CN103031499B - 铁基烧结滑动部件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供在降低Cu的使用量、降低制备成本的同时，分散有对基质的粘着性高的硫化物的铁基烧结滑动部件及其制备方法。整体组成以质量比计包含Cu：0.1~10%、C：0.2~2.0%、Mn：0.03~0.9%、S：0.52~6.54%、余量：Fe和不可避免的杂质，将整体组成中的S的质量%计为[S%]，将Mn的质量%计为[Mn%]时，满足下列数学式1，与此同时，在以截面面积率计50%以上为马氏体组织的基质中，显示为气孔和硫化物粒子分散的金相，硫化物粒子相对于基质以3~30体积%的比例分散。数学式1。

Description

铁基烧结滑动部件及其制备方法

技术领域

本发明涉及采用粉末冶金法的铁基烧结滑动部件及其制备方法，特别是涉及在高接触压力下显示出优异的耐磨损性和滑动特性的铁基烧结滑动部件及其制备方法。

背景技术

例如车辆、机床、工业机械等的驱动部位或滑动部位之类高的接触压力作用于滑动面的滑动部件中使用对碳钢进行切削加工，经淬火、回火而成的材料，或烧结合金制材料。特别是由于烧结合金可通过浸渍润滑油而赋予自身润滑性，所以可得到良好的耐烧结性和耐磨损性，因而得到广泛使用。作为此类烧结合金制滑动部件，例如日本特开平11-117940号公报中公开了将包含10~30%重量的Cu、余量为Fe的铁类烧结合金层设置于滑动面的轴承。

另外，日本特开2009-155696号公报中公开了以下滑动部件用铁基烧结合金：整体组成以质量比计包含C：0.6~1.2%、Cu：3.5~9.0%、Mn：0.6~2.2%、S：0.4~1.3%、余量：Fe和不可避免的杂质，其合金组织为，在马氏体基质中，分散有游离的Cu相或游离的Cu-Fe合金相的至少一方，与此同时分散有1.0~3.5质量%的MnS相。

但是，近年来由于铜合金的价格高涨，所以在如日本特开平11-117940号公报之类使用10~30%重量的Cu的技术下制备成本提高，不实用。另外，由于熔点低的Cu在烧结时形成液相，所以若Cu含量多，则还存在烧结前后的尺寸变化量增大的缺点。因此，为满足所要求的精度而需要进行机械加工，制备成本进一步提高。

若使烧结合金中含有Cu，则基质中分散有软质的Cu相或Cu合金相，由此可在缓和对配对部件的攻击性的同时，变得可适度变形，因而与配对部件的配合性提高。因此，若Cu的含量少，则在耐磨损性降低的同时，对配对部件的攻击性提高，此外若润滑油不足，则产生出现蜂鸣声(鳴き音)等的问题。

在这一点上，日本特开2009-155696号公报通过分散1.0~3.5质量%的MnS相来回避因Cu含量降低造成的耐磨损性低下和配对物攻击性增加。但是，MnS相由于通过在原料粉末中添加MnS粉末而生成，所以对基质的粘着性低，滑动时有脱落之虞。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供在降低Cu的使用量，降低制备成本的同时，分散有对基质的粘着性高的硫化物的铁基烧结滑动部件及其制备方法。

本发明的铁基烧结滑动部件的特征在于，整体组成以质量比计包含Cu：0.1~10%、C：0.2~2.0%、Mn：0.03~0.9%、S：0.52~6.54%、余量：Fe和不可避免的杂质，将整体组成中的S的质量%计为[S%]，将Mn的质量%计为[Mn%]时，满足下列数学式1，与此同时，在以截面面积率计50%以上为马氏体组织的基质中，显示为气孔和硫化物粒子分散的金相，硫化物粒子相对于基质以3~30体积%的比例分散，

数学式1

。

另外，本发明的铁基烧结滑动部件制备方法的特征在于，准备铁粉末、铜粉末、石墨粉末、以及硫化铁粉末和硫化铜粉末中的至少1种硫化物粉末，所述铁粉末的组成如下：以质量比计含有0.03~1.0%的Mn、余量为Fe和不可避免的杂质，在铁粉末中添加并混合铜粉末、石墨粉末和硫化物粉末，使得以质量比计达到Cu：0.1~10%、C：0.2~2.0%、Mn：0.03~0.9%、S：0.52~6.54%、余量：Fe和不可避免的杂质，来制备原料粉末，将原料粉末成形为规定的形状，将得到的成形体于1000~1200℃的范围烧结，然后淬火、回火。

以下，针对本发明的铁基烧结滑动部件及其制备方法，对数值限定的依据与本发明的作用一同进行说明。本发明的铁基烧结滑动部件以Fe为主要成分。金相包含分散有硫化物粒子的铁基质(铁合金基质)和气孔。铁基质由铁粉末和/或铁合金粉末形成。这样，气孔因粉末冶金法而产生，对原料粉末进行粉压成形时的粉末间的空隙残留于因原料粉末的结合而形成的铁基质中。

通常，铁粉末中因制法而含有0.03~1.0质量%左右不可避免的杂质Mn，因此铁基质中含有微量不可避免的杂质Mn。这样，通过提供S，可作为固体润滑剂在基质中析出硫化锰等硫化物粒子。在这里，硫化锰由于在基质中细微的析出，所以对改善切削性有效，但在对滑动特性做出贡献方面由于过于微小，所以滑动特性改善效果小。因此，在本发明中，不仅是与基质中含有的微量Mn反应的份的S量，进一步给予S，使这一部分S与作为主要成分的Fe结合形成硫化铁。

通常，与S之间电负性的差大者，硫化物的形成容易程度高。电负性值(Pauling's electronegativity)为S：2.58，由于Mn：1.55、Cr：1.66、Fe：1.83、Cu：1.90、Ni：1.91、Mo：2.16，所以硫化物按照Mn＞Cr＞Fe＞Cu＞Ni＞Mo的顺序容易形成。因此，若S的添加量超过与铁粉末中含有的全部Mn结合生成MnS的S量，则除与微量的Mn反应以外，还与作为主要成分的Fe发生反应，不仅硫化锰，硫化铁也析出。因此，基质中析出的硫化物以由作为主要成分的Fe生成的硫化铁为主，部分为由作为不可避免的杂质的Mn生成的硫化锰。

硫化铁作为固体润滑剂，为适合提高滑动特性的大小的硫化物粒子，由于与作为基质主要成分的Fe结合而形成，所以可均匀析出分散于基质中。需说明的是，在本发明中，由于形成以硫化铁为主体的硫化物，所以作为铁基质的强化元素不使用电负性值大于Fe的Cr。

如上所述，在本发明中，与基质中含有的Mn结合的S量，以及进一步提供S，与作为基质主要成分的Fe结合析出硫化物。但是，若析出分散于基质中的硫化物粒子的量低于3体积%，则无法得到充分的润滑作用，滑动特性降低。另一方面，若硫化物粒子的量超过30体积%，则使得硫化物相对于基质的量过多，铁基烧结滑动部件的强度降低。因此，基质中的硫化物粒子的量相对于基质设为3~30体积%。

为得到该量的硫化物，将整体组成中的Mn的质量%计为[Mn%]时，有必要将整体组成中的S的质量%[S%]设为下列数学式2。在数学式2中，0.6×[Mn%]为用于与作为不可避免的杂质所含有的微量Mn反应形成硫化锰所必需的S量。另外，右边第2项的0.5~0.6表示追加的S量(质量%)，若追加的S量低于0.5质量%，则无法得到所希望的量的硫化物粒子，若超过6.0质量%，则硫化物粒子析出过多。

数学式2

硫化锰在铁基质中细微的析出，对于改善切削性有效，但对滑动特性的效果不足。另外，若整体组成中的Mn量多，则如上述数学式2所示S量需要较多的量。S由于与Fe之间形成低共熔液相，所以若所添加的S量过多，则烧结时发生失型。因此，从滑动特性和烧结性的观点出发优选Mn量少，具体而言，设为0.9质量%以下。例如市售有为提高铁粉的压缩性而将铁粉中的Mn量减少至0.1质量%以下的高压缩性铁粉，若使用这样的铁粉，则可将[Mn%]抑制在0.1以下，故更优选。

S可以作为金属硫化物的硫化铁粉末、硫化铜粉末、硫化镍粉末、二硫化钼粉末等形态给予，使用这些硫化物粉末中的至少1种。当以金属硫化物粉末等的形态加入Fe原料粉末中时，金属硫化物粉末在烧结时通过分解供给S，S与金属硫化物粉末周围的Fe结合生成FeS。以硫化铁粉末的形态给予的FeS或通过金属硫化物的分解而生成的FeS与作为主成分的Fe之间形成低共熔液相，形成液相烧结，促进粉末粒子间的颈部(neck)的生长。另外，由于S由此低共熔液相均匀扩散于铁基质中，所以可使硫化物粒子从基质中均匀析出分散。

通过上述金属硫化物粉末的分解生成Cu、Ni、Mo等，由上述电负性的值可知，它们与Fe相比难以形成金属硫化物，所以大部分扩散固溶于铁基质中，有助于铁基质的强化。但是，一部分也存在作为Cu或Mo的金属硫化物析出的情况，但其量为极微量，为不会产生问题的程度。

这样，由于使基质中的Mn或Fe与S结合而析出，所以硫化锰和硫化铁等硫化物从基质中析出，均匀分散。因此，硫化物牢固粘着于基质上，在滑动时并不容易脱落。因此，长期发挥优异的滑动特性。另外，硫化物由铁基质中析出而生成，所以并不抑制烧结时的原料粉末之间的扩散。

另外，如上所述，在形成液相烧结的同时，原料粉末之间的扩散良好进行，所以铁基质的强度提高，铁基质的耐磨损性提高。因此，就本发明的铁基烧结滑动部件而言，不仅是气孔中和粉末界面，牢固粘着于基质上的固体润滑剂也均匀分散于基质中，使得滑动特性和基质强度得到改善，耐磨损性提高。

需说明的是，基质中析出的硫化物在与配对部件的滑动中发挥固体润滑作用，所以与细微的物质相比，优选为规定的大小。从此观点出发，优选最大粒径为10μm以上的硫化物粒子占硫化物粒子整体的60%以上。若硫化物粒子的最大粒径低于10μm，则变得难以充分得到固体润滑作用。另外，最大粒径为10μm以上的硫化物粒子低于硫化物粒子整体的60%，也变得难以得到充分的固体润滑作用。

上述分散有硫化物的基质以截面面积率计50%以上由马氏体组织形成。马氏体为硬且强度高的组织，通过由此类马氏体构成基质组织的一多半，即使在高的接触压力起作用的滑动条件下，也可防止基质的塑性变形，发挥良好的滑动特性。虽然优选将基质组织全部制成马氏体，但若以截面面积率计将50%以上制成马氏体，则即使在例如在施加20MPa以上的高接触压力的滑动条件下也可得到良好的滑动特性。剩余的基质形成索氏体、屈氏体、贝氏体等金相。

在本发明的铁基烧结滑动部件中，为强化铁基质，使Cu和C固溶于铁基质中作为铁合金使用。以下针对添加元素叙述其作用。

Cu固溶于铁基质中，有助于铁基质的强化。为强化该基质，Cu量需要为0.1质量%以上。另外，若将Cu量设为3.5质量%以上，则过饱和的Cu作为软质的Cu相析出分散于基质中，所以可缓和对配对部件的攻击性。另外，由于在Fe基质中析出的Cu，在周围的Fe与Cu之间形成作为硫化物析出起点的界面。因此，由于含有Cu，使得硫化物更易析出分散于基质中，硫化物并未形成存在于气孔中的形态，而是形成牢固密合分散于基质中的形态。但是，若Cu量变得过多，则强度低的Cu相大量分散，所以铁基烧结滑动部件的强度降低，另外使得烧结时形成的液相量过多，铁基烧结滑动部件的变形变得显著。因此，将Cu量的上限设为10质量%。

上述Cu若以固溶于Fe中的铁合金粉末的形态给予，则原料粉末变硬，损害压缩性。因此，Cu以铜粉末或硫化铜粉末的形态给予。铜粉末或硫化铜粉末在烧结时形成Cu液相，润湿覆盖铁粉末，在铁粉末中扩散。因此，即使以铜粉末或硫化铜粉末的形态给予Cu，仍为在铁基质中的扩散速度快的元素，Cu在铁基质中以某种程度均匀扩散。

需说明的是，当基质组织中分散有铜相时，存在其一部分形成铜硫化物的情况。当这样的铜硫化物分散于基质中时，尽管铜硫化物分散的份，成为铁硫化物量减少的份，由于铜硫化物也具有润滑作用，所以没有问题。

C在固溶于铁基质中强化铁基质的同时，为将基质组织制成马氏体组织而使用。若C量不足，则基质组织中分散有强度低的铁素体，强度和耐磨损性降低。因此，将C量设为0.2质量%以上。另一方面，若添加量变得过多，则脆的渗碳体呈网状析出。因此，将C量的上限设为2.0质量%。上述C若以固溶于Fe中的铁合金粉末的形态给予，则原料粉末变硬，损害压缩性。因此，C以石墨粉末的形态给予。

在本发明的铁基烧结滑动部件中，为强化基质也可进一步添加Ni、Mo等合金化元素。即，根据上述电负性的关系，由于即使含有Ni、Mo等，也优先析出Mn或Fe的硫化物，所以使得基质中析出的硫化物以硫化铁为主，部分为微量的硫化锰，Ni或Mo等的硫化物基本不析出。因此，可将这些元素用作铁基质的强化元素。

Ni或Mo固溶于铁基质中，有助于铁基质的强化，与此同时具有改善铁基质的淬火性，使得易得到马氏体组织的效果。另一方面，若Ni量变得过多，则有强度低的奥氏体相残留于基质中之虞。另外，Mo昂贵，若添加量增加，则该部分原料成本增加。因此，将Ni或Mo的添加量上限设为10质量%。

Ni或Mo即使在以固溶于Fe中的铁合金粉末的形态给予时，也不会使铁合金粉末的硬度显著增加，所以能以铁合金粉末的形态给予。另外，也能以镍粉末或钼粉末的形态添加在原料粉末中。并且，能以硫化镍粉末或二硫化钼粉末的形态添加在原料粉末中；还可在原料粉末中添加上述硫化铁粉末或硫化铜粉末，或者用硫化镍粉末或二硫化钼粉末替代上述硫化铁粉末或硫化铜粉末的全部或部分。

因此，本发明的铁基烧结滑动部件的原料粉末包含(1)铁粉末，所述铁粉末的组成如下：以质量比计含有0.03~1.0%的Mn，余量为Fe和不可避免的杂质；(2)铜粉末；(3)石墨粉末；(4)硫化铁粉末和硫化铜粉末中的至少1种硫化物粉末，添加并混合(1)~(4)的粉末，使组成按质量比计达到Cu：0.1~10%、C：0.2~2.0%、Mn：0.03~0.9%、S：0.52~6.54%、余量：Fe和不可避免的杂质。

将上述原料粉末如一直以来所施行的那样进行成形。即，通过以下方法(所谓的压模法)成形为成形体：在由具有造型产品的外周形状的模孔的模具、与模具的模孔自由滑动嵌合造型产品的下端面的下模冲、以及根据需要造型产品的内周形状或减重部分(肉抜き部)的芯棒形成的型腔中填充原料粉末，在通过造型产品的上端面的上模冲和该下模冲将原料粉末压缩成形后，从模具的模孔抽出。

将得到的成形体在烧结炉中于1000~1200℃的范围进行烧结。此时的加热温度，即烧结温度对烧结的进行和元素的扩散造成重要影响。在这里，若烧结温度低于1000℃，则使得Cu液相的生成量不足，从而难以得到所希望的金相。另一方面，若烧结温度变得比1200℃还高，则使得液相生成量过多，从而易发生烧结体的失型。因此，烧结温度设为1000~1200℃。

由于基质组织的一多半为马氏体组织，所以对得到烧结体进行淬火。淬火如一直以来所施行的那样，通过在将烧结体加热至奥氏体转化温度以上后，在油中或水中骤冷来进行。淬火时的加热温度适合为820~1000℃。另外，气氛可采用非氧化性气氛，也可为渗碳性气氛。

经淬火处理的烧结体因淬火处理而使得变形过度蓄积，形成硬且脆的金相。因此，如一直以来所施行的那样，对淬火处理后的烧结体进行再次加热至150~280℃的范围，然后冷却至常温的回火处理。若进行这样的回火处理，则内部应力得到缓和，可不降低烧结体的硬度而除去因淬火处理产生的变形。此时，若回火的加热温度不足150℃，则使得变形的消除不完全，若超过280℃，则使得低碳马氏体易分解为铁素体和渗碳体，硬度降低。

根据本发明的铁基烧结滑动部件，Cu的使用量少，作为固体润滑剂起作用的硫化物析出分散于基质中，硫化物对基质的粘着性高，长期显示出优异的滑动特性。另外，由于基质组织的50%以上为马氏体组织，所以即使在高的接触压力起作用的滑动条件下也显示出优异的滑动特性。

根据本发明，可得到在降低Cu的使用量，降低制备成本的同时，分散有对基质的粘着性高的硫化物的铁基烧结滑动部件及其制备方法。

附图说明

图1为本发明的铁基烧结滑动部件的金相照片的一个实例。

实施发明的最佳方式

以下，对本发明的铁基烧结滑动部件及其制备方法进行更详细的说明。但是，以下的实施方式仅为一个实例，本发明并不被它们所限定。

(1) 第1实施方式

在含有0.03~1.0质量%的Mn，余量包含Fe和不可避免的杂质的铁粉末中添加并混合铜粉末、石墨粉末以及满足上述数学式1的量的硫化铁粉末和硫化铜粉末中的至少1种，制备原料粉末。此时，调整各种粉末的量，使原料粉末以质量比计达到Cu：0.1~10%、C：0.2~2.0%、Mn：0.03~0.9%、S：0.52~6.54%、余量：Fe和不可避免的杂质。然后，将原料粉末成形为规定的形状，将得到的成形体于1000~1200℃的范围烧结，然后于820~1000℃在非氧化性气氛中淬火，之后在油中或水中骤冷，进而加热至150~280℃的范围，冷却至常温，进行回火。由此可得到具有上述组成，在以截面面积率计50%以上为马氏体组织的基质中，显示为分散有气孔和硫化物粒子的金相，硫化物粒子相对于基质以3~30体积%的比例分散的铁基烧结滑动部件。

该铁基烧结滑动部件在一多半为马氏体的基质中主要分散有硫化铁，部分分散有硫化锰、硫化铜，滑动特性优异。需说明的是，当原料粉末中的Cu为3.5质量%以上时，使得基质中进一步分散有铜相，可进一步降低对配对部件的攻击性。另外，在构成液相烧结的同时，原料粉末间的扩散良好进行，所以铁基质的强度提高，铁基质的耐磨损性提高。因此，不仅是气孔中和粉末界面，牢固粘着于基质上的的固体润滑剂也均匀分散于基质中，使得滑动特性和基质强度得到改善，耐磨损性提高。

(2) 第2实施方式

在第1实施方式中，为提高基质强度，用硫化镍粉末、二硫化钼粉末中的至少1种金属硫化物粉末替代硫化铁粉末或硫化铜粉末的全部或一部分添加在原料粉末中，使之满足数学式1。硫化镍粉末和/或二硫化钼粉末在原料粉末的整体组成中设为Ni和/或Mo达到10质量%以下的量。然后，与第1实施方式同样进行成形、烧结、热处理(淬火、回火)，制备铁基烧结滑动部件。

此时，形成在第1实施方式的整体组成中进一步追加10质量%以下的Ni、Mo中的至少1种合金成分的铁基烧结滑动部件。所添加的硫化镍粉末或二硫化钼粉末在烧结时分解生成Ni或Mo，由于这些合金成分固溶于铁基质中，所以使得铁基质的强度提高。需说明的是，Ni或Mo的一部分形成硫化物。因此，金相形成在一多半为马氏体的基质中主要分散有硫化铁，一部分分散有硫化锰、硫化铜、Ni和/或Mo的硫化物的组织。

(3) 第3实施方式

在第1实施方式中，为提高基质强度，进一步追加Mo。此时，Mo以含有于上述铁粉末中的铁合金粉末的形态和/或钼粉末的形态使用。然后，调整粉末的量，使在上述原料粉末的整体组成中Mo进一步达到10质量%以下。接着，按照与第1实施方式同样的方法进行成形、烧结、热处理(淬火、回火)。由此，得到在第1实施方式的整体组成中进一步添加有10质量%以下的Mo的铁基烧结滑动部件。金相与第2实施方式一样，主要分散有硫化铁，一部分分散有硫化锰、硫化铜、硫化钼等金属硫化物。由于含有Mo，所以与第1实施方式的情况相比铁基质的强度提高，马氏体组织因易于获得，故面积率提高。

(4) 第4实施方式

在第3实施方式中为提高基质强度而使用Mo，但也可使用Ni。此时，Ni以含有于上述铁粉末中的铁合金粉末的形态和/或镍粉末的形态使用。然后，调整粉末的量，使在上述原料粉末的整体组成中Ni进一步达到10质量%以下。接着，按照与第1实施方式同样的方法进行成形、烧结、热处理(淬火、回火)。由此，得到在第1实施方式的整体组成中进一步添加有10质量%以下的Ni的铁基烧结滑动部件。金相主要分散有硫化铁，一部分分散有硫化锰、硫化铜、硫化镍等金属硫化物。由于含有Ni，所以与第1实施方式的情况相比铁基质的强度提高，马氏体组织因易于获得，故面积率提高。

实施例

以下，通过实施例对本发明的铁基烧结滑动部件进行更详细的说明。

[实施例1]

在含有0.3质量%的Mn的铁粉末中以如表1所示的比例添加硫化铁粉末(S量：36.48质量%)，与此同时添加1.5质量%的铜粉末和1.0质量%的石墨粉末，混合，得到原料粉末。然后，在600MPa的成形压力下对原料粉末进行成形，分别制备外径25.6mm、内径20mm、高15mm的环状压缩粉体和外径18mm、内径10mm、高10mm的环状压缩粉体。接着，在非氧化性气氛中于1150℃进行烧结，然后在渗碳性气氛中保持在850℃，然后进行油冷，进一步于180℃进行回火处理，制备样品编号为01~14的烧结部件样品。将这些样品的整体组成一并显示于表1中。需说明的是，将整体组成中的Mn量计为[Mn%]，将S量计为[S%]，将表示与Mn结合的S量的“0.6×[Mn%]”的值和表示与Mn以外元素结合的S量的“[S%]-0.6×[Mn%]”的值一并记入表1中。

对于得到的样品进行截面组织观察，使用图像分析软件(三谷商事株式会社制WinROOF)测定硫化物的面积，与此同时测定最大粒径为10μm以上的硫化物的面积，求出相对于全部硫化物面积的比例。同样求出马氏体面积的比例。将这些结果显示于表2中。

另外，对于外径25.6mm、内径20mm、高15mm的环状烧结部件，使用JIS规格中规定的SCM435H的热处理材料作为配对部件，通过环盘摩擦磨损试验机在400rpm的转速、20MPa的荷重下进行滑动试验，测定摩擦系数。需说明的是，作为润滑油使用相当于10W-30的机油。其结果也一并显示于表2中。

此外，对于外径18mm、内径10mm、高10mm的环状烧结部件，使用岛津制作所制自动绘图仪测定环压强度。其结果也一并显示于表2中。

表1

表2

由表1、2可知，随着硫化铁粉末添加量的增加，整体组成中的S量增加，硫化物的析出量增加。最大粒径为10μm以上的硫化物在整体组成中的S量少的情况下基本不存在，但随着S量的增加，其比例增加，硫化物的大部分呈现出最大粒径达到10μm以上的趋势。另外，随着S量的增加，马氏体组织的面积比例呈现出减少的趋势。

在硫化铁粉末的添加量少，S量少的样品编号为01~04的样品中，[S%]-0.6×[Mn%]的值不足0.5，硫化物量不足3面积%。因此，摩擦系数增大。另一方面，在样品编号为05~12的样品中，[S%]-0.6×[Mn%]的值为0.5以上，硫化物量达到3面积%以上，与此同时最大粒径为10μm以上的硫化物的比例为60%以上。另外，在这些样品中，马氏体组织的比例为50%以上。在这些样品中，由于作为固体润滑剂起作用的大小的硫化物充分析出分散，所以摩擦系数的值与样品编号为01的样品相比降低4成以上。另外，摩擦系数呈现出随硫化物析出量的增加而降低的趋势。

但是，在样品编号为13的样品中，硫化物量超过30%，硫化物变得粗大。认为这是由于随着S量的增加，使得硫化物的析出量过多，硫化物粒子在1个位置复数生长，形成复合粒子的缘故。由于硫化物变得粗大，所以硫化物粒子间的间隔变宽，不存在硫化物的基质的面积增加，其结果摩擦系数略有增加。另外，随着硫化铁粉末添加量的增加，液相生成量也增加。其结果，在[S%]-0.6×[Mn%]的值超过6.0的样品编号为13的样品中，使得液相生成量过多，发生失型。

另一方面，环压强度有随硫化铁粉末添加量增加而减少的趋势。认为这是由于S为铁素体稳定元素，即使在相同温度下实施热处理也难以奥氏体化，马氏体的比例减少的缘故。另外，认为由于马氏体的比例同时因金属硫化物的增加而减少，所以环压强度降低。特别是在样品编号为13的样品中，由于形成大量液相，所以环压强度大幅降低。

由此可知，有必要将[S%]-0.6×[Mn%]的值设为0.5~6.0。由此，硫化物粒子的量为3~30面积%，最大粒径为10μm以上的硫化物的比例达到60%以上，使得分散于基质中的硫化物的大小及其量合适。另外，马氏体的面积率比例也达到50%以上。这样通过控制硫化物的大小和量，可得到滑动特性、耐磨损性和环压强度优异的铁基烧结滑动部件。

作为一个实例，将样品编号为09的铁基烧结滑动部件的金相显示于图1中。基质为马氏体组织，一部分可观察到珠光体(图中黑色组织)。马氏体基质提高材料的硬度，提高环压强度。另一方面，硫化物粒子(图中灰色的部分)分散于基质中，从基质中析出分散。这样由于硫化物粒子为规定的大小，所以作为固体润滑剂起作用，认为有助于摩擦系数的降低。需说明的是，气孔(图中黑色的部分)形成比较圆的形状，但认为它们源于FeS液相的形成。

[实施例2]

在含有如表3所示比例的Mn的铁粉末中调整并添加硫化铁粉末(S量：36.48质量%)，使[S%]-0.6×[Mn%]的值达到2.0，与此同时添加1.5质量%的铜粉末和1.0质量%的石墨粉末，混合，得到原料粉末。然后，对于原料粉末，与实施例1同样操作进行成形、烧结、热处理，制备样品编号为14~20的样品。另外，与实施例1同样操作，测定硫化物的面积、最大粒径为10μm以上的硫化物相对于全部硫化物面积的比例、马氏体组织面积的比例、摩擦系数和环压强度。将这些结果显示于表4中。需说明的是，将0.6×[Mn%]的值和[S%]-0.6×[Mn%]的值一并记入表3中。另外，将实施例1中样品编号为08的样品的结果也显示于表3和4中。

表3

表4

由表3、4可知，铁粉末中的Mn量增加，若整体组成中的Mn量增加，则硫化物的析出量也增加。由于随着Mn量的增加，细微的硫化锰增加，所以最大粒径为10μm以上的硫化物的比例减少，硫化物呈现出细微化的趋势。

另外，可确认即使铁粉末中的Mn量增加，若整体组成中的Mn量在0.9%以下，则通过调整S量来调整规定大小的硫化物的比例，可得到摩擦系数低的烧结部件。

另一方面，由于Mn量增加，马氏体相的面积率也增加。但是，强度值变小。这是由于随着Mn量的增加，硫化物的面积率增加，金属粒子间的结合强度降低的缘故。另外，由于随着铁粉末中的Mn量的增加，铁粉末变硬，压缩性降低，所以认为强度降低。此外，通常Mn为提高淬火性的元素之一，由于S量相对于Mn量处于过饱和的状态，所以基本无法得到有助于淬火性的份的Mn，认为无法得到强度提高效果。这样，在样品编号为20的样品中，强度降低极大。因此，整体组成中的Mn量设为0.03~0.9质量%以下。

需说明的是，在实施例1中，整体组成中的S量为0.67~6.15质量%时摩擦系数和环压强度的值良好，但若考虑数学式1和本实施例的结果，则可知S量只要为0.52~6.54质量%即可。

[实施例3]

在含有0.3质量%的Mn的铁粉末中调整并添加硫化铁粉末(S量：36.48质量%)，使[S%]-0.6×[Mn%]的值达到2.0，以如表5所示的比例添加铜粉末，与此同时添加1.0质量%的石墨粉末，混合，得到原料粉末。然后，对于原料粉末，与实施例1同样操作进行成形、烧结和热处理，制备样品编号为21~30的样品。另外，与实施例1同样操作，测定硫化物的面积、最大粒径为10μm以上的硫化物相对于全部硫化物面积的比例、马氏体组织的面积比例、摩擦系数和环压强度。将这些结果显示于表6中。需说明的是，0.6×[Mn%]的值和[S%]-0.6×[Mn%]的值一并记入表5中。另外，将实施例1中样品编号为08的样品的结果也显示于表5和6中。

表5

表6

由表5、6可知，若改变铜粉末的添加量使整体组成中的Cu量发生变化，则随着Cu量的增加，硫化铁粉末的添加量减少，所以硫化物量降低。另外，虽然Cu的一部分形成硫化物，但相对于硫化铁，硫化铜的比重大，所以认为硫化物量的面积率降低。但是，在本实施例的Cu的添加量范围内，可得到充分的硫化物量，摩擦系数显示为低的值。

另外，由于铜粉末的添加量增加，强度大幅升高。虽然样品编号为21的样品的摩擦系数显示为低至0.16的值，但环压强度的值低于400MPa。在确认金相时，可知硫化物多析出于粉末的界面，导致强度降低。另一方面，就样品编号为22~29的样品而言，硫化物分散于基质的内部。认为这是铜具有单独在基质中析出的特征，以其为核，硫化铁由基质内部析出，从而使得粉末之间的结合增强。另外，由于铜粉末的添加量增加，马氏体的面积比例增加。这是由于铜可使钢的淬火性提高的缘故。

但是，若Cu量超过5质量%，则游离铜相增加，含有马氏体组织的铁基质自身的量降低，所以强度降低。因此，当应用于以强度为重的滑动部件时，优选将Cu量的添加设为10质量%以下。

[实施例4]

在含有0.3质量%的Mn的铁粉末中添加1.5质量%的铜粉末和如表7所示的量的石墨粉末，与此同时调整并添加硫化铁粉末(S量：36.47质量%)，使[S%]-[Mn%]×0.6的值达到2.0，得到原料粉末。然后，对于原料粉末，与实施例1同样操作进行成形、烧结、热处理，制备样品编号为31~41的样品。另外，与实施例1同样操作，测定硫化物的面积、最大粒径为10μm以上的硫化物相对于全部硫化物面积的比例、马氏体组织的面积率、摩擦系数和环压强度。将这些结果显示于表8中。需说明的是，表7、8中一并显示实施例1中样品编号为08的样品的结果。

表7

表8

由表7、8可知，若改变石墨粉末的添加量使整体组成中的C量发生变化，则随着C量的增加，硫化铁粉末的添加量减少，所以硫化物量略有降低，但对硫化物的大小基本无影响。但是，马氏体的面积率发生变化。由于样品编号31的样品在整体组成中不存在C，所以未得到马氏体组织，硬度降低，发生磨损，所以摩擦系数的值高。此外，环压强度也显示为低的值。另一方面，若整体组成中的C量达到0.2质量%以上，则马氏体组织达到60%以上，摩擦系数降低，强度也升高。认为这是由于耐磨损性因将基质的一多半制成马氏体组织而提高，所以即使在高温接触压力下也难以发生磨损。

但是，若整体组成中的C超过1.0质量%，则马氏体的面积率反而降低。随之摩擦系数增加，强度也有降低趋势。这是由于渗碳体因C量增加而开始析出，与此同时产生残留奥氏体的缘故。由于硬的渗碳体攻击配对部件，所以发生磨损，摩擦系数增加。此外，若石墨添加量超过2.0质量%，则产生大量渗碳体，引起熔点降低，液相生成量增加，所以发生失型。因此，C量设为0.2质量%以上且2质量%以下。

[实施例5]

在含有0.3质量%的Mn的铁粉末中添加1.5质量%的铜粉末和1.0质量%的石墨粉末，与此同时调整并添加硫化铁粉末(S量：36.47质量%)，使[S%]-[Mn%]×0.6的值达到2.0，得到原料粉末。然后，对于原料粉末，与实施例1同样操作进行成形、烧结、热处理，制备样品编号为42~46的样品。但是，烧结在如表9所示的烧结温度下进行。另外，与实施例1同样操作，测定硫化物的面积、最大粒径为10μm以上的硫化物相对于全部硫化物面积的比例、马氏体组织的面积率、摩擦系数和环压强度。将这些结果一并显示于表9中。需说明的是，表9中一并显示实施例1中样品编号为08的样品的结果。

表9

如表9所示，若烧结温度增加，则10μm以上的硫化物的比例增加。随之摩擦系数的值也变小。但是，若烧结温度不足1000℃，则无法得到具有充分的大小的硫化物，所以摩擦系数高，烧结不充分，因而也未得到充分的强度。另外，若烧结温度为1250℃，则使得液相生成量过多，形状无法维持，发生失型。因此，将烧结温度设为1000℃～1200℃。

[实施例6]

在含有0.3质量%的Mn的铁粉末中添加1.5质量%的铜粉末和1.0质量%的石墨粉末，与此同时添加在表10中所示量的Ni粉末，调整并添加硫化铁粉末(S量：36.47质量%)，使[S%]-[Mn%]×0.6的值达到2.0，得到原料粉末。然后，对于原料粉末，与实施例1同样操作进行成形、烧结、热处理，制备样品编号为47~51的样品。另外，与实施例1同样操作，测定硫化物的面积、最大粒径为10μm以上的硫化物相对于全部硫化物面积的比例、马氏体组织的面积率、摩擦系数和环压强度。将这些结果显示于表11中。需说明的是，表10、11中一并显示实施例1中样品编号为08的样品的结果。

表10

表11

如表10、11所示，由于Ni粉的添加量增加，马氏体的面积率增加。这是由于淬火性因Ni而提高的缘故。因此，强度升高。但是，若Ni粉的添加量超过3.0质量%，则软质的富Ni相增加，所以马氏体的面积比例降低，强度有降低的趋势。此外，若超过10质量%，则产生大量的软质的富Ni相，因此以此处为起点进行磨损，使摩擦系数增加。由此，整体组成中Ni的比例优选为10质量%以下。

[实施例7]

在含有0.3质量%的Mn的铁粉末中调整并添加二硫化钼粉末(S量：40.06质量%)或硫化铜粉末(S量：33.54质量%)，使[S%]-0.6×[Mn%]的值达到2.0，与此同时添加1.5质量%的铜粉末和1.0质量%的石墨粉末，得到原料粉末。然后，对于原料粉末，与实施例1同样操作进行成形、烧结、热处理，制备样品编号为52、53的样品。另外，与实施例1同样操作，测定硫化物的面积、最大粒径为10μm以上的硫化物相对于全部硫化物面积的比例、马氏体组织的面积率、摩擦系数和环压强度。将这些结果一并显示于表13中。需说明的是，表12、13中一并显示实施例1中样品编号为08的样品的结果。

表12

表13

由表12、13可知，即使变更金属硫化物的种类，若S量为相同水平，则未见硫化物的大小或其量发生显著变化，确认到可得到同样的摩擦系数。另外，二硫化钼粉末或硫化铜粉末含有如Mo或Cu这样淬火性高的元素，所以基质强度得以提高，环压强度的值显示为大的值。

[实施例8]

在含有0.3质量%的Mn和如表14所示量的Mo的铁合金粉末中添加1.5质量%的铜粉末和1.0质量%的石墨粉末，与此同时调整并添加硫化铁粉末(S量：36.47质量%)，使[S%]-[Mn%]×0.6的值达到2.0，得到原料粉末。然后，对于原料粉末，与实施例1同样操作进行成形、烧结、热处理，制备样品编号为54~58的样品。另外，与实施例1同样操作，测定硫化物的面积、最大粒径为10μm以上的硫化物相对于全部硫化物面积的比例、马氏体组织的面积率、摩擦系数和环压强度。将这些结果一并显示于表15中。需说明的是，表14、15中一并显示实施例1中样品编号为08的样品的结果。

表14

表15

由表14、15可知，随着铁合金粉末中的Mo量的增加，马氏体的面积率增加。这是由于淬火性因Mo而提高的缘故。由此，环压强度的值也升高。但是，由样品编号为58的样品可知，即使Mo量超过10质量%，也未见强度进一步提高。另外，由于Mo为昂贵的合金成分，所以优选整体组成中的Mo量设为10质量%以下。

Claims (8)

1.铁基烧结滑动部件，其特征在于：整体组成以质量比计包含Cu：0.1~10%、C：0.2~2.0%、Mn：0.03~0.9%、S：0.52~6.54%、余量：Fe和不可避免的杂质，将整体组成中的S的质量%计为[S%]，将Mn的质量%计为[Mn%]时，满足下列数学式1，与此同时，

在以截面面积率计50%以上为马氏体组织的基质中，显示为气孔和从上述基质中析出的含有硫化铁的硫化物粒子分散的金相，上述硫化物粒子相对于上述基质以3~30体积%的比例分散，

数学式1

。

2.权利要求1记载的铁基烧结滑动部件，其特征在于：在上述硫化物粒子中，最大粒径为10μm以上的硫化物粒子占硫化物粒子整体的60%以上。

3.权利要求1或2记载的铁基烧结滑动部件，其特征在于：分别含有10质量%以下的Ni或Mo中的至少1种。

4.权利要求1或2记载的铁基烧结滑动部件，其特征在于：在接触压力达到20MPa以上的滑动环境下使用。

5.铁基烧结滑动部件的制备方法，其特征在于：准备铁粉末、铜粉末、石墨粉末、以及硫化铁粉末和硫化铜粉末中的至少1种硫化物粉末，所述铁粉末的组成如下：以质量比计含有0.03~1.0%的Mn、余量为Fe和不可避免的杂质，

在上述铁粉末中添加并混合上述铜粉末、上述石墨粉末和上述硫化物粉末，使得以质量比计达到Cu：0.1~10%、C：0.2~2.0%、Mn：0.03~0.9%、S：0.52~6.54%、余量：Fe和不可避免的杂质，来制备原料粉末，

将上述原料粉末成形为规定的形状，将得到的成形体于1000~1200℃的范围烧结，在基质中使含有硫化铁的硫化物析出，然后淬火、回火。

6.权利要求5记载的铁基烧结滑动部件的制备方法，其特征在于：在上述原料粉末中添加上述硫化物粉末，或者用硫化镍粉末和二硫化钼粉末中的至少1种替代上述硫化物粉末的全部或部分，进一步在上述原料粉末中追加10质量%以下的Ni和/或Mo。

7.权利要求5或6记载的铁基烧结滑动部件的制备方法，其特征在于：在上述铁粉末中添加Mo和/或在上述原料粉末中进一步添加钼粉末，使上述原料粉末中的Mo量达到10质量%以下。

8.权利要求5或6记载的铁基烧结滑动部件的制备方法，其特征在于：在上述铁粉末中添加Ni和/或在上述原料粉末中进一步添加镍粉末，使上述原料粉末中的Ni量达到10质量%以下。