JP6921046B2 - 焼結軸受の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、焼結軸受の製造方法に関する。

焼結軸受は、無数の内部気孔を有する多孔質体であり、通常は、内部気孔に潤滑流体（例えば、潤滑油）を含浸させた状態で使用される。この場合、焼結軸受およびその内周に挿入した軸が相対回転すると、焼結軸受の内部気孔に保持された潤滑油が温度上昇に伴って焼結軸受の内周面（軸受面）に滲み出す。そして、この滲み出した潤滑油によって、焼結軸受の軸受面と軸の外周面との間の軸受隙間に油膜が形成され、軸が相対回転自在に支持される。

例えば、下記の特許文献１には、鉄および銅を主成分とする鉄銅系の焼結軸受として、鉄粉に対し１０質量％以上３０質量％未満の銅を被覆してなり、粒度を８０メッシュ以下とした銅被覆鉄粉を圧粉・焼結することで得られるものが記載されている。

特許第３６１３５６９号 特開２００１−１７８１００号公報 特開２００８−９９３５５号公報

しかしながら、本発明者らが検証したところ、特許文献１の技術手段を適用した焼結軸受を振動モータに使用した場合には、回転変動が大きくなることが明らかになった。これは、銅被覆鉄粉を圧粉・焼結して得られた焼結軸受では、鉄相（鉄組織）と銅相（銅組織）のネック強度が低いため、軸受面が早期に摩耗したことに起因すると考えられる。

軸受面の耐摩耗性向上を図るための技術手段として、ＮｉやＭｏ等の金属粉末を配合した混合粉末を使用し、これを圧粉・焼結することが考えられる。しかしながら、ＮｉやＭｏ等の金属粉末は高価であるため、焼結軸受の高コスト化を招く。

以上の実情に鑑み、本発明は、高い回転精度を有し、かつ回転変動が少ない焼結軸受を低コストに製造可能とすることを目的とする。

ところで、上述の振動モータとは、例えば携帯電話等の携帯端末において、電話の着信やメールの受信等を報知するバイブレータとして機能するものであり、例えば特許文献２，３に記載されているように、錘（偏芯錘）が取り付けられた軸の軸方向に離間した二箇所を内周に軸受面を有する円筒状の焼結軸受で支持しつつ、上記軸をモータ部で回転させることにより、端末全体に振動を発生させるようになっている。焼結軸受は、例えば金属材料で形成されたハウジングの内周に固定される。この振動モータでは、モータ部に通電されると、軸は、錘の影響を受けて焼結軸受の軸受面の全面に沿って振れ回りながら回転する。すなわち、この種の振動モータにおいて、軸は、その中心を焼結軸受の軸受中心に対してあらゆる方向に偏芯させた状態で回転する。

近年、いわゆるスマートフォン等への搭載を考慮して、振動モータにはさらなる小型化が要請されている。振動モータを小型化した場合、モータパワーの増大には限界がある。そのような状況下でも所定の振動性能を確保するために、モータを高速回転化（１００００ｒｐｍ以上）し、あるいは錘のアンバランス荷重を増大させることで対処しようとしており、振動モータ用の焼結軸受の使用条件はより過酷化する傾向にある。すなわち、振動モータでは、上記のように軸が軸受面全面に沿って振れ回りながら回転すること、また、アンバランス荷重により軸受面が軸に頻繁に叩かれることから、焼結軸受の使用条件は通常用途の焼結軸受（例えば、スピンドルモータ用の焼結軸受）よりもただでさえ過酷であり、軸受面が摩耗し易い。そのため、モータを高速回転化等すると、軸受面の摩耗が一層促進されることになり、軸受面の摩耗に起因した回転変動が一層大きくなる。

このような事情も考慮して創作された本発明は、支持すべき軸との間に軸受隙間を形成する軸受面を内周に有する焼結軸受の製造方法であって、鉄粉に対し銅粉を部分拡散させてなる部分拡散合金粉を主原料とし、これに低融点金属粉および固体潤滑剤粉を配合した原料粉末を圧縮成形して圧粉体を得る圧縮成形工程と、圧粉体を焼結して焼結体を得る焼結工程とを含むことを特徴とする。

上記の製法によれば、金属組織の大部分が鉄（鉄組織）で構成され、しかも金属組織に一定量の銅を含んだ焼結体を得ることができるので、耐摩耗性、機械的強度、および初期なじみ性等の摺動特性に優れた焼結軸受を得ることができる。また、上記の製法であれば、焼結工程で圧粉体が焼結されるのに伴って、圧粉体に含まれる低融点金属粉が溶融する。低融点金属は銅に対して高いぬれ性を持つので、液相焼結により、隣り合う部分拡散合金粉の鉄組織と銅組織、あるいは銅組織同士を強固に結合させることができる。また、個々の部分拡散合金粉のうち、鉄粉の表面に銅粉の一部が拡散することでＦｅ−Ｃｕ合金が形成された部分には、溶融した低融点金属が拡散していくため、鉄組織と銅組織間のネック強度が一層高まる。これらのことから、ＮｉやＭｏ等の高価な金属粉末を使用することなく、また、圧粉体を比較的低温で加熱（焼結）するいわゆる低温焼結でも、軸受面の耐摩耗性に優れ、かつ高い圧環強度（例えば３００ＭＰａ以上）を有する焼結体（焼結軸受）を製造することができる。

そして、軸受面の耐摩耗性が向上すれば、軸受面の摩耗に起因した回転変動を防止することができる。また、焼結軸受が十分な圧環強度を具備していないと、特にハウジング内周に焼結軸受を圧入した際に軸受面が変形する（軸受面の真円度や円筒度などが低下する）ため、圧入後にサイジング等の形状修正加工を追加的に実行し、軸受面を適正形状に仕上げる必要がある。これに対し、上記のように高い圧環強度を有する焼結体を得ることができれば、焼結軸受をハウジング内周にするのに伴って軸受面が変形するのを可及的に防止することができるので、上述の形状修正加工を追加的に実行する必要がなくなる。従って、振動モータに使用した場合でも、高い耐久性と回転精度とを両立した焼結軸受を低コストに提供することが可能となる。

圧粉体の焼結温度（加熱温度）は、例えば８２０℃以上９００℃以下に設定することができる。このような焼結処理を、炭素を含むガス雰囲気で実行すれば、ガスに含まれる炭素が鉄組織中に拡散していくので、鉄組織がフェライト相とパーライト相の二相組織からなる焼結体を得ることができる。焼結体としては、鉄組織の全てがフェライト相からなるものとすることもできるが、鉄組織が上記の二相組織で構成されていれば、焼結体が硬質のパーライト相を含んでいることにより、軸受面の耐摩耗性を一層高めることができる。また、上記の焼結条件であれば、圧粉体に含まれる銅粉が溶融せず、従って、焼結に伴って銅が鉄組織中に拡散しない。このため、焼結体の表面には適量の銅組織（青銅相）が形成される。そのため、軸との初期なじみ性が良好で、摩擦係数が小さい軸受面を得ることができる。

上記の焼結軸受（焼結体）を得るには、部分拡散合金粉として、平均粒径５μｍ以上２０μｍ未満の銅粉が鉄粉に部分拡散し、かつＣｕを１０〜３０質量％含有するものを使用するのが好ましい。

本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、平均粒径１０６μｍを超える大粒径の部分拡散合金粉が原料粉末中に含まれていると、焼結体の内部に粗大気孔が形成され易く、その結果、必要とされる軸受面の耐摩耗性や圧環強度等を確保できない場合があることが判明した。従って、部分拡散合金粉は、平均粒度１４５メッシュ以下（平均粒径１０６μｍ以下）のものを使用するのが好ましい。このような合金粉を使用することで、焼結後の金属組織が均一化され、金属組織（多孔質組織）中での粗大気孔の発生が抑制された焼結体を安定的に得ることができる。これにより、軸受面の耐摩耗性や軸受の圧環強度が一層向上した焼結軸受を安定的に得ることが可能となる。

原料粉末としては、低融点金属粉としての錫粉が０．５〜３．０質量％配合されると共に、固体潤滑剤粉としての黒鉛粉が０．３〜１．５質量％配合されたものを使用するのが好ましい。これにより、上述した作用効果を適切に奏し得る焼結軸受を安定的に量産することができる。

部分拡散合金粉（Ｆｅ−Ｃｕ部分拡散合金粉）を構成する鉄粉としては、還元鉄粉を使用することができる。鉄粉としては、還元鉄粉以外にも、例えばアトマイズ鉄粉を使用することができるが、還元鉄粉は内部気孔を有する海綿状（多孔質状）をなすことから、アトマイズ鉄粉に比べて粉末が柔らかく、圧縮成形性に優れる。そのため、低密度でも圧粉体強度を高めることができ、圧粉体の欠けや割れの発生を防止することができる。また、還元鉄粉は、上記のとおり海綿状をなすことから、アトマイズ鉄粉に比べて保油性に優れる利点も有する。

焼結工程の後には、焼結体の内部気孔に潤滑油を含浸させる含油工程を設けることができる。この含油工程では、４０℃の動粘度が１０〜５０ｍｍ²／ｓの範囲内にある潤滑油、あるいは４０℃の動粘度が１０〜５０ｍｍ²／ｓの範囲内にある油（潤滑油）を基油とした液状グリースを焼結体の内部気孔に含浸させることができる。４０℃の動粘度が上記範囲内にある潤滑油あるいは液状グリースを焼結体の内部気孔に含浸させれば、軸受隙間に高剛性の油膜を形成することができ、しかも回転トルクの上昇を抑えることのできる焼結軸受（焼結含油軸受）が得られる。

以上に示すように、本発明によれば、高い回転精度を有し、かつ回転変動の少ない焼結軸受を低コストに製造することができる。そのため、この焼結軸受をモータ、特に振動モータに組み込んで使用した際には、信頼性および耐久性に優れる振動モータを低コストに提供することが可能となる。

焼結軸受を備える振動モータの要部概略断面図である。 図１中のＡ−Ａ線矢視断面図である。 焼結軸受の製造工程を示すブロック図である。 部分拡散合金粉を模式的に示す図である。 圧縮成形工程を示す概略断面図である。 圧縮成形工程を示す概略断面図である。 圧粉体の一部を概念的に示す図である。 焼結体の金属組織を模式的に示す図である。 図２中のＸ部の顕微鏡写真である。 従来技術に係る焼結軸受の軸受面付近の顕微鏡写真である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、代表的な振動モータの要部概略断面図である。図示例の振動モータ１は、略円筒状に形成された金属製又は樹脂製のハウジング２と、軸方向の二箇所に離間して配置され、ハウジング２の内周に圧入固定されたリング状の焼結軸受４（４１，４２）と、焼結軸受４（４１，４２）の内周に挿入された軸３とを備え、軸３は、二つの焼結軸受４１，４２の間に配置されたモータ部Ｍによって１００００ｒｐｍ以上の回転数で回転駆動されるようになっている。軸３は、ステンレス鋼等の金属材料で形成され、ここでは直径２ｍｍ以下（好ましくは１．０ｍｍ以下）のものが使用される。軸３の一端には、軸３を焼結軸受４に対して偏心回転させるための錘Ｗが一体又は別体に設けられている。軸３の外周面３ａと焼結軸受４の軸受面４ａとの間に形成される隙間（軸受隙間）の隙間幅は、例えば片側（半径値）で４μｍ程度に設定されている。焼結軸受４の内部気孔には、４０℃の動粘度が１０〜５０ｍｍ²／ｓの範囲内にある潤滑油（例えば合成炭化水素系潤滑油）が含浸されている。焼結軸受４の内部気孔に含浸させる潤滑油として、このような低粘度のものを選択使用したのは、軸受隙間に形成される油膜の剛性を確保しつつ、回転トルクの上昇を抑えるためである。なお、焼結軸受４の内部気孔には、上記の潤滑油に替えて、４０℃の動粘度が１０〜５０ｍｍ²／ｓの範囲内にある油を基油とした液状グリースを含浸させても良い。

以上の構成を有する振動モータ１において、モータ部Ｍに通電され、軸３が焼結軸受４に対して相対回転すると、焼結軸受４の内部気孔に保持された潤滑油が温度上昇に伴って軸受面４ａに滲み出す。この滲み出した潤滑油によって、対向する軸３の外周面３ａと焼結軸受４の軸受面４ａとの間の軸受隙間に油膜が形成され、軸３が焼結軸受４によって相対回転自在に支持される。なお、軸３は、その一端に設けられた錘Ｗの影響を受けることにより、軸受面４ａの全面に沿って振れ回りながら回転する。すなわち、軸３は、図２に示すように、その中心Ｏａを焼結軸受４（４１，４２）の中心Ｏｂに対してあらゆる方向に偏芯させた状態で回転する。

図示例では、二つの焼結軸受４１，４２の軸方向長さ（軸受面４ａの面積）および径方向の厚さを相互に異ならせている。具体的には、錘Ｗに近い側の焼結軸受４１の軸受面４ａの面積を、錘Ｗから遠い側の焼結軸受４２の軸受面４ａの面積よりも大きく設定している。これは、錘Ｗに近い側では、錘Ｗから遠い側よりも大きなアンバランス荷重が軸３に作用するため、軸受面４ａの面積拡大を通じて支持能力向上を図る一方、錘Ｗから遠い側では、錘Ｗに近い側ほどの支持能力を必要としないため、軸受面４ａの面積を小さくして低トルク化を図るためである。

図示は省略しているが、焼結軸受４の内部気孔に含浸させた潤滑油（あるいは液状グリース）がハウジング２の外部に漏れ出し、あるいは飛散するのを防止するため、振動モータ１にはハウジング２の開口部をシールするシール部材を設けても良い。

以上で説明した焼結軸受４は、鉄を主成分とし、銅を１０〜３０質量％含んだ鉄銅系の焼結体からなり、かつ３００ＭＰａ以上の圧環強度を有する。このような焼結軸受４は、例えば、図３に示すように、（Ａ）原料粉末生成工程Ｐ１、（Ｂ）圧縮成形工程Ｐ２、（Ｃ）焼結工程Ｐ３、（Ｄ）サイジング工程Ｐ４および（Ｅ）含油工程Ｐ５を順に経て製造される。以下、これらの各工程について説明する。なお、二つの焼結軸受４（４１，４２）は、実質的に同一の構造を有しており、同じ製造手順で製造される。

（Ａ）原料粉末混合工程Ｐ１
この原料粉末生成工程Ｐ１では、後述する複数種の粉末を混合することにより、焼結軸受４の作製用材料である原料粉末１０［図５（ａ）参照］を均一化する。本実施形態で使用する原料粉末１０は、部分拡散合金粉を主原料とし、これに低融点金属粉および固体潤滑剤粉を配合した混合粉末である。この原料粉末１０には、必要に応じて各種成形潤滑剤（例えば、離型性向上のための潤滑剤）を添加しても良い。以下、上記の各粉末について詳細に述べる。

［部分拡散合金粉］
図４に示すように、部分拡散合金粉１１としては、鉄粉１２の表面に銅粉１３が部分拡散したＦｅ−Ｃｕ部分拡散合金粉が使用され、本実施形態では、鉄粉１２の表面に、鉄粉１２よりも平均粒径が小さい多数の銅粉１３を部分拡散させたＦｅ−Ｃｕ部分拡散合金粉が使用される。この部分拡散合金粉の拡散部分はＦｅ−Ｃｕ合金を形成しており、図４中の部分拡大図に示すように、合金部分は鉄原子１２ａと銅原子１３ａとが相互に結合し、配列した結晶構造を有する。部分拡散合金粉１１としては、平均粒度１４５メッシュ以下（平均粒径１０６μｍ以下）の粒子のみが使用される。

なお、粉末はその粒径が小さくなるほど見掛密度が下がり、浮遊し易くなる。そのため、原料粉末中に小粒径の部分拡散合金粉１１が多く含まれていると、後述する圧縮成形工程Ｐ２において成形金型（キャビティ）に対する原料粉末の充填性が低下し、所定形状・密度の圧粉体を安定的に得ることが難しくなる。具体的には、粒径４５μｍ以下の部分拡散合金粉１１が２５質量％以上含まれていると、上記の問題が生じ易くなることを本発明者らは見出した。従って、部分拡散合金粉１１としては、平均粒度１４５メッシュ以下（平均粒径１０６μｍ以下）で、かつ平均粒度３５０メッシュ（平均粒径４５μｍ）以下の粒子を２５質量％以上含まないものを選択使用するのが望ましい。平均粒径は、粒子群にレーザ光を照射し、そこから発せられる回析・散乱光の強度分布パターンから計算によって粒度分布、さらには平均粒径を求めるレーザ回析散乱法（例えば株式会社島津製作所製のＳＡＬＤ３１０００を用いる）により測定することができる（以下に述べる粉末の平均粒径も同様の方法で測定することができる）。

上記の部分拡散合金粉１１を構成する鉄粉１２としては、還元鉄粉、アトマイズ鉄粉等、公知の鉄粉を問題なく使用することができるが、本実施形態では還元鉄粉を使用する。還元鉄粉は、球形に近似した不規則形状で、かつ内部気孔を有する海綿状（多孔質状）であるから、海綿鉄粉とも称される。使用する鉄粉１２は、平均粒径２０μｍ〜１０６μｍのものが好ましく、平均粒径３８μｍ〜７５μｍのものが一層好ましい。

また、部分拡散合金粉１１を構成する銅粉１３としては、汎用されている不規則形状や樹枝状の銅粉が広く使用可能であり、例えば、電解銅粉、アトマイズ銅粉等が用いられる。本実施形態では、表面に多数の凹凸を有すると共に、粒子全体として球形に近似した不規則形状をなし、成形性に優れたアトマイズ銅粉を使用している。銅粉１３としては、鉄粉１２よりも小粒径のものが使用され、具体的には平均粒径５μｍ以上２０μｍ以下（好ましくは２０μｍ未満）のものが使用される。なお、個々の部分拡散合金粉１１におけるＣｕの割合は１０〜３０質量％（好ましくは２２〜２６質量％）であり、焼結工程Ｐ３で得られる焼結体４”に含まれる銅の質量比（厳密には、焼結体４”がＳｎやＣを含まないとした場合における銅の質量比）と同じである。すなわち、本実施形態において、原料粉末１０には、単体の銅粉や鉄粉を配合しない。原料粉末には、単体の銅粉や鉄粉を配合しても構わないが、単体の銅粉を配合すると、軸受面４ａの耐摩耗性向上を図ることが難しくなる。そのため、例えば軸３が回転するのに伴って軸受面４ａに軸３が衝突した際などに、軸受面４ａに圧痕（凹み）が形成され易くなる。また、単体の鉄粉を配合すると、所望の圧環強度を有する焼結体（焼結軸受）を得ることが難しくなる。従って、原料粉末には、単体の銅粉や鉄粉を配合しないのが好ましい。

［低融点金属粉］
低融点金属粉としては、融点が７００℃以下の金属粉、例えば錫、亜鉛、リン等の粉末が使用される。本実施形態では、これらの中でも銅と鉄に拡散し易く（相性が良く）、また単粉で使用できる錫粉１４（図６参照）、特にアトマイズ錫粉を使用する。錫粉（アトマイズ錫粉）１４としては、平均粒径５〜６３μｍのものが好ましく使用され、平均粒径２０〜４５μｍのものが一層好ましく使用される。錫粉１４は、原料粉末１０に対して０．５〜３．０質量％配合される。

［固体潤滑剤］
固体潤滑剤としては、黒鉛、二硫化モリブデン等の粉末を一種又は二種以上使用することができる。本実施形態では、コストを考えて黒鉛粉、特に鱗片状黒鉛粉を使用する。黒鉛粉は、原料粉末１０に対して０．３〜１．５質量％配合される。

（Ｂ）圧縮成形工程Ｐ２
この圧縮成形工程Ｐ２では、図５（ａ）（ｂ）に示すような成形金型２０を使用して原料粉末１０を圧縮成形することにより、図１等に示す焼結軸受４に近似した形状（略完成品形状）をなしたリング状の圧粉体４’を得る。成形金型２０は、主要な構成として、同軸配置されたコア２１、上下パンチ２２，２３およびダイ２４を有する。成形金型２０は、例えばカム式成形プレス機のダイセットにセットされる。

上記構成の成形金型２０において、コア２１、下パンチ２３およびダイ２４で画成されるキャビティ２５内に原料粉末１０を充填してから、上パンチ２２を下パンチ２３に対して相対的に接近移動させ、原料粉末１０を適当な加圧力（成形すべき圧粉体の形状や大きさに応じて設定される）で圧縮成形する。これにより、焼結軸受４に近似した形状の圧粉体４’が得られる。そして、上パンチ２２を上昇移動させると共に下パンチ２３を上昇移動させ、圧粉体４’をキャビティ２５外に排出する。図６に模式的に示すように、圧粉体４’では、部分拡散合金粉１１、錫粉１４および黒鉛粉（図示せず）が均一に分散している。本実施形態では部分拡散合金粉１１を構成する鉄粉１２として還元鉄粉を使用しているため、アトマイズ鉄粉を使用した部分拡散合金粉に比べて粉末が柔らかく、圧縮成形性に優れる。そのため、低密度でも圧粉体４’の強度を高めることができ、圧粉体４’に欠けや割れが生じるのを防止することができる。

（Ｃ）焼結工程Ｐ３
焼結工程Ｐ３では、圧粉体４’に焼結処理を施すことで焼結体を得る。本実施形態における焼結条件は、黒鉛粉に含まれる炭素が鉄と反応しない（炭素の拡散が生じない）条件とする。鉄−炭素の平衡状態では７２３℃に変態点があり、これを超えると鉄と炭素の反応が開始されて鉄組織中にパーライト相（γＦｅ）が形成されるが、焼結では９００℃を超えてから炭素（黒鉛）と鉄の反応が始まり、パーライト相が形成される。パーライト相はＨＶ３００以上と高硬度であることから、これが焼結軸受４の鉄組織中に存在していれば軸受面４ａの耐摩耗性を高め、高面圧下での軸受面４ａの摩耗を抑制して軸受寿命を向上させることができる。

そこで、本実施形態では、焼結後の鉄組織（焼結体の鉄組織）中にパーライト相が含まれるような条件、より詳しくは、焼結後の鉄組織が、相対的に軟質のフェライト相（ＨＶ２００以下）と、相対的に硬質のパーライト相の二相組織で構成されるような条件で圧粉体４’を焼結する。但し、高硬度のパーライト相は相手材に対する攻撃性が強いため、焼結軸受４の鉄組織中に過剰にパーライト相が存在すると、軸３の摩耗を進行させるおそれがある。これを防止するため、図７に示すように、パーライト相γＦｅはフェライト相αＦｅの粒界に存在（点在）する程度に抑える。ここでいう「粒界」は、粉末粒子間に形成される粒界の他、粉末粒子中に形成される結晶粒界の双方を意味する。定量的に示すならば、鉄組織におけるフェライト相αＦｅおよびパーライト相γＦｅの存在割合は、焼結体の任意断面における面積比でそれぞれ８０〜９５％および５〜２０％（αＦｅ：γＦｅ＝８０〜９５％：５〜２０％）程度とするのが望ましい。これにより、軸３の摩耗抑制と軸受面４ａの耐摩耗性向上の両立が図られた焼結軸受４を得ることができる。

パーライト相γＦｅの析出量は、主に焼結温度と雰囲気ガスに依存する。従って、パーライト相γＦｅとフェライト相αＦｅの二相組織からなり、かつパーライト相γＦｅがフェライト相αＦｅの粒界に存在する程度の鉄組織を得るためには、圧粉体４’の加熱温度（焼結温度）を８２０℃以上９００℃以下に設定する。また、焼結雰囲気は、ブタンやプロパン等の液化石油ガスと空気を混合してＮｉ触媒で熱分解させた吸熱型ガス（ＲＸガス）、あるいは天然ガス等、炭素を含むガス雰囲気とする。これにより、焼結時にはガスに含まれる炭素が鉄に拡散するので、上述した程度のパーライト相γＦｅを形成することができる。なお、上述のとおり、９００℃を超える温度で圧粉体４’を加熱・焼結すると、黒鉛粉に含まれる炭素が鉄と反応するため、焼結体の鉄組織中にパーライト相γＦｅが過剰に形成されることになる。従って、圧粉体４’の焼結温度は９００℃以下に設定するのが肝要である。なお、原料粉末１０に流体潤滑材等の各種成形潤滑剤を含めていた場合、成形潤滑剤は、焼結に伴って揮散する。

圧粉体４’を上記の条件で加熱・焼結することにより得られた焼結体４”は、Ｃｕを１０〜３０質量％（好ましくは２２〜２６質量％）、Ｓｎを０．５〜３．０質量％（好ましくは１．０〜３．０質量％）、Ｃを０．３〜１．５質量％（好ましくは０．５〜１．０質量％）含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる。このように、焼結体４”は、その金属組織の大部分が鉄（鉄組織）で構成されるので、機械的強度に優れたものとなる。その一方、この焼結体４”は、金属組織中に一定量の銅を含むので、軸３との初期なじみ性に優れた軸受面４ａを得ることができる。特に、圧粉体４’の焼結温度を銅の融点（１０８３℃）よりも低温に設定した上記の焼結条件であれば、焼結に伴って圧粉体４’に含まれる銅粉１３は溶融せず、従って、焼結に伴って銅が鉄（鉄組織）中に拡散しない。そのため、焼結体４”の表面（軸受面４ａ）には青銅相を含む適量の銅組織が形成されている。また、焼結体４”の表面には遊離黒鉛も露出する。そのため、軸３との初期なじみ性が良好で、摩擦係数が小さい軸受面４ａを得ることができる。Ｓｎの配合量を増やせば機械的強度の高い焼結体４”（焼結軸受４）を得ることができるが、Ｓｎの量が過剰となると粗大気孔が増え、軸受面４ａの耐摩耗性低下を招来するため、上記の配合割合（Ｃｕの配合割合に対して１０％程度の配合割合）としている。

焼結体４”には、鉄を主成分とする鉄組織および銅からなる銅組織が形成される。本実施形態では、原料粉末に鉄粉単体や銅粉単体が添加されておらず、添加されているにしても微量であるので、焼結体４”の全ての鉄組織および銅組織が部分拡散合金粉１１を主体として形成される。部分拡散合金粉では、銅粉の一部が鉄粉に拡散しているため、焼結後の鉄組織と銅組織の間で高いネック強度を得ることができる。また、圧粉体４’の焼結時には、圧粉体４’中の錫粉１４が溶融し、部分拡散合金粉１１を構成する銅粉１３の表面を濡らす。これに伴い、液相焼結が進行し、図７に示すように、隣り合う部分拡散合金粉１１の鉄組織と銅組織、あるいは銅組織同士を結合する青銅相（Ｃｕ−Ｓｎ）１６が形成される。また、個々の部分拡散合金粉１１のうち、鉄粉１２の表面に銅粉１３の一部が拡散してＦｅ−Ｃｕ合金が形成された部分には、溶融したＳｎが拡散してＦｅ−Ｃｕ−Ｓｎ合金（合金相）１７が形成されるため、焼結体４”における鉄組織と銅組織間のネック強度が一層高くなる。そのため、ＮｉやＭｏ等の高価な金属粉末を使用することなく、また、上述したような低温焼結でも、高い機械的強度（圧環強度）、具体的には３００ＭＰａ以上の圧環強度を有する焼結体４”、ひいては焼結軸受４を得ることができる。また、軸受面４ａを硬くして軸受面４ａの耐摩耗性を向上させることもできる。なお、図７においては、フェライト相αＦｅやパーライト相γＦｅなどを色の濃淡で表現している。具体的には、フェライト相αＦｅ→青銅相１６→Ｆｅ−Ｃｕ−Ｓｎ合金１７→パーライト相γＦｅの順に色を濃くしている。

また、部分拡散合金粉１１として、平均粒度１４５メッシュ以下（平均粒径１０６μｍ以下）の粉末を使用しているので、焼結体４”の多孔質組織を均一化して粗大気孔の生成を防止することができる。そのため、焼結体４”を高密度化して軸受面４ａの耐摩耗性や圧環強度をさらに高めることができる。

粗大気孔は特に焼結体４”の表層部（焼結体表面から深さ１００μｍに至るまでの領域）で生じやすいが、以上のようにして得られた焼結体４”であれば、上記のように表層部における粗大気孔の発生を防止して表層部の高密度化を図ることができる。具体的には、表層部の気孔率を、５〜２０％にすることができる。この気孔率は、例えば焼結体４”の任意断面における気孔部の面積比率を画像解析することで求めることができる。

このように表層部が高密度化されることで表面開孔率が比較的小さい軸受面４ａ、具体的には、表面開孔率が５％以上２０％以下に設定された軸受面４ａを得ることができる。なお、特に軸受面４ａの表面開孔率が５％を下回ると、軸受隙間に必要十分量の潤滑油を滲み出させることが難しくなり（油膜形成能力が不十分となり）、焼結軸受４としてのメリットを得ることができない。

また、この焼結体４”を得るための原料粉末は、鉄粉１２の表面に銅粉１３を部分拡散させた部分拡散合金粉１１を主原料としているため、既存の鉄銅系焼結軸受で問題となる銅の偏析を防止することができる。

圧粉体４’の焼結条件は、以上で述べたように、焼結後の鉄組織がフェライト相αＦｅとパーライト相γＦｅの二相組織で構成されるように設定する他、焼結後の鉄組織が全てフェライト相αＦｅとなるように設定することもできる。具体的には、圧粉体４’の加熱温度を８００℃（好ましくは８２０℃）以上８８０℃以下に設定し、また、焼結雰囲気を、炭素を含有しないガス雰囲気（水素ガス、窒素ガス、アルゴンガス等）あるいは真空とする。このような焼結条件であれば、原料粉末で炭素と鉄の反応が生じず、また、ガスに含まれる炭素が鉄に拡散することもない。従って、焼結後の鉄組織を全て軟質のフェライト相で構成することができる。

（Ｄ）サイジング工程Ｐ４
以上のようにして得られた焼結体４”は、サイジング工程Ｐ４においてサイジングが施される。これにより、焼結体４”が仕上がり形状・寸法に仕上げられる。なお、サイジングは必要に応じて施せば足り、必ずしも施す必要はない。すなわち、焼結工程Ｐ３で得られた焼結体４”の各部が所望の形状・寸法等に仕上がっていれば、サイジング工程Ｐ４を省略しても構わない。

（Ｅ）含油工程Ｐ５
各部が仕上がり形状・寸法に仕上げられた焼結体４”は、含油工程Ｐ５において、その内部気孔に真空含浸等の手法により、上述した潤滑油（あるいは液状グリース）が含浸させられる。これにより、図１に示す焼結軸受４が完成する。用途によってはこの含油工程Ｐ５を省略し、無給油下で使用する焼結軸受とすることもできる。

上述したように、本実施形態の製造工程を経て得られた焼結軸受４（焼結体４”）は３００ＭＰａ以上の圧環強度を有しており、この圧環強度の値は、既存の鉄銅系焼結軸受のそれに比べて２倍以上の値である。また、本実施形態の焼結軸受４の密度は６．８±０．３ｇ／ｃｍ³となり、既存の鉄銅系焼結軸受の密度（６．６ｇ／ｃｍ³程度）よりも高密度となる。既存の鉄銅系焼結軸受でも圧粉体の成形工程で高圧縮することで高密度化することは可能であるが、このようにすると、内部の流体潤滑剤が焼結時に燃焼できずにガス化するため、表層部の気孔が粗大化してしまう。本発明に係る製法では圧粉体の圧縮成形時に高圧縮する必要はなく、そのような不具合を防止することができる。

このように焼結体４”を高密度化させる一方で、含油率を１５ｖｏｌ％以上にすることができ、既存の鉄銅系焼結軸受と同程度の含油率を確保できる。これは、主に部分拡散合金粉１１を構成する鉄粉１２として、海綿状をなし、保油性に優れた還元鉄粉を使用していることに由来する。この場合、焼結体４”に含浸させた潤滑油は、焼結組織の粒子間に形成された気孔だけでなく、還元鉄粉が有する気孔にも保持される。

以上で説明したように、本発明に係る製造方法で得られた焼結軸受４は高い圧環強度（３００ＭＰａ以上の圧環強度）を有する焼結体４”からなるため、ハウジング２の内周に圧入固定した場合でも、軸受面４ａがハウジング２の内周面形状に倣って変形することがなく、取り付け後も軸受面４ａの真円度や円筒度等を安定的に維持することができる。そのため、ハウジング２の内周に焼結軸受４を圧入固定した後、軸受面４ａを適正形状・精度に仕上げるための加工（例えばサイジング）を追加的に実行することなく、所望の真円度（例えば３μｍ以下の真円度）を得ることができる。加えて、軸受面４ａが高い耐摩耗性を有するため、たとえ軸受面４ａの全面を軸３が振れ回り、あるいは軸３が軸受面４ａに頻繁に衝突したとしても、軸受面４ａの摩耗や損傷が抑えられる。従って、本発明に係る製造方法で得られた焼結軸受４によれば、信頼性および耐久性に優れた振動モータを低コストに提供することができる。

ここで、参考までに、本発明に係る製造方法で得られた焼結軸受４の表層部の顕微鏡写真を図８に示し、特許文献１に記載の技術手段に係る焼結軸受（以下、「銅被覆鉄粉軸受」という）の表層部の顕微鏡写真を図９に示す。図８と図９とを比較すると、焼結軸受４は、銅被覆鉄粉軸受に比べて表層部の多孔質組織が緻密であることが容易に理解される。実際、焼結軸受４の表層部の気孔率は１３．６％だったのに対し、銅被覆鉄粉軸受の表層部の気孔率は２５．５％程度であった。このような差を生じた要因として、銅被覆鉄粉では鉄粉に銅膜が密着しているにすぎず、鉄組織と銅組織の間のネック強度が不足していることが挙げられる。

本発明の実施の形態は以上に述べたものに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜の変更を施すことが可能である。

例えば、焼結軸受４の鉄組織や銅組織の全てを部分拡散合金粉だけで形成する場合を説明したが、原料粉末に単体鉄粉および単体銅粉のうちどちらか一方または双方を添加し、鉄組織や銅組織の一部を単体鉄粉や単体銅粉で形成することもできる。この場合、最低限の耐摩耗性、強度、および摺動特性を確保するため、原料粉末における部分拡散合金粉の割合は５０質量％以上にするのが好ましい。また、この場合、原料粉末中の固体潤滑剤粉の配合割合は０．３〜１．５質量％が適量である。さらに原料粉末における低融点金属粉の配合割合は０．５〜５．０質量％とする。この配合割合は原料粉末中における銅粉の総量（部分拡散合金粉中の銅粉と別途添加された単体銅粉の和）の１０質量％程度に設定するのが好ましい。原料粉末の残部が単体鉄粉もしくは単体銅粉（あるいは双方の単体粉）、および不可避的不純物で形成されることになる。

かかる構成では、単体鉄粉や単体銅粉の配合量を変更することにより、部分拡散合金粉を使用することで得られる耐摩耗性、高強度、および良好な摺動特性を維持しつつ、軸受特性を調整することが可能となる。例えば単体鉄粉を添加すれば、部分拡散合金粉の使用量減による低コスト化を図りつつ軸受の耐摩耗性や強度を高めることができ、単体銅粉を添加すれば摺動特性をさらに改善することができる。そのため、各種用途に適合した焼結軸受の開発コストを低廉化することができ、焼結軸受の多品種少量生産にも対応可能となる。

例えば、圧粉体４’を圧縮成形する圧縮成形工程Ｐ２では、成形金型２０および原料粉末１０の少なくとも一方を加熱した状態で圧粉体４’を圧縮成形する、いわゆる温間成形法や、成形金型２０の成形面（キャビティ２５の画成面）に潤滑剤を塗布した状態で圧粉体４’を圧縮成形する金型潤滑成形法を採用しても良い。このような方法を採用すれば、圧粉体４’を一層精度良く成形することができる。

また、以上で説明した振動モータ１は、軸３を回転側、焼結軸受４を静止側とした軸回転タイプであるが、振動モータ１としては、軸３を静止側、焼結軸受４を回転側とした軸固定タイプもあり、このような軸固定タイプの振動モータ１であっても本発明に係る製造方法で得られた焼結軸受４を好ましく使用することができる。また、焼結軸受４の軸受面４ａには、動圧溝等の動圧発生部を設けることもできる。このようにすれば、軸受隙間に形成される油膜の剛性を高めることができるので回転精度を一層高めることができる。さらに、本発明に係る製造方法で得られた焼結軸受４は、機械的強度が高く、軸受面４ａの耐摩耗性にも優れていることから、振動モータに限らず、高速でアンバランス荷重の大きいモータの主軸支持用途をはじめ、各種モータに組み込んで軸を回転自在に支持する軸受として広く使用することができる。

１ 振動モータ
２ ハウジング
３ 軸
４ 焼結軸受
４’ 圧粉体
４” 焼結体
４ａ 軸受面
１０ 原料粉末
１１ 部分拡散合金粉
１２ 鉄粉
１３ 銅粉
１４ 錫粉（低融点金属粉）
１６ 青銅相
１７ Ｆｅ−Ｃｕ−Ｓｎ合金
２０ 成形金型
αＦｅ フェライト相
γＦｅ パーライト相
Ｍ モータ部
Ｐ１ 原料粉末生成工程
Ｐ２ 圧縮成形工程
Ｐ３ 焼結工程
Ｗ 錘

Claims (11)

1. 支持すべき軸との間に軸受隙間を形成する軸受面を内周に有し、鉄を主成分とし、その次に銅を多く含む焼結体からなり、前記焼結体がさらに低融点の元素として錫を含有し、残部を固体潤滑剤および不可避的不純物とする焼結軸受の製造方法であって、
   鉄粉の表面に、当該鉄粉よりも小粒径でかつ平均粒径が５μｍ以上２０μｍ以下の複数の銅粉を部分拡散させてなり、銅の含有量が１０〜３０質量％の部分拡散合金粉を主原料とし、これに前記低融点の元素の粉末と、固体潤滑剤粉とを配合した原料粉末を圧縮成形して圧粉体を得る圧縮成形工程と、
   圧粉体を銅の融点よりも低温の８２０℃以上９００℃以下で焼結して焼結体を得る焼結工程と、を含み、
   銅源として、前記部分拡散合金粉の銅粉のみを用いた
   ことを特徴とする焼結軸受の製造方法。
2. 炭素を含むガス雰囲気下で圧粉体を焼結する請求項１に記載の焼結軸受の製造方法。
3. 支持すべき軸との間に軸受隙間を形成する軸受面を内周に有し、鉄を主成分とし、その次に銅を多く含む焼結体からなり、前記焼結体がさらに低融点の元素として錫を含有し、残部を固体潤滑剤および不可避的不純物とする焼結軸受の製造方法であって、
   鉄粉の表面に、当該鉄粉よりも小粒径でかつ平均粒径が５μｍ以上２０μｍ以下の複数の銅粉を部分拡散させてなり、銅の含有量が１０〜３０質量％の部分拡散合金粉を主原料とし、これに前記低融点の元素の粉末と、固体潤滑剤粉とを配合した原料粉末を圧縮成形して圧粉体を得る圧縮成形工程と、
   炭素を含むガス雰囲気下で圧粉体を銅の融点よりも低温で焼結して焼結体を得る焼結工程と、を含み、
   銅源として、前記部分拡散合金粉の銅粉のみを用いた
   ことを特徴とする焼結軸受の製造方法。
4. 支持すべき軸との間に軸受隙間を形成する軸受面を内周に有し、鉄を主成分とし、その次に銅を多く含む焼結体からなり、前記焼結体がさらに低融点の元素として錫を含有し、残部を固体潤滑剤および不可避的不純物とする焼結軸受の製造方法であって、
   鉄粉の表面に、当該鉄粉よりも小粒径でかつ平均粒径が５μｍ以上２０μｍ以下の複数の銅粉を部分拡散させてなり、銅の含有量が１０〜３０質量％の部分拡散合金粉を主原料とし、これに前記低融点の元素の粉末と、固体潤滑剤粉と、単体銅粉とを配合し、前記部分拡散合金粉の割合を５０質量％以上とした原料粉末を圧縮成形して圧粉体を得る圧縮成形工程と、
   圧粉体を銅の融点よりも低温の８２０℃以上９００℃以下で焼結して焼結体を得る焼結工程と、を含み、
   銅源として、前記部分拡散合金粉の銅粉と前記単体銅粉のみを用いた
   ことを特徴とする焼結軸受の製造方法。
5. 炭素を含むガス雰囲気下で圧粉体を焼結する請求項４に記載の焼結軸受の製造方法。
6. 支持すべき軸との間に軸受隙間を形成する軸受面を内周に有し、鉄を主成分とし、その次に銅を多く含む焼結体からなり、前記焼結体がさらに低融点の元素として錫を含有し、残部を固体潤滑剤および不可避的不純物とする焼結軸受の製造方法であって、
   鉄粉の表面に、当該鉄粉よりも小粒径でかつ平均粒径が５μｍ以上２０μｍ以下の複数の銅粉を部分拡散させてなり、銅の含有量が１０〜３０質量％の部分拡散合金粉を主原料とし、これに前記低融点の元素の粉末と、固体潤滑剤粉と、単体銅粉とを配合し、前記部分拡散合金粉の割合を５０質量％以上とした原料粉末を圧縮成形して圧粉体を得る圧縮成形工程と、
   炭素を含むガス雰囲気下で圧粉体を銅の融点よりも低温で焼結して焼結体を得る焼結工程と、を含み、
   銅源として、前記部分拡散合金粉の銅粉と前記単体銅粉のみを用いた
   ことを特徴とする焼結軸受の製造方法。
7. 前記原料粉末に、さらに単体鉄粉を配合した請求項４〜６の何れか１項に記載の焼結軸受の製造方法。
8. 平均粒径１０６μｍ以下の部分拡散合金粉を使用する請求項１〜７の何れか一項に記載の焼結軸受の製造方法。
9. 低融点金属粉としての錫粉を０．５〜３．０質量％配合すると共に、固体潤滑剤粉としての黒鉛粉を０．３〜１．５質量％配合した原料粉末を使用する請求項１〜８の何れか一項に記載の焼結軸受の製造方法。
10. 部分拡散合金粉の鉄粉として還元鉄粉を使用する請求項１〜９の何れか一項に記載の焼結軸受の製造方法。
11. 焼結体に、４０℃の動粘度が１０〜５０ｍｍ²／ｓの潤滑油を含浸させる含油工程をさらに含む請求項１〜１０の何れか一項に記載の焼結軸受の製造方法。

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