WO2017199456A1 - 鉄系焼結含油軸受 - Google Patents

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WO2017199456A1
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秀和 徳島
直貴 西澤
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日立化成株式会社
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    • B22F5/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22C—ALLOYS
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/02—Parts of sliding-contact bearings
    • F16C33/04—Brasses; Bushes; Linings
    • F16C33/06—Sliding surface mainly made of metal
    • F16C33/12—Structural composition; Use of special materials or surface treatments, e.g. for rust-proofing

Definitions

  • the present invention relates to an iron-based sintered oil-impregnated bearing having an inner peripheral surface for supporting a shaft, and more particularly, an iron-based material suitable for a bearing that supports a shaft that rotates in the reverse direction, such as a paper feed roller of a copying machine.
  • the present invention relates to a sintered oil-impregnated bearing.
  • Sintered bearings are often used.
  • Sintered alloy is a porous material that can be self-lubricated with impregnated lubricating oil, so sintered oil-impregnated bearings have good seizure resistance and wear resistance, and are fired on metal bases including iron and copper.
  • Oil-impregnated bearings are widely used.
  • the need for bearings mainly composed of iron has increased.
  • the bearing mainly composed of iron has a drawback that it is easy to be seized and a shaft as a counterpart is easily damaged.
  • a bearing mainly composed of iron is used in combination with a shaft that is not heat-treated and has low hardness, it is necessary to cope with the above phenomenon.
  • Patent Document 1 proposes an iron-based sintered oil-impregnated bearing having seizure resistance comparable to that of an iron-copper-based sintered alloy bearing and attack mitigation against a counterpart part.
  • the total composition of the sintered alloy is, by mass ratio, Cu: 2.0 to 9.0%, C: 1.5 to 3.7%, the balance: Fe and inevitable impurities.
  • the copper phase, graphite phase, and pores extending in the direction intersecting the axial direction of the bearing are dispersed in an iron alloy phase composed of 20 to 85% ferrite (area ratio) and the balance of pearlite.
  • the copper phase is exposed at an area ratio of 8 to 40% on the bearing surface.
  • the iron-based sintered bearing of Patent Document 1 has seizure resistance comparable to that of an iron-copper-based sintered oil-impregnated bearing and attack mitigation against a counterpart component, and also has excellent wear resistance.
  • the shaft rotates forward and backward, and the drive time in each of forward rotation and reverse rotation is short. It is difficult to form a good oil film. If the oil lubrication effect and attack mitigation to the counterpart parts are improved so as to be able to cope with a severe operating environment in maintaining such lubricity, it can be applied to a wider range of uses.
  • the present invention further improves the oil lubrication effect of an economically advantageous iron-based sintered oil-impregnated bearing and attack mitigation to the counterpart component, and has excellent retention of an oil film formed between the shaft and the bearing,
  • An object of the present invention is to provide an iron-based sintered oil-impregnated bearing that can be applied to a wide range of uses.
  • the inventors of the present invention have studied the iron-based sintered oil-impregnated bearing to cope with an operating environment in which it is difficult to maintain lubricity. As a result, it has been found that an oil-impregnated bearing capable of exhibiting good lubricating characteristics even in a situation where it is difficult to maintain an oil film between the shaft and the oil-impregnated bearing by adjusting the supply capability of the lubricant.
  • an iron-based sintered oil-impregnated bearing has an iron-based sintered bearing having an inner peripheral surface for supporting a shaft, and the iron
  • the sintered sintered bearing has a total composition of 2.0 to 9.0% Cu, 0.5 to 1.3% C, the balance Fe and inevitable impurities, and has a density of 5. 3 to 5.7 Mg / m 3
  • air permeability is 70 to 200 ⁇ 10 ⁇ 11 cm 2
  • the inner peripheral surface of the iron-based sintered bearing is a copper phase having an area ratio of 8 to 40%. 25 to 55% pores, 1 to 5% graphite phase, and the remaining iron matrix, the iron matrix having a metallographic structure containing ferrite of 20% or more in area ratio .
  • the area occupied by pores having an equivalent circle diameter of 75 ⁇ m or more on the inner peripheral surface of the iron-based sintered bearing is preferably 70% or more with respect to the total pore area. is there. Further, in the inner peripheral surface of the iron-based sintered bearing, the area occupied by pores having an equivalent circle diameter of 75 ⁇ m or more is 70% or more of the total pore area exposed on the inner peripheral surface, and the equivalent circle diameter is 70% or more. More preferably, the area occupied by pores having a diameter of 45 ⁇ m or more and less than 75 ⁇ m is 0.1 to 10%, and the remaining area is occupied by pores having an equivalent circle diameter of less than 45 ⁇ m.
  • the lubricity of iron-based sintered oil-impregnated bearings can be maintained even in harsh operating environments, and it is good even in applications where it is difficult to maintain an oil film that supports a rotating shaft in a reverse direction and reverses the rotating operation in a short time. Since it has a special effect capable of exhibiting lubrication characteristics, the application range of the iron-based sintered oil-impregnated bearing can be expanded to a paper feed roller, a head drive motor, and the like of a copying machine.
  • the ability to supply lubricating oil to the sliding surface (that is, the inner peripheral surface of the bearing) and the sliding surface It is important to balance the oil film retention.
  • the oil film formed between the bearing inner peripheral surface and the shaft is difficult to hold. It is considered that the oil film can be easily retained when the balance is shifted so as to strengthen.
  • the air permeability and density of the sintered bearing directly connected to the lubricating oil supply capacity are specified.
  • the metal structure of the sintered bearing is designed so as to have an air permeability and a pore size distribution that can achieve both the supply capability of the lubricating oil and the retention of the oil film according to the use environment of the bearing.
  • the iron-based sintered oil-impregnated bearing of the present invention has an overall composition in terms of mass ratio of Cu: 2.0 to 9.0%, C: 0.5 to 1.3%, the balance: iron comprising Fe and inevitable impurities
  • Mainly has a sintered system bearing.
  • iron-based sintered bearings iron powder, copper powder and carbon powder are mixed in the above composition ratio, and if necessary, a mixed lubricant such as stearate is mixed to prepare a mixed powder. It is obtained by compacting into a bearing shape using the raw powder and sintering the compact.
  • An iron-based sintered oil-impregnated bearing obtained by impregnating an iron-based sintered bearing with lubricating oil supports a rotating shaft on the inner peripheral surface and functions as a bearing.
  • the iron-based sintered bearing is composed of an iron base, and the iron base has a mixed structure of ferrite phase and pearlite phase or a single-phase structure of ferrite.
  • the composition of the sintered bearing is adjusted to the above range by blending when preparing the raw material powder so that the area ratio of the ferrite phase at the iron base of the iron-based sintered bearing is 20% or more.
  • Reduced iron powder is used as the iron powder that is a raw material for the iron base, and an average particle diameter of about 75 to 150 ⁇ m is preferably used, and a powder of about 100 ⁇ m is particularly preferable.
  • Patent Document 1 is used for compacting the green compact so that the copper powder is concentrated near the inner peripheral surface of the bearing. Specifically, by introducing Cu in the form of a flat copper powder, when the raw material powder falls in the die cavity, the flat copper powder clings around the core rod, The copper powder is stuck.
  • An iron-based sintered oil-impregnated bearing can be prepared so that the copper phase is in the range of 8 to 40% in terms of area ratio with respect to the entire inner peripheral surface.
  • a flat copper powder having a particle size of about 20 to 150 ⁇ m can be preferably used. The copper powder having a small particle size easily enters the gap between the iron particles, and the excessive copper powder is less likely to be ubiquitous around the core rod.
  • the ratio of the particle diameter to the thickness is preferably about 2.5 to 20.
  • the amount of C in the overall composition is set to 0.5% by mass or more so that the amount of the graphite phase exposed to the inner peripheral surface of the bearing is 1% or more in terms of the area ratio with respect to the inner peripheral surface.
  • the shaft to be supported rotates in both forward and reverse directions, and each drive time for forward and reverse rotation is short.
  • the graphite tends to fall off from the inner peripheral surface of the bearing due to friction. Therefore, the amount of C in the overall composition is limited to 1.3% by mass or less so that the amount of the graphite phase exposed to the bearing inner peripheral surface is 5% or less in terms of the area ratio with respect to the bearing inner peripheral surface.
  • Use of graphite powder having an average particle size of about 40 to 80 ⁇ m is preferable in terms of diffusion to the base and sliding properties.
  • An iron-based sintered bearing is obtained by sintering the green compact obtained by compacting the raw material powder prepared as described above into a bearing shape in a die cavity.
  • the sintering temperature is preferably set to about 950 to 1030 ° C. If the sintering temperature is low, the amount of ferrite in the iron base becomes excessive and the hardness is insufficient, and the amount of wear when used as a bearing Will increase. When the sintering temperature is high, the amount of pearlite increases and becomes too hard, the amount of wear of the shaft when used as a bearing increases, and the amount of wear of the bearing itself also increases.
  • a non-oxidizing gas such as a hydrogen / nitrogen mixed gas, a decomposed ammonia gas, or a modified gas is used.
  • the obtained iron-based sintered bearing can be appropriately sized and impregnated with lubricating oil to obtain an iron-based sintered oil-impregnated bearing.
  • the higher the air permeability (permeability, unit: 1D (darcy) ⁇ 10 ⁇ 12 m 2 10 ⁇ 8 cm 2 ) of the sintered bearing, the higher the lubricating oil supply capability.
  • the air permeability of the sintered bearing depending on the application so that a suitable supply of lubricating oil and pressure of the oil film can be obtained.
  • This can be adjusted by the density of the sintered bearing. In an operating environment in which a forward and reverse rotating shaft is supported and the forward and reverse driving times are short, the density is 5.3 to 5.7 Mg / m 3 and the air permeability is 70 to 200 ⁇ 10 ⁇ 11.
  • a sintered bearing may be prepared so as to be in the range of cm 2 . The density of the sintered bearing can be adjusted to a desired value by adjusting the compression rate at the time of compacting by changing the filling amount of the raw material powder charged into the molding cavity.
  • the pores formed in the bearing inner peripheral surface It is preferable to prepare the sintered bearing so that the area ratio is 25 to 55%. For this purpose, adjustment of the particle size distribution of the powder used as a raw material and final compression processing (sizing, coining) after sintering can be used, and pores opened on the surface can be reduced by final compression processing. it can.
  • the size and amount of pores in iron-based sintered oil-impregnated bearings Although related to the above-mentioned density and air permeability, in iron-based sintered oil-impregnated bearings, large pores contribute to the lubricating oil supply capacity, but at the same time, it acts disadvantageously in oil retention and maintains good lubricating characteristics. It becomes difficult.
  • the small pores dispersed in the iron base increase the oil impregnation capacity on the inner peripheral surface of the bearing and contribute to the improvement of the oil retention of the oil film formed on the shaft and the inner peripheral surface of the bearing.
  • the amount of large pores for supplying the lubricating oil and the amount of small pores dispersed in the iron base are adjusted to provide the lubricating oil supply capability. It is preferable to balance oil retention.
  • the size of the pores is evaluated by an equivalent circle diameter (area equivalent circle diameter: Heywood diameter).
  • the equivalent circle diameter is the diameter of a perfect circle when converted into a perfect circle having an area equal to the area to be measured, and is determined using commercially available image analysis software based on an image observed with an optical microscope. Can do.
  • large pores that is, pores having an equivalent circle diameter of 75 ⁇ m or more are 70% or more with respect to the entire pore area exposed on the bearing inner peripheral surface, and the remaining pores are small pores, that is, The pores preferably have a circle equivalent diameter of less than 75 ⁇ m.
  • the iron-based sintered oil-impregnated bearing of the present invention has a circle equivalent diameter of 75 ⁇ m or more, accounting for 70% or more of the total pore area, and a circle equivalent diameter of 45 ⁇ m or more and 75 ⁇ m.
  • the pores having a circle equivalent diameter occupy 0.1 to 10% of the total pore area, and the pore area having an equivalent circle diameter of less than 45 ⁇ m occupies the remaining pore area.
  • the lubricating oil impregnated in the iron-based sintered bearing can be appropriately selected from various lubricating oils in consideration of the application and the operating environment, for example, one kind from mineral oil, synthetic hydrocarbon oil, ester oil, etc. Alternatively, two or more kinds may be used in combination. In general, lubricating oils having an ISO viscosity grade of VG 50 to 150 are preferably used.
  • the raw material powder was prepared by adding and mixing 0.6 mass part.
  • the raw material powder is put into a circular tube-shaped cavity, compression-molded into a cylindrical green compact having a cylindrical inner peripheral surface, the obtained green compact is sintered and sized, and iron A sintered system bearing was obtained.
  • Sintering was performed by heating to 1000 ° C. in a decomposed ammonia gas atmosphere, and sizing was performed by an ordinary method to such an extent that sealing by plastic flow did not progress on the inner peripheral surface.
  • the median density of the bearing is set to 5.5 Mg / m 3 and the center of effective porosity is Based on the condition that the value is 29%, the pressurizing operation at the time of molding is set, and the amount of the raw material powder to be filled in the cavity is adjusted so that the density shown in Table 1 is obtained.
  • a sintered oil-impregnated bearing was produced.
  • the sintered oil-impregnated bearing samples of Sample Nos. 6 to 14 were produced by changing the bearing density to be 5.5 Mg / m 3 and changing the allowance of the sizing pin to the inner diameter of the bearing during sizing.
  • a plurality of sintered bearing samples were prepared for measurement and testing.
  • the pores of the sintered bearing were impregnated with lubricating oil (mineral oil viscosity grade ISO VG68) to obtain sintered oil-impregnated bearing samples of sample numbers 1 to 14 and used as test samples in the following tests.
  • lubricating oil mineral oil viscosity grade ISO VG68
  • the motor was installed so that the rotating shaft was horizontal, and a shaft made of high-frequency quenching carbon steel S45C was attached to the rotating shaft of the motor.
  • This shaft was inserted with a gap in the inner diameter of the sintered oil-impregnated bearing sample attached to the housing, and a bearing test was conducted by rotating the shaft forward and backward with a vertical load applied to the housing.
  • the rotation speed of the shaft was set to 3000 rpm
  • the load surface pressure was set to 1 MPa
  • the operation was performed for 20 minutes
  • the coefficient of friction after the operation was measured.
  • Table 1 to 4 The evaluation results of the sintered oil-impregnated bearing samples of sample numbers 1 to 4 are shown in Table 1, and the evaluation results of the sintered oil-impregnated bearing samples of sample numbers 5 to 14 are shown in Table 2.
  • the sintered oil-impregnated bearing samples of sample numbers 1 to 4 in Table 1 From the results of the sintered oil-impregnated bearing samples of sample numbers 1 to 4 in Table 1, the sintered oil-impregnated bearing samples of sample numbers 2 and 3 all fall within the low friction coefficient range of 0.11 to 0.12, and the metal The occurrence of contact is prevented. On the other hand, the sintered oil-impregnated bearing samples of sample numbers 1 and 4 are both 0.16 or more, and it is considered that metal contact has occurred. That is, in sample numbers 2 and 3, it can be said that the balance between the supply of the lubricating oil and the oil film retention is good.
  • the density in the range of 5.3 to 5.7 Mg / m 3 and the air permeability in the range of 70 to 200 ⁇ 10 ⁇ 11 cm 2 can be reduced. it can.
  • both of the sintered oil-impregnated bearing samples of sample numbers 6 and 7 fall within the low friction coefficient range of 0.12 to 0.13.
  • the sintered oil-impregnated bearing samples of Sample Nos. 5 and 8 are both 0.17 or more, and it is considered that metal contact has occurred.
  • the sintered bearing in which the area ratio of the pores is in the range of 25 to 55% the supply of the lubricating oil and the oil film retention are good, the occurrence of the gold contact is suitably suppressed, and the friction coefficient is reduced. Can do.
  • the sintered oil-impregnated bearing sample of sample number 10 has a low coefficient of friction of 0.13 and prevents metal contact.
  • the number 09 sintered oil-impregnated bearing sample is 0.17, and it is considered that metal contact has occurred.
  • occurrence of gold contact is suitably suppressed, and the friction coefficient is reduced. be able to.
  • the sintered oil-impregnated bearing samples of sample numbers 12 and 13 have a low coefficient of friction of 0.12 to 0.13, which prevents the occurrence of metal contact.
  • the sintered oil-impregnated bearing samples of Sample Nos. 11 and 14 are as high as 0.16, and it is considered that metal contact has occurred.
  • the occurrence of the gold contact is suitably suppressed.
  • the friction coefficient can be reduced.

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Abstract

耐摩耗性および相手部品への攻撃緩和性が向上した鉄系焼結含油軸受を提供する。軸を支持するための内周面を有する鉄系焼結軸受は、全体組成が、質量比で、Ｃｕ：２．０～９．０％、Ｃ：０．５～１．３％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなる。密度は５．３～５．７Ｍｇ／ｍ３であり、通気度は７０～２００×１０－１１ｃｍ２である。軸受内周面は、面積率で、銅相：８～４０％、気孔：２５～５５％、黒鉛相：１～５％、および残部：鉄基地からなり、鉄基地は、面積率で２０％以上のフェライトを含んだ金属組織構造を有する。正逆に回転する軸を支承し、短い駆動時間で反転を繰り返すような、軸と軸受の間に良好な油膜を形成し難い用途に適用可能である。

Description

鉄系焼結含油軸受
　本発明は、軸を支承するための内周面を有する鉄系焼結含油軸受に関し、特に、複写機の紙送りローラ等のような正逆に回転する軸を支承する軸受に適した鉄系焼結含油軸受に関する。
　軸受には、従来から焼結合金製のものが多用されている。焼結合金は、含浸した潤滑油によって自己潤滑性を付与できる多孔質素材であるため、焼結含油軸受は、耐焼付き性と耐摩耗性が良好で、鉄や銅等を含む金属基地の焼結含油軸受が広く用いられている。近年、銅の価格が高騰しているため、鉄を主成分とする軸受のニーズが高まってきている。しかし、鉄を主成分とする軸受は、焼付き易く、また、相手部品であるシャフトを傷付け易いという欠点がある。特に、熱処理を施しておらず硬さが低いシャフトと組み合わせて、鉄を主成分とする軸受を用いる場合、上記の現象への対応が必要となる。
　このような状況の下、下記特許文献1においては、鉄銅系焼結合金軸受に匹敵する耐焼付き性および相手部品への攻撃緩和性を有する鉄系焼結含油軸受が提案されている。この鉄系焼結含油軸受において、焼結合金の全体組成は、質量比で、Ｃｕ：２．０～９．０％、Ｃ：１．５～３．７％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなる。軸受の内部は、フェライトが２０～８５％（面積率）および残部がパーライトからなる鉄合金相中に、軸受の軸方向に対して交差する方向に延在する銅相、黒鉛相および気孔が分散する金属組織を有し、軸受面には、銅相が８～４０％の面積率で露出する。
特開２０１０－０７７４７４号公報
　特許文献１の鉄系焼結軸受は、鉄銅系焼結含油軸受に匹敵する耐焼付き性および相手部品への攻撃緩和性を有すると共に、優れた耐摩耗性を有する。しかし、複写機の紙送りローラやヘッド駆動モータ等に適用すると、軸が正逆に回転し、正転及び逆転の各々における駆動時間が短いので、軸を支承する含油軸受において軸と軸受の間に良好な油膜を形成し難い。このような潤滑性の維持において厳しい動作環境にも対応が可能になるように油潤滑効果及び相手部品への攻撃緩和性が向上されれば、より広範な用途への適用が可能になる。
　本発明は、経済的に有利な鉄系焼結含油軸受の油潤滑効果および相手部品への攻撃緩和性を更に向上させて、軸と軸受との間に形成される油膜の保持性に優れ、広範な用途への適用が可能な鉄系焼結含油軸受を提供することを目的とする。
　本発明者らは、鉄系焼結含油軸受について、潤滑性の維持が難しい動作環境に対応するための検討を行った。この結果、潤滑油の供給能力を調整して、軸と含油軸受の間に油膜を維持し難い状況でも良好な潤滑特性を発揮できる含油軸受を実現し得ることを見出した。
　本発明は、上記知見によるものであり、本発明の一態様によれば、鉄系焼結含油軸受は、軸を支持するための内周面を有する鉄系焼結軸受を有し、前記鉄系焼結軸受は、質量比で、２．０～９．０％のＣｕ、０．５～１．３％のＣ、残部のＦｅおよび不可避不純物からなる全体組成を有し、密度が５．３～５．７Ｍｇ／ｍ3であって、通気度が７０～２００×１０-11ｃｍ2であり、前記鉄系焼結軸受の内周面は、面積率で、８～４０％の銅相、２５～５５％の気孔、１～５％の黒鉛相、および、残部の鉄基地からなり、前記鉄基地は、面積率で２０％以上のフェライトを含む金属組織構造を有することを要旨とする。
　上記鉄系焼結含油軸受は、前記鉄系焼結軸受の内周面において、円相当径が７５μｍ以上である気孔が占める面積は、全気孔の面積に対して７０％以上であると好適である。又、前記鉄系焼結軸受の内周面において、内周面に露出する全気孔の面積に対して、円相当径が７５μｍ以上である気孔が占める面積は７０％以上であり、円相当径が４５μｍ以上で７５μｍ未満である気孔が占める面積は０．１～１０％であり、残りの面積は、円相当径が４５μｍ未満である気孔によって占められると、更に好適である。
　鉄系焼結含油軸受の潤滑性が、厳しい動作環境においても維持可能になり、正逆に回転する軸を支承して短時間で回転動作を反転させるような油膜を維持し難い用途でも良好な潤滑特性を発揮し得る格別な効果を有するので、鉄系焼結含油軸受の適用範囲を、複写機の紙送りローラやヘッド駆動モータ等へ拡大することができる。
　鉄系焼結含油軸受における油潤滑性および相手部品への攻撃緩和性を更に向上させる手法として、摺動面（つまり、軸受内周面）に潤滑油を供給する供給能力と、摺動面での油膜の保持性とを両立させることが肝要である。回転軸が正逆の両方に回転して正転及び逆転の駆動時間が短い動作環境においては、軸受内周面と軸との間に形成される油膜が保持し難いので、潤滑油の供給を強化するようにバランスを移行すると油膜を保持し易くなると考えられる。これに従って、潤滑油の供給能力に直結する焼結軸受の通気度および密度が特定される。更に、軸受内周面に露出する気孔の状態に着目して、内周面への潤滑油の供給と油膜保持とを両立し易い気孔径の分布が特定される。このようにして、軸受の使用環境に応じて、潤滑油の供給能力と油膜保持との両立が可能な通気度及び気孔径分布を有するように焼結軸受の金属組織構造が設計される。
［鉄系焼結含油軸受の全体組成および軸受内周面の金属組織］
　本発明の鉄系焼結含油軸受は、全体組成が、質量比で、Ｃｕ：２．０～９．０％、Ｃ：０．５～１．３％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなる鉄系焼結軸受を主体として有する。鉄系焼結軸受は、鉄粉、銅粉及び炭素粉を上記組成割合で混合し、必要に応じてステアリン酸塩等の成形潤滑剤を配合して混合粉末を用意し、これを成形用の原料粉末として用いて軸受の形状に圧粉成形して、成形した圧粉体を焼結することによって得られる。鉄系焼結軸受に潤滑油を含浸させて得られる鉄系焼結含油軸受は、内周面において回転軸を支持して軸受けとして機能する。
　鉄系焼結軸受は、鉄基地によって構成され、鉄基地は、フェライト相とパーライト相の混合組織構造またはフェライトの単相組織構造である。鉄系焼結軸受において、鉄基地中にパーライト相よりも硬さの低いフェライト相が多く分散すると、相手部品の攻撃を緩和する上で有利である。この観点から、本発明においては、鉄系焼結軸受の鉄基地におけるフェライト相の面積率が２０％以上となるように、原料粉末調製時の配合によって焼結軸受の組成を上記の範囲に調整する。鉄基地の原料である鉄粉として還元鉄粉が用いられ、７５～１５０μｍ程度の平均粒径のものが良好に使用され、特に１００μｍ程度のものが好適である。
　Ｃｕ（銅）は、焼結時に軟質な銅相として鉄基地中に分散して、鉄系焼結含油軸受の馴染み性、相手材攻撃性の緩和に寄与する。しかし、全体組成中のＣｕ量が増加すると、その分、原料コストが増加する。このため、本発明の鉄系焼結含油軸受においては、軸受の内周面付近に銅粉末が集中するように、圧粉体の成形に関して前記特許文献１の技術を利用する。具体的には、Ｃｕを扁平状の銅粉の形態で導入することによって、原料粉末がダイキャビティ内を落下する際に、コアロッドの周囲に扁平状の銅粉がまとわり付いて、コアロッドに銅粉が張り付いた状態となる。従って、ダイキャビティ内の原料粉末を圧粉成形すると、圧粉体の内周面に銅粉が集中的に存在する。つまり、Ｃｕ原料として扁平状の銅粉を用いると、原料粉末に含まれるＣｕ量が少なくても、軸受内周面に露出する銅相の量を確保することが可能である。従って、全体組成中のＣｕ量が少なくても、摺動特性が求められる軸受内周面に露出する銅相の量が軸受内部に比べて多くなるので、軸受内部及び全体組成中のＣｕ量を削減して原料費用を抑制しつつ銅による馴染み性を享受することができる。このように、特許文献１の技術を利用することにより、鉄系焼結軸受の全体組成中のＣｕ量が質量比で２．０～９．０％であっても、内周面においては、銅相が内周面全体に対して面積率で８～４０％の範囲となるように、鉄系焼結含油軸受を調製することができる。扁平状の銅粉は、粒径が２０～１５０μｍ程度のものを好適に用いることができる。粒径が小さい銅粉は、鉄粒子間の間隙に入り易く、過大な銅粉は、コアロッド周囲に遍在し難くなる。粒子径と厚さとの比は、２．５～２０程度であると好適である。
　Ｃ(炭素）は、焼結時に一部が鉄基地に拡散して鉄基地中のパーライト相の形成に寄与し、残部は固体潤滑剤として機能しつつ遊離黒鉛相として金属組織中（主として気孔中）に分散し、内周面において軸との摩擦を緩和する。この効果を得るため、軸受内周面に露出する黒鉛相の量が内周面に対する面積率で１％以上になるように、全体組成におけるＣ量は０．５質量％以上に設定される。一方、複写機等の紙送りローラやプリンタヘッド駆動モータ等においては、支承する軸が正逆両方に回転して正転及び逆転の各駆動時間が短く、このような用途においては、軸との摩擦によって軸受内周面から黒鉛が脱落し易い。故に、軸受内周面に露出する黒鉛相の量が軸受内周面に対する面積率で５％以下になるように、全体組成におけるＣ量を１．３質量％以下に制限する。平均粒径が４０～８０μｍ程度の黒鉛粉末を使用すると、基地への拡散や摺動特性等の点において好適である。
　上述のように調製した原料粉末をダイキャビティ内で軸受の形状に圧粉成形して得られる圧粉体を焼結することによって、鉄系焼結軸受が得られる。焼結温度は、９５０～１０３０℃程度に設定することが好ましく、焼結温度が低いと、鉄基地中のフェライトの量が過剰になって硬さが不足し、軸受として用いた時の摩耗量が増加する。焼結温度が高いと、パーライトの量が増えて過度に硬くなり、軸受として用いた時の軸の摩耗量が増加して、軸受自体の摩耗量も増加する。焼結雰囲気ガスとしては、水素／窒素混合ガス、分解アンモニアガス、変成ガスなどの非酸化性ガスが用いられる。得られた鉄系焼結軸受は、適宜サイジングを施して潤滑油を含浸させることによって、鉄系焼結含油軸受を得ることができる。
［鉄系焼結軸受の密度および通気度］
　焼結含油軸受は、焼結軸受の通気度（permeability、単位：１Ｄ(darcy)≒１０-12ｍ2＝１０-8ｃｍ2）が高いほど、潤滑油の供給能力が高くなるが、その一方で、通気度が高過ぎると、軸と軸受内周面の間に形成される油膜の圧力がリークし易くなり、保油性が悪化して良好な潤滑特性を得ることができなくなる。このため、焼結軸受の通気度は、好適な潤滑油の供給と油膜の圧力が得られるように、用途に応じて調整することが肝要である。これは、焼結軸受の密度によって調整することができる。正逆に回転する軸を支承し、正転及び逆転の各駆動時間が短い動作環境の用途においては、密度が５．３～５．７Ｍｇ／ｍ3、通気度が７０～２００×１０-11ｃｍ2の範囲になるように焼結軸受を調製するとよい。焼結軸受の密度は、成形用キャビティに投入する原料粉末の充填量を変化させて圧粉成形時の圧縮率を調整することによって、所望の値に調節することができる。
　正逆に回転する軸を支承し、正転及び逆転の各駆動時間が短い動作環境の用途における潤滑特性をさらに向上させるには、軸受内周面に形成される気孔が、軸受内周面に対する面積率で２５～５５％であるように焼結軸受を調製することが好ましい。このために、原料として使用する粉末の粒度分布の調整、及び、焼結後の最終圧縮加工（サイジング、コイニング）を利用することができ、最終圧縮加工によって表面に開口する気孔を縮小することができる。
［鉄系焼結含油軸受の気孔の大きさ及びその量］
　上記の密度および通気度とも関連するが、鉄系焼結含油軸受において、大きな気孔は潤滑油の供給能力に寄与するが、同時に、保油性においては不利に作用し、良好な潤滑特性の維持が難しくなる。一方、鉄基地中に分散する小さな気孔は、軸受内周面における含油能力を高め、軸と軸受内周面に形成される油膜の保油性向上に寄与する。
　この観点から、本発明の鉄系焼結含油軸受においては、潤滑油の供給のための大きな気孔の量と、鉄基地中に分散する小さな気孔の量を調整して、潤滑油の供給能力と保油性のバランスをとることが好ましい。この点に関し、本発明では、気孔の大きさを円相当径（面積円相当径：Heywood径）によって評価する。円相当径は、測定される面積と等しい面積を有する真円に変換した時の真円の直径であり、光学顕微鏡によって観察した画像に基づいて、市販の画像分析ソフトウエアを用いて決定することができる。具体的には、大きな気孔、すなわち、円相当径が７５μｍ以上である気孔が、軸受内周面に露出する気孔全体の面積に対して７０％以上となり、残部の気孔は、小さい気孔、すなわち、円相当径が７５μｍ未満の気孔であることが好ましい。
　本発明の鉄系焼結含油軸受において、鉄系焼結含油軸受は、円相当径が７５μｍ以上である気孔が気孔全体の面積に対して７０％以上を占め、円相当径が４５μｍ以上且つ７５μｍ未満である気孔が気孔全体の面積に対して０．１～１０％を占め、残部の気孔面積を円相当径が４５μｍ未満である気孔が占めることが好ましい。
　鉄系焼結軸受に含浸する潤滑油は、用途及び動作環境を勘案して各種潤滑油から適宜選択して使用することができ、例えば、鉱物油、合成炭化水素油、エステル油などから１種又は２種以上を組み合わせて使用して良い。概して、ＩＳＯ粘度グレードがＶＧ５０～１５０の潤滑油が好適に用いられる。
　以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。
（１）軸受の作製
　鉄系焼結軸受を作製するために、下記の粉末を用意した。
　１．鉱石還元鉄粉（平均粒径：１００μｍ）
　２．銅箔粉（平均粒径：５０μｍ）
　３．天然黒鉛粉（平均粒径：６０μｍ）
　４．ステアリン酸亜鉛
　上記の鉄粉末９３．５質量部に、銅粉５質量部、黒鉛粉１．５質量部を添加し、これらを合わせた１００質量部の混合粉末に対して、成形潤滑剤としてステアリン酸亜鉛粉末０．６質量部を添加して混合することにより、原料粉末を用意した。
　上記原料粉末を、円管形状のキャビティに投入して、円筒形の内周面を有する円管状の圧粉体に圧縮成形し、得られた圧粉体の焼結およびサイジングを行って、鉄系焼結軸受を得た。焼結は、分解アンモニアガス雰囲気中、１０００℃に加熱して行い、サイジングは、通常の方法により、内周面において塑性流動による封孔が進まない程度に行った。なお、５．１～５．９Ｍｇ／ｍ３の範囲で密度が異なる同一寸法の焼結軸受を作成するために、軸受の密度の中央値を５．５Ｍｇ／ｍ３とし、有効多孔率の中央値を２９％とする条件に基づいて、成形時の加圧動作を設定し、表1に示す密度になるように、キャビティへ充填する原料粉末の量を調整して、試料番号１～４の焼結含油軸受を作製した。また、試料番号６～１４の焼結含油軸受試料は、軸受の密度は５．５Ｍｇ／ｍ３一定とし、サイジング時に軸受の内径へのサイジングピンの当て代を変えて作製した。各試料番号について、測定用及び試験用に複数の焼結軸受試料を作製した。
　そして、焼結軸受の気孔に潤滑油（鉱物油　粘度グレードＩＳＯ　ＶＧ６８）を含浸させて、試料番号１～１４の焼結含油軸受試料を得て、試験用試料として以下の試験に用いた。
（２）評価
　各試料番号について、サイジング前の焼結体の通気度を測定し、サイジング後に軸受を軸方向に分割して、内周面を光学顕微鏡により観察し、画像分析ソフトウエア（イノテック株式会社製Quick Grain Standard Video）を用いて、内周面の画像から気孔の面積率を求めた。更に、画像中の各気孔について、各気孔の面積から円相当径を算出し、算出した円相当径に基づいて気孔の分布割合を決定した。
　また、試験用の焼結含油軸受試料を、軸方向が水平になるようにハウジングに取り付けた。更に、モータを回転軸が水平になるように設置して、高周波焼き入れした炭素鋼Ｓ４５Ｃ製のシャフトをモータの回転軸に取り付けた。このシャフトを、ハウジングに取り付けた焼結含油軸受試料の内径に隙間を持たせて挿入し、ハウジングに鉛直方向の荷重を与えた状態でシャフトを正逆回転させて軸受試験を行った。軸受試験では、シャフトの回転数を３０００ｒｐｍとし、負荷面圧を１ＭＰａとして２０分の運転を行い、運転終了後の摩擦係数を測定した。試料番号１～４の焼結含油軸受試料の評価結果を表１に、試料番号５～１４の焼結含油軸受試料の評価結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１の試料番号１～４の焼結含油軸受試料の結果より、試料番号２、３の焼結含油軸受試料は、いずれも摩擦係数が０．１１～０．１２の低い範囲に収まり、金属接触の発生が防止されている。これに対し、試料番号１および４の焼結含油軸受試料は、いずれも０．１６以上となっており、金属接触が発生しているものと考えられる。つまり、試料番号２，３においては、潤滑油の供給と油膜保持のバランスが良好であると言える。従って、密度を５．３～５．７Ｍｇ／ｍ３、通気度を７０～２００×１０－１１ｃｍ２の範囲に設定することで、金属接触の発生を抑制し、摩擦係数を低減することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２の試料番号５～８の焼結含油軸受試料の結果より、試料番号６、７の焼結含油軸受試料は、いずれも摩擦係数が０．１２～０．１３の低い範囲に収まり、金属接触の発生が防止されているが、試料番号５および８の焼結含油軸受試料は、いずれも０．１７以上となっており、金属接触が発生しているものと考えられる。このように気孔の面積率が２５～５５％の範囲にある焼結軸受では、潤滑油の供給及び油膜保持が良好であり、金接接触の発生が好適に抑制され、摩擦係数を低減することができる。
　表２の試料番号９～１０の焼結含油軸受試料の結果より、試料番号１０の焼結含油軸受試料は、摩擦係数が０．１３と低く、金属接触の発生が防止されているが、試料番号０９の焼結含油軸受試料は、０．１７となっており、金属接触が発生しているものと考えられる。このように、内周面において円相当径が７５μｍ以上の大きい気孔が面積率で全気孔の７０％以上を占める焼結軸受では、金接接触の発生が好適に抑制され、摩擦係数を低減することができる。
　表２の試料番号１１～１４の結果より、試料番号１２および１３の焼結含油軸受試料は、摩擦係数が０．１２～０．１３と低くなっており、金属接触の発生が防止されているが、試料番号１１および１４の焼結含油軸受試料は、０．１６と高くなっており、金属接触が発生しているものと考えられる。このように、円相当径が４５～７５μｍの中程度の大きさの気孔が、面積率で、全気孔の０．１～１０％を占める焼結軸受では、金接接触の発生が好適に抑制され、摩擦係数を低減することができる。
　正逆に回転する軸を支承し、短時間の駆動で反転するような、軸と含油軸受の間に良好な油膜を形成し難い用途においても、良好な潤滑特性を発揮するので、複写機等の紙送りローラや、ヘッド駆動モータ等のような厳しい動作環境で使用される軸受に適用可能である。

Claims (3)

  1. 　軸を支持するための内周面を有する鉄系焼結軸受を有し、
    　前記鉄系焼結軸受は、質量比で、２．０～９．０％のＣｕ、０．５～１．３％のＣ、残部のＦｅおよび不可避不純物からなる全体組成を有し、密度が５．３～５．７Ｍｇ／ｍ3であって、通気度が７０～２００×１０-11ｃｍ2であり、
    　前記鉄系焼結軸受の内周面は、面積率で、８～４０％の銅相、２５～５５％の気孔、１～５％の黒鉛相、および、残部の鉄基地からなり、
    　前記鉄基地は、面積率で２０％以上のフェライトを含む金属組織構造を有する鉄系焼結含油軸受。
  2. 　前記鉄系焼結軸受の内周面において、円相当径が７５μｍ以上である気孔が占める面積は、全気孔の面積に対して７０％以上である請求項１記載の鉄系焼結含油軸受。
  3. 　前記鉄系焼結軸受の内周面において、全気孔の面積に対して、円相当径が７５μｍ以上である気孔が占める面積は７０％以上であり、円相当径が４５μｍ以上で７５μｍ未満である気孔が占める面積は０．１～１０％であり、残りの面積は、円相当径が４５μｍ未満である気孔によって占められる請求項１または２に記載の鉄系焼結含油軸受。
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