JP2008542548A - アルミニウム滑り軸受合金 - Google Patents

Abstract

本発明は、５ないし２０重量％のビスマスと、３ないし２０重量％の亜鉛と、１ないし４重量％の銅と、さらにマンガン、バナジウム、ニオブ、ニッケル、モリブデン、コバルト、鉄、タングステン、クロム、銀、カルシウム、スカンジウム、セリウム、ベリリウム、アンチモン、ホウ素、チタン、炭素およびジルコニウムのいくつかの成分を合計で５重量％以下と、１００重量％にするアルミニウムとを含み、ストリップ鋳造で作られ、後の滑り軸受の製造工程の間、圧延または圧延結合の後に、およそ２７０ないし４００℃の熱処理を受けた偏晶アルミニウム滑り軸受合金に関する。圧延または圧延結合によって作られた長いビスマス粒子またはシートは再凝固して、２０μｍ以下のサイズをもつ微細分布した球状溶滴を与えることができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は高耐久性のアルミニウム軸受合金（特に多層軸受）、その製造方法ならびに関連する滑り軸受シェルおよび滑り軸受に関する。

高耐久性滑り軸受は、軸受に必要とされる種々の要求を満たし、かつある程度相容れない、いくつかの層から作られる。主に鋼−アルミニウム複合材料が使用される。鋼の支持シェルは、機械的負荷を吸収し、強固な適合を保証するが、滑り軸受の材料は種々の摩擦負荷および疲労に耐えなければならない。この要求を満たすために、アルミニウムマトリクス中の滑り軸受の材料は、一方で例えばケイ素および金属間析出物のような硬質相と、他方で例えば鉛やスズのような軟質相を含む。高耐久性多層軸受は、しばしば、さらに機能層上に電解被覆された高い鉛含有量の滑り層をもつ。この軟質滑り層は、軸受の良好な緊急動作特性を与える。これは磨耗粒子を埋め込んで、滑り表面からそれらを離脱させることができる。

鉛を含んだアルミニウム滑り軸受合金に対する環境に優しい代替物は、アルミニウムスズ−ベースの滑り軸受であり、これは追加の滑り層なしに用いられる。しかしながら、これらの合金の機械的特性、例えば疲労耐性および耐熱性には限界がある。比較的高いスズ含有量は、鋳造の間に粒界にて互いに結合したスズのネットワークの形成をもたらす。これは、特に比較的高温において、これらの合金の耐荷重能力をかなり損なう。

スズと対比して、ビスマスはアルミニウムマトリクス中の軟質相としていくつかの利点をもつ。例えば、ビスマスは高い融点を持ち、より高い温度で使用することができる。加えて、特別な鋳造および熱処理手段によって、滑り軸受合金の粒界におけるビスマスの塊状濃縮を避け、微細構造中のビスマス溶滴の十分に均質かつ微細な分布を得ることが可能である。これは、アルミニウムスズ合金と比較して、耐荷重能力および摩擦特性の向上を最終的にはもたらす。

そこで、ＤＥ ４００３０１８ Ａ１においては、アルミニウム合金は、１ないし５０重量％、好ましくは５ないし３０重量％の鉛と、３ないし５０重量％、好ましくは５ないし３０重量％のビスマスと、１５ないし５０重量％のインジウムのうちの１つ以上の成分と、さらに０．１ないし２０重量％のケイ素、０．１ないし２０重量％のスズ、０．１ないし１０重量％の亜鉛、０．１ないし５重量％のマグネシウム、０．１ないし２０重量％の銅、０．０５ないし３重量％の鉄、０．０５ないし３重量％のマンガン、０．０５ないし３重量％のニッケルおよび０．００１ないし０．３０重量％チタンのうちの１つ以上の成分を含んでもよいことが提案されている。ＤＥ ４００３０１８ Ａ１によって知られるこの合金は、連続鋳造によって垂直に鋳造され、厚さまたは直径で５ないし２０ｍｍのストリップまたはワイヤーにされ、溶融物は３００ないし１５００Ｋ／ｓの冷却速度で鋳造される。急冷速度は、マイナー相の大容量析出物が、偏析温度以下への温度降下とマトリクス金属の完全な凝固との間の時間に形成されるのを回避することを意図している。しかしながら、アルミニウム合金の連続鋳造における実際的経験から、非常に速い冷却速度はクラック形成のかなりのリスクがあり、大量生産に要求される加工安定性がかろうじて保証されるにすぎないという結果を与えることがわかっている。

ＥＰ ０９４０４７４ Ａ１に記載されている方法は、１５重量％以下のビスマスと、ケイ素、スズ、および亜鉛を含む群からの少なくとも１つの成分を合計で０．５ないし１５重量％と、銅、マンガン、マグネシウム、ニッケル、クロム、亜鉛およびアンチモンを含む群からの可能な添加物を合計３重量％以下の程度までとを含む、鋳造が困難な偏晶アルミニウム滑り軸受合金を、ストリップ鋳造によって再現可能な品質で鋳造できるようにする。マイナー相の均質な分布は、この場合、電磁場中で溶融物を強く攪拌することによって達成される。結晶微細化剤を加えることによって、この合金の微細構造はさらに微細化される。これがもつ効果の中には、鋳造状態において最大４０μｍの直径をもつ溶滴の形状のビスマス析出物のサイズへの有利な効果もある。結晶微細化剤の添加量は、ＥＰ ０９４０４７４ Ａ１によれば、溶融物中のビスマス含有量を考慮した式によって計算される。この発明は、特許に記載されている結果を得るために使用される結晶微細化添加物の類の指示を全く含んでいない。

ＥＰ ０１９０６９１は、４ないし７重量％のビスマスと、１ないし４．５重量％のケイ素と、０ないし１．７重量％の銅と、０ないし２．５重量％の鉛と、ニッケル、マンガンおよびクロムを含む群からの少なくとも１つの元素を合計１重量％以下の程度までと、さらにスズ、亜鉛およびアンチモンを含む群からの少なくとも１つの元素を合計５重量％以下とを含んだ合金を開示している。高いケイ素含有量はアルミニウムマトリクスを強化するが、それらはマイナー相のサイズに不利な影響を及ぼし、ストランド中の溶滴分布を明らかに悪くする。このような鋳造構造を圧延する間、元来は球状の鉛またはビスマス相が非常に太いフィラメントに変形する。このことは、材料の機械的な耐荷重能力および摩擦特性をかなり減じてしまう。

所望の材料特性を設定するために可能な１つの解決策は、マイナー相の細長い析出物を引き続いての熱処理によって密な構造の形状に変形させることである。例えばＤＥ ４０１４４３０ Ａ１によれば、偏晶アルミニウムケイ素−ビスマス合金を５７５〜５８５℃で熱処理してビスマス相の微細分布を達成し、圧延後にラメラの形態に延伸される。

さらなる利点として、熱処理は硬化効果によってアルミニウム滑り軸受の強度値を向上させる可能性を提供する。可能な硬化効果の達成に好適な元素は、例えばケイ素、マグネシウム、亜鉛およびジルコニウムである。銅の添加は硬化速度を増大させ、これらの元素と組み合わせて使用することができる。

ＵＳ ５，２８６，４４５は、２〜１５重量％の含有量のビスマスと、０．０５ないし１重量％の含有量のジルコニウムと、１．５重量％以下の含有量の銅および／またはマグネシウムをもつアルミニウム滑り軸受合金を開示している。加えてこの合金は、スズ、鉛およびインジウムを含む群からの少なくとも１つの元素を合計で０．０５ないし２重量％、またはケイ素、マンガン、バナジウム、アンチモン、ニオブ、モリブデン、コバルト、鉄、チタンおよびクロムを含む群からの少なくとも１つの元素を合計で０．０５ないし５重量％含む。スズ、鉛およびインジウムの添加は、２００〜３５０℃の温度で、延伸されたビスマス溶滴のより微細な析出物への再凝固を助ける。元素ジルコニウム、ケイ素およびマグネシウムは、４８０ないし５２５℃の温度範囲におけるアニール後に、実際の硬化効果をもたらす。これはＵＳ ５，２８６，４４５によれば、圧延被覆の少し前に実施される。遷移元素は、材料の機械的な耐荷重能力のさらなる増大を確保することを意図している。

マイナー相のサイズおよび分布へのケイ素の好ましくない効果は既に報告されている。マグネシウムの添加は、さらに、マグネシウムが優先的にビスマスとともに金属間化合物Ｍｇ_３Ｂｉ_２を形成するという不都合を伴う。これはビスマス溶滴間に挿入され、磨耗粒子を埋め込むビスマス溶滴の能力を明らかに減じる。スズを添加することは、高温での滑り軸受材料の機械的な耐荷重能力をかなり損なう。さらに、ＤＥ ４０１４４ ３０ Ａ１およびＵＳ ５，２８６，４４５において提案されている４８０℃を超える熱処理の温度は、鋼の支持シェルとアルミニウムとの間の脆い金属間相の形成に関して非常に不利に選択されている。先行技術によれば、アルミニウムを鋼で被覆するのに許容できる温度範囲は４００℃未満である。

上述したビスマスを含んだ合金のうち、これまでにいかなる実用的な重要性も獲得したものはない。なぜならば、連続鋳造および滑り軸受シェルを形成するための後のさらなる加工によるそれらの製造の間に生じる、複雑な過程を適切に克服することは未だ不可能だからである。鋳造状態におけるマイナー相の微細分布のほかに、アルミニウム滑り軸受合金の最適な特性のための必要条件は、特に、必要な成形および圧延被覆操作の後でさえ、マイナー相の微細分布を確立できる可能性である。他の要求は、高い強度、機械的な耐荷重能力（高温時も含む）、アルミニウムマトリクスの耐磨耗性および良好な成形性である。

したがって、本発明は、高耐久性のアルミニウム滑り軸受合金を提供する目的に基づいており、これは先行技術の不都合を回避し、かつビスマス相の均質かつ微細な分布を達成し、および滑り軸受シェルを形成する加工段階における後のさらなるストリップの加工の間これを維持し、可能ならば向上させることを可能にする。

この目的は、以下の成分を含むアルミニウム滑り軸受合金によって達成される。およそ５ないし２０重量％のビスマスと、およそ３ないし２０重量％の亜鉛と、およそ１ないし４重量％の銅と、さらにマンガン、バナジウム、ニオブ、ニッケル、モリブデン、コバルト、鉄、タングステン、クロム、銀、カルシウム、スカンジウム、セリウム、アンチモン、ホウ素、ベリリウム、チタン、炭素およびジルコニウムのうち１以上の成分を合計で５重量％以下と、残りのアルミニウムであるが、スズ、鉛およびケイ素は精練に由来する不純物によって生じる量のほかに含まず、すなわち各々多くとも１重量％以下の量である。これは、原則的に、本発明による合金は合金成分としてスズおよびケイ素を含んではならないことが意図されていることを意味する。しかしながら、スズ（Ｓｎ）だけでなく鉛（Ｐｂ）およびケイ素（Ｓｉ）は、およそ０．３重量％以下の不純物によって生じる量で、あるいはおよそ１重量％以下の少量であるが、より良好にはおよそ０．５重量％以下で存在していてもよく、本発明の利点を過剰に損なうことがない。本発明による滑り軸受合金は、好ましくは連続鋳造され、ビスマス相の微細分布によって鋳造状態において既に区別され、これは引き抜き速度および冷却速度に大きく依存しない。圧延および圧延被覆時のさらなる処理の途中で作られる長いビスマスのラメラは、その後に２７０〜４００℃の温度で熱処理によって完全に再凝固して、微細に分布した球状溶滴を形成し、これらは工程が適切に行われた場合には２０μｍより小さい。

合金は好ましくはおよそ７〜１２重量％のビスマスを含む。亜鉛含有量は好ましくはおよそ３〜６重量％であり、銅含有量はおよそ２〜４重量％、特に２〜３重量％である。種々の元素の含有量は、与えられた範囲内で互いに独立に可変である。

本発明による合金は、単一の軟質相形成剤としてのビスマスの使用によって、既知の合金と異なる。すなわち、ビスマスと鉛および／またはスズとの組み合わせがなく、亜鉛の含有量は最大２０重量％以下に増大し、銅の含有量は最大４重量％以下に増大する。記載した量の添加した亜鉛および銅は、二元Ａｌ−Ｂｉ合金と比較して、鋳造状態におけるビスマス溶滴のサイズにわずかな悪化をもたらすが、それらは、被覆パスの後に高度に延伸されたビスマスフィラメントの完全な再凝固を可能にし、サイズで２０μｍ以下の微細な球状溶滴を形成する。アニール時間は化学組成に依存する。加えて、増大した銅の含有量はアルミニウムマトリクスの強度増大をもたらし、我々の経験では、ビスマス含有滑り軸受材料の腐食耐性を向上させる。

およそ０．３ないし２重量％の添加量で加える商業的に入手できる結晶微細化剤ＡｌＴｉ５Ｂ１またはＡｌＴｉ３ＣＯ、１５を使用することは、本発明による合金に優れた結晶微細化効果があり、様々な冷却速度で連続鋳造の間に確実にヒートクラックの形成を防ぐことがわかっている。言及した結晶微細化剤の添加は、マイナー相のサイズを明らかに減じるさらなる効果をもつ。結晶微細化添加物の使用によって、比較的遅いおよそ５Ｋ／ｓの冷却速度でさえも、鋳造状態におけるビスマス溶滴の最大直径を３０μｍ未満に減じることが可能となっている。

元素マンガン、バナジウム、ニオブ、ニッケル、モリブデン、コバルト、鉄、タングステン、クロム、銀、カルシウム、スカンジウム、セリウム、ベリリウム、アンチモン、ホウ素、チタン、ジルコニウムおよび炭素の助けにより、本発明による合金の特性を特にそれぞれの意図された用途に適合させることが可能である。

本発明はさらに、上述した本発明による組成物を使用したアルミニウム滑り軸受合金を製造する方法を含む。好ましくは、５ないし１０００Ｋ／ｓの冷却速度の鋳造工程で合金化成分を結合させ、合金を形成する。あるいは、合金を他の通常の製造方法によって、特に他の鋳造方法によって製造することもできる。連続鋳造による製造が今のところ好ましい。したがって条件は、好ましくは溶滴形状のビスマスインターカレーションが形成されるように適合させる。連続鋳造の間、引き抜き速度は好ましくは２ないし１５ｍｍ／ｓである。

この発明の好ましい実施態様によれば、鋳造によって得られる合金は、後の形成工程の途中でおよそ２７０〜４００℃の温度で少なくとも１つの熱処理を受ける。このような熱処理は、好ましくは圧延および／または圧延被覆の後になされ、いくつかの圧延および／または被覆操作を、合金の鋳造と最終製品との間の製造工程内で実施することができ、かつ少なくとも１つの熱処理を最終的な圧延および／または圧延被覆操作の後またはこれらの操作のいくつかまたは全ての後に実施することができる。

半完成品の調製のため、または例えば滑り軸受のような製品の製造の途中で、鋳造合金は少なくとも１つの支持層を備えていてもよい。支持層は特に鋼の層でもよい。さらなる層、例えば粘着促進層または被膜を追加してもよい。

本発明はさらに、本発明による合金をそれに用いられる材料の１つとして含むかまたはこの合金からなる滑り軸受シェルを含む。

最後に、本発明はこのような滑り軸受シェルを備えた滑り軸受、または滑り軸受における本発明による滑り軸受シェルの使用を含む。

本発明を、例示的な実施態様に基づいて、以下により詳細に説明する。

滑り軸受材料を製造するために、この例においては１０ｍｍ×１００ｍｍの断面をもつ鋳造ストリップを、先行技術において知られているように垂直連続鋳造装置で、０．６重量％のＡｌＴｉ５Ｂ１を添加して作る。ストリップの製造において、引き抜き速度は８ｍｍ／ｓであり、冷却速度は６００Ｋ／ｓである。ストランドを最初に広い面に水平に圧延して、およそ８ｍｍの厚さにする。

続いて、つや消し、脱脂されたアルミニウム合金の粘着促進剤を、圧延スタンドにおける最初の圧延パスにより、同様につや消し、脱脂されたＡｌＺｎ５Ｃｕ３Ｂｉ７合金に被覆する。被覆された原材料ストリップの厚さは４ｍｍである。これを、引き続いていくつかの圧延パスで１．３ｍｍに圧延する。これには５つの圧延パスが必要である。アルミニウム軸受材料ストリップの被覆特性を向上させるために、これは３７０℃で３時間以下の再生アニール操作を受ける。次の加工工程において、鋼ストリップとアルミニウム滑り軸受材料ストリップを被覆圧延機で互いに結合させる。

続いて、作られた材料の組み合わせに３６０℃の温度で３時間続く熱処理を施し、鋼とアルミニウム滑り軸受材料との間の結合を拡散過程によって増大させ、クラッディング後のアルミニウム−亜鉛−銅マトリクス中で高度に延伸されたビスマスフィラメントを完全に改質して、サイズが２０μｍ以下の微細な球状溶滴にする。同様に熱処理から生じる少なくとも４３ ＨＢ ２．５／６２．５／３０の高度な硬さも有利である。この熱処理後に、被覆ストリップを細分して軸受シェルに成形してもよい。

図１ないし図３は、本発明による合金（ここではＡｌＺｎ５Ｃｕ３Ｂｉ７合金）が加工の間にその微細構造においてどのように変化するかを一例として示す。図１は、連続鋳造による製造後の合金の微細構造を示す。溶滴の形状のビスマス相は暗い部分として示される。

図２は、圧延後の合金の微細構造を示す。圧延によって延伸されたビスマスのラメラが圧延構造中に見える。

図３は３６０℃で３時間の熱処理後の圧延構造を示す。延伸されたＢｉラメラを、熱処理によって有効に再凝固することが可能になっている。大きな溶滴（その孤立した例が図１には未だ見られる）は、延伸および再凝固されることによって破壊されるので、処理によって全体の微細分布の程度は増大する。

例は単に説明のために役立つだけであり、本発明を限定しないことが言及されるべきである。当業者は、滑り軸受および軸受シェルがどのようにして製造されるか、ならびに本発明による合金の製造が結果として通常の軸受製造工程にどのようにして組み込まれるかがわかる。

図１は、ＡｌＺｎ５Ｃｕ３Ｂｉ７合金の鋳造構造を示す。 図２は、熱処理前の、総成形度（ｔｏｔａｌ ｆｏｒｍｉｎｇ ｄｅｇｒｅｅ）が９４％であるＡｌＺｎ５Ｃｕ３Ｂｉ７合金の圧延構造を示す。 図３は、３６０℃／３時間の熱処理後の、総成形度が９４％であるＡｌＺｎ５Ｃｕ３Ｂｉ７合金の圧延構造を示す。

Claims (13)

1. 偏晶アルミニウム滑り軸受合金であって、５ないし２０重量％のビスマスと、３ないし２０重量％の亜鉛と、１ないし４重量％の銅と、さらにマンガン、バナジウム、ニオブ、ニッケル、モリブデン、コバルト、鉄、タングステン、クロム、銀、カルシウム、スカンジウム、セリウム、ベリリウム、アンチモン、ホウ素、チタン、炭素およびジルコニウムのうち１以上の成分を合計で５重量％以下と、合金を１００重量％にするアルミニウムとを含む偏晶アルミニウム滑り軸受合金。
2. 合金が７〜１２重量％のビスマスを含むことを特徴とする請求項１に記載の偏晶アルミニウム滑り軸受合金。
3. 合金が３〜６重量％の亜鉛を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の偏晶アルミニウム滑り軸受合金。
4. 合金が２〜４重量％、特に２〜３重量％の銅を含むことを特徴とする請求項１ないし３の１項に記載の偏晶アルミニウム滑り軸受合金。
5. 合金が２重量％以下のＡｌ−Ｔｉ−ＢまたはＡｌ−Ｔｉ−Ｃの結晶微細化剤を含むことを特徴とする請求項１ないし４の１項に記載の偏晶アルミニウム滑り軸受合金。
6. 請求項１ないし５の１項に記載の組成物を用いてアルミニウム滑り軸受合金を製造する方法であって、冷却速度が５ないし１０００Ｋ／ｓである鋳造工程で合金化成分を結合させて合金を形成することを特徴とする方法。
7. 引き抜き速度が２ないし１５ｍｍ／ｓであることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 鋳造工程として連続鋳造工程を使用することを特徴とする請求項６または７に記載の方法。
9. 半完成品の調製のために、合金は少なくとも１つの支持層を備えていることを特徴とする請求項６ないし８の１項に記載の方法。
10. 後の形成工程の途中で２７０〜４００℃の温度で少なくとも１つの熱処理を合金に実施することを特徴とする請求項６ないし９の１項に記載の方法。
11. 熱処理を圧延および／または圧延被覆操作の後に行うことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 請求項１ないし５の１項に記載の合金をそれに用いられる材料の１つとして含むかまたはこの合金からなる滑り軸受シェル。
13. 請求項１１に記載のシェルを備えた滑り軸受。

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