(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
組成がFe：54〜61原子%、Mo：46〜39原子%であり、金属相が体心立方構造を持つFe-Mo二元系固溶体単相からなるFe-Mo二元系合金。
【請求項２】
組成がFe：54〜61原子%、Mo：46〜39原子%であるFe7Mo6合金粉末をその融点以上に加熱し、ついでその融解粒子を基板表面に溶射することを特徴とする請求項１に記載のFe-Mo二元系合金の製造方法。
【請求項３】
基板表面が500℃以下に保持されていることを特徴とする請求項２に記載のFe-Mo二元系合金の製造方法。
【請求項４】
加熱・溶射がプラズマにより行われることを特徴とする請求項２または３に記載のFe-Mo二元系合金の製造方法。
【請求項５】
請求項１に記載のFe-Mo二元系合金を含有する合金被膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低摩擦・低摩耗材料として有用な、新規なFe-Mo二元系合金およびその合金被膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、FC300などの鋳鉄製工作機械すべり案内面の位置決め精度を高めるため、油潤滑下において摩擦力変動のより小さい摺動面の開発が求められている。
この摩擦力変動を小さくするためには混合・境界潤滑条件における摩擦係数上昇を抑制できる摺動材料のコーティングあるいは潤滑油の開発が必要である。
【０００３】
また、自動車エンジンなどの分野においても混合・境界潤滑条件でさらに低摩擦・低摩耗である材料の需要が高まっている。
【０００４】
これまでに、このような材料として、多数のものが知られているが、中でも、Fe7Mo6金属間化合物を主成分とするフェロモリブデンやFe7Mo6基合金が、油潤滑下で低摩擦・低摩耗を示すことから、摺動材料として有用であることが報告されている（特許文献１〜５）。
【０００５】
しかしながら、この Fe7Mo6基合金は、その結晶構造が菱面体晶のD85型構造であるために、他の一般的な金属間化合物と同様に、硬く（ヌープ硬さ6.89GPa）、脆い（破壊靭性値2.75MPa・m1/2）ために加工性が非常に悪いといった欠点があった（非特許文献１参照）。
【０００６】
このような欠点を解消するために、本発明者らは、先に、「Fe7Mo6基合金マトリックス中に高靭性のFe-7原子%Mo相およびMo相を分散させた複合材料およびその製造方法」を提案した（非特許文献２）。
この合金は、Fe7Mo6単相材料よりも高靭性であるばかりでなく、耐摩耗性にも優れ、さらに油潤滑下においてFe7Mo6単相材料よりも低摩擦であるといった多くの利点を有するものである。
【０００７】
【特許文献１】特開平09-152034号公報
【特許文献２】特開平04-66号公報
【特許文献３】特開昭61-569号公報
【特許文献４】特開昭60-251254号公報
【特許文献５】特開昭59-205465号公報
【非特許文献１】T. Murakami, K. Kaneda, M. Nakano, H. Mano, A. Korenaga, S. Sasaki. “Friction and wear properties of Fe-Mo intermetallic compounds under oil lubrication”, Intermetallics, Vol. 15 (2007) 1573-1581.
【非特許文献２】村上敬、金田克夫、中野美紀、間野大樹、佐々木信也、「Fe-Mo系合金の硫黄を含む油潤滑中における摩擦特性」、トライボロジー会議予稿集  東京  2007-5、49-50.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、この非特許文献2に記載の合金材料の延性相を用いてFe7Mo6系材料の靭性等を改善する方法を更に発展飛翔させ、Fe-Mo二元系平衡状態図ではみられない準安定相ではあるが、Fe7Mo6と組成が同じであり、かつFeやMoと同じく体心立方構造を持つことで、高靭性かつ塑性変形しやいなどの加工性の改善が期待される新規なFe-Mo二元系合金、および該合金を含有する合金被膜を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者等は前記課題を解決するために、鋭意検討した結果、Fe-Mo二元系平衡状態図で見られ、その結晶構造が菱面体晶のD85型構造を有する、Fe-Mo二元系合金は特有な条件下に置かれると、意外にも、Fe-Mo二元系平衡状態図ではみられない準安定相ではあるが、Fe7Mo6と組成が同じであり、かつFeやMoと同じく塑性変形しやく、高靭性であるなどの加工性に優れた新規な体心立方構造のFe-Mo二元系合金が得られることを見出し本発明を完成するに至った。
すなわち、この出願は以下の発明を提供するものである。
〈１〉組成がFe：54〜61原子%、Mo：46〜39原子%であり、金属相が体心立方構造を持つFe-Mo二元系固溶体単相からなるFe-Mo二元系合金。
〈２〉組成がFe：54〜61原子%、Mo：46〜39原子%であるFe7Mo6合金粉末をその融点以上に加熱し、ついでその融解粒子を基板表面に溶射することを特徴とする〈１〉に記載のFe-Mo二元系合金の製造方法。
〈３〉基板表面が500℃以下に保持されていることを特徴とする〈２〉に記載のFe-Mo二元系合金の製造方法。
〈４〉加熱・溶射がプラズマにより行われることを特徴とする〈２〉または〈３〉に記載のFe-Mo二元系合金の製造方法。
〈５〉〈１〉に記載のFe-Mo二元系合金を含有する合金被膜。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の新規なFe-Mo二元系合金は、低摩擦・高耐摩耗特性を有し、しかも高靭性のFeやMoと同じ体心立方構造を示し、従来の同組成である脆いFe7Mo6金属間化合物基合金に比べて、高靭性であり、加工性もFe7Mo6金属間化合物基合金に比べて良好なものとなる。また、本発明のFe-Mo二元系合金は、これを1000℃以上1370℃以下で熱処理することにより耐摩耗性に優れたFe7Mo6基合金に簡単に変換することができる。このため、本発明のFe-Mo二元系合金は、摺動特性には優れるものの加工性に劣るフェロモリブデンなどFe7Mo6基合金の代替材料として極めて有用なものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明のFe-Mo二元系合金は、組成がFe：54〜61原子%、Mo：46〜39原子%の範囲内にあり、金属相が体心立方構造を持つFe-Mo二元系固溶体単相により形成されていることを特徴としている。
【００１２】
A.，Fernandez Guillermetらが、「A.F. Guillermet, in Binary Alloy Phase Diagrams, Second Edition Plus Updates on CD-ROM, eds by T.B. Massalski et al., ASM international.」で報告しているように、Fe-Mo二元系平衡状態図は図１に示される。
図１を簡単に説明すると、体心立方のA2型（BCC）構造を持つ高靭性の（Mo）単相、（αFe）単相はそれぞれMoが67原子%以上、Moが24原子%以下の組成でないと平衡状態ではあらわれないということになる。
【００１３】
図１において、μ相がFe7Mo6相に相当する。このμ相の金属相は、前記したように、結晶構造が菱面体晶のD85型構造であるために、堅固で耐摩耗性に優れたものであるが、他の一般的な金属間化合物と同様に、硬く（ヌープ硬さ6.89GPa）、脆い（破壊靭性値2.75MPa・m1/2）ために靱性に乏しく加工性が非常に悪いものであった。
【００１４】
本発明者等は、このμ相の組成範囲内にあるFe7Mo6基合金を特有な条件下に置くと、意外にも、（Mo）相、（αFe）相と同様な、靭性が高く加工しやすいといった特性を有する体心立方のA2型（BCC）構造を持つFe-Mo二元系固溶体単相に転化することを知見した。
すなわち、この新規な、体心立方のA2型（BCC）構造を持つFe-Mo二元系固溶体単相からなるFe-Mo二元系合金は、組成がFeが54〜61原子%、残りがMoからなるFe7Mo6合金粉末をその融点以上の温度に保持した後、その融解粒子を基板表面に溶射することによって製造できることが明らかになったのである。
【００１５】
なお、ここでいう、融点とは、図１の固溶体平衡曲線において、当該組成を有する合金が完全に溶解し、Ｌ（液相）となる温度を意味する。
たとえば、図１において、Feが54原子%、残りがMoの場合の合金の融点は1740℃であり、Feが61原子%、残りがMoの場合の合金の融点は1600℃となる。
【００１６】
本発明の新規な、組成がFe：54〜61原子%、Mo：46〜39原子%であり、金属相が体心立方構造を持つFe-Mo二元系固溶体単相からなるFe-Mo二元系合金は、組成がFe：54〜61原子%、Mo：46〜39原子%であるFe7Mo6合金粉末をその融点以上に加熱し、ついでその融解粒子を基板表面に溶射することによって製造することができる。
【００１７】
この製造方法においては、原料として、Feの割合が54〜61原子%、残りがMoから構成されるFe7Mo6合金を用いる必要がある。これは、Feの割合が54原子%未満あるいは61原子%より大きいと、Fe7Mo6単相の合金が得られなくなるからである。この合金は粉末として用いられる。その粒径は溶射中の粒子の基板への飛びやすさの点からみて、１ミクロン以上１００ミクロン以下好ましくは１０ミクロン以上５０ミクロン以下とするのが好ましい。
【００１８】
また、この製造方法においては、上記Fe7Mo6粉末をその融点以上に加熱し融解させる必要がある。これは、融点以上に加熱保持しないと、形成される被膜中にFe7Mo6相がそのまま残るか、あるいは目標としている体心立方の相とは異なるR相、σ相が形成されてしまう恐れがあるためである。
【００１９】
また、この製造方法では、融点以上に加熱保持された融解粒子を基板表面に溶射することが肝要である。この場合、金属相が体心立方構造を持つFe-Mo二元系固溶体単相を形成するような溶射態様を採ることが望ましい。このためには、溶射により形成される被膜中でFe、Mo原子の拡散し、体心立方構造を持つFe-Mo二元系固溶体が熱的に平衡なFe7Mo6相に相変態を生じないように、たとえば融解粒子が急冷され、体心立方構造を持つFe-Mo二元系固溶体単相の生成が容易となるような基板温度に設定しておくことが望ましい。
その具体的な設定温度は、融解温度、融解粒子の種類や量、溶射ガンから基板までの距離によって、必ずしも一様ではないが、一般には、500℃以下、好ましくは300℃以下にしておけば十分である。
基板温度が500℃より高い場合、溶射により形成される被膜中でFe、Mo原子の拡散が起こり、体心立方構造を持つFe-Mo二元系固溶体が熱的に平衡なFe7Mo6相に相変態するおそれがあるため好ましくない。
【００２０】
基板の種類は融点が基板温度以上であれば特に制約されず、主に鋼、鋳鉄などの金属基材料などが用いられる。また、基板として、片状黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄のような摺動材料を用い、その摺動面に上記合金被膜を設ければ、簡単に工作機械すべり案内面や自動車エンジンの油潤滑下用摺動部材として有用な摺動材料とすることができる。
【００２１】
なお、上記加熱・溶射工程は、プラズマ溶射、レーザ溶射などの種々の手段によって行なわれるが、設備コストや、溶射用材料の準備のしやすさなどの点から見て、プラズマ溶射を用いるのが好ましい。プラズマ溶射装置としては、従来公知のものがいずれも使用できる。また、プラズマ溶射を用いる場合には、溶射中粉末粒子表面の酸化を防ぐため、アルゴンや、ヘリウムなどの不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。
【００２２】
本発明の新規なFe-Mo二元系合金は、低摩擦・高耐摩耗特性を有し、しかも高靭性のFeやMoと同じ体心立方構造を示し、従来の同組成である脆いFe7Mo6金属間化合物基合金に比べて、高靭性であり、加工性もFe7Mo6金属間化合物基合金に比べて良好なものとなる。また、本発明のFe-Mo二元系合金は、これを1000℃以上1370℃以下で熱処理することにより耐摩耗性に優れたFe7Mo6基合金に簡単に変換することができる。このため、本発明のFe-Mo二元系合金は、摺動特性には優れるものの加工性に劣るフェロモリブデンなどFe7Mo6基合金の代替材料として極めて有用なものである。
【実施例】
【００２３】
つぎに、本発明を実施例により更に詳細に説明する。
【００２４】
実施例１
図２に示されるような手順により、本発明の新規なFe-Mo二元系合金を製造した。
すなわち、組成が、Fe粉末：54〜61原子%、残りがMo粉末からとなるように、Fe粉末と、Mo粉末を混合し、不活性ガス中、1200℃で48時間保持してFe7Mo6単相からなる合金を得た。つぎに、この合金を粒径50ミクロン以下に粉砕して得た、Fe7Mo6粉末（300）ｇを、図２に示されるようなプラズマ装置の供給し、不活性ガス雰囲気中、Fe7Mo6粉末粒子の融点である温度（Feが54原子%、残りがMoの場合1740℃で、Feが61原子%、残りがMoの場合1600℃）以上に上げて、ついで、表面温度が500℃以下の鋼製基板に融解粒子を吹き付けるプラズマ溶射を行った。
その結果、Feが54〜61原子%、残りがMoから成り、体心立方構造を持つFe-Mo二元系固溶体単相の被膜が得られた。図３に上記の条件で作製した、体心立方構造を持つFe-Mo二元系固溶体単相被膜の断面組織写真およびそのFe-Mo二元系固溶体単相被膜のX線回折パターンを示す。なお、この図４には、体心立方構造を有する、（Mo）相からなる金属相と（αFe）相からなる金属相のX線回折パターンを併記した。
図３と図４から、鋼製基板上には体心立方構造を持つFe-Mo二元系固溶体単相の被膜が形成されていることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明の準安定かつ体心立方構造のFe-Mo二元系合金およびその合金被膜は、摺動材料として有用なものであり、たとえば、工作機械すべり案内面、自動車エンジンなど潤滑油下で低摩擦・低摩耗の条件での摺動部材として応用することができる。このため、本発明のFe-Mo二元系合金は、摺動特性には優れるものの加工性に劣るフェロモリブデンなどFe7Mo6基合金の代替材料として極めて有用なものである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】A.Fernandez Guillermetらの報告による、Fe-Mo二元系平衡状態図。
【図２】本発明に係るFe-Mo二元系合金の代表的な作製フロチャート。
【図３】実施例で得た、SS400鋼基板上に形成された本発明のFe-Mo二元系合金被膜の断面組織写真。
【図４】本発明のFe-Mo二元系合金被膜のX線回折パターン。
【図４】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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