本发明涉及具有用于支撑轴的内周面的铁系烧结含油轴承，特别是涉及适于如复印机的送纸辊等那样的支承正反向旋转的轴的轴承的铁系烧结含油轴承。
背景技术：
关于轴承，一直以来多使用烧结合金制的轴承。由于烧结合金为通过所含浸的润滑油而能够赋予自润滑性的多孔质原材料，因此烧结含油轴承的抗咬合性和耐磨耗性良好，广泛使用包含铁、铜等的金属基体的烧结含油轴承。近年来，由于铜的价格高涨，因此以铁作为主要成分的轴承的需求正在增加。然而，以铁作为主要成分的轴承具有容易咬合，而且容易划伤作为配对部件的轴这样的缺点。特别是在将以铁作为主要成分的轴承与未实施热处理而硬度低的轴组合使用的情况下，需要应对上述现象。
在这样的情况下，在下述专利文献1中提出了一种具有与铁铜系烧结合金轴承程度相当的抗咬合性和对配对部件的攻击缓和性的铁系烧结含油轴承。在该铁系烧结含油轴承中，烧结合金的整体组成以质量比计由cu：2.0～9.0％、c：1.5～3.7％、剩余部分：fe和不可避免的杂质构成。轴承的内部具有如下金属组织：在由20～85％(面积率)的铁素体和作为剩余部分的珠光体构成的铁合金相中，分散有铜相、石墨相和气孔的金属组织，所述铜相在轴承的与轴方向交叉的方向上延伸，并且，在轴承面以8～40％的面积率露出铜相。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-077474号公报
技术实现要素：
发明要解决的课题
专利文献1的铁系烧结轴承具有与铁铜系烧结含油轴承程度相当的抗咬合性和对配对部件的攻击缓和性，并且具有优异的耐磨耗性。然而，如果应用于复印机的送纸辊、机头驱动马达等，则由于轴会正反向旋转，且正向旋转和反向旋转各自的驱动时间短，因此对于支承轴的含油轴承，在轴与轴承之间难以形成良好的油膜。对于这样的润滑性维持方面，如果可以提高油润滑效果和对配对部件的攻击缓和性以使得能够应对严酷的工作环境，则能够适用于更广泛的用途。
本发明的目的在于，进一步提高经济上有利的铁系烧结含油轴承的油润滑效果和对配对部件的攻击缓和性，提供一种在轴与轴承之间形成的油膜的保持性优异，且能够适用于广泛的用途的铁系烧结含油轴承。
用于解决课题的方法
本发明人等对于铁系烧结含油轴承，进行了用来应对难以维持润滑性的工作环境的研究。其结果发现：调整润滑油的供给能力，可以实现即使在轴与含油轴承之间难以维持油膜的情况下也能够发挥良好的润滑特性的含油轴承。
本发明是基于上述见解而作出的，根据本发明的一个方式，其要旨在于，铁系烧结含油轴承具有铁系烧结轴承，所述铁系烧结轴承具有用于支撑轴的内周面，上述铁系烧结轴承具有由以质量比计2.0～9.0％的cu、0.5～1.3％的c、剩余部分的fe和不可避免的杂质构成的整体组成，密度为5.3～5.7mg/m3，透气度为70～200×10-11cm2，上述铁系烧结轴承的内周面由以面积率计8～40％的铜相、25～55％的气孔、1～5％的石墨相和剩余部分的铁基体构成，上述铁基体具有包含以面积率计大于或等于20％的铁素体的金属组织结构。
关于上述铁系烧结含油轴承，合适的是，在上述铁系烧结轴承的内周面，当量圆直径大于或等于75μm的气孔所占的面积相对于全部气孔的面积大于或等于70％。而且进一步适合的是，在上述铁系烧结轴承的内周面，相对于暴露在内周面的全部气孔的面积，当量圆直径大于或等于75μm的气孔所占的面积大于或等于70％，当量圆直径大于或等于45μm且小于75μm的气孔所占的面积为0.1～10％，剩余的面积被当量圆直径小于45μm的气孔占据。
发明效果
即使在严酷的工作环境下也能够维持铁系烧结含油轴承的润滑性，具有即使在如支承正反向旋转的轴且在短时间内使旋转动作进行反转那样的、难以维持油膜的用途中也能够发挥良好的润滑特性的显著的效果，因此能够将铁系烧结含油轴承的适用范围扩大到复印机的送纸辊、机头驱动马达等。
具体实施方式
作为进一步提高铁系烧结含油轴承的油润滑性和对配对部件的攻击缓和性的方法，重要的是兼顾向滑动面(也就是说，轴承内周面)供给润滑油的供给能力与在滑动面上的油膜的保持性。在旋转轴向正反两个方向旋转且正向旋转和反向旋转的驱动时间短的工作环境下，在轴承内周面与轴之间形成的油膜难以保持，因此认为如果改变平衡以加强润滑油的供给，则会容易保持油膜。据此，可确定与润滑油的供给能力直接相关的烧结轴承的透气度和密度。进一步，着眼于在轴承内周面露出的气孔的状态，可确定容易兼顾向内周面的润滑油供给与油膜保持的气孔孔径分布。由此，根据轴承的使用环境，按照具有能够兼顾润滑油的供给能力与油膜保持的透气度和气孔孔径分布的方式设计烧结轴承的金属组织结构。
[铁系烧结含油轴承的整体组成和轴承内周面的金属组织]
本发明的铁系烧结含油轴承具有铁系烧结轴承作为主体，所述铁系烧结轴承的整体组成以质量比计由cu：2.0～9.0％、c：0.5～1.3％、剩余部分：fe和不可避免的杂质构成。铁系烧结轴承可如下得到，即：按上述组成比例混合铁粉、铜粉和碳粉并根据需要配合硬脂酸盐等成型润滑剂来准备混合粉末，通过将其用作成型用的原料粉末并压粉成型为轴承的形状，对所成型的压粉体进行烧结而得到。使润滑油含浸于铁系烧结轴承而得到的铁系烧结含油轴承在内周面支撑旋转轴并作为轴承发挥作用。
铁系烧结轴承由铁基体构成，铁基体为铁素体相与珠光体相的混合组织结构或铁素体的单相组织结构。在铁系烧结轴承中，如果在铁基体中分散有大量的硬度比珠光体相低的铁素体相，则在缓和配对部件的攻击方面有利。从该观点考虑，在本发明中，通过原料粉末调制时的配合将烧结轴承的组成调整在上述的范围内，以使得铁系烧结轴承的铁基体中的铁素体相的面积率大于或等于20％。作为铁基体的原料的铁粉可使用还原铁粉，可良好地使用75～150μm程度的平均粒径的还原铁粉，特别合适的是100μm左右的还原铁粉。
cu(铜)在烧结时作为软质的铜相分散于铁基体中，有助于铁系烧结含油轴承的磨合性、配对材料攻击性的缓和。然而，如果整体组成中的cu量增加，则原料成本也相应地增加。因此，在本发明的铁系烧结含油轴承中，为了使铜粉末集中在轴承的内周面附近，关于压粉体的成型利用上述专利文献1的技术。具体地说，通过以扁平状的铜粉的形态导入cu，从而在原料粉末在模腔内落下时，扁平状的铜粉缠绕在芯棒的周围，成为铜粉贴附在芯棒的状态。因此，如果对模腔内的原料粉末进行压粉成型，则铜粉集中存在于压粉体的内周面。也就是说，如果使用扁平状的铜粉作为cu原料，则即使原料粉末所含的cu量少，也能够确保在轴承内周面露出的铜相的量。因此，即使整体组成中的cu量少，在要求滑动特性的轴承内周面露出的铜相的量也比轴承内部多，因此能够在减少轴承内部和整体组成中的cu量而抑制原料费用的同时，能够享受由铜带来的磨合性。这样，通过利用专利文献1的技术，从而即使铁系烧结轴承的整体组成中的cu量以质量比计为2.0～9.0％，也能够将铁系烧结含油轴承调制为内周面中的铜相相对于内周面整体以面积率计成为8～40％范围。扁平状的铜粉可以合适地使用粒径为20～150μm程度的铜粉。粒径小的铜粉容易进入铁粒子之间的间隙，过大的铜粉难以遍集在芯棒周围。对于粒径与厚度的比，合适的是2.5～20程度。
c(碳)在烧结时一部分扩散在铁基体中而有助于铁基体中的珠光体相的形成，剩余部分在作为固体润滑剂发挥作用的同时，作为游离石墨相分散于金属组织中(主要在气孔中)，在内周面缓和与轴的摩擦。为了得到该效果，将整体组成中的c量设定为大于或等于0.5质量％，以使得在轴承内周面露出的石墨相的量相对于内周面以面积率计大于或等于1％。另一方面，对于复印机等的送纸辊、打印机头驱动马达等而言，在所支承的轴在正反两个方向旋转且正向旋转和反向旋转的各驱动时间短这样的用途中，由于与轴的摩擦而导致石墨容易从轴承内周面脱落。因此，将整体组成中的c量限制为小于或等于1.3质量％，以使得在轴承内周面露出的石墨相的量相对于轴承内周面以面积率计小于或等于5％。如果使用平均粒径为40～80μm程度的石墨粉末，则从在基体中的扩散、滑动特性等方面出发是合适的。
对将如上所述调制的原料粉末在模腔内压粉成型为轴承的形状而得到的压粉体进行烧结，从而得到铁系烧结轴承。烧结温度优选设定为950～1030℃程度，如果烧结温度低，则铁基体中的铁素体的量变得过量而硬度不足，用作轴承时的磨损量增加。如果烧结温度高，则珠光体的量增加而变得过硬，用作轴承时轴的磨损量增加，轴承本身的磨损量也增加。作为烧结气氛气体，可使用氢/氮混合气体、分解氨气、转化气(変成ガス)等非氧化性气体。对于得到的铁系烧结轴承，通过适当地实施定径而使润滑油含浸，从而能够得到铁系烧结含油轴承。
[铁系烧结轴承的密度和透气度]
对于烧结含油轴承，烧结轴承的透气度(permeability，单位：1d(darcy)≒10-12m2＝10-8cm2)越高，则润滑油的供给能力越高，但另一方面，如果透气度过高，则在轴与轴承内周面之间形成的油膜的压力容易泄漏，保油性恶化而无法得到良好的润滑特性。因此，为了得到合适的润滑油的供给和油膜的压力，重要的是根据用途来调整烧结轴承的透气度。这可以根据烧结轴承的密度进行调整。在支承正反向旋转的轴且正向旋转和反向旋转的各驱动时间短的工作环境的用途中，按照密度为5.3～5.7mg/m3、透气度为70～200×10-11cm2的范围的方式调制烧结轴承为佳。对于烧结轴承的密度，可以通过改变投入到成型用空腔的原料粉末的填充量而调整压粉成型时的压缩率，从而调节到期望的值。
为了进一步提高在支承正反向旋转的轴且正向旋转和反向旋转的各驱动时间短的工作环境的用途中的润滑特性，优选按照使形成在轴承内周面的气孔相对于轴承内周面以面积率计为25～55％的方式调制烧结轴承。因此，可以利用作为原料使用的粉末的粒度分布调整、以及烧结后的最终压缩加工(定径、压印)，可以通过最终压缩加工来缩小在表面开口的气孔。
[铁系烧结含油轴承的气孔的大小和其量]
虽然与上述的密度和透气度也有关，但在铁系烧结含油轴承中，大气孔有助于润滑油的供给能力，但同时在保油性方面具有不利作用，难以维持良好的润滑特性。另一方面，分散于铁基体中的小气孔提高轴承内周面的含油能力，有助于提高在轴与轴承内周面形成的油膜的保油性。
从该观点考虑，在本发明的铁系烧结含油轴承中，优选调整用于供给润滑油的大气孔的量和分散于铁基体中的小气孔的量，取得润滑油的供给能力与保油性的平衡。关于这一点，在本发明中，根据当量圆直径(面积当量圆直径：heywood径)来评价气孔的大小。当量圆直径是转换为具有与测定面积相等面积的正圆时的正圆直径，可以基于通过光学显微镜观察到的图像，使用市售的图像分析软件来决定。具体地说，优选大气孔即当量圆直径大于或等于75μm的气孔相对于在轴承内周面露出的气孔整体的面积为大于或等于70％，剩余的气孔为小气孔即当量圆直径小于75μm的气孔。
在本发明的铁系烧结含油轴承中，铁系烧结含油轴承优选当量圆直径大于或等于75μm的气孔相对于气孔整体的面积占有大于或等于70％，当量圆直径大于或等于45μm且小于75μm的气孔相对于气孔总体的面积占有0.1～10％，剩余的气孔面积被当量圆直径小于45μm的气孔占据。
含浸于铁系烧结轴承的润滑油可以考虑用途和工作环境从各种润滑油中适当选择而使用，例如可以从矿物油、合成烃油、酯油等中组合使用一种或两种以上。通常，适合使用iso粘度等级为vg50～150的润滑油。
实施例
以下，通过实施例进行一步详细说明本发明。
(1)轴承的制作
为了制作铁系烧结轴承，准备下述粉末。
1.矿石还原铁粉(平均粒径：100μm)
2.铜箔粉(平均粒径：50μm)
3.天然石墨粉(平均粒径：60μm)
4.硬脂酸锌
向上述的铁粉末93.5质量份中添加铜粉5质量份、石墨粉1.5质量份，相对于将它们加在一起的100质量份的混合粉末，添加作为成型润滑剂的硬脂酸锌粉末0.6质量份进行混合，从而准备原料粉末。
将上述原料粉末投入到圆管形状的空腔中，压缩成型为具有圆筒形内周面的圆管状压粉体，对得到的压粉体进行烧结和定径，得到铁系烧结轴承。烧结是在分解氨气气氛中加热至1000℃来进行，定径是通过通常的方法，以在内周面不进行因塑性流动导致的封孔的程度进行。需要说明的是，为了制作密度在5.1～5.9mg/m3的范围内不同的相同尺寸的烧结轴承，基于将轴承的密度的中央值设为5.5mg/m3，有效多孔率的中央值设为29％的条件，设定成型时的加压动作，按照成为表1所示的密度的方式调整填充至空腔的原料粉末的量，制作试样编号1～4的烧结含油轴承。另外，对于试样编号6～14的烧结含油轴承试样，将轴承的密度固定为5.5mg/m3，在定径时改变在轴承内径的定径销的定径余量(当て代)来制作。对于各试样编号，制作多个测定用和试验用的烧结轴承试样。
然后，使润滑油(矿物油粘度等级isovg68)含浸于烧结轴承的气孔中，得到试样编号1～14的烧结含油轴承试样，作为试验用试样用于以下的试验。
(2)评价
对于各试样编号，测定定径前的烧结体的透气度，定径后沿轴方向将轴承分割，通过光学显微镜观察内周面，使用图像分析软件(innotech株式会社制quickgrainstandardvideo)，由内周面的图像求出气孔的面积率。进一步，对于图像中的各气孔，由各气孔的面积算出当量圆直径，基于算出的当量圆直径决定气孔的分布比例。
另外，将试验用的烧结含油轴承试样按照轴方向成为水平的方式安装于外壳。进一步，按照旋转轴为水平的方式设置马达，将经高频淬火的碳钢s45c制的轴安装在马达的旋转轴上。将该轴以留有间隙的方式插入安装于外壳的烧结含油轴承试样的内径中，在对外壳施加垂直方向的载荷的状态下使轴正反向旋转，进行轴承试验。在轴承试验中，将轴的转速设为3000rpm，负荷面压设为1mpa，进行20分钟的运转，测定运转结束后的摩擦系数。将试样编号1～4的烧结含油轴承试样的评价结果示于表1中，将试样编号5～14的烧结含油轴承试样的评价结果示于表2中。
[表1]
根据表1的试样编号1～4的烧结含油轴承试样的结果，试样编号2、3的烧结含油轴承试样均落在摩擦系数为0.11～0.12的低的范围内，防止了金属接触的发生。与此相对，试样编号1和4的烧结含油轴承试样均大于或等于0.16，认为发生了金属接触。也就是说，在试样编号2，3中，可以说润滑油的供给和油膜保持的平衡良好。因此，通过将密度设定为5.3～5.7mg/m3，将透气度设定为70～200×10-11cm2的范围，能够抑制金属接触的发生，降低摩擦系数。
[表2]
根据表2的试样编号5～8的烧结含油轴承试样的结果，试样编号6、7的烧结含油轴承试样均落在摩擦系数为0.12～0.13的低的范围内，防止了金属接触的发生，但试样编号5和8的烧结含油轴承试样均大于或等于0.17，认为发生了金属接触。这样，就气孔面积率处于25～55％范围的烧结轴承而言，润滑油的供给和油膜保持良好，能够适宜地抑制金接接触的发生，降低摩擦系数。
根据表2的试样编号9～10的烧结含油轴承试样的结果，试样编号10的烧结含油轴承试样的摩擦系数低至0.13，防止了金属接触的发生，但试样编号09的烧结含油轴承试样为0.17，认为发生了金属接触。这样，就在内周面的当量圆直径大于或等于75μm的大气孔以面积率计占全部气孔的大于或等于70％的烧结轴承而言，能够适宜地抑制金接接触的发生，降低摩擦系数。
根据表2的试样编号11～14的结果，试样编号12和13的烧结含油轴承试样的摩擦系数低至0.12～0.13，防止了金属接触的发生，但试样编号11和14的烧结含油轴承试样高至0.16，认为发生了金属接触。这样，就当量圆直径45～75μm的中等程度大小的气孔以面积率计占全部气孔的0.1～10％的烧结轴承而言，能够适宜地抑制金接接触的发生，降低摩擦系数。
产业上的可利用性
即使在支承正反向旋转的轴且以短时间的驱动进行反转那样的、在轴与含油轴承之间难以形成良好的油膜的用途中，也发挥良好的润滑特性，因此能够适用于复印机等的送纸辊、机头驱动马达等那样的在严酷工作环境下使用的轴承。