KR20080078537A

KR20080078537A - 소결 함유 베어링 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20080078537A
Application number: KR1020080004877A
Authority: KR
Inventors: 타케시 야나세
Original assignee: 히다치 훈마츠 야킨 가부시키가이샤
Priority date: 2007-02-22
Filing date: 2008-01-16
Publication date: 2008-08-27
Also published as: JP2008202123A; JP4886545B2; KR100961459B1; CN101251152B; CN101251152A

Abstract

고면압 조건하에서도, 베어링 자체의 마모를 억제하면서, 샤프트의 마모도 억제할 수 있는 소결 함유 베어링 및 그 제조방법을 제공한다.

기공을 제외한 기지부분이 Cu와, Sn, Zn, Ni, P 중 적어도 1종으로 이루어지는 구리합금상과, 페라이트상과, 상기 페라이트상 중에 분산되는 산화철상으로 이루어지는 금속 조직을 나타내는 소결 함유 베어링으로 한다. 보다 바람직하게는 상기 구리합금상은 Cu: 10∼59질량%와, Sn, Zn, Ni, P 중 적어도 1종: 1∼5질량%로 이루어지고, 산화철상은 기공을 제외한 기지부분의 단면 면적비로 3∼20%이고, 잔부의 페라이트상은 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다.

소결, 분말, 함유 베어링, 기공, 철, 구리

Description

소결 함유 베어링 및 그 제조방법{SINTERED OIL-CONTAINING BEARING AND ITS MANUFACTURING METHOD}

본 발명은 자동차에 장착하는 실내 송풍장치의 팬 모터나 좌석 구동용 모터, 정보기기나 음향기기 등에 탑재되는 스핀들 모터 등의 각종 모터에 적합한 소결 함유 베어링에 관한 것으로, 특히 우수한 내마모성을 나타내는 소결 함유 베어링 및 그 제조방법에 관한 것이다.

순철계, 청동계, 철-탄소계, 철-구리-탄소계, 철-청동계 등의 금속 기지 중에 기공이 분산됨과 아울러, 그 기공 중에 윤활유를 함침한 소결 함유 베어링은 무급유로 장시간 윤활할 수 있는 것, 제조가 용이한 것 등의 이점으로 각종 베어링 용도에 사용되고 있다.

이러한 상황하에, 자동차에 장착하는 실내 송풍장치의 팬 모터나 좌석 구동용 모터, 정보기기나 음향기기 등에 탑재되는 스핀들 모터 등의 모터용 베어링에도, 소결 함유 베어링이 많이 사용되고 있지만, 상대 샤프트와의 내늘어붙음성(seizure resistance)이나 공격성을 고려하여, 순철계나 철-탄소계 및 철-구리-탄소계의 금속 기지를 사용하는 소결 함유 베어링은 거의 사용되고 있지 않다. 한 편, 청동계의 금속 기지를 갖는 소결 함유 베어링은 내늘어붙음성이나 샤프트 공격성에 우수하지만, 내마모성이나 비용면에서 난점이 있다. 그 때문에 상기의 모터용 베어링으로서는 철계 금속 기지의 내마모성과 청동계 금속 기지의 내늘어붙음성을 겸비한, 철-청동계의 금속 기지로 한 소결 함유 베어링(특허문헌 1, 2 등)이 널리 사용되고 있다.

특허문헌 1: 일본특허공개 2003-l20674호 공보

특허문헌 2: 일본특허공개 2005-082867호 공보

최근, 모터의 소형화에 따라 모터에 수용되는 베어링도 소형화의 경향에 있어, 그 결과, 베어링이 받는 면압도 증가하는 경향이다. 이 때문에, 종래, 모터용으로서 널리 사용되고 있는 철-청동계 금속 기지의 소결 함유 베어링은 철부분이 페라이트 조직이라 연질이기 때문에, 고면압 조건하에서는 마모되기 쉽다고 하는 문제가 두드러져 가고 있다. 한편, 철부분이 펄라이트 조직으로 이루어지는 철-구리-탄소계 금속 기지의 소결 함유 베어링은 내마모성의 점에서는 만족할 수 있지만, 금속 기지 전체가 단단해지기 때문에 샤프트의 마모가 증대한다고 하는 문제가 있어, 사용하기에 이르지는 못했다.

이러한 상황하에서, 본 발명은, 고면압 조건하에서도, 베어링 자체의 마모를 억제하면서, 샤프트의 마모를 억제할 수 있는 소결 함유 베어링, 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명자가 예의 연구를 거듭한 결과, 금속 기지의 철 부분을 기본적으로 페라이트 조직으로 하고, 또한 철 부분의 일부분만을 경질의 상으로 하면, 베어링 자체의 마모를 억제하면서, 샤프트의 마모를 억제할 수 있는 것을 알아내었다. 본 발명의 소결 함유 베어링은 이러한 지견에 의해 완성된 것으로, 페라이트상 중에 경질상으로서 산화철을 분산시킨 것을 골자로 한다.

구체적으로는, 본 발명의 소결 함유 베어링은 기공을 제외한 기지 부분이 Cu 및, Sn, Zn, Ni, P 중 적어도 1종으로 이루어지는 구리합금상과, 페라이트상과, 상기 페라이트상 중에 분산되는 산화철상으로 이루어지는 금속 조직을 나타내는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 소결 함유 베어링의 제조방법은 철 분말에, 전체 조성이 Cu: 10∼59질량%와, Sn, Zn, Ni, P 중 적어도 1종: 1∼5질량%가 되는 단일 분말, 합금 분말 혹은 그것들의 혼합 분말을 첨가하고 혼합하는 원료 분말 조제 공정과, 얻어진 원료 분말을 사용하여, 회전축을 슬라이딩 지지하는 내주면을 갖는 베어링 형상으로 성형하는 성형 공정과, 얻어진 성형체를 소결하는 소결 공정과, 소결된 소결 베어링의 기공 중에 윤활유를 함침하는 함침 공정을 갖는 소결 함유 베어링의 제조방법에 있어서, 상기 철 분말로서 환원 감량이 0.35∼2질량%가 되는 철 분말을 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 소결 함유 베어링은 기공을 제외한 기지 부분이 Cu 및, Sn, Zn, Ni, P 중 적어도 1종으로 이루어지는 구리합금상과, 페라이트상과, 상기 페라이트상 중에 분산되는 산화철상으로 이루어지는 금속 조직을 나타내기 때문에, 자신의 마모를 억제하면서, 샤프트의 마모를 억제하는, 우수한 내마모성을 나타내는 것이다.

또, 본 발명의 소결 함유 베어링의 제조방법은 이러한 소결 함유 베어링을 간편한 방법으로 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명은 최근의 모터의 소형화에 따르는 베어링 면압의 증대에 대응할 수 있다고 하는 우수한 효과를 나타내 는 것으로, 자동차에 장착되는 실내 송풍장치의 팬 모터나 좌석 구동용 모터, 정보기기나 음향기기 등에 탑재되는 스핀들 모터 등의 각종 모터에 적합한 것이다.

[소결 함유 베어링]

본 발명에 따른 소결 함유 베어링의 금속 조직의 일례를 도 1에 도시한다. 도면 중 흑색의 부분은 기공을 나타내고, 본 예에서는, 흑색의 기공은 철 분말 간의 간극이 잔류한 큰 기공과, 원료가 되는 철 분말로서 환원 철 분말을 사용함으로써 생기는 미소한 기공으로 구성되어 있다. 나머지 부분이 기지이며, 회색의 철 부분과 백색의 구리합금상으로 구성되어 있다.

철 부분은 주로 마모를 억제하기 위한 골격적인 역할을 갖고 있고, 구리합금상은 샤프트와의 늘어붙음 방지 및 마찰 저감의 역할을 갖고 있다. 철 부분은 기본적으로 밝은 회색의 페라이트 조직으로 이루어지고 일부에는 암회색의 산화철상이 분산된다. 페라이트상 중에 분산되는 산화철상은 페라이트의 철보다도 높은 경도를 갖는다. 철 부분을 이와 같이 경도가 낮은 페라이트상과, 경도가 높은 산화철상으로 구성함으로써, 경도가 낮은 페라이트상이 샤프트에 대한 공격성을 저감시킴과 아울러, 경도가 높은 산화철상이 마모를 억제하는 효과를 나타낸다.

본 발명의 소결 함유 베어링에서, 철 부분의 양이 부족하면 구리합금상이 과대하게 되어, 전체의 경도가 낮아져 마모가 증대한다. 반대로, 철 부분이 과대하면 구리합금상이 부족하여, 샤프트의 마모가 증가한다. 이 때문에, Cu는 기공을 제외한 기지부분의 전체 조성에 차지하는 비율이 10∼59질량%의 범위로 하는 것이 바람직하다. 즉, Cu의 양이 10질량% 미만이면 늘어붙음이 일어나기 쉬워지고, 59질량%를 초과하여 첨가한 경우에는 베어링 마모가 증대하기 쉬워진다. 또, Cu는 Sn, Zn, Ni, P의 어느 1종 이상의 원소와 합금화되어, 상기 구리합금상을 형성한다. 이들 원소는 구리합금상을 강화하여 구리합금상의 내마모성의 향상에 기여한다. 다만 이들 원소의 양이 과대하게 되면, 샤프트의 마모가 증가하기 쉬워진다. 이 때문에 Sn, Zn, Ni, P 중 어느 1종 이상의 원소는 기공을 제외한 기지 부분의 전체 조성에 차지하는 비율을 1∼5질량%의 범위로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 소결 함유 베어링에서는, 주로 밝은 회색의 페라이트상으로 이루어지는 철 부분에 암회색의 산화철상이 분산되어 자신의 내마모성의 향상에 기여한다. 산화철상의 양이 부족하면 내마모성이 저하되어 마모가 증대하고, 반대로 산화철상의 양이 과대하게 되면 샤프트의 마모가 증대한다. 이 때문에, 산화철상은 기공을 제외한 기지 부분의 단면 면적비로 3∼20%의 범위로 하는 것이 바람직하다.

또한, 소결 함유 베어링에서 종래부터 행해지고 있는 바와 같이, 기공 중에 흑연, 이황화몰리브덴, 황화망간, 불화칼슘 중 적어도 1종의 고체 윤활제 성분을 분산시키면, 늘어붙음 방지 및 마찰계수의 저감에 효과가 있다. 이들 고체 윤활제 성분 중, 특히 흑연이 높은 효과를 나타낸다. 기공 중에 고체 윤활제 성분을 분산시키는 경우, 고체 윤활제 성분은 철 분말 간의 간극이 잔류한 큰 기공의 부분에 분산하게 된다.

고체 윤활제 성분은 과소하면 첨가의 효과가 부족하고, 반대로 과대하게 되면, 기지의 소결을 저해하여 기지의 강도를 저하시키게 된다. 이 때문에 기공 중 에, 흑연, 이황화몰리브덴, 황화망간, 불화칼슘 중 적어도 1종의 고체 윤활제 성분을 분산시키는 경우에는, 그 양은 상기의 기지 성분 100질량부에 대하여 0.2∼2질량부로 하는 것이 바람직하다.

[소결 함유 베어링의 제조방법]

상기 금속 조직을 갖는 소결 함유 베어링을 얻기 위하여, 본 발명의 소결 함유 베어링의 제조방법은 철부분에 분산되는 산화철상을 원료 분말의 상태부터 존재시킨다. 즉, 일부가 산화된 철 분말을 사용하는 것이다.

구체적으로는, 철 분말로서 수소환원 철분이며, 환원 감량이 0.35∼2질량%가 되는 것을 사용한다. 환원 감량은 수소기류 중에서 분말을 가열했을 때의 질량 감소의 백분률이며, 철 분말 중의 산화철의 산소량으로 바꾸어 말할 수 있다. 환원 감량의 측정은 구체적으로는 JIS H 2601에 기재된 철 분말의 환원 감량 시험에 의해 행한다. 철 분말의 환원 감량이 0.35질량% 미만인 경우, 산화철상의 양이 적어 원하는 내마모성은 얻어지지 않는다. 한편, 2질량%를 초과하면 페라이트상 중의 산화철상의 양이 많아져, 샤프트 마모가 증대함과 아울러, 분말의 압축성이 현저하게 저하된다고 하는 문제가 생긴다.

구리합금상은 원료 분말의 전체 조성이 Cu:10∼59질량%와, Sn, Zn, Ni, P 중 적어도 1종: 1∼5질량%가 되도록, Cu 및 이들 구리합금상 강화 원소를 단일 분말(단체의 분말)의 상태로 첨가하고, 소결 과정에서 합금화하는 방법, 또는 미리 구리합금 분말의 상태에서 첨가하는 방법 중 어느 것에 의해 형성된 것이어도 된다. 따라서, 이들 원소의 단일 분말, 합금 분말 혹은 그것들의 혼합 분말을 사용할 수 있다.

또, 원료 분말의 Cu 성분의 전부 혹은 일부로서 박상(箔狀)의 구리 분말을 사용하면, 소결 함유 베어링의 표면이 구리층으로 덮여, 철의 노출량이 적어짐으로써, 샤프트와의 응착 등이 억제되고 마찰계수도 낮아지는 효과가 얻어지므로 바람직하다.

상기의 철 분말 및 상기의 구리합금상 형성용의 분말을 혼합하는 원료 분말 조제 공정에 의해 원료 분말이 얻어진다. 이렇게 하여 얻어진 원료 분말은, 종래의 소결 함유 베어링의 제조방법과 마찬가지로, 회전축을 슬라이딩 지지하는 내주면을 갖는 베어링 형상으로 성형하는 성형 공정과, 얻어진 성형체를 소결하는 소결 공정과, 소결된 소결 베어링의 기공 중에 윤활유를 함침하는 함침 공정을 거쳐 제조된다.

상기 공정에서는, 종래의 소결 함유 베어링의 제조방법과 동일하게, 소결 공정의 후, 또는 함침 공정의 후에 재가압 공정 등의 다른 공정을 추가해도 상관없다. 또한, 상기 성형 공정에서는 성형체의 밀도비가 70∼85% 정도가 되도록 성형하는 것이 바람직하고, 소결 온도는 종래의 청동계 소결 베어링과 동등한 760∼800℃ 정도로 하는 것이 바람직하다.

기공 중에 고체 윤활제를 분산시킨 소결 함유 베어링을 얻기 위해서는, 상기의 철 분말과 구리합금상 형성용의 분말로 이루어지는 원료 분말 100질량부에 대하여, 흑연 분말, 이황화몰리브덴 분말, 황화망간 분말, 불화칼슘 분말 중 적어도 1종의 고체 윤활제 성분의 분말을 0.2∼2질량부를 첨가, 혼합한 것을 원료 분말로서 사용하고, 원료 분말을 상기의 성형 공정, 소결 공정, 함침 공정 등을 거침으로써, 원하는 소결 함유 베어링을 얻을 수 있다.

(실시예)

표 1에 나타내는 원료 분말을 준비하고, 표 2에 나타내는 배합 비율로 각 원료 분말을 첨가하고, 혼합했다. 얻어진 각 분말을 성형압력 300MPa로 내경 φ10mm, 외경 φ16mm, 전체 길이 10mm의 원통 형상으로 압분성형하고, 압분체는 암모니아 분해 가스 분위기 중에서 780℃로 소결을 행했다. 소결을 행한 후에 재가압을 행하여, 베어링 시험 시료로 했다. 얻어진 베어링 시험 시료에 대하여, 금속 조직 관찰을 행하고, 기공을 제외한 기지 부분에 차지하는 산화철상의 비율을 조사했다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.

또, 베어링 시험 시료에 대하여, 폴리올에스테르를 주성분으로 하는 합성 윤활유를 함침하고, 베어링 시험기로 200시간 베어링 시험을 행했다. 또한, 베어링 시험에서, 사용한 회전축은 S45C재이며, 시험기의 운전조건은 축의 회전수가 5000rpm, 면압이 3MPa, 환경온도는 실온이다. 이러한 베어링 시험 후, 베어링 및 샤프트의 마모량을 측정했다. 그 결과를 표 3에 함께 나타낸다.

표 2 및 표 3의 실시예 01∼03, 비교예 1, 2에 의해, 철분의 환원 감량의 영향을 조사할 수 있다. 환원 감량이 2질량%를 초과하는 철분을 사용한 경우(비교예 01)는 기지 중의 산화철상의 양이 20면적%를 초과하게 되고, 샤프트 마모량이 많고, 또 베어링 마모량도 크다. 한편, 환원 감량이 0.35∼2질량%의 철분을 사용한 경우(실시예 01∼03)에서는, 기지 중의 산화철량이 3∼20면적%이고, 샤프트 마모량 및 베어링 마모량이 억제되어, 샤프트 공격성 및 베어링의 내마모성 양자가 양호한 값을 나타내고 있다. 그러나 환원 감량이 0.35질량%에 미치지 못하는 철분을 사용한 경우(비교예 2), 베어링 마모량이 급격하게 증가하고 있다.

이로부터, 철분으로서 환원 감량이 0.35∼2질량%인 것을 사용하면, 기공을 제외한 기지부분에 차지하는 산화철상의 비율이 단면 면적비로 3∼20%가 되고, 베어링의 내마모성의 향상 및 샤프트 공격성의 저감에 효과가 있는 것이 확인되었다.

표 2 및 표 3의 실시예 2, 4∼8 및 비교예 4, 5에 의해, 전체 조성에 차지하는 Cu량의 영향을 조사할 수 있다. Cu량(전해 구리분말과 박상 구리분말의 합)이 10질량%에 미치지 못하는 경우(비교예 4)는 샤프트 마모량이 커지고 있지만, Cu량이 10∼59질량%인 경우(실시예 2, 4∼8)에는, 샤프트 마모량이 억제되고, 베어링의 마모량도 낮은 값으로 억제되어 있어, 양호한 베어링의 내마모성 및 샤프트 공격성을 나타내고 있다. 그러나, Cu량이 59질량%를 초과하는 경우(비교예 5)는 베어링의 마모량 및 샤프트 마모량이 반대로 증가하고 있다.

이로부터, 전체 조성에 차지하는 Cu량은 10∼59질량%의 범위에서 베어링의 내마모성의 향상 및 샤프트 공격성의 저감에 효과가 있는 것이 확인되었다.

표 2 및 표 3의 실시예 2, 6을 비교함으로써 박상 구리분말 사용의 효과를 조사할 수 있다. 실시예 2, 6은 전체 조성 중의 Cu량은 32질량%로 동일하며, 베어링 마모량 및 샤프트 마모량 모두 낮아 양호한 결과를 나타내고 있지만, 박상 구리분말을 사용한 실시예 2는, 박상 구리분말을 사용하지 않은 실시예 6에 비해 더욱 베어링 마모량 및 샤프트 마모량 모두 낮게 되어 있어, 박상 구리분말에 의한 내마모성 향상, 샤프트 공격성 억제의 효과가 확인되었다.

표 2 및 표 3의 실시예 2, 4∼8 및 비교예 3에 의해, 전체 조성에 차지하는 Sn량의 영향을 조사할 수 있다. Sn량이 1질량%에 미치지 못하는 경우(비교예 3)는 구리합금상의 강화가 불충분하여 베어링 마모량이 커지고 있다. 한편, Sn량이 1∼5질량%인 경우(실시예 2, 4∼8)에는, 구리합금층의 강화가 충분하게 행해져 베어링 마모량이 낮아지고 있다. 이로부터 전체 조성 중의 Sn량이 1∼5질량%의 범위에서 베어링의 내마모성이 향상되는 것이 확인되었다.

표 2 및 표 3의 실시예 2, 9, 10 및 비교예 6에 의해, 고체 윤활제(흑연) 첨가의 영향을 조사할 수 있다. 고체 윤활제를 포함하지 않는 예(실시예 2)에 대하여, 고체 윤활제 분말을 첨가하여 기공 중에 고체 윤활제를 분산시킨 예(실시예 9, 10)에서는, 고체 윤활제에 의해 샤프트 마모가 억제되는 것을 알 수 있다. 그러나 고체 윤활제의 첨가량이 2질량%를 초과하는 예(비교예 6)에서는 베어링 마모량이 증대하고 샤프트 마모량도 증대하고 있다.

이로부터 0.2∼2질량%의 고체 윤활제 첨가에 의해 샤프트 마모량이 억제되지만, 2질량%를 초과하는 고체 윤활제의 첨가는 베어링의 내마모성을 손상시키는 것이 확인되었다.

본 발명의 소결 함유 베어링은 고면압 조건하에서도, 베어링 자체의 마모를 억제하면서, 샤프트의 마모를 억제할 수 있는 것이고, 본 발명의 소결 함유 베어링의 제조방법은 상기의 소결 함유 베어링을 간편한 방법으로 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 따라서, 본 발명의 소결 함유 베어링 및 그 제조방법은 소형화되고, 면압이 증가하는 경향이 있는 자동차에 장착되는 실내 송풍장치의 팬 모터나 좌석 구동용 모터, 정보기기나 음향기기 등에 탑재되는 스핀들 모터 등의 각종 모터에 적합한 것이다.

도 1 은 본 발명의 소결 함유 베어링의 금속 조직사진의 일례이다.

Claims

기공을 제외한 기지 부분이 Cu와, Sn, Zn, Ni, P 중 적어도 1종으로 이루어지는 구리합금상, 페라이트상 및, 상기 페라이트상 중에 분산되는 산화철상으로 이루어지는 금속 조직을 나타내는 것을 특징으로 하는 소결 함유 베어링.
제 1 항에 있어서, 상기 구리합금상은 기공을 제외한 기지 부분의 전체 조성에 차지하는 질량비로 Cu: 10∼59질량%와, Sn, Zn, Ni, P 중 적어도 1종: 1∼5질량%로 이루어지고,

상기 산화철상은 기공을 제외한 기지 부분의 단면 면적비로 3∼20%이고,

잔부의 페라이트상은 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소결 함유 베어링.
제 2 항에 있어서, 기공 중에, 흑연, 이황화몰리브덴, 황화망간, 불화칼슘 중 적어도 1종의 고체 윤활제 성분이 기지 성분 100질량부에 대하여 0.2∼2질량부 분산되는 것을 특징으로 하는 소결 함유 베어링.
철 분말에, 전체 조성이 Cu가 10∼59질량%와, Sn, Zn, Ni, P 중 적어도 1종 1∼5질량%로 이루어지는 단일 분말, 합금 분말 혹은 그것들의 혼합 분말을 첨가하고 혼합하는 원료 분말 조제 공정과, 얻어진 원료 분말을 사용하여 회전축을 슬라 이딩 지지하는 내주면을 갖는 베어링 형상으로 성형하는 성형 공정과, 얻어진 성형체를 소결하는 소결 공정과, 소결된 소결 베어링의 기공 중에 윤활유를 함침하는 함침 공정을 포함하는 소결 함유 베어링의 제조방법에 있어서,

상기 철 분말로서, 환원 감량이 0.35∼2질량%로 되는 철 분말을 사용하는 것을 특징으로 하는 소결 함유 베어링의 제조방법.
제 4 항에 있어서, 상기 원료 분말의 Cu 성분의 전부 혹은 일부로서 박상의 구리 분말을 사용하는 것을 특징으로 하는 소결 함유 베어링의 제조방법.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 원료 분말 100질량부에 대하여, 흑연, 이황화몰리브덴, 황화망간, 불화칼슘 중 적어도 1종의 고체 윤활제 분말 0.2∼2질량부를 첨가, 혼합한 것을 원료 분말로서 사용하는 것을 특징으로 하는 소결 함유 베어링의 제조방법.