CN101684536A - 铁系烧结轴承及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铁系烧结轴承及其制造方法。具有支撑轴外周面的轴承面的铁系烧结轴承,其中烧结合金的整体组成是按质量比计,Cu:2.0~9.0%、C:1.5~3.7%、余量:铁及不可避免的杂质,在轴承的内部,在按以面积率计铁素体为20~85%及余量为珠光体构成的铁合金相中,显示在与轴承的轴向交叉的方向上延伸的铜相、石墨相及气孔分散的金相组织,在轴承面上,铜相以8%~40%的面积率露出。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于马达的轴承或复印机等送纸辊轴的轴承等的合适的铁系烧结轴承及其制造方法,特别是涉及一种既能减少轴承的摩耗量又能降低旋转轴的摩耗量的技术。
背景技术
以往的轴承大都使用烧结合金制的轴承。由于烧结合金具有浸渍的润滑油的自润滑性,所以,防烧伤性(耐焼付き性)和耐摩耗性良好,得到广泛应用。例如在日本特开平11-117940号公报中,公开了一种在滑动面上设置有由Cu:10%~30%、余量:Fe组成的铁铜系烧结合金层的轴承。
然而,近年来,由于铜价暴涨,所以,在日本特开平11-117940号公报中记载的使用10%~30%铜的技术制造成本较贵,不实用。因此,以铁为主要成分的轴承的需求越来越高。然而,在以铁为主要成分的轴承的情况下,其缺点是,容易烧伤,并且,也容易损伤作为配对部件的旋转轴。特别是,在将没有进行热处理的硬度较低的旋转轴和以铁为主要成分的轴承组合使用的情况下,上述现象更为显著。
发明内容
因而,本发明的目的是提供一种具有优良的耐摩耗性,同时,具有与铁铜系烧结合金轴承等同的防烧伤性和对配对部件的冲击缓和性的铁系烧结合金轴承及其制造方法。
本发明提供一种具有支撑轴的外周面的轴承面的铁系烧结轴承,其特征在于,烧结合金的整体组成是按质量比计,Cu:2.0%~9.0%、C:1.5%~3.7%、余量:铁及不可避免的杂质,在轴承的内部,在按面积率计由铁素体为20%~85%及余量为珠光体构成的铁合金相中,显示在与轴承的轴向交叉的方向上延伸的铜相、石墨相及气孔分散的金相组织,在轴承面上,铜相以8%~40%的面积率露出。
另外,本发明提供一种铁系烧结轴承的制造方法,该方法是在由具有模孔的模头、配置在模孔内的心棒、以及可自由滑动地嵌合于模头的模孔和心棒外周的下冲头构成的模腔中填充原料粉末,将该原料粉末通过可自由滑动地嵌合于模头的模孔和心棒外周的上冲头与下冲头进行压粉成形,将所得到的压粉体进行烧结,其特征在于,在该制造方法中,原料粉末是将平均粒径为20~150μm的扁平状铜粉2.0~9.0质量%和平均粒径为40~80μm的石墨粉1.5~3.7质量%添加到铁粉中混合得到的,烧结温度为950℃~1030℃。
下面,说明本发明的数值限定的根据和本发明的作用。此外,在以下的说明中“%”表示质量%。
铜粉的粒径
在本发明的铁系烧结轴承的制造方法中,往原料粉末中混合扁平状的铜粉并填充到模腔中。然后,在原料粉末下落到模腔内时,铜粉被集中附在心棒上,铜粉处于紧贴在心棒上的状态。由此,与轴承内部比较,有滑动特性要求的轴承内径面上露出更多量的铜相。在本发明中,将Cu量的全部以扁平状的铜粉形式添加,由此,既能确保露出到轴承内径面上的铜相的量,也能降低轴承内部的Cu量。
填充含有扁平状铜粉的原料粉末时,虽然在心棒的周围铜粉在平行或接近平行的状态下取向,但是,在轴承内部,扁平状的铜粉向模腔内落下时容易在与轴承的轴向垂直的方向上取向。因此,在将原料粉末压缩成形、烧结之后,在轴承内部,铜相以与轴承的轴向垂直或接近垂直的状态延伸。
铜相与铁合金相相比强度虽然低,但铜相通过上述方式的分散,由于轴向的铜相的量减少,确保了对于轴向载荷的强度。为了得到以上的作用、效果,扁平状的铜粉粒径取20~150μm。当铜粉的粒径低于20μm时,存在于铁粒子之间的铜的比例过多,很难进行粒子之间的烧结。其结果是,轴承的强度降低,增大了轴承的摩耗量。另一方面,当铜粉的粒径超过150μm时,铜粉很难附着在心棒上,露出到轴承内径面上的铜相的面积率降低。其结果是,易于产生轴承的烧伤,同时,增大了旋转轴的摩耗量。此外,为了确保铜粉的扁平性,铜粉的粒子直径与厚度比最好是2.5~20。
铜粉的添加量
铜粉的添加量少时,露出到轴承内径面上的铜相的面积率降低。另一方面,铜粉的添加量多时,轴承的强度降低,增大了轴承的摩耗量。因此,铜粉的添加量为2.0%~9.0%。
石墨粉的粒径
采用上述扁平状的铜粉,虽然能确保露出到轴承内径面上的铜相的量,但是,在本发明中,还将石墨分散在铁合金相中形成游离石墨相。游离石墨相起固体润滑剂的作用,提高了滑动特性。因此,石墨粉的粒径过小时,C容易扩散到铁合金相中,珠光体的量增大,铁合金相的硬度增加。其结果是,滑动配对的旋转轴的摩耗量增大。并且,游离石墨相的量减少会导致滑动特性的降低。另一方面,石墨粉的粒径过大时,C难以向铁合金相中扩散,基体的强度降低,增大了轴承的摩耗量。此外,石墨的粒径过大时,由于阻碍金属粉之间的结合而降低材料强度,所以,轴承的摩耗量增大。因此,石墨粉末的平均粒径为40~80μm。
石墨粉的添加量
石墨粉末的添加量少时,铁合金相中的铁素体量增多,硬度变低,轴承的摩耗量增大。此外,降低了固体润滑效果。另一方面,石墨粉末的添加量多时,珠光体的量增加,导致铁合金相的硬度上升,同时,阻碍金属粉之间的结合从而降低材料强度,因此,会增大旋转轴和轴承的摩耗量。因此,石墨粉的添加量为1.5%~3.7%。
烧结温度
在本发明中,为了在铁合金相中形成石墨相,烧结温度很重要。当烧结温度低时,铁合金相中的铁素体量增多,硬度变低,轴承的摩耗量增大。另一方面,当烧结温度高时,珠光体的量增加,硬度增加,所以,在增大旋转轴摩耗量的同时,铁合金相的强度降低,轴承的摩耗量增大。因此,烧结温度为950℃~1030℃。
根据本发明,通过露出到轴承内径面上的铜相和石墨相,能得到具有优良的耐摩耗性,同时具有与铁铜系烧结合金轴承同等的防烧伤性和对配对部件的冲击缓和性等的效果。
附图说明
图1是本发明例子的轴承内径面的光学显微镜照片。
具体实施形式
(1)轴承的制造
下面,通过实施例更详细地说明本发明。
为了制造轴承的烧结合金,预备下述的原料粉末。
1、矿石还原铁粉(平均粒径:100μm)
2、铜箔粉
(平均粒径:10μm、20μm、50μm、100μm、150μm、200μm)
3、电解铜粉(平均粒径:50μm)
4、天然石墨粉(平均粒径:20μm、40μm、60μm、80μm、100μm)
5、硬脂酸锌
将这些粉末按整体组成如图1所示的比例配合,用混合机混合。此外,硬脂酸锌是为了成形时润滑而添加的物质,以除去硬脂酸锌的混合粉末为100%时,相对于全部混合粉末添加0.5%的硬脂酸锌。
表1
※平均粒径=长度方向的粒径的平均值
将上述混合粉末压缩成形为轴承的圆筒形状,进行烧结和精整(サィジング)。烧结是在氢气和氮气的混合气体中,在表1所示的温度下进行的,用通常的方法进行精整。轴承的密度为6.0Mg/m3,有效孔隙率为20%。然后,使润滑油(矿物油粘度等级ISO VG56)浸渍到轴承的气孔中,得到试样No.1~No.24。
(2)评价
对于上述试样,测定轴承内径面的铜相面积率、铁合金基体中的铁素体面积率、表观硬度(洛氏硬度)、径向强度(压環強さ)以及轴承和旋转轴的摩耗量。摩耗量的测定是将S45C制的旋转轴安装到置于水平的马达旋转轴上,将该旋转轴保持间隙地插入安装于壳体上的轴承中,在将垂直方向的载荷施加给壳体的状态下,使旋转轴转动来进行测定的。该试验的周围温度保持在80℃,旋转轴的转速为3000rpm,载荷表面压力为1MPa。轴承和旋转轴的摩耗量是试验前内径及外径尺寸与运转1000小时后的尺寸之差。以上结果示于表2中。
表2
如表2所示,在铜箔粉的添加量低于本发明范围的试样No.1中,由于轴承内径面中的铜相面积率减少,所以,旋转轴的摩耗增多。另外,在铜箔粉的添加量高于本发明范围的试样No.5中,由于轴承的强度降低,所以,增大了轴承的摩耗量。试样No.6虽然使用了电解铜粉作为添加的铜粉,但是,轴承和旋转轴双方的摩耗量都增大。认为这是因为轴承的内径面中铜相面积率变低,所以粘附到心棒上的铜粉的量减少的原因。与之相对地,在本发明例子的试样No.2~4中,旋转轴和轴承的摩耗量小。
在石墨粉的添加量低于本发明范围的试样No.7中,由于铁合金相中的铁素体面积率增大,基体硬度降低,表观硬度也降低,轴承的摩耗量增大。此外,由于游离石墨相的量减少会导致固体润滑性变差,所以,旋转轴的摩耗量也增大。另外,石墨粉的添加量增加时,由于铁合金相中的铁素体面积率降低,珠光体的面积率增加,表观硬度增加,轴承的摩耗量降低。另一方面,在石墨粉的添加量超过本发明范围的试样No.11中,石墨粉的添加量过多,妨碍铁粉之间的扩散,其结果是,虽然降低了表观硬度,但铁合金相中的珠光体的面积率增加,基体硬度变高,旋转轴的摩耗量增大,并且,由于轴承的径向强度(或强度)降低,所以,轴承的摩耗量也增大。与之相对地,在本发明例子的试样No.8~10中,旋转轴和轴承的摩耗量小。
在石墨粉的粒径低于本发明范围的试样No.12中,由于铁合金相中的珠光体的面积率增大,所以硬度增加,旋转轴的摩耗量增大。并且,旋转轴的摩耗粉起研磨材料的作用,结果轴承的摩耗量也大。在石墨粉的粒径超过本发明范围的试样No.15中,轴承的径向强度(或强度)降低,轴承的摩耗量增大。与之相对地,在本发明例子的试样No.13、14中,轴承和旋转轴的摩耗量小。
在铜箔粉的粒径低于本发明范围的试样No.16中,存在于铁粒子之间的铜比例过多,难于进行粒子之间的烧结,结果是,轴承的强度降低,轴承的摩耗量增大。在铜箔粉的粒径超过本发明范围的试样No.20中,铜粉难以附着在心棒上,露出到轴承内径面上的铜相的面积率降低,结果是,旋转轴的摩耗量增大。与之相对地,在本发明例子的试样No.17~19中,轴承和旋转轴的摩耗量小。
在烧结温度低于本发明范围的试样No.21中,铁合金相中的铁素体量增多,硬度变低,轴承的摩耗量增大。在烧结温度超过本发明范围的试样No.24中,由于珠光体的量增加,硬度增加,所以,旋转轴的摩耗量增大。与之相对地,在本发明例子的试样No.22、23中,轴承和旋转轴的摩耗量小。
(3)组织观察
图1是本发明例子的轴承内径面的SEM照片。如图1所示,在本发明例子的轴承内径面,铜相和石墨相分散在铁合金相中,铜相平行地配置在轴承内径面上。通过这样的铜相,轴承内径面的铜相面积率增大,上述滑动性能提高。
Claims (3)
1.铁系烧结轴承,其特征是,是具有支撑轴外周面的轴承面的铁系烧结轴承,烧结合金的整体组成是:
按质量比计,Cu:2.0%~9.0%、C:1.5%~3.7%、余量:铁及不可避免的杂质,
在轴承的内部,在按面积率计由铁素体为20%~85%及余量为珠光体构成的铁合金相中,显示在与轴承的轴向交叉的方向上延伸的铜相、石墨相及气孔分散的金相组织,
在所述轴承面上,铜相以8%~40%的面积率露出。
2.一种铁系烧结轴承的制造方法,其特征是,在由具有模孔的模头、配置在所述模孔内的心棒、以及可自由滑动地嵌合于所述模头的模孔和所述心棒外周的下冲头构成的模腔中填充原料粉末,将该原料粉末通过可自由滑动地嵌合于所述模头的模孔和心棒外周的上冲头与所述下冲头进行压粉成形,将得到的压粉体进行烧结,在该铁系烧结轴承的制造方法中,
所述原料粉末是将平均粒径为20~150μm的扁平状铜粉2.0~9.0质量%和平均粒径为40~80μm的石墨粉1.5~3.7质量%添加到铁粉中混合得到的粉末;
所述烧结温度为950℃~1030℃。
3.根据权利要求2记载的铁系烧结轴承的制造方法,其特征是,所述铜粉的粒径与厚度之比是2.5~20。
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