JP3746633B2 - 鋳鉄軸とアルミニウム軸受よりなる軸受装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のコンロッド軸受、主軸受などの鋳鉄軸とアルミニウム軸受を含んでなる軸受装置に関するものである。
図１はエンジンのクランクシャフト、コンロッド及びすべり軸受の組み立て図であり、すべり軸受は１対の半割り円形状のいわゆるメタル１ａ、１ｂが２本のボルト２によりコンロッド３の大端部に固定されてなる。メタル１ａ、１ｂの内面はすべり軸受合金からなる摺動面を構成し、クランクシャフト４を回転自在に保持している。
【０００２】
かかる軸受装置の軸すなわちクランクシャフト４にはＦＣＤ７００などの球状黒鉛鋳鉄が多用されている。
かかる球状黒鉛鋳鉄軸用軸受として本出願人が提案したドイツ特許ＤＥ３２４９１３３Ｃ２のアルミニウム合金軸受は０．５〜１１％のＳｉを含有し、粒径が５〜４０μｍであるＳｉ粒子が３．５６×１０−２ｍｍ２当り５個以上存在し、粗粒のＳｉ粒子が鋳鉄軸表面をラッピングすることにより、軸受性能を良好にしたものである。なお、Ｓｉ粒子は圧延方向に伸びている方向性をもっているので、測定方向により粒径が異なるが、上記粒径は大きい径すなわち圧延方向で測定したものである。
【０００３】
近年、内燃機関の容量が大きくなるに伴って鋳鉄軸の直径も増大し、その結果鋳鉄の凝固速度が低下しつつある。その結果組織がいわゆるブルアイ組織となって、球状黒鉛粒子の周りを取り囲むフェライト相が発生し、かつその厚さも厚くなっている。図２及び３はかかる鋳鉄軸の金属組織（倍率５００倍）を示し、フェライト相の厚さが３〜１５μｍであることがわかる。
ところで、鋳鉄軸の表面は一般に粗さＲｚが０．５〜１μｍ程度に仕上げられているが、表面仕上げの際にフェライトが黒鉛粒子から剥離し立ち上がって、高さが０．４〜０．５μｍ程度のエッジ状バリとなる。このバリは、鋳鉄軸と軸受の摺接面に介在する油膜より突出して相手軸受合金を攻撃して、摩耗や焼付きの原因となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のようにバリが発生した鋳鉄軸に対しては従来の粗粒Ｓｉアルミニウム合金によるラッピング作用は十分ではない。すなわち、従来の粗粒Ｓｉはパーライト＋球状黒鉛組織の鋳鉄をラッピングする効果は十分にあったが、ブルアイ組織の球状黒鉛の周りに形成されたリング状フェライトのエッジから形成されるバリは従来の粗粒Ｓｉによっては十分に小さくならないので、軸受装置の摩耗や焼付きが起こり易い。
よって、本発明は、ブルアイ組織もつ球状黒鉛鋳鉄軸とアルミニウム軸受を含んでなる軸受装置の摩耗や焼付きを起こり難くすることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ブルアイ組織をもつ球状黒鉛鋳鉄軸となしＡｌ−Ｓｎ−Ｓｉ系アルミニウム合金すべり軸受とよりなり、該アルミニウム合金に粒径が５〜４０μｍのＳｉ粒子の粒径が３．５６×１０−２ｍｍ２当り５個以上存在する軸受装置において、鋳鉄軸と軸受の摺接面における前記Ｓｉ粒子の平均粒径が前記球状黒鉛鋳鉄の球状黒鉛粒子を囲むフェライト相の平均厚さの０．５倍より大きいことを特徴とする鋳鉄軸とアルミニウム軸受よりなる軸受装置を提供するものである。
以下、本発明を詳しく説明する。
【０００６】
本発明の装置において、軸といわゆる半割りメタルからなる軸受は周知のものであって、例えば図１に例示される。これらの寸法や構造などは本発明において特に制限がない。ブルアイ組織をもつ球状黒鉛鋳鉄も周知のものであって、例えばＣ２．５％以上、Ｓｉ２．７％以下、Ｍｎ０．４％以下、Ｐ０．０２％以下、Ｍｇ０．０９％以下を含有する。
軸受には、粗粒Ｓｉを生成するＳｉを含有し、かつ潤滑性に優れたＳｎ相を生成するＳｎを含有するアルミニウム合金を使用する。Ａｌ−Ｓｎ−Ｓｉ系アルミニウム合金は、重量％で３〜３５％のＳｎ、１〜１０％のＳｉを含有する組成のものであることが好ましい。
さらに、任意元素としてＣｕ，Ｍｇ，Ｍｎなどのように金属間化合物を形成して析出硬化する元素を総量で３％以下、Ｚｒ，Ｃｒ，Ｖなどのように主として金属形態で析出硬化する元素を総量で２％以下、Ｐｂ，Ｉｎ，Ｂｉのように軟質相を形成してなじみ性向上に寄与する元素を総量で１０％以下含有することができる。
【０００７】
ブルアイ組織をもつ球状鋳鉄組織の例を図２及び３に示す。図２には３個の粗粒粒子が見られ、その内鋳鉄表面の黒鉛粒子の周囲にフェライト（白色）が生成している。その研磨面に形成されるエッジがバリになる。図３では鋳鉄表面に存在する２個の黒鉛粒子の周りに局部的にフェライト（白色）が生成し、その表面研磨エッジがバリになる。
本発明においては、鋳鉄軸と軸受の摺接面におけるＳｉ粒子の平均粒径（Ｄ）が球状黒鉛鋳鉄の球状黒鉛粒子を囲むフェライト相の平均厚さ（ｔ）の０．５倍より大きい（Ｄ＞０．５ｔ）ようにアルミニウム合金の組織を制御する。すなわち、ブルアイ組織のフェライト相の平均厚さ（ｔ）は、鋳鉄軸の径増大に伴い必然的に増加する傾向があるので、これは所与のものとせざるを得ない。具体的には、現在の内燃機関の鋳鉄軸では、フェライト相の平均厚さが５μｍ以上かつ１００μｍ未満であり、一般には５〜１５μｍ未満である。
一方、アルミニウム合金のＳｉ粒子の平均粒径（Ｄ）は比較的容易に制御できるのでＤ＞０．５ｔの関係が満足するようにＳｉ粒子を粗大化する。この関係が満足すると、軸受装置の摺接面においてＳｉ粒子がフェライトのバリを十分に削り取ることができる。より好ましくは、Ｄ＞０．７ｔである。
なお、Ｓｉ粒子の形状が方向性をもつ場合は、長い粒径を測定するものとする。
【０００８】
本発明において、Ｄ＞０．５ｔの関係が満足されるようにＳｉ粒子を粗大化するためには、基本的には前掲ドイツ特許公報第１１頁に示された製造工程及び条件によりつつ、特に焼鈍後の冷却速度を１００℃／時間未満の超徐冷を行うことが好ましい。
【０００９】
【作用】
図４に示す軸受装置の模式的摺接面において５はＳｉ粒子、６は球状黒鉛、７はフェライト相である。Ｄ＝０．５ｔは、バリ１０による相手軸受合金への攻撃が起こるか、あるいはバリ１０が鋳鉄より切り放されるかの境界となる。なお、硬度（Ｈ）に関しては、フェライト（Ｈｆ）がＨｖ≒１００〜１５０であり、Ｓｉ粒子（Ｈｓｉ）が約Ｈｖ１０００である。
本発明によるラッピング作用は軸受の使用初期に起こり、その後は摺接面では潤滑油が十分に油膜を作るために摩耗や焼付きが起こり難くなる。
以下実施例によりさらに詳しく本発明法を説明する。
【００１０】
【実施例】
市販のブルアイ球状黒鉛鋳鉄軸から、種々のフェライト相厚さを有する試料を採取し，表面をラッピングして粗さをＲｚ０．８μｍとした。
一方、Ｓｎを１２％と下記量のＳｉを含有するＡｌ合金を前掲ドイツ特許第１１頁方法で圧延板に製造した。ただし、焼鈍後の冷却速度を５０℃／時間未満とした。圧延板の表面をラッピングして粗さをＲｚ１μｍとした。
Ｓｉ含有量とＳｉ粒子の平均寸法（μｍ）は以下のとおりであった。

【００１１】
以上のようにして調製した鋳鉄供試材及びＡｌ合金圧延板供試材を以下の条件で摩耗試験を行った。

試験の結果を次表に示す。
【００１２】

【００１３】
表１より分かるようにＤ／ｔ＞０．５であると摩耗量が少なくなる。
【００１４】
耐焼付性の試験を以下の条件で行った。その結果を表２に示す。
試験機：ジャーナル型焼付試験機
回転数：１３００ｒｐｍ
潤滑油：エンジンオイル ＳＡＥ５Ｗ−３０、１４０℃
相手軸：ＦＣＤ７００相当（Ｈｖ２８０）
軸表面粗さ：０．４〜０．６μｍＲＺ
軸径：４２ｍｍ
荷重：暫増方式 １０ＭＰａ／３０ｍｉｎ
【００１５】

【００１６】
表１より分かるようにＤ／ｔ＞０．５であると耐焼付性が良好になる。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によると、ブルアイ組織をもつ球状黒鉛鋳鉄軸に対して摺動するアルミニウム系すべり軸受合金の組織を、ブルアイ組織のフェライト厚さと関連させて制御することにより耐摩耗性及び耐焼付性を良好にすることができる。したがって、本発明は大排気量をもつ内燃機関の性能向上に大きく寄与することできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 軸受装置の一例を示す図面である。
【図２】 ブルアイ組織をもつ球状黒鉛鋳鉄の金属組織を示す顕微鏡写真である（倍率５００倍）。
【図３】 図２と同様の写真である。
【図４】 軸受装置摺接面の概念図である。
【符号の説明】
１−軸受
２−ボルト
３−コンロッド
４−クランクシャフト
５−Ｓｉ粒子
６−球状黒鉛
７−フェライト相
１０−バリ

Claims (3)

1. ブルアイ組織をもつ球状黒鉛鋳鉄軸と、Ａｌ−Ｓｎ−Ｓｉ系アルミニウム合金すべり軸受とを含んでなり、該アルミニウム合金に粒径が５〜４０μｍのＳｉ粒子が３．５６×１０−２ｍｍ２当り５個以上存在する軸受装置において、
   軸と軸受の摺接面における前記Ｓｉ粒子の平均粒径が前記球状黒鉛鋳鉄の球状黒鉛粒子を囲むフェライト相の平均厚さの０．５倍より大きいことを特徴とする鋳鉄軸とアルミニウム軸受よりなる軸受装置。
2. 前記Ａｌ−Ｓｎ−Ｓｉ系アルミニウム合金が、重量％で３〜３５％のＳｎ及び１〜１０％のＳｉを含有する請求項１記載の鋳鉄軸とアルミニウム軸受よりなる軸受装置。
3. 前記フェライト相の平均厚さが５μｍ以上かつ１００μｍ未満である請求項１又は２記載の鋳鉄軸とアルミニウム軸受よりなる軸受装置。

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