JPH09235646A - 焼結摺動部材及びその製造方法 - Google Patents
焼結摺動部材及びその製造方法Info
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Abstract
材への攻撃性の低い焼結摺動部材とする。 【解決手段】クロムを含有する鉄基粉末からなるマトリ
ックス材に0.1〜3.5重量%のhーBNと0.1〜
3.5重量%のグラファイトを混合し、混合粉を成形し
て成形体をとする。次に成形体を銅合金と接触させ焼結
と同時に、銅合金を溶浸する。これにより、クロムを含
有する鉄基のマトリックス間に銅相が充填するとともに
銅相中にhーBN相が分散する。グラファイトはクロム
と反応してマトリックスと銅相の境界近傍にクロム系炭
化物として析出する。
Description
特に高温用摺動部材及びその製造方法に関する。
従来からクロムを含有する鉄基合金、例えばステンレス
鋼などの耐熱性、耐酸化性に優れた金属をマトリックス
とし、これに炭素やhーBN(ヘキサゴナル窒化ほう
素)などの固体潤滑剤を分散させた焼結摺動部材が特開
昭54ー128923号公報や特開昭60ー22155
7号公報によって知られている。また、焼結体の空隙に
銅を溶浸して、機械的強度や耐酸化性を高めた発明が特
開昭60ー215736号公報、特開平2ー29090
5号公報及び特開平4ー191343号公報などに開示
されている。
れた発明では、クロム2.5〜25重量%、炭素0.2
〜3.0重量%を含む合金鋼粉末(マトリックス材)か
ら成形体を形成し、この成形体に銅を主体とする金属を
接触した状態で、合金鋼粉末の液相生成温度より0〜5
0°C高い温度範囲で焼結して、成形体内に銅を主体と
する金属が溶浸した焼結合金を得ており、これにより耐
摩耗性に優れるとしている。特開平2ー290905号
公報に開示された発明は、金属粉末に黒鉛などの固体潤
滑剤を混合・成形・焼結して成形体を形成し、この成形
体の空孔部分に銅などの低融点金属を溶浸する摺動部材
が開示されている。
の技術の内、特開昭60ー215736号公報では、炭
素を0.2〜3.0重量%を含む合金鋼粉末から成形体
を形成している。この成形体は、焼結によって炭素がク
ロムと化合してクロムとの炭化物となるが、この硬い炭
化物を合金鋼のマトリックス中に析出して耐摩耗性の向
上が図られている。この結果、この硬い炭化物により相
手材への攻撃性が高くなって、特にHv300以下の軟
らかい相手材に対しての適用が困難であった。
は、炭化物形成元素としてのクロムが含有されていない
こと、及び、黒鉛が10重量%と多量に混合されている
ために、混合されたグラファイトは硬い炭化物とならず
に、遊離グラファイトとして存在している。すなわち、
この従来技術では、遊離グラファイトを固体潤滑剤とす
ることによって摩擦係数などの摺動特性の改善を図って
いるものである。従って、酸化雰囲気中で使用される
と、遊離グラファイトが急速に酸化して、高温用の摺動
部材としては適用することができなかった。
れるとともに、相手材への攻撃性の低い摺動特性を有す
る高温用の焼結摺動部材を提供することを目的としてい
る。
結摺動部材では、クロムを含有する鉄基のマトリックス
と、このマトリックス間に銅相が充填されている焼結摺
動部材において、銅相中には、hーBN相が分散すると
ともに、マトリックスと銅相の境界近傍にクロム系炭化
物が析出している。
体としており、高温での耐酸化性に優れているとともに
混合されるグラファイトから炭化物を形成する。マトリ
ックス材のクロムの含有量は、耐酸化性の点から11〜
27重量%を含有しているものが望ましい。11重量%
未満では、マトリックスの耐酸化性が低下するととも
に、グラファイトから炭化物を形成することが困難にな
る。一方、27重量%を越えると成形性の点から望まし
くない。
銅合金としては、2.8重量%Co、残Cu合金や1.
5重量%Fe、1.0重量%Mn、1.1重量%Zn、
残Cu合金などが適宜使用できる。Coを含有する銅合
金では、溶浸性がよくなる。また、Cu−Fe−Mn−
Zn合金では機械的強度が改善される。
面積%未満では炭化物形成に寄与する銅相が過少にな
り、炭化物の形成が困難となって、耐焼付き性の向上が
望めなくなる。また25面積%を越えると機械的強度が
低くなる。この炭化物形成及び機械的強度を勘案すると
13〜23面積%となることが望ましい。
分な潤滑作用を得ることができず、一方、10面積%を
越えると脆化するとともに、耐酸化性が低下する。この
ため、0.5〜10面積%とする。h−BN粒子は、銅
相中に均一に分散していることにより優れた機械的性質
及び潤滑性能が発揮される。特に1〜8面積%が望まし
い。また、h−BN粒子径が100μmを越えると、銅
の溶浸性が低下する傾向がある。これらのことから、1
00μm以下のh−BN粒子が均一に分散しているもの
が特に望ましい。
の境界近傍に析出している。この炭化物は、混合工程に
おいて、混合されたグラファイトが焼結工程でマトリッ
クス中のクロムと結合することにより形成される。3面
積%未満では未だ充分な耐摩耗性を得ることができず、
24面積%を越えると相手材に対する攻撃性が大きくな
る傾向を示すため、炭化物は3〜24面積%が望まし
い。なお、炭化物を形成する炭素成分としては結合力の
点からグラファイトが望ましく、添加するグラファイト
が0.1重量%未満では炭化物の形成が困難となり、一
方3.5重量%を越えると遊離グラファイトが残存して
耐酸化性が低下する。このため、グラファイトは、0.
1〜3.5重量%の配合量とすることが望ましい。より
望ましくは0.2〜3.0重量%である。
リックス材として予め炭素を合金化した材料を使用する
と、比較的硬いマトリックス中に炭化物が析出し、摩擦
係数や耐摩耗性は向上するが、相手材に対する攻撃性が
高くなる。この理由としては、本発明では、硬いクロム
系の炭化物がマトリックスと銅相の境界の近傍に析出し
ており、この炭化物が軟らかい銅相に囲まれているため
に、銅が炭化物に対してクッションとして作用するもの
と考えられる。これに対して、銅より硬いマトリックス
中に析出した炭化物では、この銅相によるクッション作
用がないために、本発明によって得られる良好な摺動特
性を得ることができない。
の微細な粒子が望ましく、粗大化すると相手材に対する
攻撃性が大きくなる。このため、混合するグラファイト
は50μm以下のものが望ましい。
〜請求項4の焼結部材の製造方法に関する。請求項5の
発明では、クロムを11〜27重量%含有する鉄基粉末
からなるマトリックス材に0.1〜3.5重量%のhー
BNと0.1〜3.5重量%のグラファイトを混合して
混合粉とする混合工程と、この混合粉を成形して成形体
を形成する成形工程と、この成形体を銅又は銅合金と接
触させ焼結と同時に、銅又は銅合金を空隙内に溶浸する
焼結工程からなる。
は、仮焼結工程を経ないで成形工程の後に焼結工程を行
うことである。これにより、安価な焼結摺動部材を製造
することができる。
ス材としては、低炭素の軟鋼粉などの鉄粉末にクロム粉
末やクロムの合金を混合した混合粉末(請求項8)、ま
たは、予めクロムを合金としたステンレス鋼などの合金
粉末であってもよい(請求項7)。混合粉末を使用する
場合には、鉄粉末にクロム粉末やクロムの合金粉末を十
分に混合して、偏析を生じないようにする。クロムが偏
析した焼結体では、耐熱性や機械的強度が十分に得られ
ないことがある。このため、粉末の混合工程を容易にす
ることができる合金粉末を使用することが望ましい。合
金粉末としてはステンレス鋼粉末を使用することができ
る。ステンレス鋼としては、オーステナイト系ステンレ
ス鋼の他、マルテンサイト系、フェライト系ステンレス
鋼などの他のステンレス鋼を使用することができる。ス
テンレス鋼は相手材の硬度により適宜選択されるが、ニ
ッケルを含有するオーステナイト系ステンレス鋼は他の
ステンレス鋼よりも軟らかく、また耐熱性に優れている
ために特に望ましい。
に混合されたグラファイトと反応して炭化物を形成する
とともに銅相中にも溶けるため、クロムの含有量は11
〜27重量%のものが望ましい。11重量%未満では、
マトリックスの耐酸化性が低下する。27重量%を越え
ると成形性の点から望ましくない。なお、ニッケルを添
加して耐酸化性を向上させるなど、適宜合金成分を添加
することもできる。
0%とする。10%未満では含浸される銅相が過少とな
り、クロム系炭化物の生成量が十分でなくなる。一方、
30%を越えると溶浸する銅相が占める割合が高くな
り、機械的強度が低下する。これらの理由により成形体
の空隙率は10〜30%とする。特に15〜20%が望
ましい。
度で行う。また、焼結雰囲気は還元雰囲気および/また
は減圧下で行う。これにより溶融した銅又は銅合金がマ
トリックスの間の空隙に充填される。一方温度を高くし
過ぎると、析出する炭化物が粗大化する。微細な炭化物
を析出するために、焼結工程の焼結温度を銅又は銅合金
の融点よりやや高い1100〜1200°Cにより行
う。特に溶浸性の点から1130〜1170°Cが望ま
しい。
焼結摺動部材の製造方法に関する。請求項6の発明で
は、クロムを含有する鉄基粉末からなるマトリックス材
に0.1〜3.5重量%のhーBNと0.1〜3.5重
量%のグラファイトを混合して混合粉とする混合工程
と、この混合粉を成形して成形体を形成する成形工程
と、この成形体を仮焼結して空隙率10〜30%の仮焼
結体を形成する仮焼結工程と、この仮焼結体を銅又は銅
合金と接触させ焼結と同時に、銅又は銅合金を空隙内に
溶浸する工程から構成されている。
工程の後に仮焼結工程を行い、その後に焼結工程を行っ
ている。この仮焼結工程によって、マトリックス材の各
粉末が拡散により結合し、また、成形体の過剰な空隙率
を低くできる。この結果、焼結体の抗折力を高めること
ができる。
Cの比較的低温の拡散焼結により行うことが望ましい。
仮焼結温度が高いと、仮焼結体の空隙率が10%未満と
なり、また、混合したグラファイトがマトリックス中に
過剰に固溶して焼結工程の際にマトリックスへの炭化物
の析出が顕著になる。一方、仮焼結温度が低いと仮焼結
時間が長くなる。このため、仮焼結温度は900〜10
00°Cが望ましい。
結摺動部材では、銅相中にhーBN粒子が分散し、ま
た、マトリックスと銅相の境界近傍にクロム系炭化物が
析出していることによって、耐摩耗性に優れるとともに
相手材に対する攻撃性の低い焼結摺動部材とすることが
できる。
及び比較例20〜30により説明する。各実施例1〜1
4及び比較例20〜30の供試試料を粉末冶金により製
造した。
て、実施例1〜10、及び実施例13、14、比較例2
0〜28では、SUS310S(重量%で、19Ni−
25Cr、残部Fe及び不可避成分)のオーステナイト
系ステンレス鋼のー100メッシュ(150μm以下)
のものを使用した。また、実施例11ではSUS410
(重量%で、12.5Cr、残部Fe及び不可避成分)
のマルテンサイト系ステンレス鋼を、実施例12ではS
US430(重量%で、17Cr−0.6以下Ni、残
部Fe及び不可避成分)のフェライト系ステンレス鋼の
ー100メッシュのものを使用した。なお、比較例29
については、予め1.0重量%Cを合金化した粉末(重
量%で18.5Niー22.5Crー1.0C、残部F
e及び不可避成分)のー100メッシュを使用した。ま
た、比較例30では重量%で18.1Niー22.1C
rー2.0Cuー1.0C、残部Fe及び不可避成分の
合金粉末を使用した。
を使用した。また、h−BNの代わりに、固体潤滑剤と
してMoS2,WS2を6.0重量%添加したものをそれ
ぞれ比較例27、28とした。グラファイトは、平均粒
子径が10μmの粉末を使用した。
及びグラファイトを表1に示す配合比率で混合して各混
合粉末を得た。なお、成形性を高めるために混合する際
に1重量%のステアリン酸亜鉛を混合している。
の混合粉末を、実施例1〜12、比較例20〜24、2
6〜30では、成形圧力6t/cm2でプレスして空隙
率が20%の成形体を得た。この他、実施例13では空
隙率が10%、実施例14では30%、比較例25では
40%のものを得た。これらの成形体を500℃に加熱
して、ステアリン酸亜鉛を脱ろうした。
8、10〜14、及び比較例20〜30ではコバルトを
2.8重量%含有する銅合金の粉末を用いた。但し、実
施例1では純銅の粉末を使用し、実施例9では2.3重
量%Feー1.3重量%Mnー1.2重量%Znを含有
する銅合金の粉末を用いた。この銅又は銅合金の粉末を
成形体と同じ直径の円柱に圧縮成形して圧粉体を得た。
なお、実施例1〜6、8〜12及び実施例14、比較例
20〜23及び26〜30については、成形体100重
量部に対して溶浸材35重量部とした。また、実施例7
及び実施例13では溶浸材20重量部、比較例24では
溶浸材15重量部、比較例25では溶浸材40重量部と
した(表1参照)。これら銅又は銅合金の圧粉体を成形
体の上に重合わせて載置した上で、還元雰囲気中にて1
150°C、60分間焼結して焼結体を得た。
3及び比較例20〜23、26〜30において3%、実
施例7及び実施例14では10%、比較例24では15
%、比較例25では18%となった。
た。図1は実施例3の組織を示す顕微鏡写真であって、
マトリックスの間に銅相が溶浸した緻密な組織となって
おり、銅相中にhーBNが均一に分散するとともに、マ
トリックスと銅相の境界近傍に数μmの微細な炭化物
(クロム系炭化物)が析出していた。一方、図2は、
1.0重量%Cを予め合金化したステンレス鋼粉末を使
用した比較例29の組織を示し、マトリックスの間に銅
相が溶浸した緻密な組織となっており、銅相中にhーB
Nが均一に分散していた。しかし炭化物はマトリックス
中に微細な炭化物が析出していた。
hーBNの各相の面積%をX線マイクロアナライザによ
って分析したところ、表2に示す結果が得られた。
トピースを作製し、各種試験を行った。
と700°Cにおける摩擦係数及び摩耗試験を行った。
摩耗試験は、相手材として硬度Hv250のSUS30
4(重量%で9.3Ni−19Cr、残部Fe及び不可
避成分)の直径4mmのピンからなる相手材を選んだ。
相手材に2kgの荷重を加えた上で、平均速度1m/m
in.で、1時間往復動を大気中で繰り返した。この結
果を表3に示す。
ックスと銅相の境界近傍に析出せずにマトリックス中に
析出している比較例29、30では、相手材に対する攻
撃性が高く、相手材の摩耗量が大きくなった。また、鉄
基合金をSUS310S、SUS410,SUS430
とした実施例3、11、12と対比すると、SUS31
0Sの実施例3のプレート磨耗量において僅かに高い結
果となったが、摺動特性上マトリックス材による大きな
影響は無かった。
比較例21に対して、h−BNを1.0重量%含有する
実施例3では、プレート摩耗量及び相手材摩耗量のいず
れも改善されていた。また、固体潤滑剤としてh−BN
の代わりにMoS2,WS2を6.0重量%添加した比較
例27、28では、摩擦係数、プレート摩耗量及び相手
材摩耗量のいずれも良好な結果を得ることができなかっ
た。これは、400°Cを越える大気中では、Mo
S2,WS2は急速に酸化して昇華消失するためと考えら
れる。
5重量%とし、h−BNを0.2〜3.0重量%混合し
た実施例2〜5においていずれもよい結果が得られた。
特にh−BNの混合量が増加するに従って、摩擦係数と
相手材摩耗量の改善効果が得られた。
合していない比較例22では、炭化物の析出が無いため
に摩擦係数、プレート摩耗量のいずれにおいても大きく
なった。また、実施例3、6、8、9では、h−BNを
1.0重量%、銅合金を35重量%とし、グラファイト
の混合量を0.2〜3重量%に変化させている。これら
実施例3、6、8、9においてもよい結果が得られた。
特にグラファイトの混合量が増加するに従って僅かであ
るが耐摩耗性が改善されるが、相手材への攻撃性は高く
なる傾向を示した。なお、比較例23においては、グラ
ファイトを4重量%と過剰に混合しているために、一部
のグラファイトは焼結体中で遊離グラファイトとして残
存している。この残留グラファイトは、高温の下で酸化
して消滅し、その部分が空孔部となり、機械的強度が低
下してしまう。グラファイト及びh−BNをともに含ま
ない比較例20は摩擦摩耗特性において最も劣る。同様
に、比較例25においても空隙率が大きいため、機械的
強度及び摩擦摩耗特性が低下してしまう。
4においては、h−BNを1.0重量%、グラファイト
を1.0重量%とし、溶浸材の量を変化させたものであ
る。実施例3と実施例7との対比で、実施例7では空隙
率が高いことから実施例3よりもいずれの性質も若干低
下する傾向が見られる。一方比較例24では、銅合金が
15重量部と過少であり、焼結体の空隙率が高く、いず
れの性質においても十分でなかった。
Claims (8)
- 【請求項1】クロムを含有する鉄基のマトリックスと、
このマトリックス間に銅相が充填されている焼結摺動部
材において、 前記銅相中には、hーBN相が分散するとともに、マト
リックスと銅相の境界近傍にクロム系炭化物が析出して
いることを特徴とする焼結摺動部材。 - 【請求項2】 銅相は10〜25面積%となっているこ
とを特徴とする請求項1記載の焼結摺動部材。 - 【請求項3】 hーBN相は、0.5〜10面積%とな
っていることを特徴とする請求項1、2記載の焼結摺動
部材。 - 【請求項4】 クロム系の炭化物は、焼結によって析出
した炭化物であり、3〜24面積%となっていることを
特徴とする請求項1〜3記載の焼結摺動部材。 - 【請求項5】 クロムを11〜27重量%含有する鉄基
粉末からなるマトリックス材に0.1〜3.5重量%の
hーBNと0.1〜3.5重量%のグラファイトを混合
して混合粉とする混合工程と、この混合粉を成形して空
隙率10〜30%の成形体を形成する成形工程と、この
成形体を銅又は銅合金と接触させ焼結と同時に銅又は銅
合金を空隙内に溶浸する焼結工程からなる焼結摺動部材
の製造方法。 - 【請求項6】 クロムを11〜27重量%含有する鉄基
粉末からなるマトリックス材に0.1〜3.5重量%の
hーBNと0.1〜3.5重量%のグラファイトを混合
して混合粉とする混合工程と、この混合粉を成形して成
形体を形成する成形工程と、この成形体を仮焼結して空
隙率10〜30%の仮焼結体を形成する仮焼結工程と、
この仮焼結体を銅又は銅合金と接触させ焼結と同時に銅
又は銅合金を空隙内に溶浸する工程からなる焼結摺動部
材の製造方法。 - 【請求項7】マトリックス材は、クロムを合金としてい
る鉄基の合金粉末であることを特徴とする請求項5、6
の焼結摺動部材の製造方法。 - 【請求項8】マトリックス材は、鉄基粉末とクロムを含
有する粉末との混合粉末であることを特徴とする請求項
5、6の焼結摺動部材の製造方法。
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