JPWO2011132788A1

JPWO2011132788A1 - 軸受装置

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Publication number: JPWO2011132788A1
Application number: JP2012511730A
Authority: JP
Inventors: 阪本　真一郎; 真一郎阪本; 淳小山
Original assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Current assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Priority date: 2010-04-22
Filing date: 2011-04-22
Publication date: 2013-07-18
Anticipated expiration: 2031-04-22
Also published as: US9518603B2; EP2562282A4; JP5683574B2; WO2011132788A1; KR20120115601A; BR112012026018A2; CN102869800A; AU2011243505B2; EP2562282B1; AU2011243505A1; EP2562282A1; WO2011132788A9; KR101278412B1; US20130108197A1; CN102869800B

Abstract

本発明は、硬質の鋼軸を相手軸とするＡｌ−Ｓｎ−Ｓｉ系合金すべり軸受の耐摩耗性を高めた軸受装置を提供するものである。本発明の軸受装置は、少なくとも表面の硬度がＨｖ５００以上の鋼軸と、Ｓｉ：２〜１０質量％及びＳｎ：１０〜１８質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなるアルミニウム系合金を用いたすべり軸受との組み合わせからなる軸受装置であって、当該アルミニウム系合金の組織は、Ｓｎ相の体積％がＳｉ粒子（但し、その平均粒径は４〜１０μｍである。）の体積％に対して５０％以上のものであることを特徴とし、また、当該アルミニウム系合金の硬度は、Ｈｖ４５以上のものであることを特徴とする。

Description

本発明は、自動車用オートマチックトランスミッション（AT）や各種補機に組みまれて
いる回転軸とこれを支えるすべり軸受からなる軸受装置に関するものであり、さらに詳
しく述べるならば、回転鋼軸が調質、表面硬化処理などで硬化されており、きびしい摺
動条件で摺動される軸受装置に関するものである。

特許文献１：特開平２−１０２９１２号では、S45C調質軸（硬度HRc55）とアルミニウム系合金すべり軸受を組合わせた軸受装置が開示されている。

特許文献２：特開平２−５７６５３号公報は調質鋼軸（S45C、HRc＝55）とアルミニウム合金すべり軸受を組合わせた軸受装置に関し、そのアルミニウム合金は、重量％で7〜20％Sn、0.1〜5％Pb、1〜10％SiならびにCu,Mg,Znのうち１種若しくは２種以上を、合計で0.3〜3.0%を含むと共に、Cr,Mn,Fe,Ni,Co,Ti,V,Zrのうち１種若しくは２種以上を合計で0.01〜1.0％含有し、残余が実質的にAlから成るAl-Sn系軸受合金において、0.01〜0.1％のSbを添加してAlマトリックス中にSi粒子を球状、だ円状若しくは先端が丸味をおびる形状としての分散、析出させたものである。特許文献１が提案する丸味を帯びたSi粒子は理想的な点接触状態を実現し、さらにＳｂの添加により基地の強化を図っている。このアルミニウム合金の硬さはHv40台である。

特許文献３：特開平６−２３５０３８号公報も、調質鋼軸（S45C、HRc＝55）とアルミニウム合金すべり軸受を組合わせた軸受装置に関し、そのアルミニウム合金は、重量％で7〜20％Sn、0.1〜5％Pb、1〜10％Si,Cr,Mn,Fe,Ni,Co,Ti,V,Zrのうち１種若しくは２種以上0.01〜1.0%を含むとともに、ZnならびにMgを合量で0.3〜3.0％含有し、更に0.01〜0.1％Sbを含んで、残余が実質的にAlから成って、Alマトリックス中にSi粒子を球状、だ円状若しくは先端が丸味をおびた形状として分散、析出させ、このSi粒子に隣接してSn-Pb合金粒子を析出させて成るものである。この合金の硬さはHv40弱である。

特許文献4：特許第3472284号は、「1.5〜8質量％のSiを含み、残部が実質的にAlからなり、摺動表面に存在するSi粒子の総面積に対し、粒子径4μm未満のSi粒子の面積が20〜60％を占め、粒子径4〜20μmのSi粒子の面積が40％以上を占めることを特徴とするアルミニウム系軸受合金。」に関し、粒子径が4〜20μmのSi粒子（面積比40％以上）が耐摩耗性に寄与し、粒子径が4μm未満のSi粒子（面積比20〜60％）が耐疲労性に寄与する。
耐摩耗性試験は起動―停止を繰り返す条件で行なわれており、粒子径が4〜20μmのSi粒子は相手軸の荷重を受け、Alマトリックスに沈み込みや、脱落が起こらないと説明されている。実施例での相手材であるS55C（調質状態は記載なし）に対してすぐれた耐摩耗性を示している。

非特許文献１：「社団法人自動車技術会学術講演会前刷集Ｎｏ．４６−９９、２１１耐耗性向上アルミ合金軸受の開発」は焼入鋼製相手軸（Hv720〜850）に対するAl-Sn-Si合金の耐摩耗性につき研究し、次のように考察している。
「摩耗の進行とともに、比較的軟らかいアルミニウム合金マトリクスのみが摩耗して摺動面にSiの濃化がおきる。摺動表面のSi量が増えると、Siで受ける荷重分担も多くなり軸受の摩耗は抑制されるが、粒径の小さい場合や硬さが低い場合は、摺動によるSiの脱落と摩耗の進行によるSiの濃化を繰り返すため、表面のSi濃度は変化しないで摩耗が進行する。一方、粒径が大きく硬さが高い場合には、合金中にSiが強固に保持され脱落が起きないために摩耗が進行しにくい。

この考察に基づいて、Al-4.5Sn-2.7Si-1.5Cu-0.2Cr-0.15Zrの組成をもつ軸受合金が開発された。この合金の特長は次のとおりである。
（１）アルミニウム軸受合金中に硬質物として含まれるSiの大きさを平均粒径5.5μｍ、合金硬さを53HVに設定した開発材は、従来材に対し3〜4倍の耐摩耗性を示した。
（２）耐摩耗性向上のメカニズムは、摺動面の濃化したSiが合金に強固に保持されることで荷重を支えることができることによると考えられる。
（３）平均粒径5.5μｍでも、組織と合金強度を見直すことにより、往復動荷重下では従来材と同等、回転荷重下では従来材より優れた耐疲労性が得られ、耐焼付性につい
ても従来材より優れた結果が得られた。
なお、上記開発合金の特性はAl-12.5Sn-2.7Si-1.8Pb-1Cu-0.2Crを比較合金として評価してなされている。

本出願人が出願人の一名になっている特許文献5：特開2004-28278号公報が提案する軸受装置では、軸はパーライトと初析フェライト（面積分率が3％以下）又はパーライトからなる組織を有し、高周波焼入れ又は表面硬化処理を施さない非調質型鋼材製クランク軸である。クランク軸の表面粗さがRz0.5μｍ以下である。すべり軸受は、Siからなるも
しくはSiを含み、Hv900以上の硬さを有する硬質物がAlマトリックスに分散され、摺動面に存在する前記硬質物の大きさが6μｍ以下である。非調質鋼の組織は硬度がHv700程度のセメンタイトと、硬度が Hv150〜 300のフェライトから構成される。

本出願人が発明者の一名になっている特許文献6：特開2004-28276号公報が提案する軸受装置の軸は特許文献2と同じものであり、Al系合金は、SiからなるもしくはSiを含み、Hv900以上の硬さを有する硬質物がAlマトリックスに分散されるとともに、Si含有量が1〜4質量％である。

また、特許文献４及び５における実施態様のAl系合金は、質量％で、2〜20％のSnに加えて、1〜3％のPb， 0.5〜2％のCu， 0.1〜1％のCr， 0.5〜2％のMg，及び0.1〜1％のZr， Mn， V， Ti及び／又はBからなる群から選ばれる1種又は2種以上を含有するものである。上記Al合金に含まれるSiは硬質であるために、そのSi粒子の大きさが非調質鋼製軸の表面を平滑化し、耐摩耗性や焼付性を良好にしている。

上記Si粒子に関する従来技術を整理すると次のような技術水準が明らかになる。
相手材が非調質鋼である特許文献5、6においては相手軸が軟らかいため、アルミニウム合金のSi粒子は相手軸のラッピング作用をもつと説明されている。特許文献1、 2及び3においては、アルミニウム合金中のSi粒子は相手軸の焼入れ鋼軸と点接触状態を保つと説明されている。近年、ATFの低粘度化や各種ポンプの小型化により、摺動条件が厳しくなり、耐摩耗性、耐焼付性等摺動特性に対する要求が高くなっている。特許文献4において採用されている始動―停止パターンの厳しい摩耗試験条件はかかる傾向に則しているが、鋼軸の調質状態には言及がなく、Si粒子は摺動中にAlマトリックスに保持されていると述べている。特許文献4とほぼ同じ年代に発表された非特許文献1は、相手軸は焼入S55Cであり、摺動面において、Al, Snなどが優先的に相手軸に削り取られ、この結果Siの濃化が起こることを発表した最初の文献であると考えられる。

特許文献１：特開平２−１０２９１２号公報
特許文献２：特開平２−５７６５３号公報
特許文献３：特開平６−２３５０３８号公報
特許文献４：特許第３４７２２８４号明細書
特許文献５：特開２００４−２８２７８号公報
特許文献６：特開２００４−２８２７６号公報
特許文献７：米国特許第４４７１０２９号

非特許文献１：社団法人自動車技術会学術講演会前刷集Ｎｏ．４６−９９、２１１耐摩耗性向上アルミ合金軸受の開発

非特許文献1ではアルミニウム合金のマトリックスからのSi粒子の脱落を防止することによりきびしい摺動条件下での耐摩耗性の向上を図っているが、Sn含有量が4.5%と低い
ことは、耐摩耗性向上には十分ではないことが分かった。また、調質鋼を相手材とする特許文献２及び３のアルミニウム合金はPbを含有し、硬度が低い。よって、本発明の目的は、厳しい摺動条件においてすぐれた耐摩耗性を発揮するAl-Sn-Si系軸受合金すべり
軸受と硬質鋼軸との組合わせからなる軸受装置を提供することである。

本発明に係る軸受装置は、少なくとも表面の硬度がHv500以上の鋼軸と、Siを2〜10質量％及びSnを８〜18質量％含有し、かつSn相の体積％が、Si粒子−但しその平均粒径は4〜10μｍである−の体積％の50％以上であり、残部がAl及び不可避的不純物からなるとともに、硬度がHv45以上のアルミニウム系合金を用いたすべり軸受との組合わせからなることを特徴とする。ここで、Sn相の体積％とSi粒子の体積％が等しいときに、Sn相体積がSi粒子体積に対して100%（即ち、Sn相の体積/Si粒子の体積＝１×100%）となる。この値は、Sn相の体積％がSi粒子の体積％を超える場合は、100%を超える。
以下、本発明の構成を詳しく説明する。

本発明のAl-Sn-Si系合金では、Sn及び、Si含有量、Si平均粒径、Sn/Si粒子体積％、及び硬度を総合的に調整することにより過酷な摺動条件において、硬質鋼軸に対する耐摩耗性を高めることができた。

摩耗試験機の図である。スタート・ストップ試験のサイクルを示すグラフである。 Al-Sn-Si系合金のSn含有量と摩耗試験の結果を示すグラフである。 Al-Sn-Si系合金の顕微鏡組織を示す図である。図１，２に示す試験のサイクル数の経緯とSi粒径、表面のSi量の関係を示すグラフである。図１，２に示す試験のサイクル数の経緯とSi粒径、摩耗深さの関係を示すグラフである。 Si含有量に対する Sn含有量の比率と摩耗試験の関係を示すグラフである。 Sn含有量が低いAl-Sn-Si系合金の表面においてSiが濃縮することを説明する模式図である。 Sn含有量が高いAl-Sn-Si系合金の表面においてSiが濃縮し、かつSnが被覆することを説明する模式図である。実施例における摩耗試験結果を示すグラフである。

1−すべり軸受のアルミニウム合金相
２−Si粒子
3−Sn相
4−相手軸
5−すべり軸受のアルミニウム合金相1と相手軸4の接触箇所

（１）相手軸
本発明で使用される相手軸は、焼入炭素鋼もしくは合金鋼、窒化鋼、浸炭鋼などであり、少なくとも表面の硬度がHv500以上のものである。

（２）アルミニウム合金すべり軸受
（イ）組成
本発明のアルミニウム合金のAl-Sn-Si三成分系はそれ自身公知であるが、Pb, Sbのような高温強度を低下させる成分は含有していない。また本発明に係
るAl-Sn-Si系合金は、質量％で、2〜10％Si、8〜18％Snの組成範囲内であり、好ましくは3 〜10％である。

（ロ）組織
本発明においては、Siの平均粒子径が4-10μｍの範囲であり、かつSn の体積％がSiの体積％の50％以上であると、Si粒子の脱落防止に有効であり、軸受の耐摩耗性がすぐれることを見出した。

軸受の耐摩耗性評価は、発明品であるアルミニウム合金圧延板を低炭素鋼板とクラッドした後、外径25mm、内径22mm、軸受幅10mmの円筒状に成形したブシュを用い、図１は静荷重摩擦試験機を示し、図２に示す試験パターンである下記条件で行った。
荷重：490N
試験パタ−ン：スタート・ストップ（0−1000rpm）
摺動速度：0-1.2m/s
潤滑油：ATF
潤滑油温度： 120℃
軸材質：SCM415（硬度Hv800）

Al-Sn-5Si合金についての試験結果を図３に示す。この図より、８〜18％Snの範囲で摩耗深さが非常に小さくなることが分かる。上記成分以外に、アルミニウム合金の固溶成分であるCu,Mg,Znのうち少なくとも１種を総量で3質量％以下含有することができ、また析出成分であるCr,Zr,Mn,V,Scのうち少なくとも1種を総量で0.5質量％以下含有することができる。さらに、不可避的不純物としてFe,Ti,Bなどを総量で0.5質量％以下含有する。

本発明のAl-Sn-Si系合金を製造する最初の中間素材である連続鋳造板では、Alの樹枝状結晶の腕の間にSn相と共晶Al-Siが存在している。かかる連続鋳造板を冷間圧延すると、Sn相とSi粒子がそれぞれ分断される。この冷間圧延板を裏金である炭素鋼板に圧接し、特許文献７：米国特許第４４７１０２９号の表１に記載された裏金との圧接後の焼鈍を行うことによりSi粒子の大きさを調整するとともに、Si 粒子に対するSn相の体積％を調整する。焼鈍温度は350〜550℃、焼鈍時間は3〜10時間の範囲内で焼鈍条件を調整する。焼鈍後の組織は図４に示されており、圧延方向（図面の上下方向）に伸びたSn相（白色）と、圧延により分散・分断されたSi粒子(黒色)がAlマトリックス中に検出される。
Ｓｉ粒径は、光学顕微鏡にて撮影した、例えば図４のような断面写真中の各Ｓｉ粒子の円相当径を画像解析装置を用いて算出し、円相当径の平均値をＳｉ粒径とした。合金中のＳｎ及びＳｉの体積％については、まず合金中の各成分の重量を重量％から算出した。算出した合金中の重量と純物質の密度から各成分の体積を算出し、各成分の体積及び体積％を算出した。ところで、Ｓｎはアルミニウムマトリクスにほとんど固溶しない。一方固溶Ｓｉに相当する重量も上記計算法によるＳｉ体積％に包含されるので、計算値のＳｉ粒子体積％は、実際のＳｉ粒子の体積より大きくなる。しかし、図７に示されるように、上記計算法により求められる「Ｓｎ体積％/Ｓｉ体積％」（×１００）は耐摩耗性の傾向を良く表している。合金中のＳｎ及びＳｉの体積％は、合金中のＳｎ及びＳｉの重量％とＳｎ及びＳｉの密度から算出した。ところで、Ｓｎ及びＳｉは、それぞれＳｎ相及びＳｉ粒子としてのみ存在しているのではなく、例えば、Ｓｉはアルミニウムマトリクスに固溶するなどして存在する。ただしその量はごくわずかである。本発明において、上記Ｓｎ相として確認できないＳｎ及びＳｉ粒子として確認できないＳｉをＳｎ相及びＳｉ粒子として存在しているとして、「Ｓｎ体積％/Ｓｉ体積％」（×１００）で求めている。

図４において矢印Pで示されるSi粒子は円相当径で4.5μｍになるSi粒子を示す。最大のSi粒径は15μm未満であり、最小のSi粒径は顕微鏡の解像度によるが、0.1μｍ程度である。Siの平均粒径が2.5μmであると、Siが摺動面に濃縮するが、摩耗は進行する。一方Siの平均粒径が4.0μm以上であると、摩耗の進行が抑制される。本発明者らは、図５，６のようにSi粒子が摺動面に濃縮するには、Si量、 Si粒子の平均粒径及び Sn含有量が影響あることを見出した。 Si量が少ないと摺動面にＳiが濃縮するまでに摩耗が進行し、Siの平均粒径が小さいとSi粒子が運転中に脱落し、さらに、Siの平均粒径が大きくともSn含有量が少ないとSi粒子が脱落し易い。Sn の含有量がSi含有量、特に合金中に占める体積％が図７に示すように、Siの体積％に対して50%以上であると、すぐれた耐摩耗性を示す。一方、Sn含有量が18質量％を超えると機械的性質が低下する。

（ハ）硬度
Al-Sn-Si系軸受合金の強度は、強化成分による影響のほかに鋼板とのクラッド及びその焼鈍後に行う冷間圧延又は軸受成形時の塑性加工などで調整することが可能である。強化成分以外では、Sn含有量が多くなるほど、硬度が低下する。Al-Sn-Si系合金の前掲（イ）で述べた組成範囲及び前掲（ロ）で述べた組織においてはHv45以上、好ましくはHv50以上であれば優れた性能を示す。

（ニ）耐摩耗性
本発明者らは非特許文献1において、回転数一定の摩耗試験条件ではなく、スタート・
ストップを繰返す摩耗が起こり易い試験条件を行い、さらにアルミニウム合金の表面で
Snが削り取られ、Si粒子の濃縮が起こり、次に脱落が起こって摩耗が進行することを発
表した。

図８及び９は、Si粒子が摺動面濃縮し、次に脱落することを説明する概念図であ
り、これらの図に基づいて説明する。図中、1はすべり軸受のアルミニウム合金
相、２はSi粒子、3はSn相、4は粗さをもつ相手軸、5はすべり軸受と相手軸4
の接触箇所、矢印は摺動方向である。図８に示すアルミニウム合金相1はSn含有
量が少ないために、Snが摺動面全体を覆うことがなく、相手軸４とアルミニウム
相１やSi粒子２と接触し易い。その後Si粒子が濃化した後では相手軸４とSi粒子
２が直接接触するために摩擦が高く、Si粒子の脱落が生じ易い。図９に示すアルミ
ニウム合金はSn含有量が高く、Si粒子2の濃化とともに、Sn相3が摺動面に広
がり、濃化したSi粒子2を被覆するので、相手軸４と接触しても摩擦が低い。こ
のように、Si粒子２は被覆されるので(c)、相手軸４と接触しても摩擦が低い。その
結果、Si粒子２の脱落が防止され、濃化を促進し、アルミニウム合金の摩耗を抑制
する。

（ホ）クラッド材
前記アルミニウム系合金すべり軸受が炭素鋼、好ましくはSPCC, SPHCなどの
低炭素鋼と冷間圧延で圧接されているクラッド材として使用することができる。

実施例１−Si粒子の濃縮及び Snによる被覆の測定
2-10質量%Si及び8-18質量%Snを含有するAl-Sn-Si合金を連続鋳造し、鋳造した合金を厚さ1.7mmに冷間圧延した後、裏金（SPCC）と圧接し、焼鈍を行なった。代表的な試料の合金成分、Si粒子の平均粒径（表では「Si粒子径」略記）、合金硬さを表1に示す。

表2に示す三種類のAl-Sn-Si合金につき上記したスタート-ストップ摩耗試験を行った。摩耗試験前後の摺動表面を分析した。Al， Sn, Siの分析値（5点平均）を表2に示す。

表2に示すように、何れの合金1〜3においても試験後の摺動面におけるSi濃度は試験前よりも高くなっている。合金2、3のようにSn相体積%がSi粒子体積%の50%以上になると表面のSiがより濃縮していることが確認された。また、Sn量と耐摩耗性の向上の関係を検証するため、試験後の軸受表面を電子顕微鏡で観察した。合金1であるSn量が6質量%の表面では、Si粒子の脱落痕が多く観察されたのに対し、合金2、3であるSn量が12.5質量%の表面には、Si粒子の脱落痕はほとんどなかった。また、摺動面の元素分布を確認するために、EPMAによる各元素のマッピングを行ったところ、Si粒子の周囲にSnが多く分布していることが確認された。

実施例２−アルミニウム合金組成例
表３に示す組成のAl-Sn-Si系合金につき主成分及び添加成分の組成ならびに組織を変えて、摺動特性を調べた。なお、摩耗量の測定は段落００２１で説明した方法による。

表３のNo.1 〜10は本発明実施例であり、 Sn相体積％が Si粒子体積％に対して 50 %（即ち、Sn相体積がSi粒子の体積の1/2）を超えており、いずれも試験後摺動面からの Si粒子脱落はなく、試験後の摩耗量は20μｍ以下であった。 No. 11〜 13は比較例であり、Sn 相のSi粒子に対する体積％が50％未満である。これらの試料の摩耗試験後の摺動面にはSi粒子の脱落痕が観察され、摩耗量が多くなった。また、 Sn相の体積％が50％以上であるNo.14〜15では、摩耗試験後 Si粒子の脱落はなかったが、 Si平均粒径が小さく、また合金硬さが低いために、摩耗量が大きいという結果になった。

本発明に係る軸受装置は厳しい摺動条件において好ましく使用され、すべり軸受の耐摩耗性が良好である。

Claims

少なくとも表面の硬度がHv500以上の鋼軸と、Siを2〜10質量％及びSnを8〜18質量％含有し、かつSn相の体積%がSi粒子−但しその平均粒径は4〜10μｍである−の体積%に対して50％以上であり、残部がAl及び不可避的不純物からなるとともに、硬度がHv45以上のアルミニウム系合金を用いたすべり軸受との組合わせからなることを特徴とする軸受装置。
前記アルミニウム系合金がCu,Mg,Znのうち少なくとも１種を総量で3質量％以下、Cr,Zr,Mn,V,Scのうち少なくとも1種を総量で0.5質量％以下、さらに、不可避的不純物としてFe,Ti,Bを総量で0.5質量％以下、を含有する請求項１記載の軸受装置。
前記すべり軸受が、前記アルミニウム系合金と炭素鋼と冷間圧延で圧接されているクラッド材である請求項1又は２記載の軸受装置。
前記炭素鋼が低炭素鋼である請求項３記載の軸受装置。
前記組成をもつアルミニウム系合金を連続鋳造して得られた鋳造板を冷間圧延した後、熱処理によってSi粒子の平均粒径を調節し、さらに引続いて前記圧接を行った請求項３又は４記載の軸受装置。