(57)【要約】バイメタルアルミニウム軸受は、アルミニウムベースの軸受層と、スチール裏打と、アルミニウムベースの軸受層とスチール裏打との間に配置された、厚さが６０〜１２０マイクロメートルのアルミニウムベースの中間層とを含む。中間層は、アルミニウムベースの軸受層のものよりも小さい降伏強度を有する。アルミニウムベースの軸受層は、極めて高い疲労強度をもたらす細かい微細構造を有する。アルミニウム軸受層は、一般に、４〜１５重量％の鉛または錫と、２６重量％までのシリコンと、２重量％までの、マグネシウム、マンガン、ニッケル、ジルコニウム、亜鉛、銅、またはクロムのうちの任意の元素とを含み、軸受層の残りの部分はアルミニウムである。【特許請求の範囲】
【請求項１】
スチール裏打と、
前記スチール裏打に接合されたバイメタルライニングとを含み、前記バイメタルライニングは、アルミニウムベースの金属の軸受層と、前記スチール裏打と前記軸受層との間に配置されたアルミニウムベースの金属の中間層とを含み、前記バイメタルアルミニウムライニングは、９０ＭＰａを超える疲労強度を有する、摺動軸受。
【請求項２】
前記疲労強度は約１００ＭＰａである、請求項１に記載の摺動軸受。
【請求項３】
前記軸受層は、チル鋳造されたアルミニウム−シリコンベースの合金からなる、請求項１に記載の摺動軸受。
【請求項４】
前記軸受層は、アルミニウム−鉛−シリコンの合金からなる、請求項１に記載の摺動軸受。
【請求項５】
前記軸受層は、アルミニウム−錫−シリコンの合金からなる、請求項１に記載の摺動軸受。
【請求項６】
前記軸受層は、直径が４ミクロン未満の平均粒子サイズを有するシリコン粒子の分散を含む、請求項１に記載の摺動軸受。
【請求項７】
前記中間層は、厚さが少なくとも６０ミクロンである、請求項１に記載の摺動軸受。
【請求項８】
前記中間層の前記厚さは、約６０〜１２０ミクロンである、請求項７に記載の摺動軸受。
【請求項９】
前記軸受層および前記中間層の各々は降伏強度を有し、前記中間層の前記降伏強度は、前記軸受層の前記降伏強度よりも小さい、請求項１に記載の摺動軸受。
【請求項１０】
前記軸受層は、チル鋳造された微細構造を有し、前記中間層に圧延接合される、請求項１に記載の摺動軸受。
【請求項１１】
前記軸受層は、約２〜６重量パーセントの範囲の量のシリコンと、４〜１５重量パーセントの量で存在する錫または鉛のいずれかの軟質相とを含む、請求項１に記載の摺動軸受。
【請求項１２】
前記軟質相は、約６〜１０重量パーセントの範囲である、請求項１に記載の摺動軸受。
【請求項１３】
２重量パーセントまでの、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｚｎ、Ｃｕ、およびＣｒからなる群から選択された元素をさらに含む、請求項１に記載の摺動軸受。
【請求項１４】
アルミニウムベースの軸受層と、
スチール裏打と、
厚さが６０〜１２０マイクロメートルであり、前記アルミニウムベースの軸受層と前記スチール裏打との間に配置された中間層とを含み、
前記アルミニウムベースの軸受層は、その中で均一に分散された、平均直径が４ミクロン未満のシリコン粒子と、最大長さが２５０ミクロンの軟質相とを有する、複合軸受材料。
【請求項１５】
前記軟質相の長さは１０ミクロン以下である、請求項１４に記載の複合軸受材料。
【請求項１６】
前記軟質相は、鉛または錫からなる、請求項１５に記載の複合材料。
【請求項１７】
前記アルミニウムベースの軸受層は、
４〜１５重量パーセントの軟質相と、
２〜６重量パーセントのＳｉと、
２重量パーセントまでの、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｚｎ、Ｃｕ、およびＣｒからなる群から選択された元素と、
その残りを占めるＡｌとを含む、請求項１５に記載の複合軸受材料。
【請求項１８】
前記アルミニウムベースの軸受層は、
８重量パーセントのＳｎと、
２重量パーセントのＰｂと、
３重量パーセントのＳｉと、
０．８重量パーセントのＣｕと、
０．２重量パーセントのＣｒと、
その残りを占めるＡｌとを含む、請求項１４に記載の複合軸受材料。
【請求項１９】
前記アルミニウムベースの軸受層は、
６重量パーセントのＳｎと、
４重量パーセントのＳｉと、
０．８重量パーセントのＣｕと、
その残りを占めるＡｌとを含む、請求項１４に記載の複合軸受材料。
【請求項２０】
前記中間層は、純粋なアルミニウムで形成される、請求項１４に記載の複合軸受材料。
【請求項２１】
前記中間層は、アルミニウム合金で形成される、請求項１４に記載の複合軸受材料。
【請求項２２】
前記複合軸受材料は、少なくとも９０ＭＰａの疲労強度を有する、請求項１４に記載の複合軸受材料。
【請求項２３】
前記複合軸受材料は、約１００ＭＰａの疲労強度を有する、請求項１４に記載の複合軸受材料。
【請求項２４】
複合軸受を製造する方法であって、
ａ）　その中で均一に分散された、平均直径が４ミクロン未満のシリコン粒子と、最大長さが２５０ミクロンの軟質相とを有するアルミニウムベースの軸受層を生成するために、アルミニウム合金を鋳造するステップと、
ｂ）　バイメタルライニングを生成するために、前記アルミニウムベースの軸受層にアルミニウムベースの中間層材料をクラッディングするステップと、
ｃ）　前記バイメタルライニングにスチール裏打層を熱接合するステップとを含む、方法。
【請求項２５】
前記アルミニウム合金の温度は、前記鋳造するステップにおいて、２秒未満で７００℃から３００℃未満にまで下げられる、請求項２４に記載の複合軸受を製造する方法。
【請求項２６】
前記熱接合するステップ中に、前記アルミニウムベースの軸受層の厚さが６０〜８０パーセント減じられる、請求項２４に記載の複合軸受を製造する方法。
【請求項２７】
前記スチール裏打の厚さは変化しない、請求項２４に記載の複合軸受を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
この発明は、この出願に対して優先権が主張される、２０００年１１月１５日に出願された仮特許出願第６０／２４８，９３１号に開示される。
【０００２】
【発明の背景】
【０００３】
【技術分野】
この発明は、一般に、シャフト等を支える際に用いるための、スチール裏打ストリップに接合された２またはそれ以上の金属層を有するタイプの多層摺動軸受に関する。
【０００４】
【関連技術】
内燃機関において主軸受または接続軸受として用いるためのスリーブ軸受または摺動軸受は、主に２つの種類に分類することができる。その種類とは、（１）内径上のスチール裏打とライニング合金とからなるバイメタル軸受、および（２）ライニング合金上に一般に電気めっきを施した第３の層を含むトリメタル軸受である。
【０００５】
一般に、バイメタル軸受は、軸受の内径上に配置されたアルミニウムベースのライニング材料を含む。この種の軸受は、トリメタル軸受よりも、低いコスト、良好な耐摩耗性、および優れた耐食性などの利点を有する。しかしながら、今日の、より高出力のエンジンにおけるような、条件のより厳しい適用例については、アルミニウムベースのライニングを有するバイメタル軸受を用いることによっては達成され得ない高い疲労強度および優れた摺動特性を備えた軸受が必要とされる。一般に、条件のより厳しい適用例では、ほとんどのバイメタル軸受よりも高い疲労強度を呈するトリメタル軸受を用いなければならない。
【０００６】
軸受の疲労強度および性能を改善するための、当該技術において公知のいくつかの要素には、（ａ）ライニング合金に耐焼付性を与えるために、合金層内に錫または鉛等の軟質相を含むこと、（ｂ）合金の耐摩耗性および耐焼付性を高めるために、シリコン等の硬質の粒子をアルミニウム合金内に含むこと、および（ｃ）軟質相の量が約１０重量％を超える場合に、ライニングとスチールとの接合を得るために、アルミニウム軸受合金とスチール裏打との間に中間層を含むこと、が含まれる。
【０００７】
たとえば、米国特許第５，１１２，４１６号は、ビッカース（Ｖｉｃｋｅｒｓ）硬度において、硬度がアルミニウムベースの軸受合金の４０％未満である中間接合層を有するアルミニウムベースの合金軸受を開示する。この第５，１１２，４１６号の特許はバイメタルアルミニウム軸受を提示しているが、これらが高い負荷、および高い疲労条件下で動作し得るとは開示していない。従来の任意のバイメタルアルミニウム軸受によって示される既知の最高疲労強度は、９０メガパスカルに満たない。
【０００８】
【発明の概要】
この発明に従って構成された摺動軸受は、上にバイメタルライニングが接合されたスチール裏打を有する。ライニングは、アルミニウムベースの軸受層と、該軸受層と該スチール裏打との間に配置されたアルミニウムベースの金属からなる中間層とを含む。この複合軸受材料は、少なくとも９０ＭＰａの疲労強度を呈する。
【０００９】
この発明は、従来のトリメタル軸受に通常関するレベルの疲労強度を有するバイメタルアルミニウム軸受を提供する利点を有する。
【００１０】
軸受材料は、細かい微細構造を有するアルミニウムベースの軸受層を設けることによって、複合軸受材料で形成される軸受の疲労強度を改善する、さらなる利点を有する。
【００１１】
複合軸受を製造する方法もまた開示され、この方法は、ａ）その中で均一に分散された、平均直径が４ミクロン未満のシリコン粒子と、最大長さが２５０ミクロンの軟質相とを有するアルミニウムベースの軸受層を生成するために、アルミニウム合金を鋳造するステップと、ｂ）バイメタルライニングを生成するために、上述のアルミニウムベースの軸受層にアルミニウムベースの中間層材料をクラッディングするステップと、ｃ）上述のバイメタルライニングにスチール裏打層を熱接合するステップとを含む。
【００１２】
この発明のこれらのおよび他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および図面とともに検討されると、より容易に評価されるであろう。
【００１３】
［詳細な説明］
図３を参照すると、この発明の複合軸受材料５の好ましい実施例が示される。複合軸受材料５は、アルミニウムベースの軸受層１０と、スチール裏打１５と、アルミニウム層１０とスチール裏打１５との間に配置された中間層２０とを含む。
【００１４】
アルミニウムベースの軸受層１０は、好ましくは、４〜１５重量パーセントの鉛または錫と、２〜６重量パーセントのシリコンと、２重量パーセントまでの、マンガン、マグネシウム、ニッケル、ジルコニウム、亜鉛、銅、またはクロムからなる群から選択された元素とを含む組成を有し、アルミニウム軸受層の残りの部分は純粋なアルミニウムである。好ましい実施例において、アルミニウムベースの軸受層１０は、８重量パーセントの錫と、３重量パーセントのシリコンと、２重量パーセントの鉛と、０．８重量パーセントの銅と、０．２重量パーセントのクロムとを含み、残りの部分はアルミニウムである。第２の実施例において、アルミニウムベースの軸受層は、６重量パーセントの錫と、４重量パーセントのシリコンと、０．８重量パーセントの銅とを含み、残りの部分はアルミニウムである。
【００１５】
アルミニウムベースの軸受層１０の厳密な組成にかかわらず、このアルミニウムベースの軸受層１０は、それが細かい微細構造を有するという点において特徴付けられる。細かい微細構造を有するアルミニウム材料に加え、それらを生成する方法は、米国特許第５，５３６，５８７号、第５，３６５，６６４号、および第５，０５３，２８６号において開示され、それらはこの明細書において引用により援用される。アルミニウムベースの軸受材料１０の成分に応じた細かい微細構造は、アルミニウムマトリックス内に均一に分散された、平均直径が４ミクロン以下のシリコン粒子に加え、長さが２５０ミクロン未満の軟質相の粒子によって特徴付けられる。
【００１６】
好ましい実施例において、アルミニウムベースの軸受層１０は、合金に細かい微細構造を与える双ロール鋳造機上で鋳造される。好ましい実施例のプロセスは、アルミニウム合金の薄いストリップを、２つの水冷ロール間において１〜１０ミリメートル、好ましくは４〜７ミリメートルの厚さで鋳造することを伴なう。アルミニウム合金から熱を除去する速度には、２秒未満で、好ましくは１秒未満で、約７００℃から３００℃未満の温度まで温度を下降させることが含まれる。
【００１７】
このような高速冷却を用いてアルミニウムベースの軸受層１０を鋳造したときに得られる微細構造が、図１および図２に示される。極めて細かい微細構造は、アルミニウムベースの軸受層１０に高強度を与える。アルミニウムベースの軸受層１０は、アルミニウムマトリックス１４内に分散されて直径の平均サイズが４ミクロン未満であるシリコン粒子１２を有する。さらに、軟質相生成粒子、すなわち、鉛または錫の最大長さは、サイズが好ましくは２５０ミクロン未満であり、より一層好ましくは、長さが約１０ミクロン以下である。シリコンおよび他の成分の微細なサイズは、この発明のアルミニウムベースの軸受層１０に対して極めて高い耐疲労性を与える。
【００１８】
この発明の中間層２０は、好ましくは、アルミニウムベースの軸受層１０よりも低い降伏強度を有するアルミニウム合金または純粋なアルミニウムである。中間層２０のサイズは、処理後の厚さが少なくとも６０マイクロメートル、好ましくは６０〜１２０マイクロメートルであるように決定される。
【００１９】
複合軸受を製造する方法もまた開示され、この方法は、ａ）その中で均一に分散された、平均直径が４ミクロン未満のシリコン粒子と、最大長さが２５０ミクロンの軟質相とを有するアルミニウムベースの軸受層を生成するために、アルミニウム合金を鋳造するステップと、ｂ）バイメタルライニングを生成するために、上述のアルミニウムベースの軸受層にアルミニウムベースの中間層材料をクラッディングするステップと、ｃ）上述のバイメタルライニングにスチール裏打層を熱接合するステップとを含む。
【００２０】
上述のように、アルミニウムベースの軸受材料１０は、極めて細かい微細構造を生じる水冷双ロール鋳造プロセスにおいて鋳造される。アルミニウムベースの軸受材料１０は、一般に、３〜７ミリメートルの厚さで、分速７０〜１２５センチメートルで鋳造される。水冷双ロール鋳造プロセスでは、ロール間の、２つのロールの中心線上の地点に、溶融された合金が導入される。図５を参照すると、この発明の好ましい実施例に従ったアルミニウムベースの軸受層１０を鋳造するための装置が示される。２つの回転ロール２５と２７との間に配置されたスリップ様放出ノズル２２を有する坩堝２１に、溶融されたアルミニウム合金が供給される。回転ロール２５および２７の各々は、比較的薄い金属シェル３２に近接して配置された内部冷媒溝または流路３０の配列を有する。各シェル３２は、好ましくは、高い熱伝導性を有する銅または他の金属で形成され、それによってシェル３２材料は、溶融されたアルミニウム合金からの熱を、溝３０を通過する冷媒に伝導することができる。その高い熱伝導性によって銅および銅合金が選択されたが、シェル材料３２に対しては、スチール、真鍮、アルミニウム合金、また他の材料を用いることもできる。ストリップ鋳造において均一性を最大にするために、鋳造表面は一般に、滑らかでかつ対称形であるべきである。熱伝導媒体として、その高い熱容量と、低コストと、すぐに利用できる点とにより、水が用いられる。アルミニウム合金は、１秒未満等の短期間内に、溶融状態から固体状態に速やかに冷却される。内部から冷却されたロール２５および２７は、新たに冷却されたロール表面が坩堝２１内に連続して出現して、ノズルスリット２２を通って放出された溶融材料上に、本質的に絶えず流体静力学的なヘッドを維持するよう、番号４１および４３によって示される方向に連続して駆動される。冷却されて凝固した合金は、対向するロール表面間の間隔に対応する厚さ寸法を有する連続した固体ストリップ４５として、ロールから出現する。ストリップ材料４５をスプール上に巻付けて、コイル状態で一時的に保存することができる。
【００２１】
アルミニウムベースの軸受層１０が鋳造された後に、アルミニウム軸受層１０に対し、中間層２０が圧延クラッディングされる。中間層２０は、最終製品における厚さが６０〜１２０マイクロメートルとなるように選択される。上述のように、好ましい中間層２０材料は、純粋なアルミニウムまたはアルミニウム合金を含む。
【００２２】
中間層２０がアルミニウムベースの軸受層１０にクラッディングされた後に、この明細書において引用により援用される米国特許第３，０７８，５６３号に開示されたプロセスに従い、スチール裏打１５に対してバイメタルライニングが熱接合される。このプロセスでは、接合されるべき構成要素の温度を周囲温度よりも著しく上昇させ、アルミニウムベースの軸受層１０の厚さが約７５パーセント減じられるが、スチール裏打１５の厚さの減少は、本質的にゼロである。
【００２３】
図６を参照すると、接合プロセスで用いられる装置が示される。バイメタルライニングストリップ４５がスチールストリップ４７に結合されて、加熱器を通過する。代替的に、スチールを加熱して、スチールによってバイメタルストリップが加熱される場合、それを加熱器の後に導入することができる。これらの材料は、非酸化雰囲気下に置かれ、加熱されている間にストリップを酸化から保護する。比較的大きな直径の下部ロール６１と、より小さな直径の中心ロール６３とを含み、中心ロール６３がより大きな直径の上部ロール６５によって支持される圧延機アセンブリに、加熱されたストリップ４５および４７を通過させる。ロール６１と６３との間隔は、結合されたストリップがロールを通過する間にバイメタルストリップ４５が圧縮されて厚さを減じるよう、ストリップ４５および４７を組合せた最初の厚さよりも小さい。ロールを通してストリップ４５および４７を動かす力をもたらすために、下部ロール６１に給電する。下部ロール６１は、好ましくは、直径が中心ロール６３の直径の少なくとも２倍であり、中心ロール６３は、下部ロール６１がスチール４７上にかける単位面積当りの力よりも、実質的により大きな単位面積当りの力を、バイメタルストリップ４５上にかける。したがって、バイメタルストリップ４５の厚さは実質的に減じられるが、スチール４７の厚さは本質的に変らないままである。
【００２４】
スチール層４７の厚さが本質的に変らないために、その硬度が著しく上昇せず、得られた複合材料５を所望の軸受構成に加工しかつ再成形することができる。
【００２５】
［例］
エンジン軸受産業において広く用いられる軸受の疲労試験において、複合材料は、図７に示される油圧軸受疲労試験機内で軸受の形状として試験される。試験用の軸受７３は、実際の使用時の軸受で一般に認められるＲＰＭで回転するシャフト７０の偏心部７１上の接続ロッド７２に担持される。接続ロッド７２の他方端において、油圧シリンダ内にピストン７４がある。接続ロッド７２およびピストン７４の往復運動は、油圧シリンダ内のオイルの抵抗を受ける。軸受にかかる負荷および抵抗の程度は、シリンダに接する調整弁７５によって決定される。負荷は、接続ロッド７２上のひずみゲージ７６によって測定される。
【００２６】
試験は、試験者によって選択された任意の負荷で開始される。この試験は、７００万回のサイクルで行なわれ、軸受の疲労度が調査される。疲労が認められる場合、その試験は不可と記録され、次の試験はより低い負荷で行なわれる。疲労が認められない場合、その試験は終了と記録され、次の試験はより高い負荷で行なわれる。複数の試験の後に、データが統計的に分析され、平均疲労負荷が求められる。試験結果を以下の表に示す。表１は、この発明の複合軸受材料の２つの実施例を明示する。表１は、元素に続く数字がその元素の重量パーセントを示す、軸受材料の相対組成に加え、ミクロン単位の中間層の厚さ、中間層の種類、合金材料をスチール裏打に接合するために用いられる接合方法、軸受合金の微細構造、さらに、試験によって求められた疲労強度を含む。比較のために、表２は、先行の公知のバイメタルアルミニウム軸受の、対応する特徴および特性を明示する。
【００２７】
【表１】
2004514097.tif 000002
【００２８】
【表２】
2004514097.tif 000003
【００２９】
上の表を比較して分かるように、この発明の複合軸受材料は、先行技術の公知のバイメタルアルミニウム材料のすべてのものを超える１００メガパスカルの疲労強度を有する。
【００３０】
上述の教示に照らし、この発明の多数の変更物および多数の変形物が可能であることは明らかである。したがって、前掲の請求項の範囲内において、この発明を特に記載された以外の態様で実施し得ることを理解されたい。この発明は、請求項によって規定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】アルミニウム軸受合金の細かい微細構造を示す顕微鏡写真の図である。
【図２】この発明のアルミニウム軸受合金の細かい微細構造を示す顕微鏡写真の図である。
【図３】この発明の複合軸受材料のさまざまな層を示す顕微鏡写真の図である。
【図４】この発明のアルミニウム軸受合金内に分散されたシリコン粒子を詳細に示す顕微鏡写真の図である。
【図５】この発明のアルミニウム軸受合金を生成するために用いられる装置の図である。
【図６】この発明のアルミニウム軸受層に、アルミニウム中間層をクラッディングするために用いられる装置を詳細に示す図である。
【図７】軸受の疲労強度を求めるための試験装置を詳細に示す図である。
【国際公開パンフレット】
2004514097.tif 000004
2004514097.tif 000005
2004514097.tif 000006
2004514097.tif 000007
2004514097.tif 000008
2004514097.tif 000009
2004514097.tif 000010
2004514097.tif 000011
2004514097.tif 000012
2004514097.tif 000013
2004514097.tif 000014
2004514097.tif 000015
2004514097.tif 000016
2004514097.tif 000017
2004514097.tif 000018
2004514097.tif 000019
2004514097.tif 000020
2004514097.tif 000021
2004514097.tif 000022
2004514097.tif 000023
【国際調査報告】
2004514097.tif 000024