JP2015514865A - オーステナイト系鉄マトリクス合金からなる耐熱軸受材料 - Google Patents

オーステナイト系鉄マトリクス合金からなる耐熱軸受材料 Download PDF

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Abstract

本発明は、軸受の表面における個体潤滑作用を得るのに十分な比率を有する硫黄と、軸受の表面に摩耗の低減を得られる比率を有する炭化物と、比率が１重量％から６重量％までの１つ以上の合金元素であるコバルト、ニオブ、レニウム、タンタル、バナジウム、タングステン、ハフニウム、イットリウム及びジルコニウムとを含むオーステナイト系鉄マトリクス合金からなり、さらに、以下の合金元素（重量パーセント）を含む。炭素（Ｃ）＝０．８から１．５、クロム（Ｃｒ）＝２０から３２、マンガン（Ｍｎ）＝０から１．０、シリコン（Ｓｉ）＝１．５から３．５、ニッケル（Ｎｉ）＝１２から２５、モリブデン（Ｍｏ）＝０．５から５．５、ニオブ（Ｎｂ）＝０から３．５、タングステン（Ｗ）＝１．０から６．５、硫黄（Ｓ）＝０．１５から０．５、銅（Ｃｕ）＝０から３．５、窒素（Ｎ）＝０から０．８及び不可避の不純物を含む残りの鉄（Ｆｅ）。

Description

本発明は、請求項１における前段の通り、軸受の表面に個体潤滑作用を得るのに十分な比率を有する硫黄と、軸受の表面に摩耗の低減を得られる比率を有する炭化物と、比率が１重量％から６重量％までの１つ又はそれ以上の合金元素であるコバルト（Ｃｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、レニウム（Ｒｅ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、ハフニウム（Ｈｆ）、イットリウム（Ｙ）及びジルコニウム（Ｚｒ）とを含むオーステナイト系鉄マトリクス合金からなる耐熱軸受材料に関する。
従来から、高性能材料、特に、例えば内燃機関において排ガスの流れを規制するターボ過給器又は排ガス循環装置に用いる軸受の構成要素に用いられる高性能材料が知られている。棒状（ロッド）による力学的構造を用いた電気式又は空気式で外部に設けられたアクチュエータにより機械的に調節される規制装置には、種々の技術思想が用いられている。
ターボ過給器又は排ガス循環装置の内部への進入には、通常、調節用の軸受が使われる。軸受の構成要素は排ガスに直接に接触し、その結果、軸受の構成要素の温度は、９５０℃にもなる。さらにまた、この高温による負荷により、摩擦（ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ）と腐食とが軸受の構成要素同士の境界条件として重要となる。
摩擦による摩耗の作用に関し、制御システム（シャフト）における材料の組み合わせの適合性と、軸受材料における材料の組み合わせとの適合性とは、重要である。従って、異なる種類の摩耗、特に、粘着性又は研摩性の摩耗、及びトライボケミカル（ｔｒｉｂｏｃｈｅｍｉｃａｌ）反応による摩耗又は材料疲労が生じる可能性がある。特定の材料の組み合わせにおいては、その温度が上昇するにつれて、摩耗効果の減少が顕著である。表面に形成された酸化物層は、バリア層として振る舞う。これにより、摩擦が生じる相手との金属接触が妨げられ、とりわけ、粘着性の摩耗が低減する。
さらに、ターボ過給器又は排ガス循環装置における軸受の構成要素は、エンジンルーム内への配置のされ方によって、種々の過酷な環境による影響を受ける。このような状況においては、腐食性の現象が重要な役割を担う。特に、冬期に路上にしばしば撒かれる塩化物の残りを含む泥はねは、軸受の構成要素の表面に損傷を生じさせることになる。その上、近年、これらの環境として且つ身の回りにある腐食作用源である排ガス凝縮物は、より高い頻度で腐食の原因となることが分かってきた。さらに、排ガス循環装置の使用は、排ガス凝縮物によって、腐食の発生率を増大させる結果となる。エンジンが停止した後に、局所的な凝縮が蓄積し、且つ、該局所的な凝縮は、大気中の塩化物と窒素又は硫黄を含む酸化物とによって、塩酸、硝酸又は硫酸に転化される。
国際公開第２００７／１４７７１０号
上記の特許文献１には、軸受の表面に個体潤滑作用を得るのに十分な比率を有する硫黄と、比率が１重量％から６重量％までの１つ又はそれ以上の合金元素であるタングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、レニウム（Ｒｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、ハフニウム（Ｈｆ）、イットリウム（Ｙ）及びジルコニウム（Ｚｒ）と、並びに／又は比較的に高い融点を持つ合金元素とを含むオーステナイト系鉄マトリクス合金から製造された耐熱軸受材料が開示されている。この材料は、ガソリンエンジンと協同する軸受材料として、オーステナイト系マトリクスと共に硫化物に対する効果的な潤滑作用と、変形、腐食及び酸化に対する良好な耐性とによって、都合良く用いられている。この材料の不利な点は、高温下、好ましくは６００℃以上、より好ましくは８５０℃以上で使用される場合に、機能的に信頼性が高くなるように設計されている点である。このことは、この材料の特性が高温下で最も機能的に有効であることを意味する。これに対し、このような軸受材料は、４００℃以下の温度範囲において、より大きな摩耗が生じることになる。
本発明の目的は、高温度範囲、すなわち９５０℃までの温度範囲と共に、４００℃以下の温度範囲においても、格段に低い摩耗発生頻度を要求特性とする、特にターボ過給器及び排ガス循環装置のための軸受材料を提供することにある。
本目的は、軸受の表面に個体潤滑作用を得るのに十分な比率を有する硫黄と、軸受の表面に摩耗の低減を得られる比率を有する炭化物と、比率が１重量％から６重量％までの１つ又はそれ以上の合金元素であるコバルト（Ｃｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、レニウム（Ｒｅ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、ハフニウム（Ｈｆ）、イットリウム（Ｙ）及びジルコニウム（Ｚｒ）とを含むオーステナイト系鉄マトリクス合金からなる耐熱軸受材料であって、以下の付加的合金元素（重量パーセント）によって特徴付けられ且つ達成される。炭素（Ｃ）＝０．８から１．５、クロム（Ｃｒ）＝２０から３２、マンガン（Ｍｎ）＝０から１．０、シリコン（Ｓｉ）＝１．５から３．５、ニッケル（Ｎｉ）＝１２から２５、モリブデン（Ｍｏ）＝０．５から５．５、ニオブ（Ｎｂ）＝０から３．５、タングステン（Ｗ）＝１．０から６．５、硫黄（Ｓ）＝０．１５から０．５、銅（Ｃｕ）＝０から３．５、窒素（Ｎ）＝０から０．８、及び不可避の不純物を含む残りの鉄（Ｆｅ）。
驚くことに、本発明に係る軸受材料は、上記の全ての要求特性を具体化する。すなわち、本材料は、高温度範囲すなわち８５０℃以上で、且つ低温度範囲すなわち４００℃未満において、種々の逆回転（ｃｏｕｎｔｅｒ−ｒｏｔａｔｉｎｇ）材料に対して、極めて低い摩耗しか生じない。従来、軸受材料は、主に高温度範囲における有効性の観点から開発されてきた。その結果、以前の軸受材料は低温度範囲において、より大きく摩耗する傾向があった。
本発明は、潤滑効果が必要な合金中で硫化物を形成できる程度の量の硫黄の比率を提供すると共に、摩耗低減効果が必要な合金中で炭化物を形成できる程度の量の炭素の比率を提供するという包括的な考えに基づいている。合金の構成要素としての炭素は、微細な炭素粒子として沈殿する。これと同時に、合金の構成要素としての炭素は、固体潤滑特性を改善する。すなわち、合金の構成要素としての炭素は、炭化物、又は鉄と合金元素との間の金属間化合物を形成する補助的な物質として機能する。これにより、鉄マトリクスにおいて耐摩耗性が改善される。
本発明によると、硫化物を主とする固体潤滑材と炭化物によって形成される耐摩耗相とを含むオーステナイト系マトリクスによる創作的組み合わせによって、高温度範囲における良好な耐摩耗性及び耐変形性を犠牲にすることなく、重要にも低温度範囲における耐摩耗性を改善できることが判明した。
炭素の添加は炭化物の形成をもたらし、該炭化物は、例えば通常のバルブシートリングの場合のような約４５０℃までの低温度範囲において、摩耗を低減する固相の一類型として機能する。しかしながら、また、一般に、このような炭素の添加は、強度及び耐変形性の観点から、高温特性の重大な劣化をもたらす。例えば、「スティールの鍵（Ｋｅｙ ｔｏ ｓｔｅｅｌ」に纏められた「耐熱鋼（１２ａ）」には、炭素の含有量が０．２重量％よりも大きい材料は挙げられていない。従って、このように高温度範囲で使われる合金に炭素を添加することは、慣用技術と反することになる。その結果、この合金への炭素の添加は、当業者が予期できない驚くべき結果をもたらす。
好ましい実施形態では、硫黄の比率は、少なくとも０．２重量％であり、炭素の比率は、少なくとも０．８重量％であり且つ多くても２．０重量％である。実際に、この好ましい炭化物は、炭素の含有量を０．８重量％程度に低くすることによって、鉄マトリクス中に好適に形成される。これにより、固体潤滑特性、耐摩耗性及び機械強度が改善される。逆に、炭素の含有量が２．０重量％を超えると、マルテンサイト系微細構造が増加して、過剰な硬度となる。その結果、過剰な炭化物のみならず、脆いセメンタイト（Ｆｅ３Ｃ）が形成される。過剰な炭化物及びセメンタイトは、炭素と他の合金の構成要素との間に形成され、鉄マトリクスを脆くする。

Claims (4)

  1. 軸受の表面における個体潤滑作用を得るのに十分な比率を有する硫黄と、軸受の表面に摩耗の低減を得られる比率を有する炭化物と、比率が１重量％から６重量％までの１つ又はそれ以上の合金元素であるコバルト（Ｃｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、レニウム（Ｒｅ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、ハフニウム（Ｈｆ）、イットリウム（Ｙ）及びジルコニウム（Ｚｒ）とを含むオーステナイト系鉄マトリクス合金からなる耐熱軸受材料であって、
    以下の付加的合金元素（重量パーセント）：炭素（Ｃ）＝０．８から１．５、クロム（Ｃｒ）＝２０から３２、マンガン（Ｍｎ）＝０から１．０、シリコン（Ｓｉ）＝１．５から３．５、ニッケル（Ｎｉ）＝１２から２５、モリブデン（Ｍｏ）＝０．５から５．５、ニオブ（Ｎｂ）＝０から３．５、タングステン（Ｗ）＝１．０から６．５、硫黄（Ｓ）＝０．１５から０．５、銅（Ｃｕ）＝０から３．５、窒素（Ｎ）＝０から０．８、及び不可避の不純物を含む残りの鉄（Ｆｅ）を含むことを特徴とする軸受材料。
  2. 請求項１に記載の軸受材料において、
    前記付加的合金元素は、炭素（Ｃ）＝０．９から１．４、クロム（Ｃｒ）＝２１から２８、マンガン（Ｍｎ）＝０．１から１．０、シリコン（Ｓｉ）＝２．０５から３．５、ニッケル（Ｎｉ）＝１４から２３、モリブデン（Ｍｏ）＝１．５から３．５、ニオブ（Ｎｂ）＝１．０から３．０、タングステン（Ｗ）＝２．０から３．５、硫黄（Ｓ）＝０．１５から０．５、銅（Ｃｕ）＝１．０から３．５、窒素（Ｎ）＝０．１から０．８、及び不可避の不純物を含む残りの鉄（Ｆｅ）であることを特徴とする軸受材料。
  3. 請求項１又は２に記載の軸受材料において、
    内燃機関における排ガスの流れを規制するターボ過給器又は排ガス循環装置に用いられる軸受材料。
  4. 内燃機関における排ガスの流れを規制するターボ過給器又は排ガス循環装置に用いる軸受の構成要素は、請求項１又は２に記載の軸受材料により構成される。
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