WO2012063786A1 - Ｃｕ基焼結含油軸受 - Google Patents

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康弘 塚田
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Definitions

  • the present invention relates to a Cu-based sintered oil-impregnated bearing for high load applications.
  • ball bearings are used as bearings for automobile ABS systems. This is because the load received by the bearing of the automobile ABS system is large. If a sintered bearing can be used instead of an expensive ball bearing, the ABS system can be constructed at a lower cost, but the load applied to the bearing of the automobile ABS system exceeds the load range of the conventional sintered bearing. In some cases, it is difficult to use.
  • Fe-Cu based sintered bearings are used for the motor system bearings of automobile wipers. This is because the bearings used have become smaller and the load received by the bearings has increased due to the miniaturization of the motor system of automobile wipers.
  • Fe-Cu bearings are superior in strength and hardness to Cu-based sintered bearings, if an Fe-based material is used for the mating shaft, abnormal wear and seizure may occur due to co-generation, There was a problem that the reliability as a bearing was insufficient.
  • Patent Document 1 discloses a Cu-based sintered alloy that is used as a sliding member such as a valve guide for an internal combustion engine and has excellent wear resistance and seizure resistance in a high temperature, high load, low lubrication environment. Is disclosed.
  • Ni-based hard particles having good adhesion to the substrate and MoS 2 as a solid lubricant are added to a Cu—Ni—Sn alloy having a composition that is hardened by spinodal decomposition.
  • wear resistance and seizure resistance are imparted.
  • expensive Ni-based hard particles are used for the production of this Cu-based sintered alloy, there is a problem in cost that it cannot be produced at low cost.
  • the Ni-based hard particles used in this Cu-based sintered alloy contain Cr, the adhesion to the substrate is not always sufficient and stable in the atmosphere sintering in a continuous furnace excellent in mass productivity in sintering. As a result, there is a manufacturing problem that a product with excellent wear resistance and seizure resistance cannot be obtained.
  • the present invention eliminates the above problems, can be used for high load applications such as bearings for automobile ABS systems and wiper motor systems, and is inexpensive and excellent in wear resistance and seizure resistance.
  • An object is to provide a base sintered oil-impregnated bearing.
  • the Cu-based sintered oil-impregnated bearing of the present invention contains, in mass%, 5 to 40% Ni, 3 to 15% Sn, and 0.5 to 4.0 P, or further 0.3 Contains a solid lubricant of ⁇ 5.0%, the balance is made of Cu and inevitable impurities, and has a metal structure in which a phase mainly composed of Ni and P is dispersed in the substrate, and 5 to 25% It has a porosity of
  • the solid lubricant is any one of graphite, graphite fluoride, molybdenum disulfide, boron nitride, calcium fluoride, and talc.
  • the Cu-based sintered oil-impregnated bearing of the present invention contains, by mass, 5 to 40% Ni, 3 to 15% Sn, and 0.5 to 4.0 P, with the balance being Cu and inevitable. It is made of impurities, has a metal structure in which a phase mainly composed of Ni and P is dispersed in the substrate, and has a porosity of 5 to 25%, so that it is inexpensive and has excellent wear resistance. Become. Alternatively, by further containing 0.3 to 5.0% of a solid lubricant, the wear resistance is further improved.
  • the solid lubricant is any one of graphite, graphite fluoride, molybdenum disulfide, boron nitride, calcium fluoride, and talc, thereby imparting lubricity and excellent wear resistance.
  • the Cu-based sintered oil-impregnated bearing of the present invention contains, by mass, 5 to 40% Ni, 3 to 15% Sn, and 0.5 to 4.0 P, with the balance being Cu and inevitable. It consists of impurities, has a metal structure in which a phase mainly composed of Ni and P is dispersed in the substrate, and has a porosity of 5 to 25%. With this composition and the like, the Cu-based sintered oil-impregnated bearing of the present invention is inexpensive and excellent in wear resistance. Alternatively, the Cu-based sintered oil-impregnated bearing of the present invention further improves wear resistance by further containing 0.3 to 5.0% of a solid lubricant.
  • Ni 5-40% by mass% Ni forms an alloy phase with P, and has the effect of improving wear resistance and reducing the friction coefficient. Further, Ni forms a solid solution of Cu, Sn, P and a base material, improves the strength of the bearing, and can further improve the strength of the bearing by age hardening, thereby contributing to the improvement of the wear resistance of the bearing.
  • Ni content is less than 5%, the desired effect cannot be obtained. On the other hand, if the addition amount exceeds 40%, the desired effect is not improved, and the raw material cost increases.
  • Sn 3 to 15% by mass Sn forms a solid solution of Cu, Ni, P and a base, improves the strength of the bearing, and can further improve the strength of the bearing by age hardening, thereby contributing to the improvement of the wear resistance of the bearing. If the Sn content is less than 3%, the desired effect cannot be obtained. On the other hand, if the Sn content exceeds 15%, the strength is not improved and the dimensional accuracy is lowered, which is not preferable.
  • P 0.5 to 4.0% by mass% P forms an alloy phase with Ni and has the effect of improving wear resistance and reducing the friction coefficient. If the P content is less than 0.5%, the desired effect cannot be obtained. On the other hand, if the P content exceeds 4.0%, the desired effect is not improved, and the raw material cost increases.
  • Solid lubricant When included, 0.3 to 5.0% by mass The solid lubricant imparts excellent lubricity to the bearing and contributes to improvement of the wear resistance of the bearing.
  • the solid lubricant contains at least one of graphite, graphite fluoride, molybdenum disulfide, boron nitride, calcium fluoride, and talc (Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 2 ). Talc becomes enstatite (MgSiO 3 ) after sintering.
  • the solid lubricant may be contained as necessary. However, when the solid lubricant is contained, if the solid lubricant content is less than 0.3%, the effect of improving the wear resistance cannot be obtained. If the content exceeds 5%, the strength is remarkably lowered, which is not preferable.
  • Phases mainly composed of Ni and P Cu-Ni-Sn alloy powder, either Ni-P alloy powder or Cu-P alloy powder, or Ni-P alloy powder and Cu-P alloy powder By adding both of these, sintering is performed at a temperature within the range of 720 to 900 ° C. to obtain a Cu-based sintered oil-impregnated bearing having a metal structure in which a phase mainly composed of Ni and P is dispersed in the substrate.
  • This metal structure has higher hardness than the base portion and contributes to the wear resistance of the bearing.
  • the maximum wear depth of the ring bearing in the present invention example was 0.009 mm or less, and the maximum wear depth of the shaft was 0.003 mm or less, and it was confirmed that the wear resistance was extremely high.
  • the wear resistance was higher when the solid lubricant was added than when the solid lubricant was not added, and the wear resistance was higher when the solid lubricant was not subjected to the aging treatment.
  • the maximum wear depth of the ring-shaped bearing in the comparative example was 0.010 to 0.152 mm, and the wear resistance was significantly lower than that of the example of the present invention regardless of the presence or absence of the addition of the solid lubricant.
  • FIG. 1 is a cross-sectional structure when Cu—Ni—Sn powder, Cu—P powder, and graphite powder are used as raw material powder
  • FIG. 2 is a cross-sectional structure of Example 20 of the present invention using Ni—P powder as raw material powder.
  • FIG. 3 shows a cross-sectional structure of Example 4 of the present invention using Cu—P as a raw material powder.
  • FIG. 4 shows a cross-sectional structure when Cu—P powder is used as the raw material powder and only the P content is reduced as compared with the case of FIG.
  • SEI indicates a secondary electron image
  • COMPO indicates a reflected electron composition image.

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Abstract

自動車のＡＢＳシステムやワイパーのモータシステムの軸受などの高負荷用途に用いることができ、かつ、安価で耐摩耗性や耐焼付き性に優れたＣｕ基焼結含油軸受を提供する。質量％で、５～４０％のＮｉと、３～１５％のＳｎと、０．５～４．０％のＰとを含有し、或いはさらに０．３～５．０％の固体潤滑剤を含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなるとともに、素地中にＮｉとＰを主成分とした相が分散した金属組織を有し、かつ、５～２５％の気孔率を有する。

Description

Ｃｕ基焼結含油軸受
　本発明は、高負荷用途のＣｕ基焼結含油軸受に関する。
　従来、自動車のＡＢＳシステムの軸受には、ボールベアリングが使用されている。これは、自動車のＡＢＳシステムの軸受が受ける負荷が大きいためである。なお、高価なボールベアリングの代わりに焼結軸受を用いることができればより安価にＡＢＳシステムを構成できるものの、自動車のＡＢＳシステムの軸受が受ける負荷は従来の焼結軸受の使用負荷範囲を超えてしまう場合があるため、用いることが困難である。
　また、自動車のワイパーのモータシステムの軸受には、Ｆｅ－Ｃｕ基焼結軸受が使用されている。これは、自動車のワイパーのモータシステムの小型化が進んだことにより使用される軸受が小さくなり、軸受が受ける負荷が大きくなったためである。しかし、Ｆｅ－Ｃｕ系軸受は、Ｃｕ基焼結軸受よりも強度、硬度に優れるものの、相手シャフトにＦｅ系の材料が用いられると共ガネによる異常摩耗や焼付きが起こる可能性があるため、軸受としての信頼性が不十分であるという問題があった。
　一方、特許文献１には、内燃機関用のバルブガイド等の摺動部材として用いられ、高温、高負荷、低潤滑の環境下で優れた耐摩耗性と耐焼付き性を有するＣｕ基焼結合金が開示されている。
特開平０５－１９５１１７号公報
　特許文献１に開示されたＣｕ基焼結合金は、スピノーダル分解によって硬化を起こす組成のＣｕ－Ｎｉ－Ｓｎ系合金に、素地と密着性の良いＮｉ基硬質粒子と固体潤滑剤のＭｏＳ２を添加することで、耐摩耗性及び耐焼き付性を付与したものである。しかしながら、このＣｕ基焼結合金の製造には高価なＮｉ基硬質粒子が使用されるため、安価に製造することができないというコスト上の問題があった。また、このＣｕ基焼結合金に使用されるＮｉ基硬質粒子はＣｒを含むため、焼結において量産性に優れる連続炉での雰囲気焼結において素地との密着性が必ずしも十分ではなく、安定して耐摩耗性や耐焼付き性の優れた製品が得られないという製造上の問題があった。
　そこで、本発明は、上記の問題を一掃し、自動車のＡＢＳシステムやワイパーのモータシステムの軸受などの高負荷用途に用いることができ、かつ、安価で耐摩耗性や耐焼付き性に優れたＣｕ基焼結含油軸受を提供することを目的とする。
　本発明のＣｕ基焼結含油軸受は、質量％で、５～４０％のＮｉと、３～１５％のＳｎと、０．５～４．０のＰとを含有し、或いはさらに０．３～５．０％の固体潤滑剤を含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなるとともに、素地中にＮｉとＰを主成分とした相が分散した金属組織を有し、かつ、５～２５％の気孔率を有する。
　また、前記固体潤滑剤は、黒鉛、フッ化黒鉛、二硫化モリブデン、窒化ホウ素、フッ化カルシウム、タルクのいずれかである。
　本発明のＣｕ基焼結含油軸受は、質量％で、５～４０％のＮｉと、３～１５％のＳｎと、０．５～４．０のＰとを含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなるとともに、素地中にＮｉとＰを主成分とした相が分散した金属組織を有し、かつ、５～２５％の気孔率を有することで、安価で耐摩耗性に優れたものとなる。或いはさらに０．３～５．０％の固体潤滑剤を含有することで、さらに耐摩耗性に優れたたものとなる。
　また、前記固体潤滑剤は、黒鉛、フッ化黒鉛、二硫化モリブデン、窒化ホウ素、フッ化カルシウム、タルクのいずれかであることにより、潤滑性が付与され、耐摩耗性に優れたものとなる。
Ｃｕ－Ｐ粉末を添加して、Ｃｕ：残部、Ｎｉ：７．７％、Ｓｎ：６．８％、Ｐ：１．２％、Ｃ：１．０％としたときの電子顕微鏡写真である。 Ｎｉ－Ｐ粉末を添加した本発明例２０の電子顕微鏡写真である。 Ｃｕ－Ｐ粉末を添加した本発明例４の電子顕微鏡写真である。 Ｃｕ：残部、Ｎｉ：９％、Ｓｎ：８％、Ｐ：０％、Ｃ：１．０％としたときの電子顕微鏡写真である。
　本発明のＣｕ基焼結含油軸受は、質量％で、５～４０％のＮｉと、３～１５％のＳｎと、０．５～４．０のＰとを含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなるとともに、素地中にＮｉとＰを主成分とした相が分散した金属組織を有し、かつ、５～２５％の気孔率を有する。そして、この組成等により、本発明のＣｕ基焼結含油軸受は、安価で耐摩耗性に優れたものとなる。或いは、本発明のＣｕ基焼結含油軸受は、さらに０．３～５．０％の固体潤滑剤を含有することで、さらに耐摩耗性に優れたたものとなる。
　以下、本発明のＣｕ基焼結含油軸受の組成について、詳細に説明する。なお、以下で説明される含有量は、すべて質量％である。
　（１）Ｎｉ：質量％で５～４０％
　Ｎｉは、Ｐと合金相を形成し、耐摩耗性向上や摩擦係数を低減させる作用がある。また、ＮｉはＣｕ、Ｓｎ、Ｐと素地の固溶体を形成し、軸受の強度を向上させ、時効硬化によりさらに軸受の強度を向上させることもでき、もって軸受の耐摩耗性向上に寄与する。
　Ｎｉ含有量が５％未満では所望の効果が得られず、一方その添加量が４０％を超えても所望の効果向上が無く、かえって原料コストが高くなるので好ましくない。
　（２）Ｓｎ：質量％で３～１５％
　Ｓｎは、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐと素地の固溶体を形成し、軸受の強度を向上させ、時効硬化によりさらに軸受の強度を向上させることもでき、もって軸受の耐摩耗性向上に寄与する。Ｓｎの含有量が３％未満では所望の効果が得られず、一方その含有量が１５％をこえても強度向上に効果がなく、かえって寸法精度が低下するので好ましくない。
　（３）Ｐ：質量％で０．５～４．０％
　Ｐは、Ｎｉと合金相を形成し、耐摩耗性向上や摩擦係数を低減させる作用がある。Ｐ含有量が０．５％未満では所望の効果が得られず、一方その添加量４．０％を超えても所望の効果向上が無く、かえって原料コストが高くなるので好ましくない。
　（４）固体潤滑剤：含有させる場合、質量％で０．３～５．０％
　固体潤滑剤は、軸受に優れた潤滑性を付与し、軸受の耐摩耗性の向上に寄与する。固体潤滑剤として、黒鉛、フッ化黒鉛、二硫化モリブデン、窒化ホウ素、フッ化カルシウム、タルク（Ｍｇ３Ｓｉ４Ｏ１０（ＯＨ）２）のうち少なくとも１種類以上を含有する。なお、タルクは焼結後にエンスタタイト（ＭｇＳｉＯ３）となる。
　固体潤滑剤は、必要に応じて含有させればよいが、固体潤滑剤を含有させる場合は、固体潤滑剤の含有量が０．３％未満では耐摩耗性の向上効果が得られず、その含有量が５％を超えると強度が著しく低下するので好ましくない。
　（５）ＮｉとＰを主成分とした相について
　Ｃｕ－Ｎｉ－Ｓｎ合金粉末に、Ｎｉ－Ｐ合金粉末又はＣｕ－Ｐ合金粉末のいずれか一方、或いはＮｉ－Ｐ合金粉末とＣｕ－Ｐ合金粉末の両方を添加し、７２０～９００℃範囲内の温度で焼結することにより、素地中にＮｉとＰを主成分とした相が分散した金属組織を有するＣｕ基焼結含油軸受が得られる。この金属組織は、素地の部分よりも硬度が高く、軸受の耐摩耗性に寄与する。
　以下、本発明のＣｕ基焼結含油軸受の具体的な実施例について説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。
　（１）Ｃｕ基焼結含油軸受の製作
　原料粉末として、粒径－１００メッシュ以下のＣｕ－Ｎｉ－Ｓｎ合金粉末（Ｎｉ及びＳｎの含有割合は表１に表示）、粒径－２００メッシュのＣｕ－８質量％Ｐ合金粉末、粒径－３５０メッシュのＮｉ－１１質量％Ｐ合金粉末、粒径２００メッシュのＳｎ粉末、及び平均粒径２０μｍの黒鉛粉末等の固体潤滑剤を用意した。これらの原料粉末を表２及び表３に示される成分組成となるように配合し、ステアリン酸亜鉛を０．５％加えてＶ型混合機で２０分間混合し、２００～７００ＭＰａの範囲内の所定の圧力でプレス成形してリング形状の圧粉体を製作した。この圧粉体を、天然ガスと空気を混合し、加熱した触媒に通すことで分解変成させたエンドサーミックガス（吸熱型ガス）雰囲気中で、７２０～９００℃範囲内の所定の温度で焼結し、続いてサイジングを行い、Ｃｕ基焼結合金を得た。なお、得られたＣｕ基焼結合金のうちのいくつかについては、続いて３５０℃×１時間の条件で時効処理を行った。そして、Ｃｕ基焼結合金中に潤滑油を含浸せしめた。以上の工程により、いずれも外径：１８ｍｍ×内径：８ｍｍ×高さ：４ｍｍの寸法のリング形状を有し、表２及び表３に示される組成成分のＣｕ基焼結含油軸受を製作した。
　こうして得られたＣｕ基焼結含油軸受を電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）にて分析したところ、素地中にＮｉとＰを主成分とした相が分散した金属組織を有していることが確認された。また、これらのＣｕ基焼結含油軸受は、素地に５～２５％の割合で気孔が分散していた。
　なお、表１～３中、本発明の範囲内のＣｕ基焼結含油軸受は「本発明例」と表示し、本発明の範囲外のＣｕ基焼結含油軸受は「比較例」と表示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　（２）耐摩耗試験
　得られた上記のリング形状のＣｕ基焼結含油軸受（以下、リング状軸受という。）について耐摩耗試験を行った。それぞれのリング状軸受にＳ４５Ｃのシャフトを挿入した。そして、リング状軸受の外側から、リング状軸受の半径方向（シャフトの軸方向に対して直角方向）に向けて面圧１．５ＭＰａの荷重をかけながら、シャフトを１００ｍ／分で１,０００時間回転させた。その後、リング状軸受の摺動面の最大摩耗深さとＳ４５Ｃシャフトの摺動面の最大摩耗深さを測定し、耐摩耗性を評価した。
　その結果を表２及び表３に示した。
　本発明例におけるリング状軸受の最大摩耗深さは０．００９ｍｍ以下、シャフトの最大摩耗深さは０．００３ｍｍ以下であり、耐摩耗性が極めて高いことが確認された。また、固体潤滑剤を添加しないものより添加したものの方が耐摩耗性が高く、時効処理を行わないものより行ったものの方が耐摩耗性が高いという傾向が見られた。
　一方、比較例におけるリング状軸受の最大摩耗深さは０．０１０～０．１５２ｍｍであり、固体潤滑剤の添加の有無に関わらず、本発明例よりも大幅に耐摩耗性が低かった。
　（３）電子線マイクロアナライザー分析
　上記の方法で製作された本発明例のリング状軸受の断面について、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いて、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｐ、Ｃｕの分布について分析を行った。分析条件は、加速電圧１５ｋＶに設定した。その結果を図１～３に示した。図１は、原料粉末にＣｕ－Ｎｉ－Ｓｎ粉末、Ｃｕ－Ｐ粉末、黒鉛粉末を用いたときの断面組織、図２は、原料粉末にＮｉ－Ｐ粉末を用いた本発明例２０の断面組織、図３は、原料粉末にＣｕ－Ｐを用いた本発明例４の断面組織である。図４は、原料粉末にＣｕ－Ｐ粉末を用い、図３の場合と比較してＰの含有量のみを減少させたときの断面組織である。図中、「ＳＥＩ」と示したのは二次電子像、「ＣＯＭＰＯ」と示したのは反射電子組成像である。原料粉末にＣｕ－Ｐ粉末を用いた場合、Ｎｉ－Ｐ粉末を用いた場合のいずれにおいても、素地中にＮｉとＰを主成分とした相が分散した金属組織が存在することが確認された。なお、図４に示すように、Ｐが０％の場合には、上記金属組織は確認されなかった。

Claims (2)

  1. 質量％で、５～４０％のＮｉと、３～１５％のＳｎと、０．５～４．０％のＰとを含有し、或いはさらに０．３～５％の固体潤滑剤を含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなるとともに、素地中にＮｉとＰを主成分とした相が分散した金属組織を有し、かつ、５～２５％の気孔率を有することを特徴とするＣｕ基焼結含油軸受。
  2. 前記固体潤滑剤は、黒鉛、フッ化黒鉛、二硫化モリブデン、窒化ホウ素、フッ化カルシウム、タルクのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のＣｕ基焼結含油軸受。
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