CN102869800B - 轴承装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种轴承装置，其中，提高以硬质钢轴为匹配轴的Al-Sn-Si系合金滑动轴承的耐磨损性。本发明的轴承装置由至少表面的硬度为Hv500以上的钢轴与使用铝系合金的滑动轴承的组合构成，所述铝系合金含有Si：2~10%质量和Sn：10~18%质量，余量由Al和不可避免的杂质构成，其特征在于，所述铝系合金的组织为，Sn相的%体积相对于Si粒子(其中，其平均粒径为4~10μm)的%体积为50%以上，另外，其特征在于，所述铝系合金的硬度为Hv45以上。

Description

轴承装置

技术领域

本发明涉及一种轴承装置，其由安装于汽车用自动变速器(AT)或各种辅件的旋转轴和支撑它的滑动轴承构成，若更详细地叙述，则涉及一种轴承装置，其中旋转钢轴通过调质、表面硬化处理等得到硬化，在苛刻的滑动条件下滑动。

背景技术

专利文献1：日本特开平2-102912号，其中公开了将S45C调质轴(硬度HRc55)与铝系合金滑动轴承组合的轴承装置。

专利文献2：日本特开平2-57653号公报涉及将调质钢轴(S45C，HRc=55)与铝合金滑动轴承组合的轴承装置，该铝合金为如下的铝合金：在以%重量计含有7~20%的Sn、0.1~5%的Pb、1~10%的Si以及合计为0.3~3.0%的Cu、Mg、Zn中的1种或2种以上，同时含有合计为0.01~1.0%的Cr、Mn、Fe、Ni、Co、Ti、V、Zr中的1种或2种以上，剩余实质上由Al构成的Al-Sn系轴承合金中，添加0.01~1%的Sb，在Al基质中使Si粒子以球状、椭圆状或前端带有圆形的形状分散、析出。专利文献1提出的带有圆形的Si粒子实现理想的点接触状态，此外通过添加Sb实现基底的强化。该铝合金的硬度为Hv40多。

专利文献3：日本特开平6-235038号公报也涉及将调质钢轴(S45C，HRc=55)与铝合金滑动轴承组合的轴承装置，该铝合金如下形成：以%重量计含有7~20%的Sn，0.1~5%的Pb，1~10%的Si，0.01~1.0%的Cr、Mn、Fe、Ni、Co、Ti、V、Zr中的1种或2种以上，同时含有合计为0.3~3.0%的Zn和Mg，此外含有0.01~0.1%的Sb，剩余实质上由Al构成，在Al基质中使Si粒子以球状、椭圆状或前端带有圆形的形状分散、析出，与该Si粒子毗邻地使Sn-Pb合金粒子析出。该合金的硬度为Hv40弱。

专利文献4：日本特许第3472284号涉及“铝系轴承合金，其特征在于，含有1.5~8%质量的Si，余量实质上由Al构成，相对于存在于滑动表面的Si粒子的总面积，粒径不足4μm的Si粒子的面积占20~60%，粒径为4~20μm的Si粒子的面积占40%以上。”，粒径为4~20μm的Si粒子(面积比为40%以上)有助于耐磨损性，粒径不足4μm的Si粒子(面积比为20~60%)有助于耐疲劳性。

耐磨损性试验在反复启动-停止的条件下进行，说明粒径为4~20μm的Si粒子承受匹配轴的载荷，未发生陷入Al基质或脱落。对于实施例中的匹配材料S55C (调质状态无记载)示出优异的耐磨损性。

非专利文献1：“                                               (社团法人汽车技术协会学术演讲会预印本)No. 46-99, 211 (耐磨损性提高的铝合金轴承的开发)”研究了对于淬火钢制匹配轴(Hv720~850)，Al-Sn-Si合金的耐磨损性，进行如下考察。

“随着磨损的推进，仅较软的铝合金基质磨损，在滑动面发生Si的浓集。若滑动表面的Si量增加，则Si所承受的载荷分担也增多，轴承的磨损得到抑制，但在粒径小的情况或硬度低的情况下，由于因滑动导致的Si的脱落和因磨损的推进导致的Si的浓集重复发生，所以表面的Si浓度不变，从而磨损推进。另一方面，在粒径大、硬度高的情况下，由于Si牢固地保持于合金中，不发生脱落，所以磨损难以推进。”

基于该考察，开发了具有Al-4.5Sn-2.7Si-1.5Cu-0.2Cr-0.15Zr的组成的轴承合金。该合金的特点如下所示。

(1) 将铝轴承合金中作为硬质物含有的Si的大小设定为平均粒径5.5μm，将合金硬度设定为53HV的开发材料相对于现有材料示出3~4倍的耐磨损性。

(2) 耐磨损性提高的机制被认为是由于在滑动面浓集的Si牢固地保持于合金中，从而可支撑载荷。

(3) 即使在5.5μm的平均粒径下，也可通过重新研究组织和合金强度，得到在往复运动载荷下与现有材料同等，在旋转载荷下优于现有材料的耐疲劳性，对于耐咬粘性也得到优于现有材料的结果。

需说明的是，上述开发合金的特性以Al-12.5Sn-2.7Si-1.8Pb-1Cu-0.2Cr为比较合金进行评价。

本申请人作为申请人之一的专利文献5：日本特开2004-28278号公报所提出的轴承装置中，轴为具有由珠光体和先共析铁素体(面积分率为3%以下)或珠光体构成的组织，未实施高频淬火或表面硬化处理的非调质型钢材制曲柄轴。曲柄轴的表面粗糙度为Rz0.5μm以下。滑动轴承中，由Si构成或含有Si、硬度为Hv900以上的硬质物分散于Al基质中，存在于滑动面的上述硬质物的大小为6μm以下。非调质钢的组织由硬度为Hv700左右的渗碳体和硬度为Hv150~300的铁素体构成。

本申请人作为发明人之一的专利文献6：日本特开2004-28276号公报所提出的轴承装置的轴与专利文献2相同，Al系合金中，由Si构成或含有Si、硬度为Hv900以上的硬质物分散于Al基质中，同时Si含量为1~4%质量。

另外，专利文献4和5的实施方式中的Al系合金以%质量计含有：除2~20%的Sn外，还有1~3%的Pb、0.5~2%的Cu、0.1~1%的Cr、0.5~2%的Mg以及0.1~1%的选自Zr、Mn、V、Ti和/或B的1种或2种以上。由于上述Al合金中含有的Si为硬质，所以该Si粒子的大小使非调质钢制轴的表面平滑化，使耐磨损性和咬粘性良好。

若对上述与Si粒子有关的现有技术进行整理，则明确如下的技术水平。

在匹配材料为非调质钢的专利文献5、6中说明，由于匹配轴软，所以铝合金的Si粒子具有匹配轴的精研(lapping)作用。在专利文献1、2和3中说明，Al合金中的Si粒子与匹配轴的淬火钢轴保持点接触状态。近年来，由于ATF的低粘度化和各种泵的小型化，滑动条件变得苛刻，对耐磨损性、耐咬粘性等滑动特性的要求不断提高。专利文献4中采用的启动-停止模式的苛刻的磨损试验条件虽然遵循了这样的趋势，但并未提及钢轴的调质状态，而叙述了Si粒子在滑动过程中被保持于Al基质中。在与专利文献4基本同一年代发表的非专利文献1被认为是发表以下内容的最初的文献：匹配轴为淬火S55C，在滑动面中Al、Sn等优先被匹配轴刮除，结果产生Si的浓集。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平2-102912号公报

专利文献2：日本特开平2-57653号公报

专利文献3：日本特开平6-235038号公报

专利文献4：日本特许第3472284号说明书

专利文献5：日本特开2004-28278号公报

专利文献6：日本特开2004-28276号公报

专利文献7：美国专利第4471029号

非专利文献

非专利文献1：社团法人汽车技术协会学术演讲会预印本No. 46-99, 211 耐磨损性提高的铝合金轴承的开发。

发明内容

发明所要解决的课题

在非专利文献1中虽然通过防止Si粒子从铝合金的基质脱落来实现在苛刻的滑动条件下的耐磨损性的提高，但Sn含量低至4.5%，可知耐磨损性的提高不充分。另外，以调质钢为匹配材料的专利文献2和3的铝合金含有Pb，硬度低。因此，本发明的目的在于提供在苛刻的滑动条件下发挥优异的耐磨损性的Al-Sn-Si系轴承合金滑动轴承与硬质钢轴的组合构成的轴承装置。

解决课题的手段

本发明所涉及的轴承装置的特征在于，由至少表面的硬度为Hv500以上的钢轴与使用铝系合金的滑动轴承的组合构成，所述铝系合金含有2~10%质量的Si和8~18%质量的Sn，并且Sn相的%体积相对于Si粒子—其中其平均粒径为4~10μm—的%体积为50%以上，余量由Al和不可避免的杂质构成，同时硬度为Hv45以上。在这里，当Sn相的%体积与Si粒子的%体积相等时，Sn相体积相对于Si粒子体积为100% (即，Sn相的体积/Si粒子的体积=1×100%)。在Sn相的%体积超过Si粒子的%体积时，该值超过100%。以下对本发明的构成进行详细说明。

发明的效果

在本发明的Al-Sn-Si系合金中，通过综合调整Sn和Si含量、Si平均粒径、Sn/Si粒子的%体积以及硬度，可在苛刻的滑动条件下提高相对于硬质钢轴的耐磨损性。

附图说明

[图1] 磨损试验机的图。

[图2] 示出启动-停止试验的循环的曲线图。

[图3] 示出Al-Sn-Si系合金的Sn含量与磨损试验的结果的曲线图。

[图4] 示出Al-Sn-Si系合金的显微组织的图。

[图5] 示出如图1、2所示的试验的循环数情况与Si粒径、表面Si量的关系的曲线图。

[图6] 示出如图1、2所示的试验的循环数情况与Si粒径、磨损深度的关系的曲线图。

[图7] 示出Sn含量相对于Si含量的比例与磨损试验的关系的曲线图。

[图8] 说明在Sn含量低的Al-Sn-Si系合金表面Si浓缩的示意图。

[图9] 说明在Sn含量高的Al-Sn-Si系合金表面Si浓缩且Sn覆盖的示意图。

[图10] 示出实施例中的磨损试验结果的曲线图。

符号说明

1-滑动轴承的铝合金相

2-Si粒子

3-Sn相

4-匹配轴

5-滑动轴承的铝合金相1与匹配轴4的接触部位。

(1) 匹配轴

本发明中使用的匹配轴为淬火碳钢或合金钢、氮化钢、渗碳钢等，至少表面硬度为Hv500以上。

(2) 铝合金滑动轴承

(I) 组成

本发明的铝合金的Al-Sn-Si三组分体系本身公知，但不含有Pb、Sb之类的降低高温强度的成分。另外，本发明所涉及的Al-Sn-Si系合金，以%质量计，在2~10%的Si、8~18%的Sn的组成范围内，优选为3~10%。

(II) 组织

在本发明中发现，若Si的平均粒径为4-10μm的范围，且Sn的%体积为Si的%体积的50%以上，则对防止Si粒子的脱落有效，轴承的耐磨损性优异。

关于轴承的耐磨损性评价，使用将发明品铝合金轧制板与低碳钢板复合(clad)后，成型为外径25mm、内径22mm、轴承宽度10mm的圆筒状的衬套，图1示出静载荷磨擦试验机，在如图2所示的试验模式的下列条件下进行：

载荷：490N

试验模式：启动-停止(0-1000rpm)

滑动速度：0-1.2m/s

润滑油：ATF

润滑油温度：120℃

轴材质：SCM415 (硬度为Hv800)。

将对Al-Sn-5Si合金的试验结果示出于图3中。由此图可知，在8~18%的Sn的范围，磨损深度变得非常小。除上述成分外，以总量计可含有3%质量以下的作为铝合金的固溶成分的Cu、Mg、Zn中的至少1种，另外以总量计可含有0.5%质量以下的作为析出成分的Cr、Zr、Mn、V、Sc中的至少1种。此外，以总量计含有0.5%质量以下的作为不可避免的杂质的Fe、Ti、B等。

在作为制备本发明的Al-Sn-Si系合金的最初的中间原料的连续铸造板中，Sn相与低共熔Al-Si存在于Al的树枝状结晶的臂之间。若对这样的连续铸造板进行冷轧，则Sn相和Si粒子被分别割裂。将该冷轧板与作为衬垫金属的碳钢板压接，通过进行专利文献7：美国专利第4471029号的表1中记载的与衬垫金属压接后的退火，调整Si粒子的大小，同时调整Sn相相对于Si粒子的%体积。在退火温度为350~550℃，退火时间为3~10小时的范围内调整退火条件。将退火后的组织示出于图4中，在Al基质中检测出在轧制方向(附图的上下方向)伸展的Sn相(白色)和因轧制而分散、割裂的Si粒子(黑色)。

就Si粒径而言，使用图像分析装置算出用光学显微镜拍摄的例如图4之类的截面照片中的各Si粒子的圆当量直径，将圆当量直径的平均值作为Si粒径。对于合金中的Sn和Si的%体积而言，首先根据%重量算出合金中的各成分的重量。根据算出的合金中的重量和纯物质的密度算出各成分的体积，从而算出各成分的体积和%体积。可是，Sn几乎不固溶于铝基质中。另一方面，由于相当于固溶Si的重量也包含于通过上述计算方法得到的Si%体积中，所以使得计算值的Si粒子%体积大于实际的Si粒子的体积。但是，如图7所示，通过上述计算方法求出的“Sn%体积/Si%体积”(×100)良好地表现耐磨损性的趋势。合金中的Sn和Si的%体积根据合金中的Sn和Si的%重量与Sn和Si的密度算出。可是，Sn和Si各自并不仅作为Sn相和Si粒子存在，例如Si通过固溶于铝基质中等而存在。但是，该量极少。在本发明中，将上述无法作为Sn相确认的Sn和无法作为Si粒子确认的Si视为作为Sn相和Si粒子存在，通过“Sn%体积/Si%体积”(×100)求出。

在图4中以箭头P示出的Si粒子表示以圆当量直径计达到4.5 μm的Si粒子。最大的Si粒径不足15μm，最小的Si粒径取决于显微镜的分辨率，为0.1μm左右。若Si的平均粒径为2.5μm，则Si在滑动面浓缩，磨损推进。另一方面，若Si的平均粒径为4.0μm以上，则抑制磨损的推进。本发明人发现，如图5、6所示，Si量、Si粒子的平均粒径和Sn含量对Si粒子在滑动面的浓缩存在影响。若Si量少，则在Si于滑动面浓缩以前磨损推进，若Si的平均粒径小，则Si粒子在运转过程中脱落，此外若Si的平均粒径大且Sn含量少，则Si粒子易脱落。若Sn的含量在Si含量中、特别是在合金中所占的%体积如图7所示，相对于Si的%体积为50%以上，则示出优异的耐磨损性。另一方面，若Sn含量超过18%质量，则机械性能降低。

(III) 硬度

关于Al-Sn-Si系轴承合金的强度，除由强化成分造成的影响外，可通过与钢板的复合及其退火后进行的冷轧或轴承成型时的塑性加工等来调整。除强化成分外，Sn含量越增多，硬度越降低。在Al-Sn-Si系合金的上述(I)中叙述的组成范围和上述(II)中叙述的组织中，若为Hv45以上、优选50Hv以上，则示出优异的性能。

(IV) 耐磨损性

本发明人在非专利文献1中发表了以下内容：不以转数一定的磨损试验条件，而以反复启动-停止的易引起磨损的试验条件进行，进而在铝合金的表面刮除Sn，引起Si粒子的浓缩，接着引起脱落，磨损推进。

图8和9为说明Si粒子在滑动面浓缩，接着脱落的示意图，根据这些图进行说明。在图中，1为滑动轴承的铝合金相，2为Si粒子，3为Sn相，4为粗糙的匹配轴，5为滑动轴承与匹配轴4的接触位置，箭头为滑动方向。如图8所示的铝合金相1由于Sn含量少，所以Sn并未覆盖整个滑动面，匹配轴4易与铝相1或Si粒子2接触。此后，在Si粒子浓集后匹配轴4与Si粒子2直接接触，所以摩擦高，易发生Si粒子的脱落。如图9所示的铝合金由于Sn含量高，在Si粒子2浓集的同时Sn相3在滑动面扩展，覆盖浓集的Si粒子2，所以即使与匹配轴4接触，摩擦也低。这样，由于Si粒子2被覆盖(c)，所以即使与匹配轴4接触，摩擦也低。最终可防止Si粒子2的脱落，促进浓集，抑制铝合金的磨损。

(V) 复合材料(clad material)

上述铝合金系滑动轴承可通过冷轧与碳钢(优选SPCC、SPHC等低碳钢)压接，作为复合材料使用。

具体实施方式

实施例1-Si粒子的浓缩和因Sn导致的覆盖的测定

对含有2-10%质量的Si和8-18%质量的Sn的Al-Sn-Si合金进行连续铸造，在将经铸造的合金冷轧成厚度1.7mm后，与衬垫金属(SPCC)压接，进行退火。将代表性的样品的合金成分、Si粒子的平均粒径(在表中简记为“Si粒径”)、合金硬度示出于表1中。

[表1]

备注：*比较例。

对如表2所示的三种Al-Sn-Si合金进行上述启动-停止磨损试验。分析磨损试验前后的滑动表面。将Al、Sn、Si的分析值(5点平均)示出于表2中。

[表2]

如表2所示，在合金1~3中，试验后滑动面的Si浓度与试验前相比均升高。确认若如合金2、3， Sn相%体积达到Si粒子%体积的50%以上，则表面的Si进一步浓缩。另外，为验证Sn量与耐磨损性的提高的关系，用电子显微镜观察试验后的轴承表面。在合金1的Sn量为6%质量的表面，观察到大量Si粒子的脱落痕迹，与之相对的是，在合金2、3的Sn量为12.5%质量的表面，几乎无Si粒子的脱落痕迹。另外，为确认滑动面的元素分布，当通过EPMA进行各元素的测绘(mapping)时，确认Sn大量分布于Si粒子的周围。

实施例2-铝合金组成例

对如表3所示的组成的Al-Sn-Si系合金，改变主要成分和添加成分的组成以及组织，研究滑动特性。需说明的是，磨损量的测定根据段落0021(铝合金滑动轴承(II))中说明的方法。

[表3]

表3的No.1~10为本发明实施例，Sn相%体积相对于Si粒子%体积超过50% (即，Sn相体积为Si粒子体积的1/2)，试验后均无Si粒子从滑动面脱落，试验后的磨损量为20μm以下。No.11~13为比较例，Sn相相对于Si粒子的%体积不足50%。在这些样品的磨损试验后的滑动面可观察到Si粒子的脱落痕迹，磨损量增多。另外，在Sn相的%体积为50%以上的No.14~15中，虽然磨损试验后无Si粒子的脱落，但由于Si平均粒径小，而且合金硬度低，所以得到磨损量大的结果。

产业上的可利用性

本发明所涉及的轴承装置优选在苛刻的滑动条件下使用，滑动轴承的耐磨损性良好。

Claims (6)

1.轴承装置，其特征在于，由至少表面的硬度为Hv500以上的钢轴与使用铝系合金的滑动轴承的组合构成，所述铝系合金含有2~10%质量的Si和8~18%质量的Sn，并且Sn相的%体积相对于Si粒子的%体积为50%以上，其中Si粒子的平均粒径为4~10μm，余量由Al和不可避免的杂质构成，同时硬度为Hv45以上。

2.权利要求1的轴承装置，其中，上述铝系合金含有以总量计为3%质量以下的Cu、Mg、Zn中的至少1种，以总量计为0.5%质量以下的Cr、Zr、Mn、V、Sc中的至少1种，以及以总量计为0.5%质量以下的作为不可避免的杂质的Fe、Ti、B。

3.权利要求1或2的轴承装置，其中，上述滑动轴承为通过冷轧将上述铝系合金与碳钢压接而成的复合材料。

4.权利要求3的轴承装置，其中，上述碳钢为低碳钢。

5.权利要求3的轴承装置，其中，将连续铸造上述铝系合金得到的铸造板进行冷轧后，通过热处理调节Si粒子的平均粒径，进而继续进行上述压接。

6.权利要求4的轴承装置，其中，将连续铸造上述铝系合金得到的铸造板进行冷轧后，通过热处理调节Si粒子的平均粒径，进而继续进行上述压接。