JP2019151913A - Sliding member and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、摺動部材およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a sliding member and a manufacturing method thereof.
自動車のクランクシャフト等で使用される摺動部材には、耐摩耗性に加えて、低燃費化の観点から優れた摺動特性が要求されており、特に部材表面における摩擦の低減が求められている。 Sliding members used in automobile crankshafts and the like are required to have excellent sliding characteristics from the viewpoint of fuel efficiency in addition to wear resistance, and in particular, reduction of friction on the member surface is required. Yes.
通常の鉄鋼材料において、無潤滑油環境(ドライ環境)または潤滑油環境下で摺動させる場合に焼き付きが問題になる場合が多い。そのため、様々な手法で焼き付きを防ぐための対策が採られる。例えば、ドライ環境ではDLC成膜またはPTFE系のフッ素樹脂によるコーティングによる対策が採られる。 In ordinary steel materials, seizure often becomes a problem when sliding in a non-lubricating oil environment (dry environment) or a lubricating oil environment. Therefore, various measures are taken to prevent burn-in. For example, in a dry environment, measures are taken by DLC film formation or coating with PTFE fluororesin.
また、特許文献1では、高速回転、高荷重下で使用されても、摺動部材自身および相手シャフト材の摩耗がともに少ない耐久性、信頼性に優れた摺動部材が開示されている。さらに、特許文献2では、耐焼付性と耐摩耗性に優れた摺動部品用めっき皮膜並びにそのめっき皮膜で被覆された摺動用部品が開示されている。
Further,
そして、特許文献3では、安価な固体潤滑膜を用いても固体潤滑膜と部材との密着力が低下せず、長時間にわたって低摩擦係数が得られ、しかも高い耐摩耗性が保持できる固体潤滑膜付き部材が開示されている。
In
一般に、鋼材部品または鋼材表面への焼き付き現象は、摺動時に発生する磨耗粉に由来する等の物理的要因の他、高温かつ高圧環境下で摺動界面にて発生する化学的要因(例えば、摺動相手材の移着または凝着など化学反応に起因すると思われる異種材の発生)に支配される。すなわち、物理的または化学的要因が複雑に入り組んだ結果、焼き付き現象が発生する。 In general, seizure phenomenon on steel parts or steel surfaces is caused by chemical factors (for example, at the sliding interface in a high temperature and high pressure environment in addition to physical factors such as those derived from wear powder generated during sliding) It is governed by the generation of dissimilar materials that may be caused by chemical reactions such as transfer or adhesion of the sliding material. That is, a burn-in phenomenon occurs as a result of complicated and complicated physical or chemical factors.
上述のDLC成膜を鋼材部品表面へ施した場合、良好な表面性状は得られる。しかし、摺動時の高温高圧環境では、不測の熱衝撃および応力集中が懸念される。DLC成膜は、かかる環境に十分抗すると言えないのが現状である。また、上述のフッ素樹脂コーティングは利便性が高く、低コストの表面処理方法であるものの、フッ素樹脂の内部に形成されるピンホールが原因と思われる早期腐食劣化の他、高温環境下では毒性のある危険ガスが発生し易い等の環境的懸念がある。このように、上述の方法では、鋼材表面の焼き付き現象を十分に抑制し、良好な摺動性能を維持するのには限界がある。 When the above-described DLC film formation is performed on the surface of the steel part, good surface properties can be obtained. However, there are concerns about unexpected thermal shock and stress concentration in a high temperature and high pressure environment during sliding. At present, DLC film formation cannot be said to sufficiently resist such an environment. Although the above-mentioned fluororesin coating is a convenient and low-cost surface treatment method, it is toxic in high-temperature environments in addition to premature corrosion degradation that may be caused by pinholes formed inside the fluororesin. There are environmental concerns such as the possibility of certain hazardous gases. As described above, the above-described method has a limit in sufficiently suppressing the seizure phenomenon on the steel surface and maintaining good sliding performance.
また、特許文献1および2では、基材の表面にめっきによる皮膜を形成しているため、皮膜の厚さが数μm以上と厚い。そのため、皮膜が摺動時に剥離するおそれがある。そのため、皮膜の持続性に問題がある。
Moreover, in
特許文献3に記載の固体潤滑膜付き部材によれば、固体潤滑膜と部材との密着性が低下しないため、長時間にわたって低摩擦係数が得られ、しかも高い耐摩耗性が保持できるとされている。しかし、表面の固体潤滑膜が摩耗した場合、凹みに堆積している固体潤滑膜が掘り起こされ、染み出すとされているが、その際に露出した基材が相手材と接触する可能性があるため、摺動特性が維持できない可能性が考えられる。
According to the member with a solid lubricating film described in
本発明は上記の問題を解決し、摩擦を低減するとともに、その状態を長時間維持することが可能な摺動部材およびその製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above problems, to provide a sliding member capable of reducing friction and maintaining the state for a long time, and a manufacturing method thereof.
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、下記の摺動部材およびその製造方法を要旨とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides the following sliding member and a manufacturing method thereof.
(1)鋼からなる基材と、該基材の表面に形成される合金層と、を備え、
前記基材の表層部には、直径が0.01μm〜2.0mmであり、Sn、BiおよびInから選択される1種以上を含む金属粒子が50.0個/cm2以上の個数密度で分散する分散層が存在し、
前記分散層の厚さは、20.0〜2000μmであり、
前記合金層は、Sn、BiおよびInから選択される1種以上と、Feとを含み、Sn、BiおよびInの合計含有量が、質量%で、10.0〜75.0%であり、かつ厚さが3.0〜100nmである、
摺動部材。
(1) A base material made of steel and an alloy layer formed on the surface of the base material,
The surface layer portion of the base material has a diameter of 0.01 μm to 2.0 mm, and has a number density of 50.0 / cm 2 or more of metal particles including one or more selected from Sn, Bi, and In. There is a dispersion layer to disperse,
The thickness of the dispersion layer is 20.0 to 2000 μm,
The alloy layer includes at least one selected from Sn, Bi and In and Fe, and the total content of Sn, Bi and In is 10.0 to 75.0% in mass%, And the thickness is 3.0 to 100 nm,
Sliding member.
(2)前記合金層の表面に形成され、Sn、BiおよびInから選択される1種以上からなる金属層をさらに備える、
上記(1)に記載の摺動部材。
(2) It further includes a metal layer formed on the surface of the alloy layer and made of one or more selected from Sn, Bi and In.
The sliding member according to (1) above.
(3)前記基材の肉厚中央部におけるSn、BiおよびInの含有量が、いずれも質量%で、0.01%以下である、
上記(1)または(2)に記載の摺動部材。
(3) The contents of Sn, Bi, and In in the thickness center portion of the base material are all mass% and 0.01% or less.
The sliding member according to the above (1) or (2).
(4)上記(1)から(3)までのいずれかに記載の摺動部材を製造する方法であって、
鋼からなる基材の表面を300〜800℃の温度範囲まで加熱する、加熱工程と、
加熱された前記表面に対して、Sn、BiおよびInから選択される1種以上を含む金属微粒子をピーニングする、ピーニング工程と、を備える、
摺動部材の製造方法。
(4) A method for producing the sliding member according to any one of (1) to (3) above,
Heating a surface of a base material made of steel to a temperature range of 300 to 800 ° C .;
A peening step of peening metal fine particles containing one or more selected from Sn, Bi and In on the heated surface.
Manufacturing method of sliding member.
(5)前記金属微粒子の平均粒径が30〜500μmである、
上記(4)に記載の摺動部材の製造方法。
(5) The average particle diameter of the metal fine particles is 30 to 500 μm.
The manufacturing method of the sliding member as described in said (4).
(6)前記金属微粒子は、鋼からなる微粒子の表面がSn、BiおよびInから選択される1種以上によって被覆されている、
上記(4)または(5)に記載の摺動部材の製造方法。
(6) In the metal fine particles, the surface of fine particles made of steel is coated with one or more selected from Sn, Bi, and In.
The manufacturing method of the sliding member as described in said (4) or (5).
(7)前記加熱工程において、高周波誘導加熱によって前記表面を加熱する、
上記(4)から(6)までのいずれかに記載の摺動部材の製造方法。
(7) In the heating step, the surface is heated by high frequency induction heating.
The manufacturing method of the sliding member in any one of said (4) to (6).
本発明によれば、摺動特性に優れ、かつその状態が長時間持続する摺動部材を得ることが可能である。 According to the present invention, it is possible to obtain a sliding member that is excellent in sliding characteristics and that maintains its state for a long time.
図1は、本発明の一実施形態に係る摺動部材の概略構成を示す図である。図1を参照して、本発明の一実施形態に係る摺動部材10は、基材1、合金層2および金属層3を備える。合金層2は基材1の表面に形成され、さらに金属層3は合金層2の表面に形成される。なお、金属層3は形成されていなくてもよい。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a sliding member according to an embodiment of the present invention. With reference to FIG. 1, a sliding
合金層2は、Sn、BiおよびInから選択される1種以上と、Feとを含む。また、Sn、BiおよびInの合計含有量が、質量%で、10.0〜75.0%である。具体的には、合金層2は、SnおよびFeを含む合金、BiおよびFeを含む合金、InおよびFeを含む合金、またはSn、BiおよびInから選択される2種または3種ならびにFeを含む合金によって構成される。そして、合金層2の厚さは3.0〜100nmである。
The
なお、ここでいう合金とは、複数の金属原子を含むことを意味しており、必ずしも原子レベルで格子状に規則的に配列していることには限定されない。これは、オージェ電子分光分析装置など高解像度の表面分析装置であっても、深さ方向、面方向それぞれ1nm程度の平均情報としてしか得られないためである。例えば、分散層の上にサブナノオーダーのSn、BiおよびInから選択される1種以上の金属層が形成される場合であっても、実際の表面では粗さがあり、かつこれらの層の膜厚は必ずしも均一ではないため、分析では下地のFeを含む情報として得られ、結果的に上述のように複数の金属原子を含む層と表現されることになる。 In addition, the alloy here means containing a plurality of metal atoms, and is not necessarily limited to being regularly arranged in a lattice form at the atomic level. This is because even a high-resolution surface analyzer such as an Auger electron spectroscopic analyzer can only obtain average information of about 1 nm in the depth direction and the surface direction. For example, even when one or more metal layers selected from sub-nano-order Sn, Bi and In are formed on the dispersion layer, the actual surface is rough and the films of these layers Since the thickness is not necessarily uniform, it is obtained as information including the underlying Fe in the analysis, and as a result, it is expressed as a layer including a plurality of metal atoms as described above.
Sn、BiおよびInは非常に軟質な金属であり、それを含む合金も軟質である。そのため、基材1の表面に軟質な合金層2が形成されていることによって、合金層2が潤滑皮膜としての役割を果たす。その結果、摺動相手となる部材(「相手部材」ともいう。)との摩擦が低減し、基材1の摺動特性を向上させることが可能となる。
Sn, Bi and In are very soft metals, and alloys containing them are also soft. Therefore, when the
合金層2の厚さが3.0nm未満では摺動特性の向上効果が不十分となる。一方、厚さが100nmを超えると、摺動相手となる部材との接触抵抗が上昇し、摺動特性が劣化する。
If the thickness of the
金属層3はSn、BiおよびInから選択される1種以上からなるものである。すなわち、純Sn、純Bi、純In、SnおよびBiの合金、SnおよびInの合金、BiおよびInの合金、ならびにSn、BiおよびInの合金が含まれる。金属層3が合金層2の表面に形成されることにより、さらなる摩擦の低減が可能となる。なお、ここでいう「合金」とは、Sn、BiおよびInから選択される2種または3種の金属が混ざり合ったものを指し、必ずしも相互溶解している必要はない。
The
上述のように、金属層3は形成されなくてもよいが、形成される場合には、その厚さが過剰であると却って摺動特性が劣化するおそれがある。そのため、金属層3の厚さは1000μm以下とすることが好ましい。一方、下限は特に制限はないが、金属層3による摩擦の低減効果を得たい場合には、例えば、3.0μm以上とすることができる。
As described above, the
また、基材1の表層部には、Sn、BiおよびInから選択される1種以上を含む金属粒子1aが分散する分散層1bが存在する。なお、本発明において、分散層1bとは、直径(円相当径)が0.01μm〜2.0mmである金属粒子1aが50.0個/cm2以上の個数密度で分散する層を指すものとする。また、分散層1bの厚さは20.0〜2000μmである。
Further, in the surface layer portion of the
金属粒子1aは全てが同一成分である必要はない。例えば、全ての金属粒子がSn、BiおよびInから選択される2種または3種を含んでいてもよいし、Snを含む金属粒子、Biを含む金属粒子、Inを含む金属粒子が別々に分散していてもよい。その場合は、Snを含む金属粒子、Biを含む金属粒子、Inを含む金属粒子の合計個数密度が50.0個/cm2以上で分散する層を分散層1bとする。
The
潤滑皮膜として機能する合金層2および金属層3は、相手部材との摺動により消耗する。金属層3は摺動の初期に消費される。しかしながら、分散層1bからSn、BiおよびInの1種以上とFeとが基材の表面へと拡散することにより、合金層2が再生され、長時間にわたって維持されるようになる。Sn、BiおよびInは常温環境下においても、速やかに基材1の表面に拡散する特性を有する。
The
分散層1b中における金属粒子1aの直径が0.01μm未満では、合金層2の再生に寄与しにくい。一方、2.0mmを超えると、個数密度を50.0個/cm2以上とすることが困難となる。
If the diameter of the
また、分散層1bの厚さが20.0μm未満では、供給できるSn、BiおよびInから選択される1種以上の量が少なく、合金層2を長時間維持することが難しくなる。一方、厚さが2000μmを超えると、基材1の表層部における機械特性が劣化するおそれがある。そのため、分散層1bの厚さは20.0〜2000μmとする。
If the thickness of the
基材1は鋼からなる。鋼としては、例えば、フェライト鋼、オーステナイト鋼、マルテンサイト鋼、または二相以上の組織を有する鋼等を用いることができる。また、組織中の析出物等の分散・固溶状態についても制限はない。
The
なお、Sn、BiおよびInは、表面に偏析しやすいだけでなく、結晶粒界にも偏析しやすい傾向がある。そのため、これらの元素が基材1中に多量に含有されると、基材1の結晶粒界に偏析し、脆性破壊および粒界腐食などが生じる原因となる。そのため、これらの元素が多量に含まれる領域は、基材1の表層部のみに限定することが好ましい。すなわち、基材1の肉厚中央部においては、Sn、BiおよびInの含有量は、いずれも質量%で、0.01%以下であることが好ましい。
Note that Sn, Bi, and In tend to segregate not only on the surface but also on the grain boundaries. Therefore, if these elements are contained in a large amount in the
上記の構造を有する摺動部材10を製造する方法について、特に制限はないが、例えば、以下に示す方法により製造することができる。
Although there is no restriction | limiting in particular about the method of manufacturing the sliding
本発明の一実施形態に係る摺動部材10の製造方法は、鋼からなる基材1の表面を300〜800℃の温度範囲まで加熱する、加熱工程と、加熱された基材1の表面に対して、Sn、BiおよびInから選択される1種以上を含む金属微粒子11をピーニングする、ピーニング工程と、を備える。
The manufacturing method of the sliding
図2は、本発明の一実施形態に係る摺動部材の製造方法を説明するための概念図である。図2を参照して、高温に加熱した基材1の表面に対して、金属微粒子11をピーニングすることにより、基材1の内部にSn、BiおよびInから選択される1種以上を含む金属粒子1aを物理的に分散させることができる。そして、その結果、基材1の表層部に分散層1bが形成され、基材1の表面に合金層2が形成される。また、ピーニング時間に応じて、合金層2の表面にはさらに金属層3が形成される。
Drawing 2 is a key map for explaining the manufacturing method of the sliding member concerning one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, a metal containing one or more selected from Sn, Bi, and In in the interior of
基材1の表面温度が300℃未満では、基材1が十分に軟化せず、ピーニングによる表層部の変形および折り畳み効果が不十分となり、上述の規定を満足する分散層1bを形成することが難しくなる。一方、表面温度が800℃を超えると、金属微粒子11が表面に衝突するのと同時に溶融して表面を覆い、ピーニング効果が得られず、上記と同様に、上述の規定を満足する分散層1bを形成することが難しくなる。また、表面温度が高すぎる場合、形成された分散層1bからSn、BiおよびInの1種以上が直ちに表面偏析してしまい、分散層1bが消滅してしまうおそれがある。
When the surface temperature of the
基材1の表面の加熱方法については特に制限はなく、例えば、高周波誘導加熱を採用することができる。
There is no restriction | limiting in particular about the heating method of the surface of the
また、金属微粒子11の大きさについて、特に制限は設けないが、Sn、BiおよびInから選択される1種以上の内部への拡散効果を十分に発揮するためには、平均粒径が30〜500μmであることが好ましい。
Further, the size of the metal
Sn、BiおよびInは軟質であることから、純Sn、純Bi、純In等をピーニングしても、基材の内部まで拡散させることは困難である。そのため、例えば、鋼からなる微粒子の表面がSn、BiおよびInから選択される1種以上によって被覆されている粒子を、ピーニング用の金属微粒子11として用いることが好ましい。
Since Sn, Bi, and In are soft, it is difficult to diffuse the inside of the base material even when peening pure Sn, pure Bi, pure In, or the like. Therefore, for example, it is preferable to use, as the
例えば、鋼球と純Sn、純Biおよび純Inから選択される1種以上の粒子をボールミル内で混合させることによって、鋼球の表面をSn、BiおよびInから選択される1種以上によって被覆することができる。この際、鋼球と純Snの粒子、純Biの粒子および純Inの粒子を同じボールミル内で混合させることで、表面にSn、BiおよびInが被覆した鋼球を用意してもよい。また、表面にSnが被覆した鋼球、表面にBiが被覆した鋼球および表面にInが被覆した鋼球を別々に用意したうえで、混合して使用してもよい。さらに、鋼球の表面への純Sn、純Biおよび純Inから選択される1種以上の被覆は、電解もしくは無電解の粉末めっき、または各種蒸着によって行ってもよい。 For example, the surface of a steel ball is coated with one or more types selected from Sn, Bi and In by mixing a steel ball and one or more types of particles selected from pure Sn, pure Bi and pure In in a ball mill. can do. At this time, a steel ball whose surface is coated with Sn, Bi, and In may be prepared by mixing steel balls, pure Sn particles, pure Bi particles, and pure In particles in the same ball mill. Alternatively, a steel ball coated with Sn on the surface, a steel ball coated with Bi on the surface, and a steel ball coated with In on the surface may be separately prepared and used. Further, one or more types of coating selected from pure Sn, pure Bi and pure In may be applied to the surface of the steel ball by electrolytic or electroless powder plating or various vapor depositions.
ピーニング時間についても特に制限はないが、10〜300秒とすることが好ましい。ピーニング時間が10秒未満では、分散層の形成が不十分となるおそれがある。一方、ピーニング時間が300秒を超えると、金属層3の厚さが過剰になるだけでなく、金属層3の表面の酸化が進み、潤滑性が低下するおそれがある。
The peening time is not particularly limited, but is preferably 10 to 300 seconds. If the peening time is less than 10 seconds, the formation of the dispersion layer may be insufficient. On the other hand, when the peening time exceeds 300 seconds, not only the thickness of the
また、同様に、金属層3の酸化を防止する観点から、ピーニング工程は窒素雰囲気等の不活性ガス中で行うことが好ましく、金属微粒子11も不活性ガスによって吹き付けることが好ましい。これにより、金属微粒子11自体の酸化も防止することが可能となる。
Similarly, from the viewpoint of preventing oxidation of the
なお、基材1の鋳込み段階でSn、BiおよびInから選択される1種以上を添加したとしても、二層に分離し、基材1中にSn、BiおよびInから選択される1種以上を含む金属粒子1aを分散させることは容易ではない。上述の方法によって摺動部材10を製造することで、基材1の表層部のみに金属粒子1aを分散させることができるため、基材の機械特性を劣化させることなく、部材の摺動特性を向上させることが可能となる。
Even if one or more selected from Sn, Bi and In are added at the casting stage of the
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention more concretely, this invention is not limited to these Examples.
試験材には4品種のJIS規格相当品を用いた。すなわち、JIS G 4051(2009)に規定されている機械構造用炭素鋼のS45C鋼(0.42C−0.20Si−0.70Mn−0.01S−0.10Cr)、JIS G 5111(1991)に規定されている構造用高張力炭素鋼のSCMn3鋼(0.38C−0.53Si−1.50Mn−0.01P−0.01S)、JIS G 4053(2016)に規定されている機械構造用炭素鋼のSCM435鋼(0.35C−0.20Si−0.75Mn−0.10Ni−1.00Cr−0.20Mo)、JIS G 4404(2006)に規定されている合金工具鋼鋼材のSKD11鋼(1.50C−0.20Si−0.40Mn−0.01P−0.01S−12.0Cr−1.00Mo−0.30V)である。 Four types of JIS standard products were used as test materials. That is, in S45C steel (0.42C-0.20Si-0.70Mn-0.01S-0.10Cr) of carbon steel for mechanical structure specified in JIS G 4051 (2009), JIS G 5111 (1991). SCM3 steel (0.38C-0.53Si-1.50Mn-0.01P-0.01S), a structural high-strength carbon steel that is specified, carbon for mechanical structure specified in JIS G 4053 (2016) Steel SCM435 (0.35C-0.20Si-0.75Mn-0.10Ni-1.00Cr-0.20Mo), alloy tool steel SKD11 steel (1) defined in JIS G 4404 (2006) .50C-0.20Si-0.40Mn-0.01P-0.01S-12.0Cr-1.00Mo-0.30V).
S45C鋼については、焼入れ材(870℃から水冷)および焼鈍し材(810℃から炉冷)の2種類を、SCMn3鋼については、焼入れ焼戻し材(1000℃から油焼入れ後、400℃で焼戻し)を用いた。また、SCM435鋼は焼入れ焼戻し材(900℃から油焼入れ後、600℃で焼戻し)を、SKD11鋼は焼入れ焼戻し材(焼入れ:1030℃から空冷、低温焼戻し:180℃から空冷)を用いた。試験材は、機械加工によりディスク形状(直径15mm×厚さ4mm)とした後、後述する被膜処理面については、さらに鏡面に仕上げた。 For S45C steel, two types of quenching material (from 870 ° C. to water cooling) and annealing material (from 810 ° C. to furnace cooling), for SCMn3 steel, quenching and tempering material (from 1000 ° C. after oil quenching and tempering at 400 ° C.) Was used. The SCM435 steel used a quenching and tempering material (from 900 ° C. after oil quenching and tempering at 600 ° C.), and the SKD11 steel was a quenching and tempering material (quenching: air cooling from 1030 ° C., low temperature tempering: air cooling from 180 ° C.). The test material was formed into a disk shape (diameter: 15 mm × thickness: 4 mm) by machining, and the coating surface to be described later was further finished to a mirror surface.
続いて、高周波電源、加熱用高周波誘導加熱(以下、「IH」という。)コイルおよび出力制御盤を微粒子ピーニング(以下、「FPP」という。)装置と組み合わせた装置を用いて、試験材に対して被膜処理を行った。すなわち、本実施例で用いる装置は、金属微粒子投射用ノズル(内径6mm)を有するFPP装置の内部に、円筒状のIHコイル(内径40mm、巻き数4、幅35mm)を備えている。 Subsequently, the test material was tested using a device in which a high frequency power source, a heating high frequency induction heating (hereinafter referred to as “IH”) coil and an output control panel were combined with a fine particle peening (hereinafter referred to as “FPP”) device The film was processed. In other words, the apparatus used in this example includes a cylindrical IH coil (inner diameter: 40 mm, winding number: 4, width: 35 mm) inside an FPP apparatus having a metal fine particle projection nozzle (inner diameter: 6 mm).
耐火レンガの上に設置した試験材をIHコイルの内側に設置することで、非接触により試験材を加熱した。そして、試験材の表面を表1に示す温度まで1秒以内で加熱し、その温度で保持しながら、当該表面に対してFPP処理を施した。そして、金属微粒子の噴射を止め、ノズル先端から供給される圧縮気体で急冷した。なお、この処理は窒素雰囲気制御下で実施した。 By placing the test material installed on the refractory brick inside the IH coil, the test material was heated in a non-contact manner. Then, the surface of the test material was heated to the temperature shown in Table 1 within 1 second, and the FPP treatment was performed on the surface while maintaining the temperature. Then, the injection of the metal fine particles was stopped and quenched with the compressed gas supplied from the nozzle tip. This treatment was performed under nitrogen atmosphere control.
粒子投射の供給量は2.0g/秒、噴射圧力は0.54MPa、噴射間距離は100mmとし、表1に示す時間噴射した。噴射に供した金属微粒子には、鋼球にSnを被覆したものを用いた。具体的には、平均粒径が100μmの鋼球(1.00C−0.50Si−0.6Mn、Hv800)およびSn粒子(直径100μm、純度99.99%)をボールミル内で100rpmにて2時間混合することによって、鋼球にSnを約10μmの厚みで被覆した。 The supply amount of the particle projection was 2.0 g / sec, the injection pressure was 0.54 MPa, the distance between injections was 100 mm, and the injection was performed for the time shown in Table 1. As the metal fine particles subjected to injection, steel balls coated with Sn were used. Specifically, steel balls (1.00C-0.50Si-0.6Mn, Hv800) having an average particle diameter of 100 μm and Sn particles (diameter 100 μm, purity 99.99%) were placed in a ball mill at 100 rpm for 2 hours. By mixing, Sn was coated with Sn to a thickness of about 10 μm.
なお、試験No.14の試験材については、FPP処理は行わなかった。また、試験No.15の試験材については、FPP処理の代わりにSnめっきを施した。 In addition, Test No. For the 14 test materials, the FPP treatment was not performed. In addition, Test No. About 15 test materials, Sn plating was given instead of FPP processing.
試験No.1〜13の各試験材について、まず表面構造の解析を行った。具体的には、オージェ分光分析装置(アルバック・ファイ社製SAM670)を用いた深さ方向分析により、基材の表面に形成された合金層の組成および厚さ、ならびに金属層の厚さを測定した。また、基材の表層部に存在する分散層の厚さは、表面からバフ研磨で少しずつ削り込んでは表面に存在する直径が0.01μm〜2.0mmの金属粒子の個数を数えることを繰り返し、削り込み深さと個数密度との関係を求めることによって決定した。なお、分散層の厚さは、表面から、金属粒子の個数密度が50.0個/cm2を下回る深さまでの距離とした。すなわち、分散層には、表面に平行な面で切断した場合、0.01μm〜2.0mmの金属粒子が50.0個/cm2以上存在する。
Test No. For each of the
続いて、ボールオンディスク方式の摩擦試験(CSM Instruments社製Tribometer)により、摩擦特性の評価を行った。ボールは市販の直径6mmのSUJ2球を用い、荷重10N、摩擦速度10mm/秒、摩擦時間60分、潤滑剤なしの条件で摩擦試験を実施した。摩擦係数は、試験機のソフトウェアから提供される値を用いた。そして、「初期摩擦係数」として摩擦開始から1分間の平均摩擦係数を計測するとともに、低摩擦の持続性として摩擦係数が0.3を超えるまでの摩擦時間を評価した。本発明においては、初期摩擦が0.20以下でかつ低摩擦の持続性が15分以上であった場合に、摺動特性に優れると判断した。 Subsequently, the friction characteristics were evaluated by a ball-on-disk friction test (Tribometer manufactured by CSM Instruments). A commercially available SUJ2 ball having a diameter of 6 mm was used, and a friction test was performed under the conditions of a load of 10 N, a friction speed of 10 mm / second, a friction time of 60 minutes, and no lubricant. As the coefficient of friction, a value provided from the tester software was used. Then, the average friction coefficient for 1 minute from the start of friction was measured as the “initial friction coefficient”, and the friction time until the friction coefficient exceeded 0.3 was evaluated as the durability of low friction. In the present invention, when the initial friction was 0.20 or less and the durability of low friction was 15 minutes or more, it was judged that the sliding characteristics were excellent.
それらの結果を表1にまとめて示す。 The results are summarized in Table 1.
表1の結果を参照して、本発明の規定を満足する試験No.1〜11では、初期摩擦が0.20以下でかつ低摩擦の持続性が15分以上となり、摺動特性が優れる結果となった。これに対して、FPP処理時の表面温度が低すぎる試験No.12では、基材中に分散層が形成されず、低摩擦の持続性が劣る結果となった。また、表面温度が高すぎる試験No.13では、合金層および金属層が酸化され酸化物となったため、摩擦特性が劣る結果となった。さらに、FPP処理を実施しなかった試験No.14では、初期摩耗係数が劣る結果となった。そして、表面にSnめっきを施した試験No.15では、基材中に分散層が存在しないため、低摩擦の持続性が劣る結果となった。 With reference to the results in Table 1, the test No. 1 satisfying the provisions of the present invention. 1 to 11, the initial friction was 0.20 or less and the durability of low friction was 15 minutes or more, resulting in excellent sliding characteristics. On the other hand, the surface temperature during FPP treatment is too low. In No. 12, no dispersion layer was formed in the substrate, resulting in poor low friction durability. In addition, the surface temperature is too high. In No. 13, the alloy layer and the metal layer were oxidized to oxides, resulting in poor friction characteristics. Furthermore, test No. which did not implement FPP processing. No. 14 resulted in a poor initial wear coefficient. And test No. with Sn plating on the surface. In No. 15, since the dispersion layer was not present in the substrate, the low friction durability was inferior.
上述の4品種のJIS規格相当品を試験材として用い、実施例1と同様の調査をさらに実施した。ただし、本実施例においては、FPP処理において噴射に供した金属微粒子には、鋼球にBiを被覆したものを用いた。具体的には、平均粒径が100μmの鋼球(1.00C−0.50Si−0.6Mn、Hv800)およびBi粒子(直径100μm、純度99.99%)をボールミル内で100rpmにて1時間混合することによって、鋼球にBiを約10μmの厚みで被覆した。 The same investigation as in Example 1 was further carried out using the above-mentioned four types of JIS standard equivalents as test materials. However, in the present example, the metal fine particles subjected to the injection in the FPP treatment were steel balls coated with Bi. Specifically, a steel ball (1.00C-0.50Si-0.6Mn, Hv800) having an average particle diameter of 100 μm and Bi particles (diameter 100 μm, purity 99.99%) were placed in a ball mill at 100 rpm for 1 hour. By mixing, a steel ball was coated with Bi to a thickness of about 10 μm.
それ以外の条件は実施例1と同一である。なお、試験No.14の試験材については、FPP処理は行わなかった。また、試験No.15の試験材については、FPP処理の代わりにBiめっきを施した。 The other conditions are the same as in the first embodiment. In addition, Test No. For the 14 test materials, the FPP treatment was not performed. In addition, Test No. About 15 test materials, Bi plating was given instead of FPP processing.
試験No.1〜15の各試験材について、実施例1と同じ方法により表面構造の解析および摩擦特性の評価を行った。それらの結果を表2にまとめて示す。
Test No. For each of the
表2の結果を参照して、本発明の規定を満足する試験No.1〜11では、初期摩擦が0.20以下でかつ低摩擦の持続性が15分以上となり、摺動特性が優れる結果となった。これに対して、FPP処理時の表面温度が低すぎる試験No.12では、基材中に分散層が形成されず、低摩擦の持続性が劣る結果となった。また、表面温度が高すぎる試験No.13では、合金層および金属層が酸化され酸化物となったため、摩擦特性が劣る結果となった。さらに、FPP処理を実施しなかった試験No.14では、初期摩耗係数が劣る結果となった。そして、表面にBiめっきを施した試験No.15では、基材中に分散層が存在しないため、低摩擦の持続性が劣る結果となった。 With reference to the results in Table 2, test no. 1 to 11, the initial friction was 0.20 or less and the durability of low friction was 15 minutes or more, resulting in excellent sliding characteristics. On the other hand, the surface temperature during FPP treatment is too low. In No. 12, no dispersion layer was formed in the substrate, resulting in poor low friction durability. In addition, the surface temperature is too high. In No. 13, the alloy layer and the metal layer were oxidized to oxides, resulting in poor friction characteristics. Furthermore, test No. which did not implement FPP processing. No. 14 resulted in a poor initial wear coefficient. And test No. which gave Bi plating to the surface. In No. 15, since the dispersion layer was not present in the substrate, the low friction durability was inferior.
上述の4品種のJIS規格相当品を試験材として用い、実施例1と同様の調査をさらに実施した。ただし、本実施例においては、FPP処理において噴射に供した金属微粒子には、鋼球にInを被覆したものを用いた。具体的には、平均粒径が30μm、100μm、500μmの鋼球(1.00C−0.50Si−0.6Mn、Hv800)に電解めっきを施し、約10μmの厚みでInを被覆した。 The same investigation as in Example 1 was further carried out using the above-mentioned four types of JIS standard equivalents as test materials. However, in this example, the metal fine particles subjected to the injection in the FPP treatment were those in which steel balls were coated with In. Specifically, electrolytic plating was applied to steel balls (1.00C-0.50Si-0.6Mn, Hv800) having an average particle diameter of 30 μm, 100 μm, and 500 μm, and In was coated with a thickness of about 10 μm.
それ以外の条件は実施例1と同一である。なお、試験No.16の試験材については、FPP処理は行わなかった。また、試験No.17の試験材については、FPP処理の代わりにInめっきを施した。 The other conditions are the same as in the first embodiment. In addition, Test No. The 16 test materials were not subjected to FPP treatment. In addition, Test No. About 17 test materials, In plating was given instead of FPP processing.
試験No.1〜17の各試験材について、実施例1と同じ方法により表面構造の解析および摩擦特性の評価を行った。それらの結果を表3にまとめて示す。
Test No. For each of the
表3の結果を参照して、本発明の規定を満足する試験No.1〜13では、初期摩擦が0.20以下でかつ低摩擦の持続性が15分以上となり、摺動特性が優れる結果となった。これに対して、FPP処理時の表面温度が低すぎる試験No.14では、基材中に分散層が形成されず、低摩擦の持続性が劣る結果となった。また、表面温度が高すぎる試験No.15では、合金層および金属層が酸化され酸化物となったため、摩擦特性が劣る結果となった。さらに、FPP処理を実施しなかった試験No.16では、初期摩耗係数が劣る結果となった。そして、表面にInめっきを施した試験No.17では、基材中に分散層が存在しないため、低摩擦の持続性が劣る結果となった。 With reference to the results in Table 3, the test No. 1 satisfying the provisions of the present invention. In Nos. 1 to 13, the initial friction was 0.20 or less and the low friction durability was 15 minutes or more, which resulted in excellent sliding characteristics. On the other hand, the surface temperature during FPP treatment is too low. In No. 14, a dispersion layer was not formed in the substrate, resulting in poor low friction durability. In addition, the surface temperature is too high. In No. 15, the alloy layer and the metal layer were oxidized to oxides, resulting in poor friction characteristics. Furthermore, test No. which did not implement FPP processing. 16, the initial wear coefficient was inferior. And test No. with In plating on the surface. In No. 17, since the dispersion layer was not present in the substrate, the low friction durability was inferior.
上述のうち2品種のJIS規格相当品を試験材として用い、実施例1および2と同様の調査をさらに実施した。ただし、本実施例において、試験No.1およびNo.2では、FPP処理において噴射に供した金属微粒子に、鋼球にSnを被覆したものと鋼球にBiを被覆したものとを1:1の質量比で混合したものを用いた。また、試験No.3では、FPP処理において噴射に供した金属微粒子に、鋼球にBiを被覆したものと鋼球にInを被覆したものとを1:1の質量費で混合したものを用いた。 Of the above, two types of JIS standard equivalent products were used as test materials, and the same investigation as in Examples 1 and 2 was further conducted. However, in this example, test no. 1 and no. In No. 2, metal particles subjected to spraying in the FPP treatment were mixed with a steel ball coated with Sn and a steel ball coated with Bi at a mass ratio of 1: 1. In addition, Test No. In No. 3, the metal fine particles subjected to injection in the FPP treatment were mixed with steel balls coated with Bi and steel balls coated with In at a mass cost of 1: 1.
さらに、試験No.4では、FPP処理において噴射に供した金属微粒子に、鋼球にSnを被覆したものと鋼球にInを被覆したものとを1:1の質量比で混合したものを用いた。そして、試験No.5では、FPP処理において噴射に供した金属微粒子に、鋼球にSnを被覆したものと鋼球にBiを被覆したものと鋼球にInを被覆したものとを1:1:1の質量比で混合したものを用いた。それ以外の条件は実施例1〜3と同一である。 Furthermore, test no. In No. 4, the metal fine particles subjected to injection in the FPP treatment were mixed with a steel ball coated with Sn and a steel ball coated with In at a mass ratio of 1: 1. And test no. 5, the mass ratio of 1: 1: 1 between the metal particles subjected to injection in the FPP treatment and the steel balls coated with Sn, the steel balls coated with Bi, and the steel balls coated with In. What was mixed with was used. The other conditions are the same as in Examples 1-3.
試験No.1〜5の試験材について、実施例1〜3と同じ方法により表面構造の解析および摩擦特性の評価を行った。それらの結果を表4にまとめて示す。なお、試験No.1〜5の合金層は、いずれもFeと、Sn、BiおよびInから選択される2種または3種と、からなる合金であった。また、金属層に相当する層はSn、BiおよびInから選択される2種または3種が混じり合っており、必ずしも相互溶解はしていなかった。 Test No. About the test materials of 1-5, the surface structure was analyzed and the friction characteristics were evaluated by the same method as in Examples 1-3. The results are summarized in Table 4. In addition, Test No. The alloy layers 1 to 5 were all alloys composed of Fe and two or three selected from Sn, Bi, and In. In addition, the layer corresponding to the metal layer was a mixture of two or three selected from Sn, Bi and In, and was not necessarily mutually dissolved.
表4の結果を参照して、本発明の規定を満足する試験No.1〜5では、初期摩擦が0.20以下でかつ低摩擦の持続性が15分以上となり、摺動特性が優れる結果となった。 With reference to the results in Table 4, the test No. 1 satisfying the provisions of the present invention. In Nos. 1 to 5, the initial friction was 0.20 or less and the durability of low friction was 15 minutes or more, resulting in excellent sliding characteristics.
本発明によれば、摺動特性に優れ、かつその状態が長時間持続する摺動部材を得ることが可能である。したがって、本発明に係る摺動部材は、自動車、船舶等の輸送機械、一般産業機械等に使用される摺動部材として好適に用いることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a sliding member that is excellent in sliding characteristics and that maintains its state for a long time. Therefore, the sliding member according to the present invention can be suitably used as a sliding member used in transport machines such as automobiles and ships, general industrial machines, and the like.
1.基材
1a.金属粒子
1b.分散層
2.合金層
3.金属層
10.摺動部材
11.金属微粒子
1.
Claims (7)
前記基材の表層部には、直径が0.01μm〜2.0mmであり、Sn、BiおよびInから選択される1種以上を含む金属粒子が50.0個/cm2以上の個数密度で分散する分散層が存在し、
前記分散層の厚さは、20.0〜2000μmであり、
前記合金層は、Sn、BiおよびInから選択される1種以上と、Feとを含み、Sn、BiおよびInの合計含有量が、質量%で、10.0〜75.0%であり、かつ厚さが3.0〜100nmである、
摺動部材。 A base material made of steel, and an alloy layer formed on the surface of the base material,
The surface layer portion of the base material has a diameter of 0.01 μm to 2.0 mm, and has a number density of 50.0 / cm 2 or more of metal particles including one or more selected from Sn, Bi, and In. There is a dispersion layer to disperse,
The thickness of the dispersion layer is 20.0 to 2000 μm,
The alloy layer includes at least one selected from Sn, Bi and In and Fe, and the total content of Sn, Bi and In is 10.0 to 75.0% in mass%, And the thickness is 3.0 to 100 nm,
Sliding member.
請求項1に記載の摺動部材。 Further comprising a metal layer formed on the surface of the alloy layer and made of one or more selected from Sn, Bi and In,
The sliding member according to claim 1.
請求項1または請求項2に記載の摺動部材。 The contents of Sn, Bi, and In in the thickness center part of the base material are all mass% and 0.01% or less.
The sliding member according to claim 1 or 2.
鋼からなる基材の表面を300〜800℃の温度範囲まで加熱する、加熱工程と、
加熱された前記表面に対して、Sn、BiおよびInから選択される1種以上を含む金属微粒子をピーニングする、ピーニング工程と、を備える、
摺動部材の製造方法。 A method for producing the sliding member according to any one of claims 1 to 3,
Heating a surface of a base material made of steel to a temperature range of 300 to 800 ° C .;
A peening step of peening metal fine particles containing one or more selected from Sn, Bi and In on the heated surface.
Manufacturing method of sliding member.
請求項4に記載の摺動部材の製造方法。 The metal fine particles have an average particle size of 30 to 500 μm.
The manufacturing method of the sliding member of Claim 4.
請求項4または請求項5に記載の摺動部材の製造方法。 In the metal fine particles, the surface of fine particles made of steel is coated with one or more selected from Sn, Bi and In.
The manufacturing method of the sliding member of Claim 4 or Claim 5.
請求項4から請求項6までのいずれかに記載の摺動部材の製造方法。
In the heating step, the surface is heated by high frequency induction heating.
The manufacturing method of the sliding member in any one of Claim 4-6.
Applications Claiming Priority (2)
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WO2020050053A1 (en) * | 2018-09-07 | 2020-03-12 | 日本製鉄株式会社 | Steel material for sliding members, and method for producing same |
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2018
- 2018-09-14 JP JP2018173074A patent/JP2019151913A/en active Pending
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WO2020050053A1 (en) * | 2018-09-07 | 2020-03-12 | 日本製鉄株式会社 | Steel material for sliding members, and method for producing same |
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