JP2010261077A - 焼結機械部品 - Google Patents

Abstract

【課題】低温状態や長期間放置後の駆動時にも、鳴き音の発生を防止することができる焼結機械部品を提供する。
【解決手段】銅―錫合金を含む銅系金属を主成分とした焼結金属で構成され、少なくとも摺動表面における銅のα相の閉める面積比が５０％以下とすることで、銅の他部材への移着を防止し、銅同士の凝着に伴う振動の発生に伴う鳴き音の発生を抑えることができる。銅―錫合金粉末を含む混合金属粉末を用いて焼結すると、焼結体を高温状態で長時間維持し、銅粉末の内部に錫を十分に拡散させる必要が少なくなり、焼結時間を短縮できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、銅―錫合金を主成分とする焼結金属で形成され、他部材と接触摺動する機械部品に関し、例えば焼結軸受や焼結歯車等に関する。

軸受や歯車等のように他部材との摺動を伴う機械部品は、自動車等の輸送機械やコピー機等の事務機器など、あらゆる分野で使用されている。このような軸受や歯車等を有する機械・機器を、低温状態で駆動したり、長期間放置した後に駆動したりすると、部品の摺動による鳴き音が発生することがある。

例えば特許文献１〜３には、焼結金属の内部気孔に潤滑油を含浸させた焼結含油軸受あるいは焼結含油歯車が示されている。このような焼結金属製の機械部品の内部気孔に含浸させた潤滑油を摺動部に供給することにより、摺動部での潤滑性を高めている。

特許文献１の焼結含油軸受は、焼結体の通気度や潤滑油の粘度を調整することで、潤滑油の軸受内部への収縮を抑制して潤滑性を高めることにより、鳴き音の抑制を図っている。

特許文献２の焼結含油軸受は、焼結体の空孔の大きさと軸受隙間の隙間幅とを工夫し、摺動部への潤滑油の供給量を増すことで、鳴き音の抑制を図っている。

特許文献３の焼結含油歯車は、焼結金属の含油率を適正範囲内に設定することで、鳴き音（騒音）の抑制を図っている。

特開２００３−１２０６７４号公報 特開２００４−１３８２１５号公報 特開２００４−３６７４５号公報

しかし、潤滑油の供給量を増やすことで潤滑性を高める方法では、高温環境等の悪条件により潤滑油の枯渇度が厳しくなった場合には、鳴き音を抑制する効果が小さくなる。

また、焼結軸受の摺動面に開口した空孔の大きさや軸受隙間の隙間幅は、軸受の長期使用により摺動面が摩耗することで変化するため、長期間使用される用途には不適である。

本発明は、低温状態や長期間放置後の駆動時にも、鳴き音の発生を防止することができる焼結機械部品を提供することを目的とする。

本発明者らは、鳴き音の発生の原因を解明するために、下記の表１に示す組成の金属試験片Ｗ１〜Ｗ７を作成し、図４に示すサバン試験機１にて異音の発生状況を調査した。金属試験片Ｗ１〜Ｗ７、何れも銅あるいは銅-錫合金を主成分とする銅系の焼結金属で形成した。

サバン試験機１は、試験片Ｗを所定の荷重で相手材に押し付けた状態で、相手材を回転させるものである。具体的には、相手材としての円筒部材２と、円筒部材２を回転駆動する水平方向の駆動軸３と、円筒部材２を下方から支持するフェルトパッド４と、円筒部材２の上方で試験片Ｗを保持する保持部５と、保持部５が固定され、略水平方向に延びた支持部６と、支持部６上に載置された錘７と、支持部６の端部を回動可能に枢着した支柱８とを有する。所定荷重の錘７を支持部６上に載置し、円筒部材２の外周面に試験片Ｗを上方から接触させた状態で、駆動軸３を回転駆動して円筒部材２を回転させ、このときの鳴き音の発生の有無を調べた。尚、上記試験では、潤滑不良状態を形成するために、潤滑油等を使用しない無潤滑条件で行った。

その結果、表１に示すように、錫の重量比（試験片Ｗ全体の重量に対する錫の重量比）が２０％以下の試験片Ｗ１〜Ｗ３は鳴き音が発生し、錫の重量比が２５％以上の試験片Ｗ４〜Ｗ６では鳴き音の発生が無かった。尚、錫の重量比が３２．５５％以上の試験片Ｗ５及びＷ６は、小さな高周波の異音が発生したが、十分に遮音可能な程度であり、実用上問題とはならないものであった。

また、各試験片による試験が行われたら、その度に円筒部材２に試験片の材料が移着しているか否かを確認した。表１に示すように、鳴き音が発生した試験片Ｗ１〜Ｗ３では移着が確認され、鳴き音の発生が無かった（あるいはほとんど無かった）試験片Ｗ４〜Ｗ６では、移着が確認されなかった。

このことから、鳴き音の原因は試験片の材料の移着と関係があると推定できる。すなわち、機械部品の材料が相手材に移着すると、同種材料同士の摺動となるため、凝着しやすく、摩擦係数が大きくなる。従って、機械部品と相手材との摺動部分のうち、移着が生じている部分では摩擦係数が大きくなり、移着が生じていない部分では摩擦係数が小さくなる。図１に、上記試験において円筒部材２を７分間回転させたとき、最後の１５０秒間における試験片Ｗと円筒部材２との間の摩擦係数の変動の標準偏差を示す。このように、鳴き音が生じた試験片Ｗ１〜Ｗ３は、鳴き音が生じなかった試験片Ｗ４〜Ｗ７よりも摩擦係数の場所によるバラつきが大きいことが確認できた。このように摩擦係数のバラつきが大きくなると、摺動箇所によって摩擦抵抗の差が大きくなり、スムーズな摺動が妨げられて振動が発生する。この振動が、鳴き音の発生原因の一つであると考えられる。

銅系焼結機械部品からの銅の移着を防止するためには、銅を合金化して結晶構造を変化させ、化学的に安定化させればよい。すなわち、焼結部品の少なくとも摺動表面における銅α相の面積比を小さくすれば、相手材への移着を抑え、鳴き音の発生を抑えることができる。表１に示すように、銅α相の重量比（試験片全体の重さに対する銅α相の重量）が５８．２％以上であれば鳴き音が発生していることから、銅α相の重量比は５０％以下、好ましくは４０％以下、より好ましくは３５％以下であれば、鳴き音を抑制する効果が得られることが分かる。尚、銅―錫合金における各相の密度差は小さいため、重量比がそのまま体積比、ひいては表面積比に比例すると考えることができる。従って、α相の重量比を５０％以下にするためには、表面の面積比を５０％以下にすればよい。尚、移着を防止するためには、機械部品の表面のうち、すくなくとも相手材と摺動する部分（摺動表面）において、上記基準を達成していれば良い。

すなわち、本発明は、銅―錫合金を含む銅系金属を主成分とした焼結金属で構成され、接触摺動を伴う用途に使用される焼結機械部品であって、少なくとも摺動表面における銅のα相の閉める面積比が５０％以下である焼結機械部品として特徴づけられる。

ここで、「銅系金属を主成分とする」とは、銅や銅―錫合金などの銅系金属の合計量が、焼結金属全体に対する重量比で５０％以上含まれるものを言う。

表１の結果から、焼結金属全体に対する錫の重量比を２５％以上とすれば、銅α相の析出が抑えられ、鳴き音の発生を抑制できることが分かる。

銅―錫合金において、錫を多く含有することで生成されるδ相（錫３２．５５％での生成物）やε相（錫３７％程度での生成物）は硬度が高いため、強度や剛性に優れている反面、加工性に乏しい。表１に示す試験片Ｗ６及びＷ７は、δ相やε相が多く生成することで硬度が高くなり、摺動時に小さな異音が発生していると考えられる。従って、比較的硬度の低いα相の面積比を１２％以上（あるいは、錫の重量比を３０％以下）とし、δ相やε相の生成を抑えれば、機械部品の成形性が高められると共に、わずかに異音の発生も防止することができる。

銅−錫合金を含む焼結金属を形成する場合、例えば、銅粉末と錫粉末を所定の配合比率で混合し、この混合金属粉末を圧縮成形した後、焼成することにより、銅及び錫を合金化することが考えられる。この場合、銅と錫との結晶構造の変化を十分に行わせるために、焼結体を高温状態で長時間維持し、銅粉末の内部に錫を十分に拡散させる必要がある。この焼結時間を短縮するためには、予め錫を含んだ銅―錫合金の粉末を用いることが望ましい。しかし、銅―錫粉末では、図２に示すように、錫の配合比が１５％を超えると急激に硬度が高くなる。このように硬度の高い合金粉末を圧縮成形すると、成形品にひび割れが生じる恐れがある。このため、錫の配合比が１５％以下である銅―錫合金粉末を用いることが好ましい。また、銅―錫合金粉末に加えて、さらに錫粉末を混合して焼結金属を形成すれば、圧縮成形時に、比較的硬度の低い錫が塑性流動して銅―錫合金粉末を保持するため、成形品のひび割れを確実に防止できる。また、こうして錫粉末を加えて錫の配合割合を高めることで、上記のように銅を相変化させてα相の割合を低減することが可能となる。

以上のような焼結機械部品は、潤滑油の供給により鳴き音を低減しようとするものではなく、銅の移着を防止することで鳴き音を抑えるものであるため、無潤滑環境下で使用することもできる。もちろん、潤滑環境下でも使用することができ、この場合は、低温環境下での潤滑不良や、長期の高温運転により潤滑油が減少することによる潤滑不良時であっても、鳴き音を抑制することができる。従って、上記の焼結機械部品は、例えば、焼結軸受、焼結含油軸受、あるいは焼結歯車として使用することができる。また、エンジンルーム内のような高温環境下で使用される機械部品として好適に使用できる。

以上のように、本発明の焼結機械部品によれば、低温状態や長期間放置後の駆動時であっても、鳴き音の発生を防止することができる。

試験片の摩擦係数の変動の標準偏差を示すグラフである。 各種組成の銅―錫合金の硬度を示すグラフである。 銅―錫合金の状態図である。 （ａ）はサバン型試験器の正面図、（ｂ）は同側面図である。

本発明の一実施形態に係る焼結機械部品は、銅―錫合金を含む銅系金属を主成分とした焼結金属で構成される。この焼結機械部品は、少なくとも他部材との摺動表面において、銅α相の占める面積比が５０％以下、好ましくは４０％以下、さらに好ましくは３５％以下とされる。

尚、銅α相の面積比は、以下の方法で測定することができる。すなわち、自然光下において、α相は銅色でδ相は灰色をしているため、金属顕微鏡による写真をコンピュータで画像処理すればα相とδ相の面積比を測定することができる。偏光フィルターなどを利用すると、より分別しやすい画像を得やすくなる。このとき、画像処理による面積比測定を行いやすくするために、観察表面を磨く必要があり、部品全体の面積比の測定では部品を切断した断面に対して行えばよい。摺動表面は、一般に磨かれたような状態であるため、そのまま観察しても面積比を測定することができるが、もしも、摺動表面が荒れていたり不純物の付着が激しかったりと観察しにくい場合は、表層近傍を切断して測定すればよい。

このような焼結機械部品は、例えば、内周に軸部材が挿入され、内周面で軸部材の外周面を支持する焼結軸受として使用することができる。この場合、焼結軸受の内周面が摺動表面となる。この焼結軸受は、摺動表面におけるα相の面積比が５０％以下に設定されているため、焼結軸受の銅の軸部材の外周面への移着が抑えられ、鳴き音の発生が防止できる。従って、例えば、潤滑油等の潤滑剤を使用しない無潤滑環境下でも、鳴き音を発生させることなく使用することができる。あるいは、焼結軸受の内部空孔に潤滑油を含浸させた焼結含油軸受として使用することができる。この場合、軸受内部に含浸された潤滑油は、焼結軸受の内周面と軸部材の外周面との間の軸受隙間に供給されるが、低温環境下や長期間放置後の起動時に潤滑不足が生じた場合でも、鳴き音の発生を抑えることができる。

あるいは、上記の焼結機械部品は、焼結歯車として使用することができる。この場合、相手歯車と噛み合う歯面が摺動表面となる。これにより、歯車の歯面同士の接触による鳴き音の発生を防止することができる。

上記のような焼結機械部品は、潤滑油による鳴き音の発生防止が困難な環境下で使用することが特に有効である。例えば、自動車のエンジンルームでは、エンジンの熱で高温になり、潤滑油の減少が激しくなるため、上記の焼結機械部品が好適に使用できる。例えば、上記の焼結歯車は、エンジンルームのスタータモータのギヤとして好適に使用できる。

以下に、上記の焼結機械部品の製造工程の一例を示す。この焼結機械部品は、圧粉成形工程、焼成工程、及びサイジング工程を経て製造される。

圧粉成形工程では、各種金属粉末を混合した後、その混合粉末を金型内に充填し、圧縮成形することにより行われる。本実施形態では、銅―錫合金粉末及び錫粉末に、離型剤として樹脂粉末を１％程度の重量比で混合した混合粉末が使用される。銅―錫合金粉末は、合金粉末における錫成分の重量比が１５％以下のものが使用される。また、混合粉末中における錫の重量比、すなわち銅―錫合金粉末の錫成分の重量比及び錫粉末の重量比を合計した値が、混合粉末全体に対して２５％以上となるように、各粉末の配合割合が設定される。さらに、後述する焼成工程において焼結体の形状を維持するために、混合粉末中の錫の重量比が３８％以下となるように、各粉末の配合割合を設定することが好ましい。尚、上記の混合粉末に、その他の添加剤を微量加えてもよく、例えば、炭素粉末を最大５％程度、ニッケルを最大５％程度加えても良い。

こうして形成された圧粉成形体を、所定温度で焼成する。このとき、図３の銅―錫二元系の状態図に示すように、銅―錫合金の融点は、銅単体の場合よりも低くなる（図中、液相Ｌを含む相をハッチングで示し、銅α相を含む相を散点で示す。）。融点を超える温度で焼結すると、焼結体が溶融して形状の維持が困難となるため、焼成温度は融点より小さくすることが好ましい。例えば上記のように、錫の重量比を２５％以上３８％以下とした場合には、７００℃以下の温度で焼成することが望ましい。また、錫の重量比が３８％を超えると、７００℃以下の温度でも液相が生じる領域がある（図中の（ε＋Ｌ）相）。このため、錫の重量比は、上述のように３８％以下とすることが望ましい。ただし、温度が５８０℃以上の領域では、錫の重量比が３８％を超えても固相が維持される領域がある。このため、焼結温度を５８０℃以上に設定すれば、錫の重量比が３８℃を僅かに超えた場合であっても、焼結体の形状を維持することができる。

こうして所定温度で焼成し、金属粉末同士を結合すると共に、銅の内部に錫を十分に拡散し、少なくとも摺動表面におけるα相の占める面積比を５０％以下、好ましくは４０％以下、さらに好ましくは３５％以下とする。また、α相の面積比を１２％以上とすれば、後述のサイジング工程での成形性を高めることができる。さらに、焼成後の冷却工程において、水や油などの液体を利用して焼結体を急冷すれば、靭性が向上するため、サイジング工程における成形性がさらに高められる。

その後、焼結体がサイジング工程で再び圧縮成形され、所定の寸法精度に仕上げられる。以上により、焼結機械部品が完成する。

尚、上記の実施形態では、焼結機械部品全体の銅α相の重量比を５０％以下としているが、これに限らず、例えば、熱処理方法を工夫することにより（たとえば高周波加熱等により摺動表面のみを加熱することにより）、焼結機械部品の摺動表面のみの銅α層の面積比を５０％以下とし、その他の部分（例えば部品の内部）ではα相の割合を高めてもよい。この場合、摺動表面における銅の安定性を高めて移着を抑制することができると共に、部品の内部に硬度の低いα相を多く含むことにより、成形性を高めることができる。

１ サバン試験機
２ 円筒部材
３ 駆動軸
４ フェルトパッド
５ 保持部
６ 支持部
７ 錘
８ 支柱

Claims (11)

1. 銅―錫合金を含む銅系金属を主成分とした焼結金属で構成され、接触摺動を伴う用途に使用される焼結機械部品であって、
   少なくとも摺動表面における銅α相の占める面積比が５０％以下である焼結機械部品。
2. 焼結金属全体に対する錫の重量比が２５％以上である請求項１記載の焼結機械部品。
3. 少なくとも摺動表面における銅α相の占める面積比が１２％以上である請求項１又は２記載の焼結機械部品。
4. 焼結金属全体に対する錫の重量比が３０％以下である請求項１〜３の何れか記載の焼結機械部品。
5. 銅―錫合金粉末を含む混合金属粉末を用いて焼結した請求項１〜４の何れか記載の焼結機械部品。
6. 銅―錫合金粉末中の錫成分の重量比が１５％以下である請求項５記載の焼結機械部品。
7. さらに、錫粉末を含む混合金属粉末を用いて焼結した請求項５又は６記載の焼結機械部品。
8. 焼結軸受として使用した請求項１〜７の何れか記載の焼結機械部品。
9. 焼結含油軸受軸受として使用した請求項８記載の焼結機械部品。
10. 焼結歯車として使用した請求項１〜７の何れか記載の焼結機械部品。
11. エンジンルーム内で使用される請求項１〜１０の何れか記載の焼結機械部品。

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