(57)【要約】【課題】析出するＡｌ−Ｃｕ化合物を制御することにより、耐疲労性の向上と耐焼付性の向上とを両立するＡｌ基摺動合金を提供する。【解決手段】Ａｌ基摺動合金は、０．５〜２．０質量％のＣｕを含む。Ａｌマトリクスに析出するＡｌ−Ｃｕ化合物は、最大径が５０〜５００ｎｍであり、７０００ｎｍ×６０００ｎｍの観察視野に２００〜６００個含まれている。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．５〜２．０質量％のＣｕを含むＡｌ基摺動合金であって、
Ａｌマトリクスに析出するＡｌ−Ｃｕ化合物は、最大径が５０〜５００ｎｍであり、７０００ｎｍ×６０００ｎｍの観察視野に２００〜６００個含まれているＡｌ基摺動合金。
【請求項２】
Ｚｎを３．０〜５．０質量％、
Ｍｇを０．３〜０．７質量％、含有し、
Ｚｎ／Ｍｇの質量比が４．３〜１６．７である請求項１記載のＡｌ基摺動合金。
【請求項３】
Ｓｉを５．０〜７．０質量％
Ｍｇを０．３〜０．７質量％、含有し、
前記Ａｌマトリクスに析出するＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ化合物は、最大径が２００〜１０００ｎｍであり、前記観察視野に２〜８個含まれている請求項１又は２記載のＡｌ基摺動合金。
【請求項４】
前記Ａｌマトリクスに析出するＳｉ粒子の相互間の距離をＤとすると、視認される前記Ｓｉ粒子の９５％以上が０．５μｍ≦Ｄ＜５．５μｍで分布し、残る５％未満が５．５μｍ≦Ｄ≦１０μｍで分布する請求項３記載のＡｌ基摺動合金。
【請求項５】
前記Ａｌマトリクスに析出する前記Ａｌ−Ｃｕ化合物は、最大径が２〜５０ｎｍのものを含み、
この最大径が２〜５０ｎｍの前記Ａｌ−Ｃｕ化合物は、３５０ｎｍ×３００ｎｍの観察視野に１２５〜３８０個含まれている請求項１から４のいずれか一項記載のＡｌ基摺動合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ａｌ基摺動合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ａｌ基摺動合金が用いられている軸受は、初期なじみ性が比較的良好であり、高い面圧でも優れた耐疲労性を発揮する。そのため、Ａｌ基摺動合金を用いる軸受は、自動車や一般産業機械などの高出力エンジンに用いられている。近年では、エンジンの小型化及び高荷重化に対応するために、Ａｌ基摺動合金は耐疲労性及び耐焼付性のさらなる向上が求められている。例えば、特許文献１の場合、Ａｌ基摺動合金に含まれるＳｉ粒子の大きさを制御することにより、耐疲労性及び耐焼付性の向上を図っている。
【０００３】
しかしながら、特許文献１のようにＳｉ粒子の大きさを制御することにより、Ａｌ基摺動合金のＡｌマトリクスを微細化しても、耐疲労性の向上には限界がある。また、特許文献１では、耐焼付性の向上を図るために、Ｓｎを添加している。このＳｎは、耐焼付性の向上には寄与するものの、Ａｌ基摺動合金の耐疲労性の低下を招くという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ９６／１１８００号国際公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明の目的は、析出するＡｌ−Ｃｕ化合物を制御することにより、耐疲労性の向上と耐焼付性の向上とを両立するＡｌ基摺動合金を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために本実施形態では、０．５〜２．０質量％のＣｕを含むＡｌ基摺動合金であって、Ａｌマトリクスに析出するＡｌ−Ｃｕ化合物は、最大径が５０〜５００ｎｍであり、７０００ｎｍ×６０００ｎｍの観察視野に２００〜６００個含まれている。
【０００７】
上記の構成により、析出するＡｌ−Ｃｕ化合物は、Ａｌマトリクスに微細に分散する。すなわち、本発明者らは、ＡｌマトリクスにＡｌ−Ｃｕ化合物を微細に分散させた。また、析出するＡｌ−Ｃｕ化合物は、Ｆｅに対して非凝着性の高い化合物である。そのため、この非凝着性のＡｌ−Ｃｕ化合物がＡｌマトリクスに微細に分散することにより、耐焼付性が向上する。ここで、Ｃｕの含有量が０．５質量％未満になると、耐疲労性及び耐焼付性の向上を図るために十分な数のＡｌ−Ｃｕ化合物が生成されない。一方、Ｃｕの含有量が２．０質量％を超えると、粗大なＡｌ−Ｃｕ化合物の生成を招く。Ｃｕの含有量を０．５〜２．０質量％に設定することにより、析出するＡｌ−Ｃｕ化合物は、最大径が５０〜５００ｎｍに制御されるとともに、７０００×６０００ｎｍの観察視野に２００〜６００個含まれるように制御される。したがって、析出するＡｌ−Ｃｕ化合物がＡｌマトリクスに微細に分散し、耐疲労性の向上と耐焼付性の向上とを両立することができる。
【０００８】
また、本実施形態では、Ｚｎを３．０〜５．０質量％、Ｍｇを０．３〜０．７質量％、含有し、Ｚｎ／Ｍｇの質量比が４．３〜１６．７である。
Ｚｎ及びＭｇは、Ａｌマトリクスの強度の増大に寄与する。一方、このＺｎ及びＭｇの添加とＡｌ−Ｃｕ化合物の微細な分散とを両立するために、Ｚｎ／Ｍｇの質量比を設定している。すなわち、Ｚｎ／Ｍｇの質量比を４．３〜１６．７に設定することにより、Ａｌマトリクスに含まれる５０〜５００ｎｍのＡｌ−Ｃｕ化合物は増加する。ここで、Ｚｎは、３．０質量％以上添加することにより、Ａｌマトリクスの強度の向上に寄与する。一方、Ｚｎを過度に添加すると、Ａｌマトリクスの靱性が低くなる。そこで、Ｚｎの含有量は、３．０〜５．０質量％に設定している。また、Ｍｇは、０．３質量％以上添加することにより、Ａｌとの間に生成した化合物が強度の向上に寄与する。一方、Ｍｇも、過度に添加すると、粗大な化合物の形成を招くおそれがある。そこで、Ｍｇの含有量は、０．３〜０．７質量％に設定している。以上のように、Ｚｎ及びＭｇの添加量を設定することにより、強度の向上とともに、耐疲労性及び耐焼付性の更なる向上を図ることができる。
【０００９】
本実施形態では、Ｓｉを５．０〜７．０質量％、Ｍｇを０．３〜０．７質量％、含有し、前記Ａｌマトリクスに析出するＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ化合物は、最大径が２００〜１０００ｎｍであり、前記観察視野に２〜８個含まれている。
Ｓｉを添加することにより、ＡｌマトリクスにはＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ化合物が析出する。このＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ化合物は、Ａｌ−Ｃｕ化合物と同様に耐疲労性及び耐焼付性の向上に寄与する。Ｓｉは、５．０質量％以上添加することにより、耐疲労性及び耐焼付性の向上に寄与するＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ化合物の生成が促される。一方、Ｓｉを過度に添加すると、粗大なＳｉ粒子の生成を招き、Ａｌ基摺動合金を脆くしがちである。そこで、Ｓｉの含有量は、５．０〜７．０質量％に設定している。以上のように、Ｓｉの添加量を設定することにより、耐疲労性及び耐焼付性の更なる向上を図ることができる。
【００１０】
本実施形態では、前記Ａｌマトリクスに析出するＳｉ粒子の相互間の距離をＤとすると、視認される前記Ｓｉ粒子の９５％以上が０．５μｍ≦Ｄ＜５．５μｍで分布し、残る５％未満が５．５μｍ≦Ｄ≦１０μｍで分布する。ここでは、最大径０．１μｍ以上のＳｉ粒子をカウントする。
ここで、Ｓｉ粒子の距離Ｄとは、２００μｍ×１５０μｍの観察視野において着目したＳｉ粒子に対して最も短い重心距離をもつＳｉ粒子との距離である。すなわち、観察視野において視認されるＳｉ粒子の総数の９５％以上は、他のＳｉ粒子までの距離Ｄが０．５μｍ≦Ｄ＜５．５μｍで分布する。Ｓｉを添加することにより、ＡｌマトリクスにはＳｉ粒子が析出する。このＳｉ粒子について、粒子相互間の距離を小さくかつ均一に制御する。すなわち、Ｓｉ粒子の相互間の距離Ｄを設定することにより、ＡｌマトリクスにはＳｉ粒子が均一かつ微細に分布する。したがって、耐疲労性を向上することができる。
【００１１】
本実施形態では、前記Ａｌマトリクスに析出する前記Ａｌ−Ｃｕ化合物は、最大径が２〜５０ｎｍのものを含み、この最大径が２〜５０ｎｍの前記Ａｌ−Ｃｕ化合物は、３５０ｎｍ×３００ｎｍの観察視野に１２５〜３８０個含まれている。
Ａｌマトリクスに最大径が２〜５０ｎｍのＡｌ−Ｃｕ化合物が上記範囲で分布することにより、耐疲労性及び耐焼付性をさらに向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図４のＩ部分を拡大した拡大図
【図２】図１のＩＩ部分を拡大した拡大図
【図３】化合物の最大径を説明するための説明図
【図４】図５のＩＶ部分を拡大した拡大図
【図５】一実施形態によるＳｉを含むＡｌ基摺動合金の構造を示す模式図
【図６】一実施形態によるＡｌ基摺動合金を製造する製造装置を示す模式図
【図７】一実施形態によるＡｌ基摺動合金を軸受合金層に適用したバイメタルを示す模式図
【図８】耐焼付試験の試験条件を示す概略図
【図９】耐疲労試験の試験条件を示す概略図
【図１０】実施形態による実施例及び比較例の実験結果を示す図
【図１１】実施形態による実施例の試験結果を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、Ａｌ基摺動合金の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１及び図２は、Ａｌ基摺動合金１０を示す模式的な断面図である。Ａｌ基摺動合金１０は、Ｃｕを０．５〜２．０質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的な不純物で形成されている。Ａｌ基摺動合金１０は、添加元素として、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｉ等を添加してもよい。
【００１４】
ＡｌにＣｕを添加する場合、図１及び図２に示すようにＡｌ基摺動合金１０は、Ａｌマトリクス１１に析出するＡｌ−Ｃｕ化合物１２を含んでいる。この析出するＡｌ−Ｃｕ化合物１２は、最大径が５０〜５００ｎｍであり、予め設定した観察視野に２００〜６００個含まれている。ここで、観察視野は、７０００×６０００ｎｍに設定している。すなわち、Ａｌ基摺動合金１０は、７０００×６０００ｎｍの領域に、最大径が５０〜５００ｎｍの微細なＡｌ−Ｃｕ化合物１２を２００〜６００個含んでいる。この場合、７０００ｎｍ×６０００ｎｍの観察視野は、最大径が２０００ｎｍよりも大きな粒子を含まない任意の領域に設定する。ここで、最大径とは、図３に示すように析出するＡｌ−Ｃｕ化合物１２の粒子の重心１３を求め、この重心１３を通る外径の内、最大のものである。
【００１５】
また、Ａｌ基摺動合金１０に析出するＡｌ−Ｃｕ化合物１２は、図２に示すように最大径が２〜５０ｎｍのものを含んでいてもよい。この最大径が２〜５０ｎｍのＡｌ−Ｃｕ化合物１２は、上記の観察視野とは別途設定した３５０ｎｍ×３００ｎｍの観察視野に、１２５〜３８０個含まれている。すなわち、Ａｌ基摺動合金１０は、３５０ｎｍ×３００ｎｍの領域に、最大径が２〜５０ｎｍのさらに微細なＡｌ−Ｃｕ化合物１２を１２５〜３８０個含んでいる。この場合、３５０ｎｍ×３００ｎｍの観察視野は、最大径が１００ｎｍよりも大きな粒子を含まない任意の領域に設定する。例えばＳｉを添加したとき、Ａｌマトリクス１１に析出するＳｉ粒子は、最大径が１００ｎｍよりも大きいことがある。このとき、そのＳｉ粒子を含む位置に観察視野を設定すると、性能に影響するＡｌ−Ｃｕ化合物１２の数を正しく観察することができない。したがって、３５０ｎｍ×３００ｎｍの観察視野は、最大径が１００ｎｍよりも大きな粒子を含まない位置に設定する。
【００１６】
ＡｌにＺｎ及びＭｇを添加する場合、Ｚｎは３．０〜５．０質量％、及びＭｇは０．３〜０．７質量％添加される。添加されるＺｎとＭｇとの質量比Ｚｎ／Ｍｇは、Ｚｎ／Ｍｇ＝４．３〜１６．７に設定されている。
ＡｌにＳｉ及びＭｇを添加する場合、Ｓｉは５．０〜７．０質量％添加される。このとき、図４に示すようにＡｌマトリクス１１に析出するＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ化合物１４は、最大径が２００〜１０００ｎｍであり、７０００×６０００ｎｍの観察視野に２〜８個含まれている。すなわち、Ａｌ基摺動合金１０は、７０００×６０００ｎｍの領域に、最大径が２００〜１０００ｎｍのＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ化合物１４を２〜８個含んでいる。この場合も同様に、７０００ｎｍ×６０００ｎｍの観察視野は、最大径が２０００ｎｍよりも大きな粒子を含まない任意の領域に設定する。
【００１７】
ＡｌにＳｉを添加する場合、Ａｌマトリクス１１には図５に示すようにＳｉ粒子１５が析出する。析出するＳｉ粒子１５の相互間の距離をＤとすると、任意の観察視野において視認されるＳｉ粒子１５は、その粒子の総数の９５％以上が０．５μｍ≦Ｄ＜５．５μｍで隣り合っている。一方、任意の観察視野において視認されるＳｉ粒子１５は、残る５％未満が５．５μｍ≦Ｄ≦１０μｍで隣り合っている。任意の観察視野において視認されるＳｉ粒子１５の総てが０．５μｍ≦Ｄ＜５．５μｍで隣り合っていることが、性能上特に好ましい。また、Ｓｉ粒子１５は、最大径を０．３〜５．０μｍに制御するのが、Ａｌマトリクスへの分布上好ましい。任意の観察視野において視認されるＳｉ粒子１５は、その粒子数の９０％以上が２．０μｍ以下の最大径を有するものであることが、更に好ましい。なお、本実施形態では、Ｓｉ粒子の距離Ｄを観察する場合、観察視野は、２００μｍ×１５０μｍに設定した。
【００１８】
上記のＡｌ基摺動合金１０は、次のように製造される。
まず、所定の添加元素を添加したＡｌを溶解し、溶湯は図６に示す鋳造装置２０によって鋳造される。鋳造装置２０は、鋳造を行なうための溶湯を生成する溶解炉２１を備えている。鋳造装置２０は、浴槽２２を備えており、この浴槽２２に溶解炉２１で生成した溶湯が貯えられる。浴槽２２は、溶湯供給ノズル２３に接続している。浴槽２２に貯えられた溶湯は、この溶湯供給ノズル２３を通して一対のローラ２４及びローラ２５へ供給される。ローラ２４及びローラ２５は、互いに微小な隙間を形成し、軸が溶湯の流れに直交しかつ水平に設けられている。
【００１９】
ローラ２４及びローラ２５は、冷却管２６を流れる例えば水などの冷媒によって冷却される。冷却管２６は、ローラ２４及びローラ２５の内側に軸方向へ伸びている。冷却管２６に供給される冷媒の流量及び流速を制御することにより、ローラ２４及びローラ２５を通過する溶湯の冷却が制御される。冷媒の流量及び流速は、図示しない制御装置で制御された図示しない開閉弁の開閉によって調整される。
【００２０】
実施例１〜１２では、溶湯は浴槽２２からローラ２４及びローラ２５に到達するまで６８０〜８２０℃に維持した。供給される溶湯がローラ２４及びローラ２５に接することにより、溶湯は冷却が開始される。このとき、Ａｌ基摺動合金１０の溶湯は、表面温度が５００℃に達するまで、８０〜１２０℃／秒で冷却した。実施例１３〜１８では、溶湯は、浴槽２２からローラ２４及びローラ２５に到達するまで６８０〜８２０℃に維持し、冷却開始後に表面温度が４５０℃に達するまで、１００〜１３０℃／秒で冷却した。実施例１９〜２１では、溶湯は、浴槽２２からローラ２４及びローラ２５に到達するまで７００〜８２０℃に維持し、冷却開始後に表面温度が４５０℃に達するまで、１３０〜１５０℃／秒で冷却した。比較例１〜３では、溶湯は、浴槽２２からローラ２４及びローラ２５に到達するまで６８０〜８２０℃に維持し、冷却開始後に表面温度が５００℃に達するまで、５０〜７０℃／秒で冷却した。
【００２１】
溶湯が一対のローラ２４及びローラ２５で冷却されて凝固することにより、板状のＡｌ基摺動合金１０が鋳造板２７として鋳造される。得られた鋳造板２７は、カッター２８で所定の寸法に切断され、巻取部２９によって巻き取られる。所定の寸法に切断された鋳造板２７は、図７に示すように鋼板などで形成される裏金層３１に積層される。これにより、Ａｌ基摺動合金１０を軸受合金層３２とする軸受用のバイメタル３３が製造される。製造されたバイメタル３３は、予め設定した条件で焼鈍した後、所定の形状に加工されてすべり軸受として製造される。設定した焼鈍条件は、実施例１〜１８に対しては３９０±２０℃で８〜１０時間、実施例１９〜２１に対しては３９０±２０℃で１０〜１４時間の焼鈍温度及び焼鈍時間とした。比較例１〜３に対しては４１０±２０℃で４〜６時間の焼鈍温度及び焼鈍時間とした。なお、軸受合金層３２と裏金層３１との間には、中間層を設けてもよい。
【００２２】
次に、実施例１〜実施例２１、及び比較例１〜比較例３を用いてＡｌ基摺動合金１０の作用及び効果について説明する。
実施例１〜実施例２１、及び比較例１〜比較例３は、図８に示す試験条件で耐焼付性について検証した。また、実施例１〜２１、及び比較例１〜比較例３は、図９に示す試験条件で耐疲労性について検証した。耐焼付性については、焼付かない最大面圧によって評価した。また、耐疲労性については、疲労しない最大面圧によって評価した。各実施例及び比較例において、試験片は、Ａｌ基摺動合金１０からなる厚さ０．３ｍｍの軸受合金層３１を１．２ｍｍの裏金層３１に積層して２層構造とした。この試験片は、軸方向の全長を１５ｍｍとし、外径５６ｍｍの半円筒状に成形した。
【００２３】
まず、Ａｌ基摺動合金１０に含まれるＡｌ−Ｃｕ化合物１２の数の影響を検証した。図１０に示すように実施例１〜実施例５は、いずれもＣｕを０．５〜２．０質量％含んでいる。そして、実施例１〜実施例５は、最大径が５０〜５００ｎｍのＡｌ−Ｃｕ化合物１２を、７０００×６０００ｎｍの観察視野に２００〜６００個含んでいる。これに対し、比較例１〜比較例３は、Ｃｕの含有量又は観察視野に含まれる最大径が５０〜５００ｎｍのＡｌ−Ｃｕ化合物の数が実施例と異なる。
【００２４】
これら実施例１〜実施例５は、比較例１〜比較例３と比較すると、耐焼付性及び耐疲労性ともに向上していることがわかる。すなわち、実施例１〜実施例５は、Ｃｕの含有量及び最大径が５０〜５００ｎｍのＡｌ−Ｃｕ化合物１２の数を規定することにより、耐焼付性及び耐疲労性が向上している。比較例１の場合、Ａｌマトリクスに析出するＡｌ−Ｃｕ化合物が実施例に比較して少ない。そのため、比較例１では、析出するＡｌ−Ｃｕ化合物がＡｌマトリクスに適切に分散していなかった。また、比較例２の場合、Ｃｕの添加量が過小である。そのため、比較例２では、耐疲労性及び耐焼付性の向上を図るために十分な数のＡｌ−Ｃｕ化合物が生成されていないと考えられる。さらに、比較例３の場合、Ｃｕの添加量が過大である。そのため、比較例３では、粗大なＡｌ−Ｃｕ化合物の生成を招いたと考えられる。
【００２５】
次に、図１１に示すように実施例１〜実施例２１により添加元素であるＺｎ、Ｍｇ、Ｓｉの影響について検証した。図１１に示す実施例１〜実施例５は、上述の図１０における実施例１〜実施例５と同一である。
Ｚｎ及びＭｇを添加した影響は、実施例６〜実施例１２を用いて検証した。図１１に示す量のＺｎ及びＭｇを添加した場合、耐焼付性及び耐疲労性が向上した。これは、Ｚｎ及びＭｇがいずれもＡｌマトリクス１１の強度の増大に寄与しているからと考えられる。但し、Ｚｎ及びＭｇの過剰な添加は、Ａｌマトリクス１１の靱性が低くなったり、粗大な化合物の形成を招いたりするおそれがある。また、Ｚｎ／Ｍｇの質量比は、４．３〜１６．７に設定することにより、耐焼付性及び耐疲労性の向上が図られることがわかる。これは、摺動に際し相手部材を鉄鋼や鋳鉄等のＦｅを主体とするものとする場合、Ａｌ基摺動合金１０のＺｎ／Ｍｇの質量比を設定することにより、Ａｌマトリクス１１に含まれる５０〜５００ｎｍのＡｌ−Ｃｕ化合物１２が増加し、Ｆｅに対して非凝着性の高いところが増加されたためと考えられる。
【００２６】
Ｓｉを添加した影響は、実施例１３〜実施例１８を用いて検証した。図１１に示す量のＳｉを添加した場合、耐焼付性及び耐疲労性が向上した。これは、Ｓｉを添加することにより、Ａｌマトリクス１１にはＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ化合物１４が析出し、析出したＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ化合物１４がＡｌ−Ｃｕ化合物１２と同様に耐疲労性及び耐焼付性の向上に寄与しているからと考えられる。但し、Ｓｉの過剰な添加は、粗大なＳｉ粒子の生成を招き、Ａｌ基摺動合金１０を脆くするおそれがある。
【００２７】
また、Ｓｉを添加した実施例１３〜実施例１８から、Ｓｉ粒子１５の相互間の距離も耐焼付性及び耐疲労性に影響を与えることがわかる。これは、Ａｌマトリクス１１に析出するＳｉ粒子１５の相互間の距離を小さくかつ均一に制御することにより、Ａｌマトリクス１１にＳｉ粒子１５が均一かつ微細に分布するためと考えられる。
【００２８】
Ａｌマトリクス１１に含まれる最大径が２〜５０ｎｍのＡｌ−Ｃｕ化合物１２の影響は、実施例１９〜実施例２１を用いて検証した。実施例１９〜実施例２１では、最大径が２〜５０ｎｍのＡｌ−Ｃｕ化合物１２が図１１に示す範囲で分布することにより、耐疲労性及び耐焼付性が向上していることがわかる。これは、Ａｌマトリクス１１に最大径が２〜５０ｎｍのＡｌ−Ｃｕ化合物１２が最適量分布することによるためと考えられる。
【００２９】
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
【符号の説明】
【００３０】
図面中、１０はＡｌ基摺動合金、１１はＡｌマトリクス、１２はＡｌ−Ｃｕ化合物、１４はＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ化合物を示す。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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