JP3224085B2 - 耐摩耗性に優れた軸受 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、耐摩耗性に優れた
軸受に係わり、特に、高面圧化，高周速化，高温度化，
油膜厚さ減少等のより苛酷な条件下で使用しても十分に
良好な軸受性能を発揮する平軸受として好適な耐摩耗性
に優れた軸受に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、自動車、車輌その他の駆動・
走行用エンジンには、高荷重用として平軸受などの軸受
が使用されている。このような高荷重用軸受は、例え
ば、半割状若しくは円筒状に形成された鋼板を裏金と
し、この鋼板裏金の上に銅系の合金などから成る軸受合
金層を形成することにより複層化して構成されたもので
あることが多い。そして、このような高荷重用軸受は、
軸受合金層が銅系の合金からなるものとしていて、耐荷
重性に優れたものである。

【０００３】しかし、最近は、自動車、車輌などの走行
や駆動に要求される条件はきわめて苛酷になり、その条
件に適合するには、耐荷重性のほかに、軸受として必要
な種々の特性、例えば、耐焼付性、異物の埋収性、なじ
み性等が要求されている。

【０００４】これらの要請に適合するように、この要請
に由来する問題を解決するために、鋼板裏金上の軸受合
金層を強化するほかに、なじみ性や異物の埋収性を備え
た金属や合金を軸受合金層の上にオーバレイ合金層とし
てめっき等により形成することも行われている。

【０００５】その構造は、裏金の上に、鉛や所望に応じ
て錫などを含みかつ主成分が銅よりなる銅−鉛合金の軸
受合金層を焼結または鋳造によって形成し、この軸受合
金層の上に、めっきが施されてオーバレイ合金層が形成
されたものとなっている。そして、通常の場合、オーバ
レイ合金層と軸受合金層との間には、中間層として約１
〜２μｍ厚さのニッケルめっき層が設けられている。

【０００６】通常、オーバレイ合金層は、優れた軸受特
性を与える鉛ならびに錫を含む鉛−錫合金のめっき層と
して構成され、Ｐｂ−Ｓｎ系、Ｐｂ−Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｐ
ｂ−Ｓｎ−Ｉｎ系等のものが知られ、特に、米国特許第
２，６０５，１４９号明細書によって開示された鉛８５
〜９０％、錫８〜１２％、銅２〜３％のＰｂ−Ｓｎ−Ｃ
ｕ系オーバレイ合金層が最も多く使用されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、最近のエン
ジンでは、高性能化、高出力化により、これに適用され
る平軸受は、高面圧化、高温度化、油膜厚さの減少な
ど、より苛酷な条件を強いられるようになってきた。

【０００８】これに対して従来のオーバレイ合金層で
は、軸受面圧の増加に伴ない、オーバレイ合金層のクラ
ック発生、摩耗消滅からの焼付発生などが心配されるこ
とから、より一層耐摩耗性の優れたオーバレイ合金層を
そなえた平軸受等の軸受の開発が求められているという
課題があった。

【０００９】

【発明の目的】本発明は、上記した従来の課題にかんが
みてなされたものであって、従来のＰｂ−Ｓｎ−Ｃｕ系
オーバーレイ合金層よりもさらに優れた耐摩耗性を有す
るオーバレイ合金層をそなえた平軸受などの軸受を提供
することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る耐摩耗性に
優れた平軸受等の軸受は、請求項１に記載しているよう
に、表面が、重量％で、Ｐｂ：６２〜８４％、Ｃｕ：７
〜１３％、Ｓｎ：５〜１０％、Ｉｎ：４〜１５％よりな
るオーバレイ合金層で形成されているものとしたことを
特徴としている。

【００１１】そして、本発明に係る耐摩耗性に優れた軸
受の実施態様においては、請求項２に記載しているよう
に、裏金に設けた軸受合金層に、直接、請求項１に記載
のオーバレイ合金層を形成したものとすることができ
る。

【００１２】同じく、本発明に係る耐摩耗性に優れた軸
受の実施態様においては、請求項３に記載しているよう
に、裏金に設けた軸受合金層に、中間めっき層を介し
て、請求項１に記載のオーバレイ合金層を形成したもの
とすることができ、この場合に請求項４に記載している
ように、中間めっき層が、Ｎｉ，Ｎｉ合金，Ｃｕ，Ｃｕ
合金，Ａｇ，Ａｇ合金のうち少なくともいづれかの金属
で形成されているものとすることができる。

【００１３】

【発明の作用】本発明による耐摩耗性に優れた平軸受等
の軸受は、上述した構成を有するものであり、軸受面の
高面圧化に対応するべくオーバレイ合金層の耐摩耗性を
さらに向上させるようにしたものであって、上記の構成
とした理由について各合金元素の作用と共に次に説明す
る。

【００１４】本発明の軸受においてオーバレイ合金層の
組成上における最も大きな特徴は、Ｃｕを多量に含有し
ているところにある。このＣｕは、Ｐｂ−Ｓｎオーバレ
イ合金層の耐摩耗性および疲労強度を高めるのに最も効
果的な成分である。

【００１５】そして、このように有効なＣｕを多量に加
えることにより、オーバレイ合金層の耐摩耗性，疲労強
度は急激に増大する。この場合、含有量を７％以上とし
たことによるＣｕの効果は、めっき皮膜を微細化し、著
しく耐摩耗性を向上させる。ただし、本発明のごとく７
〜１３％とＣｕを多く含有すると、Ｐｂ−Ｓｎ−Ｃｕの
３元系では、なじみ性および疲労特性が低下するので、
Ｉｎを添加した４元系の成分とすることによって、バラ
ンスのとれたオーバレイ合金層の組成とした。そして、
Ｃｕ含有量が１３％を超えるともろくなり、オーバレイ
特性としてのバランスがとれがたくなるので、１３％以
下とした。

【００１６】Ｓｎの効果は耐蝕性に関連しており、Ｓｎ
含有量が５％未満では耐蝕性が急激に低下する。一方、
Ｓｎ含有量が１５％超過であるとＣｕＳｎの金属間化合
物を多く生成して脆くなる。従って、Ｓｎ含有量は好ま
しくは５〜１０％である。

【００１７】Ｉｎ添加量は４〜１５％であり、このＩｎ
添加量が４％未満であると耐食性が著しく低下し、耐焼
付性も劣化する。そして、ＩｎとＳｎの共存が耐食性に
大きく寄与するが、Ｉｎ添加量が１５％を超えると柔ら
かくなり、耐摩耗性が低下する。そして、より好ましい
Ｉｎ添加量は９〜１１％である。

【００１８】Ｉｎは高含有銅のＰｂ−Ｃｕ−Ｓｎ合金に
添加することにより、耐食性を大幅に向上させるほか
に、優れたなじみ性を発揮し、耐焼付性等の特性を高め
る。

【００１９】このように、Ｃｕを多く含有したＰｂ−Ｃ
ｕ−Ｓｎ−Ｉｎの組合せとすることにより、耐摩耗性を
大幅に向上させることが可能となり、Ｃｕを多く含有さ
せたことによる耐食性，耐焼付性の劣化はＩｎを添加し
たＰｂ−Ｃｕ−Ｓｎ−Ｉｎ４元系の組合せとすることに
より解消される。

【００２０】従って、なじみ性，耐焼付性等の諸性質も
良好で且つまた、耐摩耗性の向上したオーバレイ合金層
が形成でき、耐摩耗性に優れそしてまたなじみ性，耐焼
付性に優れた平軸受等の軸受とすることが可能となる。

【００２１】本発明に係る耐摩耗性に優れた軸受は、上
述した理由により、表面が、重量％で、Ｐｂ：６２〜８
４％、Ｃｕ：７〜１３％、Ｓｎ：５〜１０％、Ｉｎ：４
〜１５％よりなるオーバレイ合金層で形成されるものと
しており、この場合、裏金に設けた軸受合金層に、直
接、あるいは中間めっき層を介して、上記成分組成のオ
ーバレイ合金層を形成しているものとしている。そし
て、後記する実施例では鋼裏金付鉛青銅合金（軸受合金
層）上に１〜２μｍ厚さのニッケルめっき中間層を形成
し、その上に本発明に係るオーバレイ合金層を形成する
最もポピュラーな構成としているが、本発明では、この
ようなニッケルめっき中間層は必須ではなく、中間層を
形成する場合であっても中間層の材質をニッケルに限定
するものでもない。

【００２２】ニッケルめっき層は、下地合金（軸受合金
層）が鉛を含む銅基合金の場合に、従来のＰｂ−Ｓｎ−
Ｃｕ系オーバレイ合金層中のＳｎが軸受使用中に下地合
金中の主にＰｂ相に拡散して、Ｐｂ−Ｓｎ−Ｃｕ系オー
バレイ合金層中のＳｎが減少することで、耐食性が劣化
するのを防止する役目をはたす中間層である。

【００２３】従って、最表面のオーバレイ合金層の耐食
性に不安がないＩｎ含有の本発明品では、下地層とオー
バレイ合金層との間に拡散防止用のめっき中間層を介在
させる必要性は大きくなく、めっきによる中間層なし、
つまり、下地である軸受合金層上に直接本発明に係るオ
ーバレイ合金層を設ける構造であっても、性能上支障は
ない。

【００２４】そして、中間層がない場合は、Ｓｎ，Ｉｎ
が下地合金層に拡散するものの、Ｉｎを伴なう４元系で
あるので耐食性はそれ程劣化しない。また、下地のＰｂ
相に耐食性のあるＳｎ，Ｉｎが拡散することで、万一、
オーバレイ合金層が部分的になくなり、下地合金層が露
出した場合でも、下地合金層の耐食性は元のままよりも
向上しており、長寿命の耐久性が得られる。

【００２５】めっき中間層を介在させる場合の材質とし
ては、銅基下地合金と鉛基オーバレイ合金層との密着性
を少なくとも阻害せず、オーバレイ合金層中の成分が下
地合金中に拡散移動するのを防止できる機能を持つ必要
がある。これらの機能を果たす材質としては、Ｎｉ，Ｎ
ｉ合金，Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合金をあげること
ができ、いづれも使用可能であるが、最も普及している
のがＮｉである。

【００２６】また、下地合金がＡｌ合金である場合、前
述のような下地のＰｂ相への拡散は耐食性を劣化させる
レベルでは起こらないので、めっき中間層の役割は下地
合金と鉛基オーバレイ合金層との密着性向上が主なもの
となる。そして、このような構造とすることで、一般的
には、オーバレイ合金層よりもなじみ性や異物埋収性等
の表面性能が劣るアルミニウム合金系軸受の表面性能を
一段と向上させることができる。

【００２７】そして、裏金としては、鋼やその他適宜の
ものが使用される。

【００２８】

【実施例】次に、本発明の実施例について比較例と共に
説明する。

【００２９】鋼裏金付鉛青銅合金（裏金付軸受合金層）
上に１〜２μｍの厚さでニッケルめっきを施して中間層
を形成し、このニッケルめっきよりなる中間層上に表１
に示す浴組成のめっき浴とめっき条件によってＰｂ−Ｃ
ｕ−Ｓｎ系合金の電気めっきを施した。

【００３０】

【表１】

【００３１】次に、Ｉｎめっきを電気めっきにより施し
たのち、温度１５０℃で熱処理した。このオーバレイ合
金層の厚さは、通常、１５〜２０μｍである。

【００３２】この実施例でのめっき表面は、なめらかで
緻密なものが得られ、また、組織もオーバレイ合金層中
で元素偏析は見られず均一なものであった。

【００３３】表２に、本発明の実施例１，２、および比
較のために本実施例のＩｎめっきを施す前の状態のもの
である比較例１、Ｉｎ添加量を３％にした比較例２、Ｉ
ｎ添加量を増加して１９％とした比較例３、Ｓｎ添加量
を１％とした比較例４、さらには従来のオーバレイ合金
層の代表的なものである従来例１，２について、オーバ
レイ合金層の組成およびオーバレイ合金層の表面硬さを
比較して表わした。このとき、硬さ試験は、マイクロビ
ッカース硬度計により試験荷重１０ｇｆで行った。

【００３４】

【表２】

【００３５】表２より明らかであるように、従来例１，
２に比べてＣｕを多く含有した本発明実施例１，２で
は、表面硬さが従来例１，２よりも増加しており、耐摩
耗性を向上させる効果が認められた。そしてとくに、本
発明実施例１の硬さは、従来例１，２の約３倍になって
いた。

【００３６】図１に、本発明実施例１，２および従来例
１，２のオーバレイ合金層の温度による表面硬さの変化
を示す。先に述べた様に、近年のエンジンの高性能化に
伴なう軸受の影響の一つに高温度化を上げることができ
る。このとき、運転温度はオーバレイ合金層の寿命に著
しく影響し、温度の上昇はオーバレイ合金材料の物理的
性質を低下させる。そして、オーバレイ合金層は鉛を主
体とした材質となっているため、その硬さは温度にきわ
めて依存しやすいものとなり、高温になれば硬さが低下
し、オーバレイ合金層に要求される特性のひとつである
耐摩耗性を減じる。

【００３７】図１に示すように、Ｃｕ含有量を多くした
本発明実施例１，２では、従来例１，２に比べて高温硬
さの低下防止に効果があり、従って、実際のエンジンで
の使用における耐摩耗性向上に著しい効果を発揮するも
のであった。

【００３８】次に、鈴木式摩擦摩耗試験機による摩耗試
験を行った。このときの摩耗試験条件は表３に示す通り
である。この摩耗試験結果を表４および図２に示す。

【００３９】

【表３】

【００４０】

【表４】

【００４１】表４および図２で明らかなように、本発明
実施例１，２の摩耗量は従来例１，２の摩耗量に比べて
かなり少なくなっており、本発明品の耐摩耗性は従来品
に比べて大幅に向上していることが認められた。

【００４２】また、Ｉｎ添加量を１９％に増加させた比
較例３では、柔らかくなりすぎるため摩耗量が多くな
り、従来品と同レベルの耐摩耗性となっていることが認
められた。

【００４３】次に、鈴木式摩擦摩耗試験機による焼付試
験を行った。このときの焼付試験条件は表５に示す通り
である。この焼付試験結果を同じく表４および図２に示
す。

【００４４】

【表５】

【００４５】表４および図２で明らかなように、Ｉｎを
添加していない比較例１では焼付限界荷重が極端に低下
しているが、比較例１にＩｎを１０％添加した本発明実
施例１では、従来例１，２と同等の優れた耐焼付性を有
していることが認められた。

【００４６】一方、Ｉｎ添加量を減らしたＩｎ３％の比
較例２、およびＳｎ添加量を減らしたＳｎ１％の比較例
４では、焼付限界荷重の低下が認められた。

【００４７】次に、腐食試験およびキャビテーション試
験を行った。このときの腐食試験条件は表６に示す通り
であり、キャビテーション試験条件は表７に示す通りで
ある。この腐食試験結果を同じく表４および図２に示
し、キャビテーション試験結果を表４に示す。

【００４８】

【表６】

【００４９】

【表７】

【００５０】表４および図２で明らかなように、耐食性
に関して、銅はオイル中のいおう分のターゲットになり
うるので、Ｐｂ−Ｓｎ−Ｃｕ系の従来例１に比較してＣ
ｕ含有量の多い比較例１では腐食量が多くなっている。
しかし、Ｉｎを添加して４元素系とすることで本発明実
施例１，２の腐食量は、従来例１よりも少なくなってい
ることが認められた。

【００５１】そして、比較例１，２より明らかなよう
に、ＩｎあるいはＳｎ添加量を減らすと腐食量は増加す
ることとなり、ＳｎとＩｎが同時に添加されているもの
とすることで相乗効果を生むことにより耐食性の向上に
大きく寄与することが確かめられた。

【００５２】このように、本発明実施例１，２では、従
来例１，２と比較して、耐摩耗性に優れていると共に耐
焼付性，耐食性は同等以上である。そして、Ｉｎ添加量
を３％とした比較例２では耐焼付性，耐食性が低下して
おり、Ｉｎ添加量を１９％とした比較例３では耐焼付
性，耐食性は良好であるものの耐摩耗性が低下したもの
となっていた。さらに、Ｓｎ添加量を１％とした比較例
４では耐摩耗性に優れているものの、耐焼付性，耐食性
が劣るものとなっていた。

【００５３】次に、エンジン部品として適用するべく、
軸受に設けられた本発明実施例１および従来例１，２の
めっき皮膜について、アンダーウッド試験を行った。こ
のときのアンダーウッド試験条件は表８に示す通りであ
る。このアンダーウッド試験結果を表９に示す。

【００５４】

【表８】

【００５５】

【表９】

【００５６】表９で明らかなように、本発明実施例１で
は従来例１，２のものに比べて肉厚減少量が少なく、耐
摩耗性に優れていることが認められた。

【００５７】

【発明の効果】本発明による耐摩耗性に優れた軸受で
は、表面が、重量％で、Ｐｂ：６２〜８４％、Ｃｕ：７
〜１３％、Ｓｎ：５〜１０％、Ｉｎ：４〜１５％よりな
るオーバレイ合金層で形成されているものであり、従来
のオーバレイ合金層の銅含有量を増加するとともにＩｎ
を加えたＰｂ−Ｃｕ−Ｓｎ−Ｉｎの４元系のオーバレイ
合金層を表面に形成した軸受としたから、なじみ性，耐
焼付性，耐食性等の諸特性を損なうことなしに耐摩耗性
が大幅に向上したオーバレイ合金層を表面に有する耐摩
耗性に優れた平軸受などの軸受とすることが可能であ
り、従って、近年のエンジンの高出力化、高性能化によ
り、軸受面における高面圧化，高温度化，油膜厚さの減
少など、より苛酷な条件で使用したとしても、十分に対
応できる耐摩耗性に優れたオーバレイ付（平）軸受を提
供することが可能であるという顕著な効果がもたらされ
る。

【００５８】そして、請求項２に記載しているように、
裏金に設けた軸受合金層に、直接、上記Ｐｂ−Ｃｕ−Ｓ
ｎ−Ｉｎ４元系のオーバレイ合金層を形成したものとし
ても、オーバレイ合金層中のＩｎが下地合金層に拡散し
た場合にこのＩｎは耐食性を大きく低下させないことか
ら、耐摩耗性をはじめとして耐食性等の良好な軸受を中
間層形成工程を経ることなく製造することが可能である
という顕著な効果がもたらされる。

【００５９】また、請求項３に記載しているように、裏
金に設けた軸受合金層に、中間めっき層を介して、上記
Ｐｂ−Ｃｕ−Ｓｎ−Ｉｎ４元系のオーバレイ合金層を形
成したものとすることによって、オーバレイ合金層中の
Ｓｎ，Ｉｎが下地合金層中に拡散するのを防止すること
が可能であると共に、下地合金層とオーバレイ合金層と
の密着性をより一層向上したものにすることが可能であ
るという顕著な効果がもたらされ、請求項４に記載して
いるように、中間めっき層がＮｉ，Ｎｉ合金，Ｃｕ，Ｃ
ｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合金のうち少なくともいづれかの金
属で形成されているものとすることによって、下地合金
層とオーバレイ合金層との密着性を向上させそしてまた
オーバレイ合金層中の成分が下地合金層に拡散移動する
のを阻止することが可能であるという顕著な効果がもた
らされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例１，２および従来例１，２の
オーバレイ合金層の温度による表面硬さの変化を調べた
結果を示すグラフである。

【図２】 本発明の実施例１，２，比較例１〜４，従来
例１，２で測定した摩耗，焼付，腐食試験結果を示すグ
ラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−20915（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−266544（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−142318（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−84435（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−20892（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F16C 17/00 - 17/26 F16C 33/00 - 33/28 C25D 1/00 - 7/12 C22C 11/00 - 11/10

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面が、重量％で、Ｐｂ：６２〜８４
   ％、Ｃｕ：７〜１３％、Ｓｎ：５〜１０％、Ｉｎ：４〜
   １５％よりなるオーバレイ合金層で形成されていること
   を特徴とする耐摩耗性に優れた軸受。
2. 【請求項２】 裏金に設けた軸受合金層に、直接、請求
   項１に記載のオーバレイ合金層を形成したことを特徴と
   する耐摩耗性に優れた軸受。
3. 【請求項３】 裏金に設けた軸受合金層に、中間めっき
   層を介して、請求項１に記載のオーバレイ合金層を形成
   したことを特徴とする耐摩耗性に優れた軸受。
4. 【請求項４】 中間めっき層が、Ｎｉ，Ｎｉ合金，Ｃ
   ｕ，Ｃｕ合金，Ａｇ，Ａｇ合金のうち少なくともいづれ
   かの金属で形成されている請求項３に記載の耐摩耗性に
   優れた軸受。