JP2006316302A - 高温用摺動合金および摺動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 Ｎｉ基合金またはＦｅ基合金からなるマトリックス中にＣｏ基金属間化合物からなる硬質粒子を分散して構成される高温用摺動合金において、摩耗特性を改善する。
【解決手段】 硬質粒子の含有量を、高温用摺動合金全体に対する質量比で１〜３５％とし、粒径４５〜６５μｍの硬質粒子が硬質粒子全体に対する質量比で２０％以上を占めるようにする。粒径が小さいと、焼結時の高温（通常、１２００℃程度）に晒された場合、硬質粒子がマトリックスとの相互拡散により軟化してしまい、耐摩耗性の低下を招く。また、硬質粒径が大きいと、硬質粒子がマトリックス中へ均一に分散し難くなる共に、脱落し易くなり、摩耗量が増加する。しかしながら、粒径４５〜６５μｍの硬質粒子が硬質粒子全体に対する質量比で２０％以上あれば、それよりも小さいサイズの硬質粒子の軟化や、それよりも大きいサイズの硬質粒子の均一分散性難という事情があっても、結果的に摩耗量が減少し、摩擦特性を向上させることができる。
【選択図】 図３

Description

本発明はＮｉ基合金またはＦｅ基合金からなるマトリックス中にＣｏ基金属間化合物からなる硬質粒子を分散して構成される高温用摺動合金およびその高温用摺動合金を用いた摺動装置に関する。

熱処理炉などに被加熱処理品を出し入れする際に使用される台車の車輪用軸受などでは、炉内の高温条件下のみならず常温条件下においても、耐摩耗性などに優れた特性を有することが要求されている。
このような要求を満たすものとして、特許文献１に開示された高温用摺動合金がある。これは、Ｃｒ：２〜８質量％、Ｆｅ：２〜１０質量％、Ｓｉ：０．１〜１．５質量％、Ｃｏ：２〜２２質量％、Ｍｏ：１．４〜１１質量％、残部Ｎｉからなり、マトリックス中に、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉ系の硬質粒子を１〜３５質量％分散して構成したものである。
特開平１１−１７２３６３号公報

上記特許文献１に記載の高温用摺動合金は、原料粉末を混合して圧縮成形し、１１５０℃の還元雰囲気にて焼結して製造される。焼結後、６００〜９００℃の酸化性雰囲気で加熱する。これにより、図４に示すように、Ｎｉ基合金のマトリックス１中に分散している硬質粒子２のうち、マトリックス１の表面（摺動表面）から露出している部位が酸化し、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉの酸化物相２ａが形成される。そして、更に酸化物相２ａが酸化されてＣｏ−Ｃｒの酸化物相２ｂが形成され、その酸化物相２ｂの表面にＭｏの酸化物相２ｃが形成される。

これらの酸化物相は、相手材との摺動により、潤滑性のあるＭｏの酸化物相２ｃが相手材に移着して潤滑作用を発揮する。また、硬く脆いＣｏ−Ｃｒの酸化物相２ｂが細かく割れて相手材との間で転動する微細な粒となり、一種の転がり摩擦作用を呈するようになる。このような作用によってスティックスリップが解消されて低摩擦係数になるとされる。
しかしながら、最近の高温用摺動合金に対する高耐摩耗性の要求は著しく、更なる耐摩耗性の向上が望まれている。ところが、上記特許文献１に記載の高温用摺動合金では、摩耗量が多く、摩耗量の低減化を図ることが強く求められていた。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、Ｎｉ基合金またはＦｅ基合金からなるマトリックス中にＣｏ基金属間化合物からなる硬質粒子を分散して構成される高温用摺動合金およびその高温用摺動合金を用いた摺動装置において、高温用摺動合金の摩耗量の低減化を図るところにある。

（１）前記特許文献１は、本出願人の出願に係るものである。本発明者は、この特許文献１に記載された高温用摺動合金について、摩耗量を低減するために鋭意研究を重ねた。その結果、硬質粒子サイズが摩耗量に影響を与えることを究明し、本発明をなすに至った。
本発明は、Ｎｉ基合金またはＦｅ基合金からなるマトリックス中に、Ｃｏ基金属間化合物からなる硬質粒子を分散して構成される高温用摺動合金において、前記硬質粒子の含有量は、高温用摺動合金全体に対する質量比で１〜３５％であり、且つ、粒径４５〜６５μｍの硬質粒子が硬質粒子全体に対する質量比で２０％以上を占めることを特徴とする（請求項１）。

粒径が小さいと、焼結時の高温に晒された場合、硬質粒子がマトリックスとの相互拡散により軟化してしまい、高温用摺動合金の耐摩耗性の低下を招く。また、粒径が大きいと、硬質粒子がマトリックス中に均一に分散し難くなる共に、脱落し易くなり、高温用摺動合金の摩耗量が増加する。そして、粒径４５〜６５μｍの硬質粒子が、マトリックス中に分散する硬質粒子全体に対する質量比で２０％以上あれば、それよりも小さいサイズの硬質粒子の軟化や、それよりも大きいサイズの硬質粒子の均一分散性難という事情があっても、結果的に摩耗量が減少し、耐摩耗性が向上する。もちろん、マトリックス中に分散させる硬質粒子を、総て粒径４５〜６５μｍの硬質粒子としても良い。

ところで、粒子分散型の合金の場合、粒子間距離が小さいほど分散強化作用が向上し、当該合金が強くなる。ここで、硬質粒子の質量を一定とすると、粒径が大きければ大きいほど粒子数は少なくなり、粒子間距離が大きくなる傾向がある。したがって、前記硬質粒子は、粒径が７５μｍ以下であることが好ましい。

前記粒径４５〜６５μｍの硬質粒子が硬質粒子全体に占める割合を、２５〜３５質量％としても良い（請求項３）。 これにより、分級工程の低減等、製造面で有利となる。
また、前記粒径４５〜６５μｍの硬質粒子の硬さは、６００〜９００ＨＶであることが好ましい（請求項４）。
前述の硬さを有することにより、高温用摺動合金の耐摩耗性や、相手材に対する非攻撃性の面で有利となる。

（２）前記Ｎｉ基合金は、高温用摺動合金全体に対する質量比でＣｒ：２〜８％、Ｆｅ：２〜１０％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｏ：１．４〜１１％、残部Ｎｉから構成することができる（請求項５）。

Ｃｒを２〜８質量％とした理由は、２質量％未満では、マトリックスの耐酸化性が低下する傾向があり、８質量％を超えると、焼結時に粉末圧縮を行う際、その圧縮率を高めにくく、密度の高い焼結体を得にくいからである。このため、Ｃｒは２〜８質量％が望ましい。成形性、耐酸化性の点からは、５〜７質量％がより望ましい。
Ｆｅを２〜１０質量％とした理由は、２質量％未満では、高温強度に劣る傾向があり、１０質量％を超えると、焼結用粉末が硬くなって粉末圧縮を行う際の圧縮率を高めにくいからである。このため、Ｆｅは、２〜１０質量％が望ましい。特に、４〜６質量％では、高温強度により優れるので、より望ましいものとなる。

（３）本発明のＦｅ基合金は、耐熱Ｆｅ基合金であり、Ｃｒを含有するオーステナイト系、マルテンサイト系およびフェライト系のうちのいずれかのステンレス鋼とすることができる（請求項６）。
ステンレス鋼をマトリックス金属とすることにより、材料コストを低減することができる。

（４）前記硬質粒子を構成するＣｏ基金属間化合物は、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉ系、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｗ−Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ系およびＦｅ−Ｍｏ系のうちのいずれか１種以上とすることができる（請求項７）。

これらのＣｏ基金属間化合物では、酸化性雰囲気で加熱されると、表面に、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉの酸化物相、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｗ−Ｎｉ−Ｆｅの酸化物相、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｆｅの酸化物相、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏの酸化物相、Ｆｅ−Ｍｏの酸化物相がそれぞれ形成される。そして、更に酸化されてＣｏ−Ｃｒの酸化物相が生成される。

マトリックスとしてＮｉ基合金を選択し、Ｃｏ基金属間化合物の硬質粒子としてＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉ系の金属間化合物の硬質粒子を選択した場合、高温用摺動合金全体としての各元素の含有量は、Ｃｒ：２〜８質量％、Ｆｅ：２〜１０質量％、Ｓｉ：０．１〜１．５質量％、Ｃｏ：２〜２２質量％、Ｍｏ：１．４〜１１質量％、Ａｇ：０．１〜１０質量％、残部Ｎｉである。

（５）以上のような高温用摺動合金を摺動受層として用いた摺動受材と、この摺動受材により受けられる相手材とを備えた摺動装置においては、相手材における前記摺動受層との摺接面は、１１００ＨＶ以上であることが好ましい（請求項８）。
１１００ＨＶ以上には、例えば窒化処理による表面硬化によって実現することができる。この場合、相手材の耐摩耗性が向上するので、更に耐久性に優れた摺動装置とすることできる。

また、表面硬化は、窒化処理の他、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ等の高温酸化性を有する被膜を設けるイオンプレーティング処理を行っても良い。
この場合の摺動装置としては、鋼裏金上に本発明に係る高温用摺動合金を軸受合金層（摺動受層）として被着して半円筒状の半割軸受を形成してこの半割軸受を２個突き合わせて軸受（摺動受材）を構成し、或いは鋼裏金上に本発明に係る高温用摺動合金を軸受合金層（摺動受層）として被着して円筒状の軸受（摺動受材）を形成し、この軸受に回転軸（相手材）を受けるようにした軸受装置が考えられる。

以下、本発明の実施例を説明する。
下の表１に示す実施例品１、比較例品１および２の供試試料を製作するために、予め下記のメッシュ（篩網）にて分級した次の粉末を原料粉末として用意した。
（１）純Ｎｉ粉末……粒径６３μｍ以下（−２５０メッシュ）
（２）Ｆｅ−Ｃｒ合金粉末……粒径６３μｍ以下（−２５０メッシュ）
（３）硬質粒子としてＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉ合金粉末……粒径１５０μｍ以下（−１００メッシュ）、６３μｍ以下（−２５０メッシュ）、４５μｍ未満（−３５０メッシュ）の３種類

上記のＦｅ−Ｃｒ合金粉末は、Ｃｒ：４４．５質量％、Ｎｉ：１７．６質量％、Ｓｉ：１．６質量％、Ｍｏ：４．２質量％、Ｍｎ：０．６質量％、Ｆｅ：残部の組成のものである。
また、上記のＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉ合金粉末（以下、硬質粒子という。）は、Ｍｏ：２８．５質量％、Ｃｒ：８．５質量％、Ｓｉ：２．５質量％、残りＣｏの組成のものである。

ここで、実施例品１に用いる硬質粒子は、２５０メッシュの篩網で篩い落としたもの、比較例品１に用いる硬質粒子は、１００メッシュの篩網で篩い落としたもの、比較例品２に用いる硬質粒子は、３５０メッシュの篩網で篩い落としたものである。そして、それぞれの篩網で篩い落として得られた硬質粒子の粒径分布を調べ、その結果を図１に示した。

図１から明らかなように、比較例品１の硬質粒子は、硬質粒子全体に対する質量比で、４５μ未満が４０％、４５〜６３μｍが１８％、６３μｍを超え７５μｍ以下が１３％、７５μｍを超え１０５μｍ以下が１９％、１０５μｍを超え１５０μｍ以下が１０％である。実施例品１の硬質粒子は、硬質粒子全体に対する質量比で、４５μｍ未満が７０％、４５〜６３μｍが３０％である。また、比較例品２の硬質粒子は、全て４５μｍ未満のものである。
そして、上記純Ｎｉ粉末、Ｆｅ−Ｃｒ合金粉末、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉ合金粉末を、表１に示す実施例品１、比較例品１および２の組成となるように混合した。ちなみに、表１に示す組成とする場合、純Ｎｉ粉末を７３．５質量％、Ｆｅ−Ｃｒ合金粉末を１６．５質量％、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉ合金粉末を１０質量％の割合で混合して得た。

原料粉末の混合時には、成形性を高めるために、原料粉末全体の質量の１％分のステアリン酸亜鉛を混合した。このようにして得た混合粉末を成形圧力６ｔ／ｃｍ²で直径３２ｍｍ、長さ３０ｍｍの円柱に成形した。
そして、上記の円柱状の成形物を４００℃に加熱してステアリン酸を十分に脱ろうした後、Ｈ₂＋Ｎ₂の還元雰囲気中で１２００℃にて１時間焼結し、実施例品１および比較例品１および２を得た。

このようにして得た実施例品１、比較例品１および２について、それぞれのマトリックス中に含まれる硬質粒子の粒径と、その硬さとを測定し、その結果を図２に示した。
また、実施例品１、比較例品１および２について、５００℃の試験温度で摩擦摩耗試験を行った。相手材としては、表面を窒化処理してビッカース硬さ１１００ＨＶとしたリング状のステンレス鋼材を使用した。試験は、０．８ＭＰａ、１．２ＭＰａ、１．５ＭＰａの面圧をリングに加えた上で、速度０．６ｍｍ／ｓｅｃの条件で６０分間行った。この摩擦摩耗試験により、摩擦係数および摩耗量について図３に示す結果が得られた。

図２は、マトリックス中に分散させた硬質粒子のマイクロビッカース硬さを測定し（ＨＶ０．０５）、硬質粒子の粒径と硬質粒子の硬さとの関係について整理したものである。横軸は硬質粒子の粒径、縦軸は硬質粒子の硬さである。なお、２つの破線は、特許請求の範囲の粒径範囲を分り易く示したものである。

図２から、マトリックス中の硬質粒子の硬さは、粒径の大きさに関係し、粒径が小さいものほど低硬度であることが理解される。例えば、粒径が６３μｍを超え１５０μｍ以下の範囲では７００〜９００ＨＶ、４５〜６３μｍの範囲では６００〜８００ＨＶと比較的高硬度となっているが、４５μｍ未満では２００〜６００ＨＶの低硬度となっている。特に、粒径が４５μｍ未満の領域では、粒径が小さくなるに従って硬さは急激に低下している。このように粒径が小さくなるにつれて硬質粒子の硬さが低下する理由は、焼結時にマトリックスと硬質粒子との間で生ずる相互拡散による。

この硬質粒子の粒径と硬さとの関係を、実施例品１および比較例品１および２に適用してみると、図１から明らかなように、実施例品１の硬質粒子では、低硬度の粒径４５μｍ未満のものが硬質粒子全体の７０質量％あるが、６００ＨＶ以上の高硬度の４５〜６３μｍのものが硬質粒子全体の３０質量％を占めている。これに対し、比較例品１では、６００ＨＶ以上の高硬度の４５μｍ以上の硬質粒子が硬質粒子全体の６０質量％を占め、比較例品２では、硬質粒子の全部が低硬度の粒径４５μｍ未満のものである。

一方、摩擦摩耗試験の結果を示す図３において、摩擦係数の測定結果（図３（ａ））を見ると、実施例品１、比較例品１および２の３つの試料の間にほとんど差はない。しかしながら、摩耗量の測定（所定面において摩耗した部分の面積を測定）結果（図３（ｂ））を見ると、実施例品１は比較例品１，２に比べて摩耗量が少なく、耐摩耗性に優れていることが理解される。

硬質粒子の硬さからすれば、高硬度である大きな粒径の硬質粒子が多くを占める比較例品１は、実施例品１より低摩耗となると思われたが、実際には、比較例品１は、実施例品よりも摩耗している。これは、粒径６３μｍを越える大きいサイズの硬質粒子が硬質粒子全体の４２質量％存在することによる。この大きいサイズの硬質粒子は、マトリックス中へ均一に分散し難く、且つ脱落し易いため、これが、サイズの大きな硬質粒子を多く含む比較例品１が実施例品１よりも摩耗量が多くなる理由と思われる。

なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施例に限定されるものではなく、以下のような拡張或いは変更が可能である。
マトリックスは、Ｎｉ基合金に限られず、Ｆｅ基合金であっても良い。Ｆｅ基合金としては、Ｃｒを含有するオーステナイト系、マルテンサイト系およびフェライト系のうちのいずれかのステンレス鋼であっても良い。
マトリックス中に分散させるＣｏ基金属間化合物は、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉ系に限られず、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｗ−Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ系およびＦｅ−Ｍｏ系であっても良く、それらの２種以上からなるものであっても良い。
なお、粉末の分級は、上記実施例で使用したメッシュに限られず、他規格のメッシュや、メッシュによる篩い分け以外の方法によって行っても良い。

本発明の実施例を示し、硬質粒子のメッシュの粗さと粒度分布の関係を示すグラフ 焼結後の硬質粒子の硬さと粒径との関係を示すグラフ 摩擦摩耗試験の結果を示すグラフ Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉ系の硬質粒子が酸化した状態を模式的に示す断面図

符号の説明

図面中、１はＮｉ基マトリックス、２は硬質粒子、２ａはＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉの酸化物相、２ｂはＣｏ−Ｃｒの酸化物相、２ｃはＭｏの酸化物相である。

Claims (8)

1. Ｎｉ基合金またはＦｅ基合金からなるマトリックス中に、Ｃｏ基金属間化合物からなる硬質粒子を分散して構成される高温用摺動合金において、
   前記硬質粒子の含有量は、高温用摺動合金全体に対する質量比で１〜３５％であり、且つ、粒径４５〜６５μｍの硬質粒子が硬質粒子全体に対する質量比で２０％以上を占めることを特徴とする高温用摺動合金。
2. 前記硬質粒子は、粒径が７５μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の高温用摺動合金。
3. 前記粒径４５〜６５μｍの硬質粒子が硬質粒子全体に占める割合は、２５〜３５質量％であることを特徴とする請求項１または２記載の高温用摺動合金。
4. 前記粒径４５〜６５μｍの硬質粒子の硬さは、６００〜９００ＨＶであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の高温用摺動合金。
5. 前記Ｎｉ基合金は、高温用摺動合金全体に対する質量比でＣｒ：２〜８％、Ｆｅ：２〜１０％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｏ：１．４〜１１％、残部Ｎｉからなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の高温用摺動合金。
6. 前記Ｆｅ基合金は、Ｃｒを含有するオーステナイト系、マルテンサイト系およびフェライト系のうちのいずれかのステンレス鋼からなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の高温用摺動合金。
7. 前記硬質粒子を構成する前記Ｃｏ基金属間化合物は、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉ系、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｗ−Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ系およびＦｅ−Ｍｏ系のうちのいずれか１種以上からなることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の高温用摺動合金。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の高温用摺動合金を摺動受層として用いた摺動受材と、この摺動受材により受けられる相手材とを備え、
   前記相手材は前記摺動受層との摺接面を有し、その摺接面は、１１００ＨＶ以上であることを特徴とする摺動装置。
   
   

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