JPH01307512A - 多層アルミニウム合金すべり軸受およびその製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） この発明は、自動車、船舶、農業機械等の軸受に関し、
特に内燃機関類の軸受として、非焼付性、耐疲労性、及
び耐フレツチング特性に優れた多層アルミニウム合金す
べり軸受に関する。

（従来の技術） 従来、アルミニウム合金すべり軸受としては、ガソリン
エンジン又は小型乗用車用エンジン等に使用される場合
にはすべり軸受表面にはオーバレイを施こさない状態で
使用するのが一般的であった。但しごく一部の高負荷エ
ンジン又は中速デイ−セルエンジン用として使用される
上記すべり軸受には、ニッケルメッキ中間層を有し、且
つ鉛合金を主体とするオーバーレイを有するアルミニウ
ム合金軸受が使用されていた。またオーバーレイとして
の錫又は錫合金は、１部の中低速船用エンジンの軸受と
して銅−鉛合金又は鉛青銅合金の上に施された例もあっ
た。これは特に鉛合金に比較して耐腐食性、耐摩耗性に
優れた錫合金の特性を利用したものである。アルミニウ
ム合金の上への錫゛オーバーレイは特開昭６１−１５３
２８６に示され、この公報ではアルミニウム軸受合金の
上にニッケル中間層無しで直接に錫をメッキした材料が
開示されている。

（発明が解決しようとする問題点） 最近特に乗用車等小型用のガソリン又はディーゼルエン
ジンは高速回転側で使用され、そのためエンジン軸受は
より一層の非焼付特性、耐摩耗特性、耐疲労特性、耐腐
食性及び耐フレツチング特性の向上が必要となってきた
。従来の鉛合金オーバーレイ付き銅−鉛合金軸受又は鉛
−青銅合金軸受は耐腐食性に問題があった。最近特にエ
ンジン軸受の高寿命化及びエンジンの高回転に伴う高油
温化により潤滑油の劣化が激しくなり、その結果生じる
有機酸が銅−鉛合金又は鉛−青銅合金を著しく腐食させ
る場合がある。更に最近のエンジンの低コスト化を達成
するため、クランクシャフトにダクタイル鋳鉄を使用す
る場合が増え、この場合にはこれら従来の三層軸受に関
し、オーバーレイの早期摩耗又は早期焼付を生じること
が多かった。

以上の問題により、最近では銅−鉛系三層軸受の代りに
アルミニウム合金軸受が使用されている。アルミニウム
合金はダクタイル鋳鉄軸との相性も良く、耐腐食性につ
いても充分満足できる特性を有する。しかしこのアルミ
ニウム合金をオーバーレイの無いままで軸受として使用
すると、片当りやミスアライメントが生じ、またアルミ
ニウム合金はゴミの埋収性に劣る為、その適用条件が悪
いと早期に焼付現象を生じる場合があった。しかしなが
ら、このアルミニウム合金軸受に特開昭６２−１１００
２１号公報に示されているように従来の鉛合金を主成分
とするオーバーレイを施すと、再び耐腐食性及び耐摩耗
性の問題が生じる。そこで特開昭６０−３６６４１では
鉛合金の代りに錫合金オーバーレイを適用することが開
示されている。また特開昭６１−１５３２８６ではアル
ミニウム軸受合金の上にニッケルの中間層無しで直接錫
をメッキした材料が開示されている。

しかしながらこれらの方法は、次のような問題点を有し
ていた。一般にアルミニウム合金上に電気メッキにより
オーバーレイを施す場合その接着力を確保するためＮｉ
　、　Ｇｏ　、　Ｆｅ等の中間層を設けるのが通常であ
った。ところがこれらの中間層は非常に硬いためオーバ
ーレイが摩滅すると表面に露出し、シャフトと接触して
焼付やかじりが発生し、近年特にこの中間層を設けるこ
とにより生じる欠点が指摘されていた。この中間層を設
けずに直接オーバーレイを施こす方法も存在するが、こ
の場合のオーバーレイの接着強さは中間層（従来技術で
は通常０．５〜０．３　ｐｍの厚さ）を有するオーバー
レイの接着強さと比較して非常に劣っており、直接に設
けられたこのオーバーレイは初期なじみ性は良好である
が耐久性に劣り、層状摩耗あるいはオーバーレイ層の剥
離を生じる欠点を有していた。このためこのオーバーレ
イ層は単に犠牲的層として設けられているにすぎなかっ
た。

一方、最近のエンジンの小型化と軽量化はハウジング剛
性の低下を伴ない、そのため軸受背面のフレツチング現
象（即ち微少振幅の相対運動を受ける接触２面間に生じ
る摩耗現象）が大きい問題点としてクローズアップされ
ている。

この発明の第１の目的は、従来技術の前記欠点が解消さ
れた多層アルミニウム合金すべり軸受とその製造方法と
を得ることである。この発明の第２の目的は、従来技術
の前記欠点を解消すると共に軸受背面のフレツチング現
象に関し改善された多層アルミニウム合金すべり軸受と
その製造方法とを得ることである。

（問題点を解決するための手段） この発明の第１の目的を達成する多層アルミニウム合金
すべり軸受は、鋼裏金層と、この鋼裏金層に接合された
アルミニウム軸受合金層と、このアルミニウム軸受合金
に接合されたオーバーレイ層とを有し、オーバーレイ層
は重量で０〜１５％の銅と０〜２０％のアンチモンと残
部すずとから実質上成り、該オーバーレイ層とアルミニ
ウム軸受合金層との間に、ニッケルとコバルトと鉄とか
ら成る群から選択された１種とオーバーレイ層とが混在
した混在層が０．５ミクロンを越えない厚さ存在する構
成を有する。

この発明の第２の目的を達成する多層アルミニウム合金
すべり軸受は、鋼裏金層と、この鋼裏金層の内側の面に
接合されたアルミニウム軸受合金層と、このアルミニウ
ム軸受合金層に接合されたオーバーレイ層と、鋼裏金層
の外側の面に接合されオーバーレイ層と同一の成分組成
から成る背面メッキ層とを有し、オーバーレイ層は重量
で０〜１５％の銅と０〜２０％のアンチモンと残部すず
とから実質上成り、該オーバーレイ層とアルミニラ、ム
軸受合金層との間に、ニッケルとコバルトと鉄とから成
る群から選択された１種とオーバーレイ層とが混在した
混在層が０．５ミクロンを越えない厚さ存在する構成を
有する。

背面メッキ層は０．１〜５ミクロンの範囲の厚さを有す
ることが好ましい。０．１ミクロンより小さい厚さでは
背面メッキ層を設けることによるフレツチング現象を防
止する効果がなく、５ミクロンより大きな値の厚さであ
るとマイグレーション現象（即ち接触２面間の微小運動
により、２面間に異物、劣化物または摩耗粉が集堆積す
る現象）が生じやすくなる。

該混在層の厚さは好ましくは０．０５〜０．３ミクロン
である。

オーバーレイ層は好ましくは５％以下のＣｕと０．５〜
１０％のｓｂと残部Ｓｎとから成る。

この発明の多層アルミニウム軸受すべり軸受の製造方法
は、鋼裏金とこの上に内張りされたアルミニウム軸受合
金とを有する半円筒形状あるいは円筒形状の素材を作る
段階と、無電解メッキにより０．５ミクロンより小さな
厚さで且つニッケルとコバルトと鉄とから成る群から選
択された一種の層をアルミニウム軸受合金表面に設ける
段階と、電解メッキにより重量で０〜１５％ＣｕとＯ〜
２０％ｓｂと残部８ｎとから成るオーバーレイ層を前記
ニッケルとコバルトと鉄とから成る群から選択された一
種の層の表面に設ける段階と、を有することを特徴とす
る。

（作用） 本発明者は、多層アルミニウム合金すべり軸受のオーバ
ーレイ層とアルミニウム軸受合金層との間に、０．５ミ
クロンより小さい厚さで且つニッケルとコバルトと鉄と
から成る群から選択された一種とオーバーレイの組成と
が混在する混在層を設けることにより、従来技術の欠点
即ちオーバーレイを設けないアルミニウム合金軸受に生
じる上記欠点と中間層なしでオーバレイを設けることに
よる上記欠点と中間層を介在させてオーバレイを設ける
ことによる上記欠点とのいずれの欠点も解消できること
を見出した。換言すると０．５ミクロン以下の厚さの該
混在層により、アルミニウム軸受合金とオーバーレイと
の接着力が大きくなりそれによりオーバーレイの層状摩
耗あるいは剥離が防止されると共に、オーバレイの摩耗
により消滅後でもシャフトと軸受とのかじりが全く生じ
ないようにすることが可能となった。

混在層の厚さが０．５ミクロンを越える場合は、オーバ
ーレイの摩耗による消滅時に軸受とシャフトとの焼付及
びかじり発生が多くなる。

銅及びアンチモンはオーバーレイの主成分である錫の有
するなじみ性を損なわずにオーバーレイの耐久性を向上
させるのに有効であるが、銅が１０％を越えると及びｌ
またはアンチモンが２０％越えるオーバーレイ合金が脆
くなり衝撃荷重になり疲労クラックを生じ易く、またオ
ーバーレイ合金のかたさも大きくなりオーバーレイの本
来の特性であるなじみ性を損う。

本発明者は更に、軸受背面側の裏金層に、内面側に設け
られているオーバーレイ層と同一成分のメッキ層を設け
ることによりフレツチング現象の発生が改善できること
を見出した。軸受背面側に設けたこのメッキ層の厚さは
０．１〜５ミクロンであり、好ましくは０．５〜５ミク
ロンである。０．１ミクロンより小さい厚さではメッキ
層を設けた効果が少なく且つ鋼裏金の防錆効果も小さく
、５ミクロンより大きな厚さではマイグレーション現象
が生じ易くなり軸受の性能低下を引き起こす恐れを生じ
、且つ製造上メッキ層の厚さのバラツキを生じ易くする
ので不適である。裏金層の軸受背面側に設けたこのメッ
キ層は、内面側のオーバーレイ層を設ける際に同時に電
解メッキにより設けるのが工程の簡略化のために好まし
い。但しオーバーレイ層と異なる組成の背面メッキ層を
設けることもでき且つオーバーレイ層と別工程で付与す
ることもできる。

なお、耐フレツチング特性の必要のない用途に使用する
軸受においては、裏金層の軸受背面側にメッキ層を設け
る必要はない。

（実施例） 次に本発明の実施例を示す。

アルミニウム軸受合金層用として、１２％Ｓｎと２．５
％Ｓｉと１．７％ｐｂと１％Ｃｕと０．３％ｓｂと残部
ＡＩとから成るアルミニウム合金板を、厚さ１．２０ｍ
ｍで上記アルミニウム合金板と同じ形状の鋼裏金にロー
ル圧延法により圧着した。次にこれを３５０°Ｃで４時
間熱処理し、すべり軸受用素材としてのバイメタル（肉
厚１．６５　ｍｍ及び幅１１０　ｍｍ　）を製造した。

このバイメタルを軸受性能試験用寸法の半割軸受形状に
プレス加工し、更に所定の寸法（外径５６ｍｍ、長さ１
７ｍｍ及び厚さ１．５　ｍｍ　）に機械加工した後、溶
剤により脱脂した。その後無水炭酸ソーダとリン酸ソー
ダと苛性ソーダの水溶液中で温度５０°Ｃで約６０分ア
ルカリエツチング、酸処理、ジンダート（苛性ソーダー
を主とする水溶液中に酸化亜鉛を溶解し、摂氏２０度で
約２０秒間浸漬し、表面に亜鉛を析出させる処理）、Ｎ
ｉ無電解メッキ処理（硫酸ニッケルを主にした水溶液中
で摂氏５０度、約１５〜６０秒間浸漬し、好ましくは３
０秒間で０．０５〜０．２ミクロンの厚さになるように
液濃度を調整した）及びオーバーレイ層付与の電解メッ
キと軸受背面メッキ層付与の電解メッキ（通電時間３０
秒前後で２．８ミクロン程度の厚さになるように電流と
液濃度を定めた）とを同時におこない軸受完成品を得た
。

第１表に各軸受についての試験によって判明したオーバ
ーレイとアルミニウム軸受合金との接着力、最大疲労荷
重及び最大焼付荷重を示した。

この第１表で最大疲労荷重は、１００°Ｃに予熱したＳ
ＡＥ　２０の潤滑油を使用し、回転数３２５Ｏｒｐｍの
状態での各荷重下にて２０時間運転し疲労が生じなかっ
た最大荷重を最大疲労荷重とした。最大焼付荷重は、１
００°Ｃに予熱したＳＡＥ　２０の潤滑油を使用し、回
転数３６００ｒｐｍで１時間無負荷でならし運転後、潤
滑油の供給を１２．５　ｃｃ／ｍｉｎに絞り１００　ｋ
ｇｆ／ｃｍ２の負荷を与えこの軸受完成品の内面オーバ
ーレイ層の厚さは８ミクロンであり、Ｎｉ−オーバーレ
イ混在層の厚さは０．１ミクロンであり、アルミニウム
軸受合金層の厚さは０．３ｍｍであり、鋼裏金層の厚さ
は１．２ｍｍであり、背面メッキ層の厚さは１．５ミク
ロンであった。

本発明実施例であるこの軸受完成品と従来品との比較を
おこなうために上記実施例と同じ材料、寸法及び工程を
使用し、オーバーレイのない軸受、オーバーレイを直接
にアルミニウム軸受合金に施した軸受及びアルミニウム
軸受合金にＮｉ中間層（２ミクロンの厚さ）を設けこの
中間層にオーバーレイを施した軸受の３種類の従来技術
による比較品を製作した。更に本発明実施例の上記軸受
のオーバーレイ層については、オーバーレイ層を構成す
る錫基合金中の銅及びアンチモンの含有量を変化させそ
れによって生じる特性の変化を調査した。

更にフレツチング現象の改善効果を確認するため、本発
明実施例の上記軸受完成品と比較して背面メッキ層の厚
さが８ミクロンであること以外は同じ軸受を作り、これ
を比較試験した。その後１０分経過毎に５０ｋｇｆ／ｃ
ｍ２づつ累積的に荷重を増加させ、軸受背面温度が２２
０°Ｃを越えるか又は試験時の軸駆動の電流値が２０ア
ンペアを越えた時点を焼付と判定した。

第１表から明らかなように、オーバーレイ層のアルミニ
ウム軸受合金層への接着力は、接着層を使用せずに直接
にオーバーレイ層をアルミニウム軸受合金に付与した場
合には接着テープによる剥離テストによりオーバーレイ
層は容易に剥離した。本発明軸受における混在層を有す
る場合及び従来技術における厚さ２ミクロンのＮｉ中間
層を有する場合は共に良好な接着力をオーバーレイ層は
有していた。

最大疲労荷重に関しては、オーバーレイ層のない軸受及
び接着力の劣ったオーバーレイ層を有する軸受は最大疲
労荷重が低い値であった。Ｎｉから成る厚さ２ミクロン
の中間層を有する軸受は最大疲労荷重に達する以前に焼
付を生じた。この軸受ではオーバーレイの部分的な摩滅
によりＮｉが露出しており、このＮｉ露出部により焼付
が生じたものと考えられる。Ｎｉとオーバーレイ層とが
混在している混在層を有する軸受は本発明軸受及び比較
用軸受のいずれも良好な最大疲労荷重を有していた。

最大焼付荷重に関しては、オーバーレイ層のない軸受で
は最大焼付荷重の値が低く、直接オーバーレイ層をアル
ミニウム軸受合金層に付与した軸受では９５０　ｋｇｆ
／ｃｍ２で軸受背面温度が２２０°Ｃを越えその時の軸
受のオーバーレイ層には剥離が生じていた。中間層とし
て厚さ２ミクロンのＮｉメッキ層を有する軸受では９５
０　ｋｇｆ／ｃｍ２で焼付が生じ、この時の軸受表面に
はＮｉメッキ層の露出が見られた。

Ｎｉとオーバーレイ層との混在した混在層を有する軸受
では、ｓｂ及びＣｕの量が多い場合に最大焼付荷重が比
較的に低い値となった。これはオーバーレイ層の硬度が
多量のｓｂあるいはＣｕにより大きくなりすぎたことで
、なじみ性が劣化した結果と考えられる。

次にアルミニウム軸受合金層用の合金としてＡｌ−１７
％５ｎ−１，７％Ｐｂ−０，９％Ｃｕ　−０，３％５ｂ
（ＡＩ　−Ｓｎ系合金）、ＡＩ−１２％Ｐｂ−５％５ｎ
−４％５ｉ−１％Ｃｕ（ＡＩ−Ｐｂ系合金）及びＡｌ−
３，５％Ｚｎ−３％５ｉ−１％ｐｂ−ｉ％Ｃｕ（ＡＩ　
−Ｚｎ系）を使用した以外は第１表における本発明実施
例と同じ材料及び製造条件で軸受を作り、これを第１表
における場合と同じ試験に供した。この場合についても
第１表の結果と同じ傾向の試験結果が得られた。

次に本発明軸受に設けられた混在層が、コバルト−オー
バーレイ層から成る混在層及び鉄−オーバーレイ層から
成る混在層であること以外は第１表における本発明実施
例と同じ材料及び製造条件で軸受を作り、第１表におけ
る場合と同じ試験に供した。この場合についても第１表
の結果と同じ傾向の試験結果が得られた。

フレツチング現象は試験用の軸受では発生しにくいので
、厚さ０．５ミクロンの背面メッキ層を有する以外は第
１表の５ｎ−２％Ｃｕ−６％ｓｂオーバーレイ層の軸受
と同じ第１の軸受と８ミクロンの背面メッキ層を有する
以外は前記第１の軸受と同じ第２の軸受を実際の１５０
０　ｃｃターボチャージャー付ディーゼル直列４気筒エ
ンジンに装着しフレツチング現象の有無を目視によりを
調べた。結果として第１及び第２の軸受にはフレツチン
グ現象は生じなかった。しかし目視によれば第２の軸受
にはマイグレーション現象が生じた。

（発明の効果） 多層アルミニウム合金すべり軸受において、オーバーレ
イ層とアルミニウム軸受合金層との間に、ニッケルとコ
バルトと鉄とから成る群から選択された１種とオーバー
レイ層との混在した混在層を有する本発明の第１の多層
アルミニウム合金すべり軸受は、従来技術による多層ア
ルミニウム合金すべり軸受よりも最大疲労荷重及び最大
焼付荷重に関し優れているため前記従来軸受の欠点が改
良され、特に高速高荷重を受ける高速ディーゼルエンジ
ン用軸受及びターボチャージャー付エンジン用軸受に適
する。

上記本発明の第１の多層アルミニウム合金すべり軸受の
構成に加えて背面メッキ層を有する本発明の第２の多層
アルミニウム合金すべり軸受は、従来技術による多層ア
ルミニウム合金すべり軸受よりも最大疲労荷重及び最大
焼付荷重に関し優れていると同時にフレツチング現象を
防止することが可能となったことにより従来軸受の前記
欠点が改善された。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の目的を達成したすべり軸受の断
面組織の模型図であり、 第２ａ図は中間層付きオーバーレイ層を有する従来すべ
り軸受の断面顕微鏡組織の模型図であり、第２ａ−１図
は第２ａ図の場合のＥＰＭＡによる中間層の面分析を示
す模型図であり、 第２ｂ図は中間層なしでオーバーレイ層を直接付与した
従来すべり軸受の断面顕微鏡組織の模型図であり、 第２ｂ？１図は第２ｂ図の場合のＥＰＭＡに（エレクト
ロン・プローブ・マイクロ・アナライザー）よる各断面
層の面分析を示す模型図であり、 第２ｃ図は第１図に示した本発明すべり軸受の断面顕微
鏡組織の模型図であり、　。 第２ｃｍ１図は第２ｃ図の場合のＥＰＭＡによる混在層
の面分析を示す模型図であり、 第３図は本発明の第２の目的番達成したすべり軸受の断
面組織の模型図である。 １はオーバーレイ層、２は中間層、 ３は混在層、４はアルミニウム軸受合金層、５は裏金層
、及び６は背面メッキ層を示す。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）鋼裏金層、アルミニウム軸受合金層、およびオー
   バーレイ層の多層構造からなる多層アルミニウム合金す
   べり軸受において、前記オーバーレイ層が、重量で０〜
   １５％の銅および０〜２０％のアンチモンと、残部が実
   質的にスズとからなり該オーバーレイ層とアルミニウム
   軸受合金層との間に、ニッケル、コバルト、鉄のいずれ
   かとオーバーレイ層との混在層が０．５ミクロンを越え
   ない厚さで存在することを特徴とする多層アルミニウム
   合金すべり軸受。
2. （２）背面メッキ層、鋼裏金層、アルミニウム軸受合金
   層、およびオーバーレイ層の多層構造からなる多層アル
   ミニウム合金すべり軸受において、前記オーバーレイ層
   が、重量で０〜１５％の銅および０〜２０％のアンチモ
   ンと、残部が実質的にスズとからなり該オーバーレイ層
   とアルミニウム軸受合金層との間に、ニッケル、コバル
   ト、鉄のいずれかとオーバーレイ層との混在層が０．５
   ミクロンを越えない厚さで存在することを特徴とする多
   層アルミニウム合金すべり軸受。
3. （３）前記背面メッキ層が、オーバーレイ層と同一成分
   であり、また、その厚さが０．１ミクロンから５ミクロ
   ンの範囲にあることを特徴とする特許請求範囲第２項に
   記載の多層アルミニウム合金すべり軸受。
4. （４）鋼裏金上に内張りされたアルミニウム軸受合金か
   らなる半割り、または円筒形状のすべり軸受内面に、重
   量で０〜１５％の銅および０〜２０％のアンチモン、残
   部が実質的にスズからなるオーバーレイを電着する工程
   において、該オーバーレイとアルミニウム軸受合金との
   間に、０．５ミクロンを越えない厚さで、ニッケル、コ
   バルト、鉄のいずれかとオーバーレイ層との混在層を、
   無電解置換法とオーバーレイ電気メッキ法の組み合せに
   て設けることを特徴とする多層アルミニウム合金すべり
   軸受の製造方法。
5. （５）前記内面オーバーレイの電気メッキ工程において
   、すべり軸受の背面にもオーバーレイ層と同一成分のメ
   ッキ層を同時に０．１ミクロンから５ミクロン厚さの範
   囲に電着させることを特徴とする特許請求の範囲第４項
   に記載の多層アルミニウム合金すべり軸受の製造方法。