Ａｌ合金軸受
【課題】Ｓｎを含むＡｌ基軸受合金層を備え、非焼付性に優れるＡｌ合金軸受を提供する。
【解決手段】Ａｌ合金軸受２１は、基材２２上にＡｌ基軸受合金層２３を備えている。Ａｌ基軸受合金層２３は、摺動表面２８側にＡｌと３０〜７０質量％のＳｎとを含む表面層２７を有している。表面層２７は、ＡｌからなるＡｌ相と前記ＳｎからなるＳｎ相とを有し、隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値が１０μｍ以下であり、かつＳｎ相のアスペクト比の平均値が４以上である。
【解決手段】Ａｌ合金軸受２１は、基材２２上にＡｌ基軸受合金層２３を備えている。Ａｌ基軸受合金層２３は、摺動表面２８側にＡｌと３０〜７０質量％のＳｎとを含む表面層２７を有している。表面層２７は、ＡｌからなるＡｌ相と前記ＳｎからなるＳｎ相とを有し、隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値が１０μｍ以下であり、かつＳｎ相のアスペクト比の平均値が４以上である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｓｎを含むＡｌ基軸受合金層を備えるＡｌ合金軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
ホワイトメタルやＡｌ−Ｓｎ合金などの軟質金属は、内燃機関の軸受などに使用されている。
また、例えば特許文献１には、軟質金属の疲労強度の向上を図るために、軟質金属をレーザの照射によって再溶融させて軟質金属中の鋳造欠陥を消滅させ、さらに、再溶融している軟質金属を速く冷却して組織の粗大化を抑制し、均質微細組織を形成させることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１０９１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えばＳｎを含むＡｌ基軸受合金層を備えるＡｌ合金軸受において、内燃機関の更なる高性能化を図ろうとすると、Ａｌ合金軸受にとってはより過酷な状況に曝されることになる。この場合、上述した疲労強度を向上させる方法では、Ａｌ合金軸受の非焼付性の向上は不十分であると考えられる。
【０００５】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、Ｓｎを含むＡｌ基軸受合金層を備え、非焼付性に優れるＡｌ合金軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態のＡｌ合金軸受は、基材上にＡｌ基軸受合金層を備えるものであって、Ａｌ基軸受合金層が摺動表面側にＡｌと３０〜７０質量％のＳｎとを含む表面層を有している。そして、表面層は、ＡｌからなるＡｌ相とＳｎからなるＳｎ相とを有し、隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値が１０μｍ以下であり、かつＳｎ相のアスペクト比の平均値が４以上であることを特徴としている。
【０００７】
基材は、Ａｌ基軸受合金層を設けるための構成物のことである。例えば、裏金層とＡｌ基軸受合金層との間に中間層が設けられている場合は、裏金層と中間層とが基材である。また、裏金層上にＡｌ基軸受合金層が設けられている場合は、裏金層が基材である。
中間層が設けられている場合、中間層は純ＡｌまたはＡｌ合金で形成されている。Ａｌ合金としては、ＪＩＳ１０００〜３０００番のＡｌ合金などがある。
【０００８】
Ａｌ基軸受合金層は、ＡｌとＳｎとを含む層が複数積み重なった構成であり、摺動表面側に表面層を有し、基材側に反表面層を有している。反表面層の基材側は、基材に中間層が設けられている場合には中間層に接し、基材に中間層が設けられていない場合には裏金層に接している。Ａｌ基軸受合金層は、表面層と反表面層との間にＡｌを主成分とする層を１層以上有していてもよい。
【０００９】
表面層は、Ａｌと３０〜７０質量％のＳｎとを含み、ＡｌからなるＡｌ相と、ＳｎからなるＳｎ相とを有している。Ａｌ相とはＡｌ原子の集合体のことであり、Ｓｎ相とはＳｎ原子の集合体のことである。なお、それらの相には、他の原子が固溶していてもよい。また、表面層には、それらの相以外にも他の原子からなる相を含んでいてもよい。
【００１０】
表面層は、Ｓｎ相のアスペクト比の平均値が４以上、より好ましくは６以上に調整されている。表面層に分布しているＳｎ相のアスペクト比は、図２に示すように、Ｓｎ相１の外縁に接する最小の楕円を描いたときのその楕円の長軸の長さＬ１と、その楕円の短軸の長さＬ２との比の値Ｌ１／Ｌ２として求められる。なお、図２において、マトリクス２を示すととともに、後述の説明に用いるＳｎ相１の重心をＧとして示す。
【００１１】
Ｓｎ相のアスペクト比の平均値は、次のようにして求められる。まず、測定視野内に分布しているそれぞれのＳｎ相の像から、測定視野内のＳｎ相の総面積とそれぞれのＳｎ相のアスペクト比とを求める。
次に、アスペクト比が大きいＳｎ相から順にＳｎ相の面積を累積していき、累積した面積がＳｎ相の総面積の５０％に達するまでのアスペクト比の大きいＳｎ相を、アスペクト比の平均値を求めるＳｎ相の対象としている。そして、Ｓｎ相のアスペクト比の平均値は、この対象としているＳｎ相のアスペクト比から平均値を求めている。
【００１２】
表面層に分布しているＳｎ相のアスペクト比の関係を、図３を用いて説明する。図３に、アスペクト比の異なる形状のＳｎ相３，４と、例えばＡｌ相からなるマトリクス５，６とを模式的に示す。図３（ａ）はアスペクト比の大きいＳｎ相３と、マトリクス５との断面形状の一例を示すものであり、摺動表面２８でのＳｎ相３の面積をＳ１として示す。また、図３（ｂ）はＳｎ相３よりもアスペクト比の小さいＳｎ相４と、マトリクス６との断面形状の一例を示すものであり、摺動表面２８でのＳｎ相４の面積をＳ２として示す。
図３に示すように、Ｓｎ相のアスペクト比の平均値が大きいほど、細長い形状のＳｎ相３が多数分布した構成となる。また、Ｓｎ相３の断面積Ｓ１１とＳｎ相４の断面積Ｓ１２が同じとすると、摺動表面２８でのＳｎ相３，４の摺動表面での面積の大きさはＳ１＜Ｓ２となる。
【００１３】
上記構成によれば、相手部材の荷重は、表面層を形成するＡｌ相、Ｓｎ相などによって受けられる構成となる。なお、図３において、この相手部材の荷重をＦ１で示す。
ここで、ＳｎはＡｌよりも融点が低いため、Ｓｎ相は、相手部材が表面層の摺動表面上で摺動する際に生じる摩擦熱によってＡｌ相よりも容易に軟化して、塑性流動しやすくなる。したがって、相手部材からの荷重を受けているＡｌ相は、軟化したＳｎ相を摺動表面上に押し出す方向に圧力を生じさせるようになる。なお、図３（ａ）に示すＳｎ相３を押し出す圧力をＰ１で、図３（ｂ）に示すＳｎ相４を押し出す圧力をＰ２で概念的に示す。
【００１４】
そして、表面層に分布しているＳｎ相のアスペクト比の平均値が大きいほど、具体的には、そのアスペクト比の平均値が４以上である場合、上述したように、Ｓｎ相は、摺動表面での面積が小さいため、Ａｌ相からの圧力によって表面層の内部から摺動表面上に容易に押し出されやすくなる。この場合、図３において、Ａｌ相がＳｎ相を押し出す圧力は、Ｐ１＞Ｐ２となる。
【００１５】
さらに、摺動表面上に押し出されたＳｎ相は、軟化して塑性流動しやすい状態となっているため、摺動表面上に広がりやすい。言い換えると、摺動表面に分布しているＡｌ相は、摺動表面上に押し出されたＳｎ相によって容易に覆われるようになる。その結果、相手部材はＳｎ相よりも硬いＡｌ相に直接当たりにくくなる。これにより、表面層の非焼付性を向上させることができ、Ａｌ合金軸受の非焼付性を向上させることができる。
さらに、表面層においてＳｎ相のアスペクト比の平均値が６以上である場合、摺動表面に分布しているＡｌ相が摺動表面上に押し出されたＳｎ相により一層覆われやすくなるため、上述の非焼付性の効果がより一層得られやすくなる。
【００１６】
表面層は、隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値が１０μｍ以下、より好ましくは７μｍ以下に調整されている。隣り合うＳｎ相同士の相間距離とは、あるＳｎ相の重心と、そのＳｎ相と隣り合うＳｎ相の重心との間の距離、いわゆる重心間距離のことである。図２に、隣り合うＳｎ相同士の相間距離の一例をＬ３として示す。
【００１７】
表面層に分布しているＳｎ相において隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値が１０μｍ以下である場合、摺動表面のうちＳｎ相間に分布しているＡｌ相は、摺動表面上に押し出されたＳｎ相によって一層覆われやすくなる。これにより、表面層の非焼付性を一層向上させることができ、Ａｌ合金軸受の非焼付性を一層向上させることができる。
さらに、表面層において隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値が７μｍ以下である場合、摺動表面に分布しているＡｌ相がＳｎ相によってより一層覆われやすくなり、上述の非焼付性の効果がより一層得られやすくなる。
したがって、この表面層において、Ｓｎを３０〜７０質量％含ませ、隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値を１０μｍ以下にし、かつ、Ｓｎ相のアスペクト比の平均値を４以上とすることにより、上述の非焼付性の効果を得ることができる。
【００１８】
表面層の厚さ寸法の平均値は、５０μｍ以上であることが好ましい。表面層の厚さ寸法が平均値で５０μｍ以上である場合、表面層の厚さ方向に延びて分布するＳｎ相の個数を多くさせやすい。したがって、表面層のＳｎ相はＡｌ相からの圧力によって摺動表面上に一層押し出されやすくなり、摺動表面に分布しているＡｌ相はこのＳｎ相によって一層覆れやすくなる。これにより、表面層の非焼付性を一層向上させることができ、Ａｌ合金軸受の非焼付性を一層向上させることができる。
【００１９】
反表面層は、Ａｌと３０〜５０質量％のＳｎとを含み、ＡｌからなるＡｌ相と、ＳｎからなるＳｎ相とを有し、隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値が１０μｍ以上であることが好ましい。反表面層での隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値も、表面層において隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値の求め方と同様に、隣り合うＳｎ相同士の重心間距離に基づいて求められる。
【００２０】
反表面層における隣り合うＳｎ相同士の相間距離の関係を、図４を用いて説明する。図４に、反表面層において、測定視野でのＳｎ相の面積率が同じではあるが隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値が異なるＳｎ相７，８の分布と形状、およびマトリクス９，１０の形状を模式的に示す。図４（ａ）は相間距離の平均値の大きい複数個のＳｎ相７とマトリクス９の一例を示すものであり、Ｓｎ相７がすべて同一形状で等間隔に配置されていると仮定したものである。この場合、測定視野での各Ｓｎ相７の面積をＳ３として示す。図４（ｂ）はＳｎ相７での場合よりも相間距離の平均値の小さい複数個のＳｎ相８とマトリクス１０の一例を示すものであり、Ｓｎ相８がすべて同一形状で等間隔に配置されていると仮定したものである。この場合、測定視野での各Ｓｎ相８の面積をＳ４として示す。
図４に示すように、反表面層における隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値が大きいほど、測定視野内に分布しているＳｎ相の個数は少なくなり、１個当たりのＳｎ相の面積は大きくなり、その結果、測定視野内においてＡｌ相とＳｎ相との接している境界の総長は短くなる。
【００２１】
上記総長が短い、すなわち、Ａｌ相とＳｎ相とが接する界面の総面積が小さいほど、Ａｌ相とＳｎ相との間での接着不良となり得る起点の合計面積も小さくなる。そして、この起点の合計面積が小さくなるほど、反表面層と基材との間において上述の起点が存在する可能性が少なくなり、反表面層が基材に強固に接着された構成となる。よって、反表面層において隣り合うＳｎ相同士の相間距離を大きく、例えば隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値を１０μｍ以上とすることにより、非焼付性に優れるＡｌ基軸受合金層を基材上に強固に接着することができる。
【００２２】
したがって、この反表面層において、Ｓｎを３０〜５０質量％含ませ、隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値を１０μｍ以上にすることにより、Ｓｎ相よりも高い強度を有するＡｌ相を反表面層中に適度に分布させて反表面層全体の強度を高めながら良好なクッション性を持たせることができ、さらに、基材とＡｌ基軸受合金層との接着性を高めることができる。そのため、このようなＡｌ合金軸受は、非焼付性に非常に優れる。
また、反表面層での隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値を、表面層でのそれよりも大きくするのが、Ａｌ合金軸受の非焼付性と疲労強度とを向上させる面で好ましい。
【００２３】
表面層において隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値をＡ１とし、反表面層において隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値をＡ２とすると、比の値Ａ２／Ａ１は３以上であることが好ましい。Ａ１の値が小さいほど表面層の非焼付性は向上し、Ａ２の値が大きいほど基材とＡｌ基軸受合金層との接着性が向上してＡｌ基軸受合金層を基材上に強固に接着させることができる。比の値Ａ２／Ａ１が３以上である場合、Ａｌ合金軸受全体としての非焼付性をより一層向上させることができる。
【００２４】
上述した本発明の一実施形態のＡｌ合金軸受に、焼鈍処理を行ってもよい。本発明の一実施形態のＡｌ合金軸受に焼鈍処理を行っても、焼鈍処理を行う前のＡｌ合金軸受と同等以上の非焼付性の効果を奏する。
また、上述したように、Ａｌ合金軸受を焼鈍することにより、図５に模式的に示すように、表面層に分布しているＳｎ相１１の多くが他のＳｎ相１１と繋がり、Ａｌ相１２を囲う環状Ｓｎ相１３が形成される。図５（ａ）は焼鈍前の表面層を示す図であり、図５（ｂ）は焼鈍後の表面層を示す図である。
【００２５】
環状Ｓｎ相の周囲方向長さｌの平均値をＬ、環状Ｓｎ相の幅方向長さｄの平均値をＤとすると、比の値Ｌ／Ｄが１０以上であることが好ましい。
図５に示すように模式的に捉えると、環状Ｓｎ相１３の周囲方向長さｌは、測定視野に分布しているＡｌ相１２を同面積の円とみなし、Ａｌ相１２を囲うＳｎ相を円環状とした場合において、円とみなしたＡｌ相１２の直径ｈと円環状のＳｎ相（環状Ｓｎ相１３）の幅長さｄを足したものを直径として形成される円の周長さである。
【００２６】
ここで、焼鈍後のＡｌ相の平均直径Ｈおよび環状Ｓｎ相の幅方向長さの平均値Ｄは、次のようにして求められる。
環状Ｓｎ相に囲われるＡｌ相の平均直径Ｈは、図５に示すように、測定視野の組成画像に例えば縦方向に延びる線（点線）Ｌｐを引いた場合の、環状Ｓｎ相１３に囲われているＡｌ相１２に線Ｌｐが重なっている部分の一箇所当たり長さの平均値とする。
【００２７】
環状Ｓｎ相の幅方向長さの平均値Ｄは、次のようにして求められる。まず、上述と同様に、測定視野の組成画像に線Ｌｐを引き、線Ｌｐが環状Ｓｎ相に重なっている部分の一箇所当たり長さの平均値を求める。この一箇所当たり長さは、隣り合うＡｌ相の外周部分同士の最短距離、すなわち隣り合う２個の環状Ｓｎ相の幅方向長さと仮定できるため、この一箇所当たり長さの平均値を２で割ることにより、１個当たりの環状Ｓｎ相の幅方向長さの平均値Ｄが求められる。
【００２８】
ここで、比の値Ｌ／Ｄが１０以上である場合、上述したＳｎ相のアスペクト比の平均値が４以上である場合と同様に、環状Ｓｎ相は細長い形状であり、摺動表面での環状Ｓｎ相の面積が小さい。したがって、環状Ｓｎ相は、Ａｌ相からの圧力によって表面層の内部から摺動表面上に容易に押し出されやすい。その結果、摺動表面に分布しているＡｌ相は、摺動表面上に押し出された環状Ｓｎ相によって容易に覆われるようになり、相手部材が環状Ｓｎ相よりも硬いＡｌ相に直接当たりにくくなる。これにより、本発明の一実施形態の構成によれば、表面層の非焼付性を一層向上させることができ、Ａｌ合金軸受の非焼付性を一層向上させることができる。
【００２９】
また、表面層に分布している環状Ｓｎ相に囲われるＡｌ相の平均直径は、１０μｍ以下であることが好ましい。環状Ｓｎ相に囲われているＡｌ相の平均直径が１０μｍ以下である場合、環状Ｓｎ相に囲われているＡｌ相は、摺動表面上に押し出された環状Ｓｎ相によって覆われやすくなる。これにより、表面層の非焼付性を一層向上させることができ、Ａｌ合金軸受の非焼付性を一層向上させることができる。
【００３０】
Ａｌ軸受合金層の摺動表面側に表面層を形成する方法としては、例えば下記がある。なお、Ａｌ基軸受合金層において表面層を形成する前のＡｌを主成分とする層を、Ａｌ基層と称する。
表面層を形成する１つ目としては、所定量のＡｌとＳｎとを含むＡｌ基層の表面にレーザ処理および冷却処理を行って、Ａｌ基層の摺動表面側に表面層を形成する方法である。その場合、Ａｌ基層のうち基材側が反表面層となる。
この表面層の形成方法でのレーザ処理では、Ａｌ基層の表面にレーザを照射し、当該Ａｌ基層の表面をＡｌおよびＳｎの両方が溶融するまで加熱する処理が行われる。
【００３１】
また、この表面層の形成方法での冷却処理では、第１の冷却処理と第２の冷却処理との２段階の処理が行われる。第１の冷却処理では、上記のレーザ処理で溶融しているＡｌ基層の表面を、Ｓｎが液体、Ａｌが液体と固体との両方で存在する温度、具体的には３５０〜５００℃になるまで冷却し、この温度で所定時間保持して、Ａｌ相を必要量晶出させる。ここで晶出している固相のＡｌ相の量（体積割合）は、例えば保持する温度および時間を変更することによって調整する。続く第２の冷却処理では、第１の冷却処理後にＡｌ基層の表面を冷却してＳｎ相を晶出させる処理が行われる。このとき、Ｓｎ相は第１の冷却によって晶出したＡｌ相同士の隙間に晶出し、また、第１の冷却処後に液体で残存していたＡｌ相も第２の冷却処理の際に晶出する。
このように、レーザ処理後に冷却処理として第１の冷却処理および第２の冷却処理を行うことにより、Ａｌ相同士の隙間を制御できるため、Ｓｎ相のアスペクト比を大きくすることができる。
【００３２】
表面層を形成する２つ目としては、Ａｌ基層上に供給したＳｎ粉末および当該Ａｌ基層の表面に、上述と同様のレーザ処理および冷却処理を行って、Ａｌ基層の摺動表面側に表面層を形成する方法である。すなわち、レーザ処理では、Ａｌ基層の表面に、Ｓｎ粉末を供給し、Ｓｎ粉末およびＡｌ基層の表面にレーザを照射し、当該Ｓｎ粉末およびＡｌ基層の表面が溶融するまで加熱する処理が行われる。このとき、レーザの照射によってＡｌ基層の表面も溶融しているため、この溶融しているＡｌ基層の一部のＡｌが、表面層のＡｌ相を形成する。
【００３３】
また、この表面層の形成方法での冷却処理でも、上述と同様に、第１の冷却処理によって表面層にＡｌ相を必要量晶出させる処理が行われ、第２の冷却処理によってＳｎ相をＡｌ相同士の隙間に晶出させる処理が行われる。なお、Ｓｎ粉末の代わりに、Ａｌ−Ｓｎ合金粉末を用いてもよい。
表面層のＡｌとＳｎとの質量比は、例えばＳｎ粉末の量、Ａｌ基層に含まれるＡｌおよびＳｎの質量比を変更することによって調整される。
【００３４】
なお、レーザ処理の条件、冷却処理の条件は、Ａｌ基軸受合金層の表面層に含まれるＡｌおよびＳｎの質量などによって異なる。
また、表面層を形成する方法は上述した方法に限られない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態のＡｌ合金軸受を模式的に示す断面図
【図２】アスペクト比を説明するための概念図
【図３】アスペクト比の異なるＳｎ相の形状を模式的に示す表面層の断面図
【図４】反表面層におけるＳｎ相間距離とＳｎ相の大きさの関係を模式的に示す図
【図５】焼鈍前後の表面層の状態を模式的に示す図
【図６】焼鈍処理を行った後の表面層の状態を示す図
【発明を実施するための形態】
【００３６】
Ａｌ合金軸受の一実施形態の断面を、図１に示す。図１に示すＡｌ合金軸受２１は、例えば産業用機械の内燃機関に使用される軸受であり、基材２２と、基材２２上に設けられたＡｌ基軸受合金層２３とを備えている。基材２２は、裏金層２４と、裏金層２４上に設けられた中間層２５とを有している。Ａｌ基軸受合金層２３は、中間層２５と接する反表面層２６と、反表面層２６上に設けられた表面層２７とを有する２層構造である。
このＡｌ合金軸受２１に焼鈍処理を行った後のＡｌ合金軸受の表面層の状態を、図６に示す。
【００３７】
次に、本実施形態のＡｌ合金軸受２１の効果を確認した試験について説明する。
本実施形態のＡｌ合金軸受２１と同様の構成の実施例品１〜１０は、次のようにして得た。まず、必要に応じて表１に示す組成に調整されたＡｌ基軸受合金の板材を鋳造によって製造した。その後、この鋳造されたＡｌ基軸受合金に、Ａｌからなる中間層を構成する薄い板材を圧接して複層アルミニウム合金板を製造し、この複層アルミニウム合金板を、裏金層を構成する鋼板に圧接、および焼鈍して軸受形成用板材、いわゆるバイメタルを製造した。
【００３８】
次に、実施例品１，３〜６では、バイメタルのＡｌ基層の表面にレーザを照射して、そのＡｌ基軸受合金の表面を溶融させるレーザ処理を行った。次に、溶融しているＡｌ基軸受合金の表面を、３５０〜５００℃まで冷却して所定時間保持する第１の冷却処理を行った。そして、第１の冷却処理後に、Ａｌ基軸受合金の表面をさらに冷却してＳｎ相を晶出させる第２の冷却処理を行った。これにより、Ａｌ基軸受合金層２３の摺動表面側に表面層２７を有する実施例品１，３〜６を得た。
【００３９】
実施例品２，７では、バイメタルのＡｌ基層の表面にＳｎ粉末を散布した後に、レーザ処理を行って、そのＡｌ基軸受合金の表面及びＳｎ粉末を溶融させた。次に、溶融しているＳｎ粉末およびＡｌ基軸受合金の表面について、上述と同様の第１の冷却処理および第２の冷却処理を行い、Ａｌ相を晶出させた後にＳｎ相を晶出させた。これにより、Ａｌ基軸受合金層２３の摺動表面に表面層２７を有する実施例品２，７を得た。
実施例品８〜１０は、実施例品６を、２５０〜３５０℃で４〜６時間焼鈍して得た。
【００４０】
比較例品１のバイメタルの表面は、Ａｌ基軸受合金からなるものであり、レーザ処理およびレーザ処理後の冷却処理を行っていないものである。
比較例品２，３は、冷却処理の工程が実施例品の製造方法と異なるものであり、実施例品１〜７と同様のレーザ処理を行った後に、実施例品１〜７で行った第１の冷却処理および第２の冷却処理を行なわずに、表面層を溶融状態から凝固状態まで連続的に冷却してＡｌ相およびＳｎ相を晶出させて得た。
【００４１】
上述の製造方法によって得た実施例品１〜１０および比較例品１〜３の特性を表１に示す。表１の「表面層」の「Ｓｎ相の相間距離」、「Ｓｎ相のアスペクト比」、「Ａｌ相の平均直径」、「比Ｌ／Ｄ」および「厚さ」は、バイメタルのＡｌ基軸受合金を形成する組成、Ｓｎ粉末の散布量、レーザの照射の強さおよび照射時間などを適宜変更することによって調整し、さらに、実施例品１〜１０および比較例品２，３においては第１の冷却処理におけるＳｎ相の晶出の温度および時間などを適宜変更することによっても調整した。
【００４２】
上述の実施例品１〜１０および比較例品１〜３の試料について、表２に示す条件で焼付試験を行った。その試験結果を、表１に示す。なお、焼付試験に用いるオイルは、試験前に摺動表面上に塗布した。
【００４３】
【表１】
【００４４】
【表２】
【００４５】
表１の「Ａｌ」および「Ｓｎ」は、表面層および反表面層に含まれる組成の質量％濃度を示している。これらの質量％濃度は、蛍光Ｘ線装置を用いて得た値である。
表１の「表面層」の「Ｓｎ相の相間距離」は表面層の隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値を示し、「表面層」の「Ｓｎ相のアスペクト比」は表面層のＳｎ相のアスペクト比の平均値を示している。また、これらの値および表１の「焼鈍後」の「Ａｌ相の平均直径」および「比Ｌ／Ｄ」は、表面層の摺動表面から基材側に向かって研磨でＡｌ基軸受合金層を削っていき、表面層の摺動表面の最も窪んだ所から深さ２０μｍの位置で、摺動表面に平行な面での測定視野１５０μｍ×１５０μｍにおいて測定して得た値である。
【００４６】
この場合、表面層の隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値は、電子顕微鏡で得られた測定視野の組成画像を、解析ソフト（株式会社プラネトロン社製「Ｉｍａｇｅ−Ｐｒｏ Ｐｌｕｓ（Ｖｅｒｓｉｏｎ４．５）」）を用いて求めた。また、この表面層の隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値をＡ１とする。
なお、表面層の隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値を求めるにあたって、解析ソフトの検出の下限（０．０７μｍ２）以上の面積のＳｎ相を対象とした。
【００４７】
表面層のＳｎ相のアスペクト比の平均値は、上述の解析ソフトを用い、次のようにして求めた。まず、測定視野内に分布している０．０７μｍ２以上のすべてのＳｎ相の面積から測定視野内のＳｎ相の総面積を求めると共に、これらのＳｎ相のそれぞれについてアスペクト比を求めた。次に、アスペクト比が大きいＳｎ相から順にＳｎ相の面積を累積していき、累積した面積がＳｎ相の総面積の５０％に達するまでのアスペクト比の大きいＳｎ相を、アスペクト比の平均値を求めるＳｎ相の対象とした。そして、表面層のＳｎ相のアスペクト比の平均値は、この対象としたＳｎ相のアスペクト比を平均して求めた値である。
【００４８】
表１の「焼鈍後」の「Ａｌ相の平均直径」は、測定視野の組成画像に例えば図６に示すように縦方向に延びる線Ｌｐを１０μｍの間隔で線を引き、同じくその組成画像に横方向に延びる線Ｌｑを１０μｍの間隔で線を引き、これらの各線と環状Ｓｎ相１３に囲われているＡｌ相１２とが重なっている部分の一箇所当たり長さ（Ａｌ相擬似直径長さ）を平均して求めた値である。なお、このＡｌ相の平均直径の測定において、測定視野において環状Ｓｎ相１３に囲われていないＡｌ相については、測定の対象外とした。また、環状Ｓｎ相１３に囲われているＡｌ相１２内にＳｎ相１１が点在し、そのＳｎ相１１が上述の各線と重なっている場合、そのＳｎ相１１は存在しないものとして、Ａｌ相の平均直径を求めた。
【００４９】
表１の「焼鈍後」の「比Ｌ／Ｄ」のＤは、環状Ｓｎ相の幅方向長さの平均値Ｄである。このＤの値は、Ａｌ相の平均直径で用いた各線と環状Ｓｎ相１３とが重なっている部分の一箇所当たり長さの平均値を２で割って求めた値である。なお、このＤの測定において、環状になっていないＳｎ相１１については、測定の対象外とした。
表１の「焼鈍後」の「比Ｌ／Ｄ」のＬは、環状Ｓｎ相の周囲方向長さの平均値Ｌである。このＬの値は、上述のＡｌ相擬似直径長さと環状Ｓｎ相の幅方向長さとの和が直径となる仮想の円の周長さを平均して求めた値である。
表１の「比Ｌ／Ｄ」は、比の値Ｌ／Ｄであり、上述のＬをＤで割って求めた値である。
表１の「表面層」の「厚さ」の値は、表面層の断面写真から、表面層の複数箇所で膜厚を測定し、それを平均して求めた値である。
【００５０】
表１の「反表面層」の「Ｓｎ相の相間距離」は反表面層の隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値を示している。この値は、表面層の摺動表面から基材側に向かって研磨でＡｌ基軸受合金層を削っていき、基材の最もＡｌ基軸受合金層側に位置する所から高さ２０μｍの位置で、摺動表面に平行な面での測定視野１５０μｍ×１５０μｍにおいて測定して得た値である。
この場合、反表面層の隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値も、反表面層での隣り合うＳｎ相同士の重心間距離であり、上述の表面層の隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値の求め方と同様に、上述の解析ソフトを用いて求めた値である。この反表面層の隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値をＡ２とする。
表１の「比Ａ２／Ａ１」は、比の値Ａ２／Ａ１であり、上述のＡ２をＡ１で割って求めた値である。
【００５１】
次に、焼付試験の結果について解析する。
実施例品１〜７と比較例品１〜３との対比から、実施例品１〜７は、表面層において隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値が１０μｍ以下であり、かつＳｎ相のアスペクト比の平均値が４以上であるため、比較例品１〜３よりも、非焼付性が優れていることが理解できる。
【００５２】
実施例品１と実施例品２〜７との対比から、実施例品２〜７は、表面層の厚さ寸法の平均値が５０μｍ以上であるため、実施例品１よりも非焼付性がより一層優れていることが理解できる。
実施例品１，２と実施例品３〜７との対比から、実施例品３〜７は、反表面層において隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値が１０μｍ以上であるため、実施例品１，２よりも非焼付性がより一層優れていることが理解できる。
【００５３】
実施例品１〜３と実施例品４〜７との対比から、実施例品４〜７は、比の値Ａ２／Ａ１が３以上であるため、実施例品１〜３よりも非焼付性がより一層優れていることが理解できる。
実施例品１〜４と実施例品５〜７との対比から、実施例品５〜７は、表面層において隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値が７μｍ以下であり、かつＳｎ相のアスペクト比の平均値が６以上であるため、実施例品１〜４よりも非焼付性がより一層優れていることが理解できる。
【００５４】
実施例品６と実施例品８〜１０との対比から、実施例品８〜１０は、焼鈍を行う前の実施例品６と同等以上の非焼付性が得られることが理解できる。
実施例品８と実施例品９，１０との対比から、実施例品９，１０は、表面層において比の値Ｌ／Ｄが１０以上であるため、実施例品８よりも非焼付性がより一層優れていることが理解できる。
実施例品８，９と実施例品１０との対比から、実施例品１０は、表面層において環状Ｓｎ相に囲われるＡｌ相の平均直径が１０μｍ以下であるため、実施例品８，９よりも非焼付性がより一層優れていることが理解できる。
【００５５】
本実施形態は、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得る。
不可避的不純物については説明を省略し、各組成には不可避的不純物が含まれ得る。
Ａｌ基軸受合金層、中間層には、本発明の効果を妨げない範囲でＡｌおよびＳｎ以外の元素、例えばＣｕ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｚｒ，Ｆｅなどや、硬質粒子や個体潤滑剤などの添加物を加えてもよい。
【符号の説明】
【００５６】
図面中、１，３，７，１１はＳｎ相、２，５，９，１２はマトリクス（Ａｌ相）、１３は環状Ｓｎ相、２１はＡｌ合金軸受、２２は基材、２３はＡｌ基軸受合金層、２４は裏金層、２５は中間層、２６は反表面層、２７は表面層、２８は摺動表面を示す。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｓｎを含むＡｌ基軸受合金層を備えるＡｌ合金軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
ホワイトメタルやＡｌ−Ｓｎ合金などの軟質金属は、内燃機関の軸受などに使用されている。
また、例えば特許文献１には、軟質金属の疲労強度の向上を図るために、軟質金属をレーザの照射によって再溶融させて軟質金属中の鋳造欠陥を消滅させ、さらに、再溶融している軟質金属を速く冷却して組織の粗大化を抑制し、均質微細組織を形成させることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１０９１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えばＳｎを含むＡｌ基軸受合金層を備えるＡｌ合金軸受において、内燃機関の更なる高性能化を図ろうとすると、Ａｌ合金軸受にとってはより過酷な状況に曝されることになる。この場合、上述した疲労強度を向上させる方法では、Ａｌ合金軸受の非焼付性の向上は不十分であると考えられる。
【０００５】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、Ｓｎを含むＡｌ基軸受合金層を備え、非焼付性に優れるＡｌ合金軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態のＡｌ合金軸受は、基材上にＡｌ基軸受合金層を備えるものであって、Ａｌ基軸受合金層が摺動表面側にＡｌと３０〜７０質量％のＳｎとを含む表面層を有している。そして、表面層は、ＡｌからなるＡｌ相とＳｎからなるＳｎ相とを有し、隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値が１０μｍ以下であり、かつＳｎ相のアスペクト比の平均値が４以上であることを特徴としている。
【０００７】
基材は、Ａｌ基軸受合金層を設けるための構成物のことである。例えば、裏金層とＡｌ基軸受合金層との間に中間層が設けられている場合は、裏金層と中間層とが基材である。また、裏金層上にＡｌ基軸受合金層が設けられている場合は、裏金層が基材である。
中間層が設けられている場合、中間層は純ＡｌまたはＡｌ合金で形成されている。Ａｌ合金としては、ＪＩＳ１０００〜３０００番のＡｌ合金などがある。
【０００８】
Ａｌ基軸受合金層は、ＡｌとＳｎとを含む層が複数積み重なった構成であり、摺動表面側に表面層を有し、基材側に反表面層を有している。反表面層の基材側は、基材に中間層が設けられている場合には中間層に接し、基材に中間層が設けられていない場合には裏金層に接している。Ａｌ基軸受合金層は、表面層と反表面層との間にＡｌを主成分とする層を１層以上有していてもよい。
【０００９】
表面層は、Ａｌと３０〜７０質量％のＳｎとを含み、ＡｌからなるＡｌ相と、ＳｎからなるＳｎ相とを有している。Ａｌ相とはＡｌ原子の集合体のことであり、Ｓｎ相とはＳｎ原子の集合体のことである。なお、それらの相には、他の原子が固溶していてもよい。また、表面層には、それらの相以外にも他の原子からなる相を含んでいてもよい。
【００１０】
表面層は、Ｓｎ相のアスペクト比の平均値が４以上、より好ましくは６以上に調整されている。表面層に分布しているＳｎ相のアスペクト比は、図２に示すように、Ｓｎ相１の外縁に接する最小の楕円を描いたときのその楕円の長軸の長さＬ１と、その楕円の短軸の長さＬ２との比の値Ｌ１／Ｌ２として求められる。なお、図２において、マトリクス２を示すととともに、後述の説明に用いるＳｎ相１の重心をＧとして示す。
【００１１】
Ｓｎ相のアスペクト比の平均値は、次のようにして求められる。まず、測定視野内に分布しているそれぞれのＳｎ相の像から、測定視野内のＳｎ相の総面積とそれぞれのＳｎ相のアスペクト比とを求める。
次に、アスペクト比が大きいＳｎ相から順にＳｎ相の面積を累積していき、累積した面積がＳｎ相の総面積の５０％に達するまでのアスペクト比の大きいＳｎ相を、アスペクト比の平均値を求めるＳｎ相の対象としている。そして、Ｓｎ相のアスペクト比の平均値は、この対象としているＳｎ相のアスペクト比から平均値を求めている。
【００１２】
表面層に分布しているＳｎ相のアスペクト比の関係を、図３を用いて説明する。図３に、アスペクト比の異なる形状のＳｎ相３，４と、例えばＡｌ相からなるマトリクス５，６とを模式的に示す。図３（ａ）はアスペクト比の大きいＳｎ相３と、マトリクス５との断面形状の一例を示すものであり、摺動表面２８でのＳｎ相３の面積をＳ１として示す。また、図３（ｂ）はＳｎ相３よりもアスペクト比の小さいＳｎ相４と、マトリクス６との断面形状の一例を示すものであり、摺動表面２８でのＳｎ相４の面積をＳ２として示す。
図３に示すように、Ｓｎ相のアスペクト比の平均値が大きいほど、細長い形状のＳｎ相３が多数分布した構成となる。また、Ｓｎ相３の断面積Ｓ１１とＳｎ相４の断面積Ｓ１２が同じとすると、摺動表面２８でのＳｎ相３，４の摺動表面での面積の大きさはＳ１＜Ｓ２となる。
【００１３】
上記構成によれば、相手部材の荷重は、表面層を形成するＡｌ相、Ｓｎ相などによって受けられる構成となる。なお、図３において、この相手部材の荷重をＦ１で示す。
ここで、ＳｎはＡｌよりも融点が低いため、Ｓｎ相は、相手部材が表面層の摺動表面上で摺動する際に生じる摩擦熱によってＡｌ相よりも容易に軟化して、塑性流動しやすくなる。したがって、相手部材からの荷重を受けているＡｌ相は、軟化したＳｎ相を摺動表面上に押し出す方向に圧力を生じさせるようになる。なお、図３（ａ）に示すＳｎ相３を押し出す圧力をＰ１で、図３（ｂ）に示すＳｎ相４を押し出す圧力をＰ２で概念的に示す。
【００１４】
そして、表面層に分布しているＳｎ相のアスペクト比の平均値が大きいほど、具体的には、そのアスペクト比の平均値が４以上である場合、上述したように、Ｓｎ相は、摺動表面での面積が小さいため、Ａｌ相からの圧力によって表面層の内部から摺動表面上に容易に押し出されやすくなる。この場合、図３において、Ａｌ相がＳｎ相を押し出す圧力は、Ｐ１＞Ｐ２となる。
【００１５】
さらに、摺動表面上に押し出されたＳｎ相は、軟化して塑性流動しやすい状態となっているため、摺動表面上に広がりやすい。言い換えると、摺動表面に分布しているＡｌ相は、摺動表面上に押し出されたＳｎ相によって容易に覆われるようになる。その結果、相手部材はＳｎ相よりも硬いＡｌ相に直接当たりにくくなる。これにより、表面層の非焼付性を向上させることができ、Ａｌ合金軸受の非焼付性を向上させることができる。
さらに、表面層においてＳｎ相のアスペクト比の平均値が６以上である場合、摺動表面に分布しているＡｌ相が摺動表面上に押し出されたＳｎ相により一層覆われやすくなるため、上述の非焼付性の効果がより一層得られやすくなる。
【００１６】
表面層は、隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値が１０μｍ以下、より好ましくは７μｍ以下に調整されている。隣り合うＳｎ相同士の相間距離とは、あるＳｎ相の重心と、そのＳｎ相と隣り合うＳｎ相の重心との間の距離、いわゆる重心間距離のことである。図２に、隣り合うＳｎ相同士の相間距離の一例をＬ３として示す。
【００１７】
表面層に分布しているＳｎ相において隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値が１０μｍ以下である場合、摺動表面のうちＳｎ相間に分布しているＡｌ相は、摺動表面上に押し出されたＳｎ相によって一層覆われやすくなる。これにより、表面層の非焼付性を一層向上させることができ、Ａｌ合金軸受の非焼付性を一層向上させることができる。
さらに、表面層において隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値が７μｍ以下である場合、摺動表面に分布しているＡｌ相がＳｎ相によってより一層覆われやすくなり、上述の非焼付性の効果がより一層得られやすくなる。
したがって、この表面層において、Ｓｎを３０〜７０質量％含ませ、隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値を１０μｍ以下にし、かつ、Ｓｎ相のアスペクト比の平均値を４以上とすることにより、上述の非焼付性の効果を得ることができる。
【００１８】
表面層の厚さ寸法の平均値は、５０μｍ以上であることが好ましい。表面層の厚さ寸法が平均値で５０μｍ以上である場合、表面層の厚さ方向に延びて分布するＳｎ相の個数を多くさせやすい。したがって、表面層のＳｎ相はＡｌ相からの圧力によって摺動表面上に一層押し出されやすくなり、摺動表面に分布しているＡｌ相はこのＳｎ相によって一層覆れやすくなる。これにより、表面層の非焼付性を一層向上させることができ、Ａｌ合金軸受の非焼付性を一層向上させることができる。
【００１９】
反表面層は、Ａｌと３０〜５０質量％のＳｎとを含み、ＡｌからなるＡｌ相と、ＳｎからなるＳｎ相とを有し、隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値が１０μｍ以上であることが好ましい。反表面層での隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値も、表面層において隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値の求め方と同様に、隣り合うＳｎ相同士の重心間距離に基づいて求められる。
【００２０】
反表面層における隣り合うＳｎ相同士の相間距離の関係を、図４を用いて説明する。図４に、反表面層において、測定視野でのＳｎ相の面積率が同じではあるが隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値が異なるＳｎ相７，８の分布と形状、およびマトリクス９，１０の形状を模式的に示す。図４（ａ）は相間距離の平均値の大きい複数個のＳｎ相７とマトリクス９の一例を示すものであり、Ｓｎ相７がすべて同一形状で等間隔に配置されていると仮定したものである。この場合、測定視野での各Ｓｎ相７の面積をＳ３として示す。図４（ｂ）はＳｎ相７での場合よりも相間距離の平均値の小さい複数個のＳｎ相８とマトリクス１０の一例を示すものであり、Ｓｎ相８がすべて同一形状で等間隔に配置されていると仮定したものである。この場合、測定視野での各Ｓｎ相８の面積をＳ４として示す。
図４に示すように、反表面層における隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値が大きいほど、測定視野内に分布しているＳｎ相の個数は少なくなり、１個当たりのＳｎ相の面積は大きくなり、その結果、測定視野内においてＡｌ相とＳｎ相との接している境界の総長は短くなる。
【００２１】
上記総長が短い、すなわち、Ａｌ相とＳｎ相とが接する界面の総面積が小さいほど、Ａｌ相とＳｎ相との間での接着不良となり得る起点の合計面積も小さくなる。そして、この起点の合計面積が小さくなるほど、反表面層と基材との間において上述の起点が存在する可能性が少なくなり、反表面層が基材に強固に接着された構成となる。よって、反表面層において隣り合うＳｎ相同士の相間距離を大きく、例えば隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値を１０μｍ以上とすることにより、非焼付性に優れるＡｌ基軸受合金層を基材上に強固に接着することができる。
【００２２】
したがって、この反表面層において、Ｓｎを３０〜５０質量％含ませ、隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値を１０μｍ以上にすることにより、Ｓｎ相よりも高い強度を有するＡｌ相を反表面層中に適度に分布させて反表面層全体の強度を高めながら良好なクッション性を持たせることができ、さらに、基材とＡｌ基軸受合金層との接着性を高めることができる。そのため、このようなＡｌ合金軸受は、非焼付性に非常に優れる。
また、反表面層での隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値を、表面層でのそれよりも大きくするのが、Ａｌ合金軸受の非焼付性と疲労強度とを向上させる面で好ましい。
【００２３】
表面層において隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値をＡ１とし、反表面層において隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値をＡ２とすると、比の値Ａ２／Ａ１は３以上であることが好ましい。Ａ１の値が小さいほど表面層の非焼付性は向上し、Ａ２の値が大きいほど基材とＡｌ基軸受合金層との接着性が向上してＡｌ基軸受合金層を基材上に強固に接着させることができる。比の値Ａ２／Ａ１が３以上である場合、Ａｌ合金軸受全体としての非焼付性をより一層向上させることができる。
【００２４】
上述した本発明の一実施形態のＡｌ合金軸受に、焼鈍処理を行ってもよい。本発明の一実施形態のＡｌ合金軸受に焼鈍処理を行っても、焼鈍処理を行う前のＡｌ合金軸受と同等以上の非焼付性の効果を奏する。
また、上述したように、Ａｌ合金軸受を焼鈍することにより、図５に模式的に示すように、表面層に分布しているＳｎ相１１の多くが他のＳｎ相１１と繋がり、Ａｌ相１２を囲う環状Ｓｎ相１３が形成される。図５（ａ）は焼鈍前の表面層を示す図であり、図５（ｂ）は焼鈍後の表面層を示す図である。
【００２５】
環状Ｓｎ相の周囲方向長さｌの平均値をＬ、環状Ｓｎ相の幅方向長さｄの平均値をＤとすると、比の値Ｌ／Ｄが１０以上であることが好ましい。
図５に示すように模式的に捉えると、環状Ｓｎ相１３の周囲方向長さｌは、測定視野に分布しているＡｌ相１２を同面積の円とみなし、Ａｌ相１２を囲うＳｎ相を円環状とした場合において、円とみなしたＡｌ相１２の直径ｈと円環状のＳｎ相（環状Ｓｎ相１３）の幅長さｄを足したものを直径として形成される円の周長さである。
【００２６】
ここで、焼鈍後のＡｌ相の平均直径Ｈおよび環状Ｓｎ相の幅方向長さの平均値Ｄは、次のようにして求められる。
環状Ｓｎ相に囲われるＡｌ相の平均直径Ｈは、図５に示すように、測定視野の組成画像に例えば縦方向に延びる線（点線）Ｌｐを引いた場合の、環状Ｓｎ相１３に囲われているＡｌ相１２に線Ｌｐが重なっている部分の一箇所当たり長さの平均値とする。
【００２７】
環状Ｓｎ相の幅方向長さの平均値Ｄは、次のようにして求められる。まず、上述と同様に、測定視野の組成画像に線Ｌｐを引き、線Ｌｐが環状Ｓｎ相に重なっている部分の一箇所当たり長さの平均値を求める。この一箇所当たり長さは、隣り合うＡｌ相の外周部分同士の最短距離、すなわち隣り合う２個の環状Ｓｎ相の幅方向長さと仮定できるため、この一箇所当たり長さの平均値を２で割ることにより、１個当たりの環状Ｓｎ相の幅方向長さの平均値Ｄが求められる。
【００２８】
ここで、比の値Ｌ／Ｄが１０以上である場合、上述したＳｎ相のアスペクト比の平均値が４以上である場合と同様に、環状Ｓｎ相は細長い形状であり、摺動表面での環状Ｓｎ相の面積が小さい。したがって、環状Ｓｎ相は、Ａｌ相からの圧力によって表面層の内部から摺動表面上に容易に押し出されやすい。その結果、摺動表面に分布しているＡｌ相は、摺動表面上に押し出された環状Ｓｎ相によって容易に覆われるようになり、相手部材が環状Ｓｎ相よりも硬いＡｌ相に直接当たりにくくなる。これにより、本発明の一実施形態の構成によれば、表面層の非焼付性を一層向上させることができ、Ａｌ合金軸受の非焼付性を一層向上させることができる。
【００２９】
また、表面層に分布している環状Ｓｎ相に囲われるＡｌ相の平均直径は、１０μｍ以下であることが好ましい。環状Ｓｎ相に囲われているＡｌ相の平均直径が１０μｍ以下である場合、環状Ｓｎ相に囲われているＡｌ相は、摺動表面上に押し出された環状Ｓｎ相によって覆われやすくなる。これにより、表面層の非焼付性を一層向上させることができ、Ａｌ合金軸受の非焼付性を一層向上させることができる。
【００３０】
Ａｌ軸受合金層の摺動表面側に表面層を形成する方法としては、例えば下記がある。なお、Ａｌ基軸受合金層において表面層を形成する前のＡｌを主成分とする層を、Ａｌ基層と称する。
表面層を形成する１つ目としては、所定量のＡｌとＳｎとを含むＡｌ基層の表面にレーザ処理および冷却処理を行って、Ａｌ基層の摺動表面側に表面層を形成する方法である。その場合、Ａｌ基層のうち基材側が反表面層となる。
この表面層の形成方法でのレーザ処理では、Ａｌ基層の表面にレーザを照射し、当該Ａｌ基層の表面をＡｌおよびＳｎの両方が溶融するまで加熱する処理が行われる。
【００３１】
また、この表面層の形成方法での冷却処理では、第１の冷却処理と第２の冷却処理との２段階の処理が行われる。第１の冷却処理では、上記のレーザ処理で溶融しているＡｌ基層の表面を、Ｓｎが液体、Ａｌが液体と固体との両方で存在する温度、具体的には３５０〜５００℃になるまで冷却し、この温度で所定時間保持して、Ａｌ相を必要量晶出させる。ここで晶出している固相のＡｌ相の量（体積割合）は、例えば保持する温度および時間を変更することによって調整する。続く第２の冷却処理では、第１の冷却処理後にＡｌ基層の表面を冷却してＳｎ相を晶出させる処理が行われる。このとき、Ｓｎ相は第１の冷却によって晶出したＡｌ相同士の隙間に晶出し、また、第１の冷却処後に液体で残存していたＡｌ相も第２の冷却処理の際に晶出する。
このように、レーザ処理後に冷却処理として第１の冷却処理および第２の冷却処理を行うことにより、Ａｌ相同士の隙間を制御できるため、Ｓｎ相のアスペクト比を大きくすることができる。
【００３２】
表面層を形成する２つ目としては、Ａｌ基層上に供給したＳｎ粉末および当該Ａｌ基層の表面に、上述と同様のレーザ処理および冷却処理を行って、Ａｌ基層の摺動表面側に表面層を形成する方法である。すなわち、レーザ処理では、Ａｌ基層の表面に、Ｓｎ粉末を供給し、Ｓｎ粉末およびＡｌ基層の表面にレーザを照射し、当該Ｓｎ粉末およびＡｌ基層の表面が溶融するまで加熱する処理が行われる。このとき、レーザの照射によってＡｌ基層の表面も溶融しているため、この溶融しているＡｌ基層の一部のＡｌが、表面層のＡｌ相を形成する。
【００３３】
また、この表面層の形成方法での冷却処理でも、上述と同様に、第１の冷却処理によって表面層にＡｌ相を必要量晶出させる処理が行われ、第２の冷却処理によってＳｎ相をＡｌ相同士の隙間に晶出させる処理が行われる。なお、Ｓｎ粉末の代わりに、Ａｌ−Ｓｎ合金粉末を用いてもよい。
表面層のＡｌとＳｎとの質量比は、例えばＳｎ粉末の量、Ａｌ基層に含まれるＡｌおよびＳｎの質量比を変更することによって調整される。
【００３４】
なお、レーザ処理の条件、冷却処理の条件は、Ａｌ基軸受合金層の表面層に含まれるＡｌおよびＳｎの質量などによって異なる。
また、表面層を形成する方法は上述した方法に限られない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態のＡｌ合金軸受を模式的に示す断面図
【図２】アスペクト比を説明するための概念図
【図３】アスペクト比の異なるＳｎ相の形状を模式的に示す表面層の断面図
【図４】反表面層におけるＳｎ相間距離とＳｎ相の大きさの関係を模式的に示す図
【図５】焼鈍前後の表面層の状態を模式的に示す図
【図６】焼鈍処理を行った後の表面層の状態を示す図
【発明を実施するための形態】
【００３６】
Ａｌ合金軸受の一実施形態の断面を、図１に示す。図１に示すＡｌ合金軸受２１は、例えば産業用機械の内燃機関に使用される軸受であり、基材２２と、基材２２上に設けられたＡｌ基軸受合金層２３とを備えている。基材２２は、裏金層２４と、裏金層２４上に設けられた中間層２５とを有している。Ａｌ基軸受合金層２３は、中間層２５と接する反表面層２６と、反表面層２６上に設けられた表面層２７とを有する２層構造である。
このＡｌ合金軸受２１に焼鈍処理を行った後のＡｌ合金軸受の表面層の状態を、図６に示す。
【００３７】
次に、本実施形態のＡｌ合金軸受２１の効果を確認した試験について説明する。
本実施形態のＡｌ合金軸受２１と同様の構成の実施例品１〜１０は、次のようにして得た。まず、必要に応じて表１に示す組成に調整されたＡｌ基軸受合金の板材を鋳造によって製造した。その後、この鋳造されたＡｌ基軸受合金に、Ａｌからなる中間層を構成する薄い板材を圧接して複層アルミニウム合金板を製造し、この複層アルミニウム合金板を、裏金層を構成する鋼板に圧接、および焼鈍して軸受形成用板材、いわゆるバイメタルを製造した。
【００３８】
次に、実施例品１，３〜６では、バイメタルのＡｌ基層の表面にレーザを照射して、そのＡｌ基軸受合金の表面を溶融させるレーザ処理を行った。次に、溶融しているＡｌ基軸受合金の表面を、３５０〜５００℃まで冷却して所定時間保持する第１の冷却処理を行った。そして、第１の冷却処理後に、Ａｌ基軸受合金の表面をさらに冷却してＳｎ相を晶出させる第２の冷却処理を行った。これにより、Ａｌ基軸受合金層２３の摺動表面側に表面層２７を有する実施例品１，３〜６を得た。
【００３９】
実施例品２，７では、バイメタルのＡｌ基層の表面にＳｎ粉末を散布した後に、レーザ処理を行って、そのＡｌ基軸受合金の表面及びＳｎ粉末を溶融させた。次に、溶融しているＳｎ粉末およびＡｌ基軸受合金の表面について、上述と同様の第１の冷却処理および第２の冷却処理を行い、Ａｌ相を晶出させた後にＳｎ相を晶出させた。これにより、Ａｌ基軸受合金層２３の摺動表面に表面層２７を有する実施例品２，７を得た。
実施例品８〜１０は、実施例品６を、２５０〜３５０℃で４〜６時間焼鈍して得た。
【００４０】
比較例品１のバイメタルの表面は、Ａｌ基軸受合金からなるものであり、レーザ処理およびレーザ処理後の冷却処理を行っていないものである。
比較例品２，３は、冷却処理の工程が実施例品の製造方法と異なるものであり、実施例品１〜７と同様のレーザ処理を行った後に、実施例品１〜７で行った第１の冷却処理および第２の冷却処理を行なわずに、表面層を溶融状態から凝固状態まで連続的に冷却してＡｌ相およびＳｎ相を晶出させて得た。
【００４１】
上述の製造方法によって得た実施例品１〜１０および比較例品１〜３の特性を表１に示す。表１の「表面層」の「Ｓｎ相の相間距離」、「Ｓｎ相のアスペクト比」、「Ａｌ相の平均直径」、「比Ｌ／Ｄ」および「厚さ」は、バイメタルのＡｌ基軸受合金を形成する組成、Ｓｎ粉末の散布量、レーザの照射の強さおよび照射時間などを適宜変更することによって調整し、さらに、実施例品１〜１０および比較例品２，３においては第１の冷却処理におけるＳｎ相の晶出の温度および時間などを適宜変更することによっても調整した。
【００４２】
上述の実施例品１〜１０および比較例品１〜３の試料について、表２に示す条件で焼付試験を行った。その試験結果を、表１に示す。なお、焼付試験に用いるオイルは、試験前に摺動表面上に塗布した。
【００４３】
【表１】
【００４４】
【表２】
【００４５】
表１の「Ａｌ」および「Ｓｎ」は、表面層および反表面層に含まれる組成の質量％濃度を示している。これらの質量％濃度は、蛍光Ｘ線装置を用いて得た値である。
表１の「表面層」の「Ｓｎ相の相間距離」は表面層の隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値を示し、「表面層」の「Ｓｎ相のアスペクト比」は表面層のＳｎ相のアスペクト比の平均値を示している。また、これらの値および表１の「焼鈍後」の「Ａｌ相の平均直径」および「比Ｌ／Ｄ」は、表面層の摺動表面から基材側に向かって研磨でＡｌ基軸受合金層を削っていき、表面層の摺動表面の最も窪んだ所から深さ２０μｍの位置で、摺動表面に平行な面での測定視野１５０μｍ×１５０μｍにおいて測定して得た値である。
【００４６】
この場合、表面層の隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値は、電子顕微鏡で得られた測定視野の組成画像を、解析ソフト（株式会社プラネトロン社製「Ｉｍａｇｅ−Ｐｒｏ Ｐｌｕｓ（Ｖｅｒｓｉｏｎ４．５）」）を用いて求めた。また、この表面層の隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値をＡ１とする。
なお、表面層の隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値を求めるにあたって、解析ソフトの検出の下限（０．０７μｍ２）以上の面積のＳｎ相を対象とした。
【００４７】
表面層のＳｎ相のアスペクト比の平均値は、上述の解析ソフトを用い、次のようにして求めた。まず、測定視野内に分布している０．０７μｍ２以上のすべてのＳｎ相の面積から測定視野内のＳｎ相の総面積を求めると共に、これらのＳｎ相のそれぞれについてアスペクト比を求めた。次に、アスペクト比が大きいＳｎ相から順にＳｎ相の面積を累積していき、累積した面積がＳｎ相の総面積の５０％に達するまでのアスペクト比の大きいＳｎ相を、アスペクト比の平均値を求めるＳｎ相の対象とした。そして、表面層のＳｎ相のアスペクト比の平均値は、この対象としたＳｎ相のアスペクト比を平均して求めた値である。
【００４８】
表１の「焼鈍後」の「Ａｌ相の平均直径」は、測定視野の組成画像に例えば図６に示すように縦方向に延びる線Ｌｐを１０μｍの間隔で線を引き、同じくその組成画像に横方向に延びる線Ｌｑを１０μｍの間隔で線を引き、これらの各線と環状Ｓｎ相１３に囲われているＡｌ相１２とが重なっている部分の一箇所当たり長さ（Ａｌ相擬似直径長さ）を平均して求めた値である。なお、このＡｌ相の平均直径の測定において、測定視野において環状Ｓｎ相１３に囲われていないＡｌ相については、測定の対象外とした。また、環状Ｓｎ相１３に囲われているＡｌ相１２内にＳｎ相１１が点在し、そのＳｎ相１１が上述の各線と重なっている場合、そのＳｎ相１１は存在しないものとして、Ａｌ相の平均直径を求めた。
【００４９】
表１の「焼鈍後」の「比Ｌ／Ｄ」のＤは、環状Ｓｎ相の幅方向長さの平均値Ｄである。このＤの値は、Ａｌ相の平均直径で用いた各線と環状Ｓｎ相１３とが重なっている部分の一箇所当たり長さの平均値を２で割って求めた値である。なお、このＤの測定において、環状になっていないＳｎ相１１については、測定の対象外とした。
表１の「焼鈍後」の「比Ｌ／Ｄ」のＬは、環状Ｓｎ相の周囲方向長さの平均値Ｌである。このＬの値は、上述のＡｌ相擬似直径長さと環状Ｓｎ相の幅方向長さとの和が直径となる仮想の円の周長さを平均して求めた値である。
表１の「比Ｌ／Ｄ」は、比の値Ｌ／Ｄであり、上述のＬをＤで割って求めた値である。
表１の「表面層」の「厚さ」の値は、表面層の断面写真から、表面層の複数箇所で膜厚を測定し、それを平均して求めた値である。
【００５０】
表１の「反表面層」の「Ｓｎ相の相間距離」は反表面層の隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値を示している。この値は、表面層の摺動表面から基材側に向かって研磨でＡｌ基軸受合金層を削っていき、基材の最もＡｌ基軸受合金層側に位置する所から高さ２０μｍの位置で、摺動表面に平行な面での測定視野１５０μｍ×１５０μｍにおいて測定して得た値である。
この場合、反表面層の隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値も、反表面層での隣り合うＳｎ相同士の重心間距離であり、上述の表面層の隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値の求め方と同様に、上述の解析ソフトを用いて求めた値である。この反表面層の隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値をＡ２とする。
表１の「比Ａ２／Ａ１」は、比の値Ａ２／Ａ１であり、上述のＡ２をＡ１で割って求めた値である。
【００５１】
次に、焼付試験の結果について解析する。
実施例品１〜７と比較例品１〜３との対比から、実施例品１〜７は、表面層において隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値が１０μｍ以下であり、かつＳｎ相のアスペクト比の平均値が４以上であるため、比較例品１〜３よりも、非焼付性が優れていることが理解できる。
【００５２】
実施例品１と実施例品２〜７との対比から、実施例品２〜７は、表面層の厚さ寸法の平均値が５０μｍ以上であるため、実施例品１よりも非焼付性がより一層優れていることが理解できる。
実施例品１，２と実施例品３〜７との対比から、実施例品３〜７は、反表面層において隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値が１０μｍ以上であるため、実施例品１，２よりも非焼付性がより一層優れていることが理解できる。
【００５３】
実施例品１〜３と実施例品４〜７との対比から、実施例品４〜７は、比の値Ａ２／Ａ１が３以上であるため、実施例品１〜３よりも非焼付性がより一層優れていることが理解できる。
実施例品１〜４と実施例品５〜７との対比から、実施例品５〜７は、表面層において隣り合うＳｎ相同士の相間距離の平均値が７μｍ以下であり、かつＳｎ相のアスペクト比の平均値が６以上であるため、実施例品１〜４よりも非焼付性がより一層優れていることが理解できる。
【００５４】
実施例品６と実施例品８〜１０との対比から、実施例品８〜１０は、焼鈍を行う前の実施例品６と同等以上の非焼付性が得られることが理解できる。
実施例品８と実施例品９，１０との対比から、実施例品９，１０は、表面層において比の値Ｌ／Ｄが１０以上であるため、実施例品８よりも非焼付性がより一層優れていることが理解できる。
実施例品８，９と実施例品１０との対比から、実施例品１０は、表面層において環状Ｓｎ相に囲われるＡｌ相の平均直径が１０μｍ以下であるため、実施例品８，９よりも非焼付性がより一層優れていることが理解できる。
【００５５】
本実施形態は、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得る。
不可避的不純物については説明を省略し、各組成には不可避的不純物が含まれ得る。
Ａｌ基軸受合金層、中間層には、本発明の効果を妨げない範囲でＡｌおよびＳｎ以外の元素、例えばＣｕ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｚｒ，Ｆｅなどや、硬質粒子や個体潤滑剤などの添加物を加えてもよい。
【符号の説明】
【００５６】
図面中、１，３，７，１１はＳｎ相、２，５，９，１２はマトリクス（Ａｌ相）、１３は環状Ｓｎ相、２１はＡｌ合金軸受、２２は基材、２３はＡｌ基軸受合金層、２４は裏金層、２５は中間層、２６は反表面層、２７は表面層、２８は摺動表面を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材上にＡｌ基軸受合金層を備え、
前記Ａｌ基軸受合金層は、摺動表面側にＡｌと３０〜７０質量％のＳｎとを含む表面層を有し、
前記表面層は、前記ＡｌからなるＡｌ相と前記ＳｎからなるＳｎ相とを有し、隣り合う前記Ｓｎ相同士の相間距離の平均値が１０μｍ以下であり、かつ前記Ｓｎ相のアスペクト比の平均値が４以上であることを特徴とするＡｌ合金軸受。
【請求項２】
前記表面層の厚さ寸法の平均値が５０μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載のＡｌ合金軸受。
【請求項３】
前記基材は、裏金層と、その裏金層と前記Ａｌ基軸受合金層との間に設けられる中間層とを有し、
前記Ａｌ基軸受合金層は、前記中間層に接する反表面層を有し、
前記反表面層は、Ａｌと３０〜５０質量％のＳｎとを含み、前記ＡｌからなるＡｌ相と前記ＳｎからなるＳｎ相とを有し、隣り合う前記Ｓｎ相同士の相間距離の平均値が１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１または２記載のＡｌ合金軸受。
【請求項４】
前記表面層において隣り合う前記Ｓｎ相同士の相間距離の平均値Ａ１と、前記反表面層において隣り合う前記Ｓｎ相同士の相間距離の平均値Ａ２との比の値Ａ２／Ａ１が３以上であることを特徴とする請求項３記載のＡｌ合金軸受。
【請求項５】
前記表面層において、隣り合う前記Ｓｎ相同士の相間距離の平均値が７μｍ以下であり、かつ前記Ｓｎ相のアスペクト比の平均値が６以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載のＡｌ合金軸受。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項記載のＡｌ合金軸受を焼鈍して形成されていることを特徴とするＡｌ合金軸受。
【請求項７】
前記表面層は、前記Ａｌ相を囲う環状Ｓｎ相を有し、前記環状Ｓｎ相の周囲方向長さの平均値Ｌと前記環状Ｓｎ相の幅方向長さの平均値Ｄとの比の値Ｌ／Ｄが１０以上であることを特徴とする請求項６記載のＡｌ合金軸受。
【請求項８】
前記表面層は、前記Ａｌ相を囲う環状Ｓｎ相を有し、前記環状Ｓｎ相に囲われる前記Ａｌ相の平均直径が１０μｍ以下であることを特徴とする請求項６または７記載のＡｌ合金軸受。
【請求項１】
基材上にＡｌ基軸受合金層を備え、
前記Ａｌ基軸受合金層は、摺動表面側にＡｌと３０〜７０質量％のＳｎとを含む表面層を有し、
前記表面層は、前記ＡｌからなるＡｌ相と前記ＳｎからなるＳｎ相とを有し、隣り合う前記Ｓｎ相同士の相間距離の平均値が１０μｍ以下であり、かつ前記Ｓｎ相のアスペクト比の平均値が４以上であることを特徴とするＡｌ合金軸受。
【請求項２】
前記表面層の厚さ寸法の平均値が５０μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載のＡｌ合金軸受。
【請求項３】
前記基材は、裏金層と、その裏金層と前記Ａｌ基軸受合金層との間に設けられる中間層とを有し、
前記Ａｌ基軸受合金層は、前記中間層に接する反表面層を有し、
前記反表面層は、Ａｌと３０〜５０質量％のＳｎとを含み、前記ＡｌからなるＡｌ相と前記ＳｎからなるＳｎ相とを有し、隣り合う前記Ｓｎ相同士の相間距離の平均値が１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１または２記載のＡｌ合金軸受。
【請求項４】
前記表面層において隣り合う前記Ｓｎ相同士の相間距離の平均値Ａ１と、前記反表面層において隣り合う前記Ｓｎ相同士の相間距離の平均値Ａ２との比の値Ａ２／Ａ１が３以上であることを特徴とする請求項３記載のＡｌ合金軸受。
【請求項５】
前記表面層において、隣り合う前記Ｓｎ相同士の相間距離の平均値が７μｍ以下であり、かつ前記Ｓｎ相のアスペクト比の平均値が６以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載のＡｌ合金軸受。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項記載のＡｌ合金軸受を焼鈍して形成されていることを特徴とするＡｌ合金軸受。
【請求項７】
前記表面層は、前記Ａｌ相を囲う環状Ｓｎ相を有し、前記環状Ｓｎ相の周囲方向長さの平均値Ｌと前記環状Ｓｎ相の幅方向長さの平均値Ｄとの比の値Ｌ／Ｄが１０以上であることを特徴とする請求項６記載のＡｌ合金軸受。
【請求項８】
前記表面層は、前記Ａｌ相を囲う環状Ｓｎ相を有し、前記環状Ｓｎ相に囲われる前記Ａｌ相の平均直径が１０μｍ以下であることを特徴とする請求項６または７記載のＡｌ合金軸受。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２４６９４５（Ｐ２０１２−２４６９４５Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１６８７１（Ｐ２０１１−１１６８７１）
【出願日】平成２３年５月２５日（２０１１．５．２５）
【出願人】（５９１００１２８２）大同メタル工業株式会社 (179)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２５日（２０１１．５．２５）
【出願人】（５９１００１２８２）大同メタル工業株式会社 (179)
【Ｆターム（参考）】
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