JP2006242224A - 焼結金属製軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】ステンレス鋼粉末を主成分とする焼結金属からなる軸受について、ステンレス鋼の耐食性を阻害することなく、腐食性環境下において充分に使用に耐え、始動当初から長時間に亙って低いトルクで軸受が回転し、しかも環境負荷の小さい非鉛系の固体潤滑成分を単独成分として添加した焼結金属製軸受または焼結含油軸受とすることである。
【解決手段】ステンレス鋼粉末を主成分とし、硫化マンガン（ＭｎＳ）粉末を０．５〜２０重量％配合して焼結した焼結金属からなる焼結金属製軸受とする。このような焼結金属製軸受に潤滑油または液状グリースを含油率が５〜２５体積％であるようにしみ込ませてなる焼結含油軸受とする。
【選択図】なし

Description

この発明は、固体潤滑成分を含有する焼結金属からなる焼結金属製軸受および焼結含油軸受に関する。

一般に、含油軸受は、金属の粉末を焼き固めて得られる焼結金属製軸受の内部にできる三次元網目状の連通気孔（いわゆる海綿状の空孔）に潤滑油をしみ込ませたものであり、長期間給油しなくてもよいので、家庭用品から大型機械まで広く用いられるものである。

鉄系焼結摺動材料からなる含油軸受として、アルミニウム（Ａｌ）０．５重量％以上と銅（Ｃｕ）１０〜５０重量％と共に、固体潤滑剤の硫化マンガン（ＭｎＳ）を配合したものは、耐焼付き性と耐摩耗性が改善されることが知られている（特許文献１）。

また、高温で腐食性の高い雰囲気中で使用する目的では、耐酸化性が要求され、３００〜９００℃という高温雰囲気に曝されても給油せずに使用される焼結金属製軸受材料が必要となり、ステンレス鋼粉末にジルコン酸ナトリウム粉末および銅粉末を添加して焼結した軸受材料が知られている（特許文献２）。

特開２００３−３４２７００号公報（請求項１、段落［００６０］） 特開２００１−７３０９９号公報（請求項１、段落［００２７］）

しかし、ステンレス鋼粉末を主成分とする焼結金属製軸受は、周知である各種固体潤滑剤を無作為に配合すればよいというものではなく、例えば、固体潤滑剤として知られたカーボンを多く添加すると、カーボンがステンレス基材中に固溶してステンレスが本来有する耐熱性や耐腐食性は低下するので、潤滑に必要な量のカーボンを添加することはできない。

また、優れた摺動特性を付与する固体潤滑剤として知られている酸化鉛は、自然環境へ鉛成分の流出を配慮せずに使用されるとき、または廃棄処分によって自然環境に投棄されたときに、食物連鎖を通じて生物の体内に鉛成分を濃縮させ、最終的にはヒトへの影響も懸念されることから、鉛成分を含まない固体潤滑剤に代替されるべきものである。

前記したようにステンレス鋼の焼結金属に配合できる固体潤滑剤としては、鉛成分を含まないものとして、銅粉末とジルコン酸ナトリウム粉末を配合したものがあるが、このような複数成分混合系の固体潤滑剤は、各成分を所定量ずつ配合しなければ摺動特性改善の効果がなかった。

因みに２種以上の成分を配合する固体潤滑剤では、所期した潤滑性およびステンレス鋼の耐食性を得るために、それら成分の配合比のバランスを調整する作業が煩雑であると共に、均一混合による摺動部品内での均質化が容易ではなく、添加効率よく確実に潤滑性を高めることは容易にできないという問題点があった。

そこで、この発明の課題は、上記した問題点を解決してステンレス鋼粉末を主成分とする焼結金属からなる軸受について、単独潤滑成分であってもステンレス鋼の耐食性を阻害することなく、腐食性環境下において充分に使用に耐える軸受にすると共に、始動当初から長時間に亙って低いトルクで軸受が回転し、しかも環境負荷の小さい非鉛系の固体潤滑成分を単独成分として添加した焼結金属製軸受または焼結含油軸受とすることである。

上記の課題を解決するために、この発明においては、ステンレス鋼粉末を主成分とし、硫化マンガン（ＭｎＳ）粉末を配合して焼結した焼結金属からなる焼結金属製軸受としたのである。

上記したように構成されるこの発明の焼結金属製軸受は、粉末状の硫化マンガン（ＭｎＳ）を単独成分として配合するだけで、無給油条件でも始動初期から摺動面に硫化鉄、酸化鉄、硫酸鉄など硫黄系の潤滑性・耐極圧性の膜が形成され、低摩擦係数、すなわち低回転トルクで軸を回転させることができ、また長時間に亙って耐久性の良い軸受になる。

硫化マンガン（ＭｎＳ）は、ステンレス鋼中の酸化クロムによる不動態膜の形成を阻害しない物性であると考えられ、これを配合した材料からなるものは、ステンレス鋼の耐食性を阻害しない焼結金属製軸受になる。

このような作用が確実に奏されるために好ましい条件としては、焼結金属１００重量％における硫化マンガン粉末の配合割合が、０．５〜２０重量％であり、また内径面開孔率が、５〜５０％である焼結金属製軸受とすることが好ましい。

また、長期間に亘って安定して低い軸受トルクであるように、焼結金属製軸受に潤滑油または液状グリースをしみ込ませてなる焼結含油軸受とすることが好ましく、また、同様の理由で含油率（液状グリースをしみ込ませた場合も同じ。）が５〜２５体積％である焼結含油軸受とすること、または密度が５．５〜７．５ｇ/ｃｍ³である焼結含油軸受とすることが好ましい。

この発明は、ステンレス鋼粉末を主成分とし、硫化マンガン（ＭｎＳ）粉末を配合して焼結した焼結金属製軸受とし、またはこれに潤滑油または液状グリースをしみ込ませた焼結含油軸受としたので、ステンレス鋼と硫化マンガン（ＭｎＳ）との相性のよい協調的作用によって、単独の潤滑成分で充分に初期から長時間に亙って使用に耐える軸受になり、しかもステンレス鋼の耐食性を阻害しない焼結金属製軸受または焼結含油軸受となる利点がある。

この発明の実施形態として以下に説明する焼結含油軸受は、ステンレス鋼粉末を主成分とし、硫化マンガン（ＭｎＳ）粉末を配合して所要の軸受形状に圧粉成形し、これを焼結し、サイジングし、両端面のバニシ仕上げなどの工程を経て焼結金属製軸受を製造し、さらに使用目的や用途に応じて適当な潤滑油または液状グリースを含浸等の手法でしみ込ませて焼結含油軸受として製造される。

この発明に用いるステンレス鋼は、特に鋼組織の形態から限定して採用されるものではなく、オーステナイト系、オーステナイト・フェライト系、フェライト系、マルテンサイト系のいずれの組織であっても良く、すなわち、鉄に１２％以上のクロム（Ｃｒ）が含まれていて空気中で酸化クロムの不動態膜を形成できるものであれば、クロム不銹鋼またはクロム・ニッケル・ステンレス鋼などのいずれであっても良い。

オーステナイト系ステンレス鋼としては、クロム・ニッケル系（１８Ｃｒ−８Ｎｉ）のＳＵＳ３０４、フェライト系ステンレス鋼としてはクロム系（１８Ｃｒ）のＳＵＳ４３０、マルテンサイト系ステンレス鋼としてはクロム系（１３Ｃｒ）のＳＵＳ４１０がそれぞれ代表例として挙げられる。

硫化マンガン（ＭｎＳ）粉末の配合割合は、焼結金属１００重量％として硫化マンガン粉末の配合割合を０．５〜２０重量％とすることが好ましい。硫化マンガン粉末の配合割合が０．５重量％未満の少量では、摺動面に充分な量で硫黄系の潤滑性・耐極圧性の膜が形成され難く、長時間に亙って耐久性の良い軸受にならずに好ましくない。また、２０重量％を超えて多量に配合した場合は、摺動面の摩擦係数はそれ以上の顕著な低下がみられず、却って母材のステンレス鋼の強度低下を招くことになって好ましくないからである。

上記のようにステンレス鋼粉末に硫化マンガンを配合した混合粉末は、円管状などの所要寸法の軸受形状に圧粉成形し、次いで加熱して焼結させる。圧粉成形は、例えば成形型に入れ、成形圧力６ｔｏｎ／ｃｍ²程度の加圧力で圧縮して成形することができる。

焼結工程では、多孔質の圧粉体に対し、粒子同士を融着させる程度に例えば１１００℃程度に約８時間程度の熱を加えて焼結する。このとき、粒子の表面を酸化させないようにＡＸガスや水素ガス雰囲気などの還元性雰囲気で段階的に加熱することが好ましい。

このようにして得られる焼結金属製軸受の密度は、５．５〜７．５ｇ/ｃｍ³、含油率は５〜２５体積％、内径面開孔率５〜５０％とすることが好ましい。

上記の内径面開孔率が５％未満の軸受は、長時間の無給油に耐える潤滑油量を摺動面に供給できないものとなって好ましくない。また、内径面開孔率が５０％を超える軸受は、含油率は５０体積％を超えて必要以上に多量の潤滑油を供給するので、潤滑に寄与できない余剰の油分が流出することになって好ましくない。
上記の含油率が５体積％未満の軸受は、長時間の無給油に耐える潤滑油量を保持できないものとなって好ましくない。また、含油率が２５体積％を超える軸受は、軸受自体の強度低下を招くことになって好ましくない。

因みに内面開孔率などの表面開孔率は、軸受部材のサイジングに際して、その内周面を内型（コアロッド等）に押し付ける際の押し付け力を調整することによって得ることができる。

この発明に用いる潤滑油は、上記のように適当な焼結金属製軸受に含浸する場合に用いるが、その種類を軸受の用途や使用目的等に応じて選択的に採用すればよく、具体例としては、ジエステル系、鉱油系、ジエステル鉱油系、ポリオールエステル系などの潤滑油が挙げられる。
また、潤滑油に代えて用いられる液状グリースについても、常温で液状の潤滑グリースであれば、用途や使用目的等に応じて選択的に採用すればよく、その種類は特に限定されるものではなく、石鹸または非石鹸で増ちょうした液状グリースとして、リチウム石鹸−ジエステル系、リチウム石鹸−鉱油系、ナトリウム石鹸−鉱油系、アルミニウム石鹸−鉱油系、リチウム石鹸−ジエステル鉱油系、非石鹸−ジエステル系、非石鹸−鉱油系、非石鹸−ポリオールエステル系、リチウム石鹸−ポリオールエステル系などのグリースが具体例として挙げられる。

クロム系（１３Ｃｒ）ＳＵＳ４１０Ｌ粉末に硫化マンガンが１重量％（＝１．８２体積％）、１．７５重量％（＝３．１７体積％）、５重量％（＝８．８３体積％）または１０重量％（＝１６．９７体積％）を配合した混合粉末を、６ｔｏｎ／ｃｍ^２の成形圧力で圧粉成形し、成形密度５．９±０．２ｇ/ｃｍ³の円環状の軸受試験片（実施例１〜４）に成形した。これをＡＸガス中にて１１００℃に８時間加熱して焼結させた。

得られた実施例１〜４の焼結金属製軸受の密度は、５．９±０．２ｇ/ｃｍ³、含油率は１５体積％であり、Ｆｅ、Ｃ、Ｃｒの化学成分は、下記の表１に示す通りであった。

このようにして得られた実施例１〜４の試験片について、「含浸油なし」の状態で摺動試験（初期なじみ試験）を行なった。試験条件は、負荷荷重２ｋｇｆ、回転数２０００rpm、ＰＶ値２０．５０ＭＰａ・ｍ／ｍｉｎとして、試験時間６０分間とし、摩擦係数（μ）を連続測定して、その結果を図１に示した。

この結果、いずれも２０〜４０分程度で０．１〜０．２７程度の低摩擦係数で安定した。

［比較例１］
実施例２において、硫化マンガンに代えて鉛（Ｐｂ）を４重量％（＝２．６６体積％）配合したこと以外は、全く同様の圧粉成形および焼結条件で比較例１の試験片を作製した。

得られた比較例１および前記で得られた実施例２の試験片について、「含浸油なし」の状態で摺動試験（初期なじみ試験）を行なった。試験条件は、負荷荷重０．５ｋｇｆ、回転数２０００rpm、ＰＶ値５．１２５ＭＰａ・ｍ／ｍｉｎとして、試験時間６０分間とし摩擦係数（μ）を連続測定してその結果を図２に示した。

この結果、比較例１と実施例２は、摩擦係数は０．１０〜０．１７を示し、２０分程度で実施例２が比較例１より０．０３低い摩擦係数で安定した。試験後の軸の表面粗さは、比較例１が２〜５μｍ、実施例２が３〜７μｍであった。

［実施例５および比較例２］
実施例２に潤滑油（ＩＳＯ ＶＧ ６８、鉱物油）を含浸して実施例５の焼結含油軸受を作製し、同様に比較例１にも潤滑油（ＩＳＯ ＶＧ ６８、鉱物油）を含浸して比較例２の焼結含油軸受を作製した。

得られた実施例５および比較例２の焼結含油軸受について、摺動試験（耐久摺動試験）を行なった。試験条件は、負荷荷重３．５ｋｇｆ、回転数２０００rpm、ＰＶ値３５．８７５ＭＰａ・ｍ／ｍｉｎとして、試験時間５００時間とし、摩擦係数（μ）の変化を連続測定し、その結果を図３に示した。

この結果、実施例５および比較例２の試験片の結果は、ほぼ同等であり、約０．１に収束した。試験後の軸の表面粗さは、比較例２が３〜７μｍ、実施例５が２〜６μｍであった。

実施例１〜４の試験時間と摩擦係数の関係を示す図表 実施例２および比較例１の試験時間と摩擦係数の関係を示す図表 実施例５および比較例２の試験時間と摩擦係数の関係を示す図表

Claims (6)

1. ステンレス鋼粉末を主成分とし、硫化マンガン（ＭｎＳ）粉末を配合して焼結した焼結金属からなる焼結金属製軸受。
2. 硫化マンガン粉末の配合率が、０．５〜２０重量％である請求項１に記載の焼結金属製軸受。
3. 内径面開孔率が、５〜５０％である請求項１または２に記載の焼結金属製軸受。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の焼結金属製軸受に潤滑油または液状グリースをしみ込ませてなる焼結含油軸受。
5. 含油率が５〜２５体積％である請求項４に記載の焼結含油軸受。
6. 密度が５．５〜７．５ｇ/ｃｍ³である請求項４に記載の焼結含油軸受。

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