JP2021001686A

JP2021001686A - 焼結軸受

Info

Publication number: JP2021001686A
Application number: JP2020147595A
Authority: JP
Inventors: 容敬伊藤; Yasutaka Ito; 隆宏後藤; Takahiro Goto
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2020-09-02
Filing date: 2020-09-02
Publication date: 2021-01-07
Anticipated expiration: 2032-07-26
Also published as: JP7021312B2

Abstract

【課題】高強度で量産時の寸法や軸受性能のばらつきが小さい焼結軸受を提供する。【解決手段】黒鉛粉と金属粉とを含む原料粉を型で成形し、その後焼結して得られる焼結軸受１において、黒鉛粉として造粒粉を用い、かつ軸受面１ａにおける遊離黒鉛の割合を面積比で２５％〜８０％とした。【選択図】図１

Description

本本発明は、焼結金属からなる焼結軸受に関する。

精密小型モータ用の軸受として、その優れた静粛性から焼結軸受が広く用いられている。この焼結軸受は、銅を主体とする銅系、鉄を主体とする鉄系、銅と鉄を主体とする銅鉄系に大別される。何れのタイプの焼結軸受も、通常はその多孔質組織の空孔に潤滑油を含浸させて使用される。例えば潤滑油を含浸させた銅鉄系の焼結軸受として、直径４５μｍ以下の銅系粉末を用い、かつ銅の比率や通油度を所定範囲に規定したものが公知である（特許文献１参照）。

特開２０１２−６７８９３号公報

ところで、焼結軸受の使用環境によっては、潤滑油を使用することが好ましくない場合がある。例えば、複写機や印刷機では、軸受から漏洩した潤滑油で紙を汚す可能性がある。また、自動車用電装部品では、軸受の周辺が高温となって潤滑油が短期間で劣化もしくは蒸散し、軸受性能を害する可能性がある。さらに潤滑油によって軸と軸受とが電気的に絶縁されることで生じる静電気の帯電が問題となる場合もある。

これら潤滑油を使用することが好ましくない用途では、潤滑油を含浸させていない、いわゆるドライタイプの焼結軸受（ドライ軸受）を用いることが考えられる。しかしながら、ドライ軸受ではどうしても潤滑不良が生じ易く、そのままでは回転数や荷重等の使用条件が大きく制約される。そこで、対策として、原料粉に配合される固体潤滑剤としての黒鉛の配合量を増やし、軸受自体の自己潤滑性能を強化することが考えられる。

しかしながら、黒鉛粉の比重や粒径は金属粉のそれらよりもかなり小さいため（例えば比重は金属粉の１／４程度である）、黒鉛の配合量を増やせば、それだけ原料粉全体の流動性が低下する。すなわち、原料粉を成形用の金型に充填し、これを圧縮して圧粉体を成形する際に、粉体の落下速度が不均一となり、偏析等による重量、寸法、密度等にバラツキを生じるおそれがある。また、原料粉を均一に混合することが難しく、このことも焼結体における偏析の発生を助長する。さらに黒鉛を多く含む原料粉は固まり難いので、圧粉体の強度が低下し、この結果、欠け、割れ、クラック等が発生し易くなる。

また、金属粉間の結合強度を強化するために原料粉に錫を添加した場合、原料粉中の黒鉛の添加量が多いと、黒鉛が錫による金属粉の結合機能を阻害するため、焼結体の強度低下を招く。

本発明は、上記事情に鑑み、高強度で量産時の寸法や軸受性能のばらつきが小さい焼結軸受を提供することを目的とする。

本発明に係る焼結軸受は、黒鉛粉と金属粉とを含む原料粉を成形および焼結して得られた焼結軸受において、黒鉛粉として造粒粉が用いられ、かつ軸受面における遊離黒鉛の割合を面積比で２５％〜８０％としたことを特徴とするものである。原料粉として、銅粉、錫、および黒鉛粉を主成分とする混合粉末を用いることができる。

このように軸受面における遊離黒鉛の割合を面積比で２５％〜８０％とすることで、軸受面における潤滑性が高まる。また、潤滑油を含浸させないドライな状態でも高い潤滑性を得ることができる。

このように軸受面に多くの黒鉛を遊離させるため、黒鉛粉の配合量を既存品よりも増やす必要があるが、その場合でも黒鉛の造粒粉、すなわち黒鉛の微粉を造粒して大径化したものを使用することで、黒鉛粉１粒子当たりの重量を大きくすることができる。これにより１粒子当りの黒鉛粉と金属粉の重量差が小さくなるので、原料粉の流動性を向上させることができる。また、原料粉を均一混合も可能となる。従って、量産時の偏析による寸法や軸受性能のばらつきを小さくすることができ、かつ複雑な形状の軸受も製作可能となる。また、黒鉛の存在領域が集約されるため、多量の黒鉛が分散して存在する場合に比べ、圧粉体強度や焼結体強度を向上させることができる。

上記構成においては、前記造粒粉の平均粒径を、６０μｍ〜５００μｍに設定するのが望ましい。

原料粉末における黒鉛の造粒粉の配合割合は、３重量％〜１５重量％にするのが望ましい。既存品では、上記の問題から黒鉛の配合割合は３重量％よりも小さくせざるを得なかったが、本発明によれば３重量％以上の黒鉛粉を配合することが可能となる。そのため、上記のとおり軸受面の広大な領域に黒鉛組織を形成することが可能となる。

黒鉛の造粒粉の見かけ密度は、１．０ｇ／ｃｍ³以下とするのが望ましい。

本発明にかかる焼結軸受は、上記のとおり潤滑油を含浸させないドライ軸受として使用することができるが、潤滑油を含浸させる含油軸受としても使用することが可能である。

本発明によれば、軸受面の潤滑性を向上させることができる。また、量産時でも偏析による軸受性能や寸法精度のばらつきを抑制することができ、かつ圧粉体や焼結体の強度を向上させることができる。また、複雑な形状を有する焼結軸受を製作することも可能となり、軸受形状の自由度が高まる。

本発明の実施形態に係る焼結軸受の軸方向断面図である。金型による圧粉体の成形工程を示す断面図である。焼結軸受における軸受面の顕微鏡写真を示す図で、（Ａ）が本発明の実施品、（Ｂ）が従来品のものである。ラトラ試験の結果（ラトラ値）を示す図である。圧環強さを示す図である。成形重量を示す図である。圧粉体長さを示す図である。焼結軸受の内径面の摩耗量を示す図である。焼結軸受の摩擦係数を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面に基づき説明する。

図１に示すように、本実施形態では、焼結軸受１は、内周に軸受面１ａを有する円筒状に形成される。この焼結軸受１の内周にステンレス鋼等からなる軸２を挿入し、その状態で軸を回転させ、あるいは焼結軸受１を回転させると、軸２の外周面が焼結軸受１の軸受面１ａによって回転自在に支持される。

本発明の焼結軸受１は、各種粉末を混合した原料粉を金型に充填し、これを圧縮して圧粉体を成形した後、圧粉体を焼結することで形成される。

本実施形態の焼結軸受１は、いわゆる銅鉄系と呼ばれるものであり、原料粉として、銅粉、鉄粉、低融点金属粉、および黒鉛粉を主成分とする混合粉末が用いられる。この混合粉末には、必要に応じて各種成形助剤、例えば離型性向上のための潤滑剤（金属セッケン等）が添加される。以下、焼結軸受１の実施形態について、その原料粉末および製造手順を詳細に述べる。

［銅粉］
銅粉としては、焼結軸受用として汎用されている球状や樹枝状の銅粉が広く使用可能であるが、本実施形態では、電解粉又は水アトマイズ粉が用いられる。なお、これらの混合粉も使用可能である。銅粉の平均粒径は、例えば４０μｍ〜１６０μｍとし、見かけ密度は、例えば１．５〜３．０ｇ／ｃｍ³とする。見かけ密度の定義は、JIS Z 8901の規定に準じる（以下、同じ）。銅粉として扁平銅粉を使用することもできる。

［鉄粉］
鉄粉としては、還元鉄粉、水アトマイズ鉄粉等の公知の粉末が広く使用可能であるが、本実施形態では、還元鉄粉を使用する。還元鉄粉は、略球形でありながら不規則形状でかつ多孔質状をなし、表面に微小な凹凸を有する海綿状となることから、海綿鉄粉とも呼ばれる。鉄粉としては、例えば、平均粒径６０μｍ〜２００μｍ、見かけ密度２．０〜３．０ｇ／ｃｍ³のものを使用する。なお、鉄粉に含まれる酸素量は０．２重量％以下とする。

［低融点金属粉］
低融点金属粉は、焼結温度よりも低融点の金属粉であり、本発明では、融点が７００℃以下の金属粉、例えば錫、亜鉛、リン等の粉末が使用される。この中でも焼結時の蒸散が少ない錫が好ましい。また、錫粉としてはアトマイズ粉を使用する。これら低融点金属粉は、融点が７００℃以下で焼結温度よりも低融点であり、また、焼結時の蒸散が少ない。錫粉は、銅に対して高いぬれ性を持つため、原料粉に配合することで、焼結時に、液相焼結と固相焼結が進行し、鉄組織と銅組織や銅組織同士の結合強度が強化される。

［黒鉛粉］
黒鉛粉としては、黒鉛の微粉を造粒し、大径化させた黒鉛造粒粉が使用される。微粉としては、鱗状又は球状の天然黒鉛粉で、平均粒径が４０μｍ以下のものを用いる。造粒後の黒鉛粉は、平均粒径６０μｍ〜５００μｍの範囲とし、見かけ密度は１．０ｇ／ｃｍ³以下とする。造粒のためのバインダとしては、例えばフェノール樹脂を使用する。バインダの量は、黒鉛微粉に対して５重量％〜１５重量％とするのが望ましい。

［配合比］
上記各粉末を公知の混合機で均一に混合することで原料粉が得られる。原料粉に対する黒鉛粉の配合割合は３重量％〜１５重量％とする（望ましくは５重量％〜１２重量％）。原料粉における低融点金属粉の配合割合は任意に定めることができ、例えば１重量％〜４重量％とする。鉄粉と銅粉の配合割合は、軸受の使用条件やコストを勘案して任意に定めることができる。

［成形］
混合後の原料粉は成形機の金型３に供給される。図２に示すように、金型３は、コア３ａ、ダイ３ｂ、上パンチ３ｃ、および下パンチ３ｄからなり、これらによって区画されたキャビティに原料粉末が充填される。上下パンチ３ｃ，３ｄを接近させて原料粉体を圧縮すると、原料粉末が、コア３ａの外周面、ダイ３ｂの内周面、上パンチ３ｃの端面、および下パンチ３ｄの端面からなる成形面によって成形され、焼結軸受１に対応した形状（本実施形態では円筒状）の圧粉体４が得られる。

［焼結］
その後、圧粉体４は焼結炉にて焼結される。焼結条件は、黒鉛に含まれる炭素が鉄と反応しない（炭素の拡散が生じない）条件とする。焼結では９００℃を超えてから炭素（黒鉛）と鉄の反応が始まり、パーライト相γＦｅが生じる。パーライト相γＦｅが生じると、軸受面１ａに遊離する黒鉛組織の量が減少し、本発明の目的を達成できない。また、パーライト相γＦｅは硬い組織（ＨＶ３００以上）で相手材に対する攻撃性が強いため、過剰にパーライト相が析出すると軸２の摩耗を進行させるおそれがある。

また、従来の焼結軸受の製造工程では、焼結雰囲気として、液化石油ガス（ブタン、プロパン等）と空気を混合してＮｉ触媒で熱分解させた吸熱型ガス（ＲＸガス）を使用する場合が多い。しかしながら、吸熱型ガス（ＲＸガス）では炭素が拡散して表面を硬化させるおそれがある。

以上の観点から、本実施形態では、焼結は９００℃以下の低温焼結、具体的には７００℃（望ましくは７６０℃）〜８４０℃の焼結温度とする。また、焼結雰囲気は、炭素を含有しないガス雰囲気（水素ガス、窒素ガス、アルゴンガス等）あるいは真空とする。これらの対策により、原料粉では炭素と鉄の反応が生じず、従って焼結後の鉄組織は全て軟らかいフェライト相αＦｅ（ＨＶ２００以下）となる。焼結に伴い、各種成形助剤は焼結体内部から揮散する。

なお、パーライト相（γＦｅ）がフェライト相（αＦｅ）の粒界に点在する程度であれば、軸２に対する攻撃性はそれほど高まらず、その一方で軸受面１ａの摩耗を抑制する効果を得ることができる。ここでいう「粒界」は、フェライト相の間やフェライト相と他の粒子との間に形成される粒界の他、フェライト相中の結晶粒界の双方を意味する。このような態様でパーライト相をフェライト相の粒界に存在させるためには、焼結温度を上記例示よりも上げて８２０℃〜９００℃とし、かつ炉内雰囲気として炭素を含むガス、例えば天然ガスや吸熱型ガス（ＲＸガス）を用いて焼結する。これにより、焼結時にはガスに含まれる炭素が鉄に拡散し、パーライト相を形成することができる。

以上に述べた焼結工程を経ることで、多孔質の焼結体が得られる。この焼結体にサイジングを施すことにより、図１に示す焼結軸受１が完成する。本実施形態の焼結軸受はドライ軸受として使用されるので、サイジング後における潤滑油の含浸は行われない。上記のように、焼結時に炭素と鉄を反応させず、鉄組織を軟質のフェライト相にすることにより、サイジング時に焼結体が塑性流動を生じやすくなり、高精度のサイジングを行うことができる。

本発明では、上記のように原料粉における黒鉛粉の配合割合を３重量％以上としているので、軸受面１ａに黒鉛組織を面積比で２５％以上の割合で形成することができる。そのため、軸受面１ａの自己潤滑性を高めて、軸受の潤滑性能と導電性を向上させることができ、高速回転や高荷重の条件下でも高い耐久寿命を有する焼結軸受を提供することができる。また、潤滑油を多孔質組織に含浸させないドライ軸受としての使用も可能となり、複写機や印刷機（例えばマグロール）、自動車用電装部品、家庭用電化製品、高真空機器等において、潤滑油が使用できない部位にも使用することが可能となる。なお、軸受面１ａに遊離する黒鉛組織の面積が過剰になると、軸受面１ａの強度低下を招くため、面積比の上限は８０％とする。

なお、軸受面１ａにおける面積比の測定は画像解析により行うことができる。この画像解析は、例えば次のように行う。
（１）金属顕微鏡（（株）ニコン製ＥＣＬＩＰＳＥＭＥ６００）で撮影（１００倍）。
（２）画像取得は（株）ニコン製ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇａｈｔＤＳ−Ｕ３で行う。
（３）画像処理は（株）ニコンインストルメンツカンパニー製ＮＩＳ−ＥｌｅｍｅｎｔｓＤで行う。
（４）デジタル画像解析ソフト（イノテック（株）製ＱｕｉｃｋＧｒａｉｎ）で黒鉛の面積比率を算出する。

更に、本発明では黒鉛粉として造粒粉を使用しているので、黒鉛粉１粒子当たりの重量を大きくすることができる。これにより１粒子当りの黒鉛粉と金属粉の重量差が小さくなるので、原料粉の流動性を向上させることができる。また、原料粉を均一混合も可能となる。従って、量産時の偏析による寸法や軸受性能のばらつきを小さくすることができ、かつかつ複雑な形状の軸受も製作可能となる。また、多孔質組織において黒鉛の存在領域が集約されるため、多量の黒鉛が分散して存在する場合に比べ、圧粉体強度や焼結体強度を向上させることができる

なお、以上の説明では、焼結軸受の例示として、金属粉として銅粉、鉄粉、および低融点金属粉を使用する銅鉄系を挙げたが、本発明はこれに限られず、金属粉として銅粉と低融点金属粉を使用する銅系焼結軸受や、金属粉として鉄粉と微量の銅粉を使用する鉄系焼結軸受にも同様に適用することができる。

次に、本発明の実施品（以下、本発明品と記す）について、造粒黒鉛粉を使用しない従来品と比較して説明する。この本発明品と従来品は、上記実施形態とは異なり、銅系焼結軸受である。

図３は焼結軸受１の軸受面１ａを拡大した顕微鏡写真であり、（Ａ）図が本発明品を、（Ｂ）図が従来品を示す。両図において、明部が銅組織（Ｓｎとの合金部分も含む）を示し、暗部が黒鉛組織を示す。微細な暗部は、表面に開口した空孔である。本発明品では従来品よりも黒鉛の分布量が多くなっていることが分かる。また、本発明品では、黒鉛が均一に分散していることも理解できる。ちなみに、（Ａ）図における黒鉛の面積比は７８％であり、（Ｂ）図における黒鉛の面積比は２８％である。なお、この面積比率を測定するための画像解析は、上述の機器と方法を使用した。

図４は、圧粉体の強さを評価するために行ったラトラ試験の結果を示す。ここで、ラトラ試験とは、金属圧粉体のラトラ試験法（日本粉末冶金工業会規格：ＪＳＰＭ標準４−６９）に基づいて測定を行い、得られる測定結果から算出する値を用いて、試験片(圧紛体)の崩壊のしやすさ(圧紛体の強さを数値化)を求める方法で、得られるラトラ値が低い方が圧紛体は強い。図４から分かるように、本発明品は、従来品よりラトラ値が低いので、圧紛体の強度が優れ、欠け、割れ等を抑制できる。

図５は、圧粉体の強さを評価するために測定した圧環強さを示す。図５から分かるように、本発明品は、従来品より圧環強さが大きいため、圧紛体の強度が優れ、欠け、割れ等を抑制できる。

図６は、成形重量のばらつきを評価するために測定した成形重量の最大値、平均値、最小値を示す。図６から分かるように、本発明品は、従来品より成形重量の最大値と最小値との差が小さく、成形重量のばらつきが小さい。

図７は、圧粉体長さのばらつきを評価するために測定した圧粉体長さの平均値、最小値を示す。図７から分かるように、本発明品は、従来品より圧粉体長さの最大値と最小値との差が小さく、圧粉体長さのばらつきが小さい。

図８は、以下の条件での運転後の軸受内径面の摩耗量を示す。また、同条件の運転での摩擦係数の変化を図９に示す。
周速：Ｖ＝７ｍ／ｍｉｎ
面圧：Ｐ＝２ＭＰａ
温度：１００℃
試験軸：ＳＵＳ４２０Ｊ２（ＨＲＣ＝５０、Ｒａ＝０．４μｍ）
隙間：１５μｍ

図８から分かるように、本発明品は、従来品に比較して、軸受内径面の摩耗量を抑制することができる。また、図９から分かるように、１０ｍｉｎ経過後では、本発明品は、従来品と比較して、摩擦係数を抑制することができる。

以上の説明では、焼結軸受として軸の回転運動を支持する軸受を例示したが、本発明にかかる焼結軸受は、軸等の摺動部材の直線運動を支持するいわゆるリニア軸受としても使用することができる。また、本発明の焼結軸受は、潤滑油を含浸させないドライ軸受として使用するだけでなく、サイジング後に潤滑油を含浸させる含油軸受としても使用することができる。

１焼結軸受
１ａ軸受面
２軸
３金型
４圧粉体

Claims

黒鉛粉と金属粉とを含む原料粉を成形および焼結して得られた焼結軸受において、
黒鉛粉として造粒粉が用いられ、かつ軸受面における遊離黒鉛の割合を面積比で２５％〜８０％としたことを特徴とする焼結軸受。
前記造粒粉の平均粒径を、６０μｍ〜５００μｍとした請求項１に記載の焼結軸受。
原料粉における前記造粒粉の配合割合を、３重量％〜１５重量％とした請求項１または２に記載の焼結軸受。
前記造粒粉の見かけ密度を、１．０ｇ／ｃｍ³以下とした請求項１〜３何れか１項に記載の焼結軸受。
潤滑油を含浸させていない請求項１〜４の何れか１項に記載の焼結軸受。
潤滑油を含浸させた請求項１〜４の何れか１項に記載の焼結軸受。