(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
４０質量％以上のＣｕを含み、選択的に０．２〜８質量％の固体潤滑剤を含むＣｕ基焼結合金素地中に、平均径１０〜１００μｍのＮｉ−Ｐ合金粒子が１〜２０質量％分散している組織を有し、前記Ｎｉ−Ｐ合金粒子は、１〜１２質量％のＰ及び残部がＮｉと不可避不純物からなる原料粉末に由来することを特徴とするＣｕ基焼結合金。
【請求項２】
前記Ｃｕ基焼結合金素地は、５〜１５質量％のＳｎを含み、残部がＣｕと不可避不純物であることを特徴とする請求項１記載のＣｕ基焼結合金。
【請求項３】
前記Ｃｕ基焼結合金素地は、５〜１５質量％のＳｎ、０．１〜１．０質量％のＰを含み、残部がＣｕと不可避不純物であることを特徴とする請求項１記載のＣｕ基焼結合金。
【請求項４】
前記Ｃｕ基焼結合金素地は、３〜１３質量％のＳｎ、２〜１２質量％のＺｎを含み、残部がＣｕと不可避不純物であることを特徴とする請求項１記載のＣｕ基焼結合金。
【請求項５】
前記Ｃｕ基焼結合金素地は、１〜１５質量％のＳｎ、８〜３０質量％のＦｅを含み、残部がＣｕと不可避不純物であることを特徴とする請求項１記載のＣｕ基焼結合金。
【請求項６】
前記Ｃｕ基焼結合金素地は、１〜１５質量％のＳｎ、８〜３０質量％のＦｅ、０．１〜１．０質量％のＰを含み、残部がＣｕと不可避不純物であることを特徴とする請求項１記載のＣｕ基焼結合金。
【請求項７】
前記固体潤滑剤は、少なくとも、黒鉛、二硫化モリブデン、窒化ホウ素、フッ化カルシウムのいずれかであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載のＣｕ基焼結合金。
【請求項８】
５０質量％以下のＦｅを含み、選択的に０．２〜８質量％の固体潤滑剤を含むＦｅ−Ｃｕ系焼結合金素地中に、平均径１０〜１００μｍのＮｉ−Ｐ合金粒子が１〜２０質量％分散している組織を有し、前記Ｎｉ−Ｐ合金粒子は、１〜１２質量％のＰ及び残部がＮｉと不可避不純物からなる原料粉末に由来することを特徴とするＦｅ−Ｃｕ系焼結合金。
【請求項９】
前記Ｆｅ−Ｃｕ系焼結合金素地は、０．５〜５質量％のＳｎを含み、残部がＣｕと不可避不純物であることを特徴とする請求項８記載のＦｅ−Ｃｕ系焼結合金。
【請求項１０】
前記Ｆｅ−Ｃｕ系焼結合金素地は、０．５〜５質量％のＳｎ、０．１〜１．０の質量％Ｐを含み、残部がＣｕと不可避不純物であることを特徴とする請求項８記載のＦｅ−Ｃｕ系焼結合金。
【請求項１１】
前記Ｆｅ−Ｃｕ系焼結合金素地は、０．５〜５質量％のＳｎ、０．５〜５質量％のＺｎを含み、残部がＣｕと不可避不純物であることを特徴とする請求項８記載のＦｅ−Ｃｕ系焼結合金。
【請求項１２】
前記Ｆｅ−Ｃｕ系焼結合金素地は、０．５〜５質量％のＳｎ、０．５〜５質量％のＺｎ、０．１〜１．０質量％のＰを含み、残部がＣｕと不可避不純物であることを特徴とする請求項８記載のＦｅ−Ｃｕ系焼結合金。
【請求項１３】
前記固体潤滑剤は、少なくとも、黒鉛、二硫化モリブデン、窒化ホウ素、フッ化カルシウムのいずれかであることを特徴とする請求８〜１２のいずれか１項記載のＦｅ−Ｃｕ系焼結合金。
【請求項１４】
２０〜４０質量％のＮｉ、０．１〜１．０質量％のＰを含み、選択的に０．２〜８質量％の固体潤滑剤を含み、残部がＣｕと不可避不純物であるＣｕ−Ｎｉ系焼結合金素地中に、平均径１０〜１００μｍのＮｉ−Ｐ合金粒子が１〜２０質量％分散している組織を有し、前記Ｎｉ−Ｐ合金粒子は、１〜１２質量％のＰ及び残部がＮｉと不可避不純物からなる原料粉末に由来することを特徴とするＣｕ−Ｎｉ系焼結合金。
【請求項１５】
１０〜２５質量％のＮｉ、１０〜２５質量％のＺｎ、０．１〜１．０質量％のＰを含み、選択的に０．２〜８質量％の固体潤滑剤を含み、残部がＣｕと不可避不純物であるＣｕ−Ｎｉ系焼結合金素地中に、平均径１０〜１００μｍのＮｉ−Ｐ合金粒子が１〜２０質量％分散している組織を有し、前記Ｎｉ−Ｐ合金粒子は、１〜１２質量％のＰ及び残部がＮｉと不可避不純物からなる原料粉末に由来することを特徴とするＣｕ−Ｎｉ系焼結合金。
【請求項１６】
前記固体潤滑剤は、少なくとも、黒鉛、二硫化モリブデン、窒化ホウ素、フッ化カルシウムのいずれかであることを特徴とする請求項１４又は１５記載のＣｕ−Ｎｉ系焼結合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼結軸受に用いられる耐摩耗性に優れた焼結合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
焼結軸受は、シンプルで静粛性ならびに経済性の優れた軸受として、従来から自動車や家電などの多くのモータに使用されている。しかし、近年のモータの小型化や高性能化に伴い、従来の焼結軸受よりも高い耐摩耗性、耐久性が要求されており、特に自動車電装用モータにおける要求が顕著である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０５−１９５１１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これまで、焼結軸受の耐久性を向上させるために、合金組成、素地の硬化処理、固体潤滑剤との組合せなどについて種々の検討がなされてきたが、その効果は十分とはいえなかった。【０００５】
例えば、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。【０００６】
そこで、本発明は、従来よりも耐摩耗性に優れた新規の焼結軸受を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、摺動材として、耐摩耗性が高いＮｉ−Ｐ合金に着目した。そして、鋭意検討した結果、Ｎｉ−Ｐ合金粉末を焼結合金の原料粉末に添加、混合することにより、Ｎｉ−Ｐ合金粉末を原料粉末中に分散させ、その混合粉末を圧粉成形後、Ｎｉ−Ｐ合金の融点近傍以下の温度で焼結することで、焼結合金中にＮｉ−Ｐ合金粒子を分散させることができることを見出した。また、焼結条件を最適化し、焼結合金中のＣｕ成分或いはＮｉ成分とＮｉ−Ｐ合金粒子の表面を適度に反応させることにより、Ｎｉ−Ｐ合金粒子と焼結合金素地との密着性を高めることができることを見出した。さらに、焼結合金の素地中に、１〜１２質量％のＰ及び残部がＮｉと不可避不純物からなる原料粉末に由来する平均径１０〜１００μｍのＮｉ−Ｐ合金粒子を１〜２０質量％分散させることで、耐摩耗性が向上することを見出し、本発明に想到した。【０００８】
すなわち、本発明のＣｕ基焼結合金は、４０質量％以上のＣｕを含み、選択的に０．２〜８質量％の固体潤滑剤を含むＣｕ基焼結合金素地中に、平均径１０〜１００μｍのＮｉ−Ｐ合金粒子が１〜２０質量％分散している組織を有し、前記Ｎｉ−Ｐ合金粒子は、１〜１２質量％のＰ及び残部がＮｉと不可避不純物からなる原料粉末に由来する。【０００９】
本発明のＦｅ−Ｃｕ系焼結合金は、５０質量％以下のＦｅを含み、選択的に０．２〜８質量％の固体潤滑剤を含むＦｅ−Ｃｕ系焼結合金素地中に、平均径１０〜１００μｍのＮｉ−Ｐ合金粒子が１〜２０質量％分散している組織を有し、前記Ｎｉ−Ｐ合金粒子は、１〜１２質量％のＰ及び残部がＮｉと不可避不純物からなる原料粉末に由来する。【００１０】
本発明のＣｕ−Ｎｉ系焼結合金は、２０〜４０質量％のＮｉ、０．１〜１．０質量％のＰを含み、選択的に０．２〜８質量％の固体潤滑剤を含み、残部がＣｕと不可避不純物であるＣｕ−Ｎｉ系焼結合金素地中、或いは、１０〜２５質量％のＮｉ、１０〜２５質量％のＺｎ、０．１〜１．０質量％のＰを含み、選択的に０．２〜８質量％の固体潤滑剤を含み、残部がＣｕと不可避不純物であるＣｕ−Ｎｉ系焼結合金素地中に、平均径１０〜１００μｍのＮｉ−Ｐ合金粒子が１〜２０質量％分散している組織を有し、前記Ｎｉ−Ｐ合金粒子は、１〜１２質量％のＰ及び残部がＮｉと不可避不純物からなる原料粉末に由来する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のＣｕ基焼結合金、Ｆｅ−Ｃｕ系焼結合金、Ｃｕ−Ｎｉ系焼結合金によれば、焼結合金の素地中に、平均径１０〜１００μｍのＮｉ−Ｐ合金粒子が１〜２０質量％分散している組織を有し、前記Ｎｉ−Ｐ合金粒子は、１〜１２質量％のＰ及び残部がＮｉと不可避不純物からなる原料粉末に由来することにより、耐摩耗性に優れたものとなる。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明のＣｕ基焼結合金は、４０質量％以上のＣｕを含み、選択的に０．２〜８質量％の固体潤滑剤を含むＣｕ基焼結合金素地中に、平均径１０〜１００μｍのＮｉ−Ｐ合金粒子が１〜２０質量％分散している組織を有し、前記Ｎｉ−Ｐ合金粒子は、１〜１２質量％のＰ及び残部がＮｉと不可避不純物からなる原料粉末に由来する。
【００１３】
前記Ｃｕ基焼結合金素地は、５〜１５質量％のＳｎを含み、残部がＣｕと不可避不純物であってもよく、５〜１５質量％のＳｎ、０．１〜１．０質量％のＰを含み、残部がＣｕと不可避不純物であってもよく、３〜１３質量％のＳｎ、２〜１２質量％のＺｎを含み、残部がＣｕと不可避不純物であってもよく、１〜１５質量％のＳｎ、８〜３０質量％のＦｅを含み、残部がＣｕと不可避不純物であってもよく、或いは、１〜１５質量％のＳｎ、８〜３０質量％のＦｅ、０．１〜１．０質量％のＰを含み、残部がＣｕと不可避不純物であってもよい。
【００１４】
前記固体潤滑剤は、少なくとも、黒鉛、二硫化モリブデン、窒化ホウ素、フッ化カルシウムのいずれかであってもよい。
【００１５】
本発明のＦｅ−Ｃｕ系焼結合金は、５０質量％以下のＦｅを含み、選択的に０．２〜８質量％の固体潤滑剤を含むＦｅ−Ｃｕ系焼結合金素地中に、平均径１０〜１００μｍのＮｉ−Ｐ合金粒子が１〜２０質量％分散している組織を有し、前記Ｎｉ−Ｐ合金粒子は、１〜１２質量％のＰ及び残部がＮｉと不可避不純物からなる原料粉末に由来する。
【００１６】
前記Ｆｅ−Ｃｕ系焼結合金素地は、０．５〜５質量％のＳｎを含み、残部がＣｕと不可避不純物であってもよく、０．５〜５質量％のＳｎ、０．１〜１．０の質量％Ｐを含み、残部がＣｕと不可避不純物であってもよく、０．５〜５質量％のＳｎ、０．５〜５質量％のＺｎを含み、残部がＣｕと不可避不純物であってもよく、或いは、０．５〜５質量％のＳｎ、０．５〜５質量％のＺｎ、０．１〜１．０質量％のＰを含み、残部がＣｕと不可避不純物であってもよい。
【００１７】
前記固体潤滑剤は、少なくとも、黒鉛、二硫化モリブデン、窒化ホウ素、フッ化カルシウムのいずれかであってもよい。
【００１８】
本発明のＣｕ−Ｎｉ系焼結合金は、２０〜４０質量％のＮｉ、０．１〜１．０質量％のＰを含み、選択的に０．２〜８質量％の固体潤滑剤を含み、残部がＣｕと不可避不純物であるＣｕ−Ｎｉ系焼結合金素地中、或いは、１０〜２５質量％のＮｉ、１０〜２５質量％のＺｎ、０．１〜１．０質量％のＰを含み、選択的に０．２〜８質量％の固体潤滑剤を含み、残部がＣｕと不可避不純物であるＣｕ−Ｎｉ系焼結合金素地中に、平均径１０〜１００μｍのＮｉ−Ｐ合金粒子が１〜２０質量％分散している組織を有し、前記Ｎｉ−Ｐ合金粒子は、１〜１２質量％のＰ及び残部がＮｉと不可避不純物からなる原料粉末に由来する。
【００１９】
前記固体潤滑剤は、少なくとも、黒鉛、二硫化モリブデン、窒化ホウ素、フッ化カルシウムのいずれかであってもよい。
【００２０】
本発明のＣｕ基焼結合金、Ｆｅ−Ｃｕ系焼結合金、Ｃｕ−Ｎｉ系焼結合金は、その金属組織内にＮｉ−Ｐ合金粒子を分散させることにより、耐摩耗性を向上させたものである。そこで、そのＮｉ−Ｐ合金粒子について詳細に説明する。
【００２１】
（１）Ｎｉ−Ｐ合金粒子成分のＰ含有量：質量％で１〜１２％
Ｎｉ−Ｐ合金粒子はＰの成分量がＮｉ３Ｐ相の組成に近いほど（１５％Ｐ）硬度が高く、焼結合金中に分散させることで焼結軸受の耐摩耗性向上に寄与する。しかし、Ｐの成分量が、Ｎｉ３Ｐ相の組成に近い程（１５％Ｐ）脆くなり、少なくなると硬度が低下する性質を持っている。硬くて脆いＮｉ−Ｐ合金粒子は相手シャフトとの摺動により焼結合金から脱落しやすくなり、かえって摩耗を大きくする。一方、Ｐの成分量が少ないとＮｉ−Ｐ合金粒子は硬度が低下し、焼結合金中に分散させても耐摩耗性向上に効果が少ないため好ましくない。よって、Ｎｉ−Ｐ合金粒子のＰ量を１〜１２％とした。
【００２２】
（２）Ｎｉ−Ｐ合金粒子の粒径：平均粒径で１０〜１００μｍ
焼結合金の素地に分散させるＮｉ−Ｐ合金粒子は、その硬度と素地への密着性の両立させるためにＮｉ−Ｐ合金粉末の粒度調整が必要である。その平均粒径が１０μｍ未満では、焼結によるＮｉ−Ｐ合金粒子と焼結合金素地の間の反応制御が難しく、Ｎｉ-Ｐ合金粒子中のＰが焼結合金中の素地へ拡散し、Ｎｉ−Ｐ合金粒子の硬さが低下し、耐摩耗性が低下するため好ましくない。また、Ｎｉ−Ｐ合金粒子系の平均粒径が１００μｍ以上では軸受内径面に存在する粒子数が相対的に少なくなり、耐摩耗性が低下するので好ましくない。よってＮｉ−Ｐ合金粒子の粒径を平均径で１０〜１００μｍとした。
【００２３】
なお、ここでいう平均粒径は、レーザー回折式粒度分布測定器にて測定された、平均体積径（Ｍｖ）で示される粒径のことである。
【００２４】
（３）Ｎｉ−Ｐ合金粒子の添加量：質量％で１〜２０％
Ｎｉ−Ｐ合金粒子を焼結合金素地中に分散させることで耐摩耗性を向上させる効果があるが、その量が１％未満では耐摩耗性の効果が少なく、また２０％を超えて添加しても耐摩耗性向上に効果が見られなく、かえって原料コストが高くなるので好ましくない。従って、Ｎｉ−Ｐ合金粒子の添加量は質量で１〜２０％とした。
【００２５】
（４）固体潤滑剤：含有させる場合、質量％で０．２〜８．０％
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、二硫化モリブデン、窒化ホウ素、フッ化カルシウム、のうち少なくとも１種類以上を含有する。
【００２６】
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０．２％未満では耐摩耗性の向上効果が得られず、その含有量が８％を超えると強度が著しく低下するので好ましくない。
【００２７】
本発明のＣｕ基焼結合金、Ｆｅ−Ｃｕ系焼結合金、Ｃｕ−Ｎｉ系焼結合金は、１〜１２質量％のＰ及び残部がＮｉと不可避不純物からなる平均径１０〜１００μｍのＮｉ−Ｐ合金粉末を、固体潤滑剤を含めた焼結合金の原料粉末全体に対して１〜２０質量％の割合で原料粉末に添加、混合し、その混合粉末を圧粉成形後、Ｎｉ−Ｐ合金の融点近傍以下の温度で焼結することで得ることができる。ここで、例えば、Ｎｉ−１１％Ｐは融点８８０℃であり、焼結時において、１５分程度の短時間であれば、融点を多少上回ってもＮｉ−Ｐ粒子はすべて溶融せず粒子として組織内に残る。したがって、焼結温度は、Ｎｉ−Ｐ合金の融点以下とするのが好ましいものの、厳密にＮｉ−Ｐ合金の融点以下とする必要はなく、短時間であればＮｉ−Ｐ合金の融点を多少上回ってもよい。なお、Ｎｉ−Ｐの融点は１１％Ｐが共晶点（８８０℃）であるが、Ｐ濃度が変動することにより、融点は高い方へ動く。
【００２８】
このようにして得られた焼結合金は、焼結合金中に上記のＮｉ−Ｐ合金粉末に由来したＮｉ−Ｐ合金粒子が分散したものとなる。また、焼結条件を最適化し、焼結合金中のＣｕ成分或いはＮｉ成分とＮｉ−Ｐ合金粒子の表面を適度に反応させることにより、Ｎｉ−Ｐ合金粒子と焼結合金素地との密着性を高めることができる。
【００２９】
以下、本発明のＣｕ基焼結合金、Ｆｅ−Ｃｕ系焼結合金、Ｃｕ−Ｎｉ系焼結合金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。
【実施例１】
【００３０】
（１）Ｃｕ基焼結合金、Ｆｅ−Ｃｕ系焼結合金、Ｃｕ−Ｎｉ系焼結合金の製作
原料粉末として、平均粒径３５μｍのＮｉ−１１％Ｐ合金粉末と電解Ｃｕ粉末、Ｓｎ粉末、Ｃｕ−Ｓｎ粉末、Ｃｕ−Ｐ粉末、Ｃｕ−Ｚｎ粉末、Ｆｅ粉末、Ｃｕ−Ｎｉ粉末、及び平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Ｃｕ基焼結合金は表１に、Ｆｅ−Ｃｕ系焼結合金は表２にＣｕ−Ｎｉ系焼結合金は表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、Ｃｕ基焼結合金は６７０〜８００℃範囲内の所定の温度で、Ｆｅ−Ｃｕ系焼結合金は７５０℃〜９２０℃範囲内の所定の温度で、Ｃｕ−Ｎｉ系焼結合金は８００℃〜９４０℃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、Ｆｅ−Ｃｕ系焼結合金、Ｃｕ−Ｎｉ系焼結合金を得た。そして、これらの焼結合金中に潤滑油を含浸せしめた。【００３１】
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１〜３に示される組成成分のＣｕ基焼結合金、Ｆｅ−Ｃｕ系焼結合金、Ｃｕ−Ｎｉ系焼結合金からなる含油軸受を製作した。【００３２】
なお、表１〜表３において、本発明の範囲内の焼結合金は「本発明例」と表示し、本発明の範囲外の焼結合金は「比較例」と表示した。【００３３】
【表１】
0005972963.tif 000002
【００３４】
【表２】
0005972963.tif 000003
【００３５】
【表３】
0005972963.tif 000004
【００３６】
（２）耐摩耗試験
得られた上記のリング形状のＣｕ基焼結合金、Ｆｅ−Ｃｕ系焼結合金、Ｃｕ−Ｎｉ系焼結合金（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、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２００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を測定し、耐摩耗性を評価した。【００３７】
その結果を表１〜表３に示した。【００３８】
Ｃｕ基焼結合金の本発明例におけるリング状軸受の最大摩耗深さは０．０１５ｍｍ以下、Ｆｅ−Ｃｕ系焼結合金の本発明例におけるリング状軸受の最大摩耗深さは０．００８ｍｍ以下、Ｃｕ−Ｎｉ系焼結合金の本発明例におけるリング状軸受の最大摩耗深さは０．０１２ｍｍ以下となり、Ｎｉ−Ｐ合金粒子を添加したことにより、各焼結合金の耐摩耗性が向上していることが確認された。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いという傾向が見られた。【００３９】
一方、比較例におけるリング状軸受の最大摩耗深さはＣｕ基焼結合金で０．０２０〜０．０４８ｍｍであり、Ｆｅ−Ｃｕ系焼結合金で、０．０１５〜０．０３０ｍｍであり、Ｃｕ−Ｎｉ系焼結合金で、０．０１８〜０．０３７ｍｍ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。