JPS62235455A - アルミニウム系軸受合金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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、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軸受合金に関し、とくに銅系の軸
受材料に比べて軽量であってしかも耐疲労性１表面性能
にすぐれたアルミニウム系の軸受台金に関するものであ
る。

（従来の技術） 従来、すべり軸受の素材として用いられる合金には、Ｃ
ｕ−Ｐｂ系、バビット系等が使用目的などに応じて使用
されているが、近年、とくに内燃機関用の軸受台金とし
ては、耐熱耐摩耗性、耐腐食性、＃疲労性等の点からＡ
ｆＬ系の軸受台金が注目されている。なかでも、Ａｌ−
Ｓｎ系、Ａｌ−３ｎ−Ｐｂ系の軸受台金は上記性能の点
で他の材質のものに比べてかなりすぐれているため、最
近に至り急速にその使用量が増加している。

しかしながら、内燃機関の小型化による軸受幅の縮小、
高出力化に伴う軸受負荷の増大等の内燃機関の高性能化
により、軸受に課せられる要求はさらに強まり、とりわ
け耐疲労性の面、すなわち軸受台金の亀裂あるいは鋼裏
金からの局部的剥離を抑制すべく改善が望まれているの
が現状である。

このような内燃機関の高性能化に対応できるＡｌ系の軸
受台金の一例として、本発明者らは特願昭６０−２６８
８６６号明細書に示すようなＡ１−Ｐｂ−３ｎ系のアト
マイズ合金粉末に押出加工を加えることにより、高い疲
労強度と優れた潤滑性とを合わせ持たせた新しいタイプ
の軸受台金を開発した。

このアルミニウム系軸受合金は、Ａｌを主成分とし、潤
滑成分としてｉｂ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ。

Ｂｉよりなる群から選ばれた１種以上の金属をＡｌマト
リックスに対する断面積比で０．０４超過０．０７以下
、硬質成分としてＳｉを同じく断面積比で０．０１以上
０．１７以下、強化成分としてＣｕ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｍｎ
、Ｎｉ　、Ｚｎ。

Ｆｅよりなる群から選ばれた１種以上の金属を０．２〜
５．０重量％、必要に応じて微細化成分としてＴｉ　、
Ｂ、Ｚｒ、Ｖ、Ｇａ、ＲＥＭ（Ｓｃ、Ｙを含む希土類元
素の１種以上）よりなる群から選ばれた１種以上の金属
を全合金に対して０．０１〜３．０重量％含み、均一微
細に分散した潤滑成分の大きさが８μｍ以下である合金
粉末から成形したビレットを押出比１０以上で押出成形
して成り、Ａｌｌマトリックス中に分散したＳｉ粒子の
大きさが１２μｍ以下、とくに望ましくは６〜１２ｕＬ
ｍ、常温での引張強さが１２ｋ　ｇ　ｆ　／　ｍ　ｍ　
２以上、常温での伸びが１１％以上であることを特徴と
しており、Ａｌ系の軸受台金そのものとして使用したり
、該軸受台金を鋼板等と直接、あるいはＡｉ、Ｎｉ等の
密着層を介して接合した軸受として使用したりすること
を特徴としているものである。

そして、上記したアルミニウム系軸受合金を製造するに
あたっては、ＡｆＬ−８〜１２重量％Ｐｂ−０，４〜１
．８重量％５ｎ−１，０〜１５重量％５ｉ−０，２〜５
．０重量％（Ｃｕ。

Ｃｒ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｆｅの１種以上）の合
金粉末に３５０〜５５０℃で加熱処理を施してＳｉ粒子
を６〜１２４ｍに成長させた後。

前記合金粉末に、Ａｌ−１０〜２０重量％Ｓｎ系あるい
はＡｌ−１Ｏ〜２０重量％５ｎ−１，０〜１５重量％５
ｉ−０，２〜５．０重量％（Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｍｎ、
Ｎｉ　、Ｚｎ、Ｆｅの１種以上）系等のＡｆＬ−潤滑成
分（Ｐｂ。

Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｂｉの１種以上）−硬質成分（Ｓｔ
）−強化成分（Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｍｎ。

Ｎｉ、Ｚｎ、Ｆｅの１種以上）−必要に応じて微細化成
分（Ｔｉ　、Ｂ、Ｚｒ、Ｖ、Ｇａ、ＲＥＭｃ７）１種以
上）合金粉末を前記アルミニウム系軸受台金の成分範囲
となるように混合し、さらに該混合粉末をビレットに成
形した後該ビレットを押出比１０以上で押出成形するよ
うにしたことを特徴としているものである。

さらに、上記したアルミニウム系軸受合金の他の製造法
においては、前記アルミニウム系軸受合金のうちの潤滑
成分９強化成分および微細化成分については人文−潤滑
成分（Ｐｂ、Ｓｎ、Ｉｎ。

Ｓ　ｂ　、　Ｂ　ｉ　ｃ７）　１種以上）−強化成分（
Ｃｕ。

Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ　、Ｚｎ、Ｆｅの１種以上）−必要に
応じて微細化成分（Ｔｉ、Ｂ、Ｚｒ、Ｖ。

Ｇａ、ＲＥＭの１種以上）アトマイズ合金粉末の形で、
硬質成分についてはＳｉ粒子径が６〜１２μｍであるＡ
ｆＬ−８〜３０重量％Ｓｔアトマイズ合金粉末の形でそ
れぞれ用いて前記アルミニウム系軸受合金の成分範囲に
なるように両者を混合し、さらに該混合粉末をビレット
に成形した後該ビレットを押出比１０以上で押出成形す
るようにしたことを特徴としているものである。

（発明が解決しようとする問題点） 上述したアルミニウム系軸受合金は、上記のように軟質
物質である潤滑成分としてＰｂ、Ｓｎ。

Ｉｎ、Ｓｂ、Ｂｉよりなる群から選ばれた１種以上の金
属をＡｆＬマトリックスに対する断面積比で０．０４超
過０．０７以下と多量かつ均一微細に含有させることに
より異物埋収性を向上させているが、低融点の潤滑成分
を多量に含むことにより、押出温度に加熱した時のビレ
ット内の液相も多量になるため、液相過多あるいはビレ
ットの強度不足が原因となって場合によっては押出材に
耳割れなどの欠陥が発生する可能性があるという問題点
があった。

この問題点は、すべり軸受素材として用いる薄板の押出
しを行う場合に比較的顕著であり、また丸棒のように押
出性の高い形状でも押出速度を比較的低下させないと上
記した欠陥が発生しやすい。

この発明はこのような従来の問題点に着目してなされた
ものであり、粉末を成形したビレットを焼結することに
よってビレットに強度を持たせるようにし、そのあと前
記ビレットを押出して、押出材の耳割れなどの欠陥発生
の可能性をなくすことにより、上記問題点を解決するこ
とを目的としている。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） この発明によるアルミニウム系軸受合金は、ＡｆＬを主
成分とし、潤滑成分としてＰｂ、Ｓｎ。

Ｉｎ、Ｓｂ、Ｂｉよりなる群から選ばれた１種以上の金
属をＡｌマトリックスに対する断面積比で０．０４以上
０．０７以下、硬質成分としてＳｉを同じく断面積比で
０．０１以上０．１７以下、焼結促進成分ならびに強化
成分としてＭｇを０．５〜１．２重量％、強化成分とし
てＣｕ。

Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ　、Ｚｎ、Ｆｅよりなる群から選ばれ
た１種以上の金属を０．２〜４．５重量％、必要に応じ
て微細化成分としてＴｉ、Ｂ、Ｚｒ。

Ｖ、Ｇａ、希土類元素よりなる群から選ばれた１種以上
の金属を０．Ｏ１〜３．０重量％含み、均一微細に分散
した潤滑成分の大きさが８４ｍ以下である粉末から成形
したビレットを押出比１０以上で押出成形して成り、Ａ
ｌｌマトリックス中に分散したＳｉ粒子の大きさが１２
μｍ以下、常温での引張強さが１２ｋｇｆ／ｍｍ２以上
、常温での伸びが１１％以上であることを特徴とするも
のである。

また、この発明によるアルミニウム系軸受合金の製造方
法は、上記したアルミニウム系軸受合金を製造するに際
し、Ａｌ−潤滑成分（ｐｂ。

Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｂｉの１種以上）−硬質成分（Ｓｉ
）−強化成分（Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ　。

Ｚｎ　、Ｆｅの１種以上）系のアトマイズ合金粉末に０
．５〜１．２重量％のＭｇ粉末を添加混合し、該混合粉
末をビレットに成形した後該ビレットを焼結し、該焼結
体ビレットを押出比１０以上で押出成形するようにした
ことを特徴とするものである。

以下、それぞれの成分および数値の限定理由について説
明する。

（１）Ｐｂ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｂｉは刈滑成分として
有効であり、耐焼付性にすぐれたものである。しかし、
潤滑成分の総量が断面積比（体積比）で０．０４未満の
場合は異物埋収性が劣り、また０、０７を超えるとマト
リックスの疲労強度不足となり、耐荷重性の点で軸受性
能を満足できなくなる。

さらに、潤滑成分の粒子径については、粒子径が過大で
あると軸受台金の性能に悪影響を及ぼすので８４ｍ以下
とするのが良い。

（２）Ｓｔは硬質成分として添加するものであり、共晶
Ｓｉまたは初晶ＳｉとしてＡｌ１．中に分散し、硬質物
質として軸受強度の向上および耐摩耗性の向上に寄与す
る。このＳｉの添加量としては断面積比（体積比）で前
記潤滑成分の１／４から２．５倍程度までの量が望まし
く、多く添加するともろくなり加工性を阻害するので、
マトリックスに対する断面積比を０．０１以上０．１７
以下とするのが望ましい。

またＳｉ粒子径については、１２ルｍを超えると相手材
を傷つけ分散の面密度が低下し、耐摩耗性が劣化するの
で１２ｐｍとするのが良い。

（３）Ｍｇはこの発明における必須成分である。

このＭｇはＡｆＬマトリックスの強度を高めるのに有効
な成分であるとともに、この発明においては粉末成形体
を焼結する際の焼結活性化元素でもある。その際、０．
５％未満では上記した効果が期待できず、また１、２％
を超えると押出時にＭｇを含む液相が多量になり、かえ
って押出性を低下させてしまう。

また、この発明の製造方法においてはＭｇを合金粉末と
せず、純粉末として添加・混合するが。

その理由は焼結時にＡｌとの共晶液相を合金粉末内では
なく粉末粒界に存在させ、焼結を活性化させるためであ
る。

（４）Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｚｎ、ＦｅはＡ文マト
リックスの強度を高めるのに有効な成分である。これら
のうちＣｕはクリープ強度すなわち高温軟化抵抗を高め
る主要な元素であり、高温摺動下における耐疲労性の向
上に寄与する。しかし、０．２重量％未満では上記した
効果が少なく、４．５重量％を超えると針状のＣｕＡｆ
Ｌ２化合物が多量に析出して脆くなり、耐疲労性の低下
を招く、また、Ｃｕ以外にマトリックスの強度を高める
元素として、Ｃｒ　＊　Ｍ　ｎ　＋　Ｎ　Ｌ　Ｉ　Ｚ　
ｎ　。

Ｆｅがあり、Ａ１合金展伸材の添加元素としてよく使用
されるもので、Ｃｕを含むこれらの元素の１種以上を０
．２〜４．５重量％の範囲で添加してもよい。

（５）Ｔｉ　、Ｂ、Ｚｒ、Ｖ、Ｇａ、希土類元素（ＲＥ
Ｍ；Ｙ、Ｓｃを含む希土類元素の１種以上）は、Ａ文合
金の結晶粒微細化剤として有効であり、この発明の主旨
である潤滑成分（軟質物質）の均一微細化を助長するも
のとして、必要に応じて０．０１重量％以上３．０重量
％以下の範囲で添加することも望ましい。

（６）焼結温度については、押出材の欠陥発生を防止で
きる程度に十分なビレット強化が行え、しかも潤滑成分
および硬質成分であるＳｉが粗大化しない温度を適宜選
ぶことができるが、好ましい温度は５３０℃〜５５０°
Ｃである。

（７）押出比については押出比が１０未満であると、内
部クラックおよび押出後の軸受台金素材の表面割れを生
じ、実用に供しうるちのは得られ難いため１０以上とし
た。

（実施例１） 重量％で、Ｐｂ：Ｌ２．０％、Ｓｎ：３．０％、Ｓｉ　
：４．０％、Ｃｕ：０．７５％、Ｃｒ：０．５％、残部
実質的にＡＩＬおよび不純物よりなるアルミニウム合金
粉末にＭｇ粉末＝０．５重量％を添加混合し、該混合粉
末を直径１７０ｍｍ。

長さ２００ｍｍの円柱形状に２．０ｔｏｎｆ／ｃｍ２の
静水圧にて冷間静水圧成形してビレットとした。

次に、該ビレットを窒素雰囲気中で５５０　’Ｃ！にて
２時間焼結し、その後焼結体ビレットを４００°Ｃに降
温してから製品押出速度３．０ｍ／分で押出加工し、厚
さ２ｍｍ、幅１２０ｍｍの板状押出成形体を得た。

この押出成形体において、潤滑成分のＡｌマトリックス
に対する断面積比は０．０４５．潤滑成分の大きさは８
μｍ以下であり、またＳｉのＡｌマトリックスに対する
断面積比は０．０４７、Ｓｉ粒子の大きさは６〜１２４
ｍであった。

また、押出材の引張強度は１９．２ｋｇｆ／ｍｍ２　、
伸びは１５．５％であった。

（比較例１） 重量％で、Ｐｂ：１２．０％、Ｓｎ：３．０％、Ｓｉ：
４．０％、Ｃｕ：０．７５％、Ｃｒ：０．５％、残部実
質的にＡｆＬおよび不純物よりなるアルミニウム合金粉
末を直径１７０ｍｍ、長さ２００ｍｍの円柱形状に２．
０ｔｏｎｆ／ｃｍ２の静水圧にて冷間静水圧成形してビ
レットとした。

次に、該ビレットを４００°Ｃにて製品押出速度３．０
ｍ／分で押出加工し、厚さ２ｍｍ、幅１２０ｍｍの板状
押出成形体を得たが、押出材に耳割れが発生した。

（比較例２） 重量％で、Ｐｂ：１２．０％、Ｓｎ：３．０％、Ｓｉ：
４．０％、Ｃｕ　：　０．７５％、Ｃｒ：０．５％、Ｍ
ｇ：０．５％、残部実質的にＡ立および不純物よりなる
アルミニウム合金粉末を直径１７０ｍｍ、長さ２００ｍ
ｍの円柱形状に２．０ｔｏｎｆ／ｃｍ２の静水圧にて冷
間静水圧成形してビレットとした。

次に、該ビレットを４００℃にて製品押出速度３．０ｍ
／分で押出加工し、厚さ２ｍｍ、幅１２０ｍｍの板状押
出成形体を得たが、押出材に耳割れが発生した。

実施例１と比較例１．２の比較から明らかなように、こ
の発明による製造法を用いれば、従来法では不可能であ
った薄板の押出しや高速度での押出しも可能となる。

なお、比較例１．２に示した合金粉末でも押出材の形状
を厚板や丸棒などの押出性の良い形状に変更したり、押
出速度を１．０ｍ／分前後まで低くすることにより欠陥
のない押出材を得ることはできる。

（実施例２） 重量％で、Ｐｂ：９．６％、Ｓｎ：３．０％、Ｓｉ：４
．０％、Ｃｕ：０．７５％、Ｃｒ：０．５％、Ｚｒ：０
．０５％、残部実質的にＡｆＬおよび不純物よりなるア
ルミニウム合金粉末にＭｇ粉末＝１．０重量％を添加混
合し、該混合粉末を直径１７０ｍｍ、長さ２００ｍｍの
円柱形状に２　、　Ｏｔ　ｏ　ｎ　ｆ／ｃｍ２の静水圧
にて冷間静水圧成形してビレットとした。

次に、該ビレットを窒素雰囲気中で５５０°０にて２時
間焼結し、その後焼結体ビレットを３５０°Ｃに降温し
てから製品押出速度３．０ｍ／分で押出加工し、厚さ２
ｍｍ、幅１２０ｍｍの板状押出成形体を得た。

この押出成形体において、潤滑成分のＡＭマトリックス
に対する断面積比は０．０４０、潤滑成分の大きさは８
ｐｍ以下であり、またＳｉのＡｌマトリックスに対する
断面積比は０．０４７、Ｓｉ粒子の大きさは６〜１２Ｉ
Ｌｍであった。

また、押出材の引張強度は２１．Ｏｋｇｆ／ｍｍ２　、
伸びは１３．２％であった。

（比較例３〜５） ここでは、この発明による合金と添加成分量の異なる合
金を比較合金として製造した。

すなわち、第１表の各組成になるアルミニウム合金粉末
を、直径１７０ｍｍ、長さ２００ｍｍ（７）円柱形状に
２．０ｔｏｎｆ／ｃｍ２の静水圧にて冷間静水圧成形し
てビレットとした。

次に、該ビレットを窒素雰囲気中で５５０°Ｃにて２時
間焼成し、その後焼成ビレットを４００℃にて製品押出
速度２．０ｍ／分で押出加工し、厚軌り１Ｊυ目１ス至 健全な板状押出材が得られた実施例１．２および比較例
３〜５による押出成形体を用いて、押出成形体→圧延前
加熱処理→圧延→アニール→純アルミニウム板とのプレ
クラッド→アニール→鋼板とのクラッド→アニール→機
械加工の工程で軸受を製作した。

次に、各々製作した軸受に対して第２表に示すような苛
酷な軸受耐疲労性試験を行った。この結第２表　軸受耐
疲労性試験条件 第１図より明らかなように、この発明による実施例１．
２の軸受は、従来材である比較例３〜５の軸受に比べて
優れた耐久性を有していることがわかる。

［発明の効果］ 以上説明してきたように、この発明によるアルミニウム
系軸受合金は、Ａｌを主成分とし、潤滑成分としてＰｂ
、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｂｉよりなる群から選ばれた１種
以上の金属をＡｌマトリックスに対する断面積比で０．
０４以上０．０７以下、硬質成分としてＳｉを同じく断
面積比で０．０１以上０．１７以下、焼結促進成分なら
びに強化成分としてＭｇを０．５〜１．２重量％、強化
成分としてＣｕ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ　、Ｚｎ。

Ｆｅよりなる群から選ばれた１種以上の金属を０．２〜
４．５重量％、必要により微細化成分としてＴｉ　、Ｂ
、Ｚｒ、Ｖ、Ｇａ、希土類元素よりなる群から選ばれた
１種以上の金属を０．Ｏ１〜３．０重量％を含み、均一
微細に分散した潤滑成分の大きさが８μｍ以下である粉
末から成形したビレットを押出比１０以上で押出成形し
て成り。

Ａｌマトリックス中に分散したＳｉ粒子の大きさが１２
ｐｍ以下、常温での引張強さが１２ｋｇｆ／ｍｍ２以上
、常温での伸びが１１％以上であることを特徴とするも
のであり、また、この発明によるアルミニウム系軸受合
金の製造方法は、上記したアルミニウム系軸受合金を製
造するにあたり、ＡＭ−潤滑成分（Ｐｂ、Ｓｎ、Ｉｎ、
Ｓｂ。

Ｂｉの１種以上）−硬質成分（Ｓｉ）−強化成分（Ｃｕ
　＊　Ｃｒ　１Ｍ　ｎ　＋　Ｎ　ｉ＋　Ｚ　ｎ　＋　Ｆ
　ｅ　（１）　１種以上）系のアトマイズ合金粉末に０
．５〜１．２重量％のＭｇ粉末を添加混合し、該混合粉
末をビレットに成形した後該ビレットを焼結し、該焼結
体ビレットを押出比１０以上で押出成形するようにした
ことを特徴とするものであるから、耐疲労性および表面
性能（潤滑性能）という二律背反特性の両方共が従来に
ない高い水準をもつ優れた軽量軸受合金を提供すること
が可能であり、とくに押出性の向上をはかったこの発明
による製造方法を用いれば、従来法では不可能であった
すべり軸受素材として用いる薄板の押出しも可能となる
ため、極めて広い応用範囲を有するものであるという非
常に優れた効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による軸受と従来の軸受に対して実施
した耐疲労性試験の結果を示すグラフである。 特許出願人　　　日産自動車株式会社 同　出願人　　　工ヌデーシー株式会社代理人弁理士　
　小　　塩　　　豊 第１図 耐久時間ｔｈ？ｓＪ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ａｌを主成分とし、潤滑成分として Ｐｂ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｂｉよりなる群から選ばれた
   １種以上の金属をＡｌマトリックスに対する断面積比で
   ０．０４以上０．０７以下、硬質成分としてＳｉを同じ
   く断面積比で０．０１以上０．１７以下、焼結促進成分
   ならびに強化成分としてＭｇを０．５〜１．２重量％、
   強化成分としてＣｕ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｆｅよ
   りなる群から選ばれた１種以上の金属を０．２〜４．５
   重量％含み、均一微細に分散した潤滑成分の大きさが８
   μｍ以下である粉末から成形したビレットを押出比１０
   以上で押出成形して成り、Ａｌマトリックス中に分散し
   たＳｉ粒子の大きさが１２μｍ以下、常温での引張強さ
   が１２ｋｇｆ／ｍｍ＾２以上、常温での伸びが１１％以
   上であることを特徴とするアルミニウム系軸受合金。
2. （２）Ａｌマトリックス中に微細化成分としてＴｉ、Ｂ
   、Ｚｒ、Ｖ、Ｇａ、希土類元素よりなる群から選ばれた
   １種以上の金属を０．０１〜３．０重量％含んでいるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載のアルミ
   ニウム系軸受合金。
3. （３）Ａｌを主成分とし、潤滑成分として Ｐｂ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｂｉよりなる群から選ばれた
   １種以上の金属をＡｌマトリックスに対する断面積比で
   ０．０４以上０．０７以下、硬質成分としてＳｉを同じ
   く断面積比で０．０１以上０．１７以下、焼結促進成分
   ならびに強化成分としてＭｇを０．５〜１．２重量％、
   強化成分としてＣｕ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｆｅよ
   りなる群から選ばれた１種以上の金属を０．２〜４．５
   重量％含み、均一微細に分散した潤滑成分の大きさが８
   μｍ以下であるアルミニウム系軸受合金を製造するに際
   し、Ａｌ−潤滑成分（Ｐｂ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｂｉの
   １種以上）−硬質成分（Ｓｉ）−強化成分（Ｃｕ、Ｃｒ
   、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｆｅの１種以上）系のアトマイズ
   合金粉末に０．５〜１．２重量％のＭｇ粉末を添加混合
   し、該混合粉末をビレットに成形した後該ビレットを焼
   結し、該焼結体ビレットを押出比１０以上で押出成形す
   ることを特徴とするアルミニウム系軸受合金の製造方法
   。