JPH0151532B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は軸受に対して相対移動する部品用の滑
りコンタクト軸受内で使用されるブシユ又は浮き
案内輪の分野、特に自己給油性ブシユの分野に係
る。 焼結によつて得られる多孔質含油ブシユ又は軌
道輪の利点についてはジー．シー．プラツト
（G.C.PRATT）の“焼結金属ベアリングのレビ
ユー：その製造、特性及び性能（Ａ review of
sintered metal bearings：their production、
properties and performances）”（粉末冶金
POWDER METALLURGY）、1969年、第12巻
第24号、第356−385頁）の総論の部分に概設され
ている。この種のブシユの性能は起動の際の油膜
の形成モードによつて限定される。停止の度毎に
ブシユによつて油が再吸収されるので、起動の度
毎に油膜形成以前にシヤフトとブシユとの間の金
属接触による焼付きが生じる恐れがある。前出の
引用論文によればブシユ又は軌道論の壁の透過性
がある程度影響しており、透過率が小さい程即ち
多孔率が小さい程有利である。 前記のごとき起動の際の焼付き以外にも、シヤ
フトがブシユの内部で長時間回転したり、ブシユ
にかかる負荷が増加しブシユに作用する圧力が増
加したりする場合、油膜が加熱と負担圧力とによ
つて破れて焼付きが生じ易くなる。 このような場合の許容負荷は複数のパラメータ
の関数であり、主としてシヤフトとブシユとの間
の相対速度と油の性質との関数である。一般にブ
シユの特性値は、実験的な近似法則を用いて、比
圧Ｐとシヤフトの表面の相対直線速度Ｖとの積
PVの最大値で示される。比圧Ｐは全荷重Ｆをシ
ヤフトの直径ｄとブシユの長さｌとによつて除算
した商である。所定のブシユに特有の積PVの限
度を超えると油の温度が急激に上昇し、油が劣化
し、比較的激しい焼付きが生じる。 G.C.PRATTの総論の380ページによれば、多
孔質含油金属ブシユの場合、PVの可能な最大理
論値として50000lbf／in²×ft／min（1.85MPa×
ｍ／ｓ）が多く示されているが、実際にはPV＝
20000lbf／in²×ft／min（0.74MPa×ｍ／ｓ）の
レベルでの耐用寿命は500時間に過ぎない。 1927年に発行された文献DE−Ｃ−445169は、
例えばCu77％とSn4.5％とSnSb化合物13.5％（Sn
及びSbは実質的に等しい量で存在する）と黒鉛
５％とから成る組成の減摩焼結ブシユの製造につ
いて記載している。金属間化合物SnSbに代替し
てCu₃Sn又はCu₃Sbを用いてもよい。得られたブ
シユの性能は示されていないがこのようなブシユ
は工業的開発に適していなかつたと思われる。別
の機能を果す黒鉛を考察の対象から外してこのよ
うな組成を用いた場合について考えると、後述の
実施例より明らかなごとく、Sb含量が余りにも
高いため及び場合によつてはSbの導入モードが
適当でないためにPVが極めて改良された焼結ブ
シユを得ることは出来なかつたはずである。 本発明は積PVが顕著に向上したアンチモン青
銅から成る自己給油性焼結ブシユの製法を提供す
る。 発明の開示 本発明は多孔質含油金属マトリツクスから成る
自己給油性焼結ブシユに係る。該マトリツクスは
複数の分散相を含んでおり、各分散相はマトリツ
クスに連なるような拡散境界部分から成る。これ
らの部分の特性はマトリツクスよりもはるかに硬
質であること、三元（Cu、Sn、Sb）金属間化合
物に相当する組成を有すること、各拡散境界部分
が微孔を包囲していることである。第３図を参照
しつつこれを説明すると、マトリツクス１１の中
に拡散境界部分９，１０があり、該部分は微孔
６，７，８を包囲している。拡散境界部分はこの
意味でハロー（暈）とも称される。典型的には
各々が各１つの拡散ハローから成る分散相の80％
以上が３乃至20μｍの直径または厚さを有する。
また、各拡散ハローの微小硬度H_V10gは200ポイン
トを超える。 本発明の自己給油性焼結ブシユはアンチモン青
銅から成り、全体組成（質量％）が Sb：1.5乃至４％ Sn：５乃至10％ （但しSn／Sb＝1.3乃至3.5） Pb＋Bi：２％以下 Cuと不純物：残部 である。 本発明においては、Pb＋Biの許容量は２％に
制限されている。中でも鉛の存在は、錫やアンチ
モンと固溶体を作つてこれら元素を消費し本発明
の金属間化合物の生成を妨げるおそれがあり、極
力避けるべきである。 製法及び実施例にて後述するように、本発明の
ブシユの特殊構造と性能とはSn／Sb比に関係が
深いと考えられる。即ち前記のごとき特性を有す
る分散相が形成される可能性はSn／Sb比に左右
される。Sn／Sb比が好ましい値であるときはブ
シユの特殊構造と性能とは、SnとSbとの濃度レ
ベルとSbの導入モードとに依存して、分散相の
数が十分であるか否かに関係が深い。 本発明のブシユの特徴は“PVmax”が３乃至
6MPa×ｍ／ｓ以上であること、従つて公知の自
己給油性青銅ブシユの“PVmax”が２乃至
2.5MPa×ｍ／ｓのオーダであるのに比較して大
きいこと、及び起動の際のブシユの温度ピークが
極めて減衰しているか又は消滅している（第１図
参照）ことである。構造及び組成に関する研究と
顕微鏡写真の観察との結果、出願人は得られたブ
シユの構造とブシユの特性の驚異的な改良とにつ
いて以下のごとく説明しうるに至つた。即ち粉末
集合体の焼結によつてマトリツクスより硬質の拡
散ハローを有する分散相が生じる。また、この粉
末の組成は、拡散によつて金属間化合物（固相線
の極大値に対応する化合物）と共晶との中間の組
成のものを局部的に生じるような組成を有する。
粗焼結ブシユの断面で観察される拡散ハローはこ
のような中間組成物に特有の明らかに識別できる
粒度の粗い結晶即ち相を含む。 この状態の拡散ハローはマトリツクスよりもは
るかに硬質である。例えば実施例３のブシユでは
拡散ハローのH_V10gが300乃至600であり青銅マト
リツクスのH_V10gが60乃至70である。ブシユの擦
り合せによる仕上処理の終了後恐らく幾つかの硬
質ハローが処所にかなり分散して露出し仕上処理
済マトリツクスの表面からやや隆起しているであ
ろう。このようなブシユを使用すると、起動の際
のシヤフトとブシユとの金属接触がこれらの硬質
ハローの極めて小さい露出先端に限定されるの
で、これら先端が急激に加熱されて局部的に溶融
し、この溶融によつて摩擦がほぼ消滅し、ハロー
の溶融変形部分が直ちに凝固する。即ち金属間化
合物と共晶との局部的中間組成物の拡散ハローの
部分がブシユの仕上済ボアから極くわずかに隆起
して露出しているとこれら部分はペースト状に溶
融しその後アモルフアス構造又は“金属ガラス”
構造を維持することが可能であり事実維持する筈
である。なぜならこれら部分は、局部加熱が終る
度毎に、摩擦の消滅とブシユ内部からの熱発生の
消滅とによつて極めて急激に冷却されるからであ
る。言い換えると、これら部分は摩擦が生じると
直ちに軟化する硬質の点接触を形成すると考える
ことができ従つてこのような摩擦は直ちに減少す
るか又は消滅する。 本発明の青銅ブシユの拡散ハローの形成に関与
すると思われる金属間化合物は主として：
Cu₁₂Sn₇Sb₃（概算重量組成：Cu39％、Sn42％、
Sb19％）から成る。 本発明のブシユが従来技術のブシユより顕著に
優れていることは明らかである。特に、本発明の
ブシユでは硬質分散相のあるものが擦り合せ処理
後にボア内で露出してボア面からやや隆起してお
り、恐らくこのために局部的摩擦とペースト状溶
融とが順次発生して摩擦が消滅する。このような
分散相の作用は文献DE−Ｃ−445169の硬質金属
間化合物の作用や特公昭58−34538号等の鉛粒子
による潤滑作用とは大きく異なる。更に、本発明
のブシユではやや隆起した極めて小さいアモルフ
アス合金部分が使用の際に“in situ”で形成さ
れると想定されており、これは本発明のブシユの
構造に由来すると考えられまたこのことが本発明
のブシユの優れた性能を説明しうると考えられ
る。もしこのような仮説が正しいとすれば、それ
はアモルフアス合金の特性を全く新しく利用した
ことになる。即ち、溶融と急冷とによつてアモル
フアス合金を生じ得る分散相がブシユのボアに変
態可能な状態で存在しており、この状態はブシユ
に粗焼結状態の硬度を与えることによつて得られ
たものである。所与の全体組成の場合この種の構
造は粉末冶金によつて得られる。更に留意すべき
は本出願の実施例で検討した組成物の場合、溶融
と鋳造とによつては前記の構造が得られないこと
である。この構造を得るには常温で実質的に均質
な合金の場合の常法に準じて溶融と鋳造とに続き
十分に急激な冷却を行うことが必要である。 本発明の目的はまた前記のごとき自己給油性焼
結ブシユの製法を提供することである。本発明の
方法と従来の方法との違いは、混合される粉末の
全体組成の選択と焼結条件との選択とにある。前
記の品質が得られるような焼結条件が選択され
る。 本発明の方法によれば、異なる分析値を有する
２種以上の金属粉末と任意に圧縮潤滑剤粉末（こ
の重量は全体組成の計算に含めない）とを均質混
合し、該粉末をブランクの形状に圧縮し、任意に
圧縮ブランクを400℃未満の温度に加熱して圧縮
潤滑剤を除去し、該ブランクを還元雰囲気中で熱
処理して焼結し、得られた焼結製品を冷却し、焼
結製品を押型内で圧縮して成形し、得られたブシ
ユに油を含浸させる。これらの技術はいずれも当
業者に公知である。本発明の方法では金属粉末の
全体組成（質量％）が Sb：1.5乃至４％ Sn：５乃至10％ （但しSn／Sb＝1.3乃至3.5） Pb＋Bi：２％以下 Cuと不純物：残部 となるように選択されており、また、還元雰囲気
中での焼結熱処理が680乃至840℃の温度を５乃至
120分間維持して行なわれ、好ましくは、740ない
し820℃の温度を５乃至45分間維持して行なわれ
る。 金属間化合物Cu₁₂Sn₇Sb₃が関与する拡散ハロ
ーを含む相を有利に形成させ且つマトリツクス内
でこの相を有利に分散させるにはSn又はその合
金の粉末とSbの粉末とが微細であり粒度0.06mmmm
未満であるのが好ましい。即ち、ASTM230ふる
いを通過する粉末又はより微細な粉末が好まし
い。 実施例及び解説 以下の実施例及び比較例並びにその主たる結果
をまとめた表及び図面及びグラフより本発明が更
に十分に理解されよう。 比較例 １ 全体組成がCu90％−Sn10％の合金“１”を得
るために、 −ASTM100ふるい（メツシユ0.149mm）を通過
するスズ10％の青銅粉末50％（Cu−Sn10％）
と −同じふるいを通過する銅粉末45％と −ASTM350ふるい（メツシユ0.04mm）を通過す
るスズ粉末５％と −更に圧縮潤滑剤として常用のステアリン酸亜鉛
0.7％と を混合した。 混合粉末全体に150MPaの圧力を作用させてブ
シユ又は案内輪のブランクの形状に圧縮した。圧
縮ブランクの密度は6.3ｇ／cm³のオーダであつた。 得られた圧縮ブランクを先ず350℃で約20分間
加熱して圧縮潤滑剤を除去した。圧縮潤滑剤の添
加及び／又はこの潤滑剤除去用の加熱とは一般に
任意である。 次に圧縮ブランクのアンモニアの分解より生じ
る水素と窒素とを含む雰囲気中で780℃で15分間
加熱し、冷却した。冷却の際特別な配慮は不要で
ある。 次に自己給油性青銅ブシユの常用の製法に準じ
てブランクをゲージ型に入れて再度圧縮した。得
られたブシユ又は軌道論に40℃での粘度100セン
チストークスの鉱油を含浸させた。このようにし
て等しい寸法の複数の自己給油性ブシユが得られ
た。ブシユの寸法は内径25mm及び外径32mm及び長
さ120mmである。 硬度H_RC50及び直径ｄ＝25mmの鋼シヤフトを含
んでおりシヤフトと各ブシユとの間に35μｍの直
径方向機能クリアランスを有する装置を用いてブ
シユのテストを実施した。この装置は２種の回転
速度が可能であり、各速度1500及び3000回転／分
は夫々、シヤフトの表面とブシユの表面との２種
の相対直線速度Ｖ、即ち２及び５ｍ／ｓに対応す
る。作用負荷を15から100daNに変化させて比圧
を0.3MPaから2MPaまで変化させること、及び、
積PVを0.6MPa×ｍ／ｓから8MPa×ｍ／ｓまで
変化させることが可能である。 装置は接触熱電対を介してテスト中のブシユの
外面の温度を測定するように構成されている。各
ブシユに同じ順序の連続テストを実施する。先ず
低速度（２ｍ／ｓ）を用い比圧が0.3−0.6−0.9−
1.2−1.5−1.8−2MPaの順序で増加するように負
過を順次増加させる。次に、任意により高い速度
（４ｍ／ｓ）を用い同じ負荷と比圧とを同じ順序
で変化させる。各テスト毎に起動（０）後のブシ
ユの温度T₁を測定した（第１図）。従来のブシユ
ではこの期間に流体力学的油膜が形成されるまで
は比較的顕著な温度ピークが生じる（曲線１）。
テストを少なくとも30分間継続して以後に得られ
る平衡温度T₂を測定した。温度90℃に達する
“PVmax”のレベルで連続テストを中止した。
この“PVmax”のレベルは多くの場合、まだ十
分なPVの値とこの値の次にテストされ高温にな
り焼付きが生じたPVの値との間の補間によつて
得られる。同じ実施例のブシユの“PVmax”は
互いに近い値であり、また、PVの値がまだ十分
なレベルのときの起動の作用の特性温度T₁、T2
も互いに近い値である。結果をまとめた表には
PVmaxとT1（℃）／T2（℃）との平均値が示さ
れている。 比較例１でテストした３つのブシユについて平
均“PVmax”は2.5MPa×ｍ／ｓであり加熱比
T1／T2は1.5であつた。この比較例１は従来の青
銅ブシユに関するテストであり、コントロールと
して用いられる。 実施例 １ 全体組成Cu92％−Sn6％−Sb2％の合金“２”
を得るために −ASTM100（0.149mm）ふるいを通過するスズ10
％の青銅粉末30％と −同じふるいを通過する銅粉末65％と −ASTM350（0.04mm）ふるいを通過するスズ粉
末３％とアンチモン粉末２％と を混合した。 比較例１と同様にしてブシユを製造し得られた
ブシユを同様にテストした。３つのブシユのテス
ト結果を表１に示す。平均“PVmax”は5MPa
×ｍ／ｓであり、平均T1／T2比はわずか1.3とい
う驚異的な結果が得られた。従つて起動の際の加
熱は極めて小さい。 全体組成の理論的算定が可能な金属間化合物
Cu₁₂Sn₇Sb₃（Cu39％−Sn42％−Sb19％）の割合
を算定した。この値はアンチモンの量Sb＝２％
によつて決定される。この金属間化合物のSn／
Sb＝３は商Sn／Sb＝2.3よりやや大きい。この金
属間化合物の割合は10％に近い間である。 実施例 ２ 全体組成Cu92％−Sn5％−Sb3％の合金“３”
を得るために −ASTM100（メツシユ0.149mm）ふるいを通過す
る銅粉末92％と −約10μｍ未満の粒子を生じる溶融合金の機械的
粉砕によつて得られたSn62.5％−Sb37.5％の合
金粉末８％と を混合した。 前記同様にしてブシユを製造し得られたブシユ
を同様にテストした。５つのブシユのテスト結果
によれば平均“PVmax”は6MPa×ｍ／ｓであ
り、平均T1／T2比は約１である。即ち起動の際
のブシユの全体加熱は生じない（第１図の曲線
２）。 実施例 ３ 合金“３”と同じ全体組成の合金“３−２”を
得るために −ASTM100（0.149mm）ふるいを通過するスズ10
％の青銅粉末33％ −同じふるいを通過する銅粉末62％と −ASTM350（0.04mm）ふるいを通過するスズ粉
末２％とアンチモン粉末３％と を混合した。 前記と同様にしてブシユを製造し得られたブシ
ユを同様にテストした。５つのブシユのテスト結
果は実施例２と同じである。 実施例２及び３ではSn／Sb比が1.67であり、
全体組成の理論的算定が可能な金属間化合物
Cu₁₂Sn₇Sb₃の割合をスズの量から算出すると、
約５／0.42＝12％であつた。 この割合は実施例１よりやや大きい。このこと
はより良い結果が得られた１つの要因である。 ブシユ“３−２”の１つの半径方向顕微鏡写真
（倍率690）を第２図に示す。第２図及び第３図よ
り比較的十分憤に融着した粒子の凝結体から成る
構造を有しており種々の形状の相３，４，５含ん
でおり、これらの相は時には中央孔６，７，８を
有しておりこれらの相の幾つかがより明るいハロ
ーで包囲されていることが理解されよう。。 顕微鏡写真の観察によればこれらはマトリツク
ス１１と連続的な実在の拡散ハロー９，１０であ
り、これらの明るい拡散ハロー９又は１０は所所
に小さい結晶を含む。局部的微小硬度の測定によ
れば拡散ハローのH_V10g300−600に対してマトリ
ツクスのH_V10g60−70であり拡散ハローが極めて
硬質であることが判明した。ハロー９又は１０に
よつて包囲された中央孔即ち微孔６又は７はほぼ
630℃で生じたアンチモンの溶融に対応しており
このときスズは既に溶融済みで完全に拡散してい
る。従つてブシユの性能の改良は拡散ハローを含
む分散相の存在に起因しておりこれらのハローの
70％以上が直径又は厚さ２−20μｍでありハロー
間の間隔は20−100μｍである。 比較例 ２ 全体組成Cu92％−Sn3％−Sb5％の合金“４”
を得るために −ASTM100（0.149mm）ふるいを通過するスズ10
％の青銅粉末30％ −同じふるいを通過する銅粉末65％と −ASTM350（0.04mm）ふるいを通過するアンチ
モン粉末５％と を混合した。 前記と同様にしてブシユを製造し得られたブシ
ユを同様にテストした。４つのブシユのテスト結
果では平均“PVmax”は2MPa×ｍ／ｓであり、
平均T1／T2比は1.7である。 このような良くない結果はSn／Sbの比がわず
か0.6であることに起因する。全体組成の理論的
算定が可能な金属間化合物Cu₁₂Sn₇Sb₃の割合は
３／0.42＝７％であるが、SnとSbとの溶融と拡
散とが同時に生じるとSn／Sb＝2.3の金属間化合
物Cu₁₂Sn₇Sb₃を含む相が形成され難い。。 比較例 ３ 合金“４”のSb5％を７％に代えて合金“４−
２”を製造した。得られた焼結ブシユは過度にも
ろいので使用に適していなかつた。 比較例 ４ 全体組成Cu87％−Sn7％−Sb3％−Ni3％の合
金“５”を得るために −ASTA300（メツシユ0.048mm）ふるいを通過す
るスズ10％の青銅粉末30％と −ASTM100（0.149mm）ふるいを通過する銅粉末
60％と −ASTM350（0.04mm）ふるいを通過するスズ粉
末２％と −同じふるいを通過するアンチモン粉末３％と −同じふるいを通過するNi60％−Sn40％合金粉
末５％と を混合した。 この合金は実質的に金属間化合物Ni₃Snの組成
を有する。 前記実施例と同様にしてブシユを製造し得られ
た２つのブシユを同じ装置で同様にテストした。
テスト結果によれば平均“PVmax”は6.5MPa
×ｍ／ｓであり、平均T1／T2比は約１である。 この実施例では金属間化合物Cu₁₂Sn₇Sb₃と
Ni₃Snとが共存している。合金Ni₃Sn中のスズは
そのまま存在しており理論的には金属間化合物の
５％に相当する。 更に、スズ10％の青銅の形状の出発組成物中に
粉末スズとして含まれるスズはアンチモンと共に
化合物Cu₁₂Sn₇Sb₃を形成しておりSn／Sbの比は
５／３＝1.67である。金属間化合物Cu₁₂Sn₇Sb₃の
割合はSnによつて決定され、理論的には５／0.42
＝12％である。従つて上記２種の金属間化合物相
の合計は理論上12＋５＝17％である。 この実施例を実施例“３”に比較するとNiの
添加による性能の向上が小さくコストに合わない
ことが判明する。 本発明の本質的な原理は青銅以外の合金にも適
用することができ、本発明の総ての特徴は内径が
一般に２mm乃至150mmの範囲の青銅ブシユ又は軌
道輪に適用される。内径２mmのブシユはマイクロ
ブシユと指称される。 【表】

【図面の簡単な説明】

第１図は従来ブシユと本発明ブシユとの起動後
の温度変化を示すグラフ、第２図は本発明ブシユ
（実施例３）の半径方向断面の金属組織を示す顕
微鏡写真（倍率690）、第３図は第２図の顕微鏡写
真で示した本発明ブシユの構造の特徴を示す詳細
図である。 ３，４，５……相、６，７，８……微孔、９，
１０……ハロー、１１……マトリツクス。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ マトリツクスより硬質の分散相を含むアンチ
   モン青銅から成る自己給油性焼結ブシユにおい
   て、前記ブシユの組成（質量％）が Sb：1.5乃至４％ Sn：５乃至10％ （但しSn／Sb＝1.3乃至3.5） Pb＋Bi：２％以下 Cuと不純物：残部 であること、及び、各分散相がマトリツクスに連
   なるような拡散境界部分から成り、前記部分が微
   孔を包囲しており、三元（Cu、Sn、Sb）金属間
   化合物に相当する組成を有することを特徴とする
   自己給油性焼結ブシユ。 ２ 前記拡散境界部分の硬度H_V10gが200以上であ
   り、且つCu₁₂Sn₇Sb₃の組成を有することを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載の焼結ブシ
   ユ。 ３ 金属粉末を均質混合し、該粉末をブシユのブ
   ランクの形状に圧縮し、該ブランクを還元雰囲気
   中で熱処理して焼結し、得られた製品を冷却し、
   焼結製品を押型内で圧縮し、得られたブシユに油
   を含浸させるステツプを含む自己給油性焼結ブシ
   ユの製法において、金属粉末の全体組成（質量
   ％）が Sb：1.5乃至４％ Sn：５乃至10％ （但しSn／Sb＝1.3乃至3.5） Pb＋Bi：２％以下 Cuと不純物：残部 であること、及び、還元雰囲気中でのブランクの
   熱処理が680乃至840℃の温度を５乃至120分間維
   持して行なわれることを特徴とする自己給油性焼
   結ブシユの製法。 ４ 金属粉末の混合物に結晶粒度0.06mm未満の純
   アンチモン粉末の形状のアンチモンを添加するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の方
   法。