JP4068627B2

JP4068627B2 - 高温用摺動合金

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Publication number: JP4068627B2
Application number: JP2005126448A
Authority: JP
Inventors: 幸樹尾崎
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2005-04-25
Filing date: 2005-04-25
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2025-04-25
Also published as: US20060237101A1; JP2006299376A; US7666519B2; DE102006018559B4; DE102006018559A8; DE102006018559A1

Description

本発明はＮｉ基合金からなるマトリックス中にＣｏ基金属間化合物からなる硬質粒子を分散した高温用摺動合金、その製造方法およびその高温用摺動合金を使用した摺動装置に関する。

熱処理炉などに被加熱処理品を出し入れする際に使用される台車の車輪用軸受などでは、炉内の高温条件下のみならず常温条件下においても、耐摩耗性などに優れた特性を有することが要求されている。
このような要求を満たすものとして、特許文献１に開示された高温用摺動合金がある。これは、Ｃｒ：２〜８質量％、Ｆｅ：２〜１０質量％、Ｓｉ：０．１〜１．５質量％、Ｃｏ：２〜２２質量％、Ｍｏ：１．４〜１１質量％、残部Ｎｉからなり、マトリックス中に、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉ系の硬質粒子を１〜３５質量％分散して構成したものである。
特開平１１−１７２３６３号公報

上記特許文献１に記載の高温用摺動合金は、原料粉末を混合して圧縮成形し、１１５０℃の還元雰囲気にて焼結して製造される。焼結後、６００〜９００℃の酸化性雰囲気で加熱する。これにより、図３に示すように、Ｎｉ基合金のマトリックス１中に分散している硬質粒子２のうち、マトリックス１の表面（摺動表面）から露出している部位が酸化し、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉの酸化物相２ａが形成される。そして、更に酸化物相２ａが酸化されてＣｏ−Ｃｒの酸化物相２ｂが形成され、その酸化物相２ｂの表面にＭｏの酸化物相２ｃが形成される。
これらの酸化物相は、相手材との摺動により、潤滑性のあるＭｏの酸化物相２ｃが相手材に移着して潤滑作用を発揮する。また、硬く脆いＣｏ−Ｃｒの酸化物相２ｂが細かく割れて相手材との間で転動する微細な粒となり、一種の転がり摩擦作用を呈するようになる。このような作用によってスティックスリップが解消されて低摩擦係数になるとされる。

しかしながら、この高温用摺動合金は、４００℃以下の低温度域では、４００℃を超える高温度域での使用に比べ、低摩擦係数を実現できないという問題があった。これは、摩耗により新たに摺動表面に露出した硬質粒子が４００℃以下の低温度域では酸化され難く、このため、硬質粒子の表面に、低摩擦係数を実現するための複合酸化物が生成され難くなるためと考えられる。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、低温度域においても、低摩擦係数を実現することができる高温用摺動合金、その製造方法およびその高温用摺動合金を用いた摺動装置を提供することにある。

（１）前記特許文献１は、本出願人の出願に係るものである。本発明者は、この特許文献１に記載された高温用摺動合金について、４００℃以下の低温度域での低摩擦係数の実現のために鋭意研究を重ねた。その結果、本発明の組成、特にＡｇの添加が低摩擦係数の実現に効果のあることを究明し、本発明をなすに至った。

本発明は、焼結合金からなるＮｉ基合金であって、高温用摺動合金全体に対する質量比でＣｒ：２〜８％、Ｆｅ：２〜１０％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｏ：１．４〜１１％、残部ＮｉからなるＮｉ基合金をマトリックスとし、このマトリックス中に、高温用摺動合金全体に対する質量比で１〜３５％のＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉ系のＣｏ基金属間化合物からなる粒子径が６３μｍ以下の硬質粒子を分散して構成される高温用摺動合金において、前記マトリックス中に、更に、高温用摺動合金全体に対する質量比で０．１〜１０％のＡｇを分散させたことを特徴としている（請求項１）。

Ａｇは、軟質金属であり、相手材の摺動によって摺動表面に極薄膜を形成し、その形成機能により潤滑作用を呈する。この場合、Ａｇは剪断抵抗が小さいので、摺動表面に極薄膜となって延びる際に、相手材に摩擦抵抗力として作用する度合いが小さく、低摩擦係数を実現できる。
また、Ａｇは耐酸化性が高く、かなりの高温度となっても酸化物を形成しにくく、軟質のままの状態を維持する。しかも、Ａｇは、マトリックスを構成する金属（Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒなど）に対する溶解度（相溶性）は非常に低く、固溶体を形成することなくＡｇ単独の相の状態でマトリックス中に存在できる。このため、８００℃ぐらいのかなりの高温度となるまで、ＡｇがＡｇ単独の相の状態で存在して低摩擦係数を実現する。

Ａｇの含有量については、０．１質量％未満ではその効果が得られない。また、１０質量％を超えて添加しても、低摩擦係数化の効果は上がらず、しかも、Ａｇは貴金属の一種であるから、１０質量％を超えて添加することは材料コストが高くなり過ぎる。従って、Ａｇの含有量は、０．１〜１０質量％とする。
より好ましいＡｇ添加量は、１〜７質量％である（請求項２）。更に好ましくは、２〜４質量％である（請求項３）。

また、Ｃｏ基金属間化合物からなる硬質粒子の含有量が１質量％未満では、高温での摺動特性を高める効果が少なく、３５質量％を超えると、焼結する際に粉末の成形性が悪くなると共に、焼結して得た高温用摺動合金が硬くなって相手材の摩耗量が増大する。よって、Ｃｏ基金属間化合物からなる硬質粒子の含有量は、１〜３５質量％とする。

（２）前記Ｎｉ基合金は、高温用摺動合金全体に対する質量比でＣｒ：２〜８％、Ｆｅ：２〜１０％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｏ：１．４〜１１％、残部Ｎｉから構成する。
Ｃｒを２〜８質量％とした理由は、２質量％未満では、マトリックスの耐酸化性に欠ける傾向があり、８質量％を超えると、焼結時に粉末圧縮を行う際、その圧縮率を高めにくく、密度の高い焼結体を得にくいからである。このため、Ｃｒは２〜８質量％が望ましい。成形性、耐酸化性の点からは、５〜７質量％がより望ましい。
Ｆｅを２〜１０質量％とした理由は、２質量％未満では、高温強度に劣る傾向があり、１０質量％を超えると、焼結用粉末が硬くなって粉末圧縮を行う際の圧縮率を高めにくいからである。このため、Ｆｅは、２〜１０質量％が望ましい。特に、４〜６質量％では、高温強度により優れるので、より望ましいものとなる。

（３）前記硬質粒子を構成するＣｏ基金属間化合物は、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉ系とする。
これらのＣｏ基金属間化合物では、酸化性雰囲気で加熱されると、表面に、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉの酸化物相が形成される。そして、更に酸化されてＣｏ−Ｃｒの酸化物相が生成される。

マトリックスをＮｉ基合金とし、硬質粒子としてＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉ系の金属間化合物とした場合、高温用摺動合金全体としての各元素の含有量は、Ｃｒ：２〜８質量％、Ｆｅ：２〜１０質量％、Ｓｉ：０．１〜１．５質量％、Ｃｏ：２〜２２質量％、Ｍｏ：１．４〜１１質量％、Ａｇ：０．１〜１０質量％、残部Ｎｉである。

（４）上記の高温用摺動合金の製造方法は、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉ系のＣｏ基金属間化合物からなる１〜３５質量％の粒子径６３μｍ以下の硬質粒子と、０．１〜１０質量％のＡｇ粉末と、残りがマトリックスを構成するための金属粉末であって、Ｃｒ：２〜８％、Ｆｅ：２〜１０％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｏ：１．４〜１１％、残部ＮｉのＮｉ基合金からなる金属粉末とを混合し、１１５０〜１２００℃の還元雰囲気中で焼結するというものである（請求項４）。
この焼結条件により、硬質粒子の硬さがＨｖ６００〜９００となる。硬質粒子の硬さがＨｖ６００以上では、硬質粒子がマトリックス中に分散していることによる耐摩耗性向上を図り易く、Ｈｖ９００以下では、マイルド摩耗になり易く好ましい。

（５）以上のような高温用摺動合金を摺動受層として用いた摺動受材と、この摺動受材により受けられる相手材とを備えた摺動装置においては、相手材における前記摺動受層との摺接面は、Ｈｖ１１００以上であることが望ましい（請求項５）。
Ｈｖ１１００以上には、例えば窒化処理による表面硬化によって実現することができる。このように前記摺接面が硬いと、即ち前記摺接面が前記硬質粒子よりも硬いと、前記硬質粒子は前記摺接面にめり込むことがないため、接触面積が増加することがなく、摩擦抵抗が少ない状態を得易い。したがって、常温から高温に至るまでの摩擦係数が小さく、また、摺動受材および相手材の耐摩耗性が向上するので、更に耐久性に優れた摺動装置とすることできる。
また、表面硬化は、窒化処理の他、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ等の高温耐酸化性を有する被膜を設けるイオンプレーティング処理を行っても良い。

以下、本発明の実施例を説明する。
下の表１および表２に示す実施例品１〜１２、比較例品１〜３の供試試料を製作するために、次の粉末を原料粉末として用意した。
（１）純Ｎｉ粉末……粒子径が−＃２５０メッシュ（６３μｍ以下）
（２）Ｆｅ−Ｃｒ合金粉末……粒子径が−＃２５０メッシュ（６３μｍ以下）
（３）純Ａｇ粉末……粒子径が−＃２５０メッシュ（６３μｍ以下）
（４）硬質粒子としてＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉ合金粉末……粒子径が−＃２５０メッシュ（６３μｍ以下）
上記のＦｅ−Ｃｒ合金粉末は、Ｃｒ：４４．５質量％、Ｎｉ：１７．６質量％、Ｓｉ：１．６質量％、Ｍｏ：４．２質量％、Ｍｎ：０．６質量％、Ｆｅ：残部、の組成のものである。

また、上記のＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉ合金粉末は、Ｍｏ：２８．５質量％、Ｃｒ：８．５質量％、Ｓｉ：２．５質量％、残りＣｏの組成のものである。
そして、上記純Ｎｉ粉末、Ｆｅ−Ｃｒ合金粉末、純Ａｇ粉末、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉ合金粉末を、下の表１に示す実施例品１〜４の組成となるように混合した。
また、上記の原料粉末のうち、純Ｎｉ粉末、Ｆｅ−Ｃｒ合金粉末、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉ合金粉末を、下の表１の比較例品１の組成となるように上述と同様にして混合した。
なお、純Ｎｉ粉末とＦｅ−Ｃｒ合金粉末とは、マトリックスを構成する金属粉末に相当する。

ちなみに、表１に示す組成とする場合、Ａｇを含まない比較例品１については、純Ｎｉ粉末を７３．５質量％、Ｆｅ−Ｃｒ合金粉末を１６．５質量％、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉ合金粉末を１０質量％の割合で混合して得た。実施例品１〜４については、上記の比較例品１の混合割合を基本に、純Ａｇ粉末の混合割合に相当する分だけ純Ｎｉ粉末の混合割合を減らして得た。

原料粉末の混合時には、成形性を高めるために、原料粉末全体の質量の１％分のステアリン酸亜鉛を混合した。このようにして得た混合粉末を成形圧力６ｔ／ｃｍ²で直径３２ｍｍ、長さ３０ｍｍの円柱に成形した。
そして、上記の円柱状の成形物を４００℃に加熱してステアリン酸を十分に脱ろうした後、Ｈ₂＋Ｎ₂の還元雰囲気中で１１５０℃にて１時間焼結し、実施例品１〜４および比較例品１を得た。図４は実施例品３の組織を模式的に示した図であり、４はマトリックス、６は硬質粒子、８はＡｇ単独相を示す。

実施例品１〜４および比較例品１について、２０℃、３００℃、５００℃、７００℃、８００℃の各試験温度で摩耗試験を行った。相手材としては、表面を窒化処理して硬度Ｈｖ１１００としたリング状のステンレス鋼材を使用した。試験は、０．５ＭＰａの面圧をリングに加えた上で、速度０．６ｍｍ／ｓｅｃの条件で６０分間行った。この摩擦試験により、摩擦係数について図１，２に示す結果が得られた。

図１の試験結果から理解されるように、Ａｇの添加のない比較例品１では、５００℃以上になると低摩擦係数となるが、５００℃未満では高い摩擦係数を示している。
これに対し、Ａｇが添加された実施例品では、常温においても低摩擦係数を呈している。そして５００℃以上でも低摩擦係数である。従って、常温から８００℃の高温度まで安定した低摩擦係数を示すといえる。

一方、図２の実験結果から理解されるように、Ａｇが全く含まれていない比較例品１では、高い摩擦係数を呈している。これに対し、Ａｇ添加量が０．１質量％以上となる実施例品１〜４では、比較例品１に比べて低摩擦係数となっている。
実施例品１〜４の中でも、Ａｇ添加量１〜７質量％の範囲の実施例品１〜３は、より低い摩擦係数を示す。更に、Ａｇ含有量が２〜４質量％の範囲では、実施例品２で示されるように一層の低摩擦係数を実現していることが理解できる。

本発明の具体例である実施例品１〜４は、４００℃以下の低温度域で低摩擦係数を示し、４００℃を超える高温度域でも低摩擦係数を示した。
なお、上記の実施例品１〜４は、還元雰囲気中で１１５０℃にて焼結しているが、１２００℃であっても、同様に低摩擦係数を実現できることが実験によって確認されている。

試験温度と摩擦係数との関係を示したグラフＡｇ含有量と摩擦係数との関係を示した図Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉ系の硬質粒子が酸化した状態を模式的に示した断面図Ａｇを含有させた高温摺動合金の組織を模式的に示した図

符号の説明

図面中、１はＮｉ基マトリックス、２は硬質粒子、２ａはＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉの酸化物相、２ｂはＣｏ−Ｃｒの酸化物相、２ｃはＭｏの酸化物相である。

Claims

焼結合金からなるＮｉ基合金であって、高温用摺動合金全体に対する質量比でＣｒ：２〜８％、Ｆｅ：２〜１０％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｏ：１．４〜１１％、残部ＮｉからなるＮｉ基合金をマトリックスとし、このマトリックス中に、高温用摺動合金全体に対する質量比で１〜３５％のＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉ系のＣｏ基金属間化合物からなる粒子径が６３μｍ以下の硬質粒子を分散して構成される高温用摺動合金において、
前記マトリックス中に、更に、高温用摺動合金全体に対する質量比で０．１〜１０％のＡｇが分散されていることを特徴とする高温用摺動合金。
前記Ａｇの添加量は、高温用摺動合金全体に対する質量比で１〜７％であることを特徴とする請求項１記載の高温用摺動合金。
前記Ａｇの添加量は、高温用摺動合金全体に対する質量比で２〜４％であることを特徴とする請求項２記載の高温用摺動合金。
請求項１の高温用摺動合金を製造する方法において、
Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉ系のＣｏ基金属間化合物からなる１〜３５質量％の粒子径６３μｍ以下の硬質粒子と、
０．１〜１０質量％のＡｇ粉末と、
残りがマトリックスを構成するための金属粉末であって、Ｃｒ：２〜８％、Ｆｅ：２〜１０％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｏ：１．４〜１１％、残部ＮｉのＮｉ基合金からなる金属粉末と
を混合し、１１５０〜１２００℃の還元雰囲気中で焼結して製造することを特徴とする高温用摺動合金の製造方法。
請求項１ないし３のいずれかの高温用摺動合金を摺動受層として用いた摺動受材と、この摺動受材により受けられる相手材とを備え、
前記相手材は前記摺動受層との摺接面を有し、その摺接面は、Ｈｖ１１００以上であることを特徴とする摺動装置。