JPH11335760A - アルミニウム―ビスマス軸受合金及びその連続鋳造方法 - Google Patents
アルミニウム―ビスマス軸受合金及びその連続鋳造方法Info
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- JPH11335760A JPH11335760A JP11099212A JP9921299A JPH11335760A JP H11335760 A JPH11335760 A JP H11335760A JP 11099212 A JP11099212 A JP 11099212A JP 9921299 A JP9921299 A JP 9921299A JP H11335760 A JPH11335760 A JP H11335760A
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Abstract
のない軸受合金を提供する。 【解決手段】 本発明は、少なくとも5wt/wt%の
ビスマスを含有するビスマス均一分布アルミニウム合金
であって、前記ビスマスは、該合金当たり約3.5wt
/wt%が直径5μm以下の非常に小さい粒子の形態で
分布し、該合金当たり少なくとも2wt/wt%を構成
するビスマスが直径10〜40μmの球状粒子の形態で
分布し、かつ、これら非常に小さい粒子と球状粒子とが
アルミニウムマトリクス全体に均一に分布してなるアル
ミニウム合金。
Description
ルミニウム合金及びその連続鋳造方法に関する。
料:比較的硬い母体材料(アルミニウムまたは銅)と、
自己潤滑性を軸受けに与える軟質成分の組み合わせと、
母体金属の構造と特性を改変する少量の種々の添加物と
からなる。
軸受合金は軟質成分として6〜20wt/wt%の錫を
含んで成る。Al−Sn合金は従来からの一般的な鋳造
法によって製造されうる。しかしながら、錫の潤滑性
は、鉛やビスマスのような材料と比較して低い。
l−Sn合金中で錫が母体粒の周囲に連続的な網を形成
することであり、これはこれらの合金に比較的低い耐疲
労性をもたらす。
ムをベースとする合金軸受けは、Al−Sn軸受けより
も高品質である。Al−Pb軸受けでは軟質相低含有量
の耐焼付き特性の2、3倍の高耐焼付き特性が達成され
る。更に、鉛はアルミニウムマトリクス全体に独立した
球状粒子の形態で分散する。これらの特性は鉛を含有す
るエンジン軸受けの耐疲労性を高める。
点を有するにもかかわらず、この合金は2つの主な製造
上の問題点から広く使用されていない。 (1)液状のアルミニウム中での鉛の低混和性。 (2)二つの金属の密度間の大きな相違。 これらの問題点は、Al−Pb合金の冷却及び凝固中に
生じる、重い鉛小滴の重力による分離をまねく。それ
故、従来の鋳造法では鉛粒子を含む均一なアルミニウム
マトリクスを製造することができない。
rgical)の問題は他のアルミニウムを主成分とす
る、Al−Bi系にも関連する。Biもまた液状のアル
ミニウム中での混和性に限度がある。その上、液状のB
iの密度は液状のアルミニウムのそれに比べて4倍大き
い。それ故、従来のAl−Bi合金の鋳造法では、鋳造
物の底部に、より重いBi相の重力分離が起こる。
である。ビスマスは、鉛の自己潤滑性を含む殆どの特性
を有しているため、アルミニウム−ビスマス・エンジン
軸受合金を造る試みがいくつかなされている。
4.25〜7wt/wt%のビスマスを含有する、アル
ミニウムベースの合金が提案されている。この特許はア
ルミニウム−ビスマス合金が優れた耐焼付き性を有する
ことを実証している。合金に耐磨耗性を付与するために
2〜2.5wt/wt%のSiが添加され、表面特性を
向上させるため1.25〜2.3wt/wt%の鉛が添
加されている。約1wt/wt%の少量のCuの添加に
より、Al−Bi材料の強度を増大させている。ニッケ
ル、マンガン、クロム、錫、アンチモン、亜鉛等の多く
の他の添加物の添加が提案されている。
ニウム合金においては、アルミニウムとビスマスの液状
非混和性のために、その中に収容できるビスマスの実際
の使用量に制限があることが記載されている。記載され
ているBiの最大含有量が7wt/wt%と比較的低い
のは、おそらくこの為である。
ミニウム−錫合金よりもAl−Bi合金の方が優れてい
ることを実証している。しかし、結果のいくつかは矛盾
している。この矛盾はおそらくアルミニウムマトリクス
中でのBi粒子の非均一分布に因るものであるかもしれ
ない。上記特許に報告されている矛盾する結果の典型的
な例は3wt/wt%のBiと4.3wt/wt%のS
iのみを含有する合金の記載にみられる。上記特許での
この合金の引張り強度は16,419psiである。こ
のようなAl−Si合金の低引張り強度(20wt/w
t%のSnを含むAl合金のそれより低い)は非常に劣
悪なビスマスの分布(大きなBi粒子とビスマスの重力
による分離)によって起こるものと推定される。この例
は、エンジン滑り軸受用のAl−Bi合金の適切な冶金
上(metallurgical)の構造とそのような
構造を生じせしめる鋳造法の両者の重要性を示してい
る。
を含んで他の添加物を含有するAl−Bi合金を教示す
るが、これは圧延動作後の熱処理の間に析出し、Bi粒
子が引き延ばされて分離する原因になる。この方法は微
細なビスマスの含有を達成するが、Biの重力による分
離を防止することができない。更に、該方法は凝固する
間に形成されるBi粒子の大きさを制御できない。これ
は粗悪なBiの鋳造構造をもたらす可能性があり、その
結果、その後のアニール作業の間に微細な粒子に分かれ
るBiの細長いリボンが得られる。しかしながら、これ
らの微細含有物は長い鎖を形成し、軸受けの耐疲労性を
相当減少させる。
めに補助剤として提案されているが、例えば米国特許第
5,122,208号で述べられているように、Biの
量は2wt/wt%以下で比較的少ないか、または、例
えば米国特許第4,471,032号で述べられている
ように、Biの不均一な分布のために、合金の調整が困
難であると言明されている。
散したアルミニウム−ビスマス合金を製造する方法は開
示されていないのがわかる。
しているので、アルミニウム−鉛の製造方法は、また、
アルミニウム−ビスマスの製造に使用されるかもしれな
い。
和性の金属からなる均一合金の連続鋳造の一方法が提案
されている。この特許の方法は、交差する電場と磁場下
に合金を冷却し、凝固して、合金の構成成分にかかる重
力を緩和するものである。この方法は合金成分の中立平
衡を与える電場と磁場の強度値を決定する。この方法は
また分散した含有物の大きさが溶融物の冷却速度と、電
場と磁場の強度の偏向に依存することを考慮に入れてい
る。分散相の所定の平均粒径を得るために冷却は以下の
式に従って行われると記載されている。
係数,3≦n≦30秒/μm;vは溶融物の冷却速度,
度/秒;Tcmは構成成分が分子溶液の状態である溶融
物の温度,℃;Tkpは溶融物の結晶化温度,℃.
号で決められた実験的な係数nの範囲は広すぎ、それ
故、現実の系において、当業者が計算での関係を利用で
きない。更に、この特許は金属の微細構造要素のサイズ
が冷却速度だけでなく、核となる粒子の濃度に依存する
ことを考慮に入れていない。粒の精製のために、アルミ
ニウム合金の溶融物中に核を添加することは微細構造の
制御方法として広く用いられている。
したアルミニウムへ鉛を溶解し、200℃/秒より速い
冷却速度でツインロールキャスターで溶融物を水平に連
続的に鋳造する方法を開示している。合金がそのように
極めて高速の冷却速度で鋳造された時に得られる微細構
造は極めて微細となる。該方法で製造された鋳造物片は
5wt/wt%の鉛を含有し、鋳造物の底の方へ向かう
鉛の分離が非常に少ないことを実証した。最大の鉛粒子
のサイズは25μmである。しかしながら、そのような
極めて高速冷却速度で低鉛含有量であっても、鋳造物の
底半分内における球体は上半分内の球体よりも2〜2.
5倍大きい。
tallurgical)構造は直径25μm以下の鉛
粒子が均一に分布含有されたものである。この特許では
鉛の含有量は4〜10wt/wt%(重量)である。し
かし、もし、鉛が5wt/wt%であるときの鉛の最大
粒径が25μmである場合、鉛の含有量が5から10w
t/wt%に増加すると、最大粒径は増大して25μm
より大きくなり、鉛のグラディエントは増加する。
アルミニウム粉と鉛粉との混合物を焼結することにより
得られるかもしれない。しかし、焼結物中の高含有量の
酸化物は軸受けの耐疲労性を低下させる。
点を解消するために、本発明は、少なくとも5wt/w
t%のビスマスを含有するビスマス均一分布アルミニウ
ム合金であって、前記ビスマスは、該合金当たり約3.
5wt/wt%が直径5μm以下の非常に小さい粒子の
形態で分布し、該合金当たり少なくとも2wt/wt%
を構成するビスマスが直径10〜40μmの球状粒子の
形態で分布し、かつ、これらの非常に小さい粒子と球状
粒子とがアルミニウムマトリクス全体に均一に分布して
なることを特徴とするアルミニウム合金を提供する。
ミニウム合金は、ビスマス含有量が15wt/wt%以
下であり、珪素、錫、鉛及びこれらの混合物から選ばれ
る少なくとも一種のさらなる成分を合計含有量約0.5
〜15wt/wt%含んでいてもよく、更に、Cu、M
n、Mg、Ni、Cr、Zn、Sb、及びこれらの混合
物からなる群から選ばれるさらなる添加物を該添加物の
合計含有量が3wt/wt%以下で含んでいてもよい。
ルミニウム−ビスマス合金の連続鋳造方法を提供する。
該方法は、前記合金の成分を少なくとも、単相の溶融合
金溶液が得られる温度まで加熱溶融し、所定量の核を添
加し、凝固装置に前記溶融した合金を連続的に導入し、
前記溶融した合金に所定強度の電場と磁場を互いに交差
するように作用させて、アルミニウムマトリクス中のビ
スマス粒子の分離が起こらないようにし、その中のビス
マス粒子の重力による分離をゼロに減少させ、前記溶融
物を凝固温度まで冷却し、凝固装置から凝固した合金を
連続的に取り出すことを含み、ここで前記核の量は式: N=No+CBi・No・(0.1−V/1000) (式中、 N=アルミニウム粒とビスマス粒子の両者の精製に必要
な核のパーセント濃度 No=アルミニウム粒の精製に必要な核のパーセント濃
度 CBi=ビスマスのパーセント濃度 V=冷却速度, ℃/秒)により決定される。
たアルミニウムとビスマスを示している。各材料に作用
する2つの力は:重力(Fg)と電磁力(Fe)であ
る。電磁力は(重力のように)、試料の全ての単位体積
に作用するので、二つの力は擬似的に超重力状態を作
り、試料は重たくなり、下記式で得られる見掛け密度を
持つ。 d1 Al=dAl+Fe Al/g d1 Bi=dBi+Fe Bi/g (2) 式中、 d1 Al,dAl,d1 Bi,dBi−アルミニウムと
ビスマスの見掛けと真の密度 Fe Al,Fe Bi−アルミニウムとビスマスの単位体
積に作用する電磁力g−重力加速度 d1 Al=d1 Biであれば重量による分離はゼロにな
る。計算によると、電場と磁場が下記式(3)に基づい
て計算される場合、アルミニウムとビスマスの見かけ密
度は等しくなる。 j・B=7.5・104 (3) ここで、 j−直流電流密度,A/m2 B−磁場強度,T
で、アルミニウム−ビスマス合金を冷却し、凝固するこ
とで、Biのグラディエントがゼロの構造となるが、ア
ルミニウムマトリクス全体でのビスマス粒子の必要とさ
れる分布を達成するには不十分である。
耐疲労性、耐焼付き性、耐磨耗性、埋め込み性のような
ベアリングの特性の最適の組み合わせを提供しなければ
ならない。小さな分散相粒子が好ましい結果をもたらす
ことは広く知られている。これは軸受けの耐疲労性に関
しては正しい。更に、分散相の微細構造は、摩擦面への
軟質成分の均一かつ連続的供給を生じせしめ、それ故、
プロセスを安定化させる。
粒子はマトリクス内の隙間にしっかりと保持され、焼付
きを防止するほど十分な量が焼付きの前の短時間に絞り
出されることはない。粒子が大きいほど、より簡単にマ
トリクスの隙間から去って、摩擦面を滑らかにし、焼付
きの進行を防止する。これはまた焼付き前の状態での摩
擦による摩滅を減少させ、焼付きによって疲労が起こる
確率を減少させる。その上、大きな軟質相の粒子を有す
る構造の埋め込み性は高い。
は、2〜3.5wt/wt%の小さいサイズの分割粒子
(5μmより小さい)と、少なくとも2wt/wt%の
大きなサイズの分割粒子(直径10〜40μm)との2
種類の軟質成分を有する構造によって達成される。この
2モードの分布による潤滑相は軸受けの特性に相乗効果
をもたらす。
の系が前述の構造を生じせしめるのに適していることを
示している。Biを3.5wt/wt%含有する合金を
930K(657℃)まで冷却すると、その温度で偏晶
反応を起こし、固体状のアルミニウムの粒と液状のビス
マス粒子を形成する。粒子はアルミニウムの樹枝状結晶
と一緒に成長するので、それらのサイズは樹枝軸の隙間
によって制限され、冷却速度と核形成用添加物の量の影
響を受ける。Biを3.5wt/wt%より多く含む組
成物(図2の合金C)は温度(Tc)まで冷却した時、
新しい相のBiの第1の小滴を形成しはじめる。これは
合金が930K(657℃)に達したときに起こる。偏
晶分解はこの温度で起こり、結果として、前述の、第2
のBiの小滴が形成される。また、第1のBiの小滴の
数とそれらの平均サイズは冷却速度と核の含有量に依存
する。偏晶反応の間に形成されるBiの一部は特に低冷
却速度で高Bi濃度の時に第1のBiの小滴と共に出現
する、それ故、第2のBiの真の含有量は3.5wt/
wt%よりも若干少なくなる。
パラメータ、すなわち、冷却速度と核形成用添加物の含
有量とに依存する:同じ冶金(metallurgic
al)構造のAl−Bi合金が冷却温度の異なった連続
鋳造装置によって生産されるかもしれない。冷却速度の
遅さは下記式(4)に応じて核の量を増加することによ
って補うべきである。 N=No+CBi・No・(0.1−V/1000) (4) ここで、 N=Alの粒とBiの粒子の両者の精製に必要な核のw
t/wtパーセント濃度 No=アルミニウムの粒の精製に必要な核のwt/wt
パーセント濃度 CBi=ビスマスのwt/wtパーセント濃度 V=冷却速度, ℃/秒
ように、本発明は、以下の実施例の好適な態様について
述べるが、本発明はこれらの特定の実施態様に限定され
るものではない。むしろ、添付のクレームによって特定
された発明の範囲に含まれる全ての代替物、変形、同等
物を包含することを意図している。従って、以下の好適
な態様を含む実施例は本発明の実施を説明するのに役立
つであろうし、示した詳細は例示であり、本発明の好適
な態様の詳しい説明のみを目的とし、また、製造工程に
ついての最も容易に理解される記載であると思われるも
のを提供し、発明の原理と概念的局面を示す為に提示さ
れていることが理解されよう。
鋳造装置を基本的な鋳造設備として使用した。
る: 厚み−15mm 幅−110mm
装置は鋳造物中心線において30℃/秒の冷却速度を供
給することが可能であった。
流を流すための手段を装備していた。
造者推奨の核の量は0.2wt/wt%であった。式
(4)に従うと、アルミニウム粒とビスマス粒子の両者
の精製に必要な核の量は0.366wt/wt%であ
る。
(1)誘導電気炉内で合金成分の溶融と混合を行い、溶
融物を、ビスマスが8wt/wt%のアルミニウム−ビ
スマス組成物の混和温度よりも50〜60℃高い温度の
800℃まで加熱する(図2);(2)冶金(meta
llurgical)構造を精製するために0.336
wt/wt%の核を添加する;(3)溶融物をグラファ
イトウォーターで冷却された鋳型に注ぐ;(4)鋳型か
ら鋳物片を取り出す。調製工程の間、凝固する金属は電
磁石によって生じる磁場0.31T内に置かれ、溶融物
に直流電流を流した。電流値は400A(電流密度は
2.42×105A/m2)。磁場強度と直流電流密度
の値は前記式(3)に基づいた。
上部領域間でのBiの含有量と粒子径は同一であった。
Bi粒子の粒径分布は図3に示してある。2〜3mkm
と20〜25mkmの2つのピークを有するヒストグラ
ムは、合金が凝固する間に形成された2種類のビスマス
含有物を実証している。
は3.3wt/wt%である。直径10〜40mkmの
ビスマス粒子の含有量は4.4wt/wt%である。わ
ずかな量のビスマス(おおよそ0.1wt/wt%)は
5〜10mkmの含有物である。微細構造は図4に示さ
れている。
却速度で実施可能であることは自明である。
多数の他の構成成分が合金に添加される。例えば、錫、
鉛は耐焼付き性を向上させ、珪素はノジュラー鋳鉄クラ
ンクシャフトの表面粗さを減少させて、軸受けの疲労耐
性(耐久力)を改善し、銅、マンガン、マグネシウム、
ニッケル及びその他の成分はアルミニウムマトリクスを
増強する。
図面の詳細な説明によって制限されるものではなく、本
発明の精神及びその本質的特質から逸脱しない範囲で、
他の特定の形態で実施できることは当業者にとって明ら
かである。上記実施形態はそれ故に全ての点で例示であ
って限定するものではないと考えるべきであり、上記記
述よりはむしろ従属項によって発明の範囲は示されてお
り、請求項と同等の意味及び範囲内にある全ての変形を
本願発明に包含することを意図している。
力と重力との相互作用を模式的に示した図である。
径分布をグラフ化した図である。
示す写真である。
Claims (6)
- 【請求項1】 少なくとも5wt/wt%のビスマスを
含有するビスマス均一分布アルミニウム合金であって、
前記ビスマスは、該合金当たり約3.5wt/wt%が
直径5μm以下の非常に小さい粒子の形態で分布し、該
合金当たり少なくとも2wt/wt%を構成するビスマ
スが直径10〜40μmの球状粒子の形態で分布し、か
つ、これら非常に小さい粒子と球状粒子とがアルミニウ
ムマトリクス全体に均一に分布してなることを特徴とす
るアルミニウム合金。 - 【請求項2】 ビスマスの含有量が15wt/wt%以
下で、珪素、錫、鉛及びこれらの混合物から選ばれる少
なくとも一種のさらなる成分を合計含有量約0.5〜1
5wt/wt%で含んでいてもよく、更に、Cu、M
n、Mg、Ni、Cr、Zn、Sb、及びこれらの混合
物からなる群から選ばれるさらなる添加物を該添加物の
合計含有量が3wt/wt%以下で含んでいてもよい請
求項1に記載のアルミニウム合金。 - 【請求項3】 請求項1に記載のアルミニウム合金を含
む滑り軸受。 - 【請求項4】 請求項1に記載のアルミニウムビスマス
合金の連続鋳造方法であって、a)前記合金の成分を少
なくとも、単相の溶融合金溶液が得られる温度まで加熱
溶融する工程と;b)所定量の核を添加する工程と;
c)凝固装置に前記溶融した合金を連続的に導入する工
程と;d)前記溶融した合金に所定強度の電場と磁場を
互いに交差するように方向づけて作用させて、アルミニ
ウムマトリクス中でのビスマス粒子の分離が起こらない
ようにし、その中のビスマス粒子の重力による分離をゼ
ロに減少させる工程と;e)前記溶融物を凝固温度まで
冷却する工程と、f)凝固装置から凝固した合金を連続
的に取り出す工程とを有し、該核の量が式 N=No+CBi・No・(0.1−V/1000) (式中、Nはアルミニウム粒とビスマス粒子の両者の精
製に必要な核のパーセント濃度、Noはアルミニウム粒
の精製に必要な核のパーセント濃度、CBiはビスマス
のパーセント濃度、Vは冷却速度(℃/秒))により決
定されるアルミニウム合金の連続鋳造方法。 - 【請求項5】 電場と磁場のパラメータが式j・B=
7.5・104(式中、jは直流電流密度(A/
m2)、Bは磁場強度(T)である。)によって決定さ
れることを特徴とする請求項4に記載の方法。 - 【請求項6】 請求項4に記載の方法により作られた滑
り軸受。
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JPH11335760A true JPH11335760A (ja) | 1999-12-07 |
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JP11099212A Pending JPH11335760A (ja) | 1998-03-01 | 1999-03-01 | アルミニウム―ビスマス軸受合金及びその連続鋳造方法 |
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EP (1) | EP0940474A1 (ja) |
JP (1) | JPH11335760A (ja) |
AU (1) | AU742692B2 (ja) |
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