JP2009155696A

JP2009155696A - 摺動部材用鉄基焼結合金

Info

Publication number: JP2009155696A
Application number: JP2007336145A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Yanase; 剛柳瀬; Kazuo Maruyama; 和夫丸山
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2009-07-16
Anticipated expiration: 2027-12-27
Also published as: CN101469393B; JP5096130B2; CN101469393A; KR101087376B1; KR20090071400A

Abstract

【課題】銅を含有することによる優れた性能を維持しつつ、銅の使用量を低減して製造コストを低減することができる摺動部材用鉄基焼結合金を提供する。
【解決手段】全体組成が、質量比で、Ｃ：０．６〜１．２％、Ｃｕ：３．５〜９．０％、Ｍｎ：０．６〜２．２％、Ｓ：０．４〜１．３％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなり、その合金組織が、マルテンサイト基地中に、遊離したＣｕ相または遊離したＣｕ−Ｆｅ合金相の少なくとも一方が分散しているとともに、ＭｎＳ相が１．０〜３．５質量％分散している。
【選択図】なし

Description

本発明は、内周面に高い面圧が作用するような軸受に用いて好適な摺動部材用鉄基焼結合金に係り、特に、焼結時の寸法変化が少なく、しかも優れた耐焼付き性を示す摺動部材用鉄基焼結合金に関する。

たとえば、車両、工作機械、産業機械等の駆動部位や摺動部位のように摺動面に高い面圧が作用するような摺動部材としては、炭素鋼を切削加工して焼入れ、焼戻ししたものや、焼結合金製のものが使用されている。特に、焼結合金は含浸した潤滑油による自己潤滑性を付与できるため、耐焼付き性と耐摩耗性が良好で広く用いられている。たとえば特許文献１には、Ｃｕ：１０〜３０％、残部：Ｆｅからなる鉄系焼結合金層を摺動面に設けたベアリングが開示されている。

特開平１１−１１７９４０号公報

しかしながら、近年、銅の価格は高騰しているため、特許文献１のように銅を１０〜３０％使用する技術では製造コストが割高で実用的ではない。また、融点の低い銅が焼結時に液相となるため、焼結後の寸法変化量が大きいという欠点もある。このため、要求精度を満たすために機械加工が必要となり、製造コストがさらに割高となる。

一方、焼結合金中に銅を含有することにより、基地中に軟質のＣｕ相またはＣｕ合金相が分散し、これによって、相手部材への攻撃性が緩和されるとともに適度に変形することによる相手部材とのなじみ性が向上する。このため、銅の含有量を少なくすると、耐摩耗性が低下するとともに相手部材への攻撃性が高まるとともに、潤滑油が不充分であると鳴き音が発生する等の問題が生じる。したがって、本発明は、銅を含有することによる優れた性能を維持しつつ、銅の使用量を低減して製造コストを低減することができる摺動部材用鉄基焼結合金を提供することを目的としている。

本発明の摺動部材用鉄基焼結合金は、全体組成が、質量比で、Ｃ：０．６〜１．２％、Ｃｕ：３．５〜９．０％、Ｍｎ：０．６〜２．２％、Ｓ：０．４〜１．３％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなり、その合金組織が、マルテンサイト基地中に、遊離したＣｕ相または遊離したＣｕ−Ｆｅ合金相の少なくとも一方が分散しているとともに、ＭｎＳ相が１．０〜３．５質量％分散していることを特徴としている。

基地中に分散したＭｎＳは固体潤滑剤として作用し、潤滑油が不充分な条件下でも部材どうしの金属接触を防止して鳴き音の発生を防止する。また、ＭｎＳが相手部材への攻撃性を緩和するとともに、相手部材との優れたなじみ性を得ることができる。以下、本発明の限定の根拠を本発明の作用とともに説明する。なお、以下の説明において「％」は質量％の意である。

基地
高面圧下で使用されて耐摩耗性を発揮できるように、基地は高い硬さと強度を有するマルテンサイトとする。

Ｃ：０．６〜１．２％
Ｃの含有量が０．６％を下回ると、硬さおよび強度が不充分となり、摩耗量が増大する。一方、Ｃの含有量が１．２％を超えると、基地が脆化して摩耗量が増大する。なお、Ｃは焼結や焼入れなどの加熱によって脱炭され、原料粉末における含有量に対して目減りしたり、あるいは、浸炭により増加したりする。本発明におけるＣの含有量は、最終的な熱処理が終了した後の含有量をいう。

Ｃｕ：３．５〜９．０％
Ｃｕの含有量が３．５％を下回ると、基地中に分散する遊離Ｃｕ相やＣｕ−Ｆｅ相の量が不充分となり、相手部材との凝着が生じ易くなる。一方、Ｃｕの含有量が９．０％を超えると、焼結の際に液相が生じて焼結後の寸法変化量が増大する。

固体潤滑剤
油による潤滑が不充分な条件下での摩擦係数の低減、相手部材への攻撃性の低減、相手部材とのなじみ性の向上ができるように、基地中に固体潤滑剤を分散させる。代表的な固体潤滑剤としては、黒鉛、ＭｏＳ_２、ＦｅＳ、ＣｕＳ、ＷＳ_２、ＭｎＳ等があるが、黒鉛は焼結時に鉄中に拡散するため、遊離させて基地中に分散させることが難しく、また黒鉛が遊離するほどに添加量を多くすると基地中にセメンタイトが析出し脆くなるとともに相手攻撃性が増大し、好ましくない。ＭｏＳ_２、ＦｅＳ、ＣｕＳ、ＷＳ_２は焼結時に分解しやすいため、焼結後の基地中の分散状態がばらつきやすく、分散量を確保するために添加量を多くすると材料コストの上昇と強度の低下を招くこととなり、好ましくない。その点で、ＭｎＳは極めて安定であり、優れた潤滑特性と強度特性を併せ持つ摺動部材用鉄系焼結合金を得るために基地中に分散させる固体潤滑剤として好ましい。

ＭｎＳ：１．０〜３．５％
ＭｎＳの含有量が１．０％を下回ると、固体潤滑剤としての作用が不充分となる。一方、ＭｎＳの含有量が３．５％を超えると、基地の強度が低下して面圧の高い条件下では摩耗量が増大する。

ＭｎＳ相の大きさ：２〜１００μｍ
ＭｎＳ相の大きさが２μｍを下回ると、固体潤滑剤としての作用が不充分となる。一方、ＭｎＳ相の大きさが１００μｍを超えると、基地の強度が低下する。
ＭｎＳ相は、材料粉末中にＭｎＳ粉末を添加することで生成することが望ましい。ＭｎＳは、ＭｏＳ_２や黒鉛に比べて安定なため焼結時に分解しにくい。したがって、少ない添加量で充分な効果が得られるとともに、基地への分散量を制御し易く摺動部材の性能を安定させることができる。また、ＭｎＳ粉末は、粒径が１５μｍ以下の粒子が９０質量％以上含まれることが望ましい。このように微粉のＭｎＳ粉末で添加することにより、基地への分散性が良好となる。なお、ＭｎＳ粒子が互いに凝集した形態で基地中に分散することがあるが、摺動部材の性能上問題はない。

本発明によれば、ＭｎＳがＣｕによる作用を補填するから、銅を含有することによる優れた性能を維持しつつ、銅の使用量を低減することができる。これにより、焼結時の寸法変化量を低減することができるので、材料費に加えて加工費用を低減することができる等の効果が得られる。

以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。
軸受の焼結合金を作製するために下記の原料粉末を用意した。
１．アトマイズ鉄粉（神戸製鋼所製アトメル３００Ｍ）
２．電解銅粉（福田金属箔粉工業製ＣＥ１５）
３．天然黒鉛粉（日本黒鉛製ＪＣＰＢ）
４．硫化マンガン粉（ヘガネス社製ＭｎＳ−Ｅ）
５．ステアリン酸亜鉛（ＡＤＥＫＡケミカルサプライ製エフコケムＺＮＳ７３０）

これらの粉末を全体組成が表１に示す割合となるように配合した。なお、ステアリン酸亜鉛は、成形時の潤滑のために添加するものであり、これを除く混合粉末を１００％としたときに、全ての混合粉末対して０．７５％添加した。

上記のように配合した粉末をＶ型混合機で３０分間混合し、混合粉末について密度６．２ｇ／ｃｍ^３、密度比８０％の軸受円筒形状に圧縮成形し、成形体を１１３０℃で２０分間焼結した。次いで、焼結体を８５０℃で浸炭焼入れし、１８０℃で焼戻しした。そして、切削加工により内径：３０ｍｍ、外径：３６ｍｍ、長さ：２５ｍｍに仕上げた後、焼結体の気孔に潤滑油（ＩＳＯＶＧ４６０相当のギヤ油）を含浸させ、試料Ｎｏ．１〜１６を得た。また、比較のためにＭｎＳ粉末に代えてＭｏＳ_２を表１に示す割合で配合し、その他は試料Ｎｏ．１〜１６と同じ条件で試料Ｎｏ．１７を得た

表１に、試料Ｎｏ．１〜１７の焼結後の寸法変化を楕円量で表した。楕円量は、試料の内径の最大測定値から最小測定値を引いた値である。表１では、本発明で規定する範囲を逸脱する値と不可と認められる特性値に下線を付してある。

表１に示すように、Ｃｕの含有量が本発明の上限（９％）を超える試料Ｎｏ．１６では、楕円量が格段に大きく、焼結の際の寸法変化が激しいことが判る。また、試料Ｎｏ．１〜１７の圧環強さを表１に示す。表１に示すように、ＭｎＳの含有量が本発明の上限値（３．５％）を超える試料Ｎｏ．８、Ｃの含有量が本発明の下限値（０．６％）を下回る試料Ｎｏ．１０では強度が低いために、Ｃの含有量が本発明の上限値（１．２％）を超える試料Ｎｏ．１４では基地が脆化したために、圧環強さが低かった。

次に、試料Ｎｏ．１〜１７に対して軸受試験を行った。軸受試験は、試料を試験機のハウジングに固定し、試料の孔にＳ４５Ｃ焼入れ鋼の軸を装着して軸心と直角方向に均等に荷重を加え、面圧２５ＭＰａの状態で１００ｒｐｍで２００時間回転させて行った。表１に運転初期の摩擦係数と２００時間運転後の摩耗量を示す。

表１に示すように、Ｃｕの含有量が本発明の下限値（３．５％）を下回る試料Ｎｏ．２，３では、摩擦係数が高く、その結果、相手材の摩耗量が大きくなった。特に、Ｃｕの含有量が本発明の下限値を下回る試料Ｎｏ．１では、相手材との焼付きが生じて軸受試験を中断した。また、ＭｎＳの含有量が本発明の下限値（１．０％）を下回る試料Ｎｏ．４では、摩擦係数が高く、その結果、相手材の摩耗量が大きくなった。一方、ＭｎＳの含有量が本発明の上限値（３．５％）を超える試料Ｎｏ．８では、基地の強度が低下し、試料の摩耗量が増大した。

Ｃの含有量が本発明の下限値（０．６％）を下回る試料Ｎｏ．１０では、硬さおよび強度が低いため、試料の摩耗量が増大した。一方、Ｃの含有量が本発明の上限値（１．２％）を超える試料Ｎｏ．１４では、基地が脆化して試料の摩耗量が増大した。また、ＭｎＳ粉末に代えてＭｏＳ_２粉末を添加した試料Ｎｏ．１７では、焼結によりＭｏＳ_２が分解してＭｏが基地に固溶し、その結果、潤滑不足のために初期摩擦係数が高く、さらに、基地が硬化したために相手材の摩耗量が増大した。

以上の比較例に対して本発明の実施例では、摩擦係数、強度および寸法変化のいずれにおいても優れた値を示し、また、軸受試験においても試料および相手材ともに摩耗量が少なかった。

本発明の摺動部材用鉄基焼結合金は、車両、工作機械、産業機械等の駆動部位や摺動部位のように摺動面に高い面圧が作用するような摺動部材に用いて好適である。具体的には、例えばプレス機械用軸受、車両等の制動装置リンク用軸受、ヒンジ用軸受、産業用ロボット等の関節用軸受、キャスター用軸受等が挙げられる。

Claims

全体組成が、質量比で、Ｃ：０．６〜１．２％、Ｃｕ：３．５〜９．０％、Ｍｎ：０．６〜２．２％、Ｓ：０．４〜１．３％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなり、その合金組織が、マルテンサイト基地中に、遊離したＣｕ相または遊離したＣｕ−Ｆｅ合金相の少なくとも一方が分散しているとともに、ＭｎＳ相が１．０〜３．５質量％分散していることを特徴とする摺動部材用鉄基焼結合金。
分散している前記ＭｎＳ相の大きさは２〜１００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材用鉄基焼結合金。
前記ＭｎＳ相は、材料粉末中にＭｎＳ粉末を添加することで生成され、前記ＭｎＳ粉末は、粒径が１５μｍ以下の粒子が９０質量％以上含まれることを特徴とする請求項１または２に記載の摺動部材用鉄基焼結合金。