JPH03219057A - 自己潤滑性焼結摺動材とその製造方法 - 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】 Ｃ産業上の利用分野〕 本発明は耐焼付性と耐摩耗性を向上させた自己潤滑性焼
結摺動材に関し、かつ該摺動材の製造方法に関する。

〔従来技術］ 市販されている自己潤滑性焼結摺動材としては、銅系焼
結材の母相に黒鉛、二硫化モリブデン、二硫化タングス
テンなどの固体潤滑材を分散させたもの（東芝タンガロ
イ性、ＳＬ合金）がある。また、より安価な自己潤滑性
焼結摺動材としで、特殊なプラスチック材が使われてい
る。

本発明者らは先に、非常に高荷重に耐えるものとして、
鉄系焼結材の母相に黒鉛、二硫化モリブデンなどの固体
潤滑材を分散させた自己潤滑性焼結摺動材を提案（特願
昭６３−１９０９９４）　している。

プラスチック性自己潤滑性焼結摺動材は、その硬度およ
び強度の観点から摺動面圧２００ｋｇ／ｃｄを超える場
合にＵヘクリ」現象を示し、かつ耐摩耗寿命が著しく短
くなる。

また、銅系焼結材を母相とする摺動材では、面圧５００
ｋｇ／ｃＩＩＩを超える摺動条件で使用するとやはり「
ヘタリ」現象が起こりやすく、特に連接の作業機部に用
いる場合、偏荷重のかかりやすい場所では使用できない
という問題点がある。

さらに、偏荷重と高荷重のかかるブツシュ類では、その
内径面部の深さ約１［１１１１程度を熱処理して硬化し
、強化させた鉄系焼結自己潤滑摺動材にし、その外部を
通常の高強度鉄系焼結材で包被構成とする２層成形ブツ
シュがある。しかし、偏荷重が強烈に加わると、鉄系焼
結材の母相に分散された黒鉛粒の周辺に多数のマイクロ
クランクが発生したり、異常摩耗を起こすことがあると
いう問題点がある。

［発明が解決しようとする課題］ 偏荷重と高荷重が加わる鉄系自己潤滑性焼結摺動材につ
いて、鉄系焼結材の母相に黒鉛などの固体潤滑剤を分散
させた組織を観察すると、焼結時の熱処理によって黒鉛
粒の周辺にセメンタイトのような硬い炭化物が生成し、
また、黒鉛が消耗されて粒径が小さくなったり、黒鉛粒
周辺に微小な孔が生じたりしている。黒鉛の消耗を防止
するには、高温焼結時に鉄と反応せず、かつ酸化抵抗の
強い黒鉛を使用すれば防止ができる。また、黒鉛粒周辺
の孔は、銅系材を溶浸して孔の封止処理をすれば、強度
、たとえば抗折力を一段と向上させることができる。

しかし、連接の作業機部に使用するようなブツシュ類に
加わる摺動面圧は、推測して９００〜１３００ｋｇ／ｃ
ｆｌにも及ぶので、上記のような解決策を施しても問題
点は解消されていない。そのため、偏荷重が加わるブツ
シュ類には特殊な機械加工を施すが、やはり問題点が残
されている。

本発明は前記に鑑みてなされたもので、偏荷重と高荷重
下の状態において耐焼付性と耐摩耗性を有する鉄系自己
潤滑性焼結摺動材とその製造方法を提供することを目的
とするものである。

〔課題を解決するための手段］ 本発明者らは上記の問題点を解決するために種々検討し
た結果、偏゛荷重と高荷重の加わる鉄系自己潤滑性焼結
摺動材では、母相（マトリックス）が材質的に硬く　（
マイクロビッカースＩＩｖ　：５５０〜ＳＯＯ＞されて
いるため、強い偏心応力が加わると、黒鉛粒周りの母相
に応力が集中するため、局部の母相がより硬質化してマ
イクロクラックを生じたり、跪くなって欠落したりする
、との知見を得た。結論的には、母相の靭性が乏しく、
ブツシュの摺動面と挿入されたシャツｈ（軸ピン）との
なじみ性を欠くものと考察シ、焼結時における直接焼入
れ処理または浸窒処理後の焼入れによって、母相に多重
の残留オーステナイト相を析出させ、慴動面のなじみ性
を向上させることを見出して本発明を完成させたもので
ある。

本発明の鉄系自己潤滑性焼結摺動材は、■　０．０５〜
１．０ｍｍ径の黒鉛、二硫化モリブデン、二硫化タング
ステン、窒化ホウ素の固体潤滑材の１種または２種以上
が容積比で２５〜５０νｏ１χとし、残部が鉄を主成分
とした鉄系焼結粉である混合粉を、所定形状に加圧成型
し、高温の非酸化雰囲気中で焼結し、焼入れ後の常温焼
結体のマトリックス組織が容積比で３０〜９５νｏ１χ
範囲の残留オーステナイト相を有するものとするもので
ある。

■　０．０５〜１　、０　ｍｍ径の黒鉛、二硫化モリブ
デン、二硫化タングステン、窒化ホウ素の固体潤滑材の
１種または２種以上が容積比で２５〜５０νｏｆ″Ａと
し、残部が鉄を主成分とした鉄系合金粉である混合粉を
、所定形状に加圧成型し、高温の非酸化雰囲気中で焼結
した焼結体または該焼結体に銅系材を溶浸させたものを
、表面層の僅少厚さを機械加工によって除去した後、６
００℃以上の温度で浸窒または浸炭浸窒処理を施して焼
入れし、焼入れ後の常温焼結体のマトリックス組織が容
積比で３０〜９５νＯ１χ範囲の残留オーステナイト相
を有するものである。

■　ならびに、■、■の自己潤滑性焼結摺動材の製造法
を提案するものである。

次に、本発明の構成について更に説明する。

本発明で使用する黒鉛、二硫化モリブデン、二硫化タン
グステン、窒化ホウ素の固体潤滑材の１種または２種以
上が容積比で２５〜５０νＯＩχとするのは、２５ｖｏ
ｌχ未満では潤滑性が不十分となるためであって、逆に
、５０ν０１χを超えるときは摩耗が著しく多くなり好
ましくない。したがって、上記のように規定する。また
、固体潤滑材の粒径は、潤滑性を考慮して０．０５〜１
　、０　ｍｍ径とするものである。

本発明で使用する鉄を主成分とした鉄系焼結粉とは、Ｆ
ｅ−Ｃ，Ｆｅ−Ｎ１−Ｃ，、Ｆｅ−Ｍｏ−Ｃ，Ｆｅ−Ｎ
ｉ−Ｍｏ−Ｃなどで、特に規定するものではない。

本発明で使用する規定の鉄系焼結粉とは、０．１〜１．
５ｗｔχ炭素に加えて、０．０５〜２．０ｗｔχクロム
、０．０５〜２．Ｏｗｔχモリブデン、０．０５〜２５
ｉｎｔＸ　ニッケルなどを含む範囲から組合せ、残部が
鉄と不可避不純物からなるものである。添加するクロム
、モリブデン、ニッケル量の下限値は焼入れ性を考慮す
るもので、クロムおよびモリブデンの添加は浸炭によっ
て炭化物を析出させるためのものでもあり、上限値はコ
スト的な観点から制限するものである。ニッケルの添加
は残留オーステナイト相の形成に寄与させるためで、上
限値は浸炭、浸窒処理を施さずに、直接焼入れをする場
合に残留オーステナイト相の形成量を多くするためのも
のである。また、ニッケル量が多いとコスト高となり、
上限値としている。添加する炭素はマトリックスの硬さ
を高め、強度化させるためで、添加量がＯ，ｂｖｔχ未
満では強度化に欠け１．５ｗｔχを超えるとマトリック
スの靭性となじみ性が低下するので好ましくなく、好ま
しい範囲は０．１〜１．５ｗｔχである。

本発明の構成で非酸化雰囲気中で焼結し、焼入れ後の常
温（定常的な作業運転時の温度、以下同じ）焼結体のマ
トリックス組織が容積比で３０〜９５ｖｏｌ％範囲の残
留オーステナイト相とするとあるのは、鉄−炭素合金状
態図から理解されるように鋼の焼入れ硬化において焼入
れを最も極端に行う、すなわち極端に急冷するとオース
テナイトの状態がそっくり、そのまま常温に持ちこされ
るが、炭素鋼ではどんなに急冷してもオーステナイト組
織を１０ｏｚ常温に持ちこすことができない。一般には
、オーステナイト組織と異なる非常に硬いマルテンサイ
ト組織が共存する。変化しないまま高温のオーステナイ
ト組織が残ったのであるから残留オーステナイトという
。マトリックス組織に多くの残留オーステナイト相を形
成すると靭性のあるマトリックスとなる。残留オーステ
ナイト相の下限値は、なじみ効果があられれ始める量を
３０ｖｏｌχとし、上限値の９５ｖｏｌχは摺動テスト
後の摺動面のへクリ観察から定めた。

本発明の構成で、６００℃以上の温度で浸窒しまたは浸
炭浸窒処理してとあるのは、窒化のように通常５５０”
Ｃ程度で熱処理すると、粒子表面に通常の窒化物が生成
して、焼結体の強度が低下する。浸窒処理は窒化と異な
り本発明の別の必須条件であって、６００℃以上の温度
と定めた理由は、特に、浸窒処理する時にＴ、ε相など
の窒化物が表面層に析出（白層と呼ばれるもの）し難い
温度とするものである。浸窒は焼結体中に窒素を拡散、
吸収させるものである。浸窒処理は、アンモニヤ分解ガ
ス雰囲気中、８００〜９００℃の温度範囲で行うのが好
ましい。浸窒処理のみをするのは、炭素を含む合金鋼粉
から焼結体を得る場合で、浸炭浸窒処理は炭素を含まな
い合金鉄粉と黒鉛粉の混合粉から焼結体を得る場合には
、常法に従って、まず浸炭処理を行った後、引続いて浸
窒処理をするか、浸炭と浸窒を同時に処理する。浸窒は
、焼結体中に窒素を拡散させて残留オーステナイト相の
析出を容易にさせる。

〔作　用〕

本発明に係わる自己潤滑性焼結摺動材は、そのマトリッ
クスに多量の残留オーステナイト相を析出させて摺動材
になじみ性を付与しであるため、強烈な偏荷重が作用し
た場合に、従来のもののようにマトリックスがマルテン
サイトのような硬い組織でないので、応力集中があって
もマイクロクラックを生じることがない。また、本発明
は、該摺動材になじみが形成されるときには、加工誘起
に伴ってマルテンサイト相が瞬時に析出し、硬化して耐
摩耗性が向上する。同時にマトリックス中に分布する固
体潤滑剤が優れた潤滑性を発現する。したがって、ヘタ
リが防止でき、該摺動材の寿命が長期に維持される。

さらに本発明では、残留オーステナイト相の量的関係は
マルテンサイトの開始温度（Ｍｓ）を低温側に下げるニ
ッケル、クロム、モリブデンの添加量が調整できるよう
にしている。あわせて、添加する金属元素を多量に添加
することは、コストを高くするので、安価な方法として
６００℃以上の温度で浸窒または浸炭浸窒処理すること
によって、添加する金属元素の添加量を減することがで
きる。

〔発明の効果〕

以上説明したごとく、本発明の自己潤滑性焼結摺動材は
黒鉛潤滑剤をマウントするマトリックス組織に多量の残
留オーステナイト相を焼結後の焼入れまたは浸窒もしく
は浸炭浸窒処理後の焼入れによって形成させるので、摺
動面のなじみ性がよく、偏荷重と高荷重の状態にあって
も、優れた耐焼付性、耐摩耗性を有し、かつ安価に得ら
れるので、連接および一般産業機械の無給脂化に大きく
寄与できる。

本発明の自己潤滑性焼結摺動材は、前記したように偏荷
重と高荷重のもとにあって優れた耐焼付性、耐摩耗性を
有するから、ブツシュのような円筒状機械部材はもとよ
り、たとえばピボット受部材のような偏向荷重を受けや
すい他の平板状機械部材にも使用できることはいうまで
もない。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

実施例１− 合金鉄粉（神戸製鋼社製アトメル４６００．４１００）
、黒鉛粉（ロンザ社製ＫＳ６）およびカーボニルニッケ
ル粉（インコネル社製、平均粒径ｂｚｍ）を用いて５種
類の組成の混合粉を作成し、該混合粉に対して粒径５０
〜１５０ＩＩｍの人造黒鉛粒（ロンザ社製）を容積比で
３５ｖｏｌχを添加し混合して、第１表に示す自己潤滑
性焼結摺動材用の焼結粉（Ａ）を作った。別に合金鉄粉
（神戸製鋼社製アトメル）、黒鉛粉（ロンザ社製ＫＳ６
）およびリン鉄（幅用金属社製）を用いてＦｅ−０，６
ｅｖｔχＣ−０，５ｗｔ％Ｐの焼結粉（Ｂ）を作り、第
１図に示されるような２層円筒形状部品の内筒円管には
焼結粉（Ａ）を用い、外筒円管には焼結粉（Ｂ）を用い
て４．５ｔ／ｃｆｆｌの加圧力でＣＩＰ成形し、１０−
”ｔｏｒｒ以下の真空雰囲気中、１１００℃×１時間の
条件で焼結後、焼結体を９００〜９６０℃の温度から窒
素ガスによる焼入れを行った。また、前記で得た第１表
の試料番号１〜３の焼結体を８５０℃の温度で雰囲気ガ
ス（Ｃ（ｈ：０．２χ、’　ＮＨ３：１０χ）中で３時
間の浸炭浸窒処理を施した後、８０℃の油中に焼入れし
、内管摺動面の残留オーステナイト量を調べた結果を、
第１表に示す。

第　　１　　表 第１表で得た試料番号１〜５を第２図に示される試験装
置を用いて、第３図に示される偏荷重の加圧パターンを
加えて、摩擦係数と加圧パターンの繰返し回数との関係
を求めた。その結果は第４図に示されるとおりであった
。

（注）第２図、試験装置での試験条件は下記の通りであ
る。

シャフト材質：　ＳＢＭＡ７５１ＱＴ品試験速度：３ｒ
ｐｍ（１８０°揺動） 試験荷重：常用３００ｋｇ／ｃｎＴ 最大９００ｋｇ／ｃｌＩＹ 第４図の結果から、残留オーステナイト相の多量析出に
より、なじみ性が向上し、さらにマイクロクラック（疲
労）の発生、異常摩耗による摩擦係数の急激な上昇や異
音の発生がみられなくなった。

実施例２ 実施例１で説明した第１表試料番号１の焼結粉（Ａ）と
焼結粉（Ｂ）とを用いて第１図に示す２層円筒形状部品
をＣＩＰ形成し焼結させる。該焼結体部品の内筒円管に
銅系溶浸剤（幅用金属社製、ＦＩＰ−Ａ３）を用いて、
１１３０℃の温度でＡＸガス雰囲気炉中、銅を溶浸させ
る。次いで、内筒円管の内径面表層部の０．１ｍｍ厚を
機械的に除去した後、実施例１と同一条件で浸炭浸窒処
理を施し、焼入れ焼戻し処理を施して試験片を作成した
。対比例は銅を溶浸させないほかは全く同一な試験片と
した。

これらの試験片を第２図に示す試験装置を用いて、試験
荷重の最大圧力を１５００ｋｇ／ｃ［まで順次上げてい
きながら、異常摩耗による破…の起る耐圧性を調べた結
果、銅を溶浸させた試験片では１５００ｋｇ／ｃｉ　Ｏ
）荷重に耐えられるが、銅を溶浸させない試験片では１
２００〜１３００ｋｇ／ｃ＋Ｉｌの範囲で異常摩耗を呈
する。結果から、銅を溶浸させることにより焼結体の内
部気孔を減少でき、それに伴って著しく耐圧性が向上で
きることがわかる。

第５図は浸炭浸窒処理前の焼結体表面に銅溶浸させた組
織の顕微鏡写真であって、黒い部分は黒鉛粒、白いマト
リックス中に流氷状に点在するのは、銅が溶浸された部
分である。

実施例では固体潤滑材として黒鉛を用いたが、二硫化モ
リブデン、二硫化タングステン、窒化ホウ素などを用い
て、本発明に係る自己潤滑性焼結摺動材が得られること
を確かめている。

【図面の簡単な説明】

第１図は２層円筒部品の形状を示す説明図、第２図は試
験装置の概念説明図、第３図は試験条件の加圧パターン
説明図、第４図は摩擦係数と加圧パターンの繰返し回数
との関係説明図、第５図は浸炭浸窒処理前の焼結体表面
に銅を溶浸させた金属組織の顕微鏡写真である。 第１ 図 第２ 図 図面の浄書 ｓ５図 第３図 操返し回数（回） 第４図 手 杼と 主甫 正 書 （方式） 事件の表示 特願平２−１４３８０号 発明の名称 自己潤滑性焼結摺動材とその製造方法 補正をする者 事件との関係 出 願 人 住 所（居所） 東京都港区赤坂二丁目３番６号 氏 名 （名称） （１２３） 株式会社小松製作所 代 理 人 住 所 大阪市西区新町１丁目４番２１号 補正命令の日付 平成 ２年 ４月２４日（発送日）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　０．０５〜１．０ｍｍの黒鉛、二硫化モリブデン、
   二硫化タングステン、窒化ホウ素の固体潤滑材の１種ま
   たは２種以上が容積比で２５〜５０ｖｏｌ％とし、残部
   が鉄を主成分とした鉄系焼結粉である混合粉を、所定形
   状に加圧成型し、高温の非酸化雰囲気中で焼結し、焼入
   後の常温焼結体のマトリックス組織が容積比で３０〜９
   ５ｖｏｌ％範囲の残留オーステナイト相を有することを
   特徴とする自己潤滑性焼結摺動材。 ２　０．０５〜１．０ｍｍ径の黒鉛、二硫化モリブデン
   、二硫化タングステン、窒化ホウ素の固体潤滑材の１種
   または２種以上が容積比で２５〜５０ｖｏｌ％とし、残
   部が鉄を主成分とした鉄系焼結粉である混合粉を、所定
   形状に加圧成型し、高温の非酸化雰囲気中で焼結した焼
   結体または該焼結体に銅系材を溶浸させたものを、６０
   ０℃以上の温度で浸窒または浸炭浸窒処理を施して焼入
   れし、焼入れ後の常温焼結体のマトリックス組織が容積
   比で３０〜９５ｖｏｌ％範囲の残留オーステナイト相を
   有することを特徴とする自己潤滑性焼結摺動材。 ３　固体潤滑材と鉄系焼結粉との混合粉を加圧成型する
   工程、加圧成型体を非酸化雰囲気中で焼結する工程、焼
   結体を焼入れする工程を有することを特徴とする自己潤
   滑性焼結摺動材の製造方法。 ４　固体潤滑材と鉄系焼結粉との混合粉を加圧成型する
   工程、加圧成型体を焼結する工程、焼結体またはこの焼
   結体に銅系材を溶浸させる工程、および６００℃以上の
   温度で浸窒または浸炭浸窒処理を経て焼入れする工程を
   有することを特徴とする自己潤滑性焼結摺動材の製造方
   法。 ５　鉄を主成分とした鉄系焼結粉が、０．１〜１．５ｗ
   ｔ％炭素に加えて、０．０５〜２．０ｗｔ％クロム、０
   ．０５〜２．０ｗｔ％モリブデン、０．０５〜２５ｗｔ
   ％ニッケルのうちの１種または２種を含む範囲から組合
   せ、残部が鉄と不可避不純物からなる合金粉末である請
   求項１、２、３または４のいずれかに記載のもの。