CN106687702B - 滑动部件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

由烧结体形成滑动部件(1)。该烧结体由基底层(3)和滑动层(2)构成，该基底层(3)以Fe系组织作为主体，其含有1.0～5.0wt％的Cu、熔点低于Cu的金属和C；该滑动层(2)在与基底层(3)接触的状态下与基底层一起被烧结，其具有滑动面(A)。滑动层(2)以包含从Ni、Mo、Mn和Cr中选择的至少1种合金元素的Fe系组织作为基底，进一步含有Cu和C，Cu的含有量多于基底层。

Description

滑动部件及其制造方法

技术领域

本发明涉及具有与其他部件滑动的滑动面的滑动部件及其制造方法。

背景技术

例如，对于在建设机械的机械臂的关节部中使用的轴承而言，其轴承面上被施加了非常大的面压，因此要求优良的耐磨损性。作为这种轴承，例如具有对铸钢合金进行切削加工得到的轴承以及在滑动面上呈斑点状嵌入石墨片的轴承，然而它们都具有制造成本较高的问题。于是，取而代之，提出了由成型性优良的烧结金属构成的烧结轴承。例如专利文献1示出了一种烧结轴承作为建设机械用的轴承，其中，使铜分散在包含马氏体组织的铁碳系合金中。在该烧结轴承中，在烧结后对烧结体整体进行淬火，此后对内外周面和端面进行切削和磨削，精加工为规定尺寸。

此外，在专利文献2中描述了如下手法，为了使烧结体的各部位处的材质不同、并使这些各部位处的功能彼此不同，成型出在烧结体的内周面侧和外周面侧使材质不同的双层结构的压粉体。具体而言，利用高强度的第1粉末形成压粉体的外周面侧，并且利用低摩擦性优良的第2粉末形成内周面侧，此后，对该压粉体进行烧结。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2003-222133号公报

专利文献2：日本特开2005-95979号公报

发明内容

发明欲解决的课题

在专利文献2所述的双层构造烧结体中，为了使内周面实现低摩擦系数，需要在烧结体的内周面上形成富铜层。另一方面，为了使双层构造烧结体的外周面侧确保高强度、特别是确保如专利文献1所述的在被设置于建设机械的机械臂的关节部上的轴承所要求的较高强度，需要利用以铁-碳为主体的组织(珠光体组织)形成烧结体的外周面侧。这种情况下，压粉体在大幅超过铜的熔点(1083℃)的温度烧结。

然而，在这种将圧粉体以高温烧结的情况下，内周面的富铜层中包含的铜完全熔融。熔融后的铜进入外周面侧的铜浓度较低的层，因此在烧结后的内周面不会形成足够的铜组织。另一方面，仅凭降低烧结温度无法确保在烧结体的外周面侧所需的强度。因此，这种情况下，无法达成同时实现高强度化和滑动性的双层构造烧结体的原本的目的。

于是，本发明的目的在于，提供一种既能够确保烧结体的强度，又能够提升滑动面的滑动性和耐久性的滑动部件及其制造方法。

用于解决课题的手段

为了达成上述目的，本发明提供一种滑动部件，该滑动部件由烧结体形成，其具有与其他部件滑动的滑动面，其特征在于，该滑动部件具备：基底层，其以Fe系组织作为主体，含有1.0～5.0wt％的Cu、熔点低于Cu的金属和C；以及滑动层，其在与基底层接触的状态下与基底层一起被烧结，具有所述滑动面，并以包含合金元素的Fe系组织和Cu系组织作为主体，进一步含有C，Cu的含有量多于基底层，使滑动层中包含的所述合金元素全部与Fe系组织合金化。

使以Fe系组织(以Fe作为主成分的组织)作为主体的基底层含有Cu和熔点低于Cu的金属，从而在烧结时基底层中包含的低熔点金属首先熔融，低熔点金属的熔融液浸沾Cu颗粒的表面。因此，Cu在低于其熔点的温度熔融，熔融后的Cu和低熔点金属浸透至Fe颗粒而扩散到Fe颗粒内部。由此，Fe颗粒彼此牢固地结合起来，基底层的强度得以提升，因此，与铁系烧结体的情况相比，即使降低烧结温度也能够确保轴承强度。通过降低烧结温度，滑动层中包含的Cu颗粒大多在烧结中不熔融，而保持固体的状态。因此，从滑动层进入基底层的Cu颗粒的量变少，能够在滑动面上分布目标量的Cu系组织(以Cu为主成分的组织)。即使在烧结时滑动层的Cu颗粒的一部分熔融，通过使烧结温度低于(例如1070℃～1120℃)铁系烧结体的烧结温度(通常在1130℃以上)，从而能够减少Cu颗粒的熔融量。由此，能够同时实现滑动面上的滑动性和烧结体的强度。

此外，通过使滑动层中包含的合金元素全部与Fe系组织形成为合金，由此使得烧结后的残留奥氏体减少。因此，能够提升滑动面的硬度和强度。

在该滑动部件中，作为滑动层中包含的合金元素，如果含有提升淬火性的元素(从Ni、Mo、Mn和Cr中选择出的至少1种)，则不必进行浸碳淬火等的热处理，就能够在烧结后的冷却过程中使滑动层中包含的Fe系组织的至少一部分发生马氏体转变和贝氏体转变(烧结硬化)。由此，包含滑动面的滑动层高硬度化，因此能够提升滑动面的耐磨损性。此外，与此同时，通过基底层内的Cu和低熔点金属向Fe颗粒的扩散，达成了基底层的强度提升，因此烧结体整体的强度提高。因此，能够用作冲击载重频繁地作用且在高面压下使用的滑动部件、例如在建设机械的机械臂的关节部使用的轴承。

另一方面，占据烧结体的大部分的基底层基本不含有上述的合金元素，因此基底层的Fe系组织不会发生马氏体转变或贝氏体转变。如此，仅在滑动层上混配提升淬火性的合金元素，从而能够削减高价的合金元素的使用量以实现低成本化。此外，基底层相比滑动层为软质，因此能够通过精压(模具内对烧结体进行压缩整形的工序)来进行烧结体的尺寸校正。在专利文献1的结构中，通过烧结后的淬火使烧结体整体硬化，因此烧结体的尺寸校正不得不通过切削/磨削等的机械加工进行，然而本发明的滑动部件可进行基于精压的尺寸校正，不需要进行机械加工。此外，也不需要烧结后的淬火工序。如此，能够省略烧结后的淬火工序和机械加工工序，因此相比专利文献1所述的发明能够进一步使滑动部件低成本化。

滑动层的Cu系组织优选通过铜粉形成，该铜粉的70～100％的粒径小于45μm。如此，通过使铜粉的粒径变小，从而在烧结中，在滑动层中包含的铜粉的一部分熔融而避至基底层时在滑动层上形成的空孔会变小，因此能够提高滑动面的强度以防止冲击载重等造成的滑动面的变形。此外，铜颗粒易于在Fe颗粒中扩散，因此能够提高滑动层的Fe颗粒间的结合强度，进而提高滑动面的强度。

此外，滑动层中优选还含有熔点低于Cu的金属。由此，烧结时在滑动层中包含的Cu易于在Fe颗粒中扩散，Fe颗粒彼此的结合强度提高，因此能够提高滑动层甚至滑动部件整体的机械强度。

作为基底层中包含的低熔点的金属优选使用磷(P)。此外，基底层中，低熔点金属相对于Fe的含有量优选为0.1～0.6wt％。

通过使滑动层的Cu的含有量在10wt％以上且在30wt％以下，能够在确保滑动面的滑动性的同时防止铜的过度使用带来的高成本化。为了使基底层的Fe颗粒结合而需要使基底层也含有Cu，然而此时通过使基底层的Cu含有量小于滑动层的Cu含有量，能够抑制高价的铜的使用量以实现低成本化。

此外，本发明提供一种滑动部件，该滑动部件由烧结体形成，其具有与其他部件滑动的滑动面，其特征在于，该滑动部件具备：基底层，其以Fe系组织作为主体，含有1.0～5.0wt％的Cu、熔点低于Cu的金属和C；以及滑动层，其在与基底层接触的状态下与基底层一起被烧结，具有所述滑动面，并以包含合金元素的Fe系组织和Cu系组织作为主体，进一步含有熔点低于Cu的金属和C，Cu的含有量多于基底层。

如此，通过使滑动层含有熔点低于Cu的金属，由此使得烧结时在滑动层中包含的Cu易于在Fe颗粒中扩散。因此，可提高Fe颗粒彼此的结合强度，提升滑动层甚至滑动部件整体的机械强度。

以上所述的滑动部件可如下得到，制备第一粉末，该第一粉末以Fe系粉末作为主体，进一步包含1.0～5.0wt％的Cu、熔点低于Cu的金属和C，制备第二粉末，该第二粉末以包含合金元素的Fe系粉末作为主体，进一步包含Cu和C，Cu的含有量多于第一粉末，并且不包含所述合金元素的单质粉，在模具内配置分隔部件以形成第一粉末填充部和第二粉末填充部，在第一粉末填充部填充第一粉末，并且在第二粉末填充部填充第二粉末，在取下了分隔部件的状态下同时压缩模具内的第一粉末和第二粉末从而形成压粉体，对压粉体进行烧结，一体地形成与第一粉末对应的组成的基底层和与第二粉末对应的组成的滑动层，此后，对所得到的烧结体的至少滑动面实施精压。

该情况下，作为合金元素，优选使用从Ni、Mo、Mn、和Cr中选择出的至少1种。此外，在使圧粉体烧结时，优选在1070℃～1120℃进行烧结。进而，作为第二粉末的Cu，优选使用70～100％的Cu的粒径小于45μm的铜粉。此外，可以使第二粉末还含有熔点低于Cu的金属。

在同时压缩第一粉末和第二粉末以成型压粉体时，若两种粉末的视密度之差较大则会对压粉体的成型带来妨碍。对此，通过使得基底层的厚度大于滑动层的厚度，并且使第一粉末的视密度小于第二粉末的视密度，由此能够进行压粉体的成型。即，即使第一粉末与第二粉末的视密度存在稍许差异的情况下，也能够容易地使压粉体成型。

此外，以上所述的滑动部件还可以如下得到，制备第一粉末，该第一粉末以Fe系粉末作为主体，进一步包含1.0～5.0wt％的Cu、熔点低于Cu的金属和C，制备第二粉末，该第二粉末以包含合金元素的Fe系粉末作为主体，进一步包含Cu、熔点低于Cu的金属和C，Cu的含有量多于第一粉末，在模具内配置分隔部件以形成第一粉末填充部和第二粉末填充部，在第一粉末填充部填充第一粉末，并且在第二粉末填充部填充第二粉末，在取下了分隔部件的状态下同时压缩模具内的第一粉末和第二粉末从而形成压粉体，对压粉体进行烧结，一体地形成与第一粉末对应的组成的基底层和与第二粉末对应的组成的滑动层，此后，对所得到的烧结体的至少滑动面实施精压。

发明效果

如上所述，根据本发明，既能够确保烧结体的强度，又能够提升滑动面的滑动性和耐久性。

附图说明

图1是组装了本发明的烧结轴承的关节部的截面图。

图2是上述烧结轴承的主视图。

图3是表示在上述烧结轴承的压缩成型工序中填充有第一粉末的状态的截面图。

图4是表示在上述压缩成型工序中填充有第二粉末的状态的截面图。

图5是表示在上述压缩成型工序中使分隔部件下降的状态的截面图。

图6是表示在上述压缩成型工序中除去了多余的粉末后的状态的截面图。

图7是表示在上述压缩成型工序中通过上冲头对混合粉末进行压缩的状态的截面图。

图8是表示在上述压缩成型工序中将压粉体从模具中取出后的状态的截面图。

图9是表示在上述烧结轴承的精压工序中使用的模具的截面图。

图10是表示压缩成型工序后的制造工序的截面图。

图11是表示提升淬火性的合金元素的浓度梯度的曲线图。

图12a是表示滑动层的微观组织的图。

图12b是表示基底层的微观组织的图。

图13是表示各试验片的显微镜照片的图。

图14是表示确认试验的结果的表。

图15是另一实施方式的烧结轴承的截面图。

具体实施方式

下面，以烧结轴承作为本发明的滑动部件的一例，说明其实施方式。

该烧结轴承适于在关节部的使用，该关节部用于将油压挖土机车或推土机等的建设机械的机械臂(包含起重臂或挖斗等)互相结合起来。图1示出这种关节部的概要构造。如图1所示，在该关节部处，在形成为双股状的第一机械臂6的内侧***有第二机械臂7的前端。第二机械臂7的前端上安装有安装孔7a，在该安装孔7a中使用压入等适当的安装手段固定了由烧结体构成的烧结轴承1的外周面3a。在分别设置于第一机械臂6的双股部分的销孔6a和烧结轴承1的内周面1a上***销4，从而使得第一机械臂6与第二机械臂7以能够相对旋转的方式被连结起来。销4被固定在第一机械臂6上，因此若使第一机械臂6与第二机械臂7相对摆动，则销4会相对于轴承1的内周面1a相对旋转。符号8是限制销4的拔出的防脱件。在该关节部处，将销4的头部4a或防脱件8从销4的轴部取下并拔取销4，从而将第一机械臂6与第二机械臂7分离，能够进行轴承1或销4的维护。

[烧结轴承的基本结构]

如图1和图2所示，烧结轴承1由圆筒状的烧结体构成，在互相接触的状态下一体具有内径侧的滑动层2和外径侧的基底层3。在图示例中，烧结轴承1仅由滑动层2和基底层3构成，各个层都呈筒状、特别呈圆筒状。构成烧结轴承1的内周面1a的滑动层2的内周面在轴向上呈笔直的剖面正圆状，构成滑动面A(轴承面)，该滑动面A将被***到内周的销4的轴部(以下称作轴4)支承为相对旋转自如。烧结轴承1的外周面1b(本实施方式中为基底层3的外周面)在轴向上呈笔直的剖面正圆状，构成被安装在第二机械臂7等的其他部件上的安装面B。烧结轴承1的轴向两端面是在与轴向垂直的方向上延伸的平坦面。在烧结轴承1的轴向两端面与内周面2a和外周面3a之间分别设置有倒角。

在上述的关节部中使用的情况下，烧结轴承1例如按照内径为直径30～100mm，半径方向的壁厚为5～50mm的方式形成。滑动层2的半径方向的壁厚为烧结轴承1的半径方向的壁厚的1～20％左右(优选2～10％左右)，其实际的壁厚尺寸例如为0.3～2mm左右。这是由于，如果滑动层2过薄，则成型时的原料粉末的填充性会恶化并且容许磨损限界变低，若滑动层2过厚，则后述的用于提升淬火性的元素或铜的使用量增加而导致成本提高。在构成多孔质的烧结轴承1的微细空孔中含浸有润滑油。在滑动面A与轴4的相对旋转时，在烧结轴承1的内部的微细空孔中被保持的润滑油从滑动面A的表面开孔中渗出，进行滑动面A与轴4之间的润滑。

本发明的烧结轴承1呈双层构造，该双层构造中在滑动层2和基底层3上的金属组成不同。该双层构造的烧结轴承1依次经过以下所述的压缩成型工序、烧结工序、精压工序和含油工序而制造出来。

在压缩成型工序中，采用将滑动层2的材料和基底层3的材料供给至同一成型模具并同时成型的所谓的二色成型的手法。该二色成型中，在成型模具内的外径侧和内径侧形成两个空间状的粉末填充部，对各粉末填充部分别填充粉末，例如使用图3所示的模具进行。该模具具有：冲模11；中心销12，其配设在冲模11的内周上；外侧下冲头13，其配设在冲模11的内周面11a与中心销12的外周面12a之间；分隔部件14；内侧下冲头15；以及上冲头16(参见图7)。外侧下冲头13、分隔部件14和内侧下冲头15呈同心的圆筒形状，能够互相独立地升降。

首先，如图3所示，使分隔板14和内侧下冲头15上升至上端位置，并且使外侧下冲头13下降至下端位置，通过冲模11的内周面11a、分隔板14的外周面14a和外侧下冲头13的端面13a形成外径侧的第一粉末填充部17。在该第一粉末填充部17填充与基底层3对应的第一粉末M1。第一粉末M1的组成如后所述。

接着，如图4所示使内侧下冲头15下降至下端位置，通过分隔板14的内周面14b、中心销12的外周面12a和内侧下冲头15的端面15a形成内径侧的第二粉末填充部18。该第二粉末填充部18以相对于第一粉末填充部17隔绝的状态而形成，在该第二粉末填充部18中填充与滑动层2对应的第二粉末M2。此时，使第二粉末M2从内侧粉末填充部18溢出，覆盖分隔板14的上方。第二粉末M2的组成如后所述。

接着，如图5所示使分隔板14下降。由此，第二粉末M2进入分隔部件14的分隔空间内，第一粉末M1与第二粉末M2接触。由此，在通过冲模11的内周面11a、外侧下冲头13的端面13a、分隔板14的端面14c、内侧下冲头15的端面15a和中心销12的外周面12a形成的粉末填充部19中成为第一粉末M1和第二粉末M2被填满两层的状态。并且，从粉末填充部19溢出的余量的第二粉末M2被除去(参见图6)。

如此，在从模具上取下分隔部件14后的状态下，如图7所示，使上冲头16下降，将上冲头16的端面16a推至粉末M1、M2，通过上冲头16、下冲头13、15、分隔部件14和冲模11压缩对填充至粉末填充部19的粉末M1、M2进行压缩，成型压粉体M。并且，如图8所示，使外侧下冲头13、分隔板14和内侧下冲头15上升，将压粉体M从模具中取出。

这里，与基底层3对应的第一粉末M1以Fe系粉末作为主体，还包含铜(Cu)、熔点低于Cu的金属和碳(C)。具体而言，使用下述物质作为第一粉末M1，该物质以铁粉、铜粉、石墨粉作为主成分，此外还含有熔点低于Cu的金属。

作为铁粉，可以使用还原铁粉、雾化铁粉等，优选使用含油性优良的多孔质状的还原铁粉。作为铜粉，可以使用电解铜粉或雾化铜粉，但如果使用作为颗粒整体呈树枝形状的电解铜粉，则能够提高压粉体强度，并且在烧结时铜容易在Fe颗粒中扩散，因此更为优选。此外，作为低熔点金属，可以使用熔点低于铜的金属、具体是具有700℃以下的熔点的金属、例如锡(Sn)、锌(Zn)、磷(P)等。低熔点金属之中，磷在烧结时熔融而浸透至铁和铜的颗粒，促进Cu-Fe的烧结。即，相对于铁和铜的双方而言相性较好。因此，作为低熔点金属，优选使用磷。例如若将铁-磷合金粉(Fe₃P)与铜粉和石墨粉混合，则可获得第一粉末M1的混合/成型变得容易，安全性也较高这样的优点。该情况下，作为Fe系粉末，还可以使用将铁-磷合金粉与纯铁粉混合起来的物质。在使用磷以外的其他的低熔点金属(例如Sn)的情况下，可以不与铁粉等形成为合金，而是添加低熔点金属的单质粉。

作为第一粉末M1中的各粉末的混配量，例如铜粉：1.0～5.0wt％(优选2.0～3.0wt％)，石墨粉：0.5～0.8wt％，剩余为铁粉和铁-磷的合金钢粉。铜粉的混配量过少会引起基底层3的强度降低，过多则会妨碍碳的扩散使烧结体的强度/硬度降低，因此采用上述的范围。磷相对于铁的比例为0.1～0.6wt％(优选0.3～0.5wt％)，以获得该值的方式任意地调节合金钢粉与铁粉的混配比例。合金钢粉相对于铁粉的混配比例按照重量比(合金钢粉/铁粉)可以例如为1/30～1/20左右。作为低熔点金属的磷是为了通过促进铜在铁颗粒中的扩散而提高烧结体的强度而混配的，磷过少则该效果会不充分，过多则低熔点金属会偏析，烧结体变脆而引起强度降低，因此采用上述的范围。此外，石墨粉是为了在烧结时使铁与碳发生反应而形成较硬的珠光体相而混配的，石墨粉较少则无法确保基底层的强度，过多则铁成为渗碳体组织，变脆而引起强度减低，因此采用上述的范围。

另一方面，与滑动层2对应的第二粉末M2以包含提升淬火性的合金元素的Fe系粉末为主体，还包含Cu和C。具体而言，将混合有包含合金元素的合金钢粉、铜粉和石墨粉的物质用作第二粉末M2。第二粉末M2中的Cu的含有量多于第一粉末M1的Cu含有量。

作为提升淬火性的合金元素，使用从镍(Ni)、钼(Mo)、锰(Mn)和铬(Cr)中选择出的任意1种或2种以上。在本实施方式中，选择Ni和Mo，使用Ni、Mo和铁的合金钢粉(Fe-Ni-Mo系合金钢粉)。如后所述，提升淬火性的合金元素是为了发生马氏体转变和贝氏体转变而进行烧结硬化而添加的，而Ni和Mo的淬火性的提升效果特别优秀，因而优选。作为第二粉末M2的合金钢粉优选使用完全合金粉。作为铜粉，优选使用电解铜粉，也可以使用雾化铜粉。

作为第二粉末M2中的各粉末的混配量，优选铜粉为10～30wt％(优选15～20wt％)，石墨粉为0.5～2.0wt％，剩余为合金钢粉。此外，按照第二粉末M2中的Ni的比例为1.0～4.0wt％，Mo的比例为0.5～1.5wt％的范围的方式选定合金钢粉的种类和量。Ni和Mo的混配量根据成型性和淬火性的提升效果来确定。铜的混配量过少，则滑动面2a的滑动性降低，过多则轴承面变得过软而耐磨损性会发生问题，因此采用上述的范围。第二粉末M2的石墨粉是为了在烧结时使铁和碳发生反应而主要形成马氏体相和贝氏体相而混配的，并且还是为了作为固体润滑剂而发挥功能而混配的，其混配比例的上限和下限基于与在第一粉末M1中确定石墨粉的混配比例的理由相同的理由确定。

与基底层3对应的第一粉末M1和与滑动层2对应的第二粉末M2的视密度均为1.0～4.0g/cm³。由于两种粉末的组成上的差异，两种粉末的视密度无论如何都会产生差异，因该差异，在压缩成型工序中对第一粉体M1和第二粉体M2同时成型时，可以预想到压粉体M崩溃等难以成型的情况。然而，如本实施方式所述，在滑动层2的壁厚充分小于基底层3的壁厚(如上所述滑动层2的壁厚为烧结轴承的壁厚的1～20％，优选为2～10％)，而且第一粉末M1的视密度低于第二粉末M2的视密度的状态下，如果该密度差在0.5g/cm³以下，则对第一粉体M1和第二粉体M2同时成型的情况下也能够成型压粉体M。因此，优选第一粉体M1的视密度小于第二粉体M1的视密度，并且将它们的密度差抑制在0.5g/cm³以下。

如图10所示，在烧结工序对经过压缩成型工序后的压粉体M进行烧结，从而得到烧结体M’。此时，基底层3在接触滑动层2的状态下与滑动层2一起被烧结，因此在烧结后能够使滑动层2与基底层3形成为一体。作为在烧结中使用的氛围气体，使用包含CO的气体。烧结温度被设定为高于铁和碳开始反应的温度(900℃左右)，然而不会大幅超过铜的熔点(1083℃)。理想情况下优选在烧结体M’中的所有组织的温度不超过铜的熔点的温度进行烧结，然而实际情况下难以进行这种温度控制，因此烧结温度设定为作为铜的熔点附近的例如1070℃～1120℃。该温度低于对铁系烧结体进行烧结时的一般的炉内温度(1130℃以上)。

经过烧结工序的烧结体M’被移送至精压工序而进行尺寸校正(整形)。在本实施方式中，如图9所示，使用具有冲模23、芯杆24和上下的冲头25、26的精压模具来压迫烧结体M’的内周面、外周面和两端面，由此对烧结体M’进行精压。此后，在含油工序中使烧结体M’的内部气孔含浸润滑剂，由此完成烧结轴承1。为了除去烧结体M’的残留奥氏体，可以在烧结后进行烧结体M’的回火。若无特别需要，也可以不使烧结体M’含浸润滑剂即使用。

在烧结工序中的烧结时，首先，第一粉末M1中包含的磷熔融。磷的熔融液浸沾Cu颗粒的表面，从而Cu以低于其熔点的温度熔融，熔融后的Cu和磷浸透Fe颗粒并扩散至Fe颗粒内部。由此，Fe颗粒彼此被牢固地结合，基底层3的强度提高。此外，由于在高于铁和碳的反应开始温度的温度进行烧结，因此在Fe组织中形成了较硬的珠光体相(一部分为铁氧体相)。经过以上的烧结过程，确保了基底层3的强度，因此即使在使烧结温度低于一般的铁系烧结品的烧结温度的情况下，也能够确保基底层3所需的强度。通过使烧结温度低于铁系烧结品的烧结温度，由此使得在构成滑动层2的第二粉末M2中包含的较多的铜不熔融而保持固体的状态。因此，存在于滑动层2、特别是滑动面A上的铜未被拉入基底层3，能够在滑动面A上分布目标量的铜(滑动面A上的铜的分布量以面积比计为10～30％)。因此，能够同时确保滑动面A的滑动性和烧结体M’的强度。

此外，滑动层2中含有Ni、Mo等的淬火性提升元素，因此不必另行进行浸碳淬火等热处理，在连续通过烧结炉的冷却区域的期间内，能够使滑动层2的Fe系组织发生马氏体转变和贝氏体转变而使其硬度变高(烧结硬化)。由此，能够使滑动面A的硬度变高而提升其耐磨损性。此外，与此同时，通过基底层3内的磷达成了基底层3的强度提升，因此烧结体整体的强度(压环强度等)提高。因此，能够经受作为冲击载重频繁作用且在高面压下使用的建设机械的机械臂的关节部的轴承的使用。

另一方面，在占据烧结体M’的大部分的基底层3未添加提升淬火性的合金元素，因此能够削减高价的该元素在轴承整体上的使用量，能够实现轴承的低成本化。此外，在基底层3不进行烧结硬化，也不会发生马氏体转变或贝氏体转变，因此基底层3相比滑动层2为软质。因此，能够通过精压工序进行烧结体M’的尺寸校正。在上述的专利文献1的结构中，通过烧结后的淬火使烧结体整体硬化，因此烧结体的尺寸校正不得不通过切削/磨削等机械加工进行，然而本发明的烧结体M’能够进行基于精压的尺寸校正，不需要基于机械加工的后续加工。此外，不必进行烧结后的淬火，就能够确保所需的充分强度(例如500MPa以上的压环强度)。如此，能够省略烧结后的淬火工序和机械加工工序，因此相比专利文献1所述的发明能够进一步实现烧结轴承1的成本降低。

基底层3中的石墨全部成为碳而在Fe中扩散。对此，滑动层2中的石墨在烧结后一部分作为颗粒保留，在滑动面A中形成有石墨组织33(石墨相)。其原因在与，在滑动层2中铜的含有量多于基底层3，铜颗粒覆盖铁颗粒的一部分表面，因而铁与碳难以进行反应。如此，与基底层3相比，在滑动层2存在更多的石墨相，因此能够使该石墨相作为固体润滑剂发挥功能，由此能够实现滑动面A的滑动性的提升。

需要说明的是，在与基底层3对应的第一粉末M1中未包含提升淬火性的合金元素(本实施方式中为Ni和Mo)，因此理论上在基底层3上不包含该合金元素，而基于与图3～图8所示的成型工序的步骤的关系，实际如图11所示，在滑动层2与基底层3之间的界面上产生合金元素的浓度梯度。由此，在界面附近形成了包含合金元素的区域，因此界面的强度以及滑动层2与基底层3的结合强度提高。该情况下，基底层3中的与滑动层2充分远离的区域、例如与滑动层2处于对置关系的表面(本实施方式中的基底层3的外周面)不包含提升淬火性的元素。产生浓度梯度的区域的半径方向尺寸R在0.1～1.0mm的范围内，优选在0.2～0.5mm的范围内。产生浓度梯度的区域的半径方向尺寸R可通过二色成型模具的分隔部件14(参见图3)的半径方向厚度进行调整。

图12a概要示出通过以上步骤制作的烧结轴承1中的滑动层2的微观组织，图12b概要示出基底层3的微观组织。

滑动层2是含铁最多的金属组织，以Fe系组织和Cu系组织作为主体，并且一部分形成为石墨组织。具体如图12a所示，具有包含Ni和Mo的Fe-C系合金相31作为Fe系组织，具有Cu相32作为Cu系组织。在该图中，符号33是石墨相，符号34是空孔。Fe-C系合金相31以马氏体相和贝氏体相为主体，一部分包含珠光体相。关于面积比，Fe系组织大于Cu系组织，石墨组织最小。该滑动层2依据第二粉末M2的混配比，主成分包含Cu：10～30wt％(优选15～20wt％)、C：0.5～0.8wt％、Ni：1.0～4.0wt％、Mo：0.5～1.5wt％，其剩余部分由Fe和不可避的杂质构成。

此外，基底层3是含铁最多的金属组织，形成为以Fe系组织作为主体。具体如图12b所示，具有Fe-C系合金相35作为Fe系组织。该Fe-C系合金相35是由铁氧体36与渗碳体37(Fe₃C)交替排列而成的珠光体，Cu和P在其内部扩散。基底层3的金属组织中不存在作为颗粒的Cu或P，此外，也不存在淬火组织和游离石墨。该基底层3依据第一粉末M1的混配比，作为主成分含有Cu：1.0～5.0wt％(优选2.0～3.0wt％)、C：0.5～0.8wt％和P，剩余部分由Fe和不可避的杂质构成。P的含有量相对于Fe为0.1～0.6wt％(优选0.3～0.5wt％)。基底层3的Cu的含有量少于滑动层2的铜的含有量，因此能够减少轴承整体的铜的使用量以实现低成本化。

[基本结构的改良]

具有以上所述的基本结构的烧结轴承1通过采用以下的对策(1)～(3)能够进行改良。

(1)合金元素单质粉的添加的省略

一般通过合金钢粉形成铁系烧结体的情况下，大多在合金钢粉中添加仅包含提升淬火性的上述的合金元素(从Ni、Mo、Mn和Cr中选择的任意1种或2种以上)的单质粉(合金元素单质粉)。合金钢粉通常为硬质而压缩性较差，因此难以使烧结体的密度提高，而通过对合金钢粉添加合金元素单质粉，能够改善压缩性以得到高密度的烧结体。

另一方面，这样添加合金元素单质粉时，该单质粉无法在Fe组织中充分扩散，有时会在烧结后的金属组织中残留合金元素的颗粒。如果在烧结轴承1中残存有这种颗粒，则滑动层2以及烧结轴承1整体的机械强度、特别是压环强度降低。为了防止这种情况，需要烧结时通过1200℃以上的高温加热8小时以上而使所有的合金元素在Fe组织中扩散，会对量产带来妨碍，导致大幅的成本上升。

基于以上的观点，在烧结轴承1那样并不需要较高密度化的用途中，优选不进行向形成滑动层2的第二粉末M2中的合金元素单质粉的添加。即，以包含在合金钢粉中的物质的形式提供烧结体中的所有的提升淬火性的合金元素。由此，在烧结轴承1的烧结后，组织中的合金元素全部与Fe系组织形成为合金。由此，能够减少残留奥氏体而避免烧结轴承1的强度降低。

(2)铜粉的小粒径化

作为在构成滑动层2的第二粉末M2中添加的铜粉，优选使用小粒径的铜粉。这一点基于以下的理由。

在本发明中，烧结时的炉内温度接近铜的熔点，因此在烧结中，滑动层2中包含的铜粉的一部分有时会熔融。熔融的铜粉退避至基底层3，随之会产生与退避至滑动层2的铜粉的大小相当的空孔。在铜粉的粒径较大的情况下，在滑动层2上形成了多个粗大空孔，因此滑动面A的强度降低，在冲击载重等作用时存在滑动面变形的可能性。此外，若铜粉的粒径较大，则铜不易在Fe颗粒中扩散。因此，滑动层2的Fe颗粒间的结合强度降低，导致滑动面A的强度降低。基于这种观点，作为在与滑动层2对应的第二粉末M2中使用的铜粉，使用其整体的70～100wt％为粒径小于45μm的铜粉。

在这种使用小粒径的铜粉的第二粉末M2中，铜粉的平均粒径(d2)与合金钢粉的平均粒径(d1)之比d2/d1在1/5以上1/2以下，优选在1/4以上1/3以下。其原因在于，该比超过上限值时，会产生空孔的粗大化的问题，而如果低于下限值，则粉末的流动度降低而会产生成型性恶化的问题。此外，铜粉的混配量p2与合金钢粉的混配量p1之比(p2/p1)在1/6以上1/3以下，优选在1/5以上1/4以下。其原因在于，该比超过上限值时，会发生强度降低的问题，而低于下限值时，会发生滑动性降低的问题。

(3)低熔点金属的添加

在基本结构的烧结轴承1中，在滑动层2中未包含低熔点金属，然而在构成滑动层2的第二粉末M2中，还可以加入上述任意一种低熔点金属(例如Sn)。由此，烧结时，第二粉末M2中包含的Cu容易在Fe组织中扩散，Fe颗粒彼此的结合强度提高，因此能够提升滑动层2以及烧结轴承1整体的机械强度。关于该低熔点金属，除了向混合粉中添加该单质粉之外，还可以通过使用与铜形成为合金的粉末来添加。第二粉末M2中的低熔点金属与铜粉的比例在0.5wt％以上5.0wt％以下，优选在1.0wt％以上3.0wt％以下。这是由于，该比超过上限值时会发生偏析的问题，而低于下限值时会发生强度降低的问题。

[确认试验]

为了确认以上所述的对策(1)～(3)的效果，制作了以下的试验片No.1～No.5，并对它们分别测定了干密度、含油率、压环强度、维氏硬度、罗氏硬度。需要说明的是，试验片No.1～No.5中，仅第二粉末M2(对应于滑动层2)的组成不同，而第一粉末M1(对应于基底层3)的组成、试验片的成型条件和烧结条件都相同。另外，作为第一粉末M1的组成，在任意试验片中都为铜粉：3.0wt％、石墨粉：0.8wt％，剩余为铁-磷的合金钢粉和铁粉。

各试验片的第二粉末M2是对基底粉按照下述比例添加Ni单质粉或Sn粉得到的。这里，基底粉混配有铜粉20wt％、石墨粉0.8wt％，除Ni单质粉或Sn粉以外的剩余部分为Fe-Ni-Mo系合金钢粉。另外，在试验片No.4的第二粉末M2中使用的铜粉的整体的70～100wt％的粒径小于45μm，而在除此以外的试验片(No.1～No.3，No.5)的第二粉末M2中使用的铜粉的粒径小于45μm的比例为10～30wt％。即，在试验片No.4的第二粉末M2中使用的铜粉的粒径小于在其他的试验片的第二粉末M2中使用的铜粉的粒径。

试验片No.1…基底粉+Ni单质粉1.0wt％+Sn粉1.0wt％

试验片No.2…基底粉+Ni单质粉1.0wt％+Sn粉0.8wt％

试验片No.3…基底粉+Ni单质粉1.0wt％+Sn粉0.5wt％

试验片No.4…仅基底粉(Ni单质粉0％、Sn粉0％)

试验片No.5…基底粉+Ni单质粉1.0wt％(Sn粉0％)

[考察1]

图13表示各试验片No.1～No.5的显微镜照片，图14示出试验结果。

从两个图中能够读取出以下的倾向。

·根据试验片No.4与试验片No.5的对比可知，如果省略了Ni单质粉的添加，则压环强度提升。

·Cu组织和空孔的分散状态在试验片No.4中最为良好。

·根据试验片No.1～No.3与试验片No.5的对比可知，如果添加了Sn粉，则压环强度提升。但是，这种效果逊于试验片No.4。

根据以上的分析结果可以理解为，为了提升压环强度，试验片No.4、即与滑动层2对应的第二粉末M2中未添加Ni单质粉(对策1)且使得第二粉末M2的铜粉形成为小粒径(对策2)是最有效果的。由此能够得到550MPa以上、优选在600MPa以上的压环强度。除了这些对策之外，通过对第二粉末M2添加Sn粉(对策3)，可认为能够进一步提升压环强度。此外，在对策1和对策2中，可认为采用对策1对于压环强度的提升更具效果。并且，关于试验片No.4中的空孔在滑动面整体上的比例，以面积比计为20～40％左右。

[考察2]

下面，对试验片No.1～No.3与试验片No.5进行对比研究。在试验片No.1～No.3和试验片No.5的第二粉末M2中分别添加了Ni单质粉。在第二粉末M2中添加Ni单质粉的理由在于，合金钢粉为硬质且压缩性较差，仅使用该合金钢粉难以使得烧结体的密度提高，而通过添加Ni单质粉，则能够改善压缩性以得到高密度的烧结体。如果这一点不会成为问题，则也可以省略Ni单质粉的添加。

根据图14的试验片No.1～No.3与试验片No.5(比较例)的对比可以理解，如果在与滑动层2对应的第二粉末M2中添加Sn粉，则压环强度会提升。此外，通过这样添加Sn粉，相比图13而言Cu会在滑动层2的Fe-C系合金相中扩散，此外，Cu还会在基底层3的Fe-C系合金相中扩散，能够使内部空孔微细化。因此，如果在第二粉末M2中添加Sn粉等低熔点金属粉，则无论是否对第二粉末M2添加Ni等的合金元素单质粉，或者是否使第二粉末M2的铜粉的粒径变小，都能够实现压环强度的提升和滑动面A的强度的提升。

[其他实施方式]

以上的实施方式示出了在烧结轴承1的内周面1a上形成有滑动面A的情况，然而不限于此，例如图15所示，也可以在烧结轴承1的外周面1b上形成滑动面A，并在内周面1a上形成安装面B。该情况下，滑动层2形成在烧结轴承1的外径侧，基底层3形成在烧结轴承1的内径侧。滑动层2和基底层3的结构和功能与在前面叙述的实施方式中的滑动层2和基底层3是共通的。此外，在图1中，烧结轴承1的端面与第一机械臂6通过高面压滑动的情况下，可以在烧结轴承的端面上形成滑动面A。

此外，烧结体M’或滑动面A的方式也可以为任意，作为滑动部件可以将本发明应用于球面衬套或平坦的衬垫状部件(例如起重臂衬垫)中。前者的情况下滑动面A为球面状，而后者的情况下滑动面A为平坦面状。还能够在滑动面A上形成一个或多个凹部(例如槽状)，由此能够将凹部应用作为润滑剂槽。

此外，上述的实施方式示出了滑动层2与基底层3的界面为圆筒面状的情况，然而不限于此，也可以将界面的轴垂直剖面形状形成为非圆形(例如多边形状或花键状)(省略图示)。由此，滑动层2与基底层3的结合强度进一步提高。界面的形状与压缩成型工序中的分隔部件14(参见图3等)的形状相仿，因此通过变更分隔部件14的形状就能够变更界面的形状。

此外，上述的实施方式举例示出了将烧结轴承1应用于建设机械中的情况，然而不限于此，本发明的滑动部件能够非常适用于在滑动面上的高面压条件下使用的各种用途。

标号说明

1 烧结轴承

1a 内周面

1b 外周面

2 滑动层

3 基底层

4 销(轴)

6 第一机械臂

7 第二机械臂

20 烧结炉

31 Fe系组织(Fe-C合金相)

32 Cu系组织(Cu相)

33 石墨组织(石墨相)

34 空孔

35 Fe系组织(Fe-C合金相)

36 铁氧体

37 渗碳体

A 滑动面(轴承面)

B 安装面

M 压粉体

M’ 烧结体

M1 第一粉末

M2 第二粉末

Claims (15)

1.一种烧结轴承，该烧结轴承由烧结体形成，其具有与其他部件滑动的滑动面，其特征在于，该烧结轴承具备：

基底层，其以Fe系组织作为主体，含有1.0～5.0wt％的Cu、熔点低于Cu的元素和C，所述熔点低于Cu的元素为Sn、Zn、P的任一种；以及

滑动层，其在与基底层接触的状态下与基底层一起被烧结，具有所述滑动面，并以包含合金元素的Fe系组织和Cu系组织作为主体，进一步含有C，Cu的含有量多于基底层，

在所述烧结轴承中，

使滑动层中包含的所述合金元素全部与Fe系组织合金化，

在所述基底层的Fe系组织中形成珠光体相，

所述滑动层的Fe系组织的至少一部分由马氏体相和贝氏体相形成，

所述滑动层的Cu系组织由铜粉整体的70％～100％为粒径小于45μm的铜粉形成，

所述滑动层中的Cu的含有量为10wt％～30wt％，

所述滑动层的半径方向的壁厚为烧结轴承的半径方向的壁厚的1％～20％。

2.一种烧结轴承，该烧结轴承由烧结体形成，其具有与其他部件滑动的滑动面，其特征在于，该烧结轴承具备：

基底层，其以Fe系组织作为主体，含有1.0～5.0wt％的Cu、熔点低于Cu的元素和C，所述熔点低于Cu的元素为Sn、Zn、P的任一种；以及

滑动层，其在与基底层接触的状态下与基底层一起被烧结，具有所述滑动面，并以包含合金元素的Fe系组织和Cu系组织作为主体，进一步含有所述熔点低于Cu的元素和C，Cu的含有量多于基底层，

在所述烧结轴承中，

在所述基底层的Fe系组织中形成珠光体相，

所述滑动层的Fe系组织的至少一部分由马氏体相和贝氏体相形成，

所述滑动层中的Cu的含有量为10wt％～30wt％，

所述滑动层的半径方向的壁厚为烧结轴承的半径方向的壁厚的1％～20％。

3.根据权利要求1或2所述的烧结轴承，其中，

作为所述合金元素，包含从Ni、Mo、Mn和Cr中选择的至少1种。

4.根据权利要求2所述的烧结轴承，其中，

滑动层的Cu系组织由铜粉整体的70％～100％为粒径小于45μm的铜粉形成。

5.根据权利要求1所述的烧结轴承，其中，

滑动层还包含所述熔点低于Cu的元素。

6.根据权利要求1或2所述的烧结轴承，其中，

基底层中包含的熔点低于Cu的元素是P。

7.根据权利要求1或2所述的烧结轴承，其中，

基底层中，相对于Fe而言的熔点低于Cu的元素的含有量为0.1wt％～0.6wt％。

8.根据权利要求1或2所述的烧结轴承，其中，

该烧结轴承被用作建设机械的机械臂的关节部的轴承。

9.一种烧结轴承的制造方法，其为用于制造具备滑动层和基底层的烧结轴承的方法，该烧结轴承在滑动层形成有与其他部件滑动的滑动面，该方法的特征在于，

制备第一粉末，该第一粉末以Fe系粉末作为主体，进一步包含1.0wt％～5.0wt％的Cu、熔点低于Cu的元素和C，所述熔点低于Cu的元素为Sn、Zn、P的任一种，

制备第二粉末，该第二粉末以包含合金元素的Fe系粉末作为主体，进一步包含Cu和C，Cu的含有量多于第一粉末，并且不包含所述合金元素的单质粉，

在模具内配置分隔部件以形成第一粉末填充部和第二粉末填充部，

在第一粉末填充部填充第一粉末，并且在第二粉末填充部填充第二粉末，

在取下了分隔部件的状态下同时压缩模具内的第一粉末和第二粉末从而形成压粉体，

对压粉体进行烧结，一体地形成与第一粉末对应的组成的基底层和与第二粉末对应的组成的滑动层，

此后，对所得到的烧结体的至少滑动面实施精压，

在所述基底层的Fe系组织中形成珠光体相，

在所述滑动层的Fe系组织的至少一部分形成马氏体相和贝氏体相，

由铜粉整体的70％～100％为粒径小于45μm的铜粉形成所述滑动层的Cu系组织，

所述滑动层中的Cu的含有量为10wt％～30wt％，

所述滑动层的半径方向的壁厚为烧结轴承的半径方向的壁厚的1％～20％。

10.一种烧结轴承的制造方法，其为用于制造具备滑动层和基底层的烧结轴承的方法，该烧结轴承在滑动层形成有与其他部件滑动的滑动面，该方法的特征在于，

制备第一粉末，该第一粉末以Fe系粉末作为主体，进一步包含1.0wt％～5.0wt％的Cu、熔点低于Cu的元素和C，所述熔点低于Cu的元素为Sn、Zn、P的任一种，

制备第二粉末，该第二粉末以包含合金元素的Fe系粉末作为主体，进一步包含Cu、熔点低于Cu的元素和C，Cu的含有量多于第一粉末，

在模具内配置分隔部件以形成第一粉末填充部和第二粉末填充部，

在第一粉末填充部填充第一粉末，并且在第二粉末填充部填充第二粉末，

在取下了分隔部件的状态下同时压缩模具内的第一粉末和第二粉末从而形成压粉体，

对压粉体进行烧结，一体地形成与第一粉末对应的组成的基底层和与第二粉末对应的组成的滑动层，

此后，对所得到的烧结体的至少滑动面实施精压，

在所述基底层的Fe系组织中形成珠光体相，

所述滑动层的Fe系组织的至少一部分由马氏体相和贝氏体相形成，

所述滑动层中的Cu的含有量为10wt％～30wt％，

所述滑动层的半径方向的壁厚为烧结轴承的半径方向的壁厚的1％～20％。

11.根据权利要求9或10所述的烧结轴承的制造方法，其中，

作为所述合金元素，包含从Ni、Mo、Mn和Cr中选择的至少1种。

12.根据权利要求9或10所述的烧结轴承的制造方法，其中，

在对压粉体进行烧结时，在1070℃～1120℃进行烧结。

13.根据权利要求10所述的烧结轴承的制造方法，其中，

作为第二粉末中的Cu，使用铜粉整体的70％～100％为粒径小于45μm的铜粉。

14.根据权利要求9所述的烧结轴承的制造方法，其中，

第二粉末还含有所述熔点低于Cu的元素。

15.根据权利要求9或10所述的烧结轴承的制造方法，其中，

使第一粉末的视密度小于第二粉末的视密度。