JPS6199648A - オ−バレイ用メツキ合金 - 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） 本発明はオーバレイ合金に関するものであり、さらに詳
しく述べるならば内燃機関に用いられるケルメツト軸受
にメッキにより被着される四元オーバレイ合金に関する
ものである。

（従来の技術） 内燃機関に用いられるすべり軸受は、円筒形ブツシュ、
半割メタル、または環状メタル形状に加工された鋼板上
にケルメツト合金を被着し、その上にオーバレイ合金を
被覆して構成されていることは周知である。ここで、オ
ーバレイ合金の主たる機能は、軸受とクランクシャフト
等の軸のなじみ性を向上させ、内燃機関のハウジングの
加工精度に起因する軸のミスアライメントによって生じ
る軸と軸受の当り不良を解消し、潤滑油中に混入する異
物をオーバレイ合金中に増収することなどである。

従来より現在に至るまで多用されているオーバレイ合金
の一つはＰｂ−５ｎ二元系合金である。しかしながら、
近年の内燃機関の高出力化によって、オーバレイに要求
される苛酷な負荷能力に上記Ｐｂ−５ｎ二元系合金は応
えることができない、そこで、近年９荷能力を向上させ
たｒｂ基三元系オーバレイ合金も現在広く用いられてい
る。その例には、Ｃｕ１〜１０％およびＴ１５〜８０％
を含むＰｂ−Ｔ　Ｉ　−Ｃｕ系合金がある。このような
三元系オーバレイ合金は、耐摩耗性、耐腐食性および耐
疲労性の点で十分ではない、特に近年の内燃機関の高出
力化に伴って軸から軸受に加えられる荷重が高くなって
いるために、これらの間に介在する油膜の厚さが減少す
るとともに軸と軸受が直接接触することが多くなり、軸
受が軸によって摩耗を受ける場合に要求される高度の耐
摩耗性に対して三元系合金は十分に応えることができな
い、さらに、Ｐｂ−５ｎ−５ｂおよびＰｂ−５ｎ−Ｃｕ
の三元系合金ではなじみ性が不足するという問題がある
。一方、Ｐｂ−３ｎ−Ｉｎの三元系合金はインジウムが
高価であるにもかかわらず多量に添加しないと所望のな
じみ性が得られないという欠点があるのみならず、負荷
能力および耐摩耗性不足によってもオーバレイの早期損
傷が発生する。

本出願人は、米国特許第４３０９０６４号において、（
１１５〜２０％のＳｎ、＋２１０．０５〜１０％のＩｎ
およびＴ１１　　　　　　の１種以上、（３１０，０５
〜５％のＭｎ　７　ＢＩ　Ｊ　Ｎｔ　ｐ　Ｃｕ　ｐＣａ
およびＢａの１種以上、および（４）残部ｐｂおよび不
純物からなる四元系オーバレイ合金を提案した。

従来の一般的三元系オーバレイ合金から上記四元系オー
バレイ合金に技術が進む過程において、耐疲労性、耐食
性、負荷能力、耐摩耗性およびなじみ性の五特性は相互
に関連しており、一つの特性が優れていないと他の特性
もこれにより悪影響を受け、オーバレイの信軌性および
寿命が著しく悪化するという事態になり、近年の内燃機
関では高出力化によりオーバレイへの機械的負荷が従来
より増大することに加えて、潤滑油の交換時期延長に伴
いオーバレイの潤滑状態が悪化していることが明らかに
され、この主たる対策として上述のＭｎ等の耐摩耗性向
上元素を添加した四元系オーバレイ合金の開発に至った
。

本発明はこのような従来技術を出発点としてさらにオー
バレイ合金の耐疲労性を改良するものである。ここで、
オーバレイ合金の耐疲労性はその組織の緻密・均一性に
より向上すること、緻密な組織の四元オーバレイ合金の
形成のためには四元同時メッキは好ましくないこと、ま
た各メッキ層の成分を拡散させることにより緻密かつ均
一組織が得られること、は上記米国特許から公知である
。

上記四元系オーバレイ合金を開示する米国特許では上述
のようにオーバレイ合金の五特性が相互に関連している
ことが明らかになり、そして特に耐摩耗性を向上させる
ことにより五特性を総合的に改良する手段が採用された
。

さらに、上記米国特許で開示された耐疲労性にすぐれた
オーバレイ合金を得るためにその成分を拡散させる手段
によると、２層以上のオーバレイ成分層間で合金成分が
均一化される過程で、メッキ組織中の微小孔部が消失ま
たは縮小を伴いながら組織緻密化が図られると考えられ
る。だが、拡散法は本質的に熱処理プロセスであるため
に、Ｉｎ。

Ｓｎ等の低融点金属の溶融または軟化に伴う、Ｉｎ等の
相の粗大化も起こることも考えられる。公知の拡散法は
、メッキ組織の微小孔部消失または縮小による耐疲労性
向上効果が結晶粒または相の粗大化による耐疲労性悪化
よりも大であるから、総合的に耐疲労性が向上している
と言える。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は、上記米国特許に開示された四元オーバレイ合
金の組成に起因する耐疲労性を向上しようとするもので
ある。すなわち、本発明者等は、Ｐｂ　、　Ｓｎ　、　
Ｉｎ　、　Ｃｕの四成分が耐疲労性およびメフキＭｉ織
にどのように影響するかを鋭意研究したところ、意外に
も高融点金属であるＣｕが最も強い影響を有しているこ
とを見出した。

本発明者等は上述の公知の四元オーバレイのメッキ組織
について詳しく調査したところ、微小孔部の大小および
多少により表わされる緻密性の他に、微小孔部以外の金
属部分の均質性の二つの性質によりメッキ組織の性状を
表現できることを見出した。後者の均質性は電子顕微鏡
によるメッキ層破断面の２次電子像により検知できる。

但し、この均質性は、大小（多少）により定量的表現は
できず、破断面の２次電子像の比較により均質程度大小
を判断し、比較により表現できるにすぎない。

本発明者等はＣｕとメッキ組織の均質性の関係について
調査したところ、Ｃｕが０．０５％を越えるとメツキ組
織が非均質になり耐疲労性が、苛酷な軸受使用条件にお
いては劣っていることを見出した。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、重量で２ないし２０％のスズと、０．０５な
いし１５％のインジウムと、０．０１ないし０．０５％
未満の銅、とを含み、残部が鉛と不純物とからなる組成
を有するオーバレイ用メブキ合金にある。

本発明のオーバレイ合金組成について説明する。

鉛を主体とする本発明のオーバレイ合金に加えられたス
ズは主として耐食性、耐摩耗性を付与する元素である。

鉛−スズ二元系合金では錫が金属形態で合金中に分散し
ており、これによりスズがオーバレイの下地のライニン
グ層に拡散し易くなっており、オーバレイの使用ととも
に耐摩耗性が低下する不都合がある。ところが、インジ
ウム及び銅を加えた本発明の合金では、スズは金属間化
合物を生成する傾向が大になり、上記拡散を起こさない
程度に安定化され、なじみ性、耐食性、耐摩耗性等の信
顛性を高める。さらに、スズは潤滑油中に生成する腐食
性ある有機酸に対するオーバレイの耐食性も高める。ス
ズの含有量が２％未満ではあまり効果がなく、一方、２
０％を越えると高温下におけるオーバレイの硬さが低下
し、使用中の性能低下（耐摩耗性低下）が問題となる。

なお、好ましいスズ含有量は５〜１０％である。

インジウムは潤滑油中の腐食性ある有機酸に対するオー
バレイの化学的耐食性を高めるとともに、上記のように
スズと金属間化合物を作ってスズを安定化しまたなじみ
性を高める。インジウムの含有量が０．０５％未満では
効果がなく、１５％を越えるとオーバレイ層が柔かくな
り、耐摩耗性、耐キャビティションエロージッン性が低
下する。この含有量は４〜７％が好まい。

本発明の最も特徴とするところは銅を０．０５％未満か
つ０．０１５以上にすることによりオーバレイ合金の組
織を緻密化したことにある。以下、銅含有量によるオー
バレイ合金の組織変化を第１図−第５図により説明する
。なお、第１図−第５図は７％Ｓｎ、５．５％Ｉｎ、　
０〜０．０１５％Ｃｕ　％残部鉛のオーバレイ合金の電
子顕微鏡による２次電子像（倍率３０００倍）を示す。

第１図−第５図には、ケルメツト上にニフケルハリア一
層およびオーバレイ層が積層された破断面組織が示され
ており、最上層がオーバレイ層に相当する。Ｃｕ＝Ｏ％
（第１図）およびＣｕ　＝　０．１５％（第５図）の場
合のオーバレイ層はＣｕ　Ｏ，０１％（第２図）、Ｃｕ
　Ｏ，０３％（第３図）およびＣｕ０．０４％（第４図
）の場合と比較して金属粒子の充填状態が粗になってい
る。一方、金属粒子の充填状態が密な第２図−第４図の
オーバレイ層は、電着粒の粒界が比較的鮮明に配列され
た状況も認められる。上述の様にオーバレイ合金中の銅
含有量がゼロあるいは多い（０，１５％）の何れの場合
にも均質な組織が得られない、このような組織変化に対
応して銅含有量が０．０１％未満であると耐摩耗性が低
くなり、一方、銅含有量が０．０５％以上では耐疲労性
が不十分になる。よって、本発明のオーバレイ合金の銅
含有量を０．０１〜０．０５％未満にした。

本発明における四元オーバレイ合金では、上述の如（組
成を定めることによってメッキ状態で均質な組織を形成
して耐疲労性を高めるとともに微量のＣｕの作用によっ
て耐摩耗性を高めることに特徴がある。このようなオー
バレイ合金の特徴は、従来の四元オーバレイ合金と比較
して高回転・高負荷の内燃機関において摩耗量が少なく
かつ疲労が少ないという軸受性能向上となって表われる
。

（作　用） 本発明者等は軸受を各種条件で使用した後その２次電子
像を観察して次の知見を得た。すなわち、Ｃｕが０．０
５％未満であっ°（メフキ＆ｌｌ織が均質なオーバレイ
では、軸受使用中のＳｎの軸受台命中への拡散が不活発
になっていることを知った。

周知のように上述のＳｎの拡散を妨げるためにＮｉバリ
ヤーが用いられているが、オーバレイの組織自体によっ
てＳｎの拡散が抑制されることは新たな知見である。よ
って本発明者等はメッキ組織が均質になったためＳｎが
移動し難くなったことも想定したが、ＥＰＭ＾を含む種
々の機器を用いた実験の結果、Ｃｕが０．０１〜０．０
５％（未満）であると、ＳｎがＣｕにより捕捉され拡散
し難くなることが、Ｓｎ拡散抑制の有力な原因であると
想定する。

上述のところから、Ｃｕを０．０１〜０．０５％（未満
）にしたことの耐疲労性耐摩耗性への向上効果を考察す
ると次のようになる。

（イ）上述のＣｕ含有量範囲でメッキ組織が均質になる
ために耐疲労性が向上する。

（ロ）上述のＣｕ範囲でＳｎがＣｕにより捕捉されるで
耐疲労性が向上する。一方、Ｃｕ含有量が０．０５％以
上になるとＳｎがＣｕにより捕捉される量が多くなりす
ぎ、Ｓｎ本来の耐食性向上効果等が失われ、波及的に耐
疲労性が低下する。

（ハ）　Ｃｕが０．０５％以上になると、メッキ組織の
緻密性が損われ微少な孔部が多くあるいは大きくなり、
オーバレイの強度が低下し、波及的に耐疲労性が低下す
る。Ｃｕ含有量が０．０１％から０．０５％に増大する
と、同様に緻密性が損われるがＣｕ＝０．０１１　　　
　　　％〜０．０５％（未満）の範囲では耐疲労性への
強度低下の波及的影響は少ない。

（ニ）　Ｃｕの耐摩耗性への影響はＳｎ捕捉によっても
変わらない。すなわち、ＣｕとＳｎは相対的捕捉関係に
あるが、Ｓｎにより捕捉されたＣｕは耐摩耗性向上に効
果がある。上述（ロ）項で述べた耐食性はどちらかとい
うと電気化学的現象であり、耐摩耗性はどちらかという
と機械的現象であると、両者の特長を対照的に表わしう
るから、ＳｎとＣｕの作用には上述の如く差が生じるの
であろう。よってＣｕは０．０１％以上添加すると、オ
ーバレイの耐摩耗性を向上させる。

（イ）−（ニ）項にて述べた微量合金化（ｍｉｃｒｏ−
ａｌｌｏｙｉｎｇ）されたＣｕの作用を示すため、以下
、Ｃｕ含有量が耐疲労性および耐摩耗性に及ぼす影響を
本発明者の実験結果を示す第１表により説明する。

第１表において、疲労条件Ａは繰り返し荷重２００にｇ
／ｃ＋Ｊ、回転数５６０Ｏｒｐｍ　、試験時間１０Ｈｒ
の一般的条件を示し、疲労条件Ｂは繰返し３００Ｋｇ／
ｃｄ、回転数７３０Ｏｒｐｍ　、試験時間１０Ｈｒ、お
よび疲労条件Ｃは繰返し３００にｇ／ｃａｌ、回転数７
３０Ｏｒｐｍ　、試験時間１００１１ｒの苛酷な条件を
示し、いずれもエンジン試験により実機を使用して行っ
た耐疲労性試験条件を示す。尚、いずれの条件も使用潤
滑油ＳＡＥ＃３０相当、油温１２０℃であった。また、
◎、○。

△および×は、何れもオーバレイ合金のすべり面の観察
結果の表示であってそれぞれ良好（◎）、局部的にわず
かな疲労またはひきずり（○）、わずかな疲労面検出（
Δ）、およびかなりの疲労面およびひきずり面検出（×
）を示す。

摩耗試験条件は次のとおりであった。

（イ）試験機−曽田式動荷重試験機 （ロ）回転数−２０００ｒｐｔａ （ハ）面　圧−１３０±１３０　ｋｇ／ａＪ（ニ）時　
間−１，５時間 （ホ）使用潤滑油−３ＡＥ　＃３０ （へ）油　温−１２０℃ （ト）相手軸−３５５Ｃ円棒軸 （チ）ケルメツト−組成−Ｐｂ−Ｓｎ−Ｃｕ　（厚さ０
．２５μｍ　）（す）Ｎｉバリア一層−２，５μｍ オーバレイ合金のＣｕ以外の組成はＳｎ　７％、Ｉｎ５
％であり、また厚さは１５μｍであった。

第１表 第１表より、疲労条件が苛酷でない場合（Ａ）はＣｕ含
有量はオーバレイの耐疲労性にほとんど影響を与えない
が、苛酷な条件（Ｂ）および（Ｃ）下ではＣｕ含有量が
０．５％を越えると耐疲労性が著しく劣化することが分
かる。

Ｃｕの耐摩耗性に及ぼす影響はＣｕ含有量が０．０１％
を趙えるとほとんどなくなっている。一方、耐摩耗性が
同等でも破断面組織が劣るＣｕＯ，１％以上では耐疲労
性が低下している。　Ｃｕ含有量が０．０１％の場合は
耐摩耗性はあまり良（ないが、良好な耐疲労性が得られ
ている。

上述のように、本発明者等はＥＰＭＡなどを用いて、微
量合金化されたＣｕはＳｎの拡散を抑制し、これがＣｕ
の最も有力な耐疲労性向上作用であると考えている。な
お、メッキ組織の均質性・緻密性も直接的間接的に耐疲
労性に影響を与えるので、以下この点を説明する。

第１表と第１図−第５図を照合して考察すると、Ｃｕの
耐摩耗性に及ぼす影響は組成依存的であり、一定量（０
，０１％）以上になると耐摩耗性にすぐれた合金が得ら
れるので、Ｃｕ含有量の影響は少なくなっていると言え
る。別の観点からすると、耐摩耗性はオーバレイ断面全
体よりもむしろ相手材と接しているその表面硬さに、よ
り支配的に影響され、そしてオーバレイ表面硬さは表面
にＣｕが存在しているとその硬化作用による耐摩耗性向
上が生じる。

一方、耐疲労性はＣｕ含有量が微少ｆｆｉ　（０，００
５％）以上あると耐摩耗性による影響よりも、Ｃｕ自体
の直接的影響を受は易くなる。例えば　Ｃｕ＝０．０１
％では耐摩耗性はあまりよくない（３■）が、オーバレ
イの組織が均質であり、しかもオーバレイとＮｉバリヤ
ー間も密着している（第２図）ので、耐摩耗性不良にも
かかわらず耐疲労性は良好になっている（第１表◎印）
、そしてＣｕがさらに増加してＣｕ＝０．０４９ｆｉに
なると耐摩耗性は良くなる（１ｍｇ）が、耐疲労性は○
印（条件Ｂ）となり低下傾向が見られる。これは、第４
図（０，０４％）の傾向より分かるように、Ｃｕが０．
０５％近くなると、オーバレイ中に微小空孔が発生しさ
らにオーバレイとＮｉバリヤー間にも、メッキ欠陥と思
われる部分が発生しているために、このような空孔、欠
陥等が疲労の起点になることによるものと措定されるｅ
　Ｃｕ含有量がさらに多くなると（０，０５〜１％Ｃｕ
）　、第５図の如き粗い組織がさらに顕著になって、オ
ーバレイ全体が粗い粒子がルーズに結合した状態になっ
て、オーバレイ全体が疲労の起点になると考えられる。

これらの傾向は条件（Ｃ）で著しい。

もっとも、上述の如き疲労は、条件が緩い場合（条件Ａ
）は、メッキ組織に敏感ではなくなる。

本願発明は上述の如き知見および考察に基づいてＣｕを
０．０１−０．０５％未満とした四元オーバレイメッキ
合金を提供したことを最大の特徴とするものである。

さらに、本発明の特徴は上述の２〜２０％５ｎｓ０．０
５〜１５％Ｉｎなる組成も耐疲労性向上の観点から定め
られている点にある。　Ｓｎ含有量が２０％を越えると
四元オーバレイ合金の組織が粗（なりかつ高温強度が低
下し、また２％未満であるとその耐食性が低下し、何れ
の場合も耐疲労性低下を招く、またＩｎ含有量が０．０
５％未満であると耐食性が低下し、１５％を超えると組
織が粗くなり且つ高温強度が低下するために、何れの場
合も四元オーバレイメッキ合金の耐疲労性が低下する。

本発明に係るオーバレイ合金の製法を以下説明する。上
記米国特許第４３０９０６４号により公知のホウフッ他
船１５０〜２００ｇ／　ｌ、ホウフッ化スズ５〜１５ｇ
／ｊ！、ホウフッ化ｙＪＡ１〜３ｇ／ｌ、ゼラチン約２
ｇ／ｌ、ハイドロキノン約２ｇ／ｌのメッキ浴を使用し
て、メッキ時間を調節してメッキを行うとＣｕ含有量が
異なるｌ’ｂ−Ｓｎ−低Ｃｕの三元メッキが形成される
。同様に公知のフラッシュメッキ、またはシアンアルカ
リ浴によりインジウムメッキを行い、最後にＩｎ層とＰ
ｂ、５ｎ−Ｃｕ層間の拡散を行う。

オーバレイの厚さは使用条件により２〜３０μ−とする
、拡散温度条件および時間、フラッシュメッキ、アルカ
リメッキ浴組成その他の条件は上記米国特許第４３０９
０６４号にて公知のものを用いることができる。

（実施例） 以下、耐疲労性が最良となるＣｕ＝０．０３％で、Ｓｎ
およびＩｎ含有量を変化させた四元オーバレイ合金の疲
労特性を調べた実施例を説明する。

試験条件は試料１〜２２について前述の条件Ｂで試験時
間を１０　、５０　、２００時間と変化させ、試料２３
〜２９は条件Ｄ（試験時間５０Ｈｒ、油温１４０℃、そ
の他条件Ａと同じ）で測定した。

試験結果を第２表に示す。

以下余白 １２表 第２表において、Ｎａ１３　、１４およびＮｏ、２７〜
２９の比較例のオーバレイ合金は耐疲労性が不良である
。

またＳｎ含有量が２〜２０％、好ましくは５〜１０％、
特に５．５〜９％である場合にオーバレイ合金め耐疲労
性が良好になることが分かる。このＳｎの含有量範囲で
は、Ｃｕにより捕捉されたＳｎと捕捉されないＳｎの量
比率が好ましいバランスになっていると考えられる。

′　実施例２ Ｐｂ−５ｎ−Ｃｕケルメツト（厚さ０．２５ｉｎ）の上
に厚さ２．５μｌのＮｉバリヤ一層および厚さ１５μＭ
のオーバレイを形成した。オーバレイの組成は７％Ｓ　
ｎ　ｓ５％Ｉｎ、第３表に示す百分率のＣｕ、残部器で
あった。

上記ケルメツト、Ｎｉバリヤ一層およびオーバレイを有
する軸受を前記苛酷なり、Ｃ条件による実機エンジン試
験に供した。

以下余白 第３表において、破面組織は、実機エンジン試験前にオ
ーバレイの破面を電子顕微鏡で観察した結果を、第１図
−第５図の説明と同様の条件で評価したものである０表
面状態は試験後軸受をエンジンから取り外してオーバレ
イのすべり面を観察したものであって、○印は局部的な
わずかな疲労発生、Δ印は全面的にわずかな疲労発生、
Ｘ印は疲労発生程度大をそれぞれ示す、摩耗量は条件Ｂ
での試験前後の重量差測定による。

第３表より、本発明によると、従来の三元系オーバレイ
　（Ｃｕ＝０％）より耐摩耗性がすぐれ、また従来の四
元系オーバレイ　（Ｃｕ　＝　０．１５％）と同等の耐
摩耗性を有し、耐疲労性がすぐれたオーバレイが得られ
ることが分かる。

（効　果） 本発明によると、高回転・高負荷の内燃機関において従
来の四元オーバレイメッキ合金と同等以上の耐摩耗性を
有しまた従来の四元オーバレイメッキ合金よりすぐれた
耐疲労性を有するオーバレイ合金が提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図−第５図はケルメツト上にニッケルバリヤ一層お
よびオーバレイ層が積層された軸受の金属顕微鏡写真（
倍率３０００倍）であって、それぞれのオーバレイ合金
のＣｕ含有量は、０％（第１図）、０．０１％（第２図
）　、０．０３Ｖ、（第３図）、０．０４％（第４図）
、および０．１５％（第５図）である。 −４禰１１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、重量で２ないし２０％のスズと、０．０５ないし１
   ５％のインジウムと、０．０１ないし０．０５％未満の
   銅、とを含み、残部が鉛と不純物とからなるオーバレイ
   用メッキ合金。 ２、スズ含有量が５ないし１０％である特許請求の範囲
   第１項記載のオーバレイ用メッキ合金。 ３、インジウム含有量が４ないし７％である特許請求の
   範囲第１項記載のオーバレイ用メッキ合金。