JP5337884B2 - 焼結摺動部材 - Google Patents
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Description
本発明は、耐熱、耐食及び耐摩耗性に優れた焼結摺動部材に関する。
高温の排ガスに曝される焼結摺動部材として、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation：排気再循環）式内燃機関の再循環排ガス流量調整弁に使用される軸受（例えば、特許文献１を参照）がある。そして、ＥＧＲ式内燃機関の再循環排ガス流量制御弁に使用される軸受としては、黒鉛製のものや、質量％でＳｎ：７〜１０％、Ｃ：５〜９％を含有する焼結Ｃｕ合金製のものが知られている。
しかし、近年の内燃機関の高出力化及び低燃費化はめざましく、かつ内燃機関の軽量化及びコンパクト化に対する要求も強い。このため、上記の再循環排ガス流量制御弁は、エンジンの燃焼室の近傍に配置されるようになってきている。その結果、高出力化に伴うエンジン発熱量の増大と相俟って、再循環排ガス流量制御弁が５００〜６００℃にも達する高温環境下に置かれることも想定される。
このような高温環境下でも使用可能な軸受としては、質量％でＮｉ：１０〜３０％、Ｓｎ：５〜１２％、Ｃ：３〜１０％を含有し、残りがＣｕと不可避不純物からなる組成であって、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系固溶体の素地に遊離黒鉛が分散分布した組織を有する焼結Ｃｕ合金で構成したものが特許文献２に開示されている。
一方、海水や融雪剤に曝される焼結摺動材料として、船外機用の摺動材や、ディーゼル排ガス浄化システムに使用される排気絞り弁の軸受などがある。これらには高い耐腐食性が要求されるが、特に排気絞り弁用の軸受は、高温の塩化物に曝されながら加熱と冷却が繰り返される環境下における耐熱、耐食及び耐摩耗性が要求されている。なお、この軸受には、ステンレス製のものが使用されている。
上記特許文献２の焼結Ｃｕ合金は、高温環境下でも優れた耐摩耗性を発揮せしめることができるが、さらに耐熱性及び耐食性に優れた焼結摺動部材が望まれている。
一方、ステンレス製の軸受は、高温の塩化物に曝されながら加熱と冷却が繰り返される環境下において優れた耐熱性及び耐食性を発揮せしめることができるが、耐摩耗性が十分ではない。
そこで、本発明は、耐熱性、耐食性及び耐摩耗性にも優れた新規の焼結摺動部材を提供することを目的とする。
本発明の焼結摺動部材は、質量％で、７．７〜３０．３％のＣｕと、２．０〜２０．０％のＳｎと、０．３〜７．０％の窒化ホウ素とを含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる。
また、質量％で、７．７〜３０．３％のＣｕと、２．０〜２０．０％のＳｎと、０．３〜７．０％の窒化ホウ素と、０．１〜３．０％のＣとを含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる。
また、質量％で、７．７〜３０．３％のＣｕと、２．０〜２０．０％のＳｎと、０．３〜７．０％の窒化ホウ素と、０．１〜０．７％のＰとを含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる。
また、上記のいずれかにおいて、気孔率が５〜２５％である。
本発明の焼結摺動部材は、質量％で、７．７〜３０．３％のＣｕと、２．０〜２０．０％のＳｎと、０．３〜７．０％の窒化ホウ素とを含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなることにより、耐熱性、耐食性及び耐摩耗性に優れたものとなる。
また、質量％で、７．７〜３０．３％のＣｕと、２．０〜２０．０％のＳｎと、０．３〜７．０％の窒化ホウ素と、０．１〜３．０％のＣとを含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなることにより、耐熱性、耐食性及び耐摩耗性に優れたものとなる。
また、質量％で、７．７〜３０．３％のＣｕと、２．０〜２０．０％のＳｎと、０．３〜７．０％の窒化ホウ素と、０．１〜０．７％のＰとを含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなることにより、耐熱性、耐食性及び耐摩耗性に優れたものとなる。
また、上記のいずれかにおいて、気孔率が５〜２５％であることにより、摩擦抵抗が下がり、さらに耐摩耗性に優れたものとなる。
本発明の焼結摺動部材は、質量％で、７．７〜３０．３％のＣｕと、２．０〜２０．０％のＳｎと、０．３〜７．０％の窒化ホウ素とを含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる。そして、本発明の焼結摺動部材は、従来の焼結Ｃｕ基合金よりもＣｕ含有量を低減させ相対的にＮｉ含有量を高め、さらに窒化ホウ素を含有することで、耐熱性及び耐食性に優れたものとなる。
また、質量％で、７．７〜３０．３％のＣｕと、２．０〜２０．０％のＳｎと、０．３〜７．０％の窒化ホウ素と、０．１〜３．０％のＣとを含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる。そして、従来の焼結Ｃｕ基合金よりもＣｕ含有量を低減させ相対的にＮｉ含有量を高め、さらに窒化ホウ素を含有することで、耐熱性、耐食性及び耐摩耗性に優れたものとなる。さらに、Ｃを含有することで、より一層、耐熱及び耐食性に優れたものとなる。
また、質量％で、７．７〜３０．３％のＣｕと、２．０〜２０．０％のＳｎと、０．３〜７．０％の窒化ホウ素と、０．１〜０．７％のＰとを含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなる。そして、従来の焼結Ｃｕ基合金よりもＣｕ含有量を低減させ相対的にＮｉ含有量を高め、さらに窒化ホウ素を含有することで、耐熱性、耐食性及び耐摩耗性に優れたものとなる。さらに、Ｐを含有することで、素地の強度が高まり、より一層、耐摩耗性に優れたものとなる。
また、上記のいずれかにおいて、気孔率が５〜２５％である。そして、この組成により、摩擦抵抗が下がり、さらに耐摩耗性に優れたものとなる。
以下、本発明の焼結摺動部材の組成及び気孔率について、詳細に説明する。なお、以下で説明される含有量は、すべて質量％である。
（ａ）Ｃｕについて
ＣｕはＮｉおよびＳｎと素地の固溶体を形成して焼結摺動部材の耐摩耗性を向上させる効果がある。Ｃｕの含有量が７．７％未満では耐摩耗性が不十分となり、一方、３０．３％を超えると耐熱性及び耐食性が不十分となるので好ましくない。したがって、Ｃｕの含有量は、７．７〜３０．３％とした。
ＣｕはＮｉおよびＳｎと素地の固溶体を形成して焼結摺動部材の耐摩耗性を向上させる効果がある。Ｃｕの含有量が７．７％未満では耐摩耗性が不十分となり、一方、３０．３％を超えると耐熱性及び耐食性が不十分となるので好ましくない。したがって、Ｃｕの含有量は、７．７〜３０．３％とした。
（ｂ）Ｓｎについて
Ｓｎは融点を下げて焼結性を向上させ、Ｃｕ、Ｎｉと固溶体を形成して焼結摺動部材の強度を向上させ、耐摩耗性向上に寄与する。Ｓｎの含有量が２％未満では所定の耐摩耗性が得られず、一方、２０％を越えると摺動相手材への攻撃性が高まり、相手材を摩耗させてしまうので好ましくない。したがって、Ｓｎの含有量は、２．０〜２０．０％とした。
Ｓｎは融点を下げて焼結性を向上させ、Ｃｕ、Ｎｉと固溶体を形成して焼結摺動部材の強度を向上させ、耐摩耗性向上に寄与する。Ｓｎの含有量が２％未満では所定の耐摩耗性が得られず、一方、２０％を越えると摺動相手材への攻撃性が高まり、相手材を摩耗させてしまうので好ましくない。したがって、Ｓｎの含有量は、２．０〜２０．０％とした。
（ｃ）窒化ホウ素（ＢＮ）
窒化ホウ素は、固体潤滑剤として焼結摺動部材に優れた潤滑性を付与するとともに、摺動部材同士の金属接触を少なくし、もって焼結摺動部材の耐摩耗性向上に寄与する。さらに、耐高温塩害性を向上させる効果がある。その割合が０．３％未満では所望の効果が得られず、一方、７．０％を超えると焼結摺動部材の強度が低下するので好ましくない。したがって、窒化ホウ素の含有量は０．３〜７．０％とした。
窒化ホウ素は、固体潤滑剤として焼結摺動部材に優れた潤滑性を付与するとともに、摺動部材同士の金属接触を少なくし、もって焼結摺動部材の耐摩耗性向上に寄与する。さらに、耐高温塩害性を向上させる効果がある。その割合が０．３％未満では所望の効果が得られず、一方、７．０％を超えると焼結摺動部材の強度が低下するので好ましくない。したがって、窒化ホウ素の含有量は０．３〜７．０％とした。
（ｄ）Ｃについて
Ｃは素地に溶けて固溶体を形成するとともに、固体潤滑剤として作用し、焼結摺動部材に優れた耐高温塩害性を付与する。添加する場合は、Ｃの含有量が０．１％未満では添加した効果が見られず、一方、３．０％を超えると焼結摺動部材の強度と耐摩耗性が低下するので好ましくない。したがって、Ｃを添加する場合のＣの含有量は０．１〜３．０％とした。
Ｃは素地に溶けて固溶体を形成するとともに、固体潤滑剤として作用し、焼結摺動部材に優れた耐高温塩害性を付与する。添加する場合は、Ｃの含有量が０．１％未満では添加した効果が見られず、一方、３．０％を超えると焼結摺動部材の強度と耐摩耗性が低下するので好ましくない。したがって、Ｃを添加する場合のＣの含有量は０．１〜３．０％とした。
（ｅ）Ｐについて
Ｐは耐摩耗性に寄与し、耐摩耗性を向上させる。添加する場合は、Ｐの含有量が０．１％未満では添加した効果が見られず、一方、０．７％を越えると焼結摺動部材の耐食性が低下するので好ましくない。したがって、Ｐを添加する場合のＰの含有量は０．１〜０．７％とした。
Ｐは耐摩耗性に寄与し、耐摩耗性を向上させる。添加する場合は、Ｐの含有量が０．１％未満では添加した効果が見られず、一方、０．７％を越えると焼結摺動部材の耐食性が低下するので好ましくない。したがって、Ｐを添加する場合のＰの含有量は０．１〜０．７％とした。
（ｆ）気孔率について
気孔率が５％未満では、焼結摺動部材の変形抵抗が高まり、矯正工程での寸法精度が十分に得られない。一方、気孔率が２５％を越えると機械的特性が低下して、サイジングやコイニングを行っても強度等の特性が満足すべきものとならない。したがって、上記の組成において、気孔率は５〜２５％の範囲とした。
気孔率が５％未満では、焼結摺動部材の変形抵抗が高まり、矯正工程での寸法精度が十分に得られない。一方、気孔率が２５％を越えると機械的特性が低下して、サイジングやコイニングを行っても強度等の特性が満足すべきものとならない。したがって、上記の組成において、気孔率は５〜２５％の範囲とした。
以下、本発明の焼結摺動部材の具体的な実施例について説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。例えば、以下の実施例では、内周に摺動面を有する軸受について説明するが、これに限らず、種々の焼結摺動部材において実施することができる。
原料粉末として、粒径−１００メッシュのＮｉ−３０%Ｃｕアトマイズ粉末、平均粒径４．０μｍのＮｉ粉末、粒径−２００メッシュのＣｕ粉末、粒径−２５０メッシュのＳｎアトマイズ粉末、粒径−７５μｍの窒化ホウ素粉末、粒径−１５０メッシュの黒鉛粉末を用意した。これらの原料粉末を表１に示した最終成分組成となるように配合し、ステアリン酸亜鉛を０．５％加えてＶ型混合機で３０分間混合した後、プレス成形して圧粉体を製作した。この圧粉体を、天然ガスと空気を混合し、加熱した触媒に通すことで分解変成させたエンドサーミクガス（吸熱型ガス）雰囲気中で、焼結温度１０５０℃で２０分保持の条件で焼結し、続いてサイジングを行った。
以上の工程により、軸受として、種々の成分組成を有し、いずれも外径１８ｍｍ×内径８ｍｍ×高さ８ｍｍの寸法を有するリング状試験片（本発明例１〜１５、比較例１〜８）を製作し、以下の試験を行った。
［耐摩耗試験］
本発明例１〜１５と比較例１〜８のリング状試験片に、それぞれＳＵＳ３０４の硬質クロムメッキ処理を施したステンレスシャフトを挿入した。リング状試験片の外側から、リング状試験片の半径方向（ステンレスシャフトの軸方向に対して直角方向）に向けて２９Ｎの荷重をかけ、リング状試験片が１２０℃に保たれるように加熱制御し、潤滑油を使用しないドライ条件で、ステンレスシャフトをリング状試験片の中心角９０°の円弧の範囲で往復させる摺動試験を実施した。５０万回往復摺動試験後の軸受内径の最大摩耗深さとステンレスシャフトの最大摩耗深さを測定し、耐摩耗性を評価した。その結果を表１に最大摩耗深さ、ステンレスシャフトの最大摩耗深さとして記載した。
本発明例１〜１５と比較例１〜８のリング状試験片に、それぞれＳＵＳ３０４の硬質クロムメッキ処理を施したステンレスシャフトを挿入した。リング状試験片の外側から、リング状試験片の半径方向（ステンレスシャフトの軸方向に対して直角方向）に向けて２９Ｎの荷重をかけ、リング状試験片が１２０℃に保たれるように加熱制御し、潤滑油を使用しないドライ条件で、ステンレスシャフトをリング状試験片の中心角９０°の円弧の範囲で往復させる摺動試験を実施した。５０万回往復摺動試験後の軸受内径の最大摩耗深さとステンレスシャフトの最大摩耗深さを測定し、耐摩耗性を評価した。その結果を表１に最大摩耗深さ、ステンレスシャフトの最大摩耗深さとして記載した。
［高温塩害サイクル試験］
本発明例１〜１５と比較例１〜８のリング状試験片で高温塩害サイクル試験を１５サイクル繰返し行い、試験前後のリング状試験片の内径寸法変化量を求めることで、高温塩害環境下に曝されたときの腐食度合いを評価した。その結果を表１に耐高温塩害性（内径寸法変化）として記載した。なお、耐高温塩害性の良好な材料ほど内径寸法変化量は小さくなる。
本発明例１〜１５と比較例１〜８のリング状試験片で高温塩害サイクル試験を１５サイクル繰返し行い、試験前後のリング状試験片の内径寸法変化量を求めることで、高温塩害環境下に曝されたときの腐食度合いを評価した。その結果を表１に耐高温塩害性（内径寸法変化）として記載した。なお、耐高温塩害性の良好な材料ほど内径寸法変化量は小さくなる。
高温塩害サイクル試験は、図１に示すように、試験片を５００℃で８時間加熱後、室温で３０分間冷却し、５％食塩水に室温で２０分間浸漬し、５０℃で６０分間乾燥し、再び５００℃で８時間加熱するサイクルを１５サイクル行なった。
［気孔率測定］
本発明例１〜１５と比較例１〜８のリング状試験片の気孔率を測定し、その測定値を表１に気孔率として掲載した。気孔率の測定方法はＪＩＳＺ２５０１焼結金属材料−密度、含油率及び開放気孔率試験方法に準じて行った。
本発明例１〜１５と比較例１〜８のリング状試験片の気孔率を測定し、その測定値を表１に気孔率として掲載した。気孔率の測定方法はＪＩＳＺ２５０１焼結金属材料−密度、含油率及び開放気孔率試験方法に準じて行った。
表１に示すように、本発明例１〜１５はいずれも、最大摩耗深さ０．１００ｍｍ以下、耐高温塩害性（内径寸法変化）０．１００ｍｍ以下であり、耐摩耗性、耐熱性及び耐食性を備えたものとなった。
一方、比較例１〜８は、最大摩耗深さ又は耐高温塩害性（内径寸法変化）が０．１ｍｍ以上と大きくなった。
以上の結果より、本発明の焼結摺動部材は、耐摩耗性、耐熱性及び耐食性に優れていることが確認された。
本発明１の焼結摺動部材の断面組織の走査電子顕微鏡写真を図２に示す。Ｎｉ−Ｃｕ−Ｓｎの基地中に窒化ホウ素粉末が分散して存在していることが確認された。
Claims (4)
- 質量％で、７．７〜３０．３％のＣｕと、２．０〜２０．０％のＳｎと、０．３〜７．０％の窒化ホウ素とを含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなることを特徴とする焼結摺動部材。
- 質量％で、７．７〜３０．３％のＣｕと、２．０〜２０．０％のＳｎと、０．３〜７．０％の窒化ホウ素と、０．１〜３．０％のＣとを含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなることを特徴とする焼結摺動部材。
- 質量％で、７．７〜３０．３％のＣｕと、２．０〜２０．０％のＳｎと、０．３〜７．０％の窒化ホウ素と、０．１〜０．７％のＰとを含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなることを特徴とする焼結摺動部材。
- 気孔率が５〜２５％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の焼結摺動部材。
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