JP3958515B2

JP3958515B2 - 多層軸受およびその製造方法

Info

Publication number: JP3958515B2
Application number: JP2000317841A
Authority: JP
Inventors: 幸彦籠原; 正仁藤田; 康一山本; 隆之柴山
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2000-10-18
Filing date: 2000-10-18
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2020-10-18
Also published as: GB2369162B; GB2369162A; DE10149675A1; DE10149675B4; GB0122957D0; JP2002121631A; US6413654B1; US20020068189A1

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にアルミニウム合金中間層を介して接合する構成の多層軸受およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム合金軸受はなじみ性および耐摩耗性に優れ、自動車および一般産業用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を鋼裏金に中間層を介して接合した３層構造をなしている。
【０００３】
上記の中間層は、従来より、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。しかしながら、最近のエンジンの高出力化に伴って、軸受合金には、更なる耐疲労性および耐摩耗性の向上が求められる傾向にあり、これに対処するためにＣｕ、Ｚｎ、ＭｇおよびＳｉなどの元素を添加して軸受合金を強化するようにしている。そして、この軸受合金の強度向上に伴い、中間層も、Ｍｎなどを添加したりして強化し、軸受の耐疲労性の向上を図っている。
【発明が解決しようとする課題】
軸受合金の強化のために、Ｃｕ、Ｚｎ、ＭｇおよびＳｉなどの元素を添加したアルミニウム基軸受合金を、アルミニウム合金中間層を介して鋼裏金に圧接によって接合した後、４００℃以上に加熱して急冷するという溶体化処理を施す。ところが、溶体化処理温度である４００℃以上に加熱されると、中間層においては、鋼裏金との界面に、Ａｌ−Ｆｅの金属間化合物が生成される。このＡｌ−Ｆｅの金属間化合物はきわめて脆いため、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、中間層が鋼裏金から剥離するというおそれがある。
【０００４】
このように中間層と鋼裏金との界面に、脆い金属間化合物が生成されることを防止するために、特開昭６１−２７２３５８号公報では、溶体化処理温度への加熱速度を高くし、溶体化処理温度に達したら、その溶体化処理温度を越えないように、且つその温度に保持する時間を十分に短くするようにしていた。しかしながら、これでは、温度管理を厳しく行なわねばならず、実用的ではない。
一方、軸受合金の強度を向上させるためには、できるだけ高い温度で溶体化処理を行うことが必要で、これを可能ならしめるアルミニウム合金中間層が要求される。
【０００５】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、アルミニウム合金中間層と鋼裏金との界面に脆い金属間化合物が生成されないようにして高温での溶体化処理を可能ならしめ、軸受合金の強化ひいては耐疲労性に優れた多層軸受およびその製造方法を提供するにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の多層軸受は、鋼裏金と、アルミニウム合金中間層と、Ｃｕ、Ｚｎ、ＭｇおよびＳｉのうちから選択された１種以上の金属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に接合して４００℃以上で溶体化処理する多層軸受において、前記アルミニウム合金中間層は複数層からなり、その複数層のうち、前記鋼裏金に接する層は、２〜８質量％のＳｉ、残部がＡｌからなることを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、溶体化処理によって４００℃以上に加熱されると、アルミニウム基軸受合金層のＣｕ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｉなどの元素がＡｌマトリックス中に固溶し、その後の急冷により硬化してアルミニウム基軸受合金層の強度を高め、軸受の耐疲労性を向上させる。上記溶体化処理において、アルミニウム合金中間層のうち、鋼裏金と接する側では、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が、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系化合物は４００℃を越えても析出せず、５５０℃を越えて初めて析出する。このため、脆いＡｌ−Ｆｅの金属間化合物の生成を効果的に防止し、溶体化処理を行うことができる。
【０００８】
請求項２の多層軸受は、アルミニウム合金中間層を、鋼裏金に接する層と、この鋼裏金に接する層よりもアルミニウム基軸受合金層側に位置する少なくとも１層とから構成し、それら中間層の各層のうち、鋼裏金に接する層は、２〜８質量％のＳｉ、残部がＡｌからなり、鋼裏金に接する層よりアルミニウム基軸受合金層側に位置する少なくとも１層は、０を越え２質量％以下のＭｎ、０を越え２質量％以下のＣｕ、０を越え２質量％以下のＭｇ、０を越え２質量％以下のＦｅのうち、少なくとも一種以上を含み、残部がＡｌからなることを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、上記したと同様に、脆いＡｌ−Ｆｅの金属間化合物の生成を効果的に防止し、中間層と鋼裏金との接合力を高める。
また、この構成によれば、中間層の各層のうち、鋼裏金に接する層よりアルミニウム基軸受合金層側に位置する少なくとも１層は、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｆｅのうちから選択された元素がＡｌマトリックス中に固溶して中間層の硬度を高め、軸受の耐疲労性を高める。このように、中間層を複数層にすることにより、溶体化処理時のＡｌ−Ｆｅ系化合物の生成抑制効果と高強度化の２つの機能を付与させることができ、溶体化処理による軸受合金強化と相俟って耐疲労性に優れた軸受を得ることができる。
【００１０】
ここで、アルミニウム合金中間層に添加した元素の限定理由を説明する。
▲１▼Ｓｉ：２〜８質量％
ＳｉはＡｌマトリックスに固溶すると共に、高硬度のＳｉ粒子として晶出し、合金硬度を高める。溶体化処理のために４００℃以上に加熱されても、鋼裏金との界面にＡｌ−Ｆｅ系化合物を析出させない。２質量％未満では上記効果が得られず、８質量％を越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。
▲２▼ＭｎまたはＭｇ：０を越え２質量％以下
ＭｎまたはＭｇはＡｌマトリックスに固溶するか、または金属間化合物として晶出することにより、強度を上昇させる。２質量％を越えると、硬くなりすぎ、塑性加工性が低下する。好ましいＭｎまたはＭｇの含有量は０．７〜１．５質量％である。
【００１１】
▲３▼Ｃｕ：０を越え２質量％以下
ＣｕはＡｌマトリックスに固溶して強度を上昇させ、疲労強度を向上させる。２質量％を越えると、硬くなりすぎ、塑性加工性が低下する。好ましいＣｕ含有量は０．７〜１．７質量％である。
▲４▼Ｆｅ：０を越え２質量％以下
ＦｅはＡｌマトリックスに固溶するか、または金属間化合物として晶出、分散し、疲労強度を著しく向上させる。２質量％を越えると、化合物として晶出する量が増加し、塑性加工性が著しく低下する。好ましいＦｅ含有量は０．０７〜１質量％である。
【００１２】
また、アルミニウム基軸受合金層は、請求項３に示すように、下記の（１）〜（５）のうち、一つ以上を含有することが好ましい。
（１）Ｓｎ：３〜２０質量％
理由：Ｓｎは軸受としての非焼付性、なじみ性およ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％を越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。
【００１３】
（２）Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｉ：１種以上を総量で０．１〜７質量％
理由：これらの選択元素はＡｌマトリックス強度を向上させる添加元素であり、溶体化処理を施すことにより強制的にＡｌマトリックスに固溶させることができ、急冷させることで、微細な金属間化合物を析出させることもできる。
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視的に分散し、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。
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％を越えると粗大な金属間化合物になってしまう。これら添加元素は総量で０．５〜６質量％が望ましい。
【００１４】
（３）Ｍｎ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｗ：１種以上を総量で０．０１〜３質量％
理由：これらの選択元素はＡｌマトリックスに固溶するか、または金属間化合物、或いは単体として晶出することにより、強度を向上させる。その効果は、０．０１質量％未満では期待できず、３質量％を越えると金属間化合物が粗大化し過ぎ、軸受合金としての物性低下をもたらすと共に、圧延などの塑性加工性が低下する。好ましくは、総量で０．２〜２質量％である。
【００１５】
（４）Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒ：１種以上を総量で０．０１〜２質量％
理由：これらの選択元素はＡｌマトリックスに固溶し、軸受合金の疲労強度を高める効果を持つ。０．０１質量％未満ではその効果はなく、２質量％を越えると軸受合金が脆くなる。総量で０．０２〜０．５質量％が望ましい。
【００１６】
（５）Ｐｂ、Ｂｉ、Ｉｎ：１種以上を総量で３質量％以下
理由：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％を越えると、Ａｌマトリッ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。
【００１７】
本発明の多層軸受は、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なう工程と、溶体化処理後、急冷する工程とを順に実行することにより製造できる。
【００１８】
【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。
図１には多層軸受１の断面が示されている。同図のように、多層軸受１は、鋼裏金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ている。アルミニウム合金中間層３は、２層構造のもので、鋼裏金２側の下層５と、アルミニウム基軸受合金層４側の上層６からなる。
【００１９】
上記のアルミニウム基軸受合金層４は、下記の（１）〜（５）のうち、一つ以上を含有している。
（１）３〜２０質量％のＳｎ
（２）Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｉのうちから選択された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のうちから選択された１種以上の元素を総量で０．０１〜３質量％
（４）Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒのうちから選択された１種以上の元素を総量で０．０１〜２質量％
（５）Ｐｂ、Ｂｉ、Ｉｎのうちから選択された１種以上の元素を総量で３質量％以下
【００２０】
また、２層のアルミニウム中間層３のうち、下層５は２〜８質量％のＳｉを含有し、上層６は０を越え２質量％以下のＭｎ、０を越え２質量％以下のＣｕ、０を越え２質量％以下のＭｇ、０を越え２質量％以下のＦｅのうち、少なくとも一種以上を含有している。
【００２１】
次に図１に示す多層軸受１の製造方法について説明する。
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。
【００２２】
そして、鋼裏金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に接合してなるバイメタルを作る。
【００２３】
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２という。
【００２４】
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時間加熱する焼鈍を行ない、次いで、バイメタルを４６０〜５２０℃で１０〜３０分加熱する溶体化処理を施す。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。この溶体化処理温度では、アルミニウム合金中間層３の下層５において、前述の効果によりＡｌ−Ｆｅ系化合物の生成を抑制する。
【００２５】
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。
【００２６】
このように本実施例によれば、溶体化処理時にアルミニウム合金中間層３の下層５において、鋼裏金２との界面に脆いＡｌ−Ｆｅの金属間化合物が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２から剥離するといったおそれがなく、高出力エンジン用軸受としての使用に耐え得る。
【００２７】
図２は本発明の他の実施例を示すもので、この実施例が上記一実施例と異なるところは、アルミニウム中間層７を、鋼裏金２と接する下層８と、この下層８上に接合されて当該下層８よりもアルミニウム基軸受合金層４側に位置する中央層９と、この中央層９上に接合されてアルミニウム基軸受合金層４に接する上層１０の３層構造としたところにある。
【００２８】
そして、下層８と上層１０とは、上記一実施例の下層５と同じ組成のアルミニウム合金から構成され、中央層９は上記一実施例の上層６と同じ組成のアルミニウム合金から構成されている。
【００２９】
次に各種試験結果について説明する。表１はアルミニウム中間層３に表２に示す組成のアルミニウム軸受合金を使用した単層中間層構造Ｎｏ１、二層中間層構造Ｎｏ３、４、６、７、三層中間層構造Ｎｏ２、５の発明品と、アルミニウム中間層を単層構造にして表２に示す組成のアルミニウム軸受合金を使用した比較品とについて、種々の溶体化処理温度に加熱したとき、中間層と鋼裏金との界面にＡｌ−Ｆｅの脆い金属間化合物が生成されたか否かを実験した結果を示す。
【００３０】
【表１】

【００３１】
【表２】

【００３２】
上記の表１から理解されるように、本発明品では５２０℃という高い温度に加熱しても、Ａｌ−Ｆｅ金属間化合物の生成は見られず、その抑制効果が高いことが理解される。このため、溶体化処理温度を例えば４８０℃に設定したとし、処理中にその温度を上回ったとしても、Ａｌ−Ｆｅ金属間化合物が生成されるおそれはなく、温度管理をそれ程厳格に行なわずとも済む。
【００３３】
また、次に示す表３は表１に示した軸受構成の発明品と比較品とについて、軸受合金層の引張試験および軸受の疲労試験を実施した結果を示す。なお、疲労試験の条件を表４に示した。
【００３４】
【表３】

【００３５】
【表４】

【００３６】
上記の表３から理解されるように、発明品はより高温で溶体化処理され、軸受合金層の強度が向上しているため、比較品より疲労面圧が高く、耐疲労性に優れていることが理解される。
【００３７】
以上述べたように、本発明の構成とすることによってアルミニウム基軸受合金層と鋼裏金との接着強度を確保し、且つ軸受合金の強度を高め、その結果、耐疲労性に優れたアルミニウム基軸受が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す多層軸受の断面図
【図２】本発明の他の実施例を示す図１相当図
【符号の説明】
図中、１は多層軸受、２は鋼裏金層、３はアルミニウム中間層、４はアルミニウム基軸受合金層、５は下層、６は上層、７はアルミニウム中間層、８は下層、９は中央層、１０は上層である。

Claims

鋼裏金と、アルミニウム合金中間層と、Ｃｕ、Ｚｎ、ＭｇおよびＳｉのうちから選択された１種以上の金属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に接合して４００℃以上で溶体化処理する多層軸受において、
前記アルミニウム合金中間層は複数層からなり、その複数層のうち、前記鋼裏金に接する層は、２〜８質量％のＳｉ、残部がＡｌからなることを特徴とする多層軸受。
鋼裏金と、アルミニウム合金中間層と、Ｃｕ、Ｚｎ、ＭｇおよびＳｉのうちから選択された１種以上の金属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に接合して４００℃以上で溶体化処理する多層軸受において、
前記アルミニウム合金中間層は、前記鋼裏金に接する層と、この鋼裏金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層とを備え、
前記アルミニウム合金中間層の複数層のうち、前記鋼裏金に接する層は、２〜８質量％のＳｉ、残部がＡｌからなり、
前記アルミニウム合金中間層の複数層のうち、前記鋼裏金に接する層より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層は、０を越え２質量％以下のＭｎ、０を越え２質量％以下のＣｕ、０を越え２質量％以下のＭｇ、０を越え２質量％以下のＦｅのうち、少なくとも一種以上を含み、残部がＡｌからなることを特徴とする多層軸受。
前記アルミニウム基軸受合金層は、下記の（１）〜（５）のうち、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記載の多層軸受。
（１）３〜２０質量％のＳｎ
（２）Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｉのうちから選択された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のうちから選択された１種以上の元素を総量で０．０１〜３質量％
（４）Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒのうちから選択された１種以上の元素を総量で０．０１〜２質量％
（５）Ｐｂ、Ｂｉ、Ｉｎのうちから選択された１種以上の元素を総量で３質量％以下
請求項１ないし３のいずれかに記載の多層軸受を製造する方法において、
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ない、処理後、急冷する工程と
を順に実行してなる多層軸受の製造方法。