JP3658465B2 - 鉄系焼結摺動部材ならびにその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄を主成分とする焼結摺動部材、具体的には素地の組織がフェライト組織を呈し、該組織中に多量の黒鉛が分散含有されてなる鉄系焼結摺動部材ならびにその製造方法に関するものである。本発明において摺動部材とは、軸受、すべり板、接触型シール材などを指すものである。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
従来より、黒鉛の固体潤滑作用を利用し、組織中に黒鉛を分散含有させた鉄系焼結摺動部材は数多く提案されている。しかしながら、基材が鉄を主成分とする焼結摺動部材においては、鉄粉末と黒鉛粉末とが焼結過程において反応して組織中に高硬度の遊離セメンタイト（Ｆｅ₃ Ｃ）を生成し、この遊離セメンタイトが相手材との摺動において当該相手材を損傷させるという、摺動部材においては極力避けなければならない欠点が現れる。
【０００３】
この遊離セメンタイトの生成を防止する方法として、例えば▲１▼黒鉛の配合割合を少量とする（１重量％以下）、▲２▼遊離セメンタイトを生成し得ない低温度（１０００℃以下）で焼結する、ことにより一応の解決は見られるが、上記▲１▼の方法では配合した黒鉛の固体潤滑作用を期待することができず、また▲２▼の方法では摺動部材としての機械的強度が低く、いずれの方法によっても得られた摺動部材は黒鉛による固体潤滑作用を十分発揮させることができず、実用に供し難いという問題を残す。
【０００４】
さらに、別の方法として、黒鉛粉末に銅メッキを施した、所謂被銅黒鉛粉末を使用することにより遊離セメンタイトの生成のない鉄系焼結摺動部材を得ることができるが、この方法においては▲１▼黒鉛粉末に予め銅メッキを施す工程を必要とし、コスト高となること、▲２▼すべての黒鉛粒子にもれなく銅メッキを施すことは工業的に困難であること、▲３▼上記▲２▼の結果として遊離セメンタイトの生成を完全には防ぎ難い、などの問題がある。
【０００５】
上述した問題点に鑑み本発明者らは、鉄基合金の格子構造において体心立方構造（α相：フェライト組織）は面心立方構造（γ相：オーステナイト組織）に比べて炭素の固溶度が著しく低い点に着目し、鉄系焼結部材の通常の焼結温度である１１００〜１２００℃の範囲で鉄粉末と合金化してα相となる金属成分を選択すること、また黒鉛粉末を多量に添加した鉄基混合粉末をα相領域で焼結すること、により遊離セメンタイト及びパーライトを生成することなく多量の黒鉛を含有した鉄系焼結摺動部材を得ることができることを確認した。
【０００６】
すなわち、本発明は、遊離セメンタイトの生成がなく、素地組織（フェライト）中に多量の黒鉛が分散含有された鉄系焼結摺動部材及びその製造方法を得ることを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば上記目的は、珪素３〜８重量％、錫１．５〜５重量％、黒鉛１０〜２５重量％、残部鉄から成り、素地がフェライト組織を呈し、該フェライト組織中に黒鉛が分散含有されてなる鉄系焼結摺動部材によって達成される。
【０００８】
また、本発明によれば上記目的は、珪素粉末３〜８重量％または珪素鉄合金粉末の珪素成分として３〜８重量％と錫粉末１．５〜５重量％または鉄錫合金粉末あるいは部分合金化鉄錫粉末の錫成分として１．５〜５重量％と黒鉛粉末１０〜２５重量％と残部鉄粉末とを混合して混合粉末を形成し、該混合粉末を金型に装填して所望の形状に成形して圧粉体を形成したのち、この圧粉体を中性または還元性雰囲気に調整した加熱炉内で１１００〜１２００℃の温度で３０〜９０分間焼結することを特徴とする鉄系焼結摺動部材の製造方法によっても達成される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の成分において、珪素（Ｓｉ）および錫（Ｓｎ）は素地のα（フェライト）相生成元素である。珪素は主成分をなす鉄成分と親和性が良好で、焼結過程において鉄成分に拡散固溶して合金化する元素で、成分中に３〜８重量％の割合で添加される。珪素は珪素単体粉末のほかに、鉄珪素合金粉末、具体的には鉄−１８％珪素合金粉末を珪素成分として３〜８重量％となるように添加して使用することができる。
【００１０】
錫は上記珪素と同様、主成分をなす鉄成分と親和性が良好な元素で、鉄成分へ流動して合金化するとともに焼結過程における２３２℃の温度から液相を生じて結合材の役割を果し、焼結体を緻密化させて焼結体の強度、靭性および機械的強度の向上に寄与する。そして、その添加割合は１．５〜５重量％が適当である。錫成分としては錫単体粉末のほかに、鉄錫合金粉末あるいは部分合金化鉄錫粉末、具体的には錫２〜４０重量％と鉄６０〜９８重量％の鉄錫合金粉末あるいは部分合金化鉄錫粉末が使用され、錫成分として１．５〜５重量％となるように添加される。
【００１１】
黒鉛は鉄、珪素および錫からなるα相中に分散含有されて固体潤滑作用をなすもので、固体潤滑作用を発揮させるためには少なくとも５重量％以上、好ましくは１０重量％以上の添加量が必要とされる。また、素地がα組織を呈し、遊離セメンタイトの生成を生じないため２５重量％もの多量の添加が可能となる。しかし、２５重量％を越えて添加すると、摺動部材としての機械的強度が損なわれるため、その添加量は２５重量％が限度である。したがって、黒鉛の添加量は１０〜２５重量％が適当である。
【００１２】
つぎに、上記成分組成から成る焼結摺動部材の製造方法について説明する。
【００１３】
鉄粉末、珪素単体粉末または珪素鉄合金粉末、錫単体粉末または鉄錫合金粉末あるいは部分合金化鉄錫粉末はそれぞれ粒径が２５μｍのふるいを通過する粉末が使用される。これらの粉末を使用するのは、焼結過程において速やかに合金化させγ相を生じさせないで素地をα相化させるとともに生成する気孔の大きさを小さく抑えるためである。また、黒鉛は粒径が１００μｍ以上、１５０μｍ以下の上記金属粉末に比べ大きな粉末が使用される。これは黒鉛の分散性をよくし、黒鉛による固体潤滑作用を効果的に発揮させるためである。
【００１４】
粒径が２５μｍのふるいを通過する鉄粉末に対し、粒径が１００μｍ以上、１５０μｍ以下の黒鉛粉末１０〜２５重量％、珪素単体粉末または珪素鉄合金粉末の珪素成分として３〜８重量％および錫単体粉末または鉄錫合金粉末あるいは部分合金化鉄錫粉末の錫成分として１．５〜５重量％を添加、混合して混合粉末を形成する。ついで、この混合粉末を所望の形状を有する金型内に装填し、２〜５トン／ｃｍ^２の圧力下で圧縮成形し、該混合粉末からなる圧粉体を形成する。このようにして得た圧粉体を中性もしくは還元性雰囲気に調整した加熱炉内で１１００〜１２００℃の温度で３０〜９０分間焼結し、その後炉冷して炉から取り出し、必要に応じて機械加工により所望の寸法に加工して焼結摺動部材を得る。ここで、中性もしくは還元性雰囲気としては、アンモニア分解ガス、窒素ガス、水素ガスなどが使用される。
【００１５】
このようにして得た焼結摺動部材はその素地の組織がα相を呈し、該α相中に黒鉛が分散含有されている。
【００１６】
上述した焼結過程において、成分中の錫は２３２℃の温度において液相を生じ鉄成分へ流動して合金化する際に膨張し、合金化によってα相になると焼結が活性化されて大きく収縮すること、また成分中の珪素は鉄成分に拡散固溶する際に膨張し、拡散が終わりα領域になると大きく収縮すること、を見出した。この収縮現象は黒鉛粉末の周囲の気孔をつぶし、かつ該黒鉛粉末を素地に強く保持させるので、該黒鉛の脱落がないという効果を生ずる。
【００１７】
以下、本発明の焼結摺動部材をその実施例に基づき詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に何ら限定されないのである。
【００１８】
【実施例】
２５μｍのふるいを通過する還元鉄粉末に対し、２５μｍのふるいを通過するアトマイズ鉄−１８％珪素合金粉末を珪素成分として５重量％、２５μｍのふるいを通過するアトマイズ錫粉末２重量％および粒径が１００μｍ以上、１５０μｍ以下の黒鉛粉末１７重量％を乳鉢で混合し、混合粉末を得た（鉄７６重量％、珪素５重量％、錫２重量％、黒鉛１７重量％）。
【００１９】
この混合粉末を金型内に装填し、２トン／ｃｍ² の圧力で圧縮成形し、圧粉体を得た。この圧粉体を水素雰囲気に調整された加熱炉内で、１１５０℃の温度で６０分間焼結し、その後炉冷して炉から取り出し、機械加工により一辺が３０ｍｍ、厚さ５ｍｍの寸法に加工して焼結摺動部材を得た。
【００２０】
このようにして得た焼結摺動部材の組織は図１の顕微鏡写真（倍率１００倍）に示すように、素地がフェライト組織を呈するとともに該組織中に遊離セメンタイト及びパーライトの生成はなく、黒鉛Ａは該組織中に分散含有されているのが確認された。
【００２１】
つぎに、上記実施例で得た焼結摺動部材の摺動特性について、下記の試験条件で試験した結果を説明する。
【００２２】
（試験条件）
すべり速度：１６．７ｍｍ／ｓｅｃ
荷 重：５０ｋｇｆ／ｃｍ²
時 間：３０分
潤 滑：無潤滑
相 手 材：機械構造用炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）からなる円筒体
試験方法 ：スラスト試験
【００２３】
上記試験条件により行なった結果、摩擦係数は０．１５〜０．２０と低い値を示し、また摩耗量（摩耗深さ）は０．０５ｍｍ以下と低い値を示した。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の鉄系焼結摺動部材は、その素地の組織がフェライト組織を呈し、該組織中に多量の黒鉛が分散含有されているので、該黒鉛の固体潤滑作用がいかんなく発揮される。また、製造方法においては鉄粉末、珪素粉末および錫粉末を２５μｍのふるいを通過する粉末を使用することにより、焼結過程において速やかに合金化させ素地をα相化させるとともに生成する気孔の大きさを小さく抑えることができる。さらに、錫成分と珪素成分が鉄成分へ拡散固溶した後の収縮現象により、黒鉛粉末の周囲の気孔をつぶし、かつ該黒鉛粉末を素地に強く保持させるので、該黒鉛の脱落がないという効果を生ずる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の鉄系焼結摺動部材の焼結組織を示す顕微鏡写真である。
【符号の説明】
Ａ 黒鉛

Claims (2)

1. 珪素３〜８重量％、錫１．５〜５重量％、黒鉛１０〜２５重量％、残部鉄から成り、素地がフェライト組織を呈し、該フェライト組織中に黒鉛が分散含有されていることを特徴とする鉄系焼結摺動部材。
2. 珪素粉末３〜８重量％または珪素鉄合金粉末の珪素成分として３〜８重量％と錫粉末１．５〜５重量％または鉄錫合金粉末あるいは部分合金化鉄錫粉末の錫成分として１．５〜５重量％と黒鉛粉末１０〜２５重量％と残部鉄粉末とを混合して混合粉末を形成し、該混合粉末を金型に装填して所望の形状に成形して圧粉体を形成したのち、この圧粉体を中性または還元性雰囲気に調整した加熱炉内で１１００〜１２００℃の温度で３０〜９０分間焼結することを特徴とする鉄系焼結摺動部材の製造方法。

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