JPH02133549A - 耐摩耗性複合焼結材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、機械構造用切革耗部材に係り、特に高い耐摩
耗性が要求される部材に好舎な鉄基複合焼結材料および
その製造方法に関する。

〔従来の技術〕

機械類のほとんどが摩擦機構部を有しているが、その寿
命を左右するのは１酎；！ｉ！比材料をどのように最適
に組合せるかが最も大きな聾因をしめる。そして、各ａ
２への使用条件は多様であり、たとえば無潤滑状態、潤
滑でも高速、高負荷での使用条件は過酷な動作条件ａ囲
となる。このような各条件にすべて適用できる＋ＱＩ　
Ｒ耗材料があれば皿史的であるが、−擾一短があυその
ような材料はできていないのが現状である。特公昭５０
−２８３６５号公報に記４戊のように冷凍機コンプレッ
サ用ｌ１Ｍ＃　４耗焼結材餞としては、ＭＯ，Ｔａ、　
Ｗ、　Ｎｂの金４１光化物及び金属炭化物を添加した複
合焼結材が使用されており、この材料は特徴を持った耐
摩耗部材であるが、適用部品としては冷凍機用圧縮機す
なわちＶシデロ型のピストン、シリンダ、スライド材に
又ロータリ型のブレード及びシリンダ材に好適な材料と
して開発されているものである。しかし、軸受材料とし
ては不適であシ、相手材を摩耗させる欠点を有する。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記したように従来の複合焼結材料は、添加元素が硬く
軸受材料として適用する際の配慮がされておらず、軸受
材として適用すると相手材を摩耗させるという問題があ
った。

本発明の目的は、無潤滑及び潤滑中ズの軸受材料及び耐
摩耗摺動材料として優れた複合焼結材料を提供すること
にある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らは、鋭意研究の結果、Ｉｗｉ滑性効果を賦与
する成分として固体潤滑性を有する硫化物と黒鉛を特定
範囲で含有する鉄あるいは鉄合金からなる複合材料とす
ることによシ、前記目的を達成しうろことを見い出し、
本発明を完成した。

すなわち、本発明は、硫化物を５〜２０重量％と、黒鉛
を４〜１０重量％と残部が鉄又は鉄合金からなることを
特徴とする耐摩耗性複合焼結材料であシ、そして、上記
硫化物としては硫化鉄が、黒鉛としては黒鉛単体あるい
は銅コーティング処理された黒鉛の単体もしくは両者を
併用して使用できる。

また、本発明は、重量化で、硫化鉄の粉末５〜２０重ｉ
％、銅コーティング黒鉛の粉末及び／又は黒鉛の粉末４
〜１０直量％及び残部が秩あるいは鉄合金の粉末からな
る混合粉末を均一に混合しｏｎ たのち、五５〜Ｓ　５　　　／　ｔｘ　”の圧力で圧粉
成形体を形成し、次いで該成形体を４５０〜６００°Ｃ
の温度で予備焼結したのち、５５〜＆　ｓ　ｔｏｎ／♂
の圧力で再圧成形し、１０００〜１１００°Ｃの温度で
再焼結することを特徴とする耐摩耗性複合焼結材料の製
造方法にもある。

本発明で使用できる鉄合金としては、Ｆｅに、Ｃｒ１３
％以下、Ｎ１１０％以下あるいはＭｏ　　５％以下から
なる金喘成分を単独であるいは併用したものが、好・週
に使用できる。

本発明の複合焼結材料の組成を限定した理由を説明する
。

ＦｐＳ　　： ＦｅＳは、潤滑効果による１尉、摩耗、骨付焼付きｆ性
を賦与するため含有させるもので、このＦｅＳはＦｅあ
るいはＦｅ合金と濡れ注が良好で共晶を作るためマトリ
ックスと強固な腹合材料を形成するが、本発明者らの央
Ｉ々結果によると、第１図の摩耗試験結果及び第２図の
ＦｅＳ量と、摩擦特性の関係を示すグラフのとおり、５
％より少ない場合は摩擦係数が高くなり、１＃焼付き性
及び耐摩耗性が劣る。

また２０％を超えると曲げ強さの低下が著しくなるため
、ＦｅＳの盪は５〜２０％の範囲に収める必要があり、
好ましくはＦｅＳの量は５〜２０％の範囲とすることに
より、摩擦係数が低くかつ、第４図にＦｅＳ　盾と曲げ
強さの関係を表すグラフとして示されるように、曲げ強
度が特に高い優れた複合材料が得られる。

黒鉛： 黒鉛はＣｕ電気めっきしたもの及びめっきなしがあるが
、いずれの場合も焼結の際めっき無し黒鉛はマトリック
ス中に一部拡攻するが、Ｃｕめつき黒鉛は熱分解するこ
となく固体祠滑材として作用し耐焼付き性及び°プ擦係
数を低める効果を有するが、第１図及び第５図に示すＣ
量と摩擦特性の関係を表すグラフから明らかなように、
４％より少ない範囲では摩擦係数の低下効果は顕著でな
く、耐焼付き及び耐）プ耗性が劣り、また１０％を越え
ると再び摩擦係数が上昇するほか、第５図のＣ量と曲げ
強さの関係を表すグラフに示す通り１０％を越えると曲
げ強度の低下が著しくなるため、黒鉛はを４〜１０％の
範囲にある必要がある。また特に摩擦係数が低く、かつ
曲げ強度が高い複合材料とするためには、黒鉛の債を４
〜１０％の範囲とすることが囁゛土しい。

この黒鉛粉末は黒鉛単独でも良いが、Ｃｕ　コーティン
グすると焼結時にＣｕがマトリックス中に溶は込み、黒
鉛形状を保護すると共にマトリックス強化成分としても
役ｆ立つ。

次に前述のとおりのＦｅＳ、黒Ｅ及び鉄あるいは鉄合金
からなる鉄、ＩＮＮ会合材料製造方法にＰいて、圧粉Ｅ
Ｅ力および焼結温度にそれぞれ数値１技定を加えた技術
的理由は次の通りでちる。

ｉｒＩ述組成範囲を満足する晴の各粉末を均一に１ｏｎ 合１７たのち、五５〜Ｓ、　５　　　／　ｅｙｅ　”の
圧力で圧粉成形としたのは、次の予備焼結→再圧成形→
焼結の製造工程と関連した…乗効渠によるものであるｏ
ｎ が、成形圧のみでゆうならばＸ　５　　　／　ｔｓ　”
以下の成形圧ではそのでけ１４ヘエ稈において成形体に
割れが全土したり、成形体形状が推持できないためでち
る。また、ａ　５　ｔ０ｎ／　、Ｍ”以上としても成形
体の゛ご度及び強度的な改善が望めないからである。

次に、予備焼結温度を４５０−６００°Ｃとしたのは、
製造工程における再圧成形および匹焼結と関ｉ：■する
ものでちるが、４５０　℃以下ではその後の工程で再圧
成形及び再焼結しても密度及び強咬が低いためである。

また、６００°Ｃ以上としても密度及び強度的に顕著な
改善効果が見られないためである。

ｏｎ 予備焼結後の再圧成形圧力を５５〜＆５　　／１工とし
だのは再焼結温度と関係するが、＆５ｔ０”　／　ｔｘ
Σ以下では同じく密度及び強度が低い友ｏｎ めであり、また９、　５　　　／　ｅｘ　”としても大
きな改善が囁めないためである。

ことで圧粉成形と焼結の間に前述の４如の予備焼結及び
再圧成形工程を入れた理由を説明すると、圧粉成形体を
直接本焼結した場合、焼結体密度が低く強度が低くなる
だめと、焼結に際し２ての収縮が２０％と極めて大きく
、寸法にバラツキが生じるためである。

次に再焼結温度を１０００−１１００１Ｃとしたのは、
成形、予備焼結、再圧成形し７た成形体において、１０
００″Ｃ以下の温度では焼結体の密度及び強度が低いた
めであシ、また１１００℃以上の温度で焼成しても実質
上強度的な改善がないばかりでなく、強度的にはむしろ
低下する傾向にあるからである。すなわち、１０００〜
１１００°Ｃの温度で再焼結すれば３０分程度で十分密
度が高く強度の強い凛合材料が得られるだめである。

なお、予備焼結及び再焼結の際の雰囲気として、Ｎ！ガ
ヌ゛またＮ）［、分解ガス及びＡｒ　ガスなどの中性雰
囲気、ＣＯガスなどの還元雰囲気、あるいけ真空を用い
て酸化を防ぎつ一焼結することが１ましいことは当然で
ある。

本発明で得られる１＃摩耗性複合焼結材料は、エアコン
及び冷蔵庫用ロータリ圧縮機のクランクシャフトを支持
するベアリング材料として特に有用である。

そして、本発明の材料を軸受材料として用いた場合の呵
Ｉ；贋耗性全第１２図に示す。第１２図は、固定片とし
て本発明の材料を用い、可動片として４傾偵の共晶Ｉす
鉄を用いた場合のＷ！耗試験（一方向すべり１１擦摩耗
試″＊）の結果を示すグラフである。！ｇ１２図からも
明らかなように本発明材を用いると従来材に比べ２〜５
倍の１酎、摩耗性を示しており、優れていることがわか
る。

次に、本発明の製ａ　ｊｊ法で用いる素材粉末の粒径と
その影°Ｊについて説明する。第１５図はＣ粒径と摩擦
係数及び曲げ強さの関係を示すグラフであり、第１４図
はＦｅＳ粒径と）γ樫係数及び曲げ強さの関係を示すグ
ラフである。これらの結果から明らかなようにＣ及びＦ
ｅＳ粒径は５０〜５００μｍのものが最も各特性が優れ
ており、その範囲外のものは問題があることがわかる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を記祇するが、木鎖明はこれらの
実施例に限定されない。

実施例１ 木実施例に供した素材の化学組成を第１表に示す。表中
、試料鳩５〜凰６及び陽１１〜１２、胤１５−１６、＋
６１９〜２０は本発明であり、１ＪｆＬ１゜２　、７　
、８　、９　、１０　、１　Ｍ　、　１４　、１７　、
１８゜２１は本発明で規定する範囲を外れた比＋１１を
材であり、また階２２及び階２３は市販材の祷鉄（Ｆｅ
１２）及び炭素鋼（ｓａｓｃ）である。

表１０随１〜随２１に有する素材粉末を、゛Ｊ型混合機
において５０分間混合したのち＆５ｔ０ｎ７１鵞の圧力
で成形し、５５０℃において予備焼結したのち、ｑ　ｔ
　ｏ　ｎ　／１ｚで再圧成形し、１０５０℃で焼結した
ものである。第１図は上記試料の耐焼付き摩耗限界面圧
を求めたものである。摩擦条件は相手材として共晶黒鉛
鋳鉄（Ｆｅ２０）を用い、雰囲気をスニソ油（３０重量
％）とフロン（７０重量％）の希釈混合冷媒油中とし摩
擦面圧を適宜変化させて行ったものである。この結果か
ら知られるように、発明材の耐焼付き摩耗限界面圧は他
のものに比べ高く、ＦｅＳ及び黒鉛が発明組成範囲より
少ないと、焼付き限界面圧の低いことがわかる。

第１表　供試料の化学成分 実施例２ 第２図はＣ：５％、Ｆｅ８およびＦｅの複合材において
、ＦｅＳ　’／ｌを変化させた場合の摩擦係数を求めた
ものである。これらの組成材の製造法は実施例１の発明
材と同じである。また摩耗試験条件も同じでおる。

Ｃ，ＦｅＳおよびＦｅ　複合材において、ＦｅＳ　４ｉ
とＰＩ！擦係数との間には、ＦｅＳ　噴５％以上におい
て摩擦係数はほぼ一定値を示しているのに対し、５％以
下ではバブツキが大きく、かつ最大摩擦係数も大きくな
り、不安定であることがわかる。

第３図は同じ（ＦｅＳ　：　１０％、Ｃ及びＦ’Ａ　　
の複合材においてＣｍを変化させた場合のｊＷＩ擦係数
との関係を示したものである。Ｃ量と摩擦係数の間には
Ｃ全４％以上において摩擦係数はほぼ一定値を示して安
定しているが、それ以下では平均的にｌ？擦係数は高く
不安定であることがわかる。

実施例５ 第４図Ｂ’ＪＩ図に示した試料と同じ試験片におけるＦ
ｅＳ量と曲げ強さの関係を示したものである。

これから明らかなように、Ｆｅｄ、Ｉｔが多くなるにし
たがって強度は低下しているが、ＦｅＳ量２０％以上に
彦ると急激に低くなる。したがって、これら複合材にお
いては強度的にみるとＦｅＳ　漬け２０％以下が良いこ
とがわかる。

第５図は同じく喜５図に示した試料と同じ試験片におけ
るＣ）ｌと曲げ・膚度との関係を示したものである。曲
げ強度はＣ＠が多くなるにしたがって低下するが、Ｃ−
９１０％以上になると低下率が大きくなる。以上のこと
から、Ｃ，ＦｅＳ’＆びＦｅからなる複合材において、
Ｃ及びＦｅＳの含有する最大限としてはＣ：１０％およ
びＦｅＳ　：　２０％がよいことがわかる。

実施例４ 第６〜９図は配合比としてＣ：５％、Ｆｅｄ：１０％及
び残Ｆｅ　ＭＡ戒林について、その製曲か？去と特性を
示したものでちる。＄Ｊ６当は以下の製造工程において
、成形→予備焼結（５５０°Ｃ）→再圧成形（＆　５　
”ｎ／　ｃＩＮ”　）　→焼結（１０５０°Ｃ）におｏ
ｎ いて、最初の成形工程を２〜１０　　　／ｃｓ”に変化
させ、強度及び密度、の関係を調べたものである。

ｔｏｎ これによると、成形圧力２／　ｅｓ　”ではその後の製
浩工稈において成形体形状を維持できない。

−またＩ　Ｑ　ｔ０ｎ／　ｔｘ　”以上としても強度及
び密度値とも向上することが認められない。

ｔｏｎ 第７図は成形（ａ５／ｒｓｚ”）→予備焼結→ｏｎ 再圧成形（６，５、／ｍ”）→焼結（１０５０”Ｃ）の
ｆＭａ工程において、予備焼結を２５０〜７５０°Ｃに
変化させた場合の強度及び密度の関係を示したものであ
るが、４５０℃以下では強度のバラツキが大きく、信頼
性に乏しく、また密度においても強度と同じことが言え
る。また６ＣＩ　Ｏ℃以上では強度及びｇ度ともに大き
な変化がないことがわかる。

ｔ、ｏｎ 第８図は成形（５，５１５＋”）→予備焼結（５５０°
Ｃ）→再圧成形→焼結（１ｏｓｏ”ｃ）の製ｏｎ 偕工程において、再圧成形圧力６．５　　　／　ｃｍ　
”以下ではそれ以上の再圧成形圧力に比べて強度及びｔ
ｏｎ 密度ともに低い６つまた＆　５　　　／　ｔｘ　”以上
の再圧成形圧力では強度及び密１ｙともにほぼ一定値を
示すことがわかる。

ｔｏｎ 第９川は成形（５，５／ｌａｇ”　）→予備焼結（ｔｏ
ｎ ５５０　”Ｃ’）→再圧成形（６５／澤１　）→焼結の
製造工捏において、焼結温度を９００°Ｃ〜１２００゛
Ｃに変化させた場合の強度と密度との関係を示したもの
である。焼結温度９００℃では強度及び密度ともに低い
値を示しているが、し７かし、９５０°Ｃになると強度
及び密度と４に高い値ｆＯ示し、これらの値は１１００
°Ｃまでは寸同じ値を示している。しかし、１１５０°
Ｃになると強度及び密度とも低くなることがわかる。

実施例５ 第１０図はＣ：５％、Ｆｅ３：１０％及び残ＦＣｏｎ 組成材を用い成形圧力６．５　　　／　ｅｘ　”の圧力
で成形し、５５０℃において予ｖ＃１？！結したのち、
９ｔｏｎ／、ｚ　テ！圧成形し、１０５０°Ｃで焼Ｆｊ
Ｗして得た本発明材料の模式的ｍ礒崗であって第１０−
Ａ図はＣｕ　コーティングしたＣを添加した場合及び第
１０−Ｂ図は無コーティングＣを添α］した場合の１例
について示したものである。Ｃｕ　コーチたマ）　ＩＪ
ソック、　Ｆｅｄ（’）混α用織となっている。

実施　１列　６ Ｃ：５％、　ＦｐＳ　：　１０％及びＪＱＦｅｉ成材を
用Ｏｎ い、成形圧力／Ａ　５　　　／　ｎｍ　”の圧力で成形
し、５０ｎ ５０°Ｃにおいて予イ庫ケ克桔したのち、９　１５２で
再圧成）シシ、１０５０℃で焼結して、仕上げ加工を施
しロータリ圧縮機構の軸受を試作した。これを１Ｗロ一
タリ圧縮機に組込み回・駈数１２００Ｏｒｐｍ　、吐出
圧力３０ｋｇ／ｙｍ”、吸込み圧力６ｋｇ／１２連続１
５００時間連伝の実機試験を行った。

試、険終了後圧縮機全分解し、軸受の内面隼ｌｔ状ｆ謀
及び摩耗砥を４１１１定した結果、従来材のＦｅ１２よ
摩 りもその耐Ｎ性が優れ、大川上問題になることは△ なかった。

＋（１１記ロ一タリ圧縮機について詳述する。

エアコン及び冷゛く市川ロータリ圧縮機を図面によって
説明すると、第１１図に＃断面図とり、て示すようにロ
ータリ圧縮機は電動部Ａと圧縮桟構部Ｂとからなる。圧
縮機はケーシング１０，１０’。

１　ＯＮで構成する。電動部Ａは固定子１により回転子
５を回転させ、これによりクランクシャフト７を回転さ
せる。圧縮機６°（部にはシリンダ２を設け、これのベ
ーンスロット部にベーン９を役は摺動可能にする。クラ
ンクシャフト７を圧縮機構部Ｂ内に延長し、ローラ８の
内周面にクランクシャフト７を回ｌ示させ、ローラ８テ
シリンダ２内で偏心して回転させる。またシリンダ２の
両ｍ１ｌｌに１−ベアリング５と下ベアリング６を設け
、クランクシャフト７を支持する。シリンダ２に吐出部
１１を設け、圧縮流体を吐出する。また亨・１τ力部Ａ
のケース内には気゛糸室１０２を設け、圧縮機構部Ｂの
ケース内には潤滑油１２ｆｔ充填する。

木伯明材料の適用部は図１１に示すように上ベアリング
及び下ベアリ：／グに適用できる。すなわち相手クラン
クシャフトを支えるジャー＋ｗ　ｉ受材管として好Ｉ噂
なものである。

〔発明の効果〕

本発明によれば１．得られた複合焼結材料は、従来の材
料では得られなかった潤滑状態あるいは無醐滑状頓にお
いて優れた耐摩耗性を有する。そして、その製造方法で
は、該頃合焼結材料を工業的に安定して得ることのでき
る方法である。

また、本発明を、倒滑油を導入することが困短であり、
かつ優れた耐摩耗性を要求されるロータリ圧′４機用の
摩擦機構部材に適用した場合の効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は摩耗試験結果を示すグラフ、第２図はＦｅＳ量
とｌＩ！擦特性の関係を示すグラフ、第３図はＣ４と摩
擦特性の関係を示すグラフ、第４図はＦｅＳ量と曲げ強
さの関係を示すグラフ、第５図はＣ量と曲げ強さの関係
を示すグラフ、第６図は成形圧力と曲げ強さ及び密度の
関係を示すグラフ、第７図は予備焼結温度と曲げ強さ及
び密度の関係を示すグラフ、第８図は再圧成形と曲げ強
さ及び密度の関係を示すグラフ、第９図は焼結温度と曲
げ強さ及び密度の関係を示すグラフ、第１０−Ａ図及び
＃ＩＪ１ｏ−Ｂ図は本発明材料の模式的ｍ織図、第１１
図はロータリ圧縮機の縦断面図、；ｇ１２図は固定片と
可動片との関係における摩耗量を示すグラフ、第１３図
は０位径と摩擦係数及び曲げ強さの関係を示すグラフ、
第１４図はＦｅＳ粒径と摩擦係数及び曲げ強さの関係を
示すグラフである。 Ａ・・・電動部、Ｂ・・・圧縮機構部、２・・・シリン
ダー５・・・上ベアリング、６・・・下ベアリング、７
・・・クランクシャフト、８・・・ローラ 特許出頼人　　株式会社　日立製作所 代　　理　　人　　　　　中　　　本　　　　　　光間
　　　　　　　　井　　　上　　　　　昭第１図 第２囚 霞Ｓｔ　　（’、４） 第３囮 Ｃｔ（％） 第４図 Ｏ ＦｅＳｔ（”４１ 第５図 Ｓ Ｃ量（’／、１ 第８図 −一り、ｑミ＊　デｌ三ノコ三〕＝７（勾）、全に））
第９図 シ悲４　、、Ｌ　ｔ’ｃ） 第６図 人升三五力砕−一・） 予１燻崎３膚（℃１ 第１０−Ａ図 第１０−Ｂ図 第１１図 第１２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、硫化物を５〜２０重量％と、黒鉛を４〜１０重量％
   と、残部が鉄又は鉄合金からなることを特徴とする耐摩
   耗性複合焼結材料。 ２、上記硫化物が、硫化鉄であることを特徴とする請求
   項１記載の耐摩粍性複合焼結材料。 ３、前記黒鉛が、黒鉛単体あるいは銅コーティング処理
   された黒鉛の単体もしくは黒鉛単体と銅コーティング黒
   鉛との混合物である請求項１記載の耐摩耗性複合焼結材
   料。 ４、重量比で、硫化鉄の粉末５〜２０重量％、銅コーテ
   ィング黒鉛の粉末及び／又は黒鉛の粉末４〜１０重量％
   および残部が鉄あるいは鉄合金の粉末からなる混合粉末
   を均一に混合したのち、３．５〜５ｔｏｎ／ｃｍ＾２の
   圧力で圧粉成形体を形成し、次いで該成形体を４５０〜
   ６００℃の温度で予備焼結したのち、５．５〜６．５ｔ
   ｏｎ／ｃｍ＾２の圧力で再圧成形し、１０００〜１１０
   ０℃の温度で再焼結することを特徴とする耐摩耗性複合
   焼結材料の製造方法。