JP2010077474A - 鉄系焼結軸受およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた耐摩耗性を有するとともに、鉄銅系焼結合金軸受に匹敵する耐焼付き性および相手部品への攻撃緩和性を有する鉄系焼結合金軸受を提供する。
【解決手段】軸の外周面を支持する軸受面を有する鉄系焼結軸受であって、焼結合金の全体組成が、質量比で、Ｃｕ：２．０〜９．０％、Ｃ：１．５〜３．７％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなり、軸受の内部は、面積率でフェライトが２０〜８５％および残部がパーライトからなる鉄合金相中に、軸受の軸方向に対して交差する方向に延在する銅相と、黒鉛相および気孔が分散する金属組織を示し、軸受面に、銅相が８〜４０％の面積率で露出している。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータの軸受や複写機等の紙送りローラ軸の軸受等に使用して好適な鉄系焼結軸受およびその製造方法に係り、特に、軸受の摩耗量を少なくし、しかもシャフトの摩耗量も低減する技術に関する。

従来より軸受には、焼結合金製のものが多用されている。焼結合金は含浸した潤滑油による自己潤滑性を付与できるため、耐焼付き性と耐摩耗性が良好で広く用いられている。
たとえば特許文献１には、Ｃｕ：１０〜３０％、残部：Ｆｅからなる鉄銅系焼結合金層を摺動面に設けた軸受が開示されている。

特開平１１−１１７９４０号公報

しかしながら、近年、銅の価格は高騰しているため、特許文献１のように銅を１０〜３０％使用する技術では製造コストが割高で実用的ではない。このため、鉄を主成分とする軸受のニーズが高まってきている。しかしながら、鉄を主成分とする軸受の場合には、焼付き易く、また、相手部品であるシャフトを傷付け易いという欠点がある。特に、熱処理を施していない硬さが低いシャフトと鉄を主成分とする軸受とを組み合わせて用いる場合、上記の現象は顕著となる。

したがって、本発明は、優れた耐摩耗性を有するとともに、鉄銅系焼結合金軸受に匹敵する耐焼付き性および相手部品への攻撃緩和性を有する鉄系焼結合金軸受およびその製造方法を提供することを目的としている。

本発明は、軸の外周面を支持する軸受面を有する鉄系焼結軸受であって、焼結合金の全体組成が、質量比で、Ｃｕ：２．０〜９．０％、Ｃ：１．５〜３．７％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなり、軸受の内部は、面積率でフェライトが２０〜８５％および残部がパーライトからなる鉄合金相中に、軸受の軸方向に対して交差する方向に延在する銅相と、黒鉛相および気孔が分散する金属組織を示し、軸受面に、銅相が８〜４０％の面積率で露出していることを特徴としている。

また、本発明は、型孔を有するダイと、型孔内に配置されるコアロッドと、ダイの型孔とコアロッドの外周とに摺動自在に嵌合する下パンチとから構成されるキャビティに原料粉末を充填し、この原料粉末を、ダイの型孔とコアロッドの外周とに摺動自在に嵌合する上パンチと下パンチとにより圧粉成形し、得られた圧粉体を焼結する鉄系焼結軸受の製造方法において、原料粉末は、平均粒径が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ものであり、焼結の温度は９５０〜１０３０℃であることを特徴としている。

以下、本発明の数値限定の根拠を本発明の作用とともに説明する。なお、以下の説明において「％」は質量％の意である。

銅粉の粒径
本発明の鉄系焼結軸受の製造方法では、原料粉末に扁平状の銅粉を混合してキャビティに充填する。そして、ダイキャビティ内を原料粉末が落下する際に、コアロッドに銅粉がまとわり付き、コアロッドに銅粉が張り付いた状態となる。これにより、軸受内部と比較して摺動特性が求められる軸受内径面に露出する銅相の量が多くなる。本発明では、Ｃｕ量の全てを扁平状の銅粉として与えることにより、軸受内径面に露出する銅相の量を確保しつつ、軸受内部のＣｕ量を低減することができる。

扁平状の銅粉を含有する原料粉末を充填すると、コアロッドの周囲に銅粉が平行ないしそれに近い状態で配向するが、軸受内部では、扁平状の銅粉がダイキャビティへの落下時に軸受の軸方向に垂直な方向に配向し易い。このため、原料粉末を圧縮成形、焼結の後では、軸受内部において銅相は軸受の軸方向に対して直交ないしそれに近い状態で延在することになる。

銅相は、鉄合金相と比較して強度は低いが、銅相が上記のように分散することにより、軸方向の銅相の量が少なくなるため、軸方向の荷重に対して強度が確保される。以上のような作用、効果を得るために、扁平状の銅粉の粒径は２０〜１５０μｍとする。銅粉の粒径が２０μｍを下回ると、鉄粒子間に存在する銅の割合が多くなり過ぎ、粒子間の焼結が進行し難くなる。その結果、軸受の強度が低下して軸受の摩耗量が増大する。一方、銅粉の粒径が１５０μｍを超えると、銅粉がコアロッドに付着し難くなり、軸受内径面に露出する銅相の面積率が低下する。その結果、軸受の焼付きが生じ易くなるとともにシャフトの摩耗量が増大する。なお、銅粉の扁平性を確保するために、銅粉の粒子径と厚さの比は２．５〜２０であることが望ましい。

銅粉の添加量
銅粉の添加量が少ないと軸受内径面に露出する銅相の面積率が低下する。一方、銅粉の添加量が多いと、軸受の強度が低下して軸受の摩耗量が増大する。よって、銅粉の添加量は２．０〜９．０％とする。

黒鉛粉の粒径
上述の扁平状の銅粉により、軸受内径面に露出する銅相の量を確保することができるが、本発明においては、さらに、鉄合金相中に黒鉛を分散させて遊離黒鉛相を形成する。遊離黒鉛相は、固体潤滑剤として作用し、摺動特性を向上させる。ここで、黒鉛粉の粒径が小さ過ぎるとＣが鉄合金相中に拡散し易くなり、パーライトの量が増大して鉄合金相の硬さが増加する。その結果、摺動相手であるシャフトの摩耗量が増大する。また、遊離黒鉛相の量が少なくなって摺動特性が低下する。一方、黒鉛粉の粒径が大きすぎると、鉄合金相中へのＣの拡散が生じ難くなり、基地の硬さが低下して軸受の摩耗量が増大する。また、黒鉛の粒径が大きくなりすぎた場合、金属粉同士の結合を阻害し材料強度が低下するために、軸受の摩耗量が増大する。よって、黒鉛粉末の平均粒径は、４０〜８０μｍとする。

黒鉛粉の添加量
黒鉛粉末の添加量が少ないと、鉄合金相中のフェライトの量が多くなり、硬さが低くなって軸受の摩耗量が増大する。また、固体潤滑効果が低下する。一方、黒鉛粉末の添加量が多いとパーライトの量が増えて鉄部の硬さの上昇を招くとともに、金属粉同士の結合が阻害され材料強度が低下するために、シャフトおよび軸受の摩耗量が増大する。よって、黒鉛粉の添加量は１．５〜３．７％とする。

焼結温度
本発明では、鉄合金相中に黒鉛相を形成するため、焼結温度は重要である。焼結温度が低いと、鉄合金相中のフェライトの量が多くなり、硬さが低くなって軸受の摩耗量が増大する。一方、焼結温度が高いとパーライトの量が増えて硬さが硬くなるため、シャフトの摩耗量が増大するとともに鉄合金相の強度が低下して軸受の摩耗量が増大する。よって、焼結温度は９５０〜１０３０℃とする。

本発明によれば、軸受内径面に露出した銅相と黒鉛相により、優れた耐摩耗性を有するとともに、鉄銅系焼結合金軸受に匹敵する耐焼付き性および相手部品への攻撃緩和性を有する等の効果が得られる。

（１）軸受の作製
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。
軸受の焼結合金を作製するために下記の原料粉末を用意した。
１．鉱石還元鉄粉（平均粒径：１００μｍ）
２．銅箔粉
（平均粒径：１０μｍ、２０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍ）
３．電解銅粉（平均粒径：５０μｍ）
４．天然黒鉛粉（平均粒径：２０μｍ、６０μｍ、１００μｍ）
５．ステアリン酸亜鉛

これらの粉末を全体組成が表１に示す割合となるように配合し、混合機で混合した。なお、ステアリン酸亜鉛は、成形時の潤滑のために添加するものであり、これを除く混合粉末を１００％としたときに、全ての混合粉末に対して０．５％添加した。

上記混合粉末を軸受の円筒形状に圧縮成形し、焼結およびサイジングを行った。焼結は、水素ガスと窒素ガスの混合ガス中で表１に示す温度で行い、通常の方法でサイジングを行った。軸受の密度は６．０Ｍｇ／ｍ^３、有効多孔率は２０％とした。そして、軸受の気孔に潤滑油（鉱物油 粘度グレードＩＳＯ ＶＧ５６）を含浸させ、試料Ｎｏ．１〜２４を得た。

（２）評価
上記試料に対して軸受の内径面の銅相の面積率、鉄合金基地中のフェライト面積率、硬さ、圧環強さ、および軸受とシャフトの摩耗量を測定した。摩耗量の測定は、水平にしたモータの回転軸にＳ４５Ｃ製のシャフトを取り付け、このシャフトをハウジングに取り付けた軸受に隙間を持たせて挿入し、ハウジングに垂直方向の荷重を与えた状態でシャフトを回転させて行った。この試験の周囲の温度は８０℃に保持し、シャフトの回転数を３０００ｒｐｍ、負荷面圧を１ＭＰａとした。軸受およびシャフトの摩耗量は、試験前の内径および外径の寸法と、１０００時間運転後の寸法との差とした。以上の結果を表２に示す。

表２に示すように、銅箔粉の添加量が本発明の範囲を下回る試料Ｎｏ．１では、軸受の内径面における銅相の面積率が少ないためシャフトの摩耗が多くなった。また、銅箔粉の添加量が本発明の範囲を超える試料Ｎｏ．５では、軸受の強度が低下したために軸受の摩耗量が多くなった。試料Ｎｏ．６は、添加する銅粉として電解銅粉を使用しているが、軸受およびシャフト双方の摩耗量が多くなった。これは、軸受の内径面における銅相の面積率が低くなっていることから、コアロッドにまとわり付く銅粉の量が少なくなったためと考えられる。これに対して、本発明例である試料Ｎｏ．２〜４では、軸受および軸の摩耗量が少ない。

黒鉛粉の添加量が本発明の範囲を下回る試料Ｎｏ．７では、鉄合金相中のフェライトの面積率が多いために硬さが低下し、軸受の摩耗量が多くなった。また、遊離黒鉛相の量が少なく固体潤滑性に劣るため、シャフトの摩耗量も多くなった。黒鉛粉の添加量が本発明の範囲を超える試料Ｎｏ．１１では、鉄合金相中のパーライトの面積率が多いために硬さが高くなり、シャフトの摩耗量が多くなった。また、軸受の圧環強さ（または強度）が低下したため、軸受の摩耗量も増大した。これに対して、本発明例である試料Ｎｏ．８〜１０では、軸受およびシャフトの摩耗量が少ない。

黒鉛粉の粒径が本発明の範囲を下回る試料Ｎｏ．１２では、鉄合金相中のパーライトの面積率が多いために硬さが増加し、シャフトの摩耗量が多くなった。また、シャフトの摩耗粉が研磨材として作用した結果、軸受の摩耗量も多い。黒鉛粉の粒径が本発明の範囲を超える試料Ｎｏ．15では、軸受の圧環強さ（または強度）が低下して軸受の摩耗量が多くなった。これに対して、本発明例である試料Ｎｏ．１３、１４では、軸受およびシャフトの摩耗量が少ない。

銅箔粉の粒径が本発明の範囲を下回る試料Ｎｏ．１６では、鉄粒子間に存在する銅の割合が多くなり過ぎ、粒子間の焼結が進行し難くなった結果、軸受の強度が低下して軸受の摩耗量が多くなった。銅箔粉の粒径が本発明の範囲を超える試料Ｎｏ．２０では、銅粉がコアロッドに付着し難くなり、軸受内径面に露出する銅相の面積率が低下した結果、シャフトの摩耗量が多くなった。これに対して、本発明例である試料Ｎｏ．１７〜１９では、軸受およびシャフトの摩耗量が少ない。

焼結温度が本発明の範囲を下回る試料Ｎｏ．２１では、鉄合金相中のフェライトの量が多くなり、硬さが低くなって軸受の摩耗量が多い。焼結温度が本発明の範囲を超える試料Ｎｏ．２４では、パーライトの量が増えて硬さが硬くなったため、シャフトの摩耗量が多くなった。これに対して、本発明例である試料Ｎｏ．２２、２３では、軸受およびシャフトの摩耗量が少ない。

（３）組織観察
図１は本発明例の軸受内径面のＳＥＭ写真である。図１に示すように、本発明例の軸受内径面には、鉄合金相中に銅相と黒鉛相が分散し、銅相は軸受内径面に平行に配置されている。このような銅相により軸受内径面の銅相の面積率が増大し、上記したような摺動性能の向上が得られる。

本発明例の軸受内径面の光学顕微鏡写真である。

Claims (3)

1. 軸の外周面を支持する軸受面を有する鉄系焼結軸受であって、焼結合金の全体組成が、質量比で、Ｃｕ：２．０〜９．０％、Ｃ：１．５〜３．７％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなり、
   軸受の内部は、面積率でフェライトが２０〜８５％および残部がパーライトからなる鉄合金相中に、軸受の軸方向に対して交差する方向に延在する銅相と、黒鉛相および気孔が分散する金属組織を示し、
   前記軸受面に、銅相が８〜４０％の面積率で露出していることを特徴とする鉄系焼結軸受。
2. 型孔を有するダイと、前記型孔内に配置されるコアロッドと、前記ダイの型孔と前記コアロッドの外周とに摺動自在に嵌合する下パンチとから構成されるキャビティに原料粉末を充填し、この原料粉末を、前記ダイの型孔と前記コアロッドの外周とに摺動自在に嵌合する上パンチと前記下パンチとにより圧粉成形し、得られた圧粉体を焼結する鉄系焼結軸受の製造方法において、
   前記原料粉末は、平均粒径が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ものであり、
   前記焼結の温度は９５０〜１０３０℃であることを特徴とする鉄系焼結軸受の製造方法。
3. 前記銅粉の粒子径と厚さの比が２．５〜２０であることを特徴とする請求項２に記載の鉄系焼結軸受の製造方法。

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