JP2015148249A

JP2015148249A - 焼結軸受

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Publication number: JP2015148249A
Application number: JP2014020343A
Authority: JP
Inventors: 洋介須貝; Yosuke Sugai; 敏彦毛利; Toshihiko Mori
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2014-02-05
Filing date: 2014-02-05
Publication date: 2015-08-20

Abstract

【課題】高強度で、軸受面の摺動性および耐久性に優れた焼結軸受を低コストに提供する。【解決手段】円筒状の焼結体からなり、支持すべき軸を支持する軸受面Ａを有する焼結軸受１であって、焼結体が、Ｆｅ、Ｃｕ、ＣおよびＣｕよりも低融点の金属を主成分とするベース層３と、ベース層３に接した状態でベース層３と共に焼結され、合金元素を含むＦｅ、ＣｕおよびＣを主成分とする軸受層２とを備える。軸受層２は、軸方向と直交する断面において有端状に形成され、かつ軸受面Ａを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、焼結軸受に関する。

例えば、油圧ショベル車やブルドーザ等の建設機械のアーム（ブームやバケット等を含む）同士を回転（揺動）可能に連結する関節部に用いられる軸受では、軸受面に非常に大きな面圧が作用する。そのため、この種の用途で用いられる軸受としては、鋳造合金を切削加工することで得られる軸受や、軸受面に黒鉛片を斑点状に埋め込んだ軸受のように、軸受面の耐摩耗性に優れた軸受が使用されている。また、これらの代わりに、成形性に優れ、製造コストの低廉化を図り得る焼結軸受（焼結金属製の軸受）を使用することが検討されている。例えば、下記の特許文献１には、建設機械用の焼結軸受として、マルテンサイト組織を含んだ鉄−炭素系合金に銅を斑点状に分散させた焼結軸受が開示されている。この焼結軸受は、焼結後に焼入れ（油焼入れ）および焼戻しされた焼結体の表層部を切削して所定寸法・形状に仕上げられている。

この他、下記の特許文献２には、焼結軸受の内径側と外径側とで異なる要求特性を同時に満足するために、内径側と外径側とで材質（金属組成）を異ならせた二層構造の圧粉体を成形する手法が記載されている。このような方法であれば、例えば、外径側が高強度の第１粉末で形成され、内径側が耐摩耗性に優れた（摩擦係数の小さい）第２粉末で形成された圧粉体を得ることができる。従って、この圧粉体を焼結すれば、外径側が高強度で、かつ内周面（軸受面）の耐摩耗性に優れた焼結体、ひいては焼結軸受を得ることができる。

特開２００３−２２２１３３号公報特開２００５−９５９７９号公報

特許文献２に記載の二層構造焼結体（焼結軸受）において、軸受面の摺動特性を高めるためには、軸受面に、銅が豊富に存在する銅リッチ層を形成する必要がある。その一方で二層構造焼結体の外径側に、建設機械のアームの関節部に使用される軸受に求められるような高い強度を確保するには、焼結体の外径側の組織を鉄−炭素を主体とした組織（パーライト組織）とする必要がある。この場合、圧粉体は、パーライト組織を得るために１１３０℃以上の高温で焼結することになる。

しかしながら、上記のような高温で圧粉体を焼結した場合、軸受面の銅リッチ層に含まれる銅が完全に溶融する。溶融した銅は、外径側の銅濃度の低い層に引き込まれるため、軸受面に十分な銅組織を形成することができない。その一方で、単に焼結温度を下げるだけでは焼結体の外径側で必要とされる強度を確保することができない。従って、このままでは、二層構造焼結体の本来の目的を達成することができない。

また、軸受面の摺動特性を高めるためには、上述のように軸受面に銅リッチ層を形成する必要があるが、内周面全域に銅リッチ層を形成した場合、高価な銅の使用量が増して焼結軸受の高コスト化を招来する。そのため、焼結軸受を採用することによるコストメリットを十分に享受することができないおそれがある。

このような実情に鑑み、本発明は、全体として必要な強度が確保されると共に、軸受面に必要とされる摺動性と耐摩耗性が確保された焼結軸受を低コストに提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために創案された本発明は、焼結体で形成され、支持すべき軸を支持する軸受面を有する焼結軸受であって、焼結体が、Ｆｅ、Ｃｕ、ＣおよびＣｕよりも低融点の金属を主成分とするベース層と、ベース層に接した状態でベース層と共に焼結され、合金元素を含むＦｅ、ＣｕおよびＣを主成分とする軸受層とを備え、軸受層が、軸方向と直交する断面において有端状に形成され、かつ上記軸受面を有することを特徴とする。

上記のように、焼結体を構成するベース層がＣｕとＣｕよりも低融点の金属（以下、単に「低融点金属」という）とを含んでいる場合、焼結時には、まず、ベース層（厳密には、圧粉体のうち焼結に伴ってベース層となる部分）に含まれる低融点金属が溶融し、その溶融液が毛細管現象によりＦｅ粒子の内部深く拡散する。また、低融点金属の溶融液がＣｕ粒子の表面を濡らすため、Ｃｕ粒子がその融点を下回る温度で溶融し、溶融したＣｕと低融点金属とがＦｅ粒子に浸透してＦｅ粒子内部まで拡散する。これにより、Ｆｅ粒子同士が強固に結合された高強度のベース層を得ることができるので、焼結温度をＣｕの融点よりも低い温度に設定しても所望の軸受強度を確保することができる。また、焼結温度をＣｕの融点よりも低くすれば、軸受層（厳密には、圧粉体のうち焼結に伴って軸受層となる部分）に含まれるＣｕ粒子が焼結により溶融せずに固体の状態を保持する。そのため、軸受層に含まれるＣｕがベース層に引き込まれず、軸受面に狙い量のＣｕ組織を分布させることができるので、軸受面に銅リッチ層を形成することができる。以上から、焼結体の高強度化と軸受面の摺動性確保とを同時に実現することができる。

また、軸受面を有する軸受層が、軸方向と直交する断面において有端状に形成されている関係上、銅リッチ層を形成することが望まれる軸受面は、焼結体（焼結軸受）の周方向全域ではなく、一部領域にのみ形成される。これにより、焼結体の周方向全域に軸受面を有する軸受層を設ける場合に比べ、高価な銅の使用量を抑えて焼結軸受の低コスト化を図ることができる。なお、例えば建設機械のアームの関節部で使用される軸受においては、内周面全域に大きな面圧が作用することは少なく、大きな面圧は、内周面の一部領域に作用する場合が比較的多い。そのため、軸受面の配置態様を考慮して焼結軸受を被取付け部材に対して取り付け固定しさえすれば、内周面に高面圧が作用する環境下においても、支持すべき軸を長期間に亘って安定的に支持することができる。

軸受層に含める合金元素として、焼入れ性を向上させる元素（Ｎｉ，Ｍｏ，ＭｎおよびＣｒの中から選択される少なくとも一種）を選択すれば、浸炭焼入れ等の熱処理を行うことなく、焼結後の冷却過程で軸受層のＦｅ組織の少なくとも一部をマルテンサイト変態およびベイナイト変態させることができる（シンターハードニング）。これにより、軸受層が高硬度化されるので、軸受面の耐摩耗性を向上することができる。また、上述したとおり、焼結に伴ってベース層の高強度化が実現されるので、焼結体全体を高強度化することができる。このような観点からも、本発明に係る焼結軸受は、例えば建設機械のアームの関節部のように、軸受面に高面圧が作用する環境下での使用に適合したものとなる。

その一方で、ベース層が基本的に上記の合金元素を含有していないので、冷却後もベース層の大部分はシンターハードニングされず、従って、ベース層のＦｅ組織はマルテンサイト変態やベイナイト変態を生じない。このように、軸受層だけに焼入れ性を向上させる元素を配合することで、高価な該元素の使用量を低減し、焼結軸受の低コスト化を図ることができる。また、ベース層が軸受層と比べて軟質となるので、焼結体の寸法矯正を簡便なサイジング（金型を用いて焼結体を圧縮整形する手法）で行うことが可能となる。特許文献１では、焼結後の油焼入れで焼結体全体を硬化させているため、焼結体の寸法矯正は切削・研削等の機械加工で行わざるを得ないが、本発明の焼結軸受は、上述のとおりサイジングによる寸法矯正が可能（機械加工は不要）であり、さらに、サイジングであれば加工硬化による強度向上も実現されるので焼結後の焼入れ工程も不要となる。このように、焼結後の焼入れ工程を省略できることに加え、寸法矯正工程を簡略化できるので、高精度かつ高強度の焼結軸受を低コストに得ることができる。

ベース層に含める低融点金属としてはリン（Ｐ）が好ましい。また、ベース層における低融点金属の濃度は０．１〜０．６質量％の範囲内とするのが好ましい。

軸受層のＣｕ濃度を１０〜３０質量％の範囲内とすることで、軸受面の摺動性を確保しつつ銅の過剰使用による高コスト化および強度低下を可及的に防止することができる。ベース層のＦｅ粒子同士を結合させるためにベース層もＣｕを含んでいるが、ベース層のＣｕ濃度を軸受層のＣｕ濃度よりも小さくすることで、高価な銅の使用量を抑えて焼結軸受の低コスト化を図ることができる。

ベース層と軸受層との界面には、上記合金元素の濃度勾配を生じさせることができる。このとき、上記合金元素としてＮｉ等の焼入れ性を向上させる元素を選択すれば、ベース層と軸受層の界面付近に焼入れ性を向上させる元素を含む層が形成されるため、ベース層と軸受層の界面の強度、ひいてはベース層と軸受層の結合強度が高められる。なお、上記のような濃度勾配は、例えば、ベース層の形成用粉末と軸受層の形成用粉末とを同一の金型に供給して同時に圧縮成形するいわゆる二色成形法を採用して圧粉体を作製し、その後、この圧粉体を焼結することで得ることができる。

以上から、本発明によれば、全体として必要な強度が確保されると共に、軸受面に必要とされる摺動性、さらには耐摩耗性が確保された焼結軸受を低コストに提供することができる。

本発明の一実施形態に係る焼結軸受を組み込んだ建設機械のアームの関節部の概略断面図である。図１中に示すＸ−Ｘ線矢視断面図である。図１に示す焼結軸受に加工される圧粉体の成形金型装置に第１粉末を充填した状態を示す断面図である。図３に示す成形金型装置の平面図である。上記の成形金型装置に第２粉末を充填した状態を示す断面図である。上記の成形金型装置において、仕切部材を下降させた状態を示す断面図である。上記の成形金型装置において、余剰粉末を除去した状態を示す断面図である。上記の成形金型装置で粉末を圧縮した状態を示す断面図である。上記の成形金型装置から圧粉体を取り出した状態を示す断面図である。圧粉体の焼結工程で使用する焼結炉の概略図である。焼結体のサイジング工程を模式的に示す断面図である。圧縮成形工程以降の製造手順を模式的に示す図である。焼入れ性を向上させる合金元素の濃度勾配を示す図である。（ａ）図は軸受層の組織を模式的に示す拡大図、（ｂ）図はベース層の組織を模式的に示す拡大図である。本発明の他の実施形態に係る焼結軸受の軸直交断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

本発明に係る焼結軸受は、例えば油圧ショベル車やブルドーザ等の建設機械のアーム（ブームやバケット等を含む）同士を回転（揺動）可能に連結する関節部での使用に適合するものであり、図１は、油圧ショベル車のアームの関節部の断面を概念的に示している。図１に示すように、この関節部では、相対的に車体（図示せず）に接近した側に配置される第１アーム６の先端に第２アーム７の基端が挿入されている。第２アーム７の基端部には円筒状の取り付け孔７ａが設けられ、この取り付け孔７ａに、全体として円筒状をなした焼結軸受１の外周面１ｂ（ベース層３の外周面）が圧入等の適宜の手段で固定されている。両アーム６，７は、例えば、第１アーム６の先端の二股状部分のそれぞれに設けたピン穴６ａに対して適当な締め代をもって嵌合固定されると共に、適当な半径方向すきま（図示せず）を介して焼結軸受１の内周に挿入されたピン４によって相対回転可能に連結されている。この関節部において、第２アーム７およびその先端に回転可能に装着された図示しないバケット等の荷重（重力荷重）は、焼結軸受１の内周面１ａのうち、主にその下側領域で支持され、両アーム６，７の相対回転時には、主に焼結軸受１の内周面１ａの下側領域に対してピン４が摺動する。

図示例のピン４は、その軸方向一端部に第１アーム６の二股状部分の何れか一方と係合する頭部４ａを有し、ピン４の軸方向他端部にはピン４の抜けを規制する抜け止め８が固定される。そのため、図１に示す関節部では、抜け止め８を取り外してピン４を抜き取ると両アーム６，７が分離可能となり、焼結軸受１やピン４のメンテナンスを行うことができるようになっている。

図２にも示すように、焼結軸受１は、軸受面Ａを有する軸受層２と、被取付け部材（第２アーム７）に対する取り付け面を有するベース層３とを互いに接触させた状態で一体に有する。軸受層２は、軸方向と直交する断面（横断面）で有端状をなして軸方向に延びており、本実施形態では横断面が半円状をなした半円筒状に形成されている。焼結軸受１が全体として円筒状をなし、かつ軸受層２が半円筒状をなしている関係上、ベース層３は、軸受層２の外径側に設けられ、径方向で相対的に薄肉の薄肉部３１と、軸受層２の存在しない周方向領域に設けられ、径方向で相対的に厚肉の厚肉部３２とで構成された略円筒状をなす。以上の構成から、軸受層２の内径面２ａと、ベース層３を構成する厚肉部３２の内径面とで焼結軸受１の内周面１ａが構成され、ベース層３の外周面で焼結軸受１の外周面１ｂ（被取付け部材に対する取り付け面）が構成される。上述のとおり、この関節部では、ピン４が第２アーム７等の荷重を受けることにより主に焼結軸受１の内周面１ａの下側領域に対して摺動することから、焼結軸受１は、軸受層２（軸受面Ａ）がピン４の下側領域を覆うようにして第２アーム７の取り付け孔７ａに固定される。

この焼結軸受１の内部気孔には、潤滑材として、例えば鉱物油や合成油等の潤滑油が含浸される。このため、第１アーム６と第２アーム７の相対回転時には、焼結軸受１の内部気孔に保持された潤滑油が焼結軸受１の内周面１ａの表面開孔から滲み出し、内周面１ａとピン４との間に潤滑油の油膜が形成される。これにより、内周面１ａの周方向一部領域に設けられた軸受面Ａの摩耗が抑制あるいは防止される。焼結軸受１全体の含油率は、例えば１０〜２５ｖｏｌ％とし、好ましくは１５〜２５ｖｏｌ％とする。含油率が１０ｖｏｌ％を下回ると、所望の潤滑特性を長期間に亘って安定的に維持・発揮することができず、含油率が２５ｖｏｌ％を上回ると、内部気孔率が高まる関係上、焼結軸受１に必要とされる機械的強度を確保することができない可能性があるからである。

また、焼結軸受１の内部気孔に含浸させる潤滑油があまりに低粘度であると、潤滑油が軸受外部に流出し易くなる他、内周面１ａ（特に軸受面Ａ）とピン４との間に所定強度の油膜を形成することができず軸受面Ａが摩耗し易くなる。一方、潤滑油があまりに高粘度であると、内周面１ａの表面開孔からの潤滑油の滲み出し量が不足し、軸受面Ａの摩耗が促進されるおそれがある。かかる観点から、潤滑油としては、４０℃における動粘度が、５ｍｍ²／ｓ以上６００ｍｍ²／ｓ以下のものが好ましく、５０ｍｍ²／ｓ以上５５０ｍｍ²／ｓ以下のものが一層好ましく、１００ｍｍ²／ｓ以上５００ｍｍ²／ｓ以下のものがより一層好ましい。

なお、焼結軸受１の内部気孔に含浸させる潤滑材として、上記の潤滑油に替えて液状グリースを選択することも可能である。液状グリースとしては、例えば、４０℃における動粘度が上記範囲内にある潤滑油を基油とし、これにリチウム石けん等の石けん系増ちょう剤、あるいはウレア等の非石けん系増ちょう剤を添加したものを使用することができる。

上記の関節部で使用する場合、焼結軸受１は、例えば、内径（直径寸法）：３０〜１００ｍｍ、半径方向の肉厚：５〜５０ｍｍとなるように形成される。軸受層２の半径方向の肉厚は、焼結軸受１の半径方向の肉厚の１〜２０％程度（好ましくは２〜１０％程度）とする。軸受層２があまりに薄肉であると、成形金型に対する軸受層２の形成用粉末の充填性が悪化すると共に許容摩耗限界が低くなる、などといった問題があり、軸受層２があまりに厚肉であると、焼入れ性を向上させるための元素（詳細は後述する）や銅の使用量が増えてコスト高を招く、などといった問題があるからである。

以上で説明した焼結軸受１は、軸受層２とベース層３とで金属組成が異なっており、圧縮成形工程、焼結工程、サイジング工程および含油工程を順に経ることで製造される。以下、各工程の実施態様について詳細に述べる。

圧縮成形工程は、焼結軸受１の形状に概ね対応した円筒状の圧粉体Ｍ（図８，９参照）を得る工程であり、ここでは、ベース層３の形成用粉末である第１粉末Ｍ１と、軸受層２の形成用粉末である第２粉末Ｍ２とを同一の金型に供給して同時に圧縮成形するいわゆる二色成形法を採用して圧粉体Ｍを得る。この二色成形は、金型内に形成した２つのキャビティのそれぞれに粉末を充填してから両粉末を圧縮成形するものであり、例えば図３〜図９に示す成形金型装置１０を用いて行われる。

図３および図４に基づき、成形金型装置１０の具体的な構成を説明する。なお、図３は成形金型装置１０の軸平行断面図（図４中のＺ−Ｚ線矢視断面図）であり、図４は成形金型装置１０の概略平面図である。成形金型装置１０は、圧粉体Ｍの外周面を成形するダイ１１と、ダイ１１の内周に配され、圧粉体Ｍの内周面を成形するコアピン１２と、ダイ１１とコアピン１２との間に配されて圧粉体Ｍの一端面を成形する第１の下パンチ１３、仕切部材１４および第２の下パンチ１５と、圧粉体Ｍの他端面を成形する上パンチ１６（図８参照）とを備える。第１の下パンチ１３、仕切部材１４および第２の下パンチ１５は、それぞれ独立して昇降可能とされる。

以上の構成を有する成形金型装置１０において、まず、図３に示すように、仕切部材１４および第２の下パンチ１５を上死点まで上昇させると共に、第１の下パンチ１３を下死点まで下降させ、ダイ１１の内周面１１ａ、コアピン１２の外周面１２ａ（の一部領域）、仕切部材１４の外壁面１４ａおよび第１の下パンチ１３の上端面１３ａで、横断面形状がベース層３の横断面形状に対応した第１キャビティ１７を形成する（図４参照）。第１キャビティ１７の形成後、この第１キャビティ１７に第１粉末Ｍ１を充填する（図３参照）。第１粉末Ｍ１の組成は後述する。

次に、図５に示すように、第２の下パンチ１５を下死点まで下降させ、仕切部材１４の内壁面１４ｂ、コアピン１２の外周面１２ａ（の残りの領域）および第２の下パンチ１５の上端面１５ａで、横断面形状が軸受層２の横断面形状に対応した第２キャビティ１８を形成する。この第２キャビティ１８は、仕切部材１４の存在により、第１キャビティ１７から隔絶された状態で形成される。以上のようにして第２キャビティ１８を形成した後、この第２キャビティ１８に第２粉末Ｍ２を充填する。このとき、第２粉末Ｍ２を第２キャビティ１８から溢れさせ、仕切部材１４の上方を覆うようにする。第２粉末Ｍ２の組成は後述する。

次に、図６に示すように仕切部材１４を下降させると、仕切部材１４が取り除かれることで形成されたスペースに、仕切部材１４の上方を覆っていた第２粉末Ｍ２が充填され、第１粉末Ｍ１と第２粉末Ｍ２とが接触する。これにより、ダイ１１の内周面１１ａ、両下パンチ１３，１５の上端面１３ａ，１５ａ、仕切部材１４の上端面１４ｃおよびコアピン１２の外周面１２ａで形成されるキャビティ１９が、第１粉末Ｍ１および第２粉末Ｍ２で満たされた状態となる。そして、図７に示すように、キャビティ１９から溢れ出た余分な第２粉末Ｍ２を除去する。

その後、図８に示すように、上パンチ１６を下降させてキャビティ１９に充填された第１および第２粉末Ｍ１，Ｍ２を圧縮し、第１および第２粉末Ｍ１，Ｍ２の圧粉体Ｍを成形する。圧粉体Ｍの成形後、図９に示すように、両下パンチ１３，１５および仕切部材１４を上昇移動させ、圧粉体Ｍを成形金型１０から取り出す。

ここで、第１粉末Ｍ１は、鉄粉、銅粉および黒鉛粉を主体とし、その他に低融点金属を含有させた混合粉末である。鉄粉としては、還元鉄粉やアトマイズ鉄粉等を使用可能であるが、含油性に優れる多孔質状の還元鉄粉を使用するのが好ましい。銅粉としては、電解銅粉やアトマイズ銅粉等を使用することができるが、圧粉体Ｍの強度を高めることができることに加え、焼結時におけるＦｅ粒子への拡散性が良好で、ベース層３の高強度化を実現し易いなどといった利点があることから、粒子全体として樹枝形状をなす電解銅粉を使用するのが好ましい。また、低融点金属としては、銅よりも低融点の金属、具体的には７００℃以下の融点を有する金属を使用可能であり、例えば、錫（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、リン（Ｐ）等の中から選択される少なくとも一種が使用される。この低融点金属は、その単体粉を鉄粉、銅粉および黒鉛粉の混合粉中に添加することで第１粉末Ｍ１中に含有させても良いが、発火性が高く粉末混合時の安全性に問題があることから、鉄粉と合金化した粉末を使用することで第１粉末Ｍ１中に含有させるのが好ましい。上記の低融点金属のうち、リンは鉄への拡散が容易でＦｅ粒子内部まで拡散でき、さらに銅の拡散も促進する。つまり、リンは鉄および銅の双方に対して相性が良い。そのため、低融点金属としてはリンを使用するのが好ましい。以上より、例えば、鉄とリンの合金鋼粉を銅粉（特に電解銅粉）および黒鉛粉と混合すれば、第１粉末Ｍ１の混合・成形が容易となり、かつ安全性も高い、という利点が得られる。

第１粉末Ｍ１における各粉末の配合量（配合割合）は、以下に述べる理由から、例えば、銅粉：２〜５質量％、黒鉛粉：０．５〜０．８質量％とし、残りを鉄−低融点金属の合金鋼粉とするのが好ましい。まず、銅粉は、圧粉体Ｍの焼結時に、鉄粉同士を結合するバインダーとして機能するものであることから、その配合量が少なすぎるとベース層３の強度低下を招く。しかしながら、銅粉の配合量が多すぎるとＦｅ粒子への炭素の拡散を阻害して焼結体Ｍ’（図１２参照）の強度および硬さを低下させてしまう。従って、銅粉の配合割合は上記の範囲とする。また、黒鉛粉は、圧粉体Ｍの焼結時に鉄と炭素を反応させて高硬度のパーライト相を形成するために配合されている。そのため、黒鉛粉の配合量が少なすぎるとベース層３の強度を確保できないが、黒鉛粉の配合量が多すぎると、鉄組織が脆弱なセメンタイト組織になってベース層３の強度低下を招く。従って、黒鉛粉の配合割合は上記の範囲とする。

さらに、第１粉末Ｍ１における低融点金属の配合割合は０．１〜０．６質量％とし、好ましくは０．３〜０．５質量％とする。低融点金属は、圧粉体Ｍの焼結時に、それ自身のＦｅ粒子への拡散、さらに銅のＦｅ粒子への拡散の促進を通じて焼結体Ｍ’の強度を高めるために配合されている。そのため、低融点金属の配合量が少なすぎると焼結体Ｍ’の強度を十分に高めることができないが、低融点金属の配合量が多すぎると、低融点金属の偏析により焼結体Ｍ’が脆くなる。従って、低融点金属の配合割合は上記の範囲とする。

一方、第２粉末Ｍ２は、焼入れ性を向上させる元素を含む鉄粉（合金鋼粉）、銅粉および黒鉛粉を混合した混合粉末である。焼入れ性を向上させる元素として、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、マンガン（Ｍｎ）およびクロム（Ｃｒ）を挙げることができるが、本発明ではＮｉおよびＭｏを選択し、Ｆｅ、ＮｉおよびＭｏの合金鋼粉（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍｏ系合金鋼粉）を使用している。焼入れ性を向上させる元素は、後述のように、マルテンサイト変態およびベイナイト変態を生じさせてシンターハードニングを行うために添加されるが、ＮｉおよびＭｏは、焼入れ性の向上効果が特に優れるため好ましい。第２粉末Ｍ２を構成する合金鋼粉は、ＮｉおよびＭｏが鉄と完全に合金化した完全合金粉が好ましい。また、第２粉末Ｍ２を構成する銅粉は、上述した理由により電解銅粉が好ましいが、アトマイズ銅粉を使用しても構わない。

第２粉末Ｍ２における各粉末の配合量（配合割合）は、銅粉：１０〜３０質量％（好ましくは１５〜２０質量％）、黒鉛粉：０．２〜１．０質量％（好ましくは０．３〜０．８質量％）とし、残りを合金鋼粉とするのが好ましい。また、第２粉末Ｍ２中のＮｉおよびＭｏの割合が、それぞれ、１〜４質量％（好ましくは１．５〜３．５質量％）および０．５〜２質量％（好ましくは０．５〜１．５質量％）の範囲となるように合金鋼粉の種類および量を選定する。ＮｉおよびＭｏの配合割合は、成形性と焼入れ性の向上効果の観点から決定付けられる。銅の配合割合は、これが少なすぎると軸受面Ａの摺動性が低下し、多すぎると軸受面Ａの耐摩耗性に問題が生じるので上記の範囲とする。第２粉末Ｍ２の黒鉛粉は、圧粉体Ｍの焼結時に鉄と炭素を反応させて主にマルテンサイト相およびベイナイト相を形成するため、さらには固体潤滑剤として機能させるために配合され、その配合割合の上限および下限は、第１粉末Ｍ１で黒鉛粉の配合割合を定めた理由と同様の理由から定められる。

第１粉末Ｍ１と第２粉末Ｍ２の見かけ密度は何れも１．０〜４．０ｇ／ｃｍ³の範囲内にあるが、両粉末Ｍ１，Ｍ２の組成の違いから両粉末Ｍ１，Ｍ２の見かけ密度にはどうしても差が生じ、両粉末Ｍ１，Ｍ２間の見かけ密度差は、両粉末Ｍ１，Ｍ２を同時に圧縮して圧粉体Ｍを成形する際に、圧粉体Ｍの一部が崩れるなどといった問題を生じさせる可能性がある。しかしながら、本実施形態のように形成すべき軸受層２がベース層３よりも十分に薄肉で、しかも第１粉末Ｍ１の見かけ密度が第２粉末Ｍ２の見かけ密度よりも低い状態（具体的には両粉末の密度差が０．５ｇ／ｃｍ³以下）であれば、両粉末Ｍ１，Ｍ２を同時に圧縮しても圧粉体Ｍを精度良く成形することができる。従って、第１粉末Ｍ１の見かけ密度は第２粉末Ｍ２の見かけ密度よりも低くし、かつその密度差を０．５ｇ／ｃｍ³以下に抑えるのが好ましい。

以上に述べた圧縮成形工程で得られた圧粉体Ｍは、焼結工程において所定の条件で加熱・焼結され、これにより、焼結体Ｍ’（図１０〜１２参照）が得られる。圧粉体Ｍの焼結時、第１粉末Ｍ１の圧粉体は、第２粉末Ｍ２の圧粉体に接した状態で第２粉末Ｍ２の圧粉体と共に焼結されるため、圧粉体Ｍを焼結すると、ベース層３となる部分Ｍ１’と軸受層２となる部分Ｍ２’とが一体化された焼結体Ｍ’を得ることができる。焼結工程は、図１０に示すように、ヒータ２１が設置された焼結ゾーン２０ａと、自然放熱を行う冷却ゾーン２０ｂとを連続的に有する連続焼結炉２０を用いて実施することができ、圧粉体Ｍの焼結は、ＣＯを含むガス雰囲気下で実施される。焼結温度（焼結組織内の温度）は、銅の融点（１０８３℃）よりも低く、かつ鉄と炭素が反応を開始する温度（９００℃）よりも高くなるように設定される。この焼結温度を得るため、連続焼結炉２０の炉内温度は、例えば１０００〜１１００℃に設定される。この温度は、鉄系焼結体を得る際の一般的な炉内温度（１１３０℃以上）よりも低い。

焼結工程で得られた焼結体Ｍ’は、サイジング工程で寸法矯正が行われる。これにより、焼結体Ｍ’が完成品形状に仕上げられる。本実施形態では、図１１に示すように、同軸配置されたダイ２３、コアロッド２４および上下のパンチ２５，２６を有する金型装置を用いて焼結体Ｍ’の内周面、外周面および両端面を圧迫することにより、焼結体Ｍ’がサイジングされ、完成品形状に仕上げられる。その後、含油工程で焼結体Ｍ’の内部気孔に潤滑剤（上述した潤滑油あるいは液状グリース）を含浸させると、図１，２および図１２等に示す焼結軸受１が完成する。なお、焼結体Ｍ’の残留オーステナイトを除去するため、焼結工程後に焼結体Ｍ’の焼き戻しを行っても良い。

図１０に示す焼結工程における焼結時には、圧粉体Ｍのうち、まず、第１粉末Ｍ１の圧粉体に含まれる低融点金属（リン）が溶融する。リンの溶融液は毛細管現象によりＦｅ粒子の内部深くにまで拡散する。また、リンの溶融液がＣｕ粒子の表面を濡らすため、Ｃｕがその融点を下回るような温度で溶融し、溶融したＣｕがＦｅ粒子に浸透してＦｅ粒子内部まで拡散する。これにより、Ｆｅ粒子同士が強固に結合される結果、高強度のベース層３を得ることができる。また、上述のように、焼結温度を、鉄と炭素の反応開始温度よりも高い温度に設定したので、ベース層３を構成するＦｅ組織には高硬度のパーライト相が形成される（一部はフェライト相）。従って、上記のように、圧粉体Ｍの焼結温度を一般的な鉄系焼結品の焼結温度よりも下げた場合でも、ベース層３に必要とされる強度を確保することができる。焼結温度を銅の融点よりも低い温度まで低下させることで、第２粉末Ｍ２の圧粉体に含まれる銅粉が焼結中も溶融せずに固体の状態を保持する。そのため、軸受層２に存在する銅がベース層３に引き込まれず、軸受面Ａに、銅が多量に分布した銅リッチ層を形成することができる。以上より、軸受面Ａに良好な摺動性を確保しつつ、焼結体Ｍ’、ひいては焼結軸受１に必要な強度を確保することができる。

また、軸受面Ａを有する軸受層２が、軸方向と直交する断面において有端状に形成される関係上、銅リッチ層を形成することが望まれる軸受面Ａは、焼結体Ｍ’（焼結軸受１）内周面の全域ではなく、周方向の一部領域にのみ形成される。これにより、高価な銅の使用量を抑えて焼結軸受１の低コスト化を図ることができる。なお、図１に示す形態の関節部では、焼結軸受１の内周面１ａ全域に大きな面圧が作用することはなく、大きな面圧は、内周面１ａのうち、ピン４の下側に配置される領域に作用するに過ぎない。そのため、軸受面Ａ（軸受層２）の配置態様を考慮した上で焼結軸受１を第２アーム７に取り付け固定すれば（具体的には、軸受面Ａがピン４の外周面の下半分を覆うような姿勢で焼結軸受１を第２アーム７の取り付け孔７ａに組み込めば）、上述の関節部のように軸受面Ａに高面圧が作用する環境下においても、支持すべき軸としてのピン４を長期間に亘って安定的に支持することができる。

また、軸受層２（第２粉末Ｍ２の圧粉体）にＮｉ，Ｍｏ等の焼入れ性向上元素が含まれているので、浸炭焼入れ等の熱処理を別途行うことなく、図１０に示す連続焼結炉２０の冷却ゾーン２０ｂを通過させる間に、軸受層２の鉄組織にマルテンサイト変態およびベイナイト変態を生じさせて軸受層２を高硬度化することができる（シンターハードニング）。これにより、軸受面Ａを高硬度化してその耐摩耗性を向上することができる。また、これと併せて、ベース層３内での銅とリンの拡散によりベース層３の強度アップが達成されているので、焼結体Ｍ’全体の強度（圧環強度等）が向上する。従って、高面圧下で使用される建設機械のアームの関節部における軸受としての使用にも耐え得るものとなる。

その一方で、焼結体Ｍ’の大部分を占めるベース層３には、焼入れ性を向上させる元素が含まれていないので、高価な該元素の使用量を減じて焼結軸受１の低コスト化を図ることができる。また、ベース層３ではシンターハードニングが行われず、マルテンサイト変態やベイナイト変態も生じないので、ベース層３は軸受層２に比べて軟質となる。そのため、焼結体Ｍ’の寸法矯正を、切削や研削等の機械加工ではなく、上述したサイジング（塑性加工）により行うことができるので、機械加工を選択した場合に追加的に必要となる切粉等の除去処理を不要とし、また歩留の低下を回避することができる。さらに、サイジングであれば、加工硬化による焼結体Ｍ’の強度向上も同時に実現できるので、焼結後の焼入れ工程を省略しても、必要十分の強度（例えば４５０ＭＰａ以上１０００ＭＰａ以下の圧環強度）を確保することができる。

参考までに、サイジングの実施後における軸受層２（軸受面Ａ）の表面硬度は、「ＪＩＳＺ２２４５：２０１１」に規定のロックウェルＦスケール（ＨＲＦ）にて８５以上、好ましくは９０以上、より好ましくは９５以上である。また、サイジングの実施後におけるベース層３の表面硬度は、ロックウェル硬さＦスケールにて５５〜８５程度である。

ベース層３における黒鉛は焼結により分解し、基本的に全て炭素となって鉄と反応している。これに対し、軸受層２における黒鉛は、焼結後も一部が粒子として残っている。これは、軸受層２ではベース層３よりも銅の含有量が多く、鉄粒子の一部表面を銅粒子が覆うため、鉄と炭素が反応し難くなることによる。このように、軸受層２にはベース層３と比べて多くの黒鉛粒子が存在し、この黒鉛粒子は固体潤滑剤としても機能する。そのため、この点からも軸受面Ａの摺動性向上が実現される。

なお、ベース層３形成用の第１粉末Ｍ１には焼入れ性を向上させる元素（本実施形態ではＮｉおよびＭｏ）が含まれていないので、理論上はベース層３に該元素が含まれないことになるが、図３〜図９に示す圧縮成形工程の手順との関係で、実際には図１３に示すように、軸受層２とベース層３との界面に該元素の濃度勾配が生じる。これにより、両層２，３の界面付近に焼入れ性を向上させる元素を含む層が形成されるため、両層２，３の界面の強度、ひいては軸受層２とベース層３の結合強度が高められる。圧粉体Ｍにおいて焼入れ性を向上させる元素の濃度勾配が生じている層の半径方向寸法Ｒは、成形金型装置１０に設けた仕切部材１４（図３等を参照）の厚さにより調整することができる。

同様に、軸受層２形成用の第２粉末Ｍ２には低融点金属（本実施形態ではリン）が含まれていないので、理論上は軸受層２に低融点金属が含まれないことになるが、上記同様の理由から、軸受層２とベース層３との界面には低融点金属の濃度勾配が生じることになる。軸受層２のうち、ベース層３から十分に離隔した領域（例えば、軸受層２の軸受面Ａ）には低融点金属が含まれない。

ここで、焼結軸受１を構成する軸受層２およびベース層３の組織を図１４（ａ）（ｂ）にそれぞれ概念的に示す。

図１４（ａ）に示すように、軸受層２は、Ｆｅを母体とするＦｅ組織と、銅のみからなるＣｕ組織と、黒鉛組織とを主体としており、Ｆｅ組織がＣｕ組織よりも多く、黒鉛組織が最も少ない。Ｆｅ組織は、マルテンサイト相とベイナイト相とを主体として構成され、一部にパーライト相を含む焼入れ組織を有する。ＮｉおよびＭｏは焼入れ組織中に拡散している。軸受層２は、第２粉末Ｍ２を構成する鉄粉末等の配合割合に倣い、主成分としてＣｕ：１０〜３０質量％（好ましくは１５〜２０質量％）、Ｃ：０．５〜０．８質量％、Ｎｉ：１．５〜３．５質量％、Ｍｏ：０．５〜１．５質量％を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鉄ベースの金属組織である。

一方、ベース層３は、図１４（ｂ）に示すように、Ｆｅを母体とするＦｅ組織（パーライト相およびフェライト相）で構成される。このＦｅ組織の内部にＣｕおよびＰが拡散しており、ベース層３中にＣｕ粒子は存在しない。また、焼入れ組織および黒鉛組織も存在しない。このベース層３は、第１粉末Ｍ１を構成する鉄粉末等の配合割合に倣い、主成分としてＣｕ：２〜５質量％、Ｐ：０．１〜０．６質量％、Ｃ：０．５〜０．８質量％を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鉄ベースの金属組織である。このように、ベース層３の銅の含有量は軸受層２の銅の含有量よりも少なく、さらに、銅の含有量が多い軸受層２は周方向の一部領域にしか存在しないので、焼結軸受１全体での銅の使用量を減じて焼結軸受１の低コスト化を図ることができる。

以上、本発明の実施形態に係る焼結軸受１およびその製造方法、並びに焼結軸受１の具体的な使用態様について説明を行ったが、焼結軸受１には、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜の変更を施すことができる。

例えば、軸受層２が横断面で有端状に形成されている限りにおいて、軸受層２の外径面の横断面形状は任意の形態とすることができる。すなわち、軸受層２の外径面の横断面形状は、例えば、凹部と凸部が周方向で交互に設けられた波形状としても良い（図示省略）。このようにすれば、軸受層２とベース層３の接触面積が拡大するので、両層２，３の結合強度を一層高めることができる。上述した製造方法を採用した場合、軸受層２の外径面の横断面形状は、圧縮成形工程で使用する仕切部材１４（図３等参照）の内径面の横断面形状に倣うため、使用する仕切部材１４の形状を変更するだけで軸受層２の外径面の横断面形状を変更することができる。

また、図示は省略するが、軸受層２の内径面２ａ（軸受面Ａ）やベース層３を構成する厚肉部３２の内径面には、例えば、軸方向に延びる一又は複数の凹部（軸方向溝）や、無数の微小な凹部を設けることができる。この場合、上記の各種凹部を潤滑油溜りとして活用することができるので、軸受面Ａの摩耗を一層効果的に抑制することが可能となる。また、軸受面Ａは、必ずしも軸受層２の内径面２ａの軸方向全域に亘って設ける必要はなく、例えば、内径面２ａの軸方向に離間した二箇所に設けることもできる。

また、以上で説明した実施形態では、いわゆる二色成形法を採用して二層構造の圧粉体Ｍを得るようにしたが、圧粉体Ｍは、個別に圧縮成形した第１粉末Ｍ１の圧粉体と第２粉末Ｍ２の圧粉体とを適宜の手段で固定することで得ることも可能である。但し、この場合、基本的には軸受層２とベース層３との界面に焼入れ性を向上させる元素（ＮｉやＭｏ等）の濃度勾配（図１３参照）が生じないので、二色成形法で得た圧粉体Ｍを用いる場合に比べて両層２，３間の結合強度が劣ることになる。従って、このような手法は、両層２，３間の界面に焼入れ性を向上させる元素の濃度勾配を生じさせずとも、両層２，３間に必要とされる結合強度が確保される場合に採用するのが好ましい。

また、以上で説明した実施形態では、焼結軸受１（焼結体Ｍ’）を互いに組成の異なる軸受層２とベース層３とで構成しているが、焼結軸受１は、図１５に示すように、互いに組成が異なる３つの層で構成することも可能である。同図に示す焼結軸受１は、以上で説明した軸受層２およびベース層３に加え、軸受層２の設けられていない周方向領域で支持すべき軸（図示例ではピン４）の外周に配置され、軸受層２およびベース層３と共に焼結された内径側表面層５を備えている。そのため、この焼結軸受１では、その内周面１ａが、それぞれが横断面で半円状に形成された軸受層２および内径側表面層５の内径面で構成され、ベース層３は、径方向の肉厚が周方向の各部で一定の円筒状に形成されている。

この焼結軸受１の使用態様から、内径側表面層５は、軸受層２（軸受面Ａ）に求められるほどの摺動性を必要としないので軸受層２よりも銅の使用量を抑えることができ、しかもベース層３に求められるほどの強度を必要としない。そのため、内径側表面層５の組成（金属組成）は、比較的任意に設定することができる。また、内径側表面層５を設けたことにより、ベース層３が単純な円筒形態となるので、焼結後に生じる成形収縮量をベース層３の周方向各部で概ね一定とすることができる。従って、形状精度に優れた焼結軸受１を低コストに得ることができる。なお、このような焼結軸受１（焼結体Ｍ’）は、例えば、圧縮成形工程で使用する仕切部材１４（図３等参照）を変更することで得ることができる。

以上で説明した実施形態では、支持すべき軸としてのピン４に作用する荷重の方向性等を考慮し、軸受層２（軸受面Ａ）がピン４の下半分の領域を覆うように焼結軸受１を第２アーム７に組み込んでいるが、上記の焼結軸受１をその他の軸支用途に用いることももちろん可能である。例えば、鉛直方向上向きの荷重が連続的又は断続的に負荷される軸の支持用途に焼結軸受１を使用する場合には、軸の上方に軸受層２（軸受面Ａ）が配置されるようにして焼結軸受１を被取付け部材に対して取り付ければ良い。つまり、本発明に係る焼結軸受１は、内周面の一部領域に高面圧が作用する種々の用途に用いることができる。

また、本発明に係る焼結軸受１は、建設機械のアームの関節部のように回転（揺動）する軸の支持用途のみならず、例えば、直線運動する軸の支持用途にも適用することができる。

１焼結軸受
１ａ内周面
２軸受層
３ベース層
４ピン
６第１アーム
７第２アーム
１０成形金型装置
１４仕切部材
２０焼結炉
Ａ軸受面
Ｍ圧粉体
Ｍ’ 焼結体
Ｍ１第１粉末
Ｍ２第２粉末

Claims

焼結体で形成され、支持すべき軸を支持する軸受面を有する焼結軸受であって、
前記焼結体が、Ｆｅ、Ｃｕ、ＣおよびＣｕよりも低融点の金属を主成分とするベース層と、ベース層に接した状態でベース層と共に焼結され、合金元素を含むＦｅ、ＣｕおよびＣを主成分とする軸受層とを備え、軸受層が、軸方向と直交する断面において有端状に形成され、かつ前記軸受面を有することを特徴とする焼結軸受。
前記合金元素が、Ｎｉ、Ｍｏ、ＭｎおよびＣｒの中から選択される少なくとも一種である請求項１記載の焼結軸受。
前記軸受層に含まれるＦｅ組織の少なくとも一部がマルテンサイト変態およびベイナイト変態している請求項１又は２記載の焼結軸受。
前記低融点の金属がＰである請求項１〜３の何れか一項に記載の焼結軸受。
前記ベース層における前記低融点の金属の濃度を０．１〜０．６質量％とした請求項１〜４の何れか一項に記載の焼結軸受。
前記軸受層のＣｕ濃度を１０〜３０質量％とし、前記ベース層のＣｕ濃度を前記軸受層のＣｕ濃度よりも小さくした請求項１〜５の何れか一項に記載の焼結軸受。
Ｃｕの融点よりも低く、かつＦｅとＣの反応開始温度よりも高い温度で前記ベース層を前記軸受層と共に焼結した請求項１〜６の何れか一項に記載の焼結軸受。
前記ベース層と前記軸受層の界面で前記合金元素の濃度勾配が生じている請求項１〜７の何れか一項に記載の焼結軸受。
建設機械のアームの関節部に使用される請求項１〜８の何れか一項に記載の焼結軸受。