JP2004076039A - アルミニウム系多層軸受 - Google Patents
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Abstract
【課題】Ａｌ基軸受合金を鋼裏金にＡｌ合金中間層を介し接合するＡｌ系多層軸受を提供する。
【解決手段】Ｓｉを添加したＡｌ合金の鋼裏金層に接する層のＡｌ合金中間層総厚に対する厚さの比率を５〜２５％とし、脆いＡｌ−Ｆｅ金属間化合物の生成を抑制するためＳｉの絶対量を確保し、高温で溶体化処理を施した場合にもＡｌ合金中間層と鋼裏金層との界面での脆いＡｌ−Ｆｅ金属間化合物の生成を抑制し、且つ軸受合金の強度を向上させる。また、Ａｌ−Ｆｅ金属間化合物が、アルミニウム合金中間層と鋼裏金層との界面に生成しないため、アルミニウム合金中間層と鋼裏金層との接合が強度あるものとなり、耐疲労性にも優れたアルミニウム系多層軸受となる。
【選択図】 図１
【解決手段】Ｓｉを添加したＡｌ合金の鋼裏金層に接する層のＡｌ合金中間層総厚に対する厚さの比率を５〜２５％とし、脆いＡｌ−Ｆｅ金属間化合物の生成を抑制するためＳｉの絶対量を確保し、高温で溶体化処理を施した場合にもＡｌ合金中間層と鋼裏金層との界面での脆いＡｌ−Ｆｅ金属間化合物の生成を抑制し、且つ軸受合金の強度を向上させる。また、Ａｌ−Ｆｅ金属間化合物が、アルミニウム合金中間層と鋼裏金層との界面に生成しないため、アルミニウム合金中間層と鋼裏金層との接合が強度あるものとなり、耐疲労性にも優れたアルミニウム系多層軸受となる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム基軸受合金層を鋼裏金層にアルミニウム合金中間層を介して接合する構成のアルミニウム系多層軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、アルミニウム合金軸受は、なじみ性及び耐摩耗性に優れ、自動車及び一般産業機械の高出力エンジンに広く使用されている。このアルミニウム合金軸受は、通常、アルミニウム基軸受合金層を鋼裏金層にアルミニウム合金中間層を介して接合した三層構造をなしている。そして、このアルミニウム合金中間層には、比較的硬さの低い純アルミニウム、またはアルミニウム合金が用いられてきた。
【０００３】
しかし、このアルミニウム合金軸受の用途であるエンジンにおいては、更なる高出力化が進み、このアルミニウム合金軸受には、耐疲労性および耐摩耗性の向上がより求められてきた。これに対処するため、アルミニウム基軸受合金層にＣｕ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｉなどの元素を添加し、溶体化処理を行って強度を向上させたものがある。
【０００４】
ところが、このアルミニウム合金軸受では、溶体化処理を施した際、アルミニウム合金中間層と鋼裏金層との界面に、Ａｌ−Ｆｅ金属間化合物が生成していた。このＡｌ−Ｆｅ金属間化合物は脆いため、エンジン用軸受のように変動荷重が作用する使用環境下ではアルミニウム合金中間層が鋼裏金層から剥離するという恐れがあった。
【０００５】
これを回避するため、本出願人は特開２００２−１２１６３１号公報において、アルミニウム合金中間層の内、鋼裏金層に接する層に２〜８質量％のＳｉを含有させる手段を試みている。Ｓｉを含有すると、アルミニウム合金中間層と鋼裏金層との界面には、Ａｌ−Ｆｅ金属間化合物よりもＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系化合物が優先的に析出するようになる。しかも、このＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系化合物は４００℃を超えても析出せず、５５０℃を超えて初めて析出する。よって、このアルミニウム合金軸受では、脆いＡｌ−Ｆｅ金属間化合物の生成を効果的に防止することができる。また、一般的に溶体化処理の温度が高温であるほど、軸受合金の強度を向上させることができるが、このアルミニウム合金軸受では４００℃以上の高温で溶体化処理を行うことができるため、軸受合金の強度をより一層向上させ得る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アルミニウム合金中間層の内、鋼裏金層に接する層にＳｉを含有させ溶体化処理を施したものにおいて、この鋼裏金層に接する層の肉厚によっては、特に、肉厚が薄い場合に製造過程で不具合が生じていた。
【０００７】
例えば、アルミニウム合金中間層と鋼裏金層との圧接時に、アルミニウム合金中間層の内、鋼裏金層に接する層が部分的に破損し、Ａｌ−Ｆｅ金属間化合物の生成を十分に回避ができず、鋼裏金層に対してアルミニウム合金中間層の接着が十分確保できなかった。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的はアルミニウム合金中間層における鋼裏金層に接する層の厚さを適切にすることによって、脆いＡＬ−Ｆｅ金属間化合物の生成を抑制し、耐疲労性に優れたアルミニウム系多層軸受を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１のアルミニウム系多層軸受は、鋼裏金層と、アルミニウム合金中間層と、Ｃｕ、Ｚｎ、ＭｇおよびＳｉの内から選択された１種以上の元素を含有したアルミニウム基軸受合金層を備え、アルミニウム基軸受合金層をアルミニウム合金中間層を介して、鋼裏金層に接合し４００℃以上で溶体化処理を行うアルミニウム系多層軸受において、前記アルミニウム合金中間層は、前記鋼裏金層に接する層と、この鋼裏金層に接する層よりも前記アルミニウム基軸受合金層側に位置する少なくとも１層を備え、前記鋼裏金層に接する層は、２〜８質量％のＳｉを含有したアルミニウム合金からなり、その層の厚さがアルミニウム合金中間層の総厚に対する比率で、５〜２５％であることを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、アルミニウム合金中間層と鋼裏金層の界面において、添加されたＳｉにより、脆いＡｌ−Ｆｅ金属間化合物の生成を抑制することができる。このため、高温での溶体化処理が可能となりアルミニウム基軸受合金層の強度を向上させることができる。ここで、Ｓｉの含有量が２質量％未満では前記効果が得られず、８質量％を超えると延性などの塑性加工性が著しく低下する。好ましいＳｉ含有量は６〜８質量％である。
【００１１】
また、本発明のアルミニウム系多層軸受において、アルミニウム合金中間層の内、鋼裏金層に接する層はアルミニウム合金中間層総厚に対し、５〜２５％の比率となる厚さである。ここで、アルミニウム合金中間層の総厚に対する、鋼裏金層と接する層の比率が５％未満では、薄いが故に前述した通り、アルミニウム合金中間層と鋼裏金層との圧接時に、その鋼裏金層と接する層が部分的に破損し、Ａｌ−Ｆｅ金属間化合物の生成を十分に回避できず、更に鋼裏金層に対してアルミニウム合金中間層の接着が十分でなくなってしまう。また、この比率が２５％を超えた場合、この層は軸受合金層と比較すると軟質なため、高出力エンジンのような変動荷重のかかる過酷な条件下では疲労が発生し、使用に耐えない。
【００１２】
本発明のアルミニウム系多層軸受は、鋼裏金層に接する層の厚さが前述の通り適切な比率であるため、耐疲労性に優れる。好ましい比率は８〜２０％である。
【００１３】
また、請求項２のアルミニウム系多層軸受は、アルミニウム合金中間層の内、鋼裏金層に接する層の肉厚が２μｍ以上であることを特徴とする。
【００１４】
ここで、アルミニウム合金中間層の総厚に対する鋼裏金層に接する層の厚さ割合であるが、例えばその割合を１０％とした場合、アルミニウム中間層の総厚が一般的な厚さである２０μｍに定めるとすると、そのうち鋼裏金層に接する層の厚さは２μｍとなり、当該鋼裏金層に接する層はその役割を十分に果たすことができる。しかし、アルミニウム合金中間層の総厚が１５μｍ程度に設定されると、鋼裏金層に接する層の厚さは１．５μｍとなる。このように鋼裏金層に接する層の厚さが薄過ぎると、この層が圧接時に部分的に破損するするという問題を生じる場合がある。このため、鋼裏金層に接する層の厚さは、請求項２のように、２μｍ以上とすることが好ましい。
【００１５】
また、アルミニウム合金中間層の内、前記鋼裏金層に接する層には、強度向上のため、請求項３に示すような次の（１）〜（３）の内の一つ以上をＳｉの他に添加することができる。
【００１６】
（１）Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ：１種以上を総量で０．０１〜７質量％
（２）Ｍｎ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｗ：１種以上を総量で０．０１〜３質量％
（３）Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒ：１種以上を総量で０．０１〜２質量％
ここで、上記添加元素の限定理由は次の通りである。
【００１７】
▲１▼ Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ：一種以上を総量で０．０１〜７質量％
これらの選択元素は、溶体化処理を施すことにより強制的にＡｌマトリクスに固溶させることができ、急冷させることによって微細な金属間化合物を析出させることができる。このため、Ａｌマトリクス強度が向上することになる。０．０１質量％未満では、これらの効果が期待できず、７質量％を越えると粗大な金属間化合物になってしまい、圧延などの塑性加工性が低下する。これらの添加元素は総量で０．５〜６質量％が望ましい。
【００１８】
▲２▼ Ｍｎ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｗ：１種以上を総量で０．０１〜３質量％
これらの選択元素はＡｌマトリクスに固溶するか、または金属間化合物、あるいは単体として晶出することにより強度を向上させる。０．０１質量％未満では、これらの効果が期待できず、３質量％を超えると金属間化合物が粗大化し過ぎ、圧延などの塑性加工性が低下する。これらの添加元素は総量で０．２〜２質量％が望ましい。
【００１９】
▲２▼ Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒ：１種以上を総量で０．０１〜２質量％
これらの選択元素はＡｌマトリクスに固溶し、疲労強度を高める効果を持つ。０．０１質量％未満ではその効果が無く、２質量％を超えると脆くなる。これらの添加元素は総量で０．０２〜０．５質量％が望ましい。
【００２０】
最後に、本発明のアルミニウム系多層軸受は、アルミニウム基軸受合金層にアルミニウム合金中間層を接合する工程と、アルミニウム基軸受合金層をアルミニウム合金中間層を介して鋼裏金層に接合する工程と、アルミニウム基軸受合金層を強化するために４００℃以上に加熱する溶体化処理を行う工程とを順に実行することにより製造できる。また、必要に応じて溶体化処理後、人工時効処理を行なってもよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図１に基づいて説明する。
【００２２】
図１にはアルミニウム系多層軸受１の断面が示されている。同図のように、アルミニウム系多層軸受１は、鋼裏金層２上にアルミニウム合金中間層３を介してアルミニウム基軸受合金層４を接合して構成される。このアルミニウム合金中間層３は、二層構造のもので、鋼裏金層２に接する層（以下、下層と称する）５と、アルミニウム基軸受合金層４に接する層（以下、上層と称する）６とからなる。
【００２３】
本実施例におけるアルミニウム基軸受合金層は次の（１）〜（５）の内、一つ以上を含有している。
【００２４】
（１）３〜２０質量％のＳｎ
（２）Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｉの内から選択された１種以上の元素を総量で０．１〜７質量％
（３）Ｍｎ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｗの内から選択された１種以上の元素を総量で０．０１〜３質量％
（４）Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒの内から選択された１種以上の元素を総量で０．０１〜２質量％
（５）Ｐｂ、Ｂｉ、Ｉｎの内から選択された１種以上の元素を総量で３質量％以下
ここで、上記の（１）〜（５）の成分割合に定めた理由を説明する。
【００２５】
▲１▼Ｓｎ：３〜２０質量％
Ｓｎは軸受としての非焼付性、なじみ性及び埋収性などの表面性能を改善する。３質量％未満ではその効果がなく、２０質量％を超えると軸受合金の機械的性質が低下し、高出力エンジンのような厳しい条件下での使用に耐え得ない。好ましいＳｎ含有量は６〜１５質量％である。
【００２６】
▲２▼ Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｉ：１種以上を総量で０．１〜７質量％
これらの選択元素は、溶体化処理を施すことにより強制的にＡｌマトリクスに固溶させることができ、それを急冷させることにより微細な金属間化合物を析出させることができる。このため、Ａｌマトリクス強度が向上する。
【００２７】
更に、ＳｉはＡｌ中に固溶すると共に、単体で晶出するものは微細に分散し、材料の疲労強度を高め、また非焼付性、耐摩耗性の向上に寄与する。
【００２８】
これら添加元素の効果は、０．１質量％未満では期待できず、７質量％を超えると粗大な金属間化合物となってしまい疲労強度が低下する。これら添加元素は総量で０．５〜６質量％が望ましい。
【００２９】
▲３▼ Ｍｎ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｗ：１種以上を総量で０．０１〜３質量％
これらの選択元素はＡｌマトリクスに固溶するか、または金属間化合物、あるいは単体として晶出することにより強度を向上させる。０．０１質量％未満では、これらの効果が期待できず、３質量％を超えると金属間化合物が粗大化し過ぎ、圧延などの塑性加工性が低下する。これらの添加元素は総量で０．２〜２質量％が望ましい。
【００３０】
▲４▼ Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒ：１種以上を総量で０．０１〜２質量％
これらの選択元素はＡｌマトリクスに固溶し、疲労強度を高める効果を持つ。０．０１質量％未満ではその効果が無く、２質量％を超えると脆くなる。これらの添加元素は総量で０．０２〜０．５質量％が望ましい。
【００３１】
▲５▼ Ｐｂ、Ｂｉ、Ｉｎ：１種以上を総量で３質量％以下
これらの添加元素は切削性および非焼付性を改善する。３質量％を超えると、Ａｌマトリクスに均一に分散させることが困難になり、更に強度も低下する。
【００３２】
次に、図１に示すアルミニウム系多層軸受１の製造方法について説明する。
【００３３】
まず、通常の鋳造および圧延によってアルミニウム基軸受合金層４を構成するアルミニウム基軸受合金板を作る。また、通常の鋳造および圧延により、アルミニウム合金中間層３の下層５を構成するアルミニウム合金板と上層６を構成するアルミニウム合金板とを作り、それら２枚のアルミニウム合金板を圧接により接合して中間層用アルミニウム合金板を作る。そして、アルミニウム基軸受合金板と中間層用アルミニウム合金板とを圧接により接合して複層アルミニウム合金板を作る。
【００３４】
そして、鋼裏金層２を構成する低炭素鋼ストリップに複層アルミニウム合金板を重ね合わせてロール圧接し、アルミニウム基軸受合金板を中間層用アルミニウム合金板を介して鋼裏金層２に接合してなるバイメタルを作る。
【００３５】
なお、以下の説明では、アルミニウム基軸受合金板はアルミニウム基軸受合金層４、中間層用アルミニウム合金板はアルミニウム合金中間層３、低炭素鋼ストリップは鋼裏金層２という。
【００３６】
上記のようにしてバイメタルを製造した後、そのバイメタルを約３５０℃で３時間、焼鈍処理を行ない、次いで、バイメタルを４６０〜５２０℃で１０〜３０分間、溶体化処理を施す。この溶体化処理により、アルミニウム基軸受合金層４のＣｕ、Ｚｎ、Ｍｇ、ＳｉなどがＡｌマトリックスに固溶する。この溶体化処理を高温で行っても、下層５に含まれているＳｉの存在により、アルミニウム合金中間層３と鋼裏金層２との界面にＡｌ−Ｆｅ金属間化合物は生成しない。
【００３７】
溶体化処理後、バイメタルを急冷する。これにより、アルミニウム基軸受合金層４の強度を高める。その後、バイメタルは半円筒状或いは円筒状に加工されて軸受として製造される。なお、バイメタルの急冷に続いて人工時効処理（例えば１５０〜２００℃で２０時間）を施しても良い。
【００３８】
このように本実施例によれば、アルミニウム合金中間層３と鋼裏金層２との界面に、脆いＡｌ−Ｆｅの金属間化合物が溶体化処理にて生成することを抑制できる。このため、アルミニウム合金中間層３が鋼裏金層２から剥離するといったおそれもなく、アルミニウム基軸受合金層４の強度を向上でき、高出力エンジン用軸受としての使用に耐え得る。
【００３９】
本発明の効果を検証するための試験を行なった。検証試験は、４６０℃での溶体化処理後に、アルミニウム合金中間層３と鋼裏金層２との界面における脆いＡｌ−Ｆｅ金属間化合物の生成有無を確認する試験と、すべり軸受としての疲労面圧を測定する疲労試験とである。試験片は、発明品１〜５と比較品１〜５とについて、表１に示す下層５構成のアルミニウム合金中間層３を用いてアルミニウム基軸受合金層４を鋼裏金層２に圧接したものを使用した。この試験片の作成に使用したアルミニウム基軸受合金層４は、１３質量％のＳｎ、３質量％のＳｉ、１．５質量％のＣｕ、０．３質量％のＭｎを含有し、残部がＡｌによって構成される。また、上層６は１．０質量％のＭｎ、０．５質量％のＣｕを含有し、残部がＡｌで構成される。実施した実験の結果は表１に記載した。また、疲労試験の条件は表２に示した。
【００４０】
【表１】
【００４１】
【表２】
【００４２】
試験結果を検討するに、下層５の比率が５〜２５％、厚さが２μｍ以上の発明品１〜５では、４６０℃という高温で溶体化処理してもＡｌ−Ｆｅ金属間化合物は生成せず、しかも、耐疲労性に優れている。
【００４３】
これに対し、比較品１，２は下層５の比率が４．２％、３．５％と薄いため、溶体化処理によってＡｌ−Ｆｅ金属間化合物を生成している。また、比較品３〜５は下層５の厚さが厚いため、高温の溶体化処理を行ってもＡｌ−Ｆｅ金属間化合物は生成しないが、下層５の比率が２５％を超えていて厚すぎるため耐疲労性に劣る。
【００４４】
なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施例に限定されるものでなく、以下のような変更或いは拡張が可能である。
【００４５】
アルミニウム合金中間層３は二層構造に限らず、三層或いはそれ以上の層構造としても良い。三層の場合、アルミニウム合金中間層３における夫々の成分を、例えばアルミニウム基軸受合金層４に接する層（以下Ａ層と称する）の成分は、Ｚｎを４質量％、Ｃｕを１質量％、残部をＡｌ、鋼裏金層２に接する層（以下Ｂ層と称する）の成分は、Ｓｉを６質量％、Ｃｕを０．５質量％、残部をＡｌ、そして、これらの間の層（以下Ｃ層と称する）の成分は、Ｍｎを１質量％、Ｃｕを０．５質量％、残部をＡｌのように構成することができる。また、Ａ層とＢ層との成分が同じとなってもよい。
【００４６】
さらに、アルミニウム合金中間層３総厚に対する、夫々の層における厚さの比率として、例えばＡ層は４５％、Ｂ層は１５％、Ｃ層は４０％のように構成することができる。そして、三層以上のものにおいても、軸受の用途に合わせ、上述した結果を踏まえて構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すアルミニウム系多層軸受の断面図
【符号の説明】
図中、１はアルミニウム系多層軸受、２は鋼裏金層、３はアルミニウム合金中間層、４はアルミニウム基軸受合金層、５は下層、６は上層である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム基軸受合金層を鋼裏金層にアルミニウム合金中間層を介して接合する構成のアルミニウム系多層軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、アルミニウム合金軸受は、なじみ性及び耐摩耗性に優れ、自動車及び一般産業機械の高出力エンジンに広く使用されている。このアルミニウム合金軸受は、通常、アルミニウム基軸受合金層を鋼裏金層にアルミニウム合金中間層を介して接合した三層構造をなしている。そして、このアルミニウム合金中間層には、比較的硬さの低い純アルミニウム、またはアルミニウム合金が用いられてきた。
【０００３】
しかし、このアルミニウム合金軸受の用途であるエンジンにおいては、更なる高出力化が進み、このアルミニウム合金軸受には、耐疲労性および耐摩耗性の向上がより求められてきた。これに対処するため、アルミニウム基軸受合金層にＣｕ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｉなどの元素を添加し、溶体化処理を行って強度を向上させたものがある。
【０００４】
ところが、このアルミニウム合金軸受では、溶体化処理を施した際、アルミニウム合金中間層と鋼裏金層との界面に、Ａｌ−Ｆｅ金属間化合物が生成していた。このＡｌ−Ｆｅ金属間化合物は脆いため、エンジン用軸受のように変動荷重が作用する使用環境下ではアルミニウム合金中間層が鋼裏金層から剥離するという恐れがあった。
【０００５】
これを回避するため、本出願人は特開２００２−１２１６３１号公報において、アルミニウム合金中間層の内、鋼裏金層に接する層に２〜８質量％のＳｉを含有させる手段を試みている。Ｓｉを含有すると、アルミニウム合金中間層と鋼裏金層との界面には、Ａｌ−Ｆｅ金属間化合物よりもＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系化合物が優先的に析出するようになる。しかも、このＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系化合物は４００℃を超えても析出せず、５５０℃を超えて初めて析出する。よって、このアルミニウム合金軸受では、脆いＡｌ−Ｆｅ金属間化合物の生成を効果的に防止することができる。また、一般的に溶体化処理の温度が高温であるほど、軸受合金の強度を向上させることができるが、このアルミニウム合金軸受では４００℃以上の高温で溶体化処理を行うことができるため、軸受合金の強度をより一層向上させ得る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アルミニウム合金中間層の内、鋼裏金層に接する層にＳｉを含有させ溶体化処理を施したものにおいて、この鋼裏金層に接する層の肉厚によっては、特に、肉厚が薄い場合に製造過程で不具合が生じていた。
【０００７】
例えば、アルミニウム合金中間層と鋼裏金層との圧接時に、アルミニウム合金中間層の内、鋼裏金層に接する層が部分的に破損し、Ａｌ−Ｆｅ金属間化合物の生成を十分に回避ができず、鋼裏金層に対してアルミニウム合金中間層の接着が十分確保できなかった。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的はアルミニウム合金中間層における鋼裏金層に接する層の厚さを適切にすることによって、脆いＡＬ−Ｆｅ金属間化合物の生成を抑制し、耐疲労性に優れたアルミニウム系多層軸受を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１のアルミニウム系多層軸受は、鋼裏金層と、アルミニウム合金中間層と、Ｃｕ、Ｚｎ、ＭｇおよびＳｉの内から選択された１種以上の元素を含有したアルミニウム基軸受合金層を備え、アルミニウム基軸受合金層をアルミニウム合金中間層を介して、鋼裏金層に接合し４００℃以上で溶体化処理を行うアルミニウム系多層軸受において、前記アルミニウム合金中間層は、前記鋼裏金層に接する層と、この鋼裏金層に接する層よりも前記アルミニウム基軸受合金層側に位置する少なくとも１層を備え、前記鋼裏金層に接する層は、２〜８質量％のＳｉを含有したアルミニウム合金からなり、その層の厚さがアルミニウム合金中間層の総厚に対する比率で、５〜２５％であることを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、アルミニウム合金中間層と鋼裏金層の界面において、添加されたＳｉにより、脆いＡｌ−Ｆｅ金属間化合物の生成を抑制することができる。このため、高温での溶体化処理が可能となりアルミニウム基軸受合金層の強度を向上させることができる。ここで、Ｓｉの含有量が２質量％未満では前記効果が得られず、８質量％を超えると延性などの塑性加工性が著しく低下する。好ましいＳｉ含有量は６〜８質量％である。
【００１１】
また、本発明のアルミニウム系多層軸受において、アルミニウム合金中間層の内、鋼裏金層に接する層はアルミニウム合金中間層総厚に対し、５〜２５％の比率となる厚さである。ここで、アルミニウム合金中間層の総厚に対する、鋼裏金層と接する層の比率が５％未満では、薄いが故に前述した通り、アルミニウム合金中間層と鋼裏金層との圧接時に、その鋼裏金層と接する層が部分的に破損し、Ａｌ−Ｆｅ金属間化合物の生成を十分に回避できず、更に鋼裏金層に対してアルミニウム合金中間層の接着が十分でなくなってしまう。また、この比率が２５％を超えた場合、この層は軸受合金層と比較すると軟質なため、高出力エンジンのような変動荷重のかかる過酷な条件下では疲労が発生し、使用に耐えない。
【００１２】
本発明のアルミニウム系多層軸受は、鋼裏金層に接する層の厚さが前述の通り適切な比率であるため、耐疲労性に優れる。好ましい比率は８〜２０％である。
【００１３】
また、請求項２のアルミニウム系多層軸受は、アルミニウム合金中間層の内、鋼裏金層に接する層の肉厚が２μｍ以上であることを特徴とする。
【００１４】
ここで、アルミニウム合金中間層の総厚に対する鋼裏金層に接する層の厚さ割合であるが、例えばその割合を１０％とした場合、アルミニウム中間層の総厚が一般的な厚さである２０μｍに定めるとすると、そのうち鋼裏金層に接する層の厚さは２μｍとなり、当該鋼裏金層に接する層はその役割を十分に果たすことができる。しかし、アルミニウム合金中間層の総厚が１５μｍ程度に設定されると、鋼裏金層に接する層の厚さは１．５μｍとなる。このように鋼裏金層に接する層の厚さが薄過ぎると、この層が圧接時に部分的に破損するするという問題を生じる場合がある。このため、鋼裏金層に接する層の厚さは、請求項２のように、２μｍ以上とすることが好ましい。
【００１５】
また、アルミニウム合金中間層の内、前記鋼裏金層に接する層には、強度向上のため、請求項３に示すような次の（１）〜（３）の内の一つ以上をＳｉの他に添加することができる。
【００１６】
（１）Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ：１種以上を総量で０．０１〜７質量％
（２）Ｍｎ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｗ：１種以上を総量で０．０１〜３質量％
（３）Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒ：１種以上を総量で０．０１〜２質量％
ここで、上記添加元素の限定理由は次の通りである。
【００１７】
▲１▼ Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ：一種以上を総量で０．０１〜７質量％
これらの選択元素は、溶体化処理を施すことにより強制的にＡｌマトリクスに固溶させることができ、急冷させることによって微細な金属間化合物を析出させることができる。このため、Ａｌマトリクス強度が向上することになる。０．０１質量％未満では、これらの効果が期待できず、７質量％を越えると粗大な金属間化合物になってしまい、圧延などの塑性加工性が低下する。これらの添加元素は総量で０．５〜６質量％が望ましい。
【００１８】
▲２▼ Ｍｎ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｗ：１種以上を総量で０．０１〜３質量％
これらの選択元素はＡｌマトリクスに固溶するか、または金属間化合物、あるいは単体として晶出することにより強度を向上させる。０．０１質量％未満では、これらの効果が期待できず、３質量％を超えると金属間化合物が粗大化し過ぎ、圧延などの塑性加工性が低下する。これらの添加元素は総量で０．２〜２質量％が望ましい。
【００１９】
▲２▼ Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒ：１種以上を総量で０．０１〜２質量％
これらの選択元素はＡｌマトリクスに固溶し、疲労強度を高める効果を持つ。０．０１質量％未満ではその効果が無く、２質量％を超えると脆くなる。これらの添加元素は総量で０．０２〜０．５質量％が望ましい。
【００２０】
最後に、本発明のアルミニウム系多層軸受は、アルミニウム基軸受合金層にアルミニウム合金中間層を接合する工程と、アルミニウム基軸受合金層をアルミニウム合金中間層を介して鋼裏金層に接合する工程と、アルミニウム基軸受合金層を強化するために４００℃以上に加熱する溶体化処理を行う工程とを順に実行することにより製造できる。また、必要に応じて溶体化処理後、人工時効処理を行なってもよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図１に基づいて説明する。
【００２２】
図１にはアルミニウム系多層軸受１の断面が示されている。同図のように、アルミニウム系多層軸受１は、鋼裏金層２上にアルミニウム合金中間層３を介してアルミニウム基軸受合金層４を接合して構成される。このアルミニウム合金中間層３は、二層構造のもので、鋼裏金層２に接する層（以下、下層と称する）５と、アルミニウム基軸受合金層４に接する層（以下、上層と称する）６とからなる。
【００２３】
本実施例におけるアルミニウム基軸受合金層は次の（１）〜（５）の内、一つ以上を含有している。
【００２４】
（１）３〜２０質量％のＳｎ
（２）Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｉの内から選択された１種以上の元素を総量で０．１〜７質量％
（３）Ｍｎ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｗの内から選択された１種以上の元素を総量で０．０１〜３質量％
（４）Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒの内から選択された１種以上の元素を総量で０．０１〜２質量％
（５）Ｐｂ、Ｂｉ、Ｉｎの内から選択された１種以上の元素を総量で３質量％以下
ここで、上記の（１）〜（５）の成分割合に定めた理由を説明する。
【００２５】
▲１▼Ｓｎ：３〜２０質量％
Ｓｎは軸受としての非焼付性、なじみ性及び埋収性などの表面性能を改善する。３質量％未満ではその効果がなく、２０質量％を超えると軸受合金の機械的性質が低下し、高出力エンジンのような厳しい条件下での使用に耐え得ない。好ましいＳｎ含有量は６〜１５質量％である。
【００２６】
▲２▼ Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｉ：１種以上を総量で０．１〜７質量％
これらの選択元素は、溶体化処理を施すことにより強制的にＡｌマトリクスに固溶させることができ、それを急冷させることにより微細な金属間化合物を析出させることができる。このため、Ａｌマトリクス強度が向上する。
【００２７】
更に、ＳｉはＡｌ中に固溶すると共に、単体で晶出するものは微細に分散し、材料の疲労強度を高め、また非焼付性、耐摩耗性の向上に寄与する。
【００２８】
これら添加元素の効果は、０．１質量％未満では期待できず、７質量％を超えると粗大な金属間化合物となってしまい疲労強度が低下する。これら添加元素は総量で０．５〜６質量％が望ましい。
【００２９】
▲３▼ Ｍｎ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｗ：１種以上を総量で０．０１〜３質量％
これらの選択元素はＡｌマトリクスに固溶するか、または金属間化合物、あるいは単体として晶出することにより強度を向上させる。０．０１質量％未満では、これらの効果が期待できず、３質量％を超えると金属間化合物が粗大化し過ぎ、圧延などの塑性加工性が低下する。これらの添加元素は総量で０．２〜２質量％が望ましい。
【００３０】
▲４▼ Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒ：１種以上を総量で０．０１〜２質量％
これらの選択元素はＡｌマトリクスに固溶し、疲労強度を高める効果を持つ。０．０１質量％未満ではその効果が無く、２質量％を超えると脆くなる。これらの添加元素は総量で０．０２〜０．５質量％が望ましい。
【００３１】
▲５▼ Ｐｂ、Ｂｉ、Ｉｎ：１種以上を総量で３質量％以下
これらの添加元素は切削性および非焼付性を改善する。３質量％を超えると、Ａｌマトリクスに均一に分散させることが困難になり、更に強度も低下する。
【００３２】
次に、図１に示すアルミニウム系多層軸受１の製造方法について説明する。
【００３３】
まず、通常の鋳造および圧延によってアルミニウム基軸受合金層４を構成するアルミニウム基軸受合金板を作る。また、通常の鋳造および圧延により、アルミニウム合金中間層３の下層５を構成するアルミニウム合金板と上層６を構成するアルミニウム合金板とを作り、それら２枚のアルミニウム合金板を圧接により接合して中間層用アルミニウム合金板を作る。そして、アルミニウム基軸受合金板と中間層用アルミニウム合金板とを圧接により接合して複層アルミニウム合金板を作る。
【００３４】
そして、鋼裏金層２を構成する低炭素鋼ストリップに複層アルミニウム合金板を重ね合わせてロール圧接し、アルミニウム基軸受合金板を中間層用アルミニウム合金板を介して鋼裏金層２に接合してなるバイメタルを作る。
【００３５】
なお、以下の説明では、アルミニウム基軸受合金板はアルミニウム基軸受合金層４、中間層用アルミニウム合金板はアルミニウム合金中間層３、低炭素鋼ストリップは鋼裏金層２という。
【００３６】
上記のようにしてバイメタルを製造した後、そのバイメタルを約３５０℃で３時間、焼鈍処理を行ない、次いで、バイメタルを４６０〜５２０℃で１０〜３０分間、溶体化処理を施す。この溶体化処理により、アルミニウム基軸受合金層４のＣｕ、Ｚｎ、Ｍｇ、ＳｉなどがＡｌマトリックスに固溶する。この溶体化処理を高温で行っても、下層５に含まれているＳｉの存在により、アルミニウム合金中間層３と鋼裏金層２との界面にＡｌ−Ｆｅ金属間化合物は生成しない。
【００３７】
溶体化処理後、バイメタルを急冷する。これにより、アルミニウム基軸受合金層４の強度を高める。その後、バイメタルは半円筒状或いは円筒状に加工されて軸受として製造される。なお、バイメタルの急冷に続いて人工時効処理（例えば１５０〜２００℃で２０時間）を施しても良い。
【００３８】
このように本実施例によれば、アルミニウム合金中間層３と鋼裏金層２との界面に、脆いＡｌ−Ｆｅの金属間化合物が溶体化処理にて生成することを抑制できる。このため、アルミニウム合金中間層３が鋼裏金層２から剥離するといったおそれもなく、アルミニウム基軸受合金層４の強度を向上でき、高出力エンジン用軸受としての使用に耐え得る。
【００３９】
本発明の効果を検証するための試験を行なった。検証試験は、４６０℃での溶体化処理後に、アルミニウム合金中間層３と鋼裏金層２との界面における脆いＡｌ−Ｆｅ金属間化合物の生成有無を確認する試験と、すべり軸受としての疲労面圧を測定する疲労試験とである。試験片は、発明品１〜５と比較品１〜５とについて、表１に示す下層５構成のアルミニウム合金中間層３を用いてアルミニウム基軸受合金層４を鋼裏金層２に圧接したものを使用した。この試験片の作成に使用したアルミニウム基軸受合金層４は、１３質量％のＳｎ、３質量％のＳｉ、１．５質量％のＣｕ、０．３質量％のＭｎを含有し、残部がＡｌによって構成される。また、上層６は１．０質量％のＭｎ、０．５質量％のＣｕを含有し、残部がＡｌで構成される。実施した実験の結果は表１に記載した。また、疲労試験の条件は表２に示した。
【００４０】
【表１】
【表２】
試験結果を検討するに、下層５の比率が５〜２５％、厚さが２μｍ以上の発明品１〜５では、４６０℃という高温で溶体化処理してもＡｌ−Ｆｅ金属間化合物は生成せず、しかも、耐疲労性に優れている。
【００４３】
これに対し、比較品１，２は下層５の比率が４．２％、３．５％と薄いため、溶体化処理によってＡｌ−Ｆｅ金属間化合物を生成している。また、比較品３〜５は下層５の厚さが厚いため、高温の溶体化処理を行ってもＡｌ−Ｆｅ金属間化合物は生成しないが、下層５の比率が２５％を超えていて厚すぎるため耐疲労性に劣る。
【００４４】
なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施例に限定されるものでなく、以下のような変更或いは拡張が可能である。
【００４５】
アルミニウム合金中間層３は二層構造に限らず、三層或いはそれ以上の層構造としても良い。三層の場合、アルミニウム合金中間層３における夫々の成分を、例えばアルミニウム基軸受合金層４に接する層（以下Ａ層と称する）の成分は、Ｚｎを４質量％、Ｃｕを１質量％、残部をＡｌ、鋼裏金層２に接する層（以下Ｂ層と称する）の成分は、Ｓｉを６質量％、Ｃｕを０．５質量％、残部をＡｌ、そして、これらの間の層（以下Ｃ層と称する）の成分は、Ｍｎを１質量％、Ｃｕを０．５質量％、残部をＡｌのように構成することができる。また、Ａ層とＢ層との成分が同じとなってもよい。
【００４６】
さらに、アルミニウム合金中間層３総厚に対する、夫々の層における厚さの比率として、例えばＡ層は４５％、Ｂ層は１５％、Ｃ層は４０％のように構成することができる。そして、三層以上のものにおいても、軸受の用途に合わせ、上述した結果を踏まえて構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すアルミニウム系多層軸受の断面図
【符号の説明】
図中、１はアルミニウム系多層軸受、２は鋼裏金層、３はアルミニウム合金中間層、４はアルミニウム基軸受合金層、５は下層、６は上層である。
Claims (3)
- 鋼裏金層と、アルミニウム合金中間層と、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ及びＳｉの内から選択された１種以上の元素を含有したアルミニウム基軸受合金層を備え、アルミニウム基軸受合金層をアルミニウム合金中間層を介して鋼裏金層に接合し４００℃以上で溶体化処理を行うアルミニウム系多層軸受において、前記アルミニウム合金中間層は、前記鋼裏金層に接する層と、この鋼裏金層に接する層よりも前記アルミニウム基軸受合金層側に位置する少なくとも１層を備え、
前記鋼裏金層に接する層は、２〜８質量％のＳｉを含有したアルミニウム合金からなり、その厚さが前記アルミニウム合金中間層の総厚に対する比率で、５〜２５％であることを特徴とするアルミニウム系多層軸受。 - 前記アルミニウム合金中間層を構成する各層の内、前記鋼裏金層に接する層の厚さが２μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム系多層軸受。
- 前記アルミニウム合金中間層において、前記鋼裏金層に接する層は、下記の（１）〜（３）の内、一つ以上を含有することを特徴とする請求項１または２記載のアルミニウム系多層軸受。
（１）Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇの内から選択された１種以上の元素を総量で０．０１〜７質量％
（２）Ｍｎ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｗの内から選択された１種以上の元素を総量で０．０１〜３質量％
（３）Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒの内から選択された１種以上の元素を総量で０．０１〜２質量％
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