CN111051552A - 烧结含油轴承 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型的烧结含油轴承，其在汽车的电装用马达输出轴或雨刷马达等的处于高负荷、且受到来自由于振动的轴的击打的苛刻的使用条件下，耐磨性和性价比均优异。本发明的烧结含油轴承含有15～30质量％的Cu、1～4质量％的C，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成，且至少在轴承表面具有铜已熔融的金相组织，并且在基体中具有珠光体或部分分散有铁素体的珠光体、以及配置为网状的富铜相，并且在基体中分散分布有游离石墨。

Description

烧结含油轴承

技术领域

本发明涉及一种烧结含油轴承，其被用于汽车等的马达的处于高负荷的使用条件、耐磨性优异且对配合材料磨损性低。

背景技术

即使在汽车的电装用马达的输出轴和雨刷马达等的负荷较高的使用条件下，也在使用烧结含油轴承。近年来，特别是为了提高燃油效率，用于汽车的部件正向着小型轻量化推进，进而所使用的马达等的轴承也被小型化，因此作用在轴承的表面压力变得比以往负荷更高。并且，由于来自汽车的振动，轴承通过轴所招致撞击的击打也被施加在用于这些马达的轴承上，使用条件比以往更为苛刻，进而在以往的烧结含油轴承中存在着耐磨性不充分的问题。

为了改善由于该高负荷和来自轴的击打而引起的磨损，探讨了提高烧结轴承材料的强度和润滑性。在轴承材料中，作为高强度材料已知有铁-石墨类和铁-铜-石墨类材料。但这些材料中，根据烧结条件，铁和石墨发生反应而析出大量硬质渗碳体，有可能推进导致损伤配合轴材料的磨损，或者相反，在铁与石墨的反应少的低温下进行烧结虽可以抑制硬质渗碳体的析出，但有可能由于强度不充分而导致由于高负荷和振动所致的击打而磨损轴承。

在此，作为兼顾确保轴承材料的强度和抑制渗碳体的析出的铁基轴承材料，已知有如下的铁基烧结滑动部件：在合金成分中添加锰，且在1000～1100℃的高温条件下进行烧结，并在确保强度的同时也抑制了渗碳体的析出(专利文献1)。另外，作为铁基烧结材料，已知有如下的铁基烧结轴承：由烧结合金的整体组成以质量比计为Cu：2.0～9.0％、C：1.5～3.7％、剩余部分：Fe和不可避免的杂质组成，关于轴承内部，在由以面积比率为20％～85％的铁素体和珠光体组成的铁合金相中示出在相对轴承的轴向相交的方向上延伸的分散分布有铜相、石墨相以及气孔的金相组织，且铜相以8～40％的面积比率暴露于轴承表面(专利文献2)。

但是，在专利文献1中所公开的铁基滑动部件中，铁在材料中所占的比例较大，在受到高负荷或振动导致的击打的情况下，由于配合轴材料也为钢材，同种金属容易发生附着，从而难以抑制轴承与轴的磨损。另外，在专利文献2中所公开的铁基烧结轴承中，其烧结温度低且材料强度不充分，因此，其难以应对由于高负荷和振动所引起的击打。

专利文献1：日本特开2011-42817号公报

专利文献2：日本特开2010-77474号公报

发明内容

在此，本发明的目的在于提供一种新式烧结含油轴承，其在汽车的电装用马达的输出轴和雨刷马达等的处于高负荷且受到来自由于振动的轴的击打的苛刻的使用条件下，其耐磨性和性价比均优异。

为了解决上述问题，本发明者们进行深入研究，结果发现通过抑制渗碳体析出，使珠光体或部分分散有铁素体的珠光体分散分布在烧结含油轴承的基体中，由此能够确保高强度，并且通过使已被配置为网状的富铜相和游离石墨分散分布在烧结含油轴承的基体中，由此能够提高润滑性，从而想到了本发明。

即，本发明的烧结含油轴承的特征在于，含有15～30质量％的Cu、1～4质量％的C，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成，所述烧结含油轴承至少在轴承表面配置有铜已熔融的金相组织，并且在基体中配置有珠光体或部分分散有铁素体的珠光体、富铜相以及游离石墨。

另外，本发明的烧结含油轴承的特征在于，所述富铜相在基体中分布为网状，且所述游离石墨分散分布在基体中。

另外，本发明的烧结含油轴承的特征在于，所述烧结含油轴承进一步含有4质量％以下的Sn或Zn中的至少一种。

另外，本发明的烧结含油轴承的特征在于，富铜相以7～25％的面积比率分散分布在基体中。

另外，本发明的烧结含油轴承的特征在于，游离石墨以5～25％的面积比率分散分布在基体中。

另外，本发明的烧结含油轴承的特征在于，气孔率为12～30％

根据本发明的烧结含油轴承，通过含有15～30质量％的Cu、1～4质量％的C且剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成，且至少在轴承表面具有铜已熔融的金相组织，并且在基体中具有珠光体或部分分散有铁素体的珠光体、富铜相以及游离石墨，由此将轴承材料的强度控制在适当的范围内且轴承材料具有润滑性，从而在汽车的电装用马达的输出轴和雨刷马达等的处于高负荷且受到来自由于振动的轴的击打的苛刻的使用条件下，其耐磨性和性价比也优异。

附图说明

图1A为用于说明富铜相的面积比率的测定方法的模式图，且表示其测定状态。

图1B为用于说明富铜相的面积比率的测定方法的模式图，且表示其已分别涂饰方格的状态。

图2为本发明例的烧结含油轴承的剖面的金相组织照片。

图3为本发明例的烧结含油轴承的内径表面的电子显微镜照片和游离石墨的映射照片。

图4为表示本发明例的富铜相的成分分析的范围的电子显微镜照片。

具体实施方式

本发明的烧结含油轴承含有15～30质量％的Cu、1～4质量％的C，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成，且至少在轴承表面配置有铜已熔融的金相组织。而且，通过在基体中配置珠光体或部分分散有铁素体的珠光体，由此确保高强度，进一步，通过在基体中配置富铜相和游离石墨，由此提高润滑性。另外，为了提高润滑性，其优选为富铜相以网状分布在基体中，且使游离石墨分散分布在基体中。

另外，“富铜相”是指含有85质量％以上的铜的相、或在含有Sn或Zn的情况下含有铜和Sn或Zn合计为85质量％以上的相。另外，有关富铜相的“网状”是指多个条纹以网格的方式交叉的图案、形状。另外，富铜相以围绕基体中的珠光体或部分分散有铁素体的珠光体的方式进行分布。由此，富铜相呈现出分布为网状。

在此，众所周知，铁-铜-碳基烧结材料的材料强度和尺寸精度受烧结条件的影响大。铁-铜-碳基的烧结部件历经将按给定的组成进行配合的原料粉末压实、烧结、然后尺寸调整的工序而被制造而成。通过在原料中使用铜粉末并在铜的熔点以上的温度条件下进行烧结，由此推进铜和碳向铁中的固溶和烧结，进而提高材料强度。但是，铁和石墨之间容易发生烧结反应，且在铜的熔点以上的温度条件下，游离石墨难以存在于基体中。在此，除了限定原料粉末的配合组成之外，通过将用作原料粉末的铜粉末和石墨粉末的平均粒径和烧结温度条件最优化，至少在轴承表面具有铜已熔融的金相组织，并在基体中配置珠光体或部分分散有铁素体的珠光体、富铜相以及游离石墨，进而获得本发明的烧结含油轴承。

作为铜粉末，可以使用电解铜粉末或雾化铜粉末。通过使用比通常的粉末冶金用的铜粉末大的平均粒径为50～100μm的铜粉末，已熔融的铜容易形成富铜相。而且，如果将烧结温度条件控制为高于铜的熔点(1083℃)的温度、即控制在1085～1105℃时，则形成了配置为网状的富铜相。

另一方面，作为石墨粉末，除天然石墨的鳞状石墨粉末、鳞片状石墨粉末、土状石墨粉末以外，还可列举人造石墨粉末等。但由于石墨的润滑性受结晶发展程度的影响，因此，在本发明的烧结含油轴承中，优选使用结晶性良好、润滑性优异的天然鳞状石墨粉末和鳞片状石墨粉末中的至少一种。而且，通过将平均粒径为20～100μm的鳞状石墨粉末和鳞片状石墨粉末中的至少一种用于原料粉末，且在与上述相同的1085～1105℃的温度条件下进行烧结，进而一部分的石墨与铁粉末反应，形成珠光体或部分分散有铁素体的珠光体，从而能够抑制渗碳体的析出。与此同时，基体成为已分散分布有游离石墨的金相组织。

另外，铜粉末和石墨粉末的平均粒径为通过激光衍射法所测定的粒度分布测定值中的平均粒径。作为激光衍射法的粒度分布测定装置，可以使用日本岛津制作所的SALD3000等。

以下，对本发明的烧结含油轴承的组成等进行详细的说明。

(1)Cu：15～30质量％

Cu在烧结时熔融并在基体中形成网状的富铜相，并且，Cu与基体中的Fe发生反应，形成由Cu、Fe以及C构成的固溶体。网状的富铜相比配合轴柔软，能够提高与配合轴的适应性。另一方面，Cu与基体中的Fe发生反应而形成的由Cu、Fe以及C构成的固溶体为珠光体或部分分散有铁素体的珠光体的组织，具有提高材料强度的效果。通过具有这两种效果，有助于改善轴承的耐磨性。如果Cu的含量小于15质量％，则无法获得所期望的效果，所以不被优选。另一方面，如果Cu的含量超过30质量％，则显示出材料强度不足，由于来自由高负荷或振动引起的轴的击打的条件下的轴承磨损加大，所以也不被优选。

(2)石墨(C)：1～4质量％

通过将石墨(C)作为游离石墨分散分布在轴承合金的基体中，进而对轴承赋予优异的润滑性。进一步，石墨(C)与Fe发生反应来形成由Cu、Fe以及C构成的固溶体。固溶体为珠光体或部分分散有铁素体的珠光体的结构，具有提高轴承强度的效果。通过具有这两种效果，有助于提高轴承的耐磨性和降低摩擦系数。如果石墨(C)的含量小于1质量％，则不能获得所期望的效果，所以不被优选。另一方面，如果石墨(C)的含量超过4质量％，则显示出强度显著降低，所以也不被优选。

(3)气孔率：12～30％

气孔分散在基体中，可以缓和轴承所接受的强烈的摩擦，且保持润滑油的效果。当与配合轴进行滑动时，则润滑油从气孔被供给到与配合轴的滑动表面，由此降低摩擦系数并抑制轴承的磨损。如果气孔率小于12％，则该效果变得不充分，所以不被优选。另一方面，如果气孔率高于30％，则材料强度显著降低，所以也不被优选。

(4)铜粉末：平均粒径50～100μm

作为用于原料粉末的铜粉末，其优选为使用电解铜粉末和雾化铜粉末中的至少一种。铜粉末在烧结时熔融，且在基体中形成网状的富铜相，并且铜粉末与基体中的Fe发生反应而形成由Cu、Fe以及C构成的固溶体。网状的富铜相比配合轴柔软，能够提高与配合轴的适应性。另一方面，由于铜粉末与基板中的Fe发生反应而形成的由Cu、Fe以及C构成的固溶体为抑制了渗碳体的析出的珠光体或部分分散有铁素体的珠光体的组织，具有提高材料强度的效果。通过具有这两种效果，有助于提高轴承的耐磨性。如果铜粉末平均粒径小于50μm，则无法获得所期望的效果，所以不被优选。另一方面，如果铜粉末平均粒径大于100μm，则烧结难以推进且显示出材料强度不足，且来自由高负荷或振动引起的轴的击打的条件下的轴承磨损加大，所以也不被优选。

(5)石墨粉末：平均粒径20～100μm

作为用于原料粉末的石墨粉末，其优选为使用鳞状石墨粉末和鳞片状石墨粉末中的至少一种。通过石墨粉末作为游离石墨分散分布在轴承合金的基体中，对轴承赋予优异的润滑性。进一步，石墨粉末与Fe发生反应而形成由Cu、Fe以及C构成的固溶体。所述固溶体为抑制了渗碳体的析出的珠光体或部分分散有铁素体的珠光体的组织，具有提高轴承强度的效果。通过具有这两种效果，有助于提高轴承的耐磨性和降低摩擦系数。如果石墨粉末的平均粒径小于20μm，则在烧结时与原料粉末中的铁粉末发生反应，基体中的游离石墨含量降低，进而无法获得所期望的效果，所以不被优选。另一方面，如果石墨粉末的平均粒径超过100μm，则材料强度显示出明显降低，所以也不被优选。

(6)烧结温度：1085～1105℃

烧结温度对于制造本发明的烧结含油轴承是重要的。即，通过控制烧结温度，进而能够制造如下的本发明的烧结含油轴承，该烧结含油轴承至少在轴承表面具有铜已熔融的金相组织；在基体中具有珠光体或部分分散有铁素体的珠光体；在基体中具有配置为网状的富铜相；并在基体中还具有分散分布有游离石墨的金相组织。如果烧结温度低于1085℃，则铜的熔融不充分，则无法与基体中的Fe发生充分的反应，其强度降低，进而导致轴承磨损加大，所以不被优选。另一方面，如果烧结温度超过1105℃，则游离石墨的含量减少，进而无法获得充分的润滑效果，同时呈现出渗碳体大量析出，所以也不被优选。

(7)富铜相的面积比率：7～25％

网状的富铜相比配合轴柔软，能够提高与配合轴的适应性。如果富铜相的面积比率小于7％，则无法获得所期望的效果，因此不被优选。另一方面，如果富铜相的面积比率超过25％，则轴承强度呈现出降低，因此也不被优选。

(8)游离石墨的面积比率：5～25％

通过游离石墨分散分布在轴承合金的基体中，对轴承赋予了优异的润滑性。如果游离石墨的面积比率小于5％，则不能获得所期望的效果，所以不被优选。另一方面，如果游离石墨的面积率超过25％，则轴承的强度降低，所以也不被优选。

(9)Sn或Zn中的至少一种：4质量％以下

Sn或Zn与Cu共同形成在基体中被形成为网状的富铜相来提高材料强度，且由此具有提高耐磨性的效果。相反，如果Sn和Zn二者超过4质量％，则磨损反而加大，所以不被优选。

以下，对本发明的烧结含油轴承的具体实施例进行说明。另外，本发明不限定于以下的实施例，可实施各种变形。

实施例

作为原料粉末准备了粉末冶金用的还原铁粉末、电解铜粉末以及石墨粉末。其中，关于铜粉末，除在比较例5中使用了平均粒径小的雾化铜粉末，在比较例6中使用了平均粒径大的电解铜粉末之外，在其它例中均使用了给定的平均粒径的电解铜粉末。作为石墨粉末，除在比较例7中使用了平均粒径小的人造石墨粉末，在比较例8中使用了平均粒径大的鳞状石墨粉末或鳞片状石墨粉末之外，在其它例中均使用了给定的平均粒径的鳞状石墨粉末或鳞片状石墨粉末。

将这些原料粉末按表1所示的最终成分组成进行配合，且在加入0.5％的硬脂酸锌并用V型混合机混合20分钟来形成混合粉末后，进行冲压成型而制作出压坯。接下来，在通过混合天然气和空气并使其通过已加热的催化剂来分解变成的吸热型气体(endothermicgas)的气氛中，在1085～1105℃的范围内的给定的温度下对该压坯进行烧结，进而得到烧结体。接着在给定的压力条件下进行尺寸调整，其后，使其含浸了合成烃系的润滑油。由此，制造出各具有外径：18mm×内径：8mm×高度：8mm的规格，且具有以表1所示的组成成分并在基体中分散分布有游离石墨的铁铜基烧结含油轴承的环状试验片。

表1

当通过金相组织观察和SEM-EDX(能谱扫描电镜)去分析这些烧结含油轴承时，确认到本发明例1～11的烧结含油轴承均至少在轴承表面具有铜已熔融的金相组织；在基体中具有珠光体或部分分散有铁素体的珠光体；在基体中具有被配置为网状的富铜相；并在基体中分散分布有游离石墨。相对于本发明例，可知在比较例1～10中，其材料成分范围、在轴承表面上已熔融有铜的金相组织、富铜相的面积比率或游离石墨的面积比率的任一项均为偏离。

对由此得到的环状的烧结含油轴承实施了在高负荷条件下的磨损试验。将外径：8mm的SUS420J2淬火钢制轴插入在环状的烧结含油轴承中，一边从环状轴承的外侧施加100kgf的荷载，一边将轴以50m/分钟的速度旋转200小时。然后，测定环状轴承滑动表面的最大磨损深度，并进行了耐磨性的评价。

将各样品的成分组成、气孔率、富铜相和游离石墨的面积比率以及磨损试验后的轴承的磨损深度表示在表2。需要说明的是，按以下的方法求得了富铜相的面积比率和游离石墨的面积比率。

(富铜相的面积比率的计算)

在切断轴承并研磨切割表面后，通过在1％的硝酸酒精蚀刻液中进行蚀刻处理之后，获得了样品的剖面的金相组织照片(通过光学显微镜获得的彩色照片)。将具有2mm见方的方格的图框重叠在该金相组织照片上，通过方格法算出富铜相的面积比率。将该例表示在图1A和图1B。

图1A为将轴承的剖面的金相组织照片进行了图案化的图，且富铜相的铜范围11、铁组织的珠光体或铁素体的铁范围12、石墨的石墨范围13以及气孔的气孔范围14被表示在剖面。需要说明的是，在此，表示已重叠具有纵向10个×横向10个的方格22的图框21的例。而且，在铜范围11、铁范围12、石墨范围13以及气孔范围14中，将在各方格22中占有最大面积的范围作为其对应的范围进行计数。进而算出在除气孔范围14以外的范围中的铜范围11所占的范围比率，并将其作为铜范围11的面积比率。

为了进行说明，在图1B表示为将方格22已分别涂饰为各范围11、范围12、范围13以及范围14的状态。在该例中，各方格22的数量中，铜范围11为40个、铁范围12为30个、石墨范围13为10个以及气孔范围14为20个。由于在除气孔范围14以外的范围中的铜范围11所占的面积比率为富铜相的面积比率，因此，富铜相的面积比率为40/80×100＝50％。

作为一例，将本发明例的烧结含油轴承的剖面的金相组织照片表示在图2。

(游离石墨的面积比率的测定)

使用SEM-EDX，对轴承内径表面拍摄了倍率×100的电子显微照片和游离石墨的映射照片。将其一例表示在图3。比较电子显微照片和游离石墨的映射照片，其电子显微照片的除气孔以外的黑色部分和游离石墨的映射照片的白色部分相一致，因此，游离石墨的映射照片的白色部分显示为游离石墨。通过对该游离石墨的映射照片进行图像分析，进而求得了游离石墨的面积比率。

表2

由轴承的最大磨损深度的试验结果明确可知，在高负荷的苛刻的试验条件下，与比较例的轴承进行比较，本发明例的轴承被确认为具有优异的耐磨性。

(富铜相的成分分析)

将本发明例3的轴承剖面进行研磨以用于组织观察。其后，用2％的硝酸酒精溶液进行蚀刻处理，制备了在表面上呈现富铜相或珠光体等的组织观察样品。在图4所示的范围内，使用SEM-EDX对该轴承的剖面的富铜相进行了定量分析。需要说明的是，此时的SEM的加速电压为20kV。其分析结果为：C：3.69质量％、Fe：6.41质量％以及Cu：89.9％。

Claims (6)

1.一种烧结含油轴承，其特征在于，含有15～30质量％的Cu、1～4质量％的C，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成，

所述烧结含油轴承至少在轴承表面配置有铜已熔融的金相组织，并且在基体中配置有珠光体或部分分散有铁素体的珠光体、富铜相以及游离石墨。

2.根据权利要求1所述的烧结含油轴承，其特征在于，

所述富铜相在基体中分布为网状，且所述游离石墨分散分布在基体中。

3.根据权利要求1或2所述的烧结含油轴承，其特征在于，

所述烧结含油轴承进一步含有4质量％以下的Sn或Zn中的至少一种。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的烧结含油轴承，其特征在于，

富铜相以7～25％的面积比率分散分布在基体中。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的烧结含油轴承，其特征在于，

游离石墨以5～25％的面积比率分散分布在基体中。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的烧结含油轴承，其特征在于，

气孔率为12～30％。

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