JPS5852526B2 - 青銅系焼結軸受材の製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、従来品よりも強度の高い青銅系焼結軸受材を
製造する方法に関するものである。

なお青銅系焼結合金の製造においては、青銅の粉末を原
料とする場合と、銅、錫各々の粉末の混合粉を原料とす
る場合とがあるが、本発明の技術は後者の場合を対象と
して開発されたものである。

はじめに粉末冶金の一般的な工程を述べると、まず原料
粉末にステアリン酸亜鉛その他の粉末状潤滑剤０．３〜
２重量優を添加して充分に混合し、これを金型により所
要の形状に圧縮成形し、次に焼結炉で焼結した後、サイ
ジングおよび含油処理を施して完成するのが標準的な工
程である。

ここで、焼結合金の材質特性に最も関係の深い焼結工程
に触れると、まず焼結炉の型式は、通常小規模の焼結に
用いられるバッチ型炉と、量産に適する連続型炉とに二
大別される。

連続型の炉は横に長い管状の炉で、挿入物（成形体）を
移動させる機構によって、たとえば耐熱合金製の鋼ベル
トを用いるメツシュベルト式炉、成形体を入れた焼結箱
を半連続的に順次炉内に押し入れるプッシャ一式炉、そ
の他ローラ一式炉、リフト・ビーム式炉などと種々の方
式があるが、いずれも基本的に＆ち炉の入口側から順に
、成形体の予熱・脱ろう室、焼結室、冷却室の３帯域を
備える構造となっている。

なお、炉内の雰囲気としては、一般に水素ガスあるいは
アンモニア分解ガスなどの還元性雰囲気が用いられてい
る。

次に焼結工程は、前段の脱ろう工程と、後段の本焼結工
程との二段階に分けられる。

即ち、成形体が前述の炉内を通過する間に、まず比較的
低温の予熱・脱ろう室で成形体中の潤滑剤を蒸発させて
除去し、次いで所定の高温に保たれた焼結炉で本格的に
焼結された後、常温近くまで徐冷されて焼結工程を終了
する。

ここで、脱ろつ温度は約４００℃、この温度に至る昇温
速度は毎分ｌＯ〜３０℃、本焼結温度は約７８０℃なる
条件が、青銅系における従来の標準的焼結条件である。

第１図のグラフ＆転成形体が上述の焼結工程で受ける熱
履歴を表わしたもので、図中←Ａ→の範囲が脱ろう工程
に、←Ｂ→の範囲が本焼結および冷却工程に相当する。

さて、このようにして還元性雰囲気中で脱ろうおよび焼
結して得られる青銅系焼結合金は、その強度が圧環強度
で１８Ｖ４／ｕＩｔ２を僅かに上回る程度である。

そこで、含油軸受も機械要素の一種である以上、設計の
自由度を増すためにもその強度をできるだけ高めること
が望まれている。

しかし、軸受材の高強度化はそう容易なことではない。

何故ならば、含油軸受の場合はそれ自身の耐摩耗性と共
に相手部材の軸をも摩耗させないこと、さらに、できる
だけ多孔質で、多量の潤滑油な含浸保持できることが必
須の条件であって、従って、例えば歯車などの機械構成
部品の場合のように、強化成分の添力１１によって高合
金化するとか、あるいは高圧で圧縮成形して部材を緻密
化するなどの、粉末冶金における一般的な強化方法が採
用できないからである。

そこで発明者は、専ら成形体の焼結工程の研究に努めた
結果、その前段である予熱・脱ろう工程の改良によって
、本来の軸受特性を保ちながらその強度を向上させるこ
とに成功した。

※※ この改良点即ち本発明の性徴は、脱
ろう工程における脱ろう温度を従来法よりも高めの４１
５〜７１０℃とすることと、それぞれ還元性雰囲気中で
行なわれる脱ろうと、それに続く本焼結工程との間に、
酸化性雰囲気中での酸化反応工程を介在させることを骨
子とするものである。

なお、ここにいう酸化性雰囲気としては特別な酸化性ガ
スを用いてもよいが、通常は大気を用いることによって
、簡便にその目的を達することが可能である。

以下本発明をその一実施例について説明する。

まず銅粉と錫粉とを銅９１％、賂９優の割合に配合し、
その全量に対して０．３％のステアリン酸亜鉛を潤滑剤
として添加して充分に混合し、この混合粉を金型に入れ
て圧縮し、形が外径１８ｍ、内径１０１ＥＪＩ、長さ１
４１３０円筒状で、圧粉密度が６．３５ｔ／ｃｒＩＬの
試料多数を成形する。

次に試料の焼結については、脱ろう室と本焼結室とが分
離され、両者をメツシュベルトで連結した型式の連続焼
結炉を用い、上記の試料なＩ〜■の群に分けて、それぞ
れを第１表に記した脱ろう条件に基づいて焼結する。

即ち、表中試料■の群は本発明に係るもので、まず試料
を還元性雰囲気の脱ろう室に送り込み、毎分３０℃の昇
温速度で７００℃まで上昇させて数分間保持し、潤滑剤
を蒸発させる。

昇温速度は炉室内の温度分布および送り速度の調節によ
って任意に設定することができる。

次に、脱ろう後の試料を脱ろう室から大気（酸化性雰囲
気）中に移し、その表面を酸化させる。

なおこの間に試料の温度が低下するが、これは焼結結果
には殆ど影響しない。

続いて、試料の本焼結が還元性雰囲気中７８０℃の温度
を約１５分間保持して行なわれ、以後通常の冷却工程を
経て焼結を完了する。

なお第２図のグラフは、試料■が上述の工程で受ける熱
履歴を表わしたもので、図中←ＡＩ→の範囲が還元性雰
囲気中での予熱・脱ろう工程に、それに続く←ＡＩＩ→
の範囲が酸化性雰囲気中での酸化反応工程に、また、←
Ｂ→の範囲が還元性雰囲気中での本焼結および冷却工程
に相当する。

かくして焼結された試料■について、その圧環強度をＪ
ＩＳ Ｚ２５０７（ＩＳＯ２７３９）に従って測定し
たところ、３０Ｋｙ／Ｊの高い値を示した。

これに対して、表中試料■の群は、脱ろう工程を従来の
方法、即ち脱ろう室と本焼結室を気密に連結して炉内の
雰囲気を還元性雰囲気とし、先ず毎分３０℃の昇温速度
で４００℃まで上昇させて脱ろうし、引き続き試料■の
場合と同一の条件で焼結したものであり、その圧環強度
は１９〜〆−２であった。

次に試料■の群は、試料■に示す従来の脱ろう条件の一
部を変えた、即ち脱ろつ温度を４００℃から７００℃に
高めたもので、温度が高いだけにその圧環強度も従来よ
り僅かに上昇しているが、しかし、とくに有意と認めら
れるほどではない。

次に試料■の群は、本発明と同じ〈従来方法の改良技術
として、本発明者が別途提案した脱ろう方法に基づく例
である。

この方法の従来方法との違いは、脱ろう工程が終始酸化
性雰囲気中で行なわれることと、脱ろう時の昇温速度を
毎分５０℃以上と従来の毎分１０〜３０℃に比べ高速に
したことであり、この改良により、２６〜メム２という
従来より著しく高い圧環強度が得られる。

但し、本発明による焼結材がこれより更に高強度を示す
ことは、前述の通りである。

なお、以上４種の試料にサイジングおよび含油を施して
軸受に仕上げ、軸受性能試験機にかけて比較試験をした
ところ、いずれもほぼ同等の特性を示し、格別の有意差
は認められなかった。

そこで更に実験を重ねて、本発明において圧環強度が顕
著に向上する限界条件を求めたところ、昇温速度は従来
同様に毎分１０〜３０℃でよく、要は脱ろ５温度な液相
の生じない温度範囲、即ち銅−錫系平衡状態図における
Ｌ−ε→η包晶温度（４１５℃）より高く液相発生温度
（γ＋Ｌの領域に接するγの固相線とε相の組成の延長
線との交点で、７１０℃に相当する）より低い範囲内と
して、この温度から酸化反応工程に移れば試料■に代表
される従来法よりも優れた結果が得られることが判明し
た。

以上の結果に明らかなように、本発明によれば従来品よ
り以上の高強度の軸受材が、また、強度は従来程度でよ
い場合にはより高含油率の軸受材が得られ、従って、本
発明は青銅系焼結含油軸受の適用範囲の拡大に大きく寄
与するものである。

さて、以上で本発明の構成およびその効果を詳述したが
、最後に、本発明による作用効果の原理について考察す
る。

先ず、粉末粒子間に潤滑剤が介在しない（即ち金型潤滑
法で成形された）成形体における、純然たる焼結現象に
のみ着目すれば、粉末の表面がある程度酸化されている
方が以後の焼結がより良く進行する。

これは、還元性雰囲気中での焼結の過程で酸化膜が還元
され、粒表面が活性にな−るためである。

従って、この意味からは、酸化性雰囲気中での予熱・脱
ろうに有利な点が認められるが、他方、この方式には次
のような不利な点がある。

即ち、酸化性雰囲気中での加熱により生成される酸化物
によって成形体の表面および内部の空孔が被覆される結
果、成形体内部からの潤滑剤の蒸発飛散が阻害され、さ
らに、潤滑剤組成中のカーボン物質がすす状になって残
留し、その結果、粉末相互の拡散焼結が十分に行なわれ
なくなる。

そしてこのマイナスの方が、活性化焼結によるプラスよ
り大きい。

これが従来、成形体の予熱・脱ろうを還元性の雰囲気中
で行なっている大きな理由である。

これに対して、本発明の説明に入る前に、先ず試料■に
示した改良方法の得失について触れる。

この方法は、予熱・脱ろうの全工程を酸化性雰囲気中で
、しかも毎分５０℃以上の高速で昇温させながら行なう
ことにより、先ず潤滑剤の脱ろうが先行し、その後に成
形体の酸化反応が進行するように両反応を制御し、もっ
て軸受特性を低下させずに高強度化を達成できたもので
あるが、しかしその反面、酸化性雰囲気下に液相を経る
ため組織および寸法変化が不安定になり易いこと、高速
で昇温させる必要上、とくに一連のメツシュベルト式炉
の場合など、炉体を改造して延長しなげればならないこ
となどの問題がある。

しかるに、本発明においては予熱・脱ろうの際の雰囲気
が還元性なので、潤滑剤の脱ろうが円滑に行なわれる。

また、この際の昇温速度も従来の標準速度でよく、従っ
て炉長その他に対する配慮も不必要である。

脱ろう完了後、成形体を酸化性雰囲気中に移してその表
面を酸化させるが、これが固相域である４１５〜７１０
’Ｃの温度範囲から行なわれるために、組織および寸
法変化への影響が防止されるものである。

かくして完全な脱ろうと活性化焼結の利用とが共に達成
され、その結果として従来法に比べて高強度の軸受材が
得られるものと考えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の焼結工程における熱履歴を示す温度一時
間特性図、第２図は本発明の焼結工程における熱履歴を
示す温度一時間特性図である。 ＡＩ・・・予熱・脱ろう工程、ＡＩＩ・・・酸化工程、
・・・本焼結工程。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 銅粉および錫粉等を原料として粉末冶金法により軸
   受材を製造する方法において、銅粉、錫粉および潤滑剤
   を所定の割合で混合して所定の形状に成形した後、還元
   性雰囲気中で銅−錫状態図におけるＬ十ε→η包晶温度
   （４１５℃）より高く液相発生温度（７１０℃）より低
   い温度範囲内に一定時間保持することにより前記潤滑剤
   を蒸発させて除去すると同時に仮焼結を行ない、次にこ
   の成形体を酸化性雰囲気中に数分間保持して固相状態で
   酸化反応を生じさせ、次いで還元性雰囲気中で液相焼結
   を行なうことを特徴とする青銅系焼結軸受材の製造法。 ２ 上記酸化性雰囲気として大気を用いることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の青銅系焼結軸受材の製
   造法。