CN109825757B - 铸铁材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供能够得到优良的摩擦特性的铸铁材料。所述铸铁材料是含有C和Fe作为组成的铸铁材料，进一步含有以质量％计为1.0％～3.5％的Cr作为组成。该铸铁材料用于在添加了MoDTC等含有Mo作为构成元素的添加剂的润滑油环境下滑动的滑动部件。铸铁材料中所含的Cr促进在润滑油中添加的含有Mo的添加剂的分解反应，使得形成低摩擦的二硫化钼的覆膜。由此，能够减少摩擦。

Description

铸铁材料

技术领域

本发明涉及摩擦特性优良的铸铁材料。

背景技术

铸铁具有良好的耐磨损性和耐烧结性，因此被广泛地用作内燃机的滑动部件等的滑动材料。

例如，在专利文献1中，作为使耐磨损性提高的气缸套用铸铁，记载了如下所述的气缸套用铸铁：具有以质量％计含有C：3.0％～3.5％、Si：1.5％～2.5％、Mn：0.5％～1.0％、P：0.2％～0.5％、S：0.12％以下、Cr：0.1％～0.5％、B：0.09％～0.18％、Cu：0.4％～1.0％、Mo：0.1％～0.5％、余量由Fe和不可避免的杂质构成的组成；具有主要由珠光体构成的基体相、且在基体相中使由斯氏体和硼化合物构成的硬质相以面积率计分散有14％～22％、并且以使得形成9～15μm的平均石墨间隔的方式分散有片状石墨而得的组织。根据该气缸套用铸铁，能够使腐蚀减量与以往相比减半，另外，能够使烧结临界负荷与以往相比为约1.5倍。

另外，例如，在专利文献2中记载了一种耐磨损性高的Cr铸铁，其中，化学组成以质量％计含有C：2.7％～3.3％、Si：0.2％～1.0％、Mn：0.4％～2.0％、Cr：18％～25％、Mo：0.5％～4％、Ni：0.5％～3％、N：小于0.2％、余量由Fe和杂质构成，组织由30面积％～40面积％的结晶碳化物和包围该结晶碳化物的基质构成，基质是对以马氏体作为主体并含有一部分残余奥氏体的淬火组织进行回火而得的组织，基质中分散有粒径以等效圆直径计为1μm以下的微细析出碳化物，该微细析出碳化物的总量相对于全部组织设定为3.0面积％～14面积％。根据该耐磨损性高的Cr铸铁，能够使磨损减量与以往相比减半。

另外，例如，在专利文献3中记载了一种片状石墨铸铁，含有具备石墨不具有方向性而无秩序且均匀地分布的存在形态的A型石墨，其中，该片状石墨铸铁具有以质量％计含有C：2.8％～4.0％、Si：1.2％～3.0％、Mn：1.1％～3.0％、P：0.01％～0.6％和S：0.01％～0.30％、余量由Fe和不可避免的杂质构成、且Mn含量相对于S含量之比(Mn/S)为3～300的范围的化学组成。根据该片状石墨铸铁，能够使拉伸强度提高至以往的约1.2～约2倍，并且还可以得到良好的切削性。

另外，例如，在专利文献4中记载了一种片状石墨铸铁，具有如下组成：以质量％计含有C：2.4％～3.6％、Si：0.8％以上且小于2.8％、Mn：1.1％～3.0％，

进一步含有P：0.01％～0.6％、B：0.001％～0.2％，或者

进一步含有选自如下中的一种或两种：

S：大于0.01％且0.15％以下，

合计为0.1％～6.0％的选自Cu、Cr、Mo、Ni中的一种或两种以上，

合计为0.01％～5.0％的选自W、V、Nb中的一种或两种以上，

Sn：0.3％以下，

Sb：0.3％以下；且

进一步具有以面积率计分散有8％以下的碳化物的组织。根据该片状石墨铸铁，能够使拉伸强度提高至以往的约1.5倍。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2006-206986号公报

专利文献2：日本特开2009-7597号公报

专利文献3：日本特开2013-117071号公报

专利文献4：日本特开2014-62318号公报

非专利文献

非专利文献1：Ushioda等，低粘度客车机油对节约燃料型发动机试验的效果(Effect of Low Viscosity Passenger Car Motor Oils on Fuel Economy EngineTests),国际自动机工程师学会(SAE international),2013-01-2606

发明内容

发明所要解决的问题

但是，近年来，为了降低发动机油的搅拌阻力，发动机油的低粘度化正在进行，由此在高负荷的运转条件等下金属彼此直接接触增加，摩擦升高(例如，参考非专利文献1)，另外，有可能产生烧结等。因此，进行了在发动机油中添加摩擦调节剂从而谋求摩擦的减少。以往，作为最频繁使用的摩擦调节剂，存在MoDTC(二硫代氨基甲酸钼或二烷基二硫代氨基甲酸钼)。但是，关于作为添加剂的含有Mo(钼)的摩擦调节剂的作用机理、根据材料而致摩擦调节剂的效果不同的理由还不确定。因此，期望通过明确这些机理来最大限度地发挥摩擦调节剂的效果、减少摩擦。此外，以往，为了提高耐磨损性等特性，大多提高硬度，还存在难以加工而生产率差的问题。

本发明是基于这样的问题而完成的，目的在于提供能够得到优良的摩擦特性的铸铁材料。

用于解决问题的手段

本发明的铸铁材料含有C和Fe作为组成，其中，含有以质量％计为1.0％～3.5％的Cr作为组成，含有石墨作为组织，所述铸铁材料用于在含有Mo的润滑油环境下滑动的滑动构件。

发明效果

根据本发明的铸铁材料，由于含有以质量％计为1.0％以上的Cr，因此，因滑动而在表面露出的活性Cr促进润滑油中所含的添加剂的分解反应，使得能够形成低摩擦的二硫化钼的覆膜。因此，能够减少摩擦，并且也能够减少磨损，也能够抑制烧结等。另外，将Cr以质量％计设定为3.5％以下，因此，能够抑制变硬至所需以上，能够容易地进行加工。

另外，含有由Si、Cu和Ni组成的组中的至少Si作为组成，它们的含量以质量％计设定成Si为2％～6.5％、Cu为0％～1.5％、Ni为0％～1.5％，因此，能够形成适当的硬度，能够容易地进行加工。

此外，在用于发动机的滑动部件时，能够减少摩擦，能够使燃料经济性提高。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式涉及的铸铁材料的组织的一例，是示出含有片状石墨的铸铁材料的光学显微镜组织照片。

图2是本发明的一个实施方式涉及的铸铁材料的组织的另一例，是示出含有球状石墨的铸铁材料的光学显微镜组织照片。

图3是对本发明涉及的铸铁材料进行摩擦试验后示出摩擦痕迹的截面结构的一例的透射型电子显微镜照片。

图4是图3的框部的放大图，是示出所生成的二硫化钼的透射型电子显微镜照片。

图5是针对实施例和比较例的铸铁材料而对比示出添加了MoDTC的润滑油环境下的摩擦系数的特性图。

图6是针对实施例和比较例的铸铁材料而对比示出添加了MoDTC的润滑油环境下的摩擦系数的另一特性图。

图7是针对实施例和比较例的铸铁材料而示出添加了MoDTC的润滑油环境下由铸铁材料的组成导致的摩擦特性差异的一览表。

图8是利用实施例和比较例的铸铁材料制作具有圆弧上的截面的试验片而示出在添加了MoDTC的润滑油环境下进行摩擦试验的结果的一览表。

具体实施方式

以下，对于本发明的实施方式，参考附图详细地进行说明。

图1和图2示出本发明的一个实施方式涉及的铸铁材料的组织的一例。图1含有片状石墨作为石墨，图2含有球状石墨作为石墨。该铸铁材料用于在含有钼(Mo)的润滑油环境下滑动的滑动部件，特别是能够优选用于发动机的滑动部件。需要说明的是，含有Mo的润滑油是指添加了含有Mo作为构成元素的添加剂的润滑油，例如是指添加了MoDTC等有机钼作为添加剂的润滑油。如此含有Mo作为构成元素的添加剂例如用作摩擦调节剂。

本实施方式涉及的铸铁材料中，含有碳(C)和铁(Fe)、进一步含有铬(Cr)作为组成。C对作为母材的珠光体基体进行强化，并且使石墨结晶，从而使得提高滑动性、耐磨损性和耐烧结性。C的含量例如以质量％计优选为2.0％～6.5％。这是因为：C的含量少时，片状石墨不发生结晶，对加工性等带来影响。

Cr促进在润滑油中添加的MoDTC等含有Mo作为构成元素的添加剂的分解反应，使得更多地形成低摩擦的二硫化钼的覆膜。形成二硫化钼的覆膜时，能够减少摩擦，并且也能够减少磨损，也能够抑制烧结等。

Cr将MoDTC等含有Mo作为构成元素的添加剂分解的机理推断如下。首先，在铸铁材料的表层存在的氧化物层由于因滑动引起的摩擦被磨削时，活性的金属(Fe和Cr)露出。另外，润滑油中所含的MoDTC等添加剂因热发生分解，润滑油中存在作为中间产物的氧硫化钼(MoS_2-xO_x)。金属的离子化倾向为Cr＞Fe≈Mo，因此，与Fe相比更容易氧化的Cr从润滑油中所存在的氧硫化钼中夺取氧，形成铬氧化物。另一方面，被夺取氧后的氧硫化钼变为二硫化钼(MoS₂)，在铸铁材料上形成覆膜。需要说明的是，对于本实施方式涉及的铸铁材料在添加了MoDTC的润滑油环境下进行滑动试验，结果在试验后在铸铁材料的表面上形成如图3那样的反应膜，如图4所示，确认到形成了层状的二硫化钼的覆膜。

Cr的含量以质量％计优选为1.0％～3.5％的范围内。这是因为：小于1.0质量％时，不能充分地得到利用Cr形成二硫化钼的覆膜的效果，另外，超过3.5质量％时，铸铁材料变硬至所需以上，难以容易地进行加工。

另外，本实施方式涉及的铸铁材料中，优选含有由硅(Si)、铜(Cu)和镍(Ni)组成的组中的至少Si作为组成。Si具有抑制Cr形成碳化物的效果，用于抑制变硬而使加工变得容易。Si的含量以质量％计优选设定为2％～6.5％。这是因为：小于2质量％时，有时变得过硬，超过6.5质量％时，有可能变脆而失去强度。

Cu和Ni也与Si同样地具有抑制Cr形成碳化物的效果，Cu和Ni可以含有也可以不含有。Cu的含量以质量％计优选设定为0％～1.5％，Ni的含量以质量％计优选设定为0％～1.5％。这是因为：在该范围内，能够得到抑制Cr的碳化物形成、不会变得过硬而使加工容易的效果。

需要说明的是，铸铁材料的硬度以布氏硬度计优选设定为HB200～HB380的范围内。这是因为：超过HB380时，切削性变差，加工变得困难。

作为本实施方式涉及的铸铁材料的组织，母材包含珠光体基体，在该母材中分散有片状石墨或球状石墨和结晶碳化物。另外，在母材中分散有Cr，由此促进含有Mo的摩擦调节剂的反应，形成二硫化钼，从而能够得到优良的摩擦特性。

该铸铁材料例如可以通过将上述组成的熔液利用化铁炉或电炉等通常的熔炼方法进行熔炼并利用公知的浇铸法进行铸造使其凝固而得到。

如此根据本实施方式，含有以质量％计为1.0％以上的Cr，因此，通过滑动而在表面上露出的活性Cr促进润滑油中所含的摩擦调节剂的分解反应，使得能够形成二硫化钼的覆膜。因此，能够减少摩擦，并且也能够减少磨损，也能够抑制烧结等。另外，将Cr设定为以质量％计3.5％以下，因此能够抑制变硬至所需以上，能够容易地进行加工。

另外，由于含有由Si、Cu和Ni组成的组中的至少Si作为组成，它们的含量以质量％计设定成Si为2％～6.5％、Cu为0％～1.5％、Ni为0％～1.5％，因此，能够形成适当的硬度，能够容易地进行加工。

此外，用于发动机部件或驱动部件的滑动部时，能够减少摩擦，能够使燃料经济性提高。

实施例

(实施例1-1～1-6、比较例1-1～1-6)

制作出如下铸铁材料：具有以质量％计C为2.6％、Cr为2.6％、Si为4.4％、Cu为1.0％、余量由Fe和杂质构成的组成，并且具有母材包含珠光体基体、在该母材中分散有片状石墨和结晶碳化物的组织。对于所得到的铸铁材料，在润滑油环境下进行往复滑动型的摩擦试验。润滑油均使用添加了MoDTC的试验油，在实施例1-1～1-6中改变种类。对象材料设为轴承钢(SUJ2)。载荷设为80N，频率设为10Hz，温度设为80℃，进行30分钟试验，测定稳定时的摩擦系数。

作为比较例1-1～1-6，使用如下铸铁材料：具有不含有Cr、以质量％计C为3.0％、Si为2.2％且余量由Fe和杂质构成的组成，并且具有母材包含珠光体基体、在该母材中分散有片状石墨和结晶碳化物的组织，进行与本实施例同样的滑动试验，测定摩擦系数。关于润滑油，在实施例1-1和比较例1-1、实施例1-2和比较例1-2、实施例1-3和比较例1-3、实施例1-4和比较例1-4、实施例1-5和比较例1-5、实施例1-6和比较例1-6中，分别使用相同的润滑油。

将所得到的结果示于图5中。如图5所示，可知：根据本实施例，均能够使摩擦系数降低。即，对于含有Cr作为组成的铸铁材料而言，能够减少摩擦。

(实施例2-1～2-4、比较例2-1～2-4)

制作出如下铸铁材料：具有以质量％计C为3.2％、Cr为2.5％、Si为4.9％、余量由Fe和杂质构成的组成，并且具有母材包含珠光体基体、在该母材中分散有球状石墨和结晶碳化物的组织。对于所得到的铸铁材料，在润滑油环境下进行往复滑动型的摩擦试验。润滑油均使用添加了MoDTC的试验油，在实施例2-1～2-4中改变种类。对象材料设为轴承钢(SUJ2)。载荷设为80N，频率设为10Hz，温度设为80℃，进行30分钟试验，测定稳定时的摩擦系数。

作为比较例2-1～2-4，使用如下铸铁材料：具有不含有Cr、以质量％计C为3.5％、Si为2.4％、余量由Fe和杂质构成的组成，并且具有母材包含珠光体基体、在该母材中分散有球状石墨和结晶碳化物的组织，进行与本实施例同样的滑动试验，测定摩擦系数。关于润滑油，在实施例2-1和比较例2-1、实施例2-2和比较例2-2、实施例2-3和比较例2-3、实施例2-4和比较例2-4中，分别使用相同的润滑油。

将所得到的结果示于图6中。如图6所示，可知：根据本实施例，均能够使摩擦系数降低。即，对于含有Cr作为组成的铸铁材料而言，能够减少摩擦。

(实施例3-1～3-4、比较例3-1～3-3)

制作出具有Cr量、Si量、Ni量、Cu量不同且余量由Fe和杂质构成的组成的铸铁材料。对于所得到的铸铁材料，在含有MoDTC的润滑油环境下进行摩擦试验。关于摩擦试验，进行球盘式试验，对象材料设为轴承钢(SUJ2)。载荷为10N，滑动速度为0.5米/秒，温度为80℃，进行30分钟试验，测定稳定时的摩擦系数。

作为比较例，比较例3-1含有小于1.0％的Cr，比较例3-2和3-3含有超过3.5％的Cr。实施例3-1和3-2含有约1.0％的Cr，实施例3-3和3-4含有约2.3％～约2.55％的Cr。实施例3-1和3-2以及3-3和3-4中，各自的Si量和Cu量不同。

将所得到的结果示于图7中。如图7所示，可知：在Cr量少的比较例3-1中，摩擦系数高，与此相对，在实施例3-1～3-4中，摩擦系数低，变为一半以下。可知：Cr量多的比较例3-2和3-3虽然摩擦系数低，但是变得过硬。

(实施例4-1～4-3、比较例4-1、4-2)

利用具有Cr量、Si量、Ni量、Cu量不同且余量由Fe和杂质构成的组成的铸铁材料制作出具有圆弧截面的试验片。对于所得到的试验片，在含有MoDTC的润滑油环境下进行摩擦试验。载荷设为80N，频率设为10Hz，温度设为80℃，进行30分钟摩擦试验，测定稳定时的摩擦系数。

作为比较例4-1和4-2，含有小于1.0％的Cr，作为实施例4-1～4-3，含有1.0％～3.5％的Cr量。实施例4-1～4-3各自的Si量和Cu量不同。

将所得到的结果示于图8中。如图8所示，可知：与Cr量小于1.0％的比较例4-1和4-2相比，Cr量为1.0％～3.5％的实施例4-1～4-3中，摩擦系数降低约20％。由此明显可知，设想汽车用发动机，即便在以活塞环作为对象材料进行滑动的气缸套中，基于本发明的铸铁材料也减少了摩擦。

以上，列举实施方式对本发明进行了说明，但本发明并非限定于上述实施方式，能够进行各种变形。例如，在上述实施方式中，对铸铁的组成具体地进行了说明，但也可以含有其它元素。例如Mg、Mn、S、P等。

本发明也可以作为一种滑动机构而掌握，所述滑动机构具备具有相互滑动的滑动面的一对滑动构件和夹设于该对置的滑动面间的润滑油，其特征在于，上述滑动面的至少一者包含铸铁材料，所述铸铁材料含有碳(C)和铁(Fe)、进一步含有以质量％计为1.0％～3.5％的铬(Cr)作为组成，并且含有石墨作为组织，上述润滑油含有钼(Mo)作为添加剂。

Claims (5)

1.一种滑动机构，具备具有相互滑动的滑动面的一对滑动构件和夹设于该对置的滑动面间的润滑油，其特征在于，

所述滑动面的至少一者含有铸铁材料，所述铸铁材料含有碳(C)和铁(Fe)作为组成、且含有以质量％计为1.0％～3.5％的铬(Cr)作为组成，且所述铸铁材料含有石墨作为组织，

所述润滑油含有钼(Mo)作为添加剂，且

所述铸铁材料用于在含有钼(Mo)作为添加剂的润滑油环境下滑动的滑动构件。

2.如权利要求1所述的滑动机构，其特征在于，所述铸铁材料含有由硅(Si)、铜(Cu)和镍(Ni)组成的组中的至少Si作为组成，它们的含量以质量％计Si为2％～6.5％、Cu为0％～1.5％、Ni为0％～1.5％。

3.如权利要求1所述的滑动机构，其特征在于，所述铸铁材料的布氏硬度为HB200～HB380。

4.如权利要求1所述的滑动机构，其特征在于，所述铸铁材料通过滑动而在表面上形成含有二硫化钼的覆膜。

5.如权利要求1所述的滑动机构，其特征在于，所述铸铁材料用于发动机部件和驱动部件的滑动部。

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