JP3298635B2 - アルミニウム系軸受合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、アルミニウム系軸受合金に関するものであ
り、特に硬さが低い軸の表面を粗さず、耐焼付性に優れ
たアルミニウム系軸受合金に関するものである。

（従来の技術） 特開昭53−87917号公報によると、Sn25重量％以下、
（以下、百分率は特に断らない限り重量％である）、Cr
またはZr0.1〜1.0％を基本成分として含有し、必要によ
りさらにCu0.5〜2.0％またはCu0.5〜2.0％とBe0.1〜0.5
％を含有するアルミニウム系軸受合金が提案されてい
る。この合金は、Al−Sn系合金の高温での急激な硬さ低
下を防ぐためにCrまたはZrを添加したことを特徴とする
と説明されているが、相手軸をS55C焼入軸とした動荷重
疲労試験により合金の特性を評価した実施例ではZr添加
の例は示されていない。

特公昭60−55582号公報によると、Sn3〜40％、Pb0.1
〜５％、Sb0.1〜３％、Cuおよび／またはMg0.1〜3.0
％、Zrなど3.0％を超え10.0％までを含有するアルミニ
ウム系軸受合金が提案されている。この合金の特徴は、
Zrなどは硬質物形成元素として添加し、硬質物を多量に
存在させることによって相手軸に対する耐摩耗性を向上
するところにある。

さらに、特開昭62−63636号公報によると、Sn3〜20
％、Pb0.1〜５％、Cuおよび／またはMg0.2〜２％、Zr0.
1〜１％、Si1.5〜８％を含有するアルミニウム系軸受合
金が提案されている。この合金の特徴は、Zrの添加によ
りアルミニウム基地を固溶強化しかつ析出物の生成によ
りSnの粗大化を防ぎ、また、単体で1000以上のビッカー
ス硬さをもつSiの添加により耐焼付性および耐摩耗性を
高めたところにある。従来のアルミニウム系軸受合金で
は、主として相手軸が球状黒鉛鋳鉄であるときの耐摩耗
性向上を重視されていた。ところが近年エンジンの振
動、騒音低減の観点から、焼入鋼、炭素鋼を焼入れある
いは焼準しないで鍛造のまま非調質で使用する検討が行
われるようになった。

（発明が解決しようとする課題） ところが、従来のアルミニウム系軸受合金を非調質軸
に対して使用すると軸受が軸の表面を粗してしまい、軸
受が軸に低い荷重で焼付いてしまう問題が現れた。

（課題を解決するための手段） 上記した課題を解決する本発明の第１は、 Sn2〜25重量％、 Zr0.02〜1.0重量％、 CuおよびMgの少なくとも１種0.1〜2.5重量％ Pb、BiおよびInの１種以上0.1〜8.0重量％、 を含有し、残部が不可避的不純物及びAlからなることを
特徴とするアルミニウム系軸受合金である。

本発明の第２は、 Sn2〜25重量％、 Zr0.02〜1.0重量％、 CuおよびMgの少なくとも１種0.1〜2.5重量％ Pb、BiおよびInの１種以上0.1〜8.0重量％、 Mn、Ｖ、Sb、Nb、Mo、Co、Ti、TiB、FeおよびSrの１
種以上0.01〜2.0重量％ を含有し、残部が不可避的不純物及びAlからなることを
特徴とするアルミニウム系軸受合金である。

以下、本発明の構成を詳しく説明する。

先ず第１発明と第２発明に共通する組成について説明
する。

Snは潤滑性向上を主目的として添加される元素であ
る。Snの含有量が２％未満であると、潤滑性がなく、一
方25％を超えると合金全体が軟質になって耐荷重性、耐
疲労性および耐食性が低下する。好ましいSnの含有量は
３〜20％である。より好ましいSnの含有量は８〜15％で
ある。

Pb、Bi,In（以下「Pbなど」と総称することもある）
は一部はアルミニウム基地に分散するが、そのPbなどの
分散相の一部はSnに固溶しあるいは共晶合金を作り、Sn
相の親油性や相手軸との凝着性を改善する。また、Pbな
どはそれ自体でなじみ性を高める作用をもつ。このよう
にPbなどとSnは作用が類似しまたPbなどの添加によりSn
が安定化するために、Pbなどを添加するとSnの好ましい
量を３〜20％のより低い範囲とすることができ、この結
果耐疲労性も向上する。

Pbなどの添加量が0.1％未満では上記の作用がなく、
一方8.0％（２種以上添加の場合は合計量）を超える
と、Pbなどはアルミニウム合金中でAl−Pb−Sn,Al−In
−Sn,Al−Bi−Snは低融点の共晶組織を作り易く、耐疲
労性や耐荷重性が低下するので、Pbなどの添加量は0.1
〜8.0％とする必要がある。

Zrはアルミニウム基地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強化する。また、再結晶温度
を上げることは軸受がさらされる内燃機関の高温環境で
も安定した機械的性質を維持するのに効果がある。

Zrを添加した本発明合金の特に優れた性質は高温硬さ
が高いことである。これは固溶強化が顕著であるために
基地の高温での硬度低下が少ないこと、および再結晶軟
化温度が高温側にずれることによる。

ZrのAl中の最大固溶量は平衡状態図から0.28％程度で
あると考えられる。一方、平衡状態ではない鋳造時には
さらに固溶量を増し、過飽和固溶体を作るが、本発明の
含有量範囲でZrの一部は析出する。Zrの析出物が微細に
分散することは高温硬さの維持に良い影響を与え、また
Sn粒子の粗大化やその移動を直接妨げ、またAlの結晶粒
界の移動を阻止し、結晶粒界の移動に伴うSn粒子の粗大
化を間接的に妨げる。したがって、圧延と焼鈍の繰り返
しによって微細化されたSn粒子を軸受使用中に微細に保
つことができる。また、Sn粒子が微細なまま保持されて
アルミニウム基地中に存在することは232℃という低融
点をもつSn粒子が高温で溶け出すと言う溶出現象を防止
するためにも効果的である。

Zrの添加量が0.02％未満であると上記した作用が発現
せず、1.0％を超えるとAl−Zrの金属間化合物が多量か
つ粗大に析出し、合金が硬くかつ脆くなり軸受の本質的
性能が失われてしまいかつ、軸受が非調質軸を著しく疵
付ける。好ましいZrの添加量は0.05〜0.3％である。

CuおよびMgは主として高温での高硬度を確保するため
に、１種または２種添加される。Cuおよび／またはMgを
添加しないAl−Sn−Pb合金と、Cuおよび／またはMgを添
加したAl−Sn−Pb合金についZrの作用を比較すると、後
者の方がZrの作用が量的に顕著であることが認められ
る。したがって、α−Al相中にCuおよびMgを溶質原子と
して存在させることはZrの上記作用を高める面からも有
利である。

本発明の第２の軸受合金は上記した組成にさらに、M
n、Ｖ、Sb、Nb、Mo、Co、Ti、TiB、FeおよびSrの１種以
上を0.01〜2.0％含有することを特徴とする。これらの
元素は硬質物を発生させ、耐摩耗性を向上するが、2.0
％を超えると軸受が相手材を疵つける傾向が現れるので
2.0％以下に制限して添加しなければならない。また添
加量が0.01％未満では効果がない。

本発明の軸受は、鋳造、冷間圧延、中間焼鈍、裏金へ
の圧接等の工程により製造される。圧延品が著しく加工
硬化しているときは必要により最終焼鈍を行ってもよ
い。中間焼鈍および最終焼鈍の温度は220〜520℃の範囲
内であることが好ましい。温度が220℃未満であるとAl
−Cu,Al−Mgの時効析出は起こるがAl−Cu,Al−Mgの析出
は本発明の特性達成のために本質的ではなく、また圧延
過程における加工硬化を取り除くために220℃以上の温
度が好ましい。さらにZrの過飽和固溶部分を微細析出さ
せるには300〜520℃が好ましい。焼鈍温度が520℃を超
えると、Al−Cu−Ｘ系の多元共晶温度に近付き、Sn以外
にAlの液相が表れ、合金の強度が低下しさらにSn相が粗
大化するので、520℃以下の焼鈍温度が好ましい。

本発明の軸受の相手軸は非調質鋼材である。鋼材とし
ては炭素鋼が一般に使用される。Ｖなどの硬化元素を微
量添加した炭素鋼の非調質鋼が軸として使用される場合
にも本発明の軸受が使用される。鋼材の炭素量は一般に
0.4〜0.65％の中炭素含有量である。本発明の軸受の相
手材としては鋳鉄は使用されない。また「非調質」とは
圧延あるいは鍛造のままと言う意味であり、硬さでは特
にHv＝180〜330の状態を指している。

（作用） 実施例で説明する試験方法により下記の４種類の合金
の特性を評価した。

本発明 Al−13％Sn−２％Pb−１％Cu−0.2％Zr 比較例 Al−13％Sn −１％Cu−0.2％Zr 比較例 Al−13％Sn−２％Pb−１％Cu−0.2％Cr 比較例 Al−13％Sn−２％Pb−１％Cu−0.2％Zr
−３％Si 各材料は鋳造により製造したストリップを６回圧延
し、最終板厚が1mmの板に加工した。圧延の途中で220〜
520℃で中間焼鈍を行った。得られた板をNiめっきされ
た裏金鋼板（SPCC）に圧接してバイメタルを作り、これ
を試験片形状に加工した。試験結果は以下のとおりであ
った。

この結果の比較より各成分の作用が分かる。

まず、相手軸が球状黒鉛鋳鉄（FCD）であると、Siを
含有させることによりすぐれた特性が得られる（比較例
）。

次に、焼入鋼（S50C−Ｈ、硬さHv＝600）や圧延のま
まの鋼（S50C−Ｒ），硬さHv＝230）が相手軸である
と、Siは特性を却って低下させている（比較例または
比較例と比較例の対比）。

比較例は本発明の添加成分ではないCrを含有する
が、特開昭53−87917号公報においてCrがZrと代替可能
であると（実施例には基づかない）一般説明があるの
で、CrとZrの作用をデータに基づいて比較するために比
較例を示した。CrとZrの耐焼付性向上作用は量的に同
じであるが、耐疲労性向上の面ではZrの作用がCrの作用
よりも量的に優れている（比較例と本発明との比
較）。また、高温硬さもZrの方がCrよりも優れている。

CrはZrよりも再結晶を遅らせる効果が少ない。第１図
は「本発明」材と比較例の材料の60％冷間圧延後の再
結晶軟化を示し、横軸は加熱温度（℃）、縦軸は室温へ
冷却後測定した硬さ（Hv）である。本発明の材料は360
℃から再結晶軟化が始まり、比較例材は300℃から軟化
が始まっていることが分かる。

Pbは耐焼付性を向上させる（比較例と本発明の比
較）。Pbの添加により高温硬さは若干低下するが、特性
は優れている。これはSnが潤滑油との親油性が改善され
るためであると考えられる。

以下、実施例によりさらに詳しく本発明を説明する。

（実施例） 表１の組成の合金を溶解し、前述の方法でバイメタル
状の軸受とし、以下の条件で試験を行った。

焼付試験 （１）ジャーナル型焼付き試験機 （２）回転数−1500rpm （３）荷重増加法−50Kg/cm²を30分毎に増加（焼付いた
時の面圧測定） （４）潤滑油−SAE10W30 （５）給油温度−140℃ （６）相手軸−S50C鍛造のまま（硬度Hv＝230） 疲労試験 （１）往復動荷重試験機 （２）回転数−3000rpm （３）荷重−10⁷回で疲労する面圧を測定 （４）潤滑油−SAE10W30 （５）給油温度−140℃ （発明の効果） 以上説明したように、本発明請求項１記載の軸受合金
は特開昭53−87918号（Cr添加）のものに比較して耐疲
労性が優れ、また特開昭62−63636号（Si含有）に比較
して耐焼付性および耐疲労性に優れている。

さらに、必要により請求項２記載のように硬質物形成
元素を添加して耐摩耗性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】 第１図はZr（本発明材）とCr（比較材）添加による再
結晶軟化に及ぼす影響を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 二村 憲一朗 愛知県豊田市緑ケ丘３丁目65番地 大豊 工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−235436（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−224722（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−110021（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−67841（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−35744（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−207151（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Sn2〜25重量％、 Zr0.02〜1.0重量％、 CuおよびMgの少なくとも１種0.1〜2.5重量％、 Pb,BiおよびInの少なくとも１種0.1〜8.0重量％ を含有し，残部が不可避的不純物およびAlからなり、硬
   度Hv180〜330の非調質鋼材軸を相手軸とする耐焼付性及
   び耐疲労性が優れたアルミニウム系軸受合金。
2. 【請求項２】Sn2〜25重量％、 Zr0.02〜1.0重量％、 CuおよびMgの少なくとも１種0.1〜2.5重量％、 Pb,BiおよびInの少なくとも１種0.1〜8.0重量％、 Mn,V,Sb,Nb,Mo,Co,Ti,TiB,FeおよびSrの少なくとも１種
   0.01〜2.0重量％ を含有し、残部が不可避的不純物およびAlからなり、硬
   度Hv180〜330の非調質鋼材軸を相手軸とする耐焼付性及
   び耐疲労性が優れたアルミニウム系軸受合金。