CN106402145A - 烧结轴承及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明目的在于提供一种削减铜的使用量而能够实现低成本化，另一方面具备良好的初期磨合特性、消音性且高耐久性的烧结轴承。将包含铁粉、扁平铜粉、低熔点金属粉和石墨的原料粉填充于模具中，以使扁平铜粉附着于模具成形面的状态成形压粉体。接着，通过使压粉体中的铁不与碳反应而烧结，得到具有以铁素体相形成铁组织且铜含量均匀的基体部S2，和覆盖基体部S2的表面且铜含量比基体部S2大的表面层S1的烧结轴承1。

Description

烧结轴承及其制造方法
本申请是申请号：201280045531.1，PCT申请号：PCT/JP2012/073848，申请日：2012.9.18，发明名称：“烧结轴承及其制造方法”的申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及含有烧结金属的烧结轴承及其制造方法。
背景技术
作为搭载于例如硬盘驱动器等信息设备的精密小型马达用轴承，有使用消音性优异的烧结轴承的情况。伴随着近年的马达的高性能化，在这种烧结轴承中要求将极限PV值提高至PV＞200MPa·m/min。另外，也同时需要削减扭矩变化(提高初期磨合特性)，提高耐久性(提高耐烧熔性)，提高消音性(改善声响特性)等。
作为烧结轴承，铁系烧结轴承是公知的，但在铁系中虽然耐久性优异，但是有初期磨合特性和消音性差这样的缺点。因此，作为精密小型马达用的轴承使用青铜系烧结轴承的情况居多。作为青铜系烧结含油轴承的一例，例如在日本特开2001－107162号公报(专利文献1)中公开了含有6～11重量％的Sn、1～5重量％的Fe和/或Ni，余量为铜的轴承(权利要求1)。
另外，在日本专利第3873275号(专利文献2)中公开了，使用铁系和铜系的原料粉末，并将铜系的原料粉末制成扁平粉，使铜在表面侧偏析，从表面侧朝向内部铜的比例变低并且铁的比例变高的滑动部件(权利要求1)。另外，通过将铜系的原料粉末和铁系的原料粉末填充于填充部并加以振动，使铜系的扁平粉在表面侧偏析，以得到表面侧被铜覆盖，从表面侧朝向内部铁比铜的比例变高的形成有浓度梯度的轴承(段落0028)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2001－107162号公报
专利文献2：日本专利第3873275号公报
发明内容
发明所要解决的课题
近年铜的价格急剧上升，如专利文献1中记载的包含大量的铜的青铜系烧结轴承无法达到低成本化的要求。另外，在青铜系烧结轴承中耐荷重性、耐久性存在困难。
另一方面，在专利文献2记载的构成中，由于对包含扁平粉和铜粉的原料粉施加振动，因此成形工序复杂化。另外，有“即使旋转体滑动的滑动面发生磨损，由于在滑动面之下按规定的比例包含铜，因此成为滑动部分的耐久性优异的构成”这样的记载(段落0029等)，由这样记载可以明确，是用铜抑制富含铜的表面层磨损后的对方材磨损的构成。在该构成中，如果想要使耐久性提高，则不得不增加铜的使用量，难以兼顾耐久性和低成本化。
因此，本发明目的在于提供一种削减铜的使用量而能够实现低成本化，另一方面具备良好的初期磨合特性、消音性且高耐久性的烧结轴承及其制造方法。
用于解决课题的方法
为了达到上述目的，本发明的烧结轴承的特征在于，为含有铁组织和铜组织的烧结轴承，其具备基体部和表面部：
所述基体部中，以低熔点金属结合铜组织和铁组织且以扁平铜粉形成铜组织的一部分或全部，同时以铁素体相为主体形成铁组织且铜含量是均匀的；所述表面层覆盖基体部的表面且铜含量比基体部大。
在原料粉的成形时扁平铜粉具有附着于模具成形面的性质，因此成形后的压粉体在表层包含大量的铜，而在芯部铜含量变少。因此，在烧结后的烧结体上形成铜含量多的表面层和与其相比铜含量少的基体部。
按照这样通过增多在表面层的铜含量，由此能够实现初期磨合性和消音性的提高。另外，对轴的攻击性也变低，因此耐久寿命提高。通过在表面层的表面形成以面积比计为60％以上的铜组织(铜为主要成分的组织)，能够更显著地得到这些作用效果。另外，由于表面层的磨损而露出了大量包含铁组织(铁为主要成分的组织)的基体部时，还由于铁组织以铁素体相为主体，因此即使铜含量少也能够减弱对轴的攻击性，增加耐久性。
另外，虽然基体部的铁组织以柔软的铁素体相为主体，但由于铁组织－铜组织、和铜组织之间用低熔点金属坚固地结合，所以基体部具有高强度。因此，能够使轴承整体强度增加，使耐荷重性提高。基体部占轴承的几乎全部的容积，若该基体部中的铜含量能够变少，则因此能够削减轴承整体中的铜的使用量而实现低成本化。
按照这样，本发明通过使轴承内中的铁和铜的分布最优化，并且不仅是铜组织，对铁组织的形态也加以考虑，由此兼顾提高耐久性和低成本化。根据本发明，由该构成能够低成本地得到兼具铁系烧结轴承和铜系烧结轴承(也包含铁铜系烧结轴承)两方的优点的烧结轴承。
在该烧结轴承中，若使铁不与碳反应而烧结，则能够仅以铁素体相形成铁组织。若按照这样以铁素体相形成铁组织，则在表面层发生磨损而露出基体部时，轴承面的耐磨损性降低。这种情况成为问题时，在烧结时通过使铁与碳反应，能够以铁素体相和存在于铁素体相的晶界的珠光体相形成铁组织。在该构成中，硬质的珠光体相补充了铁素体相的耐磨损性，因此能够抑制轴承面的磨损。另一方面，若碳扩散而珠光体的存在比例过剩，则对轴的攻击性增加，轴变得容易磨损。从该观点出发，使珠光体相为存在(散布)于铁素体相的晶界的程度(参照图12)。
通常若低熔点金属的含量增加，则轴承的强度相应增加。另一方面，扁平铜粉在Cu－Sn的液相状态下通过表面张力变圆而球形化。若球形化的扁平铜增多，则轴承表面中的铜组织所占的面积减少，不能够达到本发明的目的(初期磨合性·消音性的改善，对于对方材的攻击性降低)。从以上观点出发，低熔点金属相对于铜的的比例小于10重量％。
通过使金属组织中包含固体润滑剂，能够实现轴承面的低摩擦化。即便使金属组织中包含游离石墨也能够得到同样的效果。
若使游离石墨的含量在表面层比基体部大，能够进一步实现低摩擦化。
本发明的烧结轴承能够通过如下方法制造，即将包含铁粉、扁平铜粉和低熔点金属粉的原料粉混合并填充于模具内，以将扁平铜粉附着于模具表面的状态压缩原料粉而成形压粉体，并对压粉体进行烧结。
将原料粉填充于模具内，若以使扁平铜粉附着于模具成形面的状态成形压粉体，则在成形后的压粉体中表层包含大量的铜，而在芯部铜含量变少。因此，烧结后的烧结体上形成铜含量多的表面层和与其相比铜含量少的基体部。
在此情况下，若使压粉体中的铁不与碳反应而烧结，以铁素体相形成铁组织，则由于表面层的磨损而露出了大量包含铁组织(铁为主要成分的组织)的基体部时，由于铁组织为铁素体相，因此即使铜含量少也能够减弱对轴的攻击性，增加耐久性。
为了使压粉体中的铁不与碳反应而烧结，优选烧结温度为700℃～840℃。在此情况下，进一步优选在不含碳的气氛中烧结。
另一方面，如上所述，若铁组织仅由铁素体相形成，则在表面层发生磨损而露出了基体部时，存在轴承面的耐磨损性降低的情况。
在此情况下，通过使压粉体中的铁与碳反应的方式进行烧结，由此以铁素体相和存在于铁素体的晶界的珠光体相形成铁组织。
由此，铁组织成为铁素体相和存在于铁素体相的晶界的珠光体相的两相组织，硬质的珠光体相补充铁素体相的耐磨损性，因此能够抑制轴承面的磨损。另一方面，若碳扩散而珠光体的存在比例过剩，则对轴的攻击性增加，轴变得容易发生磨损。从该观点出发，使珠光体为存在(散布)于铁素体相的晶界的程度(参照图12)。
为了以压粉体中的铁与碳反应方式进行烧结，并以铁素体相和存在于铁素体的晶界的珠光体相形成铁组织，而优选烧结温度为820℃～900℃。在此情况下，进一步优选在含碳气氛中烧结。
若扁平铜粉的表观密度为1.0g/cm3以下、厚度为1.5μm以下、长度为20μm以上且80μm以下，则对模具成形面的附着力进一步提高，能够确实地形成铜含量多的表面层。
若原料粉中的扁平铜粉的比例为8重量％以上，则能够使充分量的扁平铜粉附着于模具成形面。
若作为铜粉仅使用扁平铜粉，则由于扁平铜粉的密度小，所以在压粉体的成形时难以变得坚固。因此，通过添加普通铜粉与扁平铜粉一起使用，能够提高压粉体的成形性。另外，为了使表面层磨损而露出了基体部时对轴的攻击性降低，基体部S2必须至少具有10重量％以上的铜组织。因此，铜粉的配合比例为二者的合计即18重量％以上。另一方面，若铜粉的比例超过40重量％，则基体部中的铁组织的含量不足招致强度降低。另外，若铜粉的使用量过剩，则由于使用扁平铜粉而变得缺乏成本优势。从以上观点出发，原料粉中的扁平铜粉和普通铜粉的比例为合计18重量％以上且40重量％以下。
通常若低熔点金属的含量增加则轴承的强度相应增加。另一方面，扁平铜粉在Cu－Sn的液相状态下因表面张力变圆而球形化。若球形化后的扁平铜增多，则轴承表面中的铜组织所占的面积减少，不能够达到本发明的目的(初期磨合性·消音性的改善，对于对方材的攻击性降低)。从以上观点出发，低熔点金属相对于铜的比例小于10重量％。
若使流体润滑剂附着于所述混合前的扁平铜粉，则扁平铜粉对模具成形面的附着力进一步提高。若该流体润滑剂相对于扁平铜粉的比例过少，则扁平铜粉对模具的附着力降低，模具成形面上的扁平铜粉的附着量变得不充分。另外，若过多则扁平铜粉彼此附着，产生凝集的问题。根据本发明人等的验证可以明确，若以相对于扁平铜粉按重量比计配合0.1重量％～0.8重量％，优选0.2重量％～0.7重量％的流体润滑剂，则能够消除以上问题。
作为流体润滑剂优选脂肪酸，特别是直链的饱和脂肪酸。该种脂肪酸用Cn－1H2n－ 1COOH的通式表示。本发明中，优选使用Cn为12～22的范围的脂肪酸。
通过在原料粉中添加石墨，能够实现轴承面的低摩擦化。在此情况下，若使用鳞状石墨则在原料粉的混合时，鳞状石墨与扁平铜粉变得容易附着，大量的石墨伴随扁平铜粉附着于模具成形面。在此情况下，在压粉体的表面不仅是铜，石墨的含量也增加，因此在实现轴承面的低摩擦化方面更有效。
另外，扁平铜粉的表观密度与原料粉末中包含的其它粉末相比相当小，因此同时混合包含扁平铜粉的各粉末难以在原料粉体中使扁平铜粉均匀地分散。因此，在烧结轴承的批量生产时每个轴承中扁平铜粉的含有比例不同，其结果是有可能轴承性能不稳定化。
为了解决该问题，在原料粉中添加箔状的固体润滑剂粉，期望将原料粉的混合分为混合扁平铜粉和所述固体润滑剂粉的一次混合和随后添加铁粉和低熔点金属粉并混合的二次混合来进行。
通常，扁平铜粉和箔状的固体润滑剂粉处于相互附着的倾向。因此，若在一次混合中预先混合扁平铜粉和箔状的固体润滑剂粉，则能够使扁平铜粉和固体润滑剂粉相互附着重叠为层状。由此，为了提高扁平铜粉的表观密度，即使在二次混合中添加铁粉和低熔点金属粉进行混合时，也能够使扁平铜粉在原料粉中均匀地分散。由此，能够使批量生产时每个烧结轴承中包含的扁平铜粉量均匀化，能够实现轴承性能的稳定化。作为箔状的固体润滑剂粉的一例，可以列举鳞状石墨。
若使所述一次混合前的扁平铜粉附着流体润滑剂，则扁平铜粉相对于箔状的固体润滑剂的附着力、进而相对于模具成形面的附着力提高。若该流体润滑剂相对于扁平铜粉的比例过少，则扁平铜粉相对于模具的附着力降低，模具成形面上的扁平铜粉的附着量不充分。另外，若过多则扁平铜粉彼此附着，产生凝集的问题。根据本发明人的验证可以明确，若以相对于扁平铜粉按重量比计配合0.1重量％～0.8重量％，优选0.2重量％～0.7重量％的流体润滑剂，则能够克服以上问题。
作为流体润滑剂优选脂肪酸，特别是直链的饱和脂肪酸。该种脂肪酸用Cn－1H2n－ 1COOH的通式表示。本发明中，期望使用Cn为12～22的范围的脂肪酸。
若仅使用扁平铜粉作为铜粉，则由于扁平铜粉的密度小，所以在压粉体的成形时难以变得坚固。因此，通过添加普通铜粉与扁平铜粉一起使用能够提高压粉体的成形性。通过在二次混合时添加、混合该普通铜粉，能够使其在原料粉体中均匀地分散。
发明效果
根据本发明，能够提供兼顾提高耐久性和削减铜的使用量所致的低成本化，且初期磨合特性、消音性也良好的烧结轴承。
附图说明
图1是烧结轴承的截面图。
图2上部是扁平铜粉的侧视图，下部是扁平铜粉的俯视图。
图3是表示相互附着的扁平铜粉和鳞状石墨的侧视图。
图4是表示利用模具进行压粉体的成形工序的截面图。
图5是图4中的区域Q的放大截面图。
图6是表示钢中的珠光体组织的组织图。
图7是图1中的区域P的放大截面图。
图8是表示轴承的半径方向的铜的含有率的图。
图9是表示初期磨合性的测定结果的图。
图10是表示极限PV值的测定结果的图。
图11是表示在轴承运转后产生于轴承的磨损量的测定结果的图。
图12是表示基体部的晶界组织的组织图。
图13是本发明的烧结轴承的成分表。
图14是表示本发明所述的烧结轴承的制造方法的流程图。
具体实施方式
下面，依据附图说明本发明的实施方式。
如图1所示，烧结轴承1形成为在内周具有轴承面1a的圆筒状。在烧结轴承1的内周插入由不锈钢等构成的轴2，若在该状态下使轴旋转或者使轴承1旋转，则保持于烧结轴承1的无数的孔隙中的润滑油伴随着温度上升，在轴承面1a渗出。利用该渗出了的润滑油，在轴的外周面和轴承面1a之间的轴承间隙形成油膜，轴2能够相对旋转地被轴承1支承。
本发明的轴承1通过如下形成，即将混合有各种粉末的原料粉填充于模具内，将其压缩并成形压粉体后烧结压粉体而形成。
原料粉是以铁粉、铜粉、低熔点金属粉和固体润滑剂粉为主要成分的混合粉末。在该混合粉末中可以根据需要添加各种成形助剂，例如用于提高脱模性的润滑剂(金属皂等)。下面对于烧结轴承的第一实施方式详细描述其原料粉末和制造步骤。
[铁粉]
作为铁粉可以广泛地使用还原铁粉、水雾化铁粉等的公知的粉末。在本实施方式中使用含油性优异的还原铁粉。还原铁粉虽然为大致球形但为不规则形状且呈多孔状，成为在表面具有微小凹凸的海绵状，由此被称为海绵铁粉。作为铁粉，使用粒度40μm～150μm、表观密度2.0～2.8g/cm3左右的铁粉。表观密度的定义依据JIS Z 8901的规定(以下相同)。此外，铁粉中包含的氧量为0.2重量％以下。
[铜粉]
作为铜粉，可以使用箔状的扁平铜粉和普通铜粉的两类。
扁平铜粉是通过将包含水雾化粉等的原料铜粉捣碎(Stamping)而使其扁平化而得到的物质。作为扁平铜粉主要使用长度L为20μm～80μm、厚度t为0.5μm～1.5μm(长厚比L/t＝13.3～160)的铜粉。在此所述的“长度”和“厚度”是指如图2所示的每个扁平铜粉3的几何学的最大尺寸。扁平铜粉的表观密度为1.0g/cm3以下。只要是以上的尺寸和表观密度的扁平铜粉，扁平铜粉相对于模具成形面的附着力提高，因此能够使大量的扁平铜粉附着于模具成形面。
作为普通铜粉可以广泛使用作为烧结轴承用而通用的球状、树枝状的铜粉，例如可以使用还原粉、电解粉、水雾化粉等。此外，也可以使用这些的混合粉。普通铜粉的粒度为20μm～100μm左右，表观密度为2.0～3.3g/cm3左右。作为铜粉，若仅使用扁平铜粉则由于扁平铜粉的密度小，所以在压粉体的成形时难以变得坚固，通过与普通铜粉一起使用，能够提高压粉体的成形性。此外，若没有特别的问题，可以不使用普通铜粉而仅使用扁平铜粉。因此，通过添加普通铜粉与扁平铜粉一起使用，能够提高压粉体的成形性。
[流体润滑剂]
为了使扁平铜粉附着于模具成形面，而预先使扁平铜粉附着有流体润滑剂。使该流体润滑剂在原料粉填充模具前附着于扁平铜粉即可，优选在原料粉的混合前，进一步优选在捣碎原料铜粉的阶段附着于原料铜粉。也可以在捣碎后且与其它原料粉体混合前向扁平铜粉供给流体润滑剂，用搅拌等手段使流体润滑剂附着于扁平铜粉。为了确保模具成形面上的扁平铜粉的附着量，流体润滑剂相对于扁平铜粉的配合比例以重量比计为0.1重量％以上，另外，为了防止由于扁平铜粉彼此的附着而凝集，配合比例为0.8重量％以下。优选配合比例的下限为0.2重量％以上，上限为0.7重量％。作为流体润滑剂优选脂肪酸，特别是直链饱和脂肪酸。该种脂肪酸用Cn－1H2n－1COOH的通式表示。作为该脂肪酸是Cn为12～22的范围的脂肪酸，例如可以使用硬脂酸作为具体例。
[低熔点金属粉]
低熔点金属粉是熔点比烧结温度低的金属粉，在本发明中使用熔点为700℃以下的金属粉，例如锡、锌、磷等粉末。其中优选烧结时的蒸腾少的锡。这些低熔点金属粉对铜具有高润湿性，因此通过配合于原料粉并进行液相烧结，由此铁组织和铜组织、铜组织彼此的结合强度得以强化。低熔点金属的配合量越增加则金属组织的强度越提高，如本发明所述，使用扁平铜粉时，若低熔点金属的量过多，则发生如上所述的扁平铜粉球形化，在轴承面的铜的面积降低的不良情况。在现有的铜系烧结轴承、铜铁系烧结轴承中，通常配合相对于铜的10重量％左右的低熔点金属，在本发明中根据上述的理由，低熔点金属相对于铜的比例以重量比计小于10重量％(优选8.0重量％以下)。
[固体润滑剂粉]
固体润滑剂粉是为了降低与轴2的滑动所致金属接触时的摩擦而添加的，例如使用石墨。此时，作为石墨期望使用鳞状石墨，以得到对扁平铜粉的附着性。作为固体润滑剂粉，除石墨以外也可以使用二硫化钼粉。二硫化钼粉具有层状结晶结构而以层状剥离，因此与鳞状石墨同样得到对扁平铜粉的附着性。
[配合比]
关于配合了上述各粉末的原料粉，期望配合18重量％以上且40重量％以下的铜粉、1重量％以上且4重量％以下的低熔点金属粉(例如锡粉)、0.5～2.5重量％的固体润滑剂粉(例如石墨粉)，余量为铁粉。
在本发明中如后所述，向模具填充原料粉时，使扁平铜粉层状地附着于模具中。若扁平铜在原料粉中的配合比例低于8重量％，则扁平铜对模具的附着量变得不充分，无法期待本申请发明的作用效果。另外，本实施方式如后所述，富铜的表层部S1(后述)由于磨损而消失时，通过以铁素体相αFe和铜组织构成作为轴承面的基体部S2的表面，使对轴的攻击性降低，但为了得到该效果，基体部S2需要至少具有10重量％以上的铜组织。因此，铜粉的配合比例为二者的合计即18重量％以上。另一方面，若铜粉的比例超过40重量％，则基体部中的铁组织的含量不足，招致强度降低。另外，若铜粉的使用量过剩，则由于使用扁平铜粉而变得缺乏成本优势。根据以上，原料粉中的铜粉的配合量为18重量％以上且40重量％以下。另外，扁平铜粉在原料粉中的配合量为8重量％以上且40重量％以下，优选8重量％以上且20重量％以下。优选20重量％以下的理由如下，扁平铜粉对模具的附着量在20重量％左右饱和，即使将配合量增加至其以上，也由于使用高成本的扁平铜粉而出现成本提高的问题。
若低熔点金属粉的比例低于1重量％，则不能够确保轴承的强度，若超过4重量％，则发生如上所述的扁平铜粉的球形化的问题。另外，若固体润滑剂粉的比例低于0.5重量％，则不能得到轴承面的摩擦降低效果，若超过2.5重量％则招致强度降低等。根据以上，低熔点金属粉配合1重量％以上且4重量％以下，固体润滑剂粉配合0.5～2.5重量％。此外如上所述，期望低熔点金属粉相对于铜粉的配合比例小于10重量％(优选8重量％以下)。
上述的各种原料粉末的配合比中特别优选的比例示于图13中。如图所示特别优选普通铜粉为8重量％以上且12重量％以下，扁平铜粉为10重量％以上且15重量％以下，低熔点金属粉为1.0重量％以上且2.0重量％以下，固体润滑剂粉为0.6重量％以上且1.0重量％以下。
[混合]
优选以上叙述的各粉末的混合分成2次进行。首先，作为一次混合，用公知的混合机混合鳞状石墨粉和预先附着有流体润滑剂的扁平铜粉。接着，作为二次混合，在一次混合粉中添加铁粉、普通铜粉和低熔点金属粉并混合，进一步根据需要添加、混合石墨粉。扁平铜粉在各种原料粉末的中表观密度低，因此难以在原料粉中均匀分散，但是若在一次混合中预先混合表观密度相同水平的扁平铜粉和石墨粉，通过附着于扁平铜粉的流体润滑剂等，如图3所示，扁平铜粉3和石墨粉4相互附着重叠成层状，扁平铜粉的表观密度提高。因此，在二次混合时能够使扁平铜粉均匀分散于原料粉末中。在一次混合时，如果另外添加润滑剂，则进一步促进扁平铜粉和石墨粉的附着，因此在二次混合时能够使扁平铜粉更均匀地分散。作为在此添加的润滑剂，除与上述流体润滑剂相同或不同的流体状润滑剂以外，也可以使用粉末状的润滑剂。例如上述的金属皂等成形助剂虽然通常为粉状，但是具有一定程度的附着力，因此能够进一步促进扁平铜粉和石墨粉的附着。
图3中表示的扁平铜粉3和鳞状石墨粉4的附着状态在二次混合后也以某种程度被保持，因此将原料粉末填充于模具时，在模具表面附着扁平铜粉，同时附着较多的石墨粉。
[成形]
二次混合后的原料粉末供给至成形机的模具6。如图4所示，模具6由冲芯6a、模头6b、上冲头6c和下冲头6d构成，在由此划分的空腔内填充原料粉末。若使上下冲头6c、6d接近而压缩原料粉体，则原料粉末利用由冲芯6a的外周面、模头6b的内周面、上冲头6c的端面和下冲头6d的端面构成的成形面而成形，得到圆筒状的压粉体9。
在原料粉体中的金属粉的中，扁平铜粉3的表观密度最小。另外，扁平铜粉3为具有上述长度L和厚度t的箔状，每单位重量的宽幅面的面积大。因此，扁平铜粉容易受到附着于其表面的流体润滑剂所致的附着力、进而库仑力等的影响，向模具6填充原料粉后，如图5中放大所示，扁平铜粉3以其宽幅面朝向成形面61，且成为多层(1层～3层左右)重叠的层状而附着于成形面61的整个区域。此时，附着于扁平铜粉3的鳞状石墨也伴随扁平铜粉3附着于模具的成形面61(图5中省略石墨的图示)。另一方面，在扁平铜3的层状组织的内侧区域(成为空腔中心侧的区域)中，铁粉(Fe)、普通铜粉(Cu)和低熔点金属粉(Sn)成为大致均匀分散的状态。成形后的压粉体9大致直接保持着这种各粉末的分布状态。
[烧结]
然后利用烧结炉烧结压粉体9。烧结条件为石墨中包含的碳与铁不反应(碳不扩散)的条件。在铁―碳的平衡状态下在723℃存在相变点，超过该温度则铁与碳开始反应，如图6所示，在钢组织中产生珠光体相γFe，但在烧结中从超过900℃起，碳(石墨)与铁的反应开始，产生珠光体相γFe。珠光体相γFe是坚硬的组织(HV300以上)，对于对方材的攻击性强，因此若过剩地析出珠光体相则有可能使轴2的磨损进一步发生。
另外，在现有的烧结轴承的制造工序中，作为烧结气氛多使用液化石油气(丁烷、丙烷等)与空气混合，并且用Ni催化剂热分解的吸热型气体(RX气体)。但是，在吸热型气体(RX气体)中碳扩散有可能使表面硬化，产生同样的问题。
从以上的观点出发，在本发明中，烧结为900℃以下的低温烧结，具体为700℃(优选760℃)～840℃的烧结温度。另外，烧结气氛为不含碳的气体气氛(氢气、氮气、氩气等)或真空。通过这些对应方法，在原料粉中碳与铁不发生反应，因此烧结后的铁组织全部为柔软的铁素体相αFe(HV200以下)。伴随着烧结上述流体润滑剂、其它润滑剂、各种成形助剂从烧结体内部挥发。
通过经过以上所述的烧结工序能够得到多孔的烧结体。对该烧结体实施上胶，进一步通过用真空浸渗等手法使润滑油浸渗，完成图示中所示的烧结轴承1。如上所述，在烧结时碳与铁不反应，通过使铁组织成为柔软的铁素体相，由此在上胶时烧结体容易产生塑性流动，可以进行高精度的上胶。此外根据用途还可以省略润滑油的浸渗工序，制成在不供给油的状态下使用的烧结轴承1。
以上的制作工序的流程图如图14所示。在图7中示意性地图示出经过该制作工序的烧结轴承1的表面附近(图1中的区域P)的金属组织。此外在图7中对铜组织标记剖面线，对石墨标记散点图案。
如图7所示，在本发明的烧结轴承1中，以使扁平铜3层状地附着于模具成形面61后的状态成形为压粉体9，并且烧结有该层状扁平铜3，由此在包含轴承1的轴承面1a的表面整体形成铜浓度高的表面层S1。并且也存在扁平铜3的宽幅面附着于成形面61的情况，表面层S1的铜组织的多数为扁平状，且以其宽幅面朝向表面的状态取向。表面层S1的厚度与层状地附着于模具成形面61的扁平铜的厚度相当，大概为1μm～6μm左右。在表面层S1的任意截面中，铜组织的面积比铁组织的面积大，具体是60％以上为铜组织。
比表面层S1更内侧的基体部S2基本上被表面层S1覆盖。如图8所示，基体部S2中的铜含量比表面层S1中的铜含量少，从表面层S1向基体部S2过渡时铜含量急剧降低。另外，基体部S2的各部分的铜含量(重量％)在各部分达到均匀。
由以上的构成，在包含轴承面1a的表面层S1的表面整体，铜组织相对于铁组织的的面积比为60％以上。因此能够使烧结轴承1的初期磨合性和消音性提高。另外，轴承1中包含的铁组织全部为铁素体相αFe，因此即使表面层S1发生磨损而基体部S2的铁组织显露于表面，也能够使轴承面柔软化，能够减弱对轴2的攻击性。
另一方面，表面层S1的内侧的基体部S2成为与表面相S1相比铜含量少且铁含量多的硬质组织。按照这样，在占轴承1的几乎全部的基体部S2中铁含量变多，因此能够削减轴承1整体中的铜的使用量，与铜系烧结轴承相比能够达到大幅的低成本化。进而，表面层S1因与轴2的滑动而发生磨损，即使在轴承面1a显露大量包含铁组织的基体部S2时，由于铁组织为铁素体相αFe，因此即便是减少了铜含量的状态也能够减弱对轴2的攻击性，能够确保作为轴承的耐久性。只要基体部S2中的铜组织的含量至少10重量％以上就可以充分地得到该耐久性。
这样一来在本发明中使用扁平铜粉，通过使其以附着于模具成形面61的状态成形压粉体，由此提高表面层S1中的铜含量并且提高除表面层S1以外的铁含量，实现铜组织和铁组织的最适宜分布。另外，通过有意地使铁组织为铁素体相αFe，由此也实现了抑制富铜的表面层S1发生磨损时的轴2的磨损。因此，可以兼顾提高耐久性和削减铜的使用量所致的低成本化。
此外，在包含轴承面1a的表面整体析出游离石墨，并且以伴随扁平铜粉3的方式使鳞状石墨附着于模具成形面61，因此表面层S1中的游离石墨的含有率高。因此，能够使轴承面1a低摩擦化，能够增加轴承1的耐久性。另外，在表面层S1和基体部S2二者中，用低熔点金属使铜组织和铁组织结合，在铜组织和铁组织之间以及铜组织彼此之间能够得到高的结合强度。因此，与现有的青铜系烧结轴承相比，轴承1整体的强度增加且耐久性也提高。还有，极限PV值也能够达到PV＞200MPa·m/min，即使在这样的使用条件下也达到低摩擦，相信今后能够应对进一步的负载容量的增大、高速旋转化。因此，根据本发明能够得到仅具有青铜系轴承和铁系烧结轴承(或铁铜烧结轴承)两方的优势的烧结轴承。
为了确认本发明起到上述作用效果，在本发明制品和现有的青铜系烧结轴承及铜铁系烧结轴承之间分别对初期磨合性、极限PV值和磨损量进行比较试验。
比较试验中的各轴承的组成(重量比)如下。
本发明制品…铁：80.2％、铜：18.0％(扁平铜粉8％)、锡：1.0％、石墨0.8％
青铜系轴承…铜：88.8％、锡：9.9％、石墨：1.3％
铜铁系烧结轴承…铁：77.2％、铜：20.0％、锡：2.0％、石墨0.8％
另外，各试验条件如下。
[初期磨合性测定试验]
·圆周速度：38m/min
·荷重：1.1MPa
·轴规格：SUS420J2(HRC55)
·轴承尺寸：6×12×6(依次以毫米单位表示内径的直径尺寸、外径的直径尺寸、长度。以下相同。)
·运转间隙：0.020mm
·温度：常温
[极限PV值测定试验]
·轴规格：SUS420J2(HRC55)
·轴承尺寸：6×12×6
·运转间隙：0.020mm
·温度：常温
[磨损量测定试验]
·圆周速度：38～75m/min
·荷重：0.7～4.0MPa
·轴规格：SUS420J2(HRC55)
·轴承尺寸：6×12×6
·运转间隙：0.020mm
·温度：常温
·时间：8小时
在图9中表示初期磨合特性测定试验的结果，在图10中表示极限PV值测定试验的结果，在图11中表示磨损量试验的结果。
由图9可以判断，在本发明制品中，即使铜的配合比例为上述下限值时，从运转刚开始后不久即为低摩擦，与铜铁系相比良好，具有与青铜系轴承同等或更加良好的初期磨合性。另外，由图10可以明确，即使PV值超过200MPa·m/min也能充分地低摩擦，能够实用至500MPa·m/min左右的PV值。还有，由图11可以明确本发明制品的磨损量少，具有与青铜系、还有铜铁系同等以上的耐久性。
[其它实施方式]
在以上叙述的第一实施方式中，全部由柔软的铁素体相形成铁组织，但在该构成中，由于轴承的使用条件(例如在高表面压力使用时)等，表面层发生磨损而露出了基体部时存在轴承面的耐磨损性不充分的情况。
在此情况下，若使铁组织为铁素体相和珠光体相的两相组织，则硬质的珠光体相有助于耐磨损性的提高，能够抑制在高表面压力下的轴承面的磨损，而提高轴承寿命(第二实施方式)。如图6所示，通过碳扩散，若珠光体γFe的存在比例过剩，并达到与铁素体αFe同等水平的比例，则珠光体所致的对轴的攻击性显著增加而轴容易磨损。为了防止这种情况，如图12所示，珠光体相(γFe)被抑制至存在(散布)于铁素体相(αFe)的晶界的程度。在此所谓的“晶界”是指除形成于铁素体相之间、铁素体相和其它粒子之间的晶界以外，也表示铁素体相(αFe)中的结晶晶界10的两方。在图12中，用γFe1表示存在于前者的晶界的珠光体相，用γFe2表示存在于后者的晶界的珠光体相。期望在基体部S2的任意截面中珠光体相γFe(γFe1+γFe2)相对于铁素体相αFe的比例以面积比计为5～20％。
珠光体的成长速度主要依赖于烧结温度。因此在上述方式中，为了使珠光体相存在于铁素体相的晶界，与第一实施方式相比提高烧结温度至820℃～900℃左右(参照图14)，且作为炉内气氛使用包含碳的气体、例如天然气体、吸热型气体(RX气体)进行烧结。由此，在烧结时包含于气体的碳向铁扩散，能够形成珠光体相γFe。此外，若用超过900℃的温度进行烧结，则石墨粉中的碳与铁反应。除此以外的构成，例如原料粉体的组成、制造步骤等与第一实施方式是共通的，在此省略重复说明。
此外，在以上的说明中例示了本发明适用于轴承面1a为正圆形的正圆轴承的情况，但本发明并不限于正圆轴承，也同样能够适用于在轴承面1a、轴2的外周面设置有人字形槽、螺旋槽等动压发生部的流体动压轴承。
符号说明
1 轴承
1a 轴承面
2 轴
3 扁平铜粉
4 鳞状石墨
6 模具
9 压粉体
10 结晶晶界
61 成形面
L 扁平粉的长度
t 扁平粉的宽度

Claims (28)

1.一种烧结轴承，其特征在于，是含有铁组织、铜组织和游离石墨的烧结轴承，其具备基体部和表面层：
所述基体部中，以低熔点金属结合铜组织和铁组织、且以普通铜粉和扁平铜粉形成铜组织，以铁素体相为主体形成铁组织，使珠光体相散布于铁素体相的晶界，且铜含量为均匀的；
所述表面层覆盖基体部的表面且铜含量比基体部大，
原料粉中的普通铜粉和扁平铜粉的比例为18重量％以上且40重量％以下。
2.一种烧结轴承，其特征在于，是含有铁组织、铜组织和游离石墨的烧结轴承，其具备基体部和表面层：
所述基体部中，以低熔点金属结合铜组织和铁组织、且以普通铜粉和扁平铜粉形成铜组织，同时以铁素体相形成了铁组织，且铜含量为均匀的；
所述表面层覆盖基体部的表面且铜含量比基体部大，
原料粉中的普通铜粉和扁平铜粉的比例为18重量％以上且40重量％以下。
3.根据权利要求1或2所述的烧结轴承，其中，在表面层的轴承面形成铜组织和铁组织，在轴承面形成以面积比计为60％以上的铜组织。
4.根据权利要求1或2所述的烧结轴承，其中，低熔点金属相对于铜的比例以重量比计小于10％。
5.根据权利要求1或2所述的烧结轴承，其中，游离石墨的含量在表面层比基体部大。
6.根据权利要求2所述的烧结轴承，其中，铁组织中的珠光体相相对于铁素体相的比例以面积比计为5～20％。
7.一种烧结轴承的制造方法，其特征在于，将包含铁粉、普通铜粉、扁平铜粉、石墨粉和低熔点金属粉的原料粉混合并填充于模具，以使扁平铜粉附着于模具表面的状态压缩原料粉而成形压粉体，并对压粉体进行烧结，从而形成铜含量均匀的基体部、和覆盖基体部的表面且铜含量比基体部大的表面层，
原料粉中的普通铜粉和扁平铜粉的比例为18重量％以上且40重量％以下，
通过使压粉体中的铁不与石墨粉中的碳反应，而与气氛气体中所含的碳反应而烧结，由此以铁素体相和散布于铁素体相的晶界的珠光体相形成铁组织。
8.根据权利要求7所述的烧结轴承的制造方法，其中，烧结温度为820℃～900℃。
9.根据权利要求7所述的烧结轴承的制造方法，其中，扁平铜粉的表观密度为1.0g/cm3以下，厚度为1.5μm以下，长度为20μm以上且80μm以下。
10.根据权利要求7所述的烧结轴承的制造方法，其中，低熔点金属相对于铜的比例以重量比计小于10％。
11.根据权利要求7所述的烧结轴承的制造方法，其中，使流体润滑剂附着于混合前的扁平铜粉。
12.根据权利要求7所述的烧结轴承的制造方法，其中，作为石墨使用鳞状石墨。
13.根据权利要求7所述的烧结轴承的制造方法，其中，在原料粉中添加箔状的石墨粉，且将原料粉的混合分为混合扁平铜粉和所述石墨粉的一次混合、和随后添加铁粉、普通铜粉和低熔点金属粉并混合的二次混合来进行。
14.根据权利要求7所述的烧结轴承的制造方法，其中，铁组织中的珠光体相相对于铁素体相的比例以面积比计为5～20％。
15.一种烧结轴承的制造方法，其特征在于，将包含铁粉、普通铜粉、扁平铜粉、石墨粉和低熔点金属粉的原料粉混合并填充于模具，以使扁平铜粉附着于模具表面的状态压缩原料粉而成形压粉体，并对压粉体进行烧结，从而形成铜含量均匀的基体部、和覆盖基体部的表面且铜含量比基体部大的表面层，
原料粉中的普通铜粉和扁平铜粉的比例为18重量％以上且40重量％以下，
通过使压粉体中的铁不与碳反应而烧结，由此以铁素体相形成铁组织。
16.根据权利要求15所述的烧结轴承的制造方法，其中，烧结温度为700℃～840℃。
17.根据权利要求15所述的烧结轴承的制造方法，其中，在不含碳的气氛下进行烧结。
18.根据权利要求15所述的烧结轴承的制造方法，其中，扁平铜粉的表观密度为1.0g/cm3以下，厚度为1.5μm以下，长度为20μm以上且80μm以下。
19.根据权利要求15所述的烧结轴承的制造方法，其中，低熔点金属相对于铜的比例以重量比计小于10％。
20.根据权利要求15所述的烧结轴承的制造方法，其中，使流体润滑剂附着于混合前的扁平铜粉。
21.根据权利要求20所述的烧结轴承的制造方法，其中，使相对于扁平铜粉以重量比计为0.1～0.8重量％的流体润滑剂附着于所述混合前的扁平铜粉。
22.根据权利要求21所述的烧结轴承的制造方法，其中，使用脂肪酸作为流体润滑剂。
23.根据权利要求15所述的烧结轴承的制造方法，其中，作为石墨使用鳞状石墨。
24.根据权利要求15所述的烧结轴承的制造方法，其中，在原料粉中添加箔状的石墨粉，且将原料粉的混合分为混合扁平铜粉和所述石墨粉的一次混合、和随后添加铁粉、普通铜粉和低熔点金属粉并混合的二次混合来进行。
25.根据权利要求24所述的烧结轴承的制造方法，其中，使流体润滑剂附着于一次混合前的扁平铜粉。
26.根据权利要求25所述的烧结轴承的制造方法，其中，使相对于扁平铜粉以重量比计为0.1～0.8重量％的流体润滑剂附着于所述一次混合前的扁平铜粉。
27.根据权利要求26所述的烧结轴承的制造方法，其中，使用脂肪酸作为流体润滑剂。
28.根据权利要求7或15所述的烧结轴承的制造方法，其中，在表面层的轴承面形成铜组织和铁组织，在轴承面形成以面积比计为60％以上的铜组织。
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