(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼入れ組織の多孔質鉄基焼結合金からなり、軸受内周面が研削面で、その内周面に露出している気孔が面積率で１０％以下であり、表面近傍に、加工により目潰しされて封孔されている気孔が内周面から金属厚さが２０μｍ以下のみに存在することを特徴とする建設機械用焼結滑り軸受。
【請求項２】
前記鉄基焼結合金が、鉄炭素系合金基地中にマルテンサイトを含むと共に、銅が分散し、銅の含有量が１５〜２５質量％で、有効多孔率が１５〜２８％であることを特徴とする請求項１記載の建設機械用焼結含油滑り軸受。
【請求項３】
ラジアル荷重を受けるべき軸受内周面及びその近傍の露出気孔量がその他の内周面の露出気孔量より多くかつ封孔が少くなっていることを特徴とする請求項１記載の建設機械用焼結滑り軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、建設機械用の軸受要素のように、軸受摺動面に高い面圧が作用する用途に好適な焼結滑り軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、建設機械の油圧ショベルは、掘削動作をするときに、油圧シリンダを用いて、アーム先端に取り付けられたバケットを揺動させるようになっている。バケットとアームとの関節は、軸と軸受からなる滑り軸受要素で構成されている。このような軸受要素は、大きな面圧がかかるため、耐摩耗性が高い軸受を用い、摺動面には粘度の高い潤滑油やグリース等を介在させて用いられる。
【０００３】
このような軸受としては、鋳造合金を切削加工したものや摺動面に黒鉛片を斑点状に埋め込んだものに代えて、動粘度が高い潤滑油を含浸させた鉄炭素系焼結合金が使用されている。この焼結含油軸受は、高強度と高い耐摩耗性を確保するために、合金基地がマルテンサイト組織を含んだ鉄炭素系合金を用い、その組織中に約２０質量％程度の銅を分散させたものである。軸受は、熱処理されて硬く、比較的大型なので、最終の仕上げは切削加工した後、内周面を研削して作られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の焼結含油滑り軸受は、潤滑油を含み、焼入れされた鉄合金基地に銅が分散した合金で、高荷重に適しており、良好に使用できるものであるが、耐久性に若干のばらつきがあり、より安定して長寿命となることが望まれていた。
【０００５】
そこで、従来の焼結含油滑り軸受について使用した摩耗の状況を観察し、軸受内周面の気孔状態に着眼して研究し、新規な知見を得た。本発明はこのような知見に基いて完成したものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するためになされたもので、その技術手段は、焼入れ組織の多孔質鉄基焼結合金からなり、軸受内周面が研削面で、その内周面に露出している気孔が面積率で１０％以下であり、表面近傍に、加工により目潰しされて封孔されている気孔が内周面から金属厚さが２０μｍ以下のみに存在することを特徴とする建設機械用焼結滑り軸受である。この軸受は、面圧５８．８ＭＰａ以上及び摺動速度２〜５ｃｍ／秒の使用条件ですぐれた性能を示す。なお、研削面はグラインダー（研削盤）によって研削された面である。また封孔とは、表面に露出していない空孔をいう。
【０００７】
この鉄基焼結合金は、鉄炭素系合金基地中にマルテンサイトを含むと共に、銅が分散し、銅の含有量が１５〜２５質量％で、有効多孔率が１５〜２８％であるものが好ましい。有効多孔率とは表面と連通していて含油することができる気孔の体積の試料体積に占める比率である。
【０００８】
また、本発明の焼結滑り軸受は、ラジアル荷重を受けるべき軸受内周面及びその近傍の露出気孔量がその他の内周面の露出気孔量より多くかつ封孔が少くなっているものも包含される。このような軸受は、例えば軸受の内面がラジアル荷重を受けて軸と摺動して初期摩耗を生ずるような条件で加工又は使用することによって得ることができる。
【０００９】
さらに、本発明の焼結滑り軸受は、建設機械油圧ショベルの関節用またはクレーンのアーム支持関節用軸受として用いると最適である。
【００１０】
本発明の特徴とする前記構成を要件とする理由について説明すると下記のようである。
【００１１】
（１）焼結合金
本発明の焼結滑り軸受の材質、組成は強度及び耐摩耗性から、マルテンサイト組織を含む鉄基焼結多孔質合金とした。特に、鉄炭素系合金基地中に、銅が分散した合金が好ましく、銅の含有量は１５〜２５質量％が好適である。硬い鉄炭素系合金基地の骨格の中に、軟質で軸とのなじみ性が良い銅が介在しているもので、合金を構成する元素が少なく、耐久性にも優れている。摺動面に存在する銅が少ないと、硬い鉄合金の性質が強くなり、軸をアブレシグ摩耗させ易く、銅が多い場合は、高い面圧の摺動によって、銅が変形したり表面の気孔を塞いで摩耗が進行しやすいことから、銅の含有量を１５〜２５質量％とする。
【００１２】
（２）有効多孔率と密度
有効多孔率は１５％以上必要で、低いと含油量が少ないために摺動面に油切れを起こしやすくなり寿命を短くする。有効多孔率は大きいほど含油能力が高くて好ましいが、密度が低くなり、強度が低下し、耐摩耗性にも影響する。この合金の密度は５．８ｇ／ｃｍ3以上であることが必要である。前記した好ましい焼結合金の銅含有量が最大値の２５質量％の場合、密度が５．８ｇ／ｃｍ3以上では、有効多孔率は２８％以下となる。これらのことから、有効多孔率を１５〜２８％とする。
【００１３】
（３）軸受内周面の状態
軸受内周面は、グラインダー（研削盤）による研削面とする。そしてその内周面の表面に露出している気孔が面積率で１０％以下とする。また、内周面から深さ方向の金属厚さが２０μｍ以下で表面に開口していない、封孔されている気孔が存在するようにする。この封孔されている気孔は軸受断面のラッピング面の顕微鏡組織から観察されるもので、軸受の内周面の表面の近傍にある封孔のうち、幅が約５０μｍ以上の気孔であって、軸受内周表面までの距離が２０μｍ以下である。このような研削面は、予め密度を決定して製造した軸受素材の内周面を加工する研磨砥石と研削条件を選定することによって安定的に得ることができる。また、軸受素材の内周面を予め旋盤により切削加工した後研削する場合は、軸受内周面の表面附近に存在する気孔を所定深さまで目潰しすると共に表面部を緻密化するように切削加工を施し、その表層部を所定量研削して表層を除去する手段によって得ることができる。この場合、切削加工は、焼結後の焼結体に施す場合と、熱処理後の熱処理体に施す場合があり、前者の方が緻密化部分の深さを深く形成することができる。
【００１４】
研削面の平均面粗さは、Ｒｍａｘで０．５〜１μｍ程度とする。このような軸受内周面は、軸と組み合わせて嵌合部に潤滑油を供給して使用したとき、軸受内周の表面に露出している気孔が少ない状態なので、摺動部の油圧（油膜強度）が高くなるが、軸受内周面にかかる高い面圧のラジアル荷重によって、軸受内周の荷重の作用部は初期摩耗し、薄い金属で封孔されていた気孔が摩耗した面に露出する。本発明の軸受は、建設機械油圧ショベルの関節用またはクレーンのアーム支持関節用軸受であると最適である。このとき初期摩耗する部分は、軸と軸受が相対的に揺動運動し、高い面圧が作用している箇所である。この部分が初期摩耗してもその他の部分は研削面が僅かに摩耗した程度で気孔量が少ない状態が維持される。封孔されていた気孔が露出すると、含浸された潤滑油が容易に供給され、初期摩耗が終わった後の摩擦を低くする。一方、荷重の小さい軸受内周部分は封孔がそのまま維持され依然として潤滑油の油圧逃げが少ない状態を維持する。これらの結果全体として摺動性能が安定化する効果を奏する。このようなの軸受を初期摩耗が生ずるのと同様の作用を生ずる加工手段を施すことによって製造してもよい。
【００１５】
軸受内周面の表面近傍に存在し表面に開口していないで封孔されている気孔の軸受内周面までの金属厚さは、初期摩耗によって容易に除去され、初期摩耗を受けない部分では表面の気孔が少ない状態を維持することができるように２０μｍ以下とする。さらに好ましくは８〜１２μｍ（１０μｍ程度）である。このような厚みを形成するには、グラインダー（研削盤）による研削加工が適している。
【００１６】
研削面に開口している気孔の量は、軸受焼結合金の気孔率との差が大きいことが好ましいが、焼結合金の許容される最低の密度５．８ｇ／ｃｍ3における研削面の状態から面積率で１０％以下とする。好ましくは１〜３％である。
【００１７】
（４）含浸される潤滑剤
含浸油は、この種の高面圧滑り軸受に使用される品質のものを用いるとよい。例えば、４０℃における動粘度が２．２〜１０ｍ2／ｓ（２２０〜１０００ｃＳｔ）程度のものが適当である。また、常温で固態状または半固態状で滴点６０℃以上であるようなワックスも適している。このワックスは、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックスなどに油分を含み、好ましくは黒鉛や二硫化モリブデンの粒子を含有しているものである。含浸されている潤滑油は、軸受と軸との摺動による軸受の温度上昇により膨張し、摺動面へ供給される。軸受が使用されるときは、軸受要素にグリースを注入するとよい。
【００１８】
【発明の実施の態様】
以下、好ましい実施例と比較例により本発明の実施の態様を説明する。
【００１９】
（１）焼結軸受素材の製作
アトマイズ鉄粉（神戸製鋼所製アトメル３００Ｍ）８１．２ｋｇと、電解銅粉（福田金属箔粉工業製ＣＥ１５）１８ｋｇと、黒鉛粉（日本黒鉛工業製ＣＰＢ）０．８ｋｇとに、成形系潤滑剤としてステアリン酸亜鉛粉０．５ｋｇを追加混合し、円筒形状に圧縮成形した。この成形体を温度１１２０℃の還元性ガス中で焼結した。焼結品の鉄基焼結合金基地中の結合炭素量は０．６質量％であった。また、焼結体の密度は６．２ｇ／ｃｍ3で、有効多孔率は２１％であった。焼結体は、温度８５０℃に加熱したのち油焼入れし、温度１８０℃で焼戻した。得られた軸受素材はマルテンサイト組織を含むものであった。
【００２０】
（２）切削加工及び研削
上記熱処理された焼結軸受素材の内外周面及び端面を旋盤を用いて超硬バイトで切削加工し、次に、研削盤を用いて軸受素材と砥石を回転させて内周面を研削した。このとき、研磨代を変えることにより、内周面に露出した気孔量を調節した。軸受の内径寸法は直径５０ｍｍ、全長寸法は５０ｍｍである。
【００２１】
これら加工条件の異なる軸受試料を切断し、内周面の露出気孔量を顕微鏡観察により求め、内周面を含む断面を顕微鏡組織により観察して、表面に近い封孔された幅が約５０μｍ以上の複数の気孔について、内周面までの金属部分の厚さを測定した。下記の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の測定値である加工条件グループを軸受試料とした。
（ａ）実施例：内周面の気孔量が３面積％、封孔表面の金属厚さが１０μｍの試料。
（ｂ）比較例１：内周面の気孔量が１面積％、封孔表面の金属厚さが３０μｍの試料。
（ｃ）比較例２：内周面の気孔量が１５面積％で、表面附近に封孔が殆ど認められない試料。
【００２２】
（３）潤滑油の含浸
軸受試料には、ＩＳＯ  Ｖ  Ｇ４６０相当（４０℃における動粘度４．６ｍ2／ｓ（４６０ｃＳｔ））の潤滑油を真空含浸した。各試料は内周面の状態が異なるが、内部の気孔は同じであり、含油率が２１％である。
【００２３】
（４）軸受試験
軸受試料をハウジングに固定し、焼入れ及び研磨された軸にグリースを塗布して軸受試料の内周に嵌合した。軸にラジアル方向の荷重を与え、面圧は５８．８ＭＰａ（６ｋｇｆ／ｍｍ2）とした。軸は中心角１００度の範囲の軸摺動面を滑り速度が１分間あたり１．２ｍの速さで往復回動させた。往復運動の末端位置でそれぞれ０．５秒間休止させた。
【００２４】
軸受試料の外周面に熱電対を装着し、運転過程の軸受温度を測定した。若し軸受温度が１５０℃になれば試験を中止することとした。１５０℃は、経験則から焼付き摩耗になっていると認められる温度である。
【００２５】
（５）軸受温度の測定結果
このようにして試験した軸受温度は表１のとおりである。表１に示すように、実施例の焼結含油滑り軸受は、運転初期段階で温度上昇するが、その状態を過ぎた後は温度が下がり、３０時間までほぼ同じ温度レベルを推移した。
【００２６】
内周面の気孔量が少なく、封孔表面の金属厚さが比較的大きい加工によって気孔が目潰しされた状態の比較例１では、初期段階でより高い温度になり、その温度が暫時継続されてから温度が下がり、実施例の温度より高い温度で安定化している。また、内周面の気孔量が多く、加工による封孔が殆どない表面状態の比較例２では、比較例１のような初期段階の温度急上昇は起こらないが、緩やかに温度上昇し、実施例の軸受の安定温度より高い温度で推移している。
【００２７】
いずれも温度が１５０℃には達していない。
【００２８】
【表１】
0003978042.tif 000002
【００２９】
（６）試験結果の評価
これらの運転温度の推移は、軸受内周面を観察した状況から、次のような理由によるものと考えられる。
【００３０】
実施例の焼結含油滑り軸受は、運転初期段階でラジアル荷重作用面に潤滑油が不足していて初期摩耗が進行し温度上昇したものと考えられる。次いで摩耗により、軸荷重と軸受気孔内の潤滑油の押し上げ力が程良く釣り合うような気孔の開口面積を形成し、理想的な潤滑形態が初期摩耗によって作り出されている。初期摩耗のあとは、比較的硬質な焼入れ組織の鉄炭素系合金基地と比較的軟質な銅粒子とによる耐摩耗性と、最適気孔量に基づいて、摩耗が進行せず、摺動特性が安定したものと考えられる。
【００３１】
一方、比較例１のように、加工による目潰し状態が摺動表面部から比較的深くまで及んでいるものは、初期摩耗によってある程度の開口気孔が露出するものの、依然として必要な潤滑油の供給が不足した状態が推移して温度が上昇する。そして、高い温度が継続することによって、潤滑油が流出しやすくなるが、封孔の金属厚さが厚く、摩擦が高くなって摩耗しながら推移し、安定期になるまでの時間が長くなっているものと考えられる。
【００３２】
また、比較例２のように、封孔量が少なく摺動面に開口した気孔が比較的多いものは、初期段階からラジアル荷重作用面に潤滑油が供給され、温度上昇が比較的緩やかとなるが、ラジアル荷重作用面以外の部分も多孔質であるため、荷重作用面の油圧が隣接する気孔に逃げ易い状態となっており、潤滑が不足することにより温度が高い状態を推移するものと考えられる。
【００３３】
前述したように、軸受摺動面を真円度が優れた平滑面とするために、単に研削しただけでは摺動特性が不充分で、軸受素材の表面気孔が適度に封孔された内周面にするとともに、初期摩耗によってラジアル荷重作用面が潤滑油の油圧と程良く釣り合う状態の気孔になったときときに、耐久性がある焼結含油滑り軸受となることが分かる。
【００３４】
このような内周表面状態で有効多孔率が十分あるような焼結含油滑り軸受は粉末冶金における表面緻密化技法によっても製作することはできるが、製作工程が多く、軸受をハウジングに組立てるときに位相合せを必要とする欠点がある。それに比べ、本発明の焼結含油滑り軸受は、軸受素材の密度と切削加工及び研削加工条件を一定にすることにより、軸受内周面を所定表面状態に安定して製作することができ、使用することによって当然に生じる初期摩耗を利用して使用条件に最適な摺動面の気孔状態を形成することができる。従って、軸受性能、製作性、組立て性に優れたものである。
【００３５】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の高面圧に適した焼結滑り軸受は、摩擦が少ない状態を長期問安定して維持できるので、予定保守の間隔を延ばすことができ、コスト削減効果を期待することができる。