JP3682556B2

JP3682556B2 - 耐熱・耐摩耗性焼結ステンレス鋼

Info

Publication number: JP3682556B2
Application number: JP18230694A
Authority: JP
Inventors: 充金沢; 演泰西村; 正人坂井
Original assignee: Fine Sinter Co Ltd
Current assignee: Fine Sinter Co Ltd
Priority date: 1994-08-03
Filing date: 1994-08-03
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2020-08-10
Also published as: JPH0841607A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、耐熱性、耐摩耗性等に優れた焼結ステンレス鋼に関する。
【０００２】
【従来技術とその課題】
軸受材等のように高温酸化雰囲気下で耐摩耗性が要求される材料は、従来よりＳＵＨ３等の耐熱鋼、Ｃ６１９１等の銅合金などによって作製されている。
【０００３】
しかしながら、耐熱鋼は、耐熱性及び耐摩耗性に優れているものの、相手材を攻撃するため、相手材の消耗を招くという問題がある。また、銅合金は、相手材とのなじみが良く摺動特性に優れる反面、高温での強度低下が顕著でその変形・摩耗が激しい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、低攻撃性で、高温での強度低下が小さく、耐摩耗性・耐酸化性に優れた焼結材料を提供することを主な目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記従来技術の問題に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、焼結ステンレス鋼において特定の二相を混在させた焼結体に銅又は銅合金を含浸させることによって、高温での耐摩耗性、耐酸化性等に優れた材料が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００６】
即ち、本発明は、マルテンサイト相２０〜５０体積％及び残部フェライト相からなる焼結ステンレス鋼に銅又は銅合金が含浸されていることを特徴とする耐熱・耐摩耗性焼結ステンレス鋼に係るものである。
【０００７】
以下、本発明について詳細に説明する。
【０００８】
本発明の耐熱・耐摩耗性ステンレス鋼は、マルテンサイト相２０〜５０体積％及び残部フェライト相からなる焼結ステンレス鋼に銅又は銅合金が含浸されていることに特徴を有する。上記マルテンサイト相が２０体積％未満の場合には、耐摩耗性が低下するので好ましくない。一方、５０体積％を超える場合には、耐熱性、耐酸化性等が低下するので好ましくない。なお、本発明の焼結ステンレス鋼においては、上記以外の相、例えばオーステナイト相は１０体積％程度までであれば混在していても差支えない。
【０００９】
上記マルテンサイト相は、当該相中にＣｒを１０〜１５重量％含むことが望ましい。Ｃｒの存在によって焼結ステンレス鋼中におけるマルテンサイト相の維持・安定化を図ることができる。
【００１０】
本発明では、上記マルテンサイト相にＭｏ、Ｓｉ及びＮｉの少なくとも１種を含有させることにより、焼結体の耐熱性等を向上させることができる。但し、当該相中におけるこれらの添加量が合計５重量％を上回るとオーステナイト相が形成されたり、炭化物の粗大化又は液相の生成を招くので好ましくない。なお、添加量の下限は、添加する元素の種類、マルテンサイト相の占める割合（体積％）等により適宜設定すれば良い。
【００１１】
一方、上記フェライト相は、当該相中にＣｒを１６〜３０重量％含むことが望ましい。Ｃｒの存在によって焼結ステンレス鋼中におけるフェライト相の維持・安定化を図ることができる。
【００１２】
本発明では、上記マルテンサイト相の場合と同様に、フェライト相にＭｏ、Ｓｉ及びＮｉの少なくとも１種を含有させることにより、焼結体の耐熱性を向上させることができる。但し、当該相中におけるこれらの添加量が合計５重量％を上回るとオーステナイト相が形成されたり、炭化物の粗大化又は液相の生成を招くので好ましくない。なお、添加量の下限は、添加する元素の種類、フェライト相の占める割合（体積％）等により適宜設定すれば良い。
【００１３】
さらに、本発明では、炭素を添加することによって、微細炭化物を形成させることにより耐摩耗性の向上を図ることができる。但し、炭素の含有量が銅又は銅合金を溶浸する前の焼結体（基材）中５重量％を上回ると、オーステナイト相が形成されたり、炭化物の粗大化又は液相の生成を招くので好ましくない。なお、含有量の下限は、マルテンサイト相とフェライト相の比率、製品の用途等により適宜設定すれば良い。
【００１４】
焼結ステンレス鋼に含浸している銅又は銅合金（溶浸材）は、耐食性、相手材とのなじみ性等を向上させることができるものであれば特にその種類は制限されない。このような特性をもつものとしては、例えば、純度９９％以上の銅、或いは合金成分としてＰｂ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｓｉ等を含む銅合金が採用でき、これらは単独又は２種以上を用いることが可能である。なお、銅合金を使用する場合において摺動材料を目的として製造する場合は、上記合金成分が３５重量％を超えると相手材とのなじみ性を低下させるおそれがあるので、通常は３５重量％以下の範囲で用いることが好ましい。本発明の焼結ステンレス鋼においては、上記含浸材はその気孔部又はその周辺部、凹部等に均一に存在している。
【００１５】
上記の溶浸材の含浸量は、用いる溶浸材の種類、製品の用途等により適宜定めることができ、通常は上記基材に対し５〜２５重量％程度とすれば良い。５重量％未満の場合には、相手材とのなじみが低下するおそれがあり、また２５重量％を超えると強度が低下するおそれがあるので好ましくない。但し、本発明の効果に悪影響を与えない限り上記範囲外となっても差支えない。
【００１６】
本発明の焼結体は、例えば、以下のようにして製造することができる。フェライト相を形成する原料粉末とマルテンサイト相を形成する原料粉末とを、マルテンサイト相が最終的に２０〜５０体積％を占めるような割合で混合する。
【００１７】
これらの原料粉末は、焼結によって両各相をそれぞれ形成し得る組成をもつものであれば、市販品をそのまま用いることができる。例えば、フェライト相を形成し得るものとしては市販のＳＵＳ４３０Ｌ相当のステンレス鋼粉末（Ｆｅ−17％Ｃｒ-0.5％Ｓｉ）、ＳＵＳ４３４相当のステンレス鋼粉末（Ｆｅ−17％Ｃｒ-1％Ｍｏ）等が挙げられる。また、マルテンサイト相を形成し得るものとしては市販のＳＵＳ４１０Ｌ相当のステンレス鋼粉（Ｆｅ−13％Ｃｒ-0.5％Ｓｉ）、ＳＵＳ４１０Ｊ１相当のステンレス鋼粉（Ｆｅ−13％Ｃｒ-0.5％Ｍｏ）等が挙げられる。また、これら原料粉末の粒径は、通常１０〜１５０μｍ程度で用いることができるが、焼結反応等に支障がない限り、この範囲を外れても良い。
【００１８】
次いで、製品の用途等に応じて、この混合粉末に所定量のＭｏ、Ｓｉ及びＮｉの少なくとも１種並びにＣの粉末を添加する。これら添加粉末は、その一部又は全部が前記の原料粉末中に予め含有されていても良い。これらの粉末の粒径は、通常５〜４４μｍ程度で用いることができるが、焼結反応に支障がない範囲内であればこの範囲外となっても良い。またさらに、必要に応じて、ステアリン酸亜鉛等の潤滑剤、その他Ｆｅ−Ｍｏ化合物、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｓｉ等の公知の各種添加剤を加えることもできる。
【００１９】
得られた混合粉末を、常法に従って成形した後、焼結させる。成形方法は金型成形、静水圧成形等の公知の方法が適用できる。成形圧力は、製品の用途等に応じて適宜設定することができ、通常３〜８ton/cm²程度とすれば良い。焼結は、通常アンモニア分解ガス等の還元性雰囲気中で１０００〜１２５０℃程度の温度で３０〜９０分程度で行うことができる。
【００２０】
続いて、得られた上記焼結体（基材）に溶浸材を含浸させる。含浸は、例えば銅又は銅合金の焼結体等を上記焼結体に積載等によって接触させ、通常アンモニア分解ガス等の還元性雰囲気中で９００〜１２００℃程度の温度で３０〜９０分間程度で行うことができる。また、含浸量の調整は、用いる銅又は銅合金の大きさ、加熱時間等の変更により行うことができる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の焼結ステンレス鋼は、マルテンサイト相とフェライト相の両者が特定の割合で混在する焼結体に銅又は銅合金が含浸するという特異な構造を有するので、マルテンサイト相とフェライト相両相のもつ特性が互いに損れることなく発揮される。
【００２２】
即ち、耐摩耗性と耐熱性・耐酸化性の両特性を兼ね備え、特に高温酸化雰囲気中で耐摩耗性等が要求される材料に好適に用いることができる。しかも、摺動材料として用いる場合には、相手材とのなじみが良好である（相手材への攻撃性が低い）ので、従来のステンレス鋼等と異なり相手材の消耗を抑制乃至防止することができる。
【００２３】
このように本発明焼結ステンレス鋼は、軸受材、軸受機、バルブシート、パッキン等の摺動材料、その他歯車、カム等の材料に特に有用である。
【００２４】
【実施例】
以下に実施例および比較例を示し、本発明の特徴とするところをより一層明確にする。なお、本実施例における各特性の評価方法は以下の通りである。
【００２５】
(1) 酸化試験
大気中６００℃及び８００℃で１００時間加熱し、酸化による重量変化を測定した。重量の増加が大きいほど耐酸化性が低いことを示す。
【００２６】
(2) 摩耗試験
大越式迅速摩耗試験機を使い、下記の条件で試験を行い、その摩耗量を測定した。テストピースの摩耗量が少ないほど耐摩耗性が良く、また相手材リングの摩耗量が少ないほど相手材への攻撃性が低いことを示す。
【００２７】
試験条件
摩耗速度４．８６ m/min
荷重６．３ｋｇ
摩擦距離１００ｍ
相手材リングＳＵＳ３０４
実施例１
粒径１５０μｍ以下の市販のＳＵＳ４３０Ｌ相当のステンレス鋼粉（Ｆｅ−17％Ｃｒ-0.5％Ｓｉ）６９重量部に、粒径１５０μｍ以下の市販のＳＵＳ４１０Ｌ相当のステンレス鋼粉（Ｆｅ−13％Ｃｒ-0.5％Ｓｉ）を３０重量部及び粒径４４μｍ以下の市販の黒鉛粉を１重量部加えた。この原料に対し、金型成形の際の潤滑剤としてステアリン酸亜鉛０．８重量％を添加した。
【００２８】
上記混合粉を６ton/cm²の成形圧力で金型成形し、成形体を作製した。次いで、この成形体を連続焼成炉を使ってアンモニア分解ガス中１１５０℃で４５分間焼結し、焼結体を得た。
【００２９】
一方、純度９９％以上の市販の銅粉を上記焼結体の重量の１５重量％秤量し、これを３ton/cm²の圧力で成形し、これを溶浸材とした。
【００３０】
次に、この溶浸材を上記焼結体の上に載せ、連続焼成炉を使ってアンモニア分解ガス中１１００℃で４５分間焼結し、気孔内に銅が含浸された焼結ステンレス鋼を得た。得られた材料につき以下の各種の評価を行った。その結果を表１に示す。
【００３１】
実施例２〜５
基材、含浸材の種類、組成割合を表１のようにして、実施例１と同様に焼結ステンレス鋼を製造した。得られた試料Ｎｏ．２〜５につき実施例１と同様の評価を行った。その結果を表１に示す。
【００３２】
比較例１〜３
基材の組成が本発明の範囲外の焼結体を作製した。
【００３３】
表１に示す原材料を用い、実施例１と同様にして焼結し、焼結体を得た。さらに、焼結体の上に載せ、連続焼成炉を使って実施例１と同様にして気孔内に銅が含浸された焼結ステンレス鋼を得た。得られた材料につき実施例１と同様の試験を行った。その結果を表１に示す。
【００３４】
比較例４〜７
銅又は銅合金を含浸しない焼結体を作製した。
【００３５】
表１に示す原材料を用い、銅を含浸させない以外は、実施例１と同様にして焼結体を作製した。得られた材料につき実施例１と同様の試験を行った。その結果を表１に示す。
【００３６】
なお、表１には、比較のため、ＳＵＨ３溶製材を用いて実施例１と同様の試験を行った結果を比較例７として併記する。
【００３７】
【表１】

【００３８】
表１から明らかなように、比較例１及び２は、マルテンサイト相の割合が少ないため、耐酸化性は良好であるものの耐摩耗性に劣る。一方、比較例３は、マルテンサイト相のみからなるため、耐摩耗性が良い反面、耐酸化性に劣ることがわかる。また、銅が溶浸されていない比較例５〜７は耐酸化性が特に劣っている。
これに対し、本発明の焼結体（試料Ｎｏ．１〜５）は、耐摩耗性、耐酸化性に優れており、しかも相手材への攻撃性も低く、特に摺動材料としてバランスのとれた特性を示すことがわかる。

Claims

マルテンサイト相２０〜５０体積％及び残部フェライト相からなる焼結ステンレス鋼に銅又は銅合金が含浸されていることを特徴とする耐熱・耐摩耗性焼結ステンレス鋼。
マルテンサイト相が、当該相中にＣｒを１０〜１５重量％含む請求項１記載の耐熱・耐摩耗性焼結ステンレス鋼。
マルテンサイト相が、当該相中にＭｏ、Ｓｉ及びＮｉの少なくとも１種を合計５重量％を超えない範囲で含む請求項２記載の耐熱・耐摩耗性焼結ステンレス鋼。
フェライト相が、当該相中にＣｒを１６〜３０重量％含む請求項１記載の耐熱・耐摩耗性焼結ステンレス鋼。
マルテンサイト相が、当該相中にＭｏ、Ｓｉ及びＮｉの少なくとも１種を合計５重量％を超えない範囲で含む請求項４記載の耐熱・耐摩耗性焼結ステンレス鋼。
フェライト相及び／又はマルテンサイト相中に、炭素を基材中５重量％を超えない範囲で含む請求項１記載の耐熱・耐摩耗性焼結ステンレス鋼。
銅合金が、合金成分としてＳｎを５〜３５重量％含む請求項１記載の耐熱・耐摩耗性焼結ステンレス鋼。
銅又は銅合金が、基材に対して５〜２５重量％含浸されている請求項１記載の耐熱・耐摩耗性焼結ステンレス鋼。