烧结轴承的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种烧结轴承(1)，其通过将内侧层(2)和外侧层(3)一体成形而成，并在内侧层(2)的内周面(2a)具有轴承面(A)，其中，内侧层(2)由含有Fe及高硬度化元素(例如Ni、Mo)的烧结金属构成，外侧层(3)由含有Fe而不含有高硬度化元素的烧结金属构成，在内侧层(2)与外侧层(3)的界面产生高硬度化元素的浓度梯度。
【专利说明】烧结轴承
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种烧结轴承。
【背景技术】
[0002]例如在建筑机械的臂的关节部所使用的轴承的轴承面施加有非常大的表面压力，因此要求优异的耐磨损性。作为这种轴承，例如具有对铸造合金进行切削加工而得到的轴承、在滑动面上以斑点状埋入石墨片而得到的轴承，但均存在制造成本较高的问题。因此，代替上述轴承，使用了由成形性优异的烧结金属构成的烧结轴承。例如在专利文献I中，作为建筑机械用的轴承，公开了由在含有马氏体组织的铁碳系合金中分散有铜的烧结金属构成的烧结轴承。
[0003]在先技术文献
[0004]专利文献
[0005]专利文献1:日本特开2003-222133号公报
【发明内容】
[0006]发明要解决的课题
[0007]对于上述这种烧结轴承，为了提高耐磨损性，要求轴承面的高硬度化。特别是，需要定期地更换轴、轴承，但在建筑机械的设计上，与轴承相比轴更容易更换的情况下，有时会设计成使轴承面的硬度与轴的硬度相等或更高，从而使因磨损寿命引起的轴承的更换频率比轴低。在这种情况下，要求轴承面的硬度特别高。
[0008]为了提高烧结轴承的轴承面的硬度，有时会在烧结金属的材料中掺合高硬度化元素(例如，N1、Mo、Mn、Cr等)。但是，这些高硬度化元素价格高昂，因此当由含有高硬度化元素的烧结金属形成烧结轴承整体时会导致成本较高。另外，轴承的外径面成为安装于其他部件的安装面，因此需要加工成规定的尺寸,然而当由高硬度材料形成烧结轴承整体时外周面的硬度也会变高，因此存在外周面的加工性变差，无法以所期望的尺寸精度加工外周面的可能性。
[0009]上述这种情况并不限于在内周面形成有轴承面的情况，在外周面形成有轴承面的情况也是同样地。需要说明的是，“轴承面”是指为了支承2部件之间的相对旋转而滑动的面，与形成于轴侧或者轴承侧的任一侧无关。
[0010]本发明的目的在于提供一种具有高硬度的轴承面，且能够以低成本制造，并且尺寸精度较高的烧结轴承。
[0011]用于解决课题的手段
[0012]为了实现上述目的，本发明提供一种烧结轴承，其通过将内侧层和设置于所述内侧层的外径侧的外侧层一体成形而成，在所述内侧层的内周面或所述外侧层的外周面中的任一方具有轴承面，其中，所述内侧层和所述外侧层中的具有所述轴承面的层由含有Fe和高硬度化元素的烧结金属构成，不具有所述轴承面的层由含有Fe而不含有高硬度化元素的烧结金属构成，在所述内侧层与所述外侧层的界面产生所述高硬度化元素的浓度梯度。
[0013]需要说明的是，高硬度化元素是指有助于提高表面的硬度的元素，例如，作为高硬度化元素，可以使用从N1、Mo、Mn及Cr中选择出的至少I种。具体而言，例如在内侧层的内周面形成有轴承面的情况下，通过含有Fe、Cu、C、Ni及Mo而余部由不可避免的杂质构成的烧结金属形成内侧层，通过含有Fe、Cu及C而余部由不可避免的杂质构成的烧结金属形成夕卜侧层。
[0014]如此，通过由含有高硬度化元素的烧结金属形成具有轴承面的层，能够获得硬度较高的轴承面。另外，通过由不含有高硬度化元素的烧结金属形成不具有轴承面的层，从而抑制了高硬度化元素的使用量，因此能够降低材料成本。另外，通过不向一个层(不具有轴承面的层)掺合高硬度化元素，从而该层比另一个层(具有轴承面的层)软而加工性提高，因此能够提高烧结轴承的外径面的尺寸精度。
[0015]另外，在上述的烧结轴承中，在内侧层与外侧层与的界面(边界)产生高硬度化元素的浓度梯度。即，在内侧层与外侧层与的界面附近设置有含有高硬度化元素而硬度较高的区域。由此，内侧层和外侧层牢固地结合，从而烧结轴承的强度提高。
[0016]如果向内侧层和外侧层的至少一方掺和Cu，则Cu能够起到粘合剂的功能从而将内侧层和外侧层牢固地结合。此时，具有轴承面的层的Cu为了有助于提高轴承面的滑动性而需要成为某种程度的配合量，而不具有轴承面的层的Cu只需具有作为粘合剂的功能即可。因此，不具有轴承面的层中的Cu的配合比例可以比具有轴承面的层中的Cu的配合比例低，由此能够减少Cu的使用量从而进一步降低材料成本。
[0017]以上这种烧结轴承能够优选在轴承建筑机械的臂的关节部中使用。
[0018]发明效果
[0019]如以上所述，根据本发明，能够获得一种具有高硬度的轴承面，且能够以低成本制造，并且尺寸精度较高的烧结轴承。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明的一个实施方式所涉及的烧结轴承的剖视图。
[0021]图2是上述烧结轴承的俯视图。
[0022]图3是表示高硬度化元素的浓度梯度的曲线图。
[0023]图4是表示在上述烧结轴承的制造工序的压缩成形工序中填充了外侧层混合金属粉末的状态的剖视图。
[0024]图5是表示在上述压缩成形工序中填充了内侧层混合金属粉末的状态的剖视图。
[0025]图6是表示在上述压缩成形工序中使隔板下降了的状态的剖视图。
[0026]图7是表示在上述压缩成形工序中去除了多余的金属粉末的状态的剖视图。
[0027]图8是表示在上述压缩成形工序中通过上冲头压缩混合金属粉末的状态的剖视图。
[0028]图9是表示在上述压缩成形工序中将压粉体从模具中取出的状态的剖视图。
[0029]图10是表示压缩成形工序以后的制造工序的图。
[0030]图11是其他实施方式所涉及的烧结轴承的剖视图。
【具体实施方式】
[0031]以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。
[0032]如图1及图2所示，本发明的一个实施方式所涉及的烧结轴承I由圆筒状的烧结金属构成，例如在建筑机械的臂的关节部中使用。烧结轴承I一体地具有内侧层2和外侧层3。在图示例中，烧结轴承I仅由内侧层2和外侧层3构成，任一层均呈筒状、特别是呈圆筒状。烧结轴承I的内周面成为平滑的圆筒面，并具有对插入内周的轴4以相对旋转自如的方式滑动支承的轴承面A。烧结轴承I的外周面为平滑的圆筒面，并具有安装于其他部件的安装面B。烧结轴承I的轴向两端面也成为平坦面。烧结轴承I例如内径是直径30?100mm,半径方向上的壁厚是5?50mm,在本实施方式中内径是35mm,外径是45mm。在烧结轴承I的内部气孔中含浸有润滑剂(油、液状润滑脂等)，通过与轴4滑动接触，该润滑剂从烧结轴承I的轴承面A的表面开孔渗出，并供给至轴承面A与轴4的滑动部。
[0033]内侧层2由含有Fe和高硬度化元素的烧结金属构成。作为高硬度化元素，例如可以使用从N1、Mo、Mn及Cr中选出的至少一种。本实施方式的内侧层2由包含Fe、Cu、C及高硬度化元素(例如Ni及Mo)而余部为不可避免的杂质的烧结金属构成。具体而言，例如，通过包含15?2(^七％的Cu、0.3?0.8界七％的C、l.5?3.5￥七％的祖、0.5?1.5￥七％的]?0而余部为Fe及不可避免的杂质的烧结金属构成内侧层2。在内侧层2的内周面2a设置有轴承面A，在图示例中内侧层2的整个内周面2a作为轴承面A而发挥功能。内侧层2的半径方向上的壁厚为烧结轴承I的半径方向上的壁厚的5?20%左右(例如0.3?2mm)，在本实施方式中被设为Imm左右。当内侧层2过薄时，成形时的原料粉末的填充性恶化并且允许磨损极限降低，当内侧层2过厚时，高硬度化元素的使用量增加导致成本增高。
[0034]如此，由于内侧层2的烧结金属含有高硬度化元素，能够获得高硬度且耐磨损性优异的轴承面A。另外，由于内侧层2以Fe为主要成分并含有C，能够提高拉伸强度、硬度。另外，由于内侧层2含有Cu，能够提高轴承面A的滑动性从而降低与轴4的摩擦。另外，如上所述，如果作为高硬度化元素选择N1、Mo等淬火性提高元素，则能够获得降低马氏体相变的开始温度的效果，因此能够实现后述的烧结工序中的连续烧结炉的冷却区域的基于马氏体相变的高硬度化。
[0035]外侧层3由含有Fe且不含有高硬度化元素(例如不含有N1、Mo、Mn及Cr中的任一种)的烧结金属构成。本实施方式的外侧层3由含有Fe、Cu、C而余部为不可避免的杂质的烧结金属构成。具体而言，例如通过含有2?5被％的Cu、0.2?0.8被％的C而余部为Fe及不可避免的杂质的烧结金属形成外侧层3。在外侧层3的外周面3a设置有向其他部件安装的安装面B，在图示例中外侧层3的整个外周面3a作为安装面B而发挥功能。
[0036]如此，由于外侧层3的烧结金属不含有高硬度化元素，能够抑制高价的高硬度化元素的使用量从而降低材料成本。另外，通过外侧层3的烧结金属不含有高硬度化元素，从而能够使外侧层3的硬度比内侧层2低，因此能够提高外侧层3的加工性，提高安装面B的尺寸精度。
[0037]另外，由于内侧层2及外侧层3的至少一方(在本实施方式中是双方)含有Cu，通过熔融并结合有Cu而起到粘合剂的功能，从而提高内侧层2和外侧层3的结合力。为了起到这种功能，优选外侧层3中含有2wt%以上的Cu。另外，为了抑制Cu的使用量从而实现低成本化，优选外侧层3中的Cu的配合比例比内侧层2中的Cu的配合比例低，具体而言优选在5wt%以下。
[0038]在内侧层2与外侧层3的界面产生高硬度化元素的浓度梯度。该浓度梯度跨及内侧层2与外侧层3的界面的整个轴向区域而产生。在本实施方式中，如图3概念性地所示，在内侧层2与外侧层3的界面(用虚线表示)附近，具体而言是在跨越界面的半径方向区域内，从内侧层2朝向外侧层3Ni及Mo的浓度逐渐降低。由此，在界面附近形成含有高硬度化元素的区域，因此界面的强度及内侧层2与外侧层3的结合强度提高。期望产生高硬度化元素的浓度梯度的区域(以下，称为浓度梯度区域)的半径方向尺寸R在0.1?1.0mm的范围内，优选在0.2?0.5_的范围内。当该浓度梯度区域的半径方向尺寸R过大时，界面附近的外侧层的硬度上升，因此产生加工性恶化而对尺寸精度造成影响的不良情况，当浓度梯度区域的半径方向尺寸R过小时，界面的结合变弱，因此存在轴承的强度降低的不良情况。浓度梯度区域的半径方向尺寸R能够通过例如后述的双色成型模具的隔板14 (参照图5)的半径方向厚度来调整。
[0039]上述的烧结轴承I例如经由压缩成形工序、烧结工序、整形工序、热处理工序及含油工序来制造。以下，对各个工序进行说明。
[0040]压缩成形工序使用例如图4所示的模具来实施。该模具具有挤压模11、配置于挤压模11的内周的塑孔栓12、配置于挤压模11的内周面Ila和塑孔栓12的外周面12a之间的外侧下冲头13、隔板14及内侧下冲头15、上冲头16 (参照图8)。外侧下冲头13、隔板14及内侧下冲头15呈同心的圆筒形状，并能够分别独立地升降。
[0041]压缩成形工序通过将内侧层2的材料和外侧层3的材料供给至相同的模具而一体成形的、所谓的双色成型而实施。具体而言，首先，如图4所示，使隔板14及内侧下冲头15上升至上端位置，并且使外侧下冲头13下降至下端位置，通过挤压模11的内周面11a、隔板14的外周面14a、外侧下冲头13的端面13a形成圆筒状的外侧空腔17。向该外侧空腔17填充用于形成外侧层3的第一混合金属粉末Ml。本实施方式的第一混合金属粉末Ml由Fe粉末、Cu粉末及C粉末构成，具体而言可以使用例如SMF4030 (JIS Z2550:2000)。
[0042]接下来，如图5所示，使内侧下冲头15下降至下端位置，通过隔板14的内周面14b、塑孔栓12的外周面12a、内侧下冲头15的端面15a形成圆筒状的内侧空腔18。向该内侧空腔18填充用于形成内侧层2的第二混合金属粉末M2。本实施方式的第二混合金属粉末M2由Fe粉末、Cu粉末、C粉末、Ni粉末及Mo粉末构成。此时，使第二混合金属粉末M2从内侧空腔18溢出，并覆盖隔板14的上方。
[0043]接下来，如图6所示，使隔板14下降。由此，第二混合金属粉末M2进入与隔板14相对应的空间，第一混合金属粉末Ml和第二混合金属粉末M2接触。由此,成为在由挤压模11的内周面11a、外侧下冲头13的端面13a、隔板14的端面14c、内侧下冲头15的端面15a及塑孔栓12的外周面12a形成的空腔19内以双层状态充满有第一混合金属粉末Ml及第二混合金属粉末M2的状态。然后，去除从空腔19溢出的多余的第二混合金属粉末M2 (参照图7)。
[0044]之后，如图8所示，使上冲头16下降，通过上冲头16的端面16a从上方压缩填充于空腔19中的混合金属粉末Ml、M2，从而形成压粉体Μ。然后，如图9所示，使外侧下冲头13、隔板14及内侧下冲头15上升，将压粉体M从模具中取出。
[0045]之后，在烧结工序中，以规定的烧结温度(例如1120°C )烧结压粉体M，从而获得烧结体M’(参照图10)。在本实施方式中，通过连续烧结炉来实施烧结工序。此时，由于在烧结体M’中含有淬火性提高元素(Ni及Mo)，烧结体M’的马氏体相变的开始温度降低，因此能够在连续烧结炉的冷却区域内实现基于烧结体M’的马氏体相变的高硬度化。
[0046]通过烧结工序而得到的烧结体M’在之后的整形工序中整形成规定尺寸。在本实施方式中，通过利用校形模具来压迫烧结体M’的内周面、外周面及两端面，而将烧结体M’外形成形为规定尺寸(省略图示)。此时，烧结体M’的外侧层Ml’是不含有高硬度化元素的比较软的烧结金属，加工性良好，因此能够精度良好地成形外侧层Ml ’、特别是外周面。
[0047]对如此整形成规定的尺寸的烧结体M’实施热处理(热处理工序)。具体而言，例如实施用于去除烧结体M’的内部应力的回火。然后，通过在实施了热处理的烧结体M’的内部气孔中含浸润滑剂，从而完成烧结轴承I。
[0048]本发明并不限定于上述实施方式。例如，在上述实施方式中，虽然通过基于校形模具的外形成形来实施整形工序，但并不限定于此，也可以通过机械加工等其他方法实施。另夕卜，在不进行整形也能够获得所期望的尺寸精度的情况下可以省略整形工序。另外，在上述的实施方式中，虽然作为热处理工序而进行了回火，但也可以在回火之前实施淬火(例如渗碳淬火)，从而提高烧结体M，的表面硬度。需要说明的是，只要含有高硬度化元素的内侧层2的硬度足够，就优选省略淬火以实现低成本化。
[0049]另外，在上述实施方式中，虽然示出了在内侧层2的内周面2a形成有轴承面A的情况，但并不限定于此，例如可以如图11所示，将本发明应用于在外侧层3的外周面3a形成轴承面A的烧结轴承I。在该情况下，外侧层3通过含有Fe及高硬度化元素的烧结金属形成，内侧层2通过含有Fe而不含有高硬度化元素的烧结金属形成。具体而言，例如，外侧层3通过含有Fe、Cu、C、Ni及Mo而余部由不可避免的杂质构成的烧结金属形成，内侧层2通过含有Fe、Cu及C而余部由不可避免的杂质构成的烧结金属形成。在该情况下，外侧层3的硬度比内侧层2的硬度高。在内侧层2与外侧层3的界面产生高硬度化元素的浓度梯度，在界面附近从外侧层3朝向内侧层2，高硬度化元素的浓度逐渐降低。在内侧层2的内周面2a设置向其他部件(轴的外周面)安装的安装面B。外侧层3的壁厚被设为烧结轴承I的半径方向上的壁厚的5?20%左右，例如被设为0.3?2mm的范围。
[0050]另外，上述实施方式中，虽然示出了内侧层2与外侧层3的界面是圆筒面状的情况，但并不限定于此，也可以将界面的轴正交截面形状设为非圆形(例如多边形状、花键状)(省略图示)。由此，进一步提高了内侧层2和外侧层3的结合强度。此时，界面的形状为与轴向平行。界面的形状仿形于压缩成形工序中的隔板14(参照图5等)的形状，因此能够通过变更隔板14的形状来变更界面的形状。
[0051]另外，在上述实施方式中，虽然示出了将烧结轴承I应用于建筑机械的情况，但并不限定于此，还优选应用于轴承面施加有较高的表面压力的用途。
[0052]符号说明
[0053]I烧结轴承
[0054]2内侧层
[0055]3外侧层
[0056]A轴承面
[0057]B安装面
【权利要求】
1.一种烧结轴承，其通过将内侧层和设置于所述内侧层的外径侧的外侧层一体成形而成，在所述内侧层的内周面或所述外侧层的外周面中的任一方具有轴承面，其中， 所述内侧层和所述外侧层中的具有所述轴承面的层由含有Fe和高硬度化元素的烧结金属构成，不具有所述轴承面的层由含有Fe而不含有高硬度化元素的烧结金属构成，在所述内侧层与所述外侧层的界面产生所述高硬度化元素的浓度梯度。
2.根据权利要求1所述的烧结轴承，其中， 所述高硬度化元素是从N1、Mo、Mn及Cr中选择出的至少I种元素。
3.根据权利要求1或2所述的烧结轴承，其中， 所述轴承面形成于所述内侧层的内周面。
4.根据权利要求3所述的烧结轴承，其中， 所述内侧层通过含有Fe、Cu、C、Ni及Mo而余部由不可避免的杂质构成的烧结金属形成，所述外侧层通过含有Fe、Cu及C而余部由不可避免的杂质构成的烧结金属形成。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的烧结轴承，其中， 所述内侧层和所述外侧层中的至少一方含有Cu。
6.根据权利要求5所述的烧结轴承，其中， 不具有所述轴承面的层中的Cu的配合比例比具有所述轴承面的层中的Cu的配合比例低。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的烧结轴承，其中， 所述烧结轴承使用于建筑机械的臂的关节部。
【文档编号】F16C33/12GK104145127SQ201380012002
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2013年3月7日 优先权日:2012年3月7日
【发明者】毛利敏彦, 吉塚则义, 须贝洋介, 里路文规 申请人:Ntn株式会社