JPS59110768A - 耐摩耗性鉄系焼結体およびその製造方法 - 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】 本発明は、耐摩耗性鉄基焼結体に関づるものである。

鉱を主体とり−る焼結体で、鋳鉄のように耐摩耗性に優
れた焼結体が得られていない。これは、７１〜リツクス
となる畝塞焼結体ＯＪ材に十分な強度を与えるともに、
この鉄基焼結体は材中にＴｌｌ１ｉｌｌ炭素を均一に分
散さぜることが困難であることによるものど考えられる
。

従来Ｊ、す、鋳鉄のＪ、うな耐摩耗性鉄基焼結体を１ｑ
る目的で、鉄粉に黒鉛粉を混合し、焼結する方〃、が種
々こころみられでいる。しかしながら、この方法では、
配合した黒鉛粉が１１基焼結体母材中に固溶し、所定量
の’＋Ｖｉ離炭素含炭素中に均一・に残−３− １ことが非常に困暉てあった。また他の方法どじで、固
溶する炭素の吊を減らすために、鉄粉に銅粉等を混ぜて
焼結する方法もこころみられている。

しかし、この方法も銅粉を添加Ｊることにより、炭素の
固溶■は減少するが、遊離炭素量を調整づることが困難
であり、かつ、高価な銅粉末を使用する等の問題がある
。さらに、別の方法として、配合した黒鉛粉を焼結時に
固溶限界まで固溶させた後、冷却時の固溶限の変化を利
用して過飽和の炭素を遊離炭素として析出させる方法が
提案されている。しかし、遊１Ｉ１１炭素を析出させる
この方法は、遊離する炭素量が少な（、また、冷却速度
を厳格に管理する必要があり、目的とする耐摩耗性鉄基
焼結体を得ることができない。ざらに他の方法として、
焼結温度を低くし、黒鉛の鉄基焼結体母材中への拡散を
防止することにより遊離炭素を規制する方法がある。し
かし、この方法も鉄基焼結体母材の強度が低く、優れた
耐摩耗性をもつ鉄基焼結体が得られない。

」ニ記したＪ：うに従来より耐摩耗性鉄基焼結体を−４
− 製造するために種々の方法が試みられているが、未だ鋳
鉄以上の１ｌｉ４１ｍ粍性を有する鉄基焼結体が得られ
ていない。

本発明者等は、鉄基金属への黒鉛の拡散を詳細に研究し
た結果、黒鉛粒子の粒径に」；す、鉄基金属への黒鉛の
拡散速度が大きく異なることを発見し、得られる鉄基焼
結体中に均一に分散づるＭＩＩｌｌｔ炭素量おＪ、び鉄
基焼結体母材中に固溶する炭素量を任意にコントロール
することに成功し、本発明を完成したものである。

ずなわら、本発明者等は、粒径が２０μｍ以下の微細な
黒鉛粉末は、鉄基金属に固溶しやすい、しかし、粒径４
０μｍ以上の大きな黒鉛粒子は鉄基金属中に固有しにく
いことを発見した。そして粒径の異なる黒鉛粉末の性質
を利用して、鉄基焼結体中の遊−１疾索および鉄基焼結
体母材中に拡散する炭素量を規制したものである。

本発明の耐摩耗性鉄基焼結体は、これらの発見に基づい
て製造されたもので、０．３〜４．０重量％の遊離炭素
が鉄基焼結体ｆｆＪ月中に均一に分散−５− した組織をもち、ブロック摩耗量が５０μｍ以下で引張
強度が２５　ｋＯ／ｍｍ２以上の特許をもつことを特徴
とするものである。

また、本発明の耐摩耗性鉄基焼結体の製造方法は、平均
粒径５〜２０μｍの黒鉛粉末０．３〜２゜０重量％と平
均粒径／′ＩＯ〜２００μｍの黒鉛粉末０、／Ｉ〜３．
０重量％と残部鉄を主成分とづ−る金属粉末を均一に混
合して混合粉末を得た後、成形、焼結することを特徴と
するものである。

本発明の耐摩耗性鉄基焼結体は、強い強度をもつ鉄基焼
結体母材をマトリックスとし、そのマトリックス中に０
．３〜４．０重量％の遊離炭素が均一に分散し７ｊ組織
をもつ。このため、焼結体自体が優れた耐摩耗性をもつ
。すなわち、本発明の耐摩耗性鉄基焼結体は、ブロック
摩耗量が５０μｍ以下で、かつ引張強度が２５ｋｇ／ｍ
ｍ２以上の強度をもつ。

耐摩耗性鉄基焼結体のマトリックス中に均一に分散する
遊離炭素の変均粒径ｔよ、１０〜３００μｍ１Ｊｉｊ度
で、かつ面積率が０．３〜１０％程度であ−６− るのが好ましい。Ｍ岨炭素の平均粒径が１０μｍ未満の
場合は耐摩耗性が低下する。また、粒径が３００μｍを
こえる場合には遊離炭素の均一分散性が低下し、摩耗量
の変動が大きくなる。ここで遊Ｉｌｌ炭素の面積率とは
、本発明の鉄基焼結体の切断面に露出する炭素粒子の面
積を、全切断面積に対する割合として求めたもので遊離
炭素を重量％で表示した０、３〜４．０重量％に相当す
るものである。

マトリックスを構成する鉄基焼結体母材は主としてパー
ライト、またはベーナイトでできているのが好ましい。

これは母材に強度、靭性および耐摩耗性を付与するため
の理由による。鉄基焼結休出（Δの強度を高くするため
に、銅、ニッケル、コバルト、クロム、マンガン、リン
、硼素、珪素等を固溶させた鉄基合金とすることもでき
る。固溶する上記金属元素の割合は、鉄基焼結体母材の
全重量を１００重量部とした場合に、銅は０．５〜８重
量部、ニッケルは１〜１０重量部、コバルトは０．５〜
１０重市部、クロムは０．３〜１５重−７− 開部、マンガンは０．５〜５＠惧部で、かつ、上記銅、
ニッケル、コバルト、クロム、マンガンの全量は０．３
〜２０重量部であることが好ましい。

また、リン、硼素、珪素については、鉄基焼結体用材１
００重量部中に、リンは０．１〜１．０重（４）部、硼
素は０．０５〜２．０重量部、珪素は０゜２〜２．０重
量部で、リン、硼素、珪素の全量は０．０５〜３．０重
量部であるのが好ましい。

上記元素のうち、クロムは一部マトリックス中に固溶し
、焼結後の冷却過程でマルテンサイトやベイナイトを形
成してマトリックスを強化する。

残りは炭素と結合して硬質炭化物粒子を形成し、焼結体
の耐摩耗性を向上させる。

マンガンはマトリックス中に固溶して７１−リックスを
強化するとともに得られる焼結体の焼入れ性をいちじる
しく高める。なお、マンガンは焼結後の冷却過程におい
て、冷ｉＪＩ速度が１分間当たり１０℃程度の徐冷によ
り、焼結体自体が硬化する特性を与える。さらに、マン
ガンは焼結性を改善し、より低温での焼結を可能とする
効果を有する。

＝　　８　− コバル１〜は７１へリツクスに固溶し、焼戻し軟化抵抗
を増し耐熱性を高める仙、耐酸化性、耐食性を高めるた
め、特に高温雰囲気、酸化腐食雰囲気あるいは摩擦熱が
影響する場合での耐摩耗性が改善される。

ニッケルはマトリックスに固溶し、靭性向上の効果をも
つ。

リンは主として焼結性の向上に寄与する。

シリ：）ンはマトリックスに固溶して金属組成を安定化
する。

硼素はマトリックスに固溶し、析出硬化により強度を向
上する他、低融点の液相を生じて鉄基地の焼結を活性化
する。

なお、本発明の鉄基焼結体の鉄基焼結体母材中には、そ
の用途に応じて種々の元素を配合することができる。

本発明の耐摩耗性鉄基焼結体は、気孔率が２５％以下で
、かつ気孔の平均径が４０μｍ以下であるのが望ましい
。なお、気孔率は、主として圧粉体成形時の加圧力およ
び焼結条件により定まる。

−９− 鉄基焼結体の見掛番フ硬さはｌ−１ｖ８０〜２００稈度
、マトリックスを構成する鉄基焼結体母材の硬さはＨＶ
１００〜３５０であるのが好ましい。特に鉄基焼結体１
１材の硬さがＩ−ＩＶ１００以下の場合には、Ｎ離炭素
が所定吊金まれている場合においても耐摩耗性が低い。

上記した説明の中でブロック摩耗量とは、５つのブロッ
ク試験片の最大摩耗深さの平均値をいう。

また、引張強度とは引張試験による最大破断荷重を、試
験片の破断部属断面積で除した値をいう。

見掛は硬さとはビッカース硬さ計により、荷重１０ｋｇ
ｆで測定されたビッカース硬度をいい、焼結体中の気孔
および炭素等を含めた焼結体全体としての硬さを意味す
る。また、鉄基焼結体母材硬さとは、マトリックス部の
みの硬さでマイク日ビッカース硬さ計により、荷重２０
０ｇｆで測定されたビッカース硬さをいう。

本発明の耐摩耗性鉄基焼結体の製造方法は、平均粒径が
５〜２０μｍの黒鉛粉末０．３〜２．０重石％と、平均
粒径が４０〜２００μｍの黒鉛粉−１０− 未０．４・〜３．０重１ｆ１１拓ど、残部が鉄を主成分
とする金属わ）末とを均一１．１ｆｎｉ含して、成形、
焼結づるごとにより得られる。ここで、平均粒径が５へ
・２０μｍの黒１１）粉末は、主として得られる焼結体
中に拡散し、７１−リツイノス（こ固溶あるい（ま：／
１〜リックス中の金属元素等と炭化物を形成１Ｊる。平
均粒径が４０〜・２００μｍの黒鉛粉末（Ｊｌ、ｊｑら
れる８′）１基焼結体申（こ遊回１炭素どし〜（残存す
るものである。なお、平均粒径を５〜２　Ｏｆｌｍに限
ったのは、２０ｔｔ■ｌス上の場合に（よ、釦、基ｍ＋
Δ中への黒ｔｉｔの１広１１（が比較的遅く、拡散のた
めの黒鉛とｌ、では好Ｊ、しくないことによる。また、
平均粒径が５　ｌ１ｍ以下の場合には黒鉛同志が凝集し
Ａｂすく、取り扱い、調製が困ゲ１１なことにＪ、る。

遊離炭素のための黒鉛粒子の平均粒径を４０・〜２００
μｍに限ったのは、平均粒径が４　Ｑ　（ｔ　ｍ以下の
場合には比較的畝基母材中への固溶が速く、残存さＪた
めのＭ素粒子どして安定性に欠ｊＪること。また、２０
０μｍを越える粒径の場合にＩＬ、炭素の分散が不均一
になりやりいためである。これらの粒径以外の黒−１１
− １（）粉末を使用１−る場合には、焼結ｒ易摩を艮＜−
する必要ノ）＜あるとか、得られる焼結体の品′ｄがば
らつく等の問題が生じる。

金属粉末どしては、鉄粉あるいは鉄合金粉末を１−（こ
使用りる。、鉄粉、鉄合金粉末に他の添ＩＪ１１扮末を
配合覆ることができる。配合−４６粉末どじでは、−４
二記したような銅、ニッケル、］パル１〜、り【−１ム
、ンンガンあるいはリン、硼素、材木等の粉末Ｃある。

な〔１５、特殊な用途のために、これら以外の金属、元
素を配合づることが℃きる。、混合粉末の調整方法、成
形方法、焼結方法についくは、従来の鉄基焼結体製造時
の混合方法、成形ｉＪ法、焼結方２人をそのまま採用づ
−ることができる。（列えば、混合方法についＣは、所
定の粉末をイれぞれ配合した後、Ｖ型ブレンダー、ボー
ルミル等の混合機、あるい（よ必要によって液体を加え
た湿式法により混合粉末を調整づ−ることができる。成
形二り稈は（りられＩこ）混合粉末を成■う型内にｄ３
いＣＩｔ紛化しグリーン」ンパク］〜ど刀る工程である
。この成形工程においても従来成形Ｊ稈を採用すること
ができる。

−１２− 焼結ゴー稈し従来の焼結■稈をその；トま採用できる。

例えば１丁粉化したグリーンニ］ンパク１〜を非八女化
１ノ１？ｆ囲気下で１０００−１２００°（Ｃに加熱し
て焼結づることができる。本発明の装）告方法にａ−３
いては比較的低い渇庶お、Ｊ、び比較的高い温Ｉす等の
２段階で焼結刀るといった２段階焼結法等の特殊な焼結
方法を採用づる必要はイ１い１、しかし、特殊な用途の
ため（こけ従来公知の特殊な焼結ｌｊ法を採用り−るこ
ともてきる３゜ 以下、実施例により説明りる。

実施例どじて第１表に示すＮｏ、、１〜Ｎ０８１０の１
０秤類の混合粉末、および比較例としてＮｏ、１０１．
１０２／７）２ｉｆｉ類（Ｄ　ｉ１１合粉末を調整した
。なａ３、ここで用いた鉄粉は、市販の還元鉄粉く一］
ＯＯメッシコ）である。また、銅粉として（ま市販の電
ＷＩ＃１粉（、、、、−２５０メツシユ）のものを用い
Ｉζ。（−７お、第１表中例えば＜１”ｌ−０，４５Ｐ
）のようｔこ枠で囲１ｖだ粉末は合金粉末を意味１ノ、
「−ｅ−０，’ｌ　！５　Ｐは、リン０．４５ｆｆｉｌ
ｌＪｔ部を含むリン鉄合金粉末であることを示づ。なお
、このすン鉄合金粉末の粒径＋、ｌｌ　−１００メツシ
コである。

Ｎｏ、７に示ｔ　（Ｆｅ−０，６Ｐ１０．１　Ｂ／１　
。

５８ｉ　＞についても同様、この鉄合金の粒径は一１０
０メッシコである。ニッケル粉としては粒径−３５０メ
ツシコのものを、］パル１〜粉としては粒径−２５０メ
ツシユのｂのを使用した。黒鉛粉末としては平均粒径１
０μｍのものと平均粒径８０μｎ１のもの２種類を用い
た。各原料粉末を配合し、Ｖ型混合機で十分に混合して
各混合粉末を調製した。各混合粉末は、鉄製の金型に入
れ、加圧して縦、横、高さ、１０ｃｍ、２００１１＋、
１Ｑｃｍの柱状圧粉体を成形した。なお、圧粉体製造時
の加圧力は５　ｔｏｎ　／Ｃｍ２である。これらの圧粉
体を第１表に掲げる焼成条件で焼成した。なお、ここで
雰囲気Ｒ×とはプロパン変成カスを意味する。また、Ａ
Ｘとはアンモニア分解ガスを意味づる。加熱条件は１分
間２５°Ｃの冒湿速度で加熱し、第１表に示１−最高温
度ででれそれ３０分保持し、その後、１分間当り１０℃
の冷却；＊度で冷却して焼結したものである。各試別に
ついてそれぞれ５個の焼結−１５− 体を製造した。得られた焼結体について、第２表に示づ
゛遊離炭素量、機械的性質、硬さ、おＪ、び１習動試験
による摩耗用、ｌ！ｉ！ｌ動後の摺動面１１織におｌＪ
る遊＊Ｂ炭素″Ａｌｌ＋定として平均粒径、面積率、７
１へりックスの材質、気孔の平均径、気孔率をそれぞれ
測定した。

摩耗試験は、ブロック−リング式摩耗試験で行った。相
手リング材どして軸受鋼＜５ＵＪ−２＞を用いておこな
った。

引張強さはＪＳＰＭ標べ’１２−６４の試験ｊＡを用い
引張速度２ｍｍ／ｍｉｎで行なった。

また、衝撃値はシＶルビー衝撃試験機にＪ、り切欠ぎの
ないデス１〜ピースでおこなった。

これらの結果をあわせて第２表に示づ。これらの結果を
整理し、１！ＩＩＩ炭素量とブロック摩耗用との関係で
まとめた線図を第１図に、′１ｆｉ１１１炭素邑ど引張
強度との関係でまとめた線図を第２図に、また引張強度
とブロック摩耗用どの関係をまとめた線図を第３図に示
づ。

本発明の実施例であるＮ０１１〜Ｎ０１０の焼−１７− 粘体の摩耗１は、いずれも４０μｍ以下であり、目標と
した、鋳鉄材（Ｆ　Ｃ２３＞の摩耗用を下まわっている
９７本発明の製造方法で得られｌζ焼結体の遊離１炭素
吊と、摩耗用の間には第１図に示す明確な関係が見られ
、遊離炭素量０．３％以下で【、１、摩耗量が大巾に増
加し、０．３％以上では遊離炭素量が増加づるに伴ない
摩耗用は、低下傾向を示す。しかし遊離炭素量４０％以
上では、摩耗用に低下傾向はなくなり、４．０％の時の
摩耗用と同じ水準を保つ（ことどまる。一方、従来のり
！Ｊ造方法では比較例であるＮｏ、１０１に示づように
黒鉛粉の配合割合がＮＯ，２と同等量の１．８％配合し
ているにもかかわらず、黒鉛粉が微細なゆえｔこ、鉄焼
結体中のｉ％γ離炭素量どしては０．０７％しか残留し
でいない。また摩耗用は、８５μｍと大ぎく耐摩耗性が
著しく劣っている１、また、比較例のＮｏ、１０２は、
黒鉛粉末の配合割合がＮｏ、２、Ｎ０１０１と同等の１
．８％である。このＮｏ。

１０２の黒鉛粉は、粒径の大きいものを使用しているた
め、Ｍ頗１炭素世は、１．５／１％とＮｏ、１−　１８
　− Ｏｌより多くなっているにもかかわらず、摩耗用は、Ｎ
ｏ、１０１と同様に５６μｍと大きく、耐摩耗性は劣っ
ている。この様に本発明の実施例のＮｏ、２と比較例の
Ｎｏ、１０１、Ｎｏ、１０２は、いずれも１−一タル黒
鉛配合吊としては、１゜８％と同量であるにもかかわら
ず、ぞの溜動特性は、まったく賃なっている。これはＮ
Ｏ１２にみられるように、平均粒径の異なる２種類の黒
鉛を原料どして用いる事が、黒鉛粉の持つ、良好な拡散
性（鉄中への）と、好潤滑性を共に引き出せ、その結果
として、優れた耐摩耗性と強度とを兼ねイなえた焼結体
が得られるものど考えられる。これらの結果を第２図に
示す。実施例のＮＯ，１〜Ｎｏ、１０の焼結体の引張強
度はいずれも２５ｋｇ／ｍｍ２以」−あり、摩耗量は、
５０μｍより少なく耐摩耗性に優れている。一方、比較
例のＮ０９１０１、Ｎｏ、１０２はＮｏ、２と同様の１
．８％黒鉛粉を配合しているにもかかわらず、引張強度
が、２３１Ｂ／ｍｍ２と低い。Ｎｏ、１０１の場合に（
ま炭素固溶量が約１．７％と高すぎこのため炭化＝　　
１９　− 物が生成（〕、引張強度が低下したものと考えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例に承り遊離炭素量とブロック摩耗用の関
係を示す図、第２図は引張強度どブロック摩耗用の関係
を示づ図である。図中白丸は本発明の実施例の鉄合金の
結果を、三角印は従来の比較例の結果を示す。 特許出願人　　１〜ヨタ自動車株式会社代理人　　　弁
理士　　大川　宏 同　　　　弁理士　　原書　修 同　　　　弁理士　　丸山明夫 −２０− 第１図 ０　　１．０　２．０　３．０　４．０笹劃ｌ量（’／
、） 第２図 ０　　２０　３０　４０　５０　６０ 引　張独度（にｑイ□、２）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）０．３〜４．０ｍｍ％（ＤＭＭ炭素カ６９．　Ｍ
   　ｔＲ。 結体母材中に均一に分散した組織をもら、ブロック摩耗
   量が５０μｍ以下で引張強度が２５　ｋｇ／　ｍｍ２以
   上の特性をもつ耐摩耗性鉄系焼結体。 （２）−遊Ｉｌｌ炭素が分散した鉄基焼結体８３材は、
   平均粒径５〜２０μｍの黒鉛粉末０．３〜２．０重石％
   および平均粒径４０〜２００　ｔｔ　ｍの黒鉛粉末０．
   ４〜３．０重量％と残部主として鉄基金属粉末よりなる
   圧粉体を焼結したものである特許請求の範囲第１項記載
   の耐摩耗性鉄系焼結体。 （３）遊離炭素の平均粒径は１０〜３００μｍであり、
   面積率で０．３〜１０％である特許請求の範囲第１項記
   載の耐摩耗性鉄系焼結体。 （７１）鉄基焼結体母材は主としてパーライトまたはベ
   イナイトからなる特許請求の範囲第１項記載の耐摩耗性
   鉄系焼結体。 −１＝ （５）気孔率が２５％以下で気孔の平均径が／１０μｍ
   以下である特許請求の範囲第１項記載の耐摩耗性鉄系焼
   結体。 （６）児掛硬さがｌ−１ｖ８’Ｏ〜２００Ｔ−１鉄系焼
   結体母材の７１−リツクス硬さがｌ−１ｖＴＯＯ〜３５
   ０である特許請求の範囲第１項記載の耐摩耗性鉄基焼結
   体。 （７）衝撃強度が０　、３ｒ　ｋ’ｇ／　ｃｉｎ２以上
   である特許請求の範囲第１項記載の耐摩耗性鉄系焼結体
   。 （８）平均粒径５〜２０μｍの黒鉛粉末０．３〜２．０
   ＠串％と平均粒径４０〜２ＣＩＯμｍの黒鉛粉末０．／
   １〜３．０重全％と残部鉄を主成分どづる金属粉末を均
   一に混合して混合粉末を得た後、成形、焼結することを
   特徴とする耐摩耗性鉄系焼結体の製造方法。 （９）金属粉末１００重量部中に、０．５〜８重呈部の
   銅、１〜１０重邑部重石ッケル、０．５〜１０重間部の
   コバル１〜．０．３〜１５重量部のクロム、０．５〜５
   重吊部のマンガンの１種もしくは２種以上を０．３〜２
   ０重量部含む特Ｈ’ｆ請求の−２− 範囲第８項記載の製造方法。 〈１０）金属粉末１００重邑重石に、０．１〜１゜０重
   間部のリン、０．０５−２．０重量部のホウ素、０．２
   〜２．０重尾部の珪素の１種もしくは２種以上を０．０
   ５〜３．０ｍｍ部含む特許請求の範囲第８項記載の製造
   方法。