JP2020045557A - 摺動部材 - Google Patents
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Abstract
【課題】焼付きを防止しつつ、表面における摩擦を低減することが可能な摺動部材を提供する。【解決手段】鋼からなる摺動部材であって、鋼の化学組成が、質量％で、Ｉｎ：０．３〜５．０％、を含み、鋼中に、Ｉｎを主体とする酸化物が３０個／ｍｍ２以上含まれる、摺動部材。鋼の化学組成は、質量％で、Ｃ：０．３０〜１．８０％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．１０％以下、Ｓ：０．１０％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、Ｎ：０．００１〜０．０２０％、Ｉｎ：０．３〜５．０％、Ｃｒ：０〜１５．０％、Ｎｉ：０〜０．５０％、Ｃｕ：０〜０．５０％、Ｔｉ：０〜０．０５０％、Ｎｂ：０〜０．０５０％、Ｖ：０〜２．５％、Ｍｏ：０〜３．０％、Ｗ：０〜６．０％、Ｂ：０〜０．００５％、残部：Ｆｅおよび不純物であることが好ましい。【選択図】 なし
Description
本発明は、摺動部材に関する。
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。
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付きが問題になる場合が多い。そのため、様々な手法で焼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。
焼付きは、クランクシャフトと軸受（ベアリング）との間の摺動部位、すなわち接触箇所で発生する。クランクシャフトと軸受との高圧かつ高速条件下の摺動に伴い、接触界面の温度が上昇することで、主に高分子系化合物から成る潤滑油が化学的に変質し、潤滑油として機能しなくなる。また、クランクシャフトと軸受との接触界面での潤滑油の濡れ性が損なわれる。その結果、クランクシャフトと軸受とが潤滑油を介することなく、直接接触する事態に陥り、クランクシャフトまたは軸受の片方、もしくは双方を構成する鋼材組織が塑性変形、または最悪の場合、破損を引き起こすことにより、焼付きが発生すると考えられる。
したがって、焼付きを抑制する方法として、クランクシャフトおよび軸受を構成する鋼材の機械的強度を向上させ、両鋼材の磨耗量および塑性変形を抑制するほか、潤滑油の濡れ性を担保させるべく、両鋼材の表面性状を適切に制御する等の改善策が必要となる。
例えば、特許文献１には、必要な化合物層の厚さが確保でき、耐焼付性、疲労強度の共に優れた機械構造用鋼が開示されている。また、特許文献２には、安価な処理方法である高周波焼入れ法を適用したクランクシャフトであって、熱伝導率が大きく、耐焼付き性にすぐれたクランクシャフトが開示されている。さらに、特許文献３には、耐焼付性に優れた鉄系金属、銅系金属等を母材とする摺動部材が開示されている。
一般に、鋼材部品または鋼材表面への焼付き現象は、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、焼付き現象が発生する。
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。
また、上記の特許文献１〜３に記載される技術にも、下記の問題点がある。
上述の軟窒化または浸炭等は、鋼材部品表面を化学的に、より硬質な組成・組織へと改質する手法であり、通常の熱処理プロセスとは別個に高温でガス処理を行うため、処理時間を余計に要し、装置コストが嵩むことになる。また、被処理鋼材部品は、当該ガス処理装置炉内容積の制約を受ける点も無視できない。
さらに、上述の摺動面に凹凸を物理的に形成する具体的方法として、硬質金属粒子を高速高圧で摺動面に噴射するショットピーニング法、またはアルゴンイオンをスパッタするイオンボンバードメント法など挙げられるが、これらの方法も処理時間、装置コスト、処理容積の点で同様の問題がある。
本発明は上記の問題を解決し、焼付きを防止しつつ、表面における摩擦を低減することが可能な摺動部材を提供することを目的とする。
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、下記の摺動部材を要旨とする。
（１）鋼からなる摺動部材であって、
前記鋼の化学組成が、質量％で、
Ｉｎ：０．３〜５．０％、
を含み、
前記鋼中に、Ｉｎを主体とする酸化物が３０個／ｍｍ２以上含まれる、
摺動部材。
前記鋼の化学組成が、質量％で、
Ｉｎ：０．３〜５．０％、
を含み、
前記鋼中に、Ｉｎを主体とする酸化物が３０個／ｍｍ２以上含まれる、
摺動部材。
（２）前記鋼中に含まれる前記Ｉｎを主体とする酸化物の個数密度が、下記（ｉ）式を満足する、
上記（１）に記載の摺動部材。
Ｍ＞８０×Ｉｎ ・・・（ｉ）
但し、上記式中のＭは鋼中に含まれるＩｎを主体とする酸化物の個数密度（個／ｍｍ２）であり、Ｉｎは鋼中に含まれるＩｎの含有量（質量％）である。
上記（１）に記載の摺動部材。
Ｍ＞８０×Ｉｎ ・・・（ｉ）
但し、上記式中のＭは鋼中に含まれるＩｎを主体とする酸化物の個数密度（個／ｍｍ２）であり、Ｉｎは鋼中に含まれるＩｎの含有量（質量％）である。
（３）前記鋼の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．３０〜１．８０％、
Ｓｉ：１．０％以下、
Ｍｎ：２．０％以下、
Ｐ：０．１０％以下、
Ｓ：０．１０％以下、
Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、
Ｎ：０．００１〜０．０２０％、
Ｉｎ：０．３〜５．０％、
Ｃｒ：０〜１５．０％、
Ｎｉ：０〜０．５０％、
Ｃｕ：０〜０．５０％、
Ｔｉ：０〜０．０５０％、
Ｎｂ：０〜０．０５０％、
Ｖ：０〜２．５％、
Ｍｏ：０〜３．０％、
Ｗ：０〜６．０％、
Ｂ：０〜０．００５％、
残部：Ｆｅおよび不純物である、
上記（１）または（２）に記載の摺動部材。
Ｃ：０．３０〜１．８０％、
Ｓｉ：１．０％以下、
Ｍｎ：２．０％以下、
Ｐ：０．１０％以下、
Ｓ：０．１０％以下、
Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、
Ｎ：０．００１〜０．０２０％、
Ｉｎ：０．３〜５．０％、
Ｃｒ：０〜１５．０％、
Ｎｉ：０〜０．５０％、
Ｃｕ：０〜０．５０％、
Ｔｉ：０〜０．０５０％、
Ｎｂ：０〜０．０５０％、
Ｖ：０〜２．５％、
Ｍｏ：０〜３．０％、
Ｗ：０〜６．０％、
Ｂ：０〜０．００５％、
残部：Ｆｅおよび不純物である、
上記（１）または（２）に記載の摺動部材。
本発明によれば、耐焼付き性および摺動特性に優れる摺動部材を得ることが可能である。
本発明者らは、耐焼付き性および摺動特性に優れる摺動部材を得る方法について検討を行った結果、以下の知見を得るに至った。
Ｉｎは、鋼組織の結晶粒界に偏析しやすい傾向があり、Ｉｎが鋼中に多量に含有されると、脆性破壊および粒界腐食などを招くおそれがある。そのため、通常、その含有量は制限される。
しかしながら、本発明者らは、Ｉｎが結晶粒界だけでなく鋼表面にも偏析することを見出した。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、鋼表面に偏析したＩｎが軟質な層を形成することにより、潤滑被膜としての役割を果たすようになる。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、部材の摺動特性を向上させることが可能となる。
潤滑被膜は、相手部材との摺動により消耗する。しかしながら、Ｉｎを鋼中に所定量以上含有させ、析出物として存在させることにより、常温の環境下にあっても、速やかに鋼表面に偏析させ、被膜を自己修復することが可能となる。その結果、優れた摺動特性が長時間にわたって維持されることとなる。
本発明は上記知見に基づいてなされたものである。以下、本発明の各要件について詳しく説明する。
１．化学組成
本発明に係る摺動部材は、鋼からなる。そして、当該鋼に含まれるＩｎの含有量は、質量％で、０．３〜５．０％である必要がある。
本発明に係る摺動部材は、鋼からなる。そして、当該鋼に含まれるＩｎの含有量は、質量％で、０．３〜５．０％である必要がある。
Ｉｎ：０．３〜５．０％
インジウム（Ｉｎ）は、鋼の表面に偏析することによって潤滑被膜としての役割を果たし、部材の摺動特性を向上させる効果を有する。一方、Ｉｎ含有量が過剰となると、粒界への偏析が顕著となり、脆性破壊および粒界腐食などを招くおそれがある。したがって、Ｉｎ含有量は０．３〜５．０％である。Ｉｎ含有量の下限は、好ましくは０．６％であり、より好ましくは０．８％であり、さらに好ましくは１．０％である。Ｉｎ含有量の上限は、好ましくは４．０％であり、より好ましくは３．０％である。
インジウム（Ｉｎ）は、鋼の表面に偏析することによって潤滑被膜としての役割を果たし、部材の摺動特性を向上させる効果を有する。一方、Ｉｎ含有量が過剰となると、粒界への偏析が顕著となり、脆性破壊および粒界腐食などを招くおそれがある。したがって、Ｉｎ含有量は０．３〜５．０％である。Ｉｎ含有量の下限は、好ましくは０．６％であり、より好ましくは０．８％であり、さらに好ましくは１．０％である。Ｉｎ含有量の上限は、好ましくは４．０％であり、より好ましくは３．０％である。
また、上記鋼は、Ｉｎに加えて、下記に示す元素を含有することが好ましい。各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
Ｃ：０．３０〜１．８０％
炭素（Ｃ）は、鋼の焼入れ性を高め、硬さの向上に寄与する。Ｃ含有量が０．３０％未満では、鋼の焼入れ性が不足する場合がある。一方、Ｃ含有量が１．８０％を超えると、鋼の圧延性および加工性が低下するおそれがある。したがって、Ｃ含有量は０．３０〜１．８０％であることが好ましい。なお、鋼の強度を重視したい場合には、Ｃ含有量の下限は、より好ましくは０．３５％であり、さらに好ましくは０．４０％である。一方、Ｃ含有量は、鋼の圧延性および加工性を重視したい場合には、１．５０％以下であるのが好ましく、さらに被削性を重視したい場合には、１．００％以下であるのが好ましい。
炭素（Ｃ）は、鋼の焼入れ性を高め、硬さの向上に寄与する。Ｃ含有量が０．３０％未満では、鋼の焼入れ性が不足する場合がある。一方、Ｃ含有量が１．８０％を超えると、鋼の圧延性および加工性が低下するおそれがある。したがって、Ｃ含有量は０．３０〜１．８０％であることが好ましい。なお、鋼の強度を重視したい場合には、Ｃ含有量の下限は、より好ましくは０．３５％であり、さらに好ましくは０．４０％である。一方、Ｃ含有量は、鋼の圧延性および加工性を重視したい場合には、１．５０％以下であるのが好ましく、さらに被削性を重視したい場合には、１．００％以下であるのが好ましい。
Ｓｉ：１．０％以下
シリコン（Ｓｉ）は、鋼の脱酸剤として用いられる元素である。しかしながら、Ｓｉ含有量が１．０％を超えると、鋼の熱伝導率が低下して十分な耐焼付き性が得られなくなるおそれがある。したがって、Ｓｉ含有量は１．０％以下であるのが好ましい。Ｓｉ含有量の上限は、より好ましくは０．７０％であり、さらに好ましくは０．５０％である。一方、Ｓｉを積極的に含有させると、粗大なセメンタイトの生成を抑制する効果がある。上記の効果を顕著に得るためには、Ｓｉ含有量は、０．０５％以上とすることが好ましく、０．１０％以上とすることがより好ましい。
シリコン（Ｓｉ）は、鋼の脱酸剤として用いられる元素である。しかしながら、Ｓｉ含有量が１．０％を超えると、鋼の熱伝導率が低下して十分な耐焼付き性が得られなくなるおそれがある。したがって、Ｓｉ含有量は１．０％以下であるのが好ましい。Ｓｉ含有量の上限は、より好ましくは０．７０％であり、さらに好ましくは０．５０％である。一方、Ｓｉを積極的に含有させると、粗大なセメンタイトの生成を抑制する効果がある。上記の効果を顕著に得るためには、Ｓｉ含有量は、０．０５％以上とすることが好ましく、０．１０％以上とすることがより好ましい。
Ｍｎ：２．０％以下
マンガン（Ｍｎ）は、鋼の焼入れ性を高める効果を有する元素である。しかしながら、Ｍｎ含有量が２．０％を超えると、鋼の熱伝導率が低下して十分な耐焼付き性が得られなくなるおそれがある。したがって、Ｍｎ含有量は２．０％以下であるのが好ましい。Ｍｎ含有量の上限は、好ましくは１．５％であり、さらに好ましくは１．０％であり、さらに好ましくは０．５％である。一方、Ｍｎを積極的に含有させると、焼入れ性の向上効果に加えて、転位の回復を抑制する効果がある。上記の効果を顕著に得るためには、Ｍｎ含有量は、０．０５％以上とすることが好ましく、０．１０％以上とすることがより好ましい。
マンガン（Ｍｎ）は、鋼の焼入れ性を高める効果を有する元素である。しかしながら、Ｍｎ含有量が２．０％を超えると、鋼の熱伝導率が低下して十分な耐焼付き性が得られなくなるおそれがある。したがって、Ｍｎ含有量は２．０％以下であるのが好ましい。Ｍｎ含有量の上限は、好ましくは１．５％であり、さらに好ましくは１．０％であり、さらに好ましくは０．５％である。一方、Ｍｎを積極的に含有させると、焼入れ性の向上効果に加えて、転位の回復を抑制する効果がある。上記の効果を顕著に得るためには、Ｍｎ含有量は、０．０５％以上とすることが好ましく、０．１０％以上とすることがより好ましい。
Ｐ：０．１０％以下
リン（Ｐ）は、不純物として鋼に含有される。Ｐ含有量が０．１０％を超えると、過剰なＰが粒界に偏析して、鋼の疲労強度が低下するおそれがある。したがって、Ｐ含有量は０．１０％以下であるのが好ましい。Ｐ含有量の上限は、より好ましくは０．０８％であり、さらに好ましくは０．０６％である。
リン（Ｐ）は、不純物として鋼に含有される。Ｐ含有量が０．１０％を超えると、過剰なＰが粒界に偏析して、鋼の疲労強度が低下するおそれがある。したがって、Ｐ含有量は０．１０％以下であるのが好ましい。Ｐ含有量の上限は、より好ましくは０．０８％であり、さらに好ましくは０．０６％である。
Ｓ：０．１０％以下
硫黄（Ｓ）は、不純物として鋼に含有される。Ｓ含有量が０．１０％を超えると、熱間加工性が低下するおそれがある。したがって、Ｓ含有量は０．１０％以下であるのが好ましい。Ｓ含有量の上限は、より好ましくは０．０７０％であり、さらに好ましくは０．０５０％である。一方、Ｓを積極的に含有させると、硫化物系介在物を形成し、鋼の被削性を向上させる。上記の効果を顕著に得るためには、Ｓ含有量は、０．０１０％以上とすることが好ましい。
硫黄（Ｓ）は、不純物として鋼に含有される。Ｓ含有量が０．１０％を超えると、熱間加工性が低下するおそれがある。したがって、Ｓ含有量は０．１０％以下であるのが好ましい。Ｓ含有量の上限は、より好ましくは０．０７０％であり、さらに好ましくは０．０５０％である。一方、Ｓを積極的に含有させると、硫化物系介在物を形成し、鋼の被削性を向上させる。上記の効果を顕著に得るためには、Ｓ含有量は、０．０１０％以上とすることが好ましい。
Ａｌ：０．００５〜０．０６０％
アルミニウム（Ａｌ）は、窒化物を形成し、窒化物のピンニング効果によってオーステナイト粒の微細化に寄与する。Ａｌ含有量が０．００５％未満では、この効果が十分に得られない場合がある。一方、Ａｌ含有量が０．０６０％を超えると、鋼の被削性が低下するおそれがある。したがって、Ａｌ含有量は０．００５〜０．０６０％であるのが好ましい。Ａｌ含有量の下限は、より好ましくは０．０１０％であり、さらに好ましくは０．０２０％である。Ａｌ含有量の上限は、より好ましくは０．０５５％であり、さらに好ましくは０．０５０％である。
アルミニウム（Ａｌ）は、窒化物を形成し、窒化物のピンニング効果によってオーステナイト粒の微細化に寄与する。Ａｌ含有量が０．００５％未満では、この効果が十分に得られない場合がある。一方、Ａｌ含有量が０．０６０％を超えると、鋼の被削性が低下するおそれがある。したがって、Ａｌ含有量は０．００５〜０．０６０％であるのが好ましい。Ａｌ含有量の下限は、より好ましくは０．０１０％であり、さらに好ましくは０．０２０％である。Ａｌ含有量の上限は、より好ましくは０．０５５％であり、さらに好ましくは０．０５０％である。
Ｎ：０．００１〜０．０２０％
窒素（Ｎ）は、窒化物および炭窒化物を形成し、ピンニング効果によってオーステナイト粒の微細化に寄与する。Ｎ含有量が０．００１％未満では、この効果が十分に得られない場合がある。一方、Ｎ含有量が０．０２０％を超えると、鋼の靱性が低下するおそれがある。したがって、Ｎ含有量は０．００１〜０．０２０％であるのが好ましい。Ｎ含有量の下限は、より好ましくは０．００１５％であり、さらに好ましくは０．００２％である。Ｎ含有量の上限は、より好ましくは０．０１５％である。
窒素（Ｎ）は、窒化物および炭窒化物を形成し、ピンニング効果によってオーステナイト粒の微細化に寄与する。Ｎ含有量が０．００１％未満では、この効果が十分に得られない場合がある。一方、Ｎ含有量が０．０２０％を超えると、鋼の靱性が低下するおそれがある。したがって、Ｎ含有量は０．００１〜０．０２０％であるのが好ましい。Ｎ含有量の下限は、より好ましくは０．００１５％であり、さらに好ましくは０．００２％である。Ｎ含有量の上限は、より好ましくは０．０１５％である。
鋼の化学組成においては、上記の元素に加えて、さらに以下に示す元素から選択される１種以上を含有させてもよい。各元素の限定理由について、以下に説明する。
Ｃｒ：０〜１５．０％
クロム（Ｃｒ）は、強度および耐摩耗性を向上させる効果を有する元素である。加えて、Ｃｒはオーステナイト組織の粗大化を抑制するのに有効な元素である。そのため、必要に応じてＣｒを含有してもよい。しかしながら、Ｃｒ含有量が１５．０％を超えると、強度と靱性とのアンバランスが生じるおそれがある。したがって、Ｃｒ含有量は１５．０％以下であるのが好ましい。Ｃｒ含有量の上限は、より好ましくは１０．０％であり、さらに好ましくは５．０％である。なお、Ｃｒ含有量の下限は、好ましくは０．０１％であり、より好ましくは０．０２％である。
クロム（Ｃｒ）は、強度および耐摩耗性を向上させる効果を有する元素である。加えて、Ｃｒはオーステナイト組織の粗大化を抑制するのに有効な元素である。そのため、必要に応じてＣｒを含有してもよい。しかしながら、Ｃｒ含有量が１５．０％を超えると、強度と靱性とのアンバランスが生じるおそれがある。したがって、Ｃｒ含有量は１５．０％以下であるのが好ましい。Ｃｒ含有量の上限は、より好ましくは１０．０％であり、さらに好ましくは５．０％である。なお、Ｃｒ含有量の下限は、好ましくは０．０１％であり、より好ましくは０．０２％である。
Ｎｉ：０〜０．５０％
ニッケル（Ｎｉ）は、鋼の強度および靱性を向上させる効果を有する元素である。そのため、必要に応じてＮｉを含有してもよい。しかしながら、Ｎｉ含有量が０．５０％を超えてもその効果は飽和する上に、合金コストの上昇を招く結果となる。したがって、Ｎｉ含有量は０．５０％以下であるのが好ましい。Ｎｉ含有量の上限は、より好ましくは０．４０％であり、さらに好ましくは０．３５％である。なお、Ｎｉ含有量の下限は、好ましくは０．０３％であり、より好ましくは０．０８％である。
ニッケル（Ｎｉ）は、鋼の強度および靱性を向上させる効果を有する元素である。そのため、必要に応じてＮｉを含有してもよい。しかしながら、Ｎｉ含有量が０．５０％を超えてもその効果は飽和する上に、合金コストの上昇を招く結果となる。したがって、Ｎｉ含有量は０．５０％以下であるのが好ましい。Ｎｉ含有量の上限は、より好ましくは０．４０％であり、さらに好ましくは０．３５％である。なお、Ｎｉ含有量の下限は、好ましくは０．０３％であり、より好ましくは０．０８％である。
Ｃｕ：０〜０．５０％
銅（Ｃｕ）は、鋼の強度および靱性を向上させる効果を有する元素である。そのため、必要に応じてＣｕを含有してもよい。しかしながら、Ｃｕ含有量が０．５０％を超えてもその効果は飽和する上に、合金コストの上昇を招く結果となる。したがって、Ｃｕ含有量は０．５０％以下であるのが好ましい。Ｃｕ含有量の上限は、より好ましくは０．４０％であり、さらに好ましくは０．３５％である。なお、Ｃｕ含有量の下限は、好ましくは０．０３％であり、より好ましくは０．０５％である。
銅（Ｃｕ）は、鋼の強度および靱性を向上させる効果を有する元素である。そのため、必要に応じてＣｕを含有してもよい。しかしながら、Ｃｕ含有量が０．５０％を超えてもその効果は飽和する上に、合金コストの上昇を招く結果となる。したがって、Ｃｕ含有量は０．５０％以下であるのが好ましい。Ｃｕ含有量の上限は、より好ましくは０．４０％であり、さらに好ましくは０．３５％である。なお、Ｃｕ含有量の下限は、好ましくは０．０３％であり、より好ましくは０．０５％である。
Ｔｉ：０〜０．０５０％
チタン（Ｔｉ）は、窒化物および炭窒化物を形成し、ピンニング効果によってオーステナイト粒の微細化に寄与する。そのため、必要に応じてＴｉを含有してもよい。しかしながら、Ｔｉ含有量が０．０５０％を超えると、鋼の靱性が低下するおそれがある。したがって、Ｔｉ含有量は０．０５０％以下であるのが好ましい。Ｔｉ含有量の上限は、より好ましくは０．０４０％であり、さらに好ましくは０．０３０％である。なお、Ｔｉ含有量の下限は、好ましくは０．００５％であり、より好ましくは０．０１０％である。
チタン（Ｔｉ）は、窒化物および炭窒化物を形成し、ピンニング効果によってオーステナイト粒の微細化に寄与する。そのため、必要に応じてＴｉを含有してもよい。しかしながら、Ｔｉ含有量が０．０５０％を超えると、鋼の靱性が低下するおそれがある。したがって、Ｔｉ含有量は０．０５０％以下であるのが好ましい。Ｔｉ含有量の上限は、より好ましくは０．０４０％であり、さらに好ましくは０．０３０％である。なお、Ｔｉ含有量の下限は、好ましくは０．００５％であり、より好ましくは０．０１０％である。
Ｎｂ：０〜０．０５０％
ニオブ（Ｎｂ）は、窒化物および炭窒化物を形成し、ピンニング効果によってオーステナイト粒の微細化に寄与する。そのため、必要に応じてＮｂを含有してもよい。しかしながら、Ｎｂ含有量が０．０５０％を超えると、鋼の靱性が低下するおそれがある。したがって、Ｎｂ含有量は０．０５０％以下であるのが好ましい。Ｎｂ含有量の上限は、より好ましくは０．０４０％であり、さらに好ましくは０．０３０％である。なお、Ｎｂ含有量の下限は、好ましくは０．００５％であり、より好ましくは０．０１０％である。
ニオブ（Ｎｂ）は、窒化物および炭窒化物を形成し、ピンニング効果によってオーステナイト粒の微細化に寄与する。そのため、必要に応じてＮｂを含有してもよい。しかしながら、Ｎｂ含有量が０．０５０％を超えると、鋼の靱性が低下するおそれがある。したがって、Ｎｂ含有量は０．０５０％以下であるのが好ましい。Ｎｂ含有量の上限は、より好ましくは０．０４０％であり、さらに好ましくは０．０３０％である。なお、Ｎｂ含有量の下限は、好ましくは０．００５％であり、より好ましくは０．０１０％である。
Ｖ：０〜２．５％
バナジウム（Ｖ）は、窒化物および炭窒化物を形成し、ピンニング効果によってオーステナイト粒の微細化に寄与する。また、炭化物を形成することにより鋼の強度を向上させる。そのため、必要に応じてＶを含有してもよい。しかしながら、Ｖ含有量が２．５％を超えると、鋼の靱性が低下するおそれがある。したがって、Ｖ含有量は２．５％以下であるのが好ましい。Ｖ含有量の上限は、より好ましくは２．０％であり、さらに好ましくは１．５％であり、特に好ましくは１．０％である。なお、Ｖ含有量の下限は、好ましくは０．００５％であり、より好ましくは０．０１０％である。
バナジウム（Ｖ）は、窒化物および炭窒化物を形成し、ピンニング効果によってオーステナイト粒の微細化に寄与する。また、炭化物を形成することにより鋼の強度を向上させる。そのため、必要に応じてＶを含有してもよい。しかしながら、Ｖ含有量が２．５％を超えると、鋼の靱性が低下するおそれがある。したがって、Ｖ含有量は２．５％以下であるのが好ましい。Ｖ含有量の上限は、より好ましくは２．０％であり、さらに好ましくは１．５％であり、特に好ましくは１．０％である。なお、Ｖ含有量の下限は、好ましくは０．００５％であり、より好ましくは０．０１０％である。
Ｍｏ：０〜３．０％
モリブデン（Ｍｏ）は、鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を向上させる効果を有する元素である。そのため、必要に応じてＭｏを含有してもよい。しかしながら、Ｍｏ含有量が３．０％を超えると、鋼の被削性が低下するおそれがある。したがって、Ｍｏ含有量は３．０％以下であるのが好ましい。Ｍｏ含有量の上限は、より好ましくは２．５％であり、さらに好ましくは２．０％であり、特に好ましくは１．５％である。なお、Ｍｏ含有量の下限は、好ましくは０．０１％であり、より好ましくは０．１％であり、さらに好ましくは０．５％である。
モリブデン（Ｍｏ）は、鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を向上させる効果を有する元素である。そのため、必要に応じてＭｏを含有してもよい。しかしながら、Ｍｏ含有量が３．０％を超えると、鋼の被削性が低下するおそれがある。したがって、Ｍｏ含有量は３．０％以下であるのが好ましい。Ｍｏ含有量の上限は、より好ましくは２．５％であり、さらに好ましくは２．０％であり、特に好ましくは１．５％である。なお、Ｍｏ含有量の下限は、好ましくは０．０１％であり、より好ましくは０．１％であり、さらに好ましくは０．５％である。
Ｗ：０〜６．０％
タングステン（Ｗ）は、鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を向上させる効果を有する元素である。そのため、必要に応じてＷを含有してもよい。しかしながら、Ｗ含有量が６．０％を超えると、鋼の被削性が低下するおそれがある。したがって、Ｗ含有量は６．０％以下であるのが好ましい。Ｗ含有量の上限は、より好ましくは４．０％であり、さらに好ましくは２．０％である。なお、Ｗ含有量の下限は、好ましくは０．０１％であり、より好ましくは０．１％であり、さらに好ましくは０．５％である。
タングステン（Ｗ）は、鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を向上させる効果を有する元素である。そのため、必要に応じてＷを含有してもよい。しかしながら、Ｗ含有量が６．０％を超えると、鋼の被削性が低下するおそれがある。したがって、Ｗ含有量は６．０％以下であるのが好ましい。Ｗ含有量の上限は、より好ましくは４．０％であり、さらに好ましくは２．０％である。なお、Ｗ含有量の下限は、好ましくは０．０１％であり、より好ましくは０．１％であり、さらに好ましくは０．５％である。
Ｂ：０〜０．００５％
ホウ素（Ｂ）は、粒界強化元素として靱性向上に寄与する。そのため、必要に応じてＢを含有してもよい。しかし、Ｂの含有量が０．００５％を超えると、かえって靱性が低下するおそれがある。したがって、Ｂ含有量は０．００５％以下であるのが好ましい。Ｂ含有量の上限は、より好ましくは０．００４％であり、さらに好ましくは０．００２％である。なお、Ｂ含有量の下限は、好ましくは０．０００３％であり、より好ましくは０．０００５％である。なお、Ｂの効果を有効に活用するためには、鋼中のＮがＴｉにより固定されていることが好ましい。
ホウ素（Ｂ）は、粒界強化元素として靱性向上に寄与する。そのため、必要に応じてＢを含有してもよい。しかし、Ｂの含有量が０．００５％を超えると、かえって靱性が低下するおそれがある。したがって、Ｂ含有量は０．００５％以下であるのが好ましい。Ｂ含有量の上限は、より好ましくは０．００４％であり、さらに好ましくは０．００２％である。なお、Ｂ含有量の下限は、好ましくは０．０００３％であり、より好ましくは０．０００５％である。なお、Ｂの効果を有効に活用するためには、鋼中のＮがＴｉにより固定されていることが好ましい。
鋼の化学組成において、残部はＦｅおよび不純物である。ここで「不純物」とは、鋼を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
なお、不純物として鋼中に混入し得る元素として、例えば、Ｐｂ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｂ、ＴａおよびＲＥＭが挙げられる。これらの元素を含む場合であっても、その含有量が、それぞれ、Ｐｂ：０．１０％以下、Ｃａ：０．００１％以下、Ｍｇ：０．００１％以下、Ｓｂ：０．００５％以下、Ｔａ：０．１０％以下、およびＲＥＭ：０．００１％以下であれば、問題なく本発明を実施することができる。
上記鋼の組成として代表的なものは、以下の４種類である。
（ａ）Ｃ：０．３５〜０．６０％、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：０．８０％以下、Ｐ：０．１０％以下、Ｓ：０．０５０％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、Ｎ：０．００１〜０．０２０％、Ｉｎ：０．３〜５．０％、Ｃｒ：０〜０．３０％、Ｎｉ：０〜０．２０％、Ｃｕ：０〜０．１０％、Ｎｂ：０〜０．０５０％、Ｍｏ：０〜３．０％、残部：Ｆｅおよび不純物である鋼。
（ｂ）Ｃ：０．３５〜０．４０％、Ｓｉ：０．８０％以下、Ｍｎ：１．００〜１．８０％、Ｐ：０．１０％以下、Ｓ：０．０７０％以下、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、Ｎ：０．００１〜０．０２０％、Ｉｎ：０．３〜５．０％、Ｃｒ：０〜０．２５％、Ｎｉ：０〜０．１５％、Ｃｕ：０〜０．２５％、Ｔｉ：０〜０．０５０％、Ｎｂ：０〜０．０５０％、Ｍｏ：０〜０．１０％、残部：Ｆｅおよび不純物である鋼。
（ｃ）Ｃ：０．９５〜１．１０％、Ｓｉ：０．１５〜０．３０％、Ｍｎ：０．４０％未満、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０２０％未満、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、Ｎ：０．００１〜０．０２０％、Ｉｎ：０．３〜５．０％、Ｃｒ：１．３０％〜１．６０％、Ｎｉ：０〜０．１５％、Ｃｕ：０．２０％未満、Ｔｉ：０〜０．０５０％、Ｎｂ：０〜０．０５０％、Ｖ：０〜２．５％、Ｍｏ：０〜３．０％、Ｂ：０〜０．００５％、残部：Ｆｅおよび不純物である鋼。
（ｄ）Ｃ：１．４０〜１．６０％、Ｓｉ：０．４０％未満、Ｍｎ：０．６０％未満、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０２０％未満、Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、Ｎ：０．００１〜０．０３０％、Ｉｎ：０．３〜５．０％、Ｃｒ：１１．０〜１３．０％、Ｎｉ：０〜０．５０％、Ｃｕ：０．４０％未満、Ｔｉ：０〜０．０５０％、Ｎｂ：０〜０．０５０％、Ｖ：０．２０〜０．５０％、Ｍｏ：０．８０〜１．２０％、Ｂ：０〜０．００５％、残部：Ｆｅおよび不純物である鋼。
２．析出物
鋼中におけるＩｎの固溶限は０．５７％程度である。すなわち、鋼中において０．５７％を超える量のＩｎを含む場合には、Ｉｎの一部は析出物として存在することになる。また、Ｉｎ含有量が０．５７％以下の場合であっても、後述する特殊熱処理を施すことによって、鋼中のＩｎが析出物となる。
鋼中におけるＩｎの固溶限は０．５７％程度である。すなわち、鋼中において０．５７％を超える量のＩｎを含む場合には、Ｉｎの一部は析出物として存在することになる。また、Ｉｎ含有量が０．５７％以下の場合であっても、後述する特殊熱処理を施すことによって、鋼中のＩｎが析出物となる。
具体的には、鋼中には、Ｉｎを主体とする酸化物が含まれる。上述のように、鋼中に上記酸化物が含まれることによって、Ｉｎは常温環境下においても、速やかに鋼表面に拡散し、潤滑被膜が再生される。ここで、「Ｉｎを主体とする」とは、酸化物中に含まれるカチオンに占めるＩｎ含有量が、原子％で、５０％以上であることを意味する。
また、潤滑被膜がより迅速に再生され、長時間にわたって優れた摺動特性を確保するためには、Ｉｎを主体とする酸化物が所定量以上の個数密度において微細分散している必要がある。具体的には、上記酸化物の個数密度が３０個／ｍｍ２以上である必要がある。個数密度は５０個／ｍｍ２以上であることが好ましく、１００個／ｍｍ２以上であることがより好ましい。
さらに、前述のように、Ｉｎが鋼中に多量に含有されると、脆性破壊および粒界腐食などを招くおそれがある。そのため、鋼中のＩｎ含有量を低く抑えつつ、上記酸化物の個数密度を増加させることが望ましい。具体的には、上記酸化物の個数密度が、Ｉｎ含有量との関係において、下記（ｉ）式を満足するような量であることが好ましい。後述する特殊熱処理を施すことによって、上記酸化物の析出が促進され、下記（ｉ）式を満足させることが可能になる。
Ｍ＞８０×Ｉｎ ・・・（ｉ）
但し、上記式中のＭは鋼中に含まれるＩｎを主体とする酸化物の個数密度（個／ｍｍ２）であり、Ｉｎは鋼中に含まれるＩｎの含有量（質量％）である。
Ｍ＞８０×Ｉｎ ・・・（ｉ）
但し、上記式中のＭは鋼中に含まれるＩｎを主体とする酸化物の個数密度（個／ｍｍ２）であり、Ｉｎは鋼中に含まれるＩｎの含有量（質量％）である。
なお、本発明において、鋼中に含まれるＩｎを主体とする酸化物の個数密度は、下記の方法により測定する。鏡面研磨した試料をオージェ電子分光装置（ＡＥＳ）内に設置した後、試料表面に対してＡｒイオンスパッタを施す。そして、スパッタ直後の表面をＳＥＭ−ＥＤＳ装置にて分析する。Ｉｎ−ｋα線およびＯ−ｋα線を各々検出し、Ｉｎと酸素との双方が存在する粒子をマッピング画像処理で抽出し、Ｉｎを主体とする酸化物と定義する。上述のＳＥＭ−ＥＤＳ分析は、観察倍率１００倍で行い、Ｉｎを主体とする酸化物の円相当径が１μｍ以上の粒子を数え上げ、それらの合計数量を以て、個数と定義する。
３．製造方法
上記の構造を有する摺動部材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。
上記の構造を有する摺動部材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。
まず、上記の化学組成を有する溶鋼を溶製した後、熱間鍛造により素材を製造する。上記素材に対して、必要に応じて熱間加工および／または冷間加工を施してもよい。その後、上記素材に対して、溶体化処理を施す。溶体化処理条件については特に制限はないが、例えば、９５０〜１１５０℃の温度範囲で５〜３０分加熱し、その後水冷を行うことができる。溶体化処理後にさらに時効処理を施す。例えば、１５０〜６５０℃の温度範囲で５〜６０分加熱した後、炉冷することができる。
また、上記の析出物の個数密度を増加させるためには、さらに特殊熱処理を行うことが好ましい。特殊熱処理では、例えば、１１００℃で１０分加熱した後、１００℃／ｈの平均冷却速度で緩冷却する熱処理を行うことができる。
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。
ＪＩＳ Ｇ ４０５１：２０１６規格の機械構造用炭素鋼鋼材のＳ４５Ｃ鋼にＩｎを添加することによって、表１に示す化学組成を有する溶鋼を溶製した（試験Ｎｏ．１−１〜１−７）。
その後、熱間鍛造を行い、続いて、９００℃で１５分加熱した後、水冷を行う条件で溶体化熱処理を施した。さらに、６００℃で３０分加熱した後、炉冷を行う条件で時効処理を行い、試験材を得た（試験Ｎｏ．１−１、１−３、１−５〜１−７）。試験Ｎｏ．１−２および１−４については、さらに１１００℃で１０分加熱した後、１００℃／ｈの平均冷却速度で緩冷却する特殊熱処理を施し、試験材とした。なお、光学顕微鏡観察によると、特殊熱処理しない試験材はマルテンサイト組織を有しており、特殊熱処理した試験材はフェライト−パーライト組織を有していた。
その後、各試験材から析出物測定用の試験片を切り出し、表面を鏡面研磨した後、ＡＥＳ（アルバック・ファイ社製ＳＡＭ６７０）内に設置した。その後、鏡面研磨した表面に対してＡｒイオンスパッタを施した。そして、スパッタ直後に表面を分析することによって、Ｉｎを主体とする酸化物を特定し、その個数密度を求めた。
続いて、各試験材を用いて、耐焼付き性および耐摩耗性の評価試験を行った。具体的には、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。摩耗試験に用いた試験片は、直径１５ｍｍ、厚さ４ｍｍの円盤状であり、評価面は鏡面仕上げとした。
また、ボールは直径６ｍｍのアルミナ製の球を用い、荷重１０Ｎ、試験温度：室温、回転直径：７ｍｍ、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。
なお、本発明においては、上記試験によって得られた「最大初期摩擦係数」により、耐焼付き性を評価する。本発明において、「最大初期摩擦係数」とは、摩擦開始から摺動距離が１．５ｍとなるまでの摩擦係数の最大値を意味する。
最大初期摩擦係数が０．５を超える場合には、試験後の摺動痕跡観察にて、焼付きが認められた。一方、最大初期摩擦係数が０．５以下の場合には、試験後の摺動痕跡観察にて、焼付きが認められなかった。したがって、本願明細書においては最大初期摩擦係数が０．５以下である場合に、耐焼付き性に優れると判断した。
また、試験後の摩耗痕跡の幅を計測し、４００μｍ以下であった場合に、耐摩耗性に優れると判断した。
それらの結果を表２にまとめて示す。
表２からＩｎ含有量が本発明の規定を満足する試験Ｎｏ．１−１〜１−４では、耐焼付き性および耐摩耗性に優れる結果となった。それらに対して、本発明の規定を満足しない試験Ｎｏ．１−５〜１−７では、耐焼付き性および耐摩耗性のいずれも劣る結果となった。特に、特殊熱処理を施した試験Ｎｏ．１−２および１−４では、Ｉｎを主体とする酸化物の個数密度が高くなり、上記（ｉ）式を満足した。そしてその結果、同じＩｎ含有量を有する試験Ｎｏ．１−３および１−５と比較して、それぞれ摺動特性が極めて優れる結果となった。
ＪＩＳ Ｇ ４０５３：２０１６規格の機械構造用合金鋼鋼材のＳＭｎ４３８鋼を参考とする鋼材にＩｎを添加することによって、表３に示す化学組成を有する溶鋼を溶製した（試験Ｎｏ．２−１〜２−６）。
その後、熱間鍛造を行い、続いて、９００℃で１５分加熱した後、水冷を行う条件で溶体化熱処理を施した。さらに、６００℃で３０分加熱した後、炉冷を行う条件で時効処理を行い、試験材を得た（試験Ｎｏ．２−１、２−３、２−５）。試験Ｎｏ．２−２、２−４および２−６については、さらに１１００℃で１０分加熱した後、１００℃／ｈの平均冷却速度で緩冷却する特殊熱処理を施し、試験材とした。なお、光学顕微鏡観察によると、特殊熱処理しない試験材はマルテンサイト組織を有しており、特殊熱処理した試験材はフェライト−パーライト組織を有していた。
その後、実施例１と同様に、Ｉｎを主体とする酸化物の個数密度の測定ならびに耐焼付き性および耐摩耗性の評価試験を行った。
それらの結果を表４にまとめて示す。
表４からＩｎ含有量が本発明の規定を満足する試験Ｎｏ．２−１〜２−４では、耐焼付き性および耐摩耗性に優れる結果となった。それらに対して、本発明の規定を満足しない試験Ｎｏ．２−５および２−６では、耐焼付き性および耐摩耗性の少なくともいずれかが劣る結果となった。特に、特殊熱処理を施した試験Ｎｏ．２−２および２−４では、Ｉｎを主体とする酸化物の個数密度が高くなり、上記（ｉ）式を満足した。そしてその結果、同じＩｎ含有量を有する試験Ｎｏ．２−１および２−３と比較して、それぞれ摺動特性が優れる結果となった。
ＪＩＳ Ｇ ４８０５：２００８規格の高炭素クロム軸受鋼鋼材のＳＵＪ２鋼にＩｎを添加することによって、表５に示す化学組成を有する溶鋼を溶製した（試験Ｎｏ．３−１〜３−５）。
その後、熱間鍛造を行い、続いて、９００℃で１５分加熱した後、油冷を行う条件で溶体化熱処理を施した。さらに、１５０℃で３０分加熱した後、空冷を行う条件で時効処理を行い、試験材を得た（試験Ｎｏ．３−１、３−３、３−５）。試験Ｎｏ．３−２および３−４については、さらに１１００℃で１０分加熱した後、１００℃／ｈの平均冷却速度で緩冷却する特殊熱処理を施し、試験材とした。
その後、実施例１と同様に、Ｉｎを主体とする酸化物の個数密度の測定ならびに耐焼付き性および耐摩耗性の評価試験を行った。
それらの結果を表６にまとめて示す。
表６からＩｎ含有量が本発明の規定を満足する試験Ｎｏ．３−１〜３−４では、耐焼付き性および耐摩耗性に優れる結果となった。それらに対して、本発明の規定を満足しない試験Ｎｏ．３−５では、耐焼付き性および耐摩耗性のいずれも劣る結果となった。特に、特殊熱処理を施した試験Ｎｏ．３−２および３−４では、Ｉｎを主体とする酸化物の個数密度が高くなり、上記（ｉ）式を満足した。そしてその結果、同じＩｎ含有量を有する試験Ｎｏ．３−１および３−３と比較して、それぞれ摺動特性が優れる結果となった。
ＪＩＳ Ｇ ４４０４：２００６規格の合金工具鋼鋼材のＳＫＤ１１鋼にＩｎを添加することによって、表７に示す化学組成を有する溶鋼を溶製した（試験Ｎｏ．４−１および４−２）。
その後、熱間鍛造を行い、続いて、１０００℃で１５分加熱した後、油冷を行う条件で溶体化熱処理を施した。さらに、１５０℃で３０分加熱した後、空冷を行う条件で時効処理を行い、試験材を得た。
その後、実施例１と同様に、Ｉｎを主体とする酸化物の個数密度の測定ならびに耐焼付き性および耐摩耗性の評価試験を行った。
それらの結果を表８にまとめて示す。
表８からＩｎ含有量が本発明の規定を満足する試験Ｎｏ．４−１では、耐焼付き性および耐摩耗性に優れる結果となった。それに対して、本発明の規定を満足しない試験Ｎｏ．４−２では、耐焼付き性および耐摩耗性のいずれも劣る結果となった。
本発明によれば、耐焼付き性および摺動特性に優れ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。
Claims (3)
- 鋼からなる摺動部材であって、
前記鋼の化学組成が、質量％で、
Ｉｎ：０．３〜５．０％、
を含み、
前記鋼中に、Ｉｎを主体とする酸化物が３０個／ｍｍ２以上含まれる、
摺動部材。 - 前記鋼中に含まれる前記Ｉｎを主体とする酸化物の個数密度が、下記（ｉ）式を満足する、
請求項１に記載の摺動部材。
Ｍ＞８０×Ｉｎ ・・・（ｉ）
但し、上記式中のＭは鋼中に含まれるＩｎを主体とする酸化物の個数密度（個／ｍｍ２）であり、Ｉｎは鋼中に含まれるＩｎの含有量（質量％）である。 - 前記鋼の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．３０〜１．８０％、
Ｓｉ：１．０％以下、
Ｍｎ：２．０％以下、
Ｐ：０．１０％以下、
Ｓ：０．１０％以下、
Ａｌ：０．００５〜０．０６０％、
Ｎ：０．００１〜０．０２０％、
Ｉｎ：０．３〜５．０％、
Ｃｒ：０〜１５．０％、
Ｎｉ：０〜０．５０％、
Ｃｕ：０〜０．５０％、
Ｔｉ：０〜０．０５０％、
Ｎｂ：０〜０．０５０％、
Ｖ：０〜２．５％、
Ｍｏ：０〜３．０％、
Ｗ：０〜６．０％、
Ｂ：０〜０．００５％、
残部：Ｆｅおよび不純物である、
請求項１または請求項２に記載の摺動部材。
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- 2019-03-13 JP JP2019045999A patent/JP2020045557A/ja active Pending
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