JPWO2017110778A1 - 焼結含油軸受及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、軸（１１）が挿入される軸受孔（２）の内周面に、軸（１１）の外周面を支持する摺動面（３）と、軸受孔（２）の軸心を中心とする螺旋状の給油面（４）とが隣接して形成されており、摺動面（３）における表面開口率は１０％以下であり、給油面（４）の表面開口率が１０％を超えている焼結含油軸受に関する。本発明は、これにより、摺動面（３）に十分な量の油を供給するとともに、供給された油が摺動面（３）から内部に移動することを抑制して、低摩擦係数化を図り、軸受としての摺動特性を向上させることが可能となる。

Description

本発明は、内部に潤滑油を含浸させて潤滑を円滑に行わせることができる焼結含油軸受及びその製造方法に関する。

本願は、２０１５年１２月２５日に出願された特願２０１５−２５４８１０に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

焼結含油軸受は、気孔内に潤滑油を含浸させた状態で使用され、軸が起動すると、軸と軸受の摺動面との間に内部から潤滑油が浸み出し、軸の回転に伴って、その潤滑油に圧力が発生して軸が支持されるようになっている。このような潤滑特性により、無給油で長時間使用できることから、車載用モータの軸受など、広く軸受として利用されている。

このような焼結含油軸受において、摺動面の潤滑油に適切に圧力を発生させるために、気孔の一部を封止したり、軸受内部の気孔を小さくして潤滑油の流路抵抗を増加させ、摺動面からの潤滑油のリークを少なくするなどの手段が採用されている。

例えば、特許文献１には、焼結前の圧粉体を成形する際に、外周面の一部に他の部分より表面粗度の大きい荒らし部が軸方向に沿って形成されたロッドを用いて、軸受孔となる貫通孔を成形することにより、荒らし部に接している貫通孔の内周面の空孔を潰し、その後、圧粉体を焼結して、焼結含油軸受を製造する方法が開示されている。この焼結含油軸受では、軸受孔のうち、空孔を潰した部分の内周面で軸を支持し、潰した部分以外の内周面から油を浸みださせて、空孔を潰した部分の内周面に供給する。

この場合、荒らし部はロッドの軸方向に沿う帯状に形成されており、粉末の圧縮成形時にロッドの荒らし部に空孔の周囲の部分が押圧され、空孔内に塑性流動して潰される。また、その荒らし部に接していた部分が若干突出して形成され、その後のサイジング加工によって押圧されて軸受孔の内周面と面一になると記載されている。

一方、特許文献２には、軸受孔内周面に、摺動面となる段付き部を円周方向に沿って複数形成することにより、互いに隣接する段付き部の間の溝部底面と軸との間に空隙が形成されるようにし、その段付き部の摺動面における通気度を軸受孔内周面における通気度より小さく形成した焼結含油軸受が開示されている。この場合、段付き部の摺動面の通気度が３×１０^-10ｃｍ²、溝部底面の通気度が３０×１０^-10ｃｍ²、段付き部の高さが０．０２ｍｍに設定され、その段付き部における摺動面の通気度を小さくする手段として、目つぶし、メッキ又はコーティングによる封孔が挙げられている。この焼結含油軸受では、段付き部の摺動面に軸が接触し、通気度の大きい溝部の底面には軸が接触しないので、その溝部から一定の油の吸込み及び吐出しが確保でき、また、溝部と軸とで囲まれる空隙において動圧を発生させることができると記載されている。

特開平４−３０７１１１号公報 特開平５−１１５１４６号公報

特許文献１には荒らし部により成形される面や、それ以外の面の具体的な通気度については記載がないが、特許文献２記載の通気度の程度では、高速回転等においては、軸受として作動中に十分な油を供給しつつ摺動面からの油の漏れを抑制することが難しく、焼付き等が生じるおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、摺動面に十分な量の油を供給するとともに、供給された油が摺動面から内部に移動することを抑制して、低摩擦係数化を図り、軸受としての摺動特性を向上させることを目的とする。

本発明の焼結含油軸受は、軸が挿入される軸受孔の内周面に、前記軸の外周面を支持する摺動面と、給油面とが隣接して形成されており、前記摺動面における表面開口率は１０％以下であり、前記給油面の表面開口率が１０％を超えている。

この焼結含油軸受は、給油面から油が浸みだして軸と摺動面との間に導かれ、摺動面においては表面開口率が１０％以下であるので、軸との間に油膜を形成して、摩擦抵抗を低減することができる。この場合、軸を支持する摺動面の表面開口率が１０％を超えていると、油を保持できずに軸受内部に流入させてしまうので、軸と摺動面との間の油膜が少なくなり、焼付きを生じるおそれがある。給油面の表面開口率が１０％以下であると、内部から油を十分に供給することが困難になる。なお、表面開口率は、表面の面積比率である。

本発明の焼結含油軸受において、前記給油面は、前記軸受孔の軸心を中心とする螺旋状に形成されているとよい。

軸受孔内に挿入される軸には、一般に径方向に負荷がかかるので、軸受孔の一方向に偏る。給油面が螺旋状に形成されていることにより、螺旋の方向と軸心の方向とが交差することになる。このため、必ず摺動面で軸を支持する状態とすることが可能になり、軸の支持を確実にすることができる。

本発明の焼結含油軸受において、前記軸受孔の両端部の内周面に、その全周にわたって前記摺動面が形成されているとよい。

軸受孔の両端部に、軸受の両端に抜けるように給油面が形成されていると、その給油面から油が軸受の両端に漏れるため、その分、摺動面への油の供給が少なくなる。本発明では、軸受孔の両端部の内周面の全周にわたって摺動面が形成されているので、軸受の両端に油が漏れることがなく、給油面からの油を効率よく摺動面に供給することができる。

本発明の焼結含油軸受において、前記軸受孔の長さをｂ、前記軸心に対する前記給油面の螺旋角度をθ、前記給油面の幅をＷ、前記摺動面の面積比率をａとするとき、ｓｉｎθ≧（Ｗ／（（１−ａ）×ｂ））であり、ａが０．４以上１．０未満であるとよい。

この式を満足する寸法設定とすることにより、軸受孔の内周面のどの位置に軸が接触したとしても、軸受孔の長さの（ａ×１００）％の範囲で摺動面に接することになり、軸を安定して支持することができる。なお、摺動面の面積比率は、軸受孔の内周面全体の面積に対する摺動面の面積の比率である。

本発明の焼結含油軸受の製造方法は、金型のダイプレートとコアロッドとの間の筒状空間内に原料粉末を充填して加圧することにより圧粉体を成形する圧粉体成形工程と、前記圧粉体を焼結する焼結工程と、焼結後の圧粉体の内周面及び外周面を矯正する矯正工程と、矯正後の圧粉体の内周面に前記給油面を形成する給油面付与工程とを有し、前記圧粉体成形工程では、前記原料粉末として扁平状粉末と粒状粉末とを混合して充填するとともに、前記扁平状粉末を前記コアロッドの外周面上に偏在させた状態で加圧し、前記矯正工程では、前記圧粉体の内周面を塑性流動させることにより該内周面の表面開口率を小さくして緻密層を形成し、前記給油面付与工程では、前記緻密層を除去して前記給油面を形成する。

給油面付与工程としては、切削加工、ブローチ加工、エッチング等がある。矯正工程の抜出時にブローチ加工を行う等、矯正工程と同時に行っても構わない。

原料粉末に混入した箔状粉体をコアロッドの外周面上に偏在させた状態で圧粉体を成形することにより、内周面の表面開口率の小さい圧粉体を得ることができ、その圧粉体の内周面をさらに矯正工程で塑性流動させることにより、内周面の空孔を潰して表面開口率のさらに小さい緻密層を形成することができる。そして、給油面付与工程において、この緻密層を除去することにより内部が露出し、その露出した部分の表面開口率を大きくすることができる。

本発明によれば、表面開口率が１０％を超える給油面から油が浸みだして、表面開口率１０％以下の摺動面と軸との間に導かれ、軸との間に油膜を形成することができ、摺動面に十分な量の油を供給するとともに、供給された油が摺動面から内部に移動することを抑制して、低摩擦係数化を図り、軸受としての摺動特性を向上させることができる。

本発明の一実施形態の焼結含油軸受における軸受孔の内周面付近の断面模式図であり、（ａ）が給油面加工前、（ｂ）が給油面加工後の状態を示す。 （ａ）が一実施形態の焼結含油軸受の給油面の螺旋形状を模式的に示した透視図、（ｂ）が軸受孔の内周面を（ａ）のＡ−Ａに沿って視た断面図である。 一実施形態の焼結含油軸受の製造方法を示す工程図である。 成形金型内に原料粉末を充填した状態を模式的に示す縦断面図である。 焼結体を矯正金型に充填した状態を模式的に示す縦断面図である。

以下、本発明の焼結含油軸受の実施形態について説明する。
この焼結含油軸受１は、金属粉末の焼結体により形成された筒状の軸受であり、図２に示すように、その軸受孔２の内周面に、軸１１の外周面を支持する摺動面３と、軸１１の外周面との間に隙間が形成される凹部４とが隣接して形成されている。本実施形態では給油面を形成するために凹部４を加工しており、その凹部４の内表面が給油面となるが、凹部加工以外の方法で給油面を形成してもよい。

軸受孔２は、挿入された軸１１を回転自在に支持するものであり、軸１１の外径よりわずかに大きい内径に形成され、例えば、外径１ｍｍ以上３０ｍｍ以下の軸１１に対して、０．００５ｍｍ以上０．０５ｍｍ以下の隙間で形成される。また、軸受孔２の内周面に形成される凹部（給油面）４は、軸受孔２の両端部を除き、一定の幅Ｗで軸心を中心とする螺旋状に複数本形成されている。この凹部（給油面）４は、幅Ｗが０．３ｍｍ以上４．０ｍｍ以下で、深さｄが０．０１ｍｍ以上０．２ｍｍ以下に形成されている。

そして、軸受孔２の内周面のうち、この凹部（給油面）４以外の表面が軸１１を支持する摺動面３とされる。この焼結含油軸受１は、金属粉末の焼結体により形成されているため、内部に空孔６が形成されているとともに、表面に空孔６が開口している。この場合、摺動面３は緻密な層（緻密層）７により形成されていることから、空孔６の表面開口率は、摺動面３と凹部（給油面）４とでは異なっており、摺動面３においては、１０％以下であり、凹部４の底面においては１０％を超えている。つまり、摺動面３における表面開口率は好ましくは５％以下であり、より好ましくは３％以下である。この表面開口率は、軸受孔２の内周面における単位面積当たりの空孔６の開口部の面積比率である。

また、内周面に付与される凹部（給油面）４は、内周面における摺動面の面積比率をａ、軸受孔２の軸心に対する螺旋の角度（螺旋角度）θとして、軸受孔２の長さをｂとするとき、ｓｉｎθ≧（Ｗ／（（１−ａ）×ｂ））かつ摺動面の面積比率ａは０．４０以上１．０未満とされ、好ましくは０．９５以下、より好ましくは０．９以下とされる。この式を満たす寸法設定とすることにより、軸１１が挿入されて軸受孔２の内周面に接触したときに、軸受孔２の長さｂの（ａ×１００）％の範囲で摺動面３に接することになる。なお、前述したように、軸受孔２の内周面の両端部は凹部（給油面）４を有しない摺動面３に形成されている。

次に、この焼結含油軸受１の製造方法について説明する。

この焼結含油軸受１の製造方法は、図３に示すように、原料粉末を成形金型に充填して加圧し、筒状の圧粉体を成形する圧粉体成形工程と、この圧粉体を焼結する焼結工程と、焼結工程後の圧粉体の内周面及び外周面を矯正する矯正加工と、矯正後の圧粉体の内周面に凹部（給油面）を形成する給油面付与工程とを有している。

成形工程には、図４に示すように、ダイプレート２１、コアロッド２２、下パンチ２３及び上パンチ２４を備える成形金型２０が用いられる。この成形金型２０において、ダイプレート２１に形成された円柱状の貫通孔２１ａと、この貫通孔２１ａの中心に挿入された円柱状のコアロッド２２と、これら貫通孔２１ａとコアロッド２２との間に下方から挿入された円筒状の下パンチ２３とによって、円筒状空間が形成される。この円筒状空間に、所定量の原料粉末Ｐを上方から投入し、上方から上パンチ２４を挿入して下パンチ２３と上パンチ２４との間隔を狭めて原料粉末Ｐを圧縮することにより、圧粉体が形成される。

焼結含油軸受１の材料となる金属としては、特に限定されるものではないが、原料粉末Ｐは、銅系粉末あるいは鉄銅系粉末が好適である。

銅系粉末は、主成分が銅又は銅合金からなる銅粉であり、融点が焼結温度以下である低融点金属粉（例えば、錫粉）が０．１〜５質量％、黒鉛等の固体潤滑剤が０．５〜５質量％含有する。低融点金属粉は、焼結温度以下の温度で溶融し、液相化した金属が鉄粉や銅粉の間に介在してバインダとして作用し、焼結体の機械的強度を高めるとともに、固体潤滑剤も強固に保持して、その脱落を防止するものである。

鉄銅系粉末は、銅粉が１５〜８０質量％、低融点金属粉が０．１〜５質量％、固体潤滑剤が０．５〜５質量％、残部が鉄粉とされる。

また、これら原料粉末Ｐのうち、銅粉の形状としては、扁平状粉末Ｐ１と粒状粉末Ｐ２との二種類が用いられる。粒状粉末Ｐ２は、略球状の電解銅粉やアトマイズ銅粉が用いられる。扁平状粉末Ｐ１は、アスペクト比（直径／厚さ）が１０以上であり、例えば銅箔片を用いることができる。そして、銅粉中の扁平状粉末Ｐ１の混合比率は、銅系粉末の場合は５質量％〜３０質量％、鉄銅系粉末の場合は２０質量％〜６０質量％が好ましい。銅系粉末の粒状粉末Ｐ２と、扁平状粉末Ｐ１とは、例えば、扁平状粉末Ｐ１の最大直径が１μｍ以上１００μｍ以下であるのに対して、粒状粉末Ｐ２は５μｍ以上１００μｍ以下の平均粒径に形成される。また、鉄銅系粉末においては、鉄粉の平均粒径は銅粉の平均粒径と同等以上に形成される。

この原料粉末Ｐを成形金型２０内に充填して振動を与えると、扁平状粉末Ｐ１が表層部に集まる。銅系粉末の場合は、表層部が扁平状粉末Ｐ１と粒状粉末Ｐ２とが緻密に集合し、内部に向けて粒状粉末Ｐ２の割合が増加した状態となる。図４では、コアロッド２２の外周面付近に扁平状粉末Ｐ１が集合した状態を模式的に示している。

これにより、鉄銅系粉末の場合は、表層部が銅リッチとなり、内部に向かって鉄の割合が増加した状態となる。したがって、得られた圧粉体は、表層部が銅による緻密な層となっている。

次に、この圧粉体を焼結した後、その焼結後の圧粉体（以下、焼結体Ｓと称す）を矯正金型で矯正する。この矯正金型３０は、焼結体Ｓの外形を矯正するものであり、図５に示すように、成形金型２０と同様に、ダイプレート３１、コアロッド３２、下パンチ３３及び上パンチ３４を備えているが、焼結体Ｓに接触するダイプレート３１の内周面や下パンチ３３及び上パンチ３４の端面は平滑な表面に仕上げられている。

そして、この矯正金型３０により焼結体Ｓを配置し、内周面の緻密層Ｓ１をコアロッド３２、両パンチ３３，３４の間に加圧することにより、焼結体Ｓが圧縮されて、その外径及び内径が製品寸法に仕上げられるとともに、内周面に形成された柔らかい扁平状銅粉末の層がコアロッドとダイプレートの内周面と摺動することで塑性流動を起こすため空孔６が目潰しされる。これにより、図１（ａ）に示すように、焼結体Ｓの内周面の全面が目潰しされた状態に形成され、より一層の緻密層７となる。

次に、図１（ｂ）に示すように、焼結体Ｓの内周面に、その両端部を除き、切削加工により帯状の凹部（給油面）４を軸心に沿う螺旋状に形成する。この凹部（給油面）４の深さｄは、前述した成形工程において扁平状粉末Ｐ１が集合しかつ矯正工程により目潰しされることにより形成された緻密層７を除去して、その内部の比較的粗い層が露出する程度の深さである。これにより、内周面の凹部（給油面）４では表面開口率が大きく、凹部（給油面）４以外の表面では、緻密層７により表面開口率が小さいままに残される。

最後に、潤滑油を含浸させることにより、焼結含油軸受１として製造される。

このようにして製造した焼結含油軸受１は、その内周面が軸受孔２とされ、挿入された軸１１を回転自在に支持する。この場合、軸受孔２の内周面には、凹部（給油面）４が螺旋状に形成されており、この凹部（給油面）４以外の表面が軸１１を支持する摺動面３とされ、凹部４の底面と軸１１の外周面との間には隙間が形成される。そして、その摺動面３は、銅の緻密層７により空孔６の表面開口率が小さく、前述した１０％以下とされ、凹部（給油面）４は１０％を超える表面開口率とされる。

このため、軸１１が回転すると、凹部（給油面）４から油が浸みだして、軸１１と摺動面３との間に供給され、摺動面３では表面開口率が１０％以下と小さいことから、油が内部に浸透することなく、摺動面３と軸１１との間に油膜を形成して軸１１を支持する。この場合、摺動面３の表面開口率が１０％を超えていると、油を保持できずに軸受内部に流入させてしまうので、軸１１と摺動面３との間の油膜が少なくなり、焼付きを生じるおそれがある。また、凹部（給油面）４の表面開口率が１０％以下であると、内部から摺動面３に油を十分に供給することが困難になる。

本実施形態では、摺動面３と軸１１との間に十分に油が供給されることから、その油膜によって摩擦抵抗を低減し、摺動特性を向上させることができる。

この場合、凹部（給油面）４は前述した螺旋状に形成されていることにより、軸受孔２の内周面のどの位置に軸１１が接触したとしても、軸受孔２の長さの（ａ×１００）％の範囲で摺動面３に接することになり、軸１１を安定して支持することができる。

さらに、軸受孔２の両端部には凹部（給油面）４が形成されずに、その全周にわたって摺動面３が形成されているので、給油面を通じて軸受の両端に油が漏れることがなく、凹部（給油面）４からの油を効率よく摺動面に供給することができる。

この焼結含油軸受１は、これらの相乗作用により、油切れを確実に防止して、良好な摺動特性を長期に発揮することができる。

本発明の効果を実証するために行った試験結果について説明する。試験に用いた原料粉末は、鉄、銅、錫（低融点合金）、黒鉛等を所定の割合で混合した鉄銅系粉末を用いた。その混合割合としては、銅粉が５０質量％、錫粉が２質量％、銅‐リン粉が５質量％、銅‐亜鉛粉が１０質量％、黒鉛等の固体潤滑剤が０．５質量％、そして残部を鉄粉として調整した。その原料粉末を圧縮成形し、９５０℃の温度で焼結した後、矯正工程を得て、切削加工により軸受孔の内周面に凹部を形成した。いずれも、軸受の長さは８ｍｍ、軸受孔の（摺動面の）内径は８ｍｍとした。

得られた軸受について、軸受孔の内周面を顕微鏡で観察し、軸受孔の内周面全体に対する摺動面の面積比率、摺動面及び凹部（給油面）のそれぞれの表面開口率を測定した。摺動面及び給油面のそれぞれの表面開口率は、軸受の摺動面と給油面とのそれぞれについて倍率５００倍のＳＥＭ像（ＳＥＩ）を撮影し、その写真を画像解析ソフトで２値化して開口部を抽出した後、開口部の面積率を計測した。開口部の面積率の計測は、条件の異なる軸受毎に５個の試料（軸受）を用意し、開口部の面積率の撮影箇所は、各軸受の摺動面と給油面とについてそれぞれ５視野とした。そして、それぞれ２５か所の撮影箇所の計測結果の平均値を表面開口率とした。
なお、表１中、Ｎｏ．５は凹部を形成しなかったものであり、Ｎｏ．６は摺動面をすべて切削したものである。このため、Ｎｏ．５では凹部底面、Ｎｏ．６では摺動面についての表面開口率の欄を「−」で表した。

また、軸受に潤滑油を含浸させた後、軸受孔に軸を挿入して、軸心に直交する垂直方向に表１に示す負荷面圧を付与した状態で軸を回転させ、軸受にかかる回転トルクを測定し、その回転トルクから摩擦係数を算出した。軸の回転数は１２５００ｒｐｍで、それぞれ３０分間回転させた後の摩擦係数を算出した。

表１に示す結果より、試料１〜４は負荷面圧にかかわらずに摩擦係数が小さく、軸受特性に優れていることがわかる。これにより、摺動面の面積比率としては、０．４以上１．０未満が好ましい。

なお、本発明は前記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、前記実施形態では給油面を１本の螺旋状に形成したが、ｓｉｎθ≧（Ｗ／（（１−ａ）×ｂ））を満たす摺動面の面積比率ａの範囲内で複数本形成してもよい。

内部に潤滑油を含浸させて潤滑を円滑に行わせることができる焼結含油軸受を提供することができる。

１…焼結含油軸受
２…軸受孔
３…摺動面
４…凹部（給油面）
６…空孔
７…緻密層
１１…軸
２０…成形金型
２１…ダイプレート
２１ａ…貫通孔
２２…コアロッド
２３…下パンチ
２４…上パンチ
３０…矯正金型
３１…ダイプレート
３２…コアロッド
３３…下パンチ
３３…両パンチ
３４…上パンチ
Ｐ…原料粉末
Ｐ１…扁平状粉末
Ｐ２…粒状粉末
Ｓ…焼結体
Ｓ１…緻密層

Claims (5)

1. 軸が挿入される軸受孔の内周面に、前記軸の外周面を支持する摺動面と、給油面とが隣接して形成されており、前記摺動面における表面開口率は１０％以下であり、前記給油面の表面開口率が１０％を超えていることを特徴とする焼結含油軸受。
2. 前記給油面は、前記軸受孔の軸心を中心とする螺旋状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の焼結含油軸受。
3. 前記軸受孔の両端部の内周面に、その全周にわたって前記摺動面が形成されていることを特徴とする請求項２記載の焼結含油軸受。
4. 前記軸受孔の長さをｂ、前記軸心に対する前記給油面の螺旋角度をθ、前記給油面の幅をＷ、前記摺動面の面積比率をａとするとき、ｓｉｎθ≧（Ｗ／（（１−ａ）×ｂ））であり、ａが０．４以上１．０未満であることを特徴とする請求項２又は３記載の焼結含油軸受。
5. 請求項１から３のいずれか一項記載の焼結含油軸受を製造する方法であって、金型のダイプレートとコアロッドとの間の筒状空間内に原料粉末を充填して加圧することにより圧粉体を成形する圧粉体成形工程と、前記圧粉体を焼結する焼結工程と、焼結後の圧粉体の内周面及び外周面を矯正する矯正工程と、矯正後の圧粉体の内周面に前記給油面を形成する給油面付与工程とを有し、前記圧粉体成形工程では、前記原料粉末として扁平状粉末と粒状粉末とを混合して充填するとともに、前記扁平状粉末を前記コアロッドの外周面上に偏在させた状態で加圧し、前記矯正工程では、前記圧粉体の内周面を塑性流動させることにより該内周面の表面開口率を小さくして緻密層を形成し、前記給油面付与工程では、前記緻密層を除去して前記給油面を形成することを特徴とする焼結含油軸受の製造方法。

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