JP2008069384A - Ｆｅ系焼結金属製軸受およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストに製造可能で、かつオイルレス環境下でも優れた摺動特性を発揮し得る焼結金属製軸受を提供する。
【解決手段】フェライト相からなるＦｅ系金属粉末１に、固体潤滑剤としてのＭｎＳ粉末２を混合してなる混合粉末３を圧粉成形する。圧粉成形により得られた圧粉成形体４を、浸炭を生じない雰囲気下で焼結することで、フェライト相中にＭｎＳが分散した構造をなすＦｅ系焼結金属製軸受を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｆｅ系焼結金属製軸受およびその製造方法に関する。

焼結金属製軸受は、高い成形自由度を有しかつ安価に製造可能であることから、例えば情報機器用や自動車部品用など、種々の分野にわたって広く実用化されている。

また、この種の焼結金属製軸受は、その構造上、内部に多数の空孔を有することから、潤滑油等の液状潤滑剤を内部空孔に含浸させた、いわゆる焼結含油軸受として使用される場合も多い。

一方で、この種の焼結金属製軸受を、無給油の状態で使用する場合、主成分となる金属粉末に、黒鉛や二硫化モリブデン等の固体潤滑剤を加えたものを成形、焼結することで摺動性を改善した焼結金属製軸受が提案されている（例えば、特許文献１や２を参照）。
実開平５−５２３４７号公報 特開２００１−３１２３号

ところで、最近では、この種の焼結金属製軸受に対しても低コスト化の要求が高まってきており、さらなる製造コストの低減化が命題となっている。かかるコスト低減のための手段として、例えば比較的安価なＦｅ系金属粉末を使用することによる材料コストの低減化が考えられる。

この場合、潤滑油等が使用できるのであれば、特に問題はないが、上述の通り、この種の焼結金属製軸受は種々の分野、用途にわたって広範に用いられるものであるから、中には、例えば燃料ポンプ用の軸受など、潤滑油等の使用が制限される用途に用いられる場合がある。このように、オイルレス環境下での使用が求められる用途に関しては、摺動性に優れた材料を選択、使用するだけでは足りず、固体潤滑剤の使用が必須となる。

ここで、一般的な固体潤滑剤としての黒鉛を使用する手段がまず考えられるが、黒鉛は多量に配合すると、金属粉末との混合粉末中で偏析を生じやすいという欠点を有する。特に、オイルレス環境下での使用を想定した場合、黒鉛を通常以上に多量に配合する必要があるため、この場合に得られる焼結金属製軸受は性能にばらつきが出やすいものとなり、品質の安定性を欠く恐れがある。また、上述のように、低コスト化の観点からＦｅ系の金属粉末を使用した場合には、焼結温度が１０００℃以上となるため、固体潤滑剤として配合した黒鉛がＦｅ系金属中に固溶し、金属組織の硬化と同時に脆化を招く恐れがある。特に表層部の過度な硬化は、相手材を傷付けることにもなりかねず好ましいものではない。

また、二硫化モリブデンは分解温度が低いため、Ｆｅ系金属粉末のように、１０００℃以上の高温で焼結する場合には不適である。

以上の事情に鑑み、本発明では、低コストに製造可能で、かつオイルレス環境下でも優れた摺動特性を発揮し得る焼結金属製軸受およびその製造方法を提供することを技術的課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、フェライト相からなるＦｅ系金属粉末にＭｎＳ粉末を混合したものを圧粉成形、焼結して形成されるもので、フェライト相中にＭｎＳが分散した構造をなすＦｅ系焼結金属製軸受を提供する。ここでいうＦｅ系金属粉末は、フェライト相を主として有する金属粉末であればよく、純鉄の他、ステンレス鋼等のＦｅ系合金からなる粉末を含む。

このように、本発明に係る焼結金属製軸受は、主成分となる金属粉末にフェライト相からなるＦｅ系金属粉末を使用すると共に、固体潤滑剤にＭｎＳ粉末を固体潤滑剤として使用したことを特徴とするものである。フェライト相からなるＦｅ系金属を主成分とすることで、Ｆｅ系金属が本来有する高い機械的強度や安価などのメリットを得つつも、フェライト組織に特有の柔軟性、粘り強さを当該軸受に付与することができる。これにより、摺動相手材に対する摺動性、特になじみ性に優れた焼結金属製軸受を得ることができる。

加えて、本発明では、固体潤滑剤としてＭｎＳ粉末を使用したので、黒鉛のように、固体潤滑剤が主成分となるＦｅ系金属中に固溶することはなく、また、二硫化モリブデンのように、固体潤滑剤が焼結温度で熱分解することもない。加えて、本発明者が行った実験から、固溶等を生じることなくＦｅ系金属粉末を焼結可能な固体潤滑剤の中でもＭｎＳ粉末は、特に優れた潤滑性能を発揮することが判明した。以上より、Ｆｅ系金属粉末に最適な固体潤滑剤としてＭｎＳ粉末を使用することができ、かかる混合粉末からなる焼結金属製軸受であれば、潤滑油等の使用が制限される環境下でも非常に優れた摺動特性を発揮することが可能となる。

また、前記課題を解決するため、本発明は、フェライト相からなるＦｅ系金属粉末にＭｎＳ粉末を混合したものを圧粉成形し、得られた圧粉成形体を非浸炭雰囲気下で焼結することでＦｅ系焼結金属製軸受を得る、Ｆｅ系焼結金属製軸受の製造方法を提供する。

このように、本発明に係る焼結金属製軸受の製造方法は、主成分となる金属粉末にフェライト相からなるＦｅ系金属粉末を使用すると共に、ＭｎＳ粉末を固体潤滑剤として使用したことを特徴の１つとするものであり、かつ、上記混合粉末の圧粉成形体を、非浸炭雰囲気下で焼結することをさらなる特徴の１つとするものである。焼結時、圧粉成形体中に固溶を生じ得る程度の黒鉛（炭素）は含まれていないものの、焼結時の雰囲気によっては、例えば雰囲気ガス中から圧粉成形体中に浸炭作用が生じ、これにより焼結体が硬化する恐れがある。これに対して、本発明では、炭素の固溶だけでなく、焼結時の浸炭を防止するために、例えばＨ_２ガスやＡＸガス等、浸炭を生じ得ないガス雰囲気下、あるいは真空状態で焼結を行うようにした。これにより、粉末配合時にＦｅ系金属粉末を構成するフェライト相を、焼結後もフェライト相のままで残すことができる。従って、上述の如きＦｅ系焼結金属製軸受を製造することが可能となる。

以上より、本発明によれば、低コストに製造可能で、かつオイルレス環境下でも優れた摺動特性を発揮し得る焼結金属製軸受を提供することができる。

以下、本発明の一実施形態を図１に基づいて説明する。

図１は、本発明に係るＦｅ系焼結金属製軸受の製造方法の一例を概念的に示している。この製造方法は、原料となるＦｅ系金属粉末とＭｎＳ粉末とを混合する工程（ａ）、混合粉末を成形金型内に充填し、圧粉成形する工程（ｂ）、圧粉成形体を非浸炭雰囲気下で焼結する工程（ｃ）とを含む。以下、各工程を時系列順に説明する。

（ａ）粉末混合工程
まず、図１（ａ）に示すように、原料となるＦｅ系金属粉末１と、固体潤滑剤としてのＭｎＳ粉末２とを混合する。ここで、使用するＦｅ系金属粉末１としては、主としてフェライト相からなるものが使用される。この実施形態では、α−Ｆｅ粉末が、フェライト相からなるＦｅ系金属粉末１として使用される。

（ｂ）圧粉成形工程
次に、工程（ａ）で得られた混合粉末３を、成形金型内部に充填し、これを圧縮成形することで圧粉成形体４を得る。成形金型は、この図示例では、図１（ｂ）に示すように、混合粉末３の充填空間を形成するダイ５と、コアピン６と、下パンチ７と、ダイ５とコアピン６、および下パンチ７に対して相対的に上下動が可能な上パンチ８とで構成される。ダイ５とコアピン６および下パンチ７とで区画形成される空間に混合粉末３を充填し、当該空間に充填された混合粉末３を上パンチ８により圧縮することで、成形金型の区画空間に倣った形状の圧粉成形体４が成形される。ここでは、ダイ５、コアピン６、および上下パンチ７、８とで形成される区画空間に倣った、円筒状の圧粉成形体４が成形される。この際、ダイ５およびコアピン６に対する下パンチ７の相対位置を調整することで、混合粉末３の充填量が設定でき、また、下パンチ７に対する上パンチ８の近接量を調整することで、圧粉成形体４の圧縮比を適宜設定することが可能である。もちろん、圧粉成形体４の形状は円筒状に限るものではなく、上記金型５〜８の形状、構成を変更することで適宜調整可能である。

（ｃ）焼結工程
上述の工程（ｂ）で得られた圧粉成形体４を、Ｆｅ系金属粉末１の焼結温度まで加熱することで焼結する。また、この焼結作業を非浸炭雰囲気下で行う。この実施形態では、図１（ｃ）に示すように、圧粉成形体４を炉９内に供給配置すると共に、炉９の内部空間１０を、例えばＨ_２ガスやＡＸガスなど、圧粉成形体４を浸炭しないガスで満たした状態で圧粉成形体４をＦｅ系金属粉末１の焼結温度まで加熱する。なお、焼結作業時、必ずしも内部空間１０を非浸炭性のガスで満たす必要はなく、例えば炉９内に圧粉成形体４を供給配置した後、内部空間１０を真空状態（あるいは少なくとも焼結時に酸化を生じない程度の真空度状態）にすることで、非浸炭雰囲気を作り出すようにしても構わない。

このようにして、圧粉成形体４を、非浸炭雰囲気下でＦｅ系金属粉末１の焼結温度まで加熱することで、フェライト相中にＭｎＳを分散した構造をなすＦｅ系焼結金属製軸受が得られる。

このように、軸受の主成分にフェライト相からなるＦｅ系金属粉末１を、固体潤滑剤としてＭｎＳ粉末２をそれぞれ用いると共に、これらの混合粉末３を圧粉成形してなる圧粉成形体４を、浸炭を生じない雰囲気下で加熱し、焼結するようにした。このような方法で製造された焼結体（焼結金属製軸受）であれば、Ｆｅ系金属粉末１を主に構成するフェライト相を、焼結工程を経た後も他の相に変態させることなくフェライト相のままで残すことができる。そのため、フェライト相が本来有する柔軟性、粘り強さ（じん性）を焼結金属製軸受に付与することができ、これにより、相手材とのなじみ性、摺動性に優れた軸受を得ることができる。

もちろん、Ｆｅ系金属からなる焼結金属製軸受であるから、機械的強度をはじめ、耐久性（使用寿命）にも優れた軸受となる。また、Ｆｅ系金属は、Ｃｕ系金属など他の軸受用金属に比べて安価であるから、これを材料とする焼結金属製軸受の製造コストも低減化可能となる。

加えて、固体潤滑剤としてＭｎＳ粉末２を使用することで、二硫化モリブデンのようにＦｅ系金属粉末１の焼結温度で熱分解することはなく、かつ黒鉛のようにＦｅ系金属粉末１中に固溶して、フェライト相をパーライト化することもない。以上より、ＭｎＳ粉末２を、Ｆｅ系金属粉末１に最も適した固体潤滑剤として使用することができる。よって、この焼結金属製軸受であれば、例えば潤滑油等の使用が制限される環境下（例えば燃料ポンプ用軸受）でも優れた摺動特性を発揮することが可能となる。

なお、上述の如く、ＭｎＳ粉末２が固体潤滑剤として有効に機能するためには、完成品としての焼結金属製軸受において、フェライト相中にＭｎＳが分散するよう、その配合量を適正な範囲内に収めておく必要がある。具体的には、ＭｎＳを万遍なく分散させるためにはＭｎＳ粉末２を０．５ｗｔ％以上配合したほうがよく、またなるべく均一的に分散させるためにはその配合量を３ｗｔ％程度に留めておくのがよい。一例として、発明者らが行った実験では、ＭｎＳ粉末２の配合量が１．７ｗｔ％の場合に、最も良好な結果（摺動性能）、特に摺動初期のなじみ性について良好な結果が得られた。

また、上記実施形態では、Ｆｅ系金属粉末１としてα−Ｆｅ粉末を使用した場合を説明したが、フェライト相を主として構成されるＦｅ系金属粉末１であれば使用可能であり、例えばフェライト系ステンレスなど、各種Ｆｅ系金属合金粉末も使用可能である。

また、上記実施形態では、焼結金属製軸受の材料として、Ｆｅ系金属粉末１とＭｎＳ粉末２とを混合したものを使用したが、もちろんこれに限る必要はない。最終的な製品としての焼結体が、フェライト相中にＭｎＳを分散させた構造をなすものである限り、バインダや離型剤など、他の材料を配合することも可能である。例えば、Ｃｕ粉末などが、Ｆｅ系金属粉末１のバインダとして使用可能である。この場合、Ｃｕ粉末の配合割合は、２ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下としておくのが好ましい。

本発明に係るＦｅ系焼結金属製軸受の製造方法の一例を概念的に示す図である。

符号の説明

１ Ｆｅ系金属粉末
２ ＭｎＳ粉末
３ 混合粉末
４ 圧粉成形体
５ ダイ
６ コアピン
７ 下パンチ
８ 上パンチ
９ 炉
１０ 内部空間

Claims (2)

1. フェライト相からなるＦｅ系金属粉末にＭｎＳ粉末を混合したものを圧粉成形、焼結して形成されるもので、フェライト相中にＭｎＳが分散した構造をなすＦｅ系焼結金属製軸受。
2. フェライト相からなるＦｅ系金属粉末にＭｎＳ粉末を混合したものを圧粉成形し、得られた圧粉成形体を非浸炭雰囲気下で焼結することでＦｅ系焼結金属製軸受を得る、Ｆｅ系焼結金属製軸受の製造方法。

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