(57)【要約】【課題】安定した黒鉛析出量を確保することができ、しかも混合粉末全体の圧縮性を低下させないで、鉄基地中に遊離黒鉛が十分に分散することにより、優れた摺動特性と被削性とを有する黒鉛分散焼結部材の製造方法を提供する。【解決手段】鉄基原料粉末に、３．３〜５質量％の炭化珪素粉末を添加して混合し、混合粉末を所定形状に成形した後、非酸化性雰囲気中１１００〜１２５０℃で焼結して、炭化珪素粉末を分解させるとともに、鉄基地中に遊離黒鉛を分散させる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄基原料粉末に、３．３〜５質量％の炭化珪素粉末を添加して混合し、混合粉末を所定形状に成形した後、非酸化性雰囲気中１１００〜１２５０℃で焼結して、炭化珪素粉末を分解させるとともに、鉄基地中に遊離黒鉛を分散させることを特徴とする黒鉛分散焼結部材の製造方法。
【請求項２】
鉄基原料粉末に、０．７〜５質量％の炭化珪素粉末と、０．８〜５質量％の黒鉛粉末とを添加して混合し、混合粉末を所定形状に成形した後、非酸化性雰囲気中１１００〜１２５０℃で焼結して、炭化珪素粉末を分解させるとともに、鉄基地中に遊離黒鉛を分散させることを特徴とする黒鉛分散焼結部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、黒鉛分散焼結部材の製造方法に係り、特に、摺動特性および被削性に優れ、その結果各種摺動部材等に好適な黒鉛分散焼結部材の製造技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋳鉄は、安価なことから構造材料として多用されているが、基地中に黒鉛が分散して摺動特性が良好なことから摺動材料としても多用されている。このように、特に摺動材料としても好適に使用されている鋳鉄は、２〜６質量％超の炭素を含有するとともに、１〜５質量％程度、多いものでは１５質量％までの珪素を含有する。このような組成に起因して、鋳鉄には、珪素の黒鉛排出作用（黒鉛安定化作用）がある。この作用により、鉄基地に固溶する炭素量が低減され、過剰なセメンタイトの析出が抑制される。その結果、鋳鉄の組織は、パーライト、フェライトまたはこれらの混合相となり、余剰の炭素を遊離黒鉛として析出させることができる。このような鋳鉄においては、基地中に分散する遊離黒鉛が固体潤滑剤として機能することで、良好な摺動特性が実現される。以上のような特性を有する鋳鉄を使用して機械部品等を製造する場合には、通常、鋳造法が用いられるが、量産性に富む粉末冶金法においても種々の検討がなされている。
【０００３】
すなわち、例えば、鉄粉末に３〜８質量％の黒鉛粉末と１〜５質量％の珪素粉末とを添加混合して混合粉末を形成し、または鉄粉末に３〜８質量％の黒鉛粉末と珪素成分として１〜５質量％の珪素鉄合金粉末とを添加混合して混合粉末を形成し、次いでこれらの混合粉末を所要の形状に成形して圧粉体を形成した後、これらの圧粉体を中性または還元性雰囲気に調整した加熱炉内で１１００〜１１５０℃の温度で３０〜６０分焼結する製造方法、並びにこのような製造方法により得られた焼結摺動部材が提案されている（特許文献１参照）。この技術は、珪素を珪素粉末あるいはフェロシリコン粉末の形態で付与し、珪素を鉄基地中に拡散させることにより、上記の鋳鉄組織を粉末冶金法で得ようとするものである。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−４３９９４号公報（特許請求の範囲）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載されている技術のように、珪素の供給源として珪素粉末を用いた場合には、珪素粉末が酸化され易いことから、珪素粉末の保管状況によっては珪素粉末の酸化量が著しく変動するおそれがある。この酸化量分の酸素は焼結時に黒鉛粉末の炭素と化合してＣＯガスとして離脱する。このため、部材中に残留する炭素量がその分減少することとなり、珪素粉末の酸化量が変動すると析出する遊離黒鉛の分散量が変動したり、遊離黒鉛が十分に析出しない等の、遊離黒鉛析出量に関する安定性を損なうという問題が生じる。したがって、例えば、遊離黒鉛が十分に析出しない場合には、遊離黒鉛が固体潤滑剤として十分に機能し得ないため、焼結部材において優れた摺動性が得られない。
【０００６】
また、珪素供給源としてフェロシリコン粉末を用いた場合には、上述した珪素の酸化による遊離黒鉛析出量の変動の問題は回避できる。しかしながら、珪素は少量で鉄基地の塑性を低下させ、硬さを増加させる元素であるため、原料の混合粉末の圧縮性を低下させるおそれがある。例えば、全体として珪素が３質量％となるように珪素量が２０質量％のフェロシリコン粉末を用いる場合には、１５質量％もの硬質のフェロシリコン粉末を与える必要があり、このため、混合粉末全体としての圧縮性が著しく低下する。この圧縮性の低下は、成形体密度、ひいては焼結体密度の低下をもたらし、その結果、焼結部材表面の硬度を低下させ、焼結部材において優れた摺動性が得られない。
【０００７】
さらに、上記特許文献１にしたがって、珪素供給源として珪素粉末を用いる場合には、遊離黒鉛析出量に関する安定性が低いことにより、遊離黒鉛が固体潤滑剤として十分に機能せず、このため、優れた被削性も得れない。また、珪素供給源としてフェロシリコン粉末を用いる場合にも、混合粉末全体の圧縮性の低下に伴う焼結部材表面の硬度の低下により、優れた被削性を実現することができない。
【０００８】
よって、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、全体組成中の炭素量が１質量％以上で、過剰なセメンタイトが析出せず、パーライトとフェライトとの少なくとも一方の基地中に、遊離黒鉛が分散する鋳鉄組織を呈する黒鉛分散焼結部材の製造を前提としており、供給源としての珪素の保管が容易で、安定した黒鉛析出量を確保することができ、しかも混合粉末全体の圧縮性を低下させずに、鉄基地中に遊離黒鉛を十分に分散させることにより、優れた摺動特性と被削性とを実現する黒鉛分散焼結部材の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上述したような、所望の黒鉛分散焼結部材の製造方法について鋭意研究を重ねた。その結果、従来のように珪素供給源として珪素粉末やフェロシリコン粉末を用いる代わりに炭化珪素粉末を用いるとともに、雰囲気および焼結温度の適正化を併せて図ることで、炭化珪素が分解して珪素が鉄基地中に拡散し、これにより、珪素による黒鉛排出作用が効果的に奏されるとともに、炭化珪素から分解した炭素も遊離黒鉛として析出し、その結果、鉄基地中に遊離黒鉛が安定的に分散する黒鉛分散焼結部材が得られるとの知見を得た。本発明は、上記知見に鑑みてなされたものである。
【００１０】
すなわち、本発明の一の黒鉛分散焼結部材の製造方法（第１発明）は、鉄基原料粉末に、３．３〜５質量％の炭化珪素粉末を添加して混合し、混合粉末を所定形状に成形した後、非酸化性雰囲気中１１００〜１２５０℃で焼結して、炭化珪素粉末を分解させるとともに、鉄基地中に遊離黒鉛を分散させることを特徴としている。また、本発明の他の黒鉛分散焼結部材の製造方法（第２発明）は、鉄基原料粉末に、０．７〜５質量％の炭化珪素粉末と、０．８〜５質量％の黒鉛粉末とを添加して混合し、混合粉末を所定形状に成形した後、非酸化性雰囲気中１１００〜１２５０℃で焼結して、炭化珪素粉末を分解させるとともに、鉄基地中に遊離黒鉛を分散させることを特徴としている。
【００１１】
ここで、鉄基原料粉末とは、粉末冶金法で一般に用いられる、鉄を主成分とする原料粉末を意味し、
(１)実質的に純粋な鉄粉末、
(２)鉄を主成分とし、他の元素と予め合金化した鉄合金粉末、
(３)鉄を主成分とし、他の元素あるいは合金が拡散結合されている部分拡散鉄合金粉末、または
(４)上記(１)〜(３)の少なくとも１種の粉末に、他の元素からなる粉末もしくは合金粉末を混合した混合粉末
等を示す。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の黒鉛分散焼結部材の製造方法は、珪素供給源として炭化珪素粉末を用いるもので、安定した黒鉛析出量が確保でき、しかも原料粉末の圧縮性の低下も僅かで、摺動特性や被削性に優れた黒鉛分散焼結部材を簡便に製造することが可能となる。また、本発明の製法により得られた焼結部材は、鉄基表面に好適に遊離黒鉛が分散していることから、優れた摺動特性と被削性とを有するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
本発明は、珪素供給源として炭化珪素粉末を用いることを最大の特徴としている。炭化珪素粉末は、単体では極めて安定で、高温でも容易には分解しないと考えられていたが、本発明者等は、鉄基原料粉末に炭化珪素粉末を与えた場合、焼結時に炭化珪素粉末が分解して焼結後に残留しないという現象に遭遇した。また、この焼結体を分析したところ、炭化珪素は、珪素と炭素とに分解して炭化珪素の珪素分が鉄基地に拡散して珪素による黒鉛排出作用が効果的に奏されるとともに、残余の炭素分が遊離黒鉛として析出して、炭化珪素として残留しないことを見出した。したがって、本発明の製造方法において得られる黒鉛分散焼結部材においては、炭化珪素は全て分解し、炭化珪素としては残留していない。
【００１４】
図１（ａ）は、本発明の一の製造方法により得た黒鉛分散焼結部材（純鉄粉末に３．３質量％の炭化珪素粉末のみを添加して焼結したもの）の、金属組織の顕微鏡観察写真である。同図によれば、炭素分として炭化珪素粉末しか添加していないにもかかわらず、鉄基地がパーライトとなっており、炭化珪素粉末が炭素と珪素に分解し、鉄基地中に炭素が拡散していることが判る。また、炭化珪素粉末３．３質量％は炭素分として約１質量％に相当するが、同図ではセメンタイトは観察されず、気孔中に遊離黒鉛の残留も確認されることから分解した珪素も鉄基地に拡散し黒鉛排出に作用していることが判る。さらに金属組織中に炭化珪素と思しき相は確認されない。
【００１５】
また、図１（ｂ）は、本発明の他の製造方法により得た黒鉛分散焼結部材（純鉄粉末に４．０質量％の炭化珪素粉末のみを添加して焼結したもの）の、金属組織の顕微鏡観察写真で、図１（ａ）のものより炭化珪素粉末の添加量を増加させたものである。同図によれば、図１（ａ）の場合と同様に炭化珪素が分解した珪素と炭素（一部）が鉄基地中に拡散している様子が明らかで、鉄基地中に拡散した珪素量が図１（ａ）のものより多いことから、この時の炭素分は１．２質量％に相当するにもかかわらずセメンタイトの析出は確認されないばかりか、鉄基地中にフェライトの分散が認められる。なお、図１（ａ）と同様に金属組織中に炭化珪素と思しき相が存在しないことも判る。
【００１６】
これらの図より炭化珪素が決して安定ではなく焼結過程で分解すること、および炭化珪素が分解した珪素と炭素の一部が鉄基地中に拡散して基地組織をパーライトまたはパーライトとフェライトの混合相とし、珪素による黒鉛排出作用により残部の炭素は遊離黒鉛として分散する鋳鉄組織が得られることが明らかである。
【００１７】
このように、炭化珪素が焼結時になぜ分解するかについての詳細なメカニズムは未解明である。しかしながら、焼結時において、鉄基粉末表面は高温で、かつ酸化被膜が除去された極めて活性な状態にあるため、炭化珪素が触媒として作用して分解が生じると考えられる。ちなみに、炭化珪素のような従来安定と考えられてきた物質の中には、焼結環境において必ずしも安定ではなく、分解し易いものも存在する。例えば、特開２０００−６４００２号公報等に記載された発明も、そのような従来安定と考えられてきた物質（この場合は硫化物）が焼結環境で分解することに鑑みてなされたものである。
【００１８】
このように、本発明の製造方法にしたがう焼結過程で分解する炭化珪素粉末は、常温では極めて安定であるため、珪素粉末のように酸化しない。このため、長期間保管しても酸化等の問題は生じない。また、炭化珪素粉末中の珪素量は７０質量％と高濃度である。このため、炭化珪素粉末は硬質ではあるが、混合粉末に占める添加量自体が低減できることから、混合粉末自体の圧縮性の低下も僅かである。
【００１９】
炭化珪素添加量が０．７質量％に満たないと、鉄基地に固溶する珪素が乏しくなり、遊離黒鉛が十分に析出しない。一方、炭化珪素量が５質量％を超えると、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃ共晶液相の発生が著しくなって焼結部材の型くずれが生じ、寸法精度が極めて低くなる。よって、珪素添加量の観点から、炭化珪素粉末の添加量は０．７〜５質量とする必要がある。なお、この炭化珪素添加量は、全体中の珪素量としては０．５〜３．５質量％に相当し、全体中の炭素量としては０．２〜１．５質量％に相当する。
【００２０】
次に、炭素量としては、摺動特性の観点によって必要な遊離黒鉛分散量を得るため、焼結部材の炭素量として１質量％を目標とする。しかしながら、上記の適正な珪素量の観点によって決定した炭化珪素粉末添加量では炭素量の欠乏が生じる。このため、必要な炭素量を炭化珪素粉末のみで与える場合には、炭化珪素粉末添加量の下限値を３．３質量％とする。また、炭素の欠乏分を黒鉛粉末の形態で添加して補う場合には、炭化珪素粉末添加量の下限値は０．７質量％とすることができる。ただし、黒鉛粉末の添加量が５質量％を超えると混合粉末の圧縮性が低下し、見掛け密度も低下する結果、焼結体強度が低下するため、黒鉛粉末を添加する場合には、その添加量は５質量％以下に止めるべきである。
【００２１】
したがって、必要な珪素量と炭素量とを得るにあたり、炭素供給源として炭化珪素粉末のみとする場合には、上記第１発明の如く、鉄基原料粉末に炭化珪素粉末を３．３〜５質量％配合して混合した混合粉末を用いればよい。
【００２２】
また、必要な珪素量と炭素量とを得るにあたり、炭素供給源に炭化珪素粉末と黒鉛粉末とを併用する場合には、上記第２発明の如く、鉄基原料粉末に炭化珪素粉末を０．７〜５質量％と黒鉛粉末を０．８〜５質量％配合して混合した混合粉末を用いればよい。
【００２３】
さらに、焼結は、非酸化性雰囲気中１１００〜１２５０℃で行う。焼結温度が１１００℃に満たないと、焼結部材の強度が低くなる他、上記の炭化珪素の分解が不十分となって遊離黒鉛の分散量が低下する。一方、１２５０℃を超えて焼結すると、焼結部材の型くずれが生じて寸法精度が低下する。また、雰囲気は非酸化性雰囲気とする必要がある。雰囲気を酸化性雰囲気とすると、酸化性雰囲気に含まれる酸素が焼結部材の炭素と結合して一酸化炭素ガスとして離脱し、遊離黒鉛量が低下するからである。さらに、焼結時間は３０〜１２０分が適当である。焼結時間が３０分に満たない場合には、粉末間の拡散が不十分となり、強度が低下する。一方、１２０分を超えて焼結した場合には、強度の向上の割に寸法精度の低下が著しい。
【実施例１】
【００２４】
純鉄粉末に、炭化珪素粉末のみを表１に示す割合で添加混合し、得られた混合粉末をφ７．８×２０の円柱形状に５００ＭＰａで圧粉成形した後、１１８０℃で焼結して試料番号０１〜０６の試料を作製した。これらの試料について、溶解法にて遊離黒鉛量を測定した。また、リングオンディスク摩擦摩耗試験機で摩擦試験を行った後の試料の摩耗量を測定した。これらの結果を表１に併記する。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
表１より、炭化珪素粉末の添加量が３．３質量％以上（試料番号０３〜０６）の場合には、遊離黒鉛の析出が認められ、炭化珪素粉末の添加量が０．７０質量％（試料番号０１）の場合に比して摩耗量が１／２以下となっている。また、炭化珪素粉末の添加量が増加するにしたがい、析出する遊離黒鉛量が増加し、摩耗量も減少している。ただし、炭化珪素粉末の添加量が５質量％を超えた（試料番号０６）の場合には、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃ共晶液相の発生量が多すぎて溶融し、焼結部材の型くずれが著しいため、遊離黒鉛量および摩耗量の測定を中止した。
【００２７】
以上のように遊離黒鉛の析出が認められた試料番号０３〜０５の試料、および溶融した試料番号０６の試料について金属組織を観察した。その結果を図２に示す。図２より、試料番号０３の試料は、全面パーライト組織となっており、炭化珪素粉末が珪素と炭素に分解したことがはっきりと判る。また、気孔中には黒鉛の存在が認められた。試料番号０４の試料では、炭化珪素粉末の添加量が試料番号０３の試料に比して増加したことにより、パーライト基地中にフェライト相が点在している。炭化珪素粉末の添加量をさらに増加した試料番号０５の試料では、炭化珪素粉末の添加量のさらなる増加により、フェライト相の増大、およびＦｅ−Ｓｉ−Ｃ共晶液相の発生による気孔の球状化が見られる。さらに、炭化珪素粉末の添加量が７質量％の試料番号０６の試料では、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃ共晶液相の発生量が多すぎて気孔が消失しており、片状黒鉛をフェライト相が取り囲み、残部がパーライトの鋳鉄のような組織を呈している。
【００２８】
以上の結果より、炭化珪素粉末が焼結過程で珪素と炭素とに分解し、両者が鉄基地に拡散すること、および基地に拡散した珪素の影響で炭素が遊離黒鉛として析出することが確認された。したがって、炭素供給源として炭化珪素粉末のみを用いる場合、その添加量が３．３質量％以上で遊離黒鉛が析出し、それに伴い耐摩耗性の向上が確認された。ただし、炭化珪素粉末の添加量が５質量％を超えるとＦｅ−Ｓｉ−Ｃ共晶液相の発生量が過多となり、焼結部材の型くずれが著しくなるため、炭化珪素粉末の添加量の上限値を５質量％に止める必要がある。
【実施例２】
【００２９】
純鉄粉末に炭化珪素粉末と黒鉛粉末とを、炭素量が２質量％となるよう表２に示す割合で添加混合した混合粉末を用い、実施例１と同様にして試料番号０７〜１３の試料を作製するとともに、同様に遊離黒鉛量および摩耗量を測定した。これらの結果を表２に併記する。
【００３０】
【表２】
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【００３１】
表２より、炭化珪素粉末に加えて黒鉛粉末を用いる場合には、炭化珪素粉末の添加量が０．７質量％以上で十分な遊離黒鉛の析出が認められ、併せて摩耗量も微少なものとなることが判る。また、遊離黒鉛の析出は、炭化珪素粉末の添加量の増加にしたがい増加し、これに伴って摩耗量も減少している。ただし、炭化珪素粉末の添加量が５質量％を超えると、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃ共晶液相の発生量が過多となって焼結部材の型くずれが著しくなっている。なお、試料番号０７の試料について組織観察を行ったところ、基地に固溶する珪素量が乏しく、セメンタイトが多量に析出していることが確認された。以上より、炭素供給源に炭化珪素粉末と黒鉛粉末とを併用する場合の炭化珪素粉末の添加量が０．７質量％以上の場合には、遊離黒鉛の十分な析出および摩耗量の著しい減少が確認された。また、この場合の炭化珪素粉末の添加量の上限値は５質量％に止めることが必要であるも併せて確認された。
【実施例３】
【００３２】
炭素供給源として炭化珪素粉末と黒鉛粉末とを併用して用いる場合において、黒鉛粉末の添加量の影響を調査するため、実施例２で好適であることが確認された炭化珪素粉末添加量の下限値（０．７質量％）の炭化珪素粉末に、表３に示す割合で黒鉛粉末の添加量を変化させた混合粉末を用い、実施例２と同様にして試料番号１４〜１９の試料を作製し、遊離黒鉛量および摩耗量を測定した。これらの結果を試料番号０８の試料とともに表３に併記する。
【００３３】
【表３】
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【００３４】
表３より、炭化珪素粉末の添加量が上記下限値の０．７質量％において、黒鉛粉末の添加量が０．８質量％以上で十分な遊離黒鉛の析出が認められ、併せて摩耗量の低減も認められる。また、黒鉛粉末の添加量が増加するにしたがい遊離黒鉛の析出量が増加し、摩耗量の低減が認められる。ただし、黒鉛粉末の添加量が５質量％を超える試料番号１９の試料では、圧縮性が低下することに伴い焼結後の基地強度が低下した結果、十分な遊離黒鉛の析出が認められるにもかかわらず、摩耗量が増加に転じている。したがって、黒鉛粉末の添加は０．８質量％以上の添加で効果があるが、５質量％までに止めるべきである。
【実施例４】
【００３５】
実施例２の試料番号０９の試料において、鉄基原料粉末として用いた純鉄粉末を、純鉄粉末に１．５質量％の純銅粉末の混合粉末に変更した場合、および、組成がＣｒ：３質量％、Ｍｏ：０．３質量％、Ｖ：０．３質量％で残部がＦｅの合金粉末に変更した場合の結果を表４に示す。
【００３６】
【表４】
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【００３７】
表４より、鉄基原料粉末として、純鉄粉末に他の元素の粉末を混合した混合粉末、または鉄を主成分とし他の元素と予め合金化した鉄合金粉末を用いても、純鉄粉末を用いた場合と同様に、炭化珪素粉末の分解が生じて遊離黒鉛が析出し、摩耗量も減少することが確認された。なお、試料番号２１の試料の場合は炭素の一部がクロム炭化物として使用された結果、純鉄粉末を用いた場合よりも遊離黒鉛析出量が減少しているが、十分な量の遊離黒鉛が析出しており、鉄基地が合金化されて強化されることから摩耗量は却って減少していることが判る。以上より、鉄基原料粉末は純鉄粉末に限らず、鉄粉末の混合粉末や鉄合金粉末においても同様に炭化珪素が分解して遊離黒鉛が析出し、摩耗量が低減できることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
以上のように、本発明の黒鉛分散焼結部材の製造方法によれば、珪素供給源として炭化珪素粉末を用いることから、珪素供給源としての珪素の酸化が防止されて長期保管が可能であり、しかも添加粉末に占める珪素濃度が高いため、混合粉末に占める珪素を含む添加粉末量を低減することができ、これにより混合粉末自体の圧縮性の低下が僅かであるという格別の効果が得られる。これにより、焼結部材の優れた摺動性等が実現される。また、本発明の製造方法によれば、鉄基原料粉末として、純鉄粉末、純鉄粉の混合粉末、および鉄合金粉末等のいずれを用いることもできる。よって、本発明は、各種摺動部材や快削性部材等の製造に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】（ａ）は、本発明の一の製造方法により得た黒鉛分散焼結部材（３．３質量％炭化珪素）の、金属組織写真であり、（ｂ）は、本発明の他の製造方法により得た黒鉛分散焼結部材（４．０質量％炭化珪素）の、金属組織写真である。
【図２】試料番号０３〜０６の試料についての金属組織を示す写真である。
【図１】
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【図２】
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