JP2912458B2

JP2912458B2 - 高強度摺動材料

Info

Publication number: JP2912458B2
Application number: JP1574691A
Authority: JP
Inventors: 省吾村松; 智伊安田
Original assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Current assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Priority date: 1990-01-18
Filing date: 1991-01-17
Publication date: 1999-06-28
Anticipated expiration: 2014-06-28
Also published as: JPH04214853A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高強度摺動材料に関する
ものであり、さらに詳しく述べるならば浸ほう素摺動材
料の強度を高めることにより、浸ほう素処理本来の優れ
た摺動特性とともに強度を兼ね備えた材料を提供するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】浸ほう素処理は極めて硬いほう化物を生
成することができるために、オイルポンプ、クーラー用
コンプレッサのベーンなどの曲げ荷重と圧縮荷重を受け
アルミニウム合金と摺動する鉄系材料、スライディング
シャフト、エンジン用軸受、トランスミッション部品な
どの各種摺動材料の硬化処理に適用できる。

【０００３】本出願人は特開昭６３−１５９６８５号公
報において硬度がＨｖ１２００〜１８５０の浸ほう素処
理層を鉄系基板に形成したコンプレッサ用ベーンを提案
した。この公報においては鉄系材料としては、Ｓ４５
Ｃ，Ｓ５５Ｃ，ＳＵＪ，ＳＫＳ，ＳＫＤなどが例示され
ており、実施例においてはＳ４５Ｃが記載されている。

【０００４】ところで、浸ほう素処理においては母材は
炭化ほう素粉末等の中で７５０〜９５０℃の温度で加熱
され、その後冷却される。このとき母材を急冷すると熱
歪みや変態歪が大きくなるので母材の寸法精度が低下す
るのみならず、母材の歪と浸ほう素処理層の歪が複合さ
れて、浸ほう素処理層にクラックが入る。したがって、
浸ほう素処理後の冷却は徐冷が必要になる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このため、Ｓ４５Ｃな
どの中炭素鋼はフェライトとパーライトから構成される
焼なまし組織になり、強度が不足するという問題があっ
た。この対策として、浸ほう素処理と徐冷を行った後、
Ｓ４５Ｃなどの標準的な焼入れ焼戻しを行えば母材の強
度を高めることができるが、部品の寸法変化を招き、極
めて硬い浸ほう素処理層を加工しなければならないとい
う別の問題が起こり、さらに焼入れの熱処理を細心の注
意で行わないと、浸ほう素処理層の歪と焼入れ歪が複合
して焼割れや表面クラックの問題も起こる。したがっ
て、浸ほう素処理された摺動部材には通常の焼入れ焼戻
し処理を適用することは困難である。

【０００６】浸ほう素処理された材料の強度が不足する
と、摺動材料の設計が制約され、軽量部品の製造が困難
になりまた浸ほう素処理摺動材料の適用機械・部品が限
定されることになる。

【０００７】本発明は、以上のような浸ほう素処理摺動
材料の従来技術を背景としてなされたものであって、浸
ほう素処理後に許容される冷却速度、摺動材料として必
要な強度および母材組織の関連を研究し、浸ほう素処理
の優れた摺動特性と強度を兼ね備えた材料を提供するこ
とを目的としてなされたものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、表面に浸ほう
素処理層を有し、母材がソルバイト組織がのみからなる
組織、あるいは実質的にソルバイトとパーライトの混合
組織を有する鉄鋼材料よりなることを特徴とする高強度
摺動材料を提供する。浸ほう素処理摺動材料において浸
ほう素処理の加熱後許容される冷却速度はソルバイトが
１００％になる程度のものである。

【０００９】これより急冷で、マルテンサイトやベイナ
イトがソルバイトの他に生成する冷却速度は歪の点から
好ましくなく、一方、フェライトとパーライトの混合相
になる徐冷では母材の硬度や強度が著しく低くなり、摺
動部材の性能が不満足になる。また、パーライトが９０
％を超えるような冷却速度では、歪は低くまたある程度
の硬度や強度が得られる。パーライトが９０％を超える
母材は通常共析点近傍の炭素量を有する鋼を徐冷して得
られる焼なまし組織を有し、硬度が低くかつ特に耐曲げ
性が低いので、摺動部材の強度が不足する。以上のよう
な組織とは異なり、ソルバイトとパーライトを主体とす
る組織とすることにより低歪と高強度（硬度）が両立す
る摺動部材を得ることができる。ソルバイト量は５０％
以上が好ましい。

【００１０】ソルバイト以外の組織ではフェライトが強
度の面から最も好ましくないので、３０％以下のフェラ
イトとすることが好ましい。パーライトは低歪みと高強
度のバランスの面から最も好ましい。したがって、ソル
バイトとパーライトからならなり、組織の比率が、ソル
バイトが１０〜１００％、特に５０〜１００％、パーラ
イトが０〜９０％、特に０〜５０％であることが好まし
い。

【００１１】通常８００〜８５０℃で行われる浸ほう素
処理後の冷却速度調節により上述のような組織を得るこ
とができれば、母材の炭素含有量は所望のものでよい
が、炉冷（加熱炉の電源を遮断する炉内冷却）、空冷、
放冷、冷たい空気吹き付けによる強制冷却などの浸ほう
素処理後の冷却に適する冷却法を念頭に置くと、炭素含
有量は０．４％以上、特に０．６〜０．９％が現実的な
範囲になる。この範囲の内過共析範囲では初析セメンタ
イトが生成することがある。初析セメンタイトの生成量
は僅かであり、強度への影響は少ない。亜共析炭素範囲
では特に加熱温度が低いとフェライトが生成するので、
３０％以下にフェライト量を抑えることが好ましい。そ
のためには低炭素量の母材では加熱温度を高め、浸ほう
素処理後の冷却速度を高めることが好ましい。

【００１２】上記の炭素鋼を冷却する方法によるよりも
さらに高強度が必要であるときは、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，
Ｍｎなどの合金元素を添加することができる。これらの
元素いずれもフェライトを固溶強化することにより、強
度を向上させるとともに、靭性を高め座屈変形や曲げに
対して強い母材を提供することができる。各成分の作用
についてみると、Ｎｉ、Ｍｎはパーライト生成を抑制
し、ソルバイトなどの生成を促進し硬度を高める。しか
しこれらの含有量が５％を超えると、オーステナイトの
安定度が高くなり、ベイナイトが３０％以上多量に生成
し、歪の発生が顕著になるので、好ましくはない。Ｍ
ｏ，Ｃｒの含有量が５％以下であると、特殊炭化物やベ
イナイトの多量生成による歪の発生が顕著でない。この
範囲の含有量のＭｏ，Ｃｒはパーライト変態を遅らせる
ことによりソルバイトの割合を高め、硬度の上昇に寄与
する。

【００１３】Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏなどの合金元素が添加さ
れると普通鋼よりも低炭素量で高強度がまた同等炭素量
ではより高強度が得られるようになる。合金元素を添加
した合金鋼母材は、硬度が高い高Ｓｉアルミニウム合金
として、特に高い母材強度が必要である時に使用され
る。一般に低炭素であると焼きなましまたは圧延状態の
母材の加工が容易になる等の利点もあるので、合金鋼に
おいては低炭素とすることが好ましい。また合金鋼で高
炭素にすると特殊炭化物が形成される。特殊炭化物は硬
度が高いので母材の強化には有利である。しかし、本発
明の母材は基本的には、オーステナイト域からの冷却に
より所定組織を得ようとするものであり、特殊炭化物の
形態コントロールに適する高温焼戻しは行わない。した
がって、特殊炭化物が顕著に形成される高炭素含有量で
は合金元素の利用が十分でないうらみがある。そこで、
合金鋼は普通鋼よりも低い炭素含有量が好ましい。すな
わち、ほぼ共析および亜共析範囲の炭素含有量がである
０．２〜０．８％の範囲が好ましい。

【００１４】上述したように本発明では、浸ほう素処理
後の冷却をコントロールすることにより所定組織を形成
することが最も有利である。しかし、冷却後に熱処理を
全く行わないのではなく、必要により歪み取り焼鈍など
を実施することができる。また、ベイナイト組織の生成
量が多過ぎる時は、変態点以下の加熱によって炭素を拡
散させ、ベイナイトを炭化物に分解させることもでき
る。また、炉のトラブルなどにより冷却コントロールに
失敗したような場合は、歪が蓄積しない内に直ちに再び
オーステナイト化温度に加熱し、所望の冷却を行っても
よい。ただし、ほう化物と母材の間に歪が発生している
から昇温を急速に行うと浸ほう素処理層にクラックが発
生するおそれがあるので、昇温は徐加熱による必要があ
る。

【００１５】浸ほう素処理法は、ほう砂（Na₂B₄O₇)に炭
化けい素または炭化ほう素などを１０〜４０重量％加え
て所定温度に加熱された溶融塩浴に数時間浸漬する液体
法、ほう砂、ほう砂と炭化けい素、ほう砂と塩化ナトリ
ウムなどを混合して所定温度に加熱された溶融塩浴中で
母材を陰極として数時間電解を行う電解法、あるいは炭
化ほう素および炭素に炭化けい素、四ふっ化ほう素カリ
ウムなどを添加した混合粉のなかに母材を埋めて加熱す
る固体法などが採用される。なかでも固体法が好まし
い。固体法によれば他の方法に比べて容易に厚みが２０
０μｍ以下の厚い浸ほう素処理層が得られる。

【００１６】

【作用】以下、本発明者が炭素含有量、冷却速度、組織
および硬度の関係を調査した結果を説明する。

【００１７】

【００１８】表中、冷却速度はオーステナイト化温度か
らＡｒ’変態点までの平均冷却速度である。但し、簡便
のため７５０℃から６５０℃における平均冷却速度を代
用できる。また、組織はＰ（パーライト）、Ｆ（フェラ
イト）、Ｓ（ソルバイト）を意味する。この表から分か
るように炭素含有量を過共析に定めかつ冷却速度を３．
０℃／min 以上に定めることにより、より高い硬度が得
られ、強度向上が可能になる。

【００１９】上記試材番号の比較１である０．４５％
Ｃ，０．５〜１．５℃／min は既に説明した従来技術に
相当し、焼なまし組織が得られるために、強度が不十分
となる。

【００２０】上記試材番号の比較２である０．４５％
Ｃ、１００〜℃／minは一般的な焼き入れ処理を１００
℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で慎重に行ったものである
が、硬度の向上がある程度あるもののひずみが多くかつ
浸ほう素処理層の表面の一部にクラックが発生してしま
うため摺動材料としては不適切なものとなる。

【００２１】上記の試材番号の本願１は、後に詳述する
特殊な方法によって、フェライトの生成量が少なくかつ
パーライトの生成も若干抑えてソルバイトを生成させる
ように急冷したものである。このため、浸ほう素処理層
にクラックが発生しなくなり内部ひずみも比較２に対し
て減少したものとなる。

【００２２】また、冷却速度が３．０℃／min 以上で
も、また１２５０℃／min （冷風吹き付けによる強制冷
却）に達しても、組織がソルバイトを主体とする限り浸
ほう素処理層にはクラックが発生しない。

【００２３】０．８２％の炭素鋼で硬度がＨｖ３５０に
なると組織は１００％ソルバイトになる。Ｈｖ２６０に
なる組織は約５０％のパーライトが存在する。ソルバイ
トとパーライトの混合組織では前者の硬度はHv(0.05kg)
=320〜350 、後者の硬度はHv(0.05kg)=290〜310 であ
る。ソルバイト・パーライト混合組織では硬度はこれら
の中間の値になる。

【００２４】さらに、０．８２％Ｃの炭素鋼の冷却速度
を変化させ硬度と組織を調べた結果を示す図１より、冷
却速度のコントロールによりHv250 〜320 の硬さを有
し、組織がパーライトとソルバイトからなる母材が得ら
れることが明らかである。

【００２５】上記表の各母材を寸法２×１４×３５mmの
試験片に加工し、この中心に２ton の荷重を加え変形量
を測定した。この結果を図２に示す。これより、ソルバ
イト・パーライト混合組織の母材はパーライト単相の母
材の１／２の変形量になることが分かる。

【００２６】一方、０．４５％Ｃの炭素鋼について、同
様に変形量を測定すると、上記試材番号の比較１では図
２に示すように１８〜１２μｍと大きいが、上記試材番
号の本願１では４〜５μｍであり比較１の数分の１の変
形量になることが分かる。以下、実施例により本発明を
さらに詳しく説明する。

【００２７】

【実施例】実施例１炭素含有量が０．８２％である炭素鋼を固体法により８
３０℃で浸ほう素処理し、厚みが７０μｍである浸ほう
素処理層を形成した。なお、加熱後炉冷（冷却速度０．
８℃／min ）および静止空気中冷却（冷却速度１５℃／
min）を行った。炉冷組織を図３に、また静止空気中冷
却組織を図４に示す。図３の組織は１００％パーライト
である。図４の組織中パーライトの部分を図５に示すよ
うに黒く着色し、着色された用紙を画像解析装置により
解析して、パーライトの面積率を求めたところ８．０％
の結果が得られた。また、硬度は、パーライト＝Hv２４
６パーライト・ソルバイト＝Hv２７８であった。

【００２８】ほう化物層の厚みが５μｍの浸ほう素処理
を、C 0.5%, Mo 0.2%, Ni 2.0%, Cr1.0% を含有する合
金鋼母材に付いて行い、１５℃／min で冷却したとこ
ろ、硬度Hv= 400 〜600 、組織は６０％ソルバイト、３
０％ベイナイト、１０％パーライトの結果が得られた。

【００２９】実施例２炭素含有量が０．８２％である炭素鋼を固体法により８
００℃で浸ほう素処理し、厚みが１０μｍである浸ほう
素処理層を形成した。処理粉に埋収した状態で炉外にて
静止空気冷却（冷却速度１０℃／ｍｉｎ）を行った。高
度はＨｖ２５５〜２７０、平均Ｈｖ約２６０であった。
組織中の面積率はソルバイトが２５％でパーライトが７
５％の混合組織が得られた。

【００３０】実施例３０．８２％Ｃのような高炭素鋼については、冷却開始温
度を制御することにより組織中のソルバイト量をかえる
ことができる。すなわち、ソルバイト量を多くしたいと
きには浸ほう素処理温度を上げて冷却開始温度を高くす
ると良く、ソルバイト量を低めにしたいときには浸ほう
素処理温度を若干下げて冷却開始温度を低くすれば良
い。望ましい冷却開始温度範囲は７８０℃〜９００℃、
好ましくは８００℃〜８５０℃とすると良い。但し、浸
ほう素処理温度はこの冷却開始温度と一致しなくともよ
いが、生産性の観点からは一致した方が良い。このよう
にして得られた摺動材料は、内部ひずみがほとんどなく
浸ほう素処理層のクラック発生もなかった。

【００３１】実施例４次に、炭素含有量があまり多くない０．４５％であるよ
うな中炭素鋼に対しては、ソルバイト、パーライト、フ
ェライト混合組織を得るには以下のような処理方法が必
要となる。炭素含有量が０．４５％である炭素鋼を固体
法により９００℃で浸ほう素処理し、厚みが５０μｍで
ある浸ほう素処理層を形成し、温度を固体浸ほう素処理
剤中で８５０℃に冷却した後、処理品を３７０℃の塩浴
中に投入して冷却（冷却速度５０℃／ｍｉｎ）しつつこ
の温度を保持（１時間）することを行った。組織中の面
積率はソルバイト４０％、パーライト４０％、フェライ
ト２０％であり、これらの混合組織が得られた。このよ
うにして得られたものは内部ひずみが若干残るものの、
浸ほう素処理層にクラックは発生しなかった。なお、フ
ェライトが組織中に存在するため、硬度はソルバイトと
パーライトの混合組織である実施例１、２よりも低い
が、ソルバイトの存在しない比較剤に対しては十分向上
していた。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、摺
動材料のクラックや歪を抑制しながら高強度の浸ほう素
処理母材を得ることができるので、摺動部品の歩留まり
や寸法精度が高められる他に、摺動部品の軽量化を図る
ことができ、さらに曲がりやたわみに対する強度を高め
ることができる等の優れた性能が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】０．８０％Ｃ炭素鋼の冷却速度と硬度の関係を
示すグラフである。

【図２】各種炭素鋼の組織・硬度とたわみ変形量の関係
を示すグラフである。

【図３】０．８２％Ｃ炭素鋼を０．８℃／sec で冷却し
た金属組織を示す写真（倍率４００倍）である。

【図４】０．８２％Ｃ炭素鋼を１５℃／sec で冷却した
金属組織を示す写真である。

【図５】図４のパーライトを黒色で塗りつぶし、画像解
析に供した図面である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C23C 8/70 C23C 8/40 - 8/42 F16C 33/12

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】表面に浸ほう素処理層を有し、母材がソル
バイトのみからなる組織又は実質的にソルバイトとパー
ライトの混合組織を有する鉄鋼材料よりなることを特徴
とする高強度摺動材料。
【請求項２】母材が１０〜１００％のソルバイトと９０
％以下（０％を含む）のパーライトからなる組織を有す
る炭素鋼であることを特徴とする請求項１記載の高強度
摺動材料。
【請求項３】母材が３０％以下のベイナイトおよび０〜
３０％のフェライトからなる相の少なくとも一つを含有
することを特徴とする請求項２記載の高強度摺動材料。