JP2014066271A - すべり軸受組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｃｕの使用量を低減して製造コストを低減するとともに、基地への固着性が高い硫化物を分散させた建設機械の関節用のすべり軸受組立体を提供すること。
【解決手段】建設機械の関節に用いられるすべり軸受組立体であり、少なくとも軸とすべり軸受である鉄系焼結材からなるブッシュとからなり、ブッシュは、全体組成が、質量比で、Ｃｕ：０．１〜１０％、Ｃ：０．２〜１．２％、Ｍｎ：０．０３〜０．９％、Ｓ：０．３６〜１．６８％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなり、マルテンサイト組織を主とする基地中に、気孔が分散するとともに、硫化物粒子が析出分散する金属組織を示し、硫化物粒子が、基地に対して１〜７体積％の割合で分散する。
【選択図】図１

Description

本発明は、粉末冶金法を用いたすべり軸受組立体に係り、特に、高面圧下で使用される建設機械の関節用のすべり軸受組立体に関する。

一般に、建設機械の油圧ショベルの関節やクレーンのアーム支持関節は、軸受に挿入された軸が、所定の回動角度の範囲で繰り返し相対的に揺動するようになっており、６０ＭＰａ以上の高い面圧を受ける。このため、この種の軸受組立体としては耐摩耗性に優れた材料を用いたすべり軸受組立体が使用され、摺動面に粘度の高い潤滑油やグリース、ワックス等を介在させて使用する。このようなすべり軸受組立体においては、高面圧下で使用しても、金属接触を防ぐことにより摩耗を抑制して円滑な軸受作用を得るため、摺動面への潤滑油の供給が十分になされることが求められる。このため、すべり軸受組立体に用いられるブッシュには炭素鋼の熱処理品や高力黄銅等の材料が適用され、近年では、例えば特許文献１等に記載されたようなＣｕを１０〜３０重量％含む焼結材料の適用も具体化されている。

特開平１１−１１７９４０号公報

通常、すべり軸受組立体のブッシュに用いられる鉄基焼結合金中にＣｕを多量に含有させると、鉄基地中に軟質な銅相または銅合金相が分散し、これによって、相手部材への攻撃性が緩和されるとともに適度に変形可能となるため相手部材とのなじみ性が向上する。一方、鉄基地中に銅相または銅合金相が分散すると、鉄基焼結合金の強度は低下する。また、近年、銅地金の価格は高騰しているため、特許文献１のようにＣｕを１０〜３０重量％使用する技術では製造コストが割高となり実用的ではない。

しかしながら、Ｃｕの含有量を少なくすると、鉄基地中に分散する銅相または銅合金相が少なくなって耐摩耗性が低下するとともに相手部材への攻撃性が高まる等の問題が生じる。

これに対して、原料粉末に硫化マンガン粉末を添加し基地中に硫化マンガン相を分散させる技術があるが、この技術では硫化マンガンの基地への固着性が低く、摺動時に脱落する虞があるとともに、硫化マンガン粉末が原料粉末の焼結を阻害するため、焼結合金の強度が低くなる。

これらのことから、本発明は、Ｃｕの使用量を低減して製造コストを低減するとともに、基地への固着性が高い硫化物を分散させた建設機械の関節用のすべり軸受組立体を提供することを目的とする。

本発明のすべり軸受組立体は、建設機械の関節に用いられるすべり軸受組立体であり、少なくとも軸とすべり軸受である鉄系焼結材からなるブッシュとからなり、ブッシュは、全体組成が、質量比で、Ｃｕ：０．１〜１０％、Ｃ：０．２〜１．２％、Ｍｎ：０．０３〜０．９％、Ｓ：０．３６〜１．６８％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなり、マルテンサイト組織を主とする基地中に、気孔が分散するとともに、硫化物粒子が析出分散する金属組織を示し、硫化物粒子が、基地に対して１〜７体積％の割合で分散することを特徴とする。

以下、本発明のすべり軸受組立体のブッシュについて、数値限定の根拠を本発明の作用とともに説明する。なお、以下の説明において「％」は「質量％」を意味する。本発明のすべり軸受組立体のブッシュは、Ｃｕよりも強度が高いＦｅを主成分とし、基地組織を鉄基地（鉄合金基地）とする。ブッシュの金属組織はこの鉄基地中に硫化物と気孔が分散する組織とする。鉄基地は、鉄粉末により形成される。そして、気孔は、粉末冶金法に起因して生じるものであり、原料粉末を圧粉成形した際の粉末間の空隙が、原料粉末の結合により形成された鉄基地中に残留したものである。

一般に、鉄粉末は、製法に起因してＭｎを０．０３〜１．０％程度含有し、このため鉄基地は、微量のＭｎを含有する。そして、Ｓを与えることによって、固体潤滑剤として硫化マンガン等の硫化物粒子を基地中に析出させることができる。ここで、硫化マンガンは基地中に微細に析出するため、被削性改善には効果があるが、摺動特性に寄与するには微細過ぎるため、摺動特性改善効果が小さい。このため、本発明においては、基地に微量に含有されるＭｎと反応する分のＳに加えて、さらにＳを付与し、このＳを主成分であるＦｅと結合させて硫化鉄（ＦｅＳ）を形成する。このため、基地中に析出する硫化物粒子は、主成分であるＦｅにより生成する硫化鉄が主となり、一部が不可避不純物であるＭｎにより生成する硫化マンガンとなる。

硫化鉄は、固体潤滑剤として摺動特性向上に好適な大きさの硫化物粒子であり、基地の主成分であるＦｅと結合させて形成するため、基地中に均一に析出分散させることができる。

上記のように、本発明においては、基地に含有されるＭｎと結合させるＳに加えて、さらにＳを与えて、基地の主成分であるＦｅと結合させて硫化物を析出させる。ただし、基地中に析出分散する硫化物粒子の量が１体積％を下回ると、充分な潤滑作用が得られず、摺動特性が低下する。一方、硫化物粒子の量が増加するにしたがい、ブッシュの潤滑作用は向上するが、基地に対する硫化物の量が過多となってブッシュの強度が低下する。このため６０ＭＰａもの高圧に耐える強度を得るため、硫化物粒子の量を７体積％以下にする必要がある。すなわち、基地中の硫化物粒子の量は、基地に対して１〜７体積％とする。

この量の硫化鉄を主体とする硫化物を得るため、Ｓ量は全体組成において０．３６〜１．６８質量％とする。Ｓ量が０．３６質量％を下回ると、所望の量の硫化物粒子を得難くなり、１．６８質量％を超えると、硫化物粒子が過剰に析出する。

Ｓは、分解し易い硫化鉄粉末の形態で付与し、鉄粉末を主体とする原料粉末に硫化鉄粉末を添加することによって付与する。この場合、硫化鉄粉末が焼結時に分解することによりＳが供給され、Ｓが硫化鉄粉末の周囲のＦｅと結合してＦｅＳを生成するとともにＦｅとの間で共晶液相を発生し、液相焼結となって粉末粒子間のネックの成長を促進する。また、この共晶液相からＳが鉄基地中に均一に拡散し、Ｓの一部は鉄基地中のＭｎと結合して硫化マンガンとして鉄基地中に析出するとともに、残余のＳは硫化鉄として鉄基地中に析出する。

このように、硫化マンガンおよび硫化鉄等の硫化物は、基地中のＭｎやＦｅとＳを結合させて鉄基地中に析出させるため、硫化物を添加して分散させる従来の手法に比して均一に分散する。また、硫化物は析出して分散するため基地に強固に固着しており、摺動時に容易に脱落するものではなく、長期に亘って優れた摺動特性を発揮する。

さらに、上記したように、液相焼結となるとともに、原料粉末どうしの拡散が良好に行われることから、鉄基地の強度が向上して、鉄基地の耐摩耗性が向上する。したがって、本発明のすべり軸受組立体のブッシュは、気孔中および粉末粒界のみではなく、基地に強固に固着した固体潤滑剤が、基地中に均一に分散しており、摺動特性や基地強度が改善され、耐摩耗性が向上したものとなる。

本発明のすべり軸受組立体のブッシュは、６０ＭＰａもの高い面圧においても使用可能とするため鉄基地はマルテンサイトを主体とする金属組織とする。ここでマルテンサイトを主体とする金属組織とは、断面面積率で鉄基地の６０％以上がマルテンサイトとなっていることを意味し、８０％以上とすることが好ましい。すなわち、マルテンサイトは、硬く、かつ強度の高い組織であり、基地組織の６０％以上をこのようなマルテンサイトで構成することにより、高い面圧が作用する摺動条件においても、基地の塑性変形を防止して、良好な摺動特性を得ることができる。基地組織の全部をマルテンサイトとすることが最も好ましいが、鉄基地の一部が、ソルバイト、トルースタイト、ベイナイト等の金属組織となっていてもよい。

本発明のすべり軸受組立体のブッシュの金属組織の一例を図１に示す。図１（ａ）は、金属組織写真であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の金属組織写真における硫化物の位置を灰色、気孔の位置を黒色として示した模式図である。図１（ｂ）において、白色の部分は基地組織の部分であるが、この部分は図１（ａ）の金属組織写真から分かるようにマルテンサイト相となっている。硫化物（灰色部分）は、一部が気孔中に存在するが、大部分は基地中に分散しており、基地中に析出して分散していることがわかる。

本発明のすべり軸受組立体のブッシュにおいては、鉄基地の強化のため、ＣｕおよびＣを鉄基地に固溶させて鉄合金として使用する。Ｃｕは、鉄基地に固溶し鉄基地の強化に寄与する。この基地強化のためＣｕ量は０．１質量％以上必要となる。また、Ｃｕ量を３．５質量％以上とすると過飽和なＣｕが軟質なＣｕ相として基地中に析出分散するため、相手材への攻撃性を緩和することができる。また、Ｆｅ基地中に析出したＣｕによって、周囲のＦｅとＣｕの間に硫化物の析出の起点となる界面ができる。そのため、Ｃｕを含有させることによって硫化物はより基地中に析出分散しやすくなり、硫化物は気孔中に存在するような形態ではなく、基地に強固に密着して分散する形態となる。ただし、Ｃｕ量が過多となると、強度の低い銅相が多量に分散するため、ブッシュの強度が低下する。このためＣｕ量の上限を１０質量％とする。

上記のＣｕは、Ｆｅに固溶した鉄合金粉末の形態で付与すると原料粉末が硬くなり、圧縮性が損なわれる。このため、Ｃｕは、銅粉末の形態で付与する。銅粉末は、焼結時にＣｕ液相を発生して鉄粉末に濡れて覆い、鉄粉末中に拡散する。このため、Ｃｕを銅粉末の形態で付与しても、鉄基地への拡散速度が速い元素であることも相まって、Ｃｕは鉄基地中にある程度均一に拡散する。

なお、基地組織中に銅相が分散する場合、その一部が銅硫化物となる場合がある。このような銅硫化物が基地中に分散する場合、銅硫化物が分散する分、鉄硫化物の量が減ることになるが、銅硫化物も潤滑作用を有するため、摺動特性に影響を与えず差し支えない。

Ｃは、鉄基地に固溶して鉄基地を強化するとともに、基地組織をマルテンサイト組織とするために使用される。Ｃ量が乏しいと、基地組織中に強度の低いフェライトが分散して、強度および耐摩耗性が低下する。このためＣ量を０．２質量％以上とする。一方、添加量が過多となると、脆いセメンタイトがネットワーク状に析出して、６０ＭＰａもの高圧に耐えることができなくなる。このためＣ量の上限を１．２質量％とする。上記のＣは、Ｆｅに固溶した鉄合金粉末の形態で付与すると原料粉末が硬くなり、圧縮性が損なわれる。このため、Ｃは黒鉛粉末の形態で付与する。

以上の各粉末、すなわち、（１）Ｍｎを０．０３〜１．０質量％含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鉄粉末と、（２）銅粉末と、（３）黒鉛粉末と、（４）硫化鉄粉末とを、全体組成が、質量比で、Ｃｕ：０．１〜１０％、Ｃ：０．２〜１．２％、Ｍｎ：０．０３〜０．９％、Ｓ：０．３６〜１．６８％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物となるよう、添加して混合した混合粉末を原料粉末として用い、この原料粉末を成形、焼結して熱処理することで本発明のすべり軸受組立体のブッシュを製造することができる。

成形は、従来から行われている押型法、すなわち、製品の外周形状を造形する型孔を有する金型と、金型の型孔と摺動自在に嵌合し、製品の下端面を造形する下パンチと、必要に応じて製品の内周形状もしくは肉抜き部を造形するコアロッドと、から形成されるキャビティに原料粉末を充填し、製品の上端面を造形する上パンチと、該下パンチとにより原料粉末を圧縮成形した後、金型の型孔から抜き出す方法により成形体に成形する。

得られた成形体を焼結炉において１０００〜１２００℃の範囲で焼結する。このときの加熱温度、すなわち焼結温度は、焼結の進行および元素の拡散に重要な影響を与える。ここで、焼結温度が１０００℃を下回るとＣｕ液相の発生量が不十分となり、所望の金属組織を得難くなる。一方、焼結温度が１２００℃より高くなると、液相発生量が過多となって、焼結体の型くずれが生じ易くなる。このため、焼結温度は１０００〜１２００℃が好ましい。

得られた焼結体を基地組織の過半をマルテンサイト組織とするため、焼入れする。焼入れは、従来から行われているように、焼結体をオーステナイト変態温度以上に加熱した後、油中もしくは水中において急冷することで行われる。焼入れの際の加熱温度は、８２０〜１０００℃が適当である。また、雰囲気は、非酸化性雰囲気が用いられ、浸炭性雰囲気であってもよい。

焼入れ処理された焼結体は、焼入れ処理により歪みが過度に蓄積され硬くかつ脆い金属組織となっている。このため、従来から行われているように、焼入れ処理後の焼結体に対して、再度、１５０〜２８０℃の範囲に加熱して常温まで冷却する焼戻し処理を行う。このような焼戻し処理を行うと、内部応力が緩和され、焼結体の硬さを低下させることなく焼入れ処理によって生じた歪みを除去することができる。このとき、焼戻しの加熱温度は１５０℃に満たないと歪みの除去が不完全となり、２８０℃を超えると低炭素マルテンサイトがフェライトとセメンタイトに分解し易くなり、硬さが低下する。

上記により得られる本発明のすべり軸受組立体のブッシュは、過半がマルテンサイトである基地中に、硫化物粒子が析出して分散するものとなる。硫化物は、主に硫化鉄として分散し、一部に硫化マンガン、硫化銅として分散する。これらの硫化物粒子は、摺動特性に優れるものでありブッシュの摺動特性の向上に寄与する。なお、原料粉末のＣｕが３．５質量％以上の場合は、基地中にさらに銅相が分散したものとなり、相手材への攻撃性がさらに低下されている。また、液相焼結となるとともに、原料粉末どうしの拡散が良好に行われることから、鉄基地の強度が向上して、鉄基地の耐摩耗性が向上している。したがって、気孔中および粉末粒界のみではなく、基地に強固に固着した固体潤滑剤が、基地中に均一に分散しており、摺動特性や基地強度が改善され、耐摩耗性が向上したものとなる。

なお、本発明のすべり軸受組立体の軸の材質は、例えばＳ４５Ｃを挙げることができる。このような軸と上記のブッシュとを備えたすべり軸受組立体は、面圧が６０ＭＰａ以上、かつ周速が最大速度１．２〜３ｍ／分となる摺動環境下での使用に好適である。

本発明によれば、Ｃｕの使用量を低減して製造コストを低減するとともに、基地への固着性が高い硫化物を分散させた建設機械の関節用のすべり軸受組立体を得ることができる。

本発明のすべり軸受組立体のブッシュの金属組織の一例であり、図１（ａ）は金属組織写真、図１（ｂ）は図１（ａ）の金属組織写真における硫化物の位置を示す模式図である。 全体組成中のＳ量に対する焼付時間の関係を示すグラフである。 全体組成中のＳ量に対する引張強さの関係を示すグラフである。 全体組成中のＣ量に対する焼付時間および引張強さの関係を示すグラフである。

Ｍｎを０．３質量％含有する鉄粉末に、硫化鉄粉末（Ｓ量：３６．４８質量％）、銅粉末、および黒鉛粉末を表１に示す割合で添加し、混合して原料粉末を得た。そして、原料粉末を成形圧力６００ＭＰａで成形し、外径７５ｍｍ、内径４５ｍｍ、高さ５１ｍｍのリング形状の成形体、および１０ｍｍ×１０ｍｍ×１００ｍｍの角柱形状の成形体をそれぞれ作製した。次いで、非酸化性ガス雰囲気中、１１３０℃で焼結したのち、浸炭ガス雰囲気中、８５０℃で保持後油冷を行い、さらに１８０℃で焼戻し処理を行って試料番号０１〜３９の焼結部材の試料を作製した。これらの試料の全体組成を表１に併せて示す。

得られた試料について、断面組織観察を行い、画像分析ソフトウエア（三谷商事株式会社製ＷｉｎＲＯＯＦ）を用いて硫化物の面積およびマルテンサイト相の面積の割合を測定した。これらの結果を表１に併せて示す。なお、マルテンサイト相の面積の割合は、表１において“Ｍｔ相”と表記した。

また、リング形状の焼結部材はＩＳＯＶＧ ４６０相当（４０℃における動粘度４６０ｃＳｔ）の潤滑油を真空含浸した後、旋盤を用いて外径７０ｍｍ、内径５０ｍｍ、高さ５０ｍｍに加工した。そして、ＪＩＳ規格に規定されたＳＣＭ４３５Ｈの調質材を相手材として用いて、軸受試験機によって、焼付時間を測定した。具体的には、軸受試験はリング形状の焼結部材をハウジングに固定し、その内周に相手材である軸を挿入した。軸にはラジアル方向の荷重を与え、面圧を６０ＭＰａとして、角度６０度の範囲で滑り速度を１分間あたり２．０ｍの速さで揺動回転させた。振り子運動の末端位置でそれぞれ０.５秒間休止させた。そして、摩擦係数０．３を超えた状態を焼き付きと判断し、焼き付き状態となるまでの摺動時間を焼付時間として測定した。この結果についても表１に併せて示す。

さらに、角柱形状の焼結部材について、ＪＩＳ Ｚ２２０１に規定の１０号試験片の形状に機械加工して引張試験片を作成し、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に規定の方法で島津製作所製オートグラフを用いて引張強さを測定した。これらの結果についても表１に併せて示す。

表１の試料番号０１〜３３の試料について、全体組成中のＳ量に対する焼付時間の関係を図２に示す。図２より、Ｃｕ量が０．１質量％、５．０質量％および１０．０質量％のいずれの場合にも、Ｓ量が０．１８質量％および０．２７質量％の試料は硫化物の析出が乏しく、焼付時間が２時間以下と短いが、Ｓ量が０．３６質量％の試料はＳ量が０．１８質量％および０．２７質量％の試料に比して焼付時間が顕著に増加している。また、いずれのＣｕ量の場合も、Ｓ量が１．６８質量％までは、Ｓ量の増加にしたがい焼付時間が増加する傾向であるが、Ｓ量が１．６８質量％を超えるとＳ量を増加させても焼付時間はそれ以上増加していない。

また、Ｃｕ量が０．１質量％、５．０質量％および１０．０質量％の試料を比較すると、Ｃｕ量が多い試料ほど焼付時間が長くなっており、Ｃｕによる基地強化の効果が顕著である。ただし、Ｃｕ量が０．１質量％の試料においても金属硫化物を分散させることによって焼付時間を向上させることができ、十分実用に耐えることが判る。

表１の試料番号０１〜３３の試料について、全体組成中のＳ量に対する引張強さの関係を図３に示す。図３より、Ｃｕ量が０．１質量％、５．０質量％および１０．０質量％のいずれの場合にも、Ｓ量が増加するにしたがい引張強さが低下する傾向を示している。特に、Ｓ量が１．６８質量％を超える試料では、いずれのＣｕ量の場合も、引張強さが著しく低下する傾向を示している。

また、Ｃｕ量が０．１質量％、５．０質量％および１０．０質量％の試料を比較すると、５．０質量％が最も高い引張強さを示し、５．０質量％を超えると引張強さは低下する傾向を示す。Ｃｕ量が１０．０質量％の試料はまだ実用可能な引張強さであるが、Ｃｕ量がこれを超えるとさらに引張強さが低下するものと考えられることから、Ｃｕ量は１０．０質量％以下とすべきである。

以上より、潤滑性および強度の点から、全体組成中のＳ量が０．３６〜１．６８質量％とすべきことが確認された。ここで、Ｓ量が０．３６質量％の試料の硫化物の面積比はＣｕ量が０．１質量％、５．０質量％および１０．０質量％のいずれの場合にも断面面積率で１％となっている。また、いずれのＣｕ量の場合も、Ｓ量が１．６８質量％の試料は硫化物の面積比が７％となっている。このことから硫化物の面積比は１〜７％の範囲で潤滑性が良好であり、かつ強度が顕著に低下しないことが分かる。また、Ｃｕ量は０．１〜１０．０質量％の範囲で良好な強度を得られることが確認された。

表１の試料番号１８、３４〜３９の試料について、全体組成中のＣ量に対する焼付時間および引張強さの関係を図４に示す。図４より、Ｃ量が０質量％の試料は基地の強度が低く焼付時間が０時間と直ちに焼き付くが、Ｃ量が０．２質量％の試料では基地が強化されて焼付時間が著しく向上されている。また、Ｃ量の増加にしたがいＣ量が１．２質量％までは、焼付時間は延長される傾向を示すが、Ｃ量が１．２質量％を超える試料では逆に焼付時間が短くなる傾向を示している。

引張強さはＣ量が０質量％の試料は基地の強度が低く引張強さが低い値となっている。一方、Ｃ量が０．２質量％の試料は基地が強化され、引張強さが向上している。また、Ｃ量が０．６質量％まではＣ量の増加にしたがい引張強さが増加する傾向を示している。しかしながら、Ｃ量が０．６質量％を超えると、引張強さは低下する傾向を示しており、Ｃ量が１．２質量％を超える試料では引張強さが著しく低下している。

これらのことから全体組成中のＣ量は０．２〜１．２質量％とすべきことが分かる。

Claims (3)

1. 建設機械の関節に用いられるすべり軸受組立体であり、
   少なくとも軸とすべり軸受である鉄系焼結材からなるブッシュとからなり、
   前記ブッシュは、全体組成が、質量比で、Ｃｕ：０．１〜１０％、Ｃ：０．２〜１．２％、Ｍｎ：０．０３〜０．９％、Ｓ：０．３６〜１．６８％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなり、マルテンサイト組織を主とする基地中に、気孔が分散するとともに、硫化物粒子が析出分散する金属組織を示し、前記硫化物粒子が、前記基地に対して１〜７体積％の割合で分散することを特徴とするすべり軸受組立体。
2. 前記マルテンサイト組織が断面面積率で前記基地の８０％以上を占めることを特徴とする請求項１に記載のすべり軸受組立体。
3. 面圧が６０ＭＰａ以上、かつ周速が最大速度１．２〜３ｍ／分となる摺動環境下で使用されることを特徴とする請求項１または２に記載のすべり軸受組立体。

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