(57)【要約】  アルミニウム基軸受合金材料及びこれから製造された軸受が記載され、軸受材料は、スズ５〜１０重量％、銅０．８〜１．３重量％、ニッケル０．８〜１．３重量％、ケイ素１．５〜３重量％、バナジウム０．１３〜０．１９重量％、マンガン０．８〜１．２重量％、クロム０．４〜０．６重量％、残りが不可避不純物とアルミニウムからなる組成を有する。
2009542904.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スズ５〜１０重量％、銅０．８〜１．３重量％、ニッケル０．８〜１．３重量％、ケイ素１．５〜３重量％、バナジウム０．１３〜０．１９重量％、マンガン０．８〜１．２重量％、クロム０．４〜０．６重量％、残りが不可避不純物とアルミニウムからなる組成を有する、アルミニウム基軸受合金材料。
【請求項２】
スズ含有量は、５．５〜７重量％である、請求項１に記載の軸受材料。
【請求項３】
合金は、少なくとも金属間化合物ＭｎＣｒＶを含む金属間粒子の分布を構造内に有する、請求項１又は２に記載の軸受材料。
【請求項４】
金属間粒子のサイズは、一般に、１０μｍ未満である、請求項３に記載の軸受材料。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の、アルミニウム合金基軸受材料の滑り面を有するライニングを備えた、軸受。
【請求項６】
アルミニウム基材料の中間層が、軸受材料ライニングと強い裏当材の間に挿入されている、請求項５に記載の軸受。
【請求項７】
中間層自体が、複数の異なるアルミニウム合金材料を含む、請求項６に記載の軸受。
【請求項８】
中間層は、アルミニウム−銅−マンガン合金の第一層及びアルミニウム−ケイ素合金の第二層、の２つの層を含む、請求項７に記載の軸受。
【請求項９】
添付の記述及び図面を参照して本明細書中に実質的に記載された、アルミニウム合金基軸受材料。
【請求項１０】
添付の記述及び図面を参照して本明細書中に実質的に記載された、軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム基軸受材料及びこの材料から製造される滑り軸受の製造に関し、限定はしないが、特に流体力学的に潤滑なエンジンクランク軸受の製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高規格の内燃機関は、銅基合金、又は例えば鋼のような強い裏当材（ｂａｃｋｉｎｇ  ｍａｔｅｒｉａｌ）もしくは支持材料と何らかの方法で結合したアルミニウム基軸受合金のいずれかを含むクランク軸受を使用してきた。軸受合金の実際の作用面、即ち、エンジンのクランク軸ジャーナル面に向かい合う面には、また、例えば鉛−スズ、鉛−スズ−銅又は鉛−インジウムのような比較的柔らかい金属合金の薄いコーティングである、所謂オーバーレイコーティングが施されていることが多い。オーバーレイコーティングの目的は、軸受に、整合性（ｃｏｎｆｏｒｍａｂｉｌｉｔｙ）及び汚れ埋め込み能力（ｄｉｒｔ  ｅｍｂｅｄｄａｂｉｌｉｔｙ）の特性を与えることである。整合性は、軸受と軸表面の間の僅かの機械的ずれを調整することを可能にする軸受の特性であり、かつかけられた荷重を分散するオーバーレイ合金の能力の尺度である。汚れ埋め込み能力は、潤滑油中の破片粒子を、例えば軸に傷を付けるような損傷を生じずに、柔らかいオーバーレイ合金中に埋め込ませる特性である。オーバーレイ被覆軸受は、いくつかの技術的利点を有するが、他と比較して非常に労力のかかるプロセスである電気メッキ又はスパッタ蒸着により、オーバーレイを一般に蒸着させるので、製造に費用がかかるという重大な欠点を有する。
【０００３】
自動車製造業者は、より安価に購入できる、オーバーレイコーティングを備えない軸受を所望することが多い。しかしながら、エンジンの中には、特別に高い特有の出力を有さないにもかかわらず、そのデザインのためにクランク軸受に高い荷重がかかるものや、又は軸受と軸ジャーナルの間に存在する油膜が特に薄く、その結果、所謂、軸受面の「スカッフィング（ｓｃｕｆｆｉｎｇ）」を起こしやすいものがある。スカッフィングは、クランク軸ジャーナル面と軸受面の間で金属と金属の接触が起こる所で、即ち、接触点で油膜が破裂して、金属と金属を接触せしめている所で生じる。スカッフィングは、実際の焼付き（ｓｅｉｚｕｒｅ）及びその結果としての軸受の故障を伴わない、瞬間的な金属と金属の接触に関係している。オーバーレイ被覆された軸受は、特にスカッフ（ｓｃｕｆｆ）に対し抵抗性があるが、慣用の銅及びアルミニウムを基礎とする合金の大半は、オーバーレイ無しで使用すると、耐スカッフ性の点で比較的不十分である。スカッフィングに抵抗する能力は、合金の整合性の尺度である。スカッフィングとは対照的に、焼付きは、合金の適合性の欠如に関連し、焼付きが起こると、一般に、軸受の故障（場合により、エンジンの故障）を生じる。
【０００４】
本明細書と同じ出願者によるＧＢ２３５８８７２は、滑り軸受、主に流体力学的に潤滑なエンジン軸受、用のアルミニウム基軸受合金を記載し、これは、スズ５〜１０重量％、銅０．７〜１．３重量％、ニッケル０．７〜１．３重量％、ケイ素１．５〜３．５重量％、バナジウム０．１〜０．３重量％、マンガン０．１〜０．３重量％、不可避不純物とアルミニウムからなる残部を含む。この軸受合金が、強い裏当材、例えば鋼、と結合すると、良好な疲労強度を有し、前記のようにオーバーレイコーティング無しで使用しても、他の公知の高強度アルミニウム基軸受材と比較して、優れた耐スカッフ性を示す。
【０００５】
しかしながら、例えば、比較的小さく、回転速度を上げたターボチャージ付ディーゼルエンジンのような高出力エンジンの近年の進歩は、スカッフィングや焼付きに対する高い耐性をなお要求すると同時に、増加された耐疲労性及び耐摩耗性、即ちより高い強度も要求する。しかしながら、オーバーレイコーティングの使用を阻む、費用に関する義務がまだ存在する。通常、増加された疲労強度及び保持又は増加された耐スカッフ性及び／又は耐焼付き性の２つの要件は、相互に相容れない。通常、より高い強度は、耐スカッフ性／耐焼付き性の減少をもたらす。
【０００６】
増加された強度及び増加された耐焼付き性という、これまで相互に相容れなかった要件を意想外にも満たす、アルミニウム合金基軸受材の配合を発見した。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の第一の態様により、スズ５〜１０重量％、銅０．８〜１．３重量％、ニッケル０．８〜１．３重量％、ケイ素１．５〜３．０重量％、バナジウム０．１３〜０．１９重量％、マンガン０．８〜１．２重量％、クロム０．４〜０．６重量％、残りが不可避不純物とアルミニウムからなる組成を有する、アルミニウム基軸受合金材料が提供される。
【０００８】
本明細書を通し、用語「アルミニウム基」とは、組成物が、その中の最大の単一の成分としてアルミニウムを有することを意味する。
【０００９】
本発明の好ましい実施形態では、スズ含有量は、５．５〜７．０重量％である。
【００１０】
一般に、流体力学的に潤滑な条件下で、エンジンのクランク軸受として使用する場合、本発明による合金は、例えば、鋼又はブロンズのような強い裏当材と結合させてよい。そのような材料を製造する製造プロセスは、基礎となるアルミニウム合金を鋳造し、鋳造合金を熱機械的プロセスにより加工して、その厚さを所望のサイズまで減じ、次いで合金を、例えばロール圧溶接などのプロセスにより強い裏当材に結合させる、公知の原理に一般に従う。
【００１１】
本発明によるアルミニウム合金軸受材料は、鋳放し状態で、かつ最終軸受ライニングに加工されると、特に、ＭｎＣｒＶを含む金属間相を有する。鋳放し材において、相は角ばった（ａｎｇｕｌａｒ）形態をしており、代表的には、５０〜１００μｍの最大寸法を有する。完全に加工された材料では、金属間相は不規則な形状であり、角が少なく、代表的には、５〜１０μｍの最大寸法を有する。強い裏当と結合された場合、最終合金材料中の金属間化合物は、その組成及び分布の両方が複雑である。例えば、圧延により加工された合金では、金属間化合物は、打ち砕かれ、スズ領域に、圧延方向に延伸された集合体として現れ、かつ前記のサイズの離散粒子としても現れる。粒子自体は、クロム、バナジウム、及び時にはケイ素も含むマンガン；ケイ素及びマンガン；並びに銅及びニッケルの結集である。
【００１２】
本発明による軸受合金は、前記ＧＢ２３５８８７２による公知合金に比べて、マンガンがほぼ０．７５重量％多く、かつクロム含分０．４〜０．６重量％が追加されている。これは、軸受形状にすると、より高い固有強度及び合金硬度をもたらして、より高い疲労強度を提供した。そのため、本発明による材料が、この点を踏まえて、その耐焼付け性を保持し、実際のところ改良したのは、非常に意想外である。ＧＢ２３５８８７２による合金は、一般に、９１ＭＰａの疲労評価（ｒａｔｉｎｇ）及び８５ＭＰａの焼付き評価を有し、他方、本発明による軸受合金は、一般に、１００ＭＰａの疲労評価及び９０ＭＰａの焼付き評価を有する
【００１３】
成形された軸受は、アルミニウム合金と強い裏当材の間に中間層が設けられていることが多い。本発明のコンテクストにおけるそのような中間層材料は、例えばアルミニウム又は他のアルミニウム合金であってよい。中間層は、鋳造アルミニウム軸受合金の加工の間の１ステップとして、例えば、熱機械作業プロセスの間に、ロール圧着（ｒｏｌｌ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｂｏｎｄｉｎｇ）ステップで、所望材料のホイルをアルミニウム合金に結合させることにより施すことができる。アルミニウム及びアルミニウム合金中間層は、軸受技術では周知であり、一般に、最終エンジン軸受の疲労強度を改良又は保持することに関する種々の理由のために使用することができる。例えば、スズのような、柔らかい、低融点金属の相を比較的高い含有量で合金組成物に使用する場合、中間層の使用により、高温操作の間に、柔らかい相が、軸受合金と鋼との界面へ移動し、その結果、疲労強度を減じるということを防ぎ得ることが判明している。場合によっては、中間層の材料自体が、軸受の疲労強度を増加させ得ることが判明した。
【００１４】
本発明において、好ましい中間層は、事実上、２層中間層であり、これは、アルミニウム合金軸受材料と強い裏当材との間に挟まれている。そのような中間層例は、アルミニウム合金軸受材料に隣接するアルミニウム−銅−マンガン合金の第一層及び強い裏当材に隣接するアルミニウム−ケイ素材料の第二層からなる。第一層の組成例は、重量％で、Ａｌ／０．０５〜０．２Ｃｕ／１〜１．５Ｍｎであり、第二層の組成例は、重量％で、Ａｌ／８Ｓｉである。
【００１５】
大まかにいえば、アルミニウム合金軸受材料は、軸受において、約０．２５〜０．３５ｍｍの厚さを有してよく、中間層は、軸受中で、約０．０２５〜０．０３５ｍｍの厚さを有してよい。強い裏当材は、エンジンのデザインパラメーターに依存して、約１ｍｍから上の相対的に広い範囲の厚さを有してよい。
【００１６】
本発明の第二の態様により、本発明の第一の態様によるアルミニウム基軸受合金材料のライニングを有するエンジン軸受が提供される。
【００１７】
本発明の理解をさらに完全にするために、添付した図面を参照して実施例を記載するが、これは説明のみを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明によるアルミニウム合金軸受材料のライニングを有する軸受の、軸方向の、ノンスケール（ｎｏｎ−ｓｃａｌｅ）概略断面図であり、構成層を示す。
【図２】本発明によるアルミニウム合金ライニングを有する軸受及び他の比較合金ライニングを有する軸受の疲労強度を示す棒グラフである。
【図３】本発明によるアルミニウム合金ライニングを有する軸受及び他の比較合金ライニングを有する軸受の耐焼付き性を示す棒グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、本発明による軸受合金ライニングを有する、代表的軸受１０の一部の、軸方向概略断面を示す。軸受は、鋼製強裏当材の層１２、中間層１４、及び滑り軸受面１８を有する軸受合金ライニング層１６を含む。中間層１４自体は、２層からなる。その第一層２０は、軸受合金ライニング１６に隣接し、Ａｌ−０．１Ｃｕ−１．２Ｍｎの組成を有し、かつ中間層１４の厚さ合計の約９０％を占め、第二層２２は、裏当１２に隣接し、Ａｌ−８％Ｓｉの組成を有し、かつ中間層１４の厚さ合計の約１０％を占める。
【実施例】
【００２０】
疲労及び焼付き試験のための軸受を、以下の一般的手順に従い製造した。
１）重量％で、Ａｌ−５．８５Ｓｎ−１．８Ｓｉ−０．８Ｎｉ−０．９Ｃｕ−０．１３Ｖ−０．８Ｍｎ−０．４Ｃｒの組成を有する合金材料を半連続鋳造プロセスにより鋳造した。
２）鋳造合金は、３５０℃で４時間熱処理して均一にした。
３）鋳造合金を、数ステップの圧延及び段間アニーリングを含む熱機械的作業技術により処理した。
４）圧延合金を、ロール圧着、その後の数回の圧延及びアニーリングステップにより、中間層材料で被覆した。
５）被覆合金を、ロール圧着により鋼ストリップと結合させ、結合ステップ後に熱処理した。
６）そのように形成された軸受合金／鋼複合体ストリップから、試験のためのサンプル軸受を、慣用の技術により製造した。
【００２１】
本発明軸受合金について前記したのと同様の製造プロセスにより、他の比較従来技術合金からもテスト用軸受を製造した。テスト合金すべての組成は、以下の表１に記載する。
【表１】
2009542904.tif 000003
【００２２】
前記合金の機械特性は、以下の表２に記載する。
【表２】
2009542904.tif 000004
＊靭性＝（０．６６×ＵＴＳ）×伸び／１００。強度と延性との間の関係を示す比較評価であり、単位はない。
【００２３】
耐疲労性及び耐焼付き性に関するテスト結果は、以下の表３に示す。
【表３】
2009542904.tif 000005
【００２４】
前記テストデータから、特に、軸受形状での本発明による軸受材料の性能パラメーターに関する表３から、本発明合金が耐焼付き性において意想外の改良を示したことをみてとることができる。この改良は、前記表２に証明されたようなより高い硬度及びＵＴＳからは一般に期待できないことである。更に、表２に示された、少々減じられた破断伸び（ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ ｔｏ ｆｒａｃｔｕｒｅ）も、過去の経験からだと、耐焼付き性の劣化が予期されることを示すであろう。耐スカッフィング性は、当方のＧＢ２３５８８７２の対象合金である比較合金２と比べても、低下していない。
【図１】
2009542904.tif 000006
【図２】
2009542904.tif 000007
【図３】
2009542904.tif 000008
【国際調査報告】
2009542904.tif 000009
2009542904.tif 000010
2009542904.tif 000011