JP4468301B2 - 微細分散した析出相を有する耐摩滅性潤滑合金 - Google Patents

Description

本発明は、微細分散した析出相を有する耐摩滅性潤滑合金に関し、より詳細にはＮｉ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｓｉ及びＴｅを含有し、基質（ｍａｔｒｉｘ）が緻密な樹枝状組織（dendritic structure）からなり、前記樹枝状組織中にＢｉ析出相が微細状に分散しているため、耐摩滅性潤滑特性だけでなく、耐蝕性、硬度などの物理化学的特性が大きく改善された耐摩滅性潤滑合金に関する。本発明の耐摩滅性潤滑合金は、ローター、シャフト、バルブ及び機械密閉部（mechanical sealing）のような各種機械装置部品の寿命延長及び機械精度の向上に大きく寄与することができる。

耐摩滅性潤滑合金は、非常に低い摩擦係数を有するので接触応力によるクラッキングが防止でき、他の金属と接触したときに平滑な表面を維持できる金属である。従って、耐摩滅性潤滑合金は金属同士が頻繁に接触する湿動部を有する各種産業の機械装置に広く用いられている。

従来は、耐摩滅性潤滑合金として鉛（lead）−含有合金が用いられてきた。しかし、人の健康に対する鉛の有害性のため、鉛が含有されていない合金が開発されて実用化されている。その代表的な例がＢｉ−含有Ｎｉ−基質（matrix）及びＣｕ−基質合金である。［米国特許第３，１４５，０９９号、第４，７０２，８８７号、第５，２４２，６５７号、第６，０５９，９０１号及び第５，８４６，４８３号参照］。

特に、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｓｎ−Ｂｉ系合金は鉛を全く含有していなくても、耐摩滅性潤滑特性が比較的良好であるため、駆動機械装置のローター、シャフト、バルブ、その他の機械密閉部（mechanical sealing）用部品素材として用いるに適合であると知らされている。しかし、前記Ｎｉ−Ｃｒ−Ｓｎ−Ｂｉ系合金は、耐磨耗性が十分でない。特に、ステインレス鋼との接触時に表面が粗く剥れる現象が現われる。このような急摩耗は、前記合金の寿命短縮と共に機械精度を低下させるので、各種産業機械装置の湿動部品やバルブ用素材用として好ましくない。
耐摩滅性潤滑特性を決定する重要な要因は、合金の組成及び内部組織であり、これまで合金の組成の改善に研究の焦点が合わせられてきた。

本発明者らは、基質の組織変化を通じて耐摩滅性潤滑特性、耐蝕性及び硬度が大きく改善した合金を製造するために、鋭意研究をして来た。上述の優れる耐摩滅性潤滑特性を達成するためには、できるだけ微細な前記析出相が基質中に均一に分散されていることが要求される。このための最も実用的な方法としては、合金の組成を変更することであって、それにより耐摩滅性潤滑特性を大きく改善し、かつ非常に優れる物理化学的特性を維持することになる。

本発明は、耐摩滅性潤滑特性、耐蝕性及び硬度を大きく改善して、ローター、シャフト、機械密閉部などの各種機械装置の湿動部品用素材として有用な高性能耐摩滅性潤滑合金の製造方法に関する。

本発明は、Ｎｉ７０〜７５質量％、Ｃｒ８〜１４質量％、Ｂｉ３〜７質量％、Ｓｎ３〜６質量％、Ｍｏ１〜４質量％、（Ｆｅ＋Ｓｉ）２質量％以下、Ｔｅ１〜３質量％及び不可避不純物からなる耐摩滅性潤滑合金に関する。

以下本発明をより詳細に説明する。

本発明の耐摩滅性潤滑合金の主要構成成分としてＮｉとＣｒは、熱膨脹性と耐蝕性とに影響を及ぼす。Ｂｉ含量が大きい化合物(Ｂｉリッチ化合物)が基質内で析出されて耐摩滅性潤滑效果を奏する。Ｓｎは基質内にＢｉ析出相を均一に分散させる分散剤の役目をする。Ｍｏは耐摩滅性潤滑合金の強度に影響を及ぼす。そして、本発明が特徴的に用いる成分であるＴｅは、基質の微細樹枝状組織（dendritic structure）を形成して微細なＢｉ−リッチ析出相が前記樹枝状組織の間隙に分散するようにし、耐摩滅性潤滑特性を著しく改善させる役目をする。

前記耐摩滅性潤滑合金は、合金組成が前記条件を満たす際にのみ本発明の目的特性を有することができる。

図１は、本発明のＴｅ−含有耐摩滅性潤滑合金（Ａ）と従来のＴｅ−非含有耐摩滅性潤滑合金（Ｂ）とに対する内部組織と析出相分布状態を比べるための光学顕微鏡写真（５０倍）である。本発明の合金は、緻密な樹枝状組織からなるのに対して、従来の合金は結晶粒が粗大な等軸晶（equiaxed grain）からなっている。また、Ｂｉ析出相（黒色部分）の分布状態を見ると、本発明の合金では狭い間隙に微細かつ均一に分布しているのに対して、従来の合金には粗大な六角形形態に成長した析出相が散布している。析出相の量が同一であっても、本発明でのように潤滑性析出相が微細な状態で分布している場合は、他の金属との接触時に前記析出相が合金表面に均一に露出して潤滑性が増進するため、摩擦係数が低下する。

また、表面が剥れる摩滅（galling）現象が解消されると共に、潤滑合金が相手金属に焼き付く接着（seizing）または粘着（sticking）する現象も防止される。

図２は本発明のＴｅ−含有耐摩滅性潤滑合金の基質に対するＥＰＭＡ相分析結果である。図３は白色析出相に対するＥＰＭＡ相分析結果である。図４は灰色析出相に対するＥＰＭＡ相分析結果である。図２は、合金の構成成分であるＮｉ、Ｃｒ、Ｓｎ及びＭｏのそれぞれのピーク（peak）を示す。図３と図４は、Ｂｉ及びＳｎのピークを示し、これはＢｉとＳｎが析出相を形成して耐摩滅性潤滑效果に寄与していることを示している。

図５は本発明のＴｅ−含有耐摩滅性潤滑合金（Ａ）と従来のＴｅ−非含有耐摩滅性潤滑合金（Ｂ）とに対する摩擦試験（galling test）後の表面状態を比較観察した光学顕微鏡写真である。本発明の合金は、比較的に滑らかな摩耗面を有するのに対して、従来のＢｉ耐摩滅性潤滑合金はキズ（scratch）が相対的に鮮明に表れ、摩擦応力に非常に敏感であったことが分かる。

本発明の耐摩滅性潤滑合金は、図１に示すように滑らかな摩耗表面を有するが、これは微細なＢｉ析出相が緻密な樹枝状組織の間隙に均一に分散されて摩擦の際に合金表面を被覆して潤滑効果を奏するためである。

本発明による耐摩滅性潤滑合金は次のように製造することができる。融点の高いＮｉ、Ｃｒ及びＭｏを先に溶融させ、揮発しやすいＳｎ、Ｂｉ及びＴｅは生成した溶融湯に加えることで揮発損失を減らすことができる。特にＢｉは直接添加すると黄色の煤煙が発生するので、Ｓｎ−Ｂｉ母合金、またはＴｅ−Ｂｉ母合金の形態で添加することが好ましい。電気抵抗炉または、高周波炉を溶解炉として用いることができる。合金組成の均一化のためには、撹拌機を備えた高周波炉を用いることが有利である。また大気中で溶融させる場合は、脱酸剤と脱ガス剤の使用が必要である。本発明の合金は追加的な熱処理をせずに鋳造状態のままで用いることができる。

以下実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する。しかし、下記の実施例は単に本発明の理解を得るためのものであり、本発明の範囲は下記の実施例により限定されるものではない。

（実施例）
次の表１のような組成を有する金属１００ｋｇを高周波誘導溶解炉で１５５０℃のＡｒ雰囲気下で溶融した後、鋳造して合金試料を製造した。

本発明の合金と通常の耐摩滅性潤滑合金に対する内部組織と析出相の分散状態とを比較した光学顕微鏡写真を図１に示し、ＥＰＭＡ分析結果を図２ないし図４に示す。

（試験例）
本発明の合金と対照群の合金に対して摩耗率、耐蝕性及び硬度を含む物理化学的特性を次のような方法で測定した。

１．摩擦試験（galling test）後の表面状態
接動する試料の表面摩耗状態を観察するためにＡＳＴＭ Ｇ−９９に基づいて摩擦実験を実施した。直径２ｍｍのピン（ｐｉｎ）で加工した合金試料を１００ｒｐｍで回転する金属円板（disk）（ステインレス鋼３１６）に対して２０ｋｇの荷重で６０分間摩擦させた後、試料の摩擦面を観察した。

図５に示されたように、対照群合金は表面に摩滅（galling）現象が現れているのに対して、本発明の合金は表面が非常に滑らかであり、耐摩滅性潤滑特性が優れていることが分かる。

２．摩耗率の評価
摩擦実験後にそれぞれの合金の重量損失を基準として摩耗率を測定した。その結果は下記の表２に示す。本発明の合金の摩耗率は対照群合金に比べて低かった。

３．腐蝕試験
本発明の合金を産業機械だけでなく、化学機械及び食品加工機械にも用いるためには耐酸性を持たなければならない。耐酸性を試すために、各合金試料を５０℃で維持された濃硫酸、濃塩酸及び濃窒酸にそれぞれ３６０時間浸漬して腐蝕速度を測定した。その結果は次の表３に示す。硫酸溶液では本発明合金と対照群合金がほぼ同一な腐蝕速度を示している。しかし、塩酸及び窒酸溶液では対照群合金に比べて本発明の合金の腐蝕速度が顕著に低く、耐酸性も優れていることが分かる。

４．硬度試験
本発明の合金はローター、シャフトなどのような構造的湿動部品として用いられるため、相当な硬度を持たなければならない。従って、標準化した試験法によりビッカース（Vickers）硬度を測定した。下記表４でのように、本発明の合金が対照群の合金に比べて同等ないし優秀な硬度を示している。これは微細な析出相の均一分布だけでなく、微細構造によるピニング效果（pinning effect）によるものと解釈される。

上述したように、本発明は従来Ｎｉ−Ｃｒ系合金にＴｅを添加した新規組成の耐摩滅性潤滑合金に関する。Ｔｅの添加は通常の合金の結晶粒組織（grain structure）代りに緻密な樹枝状組織（dendritic structure）をもたらす。また従来の合金は、潤滑作用をするＢｉ析出相が結晶粒境界（grain boundary）に不均一に分布しているのに対して、本発明では、Ｔｅ−含有微細Ｂｉ−リッチ析出相が樹枝状組織の間隙に均一に分布される。前記析出相は、摩擦の際に合金表面を均一に被覆するので、合金の摩滅現象や表面キズ現象が防止されることができる。また、これは摩擦係数を低下させるので摩耗率が低下し、材料寿命も延長するという效果がある。その他にも本発明の合金は前記試験例から分かるように耐蝕性や硬度のような物理化学的特性も満たしている。

従って、本発明の耐摩滅性潤滑合金は従来用いられた合金の代りに各種機械装置のローター、シャフト、バルブなどのような湿動部品用素材として用いることができ、これにより部品寿命の延長と機械精密度を大きく向上できる。

本発明を前記具体的な実施例と関連して記述したが、添付された特許請求の範囲によって定義された本発明の範囲内で当分野の熟練者が本発明を多様に変形及び変化させ得ることを理解しなければならない。

本発明の前記および他の目的および特徴は、下記の図面を伴う本発明の詳細な説明によって明白になる。
本発明のＴｅ−含有耐摩滅性潤滑合金（Ａ）と従来の耐摩滅性潤滑合金（Ｂ）の内部組織と析出相の分散状態とを比べた光学顕微鏡写真（５０倍）。 本発明のＴｅ−含有耐摩滅性潤滑合金基質のＥＰＭＡ相分析結果。 白色析出相のＥＰＭＡ相分析結果。 灰色析出相のＥＰＭＡ相分析結果。 本発明のＴｅ−含有耐摩滅性潤滑合金（Ａ）と従来の耐摩滅性潤滑合金（Ｂ）とをステインレス鋼と一定時間接触させて回転させた後の合金表面の状態を比較した光学顕微鏡写真。

Claims (4)

1. Ｎｉ７０〜７５質量％、Ｃｒ８〜１４質量％、Ｂｉ３〜７質量％、Ｓｎ３〜６質量％、Ｍｏ１〜４質量％、（Ｆｅ＋Ｓｉ）２質量％以下、Ｔｅ１〜３質量％及び不可避不純物からなる耐摩滅性潤滑合金。
2. 前記合金の基質（matrix）が緻密な樹枝状組織（dendritic structure）からなり、前記樹枝状組織の間隙に微細なＢｉ−リッチ析出相が均一に分散していることを特徴とする請求項１に記載の耐摩滅性潤滑合金。
3. 他金属と接触したときに前記Ｂｉ−リッチ析出相が合金表面を覆って摩擦係数及び摩耗率を低減させ、摩擦表面での応力によるクラッキングを防止することを特徴とする請求項２に記載の耐摩滅性潤滑合金。
4. 機械装置の部品として用いることを特徴とする請求項１に記載の耐摩滅性潤滑合金。

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