JP4409474B2 - 焼結含油軸受 - Google Patents

Description

この発明は、各種用途のモータ、電子機器や電源設備等の冷却に用いられる軸流ファンモータの軸受として好適な、温度が高い環境下でも低い摩擦係数が長期にわたり維持される焼結含油軸受に関する。

電子機器等の冷却に用いられる軸流ファンモータは、枠形のケーシングの中央部にモータが固定されており、そのロータに回転翼（ファン）を取り付けた構造を有する。モータの駆動回路に通電するとロータが回転し、ケーシングとモータの間隙に一定方向の空気流を発生させる。軸流ファンモータは電子機器等の外枠などに設置され、枠内に外気を導入または枠内の空気を排出して電子機器等を冷却する。特に枠内の空気を排出する用途では、軸流ファンモータの温度環境が８０〜１００℃程度になることがあり、また、運転時間が長いので、その温度環境で耐久性がよい軸受が求められる。

前記軸流ファンモータの軸受には焼結含油軸受を用いているものがある（例えば特許文献１）。この種のモーターの軸受は、青銅または鉄・青銅系の多孔質焼結合金からなり、その気孔内に炭化水素系の合成油あるいは炭化水素系合成油に増稠剤として金属石けんを混合した合成潤滑油を含浸したものである。しかし前記のような高い温度環境で長期間使用される場合、潤滑性が低下し、金属接触の増大、摩擦力の増大、軸受部の発熱に伴うオイルの劣化、酸化摩耗などが起こり易くなるという現象が認められていた。
特開平１０−１６４７９４号公報

ファンモータは長寿命であるとともに消費電力がより低いことが求められている。換言すると使用される軸受の長寿命化と低摩擦化が必要なことであり、高い温度環境下においても摩擦係数が低く長期的に安定するととともに、焼付きや摩耗が発生しないような焼結軸受の材質と、気孔に含浸される潤滑組成物との組み合わせを探索することが課題となっていた。

この発明は、軸流ファンモータに使用される軸受として好適な焼結含油軸受に関するもので、軸受材料の組成が鉄２０〜６０質量％、銅２６〜７４質量％、錫１〜８質量％および亜鉛２〜２０質量％で、前記組成のうち銅・錫・亜鉛系合金成分の組成が錫２〜１０質量％、亜鉛５〜２５質量％および銅残部であって、合金組織が鉄相と銅合金相とが斑に分散している多孔質焼結合金からなり、前記多孔質焼結合金からなる軸受の気孔内にポリ−α−オレフィンを基油とし、少なくともジエステル２〜１５質量％および極圧添加剤０.５〜３質量％を含有する潤滑油が含浸されていることを特徴とする。

このように、軸受を鉄相と亜鉛および錫を含む銅合金相との斑な金属組織である多孔質焼結合金に、少なくともジエステルおよび極圧添加剤を含有するポリ−α−オレフィンを基油の合成潤滑油を含浸した軸受材料と潤滑剤との組み合わせとした。これにより高い温度環境でも摩擦係数が低く、摩耗量が少ない軸受要素が提供することができ、特に、軸流ファンモータ用に好適なものであり、軸流ファンモータに使用すればモータの耐久性の向上、信頼性の向上に寄与することができる。

以下、本発明の好適な実施の形態を説明する。
１．軸受用焼結合金
多孔質焼結合金は、組織が鉄相と銅合金相との斑な金属組織をしており、鉄相と銅合金相とは面積比でおおよそ２０：８０〜６５：３５の割合が好適である。比較的硬く、耐摩耗性で、安価であるなどの特徴をもつ鉄相と、滑り特性、なじみ性、放熱性がよいなどの特徴をもつ銅合金とが適量に混合分散した合金組織により、摺動特性と耐久性に優れたものになる。
前記鉄相は鉄のフェライト組織が主で、鉄相の周囲は銅合金成分が僅かに拡散した合金相を含んでいる。
銅合金相は銅、錫、亜鉛からなる。銅合金相が銅錫合金（青銅）では高温環境下における摩擦熱により酸化して摩耗が起き易く、また硬さが高く回転軸とのなじみ面が形成され難いことより摩擦係数が比較的高くなる。一方、錫と亜鉛を含む銅合金にすると、亜鉛の添加によって高温における耐酸化性が青銅よりも良好になるとともに、銅合金部分の延性が高く、容易になじみ面が形成され摩擦係数が小さいものとなる。また、含浸される潤滑油中の添加剤に起因する腐食が起こり難くなり、銅錫合金よりも優れている。

焼結合金の組成は、前記の斑な金属組織の好ましい形態と整合しており、鉄が２０〜６０質量％、銅合金が８０〜４０質量％である。より好ましくは、鉄が４０質量％前後、銅合金が６０質量％前後である。
合金中の鉄の含有量が、２０質量％未満であると銅系焼結合金で作られた軸受の耐摩耗性と比べて向上の程度が少なく、６０質量％超えると回転軸とのなじみ性が低下し、摩擦係数が高くなるので２０〜６０質量％の範囲内とする。
銅合金相の錫は、合金基地の硬さを上げて耐摩耗性の向上を目的としている。銅・錫・亜鉛系合金成分中の錫含有量が２質量％未満では耐摩耗性が不足し、１０質量％を超える場合は銅合金基地が硬くなりすぎて相手軸を傷付け易く摩耗の原因になるので２〜１０質量％とする。亜鉛は、銅と合金化することにより銅合金摺動面の酸化を防止し摩耗を少なくする効果がある。亜鉛含有量が銅・錫・亜鉛系合金成分全体に対して５質量％未満であるとその効果が少なく、２５質量％を超えて添加しても酸化摩耗の低減が認められないことから５〜２５質量％の範囲内とする。

上記のように、鉄が２０〜６０質量％で、銅合金が８０〜４０質量％であって、前記銅合金部分の組成が銅・錫・亜鉛を１００％として錫２〜１０質量％、亜鉛５〜２５質量％、残部銅である合金は、全体組成に換算すると、鉄が２０〜６０質量％、銅２６〜７４質量％、錫１〜８質量％および亜鉛２〜２０質量％である。なお、多孔質焼結合金の有効多孔率は、従来の焼結含油軸受と同様に１０〜３５％程度の範囲内で、ファンモータの大きさや使用環境によって決定される。

多孔質焼結合金からなる軸受は、通常の焼結含油軸受の製造方法と同様に作ることができる。鉄粉、銅粉、錫粉、亜鉛粉、および成形潤滑剤を所定割合で混合し所定の形状に圧縮成形したのち焼結して焼結体とされる。前記の錫および亜鉛の添加のためには、青銅合金粉、黄銅合金粉を用いることもできる。
このような焼結体は、サイジングあるいはシェービング等の加工が施され、所定寸法に仕上げられるとともに、内周面を平滑にし、内周面に露出している気孔を適度に減少させる。表面の露出気孔は含浸された潤滑油を摺動面に供給する通路であるから、軸との金属接触を回避して安定した潤滑を得るために軸受摺動面の露出気孔の量は軸受摺動面積を１００％とした面積率で２％以上は必要である。軸受摺動面の露出気孔が多過ぎると、潤滑油が多量に供給できる反面、軸と摺動する摺動面積が少なくなって軸受摺動面の局所面圧が高くなり潤滑膜が壊れやすくなるため、４０％を超えないようにすることが望ましい。焼結合金を製造する際には、用いる原料粉末の粒度、成形密度、焼結体のサイジングの強さなどを調整して適正な露出気孔量に調整される。
また、軸受の内周には、潤滑油の飛散を防止するため、軸受摺動面に隣接して軸受端面に向かい拡径するテーパ面を設けたり、軸とのすき間を比較的大きくする段付き大径部を形成したりすることも好ましい実施態様である。端面近傍のテーパ面は回転軸との間でくさび状すき間を形成し、端面近傍の段付き大径部は、回転軸との間ですき間を形成し、これらは潤滑油のたまり場となってラビリンスシールを形成する。

２．含浸される潤滑油
温度が比較的高い環境下でも低い摩擦係数が長期にわたり維持されるような前記多孔質焼結合金からなる軸受との好適な組み合わせとなる潤滑油は、基油がポリ−α−オレフィンで、少なくとも油性剤としてジエステル２〜１５質量％と極圧添加剤０.５〜３質量％とを含有する合成潤滑油である。潤滑油は通常の方法により前記多孔質焼結合金の軸受に含浸される。

（１）基油
基油のポリ−α−オレフィン（ＰＡＯ）は焼結軸受用含浸油として必要な、潤滑性、低温特性が良好で、熱的、化学的にも安定であり、腐食性、毒性もなく鉱油に比較して好ましい。極性を持たない構造であるため、焼結合金との反応物形成に伴うスラッジの発生が少なく、各種添加剤の効果を出しやすい利点がある。ポリ−α−オレフィンとしては例えば炭素数６〜１４のα−オレフィンのオリゴマー、エチレン−プロピレン共重合体などのエチレン−α−オレフィン共重合体や１−デセンのオリゴマーを例示することができる。
また、基油の選択の指標としては動粘度が挙げられる。動粘度が低すぎると耐荷重性、耐蒸発性に劣ることがあり、動粘度が高すぎると摩擦係数が高くなる問題があるため、４０℃における動粘度が２０〜１００ｍｍ^２／ｓ（ｃＳｔ）の範囲にあるものが好ましい。

（２）潤滑油に含まれる油性剤
含浸用潤滑油は、油性剤としてジエステルを２〜１５質量％含有する。ジエステルとしてはジオクチルアジペート（ＤＯＡ）、ジオクチルアゼレート（ＤＯＺ）、ジオクチルセバケート（ＤＯＳ）等があるが、ジオクチルセバケート（ＤＯＳ）が潤滑性の面で特に好適である。
ジエステルの含有量は、２質量％未満では摩擦係数の低減効果および耐久性延長効果を得ることができない。一方、１５質量％を超えると、潤滑特性がポリ−α−オレフィンよりもジエステルの特性に近づき摩擦係数が低くなるものの、後述する極圧添加剤の効果が抑制されて摩擦係数および耐久性が向上しなくなる。これは、ジエステルの極性をもった分子が軸受摺動面に整列して吸着した（ミセルの形成）状態が緻密になり過ぎてしまい、摺動摩擦に対して極圧添加剤との相互作用が発揮されないためと考えられる。ジエステルを適度に添加することにより、軸受摺動面に極性をもった分子が適度に吸着し、その間に極圧添加剤が分散して吸着した分布になり、ジエステルと極圧添加剤とが協働して低い摩擦係数を呈する。

なお、油性剤として用いられる一般的なエステル油としては、モノエステル、ポリオールエステルがあるが、モノエステルは耐熱性、潤滑性の点で十分な特性は得られない。また、ポリオールエステルは摺動面の金属への吸着力が高く油性効果が高く摩擦係数を低下させるが、吸着力が高いことに起因してポリオールエステルが軸受摺動面へ優先的に吸着する。このため、極圧剤等の添加剤の効果が抑制され、一時的に摺動部への荷重負荷がかかり油膜が破断した際、摩耗が発生しやすくなるという問題があり、極圧添加剤と共存する場合は油性剤としてジエステルの方が優れている。

（３）極圧添加剤
含浸用潤滑油は、前記ジエステルの他に極圧添加剤を０.５〜３質量％を含有する。極圧添加剤は、摺動面に前記ジエステルの分子が吸着したミセルの間に分布し、ジエステルのもつ潤滑作用を補って潤滑膜を保持し、低摩擦係数を長期にわたり維持する効果がある。
極圧添加剤としては、硫黄系、りん系、有機金属系などを用いることができる。特に、ジチオリン酸亜鉛（Ｚｎ−ＤＴＰ）、トリクレジルホスファイト（ＴＣＰ）が耐摩耗性の点で優れている。含有量が０.５質量％未満では、前記ジエステルとの相互作用が発揮されない。また、含有量が３質量％を超えると、軸受摺動面にジエステルの分子が適度に吸着し、その間に極圧添加剤が分散して吸着した分布を形成するものの、過剰な極圧添加剤は低摩擦係数の発現に寄与することなく存在することになり、含有量に見合う効果が得られない。

（４）その他の添加剤
含浸用潤滑油は、前記ポリ−α−オレフィンを基油とし、ジエステルおよび極圧添加剤だけを含有するものでもよいが、通常の潤滑油の場合と同様に、その他の添加剤として、粘度指数向上剤、酸化防止剤、腐蝕防止剤などを添加することができる。
例えば、粘度指数向上剤としてはポリメタクリレート、ポリイソブチレン等があり、含有量は１〜３質量％程度である。
また、酸化防止剤としてはアミン系やフェノール系のものが適用できる。含有量は０.３〜１質量％程度である。なお、前記の極圧添加剤として挙げたジチオリン酸亜鉛（Ｚｎ−ＤＴＰ）は、酸化防止剤および腐蝕防止剤としても効果がある。

以下、実施例および比較例により本発明をさらに詳しく説明する。
１．試験−１
（１）軸受の作製
原料粉末は、還元鉄粉（ヘガネス社製、商品名ＮＣ１００−２４）、電解銅粉（福田金属箔粉工業（株）製、商品名ＣＥ−５６）、錫粉（日本アトマイズ加工（株）製、商品名Ｓｎ−３２５）、銅・３５％亜鉛合金粉（福田金属箔粉工業（株）製、商品名Ｂｒａ−Ａｔ−３５）の各金属粉末と、成形潤滑剤（ステアリン酸亜鉛粉）とを用意した。表１に示す各種組成になるように各金属粉を配合し、金属粉に対して０.５質量％の成形潤滑剤を追加して混合した。
次に、その混合粉末を円筒形の軸受形状に圧縮成形し、焼結およびサイジングを行った。焼結は水素ガスと窒素ガスの混合ガス中で焼結温度７８０℃で行い、通常の方法でサイジングを行った。軸受の密度は６.５Ｍｇ／ｍ^３、有効多孔率は約２０％である。軸受合金の断面顕微鏡組織は、鉄のフェライト組織粒子と銅合金粒子とが斑状に分散した金属組織中に気孔が分布している。表１に示すように焼結合金は２種類で、鉄の量が４０質量％一定で、銅合金組成が錫含有量５質量％のもの、ならびに、銅合金組成が錫含有量５質量％および亜鉛含有量１５質量％のものである。

これら組成が異なる軸受試料に潤滑油を通常の減圧含浸装置を用いて含浸した。
潤滑油は、ポリ−α−オレフィンを基油とし、油性剤としてジエステルであるジオクチルセバケート（ＤＯＳ）５質量％および極圧添加剤としてジチオリン酸亜鉛（Ｚｎ−ＤＴＰ）１質量％を含有する潤滑油、前記ジエステルに代えてモノエステル５質量％および極圧添加剤ジチオリン酸亜鉛（Ｚｎ−ＤＴＰ）１質量％を含有するもの、ならびに、ジエステルに代えてポリオールエステル（トリメチルプロパントレオレート）５質量％および極圧添加剤ジチオリン酸亜鉛（Ｚｎ−ＤＴＰ）１質量％を含有するものの３種類である。
各潤滑油の粘度グレードはＩＳＯ ＶＧ６８相当（４０℃における動粘度が６１.２〜７４.８ｍｍ^２／ｓ）である。

（２）軸受試験方法
試験方法は、モータで回転する軸の固定部に、試験用の軸を水平に固定し、軸受はハウジングに固定して軸と嵌合させ、ハウジングに垂直方向の荷重を与えた状態で軸を回転させて軸受ハウジングにかかる回転トルクを測定できる装置を用いて摩擦係数を測定した。また、試験後に軸受の摩耗量を測定して、各種合金組成の軸受と含浸した合成潤滑油との組み合わせの良否を比較した。
回転軸（シャフト）は熱処理されたマルテンサイト系ステンレス鋼ＳＵＳ４２０材で表面粗さが約０.３Ｓである。周囲温度は８０℃に保持され、軸の回転数を３０００ｒｐｍ、負荷面圧を０.１ＭＰａにして運転した。摩擦係数は、安定期になる前の摩擦係数が比較的高い運転初期段階で比較することとし、軸受の摩耗量は、試験前の軸受内径寸法と１０００時間運転した後の軸受内径寸法の差である。

（３）試験結果
結果を表１に示す。焼結合金組成に亜鉛を含有しない比較例１〜３は、総体的に摩擦係数が高く摩耗量も大きいが、亜鉛を含有する焼結合金では、摩擦係数が比較的低く摩耗量も小さい。特に、実施例１のように、潤滑油に添加されている油性剤がジエステルでは、他の試料と比べて摩擦係数が低く摩耗量も小さい。油性剤としてポリオールエステルを用いたものは、吸着性がよく滑り特性がよい物質とされており低い摩擦係数を示すが、摩耗量も比較的大きい。ポリオールエステルは、極性をもった分子が軸受摺動面に整列して吸着した状態が緻密で強いため、摺動摩擦に対して極圧添加剤との相互作用が発揮されないためと考えられる。また、焼結合金中の亜鉛は、摺動摩擦による酸化摩耗を生じ難くする効果があるものと考えられる。
このように、錫と亜鉛を含有する銅合金相と鉄相の斑組織からなる多孔質焼結合金とポリ−α−オレフィン基油にジエステルおよび極圧添加剤を含有する合成潤滑剤との組み合わせたものは相性が良好であることが分かる。

２．試験−２
次に、多孔質焼結合金に含浸する潤滑油を、ポリ−α−オレフィン基油にジエステルおよび極圧添加剤を含有する合成潤滑剤とし、鉄含有量、錫および亜鉛含有量の異なる各種組成の多孔質焼結合金との組み合わせについて、焼結合金組成の適正範囲を調べた。
（１）軸受の作製および軸受試験方法
前記と同じ原料粉を用いて、表２に示す各種組成になるように各金属粉を配合し、金属粉に対して０.５質量％の成形潤滑剤を追加して混合した。全体組成で鉄の含有量が２０質量％、４０質量％、６０質量％の３水準で、錫および亜鉛の含有量を変化させた各種組成である。粉末成形、焼結、サイジングおよび潤滑油の含浸は前記の場合と同様に行った。試験方法はやはり前記と同様で、運転初期の摩擦係数と１０００時間運転後の軸受摩耗量を測定した。

（２）試験結果
結果を表２に示す。なお、比較例１と実施例１は、表２に示した結果と同じである。また、実施例１と実施例２は亜鉛含有量の順番に表示しており、実施例２を実施例１の上欄に記載してある。
表２の比較例１から比較例７までの上から７つの試料は銅・錫・亜鉛系（銅合金）中における錫量を一定の５質量％とし、亜鉛含有量が異なる組成の焼結合金について比較したものである。銅・錫・亜鉛合金組成における亜鉛含有量が５質量％より少ないと摩擦係数および摩耗量とも大きく、また、亜鉛含有量が２５質量％より大きいと摩擦係数は低いが摩耗量が少し大きくなる傾向を示している。
また、比較例８から比較例９までの４つの試料は、銅・錫・亜鉛系（銅合金）中における亜鉛を１５質量％一定とし、錫含有量が異なる組成の焼結合金について比較したものである。銅・錫・亜鉛系（銅合金）中における錫含有量が３.３％より少なく１.６％になると、摩耗量が増え、また同様に錫含有量が１０％を超え１１.６％になると摩擦係数がやや高くまた摩耗量も増える。
この結果から、鉄相が４０質量％、銅合金相が６０質量％で、銅・錫・亜鉛系（銅合金）中の錫含有量が２〜１０質量％、亜鉛含有量が５〜２５質量％程度のとき、摩擦係数が低く、摩耗量も少ない結果になっている。

実施例７から実施例１２までの６つの試料は、鉄の含有量が２０質量％の場合で、前記比較例１から比較例７までと同様に錫の含有量を一定として亜鉛含有量の異なる焼結体（実施例７〜１０）、および亜鉛含有量を一定として錫含有量の異なる焼結体（実施例８、１１、１２）について比較したものである。
焼結合金の鉄の含有量が少ない（銅合金相が多い）ことにより前記の鉄の含有量が４０質量％のものに比べて摩擦係数および摩耗量が僅かに低くなっている。銅・錫・亜鉛系銅合金中の錫含有量が２.５〜７.５質量％、亜鉛含有量が５〜２５質量％の範囲内にある各実施例は摩擦係数、摩耗量ともに少ない結果になっている。

実施例１３から実施例１８までの６つの試料は、鉄の含有量が６０質量％（銅合金相が４０質量％）の場合である。前記の実施例等と同様に、錫の含有量を一定として亜鉛含有量の異なる焼結体（実施例１３〜１６）、および亜鉛含有量を一定として錫含有量の異なる焼結体（実施例１４、１７、１８）について比較したものである。焼結合金が鉄の含有量が比較的多い（銅合金相が比較的少ない）ことにより、摩擦係数および摩耗量が僅かに高めになっているが、良好な状況を示している。
これらの結果から、摩擦係数および耐摩耗性ともに良好な軸受の多孔質焼結合金は、鉄相が２０〜６０質量％、銅合金相が８０〜４０質量％の斑組織であり、前記銅合金相の組成が銅合金を１００として錫が２〜１０質量％、亜鉛が５〜２５質量％である。これは全体組成で鉄が２０〜６０質量％、銅が２６〜７４質量％、錫１〜８質量％、亜鉛２〜２０質量％に相当する。また、この合金の気孔内に基油がポリ−α−オレフィンでジエステルおよび極圧添加剤を含有する合成潤滑剤を含浸した軸受が摩擦係数が低く摩耗量の少ないものであることが分かる。

３．試験−３
次に、含浸した潤滑油のジエステル含有量および極圧添加剤の含有量と、摩擦係数および摩耗量との関係を調べた。
（１）軸受の作製と軸受試験方法
多孔質焼結合金は、前記実施例１と同じで、全体組成が鉄４０質量％、銅４８質量％、錫３質量％、および亜鉛９質量％であり、粉末成形、焼結、サイジングおよび潤滑油の含浸などの製法も同じである。また、軸受試験方法も前記の試験方法と同じである。なお、潤滑油に含まれるジエステルはジオクチルセバケート（ＤＯＳ）、極圧添加剤はジチオリン酸亜鉛（Ｚｎ−ＤＴＰ）である。

（２）試験結果
結果を表３に示す。実施例１９と比較例１０を比較すると、ジエステル含有量が２質量％より少ないと摩擦係数および摩耗量が増加する。添加による効果が不足しているものと考えられる。また、実施例２０と比較例１１を対比すると分かるように、ジエステルの含有量が１５質量％を超えると、摩耗量が大きくなる。これは、ジエステルの量が摺動面に対して多すぎて、極圧添加剤の効果が発揮されないためと考えられる。比較例１２は極圧添加剤を加えない場合であり、ジエステルだけでは潤滑が不充分であることを示している。実施例２１は極圧添加剤の含有量が異なるものを比較しており、極圧添加剤の含有量が０.５質量％で摩耗量の減少に効果が認められる。実施例２２の極圧添加剤の含有量が３質量％では摩擦係数および摩耗量が、実施例１の１質量％のものと同等であり、多量添加しても効果が伴わないことを示している。
これらのことから、ジエステルと極圧添加剤の共存が潤滑性を良好にしているということができ、ジエステルの含有量が２〜１５質量％で極圧添加剤の含有量が０.５〜３質量％の潤滑油が良好である。

本願発明の焼結含油軸受は、高い温度環境でも摩擦係数が低く、摩耗量が少ない軸受要素を提供することができ、特に、軸流ファンモータ用に好適なものであり、軸流ファンモータに使用すればモータの耐久性の向上、信頼性の向上に寄与することができる。

Claims (3)

1. 軸受材料の全体組成が鉄２０〜６０質量％、銅２６〜７４質量％、錫１〜８質量％および亜鉛２〜２０質量％で、前記組成のうち銅・錫・亜鉛系合金成分の組成が錫２〜１０質量％、亜鉛５〜２５質量％および銅残部であって、合金組織が鉄相と銅合金相とが斑に分散している多孔質焼結合金からなり、
   前記多孔質焼結合金からなる軸受の気孔内にポリ−α−オレフィンを基油とし、ジエステル２〜１５質量％および極圧添加剤０.５〜３質量％を含有し、残部が前記基油である潤滑油が含浸されていることを特徴とする焼結含油軸受。
2. 前記潤滑油が、さらに、粘度指数向上剤１〜３質量％、酸化防止剤０.３〜１質量％の少なくとも１種を含有することを特徴とする請求項１に記載の焼結含油軸受。
3. 前記軸受の用途が軸流ファンモータ用軸受であることを特徴とする請求項１または２に記載の焼結含油軸受。