轴承装置.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102869800 A (43)申请公布日 2013.01.09 C N 1 0 2 8 6 9 8 0 0 A *CN102869800A* (21)申请号 201180019941.4 (22)申请日 2011.04.22 2010-099308 2010.04.22 JP C22C 21/00(2006.01) F16C 33/12(2006.01) F16C 33/14(2006.01) (71)申请人大丰工业株式会社 地址日本爱知县丰田市 (72)发明人阪本真一郎 小山淳 (74)专利代理机构中国专利代理(香港)有限公 司 72001 代理人林毅斌 李炳爱 。

2、(54) 发明名称 轴承装置 (57) 摘要 本发明提供一种轴承装置，其中，提高以硬质 钢轴为匹配轴的Al-Sn-Si系合金滑动轴承的耐 磨损性。本发明的轴承装置由至少表面的硬度 为Hv500以上的钢轴与使用铝系合金的滑动轴承 的组合构成，所述铝系合金含有Si：210%质量 和Sn：1018%质量，余量由Al和不可避免的杂 质构成，其特征在于，所述铝系合金的组织为，Sn 相的%体积相对于Si粒子(其中，其平均粒径为 410m)的%体积为50%以上，另外，其特征在 于，所述铝系合金的硬度为Hv45以上。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 2012.10.19 (86)PCT申。

3、请的申请数据 PCT/JP2011/059988 2011.04.22 (87)PCT申请的公布数据 WO2011/132788 JA 2011.10.27 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书7页 附图9页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 7 页 附图 9 页 1/1页 2 1. 轴承装置，其特征在于，由至少表面的硬度为Hv500以上的钢轴与使用铝系合金的 滑动轴承的组合构成，所述铝系合金含有210%质量的Si和818%质量的Sn，并且Sn相 的%体积相对于Si粒子的%体积为50%以上，其中Si粒子的平均粒径为410m，余量由。

4、 Al和不可避免的杂质构成，同时硬度为Hv45以上。 2. 权利要求1的轴承装置，其中，上述铝系合金含有以总量计为3%质量以下的Cu、Mg、 Zn中的至少1种，以总量计为0.5%质量以下的Cr、Zr、Mn、V、Sc中的至少1种，以及以总量 计为0.5%质量以下的作为不可避免的杂质的Fe、Ti、B。 3. 权利要求1或2的轴承装置，其中，上述滑动轴承为通过冷轧将上述铝系合金与碳 钢压接而成的复合材料。 4. 权利要求3的轴承装置，其中，上述碳钢为低碳钢。 5. 权利要求3或4的轴承装置，其中，将连续铸造具有上述组成的铝系合金得到的铸 造板进行冷轧后，通过热处理调节Si粒子的平均粒径，进而继续进行。

5、上述压接。 权 利 要 求 书CN 102869800 A 1/7页 3 轴承装置 技术领域 0001 本发明涉及一种轴承装置，其由安装于汽车用自动变速器(AT)或各种辅件的旋 转轴和支撑它的滑动轴承构成，若更详细地叙述，则涉及一种轴承装置，其中旋转钢轴通过 调质、表面硬化处理等得到硬化，在苛刻的滑动条件下滑动。 背景技术 0002 专利文献1：日本特开平2-102912号，其中公开了将S45C调质轴(硬度HRc55)与 铝系合金滑动轴承组合的轴承装置。 0003 专利文献2：日本特开平2-57653号公报涉及将调质钢轴(S45C，HRc=55)与铝合 金滑动轴承组合的轴承装置，该铝合金为如下。

6、的铝合金：在以%重量计含有720%的Sn、 0.15%的Pb、110%的Si以及合计为0.33.0%的Cu、Mg、Zn中的1种或2种以上，同时含 有合计为0.011.0%的Cr、Mn、Fe、Ni、Co、Ti、V、Zr中的1种或2种以上，剩余实质上由Al 构成的Al-Sn系轴承合金中，添加0.011%的Sb，在Al基质中使Si粒子以球状、椭圆状或 前端带有圆形的形状分散、析出。专利文献1提出的带有圆形的Si粒子实现理想的点接触 状态，此外通过添加Sb实现基底的强化。该铝合金的硬度为Hv40多。 0004 专利文献3：日本特开平6-235038号公报也涉及将调质钢轴(S45C，HRc=55)与铝 。

7、合金滑动轴承组合的轴承装置，该铝合金如下形成：以%重量计含有720%的Sn，0.15%的 Pb，110%的Si，0.011.0%的Cr、Mn、Fe、Ni、Co、Ti、V、Zr中的1种或2种以上，同时含有 合计为0.33.0%的Zn和Mg，此外含有0.010.1%的Sb，剩余实质上由Al构成，在Al基质 中使Si粒子以球状、椭圆状或前端带有圆形的形状分散、析出，与该Si粒子毗邻地使Sn-Pb 合金粒子析出。该合金的硬度为Hv40弱。 0005 专利文献4：日本特许第3472284号涉及“铝系轴承合金，其特征在于，含有1.58% 质量的Si，余量实质上由Al构成，相对于存在于滑动表面的Si粒子的总。

8、面积，粒径不足 4m的Si粒子的面积占2060%，粒径为420m的Si粒子的面积占40%以上。”，粒径为 420m的Si粒子(面积比为40%以上)有助于耐磨损性，粒径不足4m的Si粒子(面 积比为2060%)有助于耐疲劳性。 0006 耐磨损性试验在反复启动-停止的条件下进行，说明粒径为420m的Si粒子承 受匹配轴的载荷，未发生陷入Al基质或脱落。对于实施例中的匹配材料S55C (调质状态 无记载)示出优异的耐磨损性。 0007 非专利文献1：“ (社团法人汽车技术协会学术 演讲会预印本)No. 46-99, 211 (耐磨损性提高的铝合 金轴承的开发)”研究了对于淬火钢制匹配轴(Hv720。

9、850)，Al-Sn-Si合金的耐磨损性，进 行如下考察。 0008 “随着磨损的推进，仅较软的铝合金基质磨损，在滑动面发生Si的浓集。若滑动表 面的Si量增加，则Si所承受的载荷分担也增多，轴承的磨损得到抑制，但在粒径小的情况 或硬度低的情况下，由于因滑动导致的Si的脱落和因磨损的推进导致的Si的浓集重复发 说 明 书CN 102869800 A 2/7页 4 生，所以表面的Si浓度不变，从而磨损推进。另一方面，在粒径大、硬度高的情况下，由于Si 牢固地保持于合金中，不发生脱落，所以磨损难以推进。” 基于该考察，开发了具有Al-4.5Sn-2.7Si-1.5Cu-0.2Cr-0.15Zr的组。

10、成的轴承合金。 该合金的特点如下所示。 0009 (1) 将铝轴承合金中作为硬质物含有的Si的大小设定为平均粒径5.5m，将合 金硬度设定为53HV的开发材料相对于现有材料示出34倍的耐磨损性。 0010 (2) 耐磨损性提高的机制被认为是由于在滑动面浓集的Si牢固地保持于合金 中，从而可支撑载荷。 0011 (3) 即使在5.5m的平均粒径下，也可通过重新研究组织和合金强度，得到在往 复运动载荷下与现有材料同等，在旋转载荷下优于现有材料的耐疲劳性，对于耐咬粘性也 得到优于现有材料的结果。 0012 需说明的是，上述开发合金的特性以Al-12.5Sn-2.7Si-1.8Pb-1Cu-0.2Cr。

11、为比较 合金进行评价。 0013 本申请人作为申请人之一的专利文献5：日本特开2004-28278号公报所提出的 轴承装置中，轴为具有由珠光体和先共析铁素体(面积分率为3%以下)或珠光体构成的 组织，未实施高频淬火或表面硬化处理的非调质型钢材制曲柄轴。曲柄轴的表面粗糙度为 Rz0.5m以下。滑动轴承中，由Si构成或含有Si、硬度为Hv900以上的硬质物分散于Al 基质中，存在于滑动面的上述硬质物的大小为6m以下。非调质钢的组织由硬度为Hv700 左右的渗碳体和硬度为Hv150300的铁素体构成。 0014 本申请人作为发明人之一的专利文献6：日本特开2004-28276号公报所提出的轴 承装置。

12、的轴与专利文献2相同，Al系合金中，由Si构成或含有Si、硬度为Hv900以上的硬 质物分散于Al基质中，同时Si含量为14%质量。 0015 另外，专利文献4和5的实施方式中的Al系合金以%质量计含有：除220%的Sn 外，还有13%的Pb、0.52%的Cu、0.11%的Cr、0.52%的Mg以及0.11%的选自Zr、Mn、 V、Ti和/或B的1种或2种以上。由于上述Al合金中含有的Si为硬质，所以该Si粒子 的大小使非调质钢制轴的表面平滑化，使耐磨损性和咬粘性良好。 0016 若对上述与Si粒子有关的现有技术进行整理，则明确如下的技术水平。 0017 在匹配材料为非调质钢的专利文献5、6中。

13、说明，由于匹配轴软，所以铝合金的Si 粒子具有匹配轴的精研(lapping)作用。在专利文献1、2和3中说明，Al合金中的Si粒 子与匹配轴的淬火钢轴保持点接触状态。近年来，由于ATF的低粘度化和各种泵的小型化， 滑动条件变得苛刻，对耐磨损性、耐咬粘性等滑动特性的要求不断提高。专利文献4中采用 的启动-停止模式的苛刻的磨损试验条件虽然遵循了这样的趋势，但并未提及钢轴的调质 状态，而叙述了Si粒子在滑动过程中被保持于Al基质中。在与专利文献4基本同一年代 发表的非专利文献1被认为是发表以下内容的最初的文献：匹配轴为淬火S55C，在滑动面 中Al、Sn等优先被匹配轴刮除，结果产生Si的浓集。 00。

14、18 现有技术文献 专利文献 专利文献1：日本特开平2-102912号公报 专利文献2：日本特开平2-57653号公报 说 明 书CN 102869800 A 3/7页 5 专利文献3：日本特开平6-235038号公报 专利文献4：日本特许第3472284号说明书 专利文献5：日本特开2004-28278号公报 专利文献6：日本特开2004-28276号公报 专利文献7：美国专利第4471029号 非专利文献 非专利文献1：社团法人汽车技术协会学术演讲会预印本No. 46-99, 211 耐磨损性 提高的铝合金轴承的开发。 发明内容 0019 发明所要解决的课题 在非专利文献1中虽然通过防止S。

15、i粒子从铝合金的基质脱落来实现在苛刻的滑动条 件下的耐磨损性的提高，但Sn含量低至4.5%，可知耐磨损性的提高不充分。另外，以调质钢 为匹配材料的专利文献2和3的铝合金含有Pb，硬度低。因此，本发明的目的在于提供在苛 刻的滑动条件下发挥优异的耐磨损性的Al-Sn-Si系轴承合金滑动轴承与硬质钢轴的组合 构成的轴承装置。 0020 解决课题的手段 本发明所涉及的轴承装置的特征在于，由至少表面的硬度为Hv500以上的钢轴与使用 铝系合金的滑动轴承的组合构成，所述铝系合金含有210%质量的Si和818%质量的Sn， 并且Sn相的%体积相对于Si粒子其中其平均粒径为410m的%体积为50%以上，余 量。

16、由Al和不可避免的杂质构成，同时硬度为Hv45以上。在这里，当Sn相的%体积与Si粒 子的%体积相等时，Sn相体积相对于Si粒子体积为100% (即，Sn相的体积/Si粒子的体 积=1100%)。在Sn相的%体积超过Si粒子的%体积时，该值超过100%。以下对本发明 的构成进行详细说明。 0021 发明的效果 在本发明的Al-Sn-Si系合金中，通过综合调整Sn和Si含量、Si平均粒径、Sn/Si粒子 的%体积以及硬度，可在苛刻的滑动条件下提高相对于硬质钢轴的耐磨损性。 附图说明 0022 图1 磨损试验机的图。 0023 图2 示出启动-停止试验的循环的曲线图。 0024 图3 示出Al-S。

17、n-Si系合金的Sn含量与磨损试验的结果的曲线图。 0025 图4 示出Al-Sn-Si系合金的显微组织的图。 0026 图5 示出如图1、2所示的试验的循环数情况与Si粒径、表面Si量的关系的曲 线图。 0027 图6 示出如图1、2所示的试验的循环数情况与Si粒径、磨损深度的关系的曲 线图。 0028 图7 示出Sn含量相对于Si含量的比例与磨损试验的关系的曲线图。 0029 图8 说明在Sn含量低的Al-Sn-Si系合金表面Si浓缩的示意图。 说 明 书CN 102869800 A 4/7页 6 0030 图9 说明在Sn含量高的Al-Sn-Si系合金表面Si浓缩且Sn覆盖的示意图。 0。

18、031 图10 示出实施例中的磨损试验结果的曲线图。 0032 符号说明 1-滑动轴承的铝合金相 2-Si粒子 3-Sn相 4-匹配轴 5-滑动轴承的铝合金相1与匹配轴4的接触部位。 0033 (1) 匹配轴 本发明中使用的匹配轴为淬火碳钢或合金钢、氮化钢、渗碳钢等，至少表面硬度为 Hv500以上。 0034 (2) 铝合金滑动轴承 (I) 组成 本发明的铝合金的Al-Sn-Si三组分体系本身公知，但不含有Pb、Sb之类的降低高温强 度的成分。另外，本发明所涉及的Al-Sn-Si系合金，以%质量计，在210%的Si、818%的 Sn的组成范围内，优选为310%。 0035 (II) 组织 在本。

19、发明中发现，若Si的平均粒径为4-10m的范围，且Sn的%体积为Si的%体积 的50%以上，则对防止Si粒子的脱落有效，轴承的耐磨损性优异。 0036 关于轴承的耐磨损性评价，使用将发明品铝合金轧制板与低碳钢板复合(clad) 后，成型为外径25mm、内径22mm、轴承宽度10mm的圆筒状的衬套，图1示出静载荷磨擦试验 机，在如图2所示的试验模式的下列条件下进行： 载荷：490N 试验模式：启动-停止(0-1000rpm) 滑动速度：0-1.2m/s 润滑油：ATF 润滑油温度：120 轴材质：SCM415 (硬度为Hv800)。 0037 将对Al-Sn-5Si合金的试验结果示出于图3中。由。

20、此图可知，在818%的Sn的范 围，磨损深度变得非常小。除上述成分外，以总量计可含有3%质量以下的作为铝合金的固 溶成分的Cu、Mg、Zn中的至少1种，另外以总量计可含有0.5%质量以下的作为析出成分的 Cr、Zr、Mn、V、Sc中的至少1种。此外，以总量计含有0.5%质量以下的作为不可避免的杂质 的Fe、Ti、B等。 0038 在作为制备本发明的Al-Sn-Si系合金的最初的中间原料的连续铸造板中，Sn相 与低共熔Al-Si存在于Al的树枝状结晶的臂之间。若对这样的连续铸造板进行冷轧，则Sn 相和Si粒子被分别割裂。将该冷轧板与作为衬垫金属的碳钢板压接，通过进行专利文献7： 美国专利第447。

21、1029号的表1中记载的与衬垫金属压接后的退火，调整Si粒子的大小，同 时调整Sn相相对于Si粒子的%体积。在退火温度为350550，退火时间为310小时的 范围内调整退火条件。将退火后的组织示出于图4中，在Al基质中检测出在轧制方向(附 说 明 书CN 102869800 A 5/7页 7 图的上下方向)伸展的Sn相(白色)和因轧制而分散、割裂的Si粒子(黑色)。 0039 就Si粒径而言，使用图像分析装置算出用光学显微镜拍摄的例如图4之类的截面 照片中的各Si粒子的圆当量直径，将圆当量直径的平均值作为Si粒径。对于合金中的Sn 和Si的%体积而言，首先根据%重量算出合金中的各成分的重量。根。

22、据算出的合金中的重 量和纯物质的密度算出各成分的体积，从而算出各成分的体积和%体积。可是，Sn几乎不 固溶于铝基质中。另一方面，由于相当于固溶Si的重量也包含于通过上述计算方法得到的 Si%体积中，所以使得计算值的Si粒子%体积大于实际的Si粒子的体积。但是，如图7所 示，通过上述计算方法求出的“Sn%体积/Si%体积” (100)良好地表现耐磨损性的趋势。 合金中的Sn和Si的%体积根据合金中的Sn和Si的%重量与Sn和Si的密度算出。可是， Sn和Si各自并不仅作为Sn相和Si粒子存在，例如Si通过固溶于铝基质中等而存在。但 是，该量极少。在本发明中，将上述无法作为Sn相确认的Sn和无法作。

23、为Si粒子确认的Si 视为作为Sn相和Si粒子存在，通过“Sn%体积/Si%体积”(100)求出。 0040 在图4中以箭头P示出的Si粒子表示以圆当量直径计达到4.5 m的Si粒子。 最大的Si粒径不足15m，最小的Si粒径取决于显微镜的分辨率，为0.1m左右。若Si的 平均粒径为2.5m，则Si在滑动面浓缩，磨损推进。另一方面，若Si的平均粒径为4.0m 以上，则抑制磨损的推进。本发明人发现，如图5、6所示，Si量、Si粒子的平均粒径和Sn含 量对Si粒子在滑动面的浓缩存在影响。若Si量少，则在Si于滑动面浓缩以前磨损推进， 若Si的平均粒径小，则Si粒子在运转过程中脱落，此外若Si的平均。

24、粒径大且Sn含量少， 则Si粒子易脱落。若Sn的含量在Si含量中、特别是在合金中所占的%体积如图7所示， 相对于Si的%体积为50%以上，则示出优异的耐磨损性。另一方面，若Sn含量超过18%质 量，则机械性能降低。 0041 (III) 硬度 关于Al-Sn-Si系轴承合金的强度，除由强化成分造成的影响外，可通过与钢板的复合 及其退火后进行的冷轧或轴承成型时的塑性加工等来调整。除强化成分外，Sn含量越增多， 硬度越降低。在Al-Sn-Si系合金的上述(I)中叙述的组成范围和上述(II)中叙述的组织 中，若为Hv45以上、优选50Hv以上，则示出优异的性能。 0042 (IV) 耐磨损性 本发明。

25、人在非专利文献1中发表了以下内容：不以转数一定的磨损试验条件，而以反 复启动-停止的易引起磨损的试验条件进行，进而在铝合金的表面刮除Sn，引起Si粒子的 浓缩，接着引起脱落，磨损推进。 0043 图8和9为说明Si粒子在滑动面浓缩，接着脱落的示意图，根据这些图进行说明。 在图中，1为滑动轴承的铝合金相，2为Si粒子，3为Sn相，4为粗糙的匹配轴，5为滑动轴 承与匹配轴4的接触位置，箭头为滑动方向。如图8所示的铝合金相1由于Sn含量少，所 以Sn并未覆盖整个滑动面，匹配轴4易与铝相1或Si粒子2接触。此后，在Si粒子浓集 后匹配轴4与Si粒子2直接接触，所以摩擦高，易发生Si粒子的脱落。如图9所。

26、示的铝合 金由于Sn含量高，在Si粒子2浓集的同时Sn相3在滑动面扩展，覆盖浓集的Si粒子2，所 以即使与匹配轴4接触，摩擦也低。这样，由于Si粒子2被覆盖(c)，所以即使与匹配轴4 接触，摩擦也低。最终可防止Si粒子2的脱落，促进浓集，抑制铝合金的磨损。 0044 (V) 复合材料(clad material) 说 明 书CN 102869800 A 6/7页 8 上述铝合金系滑动轴承可通过冷轧与碳钢(优选SPCC、SPHC等低碳钢)压接，作为复 合材料使用。 具体实施方式 0045 实施例1-Si粒子的浓缩和因Sn导致的覆盖的测定 对含有2-10%质量的Si和8-18%质量的Sn的Al-S。

27、n-Si合金进行连续铸造，在将经铸 造的合金冷轧成厚度1.7mm后，与衬垫金属(SPCC)压接，进行退火。将代表性的样品的合 金成分、Si粒子的平均粒径(在表中简记为“Si粒径”)、合金硬度示出于表1中。 0046 表1 备注：*比较例。 0047 对如表2所示的三种Al-Sn-Si合金进行上述启动-停止磨损试验。分析磨损试 验前后的滑动表面。将Al、Sn、Si的分析值(5点平均)示出于表2中。 0048 表2 如表2所示，在合金13中，试验后滑动面的Si浓度与试验前相比均升高。确认若如 合金2、3， Sn相%体积达到Si粒子%体积的50%以上，则表面的Si进一步浓缩。另外，为 验证Sn量与耐。

28、磨损性的提高的关系，用电子显微镜观察试验后的轴承表面。在合金1的Sn 量为6%质量的表面，观察到大量Si粒子的脱落痕迹，与之相对的是，在合金2、3的Sn量 为12.5%质量的表面，几乎无Si粒子的脱落痕迹。另外，为确认滑动面的元素分布，当通过 EPMA进行各元素的测绘(mapping)时，确认Sn大量分布于Si粒子的周围。 0049 实施例2-铝合金组成例 对如表3所示的组成的Al-Sn-Si系合金，改变主要成分和添加成分的组成以及组织， 研究滑动特性。需说明的是，磨损量的测定根据段落0021(铝合金滑动轴承(II)中说明 的方法。 0050 表3 说 明 书CN 102869800 A 7/。

29、7页 9 表3的No.110为本发明实施例，Sn相%体积相对于Si粒子%体积超过50% (即，Sn 相体积为Si粒子体积的1/2)，试验后均无Si粒子从滑动面脱落，试验后的磨损量为20m 以下。No.1113为比较例，Sn相相对于Si粒子的%体积不足50%。在这些样品的磨损试 验后的滑动面可观察到Si粒子的脱落痕迹，磨损量增多。另外，在Sn相的%体积为50%以 上的No.1415中，虽然磨损试验后无Si粒子的脱落，但由于Si平均粒径小，而且合金硬度 低，所以得到磨损量大的结果。 0051 产业上的可利用性 本发明所涉及的轴承装置优选在苛刻的滑动条件下使用，滑动轴承的耐磨损性良好。 说 明 书C。

30、N 102869800 A 1/9页 10 图 1 说 明 书 附 图CN 102869800 A 10 2/9页 11 图 2 说 明 书 附 图CN 102869800 A 11 3/9页 12 图 3 说 明 书 附 图CN 102869800 A 12 4/9页 13 图 4 说 明 书 附 图CN 102869800 A 13 5/9页 14 图 5 图 6 说 明 书 附 图CN 102869800 A 14 6/9页 15 图 7 说 明 书 附 图CN 102869800 A 15 7/9页 16 图 8 说 明 书 附 图CN 102869800 A 16 8/9页 17 图 9 说 明 书 附 图CN 102869800 A 17 9/9页 18 图 10 说 明 书 附 图CN 102869800 A 18 。