JP2018054105A - すべり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】耐破壊性に優れるとともに、耐摩耗性に優れたすべり軸受を提供する。【解決手段】板状の金属部材である裏金１５および裏金１５の表面に形成された金属粉末の焼結層１１を有するすべり軸受用ブシュ２０と、すべり軸受用ブシュ２０の周囲に設けられたカラー３０と、を備えるすべり軸受４０であって、カラー３０の硬さが裏金１５の焼結層１１に接する表面から径方向に沿った中央領域の硬さより大きい。【選択図】図５

Description

本発明は、すべり軸受の技術に関する。

従来、建機や自動車などの各種機械において、ハウジングに挿通された軸を回転可能とするために、すべり軸受などの摺動部材が用いられており、これに関する技術も開示されている。

特許文献１の摺動部材は、板状の金属部材である裏金の表面において、金属粉末を焼結して焼結層が形成されることにより、バイメタルの焼結合金が形成される。その後に、焼結合金が円筒状のブシュとして成形されてブシュに熱処理が施される。その後さらに、ブシュが円筒状の金属部材であるカラーに圧入されることにより、軸受が形成される。

国際公開第２０１３／１４６６０８号

特許文献１において、軸受けの機能はバイメタルのみで確保されており、金属部材であるカラーは、もっぱら軸受の形状維持のために利用されているが、カラーを有効利用して、耐破壊性などをさらに向上させることが求められている。

本発明は、耐破壊性などに優れたすべり軸受を提供する。

本発明は、板状の金属部材である裏金および当該裏金の表面に形成された金属粉末の焼結層を有するすべり軸受用ブシュと、当該すべり軸受用ブシュの周囲に設けられたカラーと、を備えるすべり軸受であって、前記カラーの硬さが前記裏金の前記焼結層に接する表面から径方向に沿った中央領域の硬さより大きい。

本発明の好ましい態様として例えば、前記裏金は、前記焼結層に接する表面から径方向に沿って、第１領域、第２領域および第３領域を少なくとも有し、第１領域の硬さ＞第３領域の硬さ＞前記カラーの硬さ＞第２領域の硬さの関係が成立している。

本発明の好ましい態様として例えば、前記カラーの硬さが、ビッカース硬さ１６０Ｈｖ以上である。

本発明によれば、耐破壊性に優れるとともに、耐摩耗性に優れたすべり軸受を提供することができる。

図１は、実施形態に係る摺動部材の外観を示す概念図である。 図２は、実施形態に係る摺動部材の製造方法におけるステップＳ０１〜ステップＳ０４の工程を示した図である。 図３は、実施形態に係る摺動部材の製造方法におけるステップＳ０５〜ステップＳ０７の工程を示した図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）はそれぞれ、別実施例に係るカラーの製造方法を示した図である。 図５は、実施例及び従来品の軸受の径方向におけるビッカース硬さの変化を示すグラフである。 図６は、焼結層および裏金の組織を示す電子顕微鏡写真である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、実施形態の摺動部材であるすべり軸受（以下、「軸受」と呼ぶ）４０の概略図である。軸受４０は円筒状の外形を呈しており、その摺動面としての内周面（内側）７から外周面（外側）８に向かう径方向に沿って、焼結層１１、裏金１５、カラー３０の三層が、同心円状に配置されている。本実施形態に係る軸受４０は、図示しない建機や自動車などの各種機械が有するハウジングに挿通された軸を回転可能とするために用いられるすべり軸受であり、ハウジングに圧入されて使用されるものである。この軸は、軸受４０の中央に形成された穴を貫通するとともに、回転可能に支持されている。

焼結層１１は、金属粉末を焼結して得られる焼結体（焼結合金）より構成され、回転する軸と直接接触する部材であって、いわゆるライニングとして機能し、軸が摺動しながら回転するため、低摩擦性、耐摩耗性、耐焼付性などが要求される。焼結層１１の軸に摺動する内周面には、外部から潤滑油を供給する溝６と、溝６から供給された潤滑油を溜めることが可能なインデント（へこみ）５が複数形成されている。図１に示すように、インデント５は半球形状を有しているが、その形状は特に限定はされない。また、耐破壊性を確保するため、内周面７の全体の面積に対するインデント５の全面積の割合は３０％以下に設定される。

裏金１５は、板状の金属部材より構成され、軸からの荷重を受ける部材である。裏金１５と焼結層１１との二層構造に降り構成されるバイメタルが、主として摺動部材としての役割を果たすすべり軸受用ブシュ（以下、「ブシュ」と呼ぶ）２０を構成する。後述するように、このバイメタルは、潤滑油が含浸されているとともに、所定の強度を確保するため熱処理が施されている。

カラー３０は、円筒形状を呈する金属部材より構成され、軸受４０の全体形状を維持するとともに、軸受４０（ブシュ２０）をハウジングなど他の部材に固定するための部材である。ブシュ２０がカラー３０の内面に圧入されることにより、軸受４０が形成される。

次に、実施形態に係る摺動部材である軸受４０の製造方法について説明する。

本実施形態に係る軸受４０の製造方法は、図２、図３に示す如く、粉末散布工程（ステップＳ０１）と、焼結・圧延工程（ステップＳ０２）と、インデント形成行程（ステップＳ０３）と、ブシュ成形工程（ステップＳ０４）と、熱処理工程（ステップＳ０５）と、圧入工程（ステップＳ０６）と、含油・仕上げ工程（ステップＳ０７）と、を備える。以下、各工程について具体的に説明する。

図２に示す粉末散布工程（ステップＳ０１）では、まず、板状の金属部材である裏金１５を準備する。この裏金１５の材料には例えば鉄系部材などが用いられる。次に、主に鉄粉と銅粉とが略均一に混合された金属粉末を、散布装置を用いて裏金１５の表面１５ａに散布し、散布層１１ｂを形成する。このように、板状の裏金１５の表面に略均一に散布層１１ｂを散布して、板状の焼結前部材１０ｂを構成する。

次に、図２に示す焼結・圧延工程（ステップＳ０２）では、粉末散布工程（ステップＳ０１）で構成した焼結前部材１０ｂを焼結炉に入れてヒータで加熱し、散布層１１ｂにおける主成分である鉄粉末の融点よりも低い温度（例えば、８００〜１３００度）の雰囲気で散布層１１ｂを焼結させる。これにより、散布層１１ｂは多孔質の焼結層１１となり、焼結前部材１０ｂは裏金１５と焼結層１１とのバイメタルからなる焼結合金１０となる。本実施形態では、焼結工程を複数回繰り返すと同時に、焼結工程の間に焼結合金１０をローラで圧延する圧延工程を行うことにより、焼結合金１０の板厚を薄く形成している。また、本実施形態では連帯焼結法によって焼結合金１０を形成するものであるが、単体焼結法など他の方法で形成する構成とすることも可能である。

次に、図２に示すインデント形成工程（ステップＳ０３）では、軸受４０の内周面となる焼結層１１の表面に、加工棒を用いてインデント５を形成する。インデント５の形成方法は特に限定されず、プレス金型、カッター、ドリルなどによる種々の加工法を用いることができる。インデント５の形状や深さは特に限定はされない。また、この工程において、同時に溝６を形成することもできる。

次に、図２に示すブシュ成形工程（ステップＳ０４）では、ステップＳ０１〜ステップＳ０３で形成した焼結合金１０を、焼結層１１が内側となるようにプレス機等によって巻いて曲げ加工を行い、円筒状のブシュ２０を成形する。このブシュ成形工程によって、後に摺動部材である軸受４０の内周面となる、ブシュ２０の内周面が形成される。

次に、図３に示す熱処理工程（ステップＳ０５）では、ブシュ２０に対して浸炭焼入れ・焼戻し等の熱処理を行い、ブシュ２０のライニング硬化および表面改質を行う。この処理より、裏金１５及び焼結層１１それぞれのライニングの硬度が向上する。

ステップＳ０５の熱処理工程においては、ブシュ２０を不活性雰囲気中で、所定の温度制御を行いながら浸炭焼入れ・焼戻しをする。例えば、８００℃以上（具体的には８３０〜９００℃）の温度下で０．５〜２時間加熱し（焼入れ）、その後油などへの浸漬により急冷し、さらに１４０℃以上（具体的には１４０〜２５０℃）の温度下で０．５〜２時間加熱する（焼戻し）。ただし、温度や時間はこのような特定の範囲に限定されるものではない。

次に、図３に示す圧入工程（ステップＳ０６）では、円筒状の金属部材（例えば鉄系部材）であるカラー３０に、熱処理を行ったブシュ２０を圧入し、軸受４０を形成する。カラー３０の内径寸法はブシュ２０を圧入できる程度に、ブシュ２０の外径寸法と同一若しくは若干小さく形成されている。この圧入工程によって、後に摺動部材である軸受４０の外周面となる、カラー３０の外周面が形成される。

次に、図３に示す含油・仕上げ工程（ステップＳ０７）では、含油機を用いて軸受４０に高粘度潤滑油からなる油分を含浸させる。含油工程では、高粘度潤滑油を加熱して低粘度化し、この潤滑油内に軸受４０を浸漬し、真空雰囲気下で静置する。これにより、軸受４０の気孔内の空気が気孔外へ吸い出される一方で、低粘度化した潤滑油が軸受４０の気孔内に吸引される。潤滑油を吸引した軸受４０を空気中に取り出して室温にまで放冷すると、低粘度化した潤滑油は軸受４０の気孔内で再び元の高粘度潤滑油に戻り流動性を失う。これにより、高粘度潤滑油を軸受４０の気孔内に留めておくことができる。

上記の如く、本実施形態に係る摺動部材である軸受４０においては、板状の金属部材である裏金１５の表面において金属粉末を焼結して焼結層１１が形成されることにより、バイメタルの焼結合金１０が形成される。そして、焼結合金１０が円筒状のブシュ２０として成形され、ブシュ２０に熱処理が施された後に、ブシュ２０が円筒状の金属部材であるカラー３０に圧入されて、軸受４０が形成されるのである。即ち、本実施形態に係る軸受４０は、図１に示す如く、その内側から外側に向かって、焼結層１１、裏金１５、カラー３０の三層が配置されているのである。すなわち、ブシュ２０と、ブシュ２０の周囲に設けられたカラー３０より、軸受４０が構成される。

上記の如く構成することにより、軸受４０をハウジングに圧入する際に、ハウジングを傷めにくくすることができる。具体的には、軸受４０の外周に配置されるカラー３０には熱処理が行われていないため、カラー３０の硬度は裏金１５等と比較して小さくなる。このため、軸受４０をハウジングに圧入する際にハウジングと当接するカラー３０の部分でかじりの発生を抑制することが可能となるのである。

また、熱処理がされていないカラー３０が外周部に配置されることにより、軸受４０の全体的な硬さを抑えることができる。これにより、軸受４０が局部的に発生する強い当りを減少させることができ、耐焼付き性及び耐摩耗性を向上させて割れを生じにくくすることができる。

加えて、厚み（半径方向の厚さ）が大きい軸受４０を形成する場合でも、カラー３０の半径方向厚さを調整すればよく、焼結合金１０の厚さを一定とすることができる。このため、軸受４０の厚みが大きい場合でも容易に成形することが可能となる。

さらに、本実施形態によれば、板状の焼結前部材１０ｂから焼結合金１０を形成し、この焼結合金１０を曲げ加工してブシュ２０を成形する構成としているため、焼結材料のみで円筒状部品を成形する必要がなく、容易に加工することができる。加えて、脆性の高い焼結材料のみをカラー３０に圧入する必要がないため、焼結材料をカラー３０に圧入する際に割れが生じることがない。

また、板状の焼結合金１０の段階で溝加工又はインデント加工により溝やインデントを形成しておくことができるため、軸受４０の内周面に溝やインデントを容易に形成して、軸受４０の内周面における摺動特性を向上させることが可能となる。

上記の如く、本実施形態によれば、ハウジングに圧入する際に軸受４０の裏金部分であるカラー３０にかじりが生じにくく、割れにくく、溝やインデント等の成形がしやすい、軸受４０を製造することが可能となるのである。

ただし、カラー３０の硬さは、単に裏金１５に比較して小さいだけでなく、後述するように裏金１５の所定の領域よりは大きく設定されており、軸受４０の構造を維持するのに寄与している。具体的には塑性変形を抑えるため、カラー３０の硬さは、例えばビッカース硬さ１６０Ｈｖ以上に、例えば平均の硬さはビッカース硬さ１９０Ｈｖ程度に好ましくは設定される。

尚、本願発明の「円筒状の金属部材であるカラー３０」は、パイプ材やソリッド材から切削形成しても、また、板状（帯状）の部材の端部同士を突き合せて（巻いて）形成してもよく、コスト面や設備面で適宜選択可能である。その場合は締め代を持たせるために合せ目を閉じた状態で仕上げ加工をする。さらに、板状部材を巻いてカラーを形成する場合は、合せ目を溶接で結合するのみでなく、クリンチ形状で結合するようにしてもよい。

以下、図４を用いて、カラー３０を板状部材から形成し、合せ目をクリンチ形状で結合した場合について説明する。具体的には図４（ａ）に示す如く、両端にクリンチ形状（略円形状の係合凸部１７ａ及び係合凹部１７ｂを有する板状部材を、図示しない曲げ加工機等によって巻いて曲げ加工を行い、中央部分が半円筒状の曲げ部材１７ｃを成形する。この際、曲げ部材１７ｃにおける内周面の曲率半径は、ブシュ２０における外周面の曲率半径と略同一か、少し大きくなるように形成する。この荒曲げ工程によって形成される曲げ部材１７ｃにおける外側の面が、カラー３０の外周面、即ち軸受４０の外周面となる。

次に、図４（ｂ）に示す如く、半円筒形状の固定型である上型５２ｓの側に曲げ部材１７ｃの中央部分（半円筒状部分）をセットする。そして、同じく半円筒形状の可動型である下型５２ｍを、曲げ部材１７ｃの端部の側から図４（ｂ）に示す矢印Ｕの如く近接させるのである。これにより、板状部材である曲げ部材１７ｃの両側端部を、下型５２ｍの半円筒面に沿わせて変形させることにより、クリンチ形状を係合させる。具体的には、係合凸部１７ａを係合凹部１７ｂに進入させて係合させることにより、板状部材である曲げ部材１７ｃの両側端部を接合するのである。このようにして、外側部材であるカラー３０を形成する。その後、ブシュ２０を円筒状のカラー３０に圧入して、軸受４０を形成するのである。

図５は、実施例及び従来品の軸受に関して、径方向（肉厚方向；図１参照）におけるビッカース硬さの変化を示すグラフである。「実施例」は、本発明の実施形態に係る軸受である。「従来品１」は、従来のＦｅ−Ｃｕ系の焼結合金からなり潤滑油を含有するブシュを有する軸受である。「従来品２」は、従来の高周波焼入れを施したＦｅ系のブシュを有する軸受である。「従来品３」は、従来の浸炭焼入れを施したＦｅ系のブシュを有する軸受である。

図２、図３で示した工程、特に図３に示す熱処理工程（ステップＳ０５）を行うことにより、図５の「実施例」で示す特殊な硬さを持つ軸受４０が得られる。すなわち、「従来品１」では、径方向に渡って硬さは略一定の値をとっている。「従来品２」では、径方向の内側および外側で硬さが大きくなり、中間では硬さが小さくなっている。「従来品３」では、径方向の外側ほど硬さは小さくなっている。

一方、実施例では、特に裏金１５の径方向において硬さが特殊な挙動を示している。すなわち裏金１５は、図５に示すように、焼結層１１に接する表面（内側表面）から径方向に沿って、第１領域Ａ、第２領域Ｂおよび第３領域Ｃの少なくとも三つの領域を有しており、第１領域の硬さ＞第３領域の硬さ＞第２領域の硬さの関係が成立している。

第１領域は、焼結層１１に接する表面から所定の長さに渡って存在する領域であり、裏金１５のなかで比較的大きな硬さを持つ。具体的には、焼結・圧延工程（ステップＳ０２）および熱処理工程（ステップＳ０５）における、焼結層１１に接する表面から所定の長さに渡って焼結層１１の炭素が拡散する、いわゆる浸炭作用により、第１領域は、炭素を多く含有する炭素拡散層を有する。炭素が拡散することより、第１領域の硬さは、第２領域および第３領域に比べて大きい。

また、熱処理工程（ステップＳ０５）において、外側の第３領域が炭素を含有した雰囲気にさらされて、第３領域に炭素が拡散する。第３領域は第１領域に比べて炭素の含有量が少なく、硬さも第１領域よりは小さいが、第２領域に比べて炭素の含有量が多く、硬さは第２領域よりも大きい。硬さが大きい第３領域が外側に存在するため、ブシュ２０の構造が維持される。

一方、第２領域は、径方向に沿って第１領域および第３領域の中間に存在し、熱処理工程（ステップＳ０５）において炭素が拡散する可能性が小さく、第２領域の硬さは、第１領域および第３領域に比べて小さい。すなわち第２領域は硬さは小さいが、炭素含有量が小さいため粘り強い、すなわち靱性が大きい。このことから、第２領域は延性が大きい、すなわち延びやすい性質をもっており、脆性破壊が生じにくい。

カラー３０の硬さは、上述した様に本実施形態では少なくともビッカース硬さ１６０Ｈｖ（カラー硬さ下限値）以上に、平均の硬さはビッカース硬さ１９０Ｈｖ程度に設定されている。カラー３０の硬さはこのような具体的な値により限定されないが、カラー３０の硬さが、裏金１５の焼結層１１に接する表面から径方向に沿った中央領域、すなわち第２領域より大きいことがポイントである。

以上の構成によれば、熱処理工程の焼入れによる、焼結層１１と裏金１５のバイメタルの硬化処理が行われ、炭素が焼結層１１から裏金１５に浸入し拡散する、いわゆる浸炭により、炭素拡散層が形成される。この炭素拡散層はいわば硬化層であり、この炭素拡散層を含む、裏金１５の焼結層１１に接する表面を含む第１領域が硬化するとともに、裏金１５の内部である第２領域では、表面に比べて硬さが小さく、やわらかい性質を持つ。

裏金１５の内部は、比較的柔らかく靱性の高い第２領域が占めているため、所定の延びやすさが確保されている。したがって、たとえ焼結層１１または裏金１５の表面に、局所的な衝撃や部材の当たりによりひび割れ、き裂等が生じても、さらにひび割れ、き裂等が裏金１５の内部に向けて伸展するのを抑制することができ、耐破壊性を確保することができる。よって、ブシュの構造を強固に維持することができる。

また、焼結層１１であるライニングが摩耗し、裏金１５の表面が露出しても、当該表面が硬く、耐摩耗性、耐荷重性が確保されているため、裏金１５（の表面）にライニングのバックアップ層としての機能を持たせることができる。また、裏金は多孔質ではないため、汚泥環境下でも高い耐摩耗性が確保される。

よって、使用限界時間を過ぎた使用により、焼結層１１が摩耗により消失しても、裏金１５の表面が焼結層１１と同等の役割を果たすため、軸受４０がいきなり破壊される事態を防止することができ、建機や自動車などの各種機械が停止してしまう事態を回避することができる。例えば破線で示した内周面（摺動面）７から、市場での一般的なブシュ２０の交換目安である１．５ｍｍの位置まで摩耗しても、軸受４０は破壊しない。

また、焼結層１１の厚みそのものを、ブシュ２０の交換の目安に設定することができる。すなわち、焼結層１１の許容できる摩耗量を大きく確保でき、焼結層１１が完全に摩耗により消失する前にブシュ２０を交換すべき安全率を小さくする、またはなくすことができる。このことは、焼結層１１の厚みを下げることができることを意味し、ライニングの曲げ加工が容易となる。

そして本実施形態では、カラー３０の硬さをライニングである焼結層１１の硬さより小さく設定している。さらにカラー３０の硬さは、裏金１５の第２領域よりは大きいが、第１領域および第３領域よりは小さく設定されている。よって、第１領域の硬さ＞第３領域の硬さ＞カラーの硬さ＞第２領域の硬さの関係が成立している。重要なことは、カラー３０の硬さが、裏金１５の少なくとも焼結層１１に接する表面から径方向に沿った中央領域、すなわち第２領域の硬さより大きく設定されていることである。

このような構成により、カラー３０は耐破壊性が大きく、軸受４０の構造を維持するのに寄与している。また、たとえ内周面７に軸の局所的な衝撃や部材の当たりが生じても、カラー３０が塑性変形し、軸の局所的な衝撃や部材の当たりになじんだ形状を奏することになる。その結果、カラー３０は局所的な衝撃や当たりに対するクッション機能を奏することとなり、ブシュ２０（焼結層１１）の摩耗を低減することが可能となる。具体的には、カラー３０のビッカース硬さを１６０Ｈｖ以上に設定することが好ましい。

尚、カラー３０の硬さは、中央領域、すなわち第２領域より大きいが、カラー３０のどの位置でも常に第２領域より硬いことを要するわけではない。すなわち、カラー３０の硬さは、裏金１５の中央領域より大きいが、図５に示したように、径方向におけるカラー３０の平均の硬さが、裏金１５の中央領域より大きいことが必要である。言い換えると、カラー３０の一部の領域において、その硬さが裏金１５の中央領域より小さくても、カラー３０の平均の硬さが、裏金１５の中央領域の硬さより大きければよい。

焼結層１１は鉄を主成分とするＦｅ系焼結層が好ましい。例えば焼結層１１は、Ｃｕ：１３．５〜２２．５質量％、Ｓｎ：１．５〜２．５質量％、Ｃ：０．５〜３．０質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるのが好ましい。このような焼結層１１によれば、大きな硬さを有するため、優れた耐摩耗性、耐破壊性が確保される。

また、粉末散布工程（ステップＳ０１）において、散布層１１ｂの炭素含有量は、裏金１５の炭素含有量より大きく設定することにより、熱処理工程（ステップＳ０５）において、焼結層１１から裏金１５への炭素の拡散が円滑に行われる。この結果、裏金１５の全体における炭素含有量は、焼結層１１の炭素含有量より小さいことが好ましい。特に裏金１５の全体における炭素含有量は０．４質量％以下であることが好ましい。

また、裏金１５の焼結層１１に接する表面から０．１ｍｍまでの領域（第１領域に含まれる）硬さが、ビッカース硬さ１５０Ｈｖ以上であることが好ましい。これにより裏金１５（の表面）にライニングのバックアップ層としての機能を持たせることができる。

図６は、実施例の焼結層および裏金の組織を示す電子顕微鏡写真である。裏金の表面は、裏金の内部と組織が明らかに異なっており、炭素拡散層（硬化層）が形成されていることを観測できる。

また、焼結層１１の内周面７には複数のインデント５が形成されているが、内周面７全体の面積に対するインデント５の全面積の割合は３０％以下であることが好ましい。これにより、また、高い耐破壊性を確保することができる。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

本発明に係るすべり軸受によれば、耐破壊性などに優れており、産業上有用である。

５ インデント
６ 溝
７ 内周面
８ 外周面
１１ 焼結層
１５ 裏金
２０ ブシュ（すべり軸受用ブシュ）
３０ カラー
４０ 軸受（すべり軸受）

Claims (3)

1. 板状の金属部材である裏金および当該裏金の表面に形成された金属粉末の焼結層を有するすべり軸受用ブシュと、
   当該すべり軸受用ブシュの周囲に設けられたカラーと、を備えるすべり軸受であって、
   前記カラーの硬さが前記裏金の前記焼結層に接する表面から径方向に沿った中央領域の硬さより大きい、
   すべり軸受。
2. 前記裏金は、前記焼結層に接する表面から径方向に沿って、第１領域、第２領域および第３領域を少なくとも有し、
   第１領域の硬さ＞第３領域の硬さ＞前記カラーの硬さ＞第２領域の硬さの関係が成立している、請求項１に記載のすべり軸受。
3. 前記カラーの硬さが、ビッカース硬さ１６０Ｈｖ以上である、請求項１または２に記載のすべり軸受。