JP3941923B2 - 滑り軸受材料および軸受部品 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高面圧荷重下で使用される滑り軸受材料および軸受部品に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、ブッシュやスラストプレート等、相対的に回転しながら荷重を支える滑り軸受材料として、特に高面圧(300kg/cm2以上)、低速(相対速度2m/sec以下)下においては、潤滑油の切れる境界潤滑域であることから、主として摺動特性の優れたLBC3などの鉛青銅系の材料が使用されている。このLBC3は、耐焼付き性に優れ、異物の埋収性および初期馴染み性にも優れていることから、例えば建設機械の足回りの転輪ローラ部や、一般のエンジンコンロッド部のエンジン用メタルとして多く利用されてきている。
【0003】
しかし、近年における地球環境問題および人体への影響を考慮した場合、元来摺動特性の向上のために添加されている鉛を廃止すること(Pbレス化)が重要な課題となってきており、前述の鉛青銅系の滑り軸受材料に代わる材料の提供が望まれている。
【0004】
なお、高速回転する滑り軸受に用いられる材料を中心に、Al系材料におけるSiO2析出型材料や、Ag配合型材料などをエンジン用メタル等に適用することが検討されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、建設機械に使用される滑り軸受のように、高面圧、超低速で使用されるものにおいては境界潤滑域になり易いために、前述のAl系材料では使用に耐えないという問題点がある。
【0006】
一方、鉄系焼結材を高面圧、低摺動速度部に使用した場合には摺動特性の不足を補うために樹脂の含浸層もしくは含油層を設けることが必要となる。ところが、この樹脂の含浸層もしくは含油層が増えると、焼結金属の空洞部が増えて硬度不足や強度不足を生じ、耐摩耗性が悪化したり、粒子剥離によって焼付きが生じ易くなってしまう。また、高面圧下で使用した場合には潤滑油が気孔部に逃げて油膜切れを生じ易く、かえって焼付きが生じてしまう。
【0007】
また、固体潤滑材を混入させた摺動材料は、その混入量を間違えると気孔と同じ役割を担ってしまい不具合を発生する。また、この固体潤滑材は摩擦係数を上昇させる危険性もある。
【0008】
このようなことから、軟らかさと、耐荷重性、耐摩耗性を確保するための硬質層とを同時に持った材料の開発が望まれているところである。
【0009】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、鉛を完全に無くしても、高面圧、低速摺動特性に優れ、かつ耐摩耗性に優れた滑り軸受材料および軸受部品を提供することを目的とするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
前記目的を達成するために、本発明による滑り軸受材料は、
Cu単相とCu−Sn合金相を含有するとともに、燐青銅、TiO 2 、CおよびFePが分散されてなり、合金ではない銅粉、Cu−Sn合金、TiO2ウイスカ、人造黒鉛および、FePまたは燐青銅を添加して、混練してなる混練粉を焼結して形成される滑り軸受材料であって、
前記混練粉に、TiO2ウイスカ:0.1〜0.7質量%、人造黒鉛:0.1〜0.7質量%、P:0.3質量%以下で、TiO 2 ウイスカと人造黒鉛との添加合計が1.2質量%以下となるように配合し、かつ焼結後にSnがCuに対して13質量%以下となるように各添加量を調整することを特徴とするものである。
【0011】
本発明によれば、軟質なCuよりなる単独相が形成されているため、滑り軸受材料をPbレスにしても異物埋収性および初期馴染み性を確保することができるとともに、延性に優れているので、この材料を鋼板上に散布して巻きブッシュ等を製造するのに適している。また、Cu−Sn合金相を圧延することによる加工硬化によって、さらにはFePよりなる硬質粒子の分散によって硬質相を確保することができる。また、燐青銅相によって低速域での摺動特性の改善が図られ、かつ固体潤滑材としてのTiO2、人造黒鉛によって完全に油切れした際の摺動性が確保される。こうして、初期馴染み性と埋収性とを有し、かつ高面圧、低速摺動特性にも優れ、かつ従来のLBC3や高密度化したLBC3より限界PV値が高く耐摩耗性に優れた、地球環境に優しい軸受材料を提供することができる。
【0012】
本発明の滑り軸受材料においては、合金でない銅粉(アトマイズ銅粉)が添加されているので、合金を作らない銅の相を比較的大きな粒状に残すことができる。また、本発明では、低速域での摺動特性は燐の添加によりある程度改善できることから、燐青銅(PBC:燐の量は0.25%程度)またはFeP(燐の量は凡そ27%)が添加される。この場合、焼結の時点で、燐が早期に液相化し、鋼板上に散布したときにその鋼板との界面に析出して接着を妨げるので、この燐(P)の添加量は0.3質量%以下に抑えられる。
【0013】
また、完全に油切れした場合の摺動性を確保するため、前記滑り軸受材料は、TiO2ウイスカおよび人造黒鉛を添加して形成される。ただし、これらの材料は焼結に寄与しない異物として混合されるため、過度に添加すると焼結強度が落ち、粒子剥離などを引き起こすことになる。そのため、TiO2ウイスカが0.1〜0.7質量%、人造黒鉛が0.1〜0.7質量%添加される。TiO2ウイスカと人造黒鉛とを同時に添加すると、TiO2ウイスカに人造黒鉛がある程度トラップされて固体潤滑材の役割を更に高める可能性がある。また、TiO2をウイスカで添加することにより、組織中にウイスカの集合体が分散し、この集合体に潤滑油が蓄えられるため、高面圧時の油切れ状態を緩和する役目をする。また、人造黒鉛の添加は焼結時の収縮を抑えることができるため、鉄板のような金属板上に散布して焼結にて接合する場合の収縮による欠陥発生を防止する効果がある。ここで、TiO2ウイスカと人造黒鉛とを同時に添加したときの合計が1.2質量%以下とされる。
【0014】
本発明においては、前述のように軟質部分はCu単相、硬質部分はCu−Sn析出相を圧延することによる加工硬化および硬質粒子の分散により確保されるので、焼結後にSnはCuに対して13質量%以下(より好ましくは10〜12重量%)となるように各添加量が調整される。
【0015】
次に、本発明による軸受部品は、前述された混練粉を圧延鋼板上に散布・焼結して一体化し、これを圧延、2次焼結して所定の軸受形状に加工してなることを特徴とするものである。
【0016】
本発明の滑り軸受材料は、混練粉の配合物の配合比を制御することで、この混練粉の圧延鋼板上への散布・焼結にて強固に接着させることができ、その焼結後に圧延、2次焼結しても鋼板から剥離せずにしっかりと接着することができる。したがって、これを2次焼結した後に曲げ加工またはプレス加工などを施して、例えば巻きブッシュ、半月ブッシュ、球面ブッシュ等の所定の軸受形状に成形することができる。
【0017】
また、本発明の滑り軸受材料は、鋼板など鉄系材料への接合が容易であることから、前記混練粉を圧延鋼板の両面に焼き付けて、スラストプレートのような両面に焼結材を有するプレートにも製作可能である。
【0018】
【実施例】
次に、本発明による滑り軸受材料および軸受部品の具体的な実施例について、図面を参照しつつ説明する。
【0019】
表1には、接着性試験および摺動試験に用いた摺動材料の合金組成(焼結品の成分組成)が示されている。ここで、表1に示される数値は、全体を1としたときの比で示されており、この数値を100倍すれば%表示となる。また、表中「TiO 2 」は「TiO 2 ウイスカ」を指し、「C」は「人造黒鉛」を指す。
【0020】
例えば表1で記号Aにて示される試験片は、次のようにして作製される。すなわち、水アトマイズ銅粉にTiO2ウイスカ(大塚化学(株)製MTW)、FeP、グラファイト(人造黒鉛)を最終目標成分になるように配合して高速撹拌ミキサーにて予備混練し、これにCu10Sn合金、Cu33Sn合金を加えてVコーンミキサーにて混練調整して最終目標成分を得る。次いで、この混練粉末を、洗浄し油分を落としたSPCC鋼板上に散布し、真空焼結炉で830℃まで昇温30分、830℃で保持30分で焼結して目標とする焼結体を得る。
【0021】
この記号Aにて示される試験片と同様にして記号B〜Iにて示される試験片を作製し、鋼板上に散布した摺動材料の接着性の良否について判定した。この判定結果が表1に合わせて示されている。なお、表1中には、参考例として、LBC3(鉛青銅系材料)の合金組成と接着性についても合わせて示されている。表中において「接着せずNG」と記述されているのは、焼結炉から取り出した時点で摺動材料が鋼板に対し全く接着していない状態を示している。
【0022】
この接着性の判定結果から、燐(P)の添加量が多いB,E,Hの試験片において接着性不良が発生していることがわかる。これは、燐の添加量が多いと、焼結の時点でその燐が早期に液相化し、鋼板との界面に析出して接着性を妨げることによるものと考えられる。なお、この接着性は、焼結条件には依存しない。
【0023】
次に、接着性が良好であった記号A,D,F,G,IおよびLBC3の各試験片、更には低速高面圧用摺動材料として使用されるCu7Sn7Pb3Zn0.5Ni合金(「既知の材料」と表記)よりなる試験片を用い、この試験片のサンプル(5mm×5mm)を相手材(FCD700熱処理済み材)に押し付けて摩擦トルクおよび摩耗量を測定する摺動試験(定速摩擦摩耗試験)を行った。なお、試験条件は、次のとおりである。
摺動速度:1m/sec、潤滑油:ゼネラルEO−10、油温:80℃、油量200cc/min、昇圧:10sec、保持:5min
【0024】
前記摺動試験の試験結果が図1に示されている。この図1において、グラフが途中で終わっているのは計測がそれ以上できなかったことを示しており、この終端部が摩耗限界である。この図から明らかなように、LBC3および既知の材料の摩耗限界が面圧200kg/cm2程度であるのに対し、本実施例の各試験片A,D,F,G,Iの摩耗限界が格段に向上しているのがわかる。また、既知の材料においては、面圧の小さな初期に摩擦係数が大きく上昇しているのに対して、本実施例のものにおいては、300kg/cm2を越える面圧において摩擦係数が上昇していることがわかる。
【0025】
次に、本実施例の滑り軸受材料、特に記号A,D,F,Gの材料を用いて巻きブッシュおよびスラスト軸受(両面焼結スラスト軸受)を作製した。その製造実施例について以下に説明する。
【0026】
(製造実施例1)
水アトマイズ銅粉にTiO2ウイスカ(大塚化学(株)製MTW)、FeP、グラファイト(人造黒鉛)を、表1の記号Aにて示される最終目標成分になるように配合して高速撹拌ミキサーにて予備混練し、これにCu10Sn合金、Cu33Sn合金を加えてVコーンミキサーにて混練調整して混練粉末を得る。この混練粉末を、洗浄して油分を落としたSPCC鋼板(厚さ4.5mm)に厚さ1.8mmになるように散布し、連続焼結炉(ブタンガス還元炉)で835℃設定の焼結ゾーンに送り速度140mmで焼結する。この後、1次圧延で合計厚さ5.5mmまで圧延し、再度同じ焼結炉、焼結条件で2次焼結を行い、次いで2次圧延を行い合計厚さ5.2mmまで圧延する。これを切断して曲げ加工により巻きブッシュとする。
【0027】
図2(a)(b)(c)には、このようにして得られた巻きブッシュの断面の金属組織を示す写真が示されている。なお、図2(c)において、白っぽい色の部分がTiO2、黒い色の部分が空洞、薄い灰色(実際には赤っぽい色)の部分がCuの層である。
【0028】
(製造実施例2)
水アトマイズ銅粉に、燐青銅(PBC)、TiO2ウイスカ、グラファイトを、表1の記号Dにて示される最終目標成分になるように配合して高速撹拌ミキサーにて予備混練し、これにCu20Sn合金、Cu33Sn合金を加えてVコーンミキサーにて混練調整して混練粉末を得る。この混練粉末を、洗浄して油分を落としたSPCC鋼板(厚さ4.5mm)に厚さ1.8mmになるように散布し、連続焼結炉(ブタンガス還元炉)で835℃設定の焼結ゾーンに送り速度140mmで焼結する。この後、1次圧延で合計厚さ5.5mmまで圧延し、再度同じ焼結炉、焼結条件で2次焼結を行い、次いで2次圧延を行い合計厚さ5.2mmまで圧延する。これを切断して曲げ加工により巻きブッシュとする。
【0029】
(製造実施例3)
水アトマイズ銅粉にTiO2ウイスカ(大塚化学(株)製MTW)、FeP、グラファイト(人造黒鉛)を、表1の記号Aにて示される最終目標成分になるように配合して高速撹拌ミキサーにて予備混練し、これにCu10Sn合金、Cu33Sn合金を加えてVコーンミキサーにて混練調整して混練粉末を得る。この混練粉末を、洗浄して油分を落としたSPCC鋼板(厚さ3.2mm)に厚さ2.5mmになるように散布し、連続焼結炉(ブタンガス還元炉)で835℃設定の焼結ゾーンに送り速度140mmで焼結する。この後、裏返して裏側に同様に厚さ2.5mmになるように前記混練粉末を散布し、同条件で2次焼結を行う。次いでできた焼結体を合計厚さ6.6mmになるように圧延し、機械加工することでスラスト軸受を得る。
【0030】
(製造実施例4)
水アトマイズ銅粉に、燐青銅(PBC)、TiO2ウイスカ、グラファイトを、表1の記号Dにて示される最終目標成分になるように配合して高速撹拌ミキサーにて予備混練し、これにCu20Sn合金、Cu33Sn合金を加えてVコーンミキサーにて混練調整して混練粉末を得る。この混練粉末を、洗浄して油分を落としたSPCC鋼板(厚さ3.2mm)に厚さ2.5mmになるように散布し、連続焼結炉(ブタンガス還元炉)で835℃設定の焼結ゾーンに送り速度140mmで焼結する。この後、裏返して裏側に同様に厚さ2.5mmになるように前記混練粉末を散布し、同状件で2次焼結を行う。次いでできた焼結体を合計厚さ6.6mmになるように圧延し、機械加工することでスラスト軸受を得る。
【0031】
なお、表1の記号F,Gにて示される材料についても、これら材料を用いて前記製造実施例1〜4と同様にして巻きブッシュもしくはスラスト軸受を作製することができる。また、本発明の材料は、これら軸受部品以外に、半月ブッシュ、球面ブッシュ等の作製にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、定速摩擦摩耗試験の試験結果を示すグラフである。
【図2】図2(a)(b)(c)は、製造実施例1により得られた巻きブッシュの断面の金属組織を示す写真である。
Claims (3)
- Cu単相とCu−Sn合金相を含有するとともに、燐青銅、TiO 2 、CおよびFePが分散されてなり、合金ではない銅粉、Cu−Sn合金、TiO2ウイスカ、人造黒鉛および、FePまたは燐青銅を添加して、混練してなる混練粉を焼結して形成される滑り軸受材料であって、
前記混練粉に、TiO2ウイスカ:0.1〜0.7質量%、人造黒鉛:0.1〜0.7質量%、P:0.3質量%以下で、TiO 2 ウイスカと人造黒鉛との添加合計が1.2質量%以下となるように配合し、かつ焼結後にSnがCuに対して13質量%以下となるように各添加量を調整することを特徴とする滑り軸受材料。 - 請求項1に記載の混練粉を圧延鋼板上に散布・焼結して一体化し、これを圧延、2次焼結して所定の軸受形状に加工してなることを特徴とする軸受部品。
- 請求項1に記載の混練粉を圧延鋼板の両面に焼き付けてなることを特徴とする軸受部品。
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