JP4749260B2 - 焼結含油軸受 - Google Patents

Description

本発明は、低温から高温までの幅広い環境下に使用されるモータに好適な焼結含油軸受に係り、特に自動車のスロットルモータに好適な焼結含油軸受に関する。

銅系あるいは鉄銅系等の金属マトリックスを有する多孔質焼結体の気孔中に潤滑油を含浸した焼結含油軸受は、軸の回転時のポンプ作用および熱発生にともなう熱膨張による油の浸出作用により多孔質焼結体から滲み出した潤滑油が、軸の回転により形成される油圧のくさびと、多孔質焼結体の気孔から潤滑油が透過されることにより生じる油圧の逃げとのバランスにより摺動面に油膜を形成して軸と軸受の金属接触を防止する軸受である。このような焼結含油軸受においては、潤滑油は多孔質焼結体中で連通する気孔を介して滲出と吸収が行われ多孔質焼結体中で環流するが、基本的に無給油で長期にわたり使用できることから産業用機器や音響機器等の各種軸受に使用されており、近年、自動車に使用されるモータ等にも適用されるようになった。
このような焼結含油軸受については、低摩擦係数を長期にわたって維持することが求められ、金属マトリックス（特許文献１等）、もしくは潤滑油（特許文献２等）について様々な提案が為されている。また近年では、いずれか一方の改良のみならず、金属マトリックスの組成と、このマトリックスに好適な潤滑剤の組み合わせにまで踏み込んだ提案（特許文献３等）がなされている。

上記の特許文献３は、マトリックスのうち質量比で２０〜８０％がＣｕであり、マトリックス残部が少なくともＣｏ相、Ｎｉ相またはＣｕ−Ｎｉ相である斑状多孔質含油焼結部材と、ハロゲン化アルキルを含む潤滑油、フッ素系合成油のうち少なくとも一種を含有した潤滑剤の組み合わせを骨子とするもので、摺動の初期なじみ性に優れ、摩擦係数が低いという優れた特性を示すものである。
特公平０４−０６１０６４号公報 特開平０７−０４８５８８号公報 特許第３４３６５５７号公報

自動車に使用されるモータ、特にスロットルモータ等のエンジン周辺で使用されるモータに用いられる軸受としては、エンジン運転時の１８０℃の高温環境から、寒冷地の外気温と等しい−５０℃の低温環境までの幅広い温度環境下において潤滑特性を維持することが求められる。さらにこれらのモータにはエンジンの振動が加わるため、軸受に課せられる潤滑条件はより一層過酷なものとなる。このような厳しい条件下で低い摩擦係数を長期的に維持し摩耗量を少なくするため、これらのモータ用の軸受には、十分に潤滑が行われるような含浸油の選定、材料面では振動等による高い面圧にも耐えられる高い機械特性が求められる。

このような状況下で、特許文献３は軟質なＣｕをマトリックスとしているため、マトリックスの強度が不十分で、また、潤滑油を吸着させるために分散しているＮｉを主とした合金相の硬さも不十分であることから、上記のようなエンジン周辺で使用されるモータの負荷条件では軸受の耐久性が不十分である。

本発明は、１８０℃の高温環境から−５０℃の低温環境まで幅広い環境温度下で、かつ運転時の振動により高い面圧が加わる過酷な条件下でも長期にわたり低い摩擦係数を維持する焼結含油軸受を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の焼結含油軸受は、全体組成が、質量比で、Ｎｉ：２〜６％、Ｓｎ：７〜１３％、残部がＣｕおよび不純物からなるとともに、Ｃｕ−Ｓｎ合金基地中に２０〜１００μｍのＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ合金相が斑状に分散する金属組織を呈する多孔質焼結体の気孔中に、パーフルオロポリエーテルを主成分とする潤滑油を含浸したことを特徴とする。

また、本発明の第２の焼結含油軸受は、全体組成が、質量比で、Ｎｉ：２〜６％、Ｓｎ：７〜１３％、Ｐ：０.０５〜１％、残部がＣｕおよび不純物からなるとともに、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐ合金基地中に２０〜１００μｍのＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ合金相が斑状に分散する金属組織を呈する多孔質焼結体の気孔中に、パーフルオロポリエーテルを主成分とする潤滑油を含浸したことを特徴とする。

本発明の焼結含油軸受は、強度および硬さが高いＣｕ−Ｓｎ合金またはＣｕ−Ｓｎ−Ｐ合金を多孔質焼結体の合金基地とするとともに、該合金基地中に合金基地よりも硬さの高いＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ合金またはＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ合金相を斑状に分散させることにより優れた耐摩耗性を示す。また斑状に分散するＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ合金またはＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ合金の相を３０〜１００μｍの微細な相として全体に均一に分散させたことにより、振動により加えられる荷重を伴う摺動に対しても耐えることができる。またこのような焼結含油軸受に含浸する潤滑油として、上記の合金基地および斑状分散相に吸着し易く、かつ低温流動性および高温安定性を有するパーフルオロポリエーテルを用いることにより、幅広い温度環境下で低い摩擦係数を長期にわたり維持することができる。

このため本発明の焼結含油軸受はスロットルモータ等のエンジン周辺で使用されるモータ用の軸受として極めて好適なものである。

本願発明において潤滑油として用いるパーフルオロポリエーテルは、主鎖に −ＣＦ_２−Ｏ−ＣＦ_２− のエーテル結合を有するフッ素化油であり、例えば、ＣＦ₃[(Ｏ−ＣＦ_２−ＣＦ_２)_p−(Ｏ−ＣＦ_２)_q]−Ｏ−ＣＦ_３（式中、ｐおよびｑは１０から２００の整数）で表される。そして、Ｃ−Ｆ結合エネルギーが高いこと、およびフッ素原子のもつ高い電気陰性度により熱的および化学的に極めて安定な化合物である。また、分子内に屈曲性に優れたエーテル結合を有することおよび分子間相互作用力が小さいことから、大きな分子量を有する割に粘度が低く、蒸気圧も極めて低いという特徴を有している。また低温でも粘度が低く低温流動性に優れるという特徴も有している。すなわちパーフルオロポリエーテルは、低粘度であり、幅広い温度領域で粘度が変化せず、熱的および化学的に安定で、蒸気圧が低いという特性を有しており、焼結含油軸受の潤滑油として用いた場合、低温から高温までの幅広い温度環境下で安定に潤滑特性を発揮でき、かつ潤滑特性を長期にわたり維持できるという効果が得られる。

またパーフルオロポリエーテルは、特に電子を与え易い性質のため電子供与性を有しているとともに極性基を持たないため、後述するＮｉおよびＣｕへの吸着物質として有効である。パーフルオロポリエーテルの構造は直鎖状でも側鎖を有するものでも作用は同じである。なお、潤滑油として使用するパーフルオロポリエーテルは、数％の不可避不純物を含んでいても差し支えない。

上記の潤滑油にＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）粒子を分散させると、ＰＴＦＥ粒子が有する潤滑性により金属接触が防止されるとともに摩擦係数が低減されるため好ましい。その際は、ＰＴＦＥの一次粒子の粒径が１μｍを超えると、潤滑油が多孔質焼結体の連通気孔を介して環流する際に連通気孔を通過し難くなって気孔の目詰まりを生じさせて良好な潤滑油の環流作用が得難くなる虞がある。一方、ＰＴＦＥの一次粒子の粒径が０.１μｍを下回ると潤滑油中で凝集し易くなり、凝集粒子が上記と同様に連通気孔を通過し難くなる虞がある。またＰＴＦＥ粒子の添加量は１質量％に満たないと上記効果が乏しく、５質量％を越えると潤滑油の粘度が増加するため好ましくない。

上記の潤滑油を含浸する本発明おける第１の焼結含油軸受の多孔質焼結体は、全体組成が、質量比で、Ｎｉ：２〜６％、Ｓｎ：７〜１３％、残部がＣｕおよび不純物からなり、Ｃｕ−Ｓｎ合金基地中に２０〜１００μｍのＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ合金相が斑状に分散する金属組織を呈する。

Ｃｕは合金基地の主成分として用いられ、焼結含油軸受のなじみ性の向上に寄与する。また、潤滑油として用いるパーフルオロポリエーテルは電子を与え易い性質のため電子供与性を有しており、ｓ軌道に空き軌道を有するＣｕの空き軌道に電子を供与することで吸着して金属接触の発生を防止するという作用が働くため、合金基地の主成分として好適である。

ＳｎはＣｕ基地に固溶して基地組織をＣｕ−Ｓｎ合金基地とし、Ｎｉ合金相に固溶してＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ合金相とすることにより、基地および分散相の硬さおよび強度を向上させて耐摩耗性の向上に寄与する。Ｓｎが７％未満であると硬さが低くなり摩耗が多くなる。一方、Ｓｎを１３％を超えて添加すると硬くなりすぎて、軸の摩耗が増すため７〜１３％に限定される。

Ｎｉはｓ軌道が埋まっておりｄ軌道が８個で、２個の空軌道を有していることから潤滑剤として用いるパーフルオロポリエーテルから電子を供与されてパーフルオロポリエーテルを吸着する効果が上記のＣｕよりも高いという特徴を有しており、この潤滑油吸着効果により金属接触を低減することにより摩擦係数の低減、摩耗量の低減の効果を与える。Ｎｉは単味で添加されるがＳｎ、Ｃｕ、Ｐと合金化することにより高い硬さを有するＮｉ合金相がＣｕ−Ｓｎ合金基地に斑状に分散する組織を呈する。このＮｉ合金相は潤滑油成分を吸着するとともに基地の塑性流動を抑制することにより、摩擦係数低減および摩耗量低減に効果がある。Ｎｉ添加量が２％未満では摩擦係数低減、摩耗量低減に効果は見られず、６％を超えて添加した場合、材料強度が低下するために２〜６％の範囲が適している。

上記のＮｉ合金相はＣｕ−Ｓｎ合金基地に微細に点在することが好ましく、大きさが１００μｍを超えるとＣｕ−Ｓｎ合金基地において局部的な凝着が起こりやすくなる。また２０μｍ未満では材料特性が均質化するために摩擦係数低減効果は見られない。なお、Ｎｉ合金相の大きさは添加するＮｉ粉末の大きさにより制御することができる。単味で添加されるＮｉ粉末は焼結されてＣｕ−Ｓｎ合金基地に拡散して固着するとともにＣｕ、Ｓｎと合金化してＮｉ合金相を形成するため、上記のような２０〜１００μｍの大きさのＮｉ合金相を形成するためには、Ｎｉ粉末として粒径が５〜８０μｍ程度の粉末を用いればよい。

上記の多孔質焼結体の気孔中に上記の潤滑油を含浸した本発明の第１の焼結含油軸受は、１８０℃の高温環境から−５０℃の低温環境まで幅広い環境温度下で、かつ運転時の振動により高い面圧が加わる過酷な条件下でも長期にわたり低い摩擦係数を維持できるもので、自動車のスロットルモータ用の軸受として特に好適なものである。

本発明の第２の焼結含油軸受は、上記の本発明第１の焼結含油軸受の多孔質焼結体に、さらにＰを添加して靱性および強度を向上させて耐摩耗性をより高めたものである。Ｐを単味で添加すると有害かつ危険を伴なうため、上記のＣｕ、Ｎｉ、Ｓｎの内少なくとも１種と合金化して付与される。このように合金化して与えられるＰは、焼結時に拡散してＣｕ−Ｓｎ−Ｐ合金相を形成して多孔質焼結体の靱性および強度を向上させるとともに、Ｎｉ合金相にも拡散して２０〜１００μｍのＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ合金相を形成してＮｉ合金相の硬さを向上させ、焼結含油軸受の靱性、強度および耐摩耗性を向上させる。上記の作用を有するＰの添加量は、０.０５質量％に満たないと上記効果が乏しい。一方、Ｐ量が１質量％を越えると、結晶粒の粗大化が顕著となり、強度および耐摩耗性向上の効果が乏しくなる。したがってＰ量は、０.０５〜１質量％とする必要がある。

上記の多孔質焼結体を用いた本発明の第２の焼結含油軸受は、上記の第１の焼結含油軸受の強度および耐摩耗性を向上させたもので、幅広い環境温度下でより過酷な振動にも耐え得る軸受であり、自動車のスロットルモータ用の軸受として特に好適である。

上記の第１および第２の焼結含油軸受においては、多孔質焼結体に黒鉛：０.８〜２.５質量％をさらに含有させて、多孔質焼結体中に黒鉛粒子を分散させると、摩擦係数が低減され、耐摩耗性向上の効果が得られる。ただし、黒鉛の添加量が０.８質量％未満では添加効果が認められず、２.５質量％を超えて添加すると材料強度が低下して却って摩耗が多くなる。

［第１実施例］
原料粉末として、粒度１００メッシュ以下のアトマイズ銅粉、Ｐ含有量が０.５質量％で残部がＣｕおよび不可避不純物である粒度１００メッシュ以下のアトマイズ銅燐合金粉、粒度２００メッシュ以下のアトマイズ錫粉、平均粒径１０μｍのニッケル粉末および黒鉛粉末を用意した。これらの原料粉末を表１に示す比率で配合し、混合した各粉末を成形圧力２００ＭＰａで内径φ１０ｍｍ、外径φ１６ｍｍ、全長１０ｍｍの円筒形状に圧粉成形した。得られた圧粉体はアンモニア分解ガス雰囲気中において７８０℃で焼結を行った。焼結を行った後に再圧を行い、軸受試験試料とした。試料にはパーフルオロポリエーテルを含浸した。使用した含浸油のパーフルオロポリエーテルは、エヌ・オー・ケー・クリューバー(株)製のＫＦ１３９１（商品名）である。

得られた軸受試験試料を用い、Ｓ４５Ｃ材を回転軸として、軸受試験機にて、軸回転数：３０００ｒｐｍ、面圧：３ＭＰａ、環境温度：１２０℃の試験環境の下で１００時間の軸受試験を行った。試験後各軸受試験試料について軸受摩耗量を測定した。この結果を表１に併せて示す。

表１の試料番号０１〜０３、０７、１１、１２（Ｎｉ粉の配合比が６質量％）の試料を比較することにより全体組成中のＳｎ量の影響を調べることができる。Ｓｎ量が７質量％に満たない試料番号０１、０２の試料では、摩耗量が１０μｍを超えて大きくなっている。一方、Ｓｎ量が７〜１３質量％の範囲（試料番号０３、０７、１１の試料）では摩耗量が小さくなっている。しかしＳｎ量が１３質量％を越える試料番号１２の試料では摩耗量が大きくなっている。これらの結果より、Ｓｎ量が７〜１３質量％の範囲で摩耗量が小さく、良好な耐摩耗性を示すことが確認された。

表１の試料番号０４〜０７、１０の試料を比較することにより全体組成中のＮｉ量の影響を調べることができる。Ｎｉ粉を使用しない試料番号０４の試料では摩耗量が１０μｍを超えて大きくなっている。一方、Ｎｉ量が２〜６質量％の範囲（試料番号０５〜０７の試料）では摩耗量が小さくなっている。しかしＮｉ量が６質量％を越える試料番号１０の試料では摩耗量が１０μｍを超えて大きくなっている。これらの結果より、Ｎｉ量が２〜６質量％の範囲で摩耗量が小さく、良好な耐摩耗性を示すことが確認された。

表１の試料番号０７、０８の試料を比較すると、Ｐを添加した試料番号０８の試料ではＰを添加しない試料番号０７の試料より摩耗量が小さくなっており、Ｐを添加することによる耐摩耗性向上の効果が確認された。また、表１の試料番号０７、０９の試料を比較すると黒鉛粉末を添加した試料番号０９の試料では黒鉛粉末を添加しない試料番号０７の試料より摩耗量が小さくなっており、黒鉛粉末を添加することによる耐摩耗性向上の効果が確認された。

［第２実施例］
平均粒径が２〜１００μｍのニッケル粉末を用意した。また第１実施例で用いたアトマイズ銅粉、アトマイズ錫粉を用意した。用意したアトマイズ銅粉末にアトマイズ錫粉末：１０質量％、平均粒径の異なるニッケル粉末：６質量％を配合し、混合した各粉末を用い、第１実施例と同じ条件で成形、焼結、再圧、含浸工程を行い軸受試験試料を作製した。

得られた各軸受試験試料について、顕微鏡にて倍率４００倍で金属組織の観察を行い撮影した画像を、画像解析ソフト（三谷商事株式会社製、商品名Ｗｉｎ ＲＯＯＦ）を用いて、Ｎｉ合金相の平均粒径を求めた。また、各軸受試験試料について第１実施例と同様の軸受試験を行い軸受摩耗量を測定した。これらの結果を表２に示す。なお、平均粒径が１０μｍのニッケル粉末を用いた試料は第１実施例の試料番号０７と同じ試料である。

表２より、用いたニッケル粉末の粒径が大きくなるにしたがい、Ｎｉ合金相の粒径も大きくなっており、Ｎｉ合金相の大きさは使用するニッケル粉末の粒径により制御できることがわかった。またＮｉ合金相の平均粒径を２０〜１００μｍの範囲とするためには使用するニッケル粉末として平均粒径が５〜８０μｍの範囲のものを用いればよいことが解った。

Ｎｉ合金相の平均粒径と軸受摩耗量の関係について見てみると、Ｎｉ合金相の粒径が２０μｍに満たない試料番号１３の試料では軸受摩耗量は１０μｍを超え大きくなっているが、Ｎｉ合金相の粒径が２０〜１００μｍの範囲（試料番号０７、１４〜１７の試料）では摩耗量が小さくなっており、良好な耐摩耗性を示している。一方、Ｎｉ合金相の粒径が１００μｍを超える試料番号１８の試料では、基地の強度が低下して軸受摩耗量が却って大きくなっている。

以上の結果より、Ｎｉ合金相の大きさは２０〜１００μｍの範囲であると良好な耐摩耗性を示すこと、およびこのようなＮｉ合金相を得るためには使用するニッケル粉末として平均粒径が５〜８０μｍのものを用いればよいことが確認された。

［第３実施例］
第１実施例で作製した試料番号０７の試料と同じ粉末、添加量、試料作製条件で軸受試料を作製し、環境温度を変えて軸受試験を行い軸受摩耗量を測定した。この結果を表３に示す。

表３より、環境温度が−５０℃から１８０℃までの温度範囲で試験しても軸受摩耗量は小さい値を示しており、この温度範囲でも良好な耐摩耗性を示すことが確認された。

本発明の焼結含油軸受は、１８０℃の高温環境から−５０℃の低温環境まで幅広い環境温度下で、かつ運転時の振動により高い面圧が加わる過酷な条件下でも長期にわたり低い摩擦係数を維持できるもので、自動車のスロットルモータ用の軸受として特に好適なものである。

Claims (5)

1. 全体組成が、質量比で、Ｎｉ：２〜６％、Ｓｎ：７〜１３％、残部がＣｕおよび不純物からなるとともに、Ｃｕ−Ｓｎ合金基地中に２０〜１００μｍのＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ合金相が斑状に分散する金属組織を呈する多孔質焼結体の気孔中に、パーフルオロポリエーテルを潤滑油として含浸したことを特徴とするモータ用焼結含油軸受。
2. 全体組成が、質量比で、Ｎｉ：２〜６％、Ｓｎ：７〜１３％、Ｐ：０.０５〜１％、残部がＣｕおよび不純物からなるとともに、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐ合金基地中に２０〜１００μｍのＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ合金相が斑状に分散する金属組織を呈する多孔質焼結体の気孔中に、パーフルオロポリエーテルを潤滑油として含浸したことを特徴とするモータ用焼結含油軸受。
3. 前記多孔質焼結体が、さらに黒鉛が０.８〜２.５質量％を含有するとともに、前記多孔質焼結体中に黒鉛粒子がさらに分散することを特徴とする請求項１または２に記載のモータ用焼結含油軸受。
4. 前記潤滑油として、一次粒子の粒径が０.１〜１μｍのＰＴＦＥ微粒子が質量で１〜５％分散するパーフルオロポリエーテルを用いることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のモータ用焼結含油軸受。
5. スロットルモータに使用される請求項１から４のいずれかに記載の焼結含油軸受。