(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-07-04
(45)【発行日】2023-07-12
(54)【発明の名称】すべり軸受用アルミニウム合金およびすべり軸受
(51)【国際特許分類】
C22C 21/00 20060101AFI20230705BHJP
F16C 17/02 20060101ALI20230705BHJP
F16C 33/12 20060101ALI20230705BHJP
F16C 33/14 20060101ALI20230705BHJP
C22C 38/00 20060101ALN20230705BHJP
C22C 38/04 20060101ALN20230705BHJP
C22F 1/00 20060101ALN20230705BHJP
C22F 1/04 20060101ALN20230705BHJP
【FI】
C22C21/00 B
C22C21/00 E
F16C17/02 Z
F16C33/12 A
F16C33/14 Z
C22C38/00 301Z
C22C38/04
C22F1/00 602
C22F1/00 623
C22F1/00 627
C22F1/00 683
C22F1/00 685Z
C22F1/00 691B
C22F1/04 A
C22F1/04 Z
(21)【出願番号】P 2019025552
(22)【出願日】2019-02-15
【審査請求日】2021-06-10
【審判番号】
【審判請求日】2022-09-27
(73)【特許権者】
【識別番号】000207791
【氏名又は名称】大豊工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000660
【氏名又は名称】Knowledge Partners弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】森岡 竜一
【合議体】
【審判長】池渕 立
【審判官】井上 猛
【審判官】山口 大志
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C22C 21/00-21/18
C22F 1/04-1/057
F16C 33/12-33/14
F16C 17/02
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
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。
【課題を解決するための手段】
【0005】
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。
【0006】
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。)。
【0007】
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。
【0008】
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。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【発明を実施するための形態】
【0010】
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:
【0011】
(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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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、Ag
2S(硫化銀)が形成されたことが理解できる。
【0022】
Ag
2S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Ag
2S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、Ag
2S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、Ag
2Sが形成されたと考えられる。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
(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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
(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】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
(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。
【符号の説明】
【0035】
1…すべり軸受、2…相手軸、10…裏金、11…中間層、12…ライニング