耐磨損性優越的燒結合金的製作方法

2023-09-21 05:16:10

本申請是針對申請日為2013年2月21日、申請號為201380004679.5、發明名稱為「耐磨損性優越的燒結合金」的發明專利申請的分案申請。

本發明涉及一種被使用在燒結軸承的耐磨損性優越的燒結合金。

背景技術：

作為單一的可與肅靜性相媲美的經濟性優越的軸承，自以往多被使用在機動車和家電等的馬達上。但是，隨著近年來的馬達的小型化和高性能化，則被要求具有比以往的燒結軸承要高的耐磨損性和耐久性，這在電動機動車用馬達中的要求尤為顯著。

專利文獻1：日本特開平05-195117號公報

至今為止，為了提高燒結軸承的耐久性，雖然對合金組成、質地的硬化以及與固體潤滑劑的組合等進行了各種研究，但其效果尚不能說為充分。

例如，在專利文獻1所公開的cu相燒結合金，通過將與質地粘著性佳的ni系硬質粒子和固體潤滑劑的mos2添加在通過亞穩態分解所發生硬化的組成的cu-ni-sn相合金中，進而賦予耐磨損性和耐燒上彩花性。但是，由於在該cu相燒結合金的製造中使用高價的ni相硬質粒子，因此具有所說的不能廉價地製造的成本上的問題。另外，被使用在該cu相燒結合金的ni相硬質粒子由於含有cu，進而導致在燒結中，尤其是在批量生產性優越的連續作業爐的條件下的燒結中其與質地的粘著性未必充分，從而在製造上具有得不到穩定且耐磨損性和耐燒上彩花性優越的產品的問題。

技術實現要素：

因此，本發明的目的在於，提供比以往耐磨損性優越的新穎的燒結軸承。

在本發明中覺察到：本發明者作為滑動材料，著眼於耐磨損性高的ni-p合金。而且，精心研究的結果發現，通過將ni-p合金粉末添加且混合在燒結合金的原料粉末中，且使其ni-p合金粉末分散在原料粉末中，並在將該混合粉末生坯成型後，並在ni-p合金的熔點附近以下的溫度進行燒結，進而能夠使其ni-p合金粒子分散在燒結合金中。另外，還發現，通過最優化燒結條件且適度地使其反應燒結合金中的cu成分或ni成分和ni-p合金粒子的表面，能夠提高ni-p合金粒子和燒結合金質地的粘著性。進一步，還發現，通過將來自1～12質量％的p以及剩餘部分由ni和不可避免的雜質構成的原料粉末的平均粒徑10～100μm的ni-p合金粒子使其1～20質量％分散在燒結合金的質地中，進而提高其耐磨損性。

即，本發明的cu相燒結合金，其具有使其平均粒徑10～100μm的ni-p合金粒子以1～20質量％分散在含有40質量％以上的cu、且選擇性含有0.2～8質量％的固體潤滑劑的cu相燒結合金質地中的結構，且所述ni-p合金粒子，來自於1～12質量％的p以及剩餘部分由ni和不可避免的雜質構成的原料粉末。

本發明的fe-cu系燒結合金，其具有使其平均粒徑10～100μm的ni-p合金粒子以1～20質量％分散在含有50質量％以下的fe、且選擇性地含有0.2～8質量％的固體潤滑劑的fe-cu系燒結合金質地中的結構，且所述ni-p合金粒子，來自於1～12質量％的p以及剩餘部分由ni和不可避免的雜質構成的原料粉末。

本發明的cu-ni系燒結合金，其具有使其平均粒徑10～100μm的ni-p合金粒子以1～20質量％分散在含有20～40質量％的ni和0.1～1.0質量％的p、且選擇性地含有0.2～8質量％的固體潤滑劑、並且剩餘部分為cu和不可避免的雜質的cu-ni系燒結合金質地中、或者含有10～25質量％的ni和10～25質量％的zn、以及0.1～1.0質量％的p，且選擇性地含有0.2～8質量％的固體潤滑劑、並且剩餘部分為cu和不可避免的雜質的cu-ni系燒結合金質地中的結構，且所述ni-p合金粒子，來自於1～12質量％的p以及剩餘部分由ni和不可避免的雜質構成的原料粉末。

若依據本發明的cu相燒結合金、fe-cu系燒結合金以及cu-ni系燒結合金，則具有使其平均粒徑10～100μm的ni-p合金粒子以1～20質量％分散在燒結合金的質地中的結構，且所述ni-p合金粒子，通過來自1～12質量％的p以及剩餘部分由ni和不可避免的雜質構成的原料粉末，進而其耐磨損性變得優越。

具體實施方式

本發明的cu相燒結合金，具有使其平均粒徑10～100μm的ni-p合金粒子以1～20質量％分散在含有40質量％以上的cu、且選擇性的含有0.2～8質量％的固體潤滑劑的cu相燒結合金質地中的結構，且所述ni-p合金粒子，來自於1～12質量％的p以及剩餘部分由ni和不可避免的雜質構成的原料粉末。

所述cu相燒結合金質地，可含有5～15質量％的sn，剩餘部分為cu和不可避免的雜質；可含有5～15質量％的sn和0.1～1.0質量％的p，剩餘部分為cu和不可避免的雜質；也可含有3～13質量％的sn和2～12質量％的zn，剩餘部分為cu和不可避免的雜質；還可含有1～15質量％的sn和8～30質量％的fe，剩餘部分為cu和不可避免的雜質；或者，也可含有1～15質量％的sn和8～30質量％的fe以及0.1～1.0質量％的p，剩餘部分為cu和不可避免的雜質。

所述固體潤滑劑可至少為石墨、二硫化鉬、氮化硼、氟化鈣中的一種。

本發明的fe-cu系燒結合金，具有使其平均粒徑10～100μm的ni-p合金粒子以1～20質量％分散在含有50質量％以下的fe、且選擇性地含有0.2～8質量％的固體潤滑劑的fe-cu系燒結合金質地中的結構，且所述ni-p合金粒子，來自於1～12質量％的p以及剩餘部分由ni和不可避免的雜質構成的原料粉末。

所述fe-cu系燒結合金質地，可含有0.5～5質量％的sn，剩餘部分為cu和不可避免的雜質；可含有0.5～5質量％的sn和0.1～1.0質量％的p，剩餘部分為cu和不可避免的雜質；也可含有0.5～5質量％的sn和0.5～5質量％的zn，剩餘部分為cu和不可避免的雜質；或者，也可含有0.5～5質量％的sn和0.5～5質量％的zn以及0.1～1.0質量％的p，剩餘部分為cu和不可避免的雜質。

所述固體潤滑劑可至少為石墨、二硫化鉬、氮化硼、氟化鈣中的一種。

本發明的cu-ni系燒結合金，具有使其平均粒徑10～100μm的ni-p合金以粒子以1～20質量％分散在，含有20～40質量％的ni和0.1～1.0質量％的p，以及選擇性地含有0.2～8質量％的固體潤滑劑，剩餘部分為cu和不可避免的雜質的cu-ni系燒結合金質地中；或者含有10～25質量％的ni和10～25質量％的zn，以及0.1～1.0質量％的p，且選擇性地含有0.2～8質量％的固體潤滑劑，剩餘部分為cu和不可避免的雜質的cu-ni系燒結合金質地中的結構，且所述ni-p合金粒子，來自於1～12質量％的p以及剩餘部分由ni和不可避免的雜質構成的原料粉末。

所述固體潤滑劑可至少為石墨、二硫化鉬、氮化硼、氟化鈣中的一種。

本發明的cu相燒結合金、fe-cu系燒結合金以及cu-ni系燒結合金，通過使其ni-p合金粒子分散在該金屬結構內，進而提高其耐磨損性。在此，對其ni-p合金粒子進行詳細說明。

(1)ni-p合金粒子成分的p含有量：以質量％為1～12％

ni-p合金粒子其p的成分量越接近ni3p相的組成(15％p)其硬度越高，且通過使其分散在燒結合金中，進而有助於燒結軸承的耐磨損性的提高。但是，所述ni-p合金粒子具有，p成分量越接近於ni3p相的組成(15％p)越變脆，而一旦減少p的成分量則硬度降低的性質。硬且脆的ni-p合金粒子通過與偶軸的滑動容易從燒結合金脫落，則磨損相反加大。一方面，若p的成分量少，則ni-p合金粒子其硬度降低，即使使其分散在燒結合金中，其提高耐磨損性的效果也小，因此不被優選。所以，將ni-p合金粒子的p含有量定為1～12％。

(2)ni-p合金粒子的粒徑：以平均粒徑為10～100μm

被分散在燒結合金的質地的ni-p合金粒子，為了兼容對其硬度和其對於質地的粘著性，則需要調整ni-p合金粉末的粒度。若其平均粒徑小於10μm，則難以控制以燒結引起的在ni-p合金粒子和燒結合金質地之間的反應，進而ni-p合金粒子中的p擴散至燒結合金中的質地，導致ni-p合金粒子的硬度和耐磨損性降低，因此不被優選。另外，若ni-p合金粒子系的平均粒徑在100μm以上，則存在於軸承內徑表面的粒子數相對性地變少，且耐磨損性降低，因此不被優選。所以，將ni-p合金粒子的粒徑定為以平均粒徑為10～100μm。

另外，在此所說的平均粒徑，為以雷射衍射式粒度分布測定儀所測定，且以體積平均粒徑(mv)所表示的粒徑。

(3)ni-p合金粒子成分的添加量：以質量％為1～20％

雖然通過將ni-p合金粒子分散在燒結合金質地中，其具有提高耐磨損性的效果，但由於其量若少於1％則耐磨損性的效果少，另外，即使超過20％再添加ni-p合金粒子成分也看不到提高耐磨損性的效果，相反，還會加大原料成本，因此不被優選。所以，將ni-p合金粒子的添加量定為以質量％為1～20％。

(4)固體潤滑劑：在使其含有的情況下，以質量％為0.2～8.0％

固體潤滑劑，對軸承賦予優越的潤滑性，且有助於軸承的耐磨損性的提高。作為固體潤滑劑，至少含有石墨、二硫化鉬、氮化硼、氟化鈣中的一種以上。

雖可按照需要含有固體潤滑劑，但在使其含有固體潤滑劑的情況下，若固體潤滑劑的含有量少於0.2％，則得不到提高耐磨損性的效果，相反，若其含有量超過8％則強度顯著降低，所以不被優選。

本發明的cu相燒結合金、fe-cu系燒結合金以及cu-ni系燒結合金，以如下所述的方式所得到。即，相對於已含有固體潤滑劑的燒結合金的原料粉末的全體，以1～20質量％的比例，添加並混合由1～12質量％的p以及剩餘部分為ni和不可避免的雜質組成的平均粒徑為10～100μm的ni-p合金粉末。接著，對於其混合粉末進行生坯成型，進而通過在ni-p合金熔點附近以下的溫度進行燒結得到本發明的cu相燒結合金、fe-cu系燒結合金以及cu-ni系燒結合金。在此，例如ni-11％p其熔點為880℃，在燒結時若為15分鐘左右的短時間，則即使多少高於熔點其ni-p粒子也不全部熔融，而作為粒子殘存在結構內。因此，燒結溫度其優選雖定為在ni-p合金的熔點以下，但不需要嚴密地定在ni-p合金的熔點以下。若為短時間，也可多少高於ni-p合金的熔點。再有，ni-p的熔點其11％p雖為共融點(880℃)，但通過變動p濃度，其熔點向高的方面移動。

這種方式所得到的燒結合金，成為來自上述的ni-p合金粉末的ni-p合金粒子已分散在燒結合金中的燒結合金。另外，通過使燒結條件最優化，進而使燒結合金中的cu成分或ni成分和ni-p合金粒子的表面產生適度的反應，從而能夠提高ni-p合金粒子和燒結合金質地的粘著性。

以下，對本發明的cu相燒結合金、fe-cu系燒結合金以及cu-ni系燒結合金的具體的實施例進行說明。另外，本發明不限定於以下的實施例，也可各種變形實施。

實施例1

(1)cu相燒結合金、fe-cu系燒結合金以及cu-ni系燒結合金的製作

作為原料粉末，準備了平均粒徑為35μm的ni-11％p合金粉末、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粉末以及石墨粉末等的固體潤滑劑。然後，將這些原料粉末，以其cu相燒結合金按表1所示、fe-cu系燒結合金按表2所示、以及cu-ni系燒結合金按表3所示的成分組成的方式進行配合，並再加入0.5％的硬脂酸鋅，且用v型混合機混合20分鐘後，在200～700mpa的範圍內的所定的壓力下加壓成型進而製作成環狀的生坯體。在吸熱型氣體(吸熱式氣體)環境中，cu相燒結合金以670℃～800℃的範圍內的所定溫度、fe-cu系燒結合金以750℃～920℃的範圍內的所定溫度、cu-ni系燒結合金以800℃～940℃的範圍內的所定溫度對該生坯體進行燒結，之後進行規格調整，進而得到cu相燒結合金、fe-cu系燒結合金以及cu-ni系燒結合金，所述吸熱型氣體通過將天然氣體和空氣混合之後透過已被加熱的催化劑從而產生分解變成所得到。然後，將潤滑油浸透在這些燒結合金中。

通過以上工序，製作出了：具有全部為外徑18mm×內徑8mm×高度4mm規格的環狀，並由按表1～3所示的組合成分的cu相燒結合金、fe-cu系燒結合金以及cu-ni系燒結合金構成的含油軸承。

再有，在表1～表3中，本發明的範圍內的燒結合金表示為「本發明例」，本發明的範圍外的燒結合金表示為「比較例」。

[表1]

cu相燒結合金

[表2]

fe-cu系燒結合金

[表3]

cu-ni系燒結合金

(2)耐磨損試驗

對已所得到的上述環狀的cu相燒結合金、fe-cu系燒結合金以及cu-ni系燒結合金(以下，稱之為環狀軸承。)進行了耐磨損試驗。將s45c的軸棒插入在各個環狀軸承中，且從環狀軸承的外側向環狀軸承的半徑方向(相對軸的軸方向的直角方向)一邊施加接點壓力1.5mpa的負荷,一邊以100m/分的速度轉動200小時。其後，測定環狀軸承的滑動表面的最大磨損深度，且對耐磨損性進行了評價。

其結果表示在表1～表3。

在cu相燒結合金的本發明例中的環狀軸承的最大磨損深度為0.015mm以下、在fe-cu系燒結合金的本發明例中的環狀軸承的最大磨損深度為0.008mm以下、以及在cu-ni系燒結合金的本發明例中的環狀軸承的最大磨損深度為0.012mm以下，即，通過添加了ni-p合金粒子，被確認為提高了各燒結合金的耐磨損性。另外，發現了以下傾向，即已添加了固體潤滑劑的環狀軸承比未添加固體潤滑劑的環狀軸承其耐磨損性高。

另一方面，在比較例中的環狀軸承的最大磨損深度，其cu相燒結合金為0.020～0.048mm、fe-cu系燒結合金為0.015～0.030mm、cu-ni系燒結合金為0.018～0.037mm，且與是否添加固體潤滑劑無關，比較例與本發明例相比，其耐磨損性大幅度降低。