すべり軸受の製造法
【課題】環境汚染成分を含まないＡｌ−Ｓｎ合金を軸受材としたすべり軸受製造において、寸法および形状の自由度が高く、しかも部品数および工程数の省略をはじめ、コストおよび納期的にも有利となる異材接合方法を得る必要がある。
【解決手段】Ａｌ−Ｓｎ合金を軸受材としたすべり軸受製造において、ＨＩＰ（熱間等方圧加圧）法を採用して、裏金母材をステンレス鋼とするか、または界面にニッケルを介在させる。
【解決手段】Ａｌ−Ｓｎ合金を軸受材としたすべり軸受製造において、ＨＩＰ（熱間等方圧加圧）法を採用して、裏金母材をステンレス鋼とするか、または界面にニッケルを介在させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、比較的軟質の軸受材と通常炭素鋼からなる裏金母材で構成されるすべり軸受の製造法に関する。
【背景技術】
【０００２】
駆動部をもつあらゆる製品に用いられる機械要素としてのすべり軸受は、回転する軸を回転面で支えるジャーナル軸受と軸方向で支えるスラスト軸受が代表的なものである。
【０００３】
この回転軸を面で支えて、すべりの相対運動を行う軸受をとくに、「すべり軸受」と呼び、点接触する玉を用いた「ころがり軸受」とは区別する。
【０００４】
図１は、このすべり軸受における代表的な（イ）にジャーナル軸受と、（ロ）にスラスト軸受の代表的な形態を示す。 （イ）と（ロ）のそれぞれにおいて、軸の断面とのＸ−Ｘ線に沿っての断面を示す。
【０００５】
一般に、すべり軸受は比較的軟質の軸受材１と裏金母材２で構成され、裏金には汎用性や剛性がある鉄合金、通常炭素鋼や軟鋼などが用いられることが多い。
【０００６】
近年、係るすべり軸受の軸受材１としては、鉛（Ｐｂ）系または錫（Ｓｎ）系のホワイトメタルやＰｂを含有したＣｕ合金に替わり、より軽量な材質であるＡｌ合金が用いられるようになってきた。
【０００７】
これは、Ｐｂが本来もつ環境負荷性を低減することも含め、軸受への荷重や速度などの負荷条件も増えて、材質的に耐えられない条件があることによる。
【０００８】
この軸受材としては、含有するＰｂやＳｎは、異物埋収性やなじみ性という、すべり軸受としては必要不可欠な特性があり、それぞれが固溶しない組合せであり、固溶することなく軸受材中に分散することで、軸受材における軟質材としての特性をより発現できる。
【０００９】
例えば、Ｓｎを含むＡｌ合金として、Ａｌ−４０重量％Ｓｎ−１重量％ＣｕからなるＡ４０という軸受合金がよく知られている。この合金はＣｕを１重量％含むＡｌ合金母相中に４０重量％ものＳｎを固溶しない第２相として含んでいる。
【００１０】
ところで、このような軸受材において、Ｃｕまたは、Ａｌ合金母材に、多量の軟質材を固溶しない第２相として含む軸受材とした軸受は、従来から、粉末焼結法、または帯板圧接法、またはこれらを複合させた製法によって製造されている。（特許文献１〜３参照）
【００１１】
ところが、ジャーナル軸受の場合には、粉末焼結法や帯板圧接法においては、曲げ加工して軸受を製作する必要から、裏金母材が曲げ加工できる程度の板厚が薄くて、しかも、比較的軟質の炭素鋼または軟鋼などの鉄合金に限られることになる。したがって、剛性が必要な軸受や大型軸受の場合には、さらに剛性のある硬質の鉄合金で軸受を収納する容器を別途に製作して軸受位置に設置することが必要となる。
【００１２】
従来の粉末圧延法および帯板圧接法による軸受の製作においては、軸受材１と裏金母材２は曲げ加工をできることが、寸法および材質の選定においてそれらの双方に必須であり、当然ながら、製品特性にも制限が加わってくることは自明である。
【００１３】
（イ）に示すジャーナル軸受の場合、従来法では曲げ加工で製作された薄い裏金母材２をもった軸受材１を、剛性がより高い形状および寸法をもった異材の裏金補強材で全体を構成する必要があり、この場合も部品数および工程数の増加は避けがたいという製造法特有の欠点があり、コストおよび納期的にも不利であった。
【００１４】
そして、すべり軸受の他の形態である回転軸の荷重を軸方向から支える（ロ）に示すスラスト軸受においては、裏金母材２が厚く曲げ加工ができないため、従来法によるジャーナル軸受とは異なる製造工程が採用され、品質や工程管理の面で複雑になっていた。つまり、ジャーナル軸受では連続した製造ラインで効率よく製造することが可能であったが、スラスト軸受では従来とは異なる製造ラインで不連続的に製造するしかなく、別々の管理方法、製造条件を採用する必要がある点ではコストおよび納期的にも不利であった。
【００１５】
また、粉末焼結法あるいは帯板圧接法で得られた軸受も、軸受材と裏金母材との間には、それぞれの熱膨張の差によって熱応力が発生したり、脆弱な反応層が形成したり、低品質の軸受となる恐れがあった。
【特許文献１】特許第３１９５０４２号
【特許文献２】特開２００４−７６０３９
【特許文献３】特開２００２−３８２３０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の課題は、多量の軟質材を固溶しない第２相として含む軸受材とした従来の軸受の粉末焼結法あるいは帯板圧接法によって得られた軸受の上記欠点を解消することにある。
【００１７】
具体的には、粉末焼結法あるいは帯板圧接法によって得られた軸受において、軸受材と裏金母材との接合界面における熱応力の発生を低減し、かつ、接合界面における脆弱な反応層の形成を防止することによって、信頼性の高い軸受を安定的に得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、先の図１において、従来の粉末圧延法および帯板圧接法による軸受の製作においては、軸受材１と裏金母材２は曲げ加工ができることが、寸法および材質の選定においてそれらの双方に必須であり、このことによって、当然ながら、製品特性にも制限が加わってくることは自明であり、製品により近い形状および寸法であるいわゆるニアネット形状で一体製作できるＨＩＰ法が適しているという認識に基づく。
【００１９】
本発明は、多量の軟質材を固溶しない第２相として含む母材を軸受材とし、且つ、複雑な形状をもつ軸受の製造に、複雑形状やニヤネット形状製品の製造に適しているＨＩＰ（熱間等方加圧）法による拡散接合法を適用したものである。
【００２０】
そして、このＨＩＰ法による拡散接合法を適応することによって得られた軸受は、軸受材が裏金母材である鋼と界面接合によって一体化され、これによって、接合界面における熱膨張率の差異による熱応力の発生を低減し、且つ、前記裏金母材である鋼の少なくとも軸受材側の一部をステンレス鋼とすることによって接合界面における脆弱な反応層の形成を抑止することができる。
【００２１】
とくに、Ｃｕ合金を軸受材としたすべり軸受よりもさらに軽量化および軟質化され、さらに環境負荷成分を含まないＡｌ−Ｓｎ合金を軸受材としたすべり軸受の製造において、裏金母材である鋼との反応によるＡｌ−Ｆｅ系の金属間化合物の形成と熱膨張率の差とによって、寸法および形状の自由度が高く、しかも部品数および工程数の省略をはじめ、コストおよび納期的にも有利となる異材接合方法を得る必要がある。
【００２２】
Ａｌ−Ｓｎ合金を軸受材は、その主要成分であるＡｌとＳｎは低温においても容易に酸化変質する性質があるため、できるだけ真空雰囲気、少なくとも酸化しない非酸化雰囲気で製造する必要があるが、その点、ＨＩＰ法は真空容器内に原料を収納した清浄な状態で処理を行うため、雰囲気によって酸化劣化することは皆無となる。
【００２３】
Ａｌ合金の場合は、Ｃｕ合金と比べて、鋼に対する熱膨張率差がかなり大きく（アルミは約２４×１０−６、銅は約１６×１０−６、鋼は約１２×１０−６）、また、Ａｌと鋼の主要成分である鉄（Ｆｅ）とは容易に反応してＡｌ−Ｆｅ系の金属間化合物を生成しやすいという問題がある。
【００２４】
例えば、接合界面を構成するＡｌ合金と鋼における熱膨張率の過大な差異は界面接合後の冷却過程において過大な熱応力を発生させることによる界面剥離の原因となり、接合界面における熱応力の緩和が必要となってくる。
【００２５】
また、接合界面に生成したＡｌ−Ｆｅ系の金属間化合物は、本来脆性であるため、接合界面に発生した熱応力によって容易に破壊しやすい基本的な性質があり、過剰な金属間化合物の生成は熱応力の発生に伴って界面剥離の原因となってしまう可能性がある。
【００２６】
このように、ＨＩＰ法においてＡｌ−Ｓｎ合金を軸受材としたすべり軸受を製造する場合には、接合界面における熱応力の発生を極力低く抑えて、かつ金属間化合物の生成量も極力少なくする方策が必要となってくる。
【００２７】
つまり、Ａｌ合金の場合は、Ｃｕ合金に比べて接合温度であるＨＩＰ保持温度は低いため、通常の裏金母材である炭素鋼との特性の差異による影響は若干小さくなることは予測される。
【００２８】
そこで、熱応力の発生を低く抑えるために少なくとも接合界面における熱膨張率の差異を小さくするため、裏金としてＡｌ−Ｓｎ合金に近い熱膨張率をもった鋼であるステンレス鋼（熱膨張率は約１４〜１６×１０−６）を採用すること、またはニッケル（熱膨張率は約１３×１０−６）を界面層として介在させることが非常に有効である。
【００２９】
つまり、本発明であるＨＩＰ法におけるＡｌ−Ｓｎ合金を軸受材としたすべり軸受の製造において、裏金母材として少なくとも一部にオーステナイト組織を含むオーステナイト系ステンレス鋼を採用すること、またはニッケルを界面層として介在させることは、接合界面における熱応力緩和と界面反応抑止の両方において効果がある。
【００３０】
このＡｌ−Ｓｎ系の軸受材自体は従来から知られた軸受用合金であり、Ｐｂなどの環境汚染成分を含まず、すべり軸受の軟質化と軽量化を同時に達成できる軸受材である。ただし、潤滑材として機能する錫を多量に含むＡｌ−Ｓｎ合金は、インゴットのような溶製材で製造すると、母相であるアルミよりも低融点の錫が原因となって粗大化や偏析を起こすので均一な組織や特性が得られないため、粉末の形態とする必要がある。
【００３１】
粉末の製造法としては、従来から用いられてきたアトマイズ法としてガスアトマイズ法が好適である。
【００３２】
そして、もうひとつの主要な軸受構成材である裏金母材は、熱応力緩和と界面反応抑制のために少なくとも裏金母材側の界面の一部をステンレス鋼とするか、またはニッケルを界面に介在させる。
【００３３】
例えば、少なくとも裏金母材側の界面付近をステンレス鋼とする例として、最も基本的で単純な例は裏金母材全体をステンレス鋼とすることであり、製造コストおよび納期対応の点で最も有利である。もちろん、接合界面となる界面側がステンレス鋼である２層クラッド材でも使用可能ではあるが、価格も高価で、所定の寸法範囲仕様からすると市場での入手も容易ではないと思われる。
【００３４】
ステンレス鋼の材質としては、最も汎用性の高いオーステナイト系ステンレス鋼が熱膨張率の範囲からは好適である。つまり、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６を代表例とするオーステナイト系ステンレス鋼は適度のＮｉを含み、ステンレス鋼の中でも熱膨張率が高く、Ａｌ−Ｓｎ合金との界面反応性や熱膨張率の差異をより小さく設定できる。ＳＵＳ４３０のようなフェライト系ステンレス鋼ではＮｉを含まず熱膨張率が比較的低く（約９×１０−６）、ＳＵＳ４１０のようなマルテンサイト系ステンレス鋼では低い熱膨張率のほかにも、磁性があるためアーク溶接が困難であるなど本発明には適さない。もちろん、Ｎｉを含んで、少なくとも一部にオーステナイト組織をもつ析出硬化系ステンレス鋼ＳＵＳ６３０や２相系ステンレス鋼ＳＵＳ３２９も適用可能である。
【００３５】
そして、もうひとつの方法としてニッケル（Ｎｉ）を界面に介在させることは熱膨張率（約１３×１０−６）というよりも、Ａｌ−Ｆｅ間の界面反応抑制の面から評価される。もちろん、Ａｌ−Ｎｉ間にも金属間化合物は存在するが、Ａｌ−Ｆｅ系よりも成長が遅いとか、より脆性の小さい金属間化合物である点から、比較的に有利である。
【００３６】
ニッケルを界面に介在させる方法として電気めっきが好適例として挙げられる。介在層としてめっき層に求められる特性は、不可避不純物を含む純Ｎｉであればよく、厚さも平均して１０μ以上であれば反応抑制には効果があり、厚くしてもめっき後に剥離しやすいとか、処理時間が長くなることでめっき費用が高くなるなどの不利なことのほうが多くなるだけである。
【００３７】
本発明において、ＨＩＰに用いる装置は、加熱と加圧が同時または個別に行える装置であればよく、処理品は容器に真空封入して加圧アルゴンまたは窒素ガスによって所定の等方圧を負荷できる機能を備えていればよい。
【００３８】
本発明で使用するＨＩＰ法であれば、粉末焼結と拡散接合が同時に行えるので、この点においてもやはり製造方法として最適である。
【発明の効果】
【００３９】
軟質材を固溶しない第２相として含む母材からなるＣｕ−Ｐｂ，Ａｌ−Ｓｎ合金系の軸受材とする軸受の製作に、ＨＩＰ法による拡散接合法を適用したことによって、粉末焼結法や帯板圧接法に比べて寸法および形状の自由度は高くなり、しかも、部品数および工程数が省略できる。
【００４０】
また、ＨＩＰ法による拡散接合法を適用したことによって、熱応力の発生が低減され、接合界面において脆弱な反応層の形成を防止することによって、すべり軸受の中でも、ジャーナル軸受において、軽量化、軟質化が達成される。とくに、環境負荷成分を含まないＡｌ−Ｓｎ合金を軸受材とする軸受の製作に適したものである。
【００４１】
ＨＩＰ法であれば、粉末焼結と拡散接合が同時に行えるので、この点においてもやはり製造方法として最適である。
【００４２】
ジャーナル軸受およびスラスト軸受ともＨＩＰ装置が共通して使えるため、同一の管理方法、製造条件が採用でき、寸法および形状に関係なく制限容量内で同バッチ処理することも可能であるため、コストおよび納期的にも有利となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下、本発明の実施の形態の一つを、組成がＣｕを１重量％含むＡｌ合金母相中に４０重量％ものＳｎを固溶しない第２相として含むＡｌ−Ｓｎ合金の軸受材を有するリング状の形態で回転軸の荷重を放射方向から支えるジャーナル軸受に適用した実施例で示す。
【実施例】
【００４４】
ＨＩＰ法においては、容器中に処理品を真空封入して処理するものであるが、本発明においては、裏金母材を容器として使用してＨＩＰ処理する。
【００４５】
図２は、図１に示すジャーナル軸受（イ）とスラスト軸受（ロ）において、裏金母材２を容器に兼用している。
【００４６】
すなわち、ジャーナル軸受（イ）の場合、軸受材１を、裏金母材２と収納容器を構成するふた３と内管４とによって溶接構造容器とした形態を採ることができる。その溶接の形態としては、アーク溶接の場合はＴＩＧ溶接、特殊溶接としては電子ビーム溶接（ＥＢＷ）を採用できるが、ＨＩＰ処理の場合の雰囲気制御も同時に行うようにすることを考慮すれば電子ビーム溶接は特に好適である。
【００４７】
また、スラスト軸受（ロ）の場合は、裏金母材２の外面に形成した凹部に軸受材１をセットし、さらにその外周面をふた３によってシールし、軸受材１は裏金母材２とふたによって形成された容器に真空封入した形態を採る。
【００４８】
このように、裏金母材２を、軸受材１を真空封入した収納容器の構造部材として採用することによって容器構造が簡略化され、製造コストおよび工程上も有利となる。
【表１】
【００４９】
表１は、図２に示すすべり軸受の軸受材と裏金母材、それに内管の組成の代表例を示す。
【００５０】
同表において、Ａ４０は、一般に軸受材としてのＡｌ−Ｓｎ合金であり、Ｓｎを４０重量％も含むジャーナル軸受およびスラスト軸受に共通した材質である。
【００５１】
ＳＴＫＭ１３Ａは、機械構造用炭素鋼鋼管であり、ジャーナル軸受の場合、図２に示す内管４となる材質である。そして、ジャーナル軸受の裏金母材は通常炭素鋼Ｓ４５Ｃで、スラスト軸受の場合は炭素鋼Ｓ２５Ｃであり、本発明による熱応力緩和と界面反応抑制のためにジャーナル軸受において一部ステンレス鋼ＳＵＳ３０４を採用することで効果を得た。また、図２において容器を構成するふた３には炭素鋼Ｓ２５Ｃ相当または軟鋼板を、スラスト軸受のふた３にも軟鋼板を用いる。
【表２】
【００５２】
表２は、すべり軸受の軸受材として上記Ａ４０を用い、裏金母材として各種のものを用い、さらに、裏金母材の表面に各種のめっきを施したものも含め、ＨＩＰ処理条件としての保持温度、保持圧力および保持時間をそれぞれ５００℃、９８ＭＰａおよび９０分とした。
【００５３】
同表において、Ｎｏ．１からＮｏ．５がジャーナル軸受であり、Ｎｏ．６からＮｏ．８がスラスト軸受である。
【００５４】
ジャーナル軸受のうち、Ｎｏ．１からＮｏ．４は、裏金母材をＳ４５Ｃとし、界面に介在させる各種めっき層を変化させた場合を示す。
【００５５】
めっきなしまたは無電解Ｎｉ−Ｐめっきの場合にはＨＩＰ処理直後における超音波探傷試験（ＵＴ）による検査の結果、一部の接合界面に欠陥が見つかり不合格となった。また電気めっきによるＣｕ（銅）およびＮｉめっきの場合の両者とも接合界面に欠陥は見つからず、ＵＴ検査は合格であった。
【００５６】
そして、裏金母材全体をオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３０４としたＮｏ．５の場合は、接合界面に欠陥は見つからず、ＵＴ検査は合格であり、接合界面が適度の接合強度をもつことが分かった。
【００５７】
Ｎｏ．６はめっきなしのスラスト軸受の場合であるが、ＨＩＰ処理直後におけるＵＴ検査の結果、一部の接合界面に欠陥が見つかり、不合格となった。
【００５８】
Ｎｏ．７およびＮｏ．８に示すスラスト軸受の場合は、界面介在層としてのＣｕおよびＮｉめっきを実施したが、やはり両者とも接合界面に欠陥は見つからずＵＴ検査は合格であった。
【００５９】
接合界面における健全性を定量的に評価する方法として、接合界面におけるせん断強さを測定することとした。図３に示す（イ）としてジャーナル軸受、（ロ）としてスラスト軸受のせん断試験片として、（イ）の場合は直径部を製品寸法に合わせて、全長１５ｍｍ、フランジ部厚５ｍｍ、（ロ）の場合は全長を製品寸法に合わせて、裏金母材部直径２５ｍｍ、軸受材部直径１５ｍｍとした試験片を複数個採取した。
【００６０】
そして、図４に示す（イ）の場合は受け治具と押し治具で構成され、回転軸方向に押し抜きするように荷重を負荷する機構を、（ロ）の場合は軸受材部と裏金母材部を界面に対して平行にずらす機構をもった試験治具を用いて、アムスラー型万能試験機で荷重を負荷しながら、最大負荷荷重（ｋｇｆ）を接合面積（ｍｍ２）で除してせん断強さ（ｋｇｆ／ｍｍ２）を求め、表３に示した。同図において、（イ）はジャーナル軸受であり、（ロ）はスラスト軸受である。
【００６１】
また、試験後の試験片を観察して破断位置の特定を行い、せん断試験片を採取した位置の近傍から採取した組織観察片において観察したミクロ組織観察から界面に生成した金属間化合物の厚さ計測、およびＥＤＸ（エネルギー分散型エックス線分光）分析による化合物の組成決定も行い、併せて表３に示す。
【表３】
【００６２】
Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３で示したジャーナル軸受の場合、めっきなし、Ｎｉ−ＰめっきおよびＣｕめっきではせん断強さは５ｋｇｆ／ｍｍ２以下の低い不安定な接合強度であり、いずれも接合界面に形成された金属間化合物内で破壊していた。
【００６３】
そしてＮｏ．４に示したＮｉめっきの場合、せん断強さは５〜６ｋｇｆ／ｍｍ２と安定した接合強度で、一部Ａ４０を含んだ界面で破壊していた。
【００６４】
さらに、裏金母材全体をＳＵＳ３０４とした場合にはさらにせん断強さは６〜７ｋｇｆ／ｍｍ２に増加し、やはり一部Ａ４０を含んだ界面で破壊した。
【００６５】
また、スラスト軸受に対応するＮｏ．６からＮｏ．８の場合には、めっきなしとＣｕめっきの場合には５ｋｇｆ／ｍｍ２以下の低い接合強度であったが、Ｎｉめっきの場合にはせん断強さが５〜６ｋｇｆ／ｍｍ２で安定した接合強度を示し、一部Ａ４０を含んだ界面で破壊していた。
【００６６】
つまり、ジャーナル軸受およびスラスト軸受とも、Ｎｏ．４，Ｎｏ．５およびＮｏ．８のように、裏金母材をステンレス鋼とするか、もしくは接合界面にＮｉを介在させることによって、ＵＴ検査に合格し、相当の接合強度をもつ接合界面をもったすべり軸受を製造できることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明が適用できるジャーナル軸受およびスラスト軸受の代表的な形態および断面形状を示す。
【図２】ジャーナル軸受およびスラスト軸受の容器形態を断面によって示す。
【図３】実施例で用いたせん断試験片の形状を示す。
【図４】実施例で用いたせん断試験のための試験治具を示す。
【符号の説明】
【００６８】
１ Ａｌ−Ｓｎ合金軸受材
２ 裏金母材
３ ＨＩＰ処理のための収納容器のふた
４ ＨＩＰ処理のための収納容器の内管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、比較的軟質の軸受材と通常炭素鋼からなる裏金母材で構成されるすべり軸受の製造法に関する。
【背景技術】
【０００２】
駆動部をもつあらゆる製品に用いられる機械要素としてのすべり軸受は、回転する軸を回転面で支えるジャーナル軸受と軸方向で支えるスラスト軸受が代表的なものである。
【０００３】
この回転軸を面で支えて、すべりの相対運動を行う軸受をとくに、「すべり軸受」と呼び、点接触する玉を用いた「ころがり軸受」とは区別する。
【０００４】
図１は、このすべり軸受における代表的な（イ）にジャーナル軸受と、（ロ）にスラスト軸受の代表的な形態を示す。 （イ）と（ロ）のそれぞれにおいて、軸の断面とのＸ−Ｘ線に沿っての断面を示す。
【０００５】
一般に、すべり軸受は比較的軟質の軸受材１と裏金母材２で構成され、裏金には汎用性や剛性がある鉄合金、通常炭素鋼や軟鋼などが用いられることが多い。
【０００６】
近年、係るすべり軸受の軸受材１としては、鉛（Ｐｂ）系または錫（Ｓｎ）系のホワイトメタルやＰｂを含有したＣｕ合金に替わり、より軽量な材質であるＡｌ合金が用いられるようになってきた。
【０００７】
これは、Ｐｂが本来もつ環境負荷性を低減することも含め、軸受への荷重や速度などの負荷条件も増えて、材質的に耐えられない条件があることによる。
【０００８】
この軸受材としては、含有するＰｂやＳｎは、異物埋収性やなじみ性という、すべり軸受としては必要不可欠な特性があり、それぞれが固溶しない組合せであり、固溶することなく軸受材中に分散することで、軸受材における軟質材としての特性をより発現できる。
【０００９】
例えば、Ｓｎを含むＡｌ合金として、Ａｌ−４０重量％Ｓｎ−１重量％ＣｕからなるＡ４０という軸受合金がよく知られている。この合金はＣｕを１重量％含むＡｌ合金母相中に４０重量％ものＳｎを固溶しない第２相として含んでいる。
【００１０】
ところで、このような軸受材において、Ｃｕまたは、Ａｌ合金母材に、多量の軟質材を固溶しない第２相として含む軸受材とした軸受は、従来から、粉末焼結法、または帯板圧接法、またはこれらを複合させた製法によって製造されている。（特許文献１〜３参照）
【００１１】
ところが、ジャーナル軸受の場合には、粉末焼結法や帯板圧接法においては、曲げ加工して軸受を製作する必要から、裏金母材が曲げ加工できる程度の板厚が薄くて、しかも、比較的軟質の炭素鋼または軟鋼などの鉄合金に限られることになる。したがって、剛性が必要な軸受や大型軸受の場合には、さらに剛性のある硬質の鉄合金で軸受を収納する容器を別途に製作して軸受位置に設置することが必要となる。
【００１２】
従来の粉末圧延法および帯板圧接法による軸受の製作においては、軸受材１と裏金母材２は曲げ加工をできることが、寸法および材質の選定においてそれらの双方に必須であり、当然ながら、製品特性にも制限が加わってくることは自明である。
【００１３】
（イ）に示すジャーナル軸受の場合、従来法では曲げ加工で製作された薄い裏金母材２をもった軸受材１を、剛性がより高い形状および寸法をもった異材の裏金補強材で全体を構成する必要があり、この場合も部品数および工程数の増加は避けがたいという製造法特有の欠点があり、コストおよび納期的にも不利であった。
【００１４】
そして、すべり軸受の他の形態である回転軸の荷重を軸方向から支える（ロ）に示すスラスト軸受においては、裏金母材２が厚く曲げ加工ができないため、従来法によるジャーナル軸受とは異なる製造工程が採用され、品質や工程管理の面で複雑になっていた。つまり、ジャーナル軸受では連続した製造ラインで効率よく製造することが可能であったが、スラスト軸受では従来とは異なる製造ラインで不連続的に製造するしかなく、別々の管理方法、製造条件を採用する必要がある点ではコストおよび納期的にも不利であった。
【００１５】
また、粉末焼結法あるいは帯板圧接法で得られた軸受も、軸受材と裏金母材との間には、それぞれの熱膨張の差によって熱応力が発生したり、脆弱な反応層が形成したり、低品質の軸受となる恐れがあった。
【特許文献１】特許第３１９５０４２号
【特許文献２】特開２００４−７６０３９
【特許文献３】特開２００２−３８２３０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の課題は、多量の軟質材を固溶しない第２相として含む軸受材とした従来の軸受の粉末焼結法あるいは帯板圧接法によって得られた軸受の上記欠点を解消することにある。
【００１７】
具体的には、粉末焼結法あるいは帯板圧接法によって得られた軸受において、軸受材と裏金母材との接合界面における熱応力の発生を低減し、かつ、接合界面における脆弱な反応層の形成を防止することによって、信頼性の高い軸受を安定的に得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、先の図１において、従来の粉末圧延法および帯板圧接法による軸受の製作においては、軸受材１と裏金母材２は曲げ加工ができることが、寸法および材質の選定においてそれらの双方に必須であり、このことによって、当然ながら、製品特性にも制限が加わってくることは自明であり、製品により近い形状および寸法であるいわゆるニアネット形状で一体製作できるＨＩＰ法が適しているという認識に基づく。
【００１９】
本発明は、多量の軟質材を固溶しない第２相として含む母材を軸受材とし、且つ、複雑な形状をもつ軸受の製造に、複雑形状やニヤネット形状製品の製造に適しているＨＩＰ（熱間等方加圧）法による拡散接合法を適用したものである。
【００２０】
そして、このＨＩＰ法による拡散接合法を適応することによって得られた軸受は、軸受材が裏金母材である鋼と界面接合によって一体化され、これによって、接合界面における熱膨張率の差異による熱応力の発生を低減し、且つ、前記裏金母材である鋼の少なくとも軸受材側の一部をステンレス鋼とすることによって接合界面における脆弱な反応層の形成を抑止することができる。
【００２１】
とくに、Ｃｕ合金を軸受材としたすべり軸受よりもさらに軽量化および軟質化され、さらに環境負荷成分を含まないＡｌ−Ｓｎ合金を軸受材としたすべり軸受の製造において、裏金母材である鋼との反応によるＡｌ−Ｆｅ系の金属間化合物の形成と熱膨張率の差とによって、寸法および形状の自由度が高く、しかも部品数および工程数の省略をはじめ、コストおよび納期的にも有利となる異材接合方法を得る必要がある。
【００２２】
Ａｌ−Ｓｎ合金を軸受材は、その主要成分であるＡｌとＳｎは低温においても容易に酸化変質する性質があるため、できるだけ真空雰囲気、少なくとも酸化しない非酸化雰囲気で製造する必要があるが、その点、ＨＩＰ法は真空容器内に原料を収納した清浄な状態で処理を行うため、雰囲気によって酸化劣化することは皆無となる。
【００２３】
Ａｌ合金の場合は、Ｃｕ合金と比べて、鋼に対する熱膨張率差がかなり大きく（アルミは約２４×１０−６、銅は約１６×１０−６、鋼は約１２×１０−６）、また、Ａｌと鋼の主要成分である鉄（Ｆｅ）とは容易に反応してＡｌ−Ｆｅ系の金属間化合物を生成しやすいという問題がある。
【００２４】
例えば、接合界面を構成するＡｌ合金と鋼における熱膨張率の過大な差異は界面接合後の冷却過程において過大な熱応力を発生させることによる界面剥離の原因となり、接合界面における熱応力の緩和が必要となってくる。
【００２５】
また、接合界面に生成したＡｌ−Ｆｅ系の金属間化合物は、本来脆性であるため、接合界面に発生した熱応力によって容易に破壊しやすい基本的な性質があり、過剰な金属間化合物の生成は熱応力の発生に伴って界面剥離の原因となってしまう可能性がある。
【００２６】
このように、ＨＩＰ法においてＡｌ−Ｓｎ合金を軸受材としたすべり軸受を製造する場合には、接合界面における熱応力の発生を極力低く抑えて、かつ金属間化合物の生成量も極力少なくする方策が必要となってくる。
【００２７】
つまり、Ａｌ合金の場合は、Ｃｕ合金に比べて接合温度であるＨＩＰ保持温度は低いため、通常の裏金母材である炭素鋼との特性の差異による影響は若干小さくなることは予測される。
【００２８】
そこで、熱応力の発生を低く抑えるために少なくとも接合界面における熱膨張率の差異を小さくするため、裏金としてＡｌ−Ｓｎ合金に近い熱膨張率をもった鋼であるステンレス鋼（熱膨張率は約１４〜１６×１０−６）を採用すること、またはニッケル（熱膨張率は約１３×１０−６）を界面層として介在させることが非常に有効である。
【００２９】
つまり、本発明であるＨＩＰ法におけるＡｌ−Ｓｎ合金を軸受材としたすべり軸受の製造において、裏金母材として少なくとも一部にオーステナイト組織を含むオーステナイト系ステンレス鋼を採用すること、またはニッケルを界面層として介在させることは、接合界面における熱応力緩和と界面反応抑止の両方において効果がある。
【００３０】
このＡｌ−Ｓｎ系の軸受材自体は従来から知られた軸受用合金であり、Ｐｂなどの環境汚染成分を含まず、すべり軸受の軟質化と軽量化を同時に達成できる軸受材である。ただし、潤滑材として機能する錫を多量に含むＡｌ−Ｓｎ合金は、インゴットのような溶製材で製造すると、母相であるアルミよりも低融点の錫が原因となって粗大化や偏析を起こすので均一な組織や特性が得られないため、粉末の形態とする必要がある。
【００３１】
粉末の製造法としては、従来から用いられてきたアトマイズ法としてガスアトマイズ法が好適である。
【００３２】
そして、もうひとつの主要な軸受構成材である裏金母材は、熱応力緩和と界面反応抑制のために少なくとも裏金母材側の界面の一部をステンレス鋼とするか、またはニッケルを界面に介在させる。
【００３３】
例えば、少なくとも裏金母材側の界面付近をステンレス鋼とする例として、最も基本的で単純な例は裏金母材全体をステンレス鋼とすることであり、製造コストおよび納期対応の点で最も有利である。もちろん、接合界面となる界面側がステンレス鋼である２層クラッド材でも使用可能ではあるが、価格も高価で、所定の寸法範囲仕様からすると市場での入手も容易ではないと思われる。
【００３４】
ステンレス鋼の材質としては、最も汎用性の高いオーステナイト系ステンレス鋼が熱膨張率の範囲からは好適である。つまり、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６を代表例とするオーステナイト系ステンレス鋼は適度のＮｉを含み、ステンレス鋼の中でも熱膨張率が高く、Ａｌ−Ｓｎ合金との界面反応性や熱膨張率の差異をより小さく設定できる。ＳＵＳ４３０のようなフェライト系ステンレス鋼ではＮｉを含まず熱膨張率が比較的低く（約９×１０−６）、ＳＵＳ４１０のようなマルテンサイト系ステンレス鋼では低い熱膨張率のほかにも、磁性があるためアーク溶接が困難であるなど本発明には適さない。もちろん、Ｎｉを含んで、少なくとも一部にオーステナイト組織をもつ析出硬化系ステンレス鋼ＳＵＳ６３０や２相系ステンレス鋼ＳＵＳ３２９も適用可能である。
【００３５】
そして、もうひとつの方法としてニッケル（Ｎｉ）を界面に介在させることは熱膨張率（約１３×１０−６）というよりも、Ａｌ−Ｆｅ間の界面反応抑制の面から評価される。もちろん、Ａｌ−Ｎｉ間にも金属間化合物は存在するが、Ａｌ−Ｆｅ系よりも成長が遅いとか、より脆性の小さい金属間化合物である点から、比較的に有利である。
【００３６】
ニッケルを界面に介在させる方法として電気めっきが好適例として挙げられる。介在層としてめっき層に求められる特性は、不可避不純物を含む純Ｎｉであればよく、厚さも平均して１０μ以上であれば反応抑制には効果があり、厚くしてもめっき後に剥離しやすいとか、処理時間が長くなることでめっき費用が高くなるなどの不利なことのほうが多くなるだけである。
【００３７】
本発明において、ＨＩＰに用いる装置は、加熱と加圧が同時または個別に行える装置であればよく、処理品は容器に真空封入して加圧アルゴンまたは窒素ガスによって所定の等方圧を負荷できる機能を備えていればよい。
【００３８】
本発明で使用するＨＩＰ法であれば、粉末焼結と拡散接合が同時に行えるので、この点においてもやはり製造方法として最適である。
【発明の効果】
【００３９】
軟質材を固溶しない第２相として含む母材からなるＣｕ−Ｐｂ，Ａｌ−Ｓｎ合金系の軸受材とする軸受の製作に、ＨＩＰ法による拡散接合法を適用したことによって、粉末焼結法や帯板圧接法に比べて寸法および形状の自由度は高くなり、しかも、部品数および工程数が省略できる。
【００４０】
また、ＨＩＰ法による拡散接合法を適用したことによって、熱応力の発生が低減され、接合界面において脆弱な反応層の形成を防止することによって、すべり軸受の中でも、ジャーナル軸受において、軽量化、軟質化が達成される。とくに、環境負荷成分を含まないＡｌ−Ｓｎ合金を軸受材とする軸受の製作に適したものである。
【００４１】
ＨＩＰ法であれば、粉末焼結と拡散接合が同時に行えるので、この点においてもやはり製造方法として最適である。
【００４２】
ジャーナル軸受およびスラスト軸受ともＨＩＰ装置が共通して使えるため、同一の管理方法、製造条件が採用でき、寸法および形状に関係なく制限容量内で同バッチ処理することも可能であるため、コストおよび納期的にも有利となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下、本発明の実施の形態の一つを、組成がＣｕを１重量％含むＡｌ合金母相中に４０重量％ものＳｎを固溶しない第２相として含むＡｌ−Ｓｎ合金の軸受材を有するリング状の形態で回転軸の荷重を放射方向から支えるジャーナル軸受に適用した実施例で示す。
【実施例】
【００４４】
ＨＩＰ法においては、容器中に処理品を真空封入して処理するものであるが、本発明においては、裏金母材を容器として使用してＨＩＰ処理する。
【００４５】
図２は、図１に示すジャーナル軸受（イ）とスラスト軸受（ロ）において、裏金母材２を容器に兼用している。
【００４６】
すなわち、ジャーナル軸受（イ）の場合、軸受材１を、裏金母材２と収納容器を構成するふた３と内管４とによって溶接構造容器とした形態を採ることができる。その溶接の形態としては、アーク溶接の場合はＴＩＧ溶接、特殊溶接としては電子ビーム溶接（ＥＢＷ）を採用できるが、ＨＩＰ処理の場合の雰囲気制御も同時に行うようにすることを考慮すれば電子ビーム溶接は特に好適である。
【００４７】
また、スラスト軸受（ロ）の場合は、裏金母材２の外面に形成した凹部に軸受材１をセットし、さらにその外周面をふた３によってシールし、軸受材１は裏金母材２とふたによって形成された容器に真空封入した形態を採る。
【００４８】
このように、裏金母材２を、軸受材１を真空封入した収納容器の構造部材として採用することによって容器構造が簡略化され、製造コストおよび工程上も有利となる。
【表１】
【００４９】
表１は、図２に示すすべり軸受の軸受材と裏金母材、それに内管の組成の代表例を示す。
【００５０】
同表において、Ａ４０は、一般に軸受材としてのＡｌ−Ｓｎ合金であり、Ｓｎを４０重量％も含むジャーナル軸受およびスラスト軸受に共通した材質である。
【００５１】
ＳＴＫＭ１３Ａは、機械構造用炭素鋼鋼管であり、ジャーナル軸受の場合、図２に示す内管４となる材質である。そして、ジャーナル軸受の裏金母材は通常炭素鋼Ｓ４５Ｃで、スラスト軸受の場合は炭素鋼Ｓ２５Ｃであり、本発明による熱応力緩和と界面反応抑制のためにジャーナル軸受において一部ステンレス鋼ＳＵＳ３０４を採用することで効果を得た。また、図２において容器を構成するふた３には炭素鋼Ｓ２５Ｃ相当または軟鋼板を、スラスト軸受のふた３にも軟鋼板を用いる。
【表２】
【００５２】
表２は、すべり軸受の軸受材として上記Ａ４０を用い、裏金母材として各種のものを用い、さらに、裏金母材の表面に各種のめっきを施したものも含め、ＨＩＰ処理条件としての保持温度、保持圧力および保持時間をそれぞれ５００℃、９８ＭＰａおよび９０分とした。
【００５３】
同表において、Ｎｏ．１からＮｏ．５がジャーナル軸受であり、Ｎｏ．６からＮｏ．８がスラスト軸受である。
【００５４】
ジャーナル軸受のうち、Ｎｏ．１からＮｏ．４は、裏金母材をＳ４５Ｃとし、界面に介在させる各種めっき層を変化させた場合を示す。
【００５５】
めっきなしまたは無電解Ｎｉ−Ｐめっきの場合にはＨＩＰ処理直後における超音波探傷試験（ＵＴ）による検査の結果、一部の接合界面に欠陥が見つかり不合格となった。また電気めっきによるＣｕ（銅）およびＮｉめっきの場合の両者とも接合界面に欠陥は見つからず、ＵＴ検査は合格であった。
【００５６】
そして、裏金母材全体をオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３０４としたＮｏ．５の場合は、接合界面に欠陥は見つからず、ＵＴ検査は合格であり、接合界面が適度の接合強度をもつことが分かった。
【００５７】
Ｎｏ．６はめっきなしのスラスト軸受の場合であるが、ＨＩＰ処理直後におけるＵＴ検査の結果、一部の接合界面に欠陥が見つかり、不合格となった。
【００５８】
Ｎｏ．７およびＮｏ．８に示すスラスト軸受の場合は、界面介在層としてのＣｕおよびＮｉめっきを実施したが、やはり両者とも接合界面に欠陥は見つからずＵＴ検査は合格であった。
【００５９】
接合界面における健全性を定量的に評価する方法として、接合界面におけるせん断強さを測定することとした。図３に示す（イ）としてジャーナル軸受、（ロ）としてスラスト軸受のせん断試験片として、（イ）の場合は直径部を製品寸法に合わせて、全長１５ｍｍ、フランジ部厚５ｍｍ、（ロ）の場合は全長を製品寸法に合わせて、裏金母材部直径２５ｍｍ、軸受材部直径１５ｍｍとした試験片を複数個採取した。
【００６０】
そして、図４に示す（イ）の場合は受け治具と押し治具で構成され、回転軸方向に押し抜きするように荷重を負荷する機構を、（ロ）の場合は軸受材部と裏金母材部を界面に対して平行にずらす機構をもった試験治具を用いて、アムスラー型万能試験機で荷重を負荷しながら、最大負荷荷重（ｋｇｆ）を接合面積（ｍｍ２）で除してせん断強さ（ｋｇｆ／ｍｍ２）を求め、表３に示した。同図において、（イ）はジャーナル軸受であり、（ロ）はスラスト軸受である。
【００６１】
また、試験後の試験片を観察して破断位置の特定を行い、せん断試験片を採取した位置の近傍から採取した組織観察片において観察したミクロ組織観察から界面に生成した金属間化合物の厚さ計測、およびＥＤＸ（エネルギー分散型エックス線分光）分析による化合物の組成決定も行い、併せて表３に示す。
【表３】
【００６２】
Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３で示したジャーナル軸受の場合、めっきなし、Ｎｉ−ＰめっきおよびＣｕめっきではせん断強さは５ｋｇｆ／ｍｍ２以下の低い不安定な接合強度であり、いずれも接合界面に形成された金属間化合物内で破壊していた。
【００６３】
そしてＮｏ．４に示したＮｉめっきの場合、せん断強さは５〜６ｋｇｆ／ｍｍ２と安定した接合強度で、一部Ａ４０を含んだ界面で破壊していた。
【００６４】
さらに、裏金母材全体をＳＵＳ３０４とした場合にはさらにせん断強さは６〜７ｋｇｆ／ｍｍ２に増加し、やはり一部Ａ４０を含んだ界面で破壊した。
【００６５】
また、スラスト軸受に対応するＮｏ．６からＮｏ．８の場合には、めっきなしとＣｕめっきの場合には５ｋｇｆ／ｍｍ２以下の低い接合強度であったが、Ｎｉめっきの場合にはせん断強さが５〜６ｋｇｆ／ｍｍ２で安定した接合強度を示し、一部Ａ４０を含んだ界面で破壊していた。
【００６６】
つまり、ジャーナル軸受およびスラスト軸受とも、Ｎｏ．４，Ｎｏ．５およびＮｏ．８のように、裏金母材をステンレス鋼とするか、もしくは接合界面にＮｉを介在させることによって、ＵＴ検査に合格し、相当の接合強度をもつ接合界面をもったすべり軸受を製造できることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明が適用できるジャーナル軸受およびスラスト軸受の代表的な形態および断面形状を示す。
【図２】ジャーナル軸受およびスラスト軸受の容器形態を断面によって示す。
【図３】実施例で用いたせん断試験片の形状を示す。
【図４】実施例で用いたせん断試験のための試験治具を示す。
【符号の説明】
【００６８】
１ Ａｌ−Ｓｎ合金軸受材
２ 裏金母材
３ ＨＩＰ処理のための収納容器のふた
４ ＨＩＰ処理のための収納容器の内管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣｕまたはＡｌの合金母材に固溶しない軟質材を第２相として含む軸受材とし、鋼材を裏金母材とした軸受を、ＨＩＰ法による拡散接合法を適用するすべり軸受の製造法。
【請求項２】
裏金母材をオーステナイト系ステンレス鋼とした請求項１に記載のすべり軸受の製造法。
【請求項３】
軸受材と裏金母材の間にＮｉまたはＮｉを主体とする介在層を設けた請求項１に記載のすべり軸受の製造法。
【請求項４】
軸受材がＡｌ−Ｓｎ系合金である請求項１に記載のすべり軸受の製造法。
【請求項５】
裏金母材をＨＩＰ法による処理のための軸受材の収納容器とする請求項１に記載のすべり軸受の製造法。
【請求項１】
ＣｕまたはＡｌの合金母材に固溶しない軟質材を第２相として含む軸受材とし、鋼材を裏金母材とした軸受を、ＨＩＰ法による拡散接合法を適用するすべり軸受の製造法。
【請求項２】
裏金母材をオーステナイト系ステンレス鋼とした請求項１に記載のすべり軸受の製造法。
【請求項３】
軸受材と裏金母材の間にＮｉまたはＮｉを主体とする介在層を設けた請求項１に記載のすべり軸受の製造法。
【請求項４】
軸受材がＡｌ−Ｓｎ系合金である請求項１に記載のすべり軸受の製造法。
【請求項５】
裏金母材をＨＩＰ法による処理のための軸受材の収納容器とする請求項１に記載のすべり軸受の製造法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００８−２９１３１６（Ｐ２００８−２９１３１６Ａ）
【公開日】平成２０年１２月４日（２００８．１２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１３８０６６（Ｐ２００７−１３８０６６）
【出願日】平成１９年５月２４日（２００７．５．２４）
【出願人】（０００１４３６２８）株式会社黒木工業所 (17)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月４日（２００８．１２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月２４日（２００７．５．２４）
【出願人】（０００１４３６２８）株式会社黒木工業所 (17)
【Ｆターム（参考）】
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