JP2011236470A

JP2011236470A - Ａｌ基軸受合金及びその製造方法

Info

Publication number: JP2011236470A
Application number: JP2010109223A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Nirasawa; 知之韮澤; Koichi Saruwatari; 功一猿渡
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2010-05-11
Filing date: 2010-05-11
Publication date: 2011-11-24
Also published as: DE102011075580A1; KR20110124708A; GB201107624D0; US20110277889A1; GB2485007A

Abstract

【課題】非焼付性に優れるＡｌ基軸受合金及びその製造方法を提供する。
【解決手段】１〜１５質量％のＳｉを含むＡｌ基軸受合金（Ａｌ基軸受合金層）３において、摺動側の表面３ａの観察視野３７８２０μｍ²で観察されるＳｉ粒子５の周囲長の合計を４０００〜６０００μｍにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ａｌ基にＳｉを含むＡｌ基軸受合金及びその製造方法に関する。

基材上にＡｌ基軸受合金を設けたすべり軸受は、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、自動車の内燃機関の軸受などに用いられている。
Ａｌ基軸受合金に、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。特許文献１のＡｌ基軸受合金は、１〜１５質量％のＳｉと、０．００５〜０．５質量％のＳｒを含んでいる。また、この特許文献１には、Ａｌ基軸受合金にＳｒを含ませてＳｉ粒子を微細化し、微細化したＳｉ粒子の作用によって、Ａｌ基軸受合金が高負荷に耐え、且つ、脆くなることを防ぐことができ、これにより、Ａｌ基軸受合金の耐疲労性が良好になることも開示されている。

特開平３−６３４５号公報

近年では、上記耐疲労性以外に、非焼付性に優れるＡｌ基軸受合金が要望されている。すなわち、近年の内燃機関の分野では、燃費向上のためにコンロッドなどを薄肉化して、内燃機関の軽量化が図られている。このコンロッドの薄肉化が行われると、コンロッドの剛性は低下し、コンロッド自身が変形しやすくなっている。そのため、コンロッドに設けられるすべり軸受自体も、変形されやすくなっている。その結果、摺動の相手部材が、すべり軸受のＡｌ基軸受合金の摺動側の表面に局部的に当たりやすくなる。この相手部材がＡｌ基軸受合金に直接接触しながら摺動し続けると、焼付が生じてしまうことがある。

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、非焼付性に優れるＡｌ基軸受合金及びその製造方法を提供することである。

本発明者は、１〜１５質量％のＳｉを含むＡｌ基軸受合金において、Ａｌ基軸受合金中の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、１〜１５質量％のＳｉ含むＡｌ基軸受合金においてＳｉ粒子の含有量が同じであっても、摺動側の表面の所定範囲の観察視野で観察されるＳｉ粒子の周囲長の合計が所定の範囲内であると、Ａｌ基軸受合金の非焼付性が良好であることを解明した。
本発明者は、上記の解明を基にして、下記の発明をした。

本発明の請求項１のＡｌ基軸受合金は、１〜１５質量％のＳｉを含むＡｌ基軸受合金において、摺動側の表面の観察視野３７８２０μｍ²で観察されるＳｉ粒子の周囲長の合計が４０００〜６０００μｍであることを特徴としている。

本明細書では、本発明のＡｌ基軸受合金を、すべり軸受の基材上に設けられるＡｌ基軸受合金層に適用して説明する。尚、Ａｌ基軸受合金を裏金層上に設けずに、Ａｌ基軸受合金を摺動部材（すべり軸受）として使用しても良い。
まず、Ａｌ基軸受合金の一実施形態の例を、図１に示す。図１に示すすべり軸受１は、基材２と、基材２上に設けられたＡｌ基軸受合金（Ａｌ基軸受合金層）３とから構成されている。また、図１に、Ａｌ基軸受合金３の摺動側（摺動の相手部材側）の表面を「表面３ａ」として示す。

基材２とは、Ａｌ基軸受合金３を設けるための構成物のことであり、例えば、鋼、鉄などから形成される裏金層である。
Ａｌ基軸受合金３は、図２に示すように、Ａｌ又はＡｌ合金からなるマトリクス４に１〜１５質量％のＳｉ（Ｓｉ粒子５）を含んで構成されている。Ａｌ基軸受合金３に占めるＳｉの存在する割合が増すと、Ａｌ基軸受合金３も硬くなり、すべり軸受１の耐疲労性は向上する。ここで、Ａｌ基軸受合金３中に含まれるＳｉが１質量％以上であるとき、Ｓｉ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基軸受合金３中に含まれるＳｉが１５質量％以下であるとき、Ａｌ基軸受合金３が脆くなってしまうことを抑制することができる。
なお、Ａｌ基軸受合金３には、不可避的な不純物が含まれている。

本実施形態では、Ａｌ基軸受合金３の表面３ａの観察視野３７８２０μｍ²で観察されるＳｉ（Ｓｉ粒子５）の周囲長の合計を４０００〜６０００μｍとしている。Ａｌ基軸受合金３の表面３ａは、光学顕微鏡によって観察される。観察視野は、光学顕微鏡の観察範囲を調整することにより変更可能であり、本実施形態では観察視野を３７８２０μｍ²としている。
光学顕微鏡で観察される各Ｓｉ粒子５の周囲長は、画像解析ソフト例えばImage-Pro Plus(Version4.5)（商品名）（株式会社プラネトロン製）を用いて測定される。

本実施形態では、Ａｌ基軸受合金３の表面３ａの観察視野３７８２０μｍ²で観察されるＳｉ粒子５の周囲長の合計を所定の長さ以上、本実施形態では４０００μｍ以上にして、マトリクス４とＳｉ粒子５との境界面積を増やしている。これにより、マトリクス４とＳｉ粒子５との境界において界面エネルギーは大きくなり、この界面エネルギーの増大によってＡｌ基軸受合金３の表面３ａの表面エネルギーも増大し、表面３ａにおいて潤滑油の濡れ性は高くなる。このように表面３ａの濡れ性が高くなると、油膜切れは起きにくくなる。したがって、本実施形態によれば、表面３ａの濡れ性を向上させることにより、Ａｌ基軸受合金３と相手部材との直接接触を抑制できる。これにより、ＡＬ基軸受合金３の非焼付性は、良好になる。

また、本実施形態では、Ａｌ基軸受合金３の表面３ａの観察視野３７８２０μｍ²で観察されるＳｉ粒子５の周囲長の合計を６０００μｍ以下にしている。Ｓｉ粒子５の周囲長の合計が６０００μｍ以下である場合、マトリクス４中にはマトリクス４が硬くなり過ぎるほどのＳｉ粒子５は存在していない。そのため、本実施形態のＡｌ基軸受合金３のなじみ性は、良好である。

本発明の請求項２のＡｌ基軸受合金は、摺動側の表面の観察視野３７８２０μｍ²を領域分割法によってＳｉ粒子ごとの領域に分け、その領域のアスペクト比の平均値が１〜２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、Ａｌ基軸受合金３の表面３ａの観察視野において隣り合うＳｉ粒子５の間に線（本実施形態においては、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）を引き、観察視野をＳｉ粒子５の数と同数の領域に分けることである。本実施形態では、この領域分割法により、Ａｌ基軸受合金３の表面３ａの観察視野３７８２０μｍ²を、観察されるＳｉ粒子５ごとの領域に分けている。

Ｓｉ（Ｓｉ粒子５）の含有量が同じであれば、Ｓｉ粒子５の大きさとＳｉ粒子５の数とは相関的関係を有する。つまり、Ｓｉ粒子５が大きければ、Ｓｉ粒子５の数は少なく、領域分割法で得られる各領域の面積は大きくなる。一方、Ｓｉ粒子５が小さければ、Ｓｉ粒子５の数は多くなり、各領域の面積は小さくなる。

本実施形態で言う「領域のアスペクト比」とは、領域の長軸の長さと短軸の長さとの比、すなわち長軸の長さを短軸の長さで割った値のことである。ここで言う長軸とは、領域分割法で得られる領域における最大長さのことである。また、短軸とは、この領域において長軸の中心を通り且つ長軸に垂直な方向の長さのことである。

本実施形態で言う「アスペクト比の平均値」は、観察視野を領域分割法によって得られた各領域についてそれぞれアスペクト比を求め、これらのアスペクト比の平均の値である。本実施形態の観察視野は、３７８２０μｍ²である。
本実施形態では、この領域のアスペクト比の平均値が１〜２である。領域のアスペクト比の平均値が１に近いほど、領域は円形状または正多角形をなし、Ｓｉ粒子５はマトリクス４中に均一に分散し、Ａｌ基軸受合金３の表面３ａ全体において表面エネルギーは同じ大きさとなる。したがって、Ａｌ基軸受合金３の表面３ａ全体において均一な濡れ性が得られ、局所的な油膜切れが起こらなくなる。その結果、Ａｌ基軸受合金３の非焼付性も極めて良好となる。

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。
本発明の請求項３のＡｌ基軸受合金の製造方法は、Ａｌ又はＡｌ合金にＳｉを含ませて溶解させた溶湯を８０〜１３０℃／ｓｅｃの速度で冷却してＡｌ基鋳造板を形成し、このＡｌ基鋳造板を圧下率５０〜９５％で圧延してＡｌ基軸受合金を製造することを特徴としている。

鋳造工程では、Ａｌ又はＡｌ合金にＳｉを含ませて溶解させた溶湯を、８０〜１３０℃／ｓｅｃの速度で冷却し、Ａｌ基鋳造板を鋳造している。溶湯をこの速度で冷却することにより、溶解していたＳｉは、マトリクス４中に晶出する。この晶出物のＳｉ（Ｓｉ粒子５）は、従来構成で晶出されたＳｉ（Ｓｉ粒子）よりも微細である。
圧延工程では、鋳造されたＡｌ基鋳造板を、ローラなどで圧延している。これにより、Ａｌ基軸受合金３が得られる。圧延は、圧延工程での圧下率（％）が５０〜９５％になるまで圧延される。圧延の回数は、任意であるが、好ましくは１回〜５回である。
本実施形態で言う圧下率は、圧延によって圧延前（圧延工程前）に比べてどれくらい圧延されたかを示す値である。具体的には、圧下率をＺ（％）、圧延前（圧延工程前）の板厚をＸ（ｍｍ）、圧延後（圧延工程後）の板厚をＹ（ｍｍ）とすると、圧延率は、「圧下率Ｚ＝｛（Ｘ−Ｙ）÷Ｘ｝×１００（％）」で表される。

本実施形態によれば、鋳造工程によって得られたＡｌ基鋳造板を、圧下率５０％以上で圧延することにより、表面３ａの観察視野３７８２０μｍ²において観察されるＳｉ粒子５の周囲長の合計が４０００μｍ以上であるＡｌ基軸受合金３を得ることができる。
また、本実施形態によれば、鋳造工程によって得られたＡｌ基鋳造板を、圧下率９５％以下で圧延することにより、表面３ａの観察視野３７８２０μｍ²において観察されるＳｉ粒子５の周囲長の合計が６０００μｍ以下であるＡｌ基軸受合金３を得ることができる。

圧接工程では、圧延工程で得られたＡｌ基軸受合金３が基材（裏金層）２に圧接される。これにより、軸受形成用板材が製造される。
その後、圧接工程で得られた軸受形成用板材を、熱処理（焼鈍）工程で焼鈍し、機械加工工程で機械加工することにより、半円筒状又は円筒状のすべり軸受１が製造される。

上記すべり軸受１は、基材２とＡｌ基軸受合金３との２層構造として説明したが、Ａｌ基軸受合金３と基材２との間に接着層、例えば純Ａｌ等の中間層を設けた３層構造としてもよい。また、Ａｌ基軸受合金３上にＢｉもしくはＳｎまたはＢｉ合金もしくはＳｎ合金などからなるオーバレイ層を設けてもよい。Ａｌ基軸受合金３上にオーバレイ層が設けられている場合、オーバレイ層が摩滅した後に、Ａｌ基軸受合金３の非焼付性の特性が発揮される。
また、Ａｌ基軸受合金３に溶体化処理を施し、Ａｌ基軸受合金３の強度を上げてもよい。

本発明の一実施形態を示すＡｌ基軸受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圧延工程を概略的に示す側面図

本実施形態の効果を確認するために、表１に示す成分で形成したＡｌ基軸受合金を有するすべり軸受の試料（実施例品１〜５、比較例品１〜３）を製作し、これらの試料に対して焼付試験を行った。

実施例品１〜５の製造方法は次の通りである。まず、表１に示す割合でＡｌおよび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留する溶解溶融炉１２を備えている。溶解溶融炉１２には、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ている。
鋳造装置１１は、溶解溶融炉１２から注がれる溶湯を貯留するための浴槽１３を備えている。

浴槽１３の一部には、浴槽１３に貯留さ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。実施例品１〜５の試料の製造では、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、冷却速度８０〜１３０℃／ｓｅｃの速度（表１に示す冷却速度）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Ａｌ基鋳造板１７が得られる。得られたＡｌ基鋳造板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。次に、Ａｌ基鋳造板１７は、圧延工程で、圧下率が表１に示す値になるまで図４に示す１対のローラ２０，２０で圧延される。

次に、所定の圧下率となったＡｌ基鋳造板１７は、基材（裏金層）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１〜５とした。

一方、比較例品１〜３の製造方法は、上記実施例品１〜５の製造方法と下記の点で相違する。
比較例品１は、圧延工程での圧下率を４０％にした以外、実施例品１〜５と同様の製造方法によって得た。
比較例品２は、鋳造工程での冷却速度を７０℃／ｓｅｃの速度にした以外、実施例品１〜５と同様の製造方法によって得た。
比較例品３は、鋳造工程での冷却速度を７０℃／ｓｅｃの速度にし且つ圧延工程での圧下率を４０％にした以外、実施例品１〜５と同様の製造方法によって得た。

このようにして得られた実施例品１〜５及び比較例品１〜３に対して、各試料の表面を観察し、また、表２に示す試験条件で焼付試験を行った。これらの結果を表１に示す。
表１に示す実施例品１〜５および比較例品１〜３の「Ｓｉ粒子の周囲長の合計」および「領域のアスペクト比の平均値」は、光学顕微鏡で組織を撮影し、観察視野３７８２０μｍ²での画像を画像解析ソフト例えばImage-Pro Plus(Version4.5)（商品名）（株式会社プラネトロン製）を用いて測定した。

次に、焼付試験の結果について解析する。
実施例品１〜５と比較例品１，３の対比から、実施例品１〜５は、Ｓｉ粒子の周囲長の合計が４０００μｍ以上であるので、非焼付性に優れていることが理解できる。
実施例品１〜５と比較例品２の対比から、実施例品１〜５は、Ｓｉ粒子の周囲長の合計が６０００μｍ以下であるので、非焼付性に優れていることが理解できる。
実施例品１〜４と実施例品５の対比から、実施例品１〜４は、領域分割法で得られた領域のアスペクト比の平均値が２以下であるので、非焼付性に極めて優れていることが理解できる。
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基軸受合金、３ａは表面、５はＳｉ粒子、１７はＡｌ基鋳造板を示す。

Claims

１〜１５質量％のＳｉを含むＡｌ基軸受合金において、
摺動側の表面の観察視野３７８２０μｍ²で観察されるＳｉ粒子の周囲長の合計が４０００〜６０００μｍであることを特徴とするＡｌ基軸受合金。
前記摺動側の表面の観察視野３７８２０μｍ²を領域分割法によって前記Ｓｉ粒子ごとの領域に分け、その領域のアスペクト比の平均値が１〜２であることを特徴とする請求項１記載のＡｌ基軸受合金。
Ａｌ又はＡｌ合金にＳｉを含ませて溶解させた溶湯を８０〜１３０℃／ｓｅｃの速度で冷却してＡｌ基鋳造板を形成し、前記Ａｌ基鋳造板を圧下率５０〜９５％で圧延してＡｌ基軸受合金を製造することを特徴とするＡｌ基軸受合金の製造方法。