Ｃ，ＢＮ。

Ｓ　ＬｘＮ＜ｒ　Ｋ２ＴｉＧＯ□３等の無機質繊維ある
いはウィスカ（以下、総称する場合は「無機質繊維等」
という）は、他の成分である鉛系合金の高温における強
度耐荷重性および耐疲労性ならびに常温における耐摩耗
性を改良するとともに、それ自身相手軸の微細凹凸を平
坦化することによるなじみ性を発ｊｌ！　Ｌさらに相手
軸からの荷重を受けて耐荷４１ｉ性を向上させる成分で
ある。無機質繊維の使用割合は一般には５〜５０体精％
が良い。この使用割合の中で２０〜５０％が高温強度お
よび耐荷重性、耐疲労性向上効果が大きい。軸受の総合
特性の上では、好ましくは１０〜３０体積％である。

すベリ軸受材料の成分である鉛系軸受合金は、従来の鉛
軸受合金が有する性質を有するのは当然であるが、無機
質繊維が有する上記作用、すなわち高温強度、耐疲労性
、耐荷重性、なじみ性等、が生じる前提条件を整えると
ともに、無機質繊維の欠点を補う成分である。

ｐｂは］７ＲＭ製造中に無機質繊維の間の微少な隙間に
入り込んで、該繊維を保持する。このため摺動表面での
繊維の脱落が防止される。また、このようなｐｂの作用
は無機質繊維による耐摩耗性を向上することにも寄与す
る。

以下、本発明の作用のうち、軸受性能のいくつかについ
て詳しく説明する。

班反九立 本発明に係る軸受材料の耐疲労性は、主として無機質繊
維が軸からの動荷重を支えていることにより生じる。

一般に、無機質繊維は強度が高く難変形性であり、鉛合
金は強度が低く易変形性である。よって、本発明のすべ
り軸受材料の無機質繊維により耐疲労性が通常のｐｂ系
軸受合金より高められる傾向にある。唯、無機質繊維が
軸からの荷重を受ける際には、鉛合金中に該繊維が沈み
込むように変形するので、繊維自体の高強度がそのまま
耐疲労性として利用されず、鉛合金の変形挙動が耐疲労
性に大いに影響する。この点は、また高温強度に関与し
、高温時の鉛合金の流動を可及的に防止することができ
、軸受性能の向上例えば高温時の耐荷重性等に寄与する
。この場合、鉛合金に対して重量％で１３％以下のＳｎ
、１８％以下のｓｂ、５％以下のＣｕ、３％以下のＡｓ
、２％以下のアルカリ金属の１種以上を添加すると、鉛
合金が無機質繊維を軸に対抗してさらに強力に保持する
。好ましくは、Ｓｎは０．８−１．８％、ｓｂは１０〜
１６％、Ｃｕは０．３〜２％、Ａｓは０．５−１．５％
の範囲とすると良い。

耐疲労性上、より好ましい無機質繊維はＡ１□０、、Ｓ
　ｉＣ，に２Ｔｉ６０．３であり、その好ましい量は３
０〜５０容量％である。

なじみ性 本発明に係るすべり軸受合金では、無機質繊維が相手軸
を平坦化する作用と鉛合金が相手軸により平坦化される
作用によりなじみ性が達成される。

第１図に概念的に示された本発明のすべり軸受材料１に
あっては分散材である無機質繊維等３が鋳鉄もしくは鋼
からなる相手軸４の粗さ突起部を削り取り平坦化すると
ともにマトリックスである鉛合金２が相手軸４により削
り取られることによって両者の摺動面がなじんで良好な
油膜圧力５が形成される。

埋収性 軸または軸受の摩耗により生じる破片もしくは脱落した
無機質繊維を軸受中に埋め込むことによって軸を粗さな
い性質（埋収性）は、本発明に係るすベリ軸受材料では
、鉛合金により達成される。

かかる埋収性はＦＲＭを軸受に用いる場合に極めて重要
である。すなわちＦＲＭにおいては繊維の脱落は不可避
である。脱落した繊維はかなり長いこと、および無機質
繊維は極めて硬いこと、これらの二点は軸を著しく傷つ
ける原因となる。そこでＦ　ＲＭを軸受として用いるた
めには如何にして埋収性を与えるかが重要になる。本発
明者等はすべり試験後の軸受の表面を観察して、脱落し
た無機質繊維等が鉛合金表面に貼り着いていること、お
よび特に荷重が高い場合には無機質繊維が埋没し、その
表面に軟質金屑が覆いかぶさっていること等を見出した
。よって、鉛は脱落した無機質繊維を埋め込む作用と鉛
に保持されている無機質繊維を埋め込む作用とを有する
ことが分かった。

これらの作用は高荷重下での軸受性能（特に、耐ｌ↑耗
性、耐焼付性、耐疲労性）を従来の鉛系軸受合金より格
段に向上させることに寄与していると考えられる。埋収
性上好ましい、鉛合金の量は９５〜８０％であり、好ま
しい無機質繊維等の種類は、ウィスカではＳ　ｉ　Ｃ，
Ｓ　ｉ、Ｎ４．繊維テハ、Ｋ２Ｔｉ６Ｏ１３等の繊維径
の細いものである。

耐焼付性 ここでいう（酎）焼付性とは実験室で荷重を増加させた
ときに焼付が起こった面圧で求められる材料の性質を指
し、実機において複雑な要因で起こる焼付が生じ易い（
生じ難い）材料の性質を指していない。本発明に係るす
ベリ軸受合金では、摺動面が安定して形成され、また焼
付の原因となる金属接触が有効に防止されている。すな
わち、摺動面に存在する無機質繊維等の摩擦係数は変化
し難いために摺動面が安定し、またかがる無機質繊維は
軸と接触して鉛合金が軸と接触する面積を少なくするの
で金属接触が有効に防止されるのである。一方無機質繊
維は軸受がら脱落し易くなるために、その使用量は５０
容量％に制限される。

この量を超えると脱落した無機質繊維が相手軸を傷つけ
、相手軸が再び無機質繊維を脱落させるという悪循環が
生じる。耐焼付性上好ましい鉛合金の量は９５〜７０容
量％であり、より好ましくは９５〜８２容量％である。

好ましい鉛合金の種類は、ｐｂまたはＰｂ−３ｎ系合金
であって、たとえば、Ｐｂ−１５Ｓｂ−１，２Ｓｎ−０
，５Ｃｕ−ＩＡｓである。組成としては１８％以下Ｓｂ
。

７％以下Ｓｎ、５％以下Ｃｕ、３％以下Ａｓ等を必要に
応じでｐｂに添加すれば良い、好ましくは、ｓｂは１０
〜１６％、Ｓｎは０．８〜１．８％、Ｃｕは０．３〜２
％、Ａｓは０．５〜１．５％の範囲とすると良い。また
好ましい無機質繊維等の種類はＳｉＣ，Ｓ　１３Ｎ４．
ＫｚＴｌｉｏ□１、およびＡ１□０３である。

藍！にユ すべり軸受の一特性としての耐摩耗性は一般的になじみ
が得られた後に軸受材料が摩耗し難い性質を指すが、本
発明におけるすべり軸受材料においては良好な潤滑皮膜
が形成されることと鉛合金が繊維強化されていることに
よってすぐれた耐摩耗性が得られる。従来のｐｂ基すべ
り軸受合金においては、無機質繊維による強化もなじみ
性も発現されないために、著しく摩耗し易いとの欠点が
あったが、本発明によるとこのような欠点はない。

なお、無機質繊維が脱落することによって、繊維片が軸
受を摩耗させる傾向はあるが、上記した埋収性により摩
耗は軽減される。耐摩耗性上好ましい鉛合金の量は８０
〜５０容量％、好ましい鉛合金の種類は、耐焼付性の項
で述べたようなｐｂまたはＰｂ−３ｎ系合金等が良い。

好ましい無機質繊維等の種類は、Ａ１□０３．Ａ１□○
、−５ｉｎ２゜ＳｉＣである。

耐４１１ ここでいう耐食性とは高温の潤滑油との接触によりすベ
リ軸受が変色するかあるいは化学的に変質して増量もし
くは減量することに耐える性質を指し、実際の軸受装置
で機械的負荷を受ける条件を考慮した耐潤滑油性でない
。本発明に係るすべり軸受材料では殆んど鉛合金のみが
腐食する。無機質繊維等が多いほど腐食量もしくは変色
が少なくなっているとの実験結果よりこのように想定さ
れる。機構は何れにせよ、無機質繊維等の使用により耐
食性が若干向上する。なお、同一組成の鉛合金であって
もＦＲＭ化の際に空孔等が多く形成されると耐食性は劣
化する。よって鉛合金と無機質繊維等を均密に接触させ
ることが重要である。

本発明において使用されるＰは著しく耐食性を向上させ
る成分である。このＰの作用は、鉛合金の湯流れを向上
させることによりＦＲＭを均密化することと、鉛合金の
潤滑油との化学反応性を少なくすることの両方にあると
考えられる。Ｐの含有量が０．０５重量％未満ではその
効果が少なく、Ｐの含有量が１重量％を超える場合は、
それ以上添加しても性能があまり増大せず経済的に不利
であるため、耐食性向上のためにＰを添加する場合はＰ
の含有量を０．０５〜１重量％とした。

一方、このＰのｐｂに対する湯流れの作用を考慮すると
、高温強度の点では、ｐｂ基軸軸受合金無機質繊維等と
の組合せにおいては、同等もしくは有利に作用する。こ
れはＰの添加により無機質繊維等の保持能力が実質的に
向上し、高温での軸受性能に有利に作用したと考えられ
る。この観点からも、Ｐの含有量を１重量％以下とする
のが好ましい。

ここで、従来のｐｂ基すべり軸受合金における合金元素
およびマトリックスの作用と、本発明における無機質繊
維等およびマトリックス（鉛合金）の作用とを対比して
説明する。

Ｉ）　ｂ基合金の合金元素として従来使用されているＣ
ｕ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｎａ、Ｌｉ等は直接的に分散相となる
かあるいは分散析出相の形成に寄与するかの相違はある
にせよ、広い；意味では分散作用を有している点では無
機質繊維等と同じである。

だがその作用が例えばエンジンの高出力および高温潤滑
油に耐えるのに十分な程度のものかという観点から評価
するならば、従来のＰ　ｂ基軸受台金がわが国ではほと
んど全部ケルメツトおよびＡ１基合金により代替されて
いるとの事実が如実に示すように合金元素による分散強
化は十分ではなかった。これは合金元素による分散強化
がｐｂ７１−リックスにも影響を与え、これを脆化する
、強度低下するなどとの欠点を伴って来るからである。

無機質繊維等も当然マトリックスの強度に影響を与える
が、マトリックスより分離して生成するか、マトリック
スの形成と同じに形成される分散析出合金相のように、
マトリックスとインヘレント（ｉｎｈｅｒｅｎｔ）な関
係を無機質繊維等はもたないため、その影響の程度は少
ない。

このことは、利点ばかりではなく無機質繊維等が脱落し
易いという欠点にもなるが、この欠点は少なくとも、そ
もそも軟質であり、なじみ性がよいｐｂの本質を損ない
、またｐｂｂ合金を脆化させるようなものではない。よ
って、無機質繊維等は合金元素と比較してｐｂ本来の良
い性質を活かしつつすベリ軸受合金の強化を達成してい
るのである。

実　　　施　　　例 第１表に示す供試材について以下の条件で試験を行った
。

疲労試験 試験機　・・・曽田式動荷重試験機 回転数　・＝　２８００〜３５００　ｒ　ｐ　ｍ潤滑油
　−８ＡＥＩＯＷ−３０ 給油温度・・・１２０℃ 軸材質　・・・５５５Ｇ焼入 軸あらさ・・・０．４〜０．６μｍＲｚ摩耗試験 疲労試験と同一条件、但し軸あらさを０．８〜１．２μ
ｍＲ７に変え、面圧５００ｋｇ／ｃｍ”の定圧力で１０
７回荷重任かけた。

耐食性試験 １６０℃の潤滑油（ＳＡＥＩＯＷ−３０）中で２００Ｈ
ｒ油煮。

焼付試験 試験機　・・・ジャーナル型焼付試験機相手材軸・・・
ＦＣＤ７０ 潤滑油　・・・５ＡＥＩＯＷ−３０ 軸表面あらさ・・・０．４〜０．６μｍ　Ｒｚ潤滑油温
・・・１４０±２．５℃ 軸回転数・・・１１０００ｒｐ 軸径・・・５２ｍｍ 軸硬さ　−Ｈｖ　２００−３００ 荷　重　−５０ｋｇ／ｃｍ２／３０ｍ１ｎ間隔で同量増
加軸受あらさ・・・１〜１．８μｍ　Ｒｚ軸受径　・・
・５２ｍｍ 試験結果を第１表に示す。

以下、本発明に係る軸受材料の製造方法の一例を説明す
る。

先ず、通常の厚さを有する裏金鋼板を所定幅および長さ
に切断し、２１０〜２５０℃に予熱し、錫浴中を通過せ
しめそして表面に１〜２μｍの錫を付着せしめる。次に
、裏金鋼板を型内に配置し、その上に無機質繊維等を裏
金鋼板とほぼ同じ幅および長さに予め成形したものを載
せる。この成形体の厚さは通常３〜１０ｍｍである。成
形体における各繊維の方向は一方向、ランダムなど任意
のものであってもよい。また各繊維の寸法は通常、径で
０．１〜２０μｍである。繊維成形体を型内に配置した
後に、鉛合金の溶湯を型内に４３０〜５５０℃の温度で
注湯し、そして２００〜１０００　ｋ　ｇ／ｃ　ｍ２の
圧力を溶湯に加えて加圧鋳造する。

鋳造合金を裏金鋼板とともに型から取り出し、これを半
割メタル形状に曲げ加工しそして表面切削して仕上げる
。

この製造方法で、基材である裏金鋼板の表面に錫を付着
せしめることは、基材とｐｂｂ軸受合金層の密着性を向
上せしめ、かつ軸受材料としての長期に亘る性能維持、
特に耐疲労性に寄与する。

なお、ケルメツトおよびアルミニウム系軸受合金をしの
ぐためには、本発明に係るすべり軸受材料のｐｂ基軸受
合金Ｊ−をケルメツト等のオーバレイとして使用する。

すなわち、ケルメツトおよびアルミニウム系軸受合金を
基材として利用し、この基材上に本発明のｐｂｂ軸受合
金層を設ければよい。これは、基材としての裏金鋼板に
代え、基材をアルミニウム合金を裏金鋼板上に備えたバ
イメタル材料または銅合金を裏金鋼板上に備えたバイメ
タル材料とするものである。この時、ｐｂｂ軸受合金層
の厚さは、すべり軸受としての加工完了時に、５〜５０
０μｍ、好ましくは、１０〜２００μｍとするのがよい
。

ここでは、加圧鋳造法を利用した製法例を示したが、電
気メツキ、分散メツキ等を利用して製造してもよい。

〔発明の効果〕

本発明による軸受材料の特性は、耐疲労性および耐荷重
性の面ではケルメツトおよびアルミニウム系軸受合金に
は若干及ばないが、その他の性質。

特になじみ性、埋収性、耐焼付性の面ではケルメツトお
よびアルミニウム軸受合金より優れている。

また、本発明に係る軸受材料の耐疲労性、耐荷重性、耐
食性、耐焼付性は従来のホワイトメタル系バイメタル合
金より格段に優れており、なじみ性。

埋収性はほぼ同等である。

このように、従来のホワイトメタル系バイメタル合金よ
り優れたバイメタル合金であって、ケルメツトおよびア
ルミニウム系軸受合金と十分に競合が期待される軸受材
料を提供した意義は大である。

またオーバレイとしての使用に際しては優れたなじみ性
、埋収性が好適に活用される。

【図面の簡単な説明】

第１図は軸と軸受の模式図である。 １・・・軸受材料、 ２・・・ｐｂ基軸軸受合金 ３・・・無機質繊維等、 ４・・・軸、 ５・・・油膜圧力、 ６・・・基材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基材上にＰｂ基軸受合金層を設けてなる軸受材料に
   おいて、前記Ｐｂ基軸受合金中に全体に対して５〜５０
   容量％のＡｌ＿２Ｏ＿３、Ａｌ＿２Ｏ＿３−ＳｉＯ＿２
   、ＳｉＯ＿２、ＳｉＣ、ＢＮ、Ｓｉ＿３Ｎ＿４、Ｋ＿２
   Ｔｉ＿６Ｏ＿１＿３等より選択された繊維もしくはウイ
   スカを分散複合させたことを特徴とする軸受材料。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記基材が裏金鋼
   板であることを特徴とする軸受材料。 ３、特許請求の範囲第１項において、前記基材がアルミ
   ニウム合金または銅合金を裏金鋼板上に備えたバイメタ
   ル材料であることを特徴とする軸受材料。 ４、特許請求の範囲第１項ないし第３項のいづれか１に
   おいて、前記Ｐｂ基軸受合金中に０．０５〜１重量％の
   Ｐを含有することを特徴とする軸受材料。