CN108431436B - 烧结含油轴承及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种烧结含油轴承，其在轴(11)所插入的轴承孔(2)的内周面上，相邻形成有支撑轴(11)的外周面的滑动面(3)和以轴承孔(2)的轴心为中心的螺旋状的供油面(4)，并且滑动面(3)上的表面开口率为10％以下，供油面(4)的表面开口率超过10％。由此，本发明对滑动面(3)供给足够量的油，并且抑制被供给的油从滑动面(3)移动到内部，从而能够实现低摩擦系数化，并能够提高作为轴承的滑动特性。

Description

烧结含油轴承及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种在内部浸渗润滑油而能够顺利地进行润滑的烧结含油轴承及其制造方法。
本申请主张基于2015年12月25日申请的日本专利申请2015-254810号的优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
烧结含油轴承在气孔内浸渗润滑油的状态下而被使用，若轴进行起动，则在轴与轴承的滑动面之间润滑油从内部渗出，伴随轴的旋转，在所述润滑油上产生压力而支撑轴。根据这种润滑特性，无需供油便能够长时间使用，因此作为车载用马达的轴承等轴承被广泛利用。
这种烧结含油轴承中，为了在滑动面的润滑油上适当地产生压力而采用密封气孔的一部分，或者减小轴承内部的气孔而增加润滑油的流路阻力，并减少来自滑动面的润滑油的泄漏等方法。
例如在专利文献1中公开了以下方法：当对烧结前的压坯进行成型时，使用在外周面的一部分沿轴方向形成有表面粗糙度比其他部分大的粗糙部的杆而成型成为轴承孔的贯通孔，由此压扁与粗糙部接触的贯通孔的内周面的空穴，之后，对压坯进行烧结而制造烧结含油轴承。该烧结含油轴承中，在轴承孔中由经压扁空穴的部分的内周面来支撑轴，使油从除了经压扁的部分以外的内周面渗出，从而供给到经压扁空穴的部分的内周面。
该情况下，粗糙部形成为沿杆的轴方向的带状，在粉末的压缩成型时，空穴周围的部分被杆的粗糙部按压，并在空穴内塑性流动而压扁。并且记载为如下：与所述粗糙部接触的部分稍微突出形成，并通过此后的尺寸加工而被按压成为与轴承孔的内周面同一水平面。
另一方面，在专利文献2中公开了一种烧结含油轴承，该烧结含油轴承在轴承孔内周面上，沿圆周方向形成多个成为滑动面的阶梯部，以便在彼此相邻的阶梯部之间的槽部底面与轴之间形成空隙，并将所述阶梯部的滑动面上的通气度形成为比轴承孔内周面上的通气度小。该情况下，阶梯部的滑动面的通气度设定为3×10-10cm2，槽部底面的通气度设定为30×10-10cm2，阶梯部的高度设定为0.02mm，作为减小所述阶梯部中的滑动面的通气度的方法，可以举出通过填缝、电镀或涂层而进行的封孔。并记载为如下：在该烧结含油轴承中，阶梯部的滑动面与轴接触，通气度大的槽部的底面不与轴接触，因此能够确保从该槽部吸入和吐出一定的油，并且，在由槽部和轴包围的空隙中能够产生动压。
专利文献1：日本专利公开平4-307111号公报
专利文献2：日本专利公开平5-115146号公报
专利文献1中未记载有关通过粗糙部而成型的面和除此以外的面的具体的通气度，但若为专利文献2所记载的通气度的程度，则在高速旋转等中，难以作为轴承在工作中供给足够的油且抑制来自滑动面的油的泄漏，并有可能产生粘砂等。
发明内容
本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于对滑动面供给足够量的油，并且抑制被供给的油从滑动面移动到内部，从而实现低摩擦系数化，并提高作为轴承的滑动特性。
本发明的烧结含油轴承在轴所插入的轴承孔的内周面上，相邻形成有支撑所述轴的外周面的滑动面和供油面，所述滑动面上的表面开口率为10％以下，所述供油面的表面开口率超过10％。
该烧结含油轴承由于油从供油面渗出并引导至轴与滑动面之间，且在滑动面上表面开口率为10％以下，因此在与轴之间形成油膜，从而能够减小摩擦阻力。该情况下，若支撑轴的滑动面的表面开口率超过10％，则导致无法保持油，使油流入到轴承内部，因此轴与滑动面之间的油膜减少，有可能产生粘砂。若供油面的表面开口率为10％以下，则难以从内部充分地供给油。另外，表面开口率为表面的面积比率。
在本发明的烧结含油轴承中，所述供油面可以形成为以所述轴承孔的轴心为中心的螺旋状。
插入到轴承孔内的轴上通常沿径向被施加负载，因此偏向轴承孔的一方向。由于供油面形成为螺旋状，因此螺旋的方向与轴心的方向交叉。因此能够设为始终由滑动面支撑轴的状态，并能够可靠地支撑轴。
在本发明的烧结含油轴承中，在所述轴承孔的两端部的内周面上遍及其整周可以形成有所述滑动面。
在轴承孔的两端部，若以穿过轴承两端的方式形成有供油面，则油从该供油面向轴承的两端泄漏，因此油对滑动面的供给减少相应的量。在本发明中，由于遍及轴承孔两端部的内周面的整周形成有滑动面，因此油不会泄漏到轴承的两端，从而能够有效地将来自供油面的油供给到滑动面。
在本发明的烧结含油轴承中，在将所述轴承孔的长度设为b，将相对于所述轴心的所述供油面的螺旋角度设为θ，将所述供油面的宽度设为W，将所述滑动面的面积比率设为a时，sinθ≥(W/((1-a)×b))，a可以为0.4以上且小于1.0。
通过设定为满足该式的尺寸，即使轴接触到轴承孔的内周面的任何位置，也在轴承孔长度的(a×100)％的范围内与滑动面进行接触，因此能够稳定地支撑轴。另外，滑动面的面积比率是相对于轴承孔的内周面整体面积的滑动面的面积比率。
本发明的烧结含油轴承的制造方法具有：压坯成型工序，在模具的冲模板与芯棒之间的筒状空间内填充原料粉末并进行加压，从而成型压坯；烧结工序，对所述压坯进行烧结；矫正工序，将烧结后的压坯的内周面及外周面进行矫正；及供油面赋予工序，在矫正后的压坯的内周面上形成所述供油面，在所述压坯成型工序中，作为所述原料粉末，混合并填充扁平状粉末和粒状粉末，并且在使所述扁平状粉末不均匀存在于所述芯棒的外周面上的状态下进行加压，在所述矫正工序中，通过使所述压坯的内周面塑性流动而减小该内周面的表面开口率，从而形成致密层，在所述供油面赋予工序中，去除所述致密层而形成所述供油面。
作为供油面赋予工序，有切削加工、拉削加工及蚀刻等。在矫正工序的拉拔时，也可以与矫正工序同时进行拉削加工等。
在混入到原料粉末中的扁平状粉末不均匀存在于芯棒的外周面上的状态下成型压坯，由此能够得到内周面的表面开口率小的压坯，并通过使该压坯的内周面进一步在矫正工序中塑性流动而压扁内周面的空穴，从而能够形成表面开口率更小的致密层。而且，在供油面赋予工序中，通过去除该致密层来露出内部，能够增大该露出部分的表面开口率。
根据本发明，油从表面开口率超过10％的供油面渗出，并引导至表面开口率为10％以下的滑动面与轴之间，在与轴之间能够形成油膜，能够对滑动面供给足够量的油，并且抑制被供给的油从滑动面移动到内部，从而实现低摩擦系数化，并提高作为轴承的滑动特性。
附图说明
图1是本发明的一实施方式的烧结含油轴承中的轴承孔的内周面附近的剖面示意图，图1的(a)表示供油面加工前的状态，图1的(b)表示供油面加工后的状态。
图2的(a)是示意性地表示一实施方式的烧结含油轴承的供油面的螺旋形状的透视图，图2的(b)是沿图(a)的A-A观察轴承孔的内周面的剖面图。
图3是表示一实施方式的烧结含油轴承的制造方法的工序图。
图4是示意性地表示在成型模具内填充了原料粉末的状态的纵剖面图。
图5是示意性地表示将烧结体填充到矫正模具中的状态的纵剖面图。
具体实施方式
以下，对本发明的烧结含油轴承的实施方式进行说明。
该烧结含油轴承1为由金属粉末的烧结体形成的筒状轴承，如图2所示，在其轴承孔2的内周面上相邻形成有支撑轴11的外周面的滑动面3和在与轴11的外周面之间形成间隙的凹部4。在本实施方式中，为了形成供油面而加工了凹部4，该凹部4的内表面成为供油面，但也可以通过除了凹部加工以外的方法来形成供油面。
轴承孔2旋转自如地支撑所插入的轴11，并形成为比轴11的外径稍微大的内径，例如相对于外径为1mm以上且30mm以下的轴11以0.005mm以上且0.05mm以下的间隙形成。并且，形成于轴承孔2的内周面上的凹部(供油面)4除了轴承孔2的两端部以外，以恒定的宽度W且以轴心为中心的螺旋状形成有多条。该凹部(供油面)4形成为宽度W为0.3mm以上且4.0mm以下、且深度d为0.01mm以上且0.2mm以下。
而且，在轴承孔2的内周面中，除了该凹部(供油面)4以外的表面设为支撑轴11的滑动面3。该烧结含油轴承1由金属粉末的烧结体形成，因此内部形成有空穴6，并且表面开有空穴6。该情况下，由于滑动面3由致密的层(致密层)7形成，因此空穴6的表面开口率在滑动面3和凹部(供油面)4上不同，在滑动面3上为10％以下，在凹部4的底面超过10％。即，滑动面3上的表面开口率优选为5％以下，更优选为3％以下。该表面开口率为轴承孔2的内周面上的每单位面积的空穴6的开口部的面积比率。
并且，赋予内周面的凹部(供油面)4在将内周面上的滑动面的面积比率设为a，将相对于轴承孔2的轴心的螺旋的角度(螺旋角度)设为θ，且将轴承孔2的长度设为b时，sinθ≥(W/((1-a)×b))，并且滑动面的面积比率a为0.40以上且小于1.0，优选设为0.95以下，更优选设为0.9以下。通过设定为满足该式的尺寸，当轴11被插入并与轴承孔2的内周面接触时，在轴承孔2的长度b的(a×100)％的范围内与滑动面3接触。另外，如上所述，轴承孔2的内周面的两端部形成于不具有凹部(供油面)4的滑动面3。
接着，对该烧结含油轴承1的制造方法进行说明。
如图3所示，该烧结含油轴承1的制造方法具有：压坯成型工序，将原料粉末填充到成型模具中并进行加压，成型筒状压坯；烧结工序，对该压坯进行烧结；矫正加工，对烧结工序后的压坯的内周面及外周面进行矫正；及供油面赋予工序，在矫正后的压坯的内周面上形成凹部(供油面)。
如图4所示，在成型工序中使用具备冲模板21、芯棒22、下冲头23及上冲头24的成型模具20。该成型模具20中，通过形成于冲模板21上的圆柱状贯通孔21a、插入到该贯通孔21a的中心的圆柱状芯棒22、从下方插入到这些贯通孔21a与芯棒22之间的圆筒状下冲头23而形成圆筒状空间。在该圆筒状空间，从上方投入规定量的原料粉末P，并从上方插入上冲头24以减小下冲头23与上冲头24的间隔而压缩原料粉末P，由此形成压坯。
作为成为烧结含油轴承1的材料的金属并无特别的限定，但原料粉末P优选为铜类粉末或铁铜类粉末。
铜类粉末为主要成分由铜或铜合金构成的铜粉，含有熔点为烧结温度以下的低熔点金属粉(例如锡粉)0.1～5质量％，含有石墨等固体润滑剂0.5～5质量％。低熔点金属粉在烧结温度以下的温度下熔融，经液相化的金属介于铁粉或铜粉之间并作为粘合剂而起作用，提高烧结体的机械强度，并且也可靠地保持固体润滑剂，从而防止固体润滑剂的脱落。
铁铜类粉末设为：铜粉为15～80质量％、低熔点金属粉为0.1～5质量％、固体润滑剂为0.5～5质量％、剩余部分为铁粉。
并且，在这些原料粉末P中，作为铜粉的形状，使用扁平状粉末P1和粒状粉末P2这两种。粒状粉末P2使用大致球状的电解铜粉或雾化铜粉。扁平状粉末P1的纵横比(直径/厚度)为10以上，例如能够使用铜箔片。而且，关于铜粉中的扁平状粉末P1的混合比率，在铜类粉末的情况下优选为5质量％～30质量％，在铁铜类粉末的情况下优选为20质量％～60质量％。关于铜类粉末的粒状粉末P2和扁平状粉末P1，例如扁平状粉末P1的最大直径为1μm以上且100μm以下，相对于此，粒状粉末P2形成为5μm以上且100μm以下的平均粒径。并且，在铁铜类粉末中，铁粉的平均粒径形成为与铜粉的平均粒径相等或大于铜粉的平均粒径。
若将该原料粉末P填充到成型模具20内并赋予振动，则扁平状粉末P1聚集到表层部。在铜类粉末的情况下成为在表层部致密地聚集扁平状粉末P1和粒状粉末P2，朝向内部粒状粉末P2的比例增加的状态。图4中示意性地示出扁平状粉末P1聚集在芯棒22的外周面附近的状态。
由此，在铁铜类粉末的情况下成为表层部成为富含铜，且朝向内部铁的比例增加的状态。由此，所得到的压坯中表层部通过铜而成为致密的层。
接着，在对该压坯进行烧结之后，用矫正模具来矫正该烧结后的压坯(以下，称为烧结体S)。该矫正模具30是对烧结体S的外形进行矫正的模具，如图5所示，与成型模具20同样地，具备冲模板31、芯棒32、下冲头33及上冲头34，但与烧结体S接触的冲模板31的内周面或下冲头33及上冲头34的端面精加工成平滑的表面。
然后，通过该矫正模具30来配置烧结体S，并在芯棒32、两个冲头33、34之间对内周面的致密层S1进行加压，由此烧结体S被压缩，其外径及内径精加工成产品尺寸，并且形成于内周面上的柔软的扁平状铜粉末层通过芯棒和冲模板的内周面的滑动来引起塑性流动，因此空穴6被压扁。由此，如图1的(a)所示，烧结体S的内周面的整面形成为压扁的状态，成为更加致密的致密层7。
接着，如图1的(b)所示，在烧结体S的内周面上，除了其两端部以外，通过切削加工，以沿轴心的螺旋状形成带状凹部(供油面)4。该凹部(供油面)4的深度d为除去致密层7而露出其内部较粗的层的程度的深度，所述致密层7在所述成型工序中通过扁平状粉末P1聚集且通过矫正工序被压扁而形成。由此，在内周面的凹部(供油面)4中表面开口率大，在除了凹部(供油面)4以外的表面，表面开口率因致密层7而保持在小的状态。
最后，通过浸渗润滑油而制造出烧结含油轴承1。
如此制造出的烧结含油轴承1其内周面设为轴承孔2，并旋转自如地支撑所插入的轴11。该情况下，在轴承孔2的内周面上呈螺旋状形成有凹部(供油面)4，除了该凹部(供油面)4以外的表面设为支撑轴11的滑动面3，在凹部4的底面与轴11的外周面之间形成间隙。而且，所述滑动面3中空穴6的表面开口率因铜的致密层7而较小，即设为所述10％以下，凹部(供油面)4中设为超过10％的表面开口率。
因此，若轴11旋转，则油从凹部(供油面)4渗出并供给到轴11与滑动面3之间，在滑动面3中表面开口率较小为10％以下，由此油不会浸透到内部，而在滑动面3与轴11之间形成油膜并支撑轴11。该情况下，若滑动面3的表面开口率超过10％，则导致无法保持油，使其流入到轴承内部，因此轴11与滑动面3之间的油膜变少，有可能产生粘砂。并且，若凹部(供油面)4的表面开口率为10％以下，则难以从内部对滑动面3充分地供给油。
在本实施方式中，由于油充分地供给到滑动面3与轴11之间，因此通过该油膜能够减小摩擦阻力，并能够提高滑动特性。
该情况下，由于凹部(供油面)4形成为所述螺旋状，因此即使轴11与轴承孔2的内周面的任何位置接触，也以轴承孔2的长度的(a×100)％的范围与滑动面3接触，因此能够稳定地支撑轴11。
而且，在轴承孔2的两端部未形成凹部(供油面)4，而遍及其整周形成有滑动面3，因此油不会通过供油面而泄漏到轴承的两端，从而能够将来自凹部(供油面)4的油有效地供给到滑动面。
该烧结含油轴承1通过这些协同作用来能够可靠地防止油耗尽，从而能够长期发挥良好的滑动特性。
实施例
对为了验证本发明的效果而进行的试验结果进行说明。关于试验中所使用的原料粉末，使用以规定比例混合铁、铜、锡(低熔点合金)及石墨等的铁铜类粉末。作为其混合比例，调整铜粉为50质量％、锡粉为2质量％、铜-磷粉为5质量％、铜-锌粉为10质量％、石墨等固体润滑剂为0.5质量％、且剩余部分为铁粉。压缩成型该原料粉末，并在950℃的温度下进行烧结之后进行矫正工序，并通过切削加工在轴承孔的内周面上形成了凹部。均设为轴承的长度为8mm，轴承孔的(滑动面的)内径为8mm。
关于所得到的轴承，用显微镜来观察轴承孔的内周面，测定出相对于轴承孔的内周面整体的滑动面的面积比率、滑动面及凹部(供油面)各自的表面开口率。关于滑动面及供油面各自的表面开口率，对轴承的滑动面和供油面分别拍摄倍率500倍的SEM图像(SEI)，并通过图像分析软件将该照片进行二值化并抽取开口部之后，测量出开口部的面积率。关于开口部的面积率的测量，对每一个条件不同的轴承准备5个试样(轴承)，开口部的面积率的拍摄部位则对于各轴承的滑动面和供油面分别设为5个视场。然后，将分别在25处的拍摄部位的测量结果的平均值设为表面开口率。
另外，表1中No.5为未形成凹部的试样，No.6为切削全部滑动面的试样。因此，No.5中将关于凹部底面的表面开口率的一栏用“-”来表示，No.6中将关于滑动面的表面开口率的一栏用“-”来表示。
并且，在润滑油浸渗于轴承之后，将轴插入到轴承孔中，在与轴心正交的垂直方向上赋予表1所示负载表面压力的状态下使轴旋转，测定施加于轴承的转矩，由该转矩算出摩擦系数。轴的转速为12500rpm，算出分别旋转了30分钟之后的摩擦系数。
[表1]
根据表1所示结果，可知不管负载表面压力如何，试样1～4的摩擦系数小且轴承特性优异。由此，作为滑动面的面积比率优选为0.4以上且小于1.0。
另外，本发明并不限定于所述实施方式的结构，在具体结构中，在不脱离本发明的主旨的范围内能够进行各种变更。
例如在所述实施方式中，以一条螺旋状形成了供油面，但也可以在满足sinθ≥(W/((1-a)×b))的滑动面的面积比率a的范围内形成多条。
产业上的可利用性
能够提供通过在内部浸渗润滑油而能够顺利地进行润滑的烧结含油轴承。
符号说明
1-烧结含油轴承，2-轴承孔，3-滑动面，4-凹部(供油面)，6-空穴，7-致密层，11-轴，20-成型模具，21-冲模板，21a-贯通孔，22-芯棒，23-下冲头，24-上冲头，30-矫正模具，31-冲模板，32-芯棒，33-下冲头，34-上冲头，P-原料粉末，P1-扁平状粉末，P2-粒状粉末，S-烧结体，S1-致密层。

Claims (5)

1.一种烧结含油轴承，其特征在于，
在轴所插入的轴承孔的内周面上形成有由含有扁平状铜粉的烧结体构成的致密层，并且在该致密层的外侧一体形成有表面开口率比所述致密层的表面开口率高的烧结层，在所述轴承孔的内周面上相邻形成有支撑所述轴的外周面的滑动面和供油面，所述滑动面为所述致密层的表面，所述滑动面的表面开口率为10％以下，所述供油面为所述表面开口率比所述致密层的表面开口率高的烧结层露出而成，所述供油面的表面开口率超过10％。
2.根据权利要求1所述的烧结含油轴承，其特征在于，
所述供油面形成为以所述轴承孔的轴心为中心的螺旋状。
3.根据权利要求2所述的烧结含油轴承，其特征在于，
在所述轴承孔的两端部的内周面上遍及所述内周面的整周形成有所述滑动面。
4.根据权利要求2或3所述的烧结含油轴承，其特征在于，
在将所述轴承孔的长度设为b，将相对于所述轴心的所述供油面的螺旋角度设为θ，将所述供油面的宽度设为W，将所述滑动面的面积比率设为a时，sinθ≥(W/((1-a)×b))，a为0.4以上且小于1.0。
5.一种烧结含油轴承的制造方法，其为制造权利要求1至3中任一项所述的烧结含油轴承的方法，所述烧结含油轴承的制造方法的特征在于，具有：
压坯成型工序，在模具的冲模板与芯棒之间的筒状空间内填充原料粉末并进行加压，从而成型压坯；
烧结工序，对所述压坯进行烧结；
矫正工序，将烧结后的压坯的内周面及外周面进行矫正；及
供油面赋予工序，在矫正后的压坯的内周面上形成所述供油面，
在所述压坯成型工序中，作为所述原料粉末，混合并填充扁平状粉末和粒状粉末，并且在使所述扁平状粉末不均匀存在于所述芯棒的外周面上的状态下进行加压，
在所述矫正工序中，通过使所述压坯的内周面塑性流动而减小该内周面的表面开口率，从而形成致密层，
在所述供油面赋予工序中，去除所述致密层而形成所述供油面。
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