JPS5918464B2 - 複合摺動材料 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は摺動材料、特に高速高荷重等使用条件の過酷な
場合に好適な摺動材料に関する。

高速高荷重下において耐摩耗性が要求される摺動材料は
、例えば内燃機関の各所に用いられているが、その内ロ
ッカ−アームとこれを揺動させるカム、あるいはロータ
リーエンジンのアペックスシール等には最も過酷な部類
に属する。

従来このような使用条件下の摺動材料としては、鉄系材
料を焼入し、あるいは鉄系材料に浸炭、窒化、各種硬質
金属のメッキ処理等の表面処理を施こしたものが使用さ
れ、それなりの効果を挙げている。

本発明は上記のような焼入れ又は表面処理によらずこれ
と同等又はそれ以上の性能を有する摺動材料を開発する
ことを目的とする。

本発明の摺動材料の相手材は、一般的には鉄又は鉄合金
（特殊鋼、鋳鉄など）であるが、ニッケル、コバルト又
はその合金であつてもよい。これらを以下相手方の鉄族
金属と総称する。、 本発明は、境界潤滑状態すなわち摺動部分へ潤滑油が供
給され難く、充分な油膜厚さが得られない状態になり、
摺動部分が固体接触になる摺動部材用の材料を提供する
ことにもある。

このような過酷な摺動潤滑状態は摺動部材が線接触又は
これに近い状態で接触することによりもたらされること
が多い。本発明の目的は、特に摺動部材が同種の金属で
ある場合に、摺接部分の発熱により、凝着及び焼付を生
じるような現象を生じさせないことにもある０本発明に
係る摺動材料は、鉄系合金からなる基体上に摺接層を有
する複合摺動材料において、前記摺接層が重量で３ない
し３０％のホウ素を含有し、残部が鉄及び不可避的不純
物であることを特徴とする。

本発明に係る摺動材料の製法は、重量で、３ないし３０
％のホウ素を含有し、残部が鉄族金属である粉末を、鉄
系合金からなる基体上に厚さ０．５ｕ以下塗布して塗布
層を形成し、これを焼成して基体と一体化した摺接層と
した鉄族金属用複合摺動材料において、後述の成分をさ
らに含有させたものである。

この材料の特徴の一つは一般の鉄系材料に比較して多量
のホウ素を含有することである。

ホウ素は鉄族金属である鉄、コバルト及びニツケルと硬
いホウ化物（ＦｅＢ，Ｆｅ２Ｂなどと考えられる）を形
成して、材料の耐摩耗性を向上させる。粉末中のホウ素
含有量が３％未満であると摺接層の硬さが低く、３０％
を超えると摺接層が脆化するうえにホウ化物の分散形態
が不良になる。粉末の好ましいホウ素含有量は１５〜２
５％である。本発明の材料の他の特徴は、ホウ素含有鉄
族金属と適当な好ましくは鋼材の基体又は裏金との複合
構造、すなわちソリツドではない構造、にある。

このために、硬いホウ化物分散表面層と機械的強度が高
い基体とが組合わされて使用され、高速非定常摺動下に
おける本発明材料の摺動特性を良好なものにしている。
すなわち基体は単に摺接層を支持するだけでなく、複合
材料の高速・非定常摺動挙動改善に寄与している。この
ため、摺動速度が数ｍ／秒になると、従来は摺動部材の
接触部分の発熱による焼付が発生し易くなつたが、本発
明によるとこの問題が未然に防止される。本発明材料の
別の特徴は、ホウ素含有鉄族金属粉末を基体上に０．５
１１以下の厚さに塗布して塗布層を形成し、これを焼成
して基体と一体化した摺接層とすることにある。

粉末の焼成において、基体と粉末が反応して一体化しま
た粉末に含有される化学成分間の反応及び粉末粒子間の
反応が起こり、これらの反応が同時に進行する。このよ
うな反応によつて上記ホウ化物が生成され、適当に鉄基
材マトリツクス中に分散する。また、基体と塗布層の一
体化反応が起こるが、タフトラード処理、拡散浸透処理
などの鉄鋼の表面処理法にあつて表面層と基体の間に形
成される鉄の拡散層が本発明の複合材料にあつてはかか
る鉄の拡散層が介在せず摺接層と基体とが直接一体化さ
れている。この一体化接合構造をさらに詳しく述べると
、硬質表面層内のＦｅＢ硬質物の分布が一様であり、換
言するとホウ素及び鉄の濃度分布が一様である。すなわ
ち、通常の拡散浸透法において見られる如き中間的濃度
層が介在せずに基体と摺接層が接合されている。鉄族金
属のうちニツケルは接合面で僅かに基材に拡散すること
もある。塗布層の厚さは０．１〜０．５１ｔｍであるこ
とが好ましい。

この厚さが０．５ｍｍ以下であるため、基体（裏金）と
塗布層が焼成により充分に一体化され、また焼成後の層
の組織が均一化され、また焼成後の摺接層自体の硬さ、
耐摩耗性を発揮しつ基体の高い機械的性質も十分に複合
材料の摺動特性向上に寄与する。なお、塗布直後の塗布
層の厚さは約０．３ミリであつても、硬質摺接層（表面
層）の厚さは約０，５ミリ程度に増加し、したがつて焼
成により摺接層が拡大されていることも本発明の特徴で
ある。このような特徴をもたらす原因については、本発
明者は基材層の鉄と塗布層の鉄が相互に交換的に移動す
ると推測している。何れにせよ、得られた接合構造は特
異なものであり複合材料の摺動特性向上に寄与している
と考えられる。本発明の他の特徴により、摺接層形成に
用いられる粉末が１５％以下の鉛の粉末が混合されてい
るとさらに好ましい。鉛は焼成後に鉄族金属母材に固溶
しないで分散する低融点材であり、高速・低速摺動の何
れの場合でも相手材に対する摺動部材のなじみ性、すべ
り性が改善される。かかる複合材料表面性能向上効果に
よつて、無潤滑下における摺動による種々のトラブルが
効果的に解消されることになる。本発明の複合摺動材料
及び相手材ともに鉄基金属であるため、一般的に言つて
両者の間の凝言（焼付）が生じ易いが、鉛はこのような
凝着を特に効果的に解消する。混合粉末中の鉛の含有量
が１５％を越えると摺接層中に均一分散せしめることが
難しくなり、更にひいては摺接層のマトリツクスの強度
を低下させることになるので好ましくない。鉛の添加効
果を充分に奏せしめるためには、０．５０１）以上、好
ましくは３〜１０％の混合粉末中の含有量が必要である
。本発明の別の特徴により混合粉末が８％以下のリンを
含有するとさらにまた好ましい。

リンは鉄族母材のＦｅ粒子と硬質化合物を生成しそして
母材内に分散してこれを強化する。この硬質化合物は、
Ｆｅ２Ｐ，Ｆｅ３Ｐなどと推定される。また、リン含有
摺接層では、高温下の硬さ低下が母材の強化によつて抑
制されており、またマトリツクス中に微細に分散してい
るリン化物の存在によつて摺接層表面がオイルを捕捉し
易くなつている。この結果、複合摺動材は相手材と、潤
滑オイルの供給がない又は少ない高速摺動条件下で用い
られる場合にリンの効果が顕著になる。また、リンは焼
付荷重のばらつきを少なくし、摺動部材の信頼性を高め
る効果もある。リン含有量が８％を越えるとシユ一等が
脆化し好ましくない。リンの効果を充分に奏せしめるた
めには、０．５％以上、好ましくは３〜８％の添加量が
必要である。本発明の摺接層が８０！）以下のリン及び
１５％以下の鉛を含有していると、リンと鉛が相互に親
和し複合材料のすべり性及び耐凝着性を単独含有よりさ
らに向上せしめる。本発明の摺接層が、上記必須成分で
あるホウ素及び任意成分であるリン及び／又は鉛に加え
て、モリブデンを０．１ないし３％未満含有する混合粉
末より形成されると好ましい。

モリブデンは殆んどが鉄族金属とマトリツクスを構成し
て鉄族金属のマトリツクスを強化する。モリブデン添加
による効果は、複合材料の耐摩耗性を向上させる効果よ
りも衝撃力が加えられる摺動条件下においてシユ一など
の摺動部材の割れ発生を防止する点にある。モリブデン
含有量が０．１％未満であると鉄族金属マトリツクスの
十分な強化ができないが、３％以上になると摺動部材の
じん性低下のおそれがある。上述のホウ素、鉛、リン及
びモリブデン以下の摺接層の成分は鉄族金属と不純物か
らなる。

摺接層の鉄族金属は少なくとも１／３重量部が鉄であり
、残部はニツケル及び／又はコバルトであるとよい。こ
の鉄族金属は他の成分を上記のように固溶、分散させ又
は相互に化合物を形成する。この固溶、分散又は化合な
どの反応が摺接層の焼成過程に起こるように原料粉末は
原則として個々の成分であるように調整することが好ま
しい。しかし、ホウ素、リン等は純粋形では利用し難い
ためフエロボロン（例えばＪＩＳＧ２３ｌ８規格）及び
フエロホスホル（例えばＪＩＳＧ２３ｌＯ規格）のもの
を使用してもよい。また、モリブデンもフエロモリブデ
ンとして原料粉に使用してもよい。このように、鉄族金
属成分とともに添加成分により摺接層を形成する際にそ
れぞれの成分の粉末を用い、これらの成分間の反応を利
用して上記固溶、分散又は化合物生成等の反応を実現す
ると、最初から全成分含有粉末を用いるのに比較して焼
成後の摺接層の摺動特性は著しく向上する。次に、本発
明に係る複合材料の製法をさらに詳しく説明する。

先ず摺接層形成用粉末合金を適当なバインダーと混合し
てペースト状にする。バインダーは焼成により蒸発して
しまうものであり、例えばでんぷんのり、又は樹脂系接
着剤の水もしくはアルコール液などを使用することがで
きる。これらのバインダーは焼成後に３０１）以下なら
ば摺接層に残留してもよい。粉末の粒度は−２００メツ
シユ（２００メツシユより細粒）であることが好ましい
。上記粉末合金とバインダーからなるペーストをブラシ
塗布又はナイフ塗布、型内への流し込みなど適当な方法
により０．５１１以下の厚さに裏金上に塗布する。続い
てペーストを水素還元雰囲気で１０００ないし１１００
℃の温度で焼成し基体と一体化させる。この焼成におい
て裏金の鉄分子が摺接層内の鉛を除く各元素と拡散・反
応し、モリブデン及びホウ素等と反応し両者の境界が渾
然と一体化する。また鉄・モリブデンマトリツクスが充
分に安定化し、またホウ化鉄硬質分散物が該マトリツク
スと充分に反応し安定化する。焼成を高温の前段加熱と
低温の後段加熱の２段加熱で行うと焼成過程における複
合材料の組織変化が特にその性能に好ましい影響を与え
るようになる。本発明の基材（裏金）としては圧縮、剪
断等の応力に対して優れた機械的性質をもつもの好まし
くは鋼板を用いる。鋼板の厚さは２ミリ以上が好ましい
。以上、本発明の実施例によつて複合材料の特徴をさら
に詳しく説明する。

実施例 １ 第１表の試料番号１〜１３の組成を有する摺接層を有す
る複合材料を製造した。

原料粉末は鉄族金属の合金粉末、フエロボロン粉末、鉛
粉末及びフエロホスホル粉末の粒度が−２５０メツシユ
であり且つ組成が既知のものを第１表の組成を有する混
合粉が得られるように混合した。比較例として試料番号
１４〜１９のソリツド材も製作した。本発明の摺接層は
クロム、炭素、シリコン等の不純物を小量含有していた
。上記混合粉をでんぷんのりと混合してペースト状にし
、円盤状シユ一の形状の鋼製裏金上に０．２ないし０．
３１１の範囲の厚さに塗布した。

これを１１００℃で５分間続いて１０００布Ｃで１０分
間水素還元雰囲気中で焼成した。得られた焼成摺接層の
平均マイクロビツカース硬さを第１表に示す。第１表の
シユ一を次に記した如き条件で摺動試求めた〇求められ
た焼付荷重は次のとおりであつた。

第２表より、高硬度を有するソリツド材としてれも１０
０ｋｇ／Ｃｌｌよりかなり低い荷重で焼付いてぃること
が分る。また、表面に硬質層を有する試料番号１５及び
１７も低い荷重で焼付いている。したがつて、シユ一の
高い硬度のみによつては、ＦＣ２Ｏ相手材との焼付を防
止することができない。これに対して鉄族金属中に３な
いし３００！）のホウ素を含有せしめている試料番号１
〜４では焼付荷重が１００１＜ｆ！以上である。これは
全体として比較的軟質の鉄族マトリツクス中に硬いホウ
化物を分散せしめるとともに、この摺接層を強度の高い
裏金で保持していることによるためと考えられる。また
、鉛含有摺接層の場合は（試料番号５，６参照）、鉛含
有によつて硬さの変化はないが焼付荷重はさらに高くな
つている。試料の表面を顕微鏡で観察したところ、鉛は
表面に分散して存在していた。鉛は摺接層のなじみ性及
びすベリ性を改善し、この結果が焼付荷重の増加になつ
て現われているものと考えられる。次に、鉛に加えてリ
ンを含有する摺接層の場合は、鉛含有の場合とほぼ同等
の焼付荷重が得られている。

実施例 ２ 実施例１の試料１〜１３に第５表のＭＯを添加した試料
により同様の実験を行つた。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 鉄系合金からなる基体上に摺接層を有する複合摺動
   材料において、前記摺接層が重量で３ないし３０％のホ
   ウ素及び１５％以下の鉛を含有し、残部が鉄族金属なら
   びに不可避的不純物であることを特徴とする複合摺動材
   料。 ２ 鉄系合金からなる基体上に摺接層を有する複合摺動
   材料において、前記摺接層が重量で３ないし３０％のホ
   ウ素、１５％以下の鉛及び８％以下のリンを含有し、残
   部が鉄族ならびに不可避的不純物であることを特徴とす
   る複合摺動材料。 ３ 鉄系合金からなる基体上に摺接層を有する複合摺動
   材料において、前記摺接層が重量で３ないし３０％のホ
   ウ素及び３％未満のモリブデンを含有し、残部が鉄族金
   属ならびに不可避的不純物であることを特徴とする複合
   摺動材料。 ４ 鉄系合金からなる基体上に摺接層を有する複合摺動
   材料において、前記摺接層が重量で３ないし３０％のホ
   ウ素、１５％以下の鉛、及び３％未満のモリブデンを含
   有し、残部が鉄族金属ならびに不可避的不純物であるこ
   とを特徴とする複合摺動材料。 ５ 鉄系合金からなる基体上に摺接層を有する複合摺動
   材料において、前記摺接層が重量で、３ないし３０％の
   ホウ素、１５％以下の鉛、８％以下のリン及び３％未満
   のモリブデンを含有し、残部が鉄族金属ならびに不可避
   的不純物であることを特徴とする複合摺動材料。 ６ 前記鉄族金属が、少なくとも１／３重量部の鉄と残
   部のコバルト及び／又はニッケルとからなることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項から第５項までのいずれか
   １項に記載の複合摺動材料。