JP3973074B2 - 電動機用焼結含油軸受及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
この発明は、自動車等に電装される寒冷地環境で好適な電動機用焼結含油軸受及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車に電装される室内送風装置のフアンモータや座席駆動用モータのような電動機に使用される焼結含油軸受は、鉄系材料、銅系材料、鉄銅系材料などの選択肢の中から、鉄銅系材料が好ましいものとされている。これは銅合金の特徴である滑り特性、なじみ性、放熱性などと、鉄の特徴である比較的硬質、比較的低比重、安価などを兼ね備えているためである。このような焼結合金の鉄部分と銅部分の含有量はそれぞれ同量程度とされる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した焼結含油軸受を用いた電動機は、温暖な環境下で運転したときは通常に稼働するが、例えば、零下２０℃とか零下３０℃のような寒冷地環境で運転すると、運転し始めたしばらくの間、鳴き音が発生するという問題があった。このような鳴き音の発生は、運転初期段階に摺動面の潤滑が不足している状態で起動されると、軸が振動しながら回転しているためと考えられるが、低温特性に優れていると言われている潤滑油に代えただけでは解決できなかった。また、この種の軸受には、潤滑油を蓄えておく含油フェルトを付設する構造（特開平７−２３１００１号、特開平９−１４００８５等）とされているが、軸受要素が複雑となり組立工数及び経費増となるためより簡素化したいという要望もある。
【０００４】
上述したような課題について、本発明者らは含油軸受構成等を工夫することにより解消可能なことを知見した。即ち、この発明は、低温環境で電動機を運転しても鳴き音が発生しない、含油率の比較的高い焼結含油軸受を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明の電動機用焼結含油軸受は、軸受材料が焼結合金からなり、該焼結合金がＳｎ及びＰを含むＣｕ合金相とＦｅのフェライト相とが混在状態を呈した断面組織で、かつ気孔を除く合金に含める鉄粒子量が４５〜５３体積％であり、０．７質量％以下の黒鉛粒子を含有し、サイジングされた軸受内周表面に露出する鉄部の面積が２〜６％、有効多孔率２０〜３０％、及び軸受の通気度が６〜５０×１０^−１１ｃｍ^２であり、軸受内周面に粒子間或いは相の間の気孔に加えて鉄相内及び銅合金相内にも気孔が点在するとともに、気孔内には４０℃における動粘度で６１．２〜７４．８ｍｍ^２／ｓの合成油が含油されていることを特徴としている。
【０００６】
また、上記電動機用焼結含油軸受の製造方法としては、請求項２に記載のように、粒度が１４５メッシュ篩下の海綿状の還元鉄粉４２〜５０質量％、粒度が１４５メッシュ篩下で３５０メッシュ篩下のものが５０〜９０質量％である電解銅粉４１〜４３質量％、粒度が１００メッシュ篩下の箔状銅粉２〜１０質量％、錫粉１．４〜２．７質量％、Ｐ含有量が８〜９質量％のりん銅合金粉３〜５質量％、黒鉛粉０．７質量％以下、及び成形潤滑剤１質量％以下、を含む混合粉を用い、
前記混合粉を圧縮して密度５．３〜６．１ｇ／ｃｍ^３の範囲内の成形体を製作し、該成形体をりん銅合金粉が溶融する温度かつ７８０℃以下で焼結し、得られた焼結体をサイジングして密度５．８〜６．５ｇ／ｃｍ^３及び通気度６〜５０×１０^−１１ｃｍ^２のサイジング体にし、該サイジング体の気孔内に４０℃における動粘度が６１．２〜７４．８ｍｍ^２／ｓ（ｃＳｔ）の合成油を含油することを特徴としている。
【０００７】
以上の焼結含油軸受は、従来軸受の性状と摺動音等との関係について検討した次のような試験結果を基にしている。
(1)軸受の有効多孔率自身は摺動音に大きな影響を与えない。
(2)軸受焼結合金の通気度は摺動音と関係がある。通気度と騒音レベルの関係は二次関数に近似していて、通気度が高いと騒音レベルも高くなる。
(3)含油している潤滑油の量が減少すると、騒音レベルが大きくなる。この場合、潤滑油が有効多孔率の半分以下になると、その増加が極度に大きくなる。
(4)潤滑油が充分に存在していれば、青銅系の軸受でも純鉄系の軸受でも騒音レベルに差が認められない。
(5)含油している潤滑油の量が減少したときは、純鉄系軸受が青銅系軸受より騒音レベルが大きくなる。
(6)潤滑油の粘度は、比較的高い方が騒音レベルが低くなる。
【０００８】
以上のような試験結果を踏まえ、発明の焼結含油軸受の構成、及びその構成を実現するための製造方法は、経験則から下記のような技術思想として導かれる。
(1)焼結合金は、銅合金相の中に鉄粒子が分散した複合組織とする。
(2)前記の体積割合つまり断面組織での割合は、両者の中間性質となるように約１：１の組織図形とする。
(3)軸受摺動面（内周面）は、鉄粒子の露出を少なくして銅合金面を主にすることにより軸摺動の初期なじみ性を良好にできるが、耐摩耗を考慮して鉄粒子の一部を所定程度まで露出点在させる。
(4)有効多孔率は、保油能を確保するためにできるだけ高めとする。
(5)軸受摺動面の油潤滑を確保するために、軸受内周面の気孔は、粒子間或いは相の間の比較的大きい気孔に加えて鉄相内及び銅合金相内にも気孔を点在する組織とする。
(6)軸受表面の露出鉄粒子を減少させるために、鉄粒子を銅合金で適度に包み込むものとし、原料に箔状の銅粉を使用する。
(7)鉄相及び銅合金層内に気孔を形成させるために、海綿状の還元鉄粉、及び粉末粒子径が小さい粉末の量が比較的多い銅粉を使用する。
(8)銅合金相は、比較的軟質なものとし、添加元素の数及び添加量の少ない材質とする。具体的にはＳｎとＰとする。
(9)有効多孔率及び強度を確保するために液相焼結とし、低融点の錫粉とりん銅合金を用いる。
(10)摺動の際の油潤滑を補完するため、混合粉の特性、合金強度、潤滑油の汚れがでない範囲で、固体潤滑物質を焼結合金に含有させる。
(11)軸受摺動面の気孔が残存するように、サイジングする。
(12)焼結合金は、有効多孔率が比較的大きい（密度が低め）割には、鉄相内及び銅合金相内に気孔を設けた組織図形とすることにより、通気度は比較的低い状態とし、摺動による油の過剰な染み出しを抑制する。
(13)潤滑油は、低温特性、熱安定性に優れると共に高温環境にも適合する合成油を選択する。
【０００９】
具体的には下記のような構成要件を具備することにより、上述した鳴き音が発生しない焼結含油軸受を得ることができる。
１．焼結合金に占める鉄粒子
鉄粒子は、海綿状をした還元鉄粉を用いることで、粒子中にも気孔を存在させる。鉄相は結合炭素を認めない軟質なフェライト組織とする。気孔を除く合金に占める鉄粒子量は４５〜５３体積％の範囲で銅合金相に分散させ、合金の骨組みを形成させる。粗大な鉄粒子が軸受表面に露出することがないように、鉄粉の粒度は、１４５メッシュ篩下とする。ここで、鉄粒子体積量４５〜５３％は、断面組織からみた鉄粒子の分布状態及び表面に露出する状態がほぼ同じになる範囲であり、この範囲外では後述する表面露出状態が確保できなくなる。この鉄粒子体積量４５〜５３％は、全体組織では４２〜５０質量％に相当する。
【００１０】
２．焼結合金に占める銅合金相
銅合金は、適度な硬さと強度のために、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐ系とする。このうち、Ｓｎは、錫粉の形で添加し、焼結により溶融させ、銅に拡散させる。銅合金系におけるＳｎ含有量は、青銅系としては少な目の３〜５質量％とする。これは全体組成では１．４〜２．７質量％に相当する。Ｐはりん銅合金粉の形で添加し、焼結中に溶融させ、銅に拡散させる。りん銅合金は、Ｐ含有量が二元系状態図の共析部分である８〜９質量％を用いる。これには、ＪＩＳ Ｈ２５０１（１９７９）りん銅地金３種（記号：８ＰＣｕ）を採用することができる。りん銅合金粉の添加量は、焼結による液相発生量を考慮して銅合金系において６〜８質量％程度とする。これは、鉄粉を含む混合粉全体では３〜５質量％に相当する。また、Ｐ含有量は、銅合金系においては０．１８〜０．４質量％、全体組成では０．２４〜０．４５質量％に相当する。
【００１１】
銅粉は電解銅粉と箔状銅粉とを用いる。前者の電解銅粉は比較的微粉（サブシーブ粉の含有量が多い粉末）を用いる。このことで焼結体の銅合金相中に微細な気孔を形成させる。このような電解銅粉の粒度は、１４５メッシュ篩下であって３５０メッシュ篩下のものが５０〜８０質量％である電解銅粉が好ましく、市販の電解銅粉では、例えば福田金属箔粉工業製ＣＥ２５及びＣＥ１５が該当する。電解銅粉の添加量は、銅粉全量４５〜５１質量％のうち約８０〜９５％である４１〜４３質量％とする。また、後者の箔状銅粉は全銅粉量のうち、重量で１／２０〜１／５（５〜２０質量％）を用いる。箔状の銅粉は摺動面に露出する銅合金相を多くする。その結果、前記した摺動面に露出する鉄粒子の面積を適度に抑える効果がある。粒度は１００メッシュ篩下のものを用いる。
【００１２】
３．軸受断面組織と軸受摺動表面の状況
軸受の断面組織は、鉄相と銅合金相が面積で約１：１の割合で混合していて、粒子間に比較的大きな気孔、各相内に比較的小さい気孔が分散している。また、表層部は、鉄粒子の一部が軸受表面に露出した状態である。サイジングされた軸受内周表面は、気孔が一般的な焼結合金と同様に金属粒子間の気孔（凹部）と、金属部の特に銅合金部に細かな気孔が観察される状態であり、摺動面の気孔の面積は約５〜２０％程度とする。また、軸受内周表面の金属面は、大部分が銅合金面で、鉄が斑点状に露出しており、鉄の露出面積は２〜６面積％とする。これは、顕微鏡で観察したとき、面積０．２ｍｍ^２の視野内に平均直径が約３０μｍの鉄が約１０〜２５個観察される状態に相当する。このような表面は、銅合金面が主体で、間隔を置いて鉄で補強した図形を呈しており、粒子間の比較的大きな気孔と共に粒子にも比較的小さい気孔が存在して、それぞれ含油機能がある状態である。
【００１３】
４．固体潤滑物質
潤滑の点からは、含浸油の潤滑を補完するために黒鉛粒子を含有させることができる。この含有量は全体組成で０．７質量％以下とする。黒鉛の含有は、油潤滑不足のときに摩擦軽減するが、多量の含有は、合金の強度を低下させ、高い有効多孔率にするのを阻害し、使用中に潤滑油中に混合すると、潤滑性能を悪くするおそれがある。
【００１４】
５．焼結温度
焼結条件は、錫粉及びりん銅合金粉が溶融する温度以上とし、焼結による密度上昇が０．１〜０．２ｇ／ｃｍ^３程度になる温度と時間とする。焼結温度は７２０〜７８０℃である。
【００１５】
６．密度、有効多孔率及び通気度
有効多孔率は、焼結合金の強度が設計値を満足すると共に、含油フェルト等の補油手段を使用しなくて済むように、含油能が多い領域とし、２０〜３０％とする。この値は密度が５．８〜６．５ｇ／ｃｍ^３に相当する。また、通気度は、原料粉に海綿状の還元鉄粉と、粒度の比較的細かい銅粉及び箔状の銅粉を用いていることにより、密度及び有効多孔率に対して、通気度合として比較的低い状態の焼結合金となる。密度５．８〜６．５ｇ／ｃｍ^３に対応する通気度は６〜５０×１０^−１１ｃｍ^２（×１０^−３ｄａｒｃｙ）である。
【００１６】
７．潤滑油
潤滑油は、低温に対応できると共に高温においても適応するような合成油とし、粘度グレードがＩＳＯ ＶＧ ６８相当のものを用いる。これは、４０℃における動粘度が６１．２〜７４．８ｍｍ^２／ｓ（ｃＳｔ）である。この合成油は、潤滑特性、低温特性、熱安定性に優れる基油のＰＡＯ（ポリ−α−オレフイン）、及び油性向上剤であるエステルを主成分とするものが好ましい。このような合成油に該当する市販品としては、例えば、商品名アンデロール４６５（アンデロール ジャパン製）、商品名オールタイムＪ−６５２（ＮＯＫクリューバ社製）等が挙げられる。
【００１７】
【実施例】
次に、発明を適用した実施例により説明する。この実施例は、上記した焼結含油軸受の製造方法及び製作された焼結含油軸受の物性について調べ、比較例と対比した例である。ここでは発明の実施例及び比較例を、混合粉末の製作、粉末成形、焼結、サイジング、含油の各処理、製作された焼結含油軸受の物性、性能試験の順に述べる。
【００１８】
１．混合粉末の製作
（実施例）
原料粉末は、下記の(1)〜(6)を使用し、混合した。 各原料粉末の配合割合は質量で、鉄粉４５％、電解銅粉４４％、箔状銅粉４．５％、錫粉２％、りん銅合金粉４％、黒鉛粉０．５％である。また、成形潤滑剤であるステアリン酸亜鉛粉は追加で０．５％を添加した。
(1)鉄粉：同和鉄粉製、名称ＤＮＣ−１８０、粒度１４５メッシュ篩下
(2)電解銅粉：福田金属箔粉工業製、名称ＣＥ−２５、１４５メッシュ篩下で３５０メッシュ篩下のものが８０〜９０質量％
(3)箔状銅粉：福田金属箔粉工業製、名称Ｃｕ−Ｓ−１００、１００メッシ ュ篩下で３５０メッシュ篩下のものが３５〜５５質量％
(4)錫粉：日本アトマイズ加工製、名称Ｓｎ−３２５
(5)りん銅合金粉：福田金属箔粉工業製、名称８Ｐ−Ｃｕ−Ａｔ−２００
(6)黒鉛粉：日本黒鉛工業製、名称ＣＰＢ
（比較例）
原料粉末は、下記の(1)〜(4)を使用し、混合した。各原料粉末の配合割合は質量で、鉄粉４８％、電解銅粉４８％、錫粉３．５％、黒鉛粉０．５％である。また、成形潤滑剤のステアリン酸亜鉛粉は実施例と同じく追加で０．５％を添加した。
(1)鉄粉：ヘガネス製、名称ＮＣ１００−２４、粒度８０メッシュ篩下
(2)電解銅粉：福田金属箔粉工業製、名称ＣＥ−５６、８０メッシュ篩下で ３５０メッシュ篩下のものが１５％
(3)錫粉：日本アトマイズ加工製、名称Ｓｎ−３２５
(4)黒鉛粉：日本黒鉛工業製、名称ＣＰＢ
【００１９】
２．粉末成形
（実施例及び比較例）前記各混合粉を金型で軸受形状に圧縮成形した。成形体密度は６．０ｇ／ｃｍ^３に設定した。
【００２０】
３．焼結
（実施例及び比較例）前記粉末成形された各圧粉成形体は、水素ガスと窒素ガスの混合ガス中、温度７６０℃で焼結した。
【００２１】
４．サイジング
（実施例及び比較例）前記各焼結体のサイジングはネガティブサイジングで行った。軸受内径金属面の塑性変形は、塑性流動による封孔が進まない程度とした。なお、発明方法としては、圧粉成形時の密度を５．３〜６．１ｇ／ｃｍ^３の範囲内に設定し、焼結によって密度５．５〜６．２ｇ／ｃｍ^３ まで上昇し、サイジングによって密度５．８〜６．５ｇ／ｃｍ^３まで上げることにより、有効多孔率が２０〜３０％の範囲内となるようにすることが好ましい。
【００２２】
５．含油
（実施例及び比較例）前記各サイジング体には、含油処理として商品名アンデロール４６５（アンデロール ジャパン製）を真空含浸させた。
【００２３】
６．焼結含油軸受の物性など
以上の条件で製作された実施例と比較例の各焼結含油軸受の性状は下記の通りである。
(1)密度は実施例及び比較例のもの共に６．２ｇ／ｃｍ^３ であった。
(2)通気度は、実施例のものが２０×１０^−１１ｃｍ^２（×１０^−３ｄａｒｃｙ）、比較例のものが６０×１０^−１１ｃｍ^２（×１０^−３ｄａｒｃｙ）であった。
(3)有効多孔率は実施例及び比較例のもの共に２５％であった。
(4)含油率は実施例及び比較例のもの共に２５％であった。
(5)軸受内周面の金属面面積は、実施例のものが９０％であり、比較例のものが６５％であった。
(6)実施例のものは軸受内周面の露出鉄粒子の面積が３％であった。比較例のものは軸受内周面の銅合金部と鉄部の面積として、鉄部面積が金属表面の２０％であった。
(7)実施例のものは軸受内周面の露出気孔状態として、気孔面積が１０％で、金属粒子間の気孔の他に銅合金部粒子表面に小さい気孔が認められた。比較例のものは軸受内周面の露出気孔状態として、気孔面積が３５％で、金属粒子間の気孔が主で、銅合金部に気孔が少なく平滑となっていた。
【００２４】
７．電動機の低温稼働試験
評価方法は、上記の実施例と比較例の焼結含油軸受を電動機のモータシャフト軸用として装着し、該電動機を零下３０℃に冷却した後、その温度環境で運転したときに騒音発生の有無を調べた実装試験である。電動機は、シャフト軸直径８ｍｍで、滑り速度が０．８ｍ／ｓ、ＰＶ値が０．０８ＭＰａ・ｍ／ｓである。試験結果は、実施例の焼結含油軸受を用いると、鳴き音が運転初期から発生しないが、比較例の焼結含油軸受を用いると鳴き音が発生し、発明品の優位性が顕著に認められた。
【００２５】
このように、軸受構成としては、摺動面が銅合金相と鉄相及び気孔が適度に分散した状態で、有効多孔率が比較的多く、通気度が比較的低い焼結合金とし、低温特性に優れ動粘度が比較的高い潤滑油とを組み合わせることで、低温環境の運転で鳴き音を発生しない電動機用軸受要素が実現される。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明は、焼結含油軸受構成及びその製造方法を工夫することにより、例えば、零下３０℃程度の寒冷地で使用される電動機の運転初期段階での鳴き音を発生させず、適用電動機の品質及び信頼性を向上することができる。

Claims (2)

1. 軸受材料が焼結合金からなり、該焼結合金がＳｎ及びＰを含むＣｕ合金相とＦｅのフェライト相とが混在状態を呈した断面組織で、かつ気孔を除く合金に含める鉄粒子量が４５〜５３体積％であり、０．７質量％以下の黒鉛粒子を含有し、サイジングされた軸受内周表面に露出する鉄部の面積が２〜６％、有効多孔率２０〜３０％、及び軸受の通気度が６〜５０×１０^−１１ｃｍ^２であり、軸受内周面に粒子間或いは相の間の気孔に加えて鉄相内及び銅合金相内にも気孔が点在するとともに、気孔内には４０℃における動粘度で６１．２〜７４．８ｍｍ^２／ｓの合成油が含油されていることを特徴とする電動機用焼結含油軸受。
2. 粒度が１４５メッシュ篩下の海綿状の還元鉄粉４２〜５０質量％、粒度が１４５メッシュ篩下で３５０メッシュ篩下のものが５０〜９０質量％である電解銅粉４１〜４３質量％、粒度が１００メッシュ篩下の箔状銅粉２〜１０質量％、錫粉１．４〜２．７質量％、Ｐ含有量が８〜９質量％のりん銅合金粉３〜５質量％、黒鉛粉０．７質量％以下、及び成形潤滑剤１質量％以下、を含む混合粉を用い、
   前記混合粉を圧縮して密度５．３〜６．１ｇ／ｃｍ^３の範囲内の成形体を製作し、該成形体をりん銅合金粉が溶融する温度かつ７８０℃以下で焼結し、得られた焼結体をサイジングして密度５．８〜６．５ｇ／ｃｍ^３及び通気度６〜５０×１０^−１１ｃｍ^２のサイジング体にし、該サイジング体の気孔内に４０℃における動粘度が６１．２〜７４．８ｍｍ^２／ｓの合成油を含油することを特徴とする電動機用焼結含油軸受の製造方法。