JP2016153528A

JP2016153528A - 焼結合金配合用合金粉末及び耐摩耗性鉄基焼結合金

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Publication number: JP2016153528A
Application number: JP2016044941A
Authority: JP
Inventors: 学路徳富; Satomichi Tokutomi; 亮田森; Akira Tamori
Original assignee: Nagahama Gokin Co Ltd
Current assignee: Nagahama Gokin Co Ltd
Priority date: 2015-02-18
Filing date: 2016-02-18
Publication date: 2016-08-25

Abstract

【課題】酸化皮膜による潤滑が得られにくい様々な環境においても、優れた耐摩耗性を有する焼結合金配合用合金粉末及び耐摩耗性鉄基焼結合金を提供する。【解決手段】じん性を改善できる成分であるＮｉ，Ｂ，Ｍｎを添加することにより、硬質な金属間化合物相と固溶体相との固着性を改善し、その耐摩耗性を向上した焼結合金配合用合金粉末である。耐摩耗性鉄基焼結合金は、基地中に焼結合金配合用合金粉末を分散させた鉄基焼結合金であって、合金粉末を含む全体の成分組成が、０．３０〜１２．００質量％のＮｂと、０．６４〜２５．６０質量％のＣｏと、０．０６〜２．４０質量％のＳｉと、０．６〜１．０質量％のＣと、Ｆｅ及び不可避不純物とからなることを特徴とする耐摩耗性鉄基焼結合金である。【選択図】なし

Description

本発明は、焼結合金配合用合金粉末及び耐摩耗性鉄基焼結合金に関するものである。本発明の合金は、耐摩耗性が要求される部材に適用することができる。

従来、耐摩耗性鉄基焼結合金は、メタルとメタルが接触する箇所や、潤滑材が行き渡らない箇所、高温のため表面が潤滑できない箇所等に用いられてきた。耐摩耗性鉄基焼結合金としては、表１に示すトリバロイ（登録商標）のＴ−４００やＴ−８００に代表される、Ｍｏを多く含む合金粉末を基地に分散させた焼結合金が知られている。これらの焼結合金は、自動車、船舶、航空機、コンプレッサー等の例えば軸受け部材、ピストン部材、シール部材といった高い耐摩耗性が要求される用途に用いられている。

一方、上記したトリバロイよりも耐摩耗性を向上させた合金の研究がなされている。その合金はＮｂを２０質量％〜４０質量％含み、軟質なコバルト基の固溶体相に、硬質な三元系の金属間化合物相Ｎｂ_２Ｃｏ_３Ｓｉが分散している。Ｎｂは、大気中で４００度以上になると急速に酸化することが知られており、大気中で６００度以上になると酸化するＭｏよりも低い温度で酸化皮膜を生成する。また、ＮｂはＭｏよりも酸化物生成エネルギーが低いため、Ｍｏが酸化被膜を生成しにくい雰囲気であっても酸化被膜を維持し、良好な耐摩耗性を確保できると期待できる。

５２６６６０１号

鉄基焼結合金は、鉄粉、黒鉛粉末、合金粉末などを混練し、その混合粉末をプレス機で成形して成形体とし、その成形体を焼結して製造される。一般的に、Ｆｅ−Ｃ系の場合、パーライト組織等の炭化物組織となることで、硬さが向上する。一方、Ｎｂが黒鉛と反応し、炭化物を生成しやすいことは周知の事実である。このため、鉄基焼結合金の合金粉末として、Ｎｂを多く含む合金粉末を配合した場合、焼結体基地のパーライト量が減ってしまい、焼結合金としての硬さが出ず、耐摩耗性材料として使用できないという問題がある。

本発明は、以上の事情を背景としてなされたものであり、その目的とするところは、酸化皮膜が生成しにくい様々な環境においても、優れた耐摩耗性を有する焼結合金配合用合金粉末及び耐摩耗性鉄基焼結合金を提供することである。

第１発明の焼結合金配合用合金粉末は、２０．０質量％〜４０．０質量％のニオブと、２．６質量％〜１２．７質量％のシリコンと、０．１質量％〜２０．０質量％のニッケルと、コバルト及び不可避不純物とからなることを特徴とする。

第２発明の焼結合金配合用合金粉末は、ニッケル，ホウ素，マンガンからなる群より選択される一の元素と、２０．０質量％〜４０．０質量％のニオブと、２．６質量％〜１２．７質量％のシリコンと、コバルト及び不可避不純物とからなることを特徴とする。

第３発明の焼結合金配合用合金粉末は、試験荷重１ｋｇｆのビッカース硬さが８００〜１２５０であることを特徴とする、請求項１及び請求項２に記載の焼結合金配合用合金粉末である。

第３発明の焼結合金配合用合金粉末においては、溶湯を噴霧化するアトマイズ法で粉末化することができる。

第４発明の耐摩耗性鉄基焼結合金は、基地中に合金粉末を分散させた鉄基焼結合金であって、合金粉末を含む全体の成分組成が、０．３０質量％〜１２．００質量％のＮｂと、０．６４質量％〜２５．６０質量％のＣｏと、０．０６質量％〜２．４０質量％のＳｉと、０．６質量％〜１．０質量％のＣと、Ｆｅ及び不可避不純物とからなることを特徴とする耐摩耗性鉄基焼結合金である。

本発明に係る耐摩耗性鉄基焼結合金により、従来使用されている耐摩耗性鉄基焼結合金では酸化皮膜による潤滑が得られにくい様々な環境においても、優れた耐摩耗性を示すと考えられ、内燃機関や各種産業機械の摺動部材を構成する耐摩耗性鉄基焼結合金に用いることにより、メンテナンス期間の延長や長寿命化を期待できる。

大越式迅速摩耗試験の試験方法を示す概略図である。ニッケル量が摩耗体積と硬さに与える影響を示したグラフである。ニオブ量が摩耗体積と硬さに与える影響を示したグラフである。シリコン量が摩耗体積と硬さに与える影響を示したグラフである。耐摩耗性鉄基焼結合金における実施例の光学顕微鏡写真である。

（焼結合金配合用合金粉末）ニオブは、大気中で４００度以上になると急速に酸化することが知られており、大気中で６００度以上になると酸化するモリブデンよりも低い温度で酸化皮膜を生成することが期待できる。本発明に係わる合金においては、シリコンとコバルトと反応して、硬質な三元系の金属間化合物相Ｎｂ_２Ｃｏ_３Ｓｉを主に形成する。Ｎｂ_２Ｃｏ_３Ｓｉは優れた固体潤滑性を示すため、合金の耐摩耗性に寄与する。ニオブが２０．０質量％未満の場合は、十分なＮｂ_２Ｃｏ_３Ｓｉが得られないため、十分な硬さが得られず、耐摩耗性向上の効果が得られない。また、４０．０質量％を超えると、溶解時に高融点化合物を形成し易くなるため、母合金を使用しなければ溶解が困難となることに加え、溶解におけるニオブの歩留まりも低下する。よって、ニオブ量は２０．０質量％〜４０．０質量％とした。

シリコンは、様々な金属と反応してけい化物を形成するほか、金属の溶解においては、溶湯の流動性を改善させる効果と、脱酸材として働き、酸素量を低減させる効果を持つ。本発明に係わる焼結合金配合用合金粉末においては、ニオブと共にコバルトと反応することにより、硬質な三元系の金属間化合物相Ｎｂ_２Ｃｏ_３Ｓｉを主に形成する。上記した通り、Ｎｂ_２Ｃｏ_３Ｓｉは優れた固体潤滑性を示すため、合金の耐摩耗性向上に寄与する。シリコンが２．６質量％未満の場合は、十分なＮｂ_２Ｃｏ_３Ｓｉが得られないため、十分な硬さが得られず、耐摩耗性向上の効果が得られない。また、１２．７質量％を超えると、Ｎｂ_２Ｃｏ_３Ｓｉのコバルト基固溶体相への固着性が悪化するため、耐摩耗性が不十分となる。よって、シリコン量は２．６質量％〜１２．７質量％とした。

コバルトは、鉄やニッケルと比較して耐摩耗性に優れ、高温強度を付与するためのものである。本発明に係わる焼結合金配合用合金粉末においては、ニオブとシリコンと反応して硬質な三元系の金属間化合物相Ｎｂ_２Ｃｏ_３Ｓｉを形成すると共に、Ｎｂ_２Ｃｏ_３Ｓｉが分散する固溶体相を形成する。

ニッケルは、耐熱性の向上や、じん性の向上を目的に添加される元素である。本発明に係わる焼結合金配合用合金粉末においては、じん性の向上により、硬質な三元系の金属間化合物相Ｎｂ_２Ｃｏ_３Ｓｉとコバルト基固溶体相との固着性を改善させ、摩耗粉の発生を抑制し、アブレシブ摩耗を抑えることができる。ニッケルが０．１質量％未満の場合は、硬質な三元系の金属間化合物相Ｎｂ_２Ｃｏ_３Ｓｉのコバルト基固溶体相への固着性が十分ではないため、耐摩耗性向上の効果が得られない。また、２０質量％を超えると、じん性が向上することにより、合金塊を粉砕して合金粉末を製造する場合において、粉砕ができなくなる。加えて、硬さも８００以下に低下する。よって、ニッケル量は０．１質量％〜２０質量％とした。

また、ニッケル添加の代替技術として、ホウ素添加があげられる。ホウ素は、０．００１質量％〜１．０質量％未満の微量添加で、結晶粒の微細化や焼き入れ性の向上，高温でのじん性を改善させる元素である。本発明に係わる焼結合金配合用合金粉末においても、ホウ素添加によって、硬質な三元系の金属間化合物相Ｎｂ_２Ｃｏ_３Ｓｉのコバルト基固溶体相への固着性を改善できるものと期待できる。過剰に添加すると、ほう化物を形成し、ケイ化物の安定性が損なわれ、耐摩耗性が低下すると考えられる。

さらに、ニッケル添加の代替技術として、マンガン添加もあげられる。マンガンは、数％程度の添加で、じん性や引張強さを改善させる元素である。本発明に係わる焼結合金配合用合金粉末においても、マンガン添加によって、硬質な三元系の金属間化合物相Ｎｂ_２Ｃｏ_３Ｓｉのコバルト基固溶体相への固着性を改善できるものと期待できる。過剰に添加しても、その効果は飽和すると考えられる。

合金の粉末化については、溶湯を凝固させた凝固体を機械的粉砕で粉末化しても良いし、アトマイズ法で粉末化しても良い。合金粉末の粒子サイズについては、１０μｍ〜１８０μｍとするのが望ましい。但し、これに限定されるものではない。

（耐摩耗性鉄基焼結合金）本発明の耐摩耗性鉄基焼結合金は、鉄基からなる基地と基地中に分散した合金粉末から構成される。鉄基からなる基地としては、パーライトを含む組織を採用することができる。パーライトを含む基地組織としては、パーライト組織，パーライト＋フェライト系の混合組織，パーライト＋セメンタイト系の混合組織，パーライト＋オーステナイト系の混合組織にすることができる。配合する合金粉末については、表２の試料Ｎｏ．１と試料Ｎｏ．３の粉砕粉を使用した。また、合金粉末の配合量を１質量％，１５質量％，３０質量％，４０質量％，５０質量％に変更して圧粉成形体を作製した結果、配合量が４０質量％を超えると、圧粉成形体の強度が低下し、崩れやすくなった。このため、配合量の上限を４０質量％とした。合金粉末の配合量が１質量％，１５質量％，３０質量％，４０質量％の焼結体の金属組織においては、基地組織がパーライトを含む基地組織となった。上記理由により、耐摩耗性鉄基焼結合金の成分組成は、０．３０質量％〜１２．００質量％のＮｂと、０．６４質量％〜２５．６０質量％のＣｏと、０．０６質量％〜２．４０質量％のＳｉと、０．６質量％〜１．０質量％のＣと、Ｆｅ及び不可避不純物とからなることを特徴とする。

（焼結合金配合用合金粉末）表２に示すＮｏ．１〜２２の試料について、板状の試料を作製し、大越式迅速摩耗試験及びビッカース硬度（ＨＶ１）の測定を行った。板状の試料の作製方法を以下に示す。最初に、高周波遠心鋳造によってインゴットを作製し、そのインゴットについて、９００度で３０分間、焼きなましを行った。焼きなまし後の試料について、所定の寸法に加工し、その表面粗さを６．３Ｚ以下として、板状の試料とした。なお、ビッカース硬度（ＨＶ１）については、鏡面仕上げとした試料を用いて測定した。

上記した板状の試料を用いて、大越式迅速摩耗試験及びビッカース硬度（ＨＶ１）の測定を行った。大越式迅速摩耗試験は、図１の概略図に示すように、リング状の相手材５１に、板状の試料５０を所定の荷重（１０ｋｇｆ）で押し当てた状態で、リング状の相手材５１を回転させることを１０分間継続させる試験である（リング回転速度：１ｍ／ｓ）。リング状の相手材にはＳ４５Ｃを用い、その表面粗さを１２．５Ｚ以下とした。

摩耗体積については、数１に示す式より算出した。
ここで、Ｗ：摩耗体積（ｍｍ^３），Ｂ：リングの厚み（ｍｍ），ｂ：摩耗痕の幅（ｍｍ），ｒ：リングの半径（ｍｍ）である。

大越式迅速摩耗試験の結果を図２〜図４に示す。

図２は、ニッケル量を変化させた試料の摩耗体積と硬さを示している。ニッケル量が０．１質量％未満の場合は、硬質な三元系の金属間化合物相Ｎｂ_２Ｃｏ_３Ｓｉのコバルト基固溶体相への固着性が十分ではないため、耐摩耗性向上の効果が得られない。また、２０質量％を超えると、じん性が向上することにより、合金塊を粉砕して合金粉末を製造する場合において、粉砕ができなくなる。加えて、硬さも８００未満に低下する。よって、ニッケル量は０．１質量％〜２０質量％とした。

図３は、ニオブ量を変化させた試料の摩耗体積と硬さを示している。ニオブ量が２０．０質量％未満では、固体潤滑性を持つＮｂ_２Ｃｏ_３Ｓｉの形成量が不十分であるため、硬さ（ＨＶ１）が８００未満と低くなり、耐摩耗性が不十分となる。４０．０質量％を超えると、固体潤滑性を持つＮｂ_２Ｃｏ_３Ｓｉの形成量が増えるため、硬さ（ＨＶ１）が１２５０まで高くなり、良好な耐摩耗性が得られるが、溶解時に高融点化合物を形成し易くなるため、母合金を使用しなければ溶解が困難となる。さらに、溶解におけるニオブの歩留まりも低下する。このため、ニオブ量は上記した範囲とした。

図４は、シリコン量を変化させた試料の摩耗体積と硬さを示している。シリコン量が２．６質量％未満では、固体潤滑性を持つＮｂ_２Ｃｏ_３Ｓｉの形成量が不十分であるため、硬さ（ＨＶ１）が８００未満と低くなり、耐摩耗性が不十分となる。１２．７質量％を超えると、固体潤滑性を持つＮｂ_２Ｃｏ_３Ｓｉのコバルト基固溶体相への固着性が悪化するため、耐摩耗性が不十分となる。このため、シリコン量を上記した範囲とした。

粉末化の方法としては、高周波遠心鋳造によって作製したインゴットについて、９００度で３０分間、焼きなましを行い、焼きなまし後の試料を機械的粉砕で粉末化した。粉砕の手順としては、粗粉砕をジョークラッシャーにより行った後、ハンマークラッシャーにより中粉砕を行い、微粉砕を振動ミルにて行った。粉末のサイズ調整については、振動ふるいにより行い、そのサイズを−１８０μｍとした。

（耐摩耗性鉄基焼結合金）焼結合金配合用合金粉末として、上記方法により、試料Ｎｏ．１及び試料Ｎｏ．３の粉砕粉を準備し、耐摩耗性鉄基焼結合金を作製した。表３に混合粉末の配合を示す。混合粉末作製後、混合粉末を金型に充填させ、７ｔ／ｃｍ^２の圧力で加圧成形し、圧粉成形体を作製した。次に、この圧粉成形体を焼結した。焼結は１１２０℃で４０分間行い、焼結雰囲気は５％水素−アルゴン雰囲気とした。

作製した焼結体の金属組織について、その代表例を図５に示す。基地の組織が炭化物相、主にパーライトとなっており、その基地中に合金粉末が分散していることが観察された。本焼結合金は、Ｎｂを多く含む合金粉末がＦｅ−Ｃ系の基地に分散している、これまでにない構成の耐摩耗性鉄基焼結合金である。

本発明に係る耐摩耗性鉄基焼結合金は、酸化物生成エネルギーが低いＮｂを多く含む合金粉末が、パーライトを主とする炭化物相の基地に分散した焼結合金であることから、優れた固体潤滑性を示すと期待できる。例えば、内燃機関の摺動部分の摺動部材や各種産業機械の摩耗箇所に用いられる鉄基焼結合金に適用できる可能性がある。

また、本発明に係わる焼結合金配合用合金粉末として、表４の合金粉末が考えられる。これらの合金粉末を焼結合金に配合しても良い。但し、その用途は焼結合金配合用合金粉末に限定しない。

５０板状の試料
５１リング状の相手材

Claims

２０．０質量％〜４０．０質量％のニオブと、２．６質量％〜１２．７質量％のシリコンと、０．１質量％〜２０．０質量％のニッケルと、コバルト及び不可避不純物とからなることを特徴とする焼結合金配合用合金粉末。
ニッケル，ホウ素，マンガンからなる群より選択される一の元素と、２０．０質量％〜４０．０質量％のニオブと、２．６質量％〜１２．７質量％のシリコンと、コバルト及び不可避不純物とからなることを特徴とする焼結合金配合用合金粉末。
試験荷重１ｋｇｆのビッカース硬さが８００〜１２５０であることを特徴とする、請求項１及び請求項２に記載の焼結合金配合用合金粉末。
溶湯を噴霧化するアトマイズ法で粉末化することを特徴とする、請求項３に記載の焼結合金配合用合金粉末の製造方法。
基地中に合金粉末を分散させた鉄基焼結合金であって、合金粉末を含む全体の成分組成が、０．３０質量％〜１２．００質量％のＮｂと、０．６４質量％〜２５．６０質量％のＣｏと、０．０６質量％〜２．４０質量％のＳｉと、０．６質量％〜１．０質量％のＣと、Ｆｅ及び不可避不純物とからなることを特徴とする耐摩耗性鉄基焼結合金。