JP6788071B2 - 焼結軸受 - Google Patents

Description

本発明は、焼結軸受に関する。

例えば建設機械のアームの関節部に用いられる軸受は、軸受面に非常に大きな面圧が加わるため、優れた耐摩耗性が要求される。この種の軸受として、例えば鋳造合金を切削加工したものや、摺動面に黒鉛片を斑点状に埋め込んだものがあるが、何れも製造コストが高いことが問題となっている。そこで、これらの代わりに、成形性に優れた焼結金属からなる焼結軸受が使用されている。例えば特許文献１には、建設機械用の軸受として、マルテンサイト組織を含んだ鉄炭素系合金に銅を分散させた焼結金属からなる焼結軸受が示されている。

特開２００３−２２２１３３号公報

上記のような焼結軸受は、耐摩耗性を高めるために、軸受面の高硬度化が求められている。特に、軸や軸受は定期的に交換する必要があるが、建設機械の設計上、軸受よりも軸の方が交換しやすい場合には、軸受面の硬度を軸の硬度と同等若しくは高くし、摩耗寿命による軸受の交換頻度を軸よりも低く設計する場合がある。このような場合、軸受面の硬度を特に高くする必要がある。

焼結軸受の軸受面の硬度を高めるために、焼結金属の材料に高硬度化元素（例えば、Ｎｉ，Ｍｏ，Ｍｎ，Ｃｒなど）を配合する場合がある。しかし、これらの高硬度化元素は高価であるため、焼結軸受全体を高硬度化元素を含む焼結金属で形成するとコスト高を招く。また、軸受の外径面は他部材に取り付けられる取り付け面となるため所定の寸法に仕上げる必要があるが、焼結軸受全体を高硬度材で形成すると外周面の硬度も高くなるため、外周面の加工性が悪くなり、外周面を所望の寸法精度に仕上げることができない恐れがある。

上記のような事情は、内周面に軸受面が形成された場合に限らず、外周面に軸受面が形成された場合でも同様である。尚、「軸受面」とは、２部材間の相対回転を支持するために摺動する面のことを言い、軸側又は軸受側の何れに形成されているかは問わない。

本発明は、高硬度の軸受面を有し、低コストに製造することができ、且つ、寸法精度の高い焼結軸受を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、内側層と、前記内側層の外径側に設けられた外側層とを一体成形してなり、前記内側層の内周面又は前記外側層の外周面の何れか一方に軸受面を有する焼結軸受であって、前記内側層及び前記外側層のうち、前記軸受面を有する層がＦｅ及び高硬度化元素を含む焼結金属からなり、前記軸受面を有さない層がＦｅを含み高硬度化元素を含まない焼結金属からなり、前記内側層と前記外側層との界面に前記高硬度化元素の濃度勾配が生じている焼結軸受を提供する。

尚、高硬度化元素とは、表面の硬度向上に寄与する元素であり、例えば、高硬度化元素として、Ｎｉ，Ｍｏ，Ｍｎ，及びＣｒの中から選択される少なくとも１種を使用することができる。具体的には、例えば内側層の内周面に軸受面が形成される場合、Ｆｅ，Ｃｕ，Ｃ，Ｎｉ，及びＭｏを含み残部が不可避不純物からなる焼結金属で内側層を形成し、Ｆｅ，Ｃｕ，及びＣを含み残部が不可避不純物からなる焼結金属で外側層を形成することができる。

このように、高硬度化元素を含む焼結金属で軸受面を有する層を形成することで、硬度の高い軸受面を得ることができる。また、高硬度化元素を含まない焼結金属で軸受面を有さない層を形成することで、高硬度化元素の使用量が抑えられるため、材料コストを低減できる。また、一方の層（軸受面を有さない層）に高硬度化元素を配合しないことで、この層が他方の層（軸受面を有する層）よりも軟らかくなって加工性が高められるため、焼結軸受の外径面の寸法精度を高めることができる。

また、上記の焼結軸受では、内側層と外側層との界面（境界）に高硬度化元素の濃度勾配が生じている。すなわち、内側層と外側層との界面付近に高硬度化元素を含む硬度の高い領域が設けられる。これにより、内側層と外側層とが強固に結合され、焼結軸受の強度が高められる。

内側層及び外側層の少なくとも一方にＣｕを配合すれば、Ｃｕがバインダーの機能を果たして内側層と外側層とを強固に結合することができる。このとき、軸受面を有する層のＣｕは、軸受面の摺動性向上に寄与するためある程度の配合量が必要となるが、軸受面を有さない層のＣｕはバインダーとしての機能を有すれば十分である。従って、軸受面を有さない層におけるＣｕの配合割合は、軸受面を有する層におけるＣｕの配合割合より低くてよく、これによりＣｕの使用量が低減されて材料コストをさらに低減できる。

以上のような焼結軸受は、建設機械のアームの関節部に好適に使用できる。

以上のように、本発明によれば、高硬度の軸受面を有し、低コストに製造可能で、且つ、寸法精度の高い焼結軸受を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る焼結軸受の断面図である。 上記焼結軸受の平面図である。 高硬度化元素の濃度勾配を示すグラフである。 上記焼結軸受の製造工程の圧縮成形工程において、外側層混合金属粉末を充填した状態を示す断面図である。 上記圧縮成形工程において、内側層混合金属粉末を充填した状態を示す断面図である。 上記圧縮成形工程において、仕切板を下降させた状態を示す断面図である。 上記圧縮成形工程において、余分な金属粉末を除去した状態を示す断面図である。 上記圧縮成形工程において、上パンチで混合金属粉末を圧縮した状態を示す断面図である。 上記圧縮成形工程において、圧粉体を金型から取り出した状態を示す断面図である。 圧縮成形工程以降の製造工程を示す図である。 他の実施形態に係る焼結軸受の断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本発明の一実施形態に係る焼結軸受１は、図１及び図２に示すように円筒状の焼結金属からなり、例えば建設機械のアームの関節部に用いられる。焼結軸受１は、内側層２と外側層３とを一体に有する。図示例では、焼結軸受１が内側層２及び外側層３のみからなり、何れの層も筒状、特に円筒状を成している。焼結軸受１の内周面は、平滑な円筒面とされ、内周に挿入される軸４を相対回転自在に摺動支持する軸受面Ａを有する。焼結軸受１の外周面は、平滑な円筒面とされ、他部材に取り付けられる取り付け面Ｂを有する。焼結軸受１の軸方向両端面も平坦面とされる。焼結軸受１は、例えば内径が直径３０〜１００ｍｍ、半径方向の肉厚が５〜５０ｍｍであり、本実施形態では内径が３５ｍｍ、外径が４５ｍｍである。焼結軸受１の内部気孔には潤滑剤（油や液状グリース等）が含浸され、軸４と摺接することにより、この潤滑剤が焼結軸受１の軸受面Ａの表面開孔から滲み出して、軸受面Ａと軸４との摺動部に供給される。

内側層２は、Ｆｅ及び高硬度化元素を含む焼結金属からなる。高硬度化元素としては、例えばＮｉ，Ｍｏ，Ｍｎ，及びＣｒの中から選択される少なくとも１種を使用できる。本実施形態の内側層２は、Ｆｅ，Ｃｕ，Ｃ，及び高硬度化元素（例えばＮｉ及びＭｏ）を含み、残部を不可避不純物とした焼結金属からなる。具体的には、例えば、Ｃｕを１５〜２０ｗｔ％、Ｃを０．３〜０．８ｗｔ％、Ｎｉを１．５〜３．５ｗｔ％、Ｍｏを０．５〜１．５ｗｔ％含み、残部をＦｅ及び不可避不純物とした焼結金属で内側層２が形成される。内側層２の内周面２ａには軸受面Ａが設けられ、図示例では内側層２の内周面２ａ全面が軸受面Ａとして機能する。内側層２の半径方向の肉厚は、焼結軸受１の半径方向の肉厚の５〜２０％程度（例えば０．３〜２ｍｍ）とされ、本実施形態では１ｍｍ程度とされる。内側層２が薄すぎると、成形時における原料粉末の充填性が悪化すると共に許容摩耗限界が低くなり、内側層２が厚すぎると、高硬度化元素の使用量が増えてコスト高を招くためである。

このように、内側層２の焼結金属が高硬度化元素を含むことで、高硬度で耐摩耗性に優れた軸受面Ａを得ることができる。また、内側層２がＦｅを主成分としＣを含むことで、引張強さや硬度を高めることができる。また、内側層２がＣｕを含むことで、軸受面Ａの摺動性が高められ、軸４との摩擦を低減することができる。また、上記のように、高硬度化元素としてＮｉ，Ｍｏなどの焼き入れ性向上元素を選定すれば、マルテンサイト変態の開始温度を下げる効果が得られるため、後述する焼結工程における連続焼結炉の冷却ゾーンでのマルテンサイト変態による高硬度化が可能となる。

外側層３は、Ｆｅを含み、高硬度化元素を含まない（例えば、Ｎｉ，Ｍｏ，Ｍｎ，及びＣｒの何れも含まない）焼結金属からなる。本実施形態の外側層３は、Ｆｅ，Ｃｕ，Ｃを含み、残部を不可避不純物とした焼結金属からなる。具体的には、例えば、Ｃｕを２〜５ｗｔ％、Ｃを０．２〜０．８ｗｔ％含み、残部をＦｅ及び不可避不純物とした焼結金属で外側層３が形成される。外側層３の外周面３ａには他部材への取り付け面Ｂが設けられ、図示例では外側層３の外周面３ａの全面が取り付け面Ｂとして機能する。

このように、外側層３の焼結金属が高硬度化元素を含まないことで、高価な高硬度化元素の使用量を抑えて材料コストを低減することができる。また、外側層３の焼結金属が高硬度化元素を含まないことで、外側層３の硬度を内側層２より低くすることができるため、外側層３の加工性が向上し、取り付け面Ｂの寸法精度を高めることができる。

また、内側層２及び外側層３の少なくとも一方（本実施形態では双方）にＣｕが含まれることで、Ｃｕが溶融して結合することによりバインダーの機能を果たし、内側層２と外側層３との結合力が高められる。このような機能を果たすために、外側層３にはＣｕを２ｗｔ％以上含むことが好ましい。また、Ｃｕの使用量を抑えて低コスト化を図るために、外側層３におけるＣｕの配合割合は内側層２におけるＣｕの配合割合よりも低くすることが好ましく、具体的には５ｗｔ％以下とすることが好ましい。

内側層２と外側層３との界面には、高硬度化元素の濃度勾配が生じている。この濃度勾配は、内側層２と外側層３との界面の軸方向全域にわたって生じている。本実施形態では、図３に概念的に示すように、内側層２と外側層３との界面（点線で示す）付近、具体的には界面を跨ぐ半径方向領域において、内側層２から外側層３へ向けてＮｉ及びＭｏの濃度が徐々に低くなっている。これにより、界面付近に高硬度化元素を含む領域が形成されるため、界面の強度、ひいては内側層２と外側層３との結合強度が高められる。高硬度化元素の濃度勾配が生じている領域（以下、濃度勾配領域）の半径方向寸法Ｒは０．１〜１．０ｍｍの範囲内、好ましくは０．２〜０．５ｍｍの範囲内であることが望ましい。この濃度勾配領域の半径方向寸法Ｒが大きすぎると、界面付近の外側層の硬度が上がるため、加工性が悪化し、寸法精度に影響するという不具合があり、濃度勾配領域の半径方向寸法Ｒが小さすぎると、界面の結合が弱くなるため、軸受の強度が低下するという不具合があるからである。濃度勾配領域の半径方向寸法Ｒは、例えば後述する二色成形金型の仕切板１４（図５参照）の半径方向厚さにより調整することができる。

上記の焼結軸受１は、例えば圧縮成形工程、焼結工程、整形工程、熱処理工程、及び含油工程を経て製造される。以下、各工程を説明する。

圧縮成形工程は、例えば図４に示す金型を用いて行われる。この金型は、ダイ１１と、ダイ１１の内周に配されたコアピン１２と、ダイ１１の内周面１１ａとコアピン１２の外周面１２ａとの間に配された外側下パンチ１３、仕切板１４、及び内側下パンチ１５と、上パンチ１６（図８参照）とを有する。外側下パンチ１３、仕切板１４、及び内側下パンチ１５は、同心の円筒形状をなし、それぞれ独立して昇降可能とされる。

圧縮成形工程は、内側層２の材料と外側層３の材料を同一の金型に供給して一体成形する、いわゆる二色成形により行われる。具体的には、まず、図４に示すように、仕切板１４及び内側下パンチ１５を上端位置まで上昇させると共に、外側下パンチ１３を下端位置まで下降させ、ダイ１１の内周面１１ａと、仕切板１４の外周面１４ａと、外側下パンチ１３の端面１３ａとで円筒状の外側キャビティ１７を形成する。この外側キャビティ１７に、外側層３を形成するための第１混合金属粉末Ｍ１を充填する。本実施形態の第１混合金属粉末Ｍ１は、Ｆｅ粉末、Ｃｕ粉末、及びＣ粉末からなり、具体的には例えばＳＭＦ４０３０（JIS Z2550:2000）が使用できる。

次に、図５に示すように内側下パンチ１５を下端位置まで下降させ、仕切板１４の内周面１４ｂと、コアピン１２の外周面１２ａと、内側下パンチ１５の端面１５ａとで円筒状の内側キャビティ１８を形成する。この内側キャビティ１８に、内側層２を形成するための第２混合金属粉末Ｍ２を充填する。本実施形態の第２混合金属粉末Ｍ２は、Ｆｅ粉末、Ｃｕ粉末、Ｃ粉末、Ｎｉ粉末、及びＭｏ粉末からなる。このとき、第２混合金属粉末Ｍ２を内側キャビティ１８から溢れさせ、仕切板１４の上方を覆うようにする。

次に、図６に示すように仕切板１４を下降させる。これにより、仕切板１４の分のスペースに、第２混合金属粉末Ｍ２が入り込み、第１混合金属粉末Ｍ１と第２混合金属粉末Ｍ２とが接触する。これにより、ダイ１１の内周面１１ａ、外側下パンチ１３の端面１３ａ、仕切板１４の端面１４ｃ、内側下パンチ１５の端面１５ａ、及びコアピン１２の外周面１２ａで形成されるキャビティ１９に、第１混合金属粉末Ｍ１及び第２混合金属粉末Ｍ２が二層状態で満たされた状態となる。そして、キャビティ１９から溢れ出た余分な第２混合金属粉末Ｍ２が除去される（図７参照）。

その後、図８に示すように、上パンチ１６を下降させ、上パンチ１６の端面１６ａでキャビティ１９に充填された混合金属粉末Ｍ１，Ｍ２を上方から圧縮して、圧粉体Ｍを成形する。そして、図９に示すように、外側下パンチ１３、仕切板１４、及び内側下パンチ１５を上昇させ、圧粉体Ｍを金型から取り出す。

その後、焼結工程において、圧粉体Ｍを所定の焼結温度（例えば１１２０℃）で焼結し、焼結体Ｍ’が得られる（図１０参照）。本実施形態では、連続焼結炉により焼結工程が行われる。このとき、焼結体Ｍ’に焼き入れ性向上元素（Ｎｉ及びＭｏ）が含まれることにより、焼結体Ｍ’のマルテンサイト変態の開始温度が下がるため、連続焼結炉の冷却ゾーンで焼結体Ｍ’のマルテンサイト変態による高硬度化が可能となる。

焼結工程で得られた焼結体Ｍ’は、その後の整形工程において所定寸法に整形される。本実施形態では、サイジング金型により焼結体Ｍ’の内周面、外周面、及び両端面を圧迫することにより、焼結体Ｍ’が所定寸法に型成形される（図示省略）。このとき、焼結体Ｍ’の外側層Ｍ１’は、高硬度化元素を含まない比較的軟らかい焼結金属であり、加工性が良好であるため、外側層Ｍ１’、特に外周面を精度良く成形することができる。

こうして所定の寸法精度に整形された焼結体Ｍ’に、熱処理を施す（熱処理工程）。具体的には、例えば焼結体Ｍ’の内部応力を除去するための焼戻しが施される。そして、熱処理が施された焼結体Ｍ’の内部気孔に潤滑剤を含浸することにより、焼結軸受１が完成する。

本発明は上記の実施形態に限られない。例えば、上記の実施形態では、整形工程をサイジング金型による型成形で行っているが、これに限らず、機械加工などの他の方法で行ってもよい。また、整形しなくても所望の寸法精度が得られる場合は、整形工程を省略してもよい。また、上記の実施形態では、熱処理工程として焼戻しを行っているが、焼戻しの前に焼き入れ（例えば浸炭焼き入れ）を施し、焼結体Ｍ’の表面の硬度を高めてもよい。尚、高硬度化元素を含む内側層２の硬度が十分であれば、焼き入れを省略して低コスト化を図ることが好ましい。

また、上記の実施形態では、内側層２の内周面２ａに軸受面Ａが形成される場合を示したが、これに限らず、例えば図１１に示すように、外側層３の外周面３ａに軸受面Ａを形成した焼結軸受１に本発明を適用してもよい。この場合、外側層３が、Ｆｅ及び高硬度化元素を含む焼結金属で形成され、内側層２が、Ｆｅを含み高硬度化元素を含まない焼結金属で形成される。具体的には、例えば、外側層３が、Ｆｅ，Ｃｕ，Ｃ，Ｎｉ，及びＭｏを含み残部が不可避不純物からなる焼結金属で形成され、内側層２が、Ｆｅ，Ｃｕ，及びＣを含み残部が不可避不純物からなる焼結金属で形成される。この場合、外側層３の硬度が内側層２の硬度よりも高くなっている。内側層２と外側層３との界面には、高硬度化元素の濃度勾配が生じており、界面付近において外側層３から内側層２へ向けて高硬度化元素の濃度が徐々に低くなっている。内側層２の内周面２ａに他部材（軸の外周面）への取り付け面Ｂが設けられる。外側層３の肉厚は、焼結軸受１の半径方向の肉厚の５〜２０％程度とされ、例えば０．３〜２ｍｍの範囲とされる。

また、上記の実施形態では、内側層２と外側層３との界面が円筒面状である場合を示したが、これに限らず、界面の軸直交断面形状を非円形（例えば多角形状やスプライン状）とすることができる（図示省略）。これにより、内側層２と外側層３との結合強度がさらに高められる。このとき、界面の形状は軸方向と平行とされる。界面の形状は、圧縮成形工程における仕切板１４（図５等参照）の形状に倣うため、仕切板１４の形状を変更することで界面の形状を変更することができる。

また、上記の実施形態では、焼結軸受１を建設機械に適用した場合を示したが、これに限らず、軸受面に高い面圧が加わる用途に好適に適用できる。

１ 焼結軸受
２ 内側層
３ 外側層
Ａ 軸受面
Ｂ 取り付け面

Claims (3)

1. 内側層と、前記内側層の外径側に設けられた外側層とを一体成形してなり、前記内側層の内周面又は前記外側層の外周面の何れか一方に軸受面を有する焼結軸受であって、
   前記内側層及び前記外側層のうち、前記軸受面を有する層が、Ｆｅ，Ｃｕ，Ｃ，Ｎｉ，及びＭｏを含み残部が不可避不純物からなる焼結金属で形成され、前記軸受面を有さない層が、Ｆｅ，Ｃｕ，及びＣを含み残部が不可避不純物からなる焼結金属で形成され、
   前記軸受面を有する層が、Ｃｕを１５〜２０ｗｔ％、Ｃを０．３〜０．８ｗｔ％、Ｎｉを１．５〜３．５ｗｔ％、Ｍｏを０．５〜１．５ｗｔ％含み、
   前記軸受面を有さない層が、Ｃｕを２〜５ｗｔ％、Ｃを０．２〜０．８ｗｔ％含む焼結軸受。
2. 前記軸受面が、前記内側層の内周面に形成された請求項１に記載の焼結軸受。
3. 建設機械のアームの関節部に使用される請求項１又は２に記載の焼結軸受。

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