JP2001335812A - 鉛フリー平軸受およびその製造方法 - Google Patents

鉛フリー平軸受およびその製造方法

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一策 佐藤
Naoki Sato
直樹 佐藤
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Abstract

(57)【要約】 【課題】カーエアコンや建設機械等のスワッシュ式コン
プレッサーの斜板に用いられていた平軸受は、軸受合金
が鉛を含んだＬＢＣ−３であった。ＬＢＣ−３は優れた
軸受特性を有しているが、埋め立て処分をすると酸性雨
により鉛が溶け出して地下水を汚染することが懸念され
ている。本発明は鉛を全く含有せずともＬＢＣ−３と同
等以上の軸受特性を発揮できる平軸受およびその製造方
法を提供することにある。 【解決手段】Sn７〜１３質量％、Ag０．１〜５質量％、
残部Cuからなる合金粉末、さらにこの合金粉末に二硫化
モリブデン粉末０．０５〜０．５質量％、黒鉛粉末０．
１〜２質量％のうちの一種以上を混合した混合粉末が円
盤状の鉄板に焼結法で接合されている平軸受である。ま
た本発明の平軸受の製造方法は、鉄板上に軸受合金を散
布した後、８４０〜８８０℃で焼結を行ない、これを１
５０〜２００トンで緻密化してから８４０から８８０℃
で焼鈍する。そして軸受合金面を０．３〜１μｍＲaの
粗さに切削加工してから０．１μｍＲa以下の粗さに仕
上げる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、カーエアコンや油
圧機械等でピストンを平行移動させるための斜板に使用
する平軸受、特に鉛を含まない鉛フリーの平軸受に関す
る。
【０００２】一般にカーエアコンや油圧機械等で斜板を
使用するものをスワッシュ式コンプレッサーといってい
る。スワッシュ式コンプレッサー（以下、スワッシュ式
という）は、斜板が回転することにより該斜板に当接し
ているピストンが平行移動してシリンダー内を往復動す
る。そしてシリンダー内の液体に強い圧力をかけて送り
出し、該液体が油圧シリンダーや加圧室に送られて強い
力を出したり、高圧となった液体を急に広容積部に送り
出して広容積部で気化させることにより気化熱で冷却し
たりする。
【０００３】つまりスワッシュ式では、斜板が高速回転
（約８，０００rpm）しており、斜板がピストンと当接
する面には非常に大きな荷重がかかる。従って、該斜板
は焼付面圧が大きく、しかも摩擦係数が小さいという軸
受特性を有していなければならない。このスワッシュ式
の斜板には平軸受が使用されていた。
【０００４】従来のスワッシュ式に使用されていた平軸
受は、円盤状の鉄板に軸受合金を接合した所謂複層材で
あった。このように軸受合金と鉄板からなる複層材を使
用するのは、機械的強度保持と経済的理由による。つま
り軸受合金だけで斜板を形成すると、高荷重・高速で回
転するスワッシュ式に対して機械的強度が充分に得られ
ないからであり、また軸受合金は銅が主成分となるため
大量の銅を使用することは大変なコストアップとなって
しまうからである。
【０００５】一般にスワッシュ式に使用する平軸受の製
造方法としては、圧着法、溶融法、焼結法がある。
【０００６】圧着法とは、予め軸受合金を板状にしてお
き、該板状の軸受合金と鉄板とを重ね合わせてローラー
で強力に圧延する。すると軸受合金と鉄板とが分子的に
接近して接合する。この圧着法で得られた斜板は接着強
度があまり強くないため、大きな油圧機械に使用したと
きに剥離が起こって寿命が短くなることがあった。
【０００７】溶融法とは、鉄板上に溶融した軸受合金を
流し込むことにより鉄板と軸受合金とを接合するもので
ある。この溶融法は、先ず鉄板上から溶融した軸受合金
が外方に流出しないように鉄板周囲に低い囲いを形成す
る。そしてこの鉄板上に溶融した軸受合金を流し込み、
冷却固化する。冷却固化した軸受合金は表面に酸化物が
残っていたり、冷却時の凝縮で表面が凹凸状態となって
いたりするため、軸受合金の表面を研削して平滑にす
る。また鉄板も高温となった溶融軸受合金で急激に加熱
されて表面が酸化したり熱歪で変形したりしているた
め、鉄板も研削して平滑にする。このようにして得られ
た複層材をプレスで打ち抜いたりレーザーで焼き切った
りして円形に成形する。このように溶融法は多大な手間
がかかるばかりでなく、溶融した軸受合金を流し込むと
きに酸化物の巻き込みや引け巣ができるため軸受特性に
バラツキが生じるものであった。
【０００８】焼結法は、先ず予め円盤状に形成された鉄
板上に軸受合金粉末を一定の厚さに均一に散布する。そ
して軸受合金粉末が散布された鉄板を水素雰囲気の加熱
炉で加熱して軸受合金粉末同士および軸受合金粉末と鉄
板とを焼結して接合する。焼結後の軸受合金の表面は軸
受合金の粉末形状がそのまま残るため表面状態が粗くヤ
スリのようになっており、この状態で斜板として使用す
ると斜板に当接するピストンシューを削ってしまう。そ
こで表面状態を仕上げるとともに厚さを調整するため軸
受合金の面を旋盤で切削加工を行なう。この焼結法は、
加工工程が少なく、しかも軸受合金と鉄板の接合強度が
強いという、他の製造方法にない優れた特長を有してい
る。
【０００９】従来のスワッシュ式の斜板に用いられてい
た軸受合金はＬＢＣ−３であった。このＬＢＣ−３と
は、Ｓｎが１０質量％、Ｐｂが１０質量％、残部Ｃｕか
ら成る合金である。ＬＢＣ−３は軸受特性が非常に優れ
ており、これを斜板に用いた場合、長期間にわたって焼
付けを起こすことがなく、また斜板自体ばかりでなく斜
板に当接するピストンシューの損耗も少ない。そのため
現在では、ＬＢＣ−３は斜板に最も多く使用されている
材料である。
【００１０】ＬＢＣ−３を用いて焼結法で平軸受を製造
する場合、鉄板上にＬＢＣ−３の粉末を均一に散布した
後、これを８００℃に保たれた水素雰囲気の加熱炉中で
加熱して焼結を行ない、軸受面を有する複層材にする。
該複層材を１５０トンのプレスで押圧して緻密化し、緻
密化で生じた加工歪や加工硬化を除去するため、８００
℃の水素雰囲気加熱炉で焼鈍を行なう。複層材を焼鈍
後、切削機械で粗さが０．５μｍRa程度の仕上げ加工を
行なう。
【００１１】ところで自動車や建設機械は、鉄、銅、ア
ルミニューム等、多種多用の金属が用いられている。従
って、自動車や建設機械が古くなって使われなくなった
場合、省資源の見地からそれぞれの金属は種類毎に分別
されて再利用されるようになっている。当然自動車のカ
ーエアコンや建設機械の油圧装置も使われなくなったと
き、それぞれの金属毎に分けられ再利用に供されてい
る。
【００１２】しかしながら、スワッシュ式の斜板は銅を
主成分とした軸受合金と鉄板が金属的に完全に接合され
たものであり、このまま鉄として再利用できない。つま
り斜板を他の鉄屑と一緒に溶かしたとき、鉄中に大量の
銅が混入してしまうようになるが、銅成分が大量に混入
した鉄は、全く使用できないものとなってしまう。その
ため鉄と銅が接合されたものは、再利用がきかず産業廃
棄物として処理されていた。産業廃棄物となった斜板
は、焼却処理ができないことから埋め立て処分を行なっ
ていたものである。
【００１３】近年、ガソリンや重油などの化石燃料の多
用により、大気中に硫黄酸化物が大量に放出されて雨の
酸性度が増してきている。酸性雨は、地中に埋め立て処
分された斜板の軸受合金から鉛を溶出させて地下に染み
込み、地下水を汚染するようになる。こうして鉛で汚染
された地下水を長年にわたって飲用していると、人体に
鉛分が蓄積され、鉛中毒を起こす恐れが出てくる。この
ような機運から、自動車業界や建設機械業界からは鉛を
含まない軸受、所謂「鉛フリー軸受」が求められてい
る。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】ところが軸受合金、特
に斜板として使用する平軸受では使用条件が高荷重・高
速という過酷な条件下おかれるため、軸受特性の優れた
軸受が必要である。このように過酷な条件で使用される
平軸受には、鉛は固体潤滑剤として必須不可欠なものと
考えられていた。従って、鉛公害の問題が分かっていて
も軸受合金から鉛を簡単に抜くことはできなかった。本
発明は、銅を主成分とした軸受合金において鉛を添加し
なくとも、従来のＬＢＣ−３と同等以上の特性を有する
鉛フリーの平軸受およびその製造方法を提供することに
ある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、鉛に変わ
る固体潤滑剤として各種の金属を銅主成分の軸受合金に
添加して、その軸受特性を調べたところ、銅主成分に銀
を適量添加すると従来のＬＢＣ−３と略同等の軸受特性
が得られ、また銀が添加された軸受合金に適量の二硫化
モリブデンの粉末と黒鉛の粉末のどちらか一方、または
両方を混合すると軸受特性がさらに向上すること、さら
に平軸受における初期磨耗の軽減には軸受合金面の表面
粗さが重要なファクターとなっていることを見出し、本
発明を完成させた。
【００１６】本発明は、Sn７〜１３質量％、Ag０．１〜
５質量％、残部Cuからなる軸受合金粉末が円盤状の鉄板
に焼結法で接合されていることを特徴とする鉛フリー平
軸受である。
【００１７】また本発明は、Sn７〜１３質量％、Ag０．
１〜５質量％、残部Cuからなる軸受合金粉末に、二硫化
モリブデン粉末０．０５〜０．５質量％、黒鉛粉末０．
１〜２質量％のうちの一種以上を混合した軸受合金粉末
が円盤状の鉄板に焼結法で接合されていることを特徴と
する鉛フリー平軸受である。
【００１８】さらにまた本発明は（ａ）鉄板上に鉛フリ
ーの軸受合金粉末を散布する散布工程と、（ｂ）軸受合
金粉末が散布された鉄板を水素雰囲気中で８４０〜８８
０℃で加熱して、軸受合金粉末同士および軸受合金粉末
と鉄板とを接合して軸受合金面を有する複層材にする焼
結工程と、（ｃ）前記複層材を１５０〜２５０トンの圧
力で押圧して軸受合金面を緻密化する押圧工程と、
（ｄ）軸受合金が緻密化された複層材を水素雰囲気中で
８４０〜８８０℃で加熱する焼鈍工程と、（ｅ）軸受合
金面を切削加工で０．３〜１μｍＲaの表面粗さに加工
する粗仕上げ工程と、（ｆ）粗仕上げした軸受合金面を
研磨加工で０．１μｍＲa以下に研磨する精密仕上げ工
程と、 からなることを特徴とする平軸受の製造方法である。
【００１９】
【発明の実施の態様】本発明の平軸受は軸受合金を粉末
にして、焼結法で製造したものである。本発明の平軸受
に使用する軸受合金でＳｎを７〜１３質量％としたの
は、Sｎが７質量％よりも少ないと充分な硬さが得られ
ず耐焼付性が低下する。しかるに１３質量％を越えて添
加すると硬さは向上するが、摩擦性能が劣化してしま
う。
【００２０】Ａｇは０．１質量％よりも少ないと早い周
速では面圧が下がって焼付けを起こしやすくなる。一
方、Ａｇを５質量％よりも多くしても、やはり焼付けを
起こしてしまうようになる。本発明ではＡｇの添加量が
０．１〜５質量％であるが、好ましくは０．２５〜４質
量％である。
【００２１】本発明では、Ｃｕ−Ｓｎ−Ａｇ系の鉛フリ
ー軸受合金粉末に、さらに二硫化モリブデンの粉末や黒
鉛の粉末を混合させることもできる。この場合、前記軸
受合金の粉末に、二硫化モリブデンの粉末や黒鉛の粉末
をそれぞれ一種または二種が均一に混ぜ合わせられたも
のを使用する。
【００２２】二硫化モリブデンは０．０５質量％より少
ないと軸受特性向上に効果が現れず、しかるに０．５質
量％を越えると軸受合金粉末の焼結性を阻害して接合強
度が弱くなる。二硫化モリブデンの混合量は０．０５〜
０．５質量％であるが、好ましくは０．１〜０．３質量
％である。
【００２３】また黒鉛も二硫化モリブデン同様軸受特性
を向上させるものであり、この混合量が０．１質量％よ
りも少ないとその効果が現れず、２質量％を越えると、
やはり焼結性を損なうようになって接合強度が弱くな
る。黒鉛の好適な混合量は０．２〜１質量％である。
【００２４】本発明の平軸受の製造方法において、軸受
合金粉末の焼結温度が８４０℃よりも低いと接合強度が
充分とならず、８８０℃を越えると鉄と銅の金属間化合
物が生成され、接合強度が低下する。ちなみに焼結法に
より銅主成分の軸受合金で平軸受を作る場合、焼結温度
を８４０℃以上にすると軸受合金粉末同士や軸受合金粉
末と鉄板間の拡散が充分に行なわれて接合強度が強くな
る。しかしながら、ＬＢＣ−３の軸受合金を用いて焼結
法で平軸受を作る場合、焼結温度を８４０℃以上に上げ
ると、鉛成分がベーパーライズして作業環境を悪くする
恐れがある。従って、８００℃で焼結が行われていたＬ
ＢＣ−３は充分な接合強度となっていなかったものが多
かった。
【００２５】複層材をプレスで押圧後の焼鈍温度は、８
４０℃よりも低いとプレスでの押圧時に鉄板が受けた加
工歪を除去できず、この焼鈍温度が８８０℃を超えると
鉄板と軸受合金の接合強度が弱くなってしまう。
【００２６】焼結後に複層材の軸受合金を緻密化するた
めプレスで押圧するが、この時のプレス荷重が１５０ト
ン未満では軸受面の緻密化ができず、２５０トンよりも
大きい荷重では軸受合金を必要以上に圧縮して寸法制度
が悪くなってしまう。
【００２７】本発明者らの研究結果によれば、軸受特性
は初期磨耗が小さければ小さいほどよくなることが分か
った。つまり平軸受製造時に軸受合金の表面粗さを０．
１μｍＲａ以下にすると優れた軸受特性を発揮できるも
のである。この０．１μｍＲａ以下の仕上げ表面にする
ためには特殊な研磨装置で行なうが、プレスで緻密化し
た表面は非常に荒れており、このまま研磨装置で研磨し
てもこの仕上げ面は得られない。そこで本発明では、緻
密化処理後、切削機械により０．３〜１μｍＲａの粗仕
上げを施しておき、その後、研磨装置で表面を研磨して
０．１μｍＲａ以上に仕上げる。
【００２８】
【実施例】実施例、比較例およびＬＢＣ−３の軸受合金
の組成を表１に示す。
【表１】
【００２９】実施例，比較例、ＬＢＣ−３における軸受
面圧と周速の関係を図１に示す。軸受面圧の測定試験
は、スラスト摩擦試験機を用い、大気中オイル（８０
℃）循環段階荷重試験で行なった。また実施例、ＬＢＣ
−３の焼付面圧と摩擦係数を図２に示す。焼付面圧と摩
擦係数の試験は、軸受形状がスワッシュ式に使用される
平軸受であり、試験方法はスラスト摩擦試験機を用い、
油温８０℃、摩擦速度１６．５ｍ／secで行なった。図
からも分かるように、実施例の軸受合金は軸受特性が比
較例よりも優れており、LBC−３と略同等、或いはそれ
以上である。
【００３０】次に本発明の平軸受の製造方法について説
明する。ここではカーエアコン用の斜板に使用する平軸
受を製造する方法を説明する。斜板は表裏に軸受面を形
成するため、片面に一次散布・焼結を行なった後、もう
一方の面にも二次散布・焼結を行なうが、二次散布・焼
結は一次散布・焼結と同一作業であるため説明は省略す
る。
【００３１】（ａ）散布工程：厚さ５．０ｍｍ、直径８
０ｍｍの鉄板上に実施例１の軸受合金の粉末を厚さ０．
３ｍｍで均一に散布する。 （ｂ）焼結工程：軸受合金粉末が散布された鉄板を水素
雰囲気となった加熱炉中で８６０℃で１５分間加熱し
て、軸受合金粉末同士、および軸受合金と鉄板とを接合
して複層材にする。 （ｃ）押圧工程：焼結が終わった複層材をプレスで２０
０トンの荷重で押圧し、焼結後の軸受合金を緻密化す
る。 （ｄ）焼鈍工程：プレスで押圧された複層材を、加工歪
除去と加工硬化除去のために水素雰囲気の加熱炉中で８
６０℃で１５分間加熱する。 （ｅ）粗仕上げ工程：焼鈍した複層材の軸受合金面をＮ
Ｃ旋盤で研削して表面粗さを約０．５μｍＲａに粗仕上
げする。 （ｆ）精密仕上げ工程：粗仕上げした複層材の表面を研
磨装置で研磨して表面粗さを０．１μｍＲａに精密仕上
げする。
【００３２】続いて従来の平軸受の製造方法について説
明する。 （A）散布工程：厚さ５．０ｍｍ、直径８０ｍｍの鉄板
上に実施例１の軸受合金の粉末を厚さ０．３ｍｍで均一
に散布する。 （B）焼結工程：軸受合金粉末が散布された鉄板を水素
雰囲気となった加熱炉中で８００℃で１５分間加熱し
て、軸受合金粉末同士、および軸受合金と鉄板とを接合
して複層材にする。 （C）押圧工程：焼結が終わった複層材をプレスで１５
０トンの荷重で押圧し、焼結した軸受合金を緻密化す
る。 （D）焼鈍工程：プレスで押圧された複層材を、加工歪
除去と加工硬化除去のために水素雰囲気の加熱炉中で８
００℃で１５分間加熱する。 （E）仕上げ工程：焼鈍した複層材の軸受合金面をＮＣ
旋盤で表面粗さが約０．５μｍＲａに研削する。
【００３３】上記本発明の製造方法で得られた平軸受の
焼結合金と鉄板との剪断強度は２００ＭＰａであり、焼
付面圧は２５MＰａであった。そして上記従来の製造方
法で得られた平軸受の焼結合金と鉄板との剪断強度は１
６０ＭＰａであり、焼付面圧は２２MPａであった。
【００３４】
【発明の効果】本発明の平軸受は、鉛が含まれていない
にもかかわらず従来のＬＢＣ−３と同等以上の軸受特性
を発揮できるため、高荷重・高速の過酷な条件が要求さ
れるカーエアコンや建設機械等のスワッシュ式コンプレ
ッサーの斜板に用いられても、長期間にわたって平軸受
やピストンシューを傷付けたり焼付けを起こしたりする
ことがないという優れたものである。また本発明の平軸
受は鉛が全く含まれていないため、自動車や建設機械が
古くなって廃棄されたとき、平軸受の部分を埋め立て処
分しても鉛で地下水を汚染することがないという環境に
充分に配慮されたものである。そして本発明の平軸受の
製造方法は、軸受合金粉末同士、軸受合金粉末と鉄板と
の接合強度を強くできるばかりでなく、さらには初期磨
耗をきわめて小さくできるというスワッシュ式コンプレ
ッサー用斜板に最適な平軸受が作れるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例、比較例、ＬＢＣ−３における軸受面圧
と周速の関係を表したグラフ
【図２】実施例、ＬＢＣ−３における焼付面圧と摩擦係
数のグラフ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ２２Ｆ 3/24 Ｂ２２Ｆ 3/24 Ｆ 7/02 7/02 7/04 7/04 Ｄ Ｃ２２Ｃ 1/04 Ｃ２２Ｃ 1/04 Ａ 1/05 1/05 Ｅ 9/02 9/02

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】Sn７〜１３質量％、Ag０．１〜５質量％、
    残部Cuからなる軸受合金粉末が円盤状の鉄板に焼結法で
    接合されていることを特徴とする鉛フリー平軸受。
  2. 【請求項２】Sn７〜１３質量％、Ag０．１〜５質量％、
    残部Cuからなる軸受合金粉末に、二硫化モリブデン粉末
    ０．０５〜０．５質量％、黒鉛粉末０．１〜２質量％の
    うちの一種以上を混合した軸受合金粉末が円盤状の鉄板
    に焼結法で接合されていることを特徴とする鉛フリー平
    軸受。
  3. 【請求項３】（ａ）鉄板上に鉛フリーの軸受合金粉末を
    散布する散布工程と、（ｂ）軸受合金粉末が散布された
    鉄板を水素雰囲気中で８４０〜８８０℃で加熱して、軸
    受合金粉末同士および軸受合金粉末と鉄板とを接合して
    軸受合金面を有する複層材にする焼結工程と、（ｃ）前
    記複層材を１５０〜２５０トンの圧力で押圧して軸受合
    金面を緻密化する押圧工程と、（ｄ）軸受合金が緻密化
    された複層材を水素雰囲気中で８４０〜８８０℃で加熱
    する焼鈍工程と、（ｅ）軸受合金面を切削加工で０．３
    〜１μｍＲaの表面粗さに加工する粗仕上げ工程と、
    （ｆ）粗仕上げした軸受合金面を研磨加工で０．１μｍ
    Ｒa以下の粗さに研磨する精密仕上げ、からなることを
    特徴とする平軸受の製造方法。
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