JP7307548B2 - すべり軸受用アルミニウム合金およびすべり軸受 - Google Patents

Description

本発明は、すべり軸受用アルミニウム合金およびすべり軸受に関する。

ＭｇとＡｇとＣｕを固溶強化成分として含有し、ＣｒとＭｎとＺｒのうち少なくとも１種類を析出強化成分として含有し、残部が不可避不純物とＡｌとからなるすべり軸受用アルミニウム合金が知られている（特許文献１、参照。）。特許文献１においては、固溶強化によって合金を強化することができるため、硬質粒子の含有量を抑制できる。その結果、硬質粒子における摩擦熱を抑制し、耐焼付き性を向上させることができる。

特開２０１５－１７２２１５号

しかしながら、特許文献１においては、なじみ過程において相手軸への凝着が発生してしまうという問題があった。また、凝着の発生により、耐焼付き性が低下するという問題があった。
本発明は、前記課題にかんがみてなされたもので、凝着の発生を低減できる技術を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明のすべり軸受用アルミニウム合金およびすべり軸受は、０質量％以上かつ１０．０質量％以下のＳｎと、０質量％以上かつ５．０質量％以下のＳｉとを含有し、０質量％以上かつ２．０質量％以下のＣｕを固溶強化成分として含有し、０．０５質量％以上かつ０．３５質量％以下のＣｒと、０．０５質量％以上かつ１．５質量％以下のＭｎと、０．０５質量％以上かつ０．３質量％以下のＺｒとのうち少なくとも１種類を析出強化成分として含有し、固溶限よりも多量のＡｇを含有し、残部が不可避不純物とＡｌとからなる。

以上のように構成した本発明において、Ａｇの一部が固溶し、残りが析出する。析出したＡｇが潤滑油に含まれるＳと化合することにより、Ａｇ₂Ｓ（硫化銀）を摺動面に形成することができる。このＡｇ₂Ｓは摺動面において薄く伸びた状態となり、摩擦抵抗を低減するとともに、非凝着性を向上させることができる。特に、Ａｇ₂Ｓは、摩擦熱によって高温となった部分おいて形成されやすいため、効果的に焼付きを低減できる（特許第３２７４２６１号、参照。）。

なお、析出しなかったＡｇの一部は固溶強化成分として機能するため、軸受用アルミニウム合金の硬度を大きくすることができる。さらに、析出強化成分は、０．０５質量％以上かつ０．３５質量％以下のＣｒと、０．０５質量％以上かつ１．５質量％以下のＭｎと、０．０５質量％以上かつ０．３質量％以下のＺｒとのうち少なくとも１種類で構成され、これらを含んだ化合物または合金が硬質相としてマトリクス中に析出することにより、軸受用アルミニウム合金の硬度を大きくすることができる。

なお、１０．０質量％以下の範囲でＳｎを任意に含有させてもよく、Ｓｎによってなじみ性や非凝着性を向上させることができる。また、５．０質量％以下の範囲でＳｉを任意に含有させてもよく、Ｓｉを含む硬質粒子が生成されてもよい。さらに、２．０質量％以下の範囲でＣｕを任意に含有させてもよく、ＡｇとともにＣｕを固溶強化成分として含有してもよい。

すべり軸受の斜視図である。 図２Ａ～図２Ｆは焼付き試験後の摺動面の写真である。 図３ＡはＡｌ－Ａｇ状態図、図３Ｂ，図３Ｃは焼付き試験後の摺動面の写真である。

ここでは、下記の順序に従って本発明の実施の形態について説明する。
（１）すべり軸受の構成：
（２）すべり軸受の製造方法：
（３）実験結果：
（４）他の実施形態：

（１）すべり軸受の構成：
図１は、本発明の一実施形態にかかるすべり軸受１の斜視図である。すべり軸受１は、裏金１０と中間層１１とライニング１２とを含む。すべり軸受１は、円筒を直径方向に２等分した半割形状の金属部材であり、断面が半円弧状となっている。２個のすべり軸受１が円筒状になるように組み合わせられた状態で、自動車のエンジンのコンロッドに取り付けられる。２個のすべり軸受１を組み合わせることによって形成される円柱状の中空部分にて、相手軸２（ドットハッチング）としてのクランクシャフトを軸受けする。相手軸２の外径はすべり軸受１の内径よりもわずかに小さく形成されている。相手軸２の外周面と、すべり軸受１の内周面との間に形成される隙間に潤滑油（エンジンオイル）が供給される。相手軸２は、すべり軸受１の曲率中心と一致する回転軸を中心に回転する。その際に、すべり軸受１の内周面上を相手軸２の外周面が摺動する。

すべり軸受１は、曲率中心から遠い順に、裏金１０と中間層１１とライニング１２とが順に積層された構造を有する。従って、裏金１０がすべり軸受１の最外層を構成し、ライニング１２がすべり軸受１の最内層を構成する。裏金１０と中間層１１とライニング１２とは、それぞれ円周方向において一定の厚みを有している。裏金１０の厚みは２ｍｍであり、中間層１１の厚みは０．０５ｍｍであり、ライニング１２の厚みは０．３５ｍｍである。ライニング１２の曲率中心側の表面の半径（すべり軸受１の内径）は５０ｍｍである。

なお、コンロッドや相手軸２の形状に応じてすべり軸受１の形状を決定すればよく、すべり軸受１の幅は１０～３００ｍｍの間のいずれかの値であってもよいし、すべり軸受１の外径は２５～１０００ｍｍの間のいずれかの値であってもよいし、すべり軸受１全体の厚さは０．５～１８ｍｍの間のいずれかの値であってもよい。また、ライニング１２の厚さは０．０５～１０ｍｍの間のいずれかの値であってもよいし、中間層１１の厚さは０．０１～２ｍｍの間のいずれかの値であってもよい。以下、内側とはすべり軸受１の曲率中心側を意味し、外側とはすべり軸受１の曲率中心と反対側を意味することとする。ライニング１２の内側の表面は、相手軸２の摺動面を構成する。

裏金１０は、Ｃを０．１５質量％含有し、Ｍｎを０．０６質量％含有し、残部がＦｅと不可避不純物とからなる低炭素鋼で形成されている。なお、裏金１０は、ライニング１２を介して相手軸２からの荷重を支持できる材料で形成されればよく、必ずしも鋼で形成されなくてもよい。

中間層１１は、裏金１０の内側、かつ、ライニング１２の外側に積層された層である。中間層１１は、アルミニウム合金によって形成されている。具体的に、中間層１１は、Ｃｕを３質量％含有し、Ｚｒを０．１質量％含有し、残部がＡｌと不可避不純物とからなるアルミニウム合金で形成されている。

ライニング１２は、中間層１１の内側に積層された層であり、本発明のすべり軸受用アルミニウム合金によって形成される。すなわち、本発明のすべり軸受用アルミニウム合金を成形することにより、ライニング１２が形成される。

ライニング１２は、７．０質量％のＳｎと１．０質量％のＳｉと１．５質量％のＣｕと１．１質量％のＭｎと３．０質量％のＡｇとを含有し、残部がＡｌと不可避不純物とからなる。ライニング１２の不可避不純物はＺｎ，Ｖ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｂ等であり、精錬もしくはスクラップにおいて混入する不純物である。不可避不純物の含有量は、全体で０．５質量％以下である。なお、すべり軸受１の各層を構成する元素の質量は、ＩＣＰ発光分光分析装置（島津製作所製ＩＣＰＳ－８１００）によって計測した。

ライニング１２においてＳｎは軟質物として分散し、なじみ性を向上させることができる。ライニング１２においてＳｉは単独で硬質物を構成し、耐摩耗性を向上させることができる。ライニング１２においてＣｕはマトリクス中に固溶し、固溶強化成分として機能する。ライニング１２においてＭｎはＡｌ－Ｍｎ化合物として析出し、析出強化成分として機能する。ライニング１２においてＡｇの一部は単独で析出するとともに、残りの一部がマトリクス中に固溶し、固溶強化成分として機能する。

図２Ａ～図２Ｆは、焼付き試験後のライニング１２の表面（摺動面）における各合金元素の分布を示す。図２Ａ～図２Ｆは、ライニング１２上の同一観察領域を撮像した画像であり、色が明るいほど対応する合金元素の濃度が高いことを意味する。

なお、焼付き試験は、接触部材（焼き入れ鋼）を接触させた状態で、ライニング１２と接触部材とを相対移動させることによって行った。接触部材とライニング１２との間に作用する垂直荷重を最大４５ｋＮまで３ｋＮずつステップアップさせた。各ステップの保持時間を３分とし、全体の試験時間を１５分とした。また、接触部材とライニング１２との間の相対移動速度が２０ｍ／分となるようにライニング１２を回転移動させた。焼付き試験においては、ライニング１２と接触部材との接触部位に１４０℃のエンジンオイル（０Ｗ－２０）を供給した。

図２Ａ～図２Ｆに示すように、ライニング１２に含有されているＡｇ，Ａｌ以外の合金元素（Ｓｎ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｍｎ）が存在していない箇所にＡｇが分布している。従って、ライニング１２においてＡｇの一部は単独で析出したことが理解できる。さらに、図２Ｃ，図２Ｅにおいて矢印Ｔ１で示す箇所に、ＡｇとＳとが双方とも分布している。このことから、焼付き試験において、摺動面において析出しているＡｇが潤滑油に含まれるＳと化合することにより、Ａｇ₂Ｓ（硫化銀）が形成されたことが理解できる。

Ａｇ₂Ｓは、摩擦熱によって高温となった部分おいて形成されやすい。Ａｇが析出している部分であっても、摩擦熱の発生が抑制される箇所においてはＡｇ₂Ｓが形成されないと考えられる。図２Ｃにおいて矢印Ｔ２で示す箇所にＡｇが分布しているが、図２Ｅでは矢印Ｔ２で示す箇所にＳの分布が見られない。矢印Ｔ２で示す箇所は、軟質のＳｎに近いために摩擦熱の発生が抑制され、Ａｇ₂Ｓが形成されなかったと考えられる。一方、矢印Ｔ１で示す箇所においては、硬質粒子としてのＳｉに近いために摩擦熱の発生が促進され、Ａｇ₂Ｓが形成されたと考えられる。

以上説明した実施形態において、ライニング１２におけるＡｇの一部が固溶し、残りが析出する。析出したＡｇが潤滑油に含まれるＳと化合することにより、Ａｇ₂Ｓ（硫化銀）を摺動面に形成することができる。このＡｇ₂Ｓは摺動面において薄く伸びた状態となり、摩擦抵抗を低減するとともに、非凝着性を向上させることができる。特に、Ａｇ₂Ｓは、摩擦熱によって高温となった部分おいて形成されやすいため、効果的に焼付きを低減できる。

本実施形態においては、軟質のＳｎが存在せず、かつ、硬質のＳｉが存在する箇所、すなわち摩擦熱が生じやすく、焼付きが生じやすい箇所においてＡｇ₂Ｓを摺動面に形成することができる。なお、析出しなかったＡｇの一部は固溶強化成分として機能するため、ライニング１２の硬度を大きくすることができる。

（２）すべり軸受の製造方法：
本実施形態においてすべり軸受１は、ａ．溶融、ｂ．連続鋳造、ｃ．冷間圧延、ｄ．自然冷却、ｅ．切断、ｆ．機械加工の各工程を順に行うことにより製造される。
以下、各工程について説明する。

ａ．溶融
まず、Ｓｎが７．０質量％となり、Ｓｉが１．０質量％となり、Ｃｕが１．５質量％となり、Ｍｎが１．１質量％となり、Ａｇが３．０質量％となり、残部がＡｌとなるように、各元素で形成されたインゴットをそれぞれ計量して用意する。次に、各インゴットを、高周波誘導炉によって８５０℃まで加熱した。これにより、ライニング１２の溶融材料が形成されることとなる。その後、Ａｒガスの気泡を分散噴出させて、水素ガスや介在物の除去を行った。

ｂ．連続鋳造
次に、ライニング１２の溶融材料を鋳型に注入し、当該鋳型の開口からライニング１２の溶融材料を鋳造方向に引き抜くことにより、ライニング１２の連続鋳造板を形成する。連続鋳造によって形成されるライニング１２の連続鋳造板の厚みは３～２０ｍｍとした。

ｃ．冷間圧延
次に、ライニング１２の連続鋳造板を、ライニング１２の厚さとなるまで冷間圧延する。この冷間圧延において、３２５～３７５℃の範囲で焼鈍を繰り返して行うことにより、加工硬化を防止する。ライニング１２の連続鋳造板は、必ずしも冷間圧延によって圧延されなくてもよく、熱間圧延によって圧延されてもよい。また、ライニング１２の連続鋳造板とともに、中間層１１のアルミニウム合金板を冷間圧延することにより、ライニング１２の連続鋳造板と中間層１１のアルミニウム合金板とを圧着（接着）する。なお、中間層１１のアルミニウム合金板は、ライニング１２の連続鋳造板と同様に、連続鋳造と圧延を行うことによって製造した。さらに、裏金１０の低炭素鋼板（市販品）も合わせて冷間圧延することにより、中間層１１のアルミニウム合金板側に裏金１０の低炭素鋼板を圧着した。以上により、ライニング１２の連続鋳造板と中間層１１のアルミニウム合金板と裏金１０の低炭素鋼板とが圧着されたすべり軸受１の圧延板を形成した。
ｄ．自然冷却
次に、すべり軸受１の圧延板を室温に放置し、自然冷却する。

ｅ．切断
次に、すべり軸受１の圧延板を所定の大きさごとに切断する。所定の大きさとは、後述する機械加工を行うことにより、すべり軸受１が形成できる大きさであり、すべり軸受１が取り付けられるコンロッドの形状によって定まる大きさである。

ｆ．機械加工
最後に、切断後のすべり軸受１の圧延板に対してプレス加工を行うことにより、半割形状のすべり軸受１を形成する。さらに、切削加工によって形状や表面状態を仕上げることにより、すべり軸受１を完成させる。

（３）実験結果：
図３Ａは、Ａｌ－Ａｇ状態図を示す。同図の状態図から、Ａｌ－Ａｇ合金において、Ａｇの含有量が２．３質量％よりも小さいとＡｇが全量Ａｌに固溶し、Ａｇの含有量が２．３質量％以上であるとＡｇが全量Ａｌに固溶できず、一部が析出すると理解できる。すなわち、２．３質量％が単独で析出できるＡｇの含有量の下限値であると理解できる。

表１は、試料１～試料３についてＡｇが単独で析出したか否かを確認した結果を示す表である。試料１は第１実施形態と同じライニング１２であり、Ａｇは単独で析出することが確認できている。

試料２は、ＡｇとともにＡｌに固溶するＣｕの含有量が０質量％であり、なおかつ、Ａｇの含有量を単独で析出できる含有量の下限値である２．３質量％まで抑制した試料である。試料２においては、Ａｌに固溶する成分がＡｇのみであるため、Ａｇが最も固溶しやすい合金組成であると言える。このような試料２においても、図３Ｂに示すようにライニング１２の表面においてＡｇが単独で析出することが確認できた。従って、Ａｇの含有量が２．３質量％以上である本発明の合金組成においてＡｇが単独で析出すると考えられる。

試料３は、本発明の範囲の上限値まで、析出強化成分としてのＣｒとＭｎとＺｒを含有させた試料である。ＣｒとＭｎとＺｒを含む析出物の量が最大となるため、試料３はＡｇが最も析出しにくい合金組成であると言える。このような試料３においても、図３Ｃに示すようにライニング１２の表面においてＡｇが単独で析出することが確認できた。従って、ＣｒとＭｎとＺｒの含有量が試料３の含有量以下となる本発明の合金組成においてＡｇが単独で析出すると考えられる。

（４）他の実施形態：
前記実施形態においては、本発明のすべり軸受用アルミニウム合金によって形成したすべり軸受１をコンロッドに使用したが、すべり軸受１の用途はコンロッドに限定されない。例えば、本発明のすべり軸受用アルミニウム合金によってスラスト軸受を形成してもよい。また、すべり軸受１は、ライニング１２上にオーバーレイが形成されてもよく、当該オーバーレイは金属層であってもよいし樹脂層であってもよい。

１…すべり軸受、２…相手軸、１０…裏金、１１…中間層、１２…ライニング

Claims (2)

1. ０質量％より大きくかつ１０．０質量％以下のＳｎと、０質量％より大きくかつ５．０質量％以下のＳｉとを含有し、
   ０質量％以上かつ２．０質量％以下のＣｕを固溶強化成分として含有し、
   ０．０５質量％以上かつ０．３５質量％以下のＣｒと、０．０５質量％以上かつ１．５質量％以下のＭｎと、０．０５質量％以上かつ０．３質量％以下のＺｒとのうち少なくとも１種類を析出強化成分として含有し、
   ２．３質量％以上かつ６．０質量％以下のＡｇであって、一部が固溶し、残りが析出しているＡｇを含有し、
   残部が不可避不純物とＡｌとからなる、
   ことを特徴とするすべり軸受用アルミニウム合金。
2. ０質量％より大きくかつ１０．０質量％以下のＳｎと、０質量％より大きくかつ５．０質量％以下のＳｉとを含有し、
   ０質量％以上かつ２．０質量％以下のＣｕを固溶強化成分として含有し、
   ０．０５質量％以上かつ０．３５質量％以下のＣｒと、０．０５質量％以上かつ１．５質量％以下のＭｎと、０．０５質量％以上かつ０．３質量％以下のＺｒとのうち少なくとも１種類を析出強化成分として含有し、
   ２．３質量％以上かつ６．０質量％以下のＡｇであって、一部が固溶し、残りが析出しているＡｇを含有し、
   残部が不可避不純物とＡｌとからなるアルミニウム合金層を備える、
   ことを特徴とするすべり軸受。

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