JP2014510194A - 滑り軸受用複合材料 - Google Patents

Abstract

本発明は、鋼から成る支持層と、支持層上に配置された中間層と、中間層上に配置されており、不純物以外は鉛を含有しないアルミニウム合金から成る軸受金属層とを備えた滑り軸受用複合材料であって、アルミニウム合金が、スズ１０．５〜１４重量％と、ケイ素２〜３．５重量％と、銅０．４〜０．６重量％と、クロム０．１５〜０．２５重量％と、ストロンチウム０．０１〜０．０８重量％と、チタン０．０５〜０．２５重量％と、を含有している滑り軸受用複合材料に関する。ケイ素が、軸受金属層内において粒子の形で、軸受金属層の１つの面に対し、この面内で視認できる直径４μｍ〜８μｍのケイ素粒子の面積分率が少なくとも２．５％、好ましくは少なくとも２．７５％であるように分布して存在している。

Description

本発明は、鋼から成る支持層と、支持層上に配置された中間層と、中間層上に配置されており、不純物以外は鉛を含有しないアルミニウム合金から成る軸受金属層とを備えた滑り軸受用複合材料に関する。

このような滑り軸受用複合材料は、特に、自動車の内燃機関で使用するための軸受胴またはブッシュのために開発されている。これに関しては、アルミニウム合金から成る軸受金属層を備えたような複合材料だけでなく、そのほかにも銅基または銅・スズ基の軸受金属合金が使用される（ＤＥ１０２００５０２３３０８Ａ１（特許文献１）を参照）。順応性、耐疲労性、および焼付き挙動を考慮して、長い間、銅基合金がアルミニウム合金より優れているとされていたが、ごく最近では、アルミニウム基の軸受金属材料も昨今の内燃機関の高まる要求に適応させようとの努力がいっそうなされている。アルミニウム材料は軽量化の利点を有しており、かつ比較的安価であり、したがって同じ性能であればアルミニウム材料を優先するべきである。

アルミニウム基の軸受金属層を備えた滑り軸受用複合材料は、例えば特許明細書ＤＥ１０２４６８４８Ｂ４（特許文献２）、ＤＥ４３２３４４８Ｃ５（特許文献３）から、または公開明細書ＧＢ２２４３４１８Ａ（特許文献４）、ＷＯ０２／４０８８３Ａ１（特許文献５）、およびＤＥ１０２０１００２９１５８Ａ１（特許文献６）から知られている。

２つの明細書ＤＥ４３２３４４８Ｃ５（特許文献３）およびＷＯ０２／４０８８３Ａ１（特許文献５）では、焼付き傾向を抑えるための固体潤滑剤として鉛が不可欠である。しかし環境保護の理由から、鉛含有の合金は回避されるべきである。明細書ＤＥ１０２４６８４８Ｂ４（特許文献２）およびＤＥ１０２０１００２９１５８Ａ１（特許文献６）から知られている材料は鉛を含有しておらず、ただし、ＤＥ１０２０１００２９１５８Ａ１（特許文献６）では、一般論としてのみ、詳しい説明のないアルミニウム合金の記載がある。ＤＥ１０２４６８４８Ｂ４（特許文献２）はこれに関してより詳しく説明されており、したがって本発明に対する属概念の従来技術である。

その明細書から知られているアルミニウム軸受合金は、Ｓｉを１．５〜８重量％、Ｓｎを３〜４０重量％、Ｃｕ、Ｚｎ、およびＭｇから成る群からの１種または複数の元素を総量で０．１〜６重量％、任意選択で、Ｍｎ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、およびＢから成る群からの１種または複数の元素を総量で０．０１〜３重量％含んでおり、残りがアルミニウムである。その明細書での試験では、出来上がったアルミニウム軸受合金生成物に含有されているＳｉ粒子の粒子サイズ分布に重点が置かれており、この粒子サイズ分布には、特定されてはいるが非常に幅広い分布において、粒径が４μｍ未満の小さなＳｉ粒子の部分も、粒径が４〜２０μｍであるより大きなＳｉ粒子の部分も含まれている。提示された分布により、この材料の、摺動相手材とくっつく傾向（焼付き傾向）が減少され、かつ材料内への粒子の埋め込みが改善されるというものである。必要な粒子サイズ分布の達成に寄与するのは、その明細書の教示によれば３５０℃〜４５０℃の温度での８〜２４時間にわたる焼鈍ステップとその後の圧延ステップのシーケンスである。

これに対して本発明は、機械的特性である強度、耐摩耗性、変形性、および摩擦抵抗の最適化と同時に、安価な材料選択を考慮して、アルミニウム基の軸受金属層の化学組成を最適化することに取り組む。変形性は、滑り軸受用複合材料を圧延する際の製造上の制約に基づく高い変形度を考慮して最適化されるべきである。昨今のエンジンは比出力が比較的高いので、これと同時にできるだけ少ない材料消費でのより高い強度、特に耐熱強度を要求する。これに関しては耐摩耗性も絶えず最適化の努力が行われており、高まる出力要求のために犠牲にされるべきではない。なぜなら摩耗が進むことにより、潜在的な故障の危険以外に、エンジンの効率、したがって経済性も低下するように思われるからである。同様にエンジンの経済性に関して、昨今の内燃機関の軸受では、一方では低粘度オイルの使用に起因し、もう一方ではアイドリングストップの適用への需要に増加的に起因している混合摩擦条件がますます主流になっている。言い換えると、昨今の軸受は最低回転数のときに既にできるだけ小さい摩擦係数を示すべきである。粒子サイズ分布が、この観点での決定的な影響変数であることは明らかである。

ＤＥ１０２００５０２３３０８Ａ１ ＤＥ１０２４６８４８Ｂ４ ＤＥ４３２３４４８Ｃ５ ＧＢ２２４３４１８Ａ ＷＯ０２／４０８８３Ａ１ ＤＥ１０２０１００２９１５８Ａ１

この背景に基づき本発明の課題は、材料消費をできるだけ少なくしながら、耐熱強度を高めると同時に高い変形性を考慮し、かつ特にアイドリングストップの適用において主流の混合摩擦条件下での高い耐摩耗性を考慮して、改善された組成を有する滑り軸受用複合材料を提供することである。

この課題は、特許請求項１の特徴を有する滑り軸受用複合材料によって解決される。

本発明による滑り軸受用複合材料は、鋼から成る支持層と、不純物以外は鉛を含有しないアルミニウム合金から成る軸受金属層とを備えており、このアルミニウム合金は、
スズ１０．５〜１４重量％と、
ケイ素２〜３．５重量％と、
銅０．４〜０．６重量％と、
クロム０．１５〜０．２５重量％と、
ストロンチウム０．０１〜０．０８重量％と、
チタン０．０５〜０．２５重量％と、
を含有している。

本発明者は、まさにアイドリングストップ動作における混合摩擦条件の範囲では、つまり軸受の（流体動力学的な）オイル潤滑が生じていない場合には、軸受金属合金の厳密な組成がますます重要になっていることを認識した。この場合、非常に少ない分率で加えられる元素の比率も決定的な役割を担う。

Ｔｉを添加することで、滑り軸受用複合材料の製造に関して適切な温度調節および適切な変形度に関係なく、鋳造プロセスでのマトリクス材料の微粒化が改善する。０．０５〜０．２５重量％、好ましくは０．０５〜０．１５重量％のＴｉ含有率を厳密に守ることにより、Ｓｉの粒子サイズ分布を考慮して目標とした、鋳造プロセスの低い冷却速度の場合に、マトリクス材料の優れた伸び特性と同時に高い強度を保証する、Ａｌマトリクス材料の十分に細かい粒径を調整することができる。マトリクス材料の粒径分布は他方で、ＳｉがＡｌマトリクス中に溶解することからＳｉ粒子の分布への影響を有すると同様に、軟質相、つまり粒界に沿った不溶性のＳｎの包摂への影響も有している。したがってＴｉ含有率は、ＳｉおよびＳｎの分率とのできるだけ厳密な適合を前提とする。

Ｓｎは、本発明によれば１０．５重量％〜１４重量％、好ましくは１１重量％〜１３重量％の範囲内にある。まさにこの範囲内において、合金系は、混合摩擦条件で既にその強度を損なうことなく使用できるような秀でた摺動特性を示す。

本発明によればＳｉ含有率は、上限を３．５重量％、好ましくは２．７５重量％としていることで、圧延ステップの高い変形度を考慮して必要とされる延性が生じるように低く調整されている。その一方で、軸受金属材料の十分な耐摩耗性を調整できるよう、Ｓｉ粒子は２重量％、好ましくは２．２５重量％の最低含有率を必要とする。

耐摩耗性には、Ｓｉ分率と共にＳｉの粒子サイズ分布も重要であり、この粒子サイズ分布の方は化学組成によって影響を及ぼされる。本発明者は、上述のＳｉ含有率の場合、少量のＳｒを０．０３〜０．０８重量％の範囲内で的確に添加することが、粒子サイズ分布の調整性に有利に働くことを認識した。鋳造プロセス後の、＜７５Ｋ／ｓｅｃ、好ましくは＜５０Ｋ／ｓｅｃの低い冷却速度と共に、Ｓｒは、摩耗の最小化に関して最適化された粒子サイズ分布をもたらす。同時にＳｒはＳｉ粒子の形状に影響を及ぼし、鋳造後のＳｉ粒子の形状はこのＳｒ含有率の結果として、平均的に、Ｓｒ添加なしで観察され得たよりも微細な外観形状を有している。このやり方では、後続の作業ステップの熱処理および圧延を鑑みて、マトリクス材料の変形度がＳｉの添加により本質的に悪化することはない。それゆえＳｒ含有率は厳密にＳｉ含有率に適合されている。

Ｃｒ含有率はＣｕ含有率と関連させて考察しなければならない。アルミニウムマトリクスにおいて両方の元素とも材料の耐熱強度に関して特に重要であることが分かった。耐熱強度は、高負荷がかかる用途では常に必要とされる。Ｃｒ含有率が０．１５〜０．２５重量％であり、同時にＣｕが０．４〜０．６重量％の含有率で添加合金されることが、マトリクス内で、十分に強度を高める析出物を形成させるのに有利であることが証明された。その一方でまた変形性に悪影響を及ぼさないためには、Ｃｒは０．２５重量％およびＣｕは０．６重量％の含有率を超えないことが望ましい。最終的に、ＣｒとＣｕの組合せは、使用されるＣｕの上限が０．６重量％であることが費用を下げ、かつ材料のリサイクル性を向上させるという意味でも良い効果をもたらす。

「不純物以外は鉛を含有しない」とは、本明細書の意味においては、場合によっては個々の合金元素の不純物により存在する可能性のある鉛の分率が如何なる場合も０．１重量％の分率を上回ってはいけないということである。

本発明の有利な一変形形態によれば、軸受金属層のアルミニウム合金は、ＶおよびＺｒから成る群からの少なくとも１種のさらなる元素を含んでおり、その分率は合わせて０．０５〜０．７重量％である。

両方の元素とも、耐熱強度を向上させる働きをする。これに関しＶはマトリクス材料の再結晶化を阻止するように作用し、これはＴｉと共に作用して、軟質相およびＳｉに適合させた粒径の調整を可能にする。

本発明によれば、軸受金属層と支持層との間には中間層が配置されている。

中間層は、結合強度の特性に特化して最適化することができ、軸受金属層の特性を有さなくてよいので、鋼製の支持層上での軸受金属層の結合強度を向上させる。このために、好ましくは純アルミニウムまたはアルミニウム合金が使用される。好ましくは、中間層と軸受金属層が圧延方法で予めクラッディングされ、この層複合体を続いてさらなる圧延方法において鋼製の支持層上に施す。

特に、内燃機関での非常に高い負荷がかかる軸受用途の場合には、軸受金属層上にポリマーベースの上張層が配置されることが有利である。

ポリマー層は、特に荷重が高い場合に軸受幅全体にわたってより均一な荷重分布を生じさせる。こうして、ポリマー層の、弾性および可塑性の順応性により、軸受全体の動作の信頼性をさらに高めることができる。

好ましくは、ケイ素は、軸受金属層内において粒子の形で、軸受金属層の１つの面に対し、この面内で視認できる直径４μｍ〜８μｍのケイ素粒子の面積分率が少なくとも２．５％、好ましくは少なくとも２．７５％であるように分布して存在している。

この粒子サイズ分布は、Ｓｉ硬質粒子が、硬質の耐力結晶として材料の高い耐摩耗性を保証するために十分な大きさであり、その一方でまた、特に動的負荷下でのマトリクスの強度を低下させるほどは大きくないので、特に有利であることが分かった。本発明者は、特別に開発した検査スタンド上で比較試験を実施し、この試験では、本発明による滑り軸受用複合材料および２つの比較用軸受材料によるクランク軸軸受を対比させた。比較のために、Ｓｉを含有しないＡｌＳｎＣｕＭｎ軸受金属材料と、ＡｌＳｎＳｉＣｕＣｒＭｎ軸受金属材料とを考慮の対象とした。前者は、好ましい冷却速度＜７５Ｋ／ｓで鋳造し、後者は、Ｓｒの添加なしで＞４００Ｋ／ｓの比較的高い冷却速度で鋳造し、その結果、明らかにより細かいＳｉ粒子を含んでいる。検査スタンドの１５０００サイクルのアイドリングストップでは、Ｓｉを含有しない軸受金属材料の摩耗は１５８μｍと予想通り高かった。これに対し意外なことにＡｌＳｎＳｉＣｕＣｒＭｎ軸受金属材料でも、Ｓｉ分率が比較的高いにもかかわらず８６μｍという許容できないほど高い摩耗が生じ、その一方で本発明による滑り軸受の軸受金属層は、摩耗によって減ったのが９μｍだけであった。

粒子サイズ分布を確定するには、軸受金属層の特定の寸法の部分面を、顕微鏡下で好ましくは５００倍の倍率で観察する。その際、軸受金属層を任意の平面で観察することができる。なぜなら層内のＳｉ粒子が実質的に均質に分布していることを前提としているからであり、または少なくとも、故意にもしくは意図せず不均質な、つまり例えば一方向において段階的に増加もしくは減少する分布がいずれにせよ特許請求された限界を超えないことを前提としているからである。これに関し軸受金属層は、最初に平らな研磨片が作製されるように準備することが好ましい。部分面内で視認できるＳｉ粒子は、粒子の認識可能な最も長い広がりを確定するように測定される。これに相当する直径を有する円の面積を、この粒子の等価面積として記録する。最後に、部分面内における、直径４μｍ〜８μｍの間のすべてのＳｉ粒子の面積を合算し、調べた部分面の総測定面積を基準として規格化する。最初にＳｉ粒子をその直径に基づいてクラス分けして、それぞれのクラスでのＳｉ粒子の数をそのクラスに割り当てられた平均面積と掛け合わせてから、部分面内における、直径４μｍ〜８μｍの間のＳｉ粒子のすべてのクラスの積を合算してもよい。統計量が十分であれば、結果にさほどの誤差はないであろう。

以下に本発明のさらなる特徴および利点を、例示的実施形態および図面に基づいて説明する。

本発明による滑り軸受用複合材料の第１の例示的実施形態の原理的な層構造を示す図である。 本発明による滑り軸受用複合材料の第２の例示的実施形態の原理的な層構造を示す図である。 Ｓｉの粒子サイズ分布の決定を説明する図である。 滑り軸受用複合材料の軸受金属層におけるＳｉ粒子の粒子サイズ分布を示すグラフである。

図１は、本発明の第１の例示的実施形態に基づく滑り軸受用複合材料の断面を概略的に示している。この滑り軸受用複合材料は全部で３つの層を備えている。最上層として図１では軸受金属層１０が示されており、この軸受金属層は、請求項に基づく、Ａｌ基の組成を有している。軸受金属層１０は、中間層１２を介して、鋼から成る保護または支持層１４上に施されている。中間層は、軸受金属層１０と鋼層との間で接着仲介剤として働く。中間層は、典型的には純アルミニウムまたはアルミニウム合金から成っている。

さらに図１では部分面２０が象徴的に示されており、この部分面は、拡大されて、図３に図解した内部構造を示している。このような部分面の画像を作製するには、軸受金属層の適切な位置での平らな研磨片を準備することが好ましい。部分面を、図１での表示とは違い例えば摺動面に平行に観察することもできる。

本発明による滑り軸受用複合材料での中間層の層厚は、好ましくは３０μｍ〜１２０μｍ、特に好ましくは４０μｍ〜１００μｍである。

図２に基づく第２の例示的実施形態は、軸受金属層１０上にポリマーコーティング１６が施されているという意味で相違する層構造を有しており、このポリマーコーティングは、特に、非常に高い負荷がかかる軸受用途において有利である。

本発明は図示した両方の実施形態に制限されない。さらなる機能層を備えた多層構成を形成することも十分に可能である。勾配層も除外されない。つまり原理的には、層の数および形状に制限はない。ただし、とりわけ冒頭で述べた費用節約の理由から、確実な動作が可能な範囲で少ない層を備えた滑り軸受用複合材料が好ましい。

図３に基づき、以下にＳｉの粒子サイズ分布の決定法を説明する。最初に軸受金属層から、例えば摺動面に向かって延びている平らな面研磨片を準備した後、顕微鏡下で、例えば５００倍の倍率で、特定の辺の長さおよび辺の幅を有する、軸受金属層の部分面２０を選択し、マーキングする。例えば辺の長さが５００μｍと８００μｍの長方形とすると、つまり総測定面積は４００，０００μｍ^２である。この部分面内では多数のＳｉ粒子２２が認められ、このＳｉ粒子は経験上、特定のグレー値範囲またはカラー値範囲により、他の含有物、特に軟質相と、しかし外来粒子とも（両方ともここでは図示されていない）、光学的に識別することができる。Ｓｉ粒子の捕捉は、電子式画像捕捉システムにおいて自動的に行われるのが好ましい。Ｓｉ粒子２２は、形状には関係なく粒子の認識可能な最も長い広がりを確定するように測定される。この広がりを直径と呼ぶ。粒子の直径に応じてＳｉ粒子は、例えば２〜４μｍ、４〜６μｍ、．．．のようなクラスに分けられる。それぞれのクラスに分類されたＳｉ粒子の数を、そのクラスに割り当てられた平均面積、ここではπ×（３／２μｍ）^２、π×（５／２μｍ）^２、．．．と掛け合わせ、そして部分面内でのこのように捕捉された直径４μｍ〜８μｍのＳｉ粒子のすべての有意味なクラスの積を合算し、調べた部分面の総面積を基準として規格化する。

この方法が、本発明による軸受金属の一例に適用され、下記の表から明らかな結果が生じた。

これに対応する分布が図４のグラフに示されている。有利な材料特性にとって決定的なのは、直径４μｍ〜８μｍのＳｉ粒子の分率であり、このＳｉ粒子は、本発明によれば２．５％以上、好ましくは２．７５％以上、および示した例に関してはそれどころか軸受金属表面の３％超を占めている。この粒子サイズ分布は、Ｓｉ硬質粒子が、硬質の耐力結晶として材料の高い耐摩耗性を保証するために十分な大きさであり、その一方でまた、特に動的負荷下でのマトリクスの強度を低下させるほどは大きくないので、特に有利であることが分かった。

１０ 軸受金属層
１２ 中間層
１４ 鋼支持層
１６ ポリマーコーティング
２０ 部分面
２２ Ｓｉ粒子

Claims (10)

1. 鋼から成る支持層と、支持層上に配置された中間層と、中間層上に配置されており、不純物以外は鉛を含有しないアルミニウム合金から成る軸受金属層とを備えた滑り軸受用複合材料であって、アルミニウム合金が、
   スズ１０．５〜１４重量％と、
   ケイ素２〜３．５重量％と、
   銅０．４〜０．６重量％と、
   クロム０．１５〜０．２５重量％と、
   ストロンチウム０．０１〜０．０８重量％と、
   チタン０．０５〜０．２５重量％と、
   を含有している、滑り軸受用複合材料。
2. 軸受金属層のアルミニウム合金が、ＶおよびＺｒから成る群からの少なくとも１種のさらなる元素を含んでおり、マイクロアロイング元素の分率が合わせて０．０５〜０．７重量％であることを特徴とする、請求項１に記載の滑り軸受用複合材料。
3. 中間層が、純アルミニウムまたはアルミニウム合金から成ることを特徴とする、請求項１または２に記載の滑り軸受胴。
4. 軸受金属層のアルミニウム合金におけるスズの分率が１１〜１３重量％であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の滑り軸受胴。
5. 軸受金属層のアルミニウム合金におけるケイ素の分率が２．２５〜２．７５重量％であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載の滑り軸受胴。
6. 軸受金属層のアルミニウム合金におけるチタンの分率が０．０５〜０．１５重量％であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載の滑り軸受胴。
7. 軸受金属層のアルミニウム合金におけるストロンチウムの分率が０．０１〜０．０５重量％であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の滑り軸受胴。
8. 軸受金属層上にポリマーベースの上張層が配置されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載の滑り軸受胴。
9. ケイ素が、軸受金属層内において粒子の形で、軸受金属層の１つの面に対し、前記面内で視認できる直径４μｍ〜８μｍのケイ素粒子の面積分率が少なくとも２．５％、好ましくは少なくとも２．７５％であるように分布して存在していることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つに記載の滑り軸受胴。
10. ケイ素粒子のサイズ分布が、鋳造プロセス後の、７５Ｋ／ｓ未満、好ましくは５０Ｋ／ｓ未満の冷却速度によって調整されていることを特徴とする、請求項９に記載の滑り軸受胴。

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