JP2005505688A - 鉛を含有しない軸受 - Google Patents

Abstract

鉛を含有しない軸受が、鋼製裏当てに接合された青銅の基質の焼結金属軸受層を含み、この焼結金属軸受層は、完全に緻密化される。軸受材料は、約８〜１２質量％のスズと、約１質量％以上５質量％未満のビスマスと、約０．０３〜０．０８質量％のリンとを有し、残部は銅である。スズは銅中に固溶して青銅の基質を生じ、ビスマスは、微分散して固溶しなかった島状構造として基質全体に存在する。このような軸受は、従来の青銅−鉛の軸受のものに匹敵するか、またはそれよりも優れた物理的特性と、焼付特性における摩耗の改善とを提供する。

Description

【技術分野】
【０００１】
この出願は、２００１年１０月８日に出願された米国仮出願第６０／３２７，８８６号の利益を請求する。
【０００２】
発明の背景
１．技術分野
この発明は、一般に滑り型の軸受に関し、より特定的に、たとえばエンジン軸受で用いられる鋼製の裏当てに焼結金属青銅軸受材料が適用される軸受に関する。
【背景技術】
【０００３】
２．関連技術
エンジン軸受の応用例では、クランク軸等を支持するため、鋼製の裏当てに焼結金属青銅合金を接合することが一般的である。銅スズの基質は、使用中の軸受が受ける負荷に耐え得る強力な軸受面を提供する。このような軸受は、適切な耐摩耗性および耐焼付性の特性も呈示しなければならないため、青銅の基質に対し、軸受面に対する潤滑剤として働く一定量の鉛を加えることが一般的である。また、軸受の摩耗および焼付に関する特性をさらに高めるために、作動面にスズのフラッシュコートを加えることも一般的である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
環境上の考慮事項のために鉛のさまざまな代替物が研究されてきたが、エンジン軸受の強度、摩耗および焼付に関する特性を過度に犠牲にすることなく、真に鉛の代わりとなる能力を示すものはこれまでになかった。この発明の目的は、鉛を含有する軸受に匹敵するか、またはそれよも優れた特性を呈示する、鉛を含有しない適切な青銅のエンジン軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
発明の概要および利点
出願人は、制御された量のリンおよび制御された量の焼結金属青銅と共にビスマスを合金にした場合、結果的に、その物理的な特性が青銅−鉛の軸受のものに等しいか、またはそれよりも優れており、かつ、鋼で裏当てした焼結金属青銅−鉛のエンジン軸受のものに等しいか、またはそれを超える耐摩耗性および耐焼付性の特性をも呈示する、鋼で裏当てしたエンジン軸受がもたらされることを発見した。
【０００６】
この発明に従って構成されたエンジン軸受は、鋼製の裏当てに接合される、本質的に鉛を含有しない焼結金属軸受材料を含む。この軸受材料は、本質的に８〜１２質量％のスズと、１質量％以上５質量％未満のビスマスと、０．０３〜０．８質量％のリンとからなり、本質的に銅からなる残部を有する。
【０００７】
この発明に従って構成されたエンジン軸受は、引張り強度≧４００ＭＰａ、降伏強度≧２９０ＭＰａ、伸び≧１０％、および硬度≧１３０Ｈｖ０．５／１５という物理的特性を呈示する。比較として、１０質量％のスズおよび１０質量％の鉛を有する従来の銅−スズ−鉛の軸受は、平均として、２２３ＭＰａというかなり低下した降伏強度、３０１ＭＰａという同等の引張り強度、約８％という低下した伸び、および約９６ＨＶ０．５／１５という低下した硬度とを呈示する。さらに比較するために、上述のタイプの従来の銅−スズ−鉛の軸受と対照して、この発明に従って準備された軸受に同一のエンジン摩耗試験が実施された。従来の銅−スズ−鉛のエンジン軸受が、摩耗により約１２ミクロンの損失を呈示する一方で、この発明に従って準備された軸受は、平均で約１０〜１１ミクロンを呈示し、この発明に従った軸受の耐摩耗性および耐焼付性が、たとえ従来の銅−スズ−鉛のエンジン軸受のものに優っていないとしても、少なくともそれと同じ程度良好であることを示した。
【０００８】
驚くべきことに、この発明に従って準備された軸受は、使用中に摩擦摺動負荷を受けると、最初は銅中に均一に固溶して銅−スズの基質として働いている一定量のスズを、軸受面に移動させる有利な特性を呈示し、その結果、軸受が製造されて用いられる応用例に設置された時点では存在していなかった、かなり高い濃度のスズが軸受面に生じることが分かった。このようにスズが移動して、スズを極めて多く含む層が軸受面に形成されることは、軸受の潤滑性を大いに増大させ、したがって、軸受が一旦使用されると軸受の耐摩耗性および耐焼付性の特性を高めることに寄与する。このようなスズの移動は、従来の銅−スズ−鉛の軸受では認められず、ニッケル等の提案された他の鉛の代替物でも認められなかった。完全には理解されていないが、ビスマスは、摩擦摺動負荷を受けると基質内のスズと反応してスズを効果的に移動させ、スズを軸受面に引寄せると考えられる。試験の後、この発明に従って準備されたエンジン軸受の目視検査により、軸受面が、光沢のあるスズの色をした軸受面を有することが示され、軸受に対して実施された化学的な分析により、表面のスズの濃度が、表面より下の銅−スズの基質からなるスズの濃度が均一なままの残りの部分よりもかなり高いことが示された。
【０００９】
スズの移動というこの驚くべき特性は、軸受を使用する前に、軸受面にスズのフラッシュコートを適用する必要性をなくすか、または最小限にするという利点を有する。フラッシュコートの工程をなくすことにより、時間および設備を節約し、エンジン軸受の製造を単純化するだけではなく、そのコストを下げる。
【００１０】
エンジン軸受から鉛を排除することにより、環境に一層適したエンジン軸受を提供するという利点を有し、この発明が必要とする態様で鉛の代わりにビスマスを用いることにより、エンジン軸受を製造する方法を大きく変化させる必要なく、同等のまたはそれ以上の強度および耐摩耗性／耐焼付性の特性を提供するという利点を有する。したがって、この発明に従って準備されたエンジン軸受は、新規の応用例か、またはそうでなければ銅−スズ−鉛の軸受を必要とする既存の応用例にも容易に適合させることができ、この発明に従った軸受の作製者は、新規のまたは異なる製造設備を必要とすることなく、かつ、おそらくは従来の銅−スズ−鉛の軸受の製造に通常関連する工程および設備のいくつかを省略しながら、このような軸受の作製に適応することができる。
【００１１】
この発明のさらに別の局面によると、銅−スズ−鉛ビスマスの焼結金属材料が、ガスアトマイズされた銅−スズ−ビスマス粉末と水アトマイズされた銅−スズ−ビスマス粉末との配合物から生成される場合、或る利点が認められた。ここでも、完全には理解されていないが、粉末が生成される過程がスズの移動性または軸受面に寄与すると考えられている。
【００１２】
この発明のこれらのおよび他の目的、特徴、ならびに利点は、以下の説明および図面とともに読まれると、より容易に明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
詳細な説明
この発明に従って構成された軸受が、エンジン軸受の形として図１の１０において概略的に、および図２の１０′において示され、１０′は、ピストンのリストピンを支持するための連接ロッドの小さな端部開口部で用いられるもの等のピンブッシングを示す。簡潔にするために、以下の説明はエンジン軸受１０を参照して行なわれるが、この説明がピンブッシング１０′にも等しく当てはまることを理解されたい。
【００１４】
エンジン軸受１０は、エンジンのクランク軸等の回転軸を支持するために、エンジン等内でもう一方のハーフシェルの軸受と組合せて用いられるハーフシェルを含むタイプのものである。軸受１０は、凹状の内面１４と凸状の外面１６とを有する、鋼製の裏当てシェル１２を有する。軸受材料１８が内面１４に適用される。軸受材料１８は鉛を含有しない。鉛を含有しないことは、この軸受材料が鉛を全く含まないか、または不純物による副次的な量の鉛しか含有しないことを意味する（すなわち約０．５％未満）。
【００１５】
軸受材料１８は、青銅合金の粉末または青銅合金の配合物から生成される。焼結金属軸受材料が裏当て１２に焼結および接合されることで、裏当て１２の内面１４に軸受材料のライニングが設けられる。青銅軸受の技術の当業者には公知であるように、軸受材料を裏当て１２に接合するために用いられる技術は、遊離した粉末の形をとった軸受材料１８を内面に付けた後、その軸受材料を加熱して、焼結して、圧延してから再び焼結し、軸受材料１８からなる本質的に孔のない完全に緻密化された層を生じることを含み、軸受材料１８は、冶金学的に、裏当て１２に永久に接合または結合されて、結合された多層軸受構造を形成する。完全な緻密化により、粉末の軸受材料１８が圧縮されてほぼ完全に理論上の密度まで焼結されて、この発明が方向付けられていない多孔質の含油軸受の意味において、油または他の物質に対して実質的に不浸透性であることを意味する。したがって、完全な緻密化またはほぼ完全な緻密化とは、軸受材料１８が完全に理論上の密度の９９％、好ましくは９９．５％より高く、より好ましくは９９．９％以上の密度を有することを意味することが理解される。
【００１６】
青銅合金の軸受材料１８は、約８〜１２％、より好ましくは９〜１１％の範囲の量のスズと、約１〜５％、より好ましくは３〜４％に等しい量のビスマスと、約０．３〜０．８質量％、より好ましくは０．３〜０．７質量％に等しい量のリンとを含有し、本質的に銅からなる残部を有し、以下により詳細に説明するように、軸受材料またはスズの移動性の物理的な特性を損なわない副次的な不純物および他の添加物を許容する。
【００１７】
接合された軸受層１８は、スズが銅中に固溶した状態の銅およびスズの基質２２を有する。リンが同様に基質中に固溶している。ビスマスは銅中に固溶できず、図３に概略的に示されるように、島状構造の微分散として存在するか、または、銅−スズの基質２２の体積の全体にわたって実質的に均一に分散したビスマス２０の相として存在する。
【００１８】
この発明に従った軸受の応用例において、ビスマスは鉛の代替物として働き、この発明が必要とする制御された量（すなわち、１質量％以上５質量％未満）で用いられると、鉛では得られなかったさらに別の特性を提供することが分かっている。この発明の、接合圧延されて焼結され、完全に緻密化された軸受ライニング１８は、以下の物理的な特性を呈示することが分かっている。
【００１９】
引張り強度≧４００ＭＰａ
降伏強度≧２９０ＭＰａ
伸び≧１０％
硬度１３０≧ＨＶ０．５／１５
これらの物理的な特性は、以前の段落で論じたように、従来の銅−スズ−鉛のエンジン軸受に見合うか、またはそれを超える。加えて、この発明に従って構成されたエンジン軸受は、従来の銅−スズ−鉛のエンジン軸受に比べ、同等のまたはそれよりも優れた耐摩耗性および耐焼付性の特性を有する。エンジンの比較試験において、この発明に従って構成されたエンジン軸受が約１０〜１１ミクロンの材料の損失を呈示したのに対し、同じ条件下で試験した従来の銅−スズ−鉛軸受は１２ミクロンの損失を呈示し、この発明に従って構成された軸受の摩耗が、従来の銅−スズ−鉛の軸受に比べて約１０％減少していることが示された。
【００２０】
これらの材料に対して行なわれた研究では、驚くべきことに、この発明に従って上に明示した範囲内でエンジン軸受を準備した場合、この発明に従って構成された軸受が、従来の銅−スズ−鉛のエンジン軸受を必要とする現在のまたは将来の応用例に取って代わることを可能にする、一際優れた物理的特性が得られることが分かった。完全には理解されていないが、この顕著な物理的特性に寄与する重要な要因の１つがリンの存在であり、リンは、溶解および粉末へのアトマイズ化、軸受材料の裏当て１２への完全に緻密な接合圧延および焼結の間における、合金の脱ガスに効果的である。加えて、合金に加えるビスマスの量を制御することによって、上で述べた物理的特性に加えて疲労強度も維持される。ビスマスは、５％以上の量を加えると、基質の構造を弱める作用を有する。なぜなら、ビスマスが基質２２内に固溶せず、ビスマスの島状構造２０が、事実上ビスマスで充填された孔になってしまうためであり、これがなければ強力な基質になるはずである。存在するビスマスの量が多すぎると、島状構造（したがって、それらが充填する孔）が大きくなりすぎて、この材料の所望の物理的特性が失われる。したがって、この発明が必要とする範囲内のビスマスを加えると、エンジン軸受の応用例に所望されて上に示されたものよりも基質の物理的特性を低下させないことが示された。
【００２１】
また、ビスマスは驚くべきことに、軸受層１８の耐摩耗性および耐焼付性の特性に対し、極めて望ましい好影響を有することが分かった。図３に示されるように、軸受１０が製造されてエンジンに取付けられるときは、スズが銅に完全に固溶して、均一な銅−スズの基質２２をもたらす。しかしながら、驚くべきことに、軸受層１８の露出された軸受面２４に摩擦圧縮摺動負荷がかかる動作中において、基質内の一定量のスズが基質を通って軸受面２４に移動して、図４に示すように軸受面２４においてスズの濃度が高い層２６を生じることが分かった。このスズの濃度が高い層２６は、軸受面２４において潤滑剤として働き、軸受１０全体の耐摩耗性および耐焼付性を減じる作用を有する。軸受１０が摩耗するにつれて、軸受材料１８は、基質２２内のスズの移動性によって層２６が常に存在して生じるように、スズの濃度が高い層を連続して補充するという特性を有する。スズの移動性は、軸受を使用する負荷／摩擦の条件下において固溶しているスズとビスマスとの反応から生じるものと考えられる。基質２２の完全に緻密な焼結金属構造と組合わさってビスマスが存在することにより、スズの濃度が高い層２６を生じる際に、基質から表面２４にスズを輸送するための輸送手段が提供される。銅−スズ−ビスマスの軸受材料１８が、軸受面２４においてそれ自体のスズの濃度が高い層２６を生じる特性を有しているため、上で述べた従来のタイプの青銅−鉛のエンジン軸受にしばしば適用されているようなスズのフラッシュコートまたは他のスズの上張りを軸受材料１８に適用する必要性が一般になくなる。
【００２２】
比較として、スズの移動性は、銅−スズ−鉛の軸受では存在することが認められていない。銅−スズ−ニッケルの合金に対しても試験が実施されたが、スズの移動性が存在することは、やはり認められなかった。この発明によって特定された量のビスマスだけが、銅−スズの基質の物理的特性を過度に損なうことなくスズの移動性を提供して、摩耗および焼付の特性を改善することが分かった。
【００２３】
この発明のさらに別の局面によると、銅が主成分の焼結金属混合物が、銅が主成分のガスアトマイズされた粉末および銅が主成分の水アトマイズされた粉末の配合物から調製される。このガス／水アトマイズされた配合物の試験片が、この材料を成形して焼結することによって準備された。試験片は、ガスアトマイズされた粉末のみからなる比較組成からも同様に準備され、別の組の試験片が水アトマイズされた粉末のみで生成されるが、第１の試験片のガス／水の配合物に対する比較組成を有する。これらの３つの組の試験片の物理的特性を測定して、それらの特性を比較した。驚くべきことに、ガス／水アトマイズされた配合物は、１００％ガスアトマイズされた粉末または１００％水アトマイズされた粉末のいずれかからなる比較組成の試験片に比べ、物理的特性が著しく向上していることが分かった。物理的特性の向上は、降伏強度、引張り強度、延性、硬度、および耐焼付性を含み、これらはすべて、銅が主成分の焼結された焼結金属のブッシングおよび軸受の応用例において重要な役割を果たす。
【００２４】
【表１】

【実施例１】
【００２５】
１００％水アトマイズされた粉末組成物が、銅９０と、スズ１０と、混合物内に存在する銅−スズの３．２質量％に等しい量のビスマスとを有して調製された。水アトマイズされた粉末は、軸受製造の慣例に従って圧縮されて、鋼製の裏当てストリップ上に焼結されて、焼結された層の物理的特性が、表１に明示されるように求められた。
【実施例２】
【００２６】
同じプロセスが、１００％水アトマイズされた、５質量％のビスマスを含む９０／１０銅−スズに対して繰返された。物理的特性が測定され、表１に示される。１００％水アトマイズされた粉末を有する約３〜５質量％のビスマスからは特性の大きな差がないことが分かる。
【実施例３】
【００２７】
１００％ガスアトマイズされた粉末が、銅９０と、スズ１０と、粉末組成物内の銅およびスズの量に対して約４質量％に等しい量のビスマスとを含有して調製された。実施例１に対して上で述べた手順に従い、試験標本が成形されて焼結された。物理的特性が測定され、表１に明示される。ほぼ同量のビスマスを含有する１００％水アトマイズされた粉末に対し、１００％ガスアトマイズされた粉末の物理的特性に大きな差のないことが分かる。
【実施例４】
【００２８】
この発明に従った粉末組成物が、ガスアトマイズされた粉末および水アトマイズされた粉末の配合物を用いて調製され、これらの粉末は、ともに混合されて、銅９０と、スズ１０と、混合物内の銅およびスズの量に対して約４質量％に等しい量のビスマスとを有する
組成物を生じた。
【００２９】
この配合物は、銅の量に対して約８質量％のビスマスを有する銅−ビスマス合金を予め合金にすることによって調製された。銅−ビスマスの合金は水アトマイズされて、水アトマイズされた銅−ビスマス粉末を生じた。この粉末に対し、配合された粉末混合物内におけるビスマス全体の質量％を銅およびスズ全体の約４質量％にまで減じる量において、或る量のガスアトマイズされた銅−スズの粉末が加えられた。この均一に配合された混合物は、実施例１に対して上で述べた同じ手順に従い、成形されて焼結された。
【００３０】
物理的特性が測定されて、表１に示される。驚くべきことに、１００％水アトマイズされた粉末または１００％ガスアトマイズされた粉末のいずれかからなる比較組成物の物理的特性に比べ、配合された水／ガスアトマイズされた混合物の物理的特性が著しく増大した。たとえば、水アトマイズされた粉末またはガスアトマイズされた粉末のいずれかのみと比較して、配合された組成物の耐焼付性は約４５％増大しており、ガスアトマイズされた粉末または水アトマイズされた粉末のいずれかのみに比べ、配合された組成物の延性（％延性）は約５００〜８００％増大している。また、配合物に寄与する他の物理的特性の各々にも著しい増大がある。
【００３１】
ビスマスの量は、配合された混合物内で約１％〜約１５％の間を変動し得る。
【００３２】
この発明は、銅が主成分であって、さらに、単独の水アトマイズされた粉末またはガスアトマイズされた粉末に優る物理的特性の同じまたは他の利益から恩恵を受ける、水／ガスアトマイズされて配合された他の粉末組成物を企図している。このような系は、銅−スズ−銀、銅−スズ−鉛、銅−スズ、銅−亜鉛−ビスマス、銅−亜鉛−鉛、銅−亜鉛−銀、および銅−亜鉛を含む。また、ビスマス、鉛、または銀の成分の一部を他のものに置き換えてよく、銅−スズまたは銅−亜鉛の系が、好ましくは水／ガスアトマイズされた配合物のうちの水アトマイズされた成分として、ビスマスおよび鉛、ビスマスおよび銀、鉛および銀、またはこれらの３つをすべて組合せたものの量を含み得るようにすることができる。
【００３３】
好ましい銅−スズ−ビスマスが配合された粉末混合物において、均一に配合された混合物は、好ましくは鉛を含有せず、質量比での以下の組成範囲、すなわち主成分としての銅、９〜１１％のスズ、最大０．１％の鉛、１〜１０％のビスマス、０．３〜０．７％のリン、最大０．５％のそれぞれ亜鉛およびニッケル、最大０．３５％の鉄、最大０．１５％のアンチモン、最大０．０１５％の硫黄、ならびに最大０．００５％のそれぞれアルミニウムおよびケイ素を有する。
【００３４】
明らかに、この発明の多数の変更および変形が、上の教示に照らして可能である。したがって、前掲の請求項の範囲内において、特別に説明したものとは別の態様でこの発明を実施できることを理解されたい。この発明は、請求項によって規定される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この発明に従って構成されたエンジン軸受の概略斜視図である。
【図２】この発明に従って構成されたピンブッシングの斜視図である。
【図３】この発明に従った軸受の、製造されて使用前の状態の拡大部分断面図である。
【図４】図３と同様の図であるが、使用期間後の軸受を示す図である。

Claims (13)

1. 鋼製の裏当てに接合される、本質的に鉛を含有しない焼結金属軸受材料を含み、前記軸受材料は、本質的に８〜１２質量％のスズと、１質量％以上５質量％未満のビスマスと、０．０３〜０．０８質量％のリンと、本質的に銅からなる残部とからなる、軸受。
2. 前記焼結金属軸受材料は、本質的に完全に緻密化される、請求項１に記載の軸受。
3. 前記軸受材料は、
   引張り強度≧４００ＭＰａ
   降伏強度≧２９０ＭＰａ
   伸び≧１０％
   硬度≧１３０ＨＶ０．５／１５
   の特性を呈示する、請求項２に記載の軸受。
4. 接合された軸受材料は銅−スズの基質を有し、前記銅−スズの基質にはリンが固溶し、かつ、固溶していないビスマスの島状構造が分散している、請求項２に記載の軸受。
5. 前記接合された軸受材料は、摺動可能な態様で部材を支持するための軸受面を示し、前記接合された軸受材料は、使用中において経時的に摩擦摺動負荷を受けると前記銅−スズの基質のスズの一部を前記軸受面に移動させて、前記銅−スズの基質内のスズの濃度を超えるスズの濃度が前記軸受面に存在する前記軸受材料の変更された構造を提供する特性を呈示する、請求項４に記載の軸受。
6. スズの移動は、前記銅−スズの基質中に固溶しているスズと、固溶していないビスマスとの反応から生じる、請求項５に記載の軸受。
7. 前記軸受は、エンジン軸受を含む、請求項５に記載の軸受。
8. 前記軸受材料は、使用中に摺動負荷の摩擦を受けると、耐摩耗性および耐焼付性が増大する特性を呈示する、請求項１に記載の軸受。
9. 前記軸受材料は、ガスアトマイズされた粉末と、水アトマイズされた粉末との配合物を含む、請求項１に記載の軸受。
10. 前記ガスアトマイズされた粉末および前記水アトマイズされた粉末は、各々が一定量のビスマスを含有する、請求項９に記載の軸受。
11. 前記水アトマイズされた粉末は、前記ガスアトマイズされた粉末のものよりも比較的高いビスマスの濃度を有する、請求項１０に記載の軸受。
12. 鉛を含有しない軸受を製造する方法であって、
    鋼製の裏当てに焼結金属軸受材料を適用するステップを含み、前記軸受材料は、本質的に８〜１２質量％のスズと、１質量％以上５質量％未満のビスマスと、０．０３〜０．０８質量％のリンと、本質的に銅からなる残部とからなる組成を有し、前記方法はさらに、
    前記焼結金属軸受材料を前記裏当て上に圧延および焼結して、前記軸受材料を前記裏当てに接合して、前記軸受材料を完全に緻密化するステップを含む、方法。
13. 使用の際に前記軸受を設置するステップと、前記軸受材料の露出された軸受面に摩擦および負荷の力をかけるステップと、前記軸受材料の銅−スズの基質から前記軸受面にスズを移動させて、前記軸受面にスズの濃度が高い層を生じるステップとを含む、請求項１２に記載の方法。