JP6817094B2 - 鉄銅基焼結含油軸受及びその製造方法 - Google Patents

鉄銅基焼結含油軸受及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、自動車の電装用モータの出力軸など低回転で高負荷な使用条件で用いられる、鉄銅基焼結含油軸受及びその製造方法に関するものである。
近年は、自動車電装用モータの出力軸にも鉄銅基焼結含油軸受が採用されている。鉄銅基焼結含油軸受としては、例えば、特許文献１、３などに開示されているものが知られている。ワンボックスタイプ等の自動車のように、大きい窓ガラス用途のパワーウィンドウやワイパーモータは、従来よりも高出力対応がなされ、出力軸の軸受には従来以上の負荷面圧が作用していた。さらに、これらモータの出力軸は２００ｒｐｍ以下の低速であることから、焼結含油軸受特有の油膜形成が不十分で、軸と軸受間で金属接触の摺動となることから焼結含油軸受の耐摩耗性が課題であった。このような油潤滑効果の少ない摺動条件では、鉄銅基焼結含油軸受に潤滑性を持たせるため、軸受材料内に黒鉛を分散分布させることが知られている。黒鉛を含有させた鉄銅基焼結軸受の製造は、黒鉛粉末を添加混合した原料粉末を用い、この原料粉末を圧粉成形し、この成形体を焼結、サイジング、浸油する工程で行われていた。しかし、材料組成が鉄銅基焼結合金であることから、焼結時に材料中の鉄粉末と黒鉛粉末が反応し、硬い鉄合金相が形成されやすかった。硬い合金相が形成された鉄銅基焼含油結軸受は、自動車電装用モータの出力軸のような摺動条件では、相手軸材を傷つけ、その傷ついた軸により軸受の摩耗が進行してしまう場合が多かった。改善策として、軸に硬さの高い焼き入れ鋼材を使用する方法もあるが、コストアップになるため、炭素鋼の軸が使用されていた。
なお、鉄粉と黒鉛粉の焼結による反応を抑制するための従来技術としては、平均径が２０〜１５０μｍである扁平状の銅粉を２．０〜９．０質量％と、平均粒径が４０〜８０μｍの黒鉛粉を１．５〜３．７質量％とを鉄粉に添加し混合した原料粉末を用い、焼結の温度を９５０℃〜１０３０℃とすることで、軸受の内部に面積率でフェライトが２０〜８５％及び残部がパーライトからなる鉄合金相が得られることが知られている（特許文献２）。しかし、パーライトは、鉄と黒鉛が反応した硬い相であることから、相手軸材を傷つけてしまうことを十分に防止するものではなかった。
特開２００３−２２１６０６号公報 特開２０１０−７７４７４号公報 特開２０１３−９２１６３号公報 国際公開第１９９９／００８０１２号パンフレット
そこで、本発明は、硬い鉄合金相が少なく、自動車の電装用モータの出力軸など低回転で高負荷な使用条件で、耐摩耗性及びコストパフォーマンスに優れる、新たな鉄銅基焼結含油軸受及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の鉄銅基焼結含油軸受は、Ｃｕ：１０〜５５質量％、Ｓｎ：０．５〜７質量％、Ｚｎ：０〜４質量％、Ｐ：０〜０．６質量％、Ｃ：０．５〜４．５質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、金属マトリックス中に分散した遊離黒鉛の面積率が５〜３５％、気孔率が１６％以上２５％以下、素地中の鉄合金相の硬さがＨｖ６５〜２００である鉄銅基焼結含油軸受であって、外径:１８ｍｍ×内径：８ｍｍ×高さ：８ｍｍの寸法を有するリング状の前記鉄銅基焼結含油軸受に外径：８ｍｍのＳ４５Ｃ炭素鋼製軸を挿入し、前記鉄銅基焼結含油軸受の外側から１００ｋｇｆの荷重をかけながら、前記Ｓ４５Ｃ炭素鋼製軸を５ｍ／分で５０時間回転させた後において、前記鉄銅基焼結含油軸受の摺動面の最大摩耗深さが１０μｍ以下であって、前記Ｓ４５Ｃ炭素鋼製軸の摺動部の最大摩耗深さが３μｍ以下である。
本発明の鉄銅基焼結含油軸受の製造方法は、Ｃｕ：１０〜５５質量％、Ｓｎ：０．５〜７質量％、Ｚｎ：０〜４質量％、Ｐ：０〜０．６質量％、Ｃ：０．５〜４．５質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物となるように原料粉末を混合して混合粉末を得る工程と、この混合粉末をプレス成型して圧粉体を得る工程と、この圧粉体を８２０〜９４０℃の範囲内の温度で焼結して焼結体を得る工程を備えた鉄銅基焼結含油軸受の製造方法であって、平均粒径１０〜１００μｍの鱗状黒鉛粉末と鱗片状黒鉛粉末のうちの少なくとも１種を原料粉末に用いるとともに、鉄銅基焼結含油軸受の金属マトリックス中に分散した遊離黒鉛の面積率が５〜３５％、気孔率が１６％以上２５％以下、素地中の鉄合金相の硬さがＨｖ６５〜２００であって、外径:１８ｍｍ×内径：８ｍｍ×高さ：８ｍｍの寸法を有するリング状の前記鉄銅基焼結含油軸受に外径：８ｍｍのＳ４５Ｃ炭素鋼製軸を挿入し、前記鉄銅基焼結含油軸受の外側から１００ｋｇｆの荷重をかけながら、前記Ｓ４５Ｃ炭素鋼製軸を５ｍ／分で５０時間回転させた後において、前記鉄銅基焼結含油軸受の摺動面の最大摩耗深さが１０μｍ以下であって、前記Ｓ４５Ｃ炭素鋼製軸の摺動部の最大摩耗深さが３μｍ以下である。
本発明の鉄銅基焼結含油軸受によれば、Ｃｕ：１０〜５５質量％、Ｓｎ：０．５〜７質量％、Ｚｎ：０〜４質量％、Ｐ：０〜０．６質量％、Ｃ：０．５〜４．５質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、金属マトリックス中に分散した遊離黒鉛の面積率が５〜３５％であることにより、鉄合金相の硬さを適正な範囲に制御可能であり、自動車の電装用モータの出力軸など低回転で高負荷な使用条件で、耐摩耗性及びコストパフォーマンスに優れるものとなる。
本発明の鉄銅基焼結含油軸受の製造方法によれば、Ｃｕ：１０〜５５質量％、Ｓｎ：０．５〜７質量％、Ｚｎ：０〜４質量％、Ｐ：０〜０．６質量％、Ｃ：０．５〜４．５質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物となるように原料粉末を混合して混合粉末を得る工程と、この混合粉末をプレス成型して圧粉体を得る工程と、この圧粉体を８２０〜９４０℃の範囲内の温度で焼結して焼結体を得る工程を備えた銅基焼結含油軸受の製造方法であって、平均粒径１０〜１００μｍの鱗状黒鉛粉末と鱗片状黒鉛粉末のうちの少なくとも１種を原料粉末に用いるとともに、銅基焼結含油軸受の金属マトリックス中に分散した遊離黒鉛の面積率が５〜３５％であることにより、鉄合金相の硬さを適正な範囲に制御可能であり、自動車の電装用モータの出力軸など低回転で高負荷な使用条件で、耐摩耗性及びコストパフォーマンスに優れる鉄銅基焼結含油軸受を製造することができる。
遊離黒鉛の面積率の測定方法を説明する軸受の表面カラー写真を図案化した説明図であり、図１（Ａ）は測定状態、図１（Ｂ）は升目を塗り分けた状態を示す。 遊離黒鉛が分散分布した本発明例の鉄銅基焼結含軸受の内径表面の写真である。
本発明の鉄銅基焼結含油軸受は、Ｃｕ：１０〜５５質量％、Ｓｎ：０．５〜７質量％、Ｚｎ：０〜４質量％、Ｐ：０〜０．６質量％、Ｃ：０．５〜４．５質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、金属マトリックス中に分散した遊離黒鉛の面積率が５〜３５％である。
黒鉛は天然黒鉛の鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛、土状黒鉛のほか、人造黒鉛等があるが、黒鉛の潤滑性は結晶の発達度合いに影響を受けるため、本発明の鉄銅基焼結含油軸受には、結晶性が良く潤滑性に優れている天然の鱗状黒鉛粉末と鱗片状黒鉛粉末のうちの少なくとも１種を用いる。さらに焼結による原料粉中の鉄と黒鉛の反応を抑制するために、平均粒径１０〜１００μｍの鱗状黒鉛粉末と鱗片状黒鉛粉末のうちの少なくとも１種を鉄銅基焼結合金の原料粉末に用い、焼結温度を８２０〜９４０℃とすることで、焼結体の金属マトリックス中に分散した遊離黒鉛の面積率を所定量確保できるとともに、鉄合金相の硬さも抑制可能となる。
ここで、黒鉛粉末の平均粒径とは、レーザー回折法による測定値の体積平均径ＭＶである。
以下、本発明の鉄銅基焼結含油軸受の組成について、詳細に説明する。
（１）Ｃｕ：１０〜５５質量％
Ｃｕは、Ｓｎ、Ｐと固溶体を形成し、このＣｕ−Ｓｎ−Ｐ固溶体は相手軸よりも軟らかく、相手軸とのなじみ性を向上させ、もって軸受の耐摩耗性向上に寄与する。Ｃｕの含有量が１０質量％未満では、所望の効果が得られず、一方その含有量が５５質量％を超えると軸受強度が不足するようになり高負荷条件での軸受摩耗が大きくなるので好ましくない。
（２）Ｓｎ：０．５〜７質量％
Ｓｎは、Ｃｕ、Ｐと素地の固溶体を形成し、軸受の強度を向上させ、もって軸受の耐摩耗性向上に寄与する。Ｓｎの含有量が０．５質量％未満では所望の効果が得られず、一方その含有量が７質量％をこえても強度向上に効果がなく、かえって寸法精度が低下するので好ましくない。
（３）Ｚｎ：０〜４質量％
Ｚｎは、Ｃｕ、Ｓｎと素地の固溶体を形成し、軸受の耐食性、なじみ性及び強度を向上させる作用がある。Ｚｎの含有量が４質量％を超えても所望の効果向上がないので、添加する場合は４質量％以下とするのが好ましい。
（４）Ｐ：０〜０．６質量％
Ｐは、Ｃｕ−Ｐ合金粉末で添加され、焼結時液相を発生させ、焼結を進めると共にＣｕ、Ｓｎ素地の固溶を形成し、耐摩耗性を向上させる作用がある。Ｐの含有量が０．６質量％を超えても所望の効果向上がなく、かえって焼結時の変形が大きくなるので好ましくないので、添加する場合は０．６質量％以下とするのが好ましい。
（５）Ｃ：０．５〜４．５質量％
Ｃは、軸受合金の素地中に遊離黒鉛として分散分布することで、軸受に優れた潤滑性を付与し、もって耐摩耗性向上および摩擦係数の低減に寄与する。Ｃの含有量が０．５質量％未満では耐摩耗性の向上効果が得られず、その含有量が４．５質量％を超えると強度が著しく低下するので好ましくない。
（６）気孔率：１６％以上２５％以下
気孔は素地に分散し、軸受が受ける強い摩擦を緩和し、軸受けの摩耗を抑制する効果があるが、気孔率が１６％未満ではその効果が十分でなくなる。一方、気孔率が２５％を超えると強度が著しく低下するので好ましくない。
（７）鱗状黒鉛粉末と鱗片状黒鉛粉末
原料粉末に用いる黒鉛粉末としては、鱗状黒鉛粉末と鱗片状黒鉛粉末のうちの少なくとも１種を用いることができる。鱗状黒鉛粉末と鱗片状黒鉛粉末は、軸受合金の素地中に遊離黒鉛として分散分布することで軸受に優れた潤滑性を付与し、もって耐摩耗性向上及び摩擦係数の低減に寄与する。鱗状黒鉛粉末又は鱗片状黒鉛粉末の平均粒径が１０μｍ未満では、焼結時に原料粉末中の鉄粉と反応し鉄合金相の硬度を上げるとともに遊離黒鉛の面積率が低下するためその効果が得られず、一方、平均粒径が１００μｍを超えると強度が著しく低下するようになるので好ましくない。
以下、本発明の鉄銅基焼結含油軸受及びその製造方法の具体的な実施例について説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。
原料粉末に、粉末冶金用の還元鉄粉末と電解銅粉末、扁平形状銅粉末、Ｃｕ−９質量％Ｓｎ粉末、Ｓｎ粉末、Ｃｕ−８質量％Ｐ粉末、Ｃｕ−２０質量％Ｚｎ粉末及び黒鉛粉末を用意した。このうち、黒鉛粉末は、本発明例では、平均粒径の大きな鱗状黒鉛粉末、鱗片状黒鉛粉末を使用し、比較例では、平均粒径の小さな人造黒鉛粉末又は鱗状黒鉛粉末を使用した。
これらの原料粉末を表１に示した最終成分組成となるように配合し、ステアリン酸亜鉛を０．５％加えてＶ型混合機で２０分間混合して混合粉末とした後、プレス成形して圧粉体を製作し、次いでこの圧粉体を天然ガスと空気を混合し、加熱した触媒に通すことで分解変成させたエンドサーミックガス（endothermic gas）雰囲気中、８２０〜９４０℃の範囲内の所定の温度で焼結して焼結体を得て、次いで所定の圧力でサイジングを行い、次いで所定の合成炭化水素系の潤滑油を含浸させることにより、いずれも外径:１８ｍｍ×内径：８ｍｍ×高さ：８ｍｍの寸法を有し、表１に示される組成成分で遊離黒鉛が分散した鉄銅基焼結含油軸受本発明例１〜１７、及び比較例１〜８のリング状試験片を製作した。
こうして得られたリング状の焼結含油軸受について、低速高負荷条件の摩耗試験を行った。
リング状の焼結含油軸受に外径：８ｍｍのＳ４５Ｃ炭素鋼製軸を挿入し、リング状軸受の外側から１００ｋｇｆの荷重をかけながら、軸を５ｍ／分で５０時間回転させた。その後、リング状軸受摺動面の最大摩耗深さと相手軸摺動部の最大摩耗深さを測定し、耐摩耗性評価を行った。
各試料の成分組成、気孔率、遊離黒鉛の面積率、素地中の鉄合金相の硬さ及び摩耗試験後の軸受と相手軸の最大摩耗深さを表２に示した。なお、素地中の鉄合金相の硬さは、軸受の端面を金属組織が見えるまで研磨を行い、マイクロビッカースを用いて鉄合金相を選定して狙い、測定荷重５０ｇで３点硬さを測定し、その平均値を求めた。遊離黒鉛の面積率は次のように求めた。
軸受内径表面をＣＣＤカメラでカラー写真撮影（倍率×１００）し、決められた２ｍｍ方眼のトレース用紙のフレームを写真上に重ね合わせ、黒鉛部の面積比率を計算して算出される。その例を図１により説明すると図１（Ａ）は軸受の表面のカラー写真を図案化したものであり、表面には、銅又は銅合金の銅範囲11と鉄又は鉄合金の鉄範囲12と黒鉛の黒鉛範囲13と気孔の気孔範囲14とが表れる。透明板などからなるフレーム21の所定の範囲に、縦横に並んだ升目22を形成し、図１では縦１０個×横１０個のものを例示している。そして各升目22において一番面積を占める範囲をその対応する範囲として数え、気孔範囲14を除いた表面の黒鉛範囲13の面積率を算出する。説明のために図１（Ｂ）は升目22を各範囲11、12、13、14に塗り分けたものを示し、例えば、図１（Ｂ）において、各升目22の数は、銅範囲11は４０個、鉄範囲12は３０個、黒鉛範囲13は１０個、気孔範囲14は２０個であり、気孔範囲14を除いた表面の黒鉛範囲13が占める面積率が黒鉛の面積率であるから、黒鉛の面積率は１０／８０×１００＝１２．５％となる。軸受内径表面を３箇所撮影し、前述の方法にて平均の黒鉛面積率を求めた。
一例として、遊離黒鉛が分散分布した本発明例の鉄銅基焼結含軸受の内径表面の写真を図２に示す。
軸受と相手軸の最大摩耗深さの試験結果から明らかなように、低速高負荷の試験条件において本発明例の軸受は、比較例の軸受と比較して、優れた耐摩耗性を有しているとともに相手軸の摩耗も少なかった。

Claims (2)

  1. Ｃｕ：１０〜５５質量％、Ｓｎ：０．５〜７質量％、Ｚｎ：０〜４質量％、Ｐ：０〜０．６質量％、Ｃ：０．５〜４．５質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、金属マトリックス中に分散した遊離黒鉛の面積率が５〜３５％、気孔率が１６％以上２５％以下、素地中の鉄合金相の硬さがＨｖ６５〜２００である鉄銅基焼結含油軸受であって、外径:１８ｍｍ×内径：８ｍｍ×高さ：８ｍｍの寸法を有するリング状の前記鉄銅基焼結含油軸受に外径：８ｍｍのＳ４５Ｃ炭素鋼製軸を挿入し、前記鉄銅基焼結含油軸受の外側から１００ｋｇｆの荷重をかけながら、前記Ｓ４５Ｃ炭素鋼製軸を５ｍ／分で５０時間回転させた後において、前記鉄銅基焼結含油軸受の摺動面の最大摩耗深さが１０μｍ以下であって、前記Ｓ４５Ｃ炭素鋼製軸の摺動部の最大摩耗深さが３μｍ以下であることを特徴とする鉄銅基焼結含油軸受。
  2. Ｃｕ：１０〜５５質量％、Ｓｎ：０．５〜７質量％、Ｚｎ：０〜４質量％、Ｐ：０〜０．６質量％、Ｃ：０．５〜４．５質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物となるように原料粉末を混合して混合粉末を得る工程と、この混合粉末をプレス成型して圧粉体を得る工程と、この圧粉体を８２０〜９４０℃の範囲内の温度で焼結して焼結体を得る工程を備えた鉄銅基焼結含油軸受の製造方法であって、平均粒径１０〜１００μｍの鱗状黒鉛粉末と鱗片状黒鉛粉末のうちの少なくとも１種を原料粉末に用いるとともに、鉄銅基焼結含油軸受の金属マトリックス中に分散した遊離黒鉛の面積率が５〜３５％、気孔率が１６％以上２５％以下、素地中の鉄合金相の硬さがＨｖ６５〜２００であって、外径:１８ｍｍ×内径：８ｍｍ×高さ：８ｍｍの寸法を有するリング状の前記鉄銅基焼結含油軸受に外径：８ｍｍのＳ４５Ｃ炭素鋼製軸を挿入し、前記鉄銅基焼結含油軸受の外側から１００ｋｇｆの荷重をかけながら、前記Ｓ４５Ｃ炭素鋼製軸を５ｍ／分で５０時間回転させた後において、前記鉄銅基焼結含油軸受の摺動面の最大摩耗深さが１０μｍ以下であって、前記Ｓ４５Ｃ炭素鋼製軸の摺動部の最大摩耗深さが３μｍ以下であることを特徴とする鉄銅基焼結含油軸受の製造方法。
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