JP6874255B1 - 焼結含油軸受及びカーボンファイバー含有焼結部品の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】直径が14〜30μmのカーボンファイバー15を含み、摺動面14に前記カーボンファイバー15の一部と金属粉とが露出したカーボンファイバー含有焼結部品11とした。摺動面14に露出したカーボンファイバー15で摩擦係数を安定させ、異音の発生や摩耗を防止できる。
【選択図】図2
Description
直径が14〜30μmのカーボンファイバーを含み、他部材との接触面に前記カーボンファイバーの一部が露出したカーボンファイバー含有焼結部品であることから、PV値が高くなる過酷な条件においても安定的に機能することができる。
前記カーボンファイバーの平均長さが0.09〜0.2mmであることから、油膜切れに強いカーボンファイバー含有焼結部品である。
他部材との接触面を構成する金属表面に対して突出した前記カーボンファイバーの一部を有し、その突出長さの平均が1.0〜2.5μmとしたため、その突出したカーボンファイバーがシャフト等の他部材と接して好適な軸受特性、接触特性を発揮する。
他部材との接触面においてその表面に表出するカーボンファイバーの面積割合が3〜8%であるため、シャフト等の他部材に接するに十分なカーボンファイバーを軸受摺動面等の他部材との接触面に有する。
内周面の直径が0.5〜10mm、軸方向長さが0.5〜15mmの大きさであるカーボンファイバー含有焼結部品としたため、上記所定のカーボンファイバーを有することで、PV値が高くなる過酷な条件においても安定的に機能することができる。
25℃にてP値が1.9MPa以下、V値が110m/min以下で、PV値が99MPa・m/min以下の条件で72時間焼き付きがないため、大きな荷重を受ける場合や、回転速度が速い場合にも好適に用いることができるカーボンファイバー含有焼結部品である。
内周面の開口率が4〜40%であり、含油率が12〜18vol%であるため、カーボンファイバーを含んだカーボンファイバー含有焼結部品における好適な潤滑特性を発揮させることができる。
含浸油を除くカーボンファイバー含有焼結部品中の前記カーボンファイバーの含有割合が0.5〜1.5wt%であるため、PV値が高い条件でも安定性の高い摺動面等の接触面を提供でき、圧環強度も強いカーボンファイバー含有焼結部品である。
母材金属が銅系又は青銅系金属からなるため、カーボンファイバーの保持力が高く、軸受等の焼結体からの脱落を起こし難いカーボンファイバー含有焼結部品である。
前記接触面を有し前記カーボンファイバーを含有する焼結部位の周囲に前記カーボンファイバーを含まない焼結部位を有するため、カーボンファイバーを含有する焼結部位をそれよりも強度の高い、カーボンファイバーを含有しない焼結部位で被覆することができ、全体的な強度を高めることができる。
焼結体が焼結含油軸受、ブッシュ、プーリー、ギヤの何れかであるものとしたため、シャフト等との摺動面を接触面とした焼結含油軸受やブッシュ、ベルト等との接触面を有するプーリー、他ギヤとの噛み合い面を接触面としたギヤとしてカーボンファイバー含有焼結部品を利用することができる。
前記一部の金属粉の平均粒径は、前記残りの金属粉の平均粒径に比べて小さいことから、原材料の混合が容易であり、カーボンファイバーの偏析を生じ難い。
焼結軸受11は、焼結体でなる軸受本体12の内周面13が、駆動モータのシャフト(図示せず)を軸支する摺動面14となっている。そして、少なくとも摺動面14の表面には、一部のカーボンファイバー15が露出している。こうした焼結軸受11の内周面13(摺動面14)の顕微鏡写真を図3に示す。
例えば、潤滑性を与えるため黒鉛や二硫化モリブデン、その他の固形潤滑剤や公知の添加剤を加えることができる。
油孔については、摺動面の表面写真から、凹部を油孔としそれ以外を母材又はカーボンファイバーの部分として2値化して凹部の面積比率を算出することで開口率として捉えることができ、この開口率を4〜40%とすることが好ましい。4%よりも少ないと摺動面への十分な油供給がなされなくなり安定的なシャフトの回転が得られ難くなる。また40%よりも多いとカーボンファイバーの保持力が低下するおそれがある。
カーボンファイバーは所定の大きさのものを準備する。長さが長い場合には粉砕機にかけることで長さを短くし、また短い長さのものが混入する場合には篩いや分級機等により短い長さのものを除去する。金属粉は軸受の用途に応じて鉄粉や銅粉、青銅粉等の適当な金属粉を適宜準備する。
粉末冶金法による成形の準備段階で、金属粉にカーボンファイバーを加えて単純に混合しただけでは、両者の間に重量の相違と大きさの相違があるため、均一に混合せず、また、均一に混合できたとしても金型への注型の際に偏析を起こすといった問題が生じる。そのため、偏析が生じない方法を採用する必要がある。
樹脂バインダーの添加量は、金属粉とカーボンファイバーとの混合時に両者を適度に接着しておける最低量とすることが好ましく、金属粉とカーボンファイバーの合計量100wt%に対し、0.2〜5.0wt%添加することが好ましい。次に樹脂バインダーを用いて偏析を防止する具体的方法について説明する。
乾燥後の混合・粉砕、および篩分けは、樹脂バインダーによって金属粉とカーボンファイバーとが接着した比較的大きな固まりが生じるため、それを解きほぐすとともに、大きな固まりは除去することで、均質な焼結体とするためである。
方法2では、粒状又は砂状に粉砕、微細化した固形の樹脂バインダーを用い、この細かな樹脂バインダーと金属粉、カーボンファイバーを混合、攪拌しながら溶剤を滴下する。
この方法によれば、原料に加える樹脂バインダーの添加量をあらかじめ制御できるため加える樹脂バインダー量を管理し易いという利点がある。また、金属粉とカーボンファイバーとを混合しながら樹脂バインダーにより接着させていくため、より均一な焼結用混合物が得られるという利点がある。
方法3は、方法2の変形例であり、溶剤を滴下する点で方法2と同じであるが、カーボンファイバーと混合する金属粉の量を少なくする点で方法2と異なる。即ち、方法3は、金属粉の一部とカーボンファイバー、樹脂バインダを混合、攪拌しながら溶剤を滴下する方法である。残りの金属粉は、一部の金属粉とカーボンファイバーを混合した一次混合物を乾燥し、溶剤を除去した後、添加して混合する。
この方法によれば、添加する溶剤量を少なくすることができ、その後の乾燥工程も効率的に行うことができる点で方法2よりも優れている。
(1)直径の異なるカーボンファイバーを用いた試料の作製(試料1〜試料8)
主に直径の異なるカーボンファイバーを用いて複数種類のカーボンファイバー含有焼結含油軸受を作製した。より具体的には、以下の表1で示した各種のカーボンファイバー1wt%に、平均粒径が75〜100μmの青銅粉を99wt%の割合で配合した原料粉を用い、圧粉、焼結、サイジングして、内径が2mm、外径が5.45mm、長さが3mmの焼結軸受を形成し、含浸油として30.9×10−6m2/s(#30.9、平和産業社製「HS−32」商品名)を含浸させてカーボンファイバー含有焼結含油軸受を作製し、表1で示す試料1〜試料8とした。
上記試料1で用いたのと同じカーボンファイバー(CF−1)を用い、母材となる金属粉の種類、配合割合を表2で示すように変えた以外は試料1と同様にしてカーボンファイバー含有焼結含油軸受を作製し、表2で示す試料9〜試料11とした。
上記試料1と比較して、含浸油を含ませない点以外は上記試料1と同様にして、含浸油の無いカーボンファイバー含有焼結含油軸受を作製し、試料12とした(表に示さず)。
(1)実験1:トルク試験1(カーボンファイバーの直径の相違)
直径の異なる試料1〜試料8のカーボンファイバー含有焼結含油軸受を用いたトルク試験を行った。より具体的には、クリアランスが11μmとなるようなステンレス製のシャフトを各試料に通し、各試料にかかる面圧(P値)と、シャフトにかかる回転数(V値)とをそれぞれ所定の値になるように設定し、25±1℃の試験環境において30分間シャフトを回転させた。その後、試験機から取り外した各試料の摺動面を観察した。
ここでは、P値とV値とをそれぞれ、(A)0.75MPa(約459gf)、20m/min(3190rpm)、(B)0.6MPa、75m/min、及び(C)0.6MPa、100m/min、の3種類の条件で設定した。(A)の条件の場合を表3に、(B)の条件の場合を表4に、(C)の条件の場合を表5に、それぞれ示す。
直径が18μmであるカーボンファイバー(CF−1)を含む試料1のカーボンファイバー含有焼結含油軸受を用いてP値とV値を様々に変更したトルク試験を行った。より具体的には、P値及びV値以外の条件はトルク試験1と同様とし、P値及びV値を表6〜表8で示すように設定してシャフトを回転させた。その後、試験機から取り外した各試料の摺動面を観察した。
試料1とは母材の異なる試料9〜試料11のカーボンファイバー含有焼結含油軸受を用いたトルク試験を行った。より具体的には、試料1での実験2−2(表6)と同じPV値の条件で試験を行った。そして、試験機から取り外した各試料の摺動面を観察した。
試料1による実験1−17と同様の条件にて、含浸油のない試料12に対してトルク試験を行った(実験4)。
トルク試験1〜トルク試験4を行った後の摺動面については次の2つの観点から次のように評価した。
トルク試験1〜トルク試験4で、P値及びV値をそれぞれの試験での値になるように設定してシャフトを回転させたときの摩擦係数を運転時間に即してチャートとして出力した。そして、摩擦係数が運転時間の経過に因っても変化せず一定である場合には油膜切れが生じていないとして「○」、チャートが僅かにところどころ乱れる場合を「△」、チャート乱れが終始生じる場合には油膜切れが生じたものとして「×」と、それぞれ評価した。そして、各表の「油膜切れ」の項目にこの結果を記した。
トルク試験前後での摺動面の状態を観察した。摺動面の状態がトルク試験前とほぼ変わらないものを「○」、摺動面の一部においてやや変化が見られた場合を「△」、明らかに摺動痕が生じた場合を「×」と評価した。そして、各表の「摺動痕」の項目にこの結果を記した。
(1)実験1:トルク試験1について
表3で示すように、PV値が15MPa・m/minと低い場合には、カーボンファイバーの直径や平均長さの影響はなく、試料1〜試料8の何れのカーボンファイバー含有焼結含油軸受であっても油幕切れが生じたり、摺動痕が生じたりすることはなかった。しかしながら、
表4で示すように、PV値を45MPa・m/minとした場合には、直径が11μmで平均長さが0.07mmのカーボンファイバーを用いた試料8では油膜切れや摺動痕の問題が生じた。また、直径は太い方が、平均長さは長い方が油膜切れや摺動痕の問題が生じ難く、直径では14.5μm以上であること、平均長さでは0.15mmがより好ましいことがわかった。更にまた表5で示すように、PV値を60MPa・m/minとした場合には、カーボンファイバーの直径が18μmとすることがさらに好ましいことがわかった。
表6〜表8で示すように、P値が1.9MPaである実験2−11、V値が110m/minである実験2−3、PV値が99MPa・m/minである実験2−7では、それぞれ油膜切れが生ぜず、摺動痕も見られなかった。こうしたことから、25℃において、P値が1.9MPa以下、V値が110m/min以下で、PV値が99MPa・m/min以下の条件であれば、軸受の摺動面に変化が生じないことがわかった。
表9で示すように、PV値を60MPa・m/minとして母材の種類を変えてトルク試験を行った結果、青銅系の母材を用いた試料1に対して、鉄銅系や鉄真鍮系の母材を用いた試料9や試料10では摺動痕が発生した。また洋白を母材に用いた試料11では、トルク試験前後でやや変化が見られた。このことから、PV値を60MPa・m/minとした過酷な条件では、母材として鉄銅系や鉄真鍮系を用いるよりは、青銅系又銅系あるいは洋白を用いる方が好ましいことがわかった。
含浸油を含まない試料12について、PV値を60MPa・m/minとしてトルク試験を行った結果は、「油膜切れ」について「×」であり、「摺動痕」についても「×」となった(表に示さず)。このことから、カーボンファイバー含有焼結含油軸受であっても、PV値が60MPa・m/minに及び過酷な条件では含浸油があった方が良いことが観察された。
12 軸受本体
13 内周面
14 摺動面
15 カーボンファイバー
Claims (10)
- カーボンファイバーを含有し実質的に樹脂分を含有しない金属粉を主成分とする焼結体からなり、他部材との接触面において、気孔を有しかつ前記カーボンファイバーの一部が前記焼結体から露出した焼結含油軸受であって、
前記カーボンファイバーは、その平均長さが0.09〜0.15mmであり、
前記金属粉と前記カーボンファイバーの合計100wt%に対して前記カーボンファイバーの含有割合が0.3〜3.0wt%である焼結含油軸受。 - 前記カーボンファイバーの直径が14.5〜18μmである請求項1記載の焼結含油軸受。
- 母材金属が銅系又は青銅系金属からなる請求項1又は請求項2記載の焼結含油軸受。
- 内周面の直径が0.5〜10mm、軸方向長さが0.5〜15mmの大きさである請求項1〜請求項3何れか1項記載の焼結含油軸受。
- 前記他部材との接触面を構成する金属表面に対して前記カーボンファイバーの一部が突出しており、その突出長さの平均が1.0〜2.5μmである請求項1〜請求項4何れか1項記載の焼結含油軸受。
- 前記接触面を有し前記カーボンファイバーを含有する焼結部位の周囲に前記カーボンファイバーを含まない焼結部位を有する請求項1〜請求項5何れか1項記載の焼結含油軸受。
- カーボンファイバーを含み、他部材との接触面に前記カーボンファイバーの一部が露出したカーボンファイバー含有焼結部品の製造方法であって、
前記カーボンファイバーと、金属粉の一部と、樹脂バインダーとの混合物に、残りの金属粉を混合して焼結用混合粉を製造するに際し、前記一部の金属粉の平均粒径は、前記残りの金属粉の平均粒径に比べて小さいこととしたカーボンファイバー含有焼結部品の製造方法。 - 前記混合物は、粘性のある樹脂溶液中に前記カーボンファイバーを浸漬した後、前記カーボンファイバーを前記樹脂溶液から取り出して、前記金属粉の一部と混合したものである請求項7記載のカーボンファイバー含有焼結部品の製造方法。
- 前記混合物は、固形の前記樹脂バインダーに前記カーボンファイバー、前記一部の金属粉を混合、攪拌しながら溶剤を滴下したものである請求項7記載のカーボンファイバー含有焼結部品の製造方法。
- 前記カーボンファイバー含有焼結部品が焼結含油軸受、ブッシュ、プーリー又はギヤの何れかである請求項7〜請求項9何れか1項記載のカーボンファイバー含有焼結部品の製造方法。
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