JPS60194038A - 自動車等の回転機器に供せられるＡｌ合金軸受材ならびにその軸受材に使用されるＡｌ合金粉末 - 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】 本発明は自動車等の回転機器に供せられるＡ１合金軸受
材ならびにその軸受材に使用されるＡ１合金粉末に係り
、詳しくは、ＰＩＥ、Ｓｎ等の軸受成分が予めＡｌ粉末
中に均一に微細化されて分散されてなるＡ１１合金粉末
が圧縮焼結された軸受層を表面に具え、高速高荷重の使
用条件に適合できるＡ１合金軸受材ならびにそれに使用
されるＡ１合金粉末に係る。

自動車等の回転軸を支承する軸受材には、軸受材料から
なる表面の軸受層とこれを支持する鋼板等の裏当材とか
ら成って軸受層は用いられる軸受材料、例えば、ＣＵあ
るいは八ｌによりＣＵ金合金以下、Ｃｕ系という。）軸
受材とＡ１合金（以下、ＡＩ系という。）軸受材に大別
され、最近はＯｕ系軸軸受代ってＡｌ系軸受が用いられ
ることが多い。また、Ａｌ系軸受材は表面の軸受層の製
造態様によって鋳造法による軸受（以下、鋳造材という
。）と粉末冶金法による軸受（以下、焼結材という。）
とに分けられ、前者の鋳造材に較べると、後名の焼結材
は比較的簡単な設備で製造でき、経済性に優れ、最近の
自動車の如く高速１自荷重に耐え、（夏れ−Ｃいる。

すなわち、鋳造材は鋼板等の裏当材の表面にＡ１合金の
軸受材料を鋳込んで製造されるか、Ａ１合金の軸受月利
を鋳込んだＶｊ造体を数回にわたって薄いシー　１・状
に圧延し、このシートと鋼板等の裏当材とをクラッド法
により一体化して製造されている。しかしながら、この
ように鋳造法により製造覆る場合には、次の通りの欠点
がある。

（ａｌ軸受材料の溶融のために高１ｌＩＩｉな溶融設備
を必要とすると共に、鋳造時には、＾価な鋳造設備を必
要とする。

（ｂ）軸受側斜を鋳込んだのち、鋳造体を数回にわたっ
て圧延Ｊるため、圧延過程がはん相生して好ましくない
。

（Ｃ１例えば、ＰＩＪ、Ｓ＋＋等の軸受成分をＡｌ溶湯
中に添９１１　すると、Ｐ　ｌ）ヤＳｎのうち、とくに
、Ｐｌ＋はｌに対づる固溶度がきわめて小さく、その上
に、Ｐ　ｂ、Ｓｎの比重がＡＩの比重の３〜４倍以上の
如く大きいため、ＰｂはＡｌ溶湯中の下部に偏析し、溶
湯全体にわたって均一に分散できず、高速高荷重用の軸
受が得られない。

この点について、特公昭５Ｇ−１２３０２号公報には５
〜３０％ｐｂを含むｌ−１１１１基合金に０．３〜４％
斉土類元素を添加して成るｉ−１’ｂ軸受合金が提案さ
れている。この軸受台金は希土類元素によってｐｂを分
散させＰＩ）の連続相を阻止覆ると共に、このＰｂ相の
微細化をはかるものである。しかしながら、この軸受台
金Ｃも鋳）４時にｐＨの比重とＡｌの比重の相違から希
土類元素が存在し−（もＰｂがＡｌ溶湯中の下部に沈降
した偏析する現象がさけられない。従って、この希土類
元素の添加効果はせいぜいこの下部のｌ’Ｌｌが連続相
として晶出することを阻止する程度であって、Ａｌ溶湯
全体にわたって均一にｌ’ｂを分散させることは不可能
である。

己れに対し、焼結材は４１１合金粉末をシート状に成型
してから焼結し、これを鋼板等の裏金にクラッドして一
体に圧着し、その後焼結するか、特開昭４９−８３Ｇ５
１号公報に記載の如く鋼板等の裏金上にＡｌ粉末を散布
し、これらを加熱してから加圧して一体化しイの後焼結
するがして製造されている。この焼結材は上記の鋳造材
の如き欠点を有しないが、次の通りの欠点が残っている
。

（（１）途中のＩＩＩ熱処理のために、高１ｉＩｌｉな
加熱装置が必要であり、へｌ粉末のほかに、Ｐｂ、　Ｓ
ｎ等の軸受成分を添加すると、加熱処理やクラッド若し
くは圧延工程の間に、低融点のＰ　１１やＳｎが圧延ロ
ールに付着し、クラッドや圧延が困難になる。

ｔｅｌ　表面のＡ１合金の軸受層は焼１！ｉＦｆとして
構成され、しがも、この焼結層は鋳造材と相違してＡｌ
系粉末粒子相互間の境界たる粒界が存在する。従って、
焼結の間にＰｂ、Ｓｎ等の軸受成分が粒子境界の粒界に
流出して、所謂発汗現象が生じ易く、このために、回転
軸の苛酷な回転を受けると、疲労破壊につながり易い。

更に詳しく説明ツると、Ａｌ系粉末の焼結材は、いずれ
の方法で製造し−Ｃも、少なくとも最後には焼結が行な
われる。この焼結はＡｌ系粉末の場合、通常、４００〜
６００°Ｃ以内の２８度で行なわれる。しかし、軸受成
分中のＰＬＩ＼″）ｓ］１の融点に較べると、焼結温度
がきわめて高く、これら軸受成分がたとえＡｌ系粉末の
内部に均一に分散されていても、焼結時に１１ｂやＳ＋
＋等が溶融し、この溶融物がＡｌ系粉末相互の境界たる
粒界に流出してそこに集中的にバンド状に析出し、この
部分が苛酷な軸の回転によって疲労破壊が起こす主因に
なっている。

この点についても、上記の如く、特公昭５Ｇ−１２３０
２号公報に示したＡｌ−Ｐｂ基合金に希土類元素を添ｊ
ＯＬだ軸受合金はマトリックス内のｐｂを均一分散させ
たものであるが、スラブ状に鋳造したものを圧延により
コイル状の板材とするときに、冷延では板の展延性に限
度があるため、数回２１０℃程度に加熱して圧延が行な
われる。

しかし、この軸受台金では圧延時の加熱が２１０℃前後
と低くＰｌ）の発汗現象は起らないが、鋳造材である故
に上記の如くスラブ鋳造時にスラブの下面にＳｏやｐｂ
が集積する問題がある。この問題を回避するには、焼結
材によらなくてはならないが、焼結材では、焼ｖｉ温麿
が４００〜６００℃となってｐｂ等の発汗現象が起こり
、粒内マｉ・リツクス中でのＰｌ＋の分散と更に粉末圧
延焼結での粒界におけるこの問題の解決が望まれている
。

また、ＡＩＩ粉末圧延焼結の問題としてＡＩ系＄５）未
粒子の表面かへ１２０３の多孔性酸化皮膜でおおわれて
おり、この酸化皮膜はきわめて吸湿性が大きく、化学式
＾１２０３・＋＋Ｈ２０で示される水和物になっている
。従って、このような粉末表面状態のため、粉末圧延焼
ｔＩｉ！ｉ後において軸受層の表面で水和物中のＩＩ２
０が分解し、これによって表面に細い気泡によるフクレ
現象が発生し、とくに、７１ヘマイズ法により粉末を成
型した後には厳密な防湿管理が要求され−Ｃいる。

本発明は上記欠点の解決を目的とし、具体的には、Ｐｂ
、Ｓｎ等の軸受成分とともに、Ａｌに較べて酸素と結合
しやすい元素（以下、易酸化性元素という。）を予めＡ
ＩＩ末中に合金化させると同時に、表面が酸化物でおお
われ、しかも、この酸化物の一部が水和物の形式をとら
ないＡｌ系粉末ならびにこのＡｌ系粉末から焼結材とし
て製造されるＡＩ系軸軸受材提案する。

従って、本発明に係る軸受材はＰｂ、Ｓｌ＋等の軸受成
分が予め合金化されたＡｌ系粉末を圧縮成型後焼結する
ことにより、焼結材として製造されるため、軸受成分の
比重がＡＩの比重に較べて相当に大きくとも、予め、軸
受成分はＡｌ系粉末中に分散させておくため、軸受成分
は軸受層中全体にわたり均一に分散できる。

また、本発明に係る軸受材はＡｌと較べて酸素親和力の
大きい元素として希土類元素が添加されているため、ｐ
ｂやＳＯ等の軸受成分は均一かつ細かく分散でき、この
希土類元素により金属間化合物が形成されるため、マト
リックスの硬度が上昇し、耐荷重性とともに耐摩耗性が
向上し、潤滑性能が大巾に向上する。

また、本発明に係るＡｌ系粉末の表面の少くとも、一部
には易酸化性元素の酸化皮膜により包囲され、この皮膜
は従来例のＡｌ系粉末のＡｌ２Ｏ３皮膜に較べると、Ａ
　ｌ　＃ＩＪ末粒界でのｐｂ、Ｓｎ等の液相とのぬれ性
が異なり、粒子粒界へのＰｂ、　Ｓ＋＋等の連続相とし
ての析出が防止される。

従って、軸受層の断面方向においてＰＩ＋、Ｓｎ等の分
散化が進み、耐疲労強度が向上し、重荷重の用途にも十
分に耐えられる。

以下、図面によって本発明について詳しく説明する。

まず、第１図（ａ）ならびに（ＩＩ）は従来例に係るＡ
ｌ系粉末の拡大断面図とそれを使用して粉末冶金法でつ
くった軸受材の断面図であり、第２図（ａ）ならびに（
ｂ）は本発明の一つの実施例に係るＡｌ系粉末の拡大断
面図とそれを使用して製造され、しがち、本発明の一つ
の実施例に係る軸受材の断面図である。第１図ｆｌＪ）
ならびに第２図（ｂ）において、符号１は鋼板等の裏当
材を示し、この裏当材１の表面に何れの場合であっても
、軸受層２．２ａが一体に被着形成されている。この軸
受層２．２ａはそれぞれ第１図（ａ）ならびに第２図（
ｂ）に示すＡｌ系粉末３．３ａを圧延してシー１−状に
成型し、焼結して焼結材として成型する。

なお、このＡｌ系粉末の圧延成型法としても、予め、Ａ
ｌ系粉末を例えばパラターロールにより圧延してシート
状に成型してから焼結し、シート材を鋼板や銅帯に対し
てクラッドして一体化することもできるが、鋼板や銅帯
の表面にＡｌ系粉末を散布してこれを圧縮して一体化し
てから、焼結することもできる。また、軸受層２ａなら
びにＡｌ系粉末３ａは何れも本発明に係るものであり、
軸受＠２ならびにＡｌ系粉末３は従来例に係るものであ
るが、何れの場合であっても、鋼板や銅帯等の裏当材１
として用いられるものは従来例のもので良く、一般に裏
当材として用いられているものは全て用いられ、０．５
ｗｔ％Ｇ、好ましくは０，３ｗｔ％以下のＣを含む低炭
素鋼が好ましい。

また、軸受＠２ａには一般に現在使用される軸受に添加
される成分が含まれ、例えば、Ｐｂ、Ｓｎ等の軸受成分
以外に、Ｓｉ、Ｃ＋＋、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｆｅ、　Ｏｒ、ハ
゛、Ｔｉ等の基地強化成分や、更に、Ｃａｌ、Ｂｉ、Ｓ
ｂ等の潤滑性成分を含む。

また、第２図（ｂ）では、鋼板等の裏当材１の表面に直
接軸受１−２ａが被着形成したしのが示されているが、
この間にＡｌやＮｉ等のメッキ岡や粉末間を接着口とし
て介在させて、軸受層２ａと裏当材１との接る性を向上
させることしできる。

次に、以上の通り、軸受層２ａはＡｌ系粉末３ａがら構
成されるが、この粉末３ａは主成分がＡｌであっ−Ｕ、
％の中に１〜１５ｗｔ％（以下、単に％という。）　Ｐ
　ｂ　Ｊ＞よび／または１〜２０％Ｓｎ等の軸受成分を
含むとともに、易酸化性元素のうらの１種若しくは２種
以上を単味若しくは合ωで５％以下含まれ、更に、上記
の如く、塁地強化成分や、潤滑性成分を単一粉末中に含
ませることもＣきる。更に、このような組成で粉末３ａ
の表面を少くとも一部若しくは全部が易酸化性元素の酸
化物から成る酸化皮膜５ａでおおわれている。この易酸
化性元素とはＡｌと較べて酸素親和力の大きいものであ
って、具体的には、６土類元素のうちのランタニド元素
が好ましい。この意味で、Ｃｅ、　Ｅｒ、口ｙ、　Ｌａ
、　Ｔａ、　Ｇｄ、　Ｎｄ、　Ｓｓ、　Ｙｂ等のランタ
ニド元素が含まれる。また、粉末３ａの表面を第２図（
ａ）に示す如く少なくとも一部を易酸化性元素の酸化物
から成る酸化皮膜５ａでおおうのには、噴霧法によりＡ
ｌ系粉末をつくるときに、易酸化性元素を１１系溶湯に
添加し、この／８湯を例えばルツボがら一定の圧力で１
ノＦ出し、これを水若しくは空気で噴霧することにより
、酸化皮膜５ａでおおうことができる。

また、Ｐｂ、Ｓ＋＋等の軸受成分が含まれるＡｌ溶湯を
噴霧するときには、その噴霧］−ネルギーによってＳｎ
やｐｂ等の軸受成分は後記の金属間化合物を核としてＡ
Ｉ系粉末粒子中は独立した枝のない相として微細に、か
つ均一に分散する。

すなわち、Ａｌ系粉末中に含まれる易酸化性元素はＳｎ
等の如く固溶体をつくらない成分と金属間化合物を生成
し、これが黴細な核どなって軸受成分が析出し、この析
出物が微細な介在物４ａになっ−でいる（第２図（ａ）
参照）。これに対し、易酸化性元素を含まない従来例の
粉末では、第１図（ａ）の如＜、ＰＩ］、Ｓｎ等はＶ）
米粒内にプントライ］・状の組織４として存在し、この
ため、粉末圧延焼結時にＰＩ）、Ｓｌ＋等の軸受成分が
流出しやすい。また、粉末の表面はＡＩの酸化物のみに
よりカバーされているため、液相のＰｂ、Ｓｎ等とのぬ
れ性からＰｂ、　Ｓ＋＋等の連続相としての析出が阻止
できない。

要するに、従来例の粉末３では軸受成分そのものがデン
ドライト状の組１１ｉ４とし−Ｃ存在する。

これにλｊし、本発明に係る粉末３ａでは軸受成分が前
記金属間化合物を核として微細に介在物４ａとして析出
する。

そこで第２図（ａ）に示すへ！系粉末３ａを用いて第２
図（１））に示す軸受材料を構成Ｊ−る場合と、従来例
の表面が、第１図（ａ）に示す如く、八１２０３のみで
包囲されているＡｌ系粉末３を用いる場合とをその製造
過程で比較してみると、第３図（ａ）〜（ｄｌと第４図
（ａ）〜（ｄ）に示ｊ通りである。なお、第３図が本発
明による場合、第４図が従来例による場合であって、第
３図ならびに第４図において（ａ）は粉末の噴霧状態、
（ｂ）は粉末状態の圧延、（Ｃ）はぞの後の焼結状態、
（（１）は鋼板上への圧着の各過程の各顕微鏡組織を示
す。

まず、Ｐ　ｌ）、Ｓｎ等の軸受成分を含むＡ　１−３ｎ
　−ｐｂ系溶潟のみと、これに易酸化性元素Ｃｅを添加
した溶湯とをそれぞれ空気にて噴霧させて粉末粒子を１
５１だところ、第４図（ａ）の如き従来例に係る粉末３
と第３図（ａ）の如き本発明に係る粉末３ａが得られた
。両者粉末粒子中において本発明に係る粉末３ａｌｆｐ
Ｈ，Ｓｌ１等のほかに金属間化合物より成る介在成分４
ａが分布されているが、従来例の粉末３では第４図（ａ
）に示す如（Ｐｌ＋、Ｓｎ等のみの軸受成分４が分布さ
れ、その径は比較的大きいのに対し、本発明では介在成
分４ａが第３図（ａ）に示す如く径が小さく、粉末３ａ
の周囲は主として易酸化性元素を含む皮膜５ａにおおわ
れ、第４図（ａ）に示す酸化アルミニウムのみから成る
皮膜５に較べると厚さが厚く、介在成分４ａは金属間化
合物の核から成るため、マトリックスもきわめて硬い。

次に、これら粉末３．３ａを鋼板上に散布し、圧延する
。この圧延時に各粉末粒子３．３ａはそれぞれ表面の酸
化皮膜５．５ａが第４図（ＩＪ）ならびに第３図（ｂ）
の如く破壊される。

次に、この圧延状態で４５０℃以上、なかでも５３０℃
程度で焼結される。この際、従来例の粉末では第４図（
Ｃ）に示す如く内部の低融点のＰＩ）、Ｓｎ等の軸受成
分４が溶融して酸化皮１ｍ５の周辺に流出し、粒子間粒
界において酸化皮膜に沿ってＰｂ、Ｓ＋＋等の析出相６
がバンド状に生成する。すなわち、この析出相０は粒界
に沿ってやや厚くかつ細長く生成し、高い荷重がかかる
と、この部分から軸受層が破壊されている。これに対し
、本発明では低融点の軸受成分が溶融しても、それは上
記の金属間化合物を核として微細１１．された介在物４
ａとして析出しているため、粒界への流出は少なく、連
続相は分断され、第３図（Ｃ）の如く点状の析出相７と
して析出する。

すなわち、従来例の粉末３ではその中の軸受成分は樹脂
状のバンド構造をしており、しかも、連続相になってお
り、ｐｂ等の’ＩＩ融物ｉｆ流動しやずい性質がある。

本発明にあっては易酸化性元素の添加効果によってＰＩ
＋等はプントライ１へ晶のアーム部が切断されて微細化
されている。このｌ＝め、熱処理を受けても粉末粒内か
らの軸受成分溶融物の流動は少なく、析出相７は断続的
な相として形成される。

次に、焼結後において第３図（ｄ）ならびに第４図（ｄ
）に示す如く矢印方向に圧延すると、従来例に係る軸受
層２や本発明に係る軸受層２８は鋼板１上に圧着される
。この際、従来例においては、第４図（ｃｌのバンド状
析出相６は第４図の如く、粒界とともに平行に伸ばされ
るが、本発明においては、第３図（Ｃ）の点状析出相７
はそのまま小さく分散して存在するため、軸受成分の連
続相がなくなり耐疲労性が向上する。従って、高荷重用
軸受材として高速でくり返して疲労何重を受けても疲労
破壊あるいはひび割れが高荷重しおいても少なくなる。

なお、ｐｂヤＳｎ等の軸受成分は高荷重で潤滑性、摩耗
抵抗、耐摩耗性、なじみ性等の軸受性能の向上に寄与し
、この意味でイれぞれＰｂ１〜１５％、８１１１〜２０
％が好ましい。また、易酸化性元素は単味又は合計が０
．３％以下では殆んど効果がないが、５％以上の添加に
してもその効果は殆んど変化が少なく、かえって焼結性
が損なわれて好ましくない。また、Ａｌ系粉末中にはＡ
Ｉの一部を１、＄１、Ｃｕ、　Ｇｒ、　Ｎｉ、Ｆｅ％ｌ
ｒ、　Ｔｉ、　Ｃｄ、　Ｂｉ、Ｓ１１等で置換し、素地
強化や潤滑性を向上させることもできる。

次に、実施例について説明する。

第１表に示す組成の材料を９００℃で溶解し、これら溶
湯をノズルにより空気を吹付けて噴霧し、１４種類のＡ
ｌ系粉末をつくった。これら粉末のうち番号１．２．１
．８は第１図ｆａｌや第４図＋ａ）に示す如〈従来例の
ものであったが、他は全て第２図＋ａ）や第３図（ａ）
に示す如く本発明のものに属していた。これら粉末を常
法により鋼板（Ｃ：０．１％）上に散布してから、常法
で圧延し、その後、軸受層と鋼板とともに５３０℃にて
焼結圧着し、第１図（１））ならびに第２図に示′ＴＪ
顕微鏡組織の軸受材料を製造した。

そこで、これらの軸受材料について疲労試験を行なった
ところ、その結果は第１表の通りであった。この疲労試
験はいわゆるアンダーウッドテスト（Ｕｎｄｅｒｗｏｏ
ｄ　Ｔｅ５ｔ）を油温１２０℃の潤滑油供給、面圧６０
０ｋｇ／ａ＋’、　６５０ｋｑ／ｃ１２、耐久時間２０
０時間の条件で行なった。このテストはＧｅｎｅｒａｌ
　Ｍｏｔｏｒ　Ｃｏ、Ｌｔｄのアンターウッド氏が開発
したずベリ軸受用回転疲労試験機によるテストであって
、これは乗用車の実車テストに近いものである。その結
果につき、第１表では２００時間の耐久テストに耐えな
いものをＸ印で示し、とくに、面圧６５０ｋｇ／ｃｓ２
のテストに耐えられたものはＯ印で示し、この中でとく
に良好なものは◎印で示した。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）ならびに（ｂ）は従来例に係る粉末の断面
図とそれにより製造される軸受材料の断面図、第２図（
ａｔならびに（ｂｌは本発明の一つの実施例に係る粉末
の断面図とそれにより製）古される軸受材料の断面図、
第３図（ａ）、（ｂｌ、（ｃｌ、ならびに（ｄｌは本発
明に係る軸受材料の各製造過程の組織を示す各説明図、
第４図（ａｌ、（ｂｌ、（Ｃ）ならびに（ｄ）は従来例
に係る軸受材料の組織の各過程を示す各説明図である。 符号１・・・・・・裏当材　２．２ａ・・・・・・軸受
間３．３ａ・・・・・・ＡＪ系粉末４・・・・・・軸受
成分４ａ・・・・・・介在物　５．５ａ・・・・・・酸
化皮膜６・・・・・・従来例の酸化皮膜 ６・・・・・・バンド状の析出相 ７・・・・・・点状の析出相 ４Ｗ　Ｒ１出願人　工メデーシー株式会社代　理　人　
弁理士　松　下　義　勝 弁護士　副　島　文　雄 第り図（ａ） 箇１図（ｂ） ＠２図（ａ） 第２図（ｂ） １に３図（Ｃ） １ｉ３図（ｄ） 第４図（ａ） １ｇ！４図（ｂ） ｔ！Ｍ４図（Ｃ） ＩＩ４図（ｄ） ム

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）１〜１５ｗｔ％Ｐｌ＋および／または１〜２０Ｗ［
   ％Ｓｎを含むと共に、Ａｌに較べて酸素との親和力が大
   きい元素のうちの１種または２種以上を単味上しくは合
   ■で５ｗｔ％以下含有するＡ１合金粉末を圧縮焼結して
   なる軸受層を表面に具えることを特徴とＪる自動車等の
   回転機器に供せられるＡ１合金軸受材。 ２）１〜１５Ｗ（％Ｐｌ＋および／または１〜２０Ｗ【
   ％Ｓｎを分散して含むと共に、ＡＩに較べて酸素との親
   和力が大きい元素のうちの１種または２種以上を単味若
   しくは合ｍで５ｗｔ％以下含有し、残金が実質的にＡｌ
   から成って、表面が前記元素の酸化物やＡｌｅ化物で包
   囲されて成ることを特徴とするＡｌ系軸受材に使用され
   るＡ１合金粉末。