JP3838833B2

JP3838833B2 - Ａｌ−Ｂｉ系焼結軸受合金およびその製造方法

Info

Publication number: JP3838833B2
Application number: JP33884299A
Authority: JP
Inventors: 勝廣西山
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1999-11-29
Filing date: 1999-11-29
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2019-11-29
Also published as: JP2001152210A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、従来のＡｌ−Ｐｂ系合金、Ａｌ−Ｓｎ系合金等の軸受合金に替わる耐摩耗性の優れたＡｌ−Ｂｉ系焼結軸受合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、最も多く使用されている軸受合金には、オーバーレイメッキを施した銅−鉛合金軸受（ケルメット合金：Ｃｕ−Ｐｂ−Ｎｉ−Ｓｎ合金系、Ｃｕ−Ｐｂ−Ａｇ−Ｓｎ合金系、Ｐｂ：２３〜４２ｗｔ％）がある。
【０００３】
オーバーレイメッキ軸受は、製造の工程が増えることからコストが割高になるという難点がある。また、中荷重用によく用いられるオーバーレイメッキ無しの銅−鉛合金軸受は、近年の排ガス規制やオイル交換期間の長期化により腐食の発生が問題になっている。
【０００４】
そこで、近年、耐腐食性、耐荷重性、なじみ性に優れたＡｌ系軸受合金の開発が重要な課題としてクローズアップされ、これまで米国を中心にいくつかのＡｌ系軸受合金が開発されている。開発された、Ａｌ系軸受合金としては、米国のＧｅｎｅｒａｌＭｏｔｏｒｓ社が開発したＧＭ metal（溶製材）およびＤｉａｃｌｅｖｉｔｅ社のＧｏｕｌｄ Metal（粉末圧延材）などのＡｌ−Ｐｂ系合金やＡｌｃｏａ社が開発したＡｌ−Ｓｎ系合金（溶製材）が挙げられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
Ａｌ−Ｐｂ系合金の製造の際に問題となる点は、ＡｌとＰｂの比重差が大きいために地上（重力環境下）における製造では十分なＰｂ含有量が得られず（１２重量％が限界）、また、Ａｌ−Ｓｎ系合金においては、Ｓｎは軸に対する表面性能が劣っているために、過剰摩耗を引き起こすなど、いずれの合金についても、十分な軸受性能を付与させることができなかった。
【０００６】
最近、本発明者は、無重力環境下でなくても比重差が大きな金属同士を容易に混合できる製造方法を開発するとともに、優れた軸受特性を有するＡｌ−Ｐｂ系軸受合金（ＳＵＴ metalＡおよびＳＵＴ metalＢ) の開発に成功した（特公昭６２−６６２５号公報、特公昭６２−２９４９７号公報、特公平３−４６５３６号公報、特開平７−３００６４４号公報）。しかし、環境問題の観点から、Ｐｂの２０００年以降の使用が制限されており、バッテリーの使用目的以外はＰｂの使用を皆無にすることが目標となっている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような状況にあって、本発明者は、従来のＡｌ−Ｐｂ合金やＡｌ−Ｓｎ合金に替わる新しい軸受合金の開発を試み、種々の軸受性能に優れるＡｌ系軸受合金とその製造法を検討した結果、Ｐｂを使用しないで、従来のＡｌ系軸受合金のみならず、鉛青銅系合金（ＬＢＣ４）よりもはるかに優れたＡｌ−Ｂｉ系の新しい焼結軸受合金の開発に成功した。
【０００８】
すなわち、本発明は、ビスマスが９〜５０容積％であり、残部の９１〜５０容積％がＡｌ９７重量％、Ｍｇ３重量％の組成からなることを特徴とするＡｌ−Ｂｉ系焼結軸受合金である。本発明のＡｌ−Ｂｉ系焼結軸受合金は、この組成範囲内で、ビスマスが約４０容積％の場合に最も小さい比摩耗量を示す。
【０００９】
また、本発明は、上記合金組成に加えて銅および黒鉛を加えて、さらに比摩耗量を少なくした焼結合金、すなわち、ビスマスが９〜５０容積％であり、銅および黒鉛の合計量が１５容積％以下であり、残部の９１超〜３５容積％がＡｌ９７重量％、Ｍｇ３重量％の組成からなる合金であることを特徴とするＡｌ−Ｂｉ系焼結軸受合金である。また、本発明は、Ｍｇ _３Ｂｉ _２またはＢｉＭｇの化合物が生成していることを特徴とする上記のＡｌ−Ｂｉ系焼結軸受合金である。
【００１０】
さらに、本発明は、上記の各合金組成となるように原料粉末を所定の割合で混合し、圧粉成形し、常圧不活性雰囲気中で５２０℃〜６４０℃で焼結することを特徴とするＡｌ−Ｂｉ系焼結軸受合金の製造方法である。上記の焼結合金において、銅および黒鉛を含有させるには、銅メッキした黒鉛粉を原料として使用することが好ましい。
【００１１】
Ａｌ−Ｂｉ系焼結合金、Ａｌ−Ｓｎ系焼結合金、Ａｌ−Ｉｎ系焼結合金は、軟質金属基がＡｌ中に細かく均一に分散し、軸受合金として理想的な組織を得ることができる。ＡｌにＢｉ、Ｓｎ、およびＩｎを添加するとなじみ性が現れ、比摩耗量が小さくなる。これにより、これらの金属成分は摩耗を抑える効果があることが分かった。特に、Ｂｉを添加した焼結合金は耐摩耗性が大きく向上した。また、原料粉に銅メッキした黒鉛粉末（以下「鍍銅黒鉛粉」という）を混合する方法等により焼結合金中に銅および黒鉛を１５容積％以下含有させるとさらに耐摩耗性が向上する。銅および黒鉛の含有量が増加するにつれ曲げ強度は低下するので銅および黒鉛の上限は１５容積％程度が好ましい。
【００１２】
Ａｌ−Ｂｉ系焼結合金、Ａｌ−Ｓｎ系焼結合金およびＡｌ−Ｉｎ系焼結合金は、実用合金であるＧＭｍｅｔａｌ（Ａｌ−８ｗｔ％Ｐｂ）およびＧｏｕｌｄｍｅｔａｌ（Ａｌ−８．５ｗｔ％Ｐｂ−４．０ｗｔ％Ｓｉ−１．５ｗｔ％Ｓｎ−１．０ｗｔ％Ｃｕ）よりも耐摩耗性に優れていた。特に、Ａｌ−Ｂｉ系焼結合金は、鉛青銅４種（ＬＢＣ４）やＡｌ−Ｐｂ合金（ＳＵＴｍｅｔａｌＡ：Ａｌ−４４．８ｗｔ％Ｐｂ−１．３ｗｔ％Ｍｇ）よりも比摩耗量が小さかった。Ａｌに対する軟質金属の最適添加量は、Ｂｉが４０容積％、Ｓｎが１２容積％、Ｉｎが１８容積％であった。また、鍍銅黒鉛粉を添加したＡｌ−Ｂｉ系焼結合金は、Ａｌ−Ｐｂに鍍銅黒鉛粉を添加した焼結合金（ＳＵＴｍｅｔａｌＢ：Ａｌ−４３．３％Ｐｂ−１．２％Ｍｇ−６．５％Ｃｕ−６．５％Ｇｒ）と同等な比摩耗量が得られた。これらの結果からＡｌ−Ｂｉ系焼結合金は、Ａｌ−Ｐｂ系焼結合金に匹敵する性能を有すると言える。
【００１３】
本発明の焼結合金において、Ｂｉは従来の合金のＰｂ、Ｓｎ、Ｉｎに替わる毒性の少ない軟質金属成分であり、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｉｎを用いた軸受合金よりも小さな比摩耗量が得られることが分かった。軸受合金の金属組織と耐摩耗性には密接な関係があり、軟質金属が細かく網目状に分布している材料は、なじみ性がよく、比摩耗量も小さい。Ｍｇは、ＢｉとＭｇ₃Ｂｉ₂またはＢｉＭｇの化合物を生成し、これは焼結性の改善および強度を向上させる作用をするので上記所定の量含有することが望ましい。
【００１４】
本発明の焼結軸受合金を製造するための原料のＡｌ粉、Ｍｇ粉、Ｂｉ粉、鍍銅黒鉛粉の粒度は１００〜１５００ｍｅｓｈのものを用い、好ましくは、平均粒径がＡｌ粉は７．３μｍ以下、Ｍｇ粉は７５μｍ以下、Ｂｉは７５μｍ以下、鍍銅黒鉛粉は１４９μｍ以下を用いる。なお、鍍銅黒鉛粉の代わりに銅粉、黒鉛粉を用いることもできる。
【００１５】
これらの原料粉を焼結体の組成が本発明の各合金の組成範囲内になるように所定の混合比に調合後、乾式混合を約３０分行う。次いで、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛等を用いて、混合粉を金型に充填し１０〜４００ＭＰａで約６０分かけて成形して圧粉成形体を作製する。次いで、この圧粉成形体を速度約１５℃／分で昇温し、Ａｒ雰囲気中等の常圧不活性雰囲気中で５２０℃〜６４０℃で焼結する。軟質金属を細かく網目状に均一に分散させるためのより好適な焼結温度は５８０〜６００℃である。
【００１６】
図１は、ビスマスの含有量を３〜５０容積％の範囲とし、残部の９７〜５０容積％をＡｌ９７重量％、Ｍｇ３重量％の組成としたＡｌ−Ｂｉ系焼結軸受合金のＢｉ含有量と（ｍｍ³／Ｎｍｍ）の関係を、焼結温度を５８０℃、６００℃、６２０℃、６４０℃とした場合について示すグラフである。摩耗試験は、大越式迅速摩耗試験機を用い、相手材ＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼材）、最終荷重２０．６Ｎ、すべり速度３．５５ｍ／ｓ、摩耗距離６６．６ｍ〜６００ｍ、空気中、無潤滑の条件で行った。図２は、Ａｌ−４０容積％Ｂｉ合金およびＡｌ−４０容積％Ｂｉ−１５容積％（Ｃｕ−黒鉛）合金の摩擦距離と比摩耗量の関係を示すグラフである。Ａｌ−４０容積％Ｂｉ−１５容積％（Ｃｕ−黒鉛）合金は、Ａｌ−４０容積％Ｂｉ合金より小さな比摩擦量を示し、特に摩擦距離２００〜６００ｍで比摩擦量は著しく小さくなる。図３は、５８０℃（ａ）および６４０℃（ｂ）でそれぞれ焼結したＡｌ−４０容積％Ｂｉ合金の組織を示す光学顕微鏡写真である。図４は、Ａｌ−４０容積％Ｂｉ−１５容積％（Ｃｕ−黒鉛）合金の組織を示す光学顕微鏡写真である。
【００１７】
本発明のＡｌ−Ｂｉ−Ｍｇ系焼結軸受合金のＢｉ含有量は、３〜５０容積％（１０．２〜７８．７重量％）、比摩耗量の観点からするとより好ましくは９〜５０容積％、さらにより好ましくは３０〜５０容積％の範囲である。３０〜５０容積％では、従来の代表的な鉛青銅系軸受合金であるＵＬＢＣ４の比摩耗量４×１０^-8ｍｍ³／Ｎｍｍと同等かそれより小さい比摩耗量を示し、特に、Ｂｉ含有量が４０容積％程度で最も小さい比摩耗量を示す。また４０容積％を超えてＢｉ含有量を増加すると比摩耗量は次第に大きくなるのでＢｉの含有量の上限は５０容積％程度が好ましい。Ｂｉ含有量が９容積％未満〜３％では比摩耗量は大きくなるが、それでも従来のＡｌ−Ｓｎ系合金、Ａｌ−Ｉｎ系合金と比較して同等の比摩耗量を示し、硬度が大きいので軸受合金としての十分な特性を有している。
【００１８】
なお、比較のためにＡｌ−Ｓｎ系焼結軸受合金、Ａｌ−Ｉｎ系焼結軸受合金を同様に製造したものについて、Ｓｎ含有量と比摩耗量（ｍｍ³／Ｎｍｍ）の関係を図５に示す。また、Ｉｎ含有量と比摩耗量（ｍｍ³／Ｎｍｍ）の関係を図６に示す。焼結温度は５８０℃である。
【００１９】
Ａｌ−Ｓｎ系焼結合金では、最も優れた組成はＳｎ含有量１２容積％程度であるが、この場合の比摩耗量は４．５×１０^-8ｍｍ³／Ｎｍｍ程度であり、また、Ａｌ−Ｉｎ系焼結合金では、最も優れた組成はＩｎ含有量１８容積％程度であるが、この場合の比摩耗量は６．２×１０^-8ｍｍ³／Ｎｍｍ程度であり、本発明のＡｌ−Ｂｉ系焼結軸受合金より劣る。
【００２０】
また、表１に本発明のＡｌ−Ｂｉ系焼結軸受合金とＡｌ−Ｓｎ系焼結軸受合金、Ａｌ−Ｉｎ系焼結軸受合金の機械的性質および相対密度を示す。ビスマスの含有量を９〜３０容積％の範囲とし、残部の容積％をＡｌ９１重量％、Ｍｇ３重量％の組成とした本発明のＡｌ−Ｂｉ系焼結軸受合金は、Ａｌ−Ｓｎ系焼結合金と同等以上の曲げ強度を有することが分かる。
【００２１】
【表１】

【００２２】
【実施例】
実施例１
（Ａｌ−３重量％Ｍｇ）−Ｂｉ４０容積％の組成（Ａｌ−７１重量％Ｂｉ−０．９重量％Ｍｇ）となるように原料粉を所定の混合比に調合後、乾式混合を行った。次いで、これらの混合粉を２００ＭＰａで成形した後、常圧Ａｒ雰囲気中において温度６２０℃で焼結した。
【００２３】
図７に、得られた焼結体のＸ線回折パターンを示す。また、図８の（ａ）に、摩耗表面から検出したＦｅＫα１Ｘ線強度を示す。図９に、得られた焼結体の比摩耗量について従来公知の軸受け合金と比較して示す。
【００２４】
図７に示すように、本発明のＡｌ−Ｂｉ系焼結合金ではＢｉがＡｌ中に細かく均一に分散していることが分かる。また、ＢｉＭｇ化合物が形成されていることも分かる。図９から、Ａｌ−Ｂｉ系焼結合金、Ａｌ−Ｓｉ系焼結合金およびＡｌ−Ｉｎ系焼結合金は、実用合金であるＧＭ metalおよびＧｏｕｌｄ metalよりも耐摩耗性に優れていることが分かるが、特に、本発明のＡｌ−Ｂｉ系焼結合金は、鉛青銅４種（ＬＢＣ４）やＡｌ−Ｐｂ合金（ＳＵＴ METALＡ）と比べて比摩耗量が小さいことが分かる。
【００２５】
実施例２
焼結合金中のＢｉの含有量が９容積％となるように原料粉末を調合した以外は、実施例１と同一の条件で焼結した。図７に、得られた焼結体のＸ線回折パターンを示す。ＢｉがＡｌ中に細かく均一に分散し、Ｂｉの含有量が９容積％の焼結体にはＢｉ₃Ｍｇ₂が生成するが、４０容積％の焼結体にはＢｉＭｇが生成していることが分かる。また、表１に示されるようにＢｉが９容積％の場合、曲げ強度が２０９．１ＭＰａと非常に大きな値を示す。
【００２６】
実施例３
焼結合金中のＢｉの含有量が２１容積％となるように原料粉末を調合した以外は、実施例１と同一の条件で圧粉成形体を製作し、５８０℃および６４０℃で焼結した。図１０の（ａ）、（ｂ）に、得られた焼結体の光学顕微鏡組織写真を示す。写真の黒い部分がＢｉであり、ＢｉがＡｌ中に細かく均一に分散し、焼結温度が低いほど軟質金属であるＢｉがＡｌ中に細かく網目状に均一に分散していることが分かる。
【００２７】
実施例４
銅および黒鉛の合計の容積％が１５％となり、ビスマスが４０容積％であり、残部の４５容積％がＡｌ９７重量％、Ｍｇ３重量％の合金組成（Ａｌ−６９．３重量％Ｂｉ−０．６重量％Ｍｇ−４．８重量％Ｃｕ−４．８重量％黒鉛）となるように原料粉を所定の混合比に調合後、実施例１と同一の条件で焼結した。
【００２８】
図８の（ａ）、（ｂ）に、摩耗表面から検出したＸ線強度ＦｅＫα１を示す。図９に、従来公知の軸受合金と比較した比摩耗量を示す。図８の（ａ）、（ｂ）を対比してみれば、鍍銅黒鉛粉を混合した焼結合金は相手攻撃性が小さくなることが分かる。図９から、本発明のＡｌ−Ｂｉ−Ｍｇ−Ｃｕ−黒鉛系焼結合金は、Ａｌ−Ｐｂ系焼結合金に黒鉛粉を添加した合金（ＳＵＴ METALＢ）と同等な比摩耗量となることが分かる。
【００２９】
比較例１
組成がＡｌ−２７．２重量％Ｓｎ−１．７重量％Ｍｇとなるように原料粉末を調製した以外は、実施例１と同一の条件でＡｌ−Ｓｎ焼結合金を製作した。比摩耗量は図９に示すように、４．５×１０^-8ｍｍ³／Ｎｍｍであった。
【００３０】
比較例２
組成がＡｌ−３２．７重量％Ｉｎ−２．０重量％Ｍｇとなるように原料粉末を調製した以外は、実施例１と同一の条件でＡｌ−Ｉｎ焼結合金を製作した。比摩耗量は図９に示すように６．３×１０^-8ｍｍ³／Ｎｍｍであった。
【００３１】
【発明の効果】
本発明のＡｌ−Ｂｉ系焼結軸受合金は、Ａｌ−Ｐｂ系焼結合金に匹敵する性能が得られるので、環境問題の観点から問題となっているＰｂを使用しない新しい焼結軸受合金として産業界のニーズに応え得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明のＡｌ−Ｂｉ系焼結軸受合金のＢｉの含有量と比摩耗量の関係を焼結温度ごとに示すグラフである。
【図２】図２は、本発明のＡｌ−Ｂｉ系焼結軸受合金の摩擦距離と比摩耗量の関係を示すグラフである。
【図３】図３は、本発明のＡｌ−Ｂｉ系焼結軸受合金の光学顕微鏡組織を示す図面代用写真である。
【図４】図４は、本発明のＡｌ−Ｂｉ−（Ｃｕ−Ｇｒ）系焼結軸受合金の光学顕微鏡組織を示す図面代用写真である。
【図５】図５は、従来公知のＡｌ−Ｓｎ焼結軸受合金のＳｎの含有量と比摩耗量の関係を示すグラフである。
【図６】図６は、従来公知のＡｌ−Ｉｎ焼結軸受合金のＩｎの含有量と比摩耗量の関係を示すグラフである。
【図７】図７は、実施例１および実施例２で得られた焼結合金のＸ線回折パターン図である。
【図８】図８は、実施例１および実施例４の摩耗表面から検出したＦｅＫα１Ｘ線強度を示すグラフである。
【図９】図９は、本発明のＡｌ−Ｂｉ系焼結軸受合金と従来公知の軸受合金との比摩耗量を比較して示すグラフである。
【図１０】図１０は、実施例３のＡｌ−Ｂｉ系焼結軸受合金の光学顕微鏡組織を示す図面代用写真である。

Claims

ビスマスが９〜５０容積％であり、残部の９１〜５０容積％がＡｌ９７重量％、Ｍｇ３重量％の組成からなることを特徴とするＡｌ−Ｂｉ系焼結軸受合金。
ビスマスが９〜５０容積％であり、銅および黒鉛の合計量が１５容積％以下であり、残部の９１超〜３５容積％がＡｌ９７重量％、Ｍｇ３重量％の組成からなることを特徴とするＡｌ−Ｂｉ系焼結軸受合金。
Ｍｇ_３Ｂｉ_２またはＢｉＭｇの化合物が生成していることを特徴とする請求項１または２記載のＡｌ−Ｂｉ系焼結軸受合金。
請求項１乃至３記載の合金組成となるように原料粉末を所定の割合で混合し、圧粉成形し、常圧不活性雰囲気中で５２０℃〜６４０℃で焼結することを特徴とする請求項１乃至３記載のＡｌ−Ｂｉ系焼結軸受合金の製造方法。