(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳造後、板状に圧延されて裏金に圧接されるアルミニウム系軸受合金において、
３〜４０質量％のＳｎ、０．５〜７質量％のＳｉ、０．０５〜２質量％のＦｅ、０．１〜５質量％のＣｕ、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなり、
硬質粒子として、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅの３元系金属間化合物およびＳｉ粒子を含み、
且つ、前記鋳造時に急冷して前記金属間化合物の鋳造当初の大きさを４０〜５５μｍに制御することにより、前記硬質粒子のうち、前記金属間化合物からなる硬質粒子が、軸受表面において、最大径１〜２０μｍで、１ｍｍ2当たり６〜１００個存在するようにしたことを特徴とするアルミニウム系軸受合金。
【請求項２】
Ｍｎ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｗからなる成分のうち、少なくとも１種以上を総量で０．０１〜３質量％添加し、硬質粒子として前記Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅに上記添加成分を加えた多元系金属間化合物を含むことを特徴とする請求項１記載のアルミニウム系軸受合金。
【請求項３】
前記金属間化合物からなる硬質粒子は、角張った形状であることを特徴とする請求項１または２記載のアルミニウム系軸受合金。
【請求項４】
Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒのうち、少なくとも１種以上を総量で０．０１〜２質量％含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のアルミニウム系軸受合金。
【請求項５】
Ｍｇ、Ｚｎのうち、少なくとも１種以上を、前記Ｃｕを含めて総量で０．１〜５質量％含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のアルミニウム系軸受合金。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車や一般産業用機械の高出力エンジンなどの軸受に用いられるアルミニウム系軸受合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム系軸受合金は、なじみ性を付与するために、一般にＳｎを含有したものが用いられる。なお、ＰｂはＳｎと同様になじみ性を付与するが、合金中に均一に分布させることが困難なこと、および有害金属であり使用を避ける方が良いこと、などのために余り用いられていない。
【０００３】
Ｓｎ入りのアルミニウム系軸受合金は板状に鋳造されて裏金鋼鈑に圧接され、軸受に供用される。このアルミニウム系軸受合金を用いた軸受の製造には、軸受合金の靭性を増し、軸受合金と裏金鋼鈑との接着強度を高くするために、圧接後に焼鈍を行うことが不可欠である。Ｓｎ含有アルミニウム系合金では、焼鈍によって高温下に置かれると、合金組織中でＡｌの結晶およびＳｎの晶出物が粗大化し、アルミニウム系軸受合金の高温硬さや耐疲労強度が低下するという問題を生ずる。
【０００４】
そこで、アルミニウム合金に、微細な硬質粒子、例えば５μｍ未満のＳｉ粒子を含有させることにより、ＳｎやＡｌの粒子の粗大化を防止すると共に、Ａｌマトリックスを強化させて高荷重および高温下で優れた軸受性能を発揮するアルミニウム系軸受合金を得ることが提案されている。
【０００５】
また、同様の目的ではあるが、Ａｌマトリックスの強化とは別の考え方で硬質粒子を含有させたものが特開昭５８−６４３３２号公報、特開昭５８−６７８４１号公報として提案されている。前者の特開昭５８−６４３３２号公報では、硬質粒子としてＳｉ粒を用い、このＳｉ粒子の大きさと分布を制御することによって高荷重および高温下での軸受特性、特になじみ性および非焼付性を飛躍的に向上させることが記載されている。これは、従来のＳｉ粒子は５μｍ未満のものが主であったところ、熱処理条件などの変更により５μｍ以上４０μｍ以下の粗大なＳｉ粒子を得ることができ、この粗大なＳｉ粒子がもたらす効果として、摺動初期の段階で相手軸の表面の突出部および表面に存在する球状黒鉛周辺のバリなどのエッジ部を削り取って平滑な摺動状態とし（以下、ラッピング作用）、その結果、焼付きが高荷重まで起こらないこととなり、耐焼付性が飛躍的に向上する、というものである。
【０００６】
一方、後者の特開昭５８−６７８４１号公報では、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｓｂ、Ｃｒ、Ｎｂのうち、少なくとも１種の元素からなる、またはこれを含む粒子が単独の金属形態で晶出するか、或いはＭｎなどとＡｌの金属間化合物の形態で析出するとし、これらのうち、５μｍ以上４０μｍ以下の大きさを持つものが上述の特開昭５８−６４３３２号公報におけるＳｉ粒子と同様の効果をもたらすものとしている。例えば、Ｍｎなどの添加では、単独の金属の形態で晶出するか、晶出物は特定できないが、Ｍｎなどを含む硬質粒子が存在するようになるとしている。すなわち、この公報では、Ｓｉを含まない合金系において、硬質粒子の生成を促す添加元素としてＭｎ、Ｆｅなどの元素が提案されているのである。
【０００７】
このように、従来、アルミニウム系軸受合金中に晶出する硬質粒子としては、Ｓｉを含む合金では、専らＳｉ粒子についてのみが考えられており、一方、Ｓｉを含まない合金では、添加金属がそのまま晶出したものか、あるいは晶出物が特定されないまま２元系金属間化合物の晶出を示唆するに止まっている。また、比較的粗大な硬質粒子が軸のラッピング作用を発揮し、ひいては非焼付性を向上させるとしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、Ａｌ中に含まれる硬質粒子は均一に分散することで強化の用に供され、その粒子の大きさは細かければ細かいほど、効果を発揮するとされている。このため、上述の特開昭５８−６４３３２号公報、特開昭５８−６７８４１号公報のようにＳｉなどの硬質粒子を粗大化させてしまうと、Ａｌマトリックスの強度が低下し、耐疲労性に劣ったものとなる。すなわち、従来では、晶出粒子の大きさについて見れば、晶出粒子を小さくして耐疲労性を向上させようとすれば、非焼付性の向上は望み得ず、逆に晶出粒子を大きくして非焼付性を向上させようとすれば、耐疲労性の向上は望み得ない、といったジレンマに陥らざるを得ないものであった。
【０００９】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、硬質粒子によって非焼付性の向上を図るものにおいて、耐疲労性を低下させることなく、非焼付性を向上させることができるアルミニウム系軸受合金を提供するにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記本発明の目的は、アルミニウム系軸受合金中に、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅの３元系金属間化合物、或いはＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅをベースにした多元系金属間化合物を晶出させることによって達成される。
すなわち、請求項１の発明は、鋳造後、板状に圧延されて裏金に圧接されるアルミニウム系軸受合金において、３〜４０質量％のＳｎ、０．５〜７質量％のＳｉ、０．０５〜２質量％のＦｅ、０．１〜５質量％のＣｕ、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなり、硬質粒子として、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅの３元系金属間化合物およびＳｉ粒子を含み、且つ、前記鋳造時に急冷して前記金属間化合物の鋳造当初の大きさを４０〜５５μｍに制御することにより、前記硬質粒子のうち、前記金属間化合物からなる硬質粒子が、軸受表面において、最大径１〜２０μｍで、１ｍｍ2当たり６〜１００個存在するようにしたことを特徴とするものである。
【００１１】
請求項２の発明は、Ｍｎ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｗからなる添加成分のうち、少なくとも１種以上を総量で０．０１〜３質量％添加し、硬質粒子としてＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅに上記添加成分を加えた多元系金属間化合物を含むことを特徴とするものである。
請求項３の発明は、前記金属間化合物からなる硬質粒子は、角張った形状であることを特徴とするものである。
請求項４の発明は、Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒのうち、少なくとも１種以上を総量で０．０１〜２質量％含むことを特徴とするものである。
請求項５の発明は、Ｍｇ、Ｚｎのうち、少なくとも１種以上を、前記Ｃｕを含めて総量で０．１〜５質量％含むことを特徴とするものである。
【００１２】
ここで、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系の金属間化合物の晶出形態について述べる。まず、周知のＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅの３元状態図において、３元共晶化合物はＦｅ２Ａｌ９Ｓｉ２相であり、その晶出温度は５７３℃であることが分かる。このときの共晶反応は、Ｌ→Ｓｎ＋Ｓｉ＋Ｆｅ２Ａｌ９Ｓｉ２となる。
【００１３】
請求項１の発明におけるＡｌ−Ｓｎ−Ｓｉ−Ｆｅの系合金の組織を図１に示す。この図１から明らかなように、針状、棒状或いは板状の形態を呈するＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅの３元系金属間化合物が共晶化合物として晶出している。
同じく請求項２の発明における合金系、例えばＡｌ−Ｓｎ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｍｎ系合金の組織を図２に示す。この図２にはＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｍｎの多元系金属間化合物が見られる。また、図３にＡｌ−Ｓｎ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｃｒ系合金の組織を示す。同図にはＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｃｒの多元系金属間化合物が見られる。
【００１４】
これらＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｍｎ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｃｒなどの多元系金属間化合物の形態は様々であるが、３次元的に厚さ不定の針状、棒状、板状などの様々な形の化合物が複雑に組み合わさった形態の共晶化合物として晶出している。
【００１５】
このＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅの３元系金属間化合物およびＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅをベースにした多元系金属間化合物は極めて安定しており、裏金鋼鈑との圧接後に施される熱処理によっても、その基本的な形を変えることはない。これがＳｉ単体の挙動と異なるところである。
すなわち、アルミニウム軸受合金中のＳｉ自体は共晶物として３次元的には立体的に連結したサンゴ状に晶出するが、鋳造後の圧延、裏金鋼鈑と圧接する際の圧延などによって細かく砕け、その後の熱処理によっても形態を変えてしまう。これはＳｉの特徴で、特に３００℃を越える熱処理では、界面張力を小さくしようとして比較的丸みを帯びた形状に変化する。特に、アルミニウム系軸受合金のようなＳｎを多く含む材料においては、その傾向は助長される。
【００１６】
ところが、本発明における３元系金属間化合物、多元系金属間化合物はその晶出形態を変えず、通常の熱処理温度では、全くその形に変化がないのである。また、本発明の３元系金属間化合物、多元系金属間化合物は、軸受の製造工程中、塑性変形を伴う圧延工程でいくつかの部分に粉砕されるが、金属間化合物は結晶性が強いため、粉砕により、図４〜図６に示すように、刃物の破片のようなシャープエッジを持った形態に割れる。Ｓｉ粒は圧延、熱処理を経て丸みを帯び、細かく割れてしまうが、本発明の３元系金属間化合物、多元系金属間化合物はシャープエッジを持った攻撃的な形を保つのである。
【００１７】
このような３元系金属間化合物、多元系金属間化合物は少量でも相手軸に対するラッピング作用を持ち、特に初期摩耗の不安定な軸と軸受との関係を安定化させてなじみ性を高めるのに極めて有効である。その具体的な作用は、相手軸の表面の突出部や球状黒鉛周辺のバリなどのエッジ部を削り取る作用、アルミニウム系軸受合金の弱点である相手軸への凝着による摩耗を未然に防止し、また凝着物を掻き落として焼付きを未然に防止する機能である。
【００１８】
しかも、本発明の３元系金属間化合物、多元系金属間化合物は、圧延を経ても比較的粗大なものが多い。一方、粉砕されて微細化したＳｉ粒子はＡｌマトリックス中に分散してその強度を高める効果を有す。このような３元系金属間化合物、多元系金属間化合物とＳｉ粒子の双方が相俟って、耐摩耗性、非焼付性の向上と耐疲労性の向上との両立を可能ならしめるのである。
【００１９】
以上のような作用を有する金属間化合物は、相手軸の凝着物などを削り取ることができる大きさ、および分布として、請求項３のように、大きさが１〜２０μｍで、１ｍｍ２当たり６〜１００個存在していることが好ましい。また、Ｓｉ粒子の大きさおよび分布については、大きさが０．５μｍ未満で、１ｍｍ２当たり２００個以上存在していることが好ましい。
【００２０】
ここで、各成分の組成の限定理由を説明すると、以下の通りである。
（１）Ｓｎ（３〜４０質量％）
Ｓｎは軸受としての非焼付性、なじみ性、埋収性などの表面性能を改善する。Ｓｎの含有量が３質量％未満ではその効果がなく、４０質量％を越えると軸受合金の機械的性質が低下し、軸受性能の低下を招く。好ましくは６〜２０質量％である。
【００２１】
（２）Ｓｉ（０．５〜７質量％）
ＳｉはＡｌ中に固溶すると共に、単体で晶出するものは、微視的に分散し、材料の疲労強度を高め、また非焼付性、耐摩耗性の向上に寄与する。一方、ＳｉはＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系金属間化合物を構成する必須元素で、適切なラッピング作用や非焼付性、耐摩耗性の向上にも効果がある。０．５質量％未満では合金に固溶してしまい、その効果がない。また、７質量％を越えると粗大晶出し、かえって軸受合金の耐疲労性を害する。好ましくは２〜６質量％である。
【００２２】
（３）Ｆｅ（０．０５〜２質量％）
Ｆｅは主にＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系金属間化合物として晶出し、前述の効果をもたらす。そのＦｅを含む金属間化合物は相手軸との焼付きを防止し、耐摩耗性を向上させる。その特性は０．０５〜２質量％で有効で、２質量％を越えると化合物の粗大化が起こり、軸受合金が脆くなって圧延などの塑性加工に問題が出てくる。好ましいＦｅの含有量は０．０７〜１質量％である。
【００２３】
（４）Ｍｎ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｗ（１種以上を総量で０．０１〜３質量％）
これらは選択元素であり、本発明における多元系金属間化合物を構成する。すなわち、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅに選択元素αを加えたＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−αの多元系金属間化合物を生成する。もちろん、単体でＡｌマトリックス中に固溶してＡｌマトリックスも強化する。多元系金属間化合物の生成効果は０．０１質量％未満では期待できず、３質量％を越えると多元系金属間化合物が粗大化し過ぎ、軸受合金としての物性の低下をもたらすと共に、圧延などの塑性加工にも問題を生ずる。好ましくは総量で０．２〜２質量％である。
【００２４】
（５）Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒ（１種以上を総量で０．０１〜２質量％）
これらの選択元素はＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系金属間化合物の生成には寄与せず、Ａｌマトリックスに固溶し、軸受合金の疲労強度を高める効果を持つ。０．０１質量％未満ではその効果はなく、２質量％を越えると軸受合金が脆くなる。総量で０．０２〜０．５質量％が望ましい。
【００２５】
（６）Ｃｕ、Ｍｇ、Ｚｎ（Ｃｕは０．１〜５質量％、Ｍｇ、Ｚｎは１種以上をＣｕを含めて総量で０．１〜５質量％）
これらの選択元素はＡｌマトリックス強度を向上させる添加元素であり、溶体化処理を施すことにより強制的にＡｌマトリックスに固溶させることができ、急冷、時効させることで、微細な化合物を析出させることもできる。その効果は０．１質量％未満では期待できず、５質量％を越えると粗大な化合物になってしまう。総量で０．５〜４質量％が望ましい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例により説明する。これらの実施例において、軸受の製造方法は次の通りである。
後述の表１に示す組成のアルミニウム軸受合金を溶融し、連続鋳造により厚さ１５ｍｍの板とする。連続鋳造によって板状に形成されるアルミニウム軸受合金には、図１に示すように、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅの３元系金属間化合物、或いは図２、図３に例示するように、Ａｌ−Ｓｉ−ＦｅにＭｎ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｗのうち選択された元素との多元系金属間化合物が晶出すると共に、Ｓｉ粒子が析出する。この鋳造工程において、その合金板を急冷するなどしてその冷却速度を管理することにより、上記金属間化合物の晶出物の大きさを４０〜５５μｍ程度の大きさに制御することが好ましい。また、鋳造段階でのＳｉ共晶組織の大きさは４０μｍ以下にする。
【００２７】
連続鋳造されたアルミニウム軸受合金板は、表面の偏析部分を削り取る処理を行った後、冷間で６ｍｍの板厚に連続圧延される。次に、アルミニウム軸受合金板に接着層形成用の薄いＡｌ板を圧接し、その後、アルミニウム軸受合金板を裏金鋼鈑に圧接してバイメタルを製造する。次いでアルミニウム軸受合金板と裏金鋼鈑との接着力を高めるための焼鈍を行った後、アルミニウム合金を強化するために４７０℃で２０分間保持する溶体化処理を行い、水冷後、１７０℃で１５時間保持する時効処理を施す。
【００２８】
そして、金属間化合物は、上記の圧延などにより、鋳造当初の大きさ４０〜５５μｍから１〜１５μｍ程度に粉砕されてシャープエッジを持った角張った形状になると共に、その金属間化合物からなる硬質粒子が１ｍｍ２当たり６〜１００個分布するようになる。このような金属間化合物からなる硬質粒子の大きさおよび分布はその後の熱処理によってほとんど変わることはない。一方、Ｓｉ粒子も圧延などによって粉砕され、時効処理後の最終的な形態では、最大径が５μｍ未満の丸みを帯びた形状で、１ｍｍ２当たり２００個以上分布するようになる。
【００２９】
以上のようにして製造したバイメタルを半円形状に加工し、半割軸受とする。そして、エンジンの軸受としては、この半割軸受を２個突き合わせて円筒状に構成する。
本発明者は、次の表１に示す組成のアルミニウム軸受合金から、上記のような工程を経て形成した本発明品８〜２５、従来品１〜７についてＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系金属間化合物の有無、および当該金属間化合物の成分を検査した。その結果を同じく表１に示す。
【００３０】
【表１】
0003857503.tif 000002
また、本発明者は上記本発明品８〜２５、従来品１〜７について、Ｓｉ粒子の粒径（最大部分の径：最大径）および形状、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系金属間化合物の粒径および形状を検査した。その結果を表２に示す。
【００３１】
【表２】
0003857503.tif 000003
そして、本発明者は上記本発明品８〜２５、従来品１〜７について、疲労試験、焼付試験、摩耗試験を実施した。その結果を表３に示す。なお、表３において、熱処理とは、溶体化処理（４７０℃で２０分間）、および時効処理（１７０℃で１５時間）を言う。疲労試験、焼付試験、摩耗試験の条件については、表４〜６に示す。
【００３２】
【表３】
0003857503.tif 000004
【００３３】
【表４】
0003857503.tif 000005
【００３４】
【表５】
0003857503.tif 000006
【００３５】
【表６】
0003857503.tif 000007
【００３６】
上記表３から理解されるように、耐疲労性、非焼付性および耐摩耗性のいずれについても、本発明品は従来品と同等またはそれ以上の性能を示している。これは、シャープエッジを有する３元系金属間化合物、多元系金属間化合物のラッピング作用による効果と、Ａｌマトリックスに微細なＳｉ粒子が分散して強度を強化した結果と思われる。また、特に溶体化処理、時効処理を施した本発明品２１〜２５はＣｕ、Ｍｇ、ＺｎなどがＡｌマトリックスに固溶して強度を高めると共に、硬化による強度の向上のため、特に優れた耐疲労性を示している。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅの３元系金属間化合物を晶出したＡｌ合金の顕微鏡写真の模式図
【図２】Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｍｎの多元系金属間化合物を晶出したＡｌ合金の顕微鏡写真の模式図
【図３】Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｃｒの多元系金属間化合物を晶出したＡｌ合金の顕微鏡写真の模式図
【図４】Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅの３元系金属間化合物を含むＡｌ合金の圧延後の顕微鏡写真の模式図
【図５】Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｍｎの多元系金属間化合物を含むＡｌ合金の圧延後の顕微鏡写真の模式図
【図６】Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｃｒの多元系金属間化合物を含むＡｌ合金の圧延後の顕微鏡写真の模式図
【図１】
0003857503.tif 000008
【図２】
0003857503.tif 000009
【図３】
0003857503.tif 000010
【図４】
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【図５】
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【図６】
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