JP2005147201A - 焼結含油軸受と焼結含油軸受の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 低トルク、低摩擦係数である焼結含油軸受とその製造方法を提供すること。
【解決手段】 軸体を回転可能に軸支する摺動受け面３が形成された軸受本体１２の油孔１６に、潤滑油を含油処理してなる焼結含油軸受１１について、摺動受け面３に表出する油孔１６を残しながら、該摺動受け面３に固体潤滑剤含有金属層１５を形成した。そのため、摺動受け面３から潤滑油が軸受１１内外に出入りして軸受１１と軸体の界面に油膜が形成されるという特徴を損ねることなしに、摩擦係数が小さくて、耐摩耗性に優れた焼結含油軸受１１を得ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は焼結含油軸受と焼結含油軸受の製造方法に関する。

金属粉を焼結させて得る焼結体の多孔性を利用して、容積比で１０〜３０％の油（潤滑油）を含浸させて自己給油の状態で使用する焼結含油軸受は、通常の軸受が油切れを起こせば直ちに焼付けを起こすのに対し、すでに発煙している状態であっても焼付くことなく運転できるという優れた特徴を有している。

焼結含油軸受（以下「軸受」ともいう）がこうした特徴を有するのは、軸受内に無数の油孔を有していることに基づく。一般的な焼結含油軸受の作動原理を図８に基づいて説明する。軸受１中を軸体２が矢示方向Ｒに回転すると、ポンプの吸い込み作用と同様に、ポーラスな軸受１の油孔に含有されている潤滑油が、軸体２と、軸受１の摺動受け面３との間の界面に滲み出てくる。滲み出てきた潤滑油４は、軸体２の回転力によって界面に矢示方向Ｒへくさび状に引込まれて油膜を形成し潤滑効果を発揮するが、その一部は軸体２からの押圧力を受けて再び軸受１の油孔へと押し戻される。このような作動を連続的に繰返すことで、潤滑油４は軸受１の内側を循環する。

こうした潤滑油の循環作用をもつ軸受１の最大の利点は潤滑油をつぎ足すことなく使用できることであり、自動車や土木機械等だけでなく、家庭用機器、事務機など、環境的又は機構的に十分な給油が望めない箇所において広く用いられ、近年においては、末端ユーザー向けのＯＡ機器、音響機器等のディスクドライブに備えるモーター軸受として、また小型のファンモーター軸受や、各種テープ走行補助用のピンチローラ用軸受としての利用も盛んである。

このような焼結含油軸受が記載された公報には特許文献１、２などがある。
特開２００３−１５６０４４号公報 特開平９−９５７５９号公報

焼結含油軸受が用いられるＯＡ機器や音響機器等のディスクドライブなどは、近年、益々高速化や低価格化が要求されてきており、焼結含油軸受としても、低トルク、低摩擦係数である製品特性が要求されるようになってきている。

そこで、本発明は、トルクの発生が少なく、消費電力量が少ない焼結含油軸受を得ることを目的とする。また、本発明は、そのような焼結含油軸受の製造方法を得ることを目的とする。

上記目的を達成すべく本発明は、軸体を回転可能に軸支する摺動受け面が形成された軸受本体の油孔に、潤滑油を含油処理してなる焼結含油軸受について、前記摺動受け面に表出する油孔を残しながら、該摺動受け面に固体潤滑剤含有金属層が形成されていることを特徴とする焼結含油軸受を提供する。

本発明は、摺動受け面に表出する油孔を残しているため、摺動受け面に固体潤滑剤含有金属層が形成されているにもかかわらず、摺動受け面から潤滑油が軸受内外に出入りして軸受と軸体の界面に油膜が形成されるという焼結含油軸受の特徴を損ねることがない。そして、摺動受け面に固体潤滑剤含有金属層を形成しているため、摩擦係数が極めて小さく、耐摩耗性に優れた焼結含油軸受である。

固体潤滑剤含有金属層については、固体潤滑剤としてフッ素樹脂を含有させた固体潤滑剤含有金属層とすることができる。フッ素樹脂を用いたため、摩擦係数の低減効果に優れ、軸体に発生するトルク値を軽減させることができる。また、金属としてはニッケルを含有させた固体潤滑剤含有金属層とすることができる。ニッケルを用いたため、固体潤滑剤含有金属層の形成が容易であり、また、鉄よりは摩擦係数低減効果に優れ、銅よりは安価である。

また、軸受本体をＦｅ系焼結体で製造することができる。Ｆｅ系焼結体を用いたため、Ｃｕ系焼結体を用いる場合等に比べて焼結含油軸受の単価を安くすることができ、また、軸受の強度を高くすることができる。

本発明の焼結含油軸受は、固体潤滑剤含有金属層中の固体潤滑剤と金属との容積比が、７：３〜４：６である。固体潤滑剤含有金属層の固体潤滑剤と金属との容積比を、７：３〜４：６としたため、潤滑油を含油した状態で、摩擦係数が小さくなり、長時間の作動に対しても品質の劣化が生じない耐摩耗性に優れた焼結含油軸受とすることができる。

摺動受け面のうち、油孔部分の面積が２０％〜６０％とすることができる。摺動受け面のうち油孔部分の面積を２０％〜６０％としたため、摺動受け面を介して軸受の内外に潤滑油が出入りでき、焼結含油軸受としての特性が損なわれることなく、摩擦係数の小さな焼結含油軸受とすることができる。

固体潤滑剤含有金属層の層厚は１．０μｍ〜１０．０μｍとすることができる。層厚が１．０μｍ〜１０．０μｍとたいへん薄いため、固体潤滑剤含有金属層となる原材料の使用量が少なくて済み安価な焼結含油軸受とすることができる。

さらに、軸体を回転可能に軸支する摺動受け面が形成された軸受本体の油孔に、潤滑油を含油処理してなる焼結含油軸受の製造方法について、焼結して得た軸受本体をサイジングして、摺動受け面に表出させるべき所望の平均孔径となる油孔よりも大きな平均孔径を有する油孔を該摺動受け面に形成し、該摺動受け面に固体潤滑剤含有金属層を設けるとともに、該固体潤滑剤含有金属層にて前記油孔の縁を覆って、該摺動受け面に前記所望の平均孔径となるよう油孔を形成することを特徴とする焼結含油軸受の製造方法を提供する。

本発明の製造方法によれば、焼結して得た軸受本体をサイジングして、摺動受け面に表出させるべき所望の平均孔径となる油孔よりも大きな平均孔径を有する油孔を該摺動受け面に形成し、該摺動受け面に固体潤滑剤含有金属層を設けるとともに、該固体潤滑剤含有金属層にて前記油孔の縁を覆って、該摺動受け面に前記所望の平均孔径となる油孔を形成したため、固体潤滑剤含有金属層が設けられているにも関わらず、摺動受け面に十分な油孔を確保することができる。よって、固体潤滑剤含有金属層を形成しながら、潤滑油の流動性を害することがなく焼結含油軸受として潤滑特性を損ねることのない軸受を製造することができる。

本発明の焼結含油軸受によれば、摺動摩擦や軸体の回転トルクを低減させることができ、また耐摩耗性に優れ連続運転による摩擦係数変化が少ない。そのため、ころ軸受に近い耐久性、低摩擦性を備え、焼結含油軸受が用いられなかったような、軸受に対する負荷荷重の大きな工作機械等に対しても利用することができる。また、モータ等にかかる消費電力を抑制することができることから、経済性が向上し、動力源の電池等の使用量を減らすことができ、廃棄物削減という環境問題解決にも貢献することができる。

また、本発明の焼結含油軸受の製造方法によれば、上述の低摩擦性で耐摩耗性に優れた焼結含油軸受を簡単に製造することができる。

以下、本発明の焼結含油軸受の実施形態について図面に基づいて説明する。図１には、円筒形状をした本発明の焼結含油軸受の縦断面図を示し、図２にはその焼結含油軸受の横断面図を示した。また、図３には、その焼結含油軸受の内径面の拡大断面を模式的に示すとともに、図４には、この内径面の断面写真を示した。焼結含油軸受１１は、焼結体でなる軸受本体１２の内径面１３が、駆動モータの軸体（図示せず）を軸支する摺動受け面１４となっている。そして、少なくとも摺動受け面１４の表面には、固体潤滑剤含有金属層１５が形成されている。

焼結含油軸受１１の軸受本体１２は、一般的な粉末冶金法により製造される焼結体であり、種々の金属粉を原材料に用いることができる。例えば、鉄粉、銅粉、鉄粉と銅粉の混合粉、又はその他の金属の混合粉、これらの金属粉に黒鉛粉、すず粉、亜鉛粉、鉛粉等を加えたもの、あるいは他の合金粉を加えたものが挙げられる。合金粉には、鉄系の合金粉、例えば、Ｆｅ−Ｃ、Ｆｅ−Ｐｂ−Ｃ、Ｆｅ−Ｃｕ−Ｃ合金等の鉄含量が５０％以上の合金粉や、銅系の合金粉、例えば、Ｃｕ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｃ、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐｂ−Ｃ合金等の銅含量が５０％以上の合金粉が挙げられる。一般的に、鉄系の合金は、機械的強度が強く、硬度が高く、安価であるという利点を有し、銅系の合金は、潤滑特性に優れるという利点を有する。これらの金属粉の中でも、製造単価を安くして、機械的強度を高くする観点からは、Ｆｅ系金属粉を用いることが好ましい。軸受本体１２にＦｅ系金属粉からなる焼結体を用いても、摺動受け面１４には固体潤滑剤含有金属層１５を形成しているため、軸受本体１２の摩擦係数を問題にする必要がないからである。軸受本体１２は、このような金属粉を圧縮、焼結して形成されるため、気孔（油孔）を有し、その気孔内に潤滑油を含油することができるようになっている。

摺動受け面１４には、潤滑油が出入りするための油孔１６が表面に表出した状態を保ったままで、固体潤滑剤含有金属層１５が形成されている。そして、気孔のなかでも小さな気孔１６ａは、固体潤滑剤含有金属層１５が孔内に充填されて孔が潰され油孔１６として機能しなくなっている。しかしながら、全ての気孔が被覆されているわけではなく、大きな気孔１６ｂは、油孔１６として残されている。すなわち、気孔１６ｂは、その縁が固体潤滑剤含有金属層１５で覆われて、固体潤滑剤含有金属層１５形成前に比べて孔径は小さくなってはいるが、所望の大きさの孔径を有する油孔１６として残存している。図５、図６には内径面１３表面の顕微鏡写真を示す。図５で示したように、固体潤滑剤含有金属層１５を形成する前は、大小種々の大きさの気孔が表出している様子がわかる。一方、図６で示したように、固体潤滑剤含有金属層１５を形成した後は、小さな気孔はなくなり、所定の大きさの気孔が油孔１６として残っている様子がわかる。

固体潤滑剤含有金属層１５は、軸受本体１２の表面を覆う被覆層である。軸受本体１２の全表面を覆う必要はないが、少なくとも摺動受け面１４となる内径面１３には固体潤滑剤含有金属層１５が形成されることが必要である。この固体潤滑剤含有金属層１５は、グラファイト、窒化ホウ素、二流化モリブデンや、ポリフッ化エチレン等のフッ素系樹脂などの固体潤滑剤と、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉなどの純金属やこれらの金属の合金などの金属との混合層である。固体潤滑剤と金属との割合は、容量比で、７：３〜４：６であることが好ましく、６：４〜５：５であることがより好ましい。７：３〜４：６の割合よりも固体潤滑剤の割合を多くすると、摩擦係数は下がるが、強度が弱くなり、また摺動受け面１４に表出する適当な大きさの油孔１６を残すことが困難となるからである。反対に、金属の割合を多くすると、強度が強くなるが、摩擦係数が大きくなるからである。固体潤滑剤の中では、フッ素樹脂を用いることが好ましい。摩擦係数低減効果に優れ、金属とのなじみ性も良く、耐摩耗性にも優れているからである。また、金属としてはＮｉを用いることが好ましい。Ｃｕなどに比べて安価であり、Ｆｅのように硬くはないからである。

この固体潤滑剤含有金属層１５の厚さは、要求する摩擦係数の大きさや、耐摩耗性等により変化するが、１．０μｍ〜１０．０μｍが好ましく、２．０μｍ〜５．０μｍがより好ましい。薄すぎると寿命の面で安全性に欠け、また、厚すぎると不経済であり、油孔１６の孔径の制御が困難になるからである。

摺動受け面１４のうち、油孔１６の部分の面積は、好ましくは２０％〜６０％、より好ましくは３０％〜４０％である。この部分の面積が小さすぎても、大きすぎても、軸体と焼結含油軸受１１との間に好ましい油膜が形成されにくくなるからである。また、油孔１６の平均孔径は２０μｍ〜７０μｍであることが好ましい。２０μｍよりも小さくするには、原料金属粉を小さくする必要があり、また固体潤滑剤含有金属層１５の形成が困難となるからである。また、７０μｍよりも大きくすると、軸体と焼結含油軸受１１との間に好ましい油膜が形成されにくくなるからである。

次に、この焼結含油軸受１１の製造方法について説明する。焼結含油軸受１１の軸受本体１２を一般的な粉末冶金による方法を利用して形成する。例えば、まず原料となる金属粉を混合し、金型内に充填して、プレス機にて圧縮する。これを焼結炉で焼結する。そして、得られた焼結体をサイジング（第１次サイジング）して所定の形状の軸受本体１２を得る。次に、少なくとも軸受本体１２の内径面１３に、蒸着、塗装、めっき、浴浸漬などの方法によって固体潤滑剤含有金属層１５を形成する。その後、再びサイジング（第２次サイジング）して寸法や油孔密度、油孔径を調整した後、焼成工程を経て、洗浄、油含浸等の後処理工程を順次行って、焼結含油軸受１１を得る。

第１次サイジングの際には、摺動受け面１４に表出させる所望の大きさの油孔１６よりも大きな孔径を有する油孔を、摺動受け面１４に有するように、表面を粗く形成しておく。こうすることにより、次段階で固体潤滑剤含有金属層１５を設けたときに、孔径の小さな油孔は塞がれてしまっても、孔径の大きな油孔は、油孔の縁が固体潤滑剤含有金属層１５で覆われて、所望の大きさの孔径を有する油孔１６となるようにしている。

このようにして形成された焼結含油軸受１１は、固体潤滑剤含有金属層１５を形成しない従来タイプの焼結含油軸受と同等の油孔１６を有し、焼結含油軸受１１内における潤滑油の挙動は、従来タイプの焼結含油軸受に比べて劣ることはない。

また、焼結含油軸受１１の摺動受け面１４と軸体とが、いわゆる「境界潤滑」と呼ばれる潤滑油膜を介する状態にありながら、いわゆる「流体潤滑」とよばれる軸受と軸体とが全く接触しない状態にある潤滑状態と同様な摩擦係数を得ることができる。

以下実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

浸漬法： 鉄銅合金粉（鉄：銅＝９：１（重量比））を圧縮成形して得た円筒状（内径×外形×全長＝２ｍｍ×５ｍｍ×３ｍｍ）の圧粉体に対して、水素雰囲気焼結炉にて８５０℃、２０分間の条件で焼結を行った。得られた焼結体に第１次サイジングを行ったのち、微粒フッ素樹脂とニッケルを含む浸漬浴に漬け、引き出した後、３５０℃にて熱処理して焼結体の内径面(13)を含む全表面に固体潤滑剤含有金属層(15)を形成した。さらに第２次サイジングを行い、２００℃〜３５０℃での焼成を行った。最後にいくつかの試料には潤滑油（４０♯の合成油ＨＳ−５６）含浸を行った。こうして、焼結軸受である各試料を作製した。なお、浸漬浴には、微粒フッ素樹脂とニッケルとの混合割合を変えた数種類の浸漬浴を準備した。また、比較のため、ニッケルを含まない浸漬浴も準備した。得られた各試料の有効多孔率は３５％であった。また、固体潤滑剤含有金属層(15)におけるフッ素樹脂とニッケル金属との容量比が５：５のものを試料１１、７：３のものを試料１２、８：２のものを試料１３、ニッケル金属を含まずフッ素樹脂だけで固体潤滑剤含有金属層(15)に相当する被覆層を形成したものを試料１４とした。なお、試料１４のうち、潤滑油を含油させたものを試料１４ａとし、潤滑油を含油させなかったものを試料１４ｂとした。

めっき法： 固体潤滑剤含有金属層(15)を次のようにして形成した以外は、浸漬法で固体潤滑剤含有金属層(15)を形成した上記の場合と同様にして焼結軸受である各試料を作製した。すなわち、微粒フッ素樹脂とニッケルを含むめっき浴を用いてめっきにて焼結体の内径面(13)を含む全面に固体潤滑剤含有金属層(15)を形成し３５０℃にて熱処理した。なお、めっき浴には、微粒フッ素樹脂とニッケルとの混合割合を変えた数種類のめっき浴を準備した。得られた各試料の有効多孔率は３５％であった。また、固体潤滑剤含有金属層(15)におけるフッ素樹脂とニッケル金属との容量比が３：７のものを試料２１、６：４のものを試料２２、７：３のものを試料２３とした。なお、試料２２のうち、潤滑油を含油させたものを試料２２ａとし、潤滑油を含油させなかったものを試料２２ｂとした。

噴霧法： 固体潤滑剤含有金属層(15)を次のようにして形成した以外は、浸漬法で固体潤滑剤含有金属層(15)を形成した上記の場合と同様にして焼結軸受である各試料を作製した。すなわち、微粒フッ素樹脂とニッケルを含む塗液を用いて焼結体の内径面(13)に該塗液を噴霧して固体潤滑剤含有金属層(15)を形成し３５０℃にて熱処理した。なお、塗液には、フッ素樹脂とニッケルとの混合割合を変えた数種類の塗液を準備した。得られた各試料の有効多孔率は３５％であった。また、固体潤滑剤含有金属層(15)におけるフッ素樹脂とニッケル金属との容量比が４：６のものを試料３１、５：５のものを試料３２、８：２のものを試料３３とした。

さらに、比較のために、銅系合金粉（鉄：銅＝３：７（重量比））を用いて、軸受本体(12)を作製し、固体潤滑剤含有金属層(15)を有せず、有効多孔率は上記試料と同一の３５％とした試料４１を作製した。なお、試料４１のうち、潤滑油を含油させたものを試料４１ａとし、潤滑油を含油させなかったものを試料４１ｂとした。

トルク試験：上記各試料の焼結軸受を硬質樹脂製のブラケットにそれぞれ装着してトルク試験を行った。ブラケットに装着した各試料に対し、クリアランスが３μｍとなるステンレス製の面粗さ０．２Ｓである軸体を通し、軸体を回転させて運転トルクを測定した。運転トルクの測定は、軸体にかかる周速（Ｖ値）を１８．８２ｍ／ｍｉｎ．；軸受にかかる面圧を８．３２ｋｇ／ｃｍ^２；試験環境は２５±１℃として行った。

トルク試験の結果については、試料２２ａと試料４１ａについての運転時間とトルク値、および摩擦係数との関係を図７に示した。また、上記各試料について、１時間、１０時間、１００時間、１５００時間回転させた際の摩擦係数を表１に示した。

図７で示したように、従来型の銅系合金で作製して固体潤滑剤含有金属層(15)を設けない試料４１ａの焼結含油軸受は、摩擦係数が０．０７８であり、トルク値も３．８ｇ・ｃｍであるのに対し、鉄系の軸受本体(12)を用いながら固体潤滑剤含有金属層(15)を設けた試料２２ａの焼結含油軸受(11)は、摩擦係数が０．０２８、トルク値も１．３ｇ・ｃｍであり、摩擦係数、トルク値の軽減に効果的であることがわかる。また、２０００時間運転してもトルク値、摩擦係数ともに上昇することはなく、耐摩耗性についても優れていることがわかる。

また、表１より、固体潤滑剤含有金属層(15)の固体潤滑剤（フッ素樹脂）と金属（ニッケル）との割合は７：３〜４：６の間では摩擦係数が０．０５以下と低く、また、長時間運転後（１５００ｈ）であっても摩擦係数の変化がないことがわかる。

さらに、表１より、固体潤滑剤だけで固体潤滑剤含有金属層(15)に相当する被覆層を形成した試料１４では、潤滑油を含ませた給油の状態で試験した試料１４ａであっても、潤滑油がない無給油の状態で試験した試料１４ｂであっても、摩擦係数はかなり小さく、摩擦係数低減効果は優れるものの、長時間運転によって摩擦係数が上昇するため、耐摩耗性に問題があることがわかる。一方、固体潤滑剤と金属とを所定の割合で混合した試料のうち、無給油の状態で試験した試料２２ｂでは、固体潤滑剤が含まれていても測定できないほど摩擦係数が大きかったが、給油の状態で試験した試料２２ａでは、摩擦係数の低減効果があるばかりでなく、長期運転を行っても摩擦係数の変化がなく、耐摩耗性に優れていることがわかる。

本発明の焼結含油軸受の断面図である。 図１で示した焼結含油軸受のＳＡ−ＳＡ線断面に相当する横断面図である。 図１の焼結含油軸受の内径面の拡大断面を示した模式図である。 本発明の焼結含油軸受内径面の拡大写真である。 固体潤滑剤含有金属層形成前の図１で示した焼結含油軸受の内径面表面の拡大写真である。 固体潤滑剤含有金属層形成後の図１で示した焼結含油軸受の内径面表面の拡大写真である。 トルク試験の結果を示すグラフである。 軸体と焼結含油軸受の断面で示した焼結含油軸受の作動原理説明図である。

符号の説明

１ 焼結含油軸受
２ 軸体
３ 摺動受け面
４ 潤滑油
１１ 焼結含油軸受
１２ 軸受本体
１３ 内径面
１４ 摺動受け面
１５ 固体潤滑剤含有金属層
１６ 油孔

Claims (8)

1. 軸体を回転可能に軸支する摺動受け面が形成された軸受本体の油孔に、潤滑油を含油処理してなる焼結含油軸受において、
   前記摺動受け面に表出する油孔を残しながら、該摺動受け面に固体潤滑剤含有金属層が形成されていることを特徴とする焼結含油軸受。
2. 固体潤滑剤含有金属層がフッ素樹脂含有金属層である請求項１記載の焼結含油軸受。
3. 固体潤滑剤含有金属層が固体潤滑剤含有ニッケル層である請求項１または請求項２記載の焼結含油軸受。
4. 軸受本体がＦｅ系焼結体でなる請求項１〜請求項３何れか１項記載の焼結含油軸受。
5. 固体潤滑剤含有金属層中の固体潤滑剤と金属との容積比が、７：３〜４：６である請求項１〜請求項４何れか１項記載の焼結含油軸受。
6. 摺動受け面のうち、油孔部分の面積が２０％〜６０％である請求項１〜請求項５何れか１項記載の焼結含油軸受。
7. 固体潤滑剤含有金属層の層厚が１．０μｍ〜１０．０μｍである請求項１〜請求項６何れか１項記載の焼結含油軸受。
8. 軸体を回転可能に軸支する摺動受け面が形成された軸受本体の油孔に、潤滑油を含油処理してなる焼結含油軸受の製造方法において、
   焼結して得た軸受本体をサイジングして、摺動受け面に表出させるべき所望の平均孔径となる油孔よりも大きな平均孔径を有する油孔を該摺動受け面に形成し、
   該摺動受け面に固体潤滑剤含有金属層を設けるとともに、該固体潤滑剤含有金属層にて前記油孔の縁を覆って、該摺動受け面に前記所望の平均孔径となる油孔を形成する
   ことを特徴とする焼結含油軸受の製造方法。