JP4886545B2 - 焼結含油軸受およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車に装着する室内送風装置のフアンモータや座席駆動用モータ、情報機器や音響機器等に搭載されるスピンドルモータ等の各種モータに好適な焼結含油軸受に係り、特に優れた耐摩耗性を示す焼結含油軸受およびその製造方法に関する。

純鉄系、青銅系、鉄−炭素系、鉄−銅−炭素系、鉄−青銅系等の金属基地中に気孔が分散するとともに、その気孔中に潤滑油を含浸した焼結含油軸受は、無給油で長時間潤滑できること、製造が容易なこと等の利点より各種軸受用途に用いられている。

このような状況の下、自動車に装着する室内送風装置のフアンモータや座席駆動用モータ、情報機器や音響機器等に搭載されるスピンドルモータ等のモータ用軸受にも、焼結含油軸受が多く使用されているが、相手シャフトとの耐焼付き性や攻撃性を考慮して、純鉄系や鉄−炭素系および鉄−銅−炭素系の金属基地を用いる焼結含油軸受はほとんど用いられていない。その一方で、青銅系の金属基地を有する焼結含油軸受は耐焼付き性やシャフト攻撃性に優れるものの、耐摩耗性やコスト面に難点がある。そのため、上記のモータ用軸受としては鉄系金属基地の耐摩耗性と青銅系金属基地の耐焼付き性を兼ね備えた、鉄−青銅系の金属基地とした焼結含油軸受（特許文献１、２等）が広く用いられている。

特開２００３−１２０６７４号公報 特開２００５−０８２８６７号公報

近年、モータの小型化に伴いモータに収容される軸受も小型化の傾向にあり、その結果、軸受が受ける面圧も増加する傾向にある。このため、従来、モータ用として広く使用されている鉄−青銅系金属基地の焼結含油軸受は、鉄部がフェライト組織で軟質であるため、高面圧条件の下では摩耗し易いという問題が顕著となってきている。一方、鉄部がパーライト組織からなる鉄―銅−炭素系金属基地の焼結含油軸受は、耐摩耗性の点では満足できるが、金属基地全体が硬くなるためにシャフトの摩耗が増大するという問題があり、使用するに至っていない。

このような状況の下に、本発明は、高面圧条件の下においても、軸受自体の摩耗を抑制しつつ、シャフトの摩耗を抑制できる焼結含油軸受、およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明者が鋭意研究を重ねた結果、金属基地の鉄部を基本的にフェライト組織とし、かつ鉄部の一部分のみを硬質な相とすれば、軸受自体の摩耗を抑制しつつ、シャフトの摩耗を抑制することが可能であることを見出した。本発明の焼結含油軸受は、この知見により完成されたもので、フェライト相中に硬質相として酸化鉄を分散させたことを骨子とする。

具体的には、本発明の焼結含油軸受は、気孔を除く基地部分が、Ｃｕおよび、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｐの少なくとも１種からなる銅合金相と、フェライト相と、前記フェライト相中に分散する酸化鉄相からなる金属組織を呈するとともに、前記銅合金相は、気孔を除く基地部分の全体組成に占める質量比で、Ｃｕ：１０〜５９質量％と、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｐのうち少なくとも１種：１〜５質量％とからなり、前記酸化鉄相は、気孔を除く基地部分の断面面積比で３〜２０％であり、残部のフェライト相は、Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする。

また、本発明の焼結含油軸受の製造方法は、鉄粉末に、全体組成が、Ｃｕ：１０〜５９質量％と、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｐのうち少なくとも１種：１〜５質量％となる単味粉末、合金粉末もしくはそれらの混合粉末を添加し混合する原料粉末調製工程と、得られた原料粉末を用いて、回転軸を摺動支持する内周面を有する軸受形状に成形する成形工程と、得られた成形体を焼結する焼結工程と、焼結された焼結軸受の気孔中に潤滑油を含浸する含浸工程を有する焼結含油軸受の製造方法において、前記鉄粉末として、還元減量が０．３５〜２質量％となる鉄粉末を用いることを特徴とする。

本発明の焼結含油軸受は、気孔を除く基地部分が、Ｃｕおよび、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｐの少なくとも１種からなる銅合金相と、フェライト相と、前記フェライト相中に分散する酸化鉄相からなる金属組織を呈するため、自己の摩耗を抑制しつつ、シャフトの摩耗を抑制する、優れた耐摩耗性を示すものである。
また、本発明の焼結含油軸受の製造方法は、このような焼結含油軸受を簡便な方法で製造する方法を提供するものである。これらの本発明は、近年のモータの小型化にともなう軸受面圧の増大に対応できるという優れた効果を示すものであり、自動車に装着される室内送風装置のフアンモータや座席駆動用モータ、情報機器や音響機器等に搭載されるスピンドルモータ等の各種モータに好適なものである。

［焼結含油軸受］
本発明に係る焼結含油軸受の金属組織の一例を図１に示す。図中黒色の部分は気孔を示し、本例においては、黒色の気孔は、鉄粉末間の隙間が残留した大きい気孔と、原料となる鉄粉末として還元鉄粉末を用いたことにより生ずる微小な気孔とから構成されている。残余の部分が基地であり、灰色の鉄部と白色の銅合金相から構成されている。
鉄部は主に摩耗を抑えるための骨格的な役割を有しており、銅合金相はシャフトとの焼付き防止および摩擦低減の役割を有している。鉄部は基本的に明灰色のフェライト組織からなり一部には暗灰色の酸化鉄相が分散する。フェライト相中に分散する酸化鉄相はフェライトの鉄よりも高い硬さを有する。鉄部をこのように硬さの低いフェライト相と、硬さの高い酸化鉄相により構成したことにより、硬さの低いフェライト相がシャフトに対する攻撃性を低減するとともに、硬さの高い酸化鉄相が摩耗を抑制する効果を示す。

本発明の焼結含油軸受において、鉄部の量が乏しいと銅合金相が過大となって、全体の硬さが低くなり摩耗が増大する。逆に、鉄部が過大であると銅合金相が乏しくなって、シャフトの摩耗が増加する。このため、Ｃｕは、気孔を除く基地部分の全体組成に占める割合が、１０〜５９質量％の範囲とする。すなわち、Ｃｕの量が１０質量％未満であると焼付きが起こりやすくなり、５９質量％を超えて添加した場合は軸受摩耗が増大し易くなる。また、Ｃｕは、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｐのいずれか１種以上の元素と合金化して、上記銅合金相を形成する。これらの元素は、銅合金相を強化して銅合金相の耐摩耗性の向上に寄与する。ただしこれらの元素の量が過大になると、シャフトの摩耗が増加し易くなる。このためＳｎ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｐのいずれか１種以上の元素は、気孔を除く基地部分の全体組成に占める割合を、１〜５質量％の範囲とする。

本発明の焼結含油軸受においては、主として明灰色のフェライト相からなる鉄部に暗灰色の酸化鉄相が分散して自己の耐摩耗性の向上に寄与する。酸化鉄相の量が乏しいと耐摩耗性が低下して摩耗が増大し、逆に酸化鉄相の量が過大となるとシャフトの摩耗が増大する。このため、酸化鉄相は、気孔を除く基地部分の断面面積比で３〜２０％の範囲とする。

なお、焼結含油軸受において従来から行われているように、気孔中に、黒鉛、二硫化モリブデン、硫化マンガン、弗化カルシウムのうち少なくとも１種の固体潤滑剤成分を分散させると、焼付き防止および摩擦係数の低減に効果がある。これらの固体潤滑剤成分のうち、特に黒鉛が高い効果を示す。気孔中に固体潤滑剤成分を分散させる場合、固体潤滑剤成分は、鉄粉末間の隙間が残留した大きい気孔の部分に分散することとなる。
固体潤滑剤成分は、過少であると添加の効果が乏しく、逆に過大となると、基地の焼結を阻害して基地の強度を低下させることとなる。このため気孔中に、黒鉛、二硫化モリブデン、硫化マンガン、弗化カルシウムのうち少なくとも１種の固体潤滑剤成分を分散させる場合には、その量は、上記の基地成分１００質量部に対して０．２〜２質量部とすることが好ましい。

［焼結含油軸受の製造方法］
上記金属組織を有する焼結含油軸受を得るため、本発明の焼結含油軸受の製造方法は、鉄部に分散する酸化鉄相を原料粉末の状態から存在させる。すなわち、一部が酸化した鉄粉末を用いるものである。
具体的には、鉄粉末として、水素還元鉄粉であり、還元減量が０．３５〜２質量％となるものを使用する。還元減量は、水素気流中で粉末を加熱したときの質量減少の百分率であり、鉄粉末中の酸化鉄の酸素量と言い換えることができる。還元減量の測定は、具体的にはJIS H 2601に記載された鉄粉末の還元減量試験により行う。鉄粉末の還元減量が、０．３５質量％未満の場合、酸化鉄相の量が少なく所望の耐摩耗性は得られない。一方、２質量％を超えるとフェライト相中の酸化鉄相の量が多くなり、シャフト摩耗が増大するとともに、粉末の圧縮性が著しく低下するという問題が生ずる。

銅合金相は、原料粉末の全体組成が、Ｃｕ：１０〜５９質量％と、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｐのうち少なくとも１種：１〜５質量％となるよう、Ｃｕおよびこれらの銅合金相強化元素を単味粉末（単体の粉末）の状態で添加し、焼結過程において合金化する方法、あるいは、あらかじめ銅合金粉末の状態で添加する方法のどちらにより形成されたものでもよい。したがって、これらの元素の単味粉末、合金粉末もしくはそれらの混合粉末を用いることができる。

また、原料粉末のＣｕ成分の全部もしくは一部として箔状の銅粉末を用いると、焼結含油軸受の表面が銅層で覆われて、鉄の露出量が少なくなることにより、シャフトとの凝着等が抑えられ摩擦係数も低くなる効果が得られるので好ましい。

上記の鉄粉末および上記の銅合金相形成用の粉末を混合する原料粉末調製工程により原料粉末が得られる。このようにして得られた原料粉末は、従来の焼結含油軸受の製造方法と同様に、回転軸を摺動支持する内周面を有する軸受形状に成形する成形工程と、得られた成形体を焼結する焼結工程と、焼結された焼結軸受の気孔中に潤滑油を含浸する含浸工程を経て製造される。
上記工程においては、従来の焼結含油軸受の製造方法と同様に、焼結工程の後、あるいは含浸工程の後に再圧工程等の他の工程を追加してもかまわない。なお、上記成形工程においては成形体の密度比が７０〜８５％程度となるよう成形することが好ましく、焼結温度は、従来の青銅系焼結軸受と同等の７６０〜８００℃程度とすることが好ましい。

気孔中に固体潤滑剤を分散させた焼結含油軸受を得るためには、上記の鉄粉末と銅合金相形成用の粉末からなる原料粉末１００質量部に対して、さらに黒鉛粉末、二硫化モリブデン粉末、硫化マンガン粉末、弗化カルシウム粉末のうち少なくとも１種の固体潤滑剤成分の粉末を０．２〜２質量部を添加、混合したものを原料粉末として用い、原料粉末を、上記の成形工程、焼結工程、含浸工程等を経ることにより、所望の焼結含油軸受を得ることができる。

表１に示す原料粉末を用意し、表２に示す配合割合で各原料粉末を添加し、混合した。得られた各粉末を成形圧力３００ＭＰａで内径φ１０ｍｍ、外径φ１６ｍｍ、全長１０ｍｍの円筒形状に圧粉成形し、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。得られた軸受試験試料について、金属組織観察を行い、気孔を除く基地部分に占める酸化鉄相の割合を調べた。その結果を表３に示す。
また、軸受試験試料について、ポリオールエステルを主成分とする合成潤滑油を含浸し、軸受試験機にて２００時間軸受試験を行った。なお、軸受試験において、用いた回転軸はＳ４５Ｃ材であり、試験機の運転条件は軸の回転数が５０００ｒｐｍ、面圧が３ＭＰａ、環境温度は室温である。このような軸受試験の後、軸受およびシャフトの摩耗量を測定した。その結果を表３に併せて示す。

表２および表３の実施例０１〜０３、比較例１、２により、鉄粉の還元減量の影響を調べることができる。還元減量が２質量％を超える鉄粉を用いた場合（比較例０１）は、基地中の酸化鉄相の量が２０面積％を超えるようになり、シャフト摩耗量が多く、また軸受摩耗量も大きい。一方、還元減量が０．３５〜２質量％の鉄粉を用いた場合（実施例０１〜０３）では、基地中の酸化鉄量が３〜２０面積％であり、シャフト摩耗量および軸受摩耗量が抑制され、シャフト攻撃性および軸受の耐摩耗性の両者が良好な値を示している。しかし還元減量が０．３５質量％に満たない鉄粉を用いた場合（比較例２）、軸受摩耗量が急激に増加している。
これらのことから、鉄粉として還元減量が０．３５〜２質量％のものを用いると、気孔を除く基地部分に占める酸化鉄相の割合が断面面積比で３〜２０％となり、軸受の耐摩耗性の向上およびシャフト攻撃性の低減に効果があることが確認された。

表２および表３の実施例２、４〜８および比較例４、５により、全体組成に占めるＣｕ量の影響を調べることができる。Ｃｕ量（電解銅粉と箔状銅粉の和）が１０質量％に満たない場合（比較例４）は、シャフト摩耗量が大きくなっているが、Ｃｕ量が１０〜５９質量％の場合（実施例２、４〜８）では、シャフト摩耗量が抑制され、軸受の摩耗量も低い値に抑制されており、良好な軸受の耐摩耗性およびシャフト攻撃性を示している。しかし、Ｃｕ量が５９質量％を超える場合（比較例５）は軸受の摩耗量およびシャフト摩耗量が逆に増加している。
これらのことから全体組成に占めるＣｕ量は１０〜５９質量％の範囲で軸受の耐摩耗性の向上およびシャフト攻撃性の低減に効果があることが確認された。

表２および表３の実施例２、６を比較することで箔状銅粉使用の効果を調べることができる。実施例２、６は、全体組成中のＣｕ量は３２質量％と同じであり、軸受摩耗量およびシャフト摩耗量ともに低く良好な結果を示しているが、箔状銅粉を用いた実施例２は、箔状銅粉を用いない実施例６に比してより軸受摩耗量およびシャフト摩耗量ともに低くなっており、箔状銅粉による耐摩耗性向上、シャフト攻撃性抑制の効果が確認された。

表２および表３の実施例２、４〜８および比較例３により、全体組成に占めるＳｎ量の影響を調べることができる。Ｓｎ量が１質量％に満たない場合（比較例３）は、銅合金相の強化が不充分で軸受摩耗量が大きくなっている。一方、Ｓｎ量が１〜５質量％の場合（実施例２、４〜８）では、銅合金層の強化が十分に行われ軸受摩耗量が低くなっている。これらのことから全体組成中のＳｎ量が１〜５質量％の範囲で軸受の耐摩耗性が向上することが確認された。

表２および表３の実施例２、９、１０および比較例６により、固体潤滑剤（黒鉛）添加の影響を調べることができる。固体潤滑剤を含まない例（実施例２）に対し、固体潤滑剤粉末を添加して気孔中に固体潤滑剤を分散させた例（実施例９、１０）では、固体潤滑剤によりシャフト摩耗が抑制されることがわかる。しかし固体潤滑剤の添加量が２質量％を超える例（比較例６）では、軸受摩耗量が増大し、シャフト摩耗量も増大している。
これらのことから０．２〜２質量％の固体潤滑剤添加によりシャフト摩耗量が抑制されるが、２質量％を超える固体潤滑剤の添加は軸受の耐摩耗性を損なうことが確認された。

本発明の焼結含油軸受は、高面圧条件の下においても、軸受自体の摩耗を抑制しつつ、シャフトの摩耗を抑制できるものであり、本発明の焼結含油軸受の製造方法は、上記の焼結含油軸受を簡便な方法で製造する方法を提供するものである。よって、本発明の焼結含油軸受およびその製造方法は、小型化し、面圧が増加する傾向にある、自動車に装着される室内送風装置のフアンモータや座席駆動用モータ、情報機器や音響機器等に搭載されるスピンドルモータ等の各種モータに好適なものである。

本発明の焼結含油軸受の金属組織写真の一例である。

Claims (5)

1. 気孔を除く基地部分が、Ｃｕと、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｐの少なくとも１種とからなる銅合金相、フェライト相および、前記フェライト相中に分散する酸化鉄相とからなる金属組織を呈するとともに、
   前記銅合金相は、気孔を除く基地部分の全体組成に占める質量比で、Ｃｕ：１０〜５９質量％と、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｐのうち少なくとも１種：１〜５質量％とからなり、
   前記酸化鉄相は、気孔を除く基地部分の断面面積比で３〜２０％であり、
   残部のフェライト相は、Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする焼結含油軸受。
2. 気孔中に、黒鉛、二硫化モリブデン、硫化マンガン、弗化カルシウムのうち少なくとも１種の固体潤滑剤成分が、基地成分１００質量部に対して０．２〜２質量部分散することを特徴とする請求項１に記載の焼結含油軸受。
3. 鉄粉末に、全体組成が、Ｃｕが１０〜５９質量％と、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｐのうち少なくとも１種１〜５質量％とからなる単味粉末、合金粉末もしくはそれらの混合粉末を添加し混合する原料粉末調製工程と、得られた原料粉末を用いて、回転軸を摺動支持する内周面を有する軸受形状に成形する成形工程と、得られた成形体を焼結する焼結工程と、焼結された焼結軸受の気孔中に潤滑油を含浸する含浸工程を有する焼結含油軸受の製造方法において、
   前記鉄粉末として、還元減量が０．３５〜２質量％となる鉄粉末を用いることを特徴とする焼結含油軸受の製造方法。
4. 前記原料粉末のＣｕ成分の全部もしくは一部として箔状の銅粉末を用いることを特徴とする請求項３に記載の焼結含油軸受の製造方法。
5. 前記原料粉末１００質量部に対して、黒鉛、二硫化モリブデン、硫化マンガン、弗化カルシウムのうち少なくとも１種の固体潤滑剤粉末０．２〜２質量部を添加、混合したものを原料粉末として用いることを特徴とする請求項３または４に記載の焼結含油軸受の製造方法。