JP3340908B2

JP3340908B2 - 焼結摺動部材及びその製造方法

Info

Publication number: JP3340908B2
Application number: JP07126796A
Authority: JP
Inventors: 幸樹尾崎; 康一山本; 隆之柴山
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 1996-02-29
Filing date: 1996-02-29
Publication date: 2002-11-05
Anticipated expiration: 2016-02-29
Also published as: GB2310671A; US5937268A; GB2310671B; GB9702273D0; DE19708197B4; DE19708197A1; JPH09235646A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、焼結摺動部材、
特に高温用摺動部材及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】高温の下で使用される摺動部材として、
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。

【０００３】特開昭６０ー２１５７３６号公報に開示さ
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。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
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。

【０００５】また、特開平２ー２９０９０５号公報で
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。

【０００６】この発明では、高温における耐摩耗性に優
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。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１〜請求項４の焼
結摺動部材では、クロムを含有するオーステナイト系、
マルテンサイト系およびフェライト系のうちのいずれか
のステンレス鋼からなるマトリックス（炭素０．２〜３
重量％を除く）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−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３〜２４面積％のクロム系炭化物が析出している。

【０００８】マトリックスはクロムを含有する鉄基を主
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。

【０００９】銅相は、純銅又は銅合金により形成する。
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。

【００１０】銅相は１０〜２５面積％が望ましい。１０
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。

【００１１】ｈ−ＢＮが０．５面積％未満では、未だ十
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。

【００１２】クロム系の炭化物は、マトリックスと銅相
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。

【００１３】なお、従来例に示されているように、マト
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。

【００１４】またクロム系の炭化物は１〜１０μｍ程度
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。

【００１５】請求項５又は請求項６の発明は、請求項１
〜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、０．１〜３．５重量％のｈ−ＢＮと、０．１
〜３．５重量％のグラファイトと、残部がクロムを１１
〜２７重量％含有するオーステナイト系、マルテンサイ
ト系およびフェライト系のうちのいずれかのステンレス
鋼粉末からなるマトリックス材（炭素０．２〜３重量％
を除く）と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。

【００１６】後述する請求項６の発明との相違する工程
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。

【００１７】マトリックスの原料粉末となるマトリック
ス材としては、予めクロムを合金としたステンレス鋼の
粉末を用いる。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。

【００１８】マトリックス材のクロムは、焼結工程の際
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。

【００１９】成形工程では、成形体の空隙率を１０〜３
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。

【００２０】焼結工程は、銅又は銅合金の融点以上の温
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。

【００２１】請求項６の発明は、請求項５の発明と別の
焼結摺動部材の製造方法に関する。請求項６の発明で
は、０．１〜３．５重量％のｈ−ＢＮと、０．１〜３．
５重量％のグラファイトと、残部がクロムを１１〜２７
重量％含有するオーステナイト系、マルテンサイト系お
よびフェライト系のうちのいずれかのステンレス鋼粉末
からなるマトリックス材（炭素０．２〜３重量％を除
く）と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。

【００２２】請求項５の発明との相違する工程は、成形
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。

【００２３】また、仮焼結工程は、９００〜１０００°
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。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１〜４の焼
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。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、この発明を実施例１〜１４
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。

【００２６】（混合工程）クロムを含む鉄基合金とし
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。

【００２７】ｈ−ＢＮは、平均粒子径が１０μｍの微粉
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。

【００２８】これらのクロムを含む鉄基合金、ｈーＢＮ
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。

【００２９】

【表１】

【００３０】（成形・脱ろう工程）表１に示す配合比率
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。

【００３１】（焼結・溶浸工程）溶浸材は、実施例２〜
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。

【００３２】焼結体の空隙率は、実施例１〜６、８〜１
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。

【００３３】次に焼結体の組織を顕微鏡により観察し
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。

【００３４】また、マトリックス、銅又は銅合金、及び
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。

【００３５】

【表２】

【００３６】次に各実施例と比較例について板状のテス
トピースを作製し、各種試験を行った。

【００３７】各実施例及び比較例について、５００°Ｃ
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。

【００３８】

【表３】

【００３９】表３の結果から以下のことが判明した。

【００４０】（マトリックス材の影響）炭化物がマトリ
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。

【００４１】（ｈ−ＢＮの影響）ｈ−ＢＮを含有しない
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。

【００４２】グラファイトを１．０重量％、銅合金を３
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。

【００４３】（グラファイトの影響）グラファイトを混
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。

【００４４】（溶浸材の影響）実施例３、７、比較例２
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。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例３の焼結体の組織を示す顕微鏡写真

【図２】比較例２９の焼結体の組織を示す顕微鏡写真

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭60−215736（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−89460（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 33/02 B22F 3/26

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】クロムを含有するオーステナイト系、マ
ルテンサイト系およびフェライト系のうちのいずれかの
ステンレス鋼からなるマトリックス（炭素０．２〜３重
量％を除く）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−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３〜２４面積％のクロム系
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−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又は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
した炭化物であることを特徴とする請求項１ないし３記
載のいずれかに記載の焼結摺動部材。
【請求項５】０．１〜３．５重量％のｈ−ＢＮと、
０．１〜３．５重量％のグラファイトと、残部がクロム
を１１〜２７重量％含有するオーステナイト系、マルテ
ンサイト系およびフェライト系のうちのいずれかのステ
ンレス鋼粉末からなるマトリックス材（炭素０．２〜３
重量％を除く）と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】０．１〜３．５重量％のｈ−ＢＮと、
０．１〜３．５重量％のグラファイトと、残部がクロム
を１１〜２７重量％含有するオーステナイト系、マルテ
ンサイト系およびフェライト系のうちのいずれかのステ
ンレス鋼粉末からなるマトリックス材（炭素０．２〜３
重量％を除く）と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。