JPH09303373A - 積層摺動部材および滑り軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐疲労性および表面性能という二律背反的な
特性の両方共が従来にない高い水準で得ることができる
積層摺動部材および滑り軸受を提供する。 【解決手段】 重量％で、Ｐｂ：５〜５０％、Ｓｎ：５
％以下、残部が実質的にＣｕからなるＣｕ−Ｐｂ系高鉛
青銅軸受合金Ａの上に、表面層として、重量％で、Ｓ
ｎ：６〜１５未満％、Ｐｂ，Ｓｂのうちから選ばれる１
種または２種：０．１〜１０％、Ｓｉ：０．１〜４．５
％、Ｃｕ，Ｃｒのうちから選ばれる１種または２種：
０．１〜２．０％、残部が実質的にＡｌからなる合金Ｂ
を積層してなる積層摺動部材、および前記積層摺動部材
の背面に裏金が設けられている積層滑り軸受。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車，工作機
械，農業機械等の各種機械装置の構造部品として使用さ
れる軸受ならびに摺動部材用の素材として適する積層摺
動部材および滑り軸受に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、特に内燃機関用の軸受合金とし
て、耐熱・耐摩耗性，耐疲労性等の観点から、ケルメッ
ト（Ｃｕ−Ｐｂ系高鉛青銅軸受合金の総称）が広く用い
られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ケルメ
ットは耐疲労性等には優れる反面、そのままでは耐焼付
性に劣るため、Ｐｂ−Ｓｎ系のオーバーレイ層を表面に
形成させる必要があった。

【０００４】ところが、高速・高荷重域では、Ｐｂ−Ｓ
ｎ系のオーバーレイ層を表面にもつものは、熱伝導性の
良いＡｌ系合金の表面層をもつ軸受合金にくらべ著しい
摩擦増加を示すことが実験にて確認された。

【０００５】従来の常識によれば、高速・高荷重域で
は、潤滑油が高温になると油粘度が低下して、油膜が薄
くなり、その結果、油のせん断抵抗力としての摩擦が減
少する。この際、軸受材質の違いは影響しない。

【０００６】本発明者らの一部は、潤滑油が高温になっ
た場合の軸受の摩擦挙動について研究を重ねた結果、高
速・高荷重域では、油が高温になると粘度が低下し、油
膜が薄くなるが、油膜圧力が増大することになり、その
結果、高圧下での油粘度が著しく増大し、かえって、油
のせん断抵抗力としての摩擦が増大することを見いだし
た。また、このような条件下では、局所的な高い油膜圧
力のため、当然のことながら軸受の耐疲労性を損ねるこ
とになる。

【０００７】

【発明の目的】本発明は、このような従来の課題にかん
がみてなされたもので、高速・高荷重域での摩擦を低減
するには、メカニズムの発端である油膜の温度を下げる
ことが有効であり、そのためには、従来は無関係とされ
ていた軸受材質に関して、介在する油の局所的な発熱を
すばやく抜熱する役目も担っている軸受合金の熱伝導率
を高くすることが重要であることに基づいている。

【０００８】表面層の熱伝導率向上により軸受合金を高
熱伝導化することで、高速・高荷重域での潤滑油中の摩
擦損失を従来の滑り軸受より大幅に低減させることがで
きる。

【０００９】さらに、軸受合金の強度向上に加え、高熱
伝導率の本発明の軸受を使用することによる介在する油
膜圧力の低減によっても、耐疲労性を向上させるととも
に、表面性能も従来にない水準で実現できる。

【００１０】したがって、本発明の目的は、耐疲労性お
よび表面性能という二律背反的な特性の両方共が従来に
ない高い水準で得ることができる積層摺動部材および滑
り軸受を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる積層摺動
部材は、請求項１に記載しているように、重量％で、Ｐ
ｂ：５〜５０％、Ｓｎ：５％以下、残部が実質的にＣｕ
からなるケルメット合金であるＣｕ−Ｐｂ系高鉛青銅軸
受合金Ａの上に、表面層として、重量％で、Ｓｎ：６〜
１５未満％、Ｐｂ，Ｓｂのうちから選ばれる１種または
２種：０．１〜１０％、Ｓｉ：０．１〜４．５％、Ｃ
ｕ，Ｃｒのうちから選ばれる１種または２種：０．１〜
２．０％、残部が実質的にＡｌからなる合金Ｂを積層し
てなる構成としたことを特徴としている。

【００１２】そして、本発明に係わる積層摺動部材の実
施態様においては、請求項２に記載しているように、合
金Ｂに歪み除去のための熱処理が施されているものとす
ることができる。

【００１３】本発明に係わる積層滑り軸受は、請求項３
に記載しているように、請求項１または２に記載された
積層摺動部材の背面に裏金が設けられている構成とした
ことを特徴としている。

【００１４】そして、本発明に係わる積層滑り軸受の実
施態様においては、請求項４に記載しているように、裏
金は鋼板であるものとすることができ、また、請求項５
に記載しているように、合金Ａと合金Ｂとの間に純Ａｌ
層を介在させてなるものとすることができ、および／ま
たは、請求項６に記載しているように、合金Ａと合金Ｂ
との間にＳｎ，Ｐｂ，Ｓｂを含まないＡｌ合金層を介在
させてなるものとすることができる。

【００１５】

【発明の作用】本発明に係わる積層摺動部材は、請求項
１に記載しているように、重量％で、Ｐｂ：５〜５０
％、Ｓｎ：５％以下、残部が実質的にＣｕからなるケル
メット合金であるＣｕ−Ｐｂ系高鉛青銅軸受合金Ａの上
に、表面層として、重量％で、Ｓｎ：６〜１５未満％、
Ｐｂ，Ｓｂのうちから選ばれる１種または２種：０．１
〜１０％、Ｓｉ：０．１〜４．５％、Ｃｕ，Ｃｒのうち
から選ばれる１種または２種：０．１〜２．０％、残部
が実質的にＡｌからなる合金Ｂを積層してなる構成とし
たものであるが、以下に、それぞれの成分および数値の
限定理由について各元素の作用と共に説明する。

【００１６】まず、合金Ａの成分および数値の限定理由
について各元素の作用と共に説明する。

【００１７】（Ａ−１）Ｐｂ：５〜５０％ Ｐｂは潤滑成分として有効であり、耐焼付性を向上させ
るのに役立つものであるが、合金Ａの場合は、これを下
部層とし合金Ｂを表面層として積層するときになじみ性
や異物埋収性は必要でなく、合金Ｂが摩耗した場合の焼
付防止のために添加するものである。しかし、添加量が
５％未満ではその効果が少なく、５０％を超えるとＣｕ
マトリックスの強度が低下し耐疲労性が劣る傾向になる
と共に熱伝導率が低下し、本発明の積層摺動部材および
滑り軸受の特徴の１つである高温の潤滑油中での摩擦損
失の増大を抑制する能力が損なわれる。

【００１８】（Ａ−２）Ｓｎ：５％以下 ＳｎはＣｕマトリックスに固溶しこれを強化すると共
に、耐腐食性を向上させる。しかし、添加量が５％を超
えると伸びを減じ、積層時の密度強度が低下するため、
摺動性能ないしは軸受性能を低下させる。

【００１９】次に、合金Ｂの成分および数値の限定理由
について各元素の作用と共に説明する。

【００２０】（Ｂ−１）Ｓｎ：６〜１５未満％、Ｐｂ，
Ｓｂのうちから選ばれる１種または２種：０．１〜１０
％ Ｓｎ，Ｐｂ，Ｓｂは潤滑成分として有効であり、耐焼付
性に優れたものである。また、表面層として用いる合金
Ｂのなじみ性、異物埋収性を高める。

【００２１】しかし、Ｓｎが６％未満、Ｐｂ，Ｓｂの合
計が０．１％未満ではその効果が少なく、Ｓｎが１５％
以上、Ｐｂ，Ｓｂの合計が１０％を超えると、熱伝導率
が低下し、本発明の積層摺動部材および滑り軸受の特徴
の１つである高温の潤滑油中での摩擦損失の増大を抑制
する能力が損なわれる。

【００２２】（Ｂ−２）Ｓｉ：０．１〜４．５％ Ｓｉは表面層である合金Ｂの耐焼付性の向上に寄与する
が、０．１％未満ではその効果が少なく、４．５％を超
えるとなじみ性、圧延等の加工性が低下する。

【００２３】（Ｂ−３）Ｃｕ，Ｃｒのうちから選ばれる
１種または２種：０．１〜２．０％ Ｃｕ，Ｃｒは表面層である合金Ｂの耐荷重性、耐熱性を
向上させるが、０．１％未満ではその効果が少なく、
２．０％を超えるとなじみ性、圧延等の加工性が低下す
る。

【００２４】次に、本発明による積層摺動部材におい
て、表面層として使用する合金Ｂの製造法については、
通常は板状の鋳造材を圧延していく方法をとるが、Ｐｂ
が４％を超えると鋳造法では偏析が生じ、均一な材料組
織となりにくいため、板材を粉末圧延、焼結法で作って
も良いし、溶射により合金Ａの上に直接積層することも
可能である。

【００２５】そして、請求項２に記載しているように、
合金Ｂに対して、必要に応じて歪み除去のための熱処理
を行うこともよい。

【００２６】本発明に係わる積層滑り軸受は、請求項３
に記載しているように、請求項１または２の積層摺動部
材の背面に裏金が設けられている構成としたものであ
り、このような構成のものとすることによって、耐疲労
性および表面性能という二律背反的な特性の両方共が従
来にない高い水準で得られることとなる。

【００２７】そして、この場合の裏金としては、請求項
４に記載しているように、鋼板を用いることができ、鋼
板を用いることによって、軸受として必要な剛性を備え
たものとなる。

【００２８】また、合金Ｂ中のＳｎ量が多くなると、ク
ラッド条件によっては、合金Ａとの密着性が悪くなるこ
とがある。この場合は、請求項５，６に記載しているよ
うに、合金Ａと合金Ｂとの間に１〜１５μｍ程度の純Ａ
ｌ層および／またはＳｎ，Ｐｂ，Ｓｂを含まないＡｌ合
金層を密着性向上のために介在させてもよい。

【００２９】

【発明の効果】本発明に係わる積層摺動部材は、請求項
１に記載しているように、重量％で、Ｐｂ：５〜５０
％、Ｓｎ：５％以下、残部が実質的にＣｕからなるケル
メット合金（Ｃｕ−Ｐｂ系軸受合金）Ａの上に、表面層
として、重量％で、Ｓｎ：６〜１５未満％、Ｐｂ，Ｓｂ
のうちから選ばれる１種または２種：０．１〜１０％、
Ｓｉ：０．１〜４．５％、Ｃｕ，Ｃｒのうちから選ばれ
る１種または２種：０．１〜２．０％、残部が実質的に
Ａｌからなる合金Ｂを積層してなる構成としたものであ
るから、耐疲労性および表面性能という二律背反的な特
性の両方共が従来にない高い水準で実現され、特に、高
温の潤滑条件において、流体潤滑性能の向上による耐疲
労性の向上、および摩擦発熱の低減による温度上昇の抑
制、などが従来の摺動部材に比べ著しく優れているとい
う顕著な効果がもたらされる。

【００３０】そして、本発明に係わる積層摺動部材の実
施態様においては、請求項２に記載しているように、合
金Ｂに歪み除去のための熱処理が施されているものとす
ることによって、靭性に優れそしてまた安定性の良い摺
動部材を得ることが可能であるという著しく優れた効果
がもたらされる。

【００３１】また、本発明に係わる積層滑り軸受は、請
求項３に記載しているように、請求項１または２に記載
の積層摺動部材の背面に裏金が設けられている構成とし
たものであるから、耐疲労性および表面性能という二律
背反的な特性の両方共が従来にない高い水準で実現さ
れ、特に、高温の潤滑条件において、流体潤滑性能の向
上による耐疲労性の向上、および軸受合金の抜熱性向上
による油膜温度上昇の抑制、などが従来の滑り軸受に比
べ著しく優れているという顕著な効果がもたらされる。

【００３２】そして、本発明に係わる積層滑り軸受の実
施態様においては、請求項４に記載しているように、裏
金は鋼板であるものとすることによって、軸受として必
要な強度を得ることが可能となり、請求項５に記載して
いるように、合金Ａと合金Ｂとの間に純Ａｌ層を介在さ
せてなるものとし、および／または、請求項６に記載し
ているように、合金Ａと合金Ｂとの間にＳｎ，Ｐｂ，Ｓ
ｂを含まないＡｌ合金層を介在させてなるものとするこ
とによって、合金Ａと合金Ｂとの間における密着性をよ
り一層向上させることが可能になるという著しく優れた
効果がもたらされる。

【００３３】

【実施例】次に、実施例について比較例と共に説明す
る。

【００３４】実施例１〜４，比較例１〜４ まず、表１の合金Ａ（下部層）の欄に示す実施例１〜
４，比較例１〜４の組成を有するＣｕ−Ｐｂ系合金を溶
製したのち、連続的に鋼板上に注湯し、注湯後すぐに鋼
板の下面より水冷却することによって急冷して、鋼板上
にデンドライト組織をもつ鋳造ケルメット合金（Ｃｕ−
Ｐｂ系高鉛青銅軸受合金）を積層した積層材を作製し
た。

【００３５】一方、表１の合金Ｂ（表面層）の欄に示す
実施例１〜４，比較例１〜４の組成を有するＡｌ−Ｓｎ
系合金を連続鋳造により厚さ２０ｍｍの板状材として鋳
造し、各鋳造ビレットの上下面を１ｍｍ面切削し、続い
て冷間圧延により１ｍｍの厚さまで圧下した。この状態
で２００〜３００℃の熱処理を行ってひずみを除去し
た。

【００３６】次に、上記積層材に寸法調整を施し、この
積層材と合金Ｂにおいて各々密着面を清浄にした後、積
層材の合金Ａを下部層とし、合金Ｂを表面層としてクラ
ッドをおこなった。

【００３７】続いて、さらに表面を機械的に除去し、そ
の結果、裏金としての鋼板の厚さが約１．２０ｍｍ、下
部層としての合金Ａの層厚さが約０．２５ｍｍ、表面層
としての合金Ｂの層厚さが約０．０５ｍｍで合計厚さが
約１．５ｍｍの滑り軸受を得た。

【００３８】実施例５〜６ 還元性雰囲気の中で、表１の合金Ａ（下部層）の欄に示
す実施例５〜６の組成を有するＣｕ−Ｐｂ系合金粉末を
連続的に鋼板上に散布し、７５０〜９００℃の温度で焼
結して、これを圧下した後さらにもう一度焼結，圧下を
行い、鋼板上に焼結ケルメット合金（Ｃｕ−Ｐｂ系高鉛
青銅軸受合金）を積層した積層材を作製した。

【００３９】一方、表１の合金Ｂ（表面層）の欄に示す
実施例５〜６の組成を有するＡｌ−Ｓｎ系合金を連続鋳
造により厚さ２０ｍｍの板状材として鋳造し、各鋳造ビ
レットの上下面を１ｍｍ面切削し、続いて冷間圧延によ
り１ｍｍの厚さまで圧下した。この状態で２００〜３０
０℃の熱処理を行ってひずみを除去した。

【００４０】次に、上記積層材に寸法調整を施し、この
積層材と合金Ｂにおいて各々密着面を清浄にした後、積
層材の合金Ａを下部層とし、合金Ｂを表面層としてクラ
ッドをおこなった。

【００４１】続いて、さらに表面を機械的に除去し、そ
の結果、裏金としての鋼板の厚さが約１．２０ｍｍ、下
部層としての合金Ａの層厚さが約０．２５ｍｍ、表面層
としての合金Ｂの層厚さが約０．０５ｍｍで合計厚さが
約１．５ｍｍの滑り軸受を得た。

【００４２】比較例５〜６ 表１の合金Ａ（下部層）の欄に示す比較例５〜６の組成
を有するＣｕ−Ｐｂ系合金を溶製したのち、連続的に鋼
板上に注湯し、注湯後すぐに鋼板の下面より水冷却する
ことによって急冷して、鋼板上にデンドライト組織をも
つ鋳造ケルメット合金（Ｃｕ−Ｐｂ系高鉛青銅軸受合
金）を積層した積層材を作製した。次いで、この積層材
に寸法調整を施し、その結果、裏金としての鋼板の厚さ
が約１．２０ｍｍ、鋳造ケルメットの層厚さが約０．３
ｍｍで合計厚さが約１．５ｍｍの滑り軸受を得た。

【００４３】比較例７ 表１の合金Ｂ（表面層）の欄に示す比較例７（実施例
１，５と同じ）の組成を有するＡｌ−Ｓｎ系合金を連続
鋳造により厚さ２０ｍｍの板状材として鋳造し、鋳造ビ
レットの上下面を１ｍｍ面切削し、続いて冷間圧延によ
り１ｍｍの厚さまで圧下した。この状態で２００〜３０
０℃の熱処理を行ってひずみを除去した。

【００４４】その後、裏金となる鋼板の上に合金Ｂをク
ラッドした後、表面を機械的に除去し、その結果、裏金
としての鋼板の厚さが約１．２ｍｍ、表面層としての合
金Ｂの層厚さが約０．３ｍｍで合計厚さが約１．５ｍｍ
の滑り軸受を得た。

【００４５】比較例８ 表１の合金Ａ（下部層）の欄に示す比較例８の組成を有
するＣｕ−Ｐｂ系合金を溶製したのち、連続的に鋼板上
に注湯し、注湯後すぐに鋼板の下面より水冷却すること
によって急冷して、鋼板上にデンドライト組織をもつ鋳
造ケルメット合金（Ｃｕ−Ｐｂ系高鉛青銅軸受合金）を
積層した積層材を作製した。次いで、この積層材に寸法
調整を施した後、ケルメット表面に脱脂等の前処理を施
し、その上に１０重量％Ｓｎ，２重量％Ｃｕを含むＰｂ
−Ｓｎ−Ｃｕめっきを２０μｍの厚さで施して、合計厚
さが約１．５ｍｍの滑り軸受を得た。

【００４６】

【表１】

【００４７】（耐焼付性試験）実施例１〜６、比較例１
〜２および比較例５〜８で得た各滑り軸受から、幅３５
ｍｍ，長さ３５ｍｍの試験片を切り出し、鈴木式摩耗試
験機を用いて、表２に示す条件で耐焼付性試験を行っ
た。その結果を表３に示す。

【００４８】

【表２】

【００４９】

【表３】

【００５０】表３より明らかなように、本発明実施例１
〜６の滑り軸受は、従来より耐焼付性に優れるとされて
きた比較例８の滑り軸受と同等であるかあるいはそれ以
上の耐焼付性を有していることがわかる。

【００５１】一方、表面層である合金Ｂの成分が本発明
から外れる比較例１，２の滑り軸受は、本発明実施例の
滑り軸受よりも耐焼付性が劣っており、合金Ｂに相当す
る表面層を設けず、ケルメット合金Ａを表面層とした比
較例５の滑り軸受では耐焼付性がさらに劣っていること
がわかる。

【００５２】また、比較例５と同様に合金Ａが表面層で
その成分も本発明から外れている比較例６の滑り軸受に
おいては著しく耐焼付性が劣っており、仮にこの上に実
施例の滑り軸受と同様の表面層を設けたとしても、表面
層が摩耗した場合に軸受として必要な摺動性能の維持が
難しいことがわかる。

【００５３】（高温摩擦性）実施例１〜６，比較例８で
得た各滑り軸受を半割軸受形状に加工し、本発明者らの
一部が開発した軸受単体試験機（日本機械学会 第７１
期全国大会講演論文集 ｖｏｌ．Ｄ，１９９３年 ｐ３
３２−３３４）により、表４に示す条件で、摺動面が高
温になった場合の摩擦力を測定した。摺動面が１３０℃
の時の摩擦トルクを表５に示す。

【００５４】

【表４】

【００５５】

【表５】

【００５６】表５より明らかなように、本発明実施例１
〜６の滑り軸受は、表面にＰｂ−Ｓｎ−Ｃｕオーバーレ
イ層を有する比較例８の滑り軸受よりも優れた摩擦特性
を有することがわかる。

【００５７】（耐疲労試験）実施例１〜６，比較例１〜
５および比較例７で得た各滑り軸受をエンジン部品とし
て適用するべく半割軸受形状に加工し、表６に示す条件
でアンダーウッド試験を行った。その結果を表７に示
す。

【００５８】

【表６】

【００５９】

【表７】

【００６０】表７より明らかなように、表面層（合金
Ｂ）の成分が本発明から外れる比較例１および下部層
（合金Ａ）の成分が本発明から外れる比較例３，４、さ
らに合金Ｂに相当する表面層を設けずケルメット合金を
表面層とした比較例５の滑り軸受５の滑り軸受、ならび
に下部層を設けない比較例７の滑り軸受は、実施例の滑
り軸受よりも耐疲労性が劣っている。

【００６１】これら３種の試験結果により、本発明によ
る滑り軸受が耐焼付性，耐疲労性および高温潤滑油中で
の摩擦損失の低減を同時に成立させていることが明らか
であり、従来の各種軸受合金では不可能であった性能を
有していることがわかった。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 塩 田 正 彦 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 牛 嶋 研 史 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、Ｐｂ：５〜５０％、Ｓｎ：５
   ％以下、残部が実質的にＣｕからなるＣｕ−Ｐｂ系高鉛
   青銅軸受合金Ａの上に、表面層として、重量％で、Ｓ
   ｎ：６〜１５未満％、Ｐｂ，Ｓｂのうちから選ばれる１
   種または２種：０．１〜１０％、Ｓｉ：０．１〜４．５
   ％、Ｃｕ，Ｃｒのうちから選ばれる１種または２種：
   ０．１〜２．０％、残部が実質的にＡｌからなる合金Ｂ
   を積層してなることを特徴とする積層摺動部材。
2. 【請求項２】 合金Ｂに歪み除去のための熱処理が施さ
   れている請求項１に記載の積層摺動部材。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の積層摺動部材
   の背面に裏金が設けられていることを特徴とする積層滑
   り軸受。
4. 【請求項４】 裏金は鋼板である請求項３に記載の積層
   滑り軸受。
5. 【請求項５】 合金Ａと合金Ｂとの間に純Ａｌ層を介在
   させてなる請求項３または４に記載の積層滑り軸受。
6. 【請求項６】 合金Ａと合金Ｂとの間にＳｎ，Ｐｂ，Ｓ
   ｂを含まないＡｌ合金層を介在させてなる請求項３ない
   し４のいずれかに記載の積層滑り軸受。