(57)【要約】【課題】摺動特性に優れ、かつ強度の高い鉄系焼結合金と、その製造方法を提供することである。【解決手段】鉄系焼結合金の遊離黒鉛量を０．３％以上として、良好な摺動特性を確保する一方、遊離黒鉛量を１％までとし、基地中のフェライトの生成を抑えることにより、３５０ＭＰａ以上の引張強度が得られるようにしたのである。この鉄系焼結合金を製造する際には、焼結雰囲気を不活性にし、焼結温度を１０００〜１１５０℃とすることにより、セメンタイトの析出量を少なくしてフェライトの生成を確実に抑えることができる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素を含有し、残部が鉄または鉄基合金から成る鉄系焼結合金において、パーライト、ベイナイト、マルテンサイトまたはそれらの混在組織の基地に重量比で０．３〜１％の遊離黒鉛を分散させるとともに、引張強度を３５０ＭＰａ以上としたことを特徴とする鉄系焼結合金。
【請求項２】
重量比で、Ｃｕを１．５〜６％、Ｓｎを０．１５〜１％それぞれ添加し、ＭｏとＰの少なくとも一方を、Ｍｏは０．３〜２％の範囲で、Ｐは０．１〜０．５％の範囲で添加したことを特徴とする請求項１に記載の鉄系焼結合金。
【請求項３】
重量比で０．３〜１％のＣａＦ2 を添加したことを特徴とする請求項２に記載の鉄系焼結合金。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の鉄系焼結合金を製造する方法において、重量比でＣを１．３〜３％含み、主成分がＦｅの粉末を混合して原料粉末を準備する工程、または重量比でＣを１．３〜３％、Ｃｕを１．５〜６％、Ｓｎを０．１５〜１％、ＭｏとＰの少なくとも一方を、Ｍｏは０．３〜２％の範囲で、Ｐは０．１〜０．５％の範囲で含み、主成分がＦｅの粉末を混合して原料粉末を準備する工程、または重量比でＣを１．３〜３％、Ｃｕを１．５〜６％、Ｓｎを０．１５〜１％、ＭｏとＰの少なくとも一方を、Ｍｏは０．３〜２％の範囲で、Ｐは０．１〜０．５％の範囲で含み、さらにＣａＦ2 を０．３〜１％含み、主成分がＦｅの粉末を混合して原料粉末を準備する工程のいずれかの原料粉末を準備する工程と、前記原料粉末を不活性ガスまたは真空の雰囲気中で１０００〜１１５０℃の焼結温度で焼結する工程を有することを特徴とする鉄系焼結合金の製造方法。
【請求項５】
請求項２または３に記載の鉄系焼結合金を製造する方法において、重量比で５〜１５％のＳｎを含むＣｕ−Ｓｎ合金粉を焼結時の原料粉末の一つとしたことを特徴とする請求項４に記載の鉄系焼結合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、摺動特性に優れた鉄系焼結合金およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、コンプレッサの軸受部品等、摺動条件が厳しく、潤滑油を使用しにくい用途の摺動部品は、自己潤滑性を有する材料で製作されている。自己潤滑性を有し、多くの摺動部品の素材として使用されている材料の一つに、固体潤滑作用のある遊離黒鉛を基地中に分散させることにより摺動特性を向上させた鉄系焼結合金がある（例えば、特許文献１、２参照。）。
【０００３】
上記の鉄系焼結合金は、通常、摺動特性とともに耐摩耗性を向上させるために、焼結雰囲気として還元性を有するアンモニア分解ガスやブタン変成ガス等の活性ガスを用いて、１０００〜１１５０℃程度の温度で焼結することにより、雰囲気ガスの反応を介して浸炭を行い、硬質のセメンタイトやＦｅ−Ｃ−Ｐ系化合物を析出させている。
【０００４】
しかしながら、セメンタイト等の炭化物が析出すると、その周囲の基地が軟らかいフェライトとなるため、材質を強化する合金元素の添加しても、強度を必要とする摺動部品の素材としては使用できないことがある。また、炭化物の析出量が多くなると、遊離黒鉛量が減少して摺動特性が低下するおそれがある。さらに、硬質の析出物は、焼結合金全体の被削性を低下させて加工コストを高くするし、相手側の摺動部材の硬度が低い場合には、相手部材を攻撃して早期摩耗を発生させる場合もある。
【特許文献１】特公昭５５−３４８５８号公報
【特許文献２】特開平６−１５８２１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この発明の課題は、摺動特性に優れ、かつ強度の高い鉄系焼結合金と、その製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するため、この発明の鉄系焼結合金は、炭素を含有し、残部が鉄または鉄基合金から成る鉄系焼結合金において、パーライト、ベイナイト、マルテンサイトまたはそれらの混在組織の基地に重量比で０．３〜１％の遊離黒鉛を分散させるとともに、引張強度を３５０ＭＰａ以上としたのである（請求項１）。
【０００７】
すなわち、０．３％以上の遊離黒鉛を分散させることにより、良好な摺動特性を確保する一方、遊離黒鉛量を１％までとし、フェライトの生成を抑えたパーライト、ベイナイト、マルテンサイトまたはそれらの混在組織の基地として、強度低下の防止を図り、３５０ＭＰａ以上の引張強度が得られるようにしたのである。
【０００８】
上記の構成において、重量比で、Ｃｕを１．５〜６％、Ｓｎを０．１５〜１％それぞれ添加し、ＭｏとＰの少なくとも一方を、Ｍｏは０．３〜２％の範囲で、Ｐは０．１〜０．５％の範囲で添加することにより、引張強度の向上を図ることができる（請求項２）。
【０００９】
ここで、各元素の添加量を上記の範囲とした理由は、次の通りである。まず、Ｃｕは、鉄に固溶して強度を向上させるが、１．５％以上とすることで強度向上の効果が得られ、６％以下とすることで強度向上の効果が得られるとともにコストアップを抑えられる。
【００１０】
Ｓｎは、焼結時の昇温過程において、８００〜１０００℃の範囲でＣｕと反応して液相を発生させ、焼結を促進して強度を向上させる効果がある。Ｓｎの添加量が０．１５％以上で強度向上効果が得られ、１％以下として材質が脆くなるのを抑える。
【００１１】
ＭｏおよびＰは、いずれも鉄に固溶して強度を向上させる効果があるが、Ｍｏが０．３％以上、Ｐが０．１％以上で十分な効果が得られる。Ｍｏを２％以下として被削性を良好に保ち、Ｐを０．５％以下として脆くなるのを抑える。
【００１２】
また、請求項２の構成において、重量比で０．３〜１％のＣａＦ2 を添加すれば、若干強度は低下するが、摺動特性および被削性の向上を図ることができる（請求項３）。このとき、ＣａＦ2 の添加量が０．３％以上で効果が得られ、１％以下として強度低下を抑えることができる。
【００１３】
一方、この発明の鉄系焼結合金の製造方法は、請求項１乃至３のいずれかに記載の鉄系焼結合金を製造する方法において、重量比でＣを１．３〜３％含み、主成分がＦｅの粉末を混合して原料粉末を準備する工程、または重量比でＣを１．３〜３％、Ｃｕを１．５〜６％、Ｓｎを０．１５〜１％、ＭｏとＰの少なくとも一方を、Ｍｏは０．３〜２％の範囲で、Ｐは０．１〜０．５％の範囲で含み、主成分がＦｅの粉末を混合して原料粉末を準備する工程、または重量比でＣを１．３〜３％、Ｃｕを１．５〜６％、Ｓｎを０．１５〜１％、ＭｏとＰの少なくとも一方を、Ｍｏは０．３〜２％の範囲で、Ｐは０．１〜０．５％の範囲で含み、さらにＣａＦ2 を０．３〜１％含み、主成分がＦｅの粉末を混合して原料粉末を準備する工程のいずれかの原料粉末を準備する工程と、前記原料粉末を不活性ガスまたは真空の雰囲気中で１０００〜１１５０℃の焼結温度で焼結する工程を有することを特徴とする（請求項４）。
【００１４】
すなわち、焼結雰囲気を不活性にすることにより、焼結温度を１０００℃以上にしてもガス反応を介した浸炭が行われないようにしてセメンタイトの析出を抑え、引張強度の向上を図ったのである。焼結温度を１０００℃以上とすることで、基地がフェライト主体の組織とならず強度の低下を抑制できる。１１５０℃以下とすることで、遊離黒鉛と鉄との接触界面での液相の発生による浸炭を抑制し、セメンタイトの析出を抑制できる。
【００１５】
また、請求項２または３に記載の鉄系焼結合金を製造する場合は、重量比で５〜１５％のＳｎを含むＣｕ−Ｓｎ合金粉を焼結時の原料粉末の一つとすることが望ましい（請求項５）。原料のＣｕ−Ｓｎ合金粉中のＳｎの割合が５％以上で液相を発生させて強度を向上させる効果が得られ、１５％以下として原料粉末が脆くなるのを抑制できるからである。
【発明の効果】
【００１６】
この発明の鉄系焼結合金は、上述したように、遊離黒鉛量を適正な範囲に設定するとともに、基地中のフェライトの生成を抑えることにより、優れた摺動特性と３５０ＭＰａ以上の引張強度が得られるようにしたものであるから、摺動特性と強度の両方を必要とする部品の素材として有効に使用することができる。さらに、重量比で０．３〜１％のＣａＦ2 を添加することにより、摺動特性および被削性の向上を図ることもできる。
【００１７】
また、この発明の鉄系焼結合金の製造方法によれば、セメンタイトの析出を抑えられるので、上記の摺動特性に優れ、かつ強度の高い焼結合金を確実に製造することができる。特に、Ｃｕ−Ｓｎ合金粉を原料粉末の一つとする場合は、Ｓｎの割合を５〜１５％とすることにより、原料粉末が脆くならない範囲で、低温域での焼結を促進して強度を向上させることができる。さらに、この製造方法で製造した鉄系焼結合金は、硬質のセメンタイトが少ないため、被削性も良好で、相手側摺動部材を攻撃することもない。従って、この焼結合金を素材とする摺動部品は、従来よりも加工コストが安いし、相手部材も含めて長期間安定して使用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、この発明の実施形態について説明する。この実施形態の鉄系焼結合金（実施例１〜１１）、および本発明の範囲から外れる鉄系焼結合金（比較例１〜６）で引張試験片を作製し、各試験片について遊離黒鉛量および引張強度を測定した。また、同じ焼結合金で作製したリング状試験片を軸受試験機にセットして、乾式で摩擦係数を測定した。これらの測定結果を、各実施例および比較例の組成、焼結条件と併せて表１に示す。
【００１９】
【表１】
2005248297.tif 000002
【００２０】
引張試験片およびリング状試験片の作製手順は、まず、通常の焼結合金部品の製造方法により原料粉末の混合および成形を行った。原料粉末としては、純鉄粉、Ｆｅ−Ｍｏ合金粉、Ｆｅ−Ｐ合金粉、Ｃｕ−Ｓｎ合金粉（青銅粉）、ＣａＦ2 粉および黒鉛粉を使用した。このうちのＣｕ−Ｓｎ合金粉は、Ｓｎの割合を約１０％とした。これらの原料粉末に０．８ｗｔ％の潤滑剤を加えて表１に示す組成となるように混合した後、密度が６．６〜６．９ｇ／ｃｍ3 の試験片形状の圧粉体に成形した。
【００２１】
そして、各圧粉体を、表１に示す焼結条件（雰囲気および温度）で焼結した。ここで、各実施例では、いずれも焼結雰囲気として不活性ガスである窒素ガスを使用したことにより、１０１０〜１１００℃で焼結してもパーライトを主体とする基地にセメンタイトの析出がほとんどない組織（Ｆｅ−Ｃ−Ｐ系化合物を含むセメンタイト析出量が組織の断面積比で５％以下）が得られた。これにより、各実施例の焼結合金が、被削性に優れ、相手部材を攻撃しにくいものであることが確認された。なお、焼結雰囲気には、Ａｒガス等、窒素ガス以外の不活性ガスを使用してもよいし、真空としてもよい。また、焼結後の冷却速度を変えて、基地の主体をベイナイトやマルテンサイトとすることもできる。
【００２２】
表１に示した測定結果から、各実施例の焼結合金は、いずれも遊離黒鉛量が０．３〜１％で、摩擦係数が比較例よりも低く、かつ３５０ＭＰａ以上の引張強度が得られており、高い強度を必要とする摺動部品の素材として使用できることがわかる。
【００２３】
これに対して、各比較例では、引張強度と摺動特性のいずれかが実施例よりも低いレベルにとどまっている。また、比較例のうちの摩擦係数が高いものは遊離黒鉛量が少なく、摩擦係数が実施例と同等で引張強度が低いものでは基地中に少なからずフェライトの生成が認められたことから、遊離黒鉛量の規定とフェライトの生成の抑制が強度と摺動特性の両立に有効であることが確認された。