JP5437703B2 - Ａｌ基摺動合金 - Google Patents

Description

本発明は、Ｓｉを含ませて構成されたＡｌ基摺動合金に関する。

Ａｌ基摺動合金を内張りしたすべり軸受は、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、自動車や一般産業機械の高出力エンジンの軸受に用いられている。

Ａｌ基摺動合金に、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。この特許文献１には、Ａｌ基摺動合金に１〜１５質量％のＳｉを含ませ、更にＳｒを含ませてＳｉを微細に晶出させることが開示されている。更に、特許文献１には、微細化したＳｉ粒子の作用によって、Ａｌ基摺動合金が高荷重に耐え、且つ、脆くなることを防ぐことができ、耐疲労性が良好になることも開示されている。

又、Ａｌ基摺動合金にＳｉを含ませる構成は、特許文献２にも開示されている。特許文献２には、Ａｌマトリックスに２６〜８０質量％のＳｉを含ませ、このＳｉ粒子の平均粒径を０．０１以上１０μｍ未満の範囲にし、更にＳｉをＡｌマトリックス中に３質量％以上固溶させることにより、耐摩耗性が向上することが開示されている。

特開平３−６３４５号公報 特開平１１−１７２４６５号公報

最近の内燃機関は、燃費向上のために、例えばすべり軸受が組付けられるコンロッド等のハウジングの軽量化が進められている。しかし、ハウジングの軽量化のために薄肉化が行われると、ハウジングの剛性は低下し、ハウジング自身が変形し易くなる。そのため、Ａｌ基摺動合金（すべり軸受）が支える軸の動荷重等によって、ハウジング自身が変形し、これに伴い、Ａｌ基摺動合金自体も曲げ変形し易い状況になって、Ａｌ基摺動合金に疲労が生じ易くなっている。

又、燃費を向上させるために、粘性の低い潤滑油を使用したい要望がある。しかし、粘性の低い潤滑油を使用すると、Ａｌ基摺動合金が支える軸の動荷重等によって潤滑油の油膜が破断し易くなる。その結果、軸が直接Ａｌ基摺動合金に当たる頻度が増加して摩擦熱による温度上昇によって強度が低下し、疲労が生じ易くなってしまう。

このような環境下においては、特許文献１に示す構成では、まだ耐疲労性が不十分である。更に、特許文献１では、Ｓｉを微細に晶出させるために、Ａｌ基摺動合金にＳｒを添加する構成であるため、Ｓｒ金属間化合物が偏析してしまうことがある。偏析が生じた場合、苛酷な状況ではそこを起点にしてクラックが生じる可能性が考えられる。そのため、Ｓｒを用いずにＳｉを微細化することが望まれている。

特許文献２に示す構成では、ＡｌマトリックスにＳｉを２６％以上含ませているので、特許文献１に記載されているように脆くなることが考えられ、最近の苛酷な摺動用途での使用には厳しい。

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、脆性が生じ難く、且つ耐疲労性に優れるＡｌ基摺動合金を提供する。

本発明者は、Ｓｉを１〜１５質量％含ませて耐疲労性を向上させたＡｌ基摺動合金において、この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、Ｓｉを１〜１５質量％含むＡｌ基摺動合金であってＳｉの含有量が同じでも、Ｓｉ粒子の大きさによってＡｌ基摺動合金の耐疲労性の優劣が変わることを解明した。即ち、本発明者は、Ｓｉを１〜１５質量％含むＡｌ基摺動合金であってＳｉの含有量が同じでも、Ｓｉ粒子の大きさが所定範囲内であるとＡｌ基摺動合金がより良好な耐疲労性を有するようになることを、解明した。

本発明の請求項１のＡｌ基摺動合金は、Ｓｉを１〜１５質量％含み、そのＡｌ基摺動合金の観察視野においてＳｉが粒子状に存在し、このＳｉ粒子は、最大直径が０．０１〜７．５μｍであり、Ａｌ基摺動合金に存在するＳｉ粒子の合計面積のうち直径が５．５μｍ以下のＳｉ粒子の合計面積が９５％以上を占めることを特徴としている。

本明細書では、本発明のＡｌ基摺動合金を裏金層上にライニングして構成されるすべり軸受のＡｌ基摺動合金層に適用して説明する。尚、Ａｌ基摺動合金を裏金層上にライニングせずに、Ａｌ基摺動合金を摺動部材として使用しても良い。

まず、Ａｌ基摺動合金の基本形態の例を、図１に示す。図１に示すすべり軸受１は、基材２と、基材２上にライニングされたＡｌ基摺動合金層（Ａｌ基摺動合金）３とから構成されている。

Ａｌ基摺動合金層３は、マトリクス４がＡｌ又はＡｌ合金であり、Ｓｉ５を１〜１５質量％含んで、観察視野においてＳｉが粒子状に存在（Ｓｉ粒子５）している。Ａｌ基摺動合金層３に占めるＳｉ粒子５の存在する割合が増すと、Ａｌ基摺動合金層３も硬くなり、すべり軸受の耐疲労性は向上する。ここで、Ａｌ又はＡｌ合金中に含まれるＳｉが１質量％以上であるとき、Ｓｉ粒子５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又はＡｌ合金に含まれるＳｉが１５質量％以下であるとき、Ａｌ基摺動合金層３が脆くなってしまうことを抑制することができる。

本発明では、Ａｌ基摺動合金層３に含まれるＳｉ粒子５は、最大直径が０．０１〜７．５μｍとされている。Ｓｉ粒子５の最大直径は、Ａｌ基摺動合金層３中の各Ｓｉ粒子５を電子顕微鏡で例えば摺動表面側から観察し、各Ｓｉ粒子５の面積を測定し、各Ｓｉ粒子５の面積を円に換算して各Ｓｉ粒子５の直径を求め、そのうち直径が最も大きいＳｉ粒子５の直径のことを言う。本発明では、Ａｌ基摺動合金層３に存在するＳｉ粒子５の最大直径が、従来構成、例えば特許文献２に示すＳｉ粒子の平均粒径のうちの１０μｍよりも小さく設定されている。

又、本発明では、Ａｌ基摺動合金層３に存在するＳｉ粒子５の合計面積のうち直径が５．５μｍ以下のＳｉ粒子５の合計面積が９５％以上を占めている。言い換えると、本発明では、Ａｌ基摺動合金層３に存在するほぼすべてのＳｉ粒子５の直径が５．５μｍ以下である。このように、本発明では、Ａｌ基摺動合金層３に存在するＳｉ粒子５の合計面積のうち直径が５．５μｍ以下のＳｉ粒子５の合計面積が９５％以上を占めるようにＳｉ粒子の直径を調整することにより、Ａｌ基摺動合金層３に平均直径が従来構成のＳｉ粒子よりも小さいＳｉ粒子５が緻密に存在する。これにより、Ａｌ基摺動合金層３は硬くなり、耐疲労性が向上する。

本発明の請求項２のＡｌ基摺動合金は、領域分割法により測定したすべてのＳｉ粒子の領域面積の平均が、５〜１０μｍ²であることを特徴としている。
領域分割法とは、図２に示すように、マトリックス４中に存在するＳｉ粒子５のうち互いに隣り合うＳｉ粒子５の間に線（本発明においては、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）を引くことで、１個のＳｉ粒子５が占有する領域（線引きした線で囲まれた領域。領域分割セルと称す）を確定し、その領域面積を統計計算することにより、領域分割面積を定量的に判断するものである。

つまり、Ｓｉの含有量が同じであれば、Ｓｉ粒子５の大きさとＳｉ粒子５の粒子の数とは相関的関係を有し、Ｓｉ粒子５が大きければ粒子の数は少なく、領域分割面積（１個の粒子が占有する領域面積の平均）は大きくなる。逆にＳｉ粒子５が小さければ粒子の数が多いので、領域分割面積は小さくなる。従って、領域分割面積の大小によってＳｉ粒子５の大きさを定量的に把握することができる。

本発明によれば、領域分割法により測定したすべてのＳｉ粒子５の領域面積の平均が、５〜１０μｍ²であることが好ましい。領域分割法により測定したすべてのＳｉ粒子５の領域面積の平均が１０μｍ²以下であると、小さなＳｉ粒子５がＡｌ基摺動合金層３により緻密かつ均一度が高く存在した状態である。この場合、Ａｌ基摺動合金層３はより硬くなり、耐疲労性もより向上する。領域分割法により測定したすべてのＳｉ粒子５の領域面積の平均が５μｍ²以上であると、製造面で有利である。

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。即ち、鋳造工程では、Ａｌ又はＡｌ合金にＳｉを含ませた溶湯を板状に鋳造する。鋳造された板状のＡｌ基摺動合金３を、圧延工程で圧延し、圧接工程で鋼板（裏金層（基材２））に圧接して軸受形成用板材にする。Ａｌ基摺動合金３と鋼板との間に例えば純Ａｌ等の中間層を設けても良い。その後、軸受形成用板材を焼鈍し、軸受形成用板材を機械加工して半円筒状又は円筒状の軸受に形成する。軸受形成用板材に対し、用途に応じて圧延を施しても良い。ここで、本発明者は、鋳造工程中の冷却速度を制御することにより、特許文献１のようなＳｉを微細化させるためのＳｒを添加しなくても、Ａｌ基摺動合金３に最大直径が０．０１〜７．５μｍのＳｉ粒子５を存在させることが可能であることを解明した。

本発明の請求項３のＡｌ基摺動合金の鋳造装置は、１対のローラと、Ａｌ又はＡｌ合金にＳｉを含ませて溶解させた溶湯を１対のローラ間に供給する溶湯供給ノズルと、１対のローラを冷却する冷却手段とを具備し、１対のローラは、溶湯供給ノズルから供給された溶湯を、８０〜１３０℃／ｓｅｃの速度で冷却し、請求項１又は２記載のＡｌ基摺動合金を鋳造することを特徴としている。

例えば図３に示す本発明の鋳造装置１１を用いて、Ａｌ又はＡｌ合金にＳｉを含ませた溶湯を８０〜１３０℃／ｓｅｃの速度で冷却すると、溶解していたＳｉは、Ａｌのマトリックス４中に晶出する。この晶出物のＳｉ（Ｓｉ粒子５）の平均の直径は従来構成で晶出されたＳｉ（Ｓｉ粒子）の平均の直径よりも小さい。冷却手段によって冷却される一対のローラ間に、Ａｌ又はＡｌ合金にＳｉを１〜１５質量％含ませて溶解させた溶湯を供給することによって、その溶湯を８０〜１３０℃／ｓｅｃの冷却速度で冷却することにより、Ａｌ基摺動合金層３に含まれるＳｉ粒子５の最大直径を０．０１〜７．５μｍにすることができる。そして、Ａｌ基摺動合金層３に存在するＳｉ粒子５の合計面積のうち、直径が５．５μｍ以下のＳｉ粒子５の合計面積が、９５％以上を占めようにすることができる。更に、Ａｌ基摺動合金層３において、領域分割法により測定したすべてのＳｉ粒子５の領域面積の平均を、５〜１０μｍ²にすることができる。

本発明のＡｌ基摺動合金の断面図 領域分割法を説明するための概念図 鋳造装置の概略構成を示す側面図

本発明の効果を確認するために、表１に示す成分で形成したＡｌ基摺動合金３を有するすべり軸受１の試料（実施例品１〜１２、比較例品１〜３）を製作し、これらの試料に対して耐疲労試験を行った。

実施例品１〜１２の製造方法は次の通りである。まず、表１に示す割合でＡｌ及び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える溶解溶融炉１２を備えている。本発明では、溶解溶融炉１２に、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る場合がある。

この溶解溶融炉１２から注がれる溶湯を貯える浴槽１３を備えている。
浴槽１３の一部には、浴槽１３に溜めら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。

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。本発明では、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、８０〜１３０℃／ｓｅｃの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。

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、鋳造された板状の鋳造板（シート状のＡｌ基摺動合金３）１７が得られる。得られた鋳造板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。その後、この所定の長さに切られたシート状のＡｌ基摺動合金３は、裏金層（基材２）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（いわゆるバイメタル）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１〜１２とした。尚、実施例品１〜９は８０〜１００℃／ｓｅｃ、実施例品１０〜１２は１００〜１３０℃／ｓｅｃで冷却したが、それらのＡｌ基摺動合金でＳｉが３質量％以上固溶したものはなかった。

一方、比較例品１〜３の製造方法は、上記実施例品１〜１２の製造方法と相違し、鋳造工程中の冷却速度（８０〜１３０℃／ｓｅｃの冷却速度）を、従来の冷却速度、この場合、特開２００２−１２００４７号公報に記載されているように、３〜６℃／ｓｅｃの速度で冷却するようにしている。その他の行程は、実施例品と同様である。

このようにして得られた実施例品１〜１２及び比較例品１〜３に対して、表２に示す試験条件で耐疲労性の試験を行い、その結果を表１に示す。

表１中の「面積比９５％のＳｉ粒子の直径」は、Ｓｉ粒子の合計面積のうち直径が５．５μｍ以下のＳｉ粒子の合計面積が９５％以上を占めることを証明するための一例を表している。この「面積比９５％のＳｉ粒子の直径」は、観察視野において、全てのＳｉ粒子５のうち面積の小さい方から面積を足していき、全てのＳｉ粒子５の合計面積の９５％に位置するＳｉ粒子５の直径を求めて得られる。又、このＳｉ粒子５の直径は、上述したように、電子顕微鏡でＡｌ基摺動合金層３を摺動表面側から観察し、Ｓｉ粒子５の面積（投影面積）を測定し、得られた面積を円に換算して求められる。

「面積比９５％のＳｉ粒子の直径」は、具体的には、次のようにして求められる。Ａｌ基摺動合金の摺動表面に多数のＳｉ粒子が存在し、それらのＳｉ粒子の合計面積（投影面積での合計面積）が１０００μｍ²であった場合、Ｓｉ粒子の合計面積に対する面積比９５％は、９５０μｍ²である。そして、Ｓｉ粒子のうち面積（投影面積）の小さい方から面積を足していき、９５０μｍ²に該当するＳｉ粒子を検出する。そして、検出したＳｉ粒子の面積を円に換算して直径を求める。これにより、「面積比９５％のＳｉ粒子の直径」が得られる。

この「面積比９５％のＳｉ粒子の直径」が小さいほど、Ａｌ基摺動合金層３中に、直径が小さいＳｉ粒子５が緻密に存在していることを表している。
表１中の「Ｓｉ領域分割セル」とは、Ａｌ基摺動合金層３の摺動表面を領域分割法によって区切った領域のうちの１つの領域のことである。表１中の「平均面積」は、「Ｓｉ領域分割セル」の平均面積を示している。又、この「平均面積」が小さいほど、小さいＳｉ粒子がより緻密かつ均一度が高く存在していることを表している。

表１の「Ｓｉ粒子分布均一度」では、「平均面積」が１０μｍ²以下である場合を「高」として示し、１０μｍ²を超え３０μｍ²以下である場合を「中」として示し、３０μｍ²を超える場合を「低」として示している。

次に、上記試験の結果について解析する。
耐疲労性試験の結果を考察するに、実施例品１〜１２は、比較例品１〜３と異なりＳｉ粒子５の最大直径が小さくかつ面積比９５％のＳｉ粒子の直径が小さいので、耐疲労性に優れていることが理解できる。

実施例品１〜９と、実施例品１０〜１２との対比から、Ｓｉ領域分割セルの平均面積を小さくさせることにより、耐疲労性をより向上させることができることが理解できる。
尚、表１には記載していないが、本実施例品１〜１２のＡｌの代わりにＡｌ合金を用い、このＡｌ合金としてＡｌに、１〜１０質量％のＺｎ、０．１〜５質量％のＣｕ、０．０５〜５質量％のＭｇのいずれか１種以上を添加したものを用いた場合も、本実施例品１〜１２とほぼ同様の良好な耐疲労性の結果を得ることができた。

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。

図面中、３はＡｌ基摺動合金層（Ａｌ基摺動合金）、５はＳｉ粒子、１４は溶湯供給ノズル、１５はローラ、１６は冷却管（冷却手段）を示す。

Claims (1)

1. Ｓｉを１〜１５質量％含むＡｌ基摺動合金において、
   該合金の観察視野においてＳｉが粒子状に存在し、
   前記Ｓｉ粒子は、最大直径が１．９〜７．５μｍであり、
   前記視野における前記Ｓｉ粒子の合計面積のうち、直径が５．５μｍ以下の前記Ｓｉ粒子の合計面積が、９５％以上を占め、
   領域分割法により測定した前記Ｓｉ粒子の領域面積の平均は、５〜１０μｍ²であることを特徴とするＡｌ基摺動合金。
   

Images