JP5231312B2 - すべり軸受 - Google Patents

Description

本発明は、裏金層、Ａｌ基中間層、Ａｌ基軸受合金層を備えたすべり軸受に関する。

Ａｌ基軸受合金を内張りしたすべり軸受（以下、Ａｌ軸受と称する）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及び耐摩耗性を有し、自動車や一般産業機械の高出力エンジンの軸受に用いられている。このようなＡｌ軸受は、一般に、Ａｌ基軸受合金層と裏金層とを、Ａｌ基中間層を介して接着してバイメタルを構成し、このバイメタルを機械加工して製造される。

ところが近年、更なるエンジンの高性能化によって、より高面圧での使用に耐え得るようなすべり軸受が要望されてきている。この要望に応えるため、Ａｌ基軸受合金層の改良だけでなく、Ａｌ基中間層の改良も考えられてきている。

Ａｌ基中間層の耐荷重性を改良させたすべり軸受としては、例えば特許文献１に開示されたものがある。このすべり軸受は、Ａｌ基軸受合金層をＡｌ−Ｓｎから形成し、中間層（Ａｌ基中間層に相当）を純Ａｌから形成し、且つ、この中間層の厚さを２０μｍ以下に設定している。
この構成によれば、中間層の変形量がきわめて小さく抑えられ、良好な耐荷重性が得られると開示されている。

特開平９−２１７７４７号公報

しかし、特許文献１のすべり軸受は、クッションとして作用する比較的軟らかい中間層が薄いので、なじみ性を十分に発揮することができない。
一般に、Ａｌ基中間層の硬度を高くすると、Ａｌ基中間層は、クッション性が低下し、なじみ性が低下すると考えられている。又、Ａｌ基中間層を厚くすると、Ａｌ基中間層は、クッション性が増してなじみ性が向上すると考えられている。

そこで、Ａｌ基中間層の硬度を低くし、且つ、厚さを厚くすることが考えられる。
前述したように、近年のエンジンの高性能化によるすべり軸受の苛酷な使用への要望により、更なるなじみ性の向上が望まれている。しかしながら、Ａｌ基中間層を軟らかくして厚くしても、なじみ性に対する昨今の厳しい要求に対しては、必ずしも十分とは言えない場合があった。しかも、そのようなすべり軸受の場合、耐疲労性が低下する傾向も見られた。

本発明は上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は高面圧下で優れた耐疲労性及びなじみ性を有するすべり軸受を提供する。

従来、すべり軸受のクッション性は、Ａｌ基中間層が負担するものと考えられてきたため、Ａｌ基中間層の耐疲労性、及びＡｌ基中間層を有するすべり軸受のなじみ性の改良にあたって、Ａｌ基中間層の硬度を高くし、且つ、薄くする構成については、検討されてこなかった。又、これまで、なじみ性の向上と耐疲労性の向上とは相反するものと考えられてきた。しかしながら、本発明者は、鋭意実験を重ね、Ａｌ基中間層の厚さを所定以下にし、且つ、硬さを所定以上にすることにより、優れた耐疲労性及びなじみ性を有するすべり軸受を得ることができることを究明した。

本発明の請求項１のすべり軸受は、裏金層、Ａｌ基中間層及びＡｌ基軸受合金層を備えたすべり軸受において、Ａｌ基中間層の厚さが３０μｍ以下、且つ、硬さがビッカース硬さで８０以上であることを特徴としている。

本発明のすべり軸受の基本形態の例を、図１に示す。図１のすべり軸受１は、裏金層２と、裏金層２上にＡｌ基中間層３を介して接着されて設けられたＡｌ基軸受合金層４との３層構造である。

裏金層は、例えば鋼から形成されている。
Ａｌ基中間層は、厚さが３０μｍ以下、且つ、硬さがビッカース硬さで８０以上であると、良好な耐疲労性、及び良好ななじみ性を発揮する。厚さが２０μｍ以下、且つ、硬さがビッカース硬さで８０以上であることがより好ましい。

Ａｌ基中間層は、３０μｍ以下であるときに、硬さがビッカース硬さで８０以上であると、すべり軸受のＡｌ基軸受合金層に荷重が加わっても変形が生じ難く、すべり軸受の耐疲労性は向上する。特に、Ａｌ基中間層の硬さがビッカース硬さで８０以上では、Ａｌ基軸受合金層により大きな荷重が加わってもほとんど変形が生じず、すべり軸受の耐疲労性は向上する。

Ａｌ基中間層は、硬さがビッカース硬さで８０以上であるときに、Ａｌ基中間層の厚さが３０μｍ以下であると、すべり軸受において、Ａｌ基中間層自身のクッション性は低下すると考えられるが、薄いが故にすべり軸受のなじみ性への影響は少なく、結果として、Ａｌ基軸受合金層がすべり軸受のクッション性を補うようになる。即ち、Ａｌ基中間層の硬さをビッカース硬さで８０以上にして厚さを３０μｍ以下にすることにより、すべり軸受に加わる動荷重は、Ａｌ基軸受合金層で吸収するようになり、すべり軸受全体としてのなじみ性は良好になる。特に、Ａｌ基軸受合金層は、厚さが１５０μｍ以上５００μｍ以下であると、良好な耐疲労性、及び良好ななじみ性に対して好ましい。

Ａｌ基中間層は、硬さがビッカース硬さで８０以上であるときに、厚さが５μｍ以上であることが好ましい。Ａｌ基中間層の厚さを５μｍ以上にすることにより、裏金層とＡｌ基中間層との接着、及びＡｌ基中間層とＡｌ基軸受合金層との接着が良好になる。又、Ａｌ基中間層は、厚さが３０μｍ以下であるときに、硬さがビッカース硬さで１５０以下であることが好ましい。Ａｌ基中間層の硬さを１５０ＨＶ以下にすることにより、接着が良好になる。

本発明の請求項１のすべり軸受は、Ａｌ基軸受合金層に、Ａｌと他の２種類以上の元素とから成る金属間化合物であって粒径が０．５μｍ未満の金属間化合物を、８個／μｍ^２以上含み、Ａｌ基軸受合金層の硬さが、ビッカース硬さで５０以上８０未満であることも特徴としている。

Ａｌ基軸受合金層に２種類以上の元素が添加されていると、これらの元素はＡｌと多元系金属間化合物を構成するほか、単独でもＡｌのマトリクス中に分散する。上記多元系金属間化合物のＡｌ以外の構成元素はマトリクス中にも分散しているため、多元系金属間化合物はマトリクスとの結合強度が高まる。このため、繰り返し曲げ応力が作用しても離脱し難く、塑性変形を生じ難く、なじみ性を損なうことなく曲げ疲労強度が向上して耐疲労性が向上する。

Ａｌと化合して金属間化合物を構成する元素は、Ｍｎ，Ｖ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｗ，Ｔｉ，Ｚｒの金属元素である。例えば、この金属元素の中でＭｎ，Ｖを選択した場合、これらの元素はＡｌ−Ｍｎ−Ｖの多元系金属間化合物、この場合３元系金属間化合物を生成するほか、Ｍｎ及びＶが単独でマトリクス中に存在するようになる。又、この金属元素の総量を０．０１〜３質量％とする。この金属元素の総量を０．０１質量％以上にすることにより、上述した金属間化合物の生成を多くすることができる。又、金属元素の総量を３質量％以下にすることにより、良好な耐疲労性を維持することができる。

多元系金属間化合物がマトリクスの塑性変形を阻止する機能は、多元系金属間化合物が０．５μｍ未満の微細なもので、その分布密度が１μｍ^２当たり８個以上の場合に、効果的に発揮される。又、この範囲内の多元系金属間化合物であれば、マトリクスの伸びを損なわずに強靭化できる。

更に、Ａｌ基軸受合金層の成分、例えば多元系金属間化合物の成分の割合を変更することにより、Ａｌ基軸受合金層の硬さを変えることができる。そして、Ａｌ基軸受合金層の硬さを、ビッカース硬さＨＶで５０以上にすることにより、Ａｌ基軸受合金層が高出力エンジンに適用された場合における高荷重の作用下でも疲労をより生じ難くすることができる。又、Ａｌ基軸受合金層の硬さを、ビッカース硬さＨｖで８０未満にすることにより、より良好ななじみ性を得ることができる。

このすべり軸受（Ａｌ軸受）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。即ち、鋳造工程では、Ａｌ基軸受合金（Ａｌ基軸受合金層）を溶融して板状に鋳造する。鋳造された板状のＡｌ基軸受合金を、圧延工程で圧延し、圧接工程で鋼板（裏金層）に薄いＡｌ基合金板（Ａｌ基中間層）を介して圧接して軸受形成用板材にする。その後、軸受形成用板材を焼鈍し、軸受形成用板材を機械加工して半円筒状又は円筒状の軸受に形成する。この製造工程において、鋳造後のＡｌ基軸受合金の圧延から軸受形成用板材の焼鈍のプロセスを経て０．５μｍ未満の微細な金属間化合物を析出させることができる。

本発明の請求項２のすべり軸受は、Ａｌ基軸受合金層に、Ａｌと少なくともＳｉとから成る金属間化合物及び／又はＳｉ粒子を含んでいることを特徴としている。

Ａｌと少なくともＳｉとから成る金属間化合物としては、例えば、Ａｌ−Ｓｉ−ＦｅやＡｌ−Ｓｉ−Ｍｎ等があり、これらの金属間化合物の大きさは、１〜１０μｍである。又、Ｓｉ粒子の大きさは、１〜１０μｍである。
Ａｌと少なくともＳｉとから成る金属間化合物を含ませることにより、Ｓｉ粒子と同様に、相手軸に対してはラッピング作用を発揮し、すべり軸受の非焼付性は良好になる。又、Ｓｉは、マトリクスに固溶し、或いは、硬いＳｉ粒子として晶出して、Ａｌ基軸受合金層の強度を増す。これにより、すべり軸受の耐疲労性は更に向上する。

本発明の請求項３のすべり軸受は、Ａｌ基軸受合金層が、３〜２０質量％のＳｎと、１．５〜８質量％のＳｉと、を含むことを特徴としている。

Ａｌ基軸受合金層にＳｎを３質量％以上含ませることにより、すべり軸受としての非焼付性、なじみ性、異物埋収性等の表面性能を改善することができ、Ｓｎの含有量を２０質量％以下にすることにより、より高面圧に耐え得ることができる。
Ａｌ基軸受合金層にＳｉを１．５質量％以上含ませることにより、上記のＳｉの作用を十分に発揮することができ、Ｓｉの含有量を８質量％以下にすることにより、良好な耐疲労性を維持することができる。

本発明の請求項４のすべり軸受は、Ａｌ基軸受合金層に、Ｃｕ，Ｚｎ，Ｍｇの内から１種類以上を選択して成る元素であって、その総量が０．１〜７質量％である元素を含んでいることを特徴としている。

Ｃｕ，Ｚｎ，Ｍｇの内から１種類以上を選択して成る元素は、マトリクスに固溶する。これにより、マトリクス強度を高めることができる。
Ｃｕ，Ｚｎ，Ｍｇの内から１種類以上を選択して成る元素の総量を０．１質量％にすることにより、上記作用を十分に発揮させることができ、総量を７質量％以下にすることにより、良好ななじみ性を維持することができる。

本発明の請求項５のすべり軸受は、Ａｌ基軸受合金層が、Ａｌ以外に２種類以上の元素を含み、Ａｌ基中間層が、Ａｌ基軸受合金層に含まれる元素のうちの少なくとも２種類の元素を含み、且つ、それらの元素のうち、その含有量がＡｌ基軸受合金層の含有量の５０％〜１５０％であるものを２種類以上含むことを特徴としている。

この構成にすることにより、Ａｌ基中間層のヤング率の値は、Ａｌ基軸受合金層のヤング率の値とほぼ等しくなり、すべり軸受に曲げ応力が加わっても、Ａｌ基軸受合金層とＡｌ基中間層の各層内部に余計な歪みが生じてしまうことを防止でき、疲労によるクラックの発生を抑制することができる。

すべり軸受の断面図 なじみ性試験に用いられる試験機へのすべり軸受の取付け状態を示す図

本発明の効果を確認するために、表１に示す成分のＡｌ基軸受合金層とＡｌ基中間層を用いて本発明のすべり軸受（実施例品１〜８）及び従来構成のすべり軸受（比較例品１〜３）の試料片を製作し、耐疲労性試験及びなじみ性試験を行った。

実施例品１〜８の製造方法は次の通りである。まず、例えば、量産性に優れたベルト鋳造装置によって表１に示す成分からなるＡｌ基軸受合金の板材を製造した。その後、この鋳造されたＡｌ基軸受合金に、表１に示す成分からなるＡｌ基中間層を構成する薄い板材を圧接して複層アルミニウム合金板を製造し、この複層アルミニウム合金板を、裏金層を構成する鋼板に圧接して軸受形成用板材（いわゆるバイメタル）を製造した。そして、軸受形成用板材を、３５０度を超え４００度以下の温度にて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（半割軸受）を製造し、実施例品４〜８を得た。

上記軸受形成用板材の焼鈍により、Ａｌ基軸受合金層のマトリクス中に金属間化合物が析出する。そして、析出した金属間化合物の大きさを電子顕微鏡による組織写真から解析したところ、粒径が０．５μｍ未満の大きさのものが、１μｍ^２当たり、表１に示す個数認められた。尚、粒径は、電子顕微鏡で解析して得られた金属間化合物１個当たりの最大長さと定義する。

一方、実施例品１〜３及び比較例品１〜３の製造方法は、上記実施例品４〜８の製造方法と相違し、軸受形成用板材の焼鈍温度が低く、例えば、３００度以上３５０度以下で行うものである。
このようにして得られたＡｌ基軸受合金層での金属間化合物の存在は、表１に示すように少個数であった。
このような実施例品１〜８、比較例品１〜３に対して行った耐疲労性試験及びなじみ性試験は次のようなものである。

（１）耐疲労性試験
焼鈍を行った後の軸受形成用板材を機械加工して試験片（実施例品１〜８、比較例品１〜３）を製作し、耐疲労性を見るための曲げ疲労性試験を実施した。この試験片は、総厚１．５ｍｍ、裏金層の厚さ１．２ｍｍであり、Ａｌ基軸受合金層の厚さとＡｌ基中間層との合計の厚さは０．３ｍｍである。試験条件は、Ａｌ基軸受合金層の表面の歪みが一定となるようにして、往復曲げをＡｌ基軸受合金層の表面にクラックが発生するまで繰り返した。又、試料片のＡｌ基軸受合金層の表面にクラックが発生したときに、Ａｌ基中間層の断面を観察し、Ａｌ基中間層にもクラックが発生していたかを観察した。この試験結果を表１に示す。表１中の「×１０^６回」の縦の欄には、試料片のＡｌ基軸受合金層の表面にクラックが発生するまでの往復曲げの繰り返し回数を示す。又、表１中の「Ａｌ基中間層のクラックの有無」の縦の欄には、その往復曲げを繰り返した後の試料片のＡｌ基中間層にクラックが発生していたかを示す。例えば、実施例品１では、この実施例品１に往復曲げを２５×１０^６回繰り返し行ったときに試料片のＡｌ基軸受合金層の表面にクラックが発生し、そのときのＡｌ基中間層にはクラックが発生していなかったことを示している。

（２）なじみ性試験
なじみ性を確認するために、実施例品１〜８及び比較例品１〜３に対してなじみ性試験を行った。なじみ性試験は、半割軸受状にした２個の試料片となるすべり軸受を、図２に示すように、径方向にΔＬ、本試験では４０μｍずらして合わせ、回転荷重試験機に取付け、この状態で、表２に示す試験条件でなじみ性試験を行った。本試験は、回転荷重試験機によって、軸の遠心力により軸受内周面に回転荷重を付加することによって行う。

このように、すべり軸受をずらして組付けることにより、軸の荷重をすべり軸受の周方向の端部辺りに加えることによって、すべり軸受のなじみ性を確認することができる。この試験では、なじみ性が良好であれば、局部当りを良好に回避することができ、長期に渡って焼付や疲労による損傷を防ぐとされている。尚、荷重は、評価荷重である３０ＭＰａまで徐々に上げていき、評価荷重になった状態からすべり軸受に損傷が発生するまでの時間を測定した。

次に、上記試験の結果について解析する。
耐疲労性試験の結果を考察するに、実施例品１〜８は、比較例品１〜３に比べて、長期に渡って優れた曲げ疲労強度を有することにより耐疲労性に優れていることが理解できる。
実施例品１〜８は、比較例品１〜３に比べてＡｌ基中間層が硬くかつ薄く、すべり軸受のＡｌ基軸受合金層に荷重が加わっても変形が生じ難いため、耐疲労強度に優れたと考えられる。

又、実施例品１〜３と、実施例品４〜８との比較から、粒径が０．５μｍ未満の金属間化合物の数が１μｍ^２当たり８個以上存在すると、これらの金属間化合物がマトリクス中の転位の移動を抑制し、曲げ疲労強度を向上させることができた結果、極めて優れた耐疲労性を持たせることができたと考えられる。

なじみ性試験の結果を考察するに、実施例品１〜８は、比較例品１〜３に比べて、局部当り回避性が高く、これにより、なじみ性が良好であることが理解される。
実施例品１〜８と、比較例品３との比較から、Ａｌ基合金中簡層が硬くても、このＡｌ基合金中簡層が所定の厚さであれば、Ａｌ基軸受合金層がすべり軸受のクッション性を補って、なじみ性が良好であることが理解される。

尚、Ａｌ基軸受合金層中に含有される金属元素としてのＭｎ，Ｖ，Ｆｅ以外の金属元素として、Ｍｏ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｗ，Ｔｉ，Ｚｒを用いても、Ｍｎ，Ｖ，Ｆｅと同様の良好ななじみ性を得ることができた。又、これらの金属元素のうちの２種類以上を選択して、その総量を０．０１〜３質量％にすることにより、塑性変形は抑制され、耐疲労性は向上した。

Ａｌ基軸受合金層中に含有される固溶体を形成する物質としてのＣｕ以外の元素としてＺｎ，Ｍｇを用いても、Ｃｕと同様の作用効果を奏した。これらの元素のうちの１種類以上を選択して、その総量を０．１〜７質量％にすることにより、耐疲労性は向上した。

図面中、１はすべり軸受、２は裏金層、３はＡｌ基中間層、４はＡｌ基軸受合金層を示す。

Claims (5)

1. 裏金層、Ａｌ基中間層及びＡｌ基軸受合金層を備えたすべり軸受において、
   前記Ａｌ基中間層は、厚さが３０μｍ以下、且つ、硬さがビッカース硬さで８０以上であり、
   前記Ａｌ基軸受合金層に、Ａｌと他の２種類以上の元素とから成る金属間化合物であって粒径が０．５μｍ未満の金属間化合物を、８個／μｍ ^２ 以上含み、
   前記Ａｌ基軸受合金層の硬さは、ビッカース硬さで５０以上８０未満であり、
   前記Ａｌ基軸受合金層の前記他の２種類以上の元素はＭｎ，Ｖ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｗ，Ｔｉ，Ｚｒの内から２種類以上を選択して成る金属元素であって、且つ、選択した元素は単独でもＡｌのマトリクス中に存在し、その総量が０．０１〜３質量％であることを特徴とするすべり軸受。
2. 前記Ａｌ基軸受合金層に、Ａｌと少なくともＳｉとから成る金属間化合物及び／又はＳｉ粒子を含んでいることを特徴とする請求項１記載のすべり軸受。
3. 前記Ａｌ基軸受合金層に、３〜２０質量％のＳｎと、１．５〜８質量％のＳｉと、を含んでいることを特徴とする請求項１又は２記載のすべり軸受。
4. 前記Ａｌ基軸受合金層に、Ｃｕ，Ｚｎ，Ｍｇの内から１種類以上を選択して成る元素であって、その総量が０．１〜７質量％である元素を含んでいることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のすべり軸受。
5. 前記Ａｌ基中間層は、前記Ａｌ基軸受合金層に含まれる元素のうちの少なくとも２種類の元素を含み、且つ、それらの元素のうち、その含有量が前記Ａｌ基軸受合金層の含有量の５０％〜１５０％であるものを２種類以上含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のすべり軸受。

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