CN109562456A - 铁铜基烧结含油轴承及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种硬的铁合金相少，且在汽车的电气装置用马达输出轴等的处于低旋转且高载荷的使用条件下耐磨损性和价格性能比优异的新的铁铜基烧结含油轴承及其制造方法。在含有Cu：10～55质量％、Sn：0.5～7质量％、Zn：0～4质量％、P：0～0.6质量％及C：0.5～4.5质量％，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成的铁铜基烧结含油轴承中，其已分散在金属基体中的游离石墨的面积比率为5～35％，气孔率为16％以上至25％以下，基体中的铁合金相的硬度Hv为65～200。并且，在原料粉末中使用平均粒径10～100μm的鳞状石墨粉末和鳞片状石墨粉末中的至少一种。

Description

铁铜基烧结含油轴承及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种在汽车电气装置用马达的输出轴等的低旋转且高载荷的使用条件下使用的铁铜基烧结含油轴承及其制造方法。

背景技术

近年来，铁铜基烧结含油轴承被采用在汽车电气装置用马达的输出轴。作为铁铜基烧结含油轴承，例如，已知被公开在专利文献1和专利文献3等中的轴承。如一厢式等的汽车那样，用于大窗玻璃的电动窗和雨刷的马达，为了应对比以往高的输出，以往以上的载荷表面压力被作用在输出轴的轴承。进一步，由于这些马达的输出轴为200rpm以下的低转速，不能充分形成烧结含油轴承特有的油膜，在轴和轴承之间进行金属接触的滑动，从而烧结含油轴承的耐磨损性成为问题。已知，在这样的油润滑效果差的滑动条件下，为了使铁铜基烧结含油轴承持有润滑性，需将石墨分散分布在轴承材料内。在含有石墨的铁铜基烧结轴承的制造中，通过使用已添加混合石墨粉末的原料粉末、压坯成型该原料粉末、烧结该成型体、尺寸调整、进行浸油的工序来进行。但是，由于材料组成为铁铜基烧结合金，在烧结时，材料中的铁粉末和石墨粉末发生反应，进而容易形成硬的铁合金相。已形成有硬的合金相的铁铜基烧结含油轴承，在如汽车的电气装置用马达的输出轴那样的滑动条件下，多会发生使配合轴材料受损，进而由其受损的轴而使轴承进行磨损的问题。作为改善方案，虽具有将高硬度的淬火钢材使用在轴的方法，但由于加大了成本，故使用了碳素钢的轴。

需要说明的是，作为为了控制由铁粉和石墨粉烧结引发的反应的以往技术，已知通过使用将2.0～9.0质量％的平均直径为20～150μm的扁平状的铜粉和1.5～3.7质量％的平均直径为40～80μm的石墨粉添加混合在铁粉中的原料粉末，且将烧结温度设为950℃～1030℃，进而得到在轴承的内部以面积比率计铁素体为20～85％和剩余部分由珠光体构成的铁合金相(专利文献2)。但是，由于珠光体为铁和石墨进行反应的硬相，故不能充分地防止配合轴材料的损伤。

专利文献1：日本特开2003-221606号公报

专利文献2：日本特开2010-77474号公报

专利文献3：日本特开2013-92163号公报

专利文献4：国际公开第1999/008012号小册子

发明内容

在此，本发明的目的在于提供一种硬的铁合金相少，且在汽车的电气装置用马达的输出轴等的处于低旋转且高载荷的使用条件下耐磨损性和价格性能比优异的新的铁铜基烧结含油轴承及其制造方法。

本发明的铁铜基烧结含油轴承含有Cu：10～55质量％、Sn：0.5～7质量％、Zn：0～4质量％、P：0～0.6质量％及C：0.5～4.5质量％，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成，已分散在金属基体中的游离石墨的面积比率为5～35％。

另外，本发明的铁铜基烧结含油轴承的气孔率为16％以上至25％以下。

另外，本发明的铁铜基烧结含油轴承的基体中的铁合金相的硬度Hv为65～200。

本发明的铁铜基烧结含油轴承的制造方法具备如下工序：

以含有Cu：10～55质量％、Sn：0.5～7质量％、Zn：0～4质量％、P：0～0.6质量％及C：0.5～4.5质量％，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成的方式混合原料粉末，从而获得混合粉末；

对该混合粉末进行冲压成型，从而获得压坯；以及

对该压坯在820～940℃范围内的温度进行烧结，从而获得烧结体，

将平均粒径10～100μm的鳞状石墨粉末和鳞片状石墨粉末中的至少一种用于原料粉末，并且已分散在铁铜基烧结含油轴承的金属基体中的游离石墨的面积比率为5～35％。

根据本发明的铁铜基烧结含油轴承，含有Cu：10～55质量％、Sn：0.5～7质量％、Zn：0～4质量％、P：0～0.6质量％及C：0.5～4.5质量％，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成，已分散在金属基体中的游离石墨的面积比率为5～35％，由此能够将铁合金相的硬度控制在适当的范围，从而能够在汽车电气装置用马达的输出轴等的处于低旋转且高载荷的使用条件下耐磨损性和价格性能比优异。

根据本发明的铁铜基烧结含油轴承的制造方法，具备如下工序：以含有Cu：10～55质量％、Sn：0.5～7质量％、Zn：0～4质量％、P：0～0.6质量％及C：0.5～4.5质量％，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成的方式混合原料粉末，从而获得混合粉末；对该混合粉末进行冲压成型，从而获得压坯；对该压坯在820～940℃的范围内的温度进行烧结，从而获得烧结体，通过将平均粒径10～100μm的鳞状石墨粉末和鳞片状石墨粉末中的至少一种用于原料粉末，并且已分散在铁铜基烧结含油轴承的金属基体中的游离石墨的面积比率为5～35％，由此能够制造出能够将铁合金相的硬度控制在适当的范围，在汽车电气装置用马达的输出轴等的处于低旋转且高载荷的使用条件下耐磨损性和价格性能比优异的铁铜基烧结含油轴承。

附图说明

图1为对说明游离石墨的面积比率的测定方法的轴承的表面彩色照片进行图案化的说明图；图1的(A)表示测定状态，图1的(B)表示分别涂饰方格的状态。

图2为已分散分布游离石墨的本发明例的铁铜基烧结含油轴承的内径表面的照片。

具体实施方式

本发明的铁铜基烧结含油轴承含有Cu：10～55质量％、Sn：0.5～7质量％、Zn：0～4质量％、P：0～0.6质量％及C：0.5～4.5质量％，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成，并且，已分散在金属基体中的游离石墨的面积比率为5～35％。

除天然石墨的鳞状石墨、鳞片状石墨以及土状石墨外，石墨也可为人造石墨等。但由于石墨的润滑性受结晶的发育程度的影响，因此，将结晶性良好且润滑性优异的天然的鳞状石墨粉末和鳞片状石墨粉末中的至少一种使用在本发明的铁铜基烧结含油轴承中。进一步，为了抑制由于烧结所引发的原料粉末中的铁和石墨的反应，通过将平均粒径10～100μm的鳞状石墨粉末和鳞片状石墨粉末中的至少一种用于铁铜基烧结合金的原料粉末，且将烧结温度设置在820～940℃，能够将已分散在金属基体中的游离石墨的面积比率确保在所需要的量，并且能够抑制铁合金相的硬度。

在此，石墨粉末的平均粒径为通过激光衍射法来得到的测定值的体积平均直径MV。

以下，对本发明的铁铜基烧结含油轴承的组成进行详细说明。

(1)Cu：10～55质量％

Cu与Sn、P形成固溶体、且该Cu-Sn-P固溶体比配合轴柔软，提高与配合轴的磨合性，进而有助于提高轴承的耐磨损性。若Cu的含量低于10质量％，则得不到所希望的效果；另一方面，若该含有量超过55质量％，则轴承强度变得不足，进而在高载荷的条件下的轴承磨损加大，所以不优选。

(2)Sn：0.5～7质量％

Sn与Cu、P形成基体的固溶体，提高轴承的强度，进而有助于提高轴承的耐磨损性。若Sn的含量低于0.5质量％则得不到所希望的效果；另一方面，其含量即使超过7质量％，不仅不会有提高强度的效果，反而尺寸精度降低，所以不优选。

(3)Zn：0～4质量％

Zn与Cu、Sn形成基体的固溶体，具有提高轴承的耐腐蚀性、磨合性以及强度的作用。由于Zn的含量即使超过4质量％也无所希望的改善效果，因此，在添加的情况下优选为4质量％以下。

(4)P：0～0.6质量％

P以Cu-P合金粉末的方式进行添加，在烧结时发生液相，从而在推进烧结的同时形成Cu、Sn基体的固溶体，并具有提高耐磨损性的作用。P的含量即使超过0.6质量％也不会提高所希望的效果，反而在烧结时的变形加大，所以不优选，因此，在添加的情况下优选为0.6质量％以下。

(5)C：0.5～4.5质量％

C通过作为游离石墨分散分布在轴承合金的基体中，对轴承赋予优异的润滑性，进而有助于提高耐磨损性和降低摩擦系数。C的含量若低于0.5质量％则得不到提高耐磨损性的效果；其含量若超过4.5质量％则强度明显降低，因此不优选。

(6)气孔率：16％以上至25％以下

气孔分散在基体中，具有通过缓和轴承所接受的强烈摩擦来抑制轴承的磨损的效果，若气孔率低于16％则其效果变得不充分。另一方面，若气孔率高于25％则强度明显降低，因此不优选。

(7)鳞状石墨粉末和鳞片状石墨粉末

作为用于原料粉末的石墨粉末，可使用鳞状石墨粉末和鳞片状石墨粉末中的至少一种。鳞状石墨粉末和鳞片状石墨粉末，通过作为游离石墨分散分布在轴承合金的基体中，对轴承赋予优异的润滑性，进而有助于提高轴承的耐磨损性和降低摩擦系数。鳞状石墨粉末或鳞片状石墨粉末的平均粒径若低于10μm，则由于在烧结时与原料粉中的铁粉发生反应，提高铁合金相的硬度的同时，其游离石墨的面积比率降低，因此得不到上述效果；另一方面，若鳞状石墨粉末或鳞片状石墨粉末的平均粒径超出100μm则强度明显降低，因此不优选。

以下，对本发明的铁铜基烧结含油轴承及其制造方法的具体实施例进行说明。需要说明的是，本发明不限定于以下的实施例，可实施各种变通。

实施例

作为原料粉末准备如下，即粉末冶金用的还原铁粉末和电解铜粉末；扁平状铜粉末；Cu-9质量％Sn粉末；Sn粉末；Cu-8质量％P粉末；Cu-20质量％Zn粉末以及石墨粉末。其中，在本发明例中，石墨粉末使用平均粒径大的鳞状石墨粉末、鳞片状石墨粉末；在比较例中，石墨粉末使用了平均粒径小的人造石墨粉末或鳞状石墨粉末。

将这些原料粉末按表1所示的最终成分组成进行配合，加入0.5％的硬脂酸锌且用V型混合机混合20分钟作为混合粉末后，冲压成型而制作出压坯。接下来，将该压坯在吸热型气体(endothermic gas)的气氛中，在820～940℃的范围内的所规定的温度下进行烧结，从而得到烧结体，该吸热型气体通过混合天然气体和空气并使其通过已加热的催化剂来进行分解而得到。接着，在规定的压力条件下进行尺寸调整，接着使其含浸所规定的合成烃系的润滑油，进而制造出全部为具有外径：18mm×内径：8mm×高度：8mm的尺寸，且以表1所示的组成成分已分散游离石墨的铁铜基烧结含油轴承的本发明例1～17和比较例1～8的环状试验片。

对由此得到的环状的烧结含油轴承实施了在低速高载荷条件下的磨损试验。

将外径：8mm的S45C碳钢制轴插入在环状的烧结含油轴承中，在由环状轴承的外侧施加100kgf的荷载的同时，并将轴以5m/分钟的速度转动50小时。然后，测定环状轴承滑动表面的最大磨损深度和配合轴的滑动部最大磨损深度，并进行了耐磨损性的评价。

将各试验材料的成分组成、气孔率、游离石墨的面积比率、基体中的铁合金相的硬度以及磨损试验后的轴承与配合轴的最大磨损深度表示在表2。需要说明的是，基体中的铁合金相的硬度为，将轴承的端面直至研磨到能看见金属组织，且使用显微维氏硬度计，将铁合金相作为选定目标，在测定载荷50g的条件下测定了3点的硬度，求得其平均值。按以下的方法求得了游离石墨的面积比率。

使用CCD照相机彩照拍摄(倍率×100)轴承内径表面，并将所确定的2mm方格的描图用纸的图框重叠在照片上进行计算，进而算出了石墨部的面积比率。通过图1说明该例。图1的(A)为对轴承表面的彩色照片进行图案化的说明图，且铜或铜合金的铜范围11和铁或铁合金的铁范围12和石墨的石墨范围13以及气孔的气孔范围14被表示在其表面。将纵横排列的方格22形成在由透明板等组成的图框21的所定的范围，且将纵向10个×横向10个的方格例示在图1。而且，将在各方格22中占有最大面积的范围作为其对应的范围进行计算，进而算出除气孔范围14以外的表面的石墨范围13的面积比率。为了说明，图1的(B)表示将方格22分别涂饰成各范围11、范围12、范围13以及范围14的状态。例如，在图1的(B)中，各方格22的数量其铜范围11为40个、铁范围12为30个、石墨范围13为10个以及气孔范围14为20个。由于除气孔范围14以外的表面的石墨范围13所占的面积比率为石墨的面积比率，因此，石墨的面积比率为10/80×100＝12.5％。对轴承内径表面拍摄三处，并依照上述的方法求得了平均的石墨面积比率。

作为一例，将已分散分布游离石墨的本发明例的铁铜基烧结含油轴承的内径表面的照片表示在图2。

由轴承和配合轴的最大磨损深度的试验结果可知，在低速高载荷的试验条件下，本发明例的轴承与比较例的轴承相比，本发明例的轴承在具有优异的耐磨损性的同时，而且配合轴的磨损也少。

Claims (4)

1.一种铁铜基烧结含油轴承，其特征在于，

含有Cu：10～55质量％、Sn：0.5～7质量％、Zn：0～4质量％、P：0～0.6质量％及C：0.5～4.5质量％，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成，已分散在金属基体中的游离石墨的面积比率为5～35％。

2.根据权利要求1所述的铁铜基烧结含油轴承，其特征在于，

气孔率为16％以上至25％以下。

3.根据权利要求1或2所述的铁铜基烧结含油轴承，其特征在于，

基体中的铁合金相的硬度Hv为65～200。

4.一种铁铜基烧结含油轴承的制造方法，其特征在于，具备如下工序：

以含有Cu：10～55质量％、Sn：0.5～7质量％、Zn：0～4质量％、P：0～0.6质量％及C：0.5～4.5质量％，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成的方式混合原料粉末，从而获得混合粉末；

对该混合粉末进行冲压成型，从而获得压坯；以及

对该压坯在820～940℃的范围内的温度进行烧结，从而获得烧结体，

将平均粒径10～100μm的鳞状石墨粉末和鳞片状石墨粉末中的至少一种用于原料粉末，并且已分散在铁铜基烧结含油轴承的金属基体中的游离石墨的面积比率为5～35％。