JP2005291360A - すべり軸受及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 Ａｌ合金を母材としたすべり軸受にあって、なじみ性、非焼付性、耐摩耗性を同時に満足させる。
【解決手段】 Ｓｎを含まないＡｌ合金からなる母材１の摺動面側に、Ｓｎ２及びＳｉ３の成分が下記に示す面積率のＡｌ合金からなるＳｎ・Ｓｉリッチ層４を有し、このＳｎ・Ｓｉリッチ層４の表面において、Ｓｎ２の占める面積率が６〜４０％で、かつＳｉ３の占める面積率が５〜２５％である構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、Ａｌ合金を備えたすべり軸受及びその製造方法に関する。

Ａｌ合金を備えたすべり軸受は、従来から通常次のような製造工程によって製造されている。すなわち、Ａｌ合金の鋳造→アニール(焼鈍)→面削り→Ａｌ合金と純Ａｌとの圧接→圧延→裏金となるスチールとの圧接という製造工程である。この場合、Ａｌ合金には、軸受性能を向上させるため、比較的軟質のＳｎや比較的硬質のＳｉが含まれている。
しかしながら、上記した製造方法では次のような問題点がある。まず、Ａｌ合金には硬質粒子としてＳｉが含まれるが、上記したように圧延工程があるため、Ａｌ合金中に含まれるＳｉの量は、最大４質量％までにせざるを得なかった。その理由は、Ａｌ合金中にＳｉを多量に含むと、材料の延性が阻害され、圧延割れを生じるため、Ｓｉの量を多くすることはできないものであるからであった。

また、Ａｌ合金には多量のＳｎを含むため、当該Ａｌ合金を直接スチールと圧接することができない（多量のＳｎがＡｌ合金に含まれると、スチールとの間で十分な接着力を得ることができない。）。このため、Ａｌ合金をスチールと接合するためには、Ｓｎを含まず、かつ延性のある純Ａｌの中間層を設ける必要があり、その工程により、コストアップは避けられなかった。

なお、本件発明とは直接関係はないが、例えば特許文献１には、自動車の空調システムに使用される斜板式コンプレッサにおいて、回転軸により回転される斜板を次のような構造とする技術が開示されている。すなわち、Ａｌ合金（Ａ３９０）からなる母材の摺動面側の表面にＳｉ粉末を線状に塗布し、このＳｉ粉末にレーザー光を照射して、Ｓｉ粉末及びその周囲の母材を溶融させ、その後凝固させて母材の表面にＳｉの成分を濃化した硬化層を形成したものである。
特開昭５９−２２１４７９号公報

上記したようなＡｌ合金を備えたすべり軸受においては、近年では、耐摩耗性や非焼付性の一層の向上が要望されているが、上記した従来構成のものでは、それらを満足させられるものは得られなかった。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、Ａｌ合金を母材としたものにあって、なじみ性、非焼付性、耐摩耗性を同時に満足させることができるすべり軸受及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、Ｓｎを含まないＡｌ合金からなる母材と、Ｓｎ及びＳｉを含むＡｌ合金からなるＳｎ・Ｓｉリッチ層とを有するすべり軸受であって、前記Ｓｎ・Ｓｉリッチ層は、前記母材に隣接し、かつ摺動面を有し、その摺動面は、Ｓｎの占める面積率が６〜４０％で、かつＳｉの占める面積率が５〜２５％であることを特徴とする。
ここで、Ｓｎは比較的軟らかく、なじみ性及び非焼付性を向上させる作用効果がある。また、Ｓｉは比較的硬く、耐摩耗性を向上させる作用効果がある。上記した構成においては、Ａｌ合金からなる母材の摺動面側に、Ｓｎ及びＳｉの占める面積率を上記にした摺動面を有する、Ａｌ合金からなるＳｎ・Ｓｉリッチ層を有する構成とすることで、なじみ性、非焼付性、耐摩耗性を同時に満足させることが可能になる。

また、Ａｌ合金からなる母材はＳｎを含んでいないので、スチールとの間で十分な接着力を得ることができる。そのため、従来のようにＳｎを含まない純Ａｌの中間層を設ける必要がなくなり、裏金となるスチールと圧接する際に直接圧接することができる。
Ｓｎ・Ｓｉリッチ層の表面におけるＳｎ及びＳｉの面積率の範囲の限定理由は次の理由による。Ｓｎの面積率について、６％未満では非焼付性に問題が生じ、４０％を超えると、マトリックス強度が弱くなり、耐疲労性に問題が生じる。Ｓｉの面積率については、５％未満では耐摩耗性の効果がなく、２５％を超えると、材料が脆くなり、加工時に圧延割れ等の問題が生じる。

上記母材は、Ｓｉを０．１〜１．５質量％、Ｃｕを０．２〜５．０質量％含むと共に、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｂのうちの選択された１種又は２種以上を総量で０．０１〜７．０質量％含む構成とすることが好ましい(請求項２の発明)。
ここで挙げた各元素は、Ａｌ素地を強化するための添加物である。Ｓｉは、０．１質量％以上とするとその効果が大きく、延性の面で１．５質量％以下が好ましい。また、Ｃｕは、Ａｌ素地を強化するのに最も有効な元素であり、０．２質量％以上とするとその効果が大きく、５質量％以下とすると、Ａｌ−Ｃｕ化合物の形成を抑え、素地の脆化防止に有効である。そして、０．３〜４．０質量％がより好ましい。Ｍｎや他の元素は、いずれも固容もしくは析出してＡｌ素地を強化する元素で、１種もしくは２種以上を０．０１〜７．０質量％含むことで有効である。

上記したすべり軸受を製造する方法としては、Ｓｎを含まないＡｌ合金からなる母材の表面に、Ｓｎ単体の粉末及び／又はＡｌ−Ｓｎ合金の粉末と、Ｓｉ単体の粉末及び／又はＡｌ−Ｓｉ合金の粉末を衝突させて、Ｓｎ及びＳｉの成分を有する層を形成する、いわゆるコールドスプレイ法による工程と、圧延、アニールによりＳｎ及びＳｉの晶出相を前記母材中に分散させる工程とを含む方法を採用することができる。

上記した製造方法によれば、Ｓｎを含まない母材に隣接し、軸受性能を向上させるためのＳｎ及びＳｉを含むＳｎ・Ｓｉリッチ層を良好に設けることができる。そのＳｎ及びＳｉの濃度は、供給する粉末によって調整することができる。このため、Ｓｉの量を多くすることも可能になる。また、Ｓｎ及びＳｉの晶出相を母材中に分散させる、すなわちＳｎ及びＳｉの成分を母材になじませる工程を行うことで、耐疲労性を向上できる。

また、別の製造方法としては、Ｓｎを含まないＡｌ合金からなる母材の表面に、Ｓｎ単体の粉末及び／又はＡｌ−Ｓｎ合金の粉末と、Ｓｉ単体の粉末及び／又はＡｌ−Ｓｉ合金の粉末とを散布し、これらをレーザー光により溶融させて合金化することにより、Ｓｎ及びＳｉの成分を有する層を形成する、いわゆるレーザークラッド法による工程と、圧延、アニールによりＳｎ及びＳｉの晶出相を前記母材中に分散させる工程とを含む方法を採用することができる。

上記した製造方法においても、Ｓｎを含まない母材に隣接し、軸受性能を向上させるためのＳｎ及びＳｉを含むＳｎ・Ｓｉリッチ層を良好に設けることができる。そのＳｎ及びＳｉの濃度は、供給する粉末によって調整することができる。また、Ｓｎ及びＳｉの晶出相を分散させる、すなわちＳｎ及びＳｉの成分を母材になじませる工程を行うことで、耐疲労性を向上できる。

本発明のすべり軸受によれば、Ａｌ合金を母材としたものにあって、なじみ性、非焼付性、耐摩耗性を同時に満足させることができるすべり軸受を提供することができる。本発明によれば、耐疲労性に優れたすべり軸受も提供することができる。
本発明のすべり軸受の製造方法によれば、本発明のすべり軸受を良好に製造することができる。

以下、本発明の実施例について、表１〜５及び図１も参照して説明する。

（実施例１）
まず、本発明の実施例１の製造方法について説明する。この実施例１は、Ｓｎ・Ｓｉリッチ層を、レーザークラッド法を用いて形成するようにした方法である。

まず、表１の本発明の素地合金の材料を用いて、Ｓｎを含まないＡｌ合金を鋳造し、その後、圧延、アニールを繰り返し、厚さ８．０ｍｍの板材（図１（ａ）参照)を作製した。この板材が、Ｓｎを含まないＡｌ合金からなる母材１となる。素地合金に用いる材料の配合割合は表１の本発明のＮｏ１〜１１に示すとおりであり、鋳造されたアルミ合金には、いずれもＳｎは含まれていない。

次に、同じく表１の供給粉末（Ｓｉ単体の粉末又はＡｌ−４０Ｓｉ合金の粉末と、Ｓｎ単体の粉末）を、記載された質量割合で混合し、この混合した粉末を、上記母材１の上面に散布する。そして、母材１の上面にレーザー光を照射し、散布した粉末及びその周囲を溶融させて合金化させた。これにより、図１（ｂ）に示すように、母材１の上面に、Ｓｎ２及びＳｉ３の成分が母材１の内部に対して濃化されたＳｎ・Ｓｉリッチ層４が形成される。このとき、使用する各粉末の粒径は１５０μｍ以下とする。なお、図１（ｂ）は、供給粉末にＡｌを含まない本発明のＮｏ１，４，７，８，９に係る模式図である。

次に、再び圧延、アニールを繰り返し、図１（ｃ）に示すように、表面にＳｎ・Ｓｉリッチ層４を有した厚さ１．０ｍｍの板材を得た。これにより、Ｓｎ・Ｓｉリッチ層４のＳｎ２及びＳｉ３の成分が母材１となじむようになる。
次に、この板材のＳｎを含まない面（図１（ｃ）の下面）を圧接面として、スチール（軟鋼帯板）５とロール圧接し（図１（ｄ）参照）、バイメタル６とした。これにより、Ａｌ合金からなる母材１の摺動面側に、Ｓｎ２及びＳｉ３の成分が表２に示す面積率のＡｌ合金からなるＳｎ・Ｓｉリッチ層４を有するバイメタル６ができる。この後、このバイメタル６を半割軸受形状に加工し試料とした。

同じ工程にて作製した各試料について、摺動面となるＳｎ・Ｓｉリッチ層４の表面を画像解析装置により解析し、その表面におけるＳｎの占める面積率及びＳｉの占める面積率を測定した。また、軸受性能を評価するため、摩耗試験、焼付試験、及び疲労試験を行った。その結果を、表２における本発明の実施例１（レーザークラッド法）の試料Ｎｏ１〜１１に示す。摩耗試験、焼付試験、及び疲労試験の試験条件は、表３，４，５に示す。

(実施例２)
次に、実施例２の製造方法について説明する。この実施例２は、Ｓｎ・Ｓｉリッチ層を、コールドスプレイ法を用いて形成するようにした方法である。
まず、上記実施例１と同様に、表１の本発明の素地合金の材料を用いて、Ｓｎを含まないＡｌ合金を鋳造し、その後、圧延、アニールを繰り返し、厚さ８．０ｍｍの板材（図１（ａ）参照)を作製した。この板材が、Ｓｎを含まないＡｌ合金からなる母材１となる。この場合も、素地合金の材料の配合割合は表１の本発明のＮｏ１〜１１に示すとおりであり、鋳造されたＡｌ合金には、いずれもＳｎは含まれていない。

次に、同じく表１の供給粉末（Ｓｉ単体の粉末又はＡｌ−４０Ｓｉ合金の粉末と、Ｓｎ単体の粉末）を、記載された質量割合で混合し、この混合した粉末を、コールドスプレイ法により、母材１の表面に衝突させて、Ｓｎ２及びＳｉ３の成分が母材１の内部に対して濃化されたＳｎ・Ｓｉリッチ層４を形成した(図１（ｂ）参照)。このときも、使用する各粉末の粒径は１５０μｍ以下とする。本実施例においては、その後、Ａｌ−Ｓｉ共晶点（５７７℃）以上で熱処理し、Ｓｎ・Ｓｉリッチ層４と母材１との界面を合金化させた。

ここで、コールドスプレイ法は、溶射方法の一つで、次のような方法である。すなわち、材料(供給粉末)の融点又は軟化温度より低い温度に加熱したガスを、先細末広ノズルにより超音速流にして、その流れの中に材料となる供給粉末を投入して加速させ、固相状態のまま、基材（母材）の表面に高速で衝突させて皮膜を形成する技術である。このコールドスプレイ法は、酸化や熱変質がほとんどない、緻密で密着力が高い、溶射効率が高い、厚膜の作製が可能であるなどの利点がある。

次に、実施例１と同様に、再び圧延、アニールを繰り返し、表面にＳｎ・Ｓｉリッチ層４を有した厚さ１．０ｍｍの板材を得る(図１（ｃ）参照)。これにより、Ｓｎ・Ｓｉリッチ層４のＳｎ２及びＳｉ３の成分が母材１となじむようになる。
次に、上記実施例１と同じ工程によってバイメタル６を作製し、このバイメタル６を半割軸受形状に加工し試料とした。

同じ工程にて作製した各試料について、実施例１と同様に、摺動面となるＳｎ・Ｓｉリッチ層４の表面を画像解析装置により解析し、その表面におけるＳｎの占める面積率及びＳｉの占める面積率を測定した。また、軸受性能を評価するため、摩耗試験、焼付試験、及び疲労試験を行った。その結果を、表２おける本発明の実施例２（コールドスプレイ法）の試料Ｎｏ１〜１１に示す。摩耗試験、焼付試験、及び疲労試験の試験条件は、実施例１と同様である。

（比較例）
次に、比較例の製造方法について説明する。この比較例は、従来の製造方法である。
まず、表１の比較例の素地合金の材料を用いて、Ａｌ合金を鋳造し、その後、圧延、アニールを繰り返し、所定厚さの板材を作製した。素地合金の材料の配合割合は表１の比較例のＮｏ１２〜１５に示すとおりであり、この場合、鋳造されたＡｌ合金には、いずれもＳｎが含まれている。

次に、面削りの加工を行った後、この板材を、Ｓｎを含まない純Ａｌと圧接し、再び圧延、アニールを繰り返し、所定厚さの板材を得る。次に、純Ａｌ側の面を圧接面として、スチールとロール圧接し、バイメタルとした。この後、このバイメタルを半割軸受形状に加工し試料とした。
同じ工程にて作製した各試料について、摺動面となる表面を画像解析装置により解析し、その表面におけるＳｎの占める面積率及びＳｉの占める面積率を測定した。また、軸受性能を評価するため、摩耗試験、焼付試験、及び疲労試験を行った。その結果を、表２における比較例の試料Ｎｏ１２〜１５に示す。摩耗試験、焼付試験、及び疲労試験の試験条件は、実施例１の場合と同様である。

表２において、本発明の実施例１における試料Ｎｏ１〜１１、及び本発明の実施例２における試料Ｎｏ１〜１１は、いずれも、表面に占めるＳｎの面積率が６〜４０％で、かつＳｉの面積率が５〜２０％の範囲内に入っている。
本発明の実施例１，２と比較例とにおいて軸受性能を比較してみる。まず、摩耗量については、比較例の場合は１０μｍ以上であり、これに対して本発明の実施例１，２の場合には、７μｍ以下であり、本発明の実施例１，２の方が耐摩耗性に優れていることがわかる。焼付荷重については、比較例の場合は６０ＭＰａ以下であり、これに対して本発明の実施例１，２の場合には、６０ＭＰａ以上であり、本発明の実施例１，２の方が非焼付性に優れていることがわかる。疲労荷重については、比較例の場合は７０ＭＰａ以下であり、これに対して本発明の実施例１，２の場合には、８０ＭＰａ以上であり、本発明の実施例１，２の方が耐疲労性に優れていることがわかる。

従って、本発明の実施例１，２においては、耐摩耗性、非焼付性、及び耐疲労性について優れていることがわかる。また、本発明の実施例１，２においては、なじみ性についても良好であった。
そして、本実施例１，２の場合、母材１の素地合金はＳｎを含んでいないので、スチール５との間で十分な接着力を得ることができる。そのため、従来のようにＳｎを含まない純Ａｌの中間層を設ける必要がなくなり、裏金となるスチール５と圧接する際に直接圧接することができる。これにより、製造コストを低減化することが可能となる。

本発明の実施例の製造工程を示す断面図、及び模式的に示す部分拡大断面図

符号の説明

図面中、１は母材、２はＳｎ、３はＳｉ、４はＳｎ・Ｓｉリッチ層、５はスチール、６はバイメタルを示す。

Claims (4)

1. Ｓｎを含まないＡｌ合金からなる母材と、Ｓｎ及びＳｉを含むＡｌ合金からなるＳｎ・Ｓｉリッチ層とを有するすべり軸受であって、
   前記Ｓｎ・Ｓｉリッチ層は、前記母材に隣接し、かつ摺動面を有し、
   その摺動面は、Ｓｎの占める面積率が６〜４０％で、かつＳｉの占める面積率が５〜２５％であることを特徴とするすべり軸受。
2. 母材には、Ｓｉを０．１〜１．５質量％、Ｃｕを０．２〜５．０質量％含むと共に、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｂのうちの選択された１種又は２種以上を総量で０．０１〜７．０質量％含むことを特徴とする請求項１記載のすべり軸受。
3. 請求項１又は２記載のすべり軸受を製造する方法において、
   Ｓｎを含まないＡｌ合金からなる母材の表面に、Ｓｎ単体の粉末及び／又はＡｌ−Ｓｎ合金の粉末と、Ｓｉ単体の粉末及び／又はＡｌ−Ｓｉ合金の粉末を衝突させて、Ｓｎ及びＳｉの成分を有する層を形成する工程と、
   圧延、アニールによりＳｎ及びＳｉの晶出相を前記母材中に分散させる工程とを含むことを特徴とするすべり軸受の製造方法。
4. 請求項１又は２記載のすべり軸受を製造する方法において、
   Ｓｎを含まないＡｌ合金からなる母材の表面に、Ｓｎ単体の粉末及び／又はＡｌ−Ｓｎ合金の粉末と、Ｓｉ単体の粉末及び／又はＡｌ−Ｓｉ合金の粉末とを散布し、これらをレーザー光により溶融させて合金化することにより、Ｓｎ及びＳｉの成分を有する層を形成する工程と、
   圧延、アニールによりＳｎ及びＳｉの晶出相を前記母材中に分散させる工程とを含むことを特徴とするすべり軸受の製造方法。
   
   

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