(57)【要約】【課題】Ｓｉ粒子による耐摩耗性効果を発揮できる摺動部材を提供すること。【解決手段】７．０質量％以上かつ１３．０質量％以下のＳｎと、６．５質量％以上かつ１２．０質量％以下のＳｉと、０．５質量％以上かつ３．０質量％以下のＣｕと、不可避不純物とを含み、残部がＡｌによって構成されたアルミニウム合金層を含む摺動部材であって、前記アルミニウム合金層においてＳｉ粒子が分散し、マトリクスのビッカース硬さが４０ＨＶ以上かつ６０ＨＶ以下であり、前記Ｓｉ粒子の体積濃度と平均面積と前記マトリクスのビッカース硬さとの積である負荷抵抗値が０．００００１Ｎ以上かつ０．０００２９Ｎ以下である。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
７．０質量％以上かつ１３．０質量％以下のＳｎと、６．５質量％以上かつ１２．０質量％以下のＳｉと、０．５質量％以上かつ３．０質量％以下のＣｕと、不可避不純物とを含み、残部がＡｌによって構成されたアルミニウム合金層を含む摺動部材であって、
前記アルミニウム合金層においてＳｉ粒子が分散し、
マトリクスのビッカース硬さが４０ＨＶ以上かつ６０ＨＶ以下であり、
前記Ｓｉ粒子の体積濃度と平均面積と前記マトリクスのビッカース硬さとの積である負荷抵抗値が０．００００１Ｎ以上かつ０．０００２９Ｎ以下である、
摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金層を備えた摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車および産業用機械のエンジンのすべり軸受においては、Ａｌ−Ｓｎ−Ｓｉ三元系合金をベースとしたアルミニウム合金が軸受合金として広く用いられている。一般に、アルミニウム系の軸受合金においては、Ｓｎはなじみ性を与えるために添加され、Ｓｉは耐摩耗性を与えるために添加される。Ａｌ−Ｓｎ−Ｓｉ三元系合金においてはＳｉの析出物（以下「Ｓｉ粒子」という）が形成されるが、軸受合金の特性はＳｉ粒子の大きさの影響を受ける。そのため、特許文献１のようにＳｉ粒子の粒子径の最適化が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３４７２２８４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、硬いＳｉ粒子を含有していてもマトリクスが柔らかい場合、相手材にＳｉ粒子が押し込まれることにより、Ｓｉ粒子がマトリクスに埋没しやすくなるという問題があった。Ｓｉ粒子がマトリクスに埋没すると、Ｓｉ粒子による耐摩耗効果が損なわれてしまう。
本発明は前記課題にかんがみてなされたものであり、Ｓｉ粒子による耐摩耗性効果を発揮できる技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の摺動部材は、７．０質量％以上かつ１３．０質量％以下のＳｎと、６．５質量％以上かつ１２．０質量％以下のＳｉと、０．５質量％以上かつ３．０質量％以下のＣｕと、不可避不純物とを含み、残部がＡｌによって構成されたアルミニウム合金層を含む摺動部材であって、アルミニウム合金層においてＳｉ粒子が分散し、マトリクスのビッカース硬さが４０ＨＶ（４．０８Ｎ／ｍｍ2）以上かつ６０ＨＶ（６．１２Ｎ／ｍｍ2）以下であり、Ｓｉ粒子の体積濃度と平均面積とマトリクスのビッカース硬さとの積である負荷抵抗値が０．００００１Ｎ以上かつ０．０００２９Ｎ以下である。
【０００６】
前記の構成において、アルミニウム合金層のマトリクスのビッカース硬さを４０ＨＶ以上かつ６０ＨＶ以下とすることにより、良好な機械強度を確保することができる。さらに、アルミニウム合金層におけるＳｉ粒子の体積濃度と平均面積とマトリクスのビッカース硬さとの積である負荷抵抗値を０．００００１Ｎ以上かつ０．０００２９Ｎ以下とすることにより、Ｓｉ粒子がマトリクスに埋没することを防止でき、Ｓｉ粒子による耐摩耗性効果を発揮できる。
【０００７】
Ｓｉ粒子の体積濃度を大きくすることにより、多くのＳｉ粒子によって相手材からの荷重を分散させることができ、個々のＳｉ粒子がマトリクスに埋没することを防止できる。また、Ｓｉ粒子の平均面積を大きくすることにより、個々のＳｉ粒子をマトリクスに押し込む際の抵抗力を大きくすることができ、個々のＳｉ粒子がマトリクスに埋没することを防止できる。さらに、マトリクスのビッカース硬さを大きくすることにより、個々のＳｉ粒子をマトリクスに押し込む際の抵抗力を大きくすることができ、個々のＳｉ粒子がマトリクスに埋没することを防止できる。
【０００８】
さらに、マトリクスのビッカース硬さを大きくすることができない場合でも、Ｓｉ粒子の体積濃度と平均面積の少なくとも一方を大きくすることにより、Ｓｉ粒子による耐摩耗性効果を発揮できる。また、Ｓｉ粒子の体積濃度を大きくすることができない場合でも、、マトリクスのビッカース硬さとＳｉ粒子の平均面積との少なくとも一方を大きくすることにより、Ｓｉ粒子による耐摩耗性効果を発揮できる。さらに、Ｓｉ粒子の平均面積を大きくすることができない場合でも、マトリクスのビッカース硬さとＳｉ粒子の体積濃度との少なくとも一方を大きくすることにより、Ｓｉ粒子による耐摩耗性効果を発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１Ａはすべり軸受の斜視図、図１Ｂはすべり軸受の断面模式図である。
【図２】図２は摩耗試験の説明図である。
【図３】負荷抵抗値と摩耗量との関係を示すグラフである。
【図４】Ｓｉ粒子の濃度と粒子径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】
【００１０】
ここでは、下記の順序に従って本発明の実施の形態について説明する。
（１）すべり軸受の構成：
（１−１）耐摩耗性の評価：
（２）すべり軸受の製造方法：
（３）実験結果：
（４）他の実施形態：
【００１１】
（１）すべり軸受の構成：
図１Ａは、本発明の一実施形態にかかるすべり軸受としてのすべり軸受１（フローティングブシュ）の斜視図である。すべり軸受１は、例えばトランスミッションやオイルポンプで使用されるジャーナル軸受である。すべり軸受１は円筒状に形成されており、軸方向に直交する断面が円環形状となっている。
【００１２】
すべり軸受１は、曲率中心から遠い順に、裏金１０と中間層１１とライニング１２とが順に積層された構造を有する。従って、裏金１０がすべり軸受１の最外層を構成し、ライニング１２がすべり軸受１の最内層を構成する。裏金１０と中間層１１とライニング１２とは、それぞれ円周方向において一定の厚みを有している。ライニング１２の曲率中心側の表面の半径の２倍（すべり軸受１の内径）は２２ｍｍである。すべり軸受１の幅は１０ｍｍである。以下、内側とはすべり軸受１の曲率中心側を意味し、外側とはすべり軸受１の曲率中心と反対側を意味することとする。ライニング１２の内側の表面は、相手軸２の摺動面を構成する。
【００１３】
裏金１０は、Ｃを０．１５質量％含有し、Ｍｎを０．０６質量％含有し、残部がＦｅからなる鋼で形成されている。なお、裏金１０は、相手軸２からの荷重を支持できる材料で形成されればよく、必ずしも鋼で形成されなくてもよい。中間層１１は、例えば純Ａｌで形成されている。なお、中間層１１は、相手軸２からの衝撃を緩和できる材料で形成されればよく、必ずしも純Ａｌで形成されなくてもよい。
【００１４】
すべり軸受１と相手軸２との間に潤滑油としてのエンジンオイルの油膜が形成される。相手軸２が回転することにより、すべり軸受１の内側の表面である摺動面１ａ上において相手軸２が摺動する。なお、図示しないが相手軸２に作用する荷重をスラスト方向に支持するスラストベアリングもすべり軸受１と同一のアルミニウム合金によって形成してもよい。また、すべり軸受１は、半割形状の軸受部品を円筒状に２個組み合わせることによって形成されてもよい。
【００１５】
ライニング１２は、裏金１０の内側に積層された層である。ライニング１２は、表面にて相手軸２が摺動するアルミニウム合金層からなる。以下、アルミニウム合金層について説明する。ライニング１２は、７．０〜１３．０質量％（より好ましくは１１．５〜１２．５％）質量％のＳｎと、６．５〜１２．０質量％（より好ましくは７．０〜８．０％）のＳｉと、０．５〜４．０質量％（より好ましくは０．５〜１．５％）のＣｕと、不可避不純物と、Ａｌ（残部）とからなる。不可避不純物はＭｇ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｂ，Ｐｂ，Ｃｒ等であり、精錬もしくはスクラップにおいて混入する不純物である。不可避不純物の含有量は、全体で１．０質量％以下である。ライニング１２における各元素の質量は、ＩＣＰ発光分光分析装置（島津製作所製ＩＣＰＳ−８１００）によって計測した。
【００１６】
図１Ｂは、すべり軸受１の断面模式図である。ライニング１２においてはＳｉ粒子１２ｂとＳｎ粒子１２ｃがマトリクス１２ａ中に分散している。ライニング１２においてＳｉ，Ｓｎはそれぞれ単独で析出し、Ｓｉ粒子１２ｂとＳｎ粒子１２ｃとを形成している。ライニング１２においてＣｕはマトリクス１２ａに固溶している。ライニング１２におけるＳｉ粒子１２ｂの体積濃度は５．６体積％であり、Ｓｉ粒子の平均面積は１１３．１μｍ2である。Ｓｉ粒子１２ｂの体積濃度は、質量濃度を比重によって体積濃度に換算することによって得たものである。なお、ライニング１２においてＳｉの全量がＳｉ粒子１２ｂとして析出していると見なすことができる。また、ライニング１２の表面を撮像した画像を画像解析装置（ニレコ社製  ＬＵＺＥＸ＿ＡＰ）に入力し、Ｓｉ粒子１２ｂの各像について円相当径（計測パラメータ：ＨＥＹＷＯＯＤ）を計測した。そして、Ｓｉ粒子１２ｂの各像の円相当径の平均値を算出し、当該円相当径の平均値が直径の長さとなる円の面積をＳｉ粒子１２ｂの平均面積として計測した。
【００１７】
室温におけるライニング１２のビッカース硬さは５１ＨＶであった。マイクロビッカース硬さ計（明石製作所製  ＭＶＫ−ＥII）によって、１００ｇの荷重でライニング１２の表面上の測定点に形成した圧痕の大きさ（２個の対角線の長さの平均値）を測定点のビッカース硬さとして計測した。試験片上における５点の測定点（７点の測定点からビッカース硬さが最大と最小となる２点を除いた５点）にて測定したビッカース硬さの平均値をライニング１２のマトリクス１２ａのビッカース硬さとして計測した。なお、観測点をマトリクス１２ａに設けた。以上の構成において、ライニング１２におけるＳｉ粒子１２ｂの体積濃度と平均面積とマトリクス１２ａのビッカース硬さとの積である負荷抵抗値は０．００００３３１Ｎとなる。
【００１８】
（１−１）耐摩耗性の評価：
すべり軸受１の耐摩耗性を評価するために摩耗試験を行った。図２は、摩耗試験に使用したブシュ試験機を説明する模式図である。摩耗試験は、試験ブシュＴによって軸受けした相手材Ａを回転させることによって行った。試験ブシュＴを固定治具Ｈに固定するとともに、固定治具Ｈの一端に錘Ｗを連結した。固定治具Ｈは、支点Ｐにて回転可能となっており、錘Ｗに作用する重力によって上向きの静荷重が試験ブシュＴに作用するように構成されている。
【００１９】
ここで、試験ブシュＴは、すべり軸受１と同一条件および同一材料で形成したものである。相手材Ａの材料や試験ブシュＴの大きさや錘Ｗの重さや潤滑油の温度等の各種条件は、すべり軸受１の使用時と整合する条件とした。試験時間は、５０時間以上とした。以上の条件で摩耗試験を行った後に、試験ブシュＴの摩耗量を計測した。試験ブシュＴの摩耗量は、試験ブシュＴの厚みの減少量である。なお、試験ブシュＴは、最下部が最も大きく摩耗する。
【００２０】
（２）すべり軸受の製造方法：
本実施形態においてすべり軸受１は、ａ．溶融、ｂ．連続鋳造、ｃ．冷間圧延、ｄ．切断、ｅ．機械加工の各工程を順に行うことにより製造される。なお、裏金１０と中間層１１については公知の製造方法によって製造すればよいため、おもにライニング１２の製造方法について説明する。以下、各工程について説明する。
【００２１】
ａ．溶融
まず、１２．０質量％のＳｉを含有し、７．５質量％のＳｎを含有し、１．０質量％のＣｕを含有し、残部がＡｌと不可避不純物とからなるライニング１２が形成できるように各原料を計量して用意した。本実施形態では、Ａｌのインゴットと、Ｃｕのインゴットと、Ｓｎのインゴットと、Ｓｉのインゴットとをそれぞれを計量して用意した。ここでは、目標とするすべり軸受１の機械特性に応じた質量の原料を用意すればよい。目標とするすべり軸受１の機械特性は、例えば相手軸２の機械特性に応じて定められる。次に、用意した各原料を高周波誘導炉によって７００〜８５０℃まで加熱する。これにより、各インゴットが融解する。その後、Ａｒガスの気泡を分散噴出させて、水素ガスや介在物の除去を行う。
【００２２】
ｂ．連続鋳造
次に、アルミニウム合金層の溶融材料を鋳型に注入し、当該鋳型の開口からアルミニウム合金層を鋳造方向に連続的に引き抜き、そのまま室温まで冷却することにより、アルミニウム合金層の連続鋳造板を形成する。例えば、炭素で形成された鋳型によって６５０〜８５０℃にて鋳造を行い、１．０〜２．０ｍｍ／ｓ（好ましくは１．６〜１．８ｍｍ／ｓ）の引抜速度で引き抜いて連続鋳造板を形成する。このように、Ｓｉの濃度を高濃度とし、引抜速度を低速とすることにより、溶融状態から連続鋳造における凝固過程において、粒子径の大きいＳｉ粒子１２ｂを析出させることができる。引抜速度を小さくすることにより負荷抵抗値を増大させ、引抜速度を大きくすることにより負荷抵抗値を減少させることができる。なお、アルミニウム合金層の連続鋳造板の直径は、すべり軸受１の外径よりも機械加工における切削量だけ大きくされる。
【００２３】
ｃ．冷間圧延
次に、ライニング１２の連続鋳造板と中間層１１の材料板とをロール圧接機によって圧接圧延した。さらに、ライニング１２の連続鋳造板と中間層１１の材料板との圧接板を焼鈍し、その後、当該圧接板と裏金１０の材料板とをロール圧接機によって圧接した。以上により、ライニング１２の連続鋳造板と中間層１１の材料板と裏金１０の材料板とが圧着されたすべり軸受１の圧延板を形成した。すべり軸受１の圧延板をさらに焼鈍し、自然冷却をした。連続鋳造後におけるライニング１２の連続鋳造板の圧下率を６０％以下（好ましくは５０％以下）とすることにより、Ｓｉ粒子１２ｂが破壊されることを抑制し、Ｓｉ粒子１２ｂの粒子径を維持できる。
【００２４】
ｄ．切断
次に、すべり軸受１の圧延板を所定の大きさごとに切断した。所定の大きさとは、後述する機械加工を行うことにより、最終的にすべり軸受１が形成される大きさであり、すべり軸受１の用途に応じて定まる大きさである。
【００２５】
ｆ．機械加工
最後に、切断後のすべり軸受１の圧延板に対してプレス加工を行うことにより、半割形状のすべり軸受１を形成する。さらに、切削加工によって形状や表面状態を仕上げることにより、すべり軸受１を完成させた。
【００２６】
（３）実験結果：
表１は、試料１〜６の構成と摩耗量とを示す表である。
【表１】
2019203180.tif 000003
試料１〜６においては、マトリクス１２ａの硬さとＳｉ粒子１２ｂの体積濃度と平均面積とが異なっており、それに応じて負荷抵抗値も異なっている。
【００２７】
図３は、負荷抵抗値と摩耗量との関係を示すグラフである。図３の横軸は負荷抵抗値を示し、縦軸は摩耗量を示す。同図に示すように、負荷抵抗値が大きくなるほど摩耗量が小さくなり、耐摩耗性が向上することが確認できた。また、負荷抵抗値を０．００００１Ｎ以上とすることにより、摩耗量を概ね２０．０μｍ以下に低減できる。また、負荷抵抗値が０．０００２９Ｎより大きくなると、摩耗量が減少する効果が小さくなり、負荷抵抗値を０．０００２９Ｎよりも大きくすることのメリットは小さいと考えられる。
【００２８】
表１に示すように、試料４は試料１，２よりもマトリクス１２ａの硬さが小さいが、試料１，２よりもＳｉ粒子１２ｂの体積濃度と平均面積とが大きいため、負荷抵抗値が大きく、結果として摩耗量が低減されている。また、試料６は試料２〜５よりもＳｉ粒子１２ｂの体積濃度と平均面積とが小さいが、試料２〜５よりもマトリクス１２ａの硬さが大きいため、負荷抵抗値が大きく、結果として摩耗量が低減されている。
【００２９】
表２は、ビッカース硬さと負荷抵抗値とが下限値と上限値となるときのＳｉ粒子１２ｂの粒子径（平均円相当径）を示す。表２において、Ｓｉ粒子１２ｂの濃度が１〜１５体積％となるときのＳｉ粒子１２ｂの粒子径を示している。
【表２】
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【００３０】
図４は、表２をプロットしたグラフであり、マトリクス１２ａの硬さが４０ＨＶ，６０ＨＶでるときに負荷抵抗値が適正となるＳｉ粒子１２ｂの粒子径の範囲を示すグラフである。図４の横軸はＳｉ粒子１２ｂの濃度を示し、縦軸はＳｉ粒子１２ｂの粒子径を示す。同図に示すように、Ｓｉ粒子１２ｂの濃度が小さくてもＳｉ粒子１２ｂの粒子径を大きくすることにより、負荷抵抗値を適正にすることができ、良好な耐摩耗性を実現できる。Ｓｉ粒子１２ｂの粒子径が小さくてもＳｉ粒子１２ｂの濃度を大きくすることにより、負荷抵抗値を適正にすることができ、良好な耐摩耗性を実現できる。また、マトリクス１２ａの硬さが小さくてもＳｉ粒子１２ｂの濃度とＳｉ粒子１２ｂの粒子径の少なくとも一方を大きくすることにより、負荷抵抗値を適正にすることができ、良好な耐摩耗性を実現できる。なお、Ｓｉ粒子１２ｂの粒子径を大きくすることは、Ｓｉ粒子１２ｂの平均面積を大きくすることを意味する。
【００３１】
（４）他の実施形態：
なお、本発明の摺動部材は、表面にて相手軸２が摺動する層として、アルミニウム合金層を含んでいればよく、アルミニウム合金層と他の層（裏金等）とが接合されたバイメタルの摺動部材でなくてもよい。また、アルミニウム合金層上に軟質のオーバーレイが被覆されてもよい。本発明の摺動部材によってトランスミッション用のギヤブシュやピストンピンブシュ・ボスブシュ等のすべり軸受を形成してもよい。さらに、本発明の摺動部材は、スラスト軸受であってもよく、各種ワッシャであってもよいし、カーエアコンコンプレッサ用の斜板であってもよい。また、裏金１０は、必須ではなく省略されてもよい。さらに、本発明の技術的思想は、摺動部材の品質管理方法においても実現できる。
【符号の説明】
【００３２】
１…すべり軸受、１ａ…摺動面、２…相手軸、１０…裏金、１１…中間層、１２…ライニング、１２ａ…マトリクス、１２ｂ…Ｓｉ粒子、１２ｃ…Ｓｎ粒子、Ｈ…固定治具、Ｐ…支点、Ｔ…試験ブシュ、Ｗ…錘
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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