(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基地形成粉末と硬質相形成粉末を含む原料粉末を圧粉成形し、焼結する耐摩耗性焼結部材の製造方法において、
前記基地形成粉末の９０質量％以上が最大粒径４６μｍの微粉末であり、前記硬質相形成粉末の前記原料粉末に占める割合が４０〜７０質量％であるとともに、
前記硬質相形成粉末は、質量比で、Ｍｏ：２０〜６０％、Ｃｒ：３〜１２％、Ｓｉ：１〜１２％、残部がＣｏおよび不可避不純物からなる組成を有することを特徴とする耐摩耗性焼結部材の製造方法。
【請求項２】
前記硬質相形成粉末は、焼結により合金相中に珪化物が分散する組織となる硬質相を形成することを特徴とする請求項１に記載の耐摩耗性焼結部材の製造方法。
【請求項３】
前記基地形成粉末は、Ｃｒを１１〜３５質量％含有する鉄基合金粉末であることを特徴とする請求項１または２に記載の耐摩耗性焼結部材の製造方法。
【請求項４】
前記基地形成粉末は、さらにＮｉを３．５〜２２質量％含有することを特徴とする請求項３に記載の耐摩耗性焼結部材の製造方法。
【請求項５】
前記基地形成粉末は、質量比で、Ｍｏ：０．３〜７％、Ｃｕ：１〜４％、Ａｌ：０．１〜５％、Ｎ：０．３％以下、Ｍｎ：５．５〜１０％、Ｓｉ：０．１５〜５％、Ｎｂ：０．４５％以下、Ｐ：０．２％以下、Ｓ：０．１５％以下、およびＳｅ：０．１５％以下のうち、少なくとも１種以上をさらに含有することを特徴とする請求項３または４に記載の耐摩耗性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、各種摺動部材に好適な耐摩耗性焼結部材の製造方法に係り、特に高面圧下での摺動に用いられる耐摩耗性焼結部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
粉末冶金法による焼結部品は、所望の硬質相を合金基地中に分散させることが容易で、自動車等の内燃機関用摺動部材や軸受等の各種摺動部材に適用されている。しかしながら、近年では、摺動部材が組み込まれる機器の高性能化に伴って使用環境が厳しくなってきており、それに対応するために、焼結摺動部材にはより高い耐摩耗性が要求されるようになってきている。また、適用部位によっては高温での耐摩耗性や耐酸化性が要求される等、その適用範囲の拡大とともに、様々な環境における耐摩耗性の向上が望まれている。
【０００３】
このような状況の下、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｓｉ−Ｃｒ系硬質相やハイス系硬質相を分散させた耐摩耗性焼結部材が各種用途向けに提案されている（特許文献１〜３等）。また各種の改良された硬質相を分散させた耐摩耗性焼結部材が提案されている（特許文献４〜６等）。
【０００４】
【特許文献１】特開平０８−１０９４５０号公報
【特許文献２】特開平０２−２７０９４３号公報
【特許文献３】特開平０１−０６８４４７号公報
【特許文献４】特開２００２−３５６７０４号公報
【特許文献５】特開２００３−１１９５４２号公報
【特許文献６】特開２００５−１５４７９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１〜６で提案されている硬質相は、それぞれ優れた特性を示すものであるが、耐摩耗性をより一層向上させるために硬質相形成元素を多量に添加すると、かえって耐摩耗性や強度が低下することが明らかにされている。したがって、硬質相形成元素の多量添加に起因する耐摩耗性低下の原因を取り除くことができれば、硬質相を有効に活用して耐摩耗性を大幅に向上させることができる。よって本発明は、耐摩耗性や強度等を損なうことなく、硬質相をより多量に基地中に分散させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の耐摩耗性焼結部材の製造方法は、基地形成粉末と硬質相形成粉末を含む原料粉末を圧粉成形し、焼結する耐摩耗性焼結部材の製造方法において、基地形成粉末の９０質量％以上が最大粒径４６μｍの微粉末であり、硬質相形成粉末の添加量が４０〜７０質量％であるとともに、硬質相形成粉末は、質量比で、Ｍｏ：２０〜６０％、Ｃｒ：３〜１２％、Ｓｉ：１〜１２％、残部がＣｏおよび不可避不純物からなる組成を有することを特徴としている。
【０００７】
硬質相形成粉末は硬いため、多量に原料粉末に含有させると原料粉末の圧縮性を損ない、圧粉体の密度が低下する。そのような低密度の圧粉体を焼結しても密度が向上せず、低密度の焼結体しか得られない結果、強度および耐摩耗性が低下する。また、圧粉成形時の成形圧力を増加させて圧粉体の密度を無理矢理高めようとしても、硬い硬質相形成粉末は弾性係数が高いため、成形後金型より抜き出すと圧縮され弾性変形している硬質相形成粉末が弾性回復する。その結果、成形時に形成した粉末どうしの密着状態が破壊され、焼結しても粉末どうしの融着（ネック成長）が行われず強度および耐摩耗性が低下する。
【０００８】
一方、原料粉末として微粉末を用いると、粉末全体の表面積が大きくなり、それに応じて粉末どうしの接触面積が増加することから、焼結が進行して緻密化が達成できることが知られているが、微粉末の使用は原料粉末の充填性および圧縮性を損なうことも知られている。このため、圧粉体密度向上手法として微粉末を使用することは行われていない。
【０００９】
本発明者等は、圧縮性には劣るが焼結により緻密化する微粉末に着目し、これを硬質相形成粉末とともに混合して用いることに思い至った。その結果、微粉末を所定以上添加することにより、硬質相形成粉末を多量に添加しても緻密化により耐摩耗性と強度が大幅に向上することを見出した。本発明は、このような知見に基づいてなされたもので、基地形成粉末と硬質相形成粉末を含む原料粉末を圧粉成形し、焼結する耐摩耗性焼結部材の製造方法において、基地形成粉末の９０質量％以上が最大粒径４６μｍの微粉末であり、硬質相形成粉末の原料粉末に占める割合が４０〜７０質量％であることを特徴としている。本発明では、多量の硬質相形成粉末と微粉末の基地形成粉末を用いるため圧縮性は劣るが、微粉末により粉末全体の表面積が増加することによる焼結後の緻密化の効果が圧縮性の低下を補って余りある。したがって、十分な焼結密度の焼結体を得ることができるので、硬質相形成粉末の特性を充分に発揮して耐摩耗性および強度を向上させることができる。
【００１０】
原料粉末は最大粒径が４６μｍのものを用いるが、これは３２５メッシュの篩櫛により分級することで得ることができる。このとき、アスペクト比（長径／短径）の大きい粉末の場合、長径が４６μｍを超えていても短径が４６μｍ以下の粉末は、この篩櫛の櫛目を通過する場合があり、このような粉末は、本発明の「最大粒径４６μｍ」に該当する。上記したような本発明の効果を得るためには、粒径が４６μｍ以下の微粉末が基地形成粉末中に９０質量％以上含まれる必要がある。
【００１１】
焼結時の緻密化の作用は基地形成粉末を緻密化することで十分に達成できるため、硬質相形成粉末まで微粉を用いる必要は特になく、硬質相は従来より使用されている粒度構成のものを使用してよい。ただし、硬質相形成粉末に微粉末が多く含まれる方がより一層の緻密化作用が得られるため好ましい。
【００１２】
なお、粉末冶金法において微粉末を使用すると原料粉末の流動性および充填性が低下することが知られており、この対策として微粉末をある程度の大きさに造粒する方法が採られているが、本発明においてこのような造粒法を適用してもよい。
【００１３】
ここで、硬質相形成粉末は、焼結により合金相中に珪化物が分散する組織となる硬質相を形成するものであることが好ましい。特に本発明では硬質相形成粉末を質量比で、Ｍｏ：２０〜６０％、Ｃｒ：３〜１２％、Ｓｉ：１〜１２％、残部がＣｏおよび不可避不純物からなる組成を有するものとしている。この種の硬質相形成粉末による硬質相は、耐食性および耐熱性を有するＣｏ合金相中に、耐摩耗性と潤滑性を提供するモリブデン珪化物を主体とする析出粒子が分散した金属組織となり、耐摩耗性焼結部材として極めて効果が高い。
【００１４】
なお、基地形成粉末は、例えば上記特許文献１〜６等の従来より用いられているものが使用できる。また、原料粉末には鉄基基地強化および炭化物形成のため、例えば０．１〜１．２質量％の黒鉛粉末を添加することができる。また、硫化マンガン、珪酸マグネシウム系鉱物等の被削性を改善させる被削性改善粉末を添加することもできる。
【００１５】
内燃機関の摺動部材においては、耐食性も併せて重視される部材があり、そのような用途向けには基地形成粉末として、ステンレス鋼粉末を使用すると耐摩耗性を確保した上でさらに耐食性を向上させた耐摩耗性焼結部材を得ることができる。ステンレス鋼粉末は任意のものを用いることができる。たとえば、１１〜３２質量％のＣｒを含有し酸化性の酸に対する耐食性の高いフェライト系ステンレス鋼を用いることができ、これに、さらに０．１５〜１．２質量％のＣを含有した強度および耐摩耗性を高めたマルテンサイト系ステンレス鋼を用いることができる。また、１１〜３２質量％のＣｒと３．５〜２２質量％のＮｉを含有し、非酸化性の酸に対する耐食性を高めたオーステナイト系ステンレス鋼を用いることもできる。
【００１６】
さらに、上記ステンレス鋼には、Ｍｏを０．３〜７質量％含有することにより、耐クリープ性、耐酸性、耐食性、耐点食性を向上させるとともに、快削性を向上させることができる。また、Ｃｕを１〜４質量％含有することにより、耐酸性、耐食性、耐点食性を向上させるとともに、析出硬化性を付与することができる。また、Ａｌを０．１〜５質量％含有することにより、溶接性や耐熱性を向上させるとともに、析出硬化性を付与することができる。さらに、Ｎを０．３質量％以下含有することことにより、結晶粒を調整することができるとともに、ＮはＮｉの代替的な元素であるため高価なＮｉの量を低減することができる。また、ＭｎもＮｉの代替的な元素であるので、Ｎｉ量低減のために５．５〜１０質量％含有することができる。Ｓｉを０．１５〜５質量％含有することにより、耐酸化性、耐熱性、および耐硫酸性を向上させることができ、Ｎｂを０．４５質量％以下含有することにより、耐粒界腐食性を向上させることができる。さらに、Ｓｅを０．１５質量％以下含有することにより、溶接性を向上させることができ、Ｐを０．２質量％以下、Ｓを０．１５質量％以下含有することにより、被削性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、多量の硬質相を含有するとともに十分な焼結体密度を有する耐摩耗性焼結部材を得ることができるので、従来の耐摩耗性焼結部材の耐摩耗性と強度をより向上させることができる。また、基地形成粉末としてステンレス鋼粉末を用いたものは基地の耐食性が向上し、耐摩耗性とともに耐食性が重視される場合に好適なものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
［実施例１］
基地形成粉末として表１に示す粒度構成を有するＪＩＳ規格ＳＵＳ３１６相当のステンレス鋼粉末と、硬質相形成粉末として、質量比で、Ｍｏ：２８％、Ｓｉ：２．５％、Ｃｒ：８％および残部がＣｏと不可避不純物からなるＣｏ基合金粉末とを用意し、基地形成粉末に６０質量％の硬質相形成粉末を添加、混合して原料粉末を得た。この原料粉末を成形圧力１．２ＧＰａで直径：３０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円板形状に圧粉成形して得られた圧粉体を、アンモニアガス雰囲気中１２５０℃×１Ｈｒで焼結し、試料番号０１〜０５の試料を作製した。これらの試料につき、密度比を測定するとともに、往復摺動摩擦試験を行い試験後の摩耗量を測定した。これらの結果を表１に併せて示す。
【００１９】
なお、往復摺動摩擦試験は、上記の円板形状試験片に、直径：１５ｍｍ、厚さ２２ｍｍのロール（相手材）の側面を所定の荷重で押圧しながら往復摺動させる摩擦試験である。本試験においては、ロール材としてＪＩＳ規格ＳＵＳ３１６相当の溶製鋼の表面にクロマイズ処理（表面にクロムを被覆するとともに硬質な鉄クロム金属間化合物層を形成して耐摩耗性、耐焼き付き性および耐食性等を向上させる処理）を施したものを用い、荷重：４０Ｎ、往復摺動の周波数：２０Ｈｚ、往復摺動の振幅：１．５ｍｍ、試験時間：２０ｍｉｎ、試験温度：室温の試験条件の下で往復摺動摩擦試験を行った。その結果を表１に併記するとともに図１に示す。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
図１から判るように、微粉末の割合が４０質量％の基地形成粉末を用いた試料番号０５では、硬質相形成粉末の添加量が６０質量％と多いために圧粉体の密度が低下し、この密度低下により焼結しても密度比が８３％と低くなっている。このため基地強度が低下して摩耗量も多くなっている。一方、基地形成粉末中の４６μｍ以下の微粉末の割合が増加するにつれて焼結による緻密化が促進され、試料の密度比は直線的に増加するとともに摩耗量が減少している。そして、基地形成粉末中の４６μｍ以下の微粉末の割合が９０％になると、密度比が９０％になって摩耗量が急激に低下することがわかる。
【００２２】
［実施例２］
基地形成粉末として実施例１の試料番号０２で用いた４６μｍ以下の粉末の割合が９５％であるＪＩＳ規格ＳＵＳ３１６相当のステンレス鋼粉末と、硬質相形成粉末として実施例１で用いたＣｏ基合金粉末を用意し、表２に示す割合で原料粉末を混合した。この原料粉末を用い、実施例１と同じ条件で圧粉成形、焼結して試料番号０６〜１０の試料を作製した。これらの試料について実施例１と同じ試験を行った結果を、実施例１の試料番号０２の試験結果とともに表２と図２に示す。
【００２３】
【表２】
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【００２４】
図２から判るように、硬質相形成粉末の添加量が４０質量％に満たない試料番号０６では、密度比が高いにもかかわらず、硬質相の分散量が少ないため摩耗量が大きくなっている。一方、硬質相形成粉末の添加量が４０質量％以上の場合には、摩耗量が小さくなり耐摩耗性が向上している。ただし、硬質相形成粉末の添加量が増加するにしたがい密度比は低下する傾向を示し、硬質相形成粉末の添加量が７０質量％を超える試料番号１０では、密度比の低下が著しい結果、基地の強度および耐摩耗性が低下して摩耗量が増大している。以上により、硬質相形成粉末の添加量は４０〜７０質量％の範囲で耐摩耗性向上の効果があることが確認された。
【００２５】
［実施例３］
基地形成粉末として実施例１の試料番号０２で用いた４６μｍ以下の粉末の割合が９５％であるＪＩＳ規格ＳＵＳ３１６相当のステンレス鋼粉末と、硬質相形成粉末として表３に示す組成のＣｏ基合金粉末を用意し、基地形成粉末に６０質量％の硬質相形成粉末を添加、混合して原料粉末を得た。これらの原料粉末を用い、実施例１と同じ条件で圧粉成形、焼結して試料番号１１〜１６の試料を作製した。これらの試料について実施例１と同じ試験を行った結果を、実施例１の試料番号０２の評価結果とともに表３と図３に示す。
【００２６】
【表３】
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【００２７】
図３から判るように、硬質相として用いたＣｏ基合金粉末中のＭｏ量が２０質量％に満たない試料番号１１では、モリブデン珪化物の析出量が乏しいため摩耗量が大きくなっている。一方、Ｃｏ基合金粉末中のＭｏ量が２０質量％以上の試料では、Ｍｏ量の増加に従いモリブデン珪化物の析出量が増加して摩耗量が減少する傾向を示す。ただし、密度比はＣｏ基合金粉末中のＭｏ量が増加するに従って低下する傾向を示し、Ｍｏ量が６０質量％を超える試料番号１６では、密度比が９０％を下回って摩耗量が急激に増加している。以上により、硬質相形成粉末としてＣｏ−Ｍｏ−Ｓｉ−Ｃｒ系合金粉末を用いる場合、Ｍｏ量は２０〜６０質量％であることが好ましいことが確認された。
【００２８】
［実施例４］
基地形成粉末として実施例１の試料番号０３で用いた４６μｍ以下の粉末の割合が９０％であるＪＩＳ規格ＳＵＳ３１６相当のステンレス鋼粉末と、表４に示す組成の硬質相形成粉末を用意し、基地形成粉末に６０質量％の硬質相形成粉末を添加、混合して原料粉末を得た。これらの原料粉末を用い、実施例１と同じ条件で圧粉成形、焼結して試料番号１７〜２３の試料を作製した。これらの試料について実施例１と同じ試験を行った結果を、実施例１の試料番号０３の試験結果とともに表４に示す。
【００２９】
【表４】
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【００３０】
表４から判るように、硬質相形成粉末の添加量が６０質量％と多い場合であっても、基地形成粉末として４６μｍ以下の粉末の割合が９０％以上のものを用いれば、基地形成粉末および硬質相形成粉末の種類を変更しても優れた耐摩耗性が得られることが確認され、本発明の効果が確認された。なお、試料番号２２，２３は参考例である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施例における粒径４６μｍ以下の粉末の割合と密度比および摩耗量との関係を示すグラフである。
【図２】本発明の実施例における硬質相形成粉末の添加量と密度比および摩耗量との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の実施例における硬質相形成粉末中のＭｏ量と密度比および摩耗量との関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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