JPH0239572B2 - Oobareiyometsukigokin - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野） 本発明はオーバレイ合金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に用いられる
ケルメツト軸受にメツキにより被着される四元オ
ーバレイ合金に関するものである。 （従来の技術） 内燃機関に用いられるすべり軸受は、円筒形ブ
ツシユ、半割メタル、または環状メタル形状に加
工された鋼板上にケルメツト合金を被着し、その
上にオーバレイ合金を被覆して構成されているこ
とは周知である。ここで、オーバレイ合金の主た
る機能は、軸受とクランクシヤフト等の軸のなじ
み性を向上させ、内燃機関のハウジングの加工精
度に起因する軸のミスアライメントによつて生じ
る軸と軸受の当り不良を解消し、潤滑油中に混入
する異物をオーバレイ合金中に埋収することなど
である。 従来より現在に至るまで多用されているオーバ
レイ合金の一つはPb−Sn二元系合金である。し
かしながら、近年の内燃機関の高出力化によつ
て、オーバレイに要求される苛酷な負荷能力に上
記Pb−Sn二元系合金は応えることができない。
そこで、近年負荷能力を向上させたPb基三元系
オーバレイ合金も現在広く用いられている。その
例には、Cu1〜10％およびTl5〜80％を含むPb−
Tl−Cu系合金がある。このような三元系オーバ
レイ合金は、耐摩耗性、耐腐食性および耐疲労性
の点で十分ではない。特に近年の内燃機関の高出
力化に伴つて軸から軸受に加えられる荷重が高く
なつているために、これらの間に介在する油膜の
厚さが減少するとともに軸と軸受が直接接触する
ことが多くなり、軸受が軸によつて摩耗を受ける
場合に要求される高度の耐摩耗性に対して三元系
合金は十分に応えることができない。さらに、
Pb−Sn−SbおよびPb−Sn−Cuの三元系合金で
はなじみ性が不足するという問題がある。一方、
Pb−Sn−Inの三元系合金はインジウムが高価で
あるにもかかわらず多量に添加しないと所望のな
じみ性が得られないという欠点があるのみなら
ず、負荷能力および耐摩耗性不足によつてもオー
バレイの早期損傷が発生する。 本出願人は、米国特許第4309064号において、
(1)５〜20％のSn、(2)0.05〜10％のInおよびTlの
１種以上、(3)0.05〜５％のMn、Bi、Ni、Cu、
CaおよびBaの１種以上、および(4)残部Pbおよび
不純物からなる四元系オーバレイ合金を提案し
た。 従来の一般的三元系オーバレイ合金から上記四
元系オーバレイ合金に技術が進む過程において、
耐疲労性、耐食性、負荷能力、耐摩耗性およびな
じみ性の五特性は相互に関連しており、一つの特
性が優れていないと他の特性もこれにより悪影響
を受け、オーバレイの信頼性および寿命が著しく
悪化するという事態になり、近年の内燃機関では
高出力化によりオーバレイへの機械的負荷が従来
より増大することに加えて、潤滑油の交換時期延
長に伴いオーバレイの潤滑状態が悪化しているこ
とが明らかにされ、この主たる対策として上述の
Mn等の耐摩耗性向上元素を添加した四元系オー
バレイ合金の開発に至つた。 本発明はこのような従来技術を出発点としてさ
らにオーバレイ合金の耐疲労性を改良するもので
ある。ここで、オーバレイ合金の耐疲労性はその
組織の緻密・均一性により向上すること、緻密な
組織の四元オーバレイ合金の形成のためには四元
同時メツキは好ましくないこと、また各メツキ層
の成分を拡散させることにより緻密かつ均一組織
が得られること、は上記米国特許から公知であ
る。 上記四元系オーバレイ合金を開示する米国特許
では上述のようにオーバレイ合金の五特性が相互
に関連していることが明らかになり、そして特に
耐摩耗性を向上させることにより五特性を総合的
に改良する手段が採用された。 さらに、上記米国特許で開示された耐疲労性に
すぐれたオーバレイ合金を得るためにその成分を
拡散させる手段によると、２層以上のオーバレイ
成分層間で合金成分が均一化される過程で、メツ
キ組織中の微小孔部が消失または縮小を伴いなが
ら組織緻密化が図られると考えられる。だが、拡
散法は本質的に熱処理プロセスであるために、
In、Sn等の低融点金属の溶融または軟化に伴う、
In等の相の粗大化も起こることも考えられる。公
知の拡散法は、メツキ組織の微小孔部消失または
縮小による耐疲労性向上効果が結晶粒または相の
粗大化による耐疲労性悪化よりも大であるから、
総合的に耐疲労性が向上していると言える。 （発明が解決しようとする問題点） 本発明は、上記米国特許に開示された四元オー
バレイ合金の組成に起因する耐疲労性を向上しよ
うとするものである。すなわち、本発明者等は、
Pb、Sn、In、Cuの四成分が耐疲労性およびメツ
キ組織にどのように影響するかを鋭意研究したと
ころ、意外にも高融点金属であるCuが最も強い
影響を有していることを見出した。 本発明者等は上述の公知の四元オーバレイのメ
ツキ組織について詳しく調査したところ、微小孔
部の大小および多少により表わされる緻密性の他
に、微小孔部以外の金属部分の均質性の二つの性
質によりメツキ組織の性状を表現できることを見
出した。後者の均質性は電子顕微鏡によるメツキ
層破断面の２次電子像により検知できる。但し、
この均質性は、大小（多少）により定量的表現は
できず、破断面の２次電子像の比較により均質程
度大小を判断し、比較により表現できるにすぎな
い。 本発明者等はCuとメツキ組織の均質性の関係
について調査したところ、Cuが0.05％を越えると
メツキ組織が非均質になり耐疲労性が、苛酷な軸
受使用条件においては劣つていることを見出し
た。 （問題点を解決するための手段） 本発明は、重量で２ないし20％のスズと、0.05
ないし15％のインジウムと、0.01ないし0.05％未
満の銅、とを含み、残部が鉛と不純物とからなる
組成を有するオーバレイ用メツキ合金にある。 本発明のオーバレイ合金組成について説明す
る。 鉛を主体とする本発明のオーバレイ合金に加え
られたスズは主として耐食性、耐摩耗性を付与す
る元素である。鉛−スズ二元系合金では錫が金属
形態で合金中に分散しており、これによりスズが
オーバレイの下地にライニング層に拡散し易くな
つており、オーバレイの使用とともに耐摩耗性が
低下する不都合がある。ところが、インジウム及
び銅を加えた本発明の合金では、スズは金属間化
合物を生成する傾向が大になり、上記拡散を起こ
さない程度に安定化され、なじみ性、耐食性、耐
摩耗性等の信頼性を高める。さらに、スズは潤滑
油中に生成する腐食性ある有機酸に対するオーバ
レイの耐食性も高める。スズの含有量が２％未満
ではあまり効果がなく、一方、20％を越えると高
温下におけるオーバレイの硬さが低下し、使用中
の性能低下（耐摩耗性低下）が問題となる。な
お、好ましいスズ含有量は５〜10％である。 インジウムは潤滑油中の腐食性ある有機酸に対
するオーバレイの化学的耐食性を高めるととも
に、上記のようにスズと金属間化合物を作つてス
ズを安定化しまたなじみ性を高める。インジウム
の含有量が0.05％未満では効果がなく、15％を越
えるとオーバレイ層が柔かくなり、耐摩耗性、耐
キヤビテイシヨンエロージヨン性が低下する。こ
の含有量は４〜７％が好まい。 本発明の最も特徴とするところは銅を0.05％未
満かつ0.01％以上にすることによりオーバレイ合
金の組織を緻密化したことにある。以下、銅含有
量によるオーバレイ合金の組織変化を第１図−第
５図により説明する。なお、第１図−第５図は７
％Sn、5.5％In、０〜0.015％Cu、残部鉛のオーバ
レイ合金の電子顕微鏡による２次電子像（倍率
3000倍）を示す。 第１図−第５図には、ケルメツト上にニツケル
バリアー層およびオーバレイ層が積層された破断
面組織が示されており、最上層がオーバレイ層に
相当する。Cu＝０％（第１図）およびCu＝0.15
％（第５図）の場合のオーバレイ層はCu0.01％
（第２図）、Cu0.03％（第３図）およびCu0.04％
（第４図）の場合と比較して金属粒子の充填状態
が粗になつている。一方、金属粒子の充填状態が
密な第２図−第４図のオーバレイ層は、電着粒の
粒界が比較的鮮明に配列された状況も認められ
る。上述の様にオーバレイ合金中の銅含有量がゼ
ロあるいは多い（0.15％）の何れの場合にも均質
な組織が得られない。このような組織変化に対応
して銅含有量が0.01％未満であると耐摩耗性が低
くなり、一方、銅含有量が0.05％以上では耐疲労
性が不十分になる。よつて、本発明のオーバレイ
合金の銅含有量を0.01〜0.05％未満にした。 本発明における四元オーバレイ合金では、上述
の如く組成を定めることによつてメツキ状態で均
質な組織を形成して耐疲労性を高めるとともに微
量のCuの作用によつて耐摩耗性を高めることに
特徴がある。このようなオーバレイ合金の特徴
は、従来の四元オーバレイ合金と比較して高回
転・高負荷の内燃機関において摩耗量が少なくか
つ疲労が少ないという軸受性能向上となつて表わ
れる。 （作 用） 本発明者等は軸受を各種条件で使用した後その
２次電子像を観察して次の知見を得た。すなわ
ち、Cuが0.05％未満であつてメツキ組織が均質な
オーバレイでは、軸受使用中のSnの軸受合金中
への拡散が不活発になつていることを知つた。 周知のように上述のSnの拡散を妨げるために
Niバリヤーが用いられているが、オーバレイの
組織自体によつてSnの拡散が抑制されることは
新たな知見である。よつて本発明者等はメツキ組
織が均質になつたためSnが移動し難くなつたこ
とも想定したが、EPMAを含む種々の機器を用
いた実験の結果、Cuが0.01〜0.05％（未満）であ
ると、SnがCuにより捕捉され拡散し難くなるこ
とが、Sn拡散抑制の有力な原因であると想定す
る。 上述のところから、Cuを0.01〜0.05％（未満）
にしたことの耐疲労性耐摩耗性への向上効果を考
察すると次のようになる。 (イ) 上述のCu含有量範囲でメツキ組織が均質に
なるために耐疲労性が向上する。 (ロ) 上述のCu範囲でSnがCuにより捕捉されるで
耐疲労性が向上する。一方、Cu含有量が0.05％
以上になるとSnがCuにより捕捉される量が多
くなりすぎ、Sn本来の耐食性向上効果等が失
われ、波及的に耐疲労性が低下する。 (ハ) Cuが0.05％以上になると、メツキ組織の緻密
性が損われ微少な孔部が多くあるいは大きくな
り、オーバレイの強度が低下し、波及的に耐疲
労性が低下する。Cu含有量が0.01％から0.05％
に増大すると、同様に緻密性が損われるがCu
＝0.01％〜0.05％（未満）の範囲では耐疲労性
への強度低下の波及的影響は少ない。 (ニ) Cuの耐摩耗性への影響はSn捕捉によつても
変わらない。すなわち、CuとSnは相対的捕捉
関係にあるが、Snにより捕捉されたCuは耐摩
耗性向上に効果がある。上述(ロ)項で述べた耐食
性はどちらかというと電気化学的現象であり、
耐摩耗性はどちらかというと機械的現象である
と、両者の特長を対照的に表わしうるから、
SnとCuの作用には上述の如く差が生じのであ
ろう。よつてCuは0.01％以上添加すると、オー
バレイの耐摩耗性を向上させる。 (イ)−(ニ)項にて述べた微量合金化（micro−
alloying）されたCuの作用を示すため、以下、
Cu含有量が耐疲労性および耐摩耗性に及ぼす影
響を本発明者の実験結果を示す第１表により説明
する。 第１表において、疲労条件Ａは繰り返し荷重
200Kg/cm²、回転数5600rpm、試験時間10Hrの一
般的条件を示し、疲労条件Ｂは繰返し300Kg/cm²、
回転数7300rpm、試験時間10Hr、および疲労条
件Ｃは繰返し300Kg/cm²、回転数7300rpm、試験時
間100Hrの苛酷な条件を示し、いずれもエンジン
試験により実機を使用して行つた耐疲労性試験条
件を示す。尚、いずれの条件も使用潤滑油SAE
＃30相当、油温120℃であつた。また、◎、〇、
△および×は、何れもオーバレイ合金のすべり面
の観察結果の表示であつてそれぞれ良好（◎）、
局部的にわずかな疲労またはひきずり（〇）、わ
ずかな疲労面検出（△）、およびかなりの疲労面
およびひきずり面検出（×）を示す。 摩耗試験条件は次のとおりであつた。 (イ) 試験機−曽田式動荷重試験機 (ロ) 回転数−2000rpm (ハ) 面 圧−130±130Kg/cm² (ニ) 時 間−1.5時間 (ホ) 使用潤滑油−SAE＃30 (ヘ) 油 温−120℃ (ト) 相手軸−S55C円棒軸 (チ) ケルメツト−組成−Pb−Sn−Cu（厚さ
0.25μm） (リ) Niバリアー層−2.5μm オーバレイ合金のCu以外の組成はSn7％、In5
％であり、また厚さは15μmであつた。

【表】 第１表より、疲労条件が苛酷でない場合(A)は
Cu含有量はオーバレイの耐疲労性にほとんど影
響を与えないが、苛酷な条件(B)および(C)下では
Cu含有量が0.5％を越えると耐疲労性が著しく劣
化することが分かる。 Cuの耐摩耗性に及ぼす影響はCu含有量が0.01
％を超えるとほとんどなくなつている。一方、耐
摩耗性が同等でも配断面組織が劣るCu0.1％以上
では耐疲労性が低下している。Cu含有量が0.01％
の場合は耐摩耗性はあま良くないが、良好な耐疲
労性が得られている。 上述のように、本発明者等はEPMAなどを用
いて、微量合金化されたCuはSnの拡散を抑制し、
これがCuの最も有力な耐疲労性向上作用である
と考えている。なお、メツキ組織の均質性・緻密
性も直接的間接的に耐疲労性に影響を与えるの
で、以下この点を説明する。 第１表と第１図−第５図を照合して考察する
と、Cuの耐摩耗性に及ぼす影響は組成依存的で
あり、一定量（0.01％）以上になると耐摩耗性に
すぐれた合金が得られるので、Cu含有量の影は
少なくなつていると言える。別の観点からする
と、耐摩耗性はオーバレイ断面全体よりもむしろ
相手材と接しているその表面硬さに、より支配的
に影響され、そしてオーバレイ表面硬さは表面に
Cuが存在しているとその硬化作用による耐摩耗
性向上が生じる。 一方、耐疲労性はCu含有量が微少量（0.005％）
以上あると耐摩耗性による影響よりも、Cu自体
の直接的影響を受け易くなる。例えばCu＝0.01％
では耐摩耗性はあまりよくない（３mg）が、オー
バレイの組織が均質であり、しかもオーバレイと
Niバリヤー間も密着している（第２図）ので、
耐摩耗性不良にもかかわらず耐疲労性は良好にな
つている（第１表◎印）。そしてCuがさらに増加
してCu＝0.04％になると耐摩耗性は良くなる（１
mg）が、耐疲労性は〇印（条件Ｂ）となり低下傾
向が見られる。これは、第４図（0.04％）の傾向
より分かるように、Cuが0.05％近くなると、オー
バレイ中に微小空孔が発生しさらにオーバレイと
Niバリヤー間にも、メツキ欠陥と思われる部分
が発生しているために、このような空孔、欠陥等
が疲労の起点になることによるものと推定され
る。Cu含有量がさらに多くなると（0.05〜１％
Cu）、第５図の如き粗い組織がさらに顕著になつ
て、オーバレイ全体が粗い粒子がルーズに結合し
た状態になつて、オーバレイ全体が疲労の起点に
なると考えられる。これらの傾向は条件(C)で著し
い。 もつとも、上述の如き疲労は、条件が緩い場合
（条件Ａ）は、メツキ組織に敏感ではなくなる。 本願発明は上述の如き知見および考察に基づい
てCuを0.01〜0.05％未満とした四元オーバレイメ
ツキ合金を提供したことを最大の特徴とするもの
である。 さらに、本発明の特徴は上述の２〜20％Sn、
0.05〜15％Inなる組成も耐疲労性向上の観点から
定められている点にある。Sn含有量が20％を越
えると四元オーバレイ合金の組織が粗くなりかつ
高温強度が低下し、また２％未満であるとその耐
食性が低下し、何れの場合も耐疲労性低下を招
く。またIn含有量が0.05％未満であると耐食性が
低下し、15％を超えると組織が粗くなり且つ高温
強度が低下するために、何れの場合も四元オーバ
レイメツキ合金の耐疲労性が低下する。 本発明に係るオーバレイ合金の製法を以下説明
する。上記米国特許第4309064号により公知のホ
ウフツ化鉛150〜200ｇ/、ホウフツ化スズ５〜
15ｇ/、ホウフツ化銅１〜３ｇ/、ゼラチン約
２ｇ/、ハイドロキノン約２ｇ/のメツキ浴を
使用して、メツキ時間を調節してメツキを行うと
Cu含有量が異なるPb−Sn−低Cuの三元メツキが
形成される。同様に公知のフラツシユメツキ、ま
たはシアンアルカリ浴によりインジウムメツキを
行い、最後にIn層とPb−Sn−Cu層間の拡散を行
う。オーバレイの厚さは使用条件により２〜
30μmとする。拡散温度条件および時間、フラツ
シユメツキ、アルカリメツキ浴組成その他の条件
は上記米国特許第4309064号にて公知のものを用
いることができる。 （実施例） 以下、耐疲労性が最良となるCu＝0.03％で、
SnおよびIn含有量を変化させた四元オーバレイ
合金の疲労特性を調べた実施例を説明する。 試験条件は試料１〜22について前述の条件Ｂで
試験時間を10、50、200時間と変化させ、試料23
〜29は条件Ｄ（試験時間50Hr、油温140℃、その
他条件Ａと同じ）で測定した。 試験結果を第２表に示す。

【表】

【表】 第２表において、No.13、14およびNo.27〜29の比
較例のオーバレイ合金は耐疲労性が不良である。
またSn含有量が２〜20％、好ましくは５〜10％、
特に5.5〜９％である場合にオーバレイ合金の耐
疲労性が良好になることが分かる。このSnの含
有量範囲では、Cuにより捕捉されたSnと捕捉さ
れないSnの量比率が好ましいバランスになつて
いると考えられる。 実施例 ２ Pb−Sn−Cuケルメツト（厚さ0.25mm）の上に
厚さ2.5μmのNiバリヤー層および厚さ15μmのオ
ーバレイを形成した。オーバレイの組成は７％
Sn、５％In、第３表に示す百分率のCu、残部鉛
であつた。 上記ケルメツト、Niバリヤー層およびオーバ
レイを有する軸受を前記苛酷なＢ、Ｃ条件による
実機エンジン試験に供した。

【表】 第３表において、破面組織は、実機エンジン試
験前にオーバレイの破面を電子顕微鏡で観察した
結果を、第１図−第５図の説明と同様の条件で評
価したものである。表面状態は試験後軸受をエン
ジンから取り外してオーバレイのすべり面を観察
したものであつて、〇印は局部的なわずかな疲労
発生、△印は全面的にわずかな疲労発生、×印は
疲労発生程度大をそれぞれ示す。摩耗量は条件Ｂ
での試験前後の重量差測定による。 第３表より、本発明によると、従来の三元系オ
ーバレイ（Cu＝０％）より耐摩耗性がすぐれ、
また従来の四元系オーバレイ（Cu＝0.15％）と同
等の耐摩耗性を有し、耐疲労性がすぐれたオーバ
レイが得られることが分かる。 （効 果） 本発明によると、高回転・高負荷の内燃機関に
おいて従来の四元オーバレイメツキ合金と同等以
上の耐摩耗性を有しまた従来の四元オーバレイメ
ツキ合金よりすぐれた耐疲労性を有するオーバレ
イ合金が提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図−第５図はケルメツト上にニツケルバリ
ヤー層およびオーバレイ層が積層された軸受の金
属顕微鏡写真（倍率3000倍）であつて、それぞれ
のオーバレイ合金のCu含有量は、０％（第１
図）、0.01％（第２図）、0.03％（第３図）、0.04％
（第４図）、および0.15％（第５図）である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量で２ないし20％のスズと、0.05ないし15
   ％のインジウムと、0.01ないし0.05％未満の銅、
   とを含み、残部が鉛と不純物とからなるオーバレ
   イ用メツキ合金。 ２ スズ含有量が５ないし10％である特許請求の
   範囲第１項記載のオーバレイ用メツキ合金。 ３ インジウム含有量が４ないし７％である特許
   請求の範囲第１項記載のオーバレイ用メツキ合
   金。