燒結軸承的制作方法
【專利摘要】利用模具將含有石墨粉和金屬粉的原料粉進行成型，然后進行燒結而得到燒結軸承1，在該燒結軸承1中，使用造粒粉作為石墨粉，并且使軸承面1a中的游離石墨的比例以面積比計為25％～80％。使上述造粒粉的平均粒徑為60μm～500μm。另外，使原料粉中的上述造粒粉的混配比例為3重量％～15重量％。
【專利說明】燒結軸承
【技術領域】
[0001]本發明涉及包含燒結金屬的燒結軸承。
【背景技術】
[0002]燒結軸承由于其優異的靜音性而被廣泛用作用于精密小型電動機的軸承。這種燒結軸承大致分為以銅為主體的銅系、以鐵為主體的鐵系、以銅和鐵為主體的銅鐵系。對于任一種類型的燒結軸承，通常都是使其多孔質組織的孔隙中浸漬有潤滑油后使用。例如作為浸漬有潤滑油的銅鐵系燒結軸承，已知有使用直徑為45 以下的銅系粉末并且將銅的比例和滲透度限定至規定范圍的燒結軸承(參見專利文獻1)。
[0003]現有技術文獻
[0004]專利文獻
[0005]專利文獻1:日本特開2012-67893號公報
【發明內容】
[0006]發明所要解決的問題
[0007]但是，因燒結軸承的使用環境的不同，有時使用潤滑油是不理想的。例如，在復印機或印刷機中，有可能會因從軸承泄露出的潤滑油而污染紙張。另外，在汽車用電氣設備部件中，軸承的周圍有可能形成高溫而導致潤滑油在短時間內劣化或蒸發，損害軸承性能。此夕卜，軸與軸承因潤滑油而電絕緣，由此產生的靜電的帶電有時也會成為問題。
[0008]在這些使用潤滑油是不理想的用途中，考慮使用未浸漬有潤滑油的、即所謂的干式燒結軸承(干式軸承但是，干式軸承總是容易產生潤滑不良，直接使用的情況下，轉速、載荷等使用條件受到很大制約。因此，作為解決方案，考慮增加在原料粉中混配的作為固體潤滑劑的石墨的混配量，強化軸承自身的自潤滑性能。
[0009]但是，石墨粉的比重、粒徑比金屬粉的比重、粒徑小很多(例如比重為金屬粉的1/4左右)，如果增加石墨的混配量，則原料粉整體的流動性相應地降低。即，將原料粉填充于用于成型的模具中，將其進行壓縮而成型出壓粉體時，粉體的落下速度不均勻，有可能因偏析等導致重量、尺寸、密度等產生偏差。另外，難以均勻混合原料粉，這種情況也助長了燒結體中的偏析的產生。此外，含有大量石墨的原料粉難以成塊，因此壓粉體的強度降低，其結果導致容易產生缺損、破裂、裂紋等。
[0010]另外，為了強化金屬粉間的結合強度而在原料粉中添加錫的情況下，原料粉中的石墨的添加量較多時，由于石墨會阻礙錫所帶來的結合金屬粉的功能，因此會招致燒結體強度的降低。
[0011]鑒于上述情況，本發明的目的在于提供高強度且批量生產時的尺寸、軸承性能的偏差小的燒結軸承。
[0012]用于解決問題的手段
[0013]本發明涉及的燒結軸承是利用模具將含有石墨粉和金屬粉的原料粉進行成型然后進行燒結而得到的燒結軸承，其特征在于，使用造粒粉作為石墨粉，并且軸承面中的游離石墨的比例以面積比計為25 %?80 %。
[0014]像這樣使軸承面中的游離石墨的比例以面積比計為25 %?80 %，由此軸承面的潤滑性提高。另外，在未浸漬有潤滑油的干式狀態下也可以得到高潤滑性。
[0015]為了像這樣使軸承面中游離有大量石墨，與現有品相比需要增加石墨粉的混配量，但在這種情況下也可以通過使用石墨的造粒粉(即將石墨的微粉進行造粒而大粒徑化后的粉末)來增大石墨粉每單個顆粒的重量。由此每單個顆粒的石墨粉與金屬粉的重量差減小，因此能夠提高原料粉的流動性。另外，還能夠均勻混合原料粉。因此，可以減小批量生產時因偏析導致的尺寸、軸承性能的偏差，并且也能夠制作形狀復雜的軸承。另外，石墨的存在區域集中，因此與大量石墨分散存在的情況下相比，能夠提高壓粉體強度和燒結體強度。
[0016]上述構成中，上述造粒粉的平均粒徑優選設定為60 μπι?500 μmD
[0017]原料粉末中的石墨的造粒粉的混配比例優選設定為3重量％?15重量％。出于上述問題，現有品中石墨的混配比例不得不小于3重量％，而依靠本發明則能夠混配3重量％以上的石墨粉。因此，如上所述能夠在軸承面的廣大區域中形成石墨組織。
[0018]石墨的造粒粉的表觀密度優選為1.0g/cm3以下。
[0019]如上所述，本發明涉及的燒結軸承能夠用作未浸漬有潤滑油的干式軸承，但也能夠用作浸漬有潤滑油的含油軸承。
[0020]發明效果
[0021]根據本發明，能夠提高軸承面的潤滑性。另外，在批量生產時也能夠抑制偏析所導致的軸承性能、尺寸精度的偏差，并且能夠提高壓粉體和燒結體的強度。另外，還能夠制作具有復雜形狀的燒結軸承，軸承形狀的自由度提高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1是本發明的實施方式涉及的燒結軸承的軸方向截面圖。
[0023]圖2是表示利用模具的壓粉體成型工序的截面圖。
[0024]圖3A是表示作為本發明的實施品的燒結軸承中的軸承面的顯微鏡照片的圖。
[0025]圖3B是表示現有品的燒結軸承中的軸承面的顯微鏡照片的圖。
[0026]圖4是表示拉托拉試驗(rattler test)的結果(拉托拉值(rattler value))的圖。
[0027]圖5是表示徑向抗壓強度的圖。
[0028]圖6是表示成型重量的圖。
[0029]圖7是表示壓粉體長度的圖。
[0030]圖8是表示燒結軸承的內徑面的磨損量的圖。
[0031]圖9是表示燒結軸承的摩擦系數的圖。
【具體實施方式】
[0032]下面，基于附圖對本發明的【具體實施方式】進行說明。
[0033]如圖1所示，本實施方式中，燒結軸承I被形成為在內周具有軸承面Ia的圓筒狀。在該燒結軸承1的內周插入由不銹鋼等形成的軸2，在這種狀態下使軸旋轉或者使燒結軸承1旋轉時，軸2的外周面以可自由旋轉的方式被燒結軸承1的軸承面匕支撐。
[0034]本發明的燒結軸承1如下形成:將混合各種粉末而成的原料粉填充于模具中，對其進行壓縮而成型出壓粉體后，對壓粉體進行燒結，由此形成燒結軸承1。
[0035]本實施方式的燒結軸承1是被稱為所謂的銅鐵系的燒結軸承，作為原料粉，使用以銅粉、鐵粉、低熔點金屬粉和石墨粉為主要成分的混合粉末。該混合粉末中可以根據需要添加各種成型助劑(例如用于提高脫模性的潤滑劑(金屬皂等))。下面，針對燒結軸承1的實施方式，詳細描述其原料粉末和制造步驟。
[0036][銅粉]
[0037]作為銅粉，可以廣泛使用常用于燒結軸承用的球狀或樹枝狀的銅粉，但在本實施方式中，使用電解粉或者水霧化粉。需要說明的是，也可以使用它們的混合粉。銅粉的平均粒徑為例如40 VIII?160賴，表觀密度為例如1.5?3.(^/“。表觀密度的定義依照了132 8901的規定(下同也可以使用扁平銅粉作為銅粉。
[0038]〔鐵粉〕
[0039]作為鐵粉，可以廣泛使用還原鐵粉、水霧化鐵粉等公知的粉末，在本實施方式中，使用還原鐵粉。還原鐵粉為近似球形，同時為不規則形狀且構成多孔質狀，形成在表面具有微小凹凸的海綿狀，因此也稱為海綿鐵粉。作為鐵粉，例如使用平均粒徑為60 V！！！?200 VII1、表觀密度為2.0?3.08八1113的鐵粉。需要說明的是，鐵粉中所含有的氧量為0.2重量％以下。
[0040]〔低熔點金屬粉〕
[0041]低熔點金屬粉是熔點低于燒結溫度的金屬粉，在本發明中，使用熔點為7001:以下的金屬粉(例如錫、鋅、磷等的粉末其中優選燒結時的蒸發少的錫。另外，作為錫粉，使用霧化粉。這些低熔點金屬粉的熔點為7001:以下且熔點低于燒結溫度，并且燒結時的蒸發少。錫粉對銅具有高潤濕性，因此通過混配在原料粉中，可在燒結時進行液相燒結和固相燒結，鐵組織與銅組織之間、銅組織彼此間的結合強度得到強化。
[0042]〔石墨粉〕
[0043]作為石墨粉，使用將石墨的微粉進行造粒而大粒徑化后的石墨造粒粉。作為微粉，使用平均粒徑為40 V！！！以下的鱗狀或球狀的天然石墨粉。造粒后的石墨粉的平均粒徑為60 VIII?500 VIII的范圍、表觀密度為1.08八1113以下。作為用于造粒的粘合劑，例如使用酚醛樹脂。粘合劑的量優選相對于石墨微粉為5重量％?15重量％。
[0044][混配比]
[0045]通過利用公知的混合機將上述各粉末均勻混合，由此得到原料粉。石墨粉相對于原料粉的混配比例為3重量％?15重量％ (優選為5重量％?12重量％ )。原料粉中的低熔點金屬粉的混配比例可以任意設定，例如設定為1重量％?4重量鐵粉與銅粉的混配比例可以在考慮軸承的使用條件、成本后任意設定。
[0046][成型]
[0047]混合后的原料粉被供給至成型機的模具3。如圖2所示，模具3包括芯體3^模31上模沖3(3和下模沖3山在由它們區隔出的腔室中填充原料粉末。使上下模沖3(^3(1接近來壓縮原料粉體時，原料粉末通過由芯體33的外周面、模36的內周面、上模沖3^的端面和下模沖3d的端面構成的成型面來成型，從而得到與燒結軸承I相對應的形狀(本實施方式中為圓筒狀)的壓粉體4。
[0048][燒結]
[0049]然后，壓粉體4在燒結爐中進行燒結。燒結條件設定為石墨中所含有的碳不與鐵發生反應(不產生碳的擴散)的條件。燒結中，超過900°C后碳(石墨)與鐵開始反應，生成珠光體相yFe。若生成珠光體相γ Fe，則在軸承面Ia中游離的石墨組織的量減少，無法實現本發明的目的。另外，珠光體相YFe為硬組織(HV300以上)，對于對偶材料的攻擊性強，因此珠光體相過量析出時，有可能導致軸2的磨損惡化。
[0050]另外，在現有的燒結軸承的制造工序中，作為燒結氣氛，多數情況使用將液化石油氣(丁烷、丙烷等)和空氣混合后利用Ni催化劑進行熱解而得到的吸熱型氣體(RX氣體)。但是，在吸熱型氣體(RX氣體)中，碳有可能發生擴散而使表面硬化。
[0051]從上述觀點出發，在本實施方式中，燒結為900°C以下的低溫燒結，具體而言采用7000C (優選為760°C)?840°C的燒結溫度。另外，燒結氣氛為不含有碳的氣體氣氛(氫氣、氮氣、氬氣等)或者真空。通過這些解決方案，原料粉中碳不與鐵發生反應，因此燒結后的鐵組織全部形成柔軟的鐵素體相aFe(HV200以下)。各種成型助劑、石墨造粒粉中所含有的粘合劑隨著燒結從燒結體內部揮發掉。
[0052]需要說明的是，如果珠光體相(YFe)是散布在鐵素體相(a Fe)的晶界的程度，則對軸2的攻擊性不會大幅提高，另一方面可以得到抑制軸承面Ia的磨損的效果。此處所指的“晶界”是指在鐵素體相之間、鐵素體相與其它顆粒之間形成的晶界以及鐵素體相中的晶界這兩種情況。為了使珠光體相以這種方式存在于鐵素體相的晶界處，將燒結溫度設定為高于上述示例的820°C?900°C，并且使用含有碳的氣體(例如天然氣、吸熱型氣體(RX氣體))作為爐內氣氛進行燒結。由此，燒結時，氣體中所含有的碳可擴散至鐵中形成珠光體相。
[0053]通過經過以上所述的燒結工序，可以得到多孔質的燒結體。通過對該燒結體實施精整(sizing)，由此完成圖1所示的燒結軸承I。本實施方式的燒結軸承由于用作干式軸承，因此在精整后不進行潤滑油的浸漬。如上所述，燒結時使碳不與鐵發生反應，使鐵組織為軟質的鐵素體相，由此燒結體在精整時容易產生塑性流動，能夠進行高精度的精整。
[0054]在本發明中，如上所述使原料粉中的石墨粉的混配比例為3重量％以上，因此能夠在軸承面Ia中按照以面積比計為25%以上的比例形成石墨組織。由此，能夠提高軸承面Ia的自潤滑性，從而提高軸承的潤滑性能和導電性，可以提供即使在高速旋轉、高載荷的條件下也具有高耐久壽命的燒結軸承。另外，也能夠用作在多孔質組織中未浸漬有潤滑油的干式軸承，還能夠在復印機、印刷機(例如磁輥(Magnet Roll))、汽車用電氣設備部件、家庭用電氣化產品、高真空設備等中用于不能使用潤滑油的部位。需要說明的是，在軸承面Ia中游離的石墨組織的面積過剩時，會招致軸承面Ia強度的降低，因此面積比的上限為 80%。
[0055]需要說明的是，軸承面Ia中的面積比的測定可以通過圖像分析來進行。該圖像分析例如如下進行。
[0056](I)利用金屬顯微鏡(株式會社尼康制造的ECLIPSE ME600)進行拍攝(100倍)。
[0057](2)通過株式會社尼康制造的Digital Sigaht DS-U3進行圖像的獲取。
[0058](3)通過株式會社附&011 11181:1~111116111:8 03,8117 制造的犯3-3161116111:8 0 進行圖像處理。
[0059](4)利用數字圖像分析軟件(1111101:6(311株式會社制造的如丨土 61-8111)算出石墨的面積比例。
[0060]此外，本發明中使用造粒粉作為石墨粉，因此能夠增大石墨粉每單個顆粒的重量。由此，每單個顆粒的石墨粉與金屬粉的重量差減小，因此能夠提高原料粉的流動性。另外，還能夠均勻混合原料粉。因此，能夠減小批量生產時因偏析所導致的尺寸、軸承性能的偏差，并且還能夠制作形狀復雜的軸承。另外，多孔質組織中石墨的存在區域集中，因此與大量石墨分散存在的情況相比，能夠提高壓粉體強度和燒結體強度。
[0061]需要說明的是，在上述說明中，作為燒結軸承的示例，列舉了使用銅粉、鐵粉和低熔點金屬粉作為金屬粉的銅鐵系，但本發明并不限于此，本發明也同樣能夠應用于使用銅粉和低熔點金屬粉作為金屬粉的銅系燒結軸承、使用鐵粉和微量的銅粉作為金屬粉的鐵系燒結軸承。
[0062]實施例1
[0063]接著，對于本發明的實施品(下面記為本發明品)，與不使用造粒石墨粉的現有品進行比較來說明。與上述實施方式不同，該本發明品和現有品是銅系燒結軸承。
[0064]圖3八、圖38是將燒結軸承1的軸承面匕放大后的顯微鏡照片，圖3八表示本發明品、圖38表示現有品。兩圖中，亮部表示銅組織(也包括與311的合金部分)，暗部表示石墨組織。微細的暗部是在表面開口的孔隙。可知本發明品中石墨的分布量多于現有品。另外，還可了解到石墨在本發明品中均勻分散。需要說明的是，圖3八中的石墨的面積比為28%，圖38中的石墨的面積比為78%。需要說明的是，用于測定該面積比例的圖像分析使用上述設備和方法。
[0065]圖4表示用于評價壓粉體的強度而進行的拉托拉試驗的結果。在此，拉托拉試驗是指，基于金屬壓粉體的拉托拉試驗法(日本粉末冶金工業協會標準進行測定，使用根據所得到的測定結果算出的值求出試驗片(壓粉體)的易崩解程度(將壓粉體的強度數值化)的方法，所得到的拉托拉值越低則壓粉體越堅固。根據圖4可知，本發明品的拉托拉值低于現有品，因此壓粉體的強度優異，能夠抑制缺損、破裂等。
[0066]圖5表示用于評價壓粉體的強度而測定的徑向抗壓強度。根據圖5可知，本發明品的徑向抗壓強度大于現有品，因此壓粉體的強度優異，能夠抑制缺損、破裂等。
[0067]圖6表示用于評價成型重量的偏差而測定的成型重量的最大值、平均值、最小值。根據圖6可知，本發明品的成型重量的最大值與最小值之差小于現有品，成型重量的偏差小。
[0068]圖7表示用于評價壓粉體長度的偏差而測定的壓粉體長度的平均值、最小值。根據圖7可知，本發明品的壓粉體長度的最大值與最小值之差小于現有品，壓粉體長度的偏差小。
[0069]圖8表示在下述條件的運轉后的軸承內徑面的磨損量。另外，將該條件運轉下的摩擦系數的變化示于圖9中。
[0070]圓周速度…=70/分鐘
[0071]面壓力:？= 21？8
[0072]溫度:100°C
[0073]試驗軸:SUS420J2(HRC = 50、Ra = 0.4 μ m)
[0074]間隙:15μm
[0075]根據圖8可知，與現有品相比，本發明品能夠抑制軸承內徑面的磨損量。另外，根據圖9可知，經過10分鐘后，與現有品相比，本發明品能夠抑制摩擦系數。
[0076]在上述說明中，例示出支撐軸的旋轉運動的軸承作為燒結軸承，但本發明涉及的燒結軸承還能夠用作支撐軸等滑動部件的直線運動的所謂的直線軸承。另外，本發明的燒結軸承不僅用作未浸漬有潤滑油的干式軸承，也能夠用作在精整后浸漬有潤滑油的含油軸承。
[0077]符號說明
[0078]I 燒結軸承
[0079]Ia 軸承面
[0080]2 軸
[0081]3 模具
[0082]4 壓粉體
【權利要求】
1.一種燒結軸承，其是利用模具將含有石墨粉和金屬粉的原料粉進行成型然后進行燒結而得到的燒結軸承，其特征在于，使用造粒粉作為石墨粉，并且軸承面中的游離石墨的比例以面積比計為25 %?80 %。
2.如權利要求1所述的燒結軸承，其中，所述造粒粉的平均粒徑為60μ m?500 μ m。
3.如權利要求1或2所述的燒結軸承，其中，原料粉中的所述造粒粉的混配比例為3重量％?15重量％。
4.如權利要求1?3中任一項所述的燒結軸承，其中，所述造粒粉的表觀密度為1.0g/cm3以下。
5.如權利要求1?4中任一項所述的燒結軸承，該燒結軸承在未浸漬有潤滑油的狀態下使用。
6.如權利要求1?4中任一項所述的燒結軸承，該燒結軸承在浸漬有潤滑油后使用。
【文檔編號】B22F5/00GK104487721SQ201380038414
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2013年7月23日 優先權日:2012年7月26日
【發明者】伊藤容敬, 后藤隆宏 申請人:Ntn株式會社