JP5289941B2 - 滑り軸受複合材料、滑り軸受複合材料の用途及び滑り軸受複合材料の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は請求項１の上位概念に従う滑り軸受複合材料に関する。本発明は該滑り軸受複合材料の用途及び滑り軸受複合材料の製造方法にも関する。

ドイツ特許出願公開第４，００４，７０３Ａ１号明細書から金属製支持層とアルミニウムベースの軸受材料とを有する滑り軸受要素用の層状材料が公知である。このアルミニウム合金は１〜３質量％のニッケル、０．５〜２．５質量％のマンガン、０．０２〜１．５質量％の銅、０．５〜２０質量％の錫、及び通例の不純物を含有する残量のアルミニウムを含有する。更に軸受合金は一定の割合で≦５μｍの粒度の硬質微粒子を実質的に含有している。

この層状材料の場合には、鋼鉄製裏張りと軸受材料との間の結合を改善するという純粋のアルミニウムよりなる中間層が選択可能物として設けられている。この滑り軸受複合材料は８０ＭＰａまでの負荷をかけた場合の良好な疲労強度値、良好な耐摩耗性及び良好な耐蝕性を有している。

高負荷の場合に、要するに８０ＭＰａ以上の負荷の場合に中間層として純粋のアルミニウムを有するこの滑り軸受複合材料を用いた場合には、材料、特に中間層の材料が＞８０μｍの層厚の場合に側部が柔らかくなり、このことが軸受の幅を拡大することによって半筒状軸受又は筒状軸受の所で妨害となる軸方向のはみ出し部をもたらしそしてそれによってモーターを停止させ得る。

ドイツ特許出願公開第３，６４０，３２８Ａ１号明細書から、ドイツ特許出願公開第４，００４，７０３Ａ１号明細書のアルミニウム合金と、錫成分を含まない点で相違するアルミニウム合金を有する滑り軸受要素用層状材料が公知である。

このアルミニウム合金は、８０ＭＰａまでの負荷を掛けることを許容する軸受材料として、軸受材料層中に疲労破壊ひび割れが確認できるまで使用される。

米国特許出願第２００２−０，１０４，８７６Ａ１号明細書には、鋼鉄製裏張り、６０〜１２０μｍの厚さアルミニウムベースの中間層及びアルミニウム合金よりなる軸受金属層を有する層状複合材料が開示されている。軸受金属層は４〜２０％の鉛又は錫、２６％までの珪素、２％までのマグネシウム、マンガン、ニッケル、亜鉛、銅又はクロムを含有している。中間層は好ましくは純粋なアルミニウム又はアルミニウム合金、例えばＡｌＭｎＣｕ１よりなる。この層状複合材料の疲労強度は最大１００ＭＰａの所にある。中間層は熱間ロール圧延貼り合わせ法によって合金層と接合されている。

全ての層状複合材料は，中間層用材料及び軸受層用材料を著しい費用を掛けずに同じ鋳造装置で製造することができないという製造技術的な共通の欠点を有している。

本発明の課題は、公知の滑り軸受複合材料と少なくとも同じ疲労強度値を有しそして製造技術的観点から簡単に製造できる滑り軸受複合材料を提供することである。

この課題は、金属製支持層、アルミニウム合金よりなる中間層及びアルミニウム合金よりなる軸受層を持つ滑り軸受複合材料であって、中間層及び軸受層のアルミニウム合金の各成分が軸受層中の追加的な軟質相成分を別として互いに一致していることを特徴とする、上記軸受複合材料によって解決される。

両方のアルミニウム合金の各成分が一致することが、両方の合金を、一方の合金からもう一方の合金に切り換える際に時間の掛かる掃除工程を挟む必要なしに一つの同じ鋳造装置で加工することを可能とする。

アルミニウムに添加される、中間層のアルミニウム合金及び軸受層のアルミニウム合金の各成分の量が軸受層中の追加的な軟質相成分を除いて一致している場合には、同じ鋳造装置で製造する方法は特に簡単である。軸受層中の軟質相の割合はアルミニウム合金中のアルミニウムの割合から引かれことになる。それ故に最初に中間層のための材料を鋳造し、その際に軸受層材料を製造するために追加的な軟質相成分を従来の加工アルミニウム合金に添加しそしてアルミニウムの割合を軟質相成分と同じ割合だけ減らさなければならない。

軟質相成分としては鉛、錫及び／又はビスマスが特に有利である。

軟質相成分はアルミニウム合金全体を規準として５〜２０質量％、好ましくは８〜１５質量％、特に好ましくは８〜１２質量％である。

軟質相成分として錫を用いる場合には、９〜１１質量％の範囲が特に有利である。

以下のアルミニウム合金は、中間層及び軸受層を製造するのに特に有利である：
１．０〜３質量％のＮｉ、０．５〜２．５質量％のＭｎ、０．０２〜１．５質量％のＣｕ、通例の許容される不純物を含む残量のアルミニウム。軸受層のアルミニウム合金は追加的に軟質相成分を含有している；
０．５〜２．５質量％のＣｕ、０．１〜１．５質量％のＭｎ、通例の許容される不純物を含む残量のアルミニウム。軸受層のアルミニウム合金は追加的に軟質相成分を含有している；
２．０〜３．０質量％のＳｉ、０．３〜１．０質量％のＣｕ、０．１〜０．３質量％Ｃｒ、通例の許容される不純物を含む残量のアルミニウム。軸受層のアルミニウム合金は追加的に軟質相成分を含有している；
０．２〜２．０質量％のＳｉ、Ｃｕ、Ｍｎ及び／又はＮｉ、通例の許容される不純物を含む残量のアルミニウム。軸受層のアルミニウム合金は追加的に軟質相成分を含有している；
１〜６質量％のＳｉ、０．０５〜５質量％のＮｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔｉよりなる元素群の少なくとも１種類、通例の許容される不純物を含む残量のアルミニウム。軸受層のアルミニウム合金は追加的に軟質相成分を含有している。

この滑り軸受材料の疲労強度が、純粋アルミニウム中間層の場合の様な中間層が側方に飛び出すことなしに、８０ＭＰａ以上であることが判った。

中間層が１〜１０μｍの直径を有する硬質微粒子を有しそして軸受層が１〜１５μｍの直径を有する硬質微粒子を有する場合が有利である。この場合には、中間層中の１０μｍまでの直径を有する硬質微粒子の割合は９５％までであり、そして軸受層中の１５μｍまでの直径の硬質微粒子の割合は９５％までである。

硬質微粒子はＳｉ−粒子並びにＡｌ−Ｎｉ、Ａｌ−Ｎｉ−Ｍｎ又はＡｌ−Ｍｎよりなる金属間相を包含する。

この割合の硬質微粒子の長所は、アルミニウムマトリックスが軸受層並びに中間層を凝固させそしてこの高められた強度及び耐磨耗性によって軸受金属複合体の耐負荷性及び疲労強度を向上させることを本質とする。

滑り軸受複合材料の疲労強度は中間層の厚みに左右されることが分かっている。中間層の厚みが１５〜６０μｍ、好ましくは３５〜６０μｍ、特に好ましくは３５〜＜５０μｍの場合には疲労強度が更に厚い中間層の場合よりも若干高いことが分かっている。その場合、疲労強度の値は１００ＭＰａ以上に達し得る。

中間層の厚みが軸受層の厚みを規準として、５〜２０％、特に７〜１７％の値が特に有利であることが分かっている。

以下の表に５種類の合金例を種々の中間層厚との関係で総括掲載する。それぞれの疲労強度はサファイア法に従って測定した。

これらの実施例及び比較例はＡｌＳｎ１０質量％Ｎｉ２質量％Ｍｎ１質量％Ｃｕ１質量％よりなる合金に関し、比較例１及び２によれば、厚さが６０或いは３５μｍである純粋アルミニウム層が設けられている。比較例１においては、１１６ＭＰａの見かけ疲労強度が達成される。この場合にはアルミニウム層は明らかに広がっている。軸受幅上のアルミニウム層の側方はみ出しはこの場合には５００μｍよりも大きい値に達している。

純粋のアルミニウム中間層が小さい層厚である場合には、比較例２で７６ＭＰａである比較的に小さな疲労強度しか達成されない。

本発明の実施例から、中間層の減少につれて疲労強度が増加し、その際に３５μｍの厚さの場合には１１２ＭＰａの値が得られることがわかる。

中間層と軸受層との間でロール圧延貼り合わせするのが有利である。軸受層と金属製支持層との間にも同様にロール圧延貼り合わせがあってもよい。

この卓越した性質のために滑り軸受複合材料は特に滑り軸受要素、特に半筒状滑り軸受、筒状滑り軸受及び／又はショルダー板（Anlaufscheiben）に並びに滑り軸受要素の製造に適している。

特別な用途には＞８０ＭＰａ、特に＞１００ＭＰａの負荷の掛かる用途分野がある。更に本発明の滑り軸受複合材料は２１ｍ／秒までの滑り回転速度に適している。

製法は次の方法段階に特徴がある：
− 中間層ベルト状物および軸受ベルト状物を製造するために中間層及び軸受層のために、アルミニウム合金をベルト状に連続鋳造し、その際に中間層と軸受層とのアルミニウム合金の各成分を軸受層中の追加的な軟質相成分を除いて互いに一致させ;
− 中間層ベルト状物を４００〜５００℃で１０〜１４時間の期間赤熱しそして軸受層ベルト状物を４００〜６００℃で１０〜２４時間の期間赤熱し;
− 中間層ベルト状物を被覆加工厚さにロールで平らにし;
− その中間層ベルト状物を８〜１４時間に亙って２５０〜３５０℃で赤熱し；
− 複合体を製造するために中間層ベルト状物と軸受層ベルト状物とを結合するためにロール圧延貼り合わせ;
− その複合体を所望の被覆加工厚さにするために圧延し;
− 複合体材料を製造するためにその複合体を鋼鉄製支持層上にロール圧延貼り合わせそして
− １０〜２４時間に亙って２５０〜３５０℃で該複合体材料を赤熱する。

この場合には、アルミニウム合金のベルト状物の鋳造を好ましくは一台の同じ鋳造装置で実施し、その際に好ましくは最初に中間層を鋳造し、そして次に軟質相成分を添加しそして相応してアルミニウムの割合を減らして軸受層材料をベルト状物として鋳造する。

好ましくは中間層ベルト状物の赤熱を４５０〜４８０℃で実施する。それの特に有利な時間は１１〜１３時間である。軸受層ベルト状物の赤熱は好ましくは４５０〜５５０℃で実施する。この場合の有利な実施時間は１２〜２０時間、特に１５〜１８時間である。

中間層ベルト状物を被覆加工厚さをロールで平らにするには、最初に１０〜１４時間に亙って４００〜６００℃で、特に１１〜１３時間に亙って５００〜５５０℃で中間赤熱を実施する。この追加的な赤熱は、硬質微粒子を更に付着させるのに有利である。このことは、包み込むマトリックスへの硬質微粒子のノッチ効果(notch effect)の減少に寄与する。

軸受層ベルト状物との貼り合わせの前に中間層ベルト状物を赤熱するには３００〜３３０℃の温度が特に有利である。それの特に有利な期間は１０〜１２時間である。

鋼鉄製支持層への複合体をロール圧延貼り合わせた後に、２５０〜３５０℃、好ましくは２５０〜３００℃で１０〜２４時間、好ましくは１２〜２０時間赤熱を行う。

アルミニウム合金は希土類元素、ランタノイド類又はアクチノイド類の元素の群の内の元素を含有していないのが有利である。これらの元素を大量に添加することによって、即ち１０重量％のオーダーで添加することによって、ロール圧延貼り合わせによる滑り軸受複合材料の製造には、著しい変形度が必要とされるために問題なしに実現できないことが分かっている。

Claims (29)

1. 金属製支持層、アルミニウム合金よりなる中間層及びアルミニウム合金よりなる軸受層を持つ滑り軸受複合材料において、中間層及び軸受層のアルミニウム合金の各成分が軸受層中の追加的な軟質相成分を別として互いに一致しており、
   軟質相成分が鉛、錫及び／又はビスマスであり、
   中間層及び軸受層のアルミニウム合金が１．０〜３質量％のニッケル、０．５〜２．５質量％のマンガン、０．０２〜１．５質量％の銅、通例の許容される不純物を含む残量のアルミニウムを有し、その際に軸受層のアルミニウム合金が追加的に軟質相成分を含有していることを特徴とする、上記滑り軸受複合材料。
2. 軟質相成分が５〜２０質量％である、請求項１に記載の滑り軸受複合材料。
3. 軟質相成分が８〜１５質量％である、請求項２に記載の滑り軸受複合材料。
4. 軟質相成分が８〜１２質量％である、請求項３に記載の滑り軸受複合材料。
5. 金属製支持層、アルミニウム合金よりなる中間層及びアルミニウム合金よりなる軸受層を持つ滑り軸受複合材料において、中間層及び軸受層のアルミニウム合金の各成分が軸受層中の追加的な軟質相成分を別として互いに一致しており、
   中間層のアルミニウム合金が１．０〜３質量％のニッケル、０．５〜２．５質量％のマンガン、０．０２〜１．５質量％の銅、通例の許容される不純物を含む残量のアルミニウムを有し、
   軸受層のアルミニウム合金が９〜１１質量％の錫、１．０〜３質量％のニッケル、０．５〜２．５質量％のマンガン、０．０２〜１．５質量％の銅、通例の許容される不純物を含む残量のアルミニウムを有して
   いることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載の滑り軸受複合材料。
6. 中間層の厚みが１５〜１２０μｍである、請求項１〜５のいずれか一つに記載の滑り軸受複合材料。
7. 中間層が１〜１０μｍの直径を有する硬質微粒子を有しそして軸受層が１〜１５μｍの直径を有する硬質微粒子を有する、請求項１〜６のいずれか一つに記載の滑り軸受複合材料。
8. 中間層中の１０μｍまでの直径を有する硬質微粒子の割合が９５％までであり、そして軸受層中の１５μｍまでの直径の硬質微粒子の割合が９５％までである、請求項７に記載の滑り軸受複合材料。
9. 硬質微粒子がＳｉの他に、Ａｌ−Ｎｉ、Ａｌ−Ｎｉ−Ｍｎ又はＡｌ−Ｍｎよりなる金属間相である、請求項７又は８に記載の滑り軸受複合材料。
10. 中間層の厚みが１５〜６０μｍである、請求項１〜９のいずれか一つに記載の滑り軸受複合材料。
11. 中間層の厚みが１５〜＜５０μｍである、請求項１０に記載の滑り軸受複合材料。
12. 中間層の厚みが３５〜＜５０μｍである、請求項１１に記載の滑り軸受複合材料。
13. 中間層の厚みが軸受層の厚みの５〜２０％である、請求項１〜１２のいずれか一つに記載の滑り軸受複合材料。
14. 中間層の厚みが軸受層の厚みの７〜１７％である、請求項１３に記載の滑り軸受複合材料。
15. 中間層と軸受層との間がロール圧延貼り合わせされた、請求項１〜１４のいずれか一つに記載の滑り軸受複合材料。
16. 中間層と金属製支持層との間がロール圧延貼り合わせされた、請求項１〜１５のいずれか一つに記載の滑り軸受複合材料。
17. 滑り軸受要素、特に半筒状滑り軸受、筒状滑り軸受及び／又はショルダー板（Ａｎｌａｕｆｓｃｈｅｉｂｅｎ）のための、請求項１〜１６のいずれか一つに記載の滑り軸受複合材料の用途。
18. 半筒状滑り軸受、筒状滑り軸受又はショルダー板の製造のための、請求項１〜１６のいずれか一つに記載の滑り軸受複合材料の用途。
19. ＞８０ＭＰａの負荷に対しての請求項１７又は１８に記載の滑り軸受複合材料の用途。
20. ２１ｍ／秒までの滑り速度の回転用途のための、請求項１７〜１９のいずれか一つに記載の滑り軸受複合材料の用途。
21. 金属製支持層、アルミニウム合金よりなる中間層及びアルミニウム合金よりなる軸受層を持つ滑り軸受複合材料の製造方法において、
    軟質相成分が鉛、錫及び／又はビスマスであり、
    中間層及び軸受層のアルミニウム合金が１．０〜３質量％のニッケル、０．５〜２．５質量％のマンガン、０．０２〜１．５質量％の銅、通例の許容される不純物を含む残量のアルミニウムを有し、その際に軸受層のアルミニウム合金が追加的に軟質相成分を含有しており、
    − 中間層ベルト状物および軸受ベルト状物を製造するために中間層及び軸受層のために、アルミニウム合金をベルト状に連続鋳造し、その際に中間層と軸受層とのアルミニウム合金の各成分を軸受層中の追加的な軟質相成分を除いて互いに一致させ；
    − 中間層ベルト状物を４００〜５００℃で１０〜１４時間の期間赤熱しそして軸受層ベルト状物を４００〜６００℃で１０〜２４時間の期間赤熱し；
    − 中間層ベルト状物を被覆加工厚さにロールで平らにし；
    − その中間層ベルト状物を８〜１４時間に亙って２５０〜３５０℃で赤熱し；
    − 複合体を製造するために中間層ベルト状物と軸受層ベルト状物とを結合するためにロール圧延貼り合わせ；
    − その複合体を所望の被覆加工厚さにするために圧延し；
    − 複合体材料を製造するためにその複合体を鋼鉄製支持層上にロール圧延貼り合わせそして
    − １０〜２４時間に亙って２５０〜３５０℃で該複合体材料を赤熱する
    各段階を特徴とする、上記方法。
22. 中間層のアルミニウム合金が１．０〜３質量％のニッケル、０．５〜２．５質量％のマンガン、０．０２〜１．５質量％の銅、通例の許容される不純物を含む残量のアルミニウムを有し、
    軸受層のアルミニウム合金が９〜１１質量％の錫、１．０〜３質量％のニッケル、０．５〜２．５質量％のマンガン、０．０２〜１．５質量％の銅、通例の許容される不純物を含む残量のアルミニウムを有していることを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
23. 中間層の厚みを１５〜１２０μｍとする、請求項２２に記載の方法。
24. 中間層の厚みを１５〜６０μｍとする、請求項２３に記載の方法。
25. 中間層の厚みを１５〜＜５０μｍとする、請求項２４に記載の方法。
26. 中間層の厚みを３５〜＜５０μｍとする、請求項２５に記載の方法。
27. 中間層ベルト状物を被覆加工厚さにロールで平らにするには、１０〜１４時間に亙って４００〜６００℃で赤熱を実施する、請求項２１〜２６のいずれか一つに記載の方法。
28. 所望の被覆加工厚さに複合体を圧延した後に、１０〜２４時間に亙って２５０〜３５０℃で赤熱を実施する、請求項２１〜２７のいずれか一つに記載の方法。
29. ３５μｍと＜５０μｍとの間の厚さを持つ中間層ベルト状物を製造する、請求項２１〜２８のいずれか一つに記載の方法。