(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
保護層（１０，２０，３０）と、
アルミニウム合金を基層とする中間層（１２，２２，３２）と、
アルミニウム合金を基層とする軸受金属層（１４，２４，３４）と
を備えて成るすべり軸受部材において、
前記中間層（１２，２２，３２）における前記アルミニウム合金が、重量％において以下の組成：
銅  ３．５〜４．５重量％
マンガン  ０．１〜１．５重量％
マグネシウム  ０．１〜１．５重量％
不可避不純物、及び
残りを形成するアルミニウム
を有し、前記中間層（１２，２２，３２）が７０ＨＶ０．０１〜１１０ＨＶ０．０１の微小硬さを有することを特徴とするすべり軸受部材。
【請求項２】
前記中間層（１２，２２，３２）の厚さ（ｄ２）を３０〜２５０μｍとしたことを特徴とする請求項１記載のすべり軸受部材。
【請求項３】
前記中間層（１２，２２，３２）の厚さ（ｄ２）を８０〜１７５μｍとしたことを特徴とする請求項１記載のすべり軸受部材。
【請求項４】
前記中間層（１２，２２，３２）における前記アルミニウム合金が、更に０．１〜１．０重量％のケイ素を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のすべり軸受部材。
【請求項５】
前記マンガンが０．４〜１．０重量％、前記マグネシウムが０．４〜１．０重量％及び前記ケイ素が０．２〜０．８重量％であることを特徴とする請求項４記載のすべり軸受部材。
【請求項６】
前記中間層（１２，２２，３２）における前記アルミニウム合金が、重量％において更に以下の組成：
鉄  ０．０５〜１．０重量％
クロム  ０．０５〜０．５重量％
亜鉛  ０．０５〜０．５重量％
を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のすべり軸受部材。
【請求項７】
前記中間層（１２，２２，３２）における前記アルミニウム合金が、全体として０．０５〜０．２５重量％のジルコニウム及びチタンを更に含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のすべり軸受部材。
【請求項８】
前記中間層（１２，２２，３２）における前記アルミニウム合金が、個々に０．１重量％を超えず、全体として０．２５重量％を超えない不可避不純物を有していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のすべり軸受部材。
【請求項９】
前記軸受金属層（１４，２４，３４）が１５０〜４００μｍの厚さ（ｄ３）を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のすべり軸受部材。
【請求項１０】
前記軸受金属層（１４，２４，３４）における前記アルミニウム合金が、１．０〜３．０重量％のニッケル、０．５〜２．５重量％のマンガン、０．０２〜１．５重量％の銅、５〜２０重量％のすず及び／又はビスマス、不可避不純物及び残りを形成するアルミニウムを有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のすべり軸受部材。
【請求項１１】
前記軸受金属層（１４，２４，３４）における前記すず及び／又はビスマスを８〜１２重量％の比率としたことを特徴とする請求項１０記載のすべり軸受部材。
【請求項１２】
前記軸受金属層の硬さを、５０〜７０ＨＢＷ１／５／３０のブリネル硬さとしたことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のすべり軸受部材。
【請求項１３】
前記中間層（１２，２２，３２）と前記軸受金属層（１４，２４，３４）の間に円筒状積層結合部を形成したことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載のすべり軸受部材。
【請求項１４】
前記中間層（１２，２２，３２）と前記保護層（１０，２０，３０）の間に円筒状積層結合部を形成したことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載のすべり軸受部材。
【請求項１５】
当該すべり軸受部材をベアリングシェルとして形成したことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載のすべり軸受部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、保護層と、アルミニウム合金を基層とする中間層と、アルミニウム合金を基層とする軸受金属層とを備えて成るすべり軸受部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上記のような軸受部材は、多くの刊行物、例えば特許文献１〜３に開示されている。ベアリングシェルとして形成されたすべり軸受部材は鋼製の保護シェルを備えており、この保護シェル上にはフィルム状の軸受金属層又は負荷層が積層形成（ローラめっき）されている。通常高い割合ですずを含むアルミニウム合金を基層とする軸受金属層は十分な付着力で保護層に付着されないため、この軸受金属層は、まず、中間層と共にフィルム結合部材上に積層形成（ローラめっき）される。
【０００３】
ここで、初めは、鋼製の保護層に対して非常に良好な付着性を有する純アルミニウム製の中間層が使用されていた。このようなフィルム結合部材は、複数回にわたる熱処理を伴うか又はこれを伴わないローラ工程において、その厚さを減少させつつ共に鋼製の保護層に貼着される。つづいて、このように加工された結合材料は、打抜き又は切削によってプレート状に加工され、そして、加工結果に応じて、曲げ加工又はローラ変形加工によってラジアル軸受に加工される。
【０００４】
ところで、上述の刊行物は、アルミニウムを基層とする軸受金属層の鋼製の保護層への付着性を改善することが可能であるものの、純アルミニウム製の中間層の材料特性について、動作中の結合材料への付着性の耐久性が十分でないという事項に基づいている。
【０００５】
そこで、特許文献１には、純アルミニウム製のフィルムの代わりに、硬化可能なアルミニウム合金を基層とする（場合によってはエマージェンシ特性を備えた）中間層を形成することが提案されている。このように形成された中間層の硬さは、約６０ＨＶ０．５であり、約３５〜４０ＨＶ０．５である負荷層の硬さよりも硬いものとなっている。軸受金属層又は負荷層の方向へ向かって減少する硬さは、耐久性、すなわちすべり軸受の強度及び寿命において有効なものである必要がある。
【０００６】
また、特許文献３においても同様の結果であり、ここでもすべり軸受層の硬さは中間層において金属保護層へ向かって大きく形成されており、この中間層の硬さは、２５〜６０ＨＶとなっている。また、中間層の厚さは、軸受金属層と当該中間層の合計の５０〜９０％となっている。すなわち、中間層の厚さは軸受金属層の厚さと同様であるか、又はこれよりも大きく設定されている。さらに、この中間層はＭｎ（マンガン），Ｃｕ（銅），Ｚｎ（亜鉛），Ｓｉ（ケイ素），Ｍｇ（マグネシウム）及びＦｅ（鉄）から選択される合金成分を０．３〜５．０重量％含むアルミニウム合金で形成されている。中間層の硬さの上限である６０ＨＶは、エッジ応力の調整、すなわちシャフトと軸受軸の間の不可避の誤差調整に必要な形状適応性により決定される。
【０００７】
本発明者らは、従来の軸受においては、動作中に特有の高い負荷が中間層に生じると、中間層材料の軸方向への押しのけが生じるほどの大きな変形が中間層に生じることを突きとめた。すなわち、中間層がすべり軸受シェルの端面から所定量だけ軸方向へ突出することになる。このような現象が図２に示されており、従来技術に基づくこのすべり軸受シェルについては、主に負荷を受ける領域（例えば頂点の近傍）における軸方向の一部が示されている。
【０００８】
このようなすべり軸受シェルは、その径方向外側において、鋼製の保護層２０、その上にアルミニウムを基層とする中間層２２及び更にその上に軸受金属層２４を備えている。前記主に負荷を受ける領域において生じる特有の高い負荷により、中間層２２は、軸方向（ローラめっきにおいてもほぼ同様）へ流出し始め、保護層２０における軸方向の端面部２６において軸受から押し出される。また、この中間層２２と共に軸受金属層２４の一部も軸受から押し出されてしまう。そして、軸受金属及び軸受金属層と保護層の間の結合部の損傷が防がれ、機能の喪失も防止される。
【０００９】
ただし、端面部２６の近傍には、保護層２０と中間層の間の亀裂２８が発生している。これにより、軸受金属層及び中間層における突出した材料に関連する動作の継続に際して、剥離が生じ、これに伴い軸受の全損が生じる危険性が高まってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】欧州特許出願公開第０６７２８４０号明細書
【特許文献２】欧州特許出願公開第１５２２７５０号明細書
【特許文献３】米国特許第５，４７０，６６６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は上記問題にかんがみてなされたもので、その目的とするところは、上述のような従来技術において材料の塑性変形を防止することが可能な、それぞれアルミニウム合金を基層とする軸受金属層及び中間層から成る結合材料を改良することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的は、請求項１記載の発明の特徴により達成される。
【００１３】
すなわち、上記目的は、保護層と、アルミニウム合金を基層とする中間層と、アルミニウム合金を基層とする軸受金属層とを備えて成る、特に軸受シェルとして形成されたすべり軸受部材において、前記中間層における前記アルミニウム合金を、重量％において少なくとも以下の組成：
銅  ３．５〜４．５重量％
マンガン  ０．１〜１．５重量％
マグネシウム  ０．１〜１．５重量％
を含むよう構成することで達成される。
【００１４】
このように、特に銅を多く含んでいるため、特に鋼から成る保護層との結合強度を失うことなく中間層の硬さを調整することが可能である。なお、このような調整は、積層形成時に、圧延前、圧延中及び圧延後の少なくともいずれかにおける熱処理によりなされる。
【００１５】
また、最終的に圧延された中間層は、３０〜２５０μｍの厚さ（ｄ2）を有し、軸受シェルの壁厚によっては５０〜２５０μｍの厚さを有するのが好ましい。また、この中間層は、特に８０〜１７５μｍの厚さを有するのが好ましく、さらに、１５０〜１７５μｍの厚さを有するのが特に望ましい。
【００１６】
本発明者らは、このような厚さ及び上記のような組成を有する中間層は、特に大きな硬さを有しているのが、可塑変形性及び十分な形状適合性を得るために適していることを突きとめた。他方、比較的厚い中間層において大きく調整された硬さとすることで、中間層を、可塑変形するにもかかわらず結合材料からはわずかに突出するにとどめることが可能である。
【００１７】
そのため、中間層の（微小）硬さを、７０〜１１０ＨＶ０．０１とするのが好ましく、特に８５〜１００ＨＶ０．０１とするのが望ましい。
【００１８】
ビッカース式の硬さ試験は、欧州統一規格ＥＮ ６５０７−１に基づき、加工（変形）されたすべり軸受部材の中間層について行われた。このとき、圧子は、すべり軸受部材の試験片において中間層の平面方向に対して押し込まれる。なお、試験片は、準備に当たり特に研磨されている。
【００１９】
ところで、中間層におけるアルミニウム合金が０．１〜１．０重量％のケイ素を含んでいるのが好ましい。これにより、アルミニウム合金の強度の向上を図ることが可能である。
【００２０】
さらに、中間層におけるアルミニウム合金を、重量％において更に以下の組成：
鉄  ０．０５〜１．０重量％
クロム  ０．０５〜０．５重量％
亜鉛  ０．０５〜０．５重量％
を含むよう構成するのが好ましい。
【００２１】
また、中間層におけるアルミニウム合金を、重量％において以下の組成：
マンガン  ０．４〜１．０重量％
マグネシウム  ０．４〜１．０重量％
ケイ素  ０．２〜０．８重量％
を含むよう構成するのが特に好ましい。これらの合金要素により、材料の強度及び硬さの向上を図ることが可能である。
【００２２】
また、中間層におけるアルミニウム合金を、それぞれ０．０５〜０．２５重量％のジルコニウム及びチタンを更に含むよう構成するのが好ましい。
【００２３】
また、中間層におけるアルミニウム合金は、個々に０．１重量％を超え、全体として０．２５重量％を超える他の金属成分を含まないよう構成されている。
【００２４】
また、軸受金属層の厚さｄ3を、１５０〜４００μｍとするのが好ましく、特に２００〜４００μｍとするのが望ましい。
【００２５】
また、軸受金属層におけるアルミニウム合金を、１．０〜３．０重量％のニッケル、０．５〜２．５重量％のマンガン、０．０２〜１．５重量％の銅、５〜２０重量％の軟質層、通常許容される不純物及び残りを形成するアルミニウムを含むよう構成するのが好ましい。そして、軟質層は、８〜１２重量％の比率となっている。例えば、ＡｌＳｎ１１．５Ｎｉ１．５Ｃｕ０．６Ｍｎ０．６合金が軸受金属層に適している。
【００２６】
なお、軟質層をすず及び／又はビスマスを含んで構成するのが望ましい。
【００２７】
また、軸受金属層の硬さを５０〜７０ＨＢＷ１／５／３０のブリネル硬さ、特に５０〜６０ＨＢＷ１／５／３０のブリネル硬さとするのが好ましい。
【００２８】
さらに、中間層と軸受金属層の間及び／又は中間層と保護層の間に円筒状積層結合部を形成するのが好ましい。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、中間層を、可塑変形するにもかかわらず結合材料からはわずかに突出するにとどめることが可能である。
【００３０】
他の課題、特徴及び効果については、以下の図面に基づく説明において言及する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】ベアリングシェルとして形成した本発明によるすべり軸受部材の実施形態を示す斜視図である。
【図２】従来技術におけるベアリングシェルの負荷領域における軸方向断面を示す図である。
【図３】負荷を受けた後の本発明によるベアリングシェルの負荷領域における軸方向断面を示す図である。
【図４】最初の使用時における、負荷を受けているベアリングシェルに沿った周方向の応力状態を示す図である。
【図５】可塑変形後の図４と同様な、負荷を受けているベアリングシェルに沿った周方向の応力状態を示す図である。
【図６】最初の使用時における、負荷を受けているベアリングシェルの最大応力領域近傍の軸方向の応力状態を示す図である。
【図７】可塑変形後の、負荷を受けているベアリングシェルの最大応力領域近傍の軸方向の応力状態を示す図である。
【図８】軸方向の最大応力領域近傍における本発明によるベアリングシェルの可塑変形性と中間層の材料、硬さ及び厚さとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００３３】
図１には好ましくは鋼から成る保護層１０を備えた、本発明によるベアリングシェルの基本構成が示されており、この保護層１０には、中間層１２及び軸受金属層１４がこの順に積層形成されている。また、軸受金属層１４の内面にはすべり面１６が形成されており、このすべり面１６は、例えばシャフト（不図示）などの回転部材に直接接触し、すべり接触している。
【００３４】
また、シャフトは、間接的にすべり面１６に接し、径方向の圧力をすべり軸受部材に作用させるようになっている。通常、このすべり軸受部材はオイル潤滑されているため、シャフトの回転により、シャフトとすべり面１６の間に流体力学的な圧力の下でオイルフィルムが形成される。そして、このオイルフィルムにより、シャフトとすべり面１６の間の直接的な接触が防止されるようになっている。
【００３５】
ところで、生産技術的な理由から、保護層１０への積層前に、中間層１２と軸受金属層１４をあらかじめ積層形成しておくことが考えられる。そして、保護層１０への積層後には、本発明によるすべり軸受部材の中間層１２は５０〜２５０μｍ、好ましくは１５０〜１７５μｍの厚さｄ2を有しており、軸受金属層１４は２００〜４００μｍ、好ましくは２５０〜３５０μｍの厚さｄ3を有している。
【００３６】
図３には、一般的な使用後の本発明によるすべり軸受部材における最大負荷を受ける外周領域の軸方向断面の一部が示されている。図２と比較すると、保護層３０上に直接積層された中間層３２及び該中間層３２上に積層された軸受金属層３４は、すべり軸受部材からわずかに押圧されるにとどまる。ここで、理想的には、保護層３０と中間層３２の間の円筒状積層結合部３６及び中間層３２と軸受金属層３４の間の円筒状積層結合部３８は、その状態が維持される。そのため、図２に示す従来の軸受に比して、各層が剥離したり、このような剥離に伴い軸受が全損したりする危険が軽減されることになる。
【００３７】
図４には、新規な、すなわち可塑変形がなされていないラジアル軸受部材の周方向における第１回目の一般的な応力状態が矢印４０で示されている。また、図６には、同様な軸受部材の軸方向部分、すなわち軸受幅にわたる同様な状態が最大負荷を受ける周囲領域において矢印６０で示されている。図４においては、特徴的な最大応力が一点鎖線４２で示されており、この応力は、比較的狭い角度範囲にわたって周方向に分散されている。
【００３８】
一方、軸受幅方向６０には、その軸方向両端部にそれぞれ最大応力が生じている（図６参照）。これはいわゆる「エッジ応力」として反映され、このエッジ応力（応力集中）は、回転部材（シャフト又はジャーナル）の負荷を受けることによるたわみ及び／又は負荷を受けることによる軸受ケーシングのたわみを引き起こすものとなる。そして、最大応力により代表される特有の高い負荷により、早い時期での材料の疲労や早い時期でのすべり軸受の全損につながってしまう。
【００３９】
そこで、本発明においては、すべり軸受の負荷安定性を改良するために、特に中間層が、所定の動作開始段階後に最大応力が減少するよう十分な可塑変形性を有するよう形成されている。このような状態は図５及び図７に示されており、図５では、図４との比較から分かるとおり、動作開始段階後に、比較的長い外周領域にわたって応力が分散されているとともに、破線４２で示す最大応力も減少している。これは、動作負荷下での中間層の変形性によりオイルフィルム圧力のある程度の分散がシャフトとすべり軸受部材の間の隙間においてなされることによるものである。なお、軸受幅方向におけるこのような効果は、図７に示されている。
【００４０】
すなわち、軸受は、軸方向の両端部において、軸方向中央部に作用する応力の一部が分散されるほどに可塑変形するようになっている。また、応力最大点７２，７４は、応力最小点７６における応力を増大させるために、なだらかとなっている。軸受に作用する負荷は全体としては同様であるものの、危険な最大応力を生じる点がなくなることから、非常に長期間の使用の後に初めて軸受部材の疲労が生じることになる。
【００４１】
図８には本発明によるすべり軸受部材の可塑性すなわち変形性を従来のすべり軸受部材と比較しつつ軸受幅方向（半分のみ）に示した図であり、図示の曲線は、すべり軸受の中央部である０から軸方向端部の９まで示されている。太い直線Ａは、硬さ６０ＨＶ０．０１を有するＡｌＭｎ１Ｃｕ合金（ＥＮ ＡＷ−３００３）から成る厚さ７５μｍの中間層を基層とする従来技術に基づく材料の可塑変形性を示している。このような中間層は、冒頭で述べたように、長時間の負荷の改良に必要な可塑変形性を有しているものの、このような中間層材料を使用する際には、図２を用いて説明した押圧を監視する必要がある。同様の材料を用いても、中間層の厚さの増大のみで、６．７近傍で最小値となる点線Ｂで示すように、可塑変形性が過大となってしまう。また、中間層の厚さの増大のみでは、中間層材料の複合材料からの押出しを防止することができない。
【００４２】
最終的には、３．５〜４．５重量％の銅を含有し、積層形成後（場合によっては熱処理後）、７０〜１１０ＨＶ０．０１、好ましくは８５〜１００ＨＶ０．０１の硬さを有するアルミニウム合金の使用により成功が達成された。このような中間層を有するすべり軸受において、この中間層の厚さを様々に変更して試験した結果、良好な可塑変形性を得るには、中間層の厚さを５０〜２５０μｍとするのが好適であることが判明した。特に、中間層の厚さを１５０μｍ（図８における線Ｃを参照）や２００μｍ（同線Ｄを参照）とするのが好ましく、特に、中間層の厚さを１５０〜１７５μｍとするのが望ましい（同線Ｅを参照）。
【符号の説明】
【００４３】
１０            保護層
１２            中間層
１４            軸受金属層
１６            すべり面
２０            保護層
２２            中間層
２４            軸受金属層
２６            端面部
２８            亀裂
３０            保護層
３２            中間層
３４            軸受金属層
３６，３８      円筒状積層結合部
４２            （最高点を通過する）破線
６２，６４      応力最大点
７２，７４      応力最大点
７６            応力最小点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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