JP3675658B2

JP3675658B2 - 軸受

Info

Publication number: JP3675658B2
Application number: JP03125899A
Authority: JP
Inventors: 清喬松川; 耕三石原; 育男上本
Original assignee: 日本科学冶金株式会社
Priority date: 1999-02-09
Filing date: 1999-02-09
Publication date: 2005-07-27
Anticipated expiration: 2019-02-09
Also published as: JP2000230556A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、環境、人体に対する有害性の高い元素を添加せず、なじみ特性、耐磨耗性等に優れた銅系焼結材料からなる軸受及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種家電機器とりわけマルチメディア機器、オーディオ、ビデオ機器などにおいては回転精度が高く安価な軸受材料として、４００〜５００℃の比較的低温で焼結させた錫、鉛を含む銅系焼結材料（Pb含有低温焼結品）が使用されていた（特公昭５２−５００２号公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記銅系焼結材料は、環境や人体に対して有害性の高い鉛を、多い場合には３０ｗｔ％も使用しているため、製造工程において、更には製品化後においても、人体や環境に与える鉛の影響が問題となっていた。
これに対して、発明者らは、鉛を添加せずに、錫と鉄とを含む銅系焼結材料（Sn含有高温焼結品）の使用も検討してみたが、鉛を添加しないことにより焼結温度を７００〜８００℃と高くする必要が生じ、この結果、錫と銅とが材料全体に渡って合金化し、焼結材料の硬さが増してなじみ性が低下するという問題があることが分った。また、かかる合金化に伴い体積変化が生じ、焼結工程の後に焼結品の寸法の矯正工程が必要となり、製造工程が複雑化するという問題があることも分った。
そこで本発明は、環境や人体に対して有害性の高い鉛等の元素を含まず、かつなじみ性等の優れた銅系焼結材料からなる軸受及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで、発明者らは鋭意研究の結果、予め、銅粒子の周囲に錫粒子を接合させておくことにより、焼結温度を低くすることができ、この結果、焼結材料中に錫と合金化しない銅が残ってなじみ性を向上できること、また体積変化が小さくなることにより焼結工程後の矯正工程が不要となること、更には高い強度を維持できることを見出し、本発明を完成した。
【０００５】
即ち、本発明は、錫粒子と銅粒子とを焼結してなる軸受であって、錫が１〜１０ｗｔ％、鉄が０〜５０ｗｔ％、残部が銅からなり、該銅粒子間を錫で接続したことを特徴とする軸受である。
従来の軸受のように有毒性の高い鉛を含まず、銅と錫から軸受が形成されることにより、軸受の製造工程等における環境や人体への悪影響を防止することができる。
また、錫の含有率を１〜１０ｗｔ％の範囲に制御することにより、軸受焼結時の錫の溶け落ちを防止することができ、強度劣化の原因となる錫流出孔の発生を防ぐことができる。
更に、鉄を必要に応じて添加することにより、軸受の耐磨耗性を制御させることが可能となる。但し、鉄の添加量を５０ｗｔ％より多くした場合、軸の焼き付けが発生しやすく、添加量は５０ｗｔ％までとすることが好ましい。
【０００６】
上記銅粒子は、上記錫との間で合金層を形成して接合されることが好ましい。このように、銅粒子の周囲に一部合金化した領域を備えることにより、銅粒子と鉛粒子との接合を確実にすることができるからである。
【０００７】
また、上記銅粒子の少なくとも一部は、銅のみの状態で残存したことが好ましい。
錫と合金化しない銅を、軸受材料中に残存させることにより、軸受として要求されるなじみ性を良くでき、焼結工程前後における寸法変化率も小さくでき、かつ、高い強度を維持することができる。
【０００８】
また、本発明は、銅粒子間を錫で接続してなる軸受の製造方法であって、該銅粒子に錫を接合する前処理工程と、該銅粒子に接合した該錫を溶融して該錫どうしを接合し、該錫に接合した該銅粒子間を接続する焼結工程とを備えた軸受の製造方法である。
このように、予め銅粒子の周囲に錫を接合する前処理工程を行うことにより、焼結温度を低くしても、錫どうしを溶融させて接合させることにより、銅粒子を焼結させることが可能となる。この結果、軸受中に合金化しない銅が存在するために、銅と錫とを全て合金化させた場合に比べて、良好ななじみ特性と、低い寸法変化率を得ることが可能となる。
また、材料中に有害性の高い鉛を含まないため、製造工程における人体や環境への悪影響も防止することができる。
更に、銀等の高価な材料も使用しないため、製造コストを低く抑えることができる。
【０００９】
上記前処理工程は、該銅粒子と該錫粒子とを混合して、該銅粒子と該錫粒子とがその接続界面近傍において固液共存状態となる温度に保持し、該銅粒子の一部に該錫粒子を拡散させて該銅粒子に該錫粒子を接合する工程であることが好ましい。
かかる前処理工程を行って、銅粒子と錫粒子とを接合させておくことにより、焼結温度を低くしても十分な焼結品を得ることが可能となる。
【００１０】
上記前処理工程は、上記銅粒子と上記錫粒子との混合比率からなる銅錫合金の融点以下で行われることが好ましい。
かかる温度に維持することにより、銅粒子と錫粒子との接続界面近傍を固液共存状態として、両者を接合することができるからである。
【００１１】
上記前処理工程は、上記銅粒子の表面に錫メッキ層を形成する電気化学メッキ工程であっても良い。
かかる電気化学メッキ工程を用いることによっても、銅粒子の表面に錫を接合させることができるからである。
【００１２】
上記焼結工程は、３００〜５００℃で行われることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図１を参照しながら説明する。図１は、本発明にかかる銅系焼結材料からなる軸受の製造工程の概略図であり、１は銅粒子、２は錫粒子、３は銅粒子に錫が一部拡散した合金層、４は穴部を示す。
【００１４】
まず、図１（ａ）に示すように、銅粒子１と錫粒子２とを均一に混合する。混合割合は、錫が１〜１０ｗｔ％、好ましくは５ｗｔ％程度で、残部は銅である。また、本実施の形態では、他の元素を添加していないが、特に耐磨耗性を向上させるために、最大５０ｗｔ％まで鉄を添加してもかまわない。なお、他の添加元素は意識的には添加しないが、不純物として微量の他の元素が含まれる場合もある。各粒子の径は、銅粒子が４５μｍ程度、錫粒子が４５μｍ以下であることが好ましい。
【００１５】
次に、図１（ｂ）に示すように、銅粒子１と錫粒子２とがその接続界面近傍において固液共存状態となる温度に保持し、銅粒子１と一部拡散した錫粒子２を該銅粒子１の周囲に接合する前処理工程を行う。これにより、銅粒子１に錫が一部拡散した銅錫の合金層３が形成され、銅粒子１の周囲に錫粒子２が接合される。かかる前処理工程は、図１（ａ）で混合した銅粒子１と錫粒子２との混合比率からなる銅錫合金の融点以下で行われる。これにより、銅粒子１と錫粒子２との接続界面近傍においてのみ合金層３が形成され、上述の７００〜８００℃の高温で焼結した銅系焼結材料のように、材料全体に渡って合金化することはない。前処理時間は、１５分程度が好ましい。
【００１６】
最後に、図１（ｃ）に示すように、図１（ｂ）で形成した材料を、最終製品である軸受の形状に金型等を用いて成形した後、かかる成形品を焼結する。焼結工程では、合金層３で銅粒子１と接合した錫粒子２のみが溶融して、錫粒子２どうしが接合することにより、銅粒子１間を接合し、最終的な銅系焼結材料からなる軸受が完成する。焼結温度としては、３００〜５００℃程度が好ましく、焼結時間は１５分程度である。
【００１７】
なお、図１に示す製造方法では、銅粒子１に、錫粒子２を一部拡散させることにより接合した（図１（ｂ））が、銅粒子１の周りに錫を電気化学めっき法により接合させても良い。
具体的には、錫を溶かした溶液中に、メッキ層を形成する銅の粉体と、置換材となる紛体とを入れて、紛体状の銅の表面に錫メッキ層を形成して行う。
【００１８】
次に、かかる銅系焼結材料の成分について述べる。銅系焼結材料は、上述のように、錫の含有量が１〜１０ｗｔ％であり、残部が銅からなる。
【００１９】
錫の含有量が１０ｗｔ％を超えると、焼結工程において、錫が単独で溶け落ちて流出孔が発生し、軸受材料としての特性を満足できなくなる。なお、錫の含有量としては、５ｗｔ％程度が好ましい。
図２は、錫の含有率が１０ｗｔ％を越えた場合の軸受表面の顕微鏡写真である。図中、黒の斑点部分は錫が流出してできた流出孔である。尚、図２の顕微鏡写真の原本（カラー写真をプリントアウトしたもの）は、別途、物件提出書により提出する。
【００２０】
また、焼結材料には、必要に応じて、最大５０ｗｔ％まで鉄を加えることもできる。即ち、鉄を添加することにより、材料の耐磨耗性を向上させることが可能であるため、耐磨耗性が低くても構わない軸受では、鉄を添加せず、高い耐磨耗性を必要とする軸受では、要求される特性に応じて鉄の添加量を増やせばよい。但し、鉄の添加量が５０ｗｔ％を超えると、軸受が受ける軸を逆に摩耗させ、その結果焼きつきなどの原因となるので、鉄の添加量は５０ｗｔ％以下とすることが好ましい。
【００２１】
なお、近年、鉛フリーと称される技術では、鉛に代わる元素として、Bi、Sb、In、Ag、P、Cd、Ge、Te、Tlなどの元素も使用されているが、表１に示すように、これらの元素は、夫々以下に示す毒性を有し、環境、人体に対して有害性を有する可能性がある。
なお、表１は、産業中毒便覧増補版（医歯薬出版）より抜粋したものである。
【００２２】
【表１】

【００２３】
なお、表１に示すような毒性を有する可能性は低いが、Agなどのように非常に高価な材料などもある、コスト面から添加元素として使用することは好ましくない。
【００２４】
本実施の形態にかかる銅系焼結材料からなる軸受では、軸受の形状に成形した後に焼結工程を行っても、焼結温度が３００〜５００℃と比較的低いため、最終製品である軸受中に銅が残存することになる。
即ち、従来技術で述べた鉛を使用しない銅系焼結材料では、上述のような前処理工程を行わないため焼結温度を７００〜８００℃と高くする必要があり、この結果、焼結品の全体に渡って銅と錫とが合金化するのに対し、本実施の形態では焼結品中に合金化しない銅が存在することとなる。
このため、銅と錫が合金化した場合に比べて、銅に対する圧環強度等の機械的特性の変化を小さくすることができる。また、合金化に伴う体積変動が少ないため、焼結前後における製品寸法の変動も小さく抑えることが可能となる。
【００２５】
表２は、本発明品と、従来技術にかかるPb含有低温焼結品（比較例１）、Sn含有高温焼結品（比較例２）との圧環強度を比較したものである。圧環強度は、ＪＩＳＺ−２５０７（１９７９）（焼結含油軸受の圧環強さ試験方法）に従って行った。
【００２６】
【表２】

【００２７】
表２から明らかなように、本発明品の圧環強度は、空孔率が２１Vol%、１８Vol%の場合とも、鉛を含有したPb含有低温焼結品（比較例１）と同程度の値となっており、良好な圧環強度が得られている。
これに対して、錫を含有した銅系材料を高温で焼結したSn含有高温焼結品（比較例２）では破断が発生していない。これは、Sn含有高温焼結品では、焼結材料全体に渡って銅と錫とが合金化してしまっているためと考えられる。
このように、本発明品では、有毒性を有する鉛を用いずに、従来のPb含有低温焼結品と同程度の圧環強度を得ることができる
【００２８】
表３は、本発明品と、従来技術にかかるPb含有低温焼結品（比較例１）、Sn含有高温焼結品（比較例２）との寸法精度を比較したものである。
【００２９】
【表３】

【００３０】
かかる寸法変化率は、金型で軸受形状に成形した銅系材料の、焼結工程の前後における寸法変化率を測定したものである。寸法変化率は、Pbを含有した４００℃〜５００℃焼結品の金型寸法を基準にして求めたものである。
従来のPb含有低温焼結品では、焼結前後の焼結品の寸法変化率を、ほぼ０％とすることができたが、表３から明らかなように、本発明品でも、軸受内径、軸受外径、軸受高さとも、極めて小さい寸法変化率に抑えることが可能となっている。これに対して、Sn含有高温焼結品（比較例２）では、本発明品の１０倍以上の寸法変化率となっており、かかる場合には、焼結工程の後に寸法の矯正工程を行うことが必要となる。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明にかかる軸受は、銅粒子と、該銅粒子と接合し各銅粒子間を接続する錫とを含み、有毒性の高い鉛を含まないため、軸受の製造工程等における環境や人体への悪影響を防止することができる。
【００３２】
また、本発明にかかる軸受では、軸受用の焼結品中に錫と合金化しない銅が存在するため、なじみ性が良く、焼結工程前後における寸法変化率が小さく、かつ強度の大きい軸受とすることができる。
【００３３】
また、Ａｇ等の高価な元素を添加しないため、製造コストの低減を図ることができ、安価な軸受を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる銅系焼結材料からなる軸受の製造工程の概略図である。
【図２】錫含有率が１０ｗｔ％を越えた軸受表面の顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１銅粒子、２錫粒子、３銅粒子に錫が一部拡散した合金層、４穴部。

Claims

錫粒子と銅粒子とを焼結してなる軸受であって、
錫が１〜１０ｗｔ％、鉄が０〜５０ｗｔ％、残部が銅からなり、
該銅粒子間を錫で接続し、該銅粒子の少なくとも一部を銅のみの状態で残存させたことを特徴とする軸受。
上記銅粒子が、上記錫との間で合金層を形成して接合されたことを特徴とする請求項１に記載の軸受。
銅粒子間を錫で接続してなる軸受の製造方法であって、
該銅粒子に錫を接合する前処理工程と、
該銅粒子に接合した該錫を溶融して該錫どうしを接合し、該錫に接合した該銅粒子間を接続する焼結工程とを備え、該銅粒子の少なくとも一部を、銅のみの状態で残存させることを特徴とする軸受の製造方法。
上記前処理工程が、該銅粒子と該錫粒子とを混合して、該銅粒子と該錫粒子とがその接続界面近傍において固液共存状態となる温度に保持し、該銅粒子の一部に該錫粒子を拡散させて該銅粒子に該錫粒子を接合する工程であることを特徴とする請求項３に記載の製造方法。
上記前処理工程が、上記銅粒子と上記錫粒子との混合比率からなる銅錫合金の融点以下で行われることを特徴とする請求項３に記載の製造方法。
上記前処理工程が、上記銅粒子の表面に錫メッキ層を形成する電気化学メッキ工程であることを特徴とする請求項３に記載の製造方法。
上記焼結工程が、３００〜５００℃で行われることを特徴とする請求項３に記載の製造方法。