軸受用アルミニウム合金
【課題】軸受用アルミニウム合金であって、従来に比べて耐焼付性及び耐疲労性を更に向上させた軸受用アルミニウム合金を提供することである。
【解決手段】本発明に係る軸受用アルミニウム合金は、２質量％以上２０質量％以下のＳｎと、０．１質量％以上３質量％以下のＣｕと、ＴｉＣよりも硬度が小さい硬質材と、残部Ａｌ及び不可避的不純物とからなる軸受用アルミニウム合金であって、前記硬質材は、ＴａＣまたはＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２から選択される少なくとも１種であることを特徴とする。なお、前記硬質材は、更に、ＴｉＢ２、ＨｆＣ、ＺｒＣまたはＺｒＢ２から選択される少なくとも１種を含むことが好ましく、また、前記硬質材の含有量は、総量で０．３体積％以上８体積％以下であることが好ましい。
【解決手段】本発明に係る軸受用アルミニウム合金は、２質量％以上２０質量％以下のＳｎと、０．１質量％以上３質量％以下のＣｕと、ＴｉＣよりも硬度が小さい硬質材と、残部Ａｌ及び不可避的不純物とからなる軸受用アルミニウム合金であって、前記硬質材は、ＴａＣまたはＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２から選択される少なくとも１種であることを特徴とする。なお、前記硬質材は、更に、ＴｉＢ２、ＨｆＣ、ＺｒＣまたはＺｒＢ２から選択される少なくとも１種を含むことが好ましく、また、前記硬質材の含有量は、総量で０．３体積％以上８体積％以下であることが好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関用軸受に関し、より詳しくはアルミニウム軸受合金に硬質材を含有してなる軸受用アルミニウム合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用の摺動部材の摺動面には、回転軸との摩擦を少なくし、潤滑性を高めて摺動性を向上させるため、すべり軸受等の軸受が使用される。軸受に使用される軸受材料としては、例えば、ＳｎまたはＣｕ等を含有させたアルミニウム合金である軸受用アルミニウム合金が用いられる。特に、車両用エンジンのコネクティングロッド等の軸受に用いられる軸受用アルミニウム合金は、軸受が回転軸により高い面圧を繰り返し負荷されるため、高い耐疲労性及び耐焼付性が要求される。そこで、ＳｎまたはＣｕ等よりも硬い硬質材であるＴｉＣをアルミニウム合金中に分散させて、分散強化によって耐疲労性を向上させた軸受用アルミニウム合金が用いられている。例えば、特許文献１及び２には、ＴｉＣ粒子を含む軸受用アルミニウム合金が示されており、特に、特許文献１には、Ｓｎを２〜２０質量％、Ｃｕを０．１〜３質量％、平均粒径０．２μｍ以下のＴｉＣ粒子を０．１〜４．５体積％含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなる軸受用アルミニウム合金が示されている。なお、軸受用アルミニウム合金中に分散したＴｉＣは、軸受と回転軸との摺動により軸受から回転軸に付着したアルミニウム合金を除去するラッピング（lapping）機能を有しており、軸受と回転軸との耐焼付性も向上させている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３０９３３３号公報
【特許文献２】特開２００３−２５３３６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、軸受の耐焼付性については、上述したようなＴｉＣを分散させた軸受用アルミニウム合金を用いても、回転軸により高い面圧が繰り返し負荷される条件では十分とはいえない。そこで、ＴｉＣの粒径を、例えば、上記のような平均粒径０．２μｍよりも大きくすることで軸受の耐焼付性をさらに向上させることもできる。しかし、その場合には、ＴｉＣはビッカース硬さでＨＶ３０００と硬い材料であるため、相手材である回転軸の摩耗が大きくなるという問題がある。また、軸受用アルミニウム合金の耐疲労性についても、上記のような繰り返し負荷に長時間耐えうるよう、更なる耐疲労性の向上が望まれている。なお、ＴｉＣ粒子は高価で、機械加工性が悪いため、製造コストが高いという問題もある。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、高価なＴｉＣ粒子を用いることなく、耐焼付性及び耐疲労性を更に向上させた軸受用アルミニウム合金を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の第１に係る軸受用アルミニウム合金は、２質量％以上２０質量％以下のＳｎと、０．１質量％以上３質量％以下のＣｕと、ＴｉＣよりも硬度が小さい硬質材と、残部Ａｌ及び不可避的不純物とからなる軸受用アルミニウム合金であって、前記硬質材は、ＴａＣまたはＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２から選択される少なくとも１種であることを特徴とする。
【０００７】
本発明の第２に係る軸受用アルミニウム合金は、２質量％以上２０質量％以下のＳｎと、０．１質量％以上３質量％以下のＣｕと、ＴｉＣよりも硬度が小さい硬質材と、残部Ａｌ及び不可避的不純物とからなる軸受用アルミニウム合金であって、前記硬質材は、ＴａＣまたはＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２から選択される少なくとも１種を含み、更に、ＴｉＢ２、ＨｆＣ、ＺｒＣまたはＺｒＢ２から選択される少なくとも１種を含むことを特徴とする。
【０００８】
本発明の第３に係る軸受用アルミニウム合金は、２質量％以上２０質量％以下のＳｎと、０．１質量％以上３質量％以下のＣｕと、ＴｉＣよりも硬度が小さい硬質材と、残部Ａｌ及び不可避的不純物とからなる軸受用アルミニウム合金であって、前記硬質材は、ＴａＣまたはＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２から選択される少なくとも１種を含み、更に、ＡｌＮまたはＡｌ２Ｏ３から選択される少なくとも１種を含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明の第４に係る軸受用アルミニウム合金は、前記第１から３に係る軸受用アルミニウム合金において、前記硬質材の含有量が、総量で０．３体積％以上８体積％以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
従って本発明の軸受用アルミニウム合金によれば、機械加工性が悪く、高価なＴｉＣ粒子を用いることなく、耐焼付性及び耐疲労性の更なる向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。図１は、軸受用アルミニウム合金の製造方法を示す図である。
【００１２】
硬質材ペレット作製工程（Ｓ１０）は、軸受用アルミニウム合金のベースとなるアルミニウム合金の中に硬質材を分散させるための硬質材ペレットを作製する工程である。
【００１３】
硬質材は、軸受用アルミニウム合金へ耐焼付性及び耐疲労性等を付与するために添加される。硬質材としては、ＴａＣまたはＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２から選択される少なくとも１種を用いることができる。これらの硬質材によれば、ＴｉＣより硬度が小さいために、硬質材としてＴｉＣを用いた軸受用アルミニウム合金よりも、相手材の摩耗を少なくして、耐焼付性を向上させることができ、更に、軸受用アルミニウム合金の結晶粒を微細化することにより、軸受用アルミニウム合金の基地を強化し、耐疲労性を向上させることができる。なお、軸受用アルミニウム合金の結晶粒を微細化する効果が得られる硬質材としては、硬質材の結晶構造がアルミニウムと同じ面心立方晶である場合には、アルミニウムとの格子定数の差が１０％以下の硬質材であり、一方、硬質材の結晶構造がアルミニウムの結晶構造と異なる硬質材の場合には、特定の結晶面間隔がアルミニウムの格子定数とほぼ等しい硬質材である。アルミニウム合金の結晶粒を微細化できる硬質材としては、ＴａＣ、Ｍｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２及びＴｉＣがある。ＴｉＣの含有は上述の理由により好ましくないが、微細かつ少量であれば後述する他の硬質材と共に含有させて軸受用アルミニウム合金として用いることができる。
【００１４】
硬質材には、ＴａＣまたはＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２から選択される少なくとも１種に加えて、更に、ＴｉＢ２、ＨｆＣ、ＺｒＣまたはＺｒＢ２から選択される少なくとも１種を含むこともできる。ＴｉＢ２、ＨｆＣ、ＺｒＣ及びＺｒＢ２についても、ＴｉＣより硬度が小さいため硬質材としてＴｉＣを用いた軸受用アルミニウム合金よりも、耐焼付性を向上させることができる。なお、上述したＴａＣまたはＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２から選択される少なくとも１種のみ含む軸受用アルミニウム合金よりも、更に、ＴｉＢ２、ＨｆＣ、ＺｒＣまたはＺｒＢ２から選択される少なくとも１種を含有させたほうが、耐焼付性を向上させることができる。これは耐疲労性についても同様であり、ＴａＣまたはＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２から選択される少なくとも１種のみの場合でも硬質材としてＴｉＣを用いた軸受用アルミニウム合金よりも耐疲労性を向上させることができるが、更に、ＴｉＢ２、ＨｆＣ、ＺｒＣまたはＺｒＢ２から選択される少なくとも１種を含有させたほうが、より耐疲労性を向上させることができる。
【００１５】
硬質材には、ＴａＣまたはＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２から選択される少なくとも１種に加えて、更に、ＡｌＮまたはＡｌ２Ｏ３から選択される少なくとも１種を含むこともできる。ＡｌＮ及びＡｌ２Ｏ３についても、ＴｉＣより硬度が小さいため硬質材としてＴｉＣを用いた軸受用アルミニウム合金よりも、耐焼付性を向上させることができる。なお、上述したＴａＣまたはＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２から選択される少なくとも１種のみ含む軸受用アルミニウム合金よりも、更に、ＡｌＮまたはＡｌ２Ｏ３から選択される少なくとも１種を含有させたほうが耐焼付性を向上させることができる。また、その他の硬質材としては、平均粒径０．２μｍ以下のＴｉＣを含み、更に、ＴａＣ、Ｍｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２、ＴｉＢ２、ＨｆＣ、ＺｒＣ、ＺｒＢ２、ＡｌＮまたはＡｌ２Ｏ３から選択される少なくとも１種を含むこともできる。
【００１６】
軸受用アルミニウム合金中の硬質材の含有量は、総量で０．３体積％以上８体積％以下であることが好ましい。硬質材の含有量が０．３体積％未満であると、軸受用アルミニウム合金の基地を十分に強化することができず、十分な耐疲労性が得られない。また、硬質材の含有量が８体積％を超えると、鋳造時における溶湯の流動性が悪くなり、更に、鋳塊をシート状に圧延する際の圧延性も悪くなる。なお、軸受用アルミニウム合金中の硬質材の含有量は、１．５体積％以上２．５体積％以下が更に好ましく、硬質材の含有量がこの範囲である場合には、軸受用アルミニウム合金の耐焼付性及び耐疲労性を更に向上させることができる。
【００１７】
また、硬質材の粒径は、平均粒径で８μｍ以下であることが好ましい。硬質材の平均粒径が８μｍを超える場合には、軸受用アルミニウム合金の耐焼付性及び耐疲労性が低下するからである。更に好ましくは、平均粒径で３μｍ以上８μｍ以下であり、硬質材の平均粒径がこの範囲である場合には、軸受用アルミニウム合金の耐焼付性及び耐疲労性を更に向上させることができる。
【００１８】
軸受用アルミニウム合金のベースとなるアルミニウム合金中に硬質材を分散させるための硬質材ペレットの作製は、例えば、特開２００３−２５３３６４号公報に示されている粉末成形体内でのその場生成である、いわゆるIn-situ法により行うことができる。In-situ法が用いられるのは、硬質材を軸受用アルミニウム合金中により均一に分散することができるからである。図２は、In-situ法による硬質材ペレットの作製方法を示す図である。まず、硬質材ペレットを作製するための原料粉末を準備する。表１に、各硬質材ペレットを作製するための原料粉末を示す。
【００１９】
【表１】
【００２０】
表１に示すように、硬質材として、ＴａＣを用いる場合には、ＴａＣペレットの原料粉末として、Ａｌ粉末、Ｔａ粉末及びＣ粉末を準備する。また、硬質材としてＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２を用いる場合には、Ｍｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２ペレットの原料粉末として、Ａｌ粉末、Ｍｏ粉末及びＳｉ粉末を準備する。これらの原料粉末は、Ｖ型混合機等により、表１に示す混合比により混合され混合粉が作製される。例えば、ＴａＣペレットを作製する場合には、Ａｌ粉末が０．５ｇと、Ｔａ粉末が１．５１ｇと、Ｃ粉末が０．１ｇとが混合される。また、Ｍｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２ペレットを作製する場合には、Ａｌ粉末が７ｇと、Ｍｏ粉末が３．４ｇと、Ｓｉ粉末が２ｇとが混合される。
【００２１】
つぎに、上記の混合粉をプレス成形機等により、約７００ＭＰａでプレス成形し成形体を作製する。そして得られた成形体は、アルゴンガス雰囲気中でアルミニウムの融点以上の温度で熱処理される。例えば、ＴａＣペレットを作製する場合には、この熱処理により、成形体中のＴａ粉末及びＣ粉末が反応しＴａＣが生成され、Ａｌ中にＴａＣを含有したＴａＣペレットが作製される。また、Ｍｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２ペレットを作製する場合には、Ａｌ粉末、Ｍｏ粉末及びＳｉ粉末が反応しＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２が生成され、Ａｌ中にＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２を含有したＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２ペレットが作製される。
【００２２】
硬質材分散工程（Ｓ１２）は、軸受用アルミニウム合金のベースとなるアルミニウム合金の溶湯の中に硬質材ペレットを投入して、硬質材を溶湯中に分散させる工程である。図３は、硬質材の分散方法を示す図である。ここで、ベースとなるアルミニウム合金は、２質量％以上２０質量％以下のＳｎと、０．１質量％以上３質量％以下のＣｕと、残部Ａｌ及び不可避的不純物とからなるアルミニウム合金を用いる。Ｓｎ量が、２質量％未満であると十分ななじみ性が得られず、また、Ｓｎ量が、２０質量％を超えると耐疲労性が低下する。そして、Ｃｕ量が、０．１質量％未満であると十分な耐疲労性が得られず、Ｃｕ量が３質量％を超えると耐焼付性が低下する。なお、ベースとなるアルミニウム合金には、ＢｉまたはＩｎを合計で８質量％以下含有してもよく、ＢｉまたはＩｎの潤滑効果により、軸受用アルミニウム合金の耐焼付性を向上させることができる。また、ベースとなるアルミニウム合金には、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｖ、Ｎｉ及びＦｅからなる群から選択される少なくとも１種を総量で２質量％以下含有してもよい。Ｍｇは、Ｃｕと同様に固溶強化によりＡｌマトリックスを強化する。但し、Ｍｇの含有量が２質量％を超えると強度が高くなりすぎて、軸受適用時にはなじみ性が低下する。Ｃｒ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｖ、Ｎｉ及びＦｅは、高温強度を向上させる。但し、これらの含有量が総量で２質量％を超えると強度が高くなりすぎると同時に、粗大析出物が生成して、軸受適用時にはなじみ性が低下する。
【００２３】
軸受用アルミニウム合金のベースとなるアルミニウム合金の溶湯中に、硬質材ペレットを投入するにあたって、ベースとなるアルミニウム合金の溶湯温度は、約８５０℃に設定される。硬質材として、ＴａＣを用いる場合は、ベースとなるアルミニウム合金の溶湯中に、ＴａＣペレットが投入され、ＴａＣとＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２とを用いる場合には、ＴａＣペレットとＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２ペレットとが投入される。ここで、硬質材ペレットは、密度が高いほどベースとなるアルミニウム合金の溶湯中に沈みやすく溶解しやすいことから、ＴａＣやＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２等は、ＴｉＣよりも密度が高いので、溶湯中に容易に溶解させることができる。硬質材ペレットを溶湯中に投入した後、ステンレス製攪拌棒等により機械攪拌し、硬質材をベースとなるアルミニウム合金の溶湯中に均一に分散させる。
【００２４】
続く鋳造工程（Ｓ１４）では、硬質材を分散させた軸受用アルミニウム合金の溶湯を鋳型に注湯して鋳造する。鋳型には、ＪＩＳ４号舟金型等を用いることができ、鋳型の温度は、１００℃以上１２０℃以下に設定される。そして、鋳造工程（Ｓ１４）により、板厚が１０ｍｍの軸受用アルミニウム合金の鋳造材が製造される。
【００２５】
圧延工程（Ｓ１６）では、ロール圧延機等により軸受用アルミニウム合金の鋳造材を圧延し、シート材を製造する。上述した板厚が１０ｍｍの軸受用アルミニウム合金の鋳造材を、板厚１．３ｍｍのシート材となるまで圧延する。なお、圧延の中間段階または最終段階で、３５０℃で２時間の焼鈍し等を行ってもよい。
【００２６】
図４は、軸受用アルミニウム合金を用いた軸受を示す断面図である。前記軸受は、鋼板を用いた裏金と、中間層と、軸受用アルミニウム合金を用いた軸受部とからなり、これらの接合面を清浄にしてから圧接して製造される。中間層には、膜厚が５μｍ前後のＮｉ層またはＡｌ層が用いられ、これらの中間層によれば、軸受用アルミニウム合金と鋼板との接着強度を高めることができる。また、中間層には、膜厚が５０μｍ前後のＡｌ層またはＡｌ合金層を用いることもでき、前記中間層によれば、中間層の硬さが軸受用アルミニウム合金よりも低いので、軸受に過大な負荷が作用した場合、中間層の変形により応力を分散して、軸受の耐疲労性を高めることができる。なお、前記中間層は、軸受用アルミニウム合金と鋼板との接着強度を高めることにも寄与している。このようなＡｌ層またはＡｌ合金層に用いられる材料としては、純Ａｌ、２．７質量％のＣｕと、０．１２質量％のＺｒとを含有するＡｌ合金（Ａ２０９０）、または特開２００４−７６０３９号公報に開示されている、５質量％のＳｉを含有するＡｌ合金、３．５質量％のＣｕを含有するＡｌ合金、３．５質量％のＺｎを含有するＡｌ合金または３．５質量％のＭｇを含有するＡｌ合金等がある。
【００２７】
また、軸受用アルミニウム合金の表面には、樹脂コーティング層を設けることができる。前記樹脂コーティング層は、熱硬化性樹脂と固体潤滑剤とから構成され、熱硬化性樹脂と固体潤滑剤との割合は、熱硬化性樹脂が３０体積％以上７０体積％以下であり、固体潤滑剤が３０体積％以上７０体積％以下である。熱硬化性樹脂は、２５℃において、引張強度が７０ＭＰａ以上１１０ＭＰａ以下、伸びが７％以上２０％以下であり、２００℃において、引張強度が１５ＭＰａ以上、伸びが２０％以上である高温で伸びが大きい熱硬化性樹脂が用いられる。なお、上記樹脂コーティング層の硬さは、ビッカース硬さでＨＶ２０以下であることが好ましい。このような樹脂コーティング層によれば、軟質かつ高温で伸びの良い熱硬化性樹脂を含む樹脂コーティング層中に固体潤滑剤が強固に保持され、十分ななじみ性が確保されるとともに耐久性及び耐熱性も確保される。また、軸受用アルミニウム合金の表面には、銀と固体潤滑剤であるグラファイト系のＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）とを含有させた層をスパッタリング等により形成させてもよい。
【実施例】
【００２８】
軸受用アルミニウム合金を、上述した硬質材ペレット作製工程（Ｓ１０）、硬質材分散工程（Ｓ１２）、鋳造工程（Ｓ１４）及び圧延工程（Ｓ１６）により製造して、耐焼付性、耐疲労性、耐摩耗性及び相手材耐摩耗性を評価した。表２に、軸受用アルミニウム合金に係る実施例１から実施例９と比較例１から比較例７との硬質材の種類、平均粒径、添加量と、各試験の評価結果を示す。
【００２９】
【表２】
【００３０】
表２に示すように、軸受用アルミニウム合金のベースとなるアルミニウム合金は、８質量％のＳｎと、１．３質量％のＣｕと、０．２質量％のＣｒと、残部Ａｌ及び不可避的不純物とからなるアルミニウム合金を用いた。実施例１から実施例４は、硬質材としてＴａＣまたはＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２を含み、実施例５から実施例８は、硬質材として、ＴａＣまたはＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２を含み、更に、ＴｉＢ２、ＨｆＣ、ＺｒＣまたはＺｒＢ２から選択される少なくとも１種を含む軸受用アルミニウム合金である。実施例９は、硬質材として、Ｍｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２を含み、更に、ＡｌＮを含み、比較例１は、硬質材として、ＴｉＢ２を含み、更に、ＡｌＮを含む軸受用アルミニウム合金である。比較例２から比較例７は、硬質材としてＴｉＣを含み、更に、ＴａＣ、ＴｉＢ２、ＨｆＣ、ＺｒＢ２、ＡｌＮまたはＡｌ２Ｏ３から選択された１種を含む軸受用アルミニウム合金である。表３に、軸受用アルミニウム合金である比較例８から比較例１１のベースとなるアルミニウム合金組成、硬質材の種類、平均粒径、添加量、各試験の評価結果を示す。ここで、比較例１０は、硬質材としてＴｉＣを含む軸受用アルミニウム合金である。
【００３１】
【表３】
【００３２】
耐焼付性試験は、軸受用アルミニウム合金からなる平板試験片（寸法３０ｍｍ×３０ｍｍ）の上に、相手材である円筒試験片を置き、前記円筒試験片を前記平板試験片に押付けることにより、軸受用アルミニウム合金の耐焼付性を評価する試験である。円筒試験片のすべり速度を２．５ｍ／ｓｅｃと一定として、押付け荷重を２分間ごとに１００Ｎずつ負荷させて、その際に動摩擦係数μが急上昇した荷重を焼き付き荷重として求め、耐焼付性を評価した。ここで、相手材には、機械構造用炭素鋼Ｓ５５Ｃ高周波焼入れ材を用い、研磨加工仕上げでＲｚ０．６μｍとした。耐焼付性試験は、５Ｗ３０エンジンオイルを用いて油浴中で行い、油温は室温から開始した。
【００３３】
耐疲労性試験は、軸受用アルミニウム合金からなる疲労試験片を２軸加振軸受試験機により試験を行い耐疲労性を評価する試験である。前記試験片は、軸受用アルミニウム合金を直径４８ｍｍ×幅１０ｍｍの軸受形状に加工したものを用いた。相手材には、機械構造用炭素鋼Ｓ５５Ｃ高周波焼入れ材を使用した。本試験では、相手材を６０００ｒｐｍで回転させながら、前記試験片に所定の荷重を負荷させて、クラック発生等による疲労破壊を生じる荷重を求めて、耐疲労性を評価した。なお、耐疲労性試験は、５Ｗ３０エンジンオイルを用いて油浴中で行い、供給するオイルの油温は１５０℃とした。
【００３４】
耐摩耗性試験は、軸受用アルミニウム合金からなる平板試験片（寸法３０ｍｍ×３０ｍｍ）の上に、相手材からなる円筒試験片を置き、前記円筒試験片を前記平板試験片に押付けることにより、軸受用アルミニウム合金の耐摩耗性と相手材耐摩耗性とを評価する試験である。円筒試験片のすべり速度を０．２ｍ／ｓｅｃ、押付け面圧２９ＭＰａで１２０分間試験したときの、平板試験片の摩耗深さと円筒試験片の摩耗深さとで、軸受用アルミニウム合金の耐摩耗性と相手材耐摩耗性とを評価した。ここで、相手材には、機械構造用炭素鋼Ｓ５５Ｃ高周波焼入れ材（ビッカース硬さでＨＶ６００以上ＨＶ７５０以下）を用い、研磨加工仕上げでＲｚ０．６μｍとした。また、耐摩耗性試験は、５Ｗ３０エンジンオイルを用いて油浴中で行い、油温は室温から開始した。
【００３５】
上述した各実施例の耐焼付性試験、耐疲労性試験及び耐摩耗性試験の結果は、いずれも、硬質材にＴｉＣを用いた軸受用アルミニウム合金である比較例１０の焼き付き荷重、疲労強度、摩耗深さ、相手材摩耗深さをそれぞれ１００として相対的に指数で表記した。耐焼付性や耐疲労性については、焼き付き荷重や疲労強度が１００より大きければ、比較例１０より耐焼付性や耐疲労性に優れていることを表し、逆に、焼き付き荷重や疲労強度が１００より小さければ、比較例１０より耐焼付性や耐疲労性が劣っていることを表している。耐摩耗性については、摩耗深さまたは相手材摩耗深さが、１００より小さければ、摩耗が比較例１０より少ないことを表しているので、比較例１０より耐摩耗性及び相手材耐摩耗性が優れていることを示している。逆に、摩耗深さまたは相手材摩耗深さが、１００より大きければ、摩耗が比較例１０より大きいことを表しているので、比較例１０より耐摩耗性及び相手材耐摩耗性が劣っていることを示している。
【００３６】
耐焼付性試験の結果から、実施例１から実施例９と、比較例１から比較例７との焼き付き荷重は、いずれも硬質材としてＴｉＣを含む軸受用アルミニウム合金である比較例１０より大きく、耐焼付性が優れていることがわかった。そのなかでも、実施例４から実施例８は、特に、優れた耐焼付性を有していることがわかった。また、耐疲労性試験の結果から、実施例１から実施例９と、比較例１から比較例６との疲労破壊を生じる荷重は、いずれも前記比較例１０より大きく、耐疲労性が優れていることがわかった。そのなかでも、実施例３，４と実施例６，７は、特に、優れた耐疲労性を有していることがわかった。また、実施例１から９の方が比較例１から７に比べ、耐焼付性及び耐疲労性の両特性で優れていることがわかった。更に、耐摩耗性試験の結果から、摩耗深さは、耐摩耗性を評価したいずれの実施例も前記比較例１０より小さく、耐摩耗性が優れていることがわかった。相手材摩耗深さについては、実施例１、実施例３、実施例５、実施例７、及び実施例９が、いずれも前記比較例１０より小さく、相手材耐摩耗性が優れていることがわかった。また、比較例２、比較例６及び比較例７の相手材摩耗深さについては、いずれも前記比較例１０と同等であった。
【００３７】
次に、Ｃｒを含有しない軸受用アルミニウム合金を製造して、耐焼付性、耐疲労性及び耐摩耗性を評価した。表４に、Ｃｒを含有しない軸受用アルミニウム合金である実施例１０と実施例１１の硬質材の種類、平均粒径、添加量と、各試験の評価結果を示す。
【００３８】
【表４】
【００３９】
表４に示すように、前記軸受用アルミニウム合金のベースとなるアルミニウム合金は、８質量％のＳｎと、１．３質量％のＣｕと、残部Ａｌ及び不可避的不純物とからなるアルミニウム合金を用いた。実施例１０は、硬質材としてＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２を含む軸受用アルミニウム合金であり、実施例１１は、硬質材として、ＴａＣを含み、更に、ＺｒＣを含む軸受用アルミニウム合金である。
【００４０】
耐焼付性試験の結果から、実施例１０と実施例１１の焼き付き荷重は、いずれも前記比較例１０より大きく、耐焼付性は優れていることがわかった。また、耐疲労性の結果から、実施例１０と実施例１１の疲労破壊を生じる荷重は、いずれも前記比較例１０より大きく、耐疲労性は優れていることがわかった。次に、耐摩耗性試験の結果から、実施例１０と実施例１１の摩耗深さは、前記比較例１０より小さく、耐摩耗性が優れていることがわかった。また、相手材摩耗深さについても、実施例１０と実施例１１は、いずれも前記比較例１０より小さく、相手材耐摩耗性が優れていることがわかった。
【００４１】
続いて、ＩｎまたはＢｉを含有する軸受用アルミニウム合金を製造して、耐焼付性と耐疲労性を評価した。表５に、ＩｎまたはＢｉを含有する軸受用アルミニウム合金である実施例１２と実施例１３の硬質材の種類、平均粒径、添加量と、各試験の評価結果を示す。
【００４２】
【表５】
【００４３】
表５に示すように、Ｉｎを含有する実施例１２の軸受用アルミニウム合金のベースとなるアルミニウム合金は、８質量％のＳｎと、１．３質量％のＣｕ、０．２質量％のＣｒ、３質量％のＩｎと、残部Ａｌ及び不可避的不純物とからなるアルミニウム合金を用いた。また、Ｂｉを含有する実施例１３の軸受用アルミニウム合金のベースとなるアルミニウム合金は、８質量％のＳｎと、１．３質量％のＣｕ、０．２質量％のＣｒ、２質量％のＢｉと、残部Ａｌ及び不可避的不純物とからなるアルミニウム合金を用いた。なお、実施例１２は、硬質材としてＴａＣを含む軸受用アルミニウム合金であり、実施例１３は、硬質材として、Ｍｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２を含む軸受用アルミニウム合金である。
【００４４】
耐焼付性試験の結果から、実施例１２と実施例１３の焼き付き荷重は、いずれも前記比較例１０より大きく、耐焼付性は優れていることがわかった。また、耐疲労性試験の結果から、実施例１２と実施例１３の疲労破壊を生じる荷重は、いずれも前記比較例１０より大きく、耐疲労性は優れていることがわかった。
【００４５】
更に、硬質材の平均粒径と添加量の影響を調べるため、表６に示す軸受用アルミニウム合金を製造して、耐焼付性と耐疲労性を評価した。表６に、比較例１２と比較例１３の硬質材の種類、平均粒径、添加量、各試験の評価結果を示す。
【００４６】
【表６】
【００４７】
比較例１２と比較例１３の軸受用アルミニウム合金のベースとなるアルミニウム合金には、８質量％のＳｎと、１．３質量％のＣｕと、０．２質量％のＣｒと、残部Ａｌ及び不可避的不純物とからなるアルミニウム合金を用いた。そして、表６に示すように、比較例１２と比較例１３の硬質材には、ＴａＣを使用した。比較例１２は、硬質材の平均粒径が１０μｍの軸受用アルミニウム合金であり、比較例１３は、硬質材の添加量が１０体積％の軸受用アルミニウム合金である。
【００４８】
比較例１２の焼き付き荷重と疲労破壊を生じる荷重は、いずれも前記比較例１０と同じであり、耐焼付性と耐疲労性は同等であることがわかった。また、比較例１３については、軸受用アルミニウム合金の溶湯の流動性が低下するとともに、圧延性も低下し、軸受用アルミニウム合金の製造が困難であることがわかった。
【００４９】
以上により、上記の軸受用アルミニウム合金によれば、従来品に比べて耐焼付性及び耐疲労性を更に向上させることができる。また、ＴｉＣよりも安価な上述した硬質材を使用することで、軸受用アルミニウム合金または軸受用アルミニウム合金からなる軸受の製造コストを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係る実施形態である軸受用アルミニウム合金の製造方法を示す図である。
【図２】本発明に係る実施形態であるIn-situ法による硬質材ペレットの作製方法を示す図である。
【図３】本発明に係る実施形態である硬質材の分散方法を示す図である。
【図４】本発明に係る実施形態である軸受用アルミニウム合金を用いた軸受を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
Ｓ１０ 硬質材ペレット作製工程、Ｓ１２ 硬質材分散工程、Ｓ１４ 鋳造工程、Ｓ１６ 圧延工程。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関用軸受に関し、より詳しくはアルミニウム軸受合金に硬質材を含有してなる軸受用アルミニウム合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用の摺動部材の摺動面には、回転軸との摩擦を少なくし、潤滑性を高めて摺動性を向上させるため、すべり軸受等の軸受が使用される。軸受に使用される軸受材料としては、例えば、ＳｎまたはＣｕ等を含有させたアルミニウム合金である軸受用アルミニウム合金が用いられる。特に、車両用エンジンのコネクティングロッド等の軸受に用いられる軸受用アルミニウム合金は、軸受が回転軸により高い面圧を繰り返し負荷されるため、高い耐疲労性及び耐焼付性が要求される。そこで、ＳｎまたはＣｕ等よりも硬い硬質材であるＴｉＣをアルミニウム合金中に分散させて、分散強化によって耐疲労性を向上させた軸受用アルミニウム合金が用いられている。例えば、特許文献１及び２には、ＴｉＣ粒子を含む軸受用アルミニウム合金が示されており、特に、特許文献１には、Ｓｎを２〜２０質量％、Ｃｕを０．１〜３質量％、平均粒径０．２μｍ以下のＴｉＣ粒子を０．１〜４．５体積％含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなる軸受用アルミニウム合金が示されている。なお、軸受用アルミニウム合金中に分散したＴｉＣは、軸受と回転軸との摺動により軸受から回転軸に付着したアルミニウム合金を除去するラッピング（lapping）機能を有しており、軸受と回転軸との耐焼付性も向上させている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３０９３３３号公報
【特許文献２】特開２００３−２５３３６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、軸受の耐焼付性については、上述したようなＴｉＣを分散させた軸受用アルミニウム合金を用いても、回転軸により高い面圧が繰り返し負荷される条件では十分とはいえない。そこで、ＴｉＣの粒径を、例えば、上記のような平均粒径０．２μｍよりも大きくすることで軸受の耐焼付性をさらに向上させることもできる。しかし、その場合には、ＴｉＣはビッカース硬さでＨＶ３０００と硬い材料であるため、相手材である回転軸の摩耗が大きくなるという問題がある。また、軸受用アルミニウム合金の耐疲労性についても、上記のような繰り返し負荷に長時間耐えうるよう、更なる耐疲労性の向上が望まれている。なお、ＴｉＣ粒子は高価で、機械加工性が悪いため、製造コストが高いという問題もある。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、高価なＴｉＣ粒子を用いることなく、耐焼付性及び耐疲労性を更に向上させた軸受用アルミニウム合金を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の第１に係る軸受用アルミニウム合金は、２質量％以上２０質量％以下のＳｎと、０．１質量％以上３質量％以下のＣｕと、ＴｉＣよりも硬度が小さい硬質材と、残部Ａｌ及び不可避的不純物とからなる軸受用アルミニウム合金であって、前記硬質材は、ＴａＣまたはＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２から選択される少なくとも１種であることを特徴とする。
【０００７】
本発明の第２に係る軸受用アルミニウム合金は、２質量％以上２０質量％以下のＳｎと、０．１質量％以上３質量％以下のＣｕと、ＴｉＣよりも硬度が小さい硬質材と、残部Ａｌ及び不可避的不純物とからなる軸受用アルミニウム合金であって、前記硬質材は、ＴａＣまたはＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２から選択される少なくとも１種を含み、更に、ＴｉＢ２、ＨｆＣ、ＺｒＣまたはＺｒＢ２から選択される少なくとも１種を含むことを特徴とする。
【０００８】
本発明の第３に係る軸受用アルミニウム合金は、２質量％以上２０質量％以下のＳｎと、０．１質量％以上３質量％以下のＣｕと、ＴｉＣよりも硬度が小さい硬質材と、残部Ａｌ及び不可避的不純物とからなる軸受用アルミニウム合金であって、前記硬質材は、ＴａＣまたはＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２から選択される少なくとも１種を含み、更に、ＡｌＮまたはＡｌ２Ｏ３から選択される少なくとも１種を含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明の第４に係る軸受用アルミニウム合金は、前記第１から３に係る軸受用アルミニウム合金において、前記硬質材の含有量が、総量で０．３体積％以上８体積％以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
従って本発明の軸受用アルミニウム合金によれば、機械加工性が悪く、高価なＴｉＣ粒子を用いることなく、耐焼付性及び耐疲労性の更なる向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。図１は、軸受用アルミニウム合金の製造方法を示す図である。
【００１２】
硬質材ペレット作製工程（Ｓ１０）は、軸受用アルミニウム合金のベースとなるアルミニウム合金の中に硬質材を分散させるための硬質材ペレットを作製する工程である。
【００１３】
硬質材は、軸受用アルミニウム合金へ耐焼付性及び耐疲労性等を付与するために添加される。硬質材としては、ＴａＣまたはＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２から選択される少なくとも１種を用いることができる。これらの硬質材によれば、ＴｉＣより硬度が小さいために、硬質材としてＴｉＣを用いた軸受用アルミニウム合金よりも、相手材の摩耗を少なくして、耐焼付性を向上させることができ、更に、軸受用アルミニウム合金の結晶粒を微細化することにより、軸受用アルミニウム合金の基地を強化し、耐疲労性を向上させることができる。なお、軸受用アルミニウム合金の結晶粒を微細化する効果が得られる硬質材としては、硬質材の結晶構造がアルミニウムと同じ面心立方晶である場合には、アルミニウムとの格子定数の差が１０％以下の硬質材であり、一方、硬質材の結晶構造がアルミニウムの結晶構造と異なる硬質材の場合には、特定の結晶面間隔がアルミニウムの格子定数とほぼ等しい硬質材である。アルミニウム合金の結晶粒を微細化できる硬質材としては、ＴａＣ、Ｍｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２及びＴｉＣがある。ＴｉＣの含有は上述の理由により好ましくないが、微細かつ少量であれば後述する他の硬質材と共に含有させて軸受用アルミニウム合金として用いることができる。
【００１４】
硬質材には、ＴａＣまたはＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２から選択される少なくとも１種に加えて、更に、ＴｉＢ２、ＨｆＣ、ＺｒＣまたはＺｒＢ２から選択される少なくとも１種を含むこともできる。ＴｉＢ２、ＨｆＣ、ＺｒＣ及びＺｒＢ２についても、ＴｉＣより硬度が小さいため硬質材としてＴｉＣを用いた軸受用アルミニウム合金よりも、耐焼付性を向上させることができる。なお、上述したＴａＣまたはＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２から選択される少なくとも１種のみ含む軸受用アルミニウム合金よりも、更に、ＴｉＢ２、ＨｆＣ、ＺｒＣまたはＺｒＢ２から選択される少なくとも１種を含有させたほうが、耐焼付性を向上させることができる。これは耐疲労性についても同様であり、ＴａＣまたはＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２から選択される少なくとも１種のみの場合でも硬質材としてＴｉＣを用いた軸受用アルミニウム合金よりも耐疲労性を向上させることができるが、更に、ＴｉＢ２、ＨｆＣ、ＺｒＣまたはＺｒＢ２から選択される少なくとも１種を含有させたほうが、より耐疲労性を向上させることができる。
【００１５】
硬質材には、ＴａＣまたはＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２から選択される少なくとも１種に加えて、更に、ＡｌＮまたはＡｌ２Ｏ３から選択される少なくとも１種を含むこともできる。ＡｌＮ及びＡｌ２Ｏ３についても、ＴｉＣより硬度が小さいため硬質材としてＴｉＣを用いた軸受用アルミニウム合金よりも、耐焼付性を向上させることができる。なお、上述したＴａＣまたはＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２から選択される少なくとも１種のみ含む軸受用アルミニウム合金よりも、更に、ＡｌＮまたはＡｌ２Ｏ３から選択される少なくとも１種を含有させたほうが耐焼付性を向上させることができる。また、その他の硬質材としては、平均粒径０．２μｍ以下のＴｉＣを含み、更に、ＴａＣ、Ｍｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２、ＴｉＢ２、ＨｆＣ、ＺｒＣ、ＺｒＢ２、ＡｌＮまたはＡｌ２Ｏ３から選択される少なくとも１種を含むこともできる。
【００１６】
軸受用アルミニウム合金中の硬質材の含有量は、総量で０．３体積％以上８体積％以下であることが好ましい。硬質材の含有量が０．３体積％未満であると、軸受用アルミニウム合金の基地を十分に強化することができず、十分な耐疲労性が得られない。また、硬質材の含有量が８体積％を超えると、鋳造時における溶湯の流動性が悪くなり、更に、鋳塊をシート状に圧延する際の圧延性も悪くなる。なお、軸受用アルミニウム合金中の硬質材の含有量は、１．５体積％以上２．５体積％以下が更に好ましく、硬質材の含有量がこの範囲である場合には、軸受用アルミニウム合金の耐焼付性及び耐疲労性を更に向上させることができる。
【００１７】
また、硬質材の粒径は、平均粒径で８μｍ以下であることが好ましい。硬質材の平均粒径が８μｍを超える場合には、軸受用アルミニウム合金の耐焼付性及び耐疲労性が低下するからである。更に好ましくは、平均粒径で３μｍ以上８μｍ以下であり、硬質材の平均粒径がこの範囲である場合には、軸受用アルミニウム合金の耐焼付性及び耐疲労性を更に向上させることができる。
【００１８】
軸受用アルミニウム合金のベースとなるアルミニウム合金中に硬質材を分散させるための硬質材ペレットの作製は、例えば、特開２００３−２５３３６４号公報に示されている粉末成形体内でのその場生成である、いわゆるIn-situ法により行うことができる。In-situ法が用いられるのは、硬質材を軸受用アルミニウム合金中により均一に分散することができるからである。図２は、In-situ法による硬質材ペレットの作製方法を示す図である。まず、硬質材ペレットを作製するための原料粉末を準備する。表１に、各硬質材ペレットを作製するための原料粉末を示す。
【００１９】
【表１】
【００２０】
表１に示すように、硬質材として、ＴａＣを用いる場合には、ＴａＣペレットの原料粉末として、Ａｌ粉末、Ｔａ粉末及びＣ粉末を準備する。また、硬質材としてＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２を用いる場合には、Ｍｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２ペレットの原料粉末として、Ａｌ粉末、Ｍｏ粉末及びＳｉ粉末を準備する。これらの原料粉末は、Ｖ型混合機等により、表１に示す混合比により混合され混合粉が作製される。例えば、ＴａＣペレットを作製する場合には、Ａｌ粉末が０．５ｇと、Ｔａ粉末が１．５１ｇと、Ｃ粉末が０．１ｇとが混合される。また、Ｍｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２ペレットを作製する場合には、Ａｌ粉末が７ｇと、Ｍｏ粉末が３．４ｇと、Ｓｉ粉末が２ｇとが混合される。
【００２１】
つぎに、上記の混合粉をプレス成形機等により、約７００ＭＰａでプレス成形し成形体を作製する。そして得られた成形体は、アルゴンガス雰囲気中でアルミニウムの融点以上の温度で熱処理される。例えば、ＴａＣペレットを作製する場合には、この熱処理により、成形体中のＴａ粉末及びＣ粉末が反応しＴａＣが生成され、Ａｌ中にＴａＣを含有したＴａＣペレットが作製される。また、Ｍｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２ペレットを作製する場合には、Ａｌ粉末、Ｍｏ粉末及びＳｉ粉末が反応しＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２が生成され、Ａｌ中にＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２を含有したＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２ペレットが作製される。
【００２２】
硬質材分散工程（Ｓ１２）は、軸受用アルミニウム合金のベースとなるアルミニウム合金の溶湯の中に硬質材ペレットを投入して、硬質材を溶湯中に分散させる工程である。図３は、硬質材の分散方法を示す図である。ここで、ベースとなるアルミニウム合金は、２質量％以上２０質量％以下のＳｎと、０．１質量％以上３質量％以下のＣｕと、残部Ａｌ及び不可避的不純物とからなるアルミニウム合金を用いる。Ｓｎ量が、２質量％未満であると十分ななじみ性が得られず、また、Ｓｎ量が、２０質量％を超えると耐疲労性が低下する。そして、Ｃｕ量が、０．１質量％未満であると十分な耐疲労性が得られず、Ｃｕ量が３質量％を超えると耐焼付性が低下する。なお、ベースとなるアルミニウム合金には、ＢｉまたはＩｎを合計で８質量％以下含有してもよく、ＢｉまたはＩｎの潤滑効果により、軸受用アルミニウム合金の耐焼付性を向上させることができる。また、ベースとなるアルミニウム合金には、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｖ、Ｎｉ及びＦｅからなる群から選択される少なくとも１種を総量で２質量％以下含有してもよい。Ｍｇは、Ｃｕと同様に固溶強化によりＡｌマトリックスを強化する。但し、Ｍｇの含有量が２質量％を超えると強度が高くなりすぎて、軸受適用時にはなじみ性が低下する。Ｃｒ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｖ、Ｎｉ及びＦｅは、高温強度を向上させる。但し、これらの含有量が総量で２質量％を超えると強度が高くなりすぎると同時に、粗大析出物が生成して、軸受適用時にはなじみ性が低下する。
【００２３】
軸受用アルミニウム合金のベースとなるアルミニウム合金の溶湯中に、硬質材ペレットを投入するにあたって、ベースとなるアルミニウム合金の溶湯温度は、約８５０℃に設定される。硬質材として、ＴａＣを用いる場合は、ベースとなるアルミニウム合金の溶湯中に、ＴａＣペレットが投入され、ＴａＣとＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２とを用いる場合には、ＴａＣペレットとＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２ペレットとが投入される。ここで、硬質材ペレットは、密度が高いほどベースとなるアルミニウム合金の溶湯中に沈みやすく溶解しやすいことから、ＴａＣやＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２等は、ＴｉＣよりも密度が高いので、溶湯中に容易に溶解させることができる。硬質材ペレットを溶湯中に投入した後、ステンレス製攪拌棒等により機械攪拌し、硬質材をベースとなるアルミニウム合金の溶湯中に均一に分散させる。
【００２４】
続く鋳造工程（Ｓ１４）では、硬質材を分散させた軸受用アルミニウム合金の溶湯を鋳型に注湯して鋳造する。鋳型には、ＪＩＳ４号舟金型等を用いることができ、鋳型の温度は、１００℃以上１２０℃以下に設定される。そして、鋳造工程（Ｓ１４）により、板厚が１０ｍｍの軸受用アルミニウム合金の鋳造材が製造される。
【００２５】
圧延工程（Ｓ１６）では、ロール圧延機等により軸受用アルミニウム合金の鋳造材を圧延し、シート材を製造する。上述した板厚が１０ｍｍの軸受用アルミニウム合金の鋳造材を、板厚１．３ｍｍのシート材となるまで圧延する。なお、圧延の中間段階または最終段階で、３５０℃で２時間の焼鈍し等を行ってもよい。
【００２６】
図４は、軸受用アルミニウム合金を用いた軸受を示す断面図である。前記軸受は、鋼板を用いた裏金と、中間層と、軸受用アルミニウム合金を用いた軸受部とからなり、これらの接合面を清浄にしてから圧接して製造される。中間層には、膜厚が５μｍ前後のＮｉ層またはＡｌ層が用いられ、これらの中間層によれば、軸受用アルミニウム合金と鋼板との接着強度を高めることができる。また、中間層には、膜厚が５０μｍ前後のＡｌ層またはＡｌ合金層を用いることもでき、前記中間層によれば、中間層の硬さが軸受用アルミニウム合金よりも低いので、軸受に過大な負荷が作用した場合、中間層の変形により応力を分散して、軸受の耐疲労性を高めることができる。なお、前記中間層は、軸受用アルミニウム合金と鋼板との接着強度を高めることにも寄与している。このようなＡｌ層またはＡｌ合金層に用いられる材料としては、純Ａｌ、２．７質量％のＣｕと、０．１２質量％のＺｒとを含有するＡｌ合金（Ａ２０９０）、または特開２００４−７６０３９号公報に開示されている、５質量％のＳｉを含有するＡｌ合金、３．５質量％のＣｕを含有するＡｌ合金、３．５質量％のＺｎを含有するＡｌ合金または３．５質量％のＭｇを含有するＡｌ合金等がある。
【００２７】
また、軸受用アルミニウム合金の表面には、樹脂コーティング層を設けることができる。前記樹脂コーティング層は、熱硬化性樹脂と固体潤滑剤とから構成され、熱硬化性樹脂と固体潤滑剤との割合は、熱硬化性樹脂が３０体積％以上７０体積％以下であり、固体潤滑剤が３０体積％以上７０体積％以下である。熱硬化性樹脂は、２５℃において、引張強度が７０ＭＰａ以上１１０ＭＰａ以下、伸びが７％以上２０％以下であり、２００℃において、引張強度が１５ＭＰａ以上、伸びが２０％以上である高温で伸びが大きい熱硬化性樹脂が用いられる。なお、上記樹脂コーティング層の硬さは、ビッカース硬さでＨＶ２０以下であることが好ましい。このような樹脂コーティング層によれば、軟質かつ高温で伸びの良い熱硬化性樹脂を含む樹脂コーティング層中に固体潤滑剤が強固に保持され、十分ななじみ性が確保されるとともに耐久性及び耐熱性も確保される。また、軸受用アルミニウム合金の表面には、銀と固体潤滑剤であるグラファイト系のＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）とを含有させた層をスパッタリング等により形成させてもよい。
【実施例】
【００２８】
軸受用アルミニウム合金を、上述した硬質材ペレット作製工程（Ｓ１０）、硬質材分散工程（Ｓ１２）、鋳造工程（Ｓ１４）及び圧延工程（Ｓ１６）により製造して、耐焼付性、耐疲労性、耐摩耗性及び相手材耐摩耗性を評価した。表２に、軸受用アルミニウム合金に係る実施例１から実施例９と比較例１から比較例７との硬質材の種類、平均粒径、添加量と、各試験の評価結果を示す。
【００２９】
【表２】
【００３０】
表２に示すように、軸受用アルミニウム合金のベースとなるアルミニウム合金は、８質量％のＳｎと、１．３質量％のＣｕと、０．２質量％のＣｒと、残部Ａｌ及び不可避的不純物とからなるアルミニウム合金を用いた。実施例１から実施例４は、硬質材としてＴａＣまたはＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２を含み、実施例５から実施例８は、硬質材として、ＴａＣまたはＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２を含み、更に、ＴｉＢ２、ＨｆＣ、ＺｒＣまたはＺｒＢ２から選択される少なくとも１種を含む軸受用アルミニウム合金である。実施例９は、硬質材として、Ｍｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２を含み、更に、ＡｌＮを含み、比較例１は、硬質材として、ＴｉＢ２を含み、更に、ＡｌＮを含む軸受用アルミニウム合金である。比較例２から比較例７は、硬質材としてＴｉＣを含み、更に、ＴａＣ、ＴｉＢ２、ＨｆＣ、ＺｒＢ２、ＡｌＮまたはＡｌ２Ｏ３から選択された１種を含む軸受用アルミニウム合金である。表３に、軸受用アルミニウム合金である比較例８から比較例１１のベースとなるアルミニウム合金組成、硬質材の種類、平均粒径、添加量、各試験の評価結果を示す。ここで、比較例１０は、硬質材としてＴｉＣを含む軸受用アルミニウム合金である。
【００３１】
【表３】
【００３２】
耐焼付性試験は、軸受用アルミニウム合金からなる平板試験片（寸法３０ｍｍ×３０ｍｍ）の上に、相手材である円筒試験片を置き、前記円筒試験片を前記平板試験片に押付けることにより、軸受用アルミニウム合金の耐焼付性を評価する試験である。円筒試験片のすべり速度を２．５ｍ／ｓｅｃと一定として、押付け荷重を２分間ごとに１００Ｎずつ負荷させて、その際に動摩擦係数μが急上昇した荷重を焼き付き荷重として求め、耐焼付性を評価した。ここで、相手材には、機械構造用炭素鋼Ｓ５５Ｃ高周波焼入れ材を用い、研磨加工仕上げでＲｚ０．６μｍとした。耐焼付性試験は、５Ｗ３０エンジンオイルを用いて油浴中で行い、油温は室温から開始した。
【００３３】
耐疲労性試験は、軸受用アルミニウム合金からなる疲労試験片を２軸加振軸受試験機により試験を行い耐疲労性を評価する試験である。前記試験片は、軸受用アルミニウム合金を直径４８ｍｍ×幅１０ｍｍの軸受形状に加工したものを用いた。相手材には、機械構造用炭素鋼Ｓ５５Ｃ高周波焼入れ材を使用した。本試験では、相手材を６０００ｒｐｍで回転させながら、前記試験片に所定の荷重を負荷させて、クラック発生等による疲労破壊を生じる荷重を求めて、耐疲労性を評価した。なお、耐疲労性試験は、５Ｗ３０エンジンオイルを用いて油浴中で行い、供給するオイルの油温は１５０℃とした。
【００３４】
耐摩耗性試験は、軸受用アルミニウム合金からなる平板試験片（寸法３０ｍｍ×３０ｍｍ）の上に、相手材からなる円筒試験片を置き、前記円筒試験片を前記平板試験片に押付けることにより、軸受用アルミニウム合金の耐摩耗性と相手材耐摩耗性とを評価する試験である。円筒試験片のすべり速度を０．２ｍ／ｓｅｃ、押付け面圧２９ＭＰａで１２０分間試験したときの、平板試験片の摩耗深さと円筒試験片の摩耗深さとで、軸受用アルミニウム合金の耐摩耗性と相手材耐摩耗性とを評価した。ここで、相手材には、機械構造用炭素鋼Ｓ５５Ｃ高周波焼入れ材（ビッカース硬さでＨＶ６００以上ＨＶ７５０以下）を用い、研磨加工仕上げでＲｚ０．６μｍとした。また、耐摩耗性試験は、５Ｗ３０エンジンオイルを用いて油浴中で行い、油温は室温から開始した。
【００３５】
上述した各実施例の耐焼付性試験、耐疲労性試験及び耐摩耗性試験の結果は、いずれも、硬質材にＴｉＣを用いた軸受用アルミニウム合金である比較例１０の焼き付き荷重、疲労強度、摩耗深さ、相手材摩耗深さをそれぞれ１００として相対的に指数で表記した。耐焼付性や耐疲労性については、焼き付き荷重や疲労強度が１００より大きければ、比較例１０より耐焼付性や耐疲労性に優れていることを表し、逆に、焼き付き荷重や疲労強度が１００より小さければ、比較例１０より耐焼付性や耐疲労性が劣っていることを表している。耐摩耗性については、摩耗深さまたは相手材摩耗深さが、１００より小さければ、摩耗が比較例１０より少ないことを表しているので、比較例１０より耐摩耗性及び相手材耐摩耗性が優れていることを示している。逆に、摩耗深さまたは相手材摩耗深さが、１００より大きければ、摩耗が比較例１０より大きいことを表しているので、比較例１０より耐摩耗性及び相手材耐摩耗性が劣っていることを示している。
【００３６】
耐焼付性試験の結果から、実施例１から実施例９と、比較例１から比較例７との焼き付き荷重は、いずれも硬質材としてＴｉＣを含む軸受用アルミニウム合金である比較例１０より大きく、耐焼付性が優れていることがわかった。そのなかでも、実施例４から実施例８は、特に、優れた耐焼付性を有していることがわかった。また、耐疲労性試験の結果から、実施例１から実施例９と、比較例１から比較例６との疲労破壊を生じる荷重は、いずれも前記比較例１０より大きく、耐疲労性が優れていることがわかった。そのなかでも、実施例３，４と実施例６，７は、特に、優れた耐疲労性を有していることがわかった。また、実施例１から９の方が比較例１から７に比べ、耐焼付性及び耐疲労性の両特性で優れていることがわかった。更に、耐摩耗性試験の結果から、摩耗深さは、耐摩耗性を評価したいずれの実施例も前記比較例１０より小さく、耐摩耗性が優れていることがわかった。相手材摩耗深さについては、実施例１、実施例３、実施例５、実施例７、及び実施例９が、いずれも前記比較例１０より小さく、相手材耐摩耗性が優れていることがわかった。また、比較例２、比較例６及び比較例７の相手材摩耗深さについては、いずれも前記比較例１０と同等であった。
【００３７】
次に、Ｃｒを含有しない軸受用アルミニウム合金を製造して、耐焼付性、耐疲労性及び耐摩耗性を評価した。表４に、Ｃｒを含有しない軸受用アルミニウム合金である実施例１０と実施例１１の硬質材の種類、平均粒径、添加量と、各試験の評価結果を示す。
【００３８】
【表４】
【００３９】
表４に示すように、前記軸受用アルミニウム合金のベースとなるアルミニウム合金は、８質量％のＳｎと、１．３質量％のＣｕと、残部Ａｌ及び不可避的不純物とからなるアルミニウム合金を用いた。実施例１０は、硬質材としてＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２を含む軸受用アルミニウム合金であり、実施例１１は、硬質材として、ＴａＣを含み、更に、ＺｒＣを含む軸受用アルミニウム合金である。
【００４０】
耐焼付性試験の結果から、実施例１０と実施例１１の焼き付き荷重は、いずれも前記比較例１０より大きく、耐焼付性は優れていることがわかった。また、耐疲労性の結果から、実施例１０と実施例１１の疲労破壊を生じる荷重は、いずれも前記比較例１０より大きく、耐疲労性は優れていることがわかった。次に、耐摩耗性試験の結果から、実施例１０と実施例１１の摩耗深さは、前記比較例１０より小さく、耐摩耗性が優れていることがわかった。また、相手材摩耗深さについても、実施例１０と実施例１１は、いずれも前記比較例１０より小さく、相手材耐摩耗性が優れていることがわかった。
【００４１】
続いて、ＩｎまたはＢｉを含有する軸受用アルミニウム合金を製造して、耐焼付性と耐疲労性を評価した。表５に、ＩｎまたはＢｉを含有する軸受用アルミニウム合金である実施例１２と実施例１３の硬質材の種類、平均粒径、添加量と、各試験の評価結果を示す。
【００４２】
【表５】
【００４３】
表５に示すように、Ｉｎを含有する実施例１２の軸受用アルミニウム合金のベースとなるアルミニウム合金は、８質量％のＳｎと、１．３質量％のＣｕ、０．２質量％のＣｒ、３質量％のＩｎと、残部Ａｌ及び不可避的不純物とからなるアルミニウム合金を用いた。また、Ｂｉを含有する実施例１３の軸受用アルミニウム合金のベースとなるアルミニウム合金は、８質量％のＳｎと、１．３質量％のＣｕ、０．２質量％のＣｒ、２質量％のＢｉと、残部Ａｌ及び不可避的不純物とからなるアルミニウム合金を用いた。なお、実施例１２は、硬質材としてＴａＣを含む軸受用アルミニウム合金であり、実施例１３は、硬質材として、Ｍｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２を含む軸受用アルミニウム合金である。
【００４４】
耐焼付性試験の結果から、実施例１２と実施例１３の焼き付き荷重は、いずれも前記比較例１０より大きく、耐焼付性は優れていることがわかった。また、耐疲労性試験の結果から、実施例１２と実施例１３の疲労破壊を生じる荷重は、いずれも前記比較例１０より大きく、耐疲労性は優れていることがわかった。
【００４５】
更に、硬質材の平均粒径と添加量の影響を調べるため、表６に示す軸受用アルミニウム合金を製造して、耐焼付性と耐疲労性を評価した。表６に、比較例１２と比較例１３の硬質材の種類、平均粒径、添加量、各試験の評価結果を示す。
【００４６】
【表６】
【００４７】
比較例１２と比較例１３の軸受用アルミニウム合金のベースとなるアルミニウム合金には、８質量％のＳｎと、１．３質量％のＣｕと、０．２質量％のＣｒと、残部Ａｌ及び不可避的不純物とからなるアルミニウム合金を用いた。そして、表６に示すように、比較例１２と比較例１３の硬質材には、ＴａＣを使用した。比較例１２は、硬質材の平均粒径が１０μｍの軸受用アルミニウム合金であり、比較例１３は、硬質材の添加量が１０体積％の軸受用アルミニウム合金である。
【００４８】
比較例１２の焼き付き荷重と疲労破壊を生じる荷重は、いずれも前記比較例１０と同じであり、耐焼付性と耐疲労性は同等であることがわかった。また、比較例１３については、軸受用アルミニウム合金の溶湯の流動性が低下するとともに、圧延性も低下し、軸受用アルミニウム合金の製造が困難であることがわかった。
【００４９】
以上により、上記の軸受用アルミニウム合金によれば、従来品に比べて耐焼付性及び耐疲労性を更に向上させることができる。また、ＴｉＣよりも安価な上述した硬質材を使用することで、軸受用アルミニウム合金または軸受用アルミニウム合金からなる軸受の製造コストを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係る実施形態である軸受用アルミニウム合金の製造方法を示す図である。
【図２】本発明に係る実施形態であるIn-situ法による硬質材ペレットの作製方法を示す図である。
【図３】本発明に係る実施形態である硬質材の分散方法を示す図である。
【図４】本発明に係る実施形態である軸受用アルミニウム合金を用いた軸受を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
Ｓ１０ 硬質材ペレット作製工程、Ｓ１２ 硬質材分散工程、Ｓ１４ 鋳造工程、Ｓ１６ 圧延工程。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２質量％以上２０質量％以下のＳｎと、
０．１質量％以上３質量％以下のＣｕと、
ＴｉＣよりも硬度が小さい硬質材と、
残部Ａｌ及び不可避的不純物と、
からなる軸受用アルミニウム合金であって、
前記硬質材は、ＴａＣまたはＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２から選択される少なくとも１種であることを特徴とする軸受用アルミニウム合金。
【請求項２】
請求項１に記載の軸受用アルミニウム合金であって、
前記硬質材は、更に、ＴｉＢ２、ＨｆＣ、ＺｒＣまたはＺｒＢ２から選択される少なくとも１種を含むことを特徴とする軸受用アルミニウム合金。
【請求項３】
請求項１に記載の軸受用アルミニウム合金であって、
前記硬質材は、更に、ＡｌＮまたはＡｌ２Ｏ３から選択される少なくとも１種を含むことを特徴とする軸受用アルミニウム合金。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の軸受用アルミニウム合金であって、
前記硬質材の含有量は、総量で０．３体積％以上８体積％以下であることを特徴とする軸受用アルミニウム合金。
【請求項１】
２質量％以上２０質量％以下のＳｎと、
０．１質量％以上３質量％以下のＣｕと、
ＴｉＣよりも硬度が小さい硬質材と、
残部Ａｌ及び不可避的不純物と、
からなる軸受用アルミニウム合金であって、
前記硬質材は、ＴａＣまたはＭｏ（Ｓｉ、Ａｌ）２から選択される少なくとも１種であることを特徴とする軸受用アルミニウム合金。
【請求項２】
請求項１に記載の軸受用アルミニウム合金であって、
前記硬質材は、更に、ＴｉＢ２、ＨｆＣ、ＺｒＣまたはＺｒＢ２から選択される少なくとも１種を含むことを特徴とする軸受用アルミニウム合金。
【請求項３】
請求項１に記載の軸受用アルミニウム合金であって、
前記硬質材は、更に、ＡｌＮまたはＡｌ２Ｏ３から選択される少なくとも１種を含むことを特徴とする軸受用アルミニウム合金。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の軸受用アルミニウム合金であって、
前記硬質材の含有量は、総量で０．３体積％以上８体積％以下であることを特徴とする軸受用アルミニウム合金。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００７−１００２００（Ｐ２００７−１００２００Ａ）
【公開日】平成１９年４月１９日（２００７．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２９４９１７（Ｐ２００５−２９４９１７）
【出願日】平成１７年１０月７日（２００５．１０．７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００２０７７９１）大豊工業株式会社 (152)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年４月１９日（２００７．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月７日（２００５．１０．７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００２０７７９１）大豊工業株式会社 (152)
【Ｆターム（参考）】
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