JP2011236470A - Aluminum-based bearing alloy and production method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、Al基にSiを含むAl基軸受合金及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an Al-based bearing alloy containing Si in the Al group and a method for manufacturing the same.
基材上にAl基軸受合金を設けたすべり軸受は、初期なじみ性が比較的良好であり、高面圧で優れた耐疲労性を有し、自動車の内燃機関の軸受などに用いられている。
Al基軸受合金に、より優れた耐疲労性を有するようにした構成は、例えば特許文献1に開示されている。特許文献1のAl基軸受合金は、1〜15質量%のSiと、0.005〜0.5質量%のSrを含んでいる。また、この特許文献1には、Al基軸受合金にSrを含ませてSi粒子を微細化し、微細化したSi粒子の作用によって、Al基軸受合金が高負荷に耐え、且つ、脆くなることを防ぐことができ、これにより、Al基軸受合金の耐疲労性が良好になることも開示されている。
A plain bearing provided with an Al-based bearing alloy on a base material has relatively good initial conformability, has excellent fatigue resistance at high surface pressure, and is used for a bearing of an internal combustion engine of an automobile. .
A configuration in which the Al-based bearing alloy has better fatigue resistance is disclosed in
近年では、上記耐疲労性以外に、非焼付性に優れるAl基軸受合金が要望されている。すなわち、近年の内燃機関の分野では、燃費向上のためにコンロッドなどを薄肉化して、内燃機関の軽量化が図られている。このコンロッドの薄肉化が行われると、コンロッドの剛性は低下し、コンロッド自身が変形しやすくなっている。そのため、コンロッドに設けられるすべり軸受自体も、変形されやすくなっている。その結果、摺動の相手部材が、すべり軸受のAl基軸受合金の摺動側の表面に局部的に当たりやすくなる。この相手部材がAl基軸受合金に直接接触しながら摺動し続けると、焼付が生じてしまうことがある。 In recent years, in addition to the fatigue resistance described above, an Al-based bearing alloy having excellent non-seizure properties has been demanded. That is, in the field of internal combustion engines in recent years, in order to improve fuel efficiency, the connecting rods are thinned to reduce the weight of the internal combustion engine. When the connecting rod is thinned, the rigidity of the connecting rod decreases and the connecting rod itself is easily deformed. For this reason, the plain bearing itself provided on the connecting rod is also easily deformed. As a result, the sliding counterpart member is likely to locally contact the surface on the sliding side of the Al-based bearing alloy of the slide bearing. If this counterpart member continues to slide while in direct contact with the Al-based bearing alloy, seizure may occur.
本発明は上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、非焼付性に優れるAl基軸受合金及びその製造方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an Al-based bearing alloy having excellent non-seizure properties and a method for producing the same.
本発明者は、1〜15質量%のSiを含むAl基軸受合金において、Al基軸受合金中のSi粒子の大きさに着目して鋭意実験を重ねた。その結果、本発明者は、1〜15質量%のSi含むAl基軸受合金においてSi粒子の含有量が同じであっても、摺動側の表面の所定範囲の観察視野で観察されるSi粒子の周囲長の合計が所定の範囲内であると、Al基軸受合金の非焼付性が良好であることを解明した。
本発明者は、上記の解明を基にして、下記の発明をした。
The present inventor conducted intensive experiments focusing on the size of Si particles in an Al-based bearing alloy in an Al-based bearing alloy containing 1 to 15% by mass of Si. As a result, the present inventor confirmed that the Si particles observed in a predetermined range of the observation field on the surface on the sliding side even if the content of Si particles is the same in the Al-based bearing alloy containing 1 to 15% by mass of Si. It has been clarified that the non-seizure property of the Al-based bearing alloy is good when the total perimeter of is within a predetermined range.
The present inventor has made the following invention based on the above elucidation.
本発明の請求項1のAl基軸受合金は、1〜15質量%のSiを含むAl基軸受合金において、摺動側の表面の観察視野37820μm2で観察されるSi粒子の周囲長の合計が4000〜6000μmであることを特徴としている。 In the Al-based bearing alloy according to the first aspect of the present invention, in the Al-based bearing alloy containing 1 to 15% by mass of Si, the total perimeter of the Si particles observed in the observation visual field 37820 μm 2 on the sliding side surface is It is characterized by being 4000-6000 μm.
本明細書では、本発明のAl基軸受合金を、すべり軸受の基材上に設けられるAl基軸受合金層に適用して説明する。尚、Al基軸受合金を裏金層上に設けずに、Al基軸受合金を摺動部材(すべり軸受)として使用しても良い。
まず、Al基軸受合金の一実施形態の例を、図1に示す。図1に示すすべり軸受1は、基材2と、基材2上に設けられたAl基軸受合金(Al基軸受合金層)3とから構成されている。また、図1に、Al基軸受合金3の摺動側(摺動の相手部材側)の表面を「表面3a」として示す。
In the present specification, the Al-based bearing alloy of the present invention will be described by applying it to an Al-based bearing alloy layer provided on a slide bearing base material. The Al-based bearing alloy may be used as a sliding member (slide bearing) without providing the Al-based bearing alloy on the back metal layer.
First, an example of an embodiment of an Al-based bearing alloy is shown in FIG. A plain bearing 1 shown in FIG. 1 includes a
基材2とは、Al基軸受合金3を設けるための構成物のことであり、例えば、鋼、鉄などから形成される裏金層である。
Al基軸受合金3は、図2に示すように、Al又はAl合金からなるマトリクス4に1〜15質量%のSi(Si粒子5)を含んで構成されている。Al基軸受合金3に占めるSiの存在する割合が増すと、Al基軸受合金3も硬くなり、すべり軸受1の耐疲労性は向上する。ここで、Al基軸受合金3中に含まれるSiが1質量%以上であるとき、Siの硬さの影響が表れ、すべり軸受1の耐疲労性の向上の効果が得られる。又、Al基軸受合金3中に含まれるSiが15質量%以下であるとき、Al基軸受合金3が脆くなってしまうことを抑制することができる。
なお、Al基軸受合金3には、不可避的な不純物が含まれている。
The
As shown in FIG. 2, the Al-based
The Al-based
本実施形態では、Al基軸受合金3の表面3aの観察視野37820μm2で観察されるSi(Si粒子5)の周囲長の合計を4000〜6000μmとしている。Al基軸受合金3の表面3aは、光学顕微鏡によって観察される。観察視野は、光学顕微鏡の観察範囲を調整することにより変更可能であり、本実施形態では観察視野を37820μm2としている。
光学顕微鏡で観察される各Si粒子5の周囲長は、画像解析ソフト例えばImage-Pro Plus(Version4.5)(商品名)(株式会社プラネトロン製)を用いて測定される。
In the present embodiment, the total peripheral length of Si (Si particles 5) observed in the observation visual field 37820 μm 2 of the
The perimeter of each
本実施形態では、Al基軸受合金3の表面3aの観察視野37820μm2で観察されるSi粒子5の周囲長の合計を所定の長さ以上、本実施形態では4000μm以上にして、マトリクス4とSi粒子5との境界面積を増やしている。これにより、マトリクス4とSi粒子5との境界において界面エネルギーは大きくなり、この界面エネルギーの増大によってAl基軸受合金3の表面3aの表面エネルギーも増大し、表面3aにおいて潤滑油の濡れ性は高くなる。このように表面3aの濡れ性が高くなると、油膜切れは起きにくくなる。したがって、本実施形態によれば、表面3aの濡れ性を向上させることにより、Al基軸受合金3と相手部材との直接接触を抑制できる。これにより、AL基軸受合金3の非焼付性は、良好になる。
In this embodiment, the total perimeter of the
また、本実施形態では、Al基軸受合金3の表面3aの観察視野37820μm2で観察されるSi粒子5の周囲長の合計を6000μm以下にしている。Si粒子5の周囲長の合計が6000μm以下である場合、マトリクス4中にはマトリクス4が硬くなり過ぎるほどのSi粒子5は存在していない。そのため、本実施形態のAl基軸受合金3のなじみ性は、良好である。
In the present embodiment, the total perimeter of the
本発明の請求項2のAl基軸受合金は、摺動側の表面の観察視野37820μm2を領域分割法によってSi粒子ごとの領域に分け、その領域のアスペクト比の平均値が1〜2であることを特徴としている。
In the Al-based bearing alloy according to
領域分割法とは、図2に示すように、Al基軸受合金3の表面3aの観察視野において隣り合うSi粒子5の間に線(本実施形態においては、観察視野内のSi粒子5をボロノイ多角形に変換し、そのときの互いの境界となる線)を引き、観察視野をSi粒子5の数と同数の領域に分けることである。本実施形態では、この領域分割法により、Al基軸受合金3の表面3aの観察視野37820μm2を、観察されるSi粒子5ごとの領域に分けている。
As shown in FIG. 2, the region division method refers to a line between
Si(Si粒子5)の含有量が同じであれば、Si粒子5の大きさとSi粒子5の数とは相関的関係を有する。つまり、Si粒子5が大きければ、Si粒子5の数は少なく、領域分割法で得られる各領域の面積は大きくなる。一方、Si粒子5が小さければ、Si粒子5の数は多くなり、各領域の面積は小さくなる。
If the content of Si (Si particles 5) is the same, the size of the
本実施形態で言う「領域のアスペクト比」とは、領域の長軸の長さと短軸の長さとの比、すなわち長軸の長さを短軸の長さで割った値のことである。ここで言う長軸とは、領域分割法で得られる領域における最大長さのことである。また、短軸とは、この領域において長軸の中心を通り且つ長軸に垂直な方向の長さのことである。 The “region aspect ratio” in the present embodiment is the ratio of the major axis length to the minor axis length of the region, that is, the value obtained by dividing the major axis length by the minor axis length. The major axis here means the maximum length in the region obtained by the region division method. Further, the short axis is the length in the direction passing through the center of the long axis and perpendicular to the long axis in this region.
本実施形態で言う「アスペクト比の平均値」は、観察視野を領域分割法によって得られた各領域についてそれぞれアスペクト比を求め、これらのアスペクト比の平均の値である。本実施形態の観察視野は、37820μm2である。
本実施形態では、この領域のアスペクト比の平均値が1〜2である。領域のアスペクト比の平均値が1に近いほど、領域は円形状または正多角形をなし、Si粒子5はマトリクス4中に均一に分散し、Al基軸受合金3の表面3a全体において表面エネルギーは同じ大きさとなる。したがって、Al基軸受合金3の表面3a全体において均一な濡れ性が得られ、局所的な油膜切れが起こらなくなる。その結果、Al基軸受合金3の非焼付性も極めて良好となる。
The “average aspect ratio” referred to in the present embodiment is an average value of the aspect ratios obtained by obtaining the aspect ratio for each region obtained by dividing the observation field by the region division method. The observation visual field of this embodiment is 37820 μm 2 .
In the present embodiment, the average aspect ratio of this region is 1 to 2. The closer the average aspect ratio of the region is to 1, the more the region is circular or regular polygonal, the
このすべり軸受1は、鋳造工程、圧延工程、圧接工程、熱処理(焼鈍)工程、機械加工工程を経て製造される。
本発明の請求項3のAl基軸受合金の製造方法は、Al又はAl合金にSiを含ませて溶解させた溶湯を80〜130℃/secの速度で冷却してAl基鋳造板を形成し、このAl基鋳造板を圧下率50〜95%で圧延してAl基軸受合金を製造することを特徴としている。
The plain bearing 1 is manufactured through a casting process, a rolling process, a pressure welding process, a heat treatment (annealing) process, and a machining process.
According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for producing an Al-based bearing alloy, wherein an Al-based cast plate is formed by cooling Al or an Al alloy containing molten Si by cooling at a rate of 80 to 130 ° C / sec. The Al-base cast plate is rolled at a reduction ratio of 50 to 95% to produce an Al-base bearing alloy.
鋳造工程では、Al又はAl合金にSiを含ませて溶解させた溶湯を、80〜130℃/secの速度で冷却し、Al基鋳造板を鋳造している。溶湯をこの速度で冷却することにより、溶解していたSiは、マトリクス4中に晶出する。この晶出物のSi(Si粒子5)は、従来構成で晶出されたSi(Si粒子)よりも微細である。
圧延工程では、鋳造されたAl基鋳造板を、ローラなどで圧延している。これにより、Al基軸受合金3が得られる。圧延は、圧延工程での圧下率(%)が50〜95%になるまで圧延される。圧延の回数は、任意であるが、好ましくは1回〜5回である。
本実施形態で言う圧下率は、圧延によって圧延前(圧延工程前)に比べてどれくらい圧延されたかを示す値である。具体的には、圧下率をZ(%)、圧延前(圧延工程前)の板厚をX(mm)、圧延後(圧延工程後)の板厚をY(mm)とすると、圧延率は、「圧下率Z={(X−Y)÷X}×100(%)」で表される。
In the casting process, a molten metal containing Si or Al dissolved therein is cooled at a rate of 80 to 130 ° C./sec to cast an Al-based cast plate. The molten Si is crystallized in the
In the rolling process, the cast Al base cast plate is rolled with a roller or the like. Thereby, the Al
The rolling reduction referred to in the present embodiment is a value indicating how much rolling is performed by rolling compared to before rolling (before rolling process). Specifically, when the rolling reduction is Z (%), the sheet thickness before rolling (before the rolling process) is X (mm), and the sheet thickness after rolling (after the rolling process) is Y (mm), the rolling rate is , “Rolling ratio Z = {(X−Y) ÷ X} × 100 (%)”.
本実施形態によれば、鋳造工程によって得られたAl基鋳造板を、圧下率50%以上で圧延することにより、表面3aの観察視野37820μm2において観察されるSi粒子5の周囲長の合計が4000μm以上であるAl基軸受合金3を得ることができる。
また、本実施形態によれば、鋳造工程によって得られたAl基鋳造板を、圧下率95%以下で圧延することにより、表面3aの観察視野37820μm2において観察されるSi粒子5の周囲長の合計が6000μm以下であるAl基軸受合金3を得ることができる。
According to the present embodiment, by rolling the Al-based cast plate obtained by the casting process at a reduction rate of 50% or more, the total perimeter of the
Further, according to the present embodiment, by rolling the Al-based cast plate obtained by the casting process at a reduction rate of 95% or less, the peripheral length of the
圧接工程では、圧延工程で得られたAl基軸受合金3が基材(裏金層)2に圧接される。これにより、軸受形成用板材が製造される。
その後、圧接工程で得られた軸受形成用板材を、熱処理(焼鈍)工程で焼鈍し、機械加工工程で機械加工することにより、半円筒状又は円筒状のすべり軸受1が製造される。
In the pressure welding process, the Al-based
Thereafter, the bearing-forming plate material obtained in the pressure welding process is annealed in a heat treatment (annealing) process and machined in a machining process, whereby the semicylindrical or
上記すべり軸受1は、基材2とAl基軸受合金3との2層構造として説明したが、Al基軸受合金3と基材2との間に接着層、例えば純Al等の中間層を設けた3層構造としてもよい。また、Al基軸受合金3上にBiもしくはSnまたはBi合金もしくはSn合金などからなるオーバレイ層を設けてもよい。Al基軸受合金3上にオーバレイ層が設けられている場合、オーバレイ層が摩滅した後に、Al基軸受合金3の非焼付性の特性が発揮される。
また、Al基軸受合金3に溶体化処理を施し、Al基軸受合金3の強度を上げてもよい。
The
Further, the Al
本実施形態の効果を確認するために、表1に示す成分で形成したAl基軸受合金を有するすべり軸受の試料(実施例品1〜5、比較例品1〜3)を製作し、これらの試料に対して焼付試験を行った。
In order to confirm the effects of the present embodiment, slide bearing samples (
実施例品1〜5の製造方法は次の通りである。まず、表1に示す割合でAlおよびSiを溶解させた後、図3に示す鋳造装置11によって鋳造を行っている。
鋳造装置11は、鋳造を行うための材料を貯留する溶解溶融炉12を備えている。溶解溶融炉12には、表1に示す成分の溶解用材料が投入される。尚、この表1に示す成分には、不可避的な不純物が含まれている。
鋳造装置11は、溶解溶融炉12から注がれる溶湯を貯留するための浴槽13を備えている。
The manufacturing method of Example goods 1-5 is as follows. First, after dissolving Al and Si in the ratios shown in Table 1, casting is performed by the
The
The
浴槽13の一部には、浴槽13に貯留された溶湯を吐出させる溶湯供給ノズル14が設けられている。この溶湯供給ノズル14の先端側には、1対のローラ15,15が互いに微小な隙間を介して設けられている。1対のローラ15,15は、軸方向が溶湯の流れに直交する方向で且つ水平方向に延びるようにして配置されている。これにより、溶解溶融炉12内の溶湯は、浴槽13及び溶湯供給ノズル14を通って、1対のローラ15,15間に供給される。
A molten
ここで、1対のローラ15,15は、冷却手段である冷却管16によって冷却される。冷却管16は、1対のローラ15,15の内部に軸方向に延びるようにして複数本設けられている。この冷却管16の内部に冷媒、例えば水が供給されることにより、1対のローラ15,15は冷却される。冷却管16に供給される水の量及び速度は、図示しない制御装置で制御された図示しない弁の開閉度合いによって、調整される。実施例品1〜5の試料の製造では、溶湯供給ノズル14から1対のローラ15,15間に供給された溶湯を、冷却速度80〜130℃/secの速度(表1に示す冷却速度)で冷却するように、上記の弁の開閉度合いの調整を行っている。又、80〜130℃/secでの冷却は、溶湯が550℃に達するまで行われる。
Here, the pair of
溶湯が1対のローラ15,15で冷却されて凝固することにより、鋳造されたAl基鋳造板17が得られる。得られたAl基鋳造板17は、カッター18で所定の長さで切られ、コイラ19によって巻き取られる。次に、Al基鋳造板17は、圧延工程で、圧下率が表1に示す値になるまで図4に示す1対のローラ20,20で圧延される。
When the molten metal is cooled and solidified by a pair of
次に、所定の圧下率となったAl基鋳造板17は、基材(裏金層)を構成する鋼板に圧接される。これにより、軸受形成用板材が製造される。そして、軸受形成用板材を、数時間加熱する焼鈍を行った後の軸受形成用板材を機械加工してすべり軸受を製造し、このすべり軸受を実施例品1〜5とした。
Next, the Al-based
一方、比較例品1〜3の製造方法は、上記実施例品1〜5の製造方法と下記の点で相違する。
比較例品1は、圧延工程での圧下率を40%にした以外、実施例品1〜5と同様の製造方法によって得た。
比較例品2は、鋳造工程での冷却速度を70℃/secの速度にした以外、実施例品1〜5と同様の製造方法によって得た。
比較例品3は、鋳造工程での冷却速度を70℃/secの速度にし且つ圧延工程での圧下率を40%にした以外、実施例品1〜5と同様の製造方法によって得た。
On the other hand, the manufacturing methods of Comparative Examples 1 to 3 differ from the manufacturing methods of Examples 1 to 5 in the following points.
The
このようにして得られた実施例品1〜5及び比較例品1〜3に対して、各試料の表面を観察し、また、表2に示す試験条件で焼付試験を行った。これらの結果を表1に示す。
表1に示す実施例品1〜5および比較例品1〜3の「Si粒子の周囲長の合計」および「領域のアスペクト比の平均値」は、光学顕微鏡で組織を撮影し、観察視野37820μm2での画像を画像解析ソフト例えばImage-Pro Plus(Version4.5)(商品名)(株式会社プラネトロン製)を用いて測定した。
The surface of each sample was observed with respect to Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 thus obtained, and a seizure test was performed under the test conditions shown in Table 2. These results are shown in Table 1.
Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 shown in Table 1 are “total sum of peripheral lengths of Si particles” and “average value of area aspect ratio” obtained by photographing a structure with an optical microscope and an observation field of 37820 μm. The image in 2 was measured using image analysis software such as Image-Pro Plus (Version 4.5) (trade name) (manufactured by Planetron Co., Ltd.).
次に、焼付試験の結果について解析する。
実施例品1〜5と比較例品1,3の対比から、実施例品1〜5は、Si粒子の周囲長の合計が4000μm以上であるので、非焼付性に優れていることが理解できる。
実施例品1〜5と比較例品2の対比から、実施例品1〜5は、Si粒子の周囲長の合計が6000μm以下であるので、非焼付性に優れていることが理解できる。
実施例品1〜4と実施例品5の対比から、実施例品1〜4は、領域分割法で得られた領域のアスペクト比の平均値が2以下であるので、非焼付性に極めて優れていることが理解できる。
本発明は、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得る。
Next, the results of the seizure test are analyzed.
From comparison between the
From comparison between the
From comparison between the
The present invention can be implemented with appropriate modifications within a range not departing from the gist.
図面中、3はAl基軸受合金、3aは表面、5はSi粒子、17はAl基鋳造板を示す。 In the drawings, 3 is an Al base bearing alloy, 3a is a surface, 5 is Si particles, and 17 is an Al base cast plate.
Claims (3)
摺動側の表面の観察視野37820μm2で観察されるSi粒子の周囲長の合計が4000〜6000μmであることを特徴とするAl基軸受合金。 In an Al-based bearing alloy containing 1 to 15% by mass of Si,
An Al-based bearing alloy characterized in that the total perimeter of Si particles observed in an observation visual field of 37820 μm 2 on the sliding side surface is 4000 to 6000 μm.
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