含油烧结滑动轴承 【技术领域】
本发明涉及一种适用于建筑机械用的轴承元件那样的轴承的滑动面受高表面压力作用的含油烧结滑动轴承。
背景技术
建筑机械的液压挖掘机在挖掘动作中安装在臂顶端的铲斗会在液压缸的作用下摆动。铲斗与臂之间的关节用由轴和轴承构成的滑动轴承元件构成。这样的轴承元件由于受到大的表面压力地作用，因此使用耐磨损性的轴承，使粘度高的润滑油、油脂或蜡状物等附在滑动面上。
作为这种轴承，用浸渍了动粘度高的润滑油的铁铜碳系烧结合金替代切削加工的铸造合金或将石墨呈斑点状埋入滑动面上的元件。为了提高强度和耐磨性，这些含油烧结轴承用含马氏体组织的铁碳合金作为合金基础，在其组织中分散约20％的质量的铜的材料而制成。
轴承由于实施热处理比较硬、体积比较大，因此最后的加工为在切削加工后，研磨内周面而制作。
这样以往的含油烧结滑动轴承含润滑油，由在淬火后的铁合金基体上分散了铜的合金制成，虽然适于在高负载条件下使用，但由于要进行切削和研磨加工，因此希望具有能够简化这样的工序但又具有相同的性能的轴承。
【发明内容】
因此，观察以往的含油烧结滑动轴承使用后的磨损状态，研究以轴承内周面的气孔状态和磨损状态为着眼点进行的实验的结果，完成了本发明。
为了达到上述目的，本发明的含油烧结滑动轴承的特征为，由淬火组织的多孔铁系烧结合金加工而成，通过切削加工内周面在轴线方向并列形成多条沿圆周方向延伸的高低差为2～12.5μm的凹凸条，形成沿轴线方向弯曲的面，同时使从内周面的表层开始深度为10～60μm的部分密度增加，封闭表面的气孔，使开口于表面的气孔的面积占1％～10％，在表面压力为6kgf/mm2(58.8MPa)以上、滑动速度为2～5cm/s的条件下使用。
该烧结合金最好在铁碳系合金的基体中包含马氏体，并且分散有铜，铜的含有量为15％～25％的质量，有效多孔率为15％～28％。
并且，由于轴承的内周面承受径向载荷并与轴滑动产生的初始磨损，本发明的含油烧结滑动轴承的承受径向载荷的轴承内周面及其附近的内周面的露出气孔量比其他的内周面的露出气孔量多。
本发明的含油烧结滑动轴承可以作为建筑机械液压挖掘机的关节用或者起重机的支臂关节用。
下面就上述轴承的构成要素进行更详细的说明。
(1)烧结合金
本发明的含油烧结滑动轴承由于要求机械强度和耐磨性，因此由包含马氏体组织的铁系烧结多孔合金形成。
特别是最好在碳系合金基体中分散有斑点状铜的合金。铜的含有量为15％～25％的质量。该多孔合金由于在硬的铁系合金基体的骨架中分散有质地软、与轴的一致性好的铜，因此构成合金的元素少，耐用性好。如果滑动面上存在的铜过少，则硬的铁合金的性质强，容易磨损轴，而如果铜过多，则由于高的表面压力的滑动作用，铜变形或者堵塞表面的气孔，容易产生磨损。因此，使铜的含有量为15％～25％的质量。
(2)有效多孔率和密度
多孔铁系烧结合金虽然有效多孔率越大，含油能力越高，但由于密度变低，因此强度低下，影响耐磨性。
烧结合金的有效多孔率必须在15％以上。如果该值过低，含油量就变少，因此容易引起滑动面缺油而缩短寿命。
烧结合金的密度要在5.8g/cm3(Mg/m3)以上。此时，在上述较理想的烧结合金的铜含有量的最大值为25％的质量的情况下，密度5.8g/cm3(Mg/m3)的值相当于有效多孔率为28％。因此，使有效多孔率为15％～28％。
(3)轴承内周面的状态
轴承的内周面为用车床等形成的切削面。
在该内周表面沿轴线方向并列有通过多条切削加工形成的沿圆周方向延伸的凹凸条，如果假设从与轴垂直的方向看去，为形成沿轴线方向弯曲的面的状态。例如，如果用车床实施切削加工，则凹凸条为沿轴线方向的螺旋状。该凹凸条的高低差为2～12.5μm，轴方向的凹条的间隔约为0.3～0.8mm左右。
这样的表面是与以往的面粗糙度为0.5～1μm，在磨削成不沿轴线方向弯曲的状态的表面，或精压加工或切削加工的表面上形成轴方向的沟槽间隔约为1mm以上的油槽的轴承的不同点之一。
并且，内周面的表层部在深度方向10～60μm的部分密度增加(气孔减少)，表面上露出的气孔的面积占1％～10％。即，表层部的气孔量比轴承材料的中心部少，其深度为10～60μm。换言之，由于切削加工，气孔量减少的内周面的表层深度为10～60μm。
该表面观察到的气孔由晶粒边界那样的细曲线状的气孔和与之相连通的小气孔构成。这些特征也是与以往的磨削面不同点之一。
这样的切削面可以通过预先决定轴承材料的密度，选择刀头的形状和送进速度等切削条件来稳定地获得。
一般切削加工热处理过的轴承材料形成上述那样的表面状态。当想要形成比较深的表层部的密化层时，切削加工热处理前的质地比较软的烧结体比较有利。
这样的轴承内周面能够将润滑油或油脂等存储在凹条部内，给滑动面提供润滑剂。
当与轴结合使用时，由于初期阶段露出到轴承内周的表面上的气孔较少，因此对滑动部的润滑剂的压力(油膜强度)高。并且，由于轴承内周面受高的表面压力的径向载荷的作用，轴承内周面的载荷作用的部位初期磨损。由于轴与轴承相对摇动运动，因此初期磨损的部分主要为表面压力作用的部位，而其他的部分维持在凸条面有少量磨损、气孔量少的状态。
该初期磨损如下这样地进行。
最初磨损径向载荷高的凸条部分，接着磨损凹条部分。合金的基体由于比较硬，因此是基本没有塑性流动的磨损。因此，除表层的密化部分以外，磨损的面上露出很多气孔。
在这种状态下，轴承的温度上升，受热膨胀差的作用从该气孔中提供更多的润滑剂变得容易。由于磨损面的末端与凹条连接，因此位于凹条内的润滑油或油脂等在滑动时提供给轴向载荷高的部分。
这样的初期磨损的终点为形成了轴向载荷与轴承气孔内的润滑剂的升力达到了完全平衡的开口孔面积时。由初期磨损形成了理想的滑动面的润滑形态。径向载荷作用面附近的初期磨损的部分与此外的与内周面的边界区域呈现凹凸条逐渐增加、气孔量减少的外观。
气孔的露出使浸渍的润滑剂处于容易供给的状态，使初期磨损结束后的摩擦降低。而在载荷少的轴承内周部分依然维持在润滑剂的压力不损失的状态，同时残留在凹条中的润滑剂提供给高负荷的面，其结果起到了维持总体稳定的滑动性能的效果。
这样，轴承的内周面具有许多存储有润滑剂的凹条，并且处于由于孔被封闭气孔量变少的状态，其凹凸条的高低差及表面细密化被封孔的状态，这样的内周面在开始运转的早期形成轴向载荷与轴承气孔内的润滑剂的升力达到了完全平衡的开口孔面积。其初期磨损量的最大值为作为轴承要素所允许的尺寸。这可以通过使预定的合金的性质、有效多孔率、内周面的气孔量、凹凸条的状态、表面细密化层的状态处于特定条件来实现。
首先，在未使用的轴承的表面完全没有露出开口的气孔的状态下，由于在运转初期不能获得浸渍的润滑油的效果，因此开口的气孔量最好占1％～10％的面积，占1％～3％的面积更好。虽然露出开口的气孔量与轴承烧结合金的气孔率的差大点更好，但如果超过10％的面积，则滑动面的压力损失大，不能达到上述初期磨损的形态，磨损增大。10％的面积与切削加工分散了铜的较理想的铁系烧结合金的容许的最低密度5.8g/cm3(Mg/m3)的构件相对应。因此使内周表面开口的气孔量占1％～10％的面积。
凹凸条的高低差在5μm左右对保持润滑剂和切削加工性都有利。如果高低差太小，则润滑剂的保持性差，因此需要在平均2μm以上。而如果高低差过大，则虽然润滑剂的保持性好，但对普通的切削加工的切削量和送进速度来说，切削加工的凹凸条的高低差最大为12.5μm左右。因此如果高度差比这个值大，切削加工工序多，所以使其在12.5μm以下。
凹凸条的表层部即密化层在切削时被刀具挤压，因此气孔量变少，用显微镜观察轴承断面的抛光研磨面，密化层的深度用存在平均大小的气孔的位置到表面的气孔量少的部分，即开口面积为1％～10％的部分的深度来表示。该密化层最好在10～40μm左右。如果密化层过厚，则通过初期磨损消除细密化层消耗的时间长，初期磨损的升温时间变长，到初期磨损终了时磨损量大。但是，由于本发明的轴承的用途中使用直径比较大的轴，因此初期磨损量比较大也是容许的。并且，从实态来看，使切削加工分散了铜相的较理想的烧结合金的热处理体时形成的密化层的最大深度为60μm。并且，如果通过切削加工形成比此深的密化层，则容易在表面附近产生撕裂金属粒子产生的裂缝，存在由于剥离损耗产生的异常磨损的可能，不理想。
(4)浸渍润滑剂
作为浸渍油可以使用适用于这种高表面压力的滑动轴承的品质的物质。例如，使用40℃时动粘度为220～1000cSt(10-6m2/s)左右的物质或蜡状的半固体润滑剂。浸渍的润滑剂因滑动而温度上升，因此而从基体材料的金属膨胀，提供给滑动面。
使用轴承时将油脂等注入轴承用元件中。
这样获得的含油烧结滑动轴承在表面压力6kgf/mm2(58.8MPa)以上、滑动速度2～5cm/s的条件下使用。并且，特别适用于建筑机械的液压挖掘机的关节或起重机的支持臂关节。
发明效果
如上所述，本发明的适用于高表面压力的含油烧结滑动轴承由于通过使用时形成适合于高表面压力的滑动的滑动面，能够长时间维持摩擦小的状态，因此能够延长例如建筑机械等的维修计划的间隔，能够提高轴承的质量和降低维修成本，并且具有通过省去包含内周面研磨工序，能够缩短制造工序的效果。
【具体实施方式】
<实施例>
下面用理想实施例和比较例说明本发明的实施形态。
(1)烧结轴承材料的制作
将81.2公斤吹制硅铁粉(ATOMEL 300M，神户制钢所制)、18公斤电解铜粉(CE15，福田金属箔粉工业制)、0.8公斤石墨粉(CPB，日本石墨工业制)以及0.5公斤作为成型润滑剂的硬脂酸锌混合，压缩成型为圆筒状。在温度为1120℃的还原气体中烧结该成型体。铁合金基体的结合碳含量为0.6％。并且，烧结体的密度为6.2g/cm3(Mg/m3)，有效多孔率为21％。
断面显微镜组织在铁合金基体间分散有铜相，分散有大小以约30～50μm为中心的气孔。
烧结体在加热到温度850℃以后进行油淬火，在温度180℃下退火。获得的烧结轴承材料为包含马氏体组织的材料。
(2)切削加工
热处理后的烧结轴承材料用车床、采用超硬合金制刀具切削加工其内外周面及端面。烧结轴承材料旋转1周时刀具沿轴线方向往复送进的速度为0.5mm。
并且，作为比较例，用磨床研磨加工上述切削品，使轴承材料与砂轮一起旋转磨削内周面。
轴承试料的内径尺寸为，直径50mm、全长50mm。
切断这些加工条件不同的轴承试件，观察内周面的露出气孔量及包含内周面的断面的显微镜组织。并且，用探针式表面粗糙度计测量内周面的轴向表面粗糙度及弯曲状态。
在用显微镜观察下，可以看到本发明的轴承试件的内周面为平滑的金属表面，有好象是金属粒子的边界的曲线状的微小气孔，以及比微小气孔宽的小气孔。这些气孔的量约为内周面面积的2％。金属部分的表面粗糙度为0.5μm左右，轴方向为0.5mm节距的弯曲面，弯曲的凹凸的高低差为4～6μm。并且，轴承断面的抛光面的显微镜组织为加工面的下层大的气孔量减少，表面下约40μm左右没有看到大于50μm的气孔，开口的气孔量的面积占10％以下。
研磨面的比较用轴承试件的内周面有细细的研磨伤，平的金属面的面粗糙度为0.5～1μm。内周面露出的气孔量的面积占1％。并且，断面显微镜组织为，表面附近到宽度大于50μm的气孔的表面的金属厚度平均约为20μm。
(3)润滑油的浸渍
在轴承试件上真空浸渍相当于ISO VG460(在40℃的温度下动粘度为460cSt(10-6m2/s))的润滑油。
(4)轴承试验
将轴承试件固定在机架上，在淬火并研磨过的轴上涂敷油脂，再与轴承试件的内周嵌合。给轴施加径向载荷，使表面压力为8kgf/mm2(78.4MPa)。使轴在100°的角度范围内以每分钟1.2m的滑动速度摇动旋转。在每次摆动的末端停止0.5秒。
评价方法为，在轴承试件的外周面安装热电偶，测定轴承运转过程中的温度，以温度到达150℃时为终点。根据经验，150℃为引起烧蚀磨损的温度。
(5)轴承温度的测定结果
这样试验测定的温度表示在表1中。
表1运转时间0小时1小时3小时5小时10小时20小时30小时本发明试件25℃80℃95℃90℃85℃76℃75℃比较试件25℃103℃92℃86℃83℃82℃82℃
如表1所示，本发明的含油烧结滑动轴承在运转的初始阶段温度上升比较缓慢，在经过这一状态以后温度下降，变成温度稳定的状态，直到30小时以维持几乎相同的温度。
内周面由研磨面构成的比较例温度上升比前者剧烈，到达高温的时间短，在与前者相同的温度下处于稳定期并维持。
但两者的温度都未达到150℃。
(6)结果讨论
从观察到的轴承内周面的状态来看，运转温度的这样变化可以认为是以下原因。
本发明的含油烧结滑动轴承在运转的初始阶段由于径向载荷作用面上润滑油不足，产生初始磨损使温度上升，但凹条内的润滑油提供给磨损面，因此其温度上升比较缓慢。形成轴向载荷与轴承气孔内的润滑油的升力达到了完全平衡的开口孔面积需要时间，因此温度高的状态变长。在形成了载荷与润滑的平衡适当的开口孔面积时，初期磨损结束。由于温度降低，在质地比较硬的淬火组织的铁碳系合金基体和质地比较软的铜粒子构成的耐磨性和最合适的气孔量及凹条的润滑油的供给产生的润滑辅助作用下，停止产生磨损，滑动特性稳定。
在比较试件的情况下，在运转的初始阶段由于径向载荷作用面上润滑油不足，产生初始磨损，使温度上升比本发明的试件还快。然后，由于适度的磨损，形成轴向载荷与轴承气孔内的润滑剂的升力达到了完全平衡的开口孔面积，由于初期磨损形成了理想的润滑形态，在初期磨损后不产生磨损，温度降低，滑动特性稳定。
如上所述，本发明的含油烧结滑动轴承由于初始磨损阶段的温度上升比较缓慢，其时间也比较长，在进入稳定期以后具有与以往的研磨面的含油烧结滑动轴承相同的性能，具有延长与稳定的初始磨损阶段的时间相等的时间长度的寿命的效果。并且，由于没有研磨工序，因此具有能够低成本制作的优点。并且，与研磨品一样，能够利用实际使用中产生的初始磨损生产具有高耐磨性的含油烧结滑动轴承。