JP4380274B2 - 鉄銅系焼結含油軸受用合金の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、各種モータ等に用いられる鉄銅系焼結含油軸受を製造するための多孔質焼結合金の製造方法に関する。

鉄系焼結含油軸受の多くは鉄銅系合金で作られている。この合金系では、青銅系合金、黄銅系合金、更にＮｉ、Ｃｏ、Ｐ、Ｐｂ等や、黒鉛、二硫化モリブデン等の固体潤滑剤を含むものがある。例えば、鉄−青銅系焼結合金では、鉄粉が還元鉄粉又はアトマイズ鉄粉を用い、青銅合金のために、電解銅粉と錫粉で添加するか、或いは青銅合金粉の形で添加され、必要に応じて微量の成形潤滑剤を添加した混合粉を、圧縮成形した後、成形体を窒素・水素の混合ガス等の還元性ガス雰囲気中で加熱し焼結される。焼結体は、軸受の寸法精度や表面の気孔状態を整えるため、サイジングや必要に応じて切削加工が施され、使用条件に適する粘度の潤滑油を気孔内に含浸することで焼結含油軸受となる。

モータ用の焼結含油軸受は、滑り特性に優れた合金系であると共に、貯油能力が大きいことが望ましいことから有効多孔率が大きく、また、運転初期のなじみ性が良く摺動摩擦が少なくなるような油膜の強さを得るため、例えば、特許文献１に記載があるように、通気度が低い状態になるようにサイジング等で表面気孔を少ない状態に処理される。この有効多孔率と通気度は、例えば、特許文献２に記載があるように、内部の気孔率が２５容量％以上で、表層部気孔率が１６容量％以下とし、通気度が３０ダルシー以下（×１０^−１１ｃｍ^２ ）としたものが提案され、これにより耐摩耗性やなじみ性に優れ、モータの消費電力を少なくしたり軸受寿命を長くできるとされる。また、特許文献３に記載があるように、電動機用焼結含油軸受として、有効多孔率が２０〜３０％で、軸受の通気度が６〜５０×１０^−１１ｃｍ^２ の軸受に、動粘度が６１．２〜７４．８ｍｍ^２／ｓの合成油を含浸したものが提案され、これにより寒冷地環境で運転したときにも鳴き音を発生させない摺動特性が得られるとされる。
特開昭６４−１５５２２号公報（第２頁等） 特開平８−２０８３６号公報（第３〜４頁等） 特開２００３−１２０６７４号公報（第１頁等）

多孔質焼結合金の有効多孔率は密度と相関関係にあり、密度を低くすれば有効多孔率が高いものとなるが、潤滑油の滲みだし性及び摺動面の油圧に影響する通気度を低くするには軸受表面の気孔を減少させることが重要で、例えば、サイジングの際に金型のマンドレル（コアロッド）で軸受素材の表面近傍の変形を多くする必要がある。また、多孔質焼結合金の気孔の大きさは、密度と、その製造に用いられる金属粉の主に粒度によって決まる。通常の還元鉄粉やアトマイズ鉄粉を用いると、粗大な気孔も存在するので、サイジングして所定量に表面の気孔を減少させるには、多孔質焼結合金の深部まで変形する必要があり、全体の有効多孔率が低下することになる。このように、有効多孔率と表面気孔状態とが両立する範囲は狭いのが実情であり、表面の大きい気孔だけを減少させるのが困難である。加えて、通常のサイジングでは軸受の端面気孔の減少が僅かであり、軸受端面の気孔が比較的大きい多孔質焼結合金では運転中に油漏洩の原因になる。焼結含油軸受の用途のうち、特に寒冷地で使用されるモータ用軸受では、軸受の通気度が高いものは摺動の際に鳴き音を発生することが知られており、含油能力があり、通気度の低い含油軸受でなければならない。そのような軸受を製造するために有効多孔率が高く、サイジングの量が少なくても通気度が低くなるような多孔質焼結合金が求められている。この発明は、サイジングする前の多孔質焼結合金に関し、特に、有効多孔率が大きくても通気度が低い特性を持つ合金を得る製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためこの発明は、鉄粉、及び銅粉又は銅合金粉を含む混合粉を、圧縮成形及び焼結する鉄銅系焼結含油軸受用合金の製造方法において、前記焼結含油軸受用合金が鉄−銅−錫系合金であり、前記混合粉が、少なくとも、銅量が１０〜３５質量％、および錫量が前記銅量の３〜１０質量％であるとともに、用いる鉄粉の一部又は全部が、表面から内部にわたり多数の微細孔を有する海綿状で気体吸着法（ＢＥＴ法）による比表面積が１１０〜５００ｍ^２／ｋｇであり、粒度が１７７μｍ以下の多孔質鉄粉であることを特徴とする。ここで、粒度が１７７μｍ以下とは、８０メッシュ篩を通過する粒度を意味する。
以上の製造方法において、前記混合粉中の鉄粉が多孔質鉄粉とアトマイズ鉄粉又は／及び還元鉄粉を含むものにあっては、前記多孔質鉄粉の含有量が全鉄粉の２５％以上となるよう設定される。また、最良の実施形態としては、製造される合金が零下の低温環境で使用されるモータの滑り軸受用であることを特徴としている。

この発明では、用いる鉄粉として、比表面積が大きく海綿状をした多孔質鉄粉を使用するだけで、鉄粉粒子中にも含油能力がある細かい気孔を形成し、粉末粒子間の気孔を従来法より少なく形成した焼結合金でも比較的密度が低く、有効多孔率が高い合金にできると共に、有効多孔率が高い割に通気度が低い含油軸受用焼結合金を製作できる。このため、この製法では、サイジングによる変形量を比較的少なくしても、通気度の低い焼結含油軸受を容易に得られる。また、密度の割に強度が高いので、従来法よりも相対的に低い密度にすることができ、有効多孔率の高い焼結含油軸受を提供できる。

以下、本発明の最良の形態を説明した後、実施例を挙げて有用性を明らかにする。
１．使用される鉄粉
（１）通常の還元鉄粉及びアトマイズ鉄粉
含油軸受用焼結多孔質合金の製造に用いられる市販の鉄粉は、８０メッシュ篩を通過する粒度（１７７μｍ以下）で、見掛密度が２．４〜３．０Ｍｇ／ｍ^３ 程度の還元鉄粉やアトマイズ鉄粉（水アトマイズ鉄粉）である。気体吸着法（ＢＥＴ法−ＩＳＯ ９２７７）による比表面積は、アトマイズ鉄粉では６０〜８０ｍ^２／ｋｇ、還元鉄粉では８０〜１００ｍ^２／ｋｇである。アトマイズ鉄粉は粉末内に気孔が少なく比表面積が小さい。還元鉄粉は、気孔が比較的多く表面に凹凸が多く、アトマイズ鉄粉と比べて比表面積が高い。
（２）多孔質鉄粉
多孔質鉄粉は、粒度が１７７μｍ以下（８０メッシュ篩を通過する粒度）で、見掛密度が１．３〜２．５Ｍｇ／ｍ^３ 程度である。粒子表面の凹凸が多く、断面を観察すると表面から連通する多数の微細孔を有する海綿状をしており、ＢＥＴ法による比表面積が１１０〜５００ｍ^２／ｋｇのものである。この多孔質鉄粉は、摩擦部材製造用として、或いは反応剤用として市販されており、例えば、ヘガネス社製商品名ＬＤ８０（比表面積が約２００ｍ^２／ｋｇ）、商品名Ｐ１００（比表面積が約１７５ｍ^２／ｋｇ）、Ｒ１２（比表面積が約２２５ｍ^２／ｋｇ）が挙げられる。また、多孔質鉄粉は、製造する際の還元条件により比表面積が１０００ｍ^２／ｋｇ程度の多孔質なものが得られるが、比表面積が大きい粉末は微粉の量が多くなりやすく焼結体の閉鎖気孔（closed pore）が多くなる。このため、発明の多孔質鉄粉としては、比表面積が５００ｍ^２／ｋｇを超えないものが好ましい。多孔質鉄粉の製造方法は、例えば、特開２００２−１０５５０１号公報に記載されている。

２．銅系材料用の粉末
（１）銅粉
鉄−銅合金又は鉄−青銅合金のような場合に用いられる銅粉は、市販の種々の粒度のものが適用できるが、焼結後の気孔が細かくなるように、多孔質鉄粉の粒度に比べて充分に細かい粒度であることが好ましい。具体的には、例えば、福田金属箔粉工業製の品名ＣＥ１５のように粒度のサブシーブ粉量が６５質量％程度の電解銅粉、それに相当する銅粉を用いることである。これは、多孔質鉄粉の間または周囲に細かく配置されやすくすることにより微細で均質な気孔の形成を促すためである。
また、銅粉構成としては、焼結合金中の銅系材料部分の通気性をより低下させるために、電解銅粉の一部を箔状銅粉に置き換えることができる。これは、各種試験から、箔状銅粉の場合は電解銅粉に比べて気孔の通路を複雑にして通気性を低くする作用が期待できるからである。箔状銅粉は、例えば、福田金属箔粉工業製の品名Ｃｕ−Ｓ−１００（粒度が１００メッシュ篩を通過）が挙げられる。
（２）錫粉
鉄−青銅合金の製造に用いられる錫粉は、通常の銅系焼結合金の製造に用いるものと同様であり、サブシーブ粉量が８５質量％以上の細かいものが用いられる。
（３）亜鉛粉
鉄−黄銅合金の製造に用いられる亜鉛粉は、通常の銅系焼結合金の製造に用いるものと同様であり、サブシーブ粉量が５０質量％以上の細かいものが用いられる。
（４）各種合金粉
Ｓｎ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｂ、Ｐ、Ｐｂ等の添加は、各種の含油軸受用多孔質焼結合金の製造と同様に、銅合金粉で添加することができる。これらは市販されており、例えば、組成が質量比でＣｕ−１０％Ｓｎの合金粉、Ｃｕ−１０％Ｓｎ−１％Ｐｂの合金粉、Ｃｕ−３５％Ｚｎの合金粉、Ｃｕ−３０％Ｎｉの合金粉、Ｃｕ−１５％Ｎｉ−１．５％Ｂの合金粉、Ｃｕ−８％Ｐの合金粉等である。

３．その他の粉末
上記以外の粉末としては、従来技術と同様に、Ｐｂ、Ｎｉ等を鉛粉やニッケル粉の状態で使用することが可能である。その他、固体潤滑剤として、黒鉛粉、二硫化モリブデン粉が用いられる。また、成形潤滑剤として、ステアリン酸亜鉛等の金属石鹸や粉末冶金用のワックスが用いられる。

４．含油軸受用鉄銅系焼結合金
本発明の製造方法は、種々の鉄銅系焼結合金に適用することができる。表１は、その含油軸受用鉄銅系焼結合金を例示したものである。表１において、組成範囲は質量％であり、残部はＦｅである。

５．混合粉
本発明の要部は、用いる鉄粉の全部又は１／４以上を前記多孔質鉄粉（例えば、比表面積が１００〜５００ｍ^２／ｋｇのもの）とすることである。鉄粉と銅粉等の粉末混合自体は従来技術と同じである。

６．成形及び焼結
粉末成形は、金型を用いた従来技術により行われ、軸受の用途によって設計される密度及び軸受形状に成形される。成形密度は、５．５〜６．５Ｍｇ／ｍ^３ の範囲内である。粉末成形体の焼結は還元性ガスの雰囲気中で行われる。焼結温度は、Ｃｕ含有量が少ない合金では１０００〜１１５０℃、Ｃｕが約２０％以上では７５０〜８５０℃程度である。

７．後加工
モータ用軸受として、比較的大きくなる焼結含油軸受ではサイジングを行い、所定寸法形状に仕上げると共に表面気孔を所定量まで減少させることが好ましい。軸受の直径が大きい場合では、切削加工により所定寸法形状に仕上げることもある。なお、後加工した軸受の汚れや付着物を除去する場合は、必要に応じ有機洗剤等を用いて超音波洗浄される。

８．潤滑油の含浸
含浸される潤滑油は、使用環境や摺動条件に応じて適宜決定される。通常の潤滑油、合成油、ワックスを含む潤滑油等が用いられ、粘度はスピンドル油程度からギャ油程度のものが適用される。前記した寒冷地で使用されるモータ用軸受の場合では、粘度グレードがＩＳＯ ＶＧ６８相当のもの、つまり動粘度６１．２〜７４．８ｍｍ^２／ｓの合成油が好適である。

（実施例１）ここでは、全体組成が質量比で２０％Ｃｕ、１％Ｓｎ及び残部Ｆｅの焼結合金を例として、従来の還元鉄粉を用いた場合と、多孔質鉄粉を用いた場合の比較試験結果により、本発明製造方法による多孔質焼結合金の有用な特性を明らかにする。使用した各粉末及び試料は次のとおりである。
(1)、鉄粉として、還元鉄粉はヘガネス社製の品名ＮＣ１００−２４、多孔質鉄粉はヘガネス社製の品名ＬＤ８０を用いた。銅粉は福田金属箔粉工業製の電解銅粉ＣＥ１５、錫粉は福田金属箔粉工業製の搗砕錫粉、及びステアリン酸亜鉛粉を用いた。
特性を比較する試料は、鉄粉構成の相違により、多孔質鉄粉のみ使用したもの（試料１）、還元鉄粉のみ使用したもの（試料２）、及び還元鉄粉と多孔質鉄粉とを質量で２５：７５、５０：５０の比で使用したもの（試料３）、同じく７５：２５の比で使用したもの（試料４）とし、又、成形潤滑剤としてステアリン酸亜鉛粉をそれぞれ０．３質量％添加した。そして、試料１〜４の混合粉は、同じ成形金型及び条件で円筒形状に圧縮成形した後、各成形体を窒素・水素の混合ガス中、温度７８０℃にて焼結した。

(2)、作製された試料１〜４の焼結体について、その密度、通気度（permeability）、有効多孔率（intercommunicating porosity）、表面の見掛硬さ（apparent hardness）、及び圧環強さ（radial crushing strength）を測定した。測定結果は、密度と各特性との関係、及び有効多孔率と通気度の関係として図１〜図５に示した。なお、図では、試料１、試料２、及び還元鉄粉と多孔質鉄粉のものは５０：５０（試料３）、７５：２５（試料４）だけを示してある。図中、還元鉄粉を通常鉄粉又は通常として表記した。

(3)、図１は、密度と有効多孔率の関係を示している。この関係では、同じ密度（例えば、６．５Ｍｇ／ｍ^３）でも有効多孔率が通常の還元鉄粉を用いた試料２の焼結合金（有効多孔率１８％）よりも、多孔質鉄粉を用いた試料１の焼結合金（有効多孔率約１５％）の方が低い。鉄粉が５０：５０の試料３の焼結合金は、試料１と試料２の中間の特性を示しており、鉄粉が７５：２５の試料４は試料２と試料３の中間になっており、各鉄粉（多孔質鉄粉と還元鉄粉）の混合割合と有効多孔率とは各鉄粉の占有率と相関している。また、図１中、３点鎖線で示す直線は、合金組成の気孔率（porosity）、すなわち総体積に対する全気孔体積比率である。この計算値と実測値との差が閉鎖気孔（closed pore）になる。多孔質鉄粉を含む試料１〜３のものは、含油能力のない閉鎖気孔が還元鉄粉だけの試料４のものに対して比較的多くなっている。
(4)、図２は、密度と通気度の関係を示している。この関係では、密度が６．８Ｍｇ／ｍ^３ で鉄粉の種類にかかわらず通気度がほぼ同じくなる。しかし、通気度は、密度が６．５Ｍｇ／ ｍ^３ 以下において、密度が６．０Ｍｇ／ｍ^３の例で、試料１の焼結合金が６×１０^−１１ｃｍ^２（×１０^−３ｄａｒｃｙ）、試料２の焼結合金が約１７×１０^−１１ｃｍ^２となり、多孔質鉄粉を用いた方が通常の還元鉄粉を用いたものより著しく低いことが分かる。これは、多孔質鉄粉を用いた焼結合金だと、通気性に寄与しない気孔（閉鎖気孔）があることに起因している。また、多孔質鉄粉の含有量と通気度の関係は、多孔質鉄粉の含有量にほぼ比例している。
(5)、図３は、図１及び図２から求められる有効多孔率と通気度の関係を示している。この関係では、例えば、有効多効率が同じ２５％の場合、通気度は試料２の方が約２３×１０^−１１ｃｍ^２、試料１の方が８．５×１０^−１１ｃｍ^２となり、多孔質鉄粉を用いた試料１の焼結合金の方がかなり低くなる。すなわち、多孔質鉄粉を用いた焼結合金では、通常の還元鉄粉を用いたものに比べて有効多孔率が高くても、通気度が低く抑えられる。このような特性は、多孔質鉄粉を用いた焼結合金では前記したように閉鎖気孔が比較的多いが、含油能力がある開放気孔（open porosity）として、通気度が低くなるような細かな気孔が多いことが分かる。

(6)、図４は、密度と圧環強さの関係を示している。この関係では、同じ密度（例えば、６．０Ｍｇ／ｍ^３）だと、圧環強さは試料２の方が約１８０ＭＰａ、試料１の方が約２９０ＭＰａとなり、多孔質鉄粉を用いた焼結合金が通常の還元鉄粉を用いたものに比べてかなり高くなっている。これは、同一密度でも、通常の還元鉄粉を用いた試料２の焼結合金だと鉄粉中の気孔が少なく、粉末間に大きい気孔がある多孔質合金組織をしているため、大きい気孔で破断して強度が比較的低くなるのに比べて、多孔質鉄粉を用いた試料１の焼結合金では気孔が鉄粉中にも細かく存在し粉末間の大きい気孔が少ないので、金属粒子間の結合が比較的微細となって、強度が高くなっているものと考えられる。
(7)、図５は、密度と表面の見掛硬さの関係を示している。この関係でも、同じ密度（例えば、６．０Ｍｇ／ｍ^３）だと、見掛硬さは試料２の方が約５１ＨＲＡ、試料１の方が７０ＨＲＡなり、多孔質鉄粉を用いた焼結合金が通常の還元鉄粉を用いたものに比べて高くなっている。これは、圧環強さと同様に気孔状態が影響しているものと考えられる。なお、これらは、圧環強さも表面見掛硬さも各鉄粉構成として多孔質鉄粉の含有量にほぼ比例している。
(8)、図１０の光学顕微鏡写真は前記多孔質鉄粉を用いた試料１の焼結合金、通常鉄粉を用いた試料２の焼結合金を断面した内部組織を示している。試料１の焼結合金は、試料２の焼結合金に比べて、細かな鉄粒子が全体に分布していること、その鉄粒子の中に微細な気孔（小さな黒の点状となった箇所）が沢山あることが分かる。

以上の特性比較により、発明製造方法の要部、つまり多孔質鉄粉を用いた焼結合金は、通常の還元鉄粉を用いたものに比べて海綿状の多孔質で粒子内に細かい開放気孔が存在しており、閉塞された閉鎖気孔が存在しているものの、有効多孔率が高くても通気度の低い焼結合金組織にできることが分かる。また、開放気孔が細かいので毛細管力が高く、潤滑油を吸い込みやすく、油保持能力が高い含油軸受になる。鉄粉の全部を多孔質鉄粉にすると、その作用効果は最も大きくなるが、試料４で示したように、通常の還元鉄粉に鉄粉質量全体の１／４以上を多孔質鉄粉にすれば、その効果が顕著に得られる。

（比較例１）この比較例では、発明製造方法の有効性を確認するため、前記の実施例１に対して、通常の還元鉄粉として３５０メッシュ篩を通過した微粉（fine powder ＝subsieve fraction）を用いた多孔質焼結合金の特性を調べたときの一例を挙げる。混合粉の組成と、圧粉成形及び焼結は実施例１の場合と同じである。したがって、この試料は、実施例１の試料２に対し還元鉄粉を前記微粉に置き換えたものに相当している。
図６は、密度と通気度の関係を示している。多孔質鉄粉を用いた試料１、通常の還元鉄粉を用いた試料２のものは図２で示したデータと同じで、前記還元鉄粉の微粉を用いたものは試料５である。この比較では、例えば、密度が６．０Ｍｇ／ｍ^３において、試料１の焼結合金が６×１０^−１１ｃｍ^２、試料２の焼結合金が約１７×１０^−１１ｃｍ^２、試料５の焼結合金が約１２．５×１０^−１１ｃｍ^２となる。すなわち、還元鉄粉の微粉を用いた試料５の焼結合金は、通常の還元鉄粉を用いた試料２の焼結合金よりは通気度が多少低くなっているが、多孔質鉄粉を用いた試料１の焼結合金に比べて通気度の低下がかなり少ない。また、微粉により混合粉の流動性が悪いという欠点もある。この比較例からは、鉄粉を微粉としても通気度を顕著に低くすることが不可能であることが分かる。

（実施例２）この実施例では、実施例１に対して銅含有量を少なくした（質量比で１０％Ｃｕ）ときと、逆に多くしたとき（質量比で３５％Ｃｕ）の影響を調べたときの一例を挙げる。用いた通常の還元鉄粉、多孔質鉄粉、銅粉、錫粉及び成形潤滑剤の種類と、圧縮成形及び焼結の各条件は実施例１の場合と同様である。具体的には、錫の含有量が実施例１の場合と同様にＣｕ量の５質量％相当で、全体組成が質量比で１０％Ｃｕ、０．５％Ｓｎ及び残部Ｆｅの焼結合金と、３５％Ｃｕ、１．７５％Ｓｎ及び残部Ｆｅの焼結合金である。なお、試料６〜９のうち、試料６と８は試料１と同様に多孔質鉄粉を使用したもので、試料６が３５％Ｃｕ、試料８が１０％Ｃｕである。試料７と９は試料２と同様に還元鉄粉を使用したもので、試料７が３５％Ｃｕ、試料９が１０％Ｃｕである。

図７は、密度と通気度の関係を示している。図７において、２０質量％Ｃｕで多孔質鉄粉を用いた試料１の焼結合金、２０質量％Ｃｕで通常の還元鉄粉を用いた試料２の焼結合金は図２で示したデータと同様である。図７において、多孔質鉄粉を用いた試料１、８、６の焼結合金は、通常の還元鉄粉を用いた試料２、７、９の焼結合金に比べて、銅錫含有量が変わっても通気度が何れも低いものとなる。また、銅含有量が３５％のものつまり試料６の焼結合金は通気度が比較的高くなる。多孔質鉄粉の含有量が減少することで、多孔質鉄粉が持つ微細な開放気孔の及ぼす効果も減少し、銅錫系合金部分が持っている通気性の比較的高い気孔の性質が現れているものと考えられる。この点、通常の還元鉄粉を用いた試料２、７、９の焼結合金では、通気度が高く、銅錫含有量が増加しても密度と通気度の関係に大きな変化が認められない。なお、銅の含有量が異なれば、気孔状態にも影響し同じ密度でも相対密度（relative density）が異なる。

図８は、有効多孔率と通気度の関係を示している。この関係は、図３と同様に開放気孔における通気孔（permeable pore）の性質を現している。多孔質鉄粉を用いた試料１、８、６の焼結合金は、銅含有量や銅錫含有量が多い場合でも、有効多孔率が高くても通気度が低いものとなることが分かる。また、銅含有量が３５質量％のものは比較的通気度が高くなっている。これは、銅含有量が３５質量％より高くなると、銅錫合金系のもつ通気性の影響が現れて、通常の還元鉄粉を用いた試料２、７、９の焼結合金に近づくものと推察される。このため、発明製造方法としては、銅含有量が３５質量％を超えない方が好ましいと言える。なお、通常の還元鉄粉を用いた焼結合金において、銅含有量が１０％のものでは通気性の良い粗大な通気孔が多く、銅含有量が３５％のものでは、銅錫合金系のもつ比較的通気性の低い通気孔の影響で有効多孔率に対する通気度が低くなるが、それでも多孔質鉄粉を用いたものに比べて高い通気度になっている。

（比較例２）この比較例では、前記の実施例２に対して、銅と錫の含有量が更に少ない１質量％、５質量％の場合と、含有量が更に多い４０質量％、５０質量％の場合について、前記したと同様な条件で焼結合金を作製し、特性を調べたときのものである。また、鉄粉としてアトマイズ鉄粉を用いた焼結合金との比較も行った。その結果、多孔質鉄粉を用いた焼結合金は、通常の還元鉄粉を用いたものに比べて、密度が低く有効多孔率が大きい割には通気度が低い焼結合金になり、圧環強さ及び表面見掛硬さが比較的高いものとなった。銅錫含有量が４０質量％、５０質量％と多くなると、有効多孔率に対する通気度が比較的高くなり、銅錫含有量が３５質量％以下（鉄含有量６５質量％以下）のとき、多孔質鉄粉の性質が顕著に認められた。これは、鉄粉の含有量が少なくなると、多孔質鉄粉の気孔が焼結合金の気孔状態に及ぼす効果が少なくなり、銅合金部分の気孔状態が焼結合金の気孔状態を支配するようになるからであると考えられる。また、アトマイズ鉄粉を用いると、通気度が比較的高く、多孔質鉄粉を用いたものとの差が大きくなることが分かった。

（実施例３）この実施例では、添加する銅として、実施例１の電解銅粉に代えて箔状銅粉を用いた焼結合金の特性を調べたときのものである。全体組成は、実施例１と同じく質量比で２０％Ｃｕ、１％Ｓｎ及び残部Ｆｅとし、鉄粉は多孔質鉄粉を用いて、銅粉は２０％Ｃｕの全部を福田金属箔粉工業製の電解銅粉ＣＥ１５としたもの（試料１）に対し、２０％Ｃｕのうち１５質量％を電解銅粉ＣＥ１５、残りの５質量％を福田金属箔粉工業製の箔状銅粉、品名Ｃｕ−Ｓ−１００としたもの（試料１０）を比較をした。錫粉及び成形潤滑剤、圧縮成形及び焼結の各条件は実施例１の場合と同様である。
図９は、この結果である有効多孔率と通気度の関係を示している。この例では、銅粉として箔状銅粉を用いた焼結合金だと、有効多孔率が高くても、試料１のものより低い通気度の焼結合金が得られる。これは、銅合金部分の開放気孔の形態が箔状粉によって変化し、通気性の悪い開放気孔が形成されることを現している。そして、銅の含有量が比較的多い場合に箔状銅粉を用いると、通気度がより低い焼結合金を得ることができることが分かる。

（実施例４）ここでは、前記した多孔質鉄粉を用いたＦｅ−Ｃｕ−Ｓｎ合金で、銅と錫の含有量が異なる各種焼結含油軸受の実装軸受試験を行ったときの一例を挙げる。
(1)、焼結合金は、実施例１の多孔質鉄粉に、実施例１の電解銅粉を１〜５０質量％の範囲内で、実施例１の錫粉を銅粉量の５質量％とした各種組成の混合粉を作製し、内径寸法８ｍｍの円筒軸受形状に圧縮成形し、焼結条件として銅含有量が１０質量％未満のものは焼結温度１０００℃、銅含有量が１０質量％以上のものは７６０℃で焼結した。焼結体の密度は５．９Ｍｇ／ｍ^３ である。各焼結体は同じ条件でサイジングされ、密度６．０Ｍｇ／ｍ^３ にした。そして、サイジング体には、粘度グレードがＩＳＯ ＶＧ６８相当の４０℃における動粘度が７０ｍｍ^２／ｓ（ｃＳｔ）で、基油がＰＡＯ（ポリ・α・オレフィン）の合成油を真空含浸した。
(2)、評価は、作製された各種焼結含油軸受を同じ装置のフアンモータに組み込んで実装試験を行った。この実装試験では、常温下において、滑り速度が０．８ｍ／ｓ、ＰＶ値が０．０８ＭＰａ・ｍ／ｓの運転条件で、１０００時間運転した。その結果、鉄含有量が少ない軸受は、内径摺動面に微細な摺動傷が認められた。しかし、銅含有量が１０質量％を超える軸受は摺動面に特別な欠点が認められなかった。このことから、Ｆｅ−Ｃｕ−Ｓｎ合金の含油軸受では、銅含有量が１０質量％より多い方が良く、一方、銅含有量がかなり多い場合は前述したように、有効多孔率に対する通気度が比較的高くなり、多孔質鉄粉の気孔の効果が少なくなるので、銅含有量としては３５質量％を超えないことが望ましい。

(3)、実施例４で作製した軸受のうち、多孔質鉄粉を用いたＦｅ−２０質量％Ｃｕ−１質量％Ｓｎの軸受（発明製法の軸受）と、特開２００３−１２０６７４号公報記載の低温環境で摺動鳴き音が発生しない焼結含油合金である軸受と、特開２００３−１２０６７４号公報記載の摺動鳴き音が発生する焼結含油合金である軸受を用い、零下３０℃における実装試験を行った。この試験では、実際のモータ装置を模擬した軸受試験機を用い、冷蔵庫内で温度零下３０℃に冷却した後、その零下３０℃の環境下で通電して運転したときに発生する音の有無を調べた。この音は、冷蔵庫内に設置したマイクから外部に導かれたスピーカを通して拡声し判断した。

各軸受の細部は次のとおりである。
・発明の軸受は、前記したように内径寸法８ｍｍの円筒軸受形状に圧縮成形、及び温度７８０℃で焼結し、密度６．０Ｍｇ／ｍ^３ の焼結体を作製した後、サイジングをして密度を６．０５Ｍｇ／ｍ^３ にした。サイジング体の有効多孔率は１９％で、内外径面間の通気度が３×１０^−１１ｃｍ^２ である。潤滑油は、前記の場合と同様に、動粘度が７０ｍｍ^２／ｓ、基油がＰＡＯである合成油を真空含浸した。
・特開２００３−１２０６７４号記載の低温鳴きのない軸受は、公報記載のように、同和鉄粉製の還元鉄粉で名称ＤＮＣ−１８０、福田金属箔粉工業製の電解銅粉で名称ＣＥ−２５、福田金属箔粉工業製の箔状銅粉で名称Ｃｕ−Ｓ−１００、日本アトマイズ加工製の燐銅合金粉で名称８Ｐ−Ｃｕ−Ａｔ−２００、日本黒鉛工業製の黒鉛粉で名称ＣＰＢを用い、質量％で鉄粉４５％、電解銅粉４４％、箔状銅粉４．５％、錫粉２％、燐銅合金粉４％、黒鉛粉０．５％及び０．５％のステアリン酸亜鉛粉とを混合し、軸受形状に圧縮成形、及び７６０℃で焼結した。そして、密度６．０Ｍｇ／ｍ^３ の焼結体を前記同様にサイジングし、密度を６．２Ｍｇ／ｍ^３ にした。サイジング体の有効多孔率は２１％で、通気度が１８×１０^−１１ｃｍ^２ である。含油した潤滑油は前記したものと同じ。
・特開２００３−１２０６７４号記載の低温鳴きのでる軸受は、公報記載のように、ヘガネス製の還元鉄粉で名称ＮＣ１００−２４、福田金属箔粉工業製の電解銅粉で名称ＣＥ−５６、日本アトマイズ加工製の錫粉で名称Ｓｎ−３２５、日本黒鉛工業製の黒鉛粉で名称ＣＰＢを用い、質量％で鉄粉４８％、電解銅粉４８％、錫粉３．５％、黒鉛粉０．５％及び０．５％のステアリン酸亜鉛粉とを混合し、軸受形状に圧縮成形、及び７６０℃で焼結した。サイジング後の軸受の密度は６．２Ｍｇ／ｍ^３ で、通気度が６０×１０^−１１ｃｍ^２ である。含油した潤滑油は前記したものと同じ。

実装試験の結果は、多孔質鉄粉を用いた軸受、及び特開２００３−１２０６７４号公報記載の合金で通気度が１８×１０^−１１ｃｍ^２ の軸受はどちらも鳴き音が発生しなかったが、特開２００３−１２０６７４号公報記載の通気度が６０×１０^−１１ｃｍ^２ の軸受は鳴き音を発生した。この零下３０℃の環境における鳴き音の発生は、特開２００３−１２０６７４号公報記載の含油軸受と比較材料とによってどのような場合に発生するかを実証している。すなわち、まず、鳴き音の発生有無は軸受の通気度に関係がある。鳴き音が発生する頻度は、通気度が５０×１０^−１１ｃｍ^２ では８０％、通気度が１０×１０^−１１ｃｍ^２ では２０％、通気度が２×１０^−１１ｃｍ^２ では殆ど発生しない。軸受の気孔の大小も影響している。開放気孔が小さく分布しているものが発生頻度が低くなる。また、運転初期の摩擦係数をみると、鳴きを発生するものは、初期摩擦係数が高くその後に摩擦係数の低下が大きい場合であって摩擦係数が低下した直後に鳴き音が発生する。初期摩擦係数が比較的低く、その後の摩擦係数の低下が小さい場合では、鳴き音を発生しない。

前記発明製法の軸受は、鉄含有量が７９％と比較的多く、銅が少なく、その他の添加物がない合金で、特開２００３−１２０６７４号公報記載の低温鳴きのない軸受と同様に低温環境の運転で鳴き音が発生しない特性を示すので、自動車搭載用のモータ軸受に好適なものである。

以上のことは次のように考察される。軸回転が停止しているとき、軸受内部の気孔がもつ毛細管力に対して軸受面と回転軸の隙間の毛細管力が強い場合では、軸受面と軸との隙間に潤滑油が多く残存し保持される。その状態で零下３０〜４０℃に保管されると、潤滑油の粘度が著しく高くなっているので、軸を回転させようとすると、潤滑油によって初期の回転抵抗が大きくなる。また、軸受面の潤滑油は極一部にしか残っていないので、直ぐに潤滑油切れの状態となり、摺動摩擦力が急激に低下する。これをきっかけとして振動が発生する結果、鳴き音として現れると考えられる。摺動面に潤滑油が殆ど残っていなければ、運転初期における摩擦力の増大もなく鳴き音が発生しない。このように、低温になったとき軸受面と回転軸間に潤滑油が残存するのは、多孔質軸受の気孔が比較的大きく毛細管力が低い状態の軸受の場合であり、毛細管力が大きい気孔をもつ軸受では、摺動部にあった潤滑油を軸受内部に吸収するものと考えられる。運転が停止したとき、速やかに潤滑油を吸い込むような毛細管力をもつ開放気孔は、サイジングによって摺動面の表面気孔を減少させることでは軸受内部の毛細管力が強くならない。気孔が毛細管力として高い細い通気孔をもつ多孔質軸受合金にする必要がある。

以上説明したように、多孔質鉄粉を用いた本発明の製造方法による多孔質焼結合金は、低温環境で使用される軸受に適用すると良好な軸受特性を示す。得られる多孔質焼結合金は、有効多孔率が高い状態でも通気性が低い性質をもつので、合金自身の貯油能力及び吸油能力が大きいという特性を応用して、各種合金組成や固体潤滑剤を含む軸受に本発明製法を適用したり、サイジング量や潤滑油の種類を変更することで、各種のＰＶ値に適応する軸受、油圧がより高くなる動圧軸受などを製造することが可能であり、含油量を多く設計できるので寿命の長い焼結含油軸受を提供することができる。

発明実施例に係る密度と有効多孔率の関係を示したグラフである。 発明実施例に係る密度と通気度の関係を示したグラフである。 発明実施例に係る有効多孔率と通気度の関係を示したグラフである。 発明実施例に係る密度と圧環強さの関係を示したグラフである。 発明実施例に係る密度と見掛硬さの関係を示したグラフである。 発明実施例及び比較例の密度と通気度の関係を示したグラフである。 発明実施例に係るＣｕ含有量１０％、２０％、３５％の場合の密度と通気度の関係を示したグラフである。 発明実施例に係るＣｕ含有量１０％、２０％、３５％の場合の有効多孔率と通気度の関係を示したグラフである。 発明実施例に係る銅粉の一部を箔粉とした場合の有効多孔率と通気度の関係を示したグラフである。 （ａ）は多孔質鉄粉を用いた試料１の合金組織を示す、（ｂ）は通常鉄粉を用いた試料２の合金組織を示す光学顕微鏡写真である。

Claims (3)

1. 鉄粉、及び銅粉又は銅合金粉を含む混合粉を、圧縮成形及び焼結する鉄銅系焼結含油軸受用合金の製造において、
   前記焼結含油軸受用合金が鉄−銅−錫系合金であり、
   前記混合粉が、少なくとも、銅量が１０〜３５質量％、および錫量が前記銅量の３〜１０質量％であるとともに、
   用いる鉄粉の一部又は全部が、表面から内部にわたり多数の微細孔を有する海綿状で気体吸着法による比表面積が１１０〜５００ｍ^２／ｋｇであり、粒度が１７７μｍ以下の多孔質鉄粉であることを特徴とする鉄銅系焼結含油軸受用合金の製造方法。
2. 前記混合粉中の鉄粉が、前記多孔質鉄粉とアトマイズ鉄粉又は／及び還元鉄粉とを含むものであって、前記多孔質鉄粉の含有量が全鉄粉の２５質量％以上である請求項１に記載の鉄銅系焼結含油軸受用合金の製造方法。
3. 製造される合金が零下の低温環境で使用されるモータの滑り軸受用である請求項１または２に記載の鉄銅系焼結含油軸受用合金の製造方法。

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