(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に、炭化物が分散し、質量比で１２％以上２５％以下のクロムと、質量比で０．５％以上１．５％以下の炭素と、質量比で３．０％以下のモリブデンと、鉄および不可避的不純物で構成される残部とを含む母材の表面における空孔の面積率が５％以下となるように、水溶液を使用したバレルまたは研磨加工により前記表面に目潰し処理する工程と、
前記表面から２０〜１２０μｍの深さまで窒化層が形成されるように表面窒化処理する工程とを含み、
前記目潰し処理後に、残水量が０．１質量％以下となるように乾燥させる、鉄系焼結合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面に均一な窒化層を有し、強度、靭性および耐摩耗性に優れた鉄系焼結合金の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、鉄系焼結合金で形成される部材の一例として、ロータリコンプレッサに組込まれるブレードと呼ばれる部材は知られている。ブレードは、ロータリコンプレッサのシリンダに設けられたブレード溝内に摺動自在に設置され、シリンダ内に収容されるローラの外周面に当接される。このブレードの側面はブレード溝に摺接し、またブレードの先端はローラの外周面に摺接するので、ブレードは耐摩耗性に優れていなければならない。
【０００３】
上記ブレードの耐摩耗性を向上するための手法が、たとえば特公平１−５８３５６号に開示されている。
【０００４】
上記公報には、クロム（Ｃｒ）を含有した鋼、焼結合金または鋳鉄のいずれかをブレードの母材とし、この母材を軟窒化処理し、その表層部にＦｅ−Ｃｒ−Ｎの化合物を主成分とする第１の層を生成させ、この第１の層の下側に上記化合物と同じ成分の化合物を点在させた第２の層を生成し、少なくともシリンダに形成されたブレード溝に摺接する側面の第１の層を除去し、第２の層を露出させることによって第２の層に点在する化合物を介してブレードと相手材とを摺接させ、上記化合物によってブレードの耐摩耗性を向上させるようにした発明が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、焼結合金は表面から内部に連続した空孔を有しており、焼結合金に単純に上記の窒化処理を施すと、空孔を通して内部にまで脆い窒化物が形成されてしまう。そのため、母材である焼結合金の強度等が低下してしまう。
【０００６】
また、窒化処理を施して優れた耐摩耗性を得るには母材自体の硬度が高い方が望ましいが、上記公報には焼結合金として備えるべき特性が記載されていない。そのため、上記の公報に記載の発明では、ブレード（焼結合金）の耐摩耗性を効果的に向上することができるとは言えない。
【０００７】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものである。本発明の目的は、クロム（Ｃｒ）を含有し表面を窒化した鉄系焼結合金の強度、靭性および耐摩耗性を向上することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願発明者等は、クロムを含有する鉄系焼結合金の表面に安定した窒化処理を施すための手法について鋭意検討を行ない、鉄系焼結合金の表面における空孔の面積率および鉄系焼結合金内部の水分量が上記窒化処理に影響を及ぼすことを知得した。
【００１０】
そこで、種々の実験を行ない、母材表面の空孔の面積率を５％以下とし、母材内部に存在する水分量を０．１％以下とすることで、鉄系焼結合金の表面に安定した窒化処理を施すことができることを知得した。
【００１１】
ここで、空孔の面積率を５％以下としたのは、空孔の面積率が５％を越えると窒化が母材内部にまで浸透して母材が脆くなり、鉄系焼結合金の強度が低下するからである。また、母材内部に存在する水分を０．１％以下と規定したのは、水分が０．１％を越えると窒化が阻害され、窒化層が形成され難くなるからである。なお、空孔の面積率および上記水分量は、０％であってもよい。
【００１２】
上記母材は、好ましくは、質量比で１２％以上２５％以下のクロムと、質量比で０．５％以上１．５％以下の炭素（Ｃ）と、鉄および不可避的不純物で構成される残部とを含み、母材内部に炭化物が分散する。
【００１３】
このように、母材がクロムを質量比で１２％以上２５％以下含有することにより、窒化処理が安定化する。また、クロムの含有量が１２％未満の場合、炭化物分散量が少なくなるので耐摩耗性が低下し、クロムの含有量が２５％を越えると耐摩耗性向上効果が少なくなり、残留オーステナイトの生成が増加するので、耐摩耗性が低下するおそれがある。そこで、母材におけるクロムの含有量を上記の範囲とした。
【００１４】
炭素（Ｃ）は、母材内部に炭化物を生成するために不可欠の要素である。しかし、炭素の含有量が０．５％未満の場合、炭化物量が少なくなり耐摩耗性が低下し、炭素の含有量が１．５％を越えると、耐摩耗性向上の効果が少なくなり、粉末成形の密度アップが困難となる。そこで、母材における炭素の含有量を上記の範囲とした。
【００１５】
また、上記母材は、好ましくは、質量比で３．０％以下のモリブデン（Ｍｏ）を含む。
【００１６】
このようにモリブデンを含有することにより、耐食性が向上する。モリブデンの含有量が０．５％未満の場合、モリブデンを添加することによる効果が少なくなるが効果はある。しかしモリブデンの含有量が３．０％を越えた場合、耐食性向上の度合いが少なくなるとともにコストも上昇する。そこで、母材におけるモリブデンの含有量を上記の範囲とした。
【００１７】
本発明に係る鉄系焼結合金の製造方法は、表面における空孔の面積率が５％以下となるようにブレードの表面に目潰し処理する工程と、表面から２０〜１２０μｍの深さまで窒化層が形成されるように表面窒化処理する工程とを含む。
【００１８】
上記目潰し処理は、水溶液を使用したバレルまたは研磨加工であり、本発明に係る鉄系焼結合金の製造方法は、目潰し処理後に残水量が０．１質量％以下となるように乾燥させる工程をさらに含む。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図１、表１〜表３を用いて、本発明の実施の形態について説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
Ｆｅ−１７質量(mass)％Ｃｒ−１質量％Ｃ合金粉末に１質量％の潤滑剤を添加した混合粉末を成形圧８８２ＭＰａで２５×３０×５ｍｍの板材に成形した。得られた圧粉体を真空雰囲気中１２５０℃、１時間の条件で焼結した。焼結体の密度は６．６３Ｍｇ／ｍ3であった。
【００２１】
この焼結体について下記の表１に示す条件にて表面の目潰し処理（焼結体表面における空孔の面積を減じる表面処理）を行なった。
【００２２】
【表１】
0004820490.tif 000002
【００２３】
上記の目潰し処理の後、焼結体表面の空孔率を観察し、ガス窒化処理を行なった。このとき、比較例として目潰し処理を行なわない焼結体を準備し、これにも同様のガス窒化処理を行なった。該窒化処理は、図１に示す条件で行なった。
【００２４】
表１の条件の中で水溶液を使うバレルおよび研磨加工したサンプルについては、処理後に１２０℃、１時間の条件で乾燥を行ない、サンプル中に浸透した水分を除去した。表１のサンプルにおける残水量は、いずれも０．１質量％以下である。
【００２５】
表１に、上記の目潰し処理後のサンプル表面における空孔の面積比（面積率）と、窒化処理後の抗折力と、窒化処理後のサンプル中央部を切断し窒化状況を観察した結果とを示す。
【００２６】
なお、サンプル表面における空孔率は、サンプル表面を１００倍で写真撮影し、空孔部を黒く塗りつぶし、画像解析により空孔の面積比率を測定した。また、残水量は、次のようにして測定する。すなわち、各サンプルについて乾燥前重量を電子天秤にて１／１００００ｇまで測定し、重量測定済みサンプルについて恒温槽にて所定の温度・時間で乾燥し、サンプルを常温まで自然冷却した後に乾燥後の重量を電子天秤にて再度１／１００００ｇまで測定し、下記算出式（１）にて製品における残水率を算出する。
残水率（％）＝（（乾燥前重量―乾燥後重量）／乾燥後重量）×１００…（１）
また抗折力は、次のようにして測定する。すなわち、試験片として２８×２４×４ｍｍのブレード形状のサンプル（試験片）を用い、国際規格ＩＳＯ３３２５に規定されている抗折力測定装置を基礎とした標点間距離を１０ｍｍにした専用装置を作製し、この試験治具を用い荷重を付加した後に試験片の破壊した荷重を測定し、下記の計算式（２）にて抗折力Ｒ（ＭＰａ）を算出した。
【００２７】
Ｒ＝（３Ｆｌ）／（２ｂｈ2）…（２）
計算式（２）において、Ｆは試験片が破断したときの荷重（Ｎ）、ｌは支点間距離（ｍｍ）、ｂは試験片の厚みに対して直角方向の幅（ｍｍ）、ｈは試験片の荷重方向に対して平行な高さ（厚み）（ｍｍ）である。
【００２８】
表１に示すように、サンプルに表面処理を施さなかったものは、窒化層が内部にまで浸透したため、抗折力が極めて低くなっているのが分かる。表面処理を施したサンプルであっても、表面における空孔率が５％を越えるものは、窒化層が安定していないため、全体的に窒化層の厚みが大きくなっていると同時に部分的に深くまで窒化された部分が多く存在していた。そのため、抗折力が低くなっている。
【００２９】
それに対し、表面における空孔率が５％以下のサンプルは、窒化層の厚みが小さく、サンプル表層のみ窒化されていた。つまり、サンプル内部はほとんど窒化されず、そのため抗折力が高くなっている。したがって、サンプル表面における空孔率は、０％以上５％以下であることが必要である。
【００３０】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態２では、実施の形態１で作製したサンプルの中で研磨加工品について乾燥条件を変え、残水量の異なるサンプルを作製し、実施の形態１と同様の条件で窒化処理を行なった。ここで、ショット品は目潰し処理の際に水を使用しないため、水分率が０．００１％より小さい値となっている。
【００３１】
そして、各サンプル表面における窒化層の形成状況を評価した。その結果を表２に示す。
【００３２】
【表２】
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【００３３】
表２に示すように、残水量と窒化層の形成状況との間に相関があることがわかる。具体的には、残水量が０．１質量％を越えると、窒化層が形成されなくなるかあるいは不均一に形成されることがわかる。したがって、残水量は０質量％以上０．１質量％以下であることが必要である。
【００３４】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態では、Ｆｅ−Ｃｒ合金粉、Ｆｅ−Ｃｒ―Ｍｏ合金粉、Ｆｅ−Ｃｒ―Ｃ合金粉、Ｆｅ−Ｃｒ―Ｍｏ―Ｃ合金粉および黒鉛粉を準備し、これらの１種あるいは２種以上を所定の割合で混合し、下記の表３に示す組成になるように混合粉末を作製した。そして、いずれにも潤滑剤を１質量％添加した。
【００３５】
【表３】
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【００３６】
上記各粉末を８００〜１０００ＭＰａでコンプレッサのベーン（ブレード）形状に成形し、焼結体の密度が６．６〜６．７Ｍｇ／ｍ3となるように真空中１１８０℃〜１２５０℃で１時間の焼結を行なった。その結果、得られた焼結体の密度は、６．６〜６．７Ｍｇ／ｍ3であった。その後、５分のショットブラストを行なって焼結体表面の目潰しを行なった。
【００３７】
このサンプルを真空中１０５０℃で１時間加熱して焼入れし、その後２００℃で１．５時間の焼戻しを行なった。次に、サンプルに研磨加工を行ない、１５０℃で３時間の乾燥を行ない、その後図１の条件で窒化処理を行なった。
【００３８】
上記窒化処理によりサンプル表面に形成された窒化層の厚みは、５０〜１００μｍ程度であった。また、比較のために窒化しないサンプルも作製した。
【００３９】
上記の各サンプルに表３に示す条件で耐摩耗試験を行なった。その結果を表３に示す。表３に示すように、本発明の組成を有するものは、良好な耐摩耗性を示しているのがわかる。
【００４０】
具体的には、サンプルにおけるクロムの含有量が１２質量％未満の場合は硬質粒子となるクロム炭化物の生成量が少なくなり、耐摩耗性が低下する。該含有量が２５質量％を越えると、フェライト相が安定化され易く、焼入れによる硬さ向上が期待されなくなり、耐摩耗性が低下する。したがって、クロムの含有量は、好ましくは１３質量％以上２５質量％以下であり、より好ましくは１６質量％以上２０質量％以下である。
【００４１】
また、サンプルにおける炭素（Ｃ）の含有量が０．５質量％未満の場合，炭化物生成量が少なくなり耐摩耗性が低下し、該含有量が１．５％を越えると、残留オーステナイトの生成量が増加し耐摩耗性が低下する。したがって、炭素の含有量は、好ましくは０．６質量％以上１．５質量％以下であり、より好ましくは０．８質量％以上１．０質量％以下である。
【００４２】
なお、サンプルにモリブデン（Ｍｏ）を添加した場合にも、耐摩耗性は高く維持されており、耐食性を向上させる効果がある。しかし、モリブデンの含有量が０．５質量％未満の場合、モリブデンを添加することによる効果が少なく、モリブデンの含有量が３．０質量％を越えると粉末の硬化が大きく圧縮性が低下するだけでなくコストも上昇する。したがって、サンプルにおけるモリブデンの含有量は、０．５質量％以上３．０質量％以下とした。しかし、モリブデンを添加することによる効果は少なくなるが、モリブデンの含有量を、０．５質量％未満としてもよい。
【００４３】
下記の表４に、原料組成と腐食速度の関係を示す。表４に示すように、モリブデンを所定量添加することにより、耐食性が向上しているのがわかる。
【００４４】
【表４】
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【００４５】
以上のように、この発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示した実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、母材表面における空孔の面積比と母材内部に存在する水分量を適切に規定したので、クロムを含有する鉄系焼結合金の内部が窒化されるのを抑制しながら鉄系焼結合金の表面に均一な窒化層を形成することができる。それにより、鉄系焼結合金の強度、靭性および耐摩耗性を向上することができる。
【００４７】
また、クロムを含有する鉄系焼結合金の基地中に炭化物を分散させることにより母材の強度を上げることができ、この母材表面に本発明の窒化処理を施すことで耐摩耗性をより効果的に向上することができる。なお、母材中に炭化物を均一に分散させることにより、さらに効果的に耐摩耗性を向上することができる。
【００４８】
また、鉄系焼結合金の母材にモリブデンを添加することにより、高温での硬度向上を期待でき、このことも耐摩耗性の向上に寄与し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の窒化処理条件を示す図である。
【図１】
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