烧结合金和浸油烧结轴承的制造方法

专利名称：烧结合金和浸油烧结轴承的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种制造用于生产应用于各种发动机的浸油烧结轴承的烧结铁—铜基多孔合金的方法，和一种制造浸油烧结轴承的方法。
背景技术：
许多浸油铁—基烧结轴承是由铁—铜基合金制成的。铁—铜基合金包括铁—青铜合金、铁—黄铜合金和还含有其它成分，例如Ni、Co、P、Pb、固体润滑剂如石墨、二硫化钼等的合金。通过实例举例说明铁—青铜基烧结合金的制造方法，还原铁粉末或雾化铁粉末被用作原料铁粉末。而且，向此原料中加入电解铜粉末和锡粉末，或青铜合金粉末作为青铜合金相的原料，和很少量的模压润滑剂作为必需品存在，以制备混合粉末。将该混合粉末压力模制以形成压块，然后在还原气氛例如氮和氢的混合气体中加热将其烧结。将得到的烧结体进行精整和切削处理，以使其适用于轴承所需的尺寸精度，并调整其轴承表面的孔的状态。如果必要，还可以进一步将具有适合其使用条件粘度的润滑油浸入孔隙中，得到浸油烧结轴承。
组成发动机用浸油烧结轴承的材料需要是一种滑动性能良好，同时具有较高浸油能力的合金，而且必须保持润滑膜油压，以使最初操作时的公知性良好，而且滑动摩擦较小。众所周知，当轴承的渗透性高时，尤其是用于寒冷地区的发动机使用的轴承在滑动时会产生吱吱响的噪音。
与此相关，在日本专利申请公开(JP-A)No.S 64-15522中描述可以通过使用更细的复合粉末作为原料来降低轴承的渗透性，以使在滑动表面容易形成油膜，从而，使润滑油难以从滑动表面逸出排入轴承中。另一方面，日本专利申请公开(JP-A)No.H8-20836中公开了一种浸油烧结合金，它具有孔隙度为25体积％或更大的内层部分和孔隙度为16体积％或更小的外层部分，它通过在模制和烧结体的表面形成具有不同组分的合金层来制得，以便提供具有良好耐磨性和通公知性的浸油轴承。在上述文献中还说明了渗透性为30达西(Darcy)或更小。另一方面，在日本专利申请公开(JP-A)No.2003-120674中建议，对于用于电动机的浸油烧结轴承，将由具有20至30％连通孔隙度和具有6至50×10-11cm2渗透性的烧结合金制成的轴承用动力粘度为61.2-74.8mm2/s的合成油浸渍。它还公开了，即使在寒冷地区环境下操作，也不会产生吱吱响的噪音，而且，在浸油烧结轴承的制造中，采用具有颗粒尺寸为145网目筛下的海绵还原铁粉末作为原料粉末。
然而，当细原料粉末采用与上述JP-A S 64-15522相同方法被使用时，烧结轴承的连通孔隙度也会减小，储油能力降低。从耐久性来看，这是不利的。而且，当采用与上述JP-A H8-20836相同方法提供具有不同材料的外层部分时，由于材料的不同，在层之间产生应变等的可能性就会增加，而且会引起机械强度、耐久性等问题。从制造方法的简化等观点来看，这也是不利的。
通常，烧结多孔合金的连通孔隙度和它的密度有关系。具体地说，当密度减小时，连通孔隙度增加，并且储油能力也增加。然而，渗透性也增加。因此，从轴承到滑动表面，并从滑动表面逸到其内部的浸渍润滑油排量会变大，而且这就使得油压难以保持。为了减少渗透性，减少轴承表面上孔的开口是重要的。为此，当对烧结多孔轴承的内孔表面(即，轴承表面)进行精整时，控制处理的程度是有效的，采用此方法，使表面部分适当地密实。然而，如果烧结多孔合金具有粗孔，为了使开向内孔表面的粗孔变小，需要增大精整的处理程度，精整能力很容易进入轴承的深度起作用。这就使得轴承的连通孔隙度减少。因此，通过精整减小渗透性必须有限制地使用。另一方面，如果模制压力增加或者如果为了使烧结多孔合金的孔变小而采用更细的粉末作为原料粉末，则烧结合金的密度会增加且连通孔隙度减小。
因此，为了实现减少渗透性同时保持所需连通孔隙度的浸油烧结轴承，有必要对于制造的控制考虑很多因素。而且，要在不采用复杂的步骤的情况下在轴承上整体保持强度和耐久性时，这种轴承是不容易制造的。

发明内容
本发明的目的是提供一种浸油烧结轴承，它在被安装到装置上使用时，具有长的寿命和可靠的耐久性，而且不需采用复杂的制造方法。
而且，本发明的目的是提供一种浸油烧结轴承。它即使在低温环境的发动机上用作滑动轴承期间也不产生吱吱响的噪音，而且它具有良好的滑动性能以提供稳定的操作。
为了达到上面的目的，根据本发明的一个方面，一种用于浸油烧结轴承的烧结铁—铜基多孔合金的制造方法包括制备包括铁粉末、以及铜粉末和铜合金粉末的至少一种的混合粉末，该铁粉末包括多孔铁粉末，它具有177微米或更小的颗粒尺寸和按照气体吸收法100-500m2/kg的比表面面积；将该混合粉末形成生坯；和烧结该生坯以获得烧结铁—铜基多孔合金。
而且，根据本发明的另一方面，一种浸油烧结轴承的制造方法，包括制备包括铁粉末、以及铜粉末和铜合金粉末的至少一种的混合粉末，该铁粉末包括多孔铁粉末，它具有177微米或更小的颗粒尺寸和按照气体吸收法100-500m2/kg的比表面面积；将该混合粉末形成具有大致相应于要浸油的烧结轴承形状的生坯；和烧结该生坯以获得由铁—铜基多孔合金组成的烧结压块。


本发明的制造方法优于所提到的技术的特点和优点，从结合附图对本发明实施方式的下列描述中可以更清楚地理解，其中图1是表示采用多孔铁粉末或正常还原铁粉末生产的烧结体中密度和连通孔隙度之间关系的曲线图；图2是表示图1烧结体中密度和渗透性之间关系的曲线图；图3是表示图1烧结体中连通孔隙度和渗透性之间关系的曲线图；图4是表示图1烧结体中密度和径向压溃强度之间关系的曲线图；图5是表示图1烧结体中密度和表面上表观硬度之间关系的曲线图；图6是表示采用细还原铁粉末的烧结体中密度和渗透性之间关系的曲线图；图7是表示具有不同合金组分的烧结体中密度和渗透性之间关系的曲线图；图8是表示图7烧结体中连通孔隙度和渗透性之间关系的曲线图；图9是表示采用铜箔粉末的烧结体中连通孔隙度和渗透性之间关系的曲线图；和图10A和图10B是显微照片，分别表示图1烧结体部分(10A试样S1，10B试样S2)的金相组织。
具体实施例方式
对于许多由铁—铜基合金制成且用作滑动轴承的浸油烧结轴承，摩擦系数的变化和在轴承上产生吱吱响的噪音之间的关系已经在约-30℃的低温环境下被驱动的发动机上进行了研究。作为研究结果已经发现，如果初始摩擦系数高，而且如果此后的摩擦系数显著下降，则趋于产生吱吱响的噪音，而且噪音恰恰是在摩擦系数下降后发生。相反地，如果初始摩擦系数相对较低，而且如果此后的摩擦系数下降小，则不会发生吱吱响的噪音。并且还发现，烧结轴承的孔尺寸分布范围越小，吱吱响的噪音发生的频率越低，而且开口孔的尺寸分布范围越小，吱吱响的噪音发生的频率越低。
考虑到润滑油的粘度在-30--40℃时非常高，上面提及的研究结果可以被解释如下。即，润滑油大量存在于轴承表面和轴之间的间隙中，当使轴开始反向旋转时，使起始转动阻力增大，而且润滑油耗损也增加，使得润滑油快速减少。根据润滑油的减少，滑动摩擦力降低，而且由于此波动容易发生振动，从而发生吱吱响的噪音。而且，关于烧结轴承吱吱响的噪音的产生和渗透性之间的关系，也已经发现，当烧结轴承的渗透性是50×10-11cm2时，吱吱响的噪音的发生频率为80％，在10×10-11cm2时为20％，在2×10-11cm2时噪音几乎不产生。即渗透性越低，吱吱响的噪音发生的越少。这也与上面提及的解释一致。
与此相联系，如果轴承表面和旋转轴之间间隙处的毛细作用强于轴承内部孔的毛细作用，则当轴的旋转停止时，在轴承表面和轴之间的间隙中的润滑油就会变少。因此，为了阻止吱吱响的噪音，加强轴承内部孔的毛细吸力是有效的。因此，增加和使轴承内部孔细小是重要的。这是烧结轴承金相组织的问题，而且它不能通过精整烧结轴承使滑动表面上孔的开口变小来获得。
关于上面的描述，本申请的申请人的在先申请，JP-A 2003-120674提出通过采用145网目的筛下部分的海绵还原铁粉末(商标名DNC-180，由Dowa Iron Powder Co.，Ltd.制造)，作为生产浸油烧结轴承的原料铁粉末，使烧结合金中的铁颗粒中也形成孔。作为使轴承内部孔变细的方法，采用颗粒内部有孔的铁粉末是有效的。然而，在JP-A 2003-120674中采用的海绵还原铁粉末具有145网目筛下的颗粒尺寸，而且按照气体吸收法(BET方法)的比表面为100m2/kg。通过比较，这个比表面值不大，不过颗粒小，同样意味着孔也不细。事实上，颗粒的表面不平，但是内部孔不太多。采用上述海绵还原铁粉末来生产烧结轴承，细孔一定存在于组成金相组织的铁颗粒中。然而，在铁颗粒表面上，许多孔被其它相等封闭。即，有许多不能有效浸油的孔。本发明改善了此点，并且提出了一种制造烧结轴承的方法，该轴承由具有高连通孔隙度金相组织的铁—铜基多孔合金组成，然而孔较细，且渗透性低。
为了上述改进，用于本发明的是将其中的颗粒尺寸非常大而且是细孔的多孔铁粉末作为原料铁粉末。特别地，采用其中颗粒尺寸为80网目筛下(即颗粒尺寸为177微米或更小)和比表面为110-500m2/kg的多孔铁粉末。根据这些，在金相组织中铁颗粒内部与其它孔连接的细开口孔以增加的方式产生，就可以同时获得烧结轴承连通孔隙度的改善和孔尺寸的减小。由于孔遍及整个烧结轴承变细，在内孔表面孔的开口也变得狭窄，而且它们可以通过在烧结轴承的内孔表面进行通常的精整处理容易地被封闭。因此，烧结轴承的渗透性可以容易地被减小到适当的水平。
而且，正如从后面描述的实施例可以理解的那样，制造烧结轴承的原料铁粉末不需要全部都是颗粒尺寸大而且比表面和上述一样大的多孔铁粉末。而是允许使用上述多孔铁粉末和一般还原铁粉末或雾化铁粉末的混合粉末。在混合粉末中的多孔铁粉末的比例越大，就越适于获得具有低渗透性和高连通孔隙度的烧结轴承。在此，值得注意的是，多孔铁粉末易于在制造作业中经粉碎等形成大比例很细的颗粒。因此，如果仅限于优选颗粒尺寸的颗粒，适合使用的是325网目筛上，和80网目筛下的部分(也就是，44至177微米的颗粒尺寸)，它可以通过多孔铁粉末的筛分分级获得。然而，如上所述，由于不是必须包括一般的铁粉末，因此采用包括非常细颗粒的颗粒尺寸为80网目筛下的多孔铁粉末也没有问题。优选的是，亚筛部分占全部铁粉末的35质量％或更少。具有颗粒尺寸超过177微米(80网目筛下)的粗或大颗粒不是优选的，因为会使烧结轴承的多孔结构变粗。
根据本发明，制造浸油烧结轴承的方法和用于制造的原料在下面具体描述。
(1)烧结轴承的合金成分构成本发明烧结轴承的烧结合金是铁—铜基合金，包括铁—青铜合金、铁—黄铜合金等，且铁—铜基合金的组分可以被限定为，以质量计包括1-50％铜、0-4％碳、0-3％锡、0-7％锌、0-1％其它组分(镍、硼、硫、铅等)，并且余量为铁。特别是，优选铜含量为10-35质量％、锡含量为0.5-1.7质量％的铁—铜基合金。例如，本发明可适用于如表1所示的Nos.1-9合金成分。
按照上面的合金组分，通过将每种组成成分的单一粉末混合而制备混合粉末。然后被压力模制形成外形大致相应于轴承的生坯，然后烧结该压块。至于组分，Sn、Zn。Ni、B、P、Pb等，可选择地通过采用分别含有它们的铜合金粉末将它们混合成混合粉末。如情况需要时，可以使用固体润滑剂例如石墨粉末、二硫化钼粉末等，以及粉末润滑剂例如包括硬脂酸锌、粉末冶金用石蜡的金属皂等。
表1组分(质量％)No.
Cu C SnZn 其它(Ni、B、P等)Fe1 1-30.2-0.6- - -余量2 2-51-4- - -余量3 14-20 1-4- - -余量4 10-15 - 2 - -余量5 10-15 - 2 - ≤1 余量6 18-22 - 1-3 2-7 ≤0.1余量7 29-34 0.52 - ≤1 余量8 30-32 2 2 - -余量9 50 0.52 - ≤0.3余量(2)原料铁粉末原料铁粉末是具有相应于80网目筛下部分颗粒尺寸的粉末，而且至少它的一部分包括具有110-150m2/kg比表面的多孔铁粉末。对于其它部分，通常使用的一般无孔铁粉末，即还原铁粉末或雾化铁粉末也可以用于混合。原料铁粉末中多孔铁粉末的比例为25质量％或更多，优选50质量％或更多。
(2-1)还原铁粉末和雾化铁粉末通常用于制造烧结多孔合金的市售铁粉末属于还原粉末或雾化铁粉末(水雾化铁粉末)，它们具有相应于80网目筛下(177微米或更小的颗粒尺寸)的颗粒尺寸和约2.4-3.0Mg/m3的表观密度。可以用它们作一部分原料铁粉末。它们的比表面，按照气体吸收法(BET法根据ISO 9277规定)，一般地，对于还原铁粉末是60-80m2/kg，对于雾化铁粉末是80-100m2/kg。相互比较这些粉末，雾化铁粉末颗粒内部具有较少的孔，而还原铁粉末的颗粒比雾化铁粉末具有更加不平的表面，而且在内部具有更多的孔。
(2-2)多孔铁粉末本发明用的多孔铁粉末是具有80网目筛下颗粒尺寸(177微米或更小的颗粒尺寸)和按照BET法比表面为110-500m2/kg的粉末，而且表观密度为约1.3-2.5Mg/m3。这些多孔铁粉末的颗粒具有非常不平的表面，而且在颗粒断面的微观视图中，观察到大量与颗粒表面相连的细孔。多孔铁粉末的制备，例如，可通过在日本专利申请公开(JP-A)No.2002-105501中描述的生产方法进行。多孔铁粉末的比表面可以根据生产过程中的还原条件控制，而且可以获得具有约1000m2/kg比表面的铁粉末。然而，如果多孔铁粉末的比表面非常大，就意味着在粉末中含有大量非常细的颗粒，采用它制造的烧结合金中就会形成许多封闭的孔。因此，在本发明中有必要使比表面不超过500m2/kg。本发明中优选使用的市售多孔铁粉末的实例包括由瑞典Hoganas AB提供的商标名为LD80(比表面约200m2/kg)、P100(比表面约175m2/kg)和R12(比表面约225m2/kg)等产品。
(3)原料铜粉末采用的原料铜粉末可适当地选自具有不同颗粒尺寸的市售铜粉末产品。由于铜粉末在烧结期间会熔化，因此，使用与铁粉末颗粒尺寸相比足够细的铜粉末是重要的，以便在烧结合金中的铁颗粒周围不会产生粗孔，而且使所用的铜粉末尽可能具有均匀的质量，以制备在其中铜粉末均匀分布于铁颗粒周围的生坯。
特别地，优选亚筛部分占原料铜粉末的60质量％或更多。此类市售铜粉末的实例包括由日本Fukuda Metal Foil & Power Co.，Ltd.提供的商标名为CE15的电解铜粉末产品，或者其它与上述产品颗粒尺寸相同的铜粉末。
一部分原料铜粉末可以用铜箔粉末代替，以抑制烧结合金的渗透性到较低水平。铜箔粉末的使用对于在烧结合金中制得复杂的孔连接通道和减少渗透性是有效的。适合使用的市售铜箔粉末实例包括由日本Fukuda Metal Foil & Power Co.，Ltd.提供的商标名为Cu-S-100(颗粒尺寸100网目筛下或更小)的铜粉末产品。
(4)原料锡粉末它被用来制造由铁—青铜合金制的烧结轴承。与原料铜粉末一样，与铁粉末颗粒尺寸相比，适合使用的是具有适当细的锡粉末，以便在烧结合金中的铁颗粒周围不产生粗孔。特别优选的是，亚筛部分占原料锡粉末的85质量％或更多。
(5)原料锌粉末它被用来制造由铁—黄铜合金制的烧结轴承。与原料铜粉末一样，与铁粉末颗粒尺寸相比，适合使用的是具有适当细的锌粉末，以便在烧结合金中的铁颗粒周围不产生粗孔。特别优选的是，亚筛部分占原料锌粉末的50质量％或更多。
(6)其它组分原料粉末由于组分Sn、Zn、B、P和Pb的混合比例较小，如果以含它们的合金粉末的形式分别混合它们，则它们的混合比例可以容易地、精确地控制。待使用的原料粉末可适当地选自市售的铜合金粉末。例如，Cu-10％Sn合金、Cu-10％Sn-1％Pb合金、Cu-35％Zn合金、Cu-30％Ni合金、Cu-15％Ni-1.5％B合金、Cu-8％P合金(各组分比例以质量计)等粉末是市售的，可以适当地使用它们。
对于Pb和Ni，用与常规技术中相同的方法，铅粉末和镍粉末可以被选择使用。
优选的是，这些原料粉末具有这样的颗粒尺寸使亚筛部分占50质量％或更多。
(7)粉末润滑剂可以使用粉末润滑剂例如包括硬脂酸锌、粉末冶金用石蜡的金属皂等，以便改善混合粉末的可压缩性和可模制性，而且使生坯容易从模中脱出，如果必要，可以使用固体润滑剂例如石墨粉末和二硫化钼粉末，以便改善浸油烧结轴承的耐磨性或润滑性。这些润滑剂粉末可以通过从市售产品中适当选择使用。
(8)混合、压制和烧结根据所要制造的烧结轴承的合金组分将上述原料粉末混合，以制备混合粉末。粉末的混合与常规方法相似，没有特别的限制。用模具以与常规方法相同的方法，将混合的粉末压力模制以形成具有大致相应于轴承外形的生坯。
生坯的外形和密度根据轴承的用途适当地设计，而且考虑到烧结后的精整引起的尺寸变化等，生坯的形成要使烧结产品具有稍微大的尺寸(内孔稍微小)。压块的密度一般在5.5-6.5Mg/m2的范围内调节，该调节可以通过控制模制压力进行。
生坯在还原气氛中烧结。在合金组分中，铜含量为20质量％或更大的情况下，烧结温度优选为约750-850℃；当合金组分中，铜含量为小于20质量％的情况下，为约1,000-1,150℃。
通过上述制造方法，可以获得由烧结多孔铁—铜基合金组成的烧结压块，合金的密度是5.7-6.6Mg/m3，而且连通孔隙度是约29-17体积％，与使用还原铁粉制造的一般烧结合金相比，在这种烧结压块中，孔被细分散，并且渗透性低。本发明的烧结压块的渗透性，在具有连通孔隙度25％的情况下，为9×10-11-13×10-11cm2；而在具有连通孔隙度27％的情况下，为12×10-11-18×10-11cm2。这样的渗透性是使用还原铁粉的一般烧结合金的渗透性的一半。如上所述，尽管具有大的连通孔隙度，但本发明的烧结合金具有较低的渗透性，而且这种烧结压块可以容易地加工成烧结轴承。它能通过浸油步骤提供一种适合用于寒冷地区的浸油烧结轴承。
(9)后处理(精整)考虑了进行精整的烧结体通过精整被抛光，以获得具有目标尺寸和外形的发动机用烧结轴承。如果与目标尺寸的差别大于精整的适宜处理量，则精整前的烧结压块的尺寸可以通过采用磨床等切削处理以接近目标尺寸。烧结压块的渗透性可以在精整时通过变窄或封闭烧结体表面孔的开口来减小到优选值。表面上孔的开口也可以在通过磨床切削内径表面时变窄或被封闭。
当后处理后在烧结轴承上观察到污垢或粘附的颗粒时，如果必要，可以采用有机清洁剂等进行超音速清洗将其去除。
(10)润滑油的浸渍浸入烧结轴承中的润滑油根据轴承的使用环境和滑动条件适当地确定，可以采用具有属于齿轮油类的锭子油类粘度的润滑油，而且也可以使用通常的润滑油、合成油、含有石蜡的润滑油等。在用于寒冷地区使用的发动机轴承的情况下，优选粘度等级等于ISO VG68，或者在40C具有61.2-74.8mm2/s动力粘度的合成油。
润滑油的浸渍可在后处理后在烧结体上进行，但是也可在后处理前进行。如果后处理在油浸渍后进行，切削处理时常用的切削液体就不必要了。在此情况下，就可以防止烧结体的孔受到除润滑油外的其它物质污染，同时也提高了可加工性。而且浸油烧结轴承的真正油含量可以基本等于连通孔隙度。
也可以通过用薄层铜被覆除内孔表面外的烧结轴承来进一步降低烧结轴承的渗透性。
实施例以下参考实施例进一步说明本发明的实施方式。
(实施例1)在S1-S4每个试样中，根据20％Cu、1％Sn和余量为Fe的整体成分(以质量计)将原料铁粉末、原料铜粉末和原料锡粉末混合，再以相对于整个质量0.3％的比例，将硬脂酸锌作为粉末润滑剂加入到上面粉末中，以制备混合粉末。此时，将由Fukuda Metal Foil & Powder Co.，Ltd制造的电解铜粉末(商标名为CE15)用作原料铜粉末。作为原料铁粉末，可以采用由瑞典Hoganas AB制造的还原铁粉末(商标名NC100-24)和由Hoeganas corporation制造的多孔铁粉末(商标名LD80)，将它们以下面所示的比例混合。
试样原料铁粉末的含量S1100质量％的多孔铁粉末S2100质量％的还原铁粉末S350质量％的还原铁粉末和50质量％的多孔铁粉末S470质量％的还原铁粉末和20质量％的多孔铁粉末将S1-S4每个试样的混合粉末压力模制形成柱状生坯(外径18mm，内径10mm，和长约10mm)。此时，通过改变模制压力，为每个试样制备分别具有不同生坯密度的多个生坯。制备的生坯通过在氮气/氢气混合气体中于780℃加热0.5小时进行烧结以获得烧结轴承。按照传统方法，对每个烧结轴承的密度、渗透性、连通孔隙度(体积百分数)、表面表观硬度和径向压溃强度进行测定。采用测定的结果，按每个试样作出表示密度和连通孔隙度之间的关系的曲线(图1)、密度和渗透性之间的关系的曲线(图2)，连通孔隙度和和渗透性之间的关系的曲线(图3)，密度和径向压溃强度之间的关系的曲线(图4)以及密度和表观硬度之间的关系(图5)的曲线。而且，对由每个试样1和2的混合粉末制备的烧结体拍摄了烧结压块截面的光学显微照片。图10A表示试样S1的烧结压块的光学显微照片，图10B表示试样S2的烧结压块的光学显微照片。
基于合金组分和烧结压块密度，由真密度计算而来的烧结压块的孔隙度(即，全部孔的体积占烧结压块体积的百分数)，与试样S1-S4的测定结果一起用图1曲线中的线C表示。根据图1，采用多孔铁粉末的试样S1的烧结压块的连通孔隙度低于采用一般还原铁的试样S2，然而，烧结体具有相同的密度，连通孔隙度根据在原料铁粉末中混合的多孔铁粉末比例的增加而下降。例如，在密度为6.5Mg/m2时，连通孔隙度分别对于试样S1为约15％，对于S2为18％。而且，由于计算孔隙度和相应于封闭孔数量的连通孔隙度之间不同，所以图1意味着当采用多孔铁粉末时，封闭孔1有增加。
另一方面，根据图2，关于烧结压块的渗透性，在烧结压块的密度为6.8Mg/m2时，无论所用原料铁粉末是多孔铁粉末或是还原铁粉末，试样S1和S2几乎一样。然而，在密度较小的区域，采用多孔铁粉末的渗透性显然小于采用还原铁粉末的渗透性。例如，当密度是6.0Mg/m2时，对试样S1，渗透性为6×10-11cm2，对试样S2则为17×10-11cm2。这被认为是因为细孔导致的抗渗透性的增加，在连通孔隙度较大的较低密度区域中对渗透性的影响更加显著。
图3是以结合图1和图2的形式表示渗透性和连通孔隙度之间关系的曲线。根据此曲线，随着连通孔隙度的增加，在采用多孔铁粉末的试样S1的烧结压块的情况下，渗透性的增加小于采用还原铁粉末的试样S2的时渗透性的增加。例如，当连通孔隙度为25％时，渗透性对试样S1为8.5×10-11cm2，而对试样S2为23×10-11cm2。换句话说，多孔铁粉末的使用对于制备高孔隙度和低渗透性可能相互兼容的烧结压块显然是有效的。即使通过采用有孔铁粉末产生了少量的封闭孔，其它开孔也可以充分地保证浸油性能，而且渗透性可以借助细孔结构所导致的增加了的抗渗透性来降低。
根据表示密度和径向压溃强度之间关系的图4，采用多孔铁粉末的试样S1的径向压溃强度高于采用还原铁粉末的试样S2。例如，当密度为6.0Mg/m3时，径向压溃强度对试样S1是290MPa，对试样S2是180MPa。这样的差异无论是由于孔在铁颗粒的内部包括细孔，还是在铁颗粒之间包括粗孔都会产生。据认为，由于采用还原铁粉末的试样S2的烧结压块具有粗孔存在于铁颗粒之间的金相组织，所以于粗孔附近的应力集中很容易造成断裂，因而恶化了强度。还认为，相反地在采用多孔铁粉末的试样S1烧结压块中，大部分孔很细且存在于铁颗粒的内部，而且粗孔存在于铁颗粒之间且容易断裂的这部分仅为少量，因此，强度仍保持为高值。
在表示密度和表面表观硬度之间关系的图5的曲线中，试样S1的烧结压块具有高于试样S2的烧结压块的表观硬度。例如，当密度是6.0mg/m3时，表观硬度对试样S1是70MPa，对试样S2是51MPa。这也同样被认为是由于金相组织中孔的尺寸小，。
在图1至图5的任一图中，当原料铁粉末中所用的多孔铁粉末的含量为25质量％时，采用多孔铁粉末的作用是很显著的，而且随所用多孔铁粉末的增加而增加。
上述见解的合理性可以通过图10A和10B的显微照片支持。如图10B所示，在采用通常还原铁粉末的试样S2的烧结压块中，孔(黑色部分)比较粗。与此相反，在图10A中清楚表明，在使用多孔铁粉的试样S1的烧结压块中，许多细孔(黑色部分)存于铁颗粒的内部，而这可以从许多孔被开放的孔的存在状态得到理解，尽管也有封闭的孔与它们同时存在。
根据上面的描述。采用多孔铁粉末生产的烧结压块具有金相组织，其中细孔仍然在铁颗粒的内部。为了补偿少量封闭孔的形成，带有开孔的烧结轴承的浸油性能是合适的，而且渗透性被抑制到一个低水平，因为形成的开孔较细，在如图10A中发现的细开孔中，毛细作用提供了一种引力和矫顽力，它能使润滑油保持在烧结压块中。
(对比例1)除了代替Hoganas AB制造的还原铁粉末(商标名NC100-24)，使用通过350网目的筛的过筛还原铁粉末制备的350网目筛下(亚筛部分)铁粉末用作原料铁粉末外，重复如实施例1中的试样S2的相同操作，来制备试样S5的混合粉末。采用此混合粉末，用相同的方法制备分别具有不同密度的多个烧结压块，测定每个烧结压块的渗透性，作出烧结体的密度和渗透性之间的关系。将结果与实施例1中试样S1和S2的结果一起示于图6。
根据图6，烧结压块的渗透性可以通过使所用铁粉末自身颗粒减小来降低。然而，与图2相比，显然采用细颗粒的作用相当小。例如，当密度为6.0Mg/m3时，试样S5的渗透性是12.5×10-11cm2，这与试样S2的值非常接近。
采用小颗粒的混合粉末的缺点是粉末流动性恶化。考虑到它对压制的影响。也可以证明采用多孔铁粉末对适当调整烧结压块的连通孔隙度和渗透性都非常有好处，而采用细粉末则不行。
(实施例2)除了改变混合原料粉末的比例，使烧结轴承的整个组分变化为Fe-35％Cu-1.75％Sn(试样S6)或Fe-10％Cu-0.5％Sn(试样S8)外，重复如实施例1中试样S1的相同操作，以制备试样S6和S8的混合粉末。
此外，除了改变混合原料粉末的比例，以使烧结轴承的整个组分变化为Fe-35％Cu-1.75％Sn(试样S7)或Fe-10％Cu-0.5％Sn(试样S9)外，重复如实施例1中试样S2的同样操作，以制备试样S7和S9的混合粉末。
采用上述每一种混合粉末，用与实施例1中相同的方法，采用每一试样制备分别具有不同密度的多个烧结压块。相似地测定渗透性和连通孔隙度。采用测定结果，作出烧结压块的密度和渗透性之间的关系(图7)，同时还作出连通孔隙度和渗透性之间的关系(图8)。将结果与实施例1中的试样S1和S2的结果一起示于图7和图8。
由于在试样S1、S2和S6至S9中，铜对锡的比例相同，因此在每个烧结压块中形成了基本上相同的铜锡相。根据图7，采用多孔铁粉末的试样S1、S6和S8的烧结压块具有小于采用通常还原铁粉末的试样S2、S7和S9的烧结压块的渗透性。然而，采用多孔铁粉末的试样S1、S6和S8的烧结压块的渗透性根据铜和锡含量的增加而急剧增加。这被认为是采用能降低细开孔结构渗透性的抑制作用的多孔铁粉末的比例减少的结果，也是对铜—锡合金相特有的、易产生具有相当高渗透性孔的性能强调的结果。相反地，在试样S2、S7和S9中，由于铁颗粒间的粗孔，铁主相本身的渗透性为较高的值。因此认为，由于铁相和铜—锡合金相在渗透性上差异小，所以烧结压块作为整体其渗透性没有大的变化，图8也清楚地表明，采用多孔铁粉末的试样S1、S6和S8的烧结压块在具有低渗透性和高连通孔隙度上都比采用通常还原铁粉末的试样S2、S7和S9更优越。而且采用多孔铁粉末对获得可能达到高连通孔隙度和低渗透性的烧结压块有效。然而，值得注意的是，不增加所产生的铜合金相的比例，充分利用多孔铁粉末的有效性是重要的，而且优选将铜含量设定在35质量％或更少。相反地，在采用通常还原铁粉末的试样S2、S7和S9中，因为烧结压块具有大量渗透性低于具有粗孔的铁相的铜合金相，所以所述的优选情况是可以将铜含量设定为高值。这点在图7中是不能达到的，然而此原因可以被认为是由于真实密度受整个烧结压块组分变化而波动。也就是说，即使在同样密度的烧结压块中，相对密度根据烧结压块组分而变化，而且连通孔隙度也相应不同，使得它们不能直接相互比较。
而且，当铜含量增加到40质量％或50质量％，或者减少到1质量％或5质量％，并保持铜对锡的比例与上述的值相同时，对于连通孔隙度和渗透性来说，也可用与上面相同的方法评估铜含量。即，如果采用多孔铁粉末，当铜含量低时渗透性低，而如果采用通常的还原铁粉末，当铜含量低时渗透性也低。而且，如果用雾化铁粉末代替还原铁粉末，烧结压块的渗透性还要增加，而且与使用多孔铁粉末情况下的差异还会加大。这是由雾化铁粉末的表面面积小于还原铁粉末的面积、而且铁粉末颗粒内部的孔也少这一事实引起的。
(实施例3)除了用作原料铁粉末的25质量％的电解铜用同量的由Fukuda MetalFoil & Power Co.，Ltd.制造的铜箔(商标名Cu-S-100)粉末代替之外，重复与实施例1中对试样S1的同样操作以制备混合粉末。用此粉末，相似地制备具有不同密度的多个烧结压块，测定每个烧结压块的渗透性和连通孔隙度，并作出烧结压块的连通孔隙度和渗透性之间的关系。将结果与实施例1的试样1的结果一起示于图9。
根据图9可以理解，使用铜箔粉末对减小烧结压块的渗透性有效。这被认为是因为通过使用铜箔粉末，使得生坯中铁颗粒间铜粉末占据的空间变窄和复杂，结果增大了烧结压块中开孔的抗渗透性。在铜含量相对较多的合金组分中，为获得具有低渗透性和高连通孔隙度的烧结压块，此方法是有效的。
(实施例4)在此实施例中，也采用多孔铁粉末、电解铜粉末和实施例1中所用雾化锡粉末作为原料铁粉末、原料铜粉末和原料锡粉末，而且进行如下操作。
通过混合原料粉末，制备具有不同组分的混合粉末，同时保持锡含量相对铜含量的比例为5质量％，整个组分中的铜含量在1至50质量％的范围内变化，并将0.3质量％的硬脂酸锌添加到原料粉末的混合物中。用压制模将每种混合粉末压力压制形成内径为8mm的柱状生坯。在氮/氢混合气体中，对铜含量小于10质量％的生坯于1000℃下加热0.5小时，对铜含量大于10质量％的生坯于760℃下加热0.5小时，对所得生坯进行烧结，分别获得具有5.9Mg/m3密度的烧结压块。将每个烧结压块在预定的条件下精整，以获得具有6.0Mg/m3密度的柱状烧结轴承。将粘度等级等于ISO VG68、含聚α-烯烃作为基油和在40℃时具有70mm2/s(cSt)动力粘度的合成油，在真空中浸入每个烧结轴承中以制备浸油烧结轴承。
通过使用风扇电动机的实际安装试验，对上述获得的每个浸油烧结轴承进行评估。具体说就是，每个浸油烧结轴承被装配在风扇电动机上，并在滑动速度为0.8m/s且PV值为0.08MPa·m/s操作条件下，于室温驱动电动机1,000小时。然后观察轴承的内孔表面。
作为观察的结果，在含有少量铜(小于10质量％)的轴承的情况下，在滑动表面发现了一些细滑动裂纹。在比较中，在含有大量铜(大于10质量％)轴承的情况下，在滑动表面没有明显地发现任何缺陷。从上述结果出发，优选的是，由Fe-Cu-Sn合金组成的浸油烧结轴承的含铜量大于10质量％。然而，如果铜含量太高，烧结轴承的渗透性会升高，而且存在于滑动表面的合成油量就会严重波动，导致轴承的耐久性恶化。从此点看，希望铜含量不超过35质量％。
(实施例5)[浸油烧结轴承A]用压制模，将实施例4中制备的，具有Fe-20％Cu-1％Sn(质量)组分的混合粉末压力模制形成内径为8mm的柱状生坯。将所得的生坯于780℃，在氮/氢混合气体中加热0.5小时进行烧结，以获得具有6.0Mg/m3密度的烧结压块。将烧结压块精整以获得具有6.05Mg/m3密度的柱状烧结轴承。烧结轴承的连通孔隙度为19％，而且内孔表面和外部周围表面之间的渗透性为3×10-11cm2。将与实施例4中所用的相同的合成油(基油聚α-烯烃，动力粘度(40℃)70mm2/s)在真空中浸入烧结轴承中制备浸油烧结轴承A。
进行下面的操作作为原料粉末，使用由Dowa Iron Powder Co.，Ltd.制造的还原铁粉末(商标名DNC-180，颗粒尺寸145网目筛下)，由Fukuda Metal Foil& Powder Co.，Ltd制造的电解铜粉末(商标名CE25，颗粒尺寸145网目筛下，整体的80至90质量％为350网目筛下部分)和铜箔的粉末(商标名Cu-S-100，颗粒尺寸100网目筛下，整体的35至55质量％为350网目筛下部分)，由Nippon Atomized Metal Powder Corporation制造的锡粉末(商标名Sn-325)，由Fukuda Metal Foil & Powder Co.，Ltd制造的磷—铜合金粉末(商标名8P-Cu-At-200)和由Nippon Graphite Industries Ltd制造的石墨粉末。
将原料粉末以45质量％的还原铁粉末，44质量％的电解铜粉末，4.5质量％的铜箔粉末，2质量％的锡粉末，4质量％的磷—铜合金粉末，0.5质量％的石墨粉末和0.5质量％的硬脂酸锌粉末的比例混合。用与浸油烧结轴承A相同的方法，采用压制模，将混合粉末压力压制形成内径为8mm的柱状生坯。将所得生坯于760℃，在氮气/氢气的混合气体中，加热0.5小时进行烧结，以获得具有6.0Mg/m3密度的烧结压块。在与浸油烧结轴承A相同的条件下，对烧结压块精整，以获得柱状烧结轴承。烧结轴承的密度是6.2Mg/m3，连通孔隙度为21％，而内孔表面和外部周围表面之间的渗透性是18×10-11cm2。将与浸油烧结轴承A中相同的合成油在真空中浸入烧结轴承，以制备浸油烧结轴承B。
实施下面的操作作为原料使用由Hoganas AB制造的还原铁粉末(商标名NC-100-24，颗粒尺寸80网目筛下)，由Fukuda Metal Foil &Powder Co.，Ltd制造的电解铜粉末(商标名CE56，颗粒尺寸80网目筛下，整体的15质量％为350网目筛下部分)，由Nippon Atomized MetalPowder Corporation制造的锡粉末(商标名Sn-325)和由Nippon GraphiteIndustries Ltd制造的石墨粉末。
原料粉末以48质量％的还原铁粉末，48质量％的电解铜粉末，3.5质量％的锡粉末，0.5质量％的石墨粉末和0.5质量％的硬脂酸锌粉末的比例混合。用与浸油烧结轴承A相同的方法，采用压制模，将混合粉末压力压制形成内径为8mm的柱状生坯。将获得的生坯于760℃，在氮/氢的混合气体中加热0.5小时进行烧结，以获得6.0Mg/m3密度的烧结压块。在与浸油烧结轴承A相同的条件下精整烧结压块，以获得柱状烧结轴承。烧结轴承的密度为6.2Mg/m3，连通孔隙度为24％，而内孔表面和外部周围表面之间的渗透性是60×10-11cm2。将与浸油轴承A中相同的合成油在真空中浸入烧结轴承，以制备浸油烧结轴承C。
采用模拟实际发动机装置的轴承试验机对上面所得的浸油烧结轴承A至C进行评价。具体地说，将轴承安装在轴承试验机上以支撑轴，然后在冷冻烧结铁—铜基多孔合金的制造方法机中将试验机冷却到-30℃的温度。启动试验机的操作，测试在操作起始时是否产生噪音。噪音的存在通过冷冻机中安装的麦克风检测的声音来判断，并进行放大后输出到外部扬声器。
作为上面测试的结果，在操作起始，未从浸油烧结轴承A和B检测到噪音。然而，浸油烧结轴承C产生了吱吱响的噪音。
在上面的实施例中，以上制备的浸油烧结轴承B已经作为JP-A2003-120674中提出的浸油烧结轴承的复制品进行了测试。与此相比，浸油烧结轴承A含有非常低的铜含量，而且不含其它添加组分。一般而言，由于铜是柔软的且与轴有良好兼容性的组分，因此降低铜含量一般地会恶化轴承的滑动性能。除了上述之外，浸油烧结轴承A的滑动性能被良好地保持，即使在寒冷地区也不产生吱吱响的噪音，因而被优选使用。原因是由于通过使用具有大的表面面积和适当颗粒尺寸的多孔铁粉末，在本发明的烧结轴承上同时实现了高连通孔隙度和低渗透性。从而调整了滑动表面上的油压，使得不再需要与铜组分的兼容性。因此，根据本发明，可以提供一种浸油烧结轴承，它能充分地利用硬铁基的强度和耐久性，而且被赋予了有利于承受在寒冷地区使用的滑动性能。
在本发明中，由于烧结多孔合金本身同时具有高连通孔隙度和低渗透性，因此有可能采用此烧结多孔合金，通过适当调节后处理，例如通常的精整和选择润滑油，来制造适用于不同用途(例如PV值等)的操作条件下的浸油烧结轴承。也就是说，没必要采用技术上特别的创造，只要采用多孔铁粉末来制造即可。因此从生产管理、生产成本等观点出发是优越的。
而且，由于浸油烧结轴承具有在铁颗粒内部有细孔的金相组织，所以它具有对润滑油的高浸渍能力，和高的孔保留能力，而且在滑动表面上的油压可以适当地保持。因此，可以提供具有长寿命的浸油烧结轴承，而且还可能制造高压轴承等。
应当理解，本发明决不限于上述的实施方式，在不脱离如由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，其中也可以产生许多变化。
权利要求
1.用于浸油烧结轴承的烧结铁-铜基多孔合金的制造方法，其特征在于，包括制备包括铁粉末，以及铜粉末和铜合金粉末的至少一种的混合粉末，该铁粉末包括多孔铁粉末，它具有177微米或更小的颗粒尺寸和按照气体吸收法110-500m2/kg的比表面；将该混合粉末制成生坯；和烧结该生坯以获得烧结铁-铜基多孔合金。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，其中混合粉末的铁粉末还包括具有177微米或更小颗粒尺寸的雾化铁粉末或还原铁粉末。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，其中多孔铁粉末相对于混合粉末的铁粉末的比例是25质量％或更多。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，其中混合粉末包括铜粉末，且60质量％或更多的铜粉末是亚筛部分。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，其中烧结铁-铜基多孔合金的铜含量为10-35质量％。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，其中混合粉末还包括锡粉末，且锡含量是整个铜含量和锡含量的3-10质量％。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，其中混合粉末包括铜合金粉末，它含有选自由锡、锌、镍、硼、磷和铅组成的组中的至少一种金属。
8.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，其中生坯具有5.5-6.5Mg/m3的压块密度。
9.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，其中，如果烧结铁-铜基多孔合金的铜含量是20质量％或更大，则生坯在750-850℃的温度烧结，而如果烧结铁-铜基多孔合金的铜含量小于20质量％，则生坯在1,000-1,150℃的温度烧结。
10.一种浸油烧结轴承的制造方法，其特征在于，包括制备包括铁粉末，以及铜粉末和铜合金粉末的至少一种的混合粉末，该铁粉末包括多孔铁粉末，它具有177微米或更小的颗粒尺寸和按照气体吸收法110-500m2/kg的比表面；将混合粉末制成具有大致相应于要进行油浸的烧结轴承形状的生坯；和烧结该生坯以获得由铁-铜基多孔合金组成的烧结压块。
11.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，还包括精整该烧结压块以制备烧结轴承；和将润滑油浸入烧结轴承以获得浸油烧结轴承。
12.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，其中润滑油在40℃具有61.2-74.8mm2/s的动力粘度。
13.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，其中铁-铜基多孔合金的铜含量是10-35质量％，而且烧结压块具有5.7-6.2Mg/m3的密度，连通孔隙度是19-29体积％，且渗透性是10×10-11cm2或更小。
全文摘要
公开了一种烧结铁－铜基多孔合金的和浸油烧结轴承的制造方法，具有以下各步骤制备包括铁粉末，以及铜粉末和铜合金粉末的至少一种的混合粉末；将该混合粉末制成生坯；和烧结该生坯以获得烧结铁－铜基多孔合金。铁粉末包括具有177微米或更小颗粒尺寸且按照气体吸收法110－500m2/kg比表面的多孔铁粉末。烧结压块具有高连通孔隙度和低渗透性，且被精整以制备其中浸有润滑油的烧结轴承。
文档编号B22F3/26GK1603441SQ200410074379
公开日2005年4月6日 申请日期2004年9月10日 优先权日2003年9月10日
发明者宫坂元博 申请人:日立粉末冶金株式会社