(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属マトリックスと硬質粒子とからなる複合組織を有し、硬質粒子はセラミックス粒子であって、粒径１０μｍ以下の微細粒子と、粒径７５〜２００μｍの粗大粒子とからなり、微細粒子の含有量は５体積％以上、粗大粒子の含有量は３０体積％以上、微細粒子の含有量(ＶA)と粗大粒子の含有量(ＶB)との比(ＶB／ＶA)は１〜７であり、微細粒子と粗大粒子の合計含有量は４０〜８０体積％である排水・揚水用ポンプの軸受部材に使用される摺動部材用複合材料。
【請求項２】
微細粒子の粒径が、１〜１０μｍである請求項１に記載の摺動部材用複合材料。
【請求項３】
セラミックス粒子が、炭化物系，硼化物系，窒化物系，珪化物系，酸化物系セラミックスから選ばれる１種ないし２種以上の粒子である請求項１又は２に記載の摺動部材用複合材料。
【請求項４】
金属マトリックスが、重量％で、Ｃｒ：１５〜３５％，Ｍｏ：５〜２０％，Ｂ：１〜５％，Ｆｅ：３％以下、Ｎｉ：５％以下，Ｃ：３％以下，Ｓｉ：２％以下，残部はＣｏ及び不可避不純物からなるＣｏ基合金、またはＣｒ：２０〜４０％，Ｎｉ：３％以下，Ｗ：４〜２０％，Ｆｅ：５％以下，Ｃ：２．５％以下，Ｓｉ：２％以下，残部はＣｏ及び不可避不純物からなるＣｏ基合金、である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の摺動部材用複合材料。
【請求項５】
金属マトリックスが、重量％で、Ｃｒ：５〜３０％，Ｂ：５％以下，Ｆｅ：５％以下，Ｃ：２．０％以下，Ｓｉ：１０％以下，残部はＮｉ及び不可避不純物からなるＮｉ基合金である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の摺動部材用複合材料。
【請求項６】
金属マトリックスが、重量％で、Ａｌ：２〜１０％，Ｖ：１〜１０％，残部はＴｉ及び不可避不純物からなるＴｉ基合金である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の摺動部材用複合材料。。
【請求項７】
マトリックス金属は、ＨＲＣ２０以上の硬度を有するものである請求項１ないし６のいずれか１項に記載の摺動部材用複合材料。
【請求項８】
熱間静水圧加圧焼結体である請求項１ないし７のいずれか１項に記載の摺動部材用複合材料。
【請求項９】
排水・揚水用ポンプの軸受部材に使用される、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の複合材料からなる摺動面を有する摺動部材。
【請求項１０】
中空円筒形状の母材金属層と、該母材金属層の摺動面となる側に積層形成された複合材料からなる層を有する複層スリーブである請求項９に記載の摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種産業用機械の軸受部材、特に排水・揚水用ポンプの軸受部材の摺動面を形成するための改良された耐摩耗性及び耐土砂摩耗侵食性を有する摺動部材用複合材料およびその複合材料で形成された摺動面を有する摺動部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軸受装置における軸および軸受部材等の摺動部材は、摺動面の耐摩耗性、負荷応力や環境温度変化等に耐え得る強度・靭性、耐熱衝撃性等が要求される。従来、摺動・摩擦条件の厳しい使用環境におかれる軸受装置では、軸受側にセラミックスを適用し、回転軸の所要表面領域に超硬合金からなる層を形成して耐摩耗性を持たせるようにした摺動部材が知られている（特公昭63-67048号公報）。
超硬合金は卓抜した耐摩耗性を有しているが、靭性に乏しく一部に亀裂を生じると全体の破損につながり易く安定性に欠ける。その改良として、図６に示す形態を有する摺動部材が提案されている。これは、比較的靭性の高い金属筒体（２）を母材とし、その周面に硬質層（１’）を積層形成してなるスリーブであり、これを軸に装着し硬質層（１’）を摺動面とするのである（特開平8-68420号公報）。
【０００３】
上記硬質層は、金属マトリックスに強化材としてＷＣ，ＴｉＣ等の硬質粒子を分散混在させた組織を有し、金属と硬質粒子の複合効果として靭性と高耐摩耗性を兼備させるものである。このような硬質層は、マトリックスとなる金属粉末と強化材である硬質粒子粉末との混合物を原料とし、溶接肉盛法、熱間静水圧加圧法等を適用して形成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記硬質層に高度の耐摩耗性、特にセラミックスを相手材とする摺動部材として安定に機能し得る耐摩耗性を帯有させるには、多量の硬質粒子を含有する必要があり、そのため摺動部材の用途・使用態様により靭性，強度が問題となる。
硬質粒子として比較的大きな粒径（100μｍ程度）を有する粒子を使用する場合は、比較的少量の含有量（40体積％程度）で相手材セラミックスに対する耐摩耗性を得ることも可能である。しかし、その硬質層は、図２に示すように、マトリックス金属（Ｍ）が表面にむき出しになっており、このため排水ポンプの軸受部のように、珪砂等を含むスラリーと接触する使用環境では、珪砂等の粒子の接触・衝突によるマトリックス金属部分（Ｍ）の急速な摩耗減肉（図中、鎖線）とそれに付随する硬質粒子（Ｐ）の欠損・脱落による摺動面の損耗（土砂摩耗浸食）を生じ易く、耐用寿命の改善効果は少ない。
本発明は、このような問題を解決するための改良された摺動部材用複合材料および摺動部材を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る排水・揚水用ポンプの軸受部材に使用される摺動部材用複合材料は、
金属マトリックスに粒径の小さい硬質粒子と粒径の大きい硬質粒子とが共存分散した複合組織を有し、
硬質粒子はセラミックス粒子であって、粒径１０μｍ以下の微細粒子と、粒径７５〜２００μｍの粗大粒子とからなり、微細粒子の含有量は５体積％以上、粗大粒子の含有量は３０体積％以上、微細粒子の含有量(ＶA)と粗大粒子の含有量(ＶB)との比(ＶB／ＶA)は１〜７であり、微細粒子と粗大粒子の合計含有量は４０〜８０体積％である(請求項１)。
本発明の排水・揚水用ポンプに使用される摺動部材(請求項９)は上記複合材料からなる摺動面を有している。
【０００６】
図１は、本発明の複合材料の複合組織を模式的に示している。Ｐ１は微細粒径の硬質粒子、Ｐ２は粗大粒径の硬質粒子である。本発明は、粒径を異にする２種の硬質粒子が共存分散した複合組織を形成することにより、強度・靭性等を保持しつつ、セラミックスを相手材とする摺動面に必要な耐摩耗性を確保すると共に、土砂摩耗浸食に対する抵抗性を具備せしめることを実現している。
【０００７】
すなわち、粗大硬質粒子（粒径：75〜200μｍ）（Ｐ２）は、セラミックスからなる相手材に対する耐摩耗性を付与し、微細硬質粒子（粒径：10μｍ以下）（Ｐ１）は、その分散効果として金属マトリックスの土砂摩耗浸食に対する摩耗抵抗性を強化する。また粗大粒子と微細粒子の混合効果として、比較的低い含有量で高度の摩耗抵抗性を得ることができる。その含有率（微細粒子と粗大粒子の合計量）が８０体積％という高い含有量においても、構造部材としての強度・靭性が保持されるのも、２種の粒子を複合したことよるものと推察される。
【０００８】
なお、本発明における摺動部材とは、相対向する２つの部材が相対的摺動運動（回転又は往復走行動）を行う摺動装置における各部材（可動側部材と固定側部材）を包含している。例えば、軸受部における回転部材である軸又はその固定部材である軸受のそれぞれに適用される部材を意味している。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の複合材料に含有される硬質粒子（微細粒子及び粗大粒子）は、炭化物系，硼化物系，窒化物系，珪化物系，酸化物系等の各種セラミックスである。特に、炭化物系，硼化物系，窒化物系セラミックスは、高硬度を有すると共に、摺動性に優れている点で好適である。その炭化物系の例として、ＷＣ，Ｗ２Ｃ，ＴｉＣ，ＮｂＣ，ＶＣ，Ｍｏ２Ｃ，Ｃｒ３Ｃ２，ＴａＣ，ＺｒＣ等、硼化物系の例としてＭｏＢ，ＴｉＢ２，ＣｒＢ，ＶＢ2，ＮｂＢ２，ＴａＢ２，ＷＢ等、窒化物系の例としてＴｉＮ，ＣｒＮ等が挙げられる。
【００１０】
粗大粒径の硬質粒子について、その粒径を７５〜２００μｍとしたのは、粒径がこれより小さいと、セラミックスを相手材とする場合における耐摩耗性の付与効果が乏しいからであり、２００μｍを上限とするのは、これより粗大な粒径を使用すると、微細粒子の混合量の必要量が増大し、靭性・強度の面の不利を招くからである。
【００１１】
他方、微細硬質粒子の粒径を１０μｍ以下に制限したのは、粒径１０μｍ程度の土砂粒に対する耐摩耗性を確保するためである。微細粒子の粒径の下限は特に限定されないが、約１μｍを下回る極微細粒径である必要はない。
【００１２】
硬質粒子の含有量（微細粒子と粗大粒子の合計量）を、４０〜８０体積％の範囲に制限しているのは、これより少ないとその配合効果が乏しく、他方これを越えると強度・靭性を確保し得なくなるからである。なお、微細粒子のみを配合する場合は、その配合量が約８０体積％程度になると、強度・靭性の急激な低下をみるのに対し、本発明では８０体積％の含有量でも、比較的良好な強度・靭性を保持する。このことも、微細粒径（10μｍ以下）と粗大粒径（75〜200μｍ）とを複合的に配合したことに基づく効果であると考えられる。
【００１３】
微細粒径と粗大粒径の硬質粒子（合計含有量40〜75体積％）の共存効果は、微細粒子の含有量（ＶＡ）を５体積％以上、粗大粒子の含有量（ＶＢ）を３０体積％以上とすることにより増強される。また、その共存効果を最大限に発揮させるために、微細粒子と粗大粒子の含有量比（ＶＢ／ＶＡ）を１〜７の範囲に調整することが望ましい。
【００１４】
マトリックスの金属材種は、耐焼付き性、高温強度、耐食性（例えば海水に対する耐食性）等の点から、Ｃｏ基合金、Ｎｉ基合金、Ｔｉ基合金が好適である。これらの合金は、機械強度や耐食性等の物性をより高めるための合金元素として、所望によりＣｒ，Ｍｏ，Ｂ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｗ，Ａｌ，Ｖ等の１種ないし２種以上を適量含有する化学組成が与えられる。また、マトリックスが高硬度（好ましくはＨＲＣ２０以上）を有している場合は、強化材である硬質粒子の配合量を少な目に調整できるので有利である。
【００１５】
金属マトリックスの具体例として、下記の化学組成を有する合金が挙げられる（元素含有量は、すべて重量％である）。
［Ｃｏ基合金］
Ｃｒ：１５〜３５％，Ｍｏ：５〜２０％，Ｂ：１〜５％，Ｆｅ：３％以下、Ｎｉ：５％以下，Ｃ：３％以下，Ｓｉ：２％以下，残部Ｃｏ及び不可避不純物。
Ｃｒ：２０〜４０％，Ｎｉ：３％以下，Ｗ：４〜２０％，Ｆｅ：５％以下，Ｃ：２．５％以下，Ｓｉ：２％以下，残部Ｃｏ及び不可避不純物。
【００１６】
［Ｎｉ基合金］
Ｃｒ：５〜３０％，Ｂ：５％以下，Ｆｅ：５％以下，Ｃ：２．０％以下，Ｓｉ：１０％以下，残部Ｎｉ及び不可避不純物。
［Ｔｉ基合金］
Ａｌ：２〜１０％，Ｖ：１〜１０％，残部Ｔｉ及び不可避不純物。
【００１７】
なお、摺動部材を、母材金属と複合材料層との積層構造体として製作する場合の母材金属層は、摺動部材の使用環境に応じた構造材料を適宜選択すればよい。ステンレス鋼，Ｔｉ合金等は海水性等に対する耐食性にも優れ、海水中で使用される軸受装置の摺動部材の構成材料としても好ましく使用される。ステンレス鋼では、特にオーステナイト系ステンレス鋼（SUS304，SUS316等），二相ステンレス鋼（SUS329J1等）が好適である。
【００１８】
本発明の複合材料は、マトリックスとなる金属粉末と強化材である硬質粒子（微細粒子及び粗大粒子）をボールミル等で均一に混合して原料粉末を調製し、溶接肉盛層（例えば、粉体プラズマ溶接肉盛法）として、または熱間静水圧加圧成形法（ＨＩＰ法）等による焼結体として製造される。
【００１９】
ＨＩＰ処理は、原料粉末をカプセルに充填（脱気密封）し、加圧・加熱下に適当時間保持することにより行われる。処理温度は約９００〜１２００℃、加圧力は約７０〜１５０ＭＰａの範囲で適宜設定される。処理時間は約１〜１０Ｈｒである。処理後、カプセルを機械加工等で除去し摺動部材を得る。
また、摺動部材を、図３に示すように、金属からなる母材層（２）と複合材料層（１）との複層スリーブ（３）として製作する場合は、母材層（２）となる金属円筒体と原料粉末をカプセルに積層充填してＨＩＰ処理すればよい。層界面はＨＩＰ処理で生じる固相拡散により強固に結合一体化される。
【００２０】
別法として、溶接肉盛法（粉体プラズマ溶接肉盛法等）を適用して摺動部材を製作する場合は、母材表面に原料粉末（金属粉末と硬質粒子粉末の混合物）を供給しながらプラズマアーク熱で金属粉末を溶融し、溶融プールに硬質粒子を懸濁させて凝固することにより、溶接ビードとして複合材料層を形成する。
【００２１】
上記溶接肉盛法とＨＩＰ成形法とを比較すると、ＨＩＰ成形法は、溶接肉盛法に比し処理温度が低く、従って硬質粒子の溶解・消失（硬質粒子の粒径変化・消失とそれに伴う複合組織における硬質粒子の体積％の変化、および硬質粒子の溶融に伴う金属マトリックスの組成変化）がなく、硬質粒子の分散強化作用を効果的に発現させることができる。また、図３の積層構造を有する摺動部材を製作する場合も、溶接肉盛法と異なって、母材層（２）の溶融・希釈（界面における成分変化）が少ない。このため、母材層や硬質粒子の材種の選択・組み合わせ等の自由度が大きくかつ、成分設計が容易である。
【００２２】
図４，図５は、軸受装置における本発明摺動部材の適用態様の例を示している。図４は、前記図３のスリーブを軸（５）に装着固定した例である。図５は、軸（５）の所要位置に表面を一周する凹陥溝（７）を設け、該凹陥溝内に本発明の複合材料層（１）を形成した例である。凹陥溝（７）内の複合材料層（１）は、粉体プラズマ溶接等による肉盛層として、あるいはＨＩＰを適用して焼結体として形成される。軸受側の部材に対しても、ＨＩＰ又は溶接肉盛法等を適用して本発明の複合材料からなる摺動面を形成することができる。
【００２４】
【実施例】
マトリックスとなる金属粉末と強化材である硬質粒子との混合粉末を原料とし、複合材料を製作する。
【００２５】
(1)金属マトリックス（元素含有量:重量％）
（Ｃｏ合金１）
Cr:15.50，Mo:5.20，B:0.72，Ni:1.03，Fe:0.94，C:1.14，Si:0.33，Co:Bal
HRC=53
（Ｃｏ合金２）
Cr:31.35，W:8.39，Ni:1.98，Fe:2.06，C:1.71，Si:1.27，Co:Bal
HRC=43
（Ｎｉ合金）
Cr:15.77，B:2.70，Fe:3.68，C:0.64，Si:4.72，Ni:
Bal
HRC=51
（Ｔｉ合金）
Al:6.12，V:4.23，Ti: Bal
HRC=13
【００２６】
(2)微細硬質粒子の材種および粒径（かっこ内は平均粒径）
ＷＣ  …10μm以下（4.1μm）
ＴｉＣ…10μm以下（1.51μm）
ＮｂＣ…10μm以下（1.05μm）
ＭｏＢ…10μm以下（5.22μm）
ＴｉＮ…10μm以下（1.2-1.8μm）
【００２７】
(3)粗大硬質粒子の材種および粒径
Ｗ２Ｃ …100-200μｍ
ＴｉＣ… 75-150μｍ
ＮｂＣ… 75-150μｍ
【００２８】
(4)ＨＩＰ処理
金属粉末および硬質粒子粉末を秤量して配合し、ボールミルで均一に混合した後、カプセル（軟鋼製）に減圧封入しＨＩＰ処理する。処理後、カプセルを機械加工により除去し、焼結体として形成された複合材料を採取した。
温度    ：１１００℃
加圧力  ：１１０ＭＰａ
処理時間：２Ｈｒ
【００２９】
供試複合材料から試験片を調製し下記の試験を行った。
［摩耗試験１］
セラミックスを相手材とする耐摩耗性の評価試験。
大越式迅速摩耗試験機による。試験片を相手材（回転円盤）に押し付け、試験片表面に生じた摩耗疵の深さ・幅等から、試験片表面の摩耗減肉量（mm２/N）を算出する。
相手材：窒化珪素セラミックス
周速度：３．３８ｍ／ｓ
摩擦距離：４００ｍ
荷重：６１Ｎ
【００３０】
［摩耗試験２］
耐土砂摩耗浸食性の評価試験。
回転軸の下端部に円筒形状の試験材（外径30×肉厚5（複合材料層厚2）×長さ50，mm）を取付け、該試験材を包囲する円筒状軸受部材（窒化珪素セラミックス）を配置した装置内において、スラリー（珪砂懸濁水）中で回転軸を所定時間回転駆動する。試験終了後、供試材と軸受部材の減肉量の合計（供試材の外径変化量＋軸受部材の内径変化量）を測定する。
摺動径：３０ｍｍ
周速度：５．７ｍ／秒
懸濁粒子・濃度：８号珪砂・５０００ｐｐｍ
試験時間：１００Hr
【００３１】
［曲げ強度］
試験法：三点曲げ試験（JIS  B1601）
試験片サイズ：3×4×40，ｍｍ
スパン距離：30ｍｍ
試験温度：室温
【００３２】
【表１】
0004018308.tif 000002
【００３３】
表１は、各供試材の成分組成と物性の測定結果を示している。
比較例No.101およびNo.102は、発明例と同様に硬質粒子として微細粒径と粗大粒径の２種の粒子が複合されているが、No.101はその複合量が不足し、No.102は複合量が過剰の例である。またNo.103は硬質粒子として粗大粒子を含有する例（微細粒子の複合なし）、No.104は微細粒子を含有する例（粗大粒子の配合なし）である。
【００３４】
比較例No.101（硬質粒子の配合量不足）は、微細粒子と粗大粒子を複合的に含有してはいるが、耐摩耗性が乏しく、相手材（セラミックス）との摺動による摩耗減肉、およびスラリーの接触による土砂摩耗浸食が顕著である。No.102（硬質粒子の配合量過剰）は、耐摩耗性に問題はないものの、強度が極端に低い（試験片の曲げ強度測定不能）。比較例No.103（粗大粒径の硬質粒子のみ含有）は、セラミックス相手材に対する耐摩耗性は良好であるが、土砂摩耗による摩耗浸食が顕著である。No.104（微細粒子のみ複合）は、セラミックス相手材に対する耐摩耗性に乏しい。耐土砂摩耗浸食性が低く、強度も劣る。
【００３５】
他方、発明例は、微細粒径と粗大粒径の硬質粒子を適量複合含有している効果として、セラミックス相手材に対する摩耗抵抗性および土砂摩耗浸食に対する抵抗性に優れ、かつ良好な曲げ強度を具備している。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の摺動部材用複合材料は、微細粒径と粗大粒径の２種の粒子を金属マトリックスに共存分散させた複合組織を有する効果として、セラミックスを相手材とする卓抜した摩耗抵抗性を有すると共に、土砂摩耗侵食に対する良好な摩耗抵抗性を具備し、かつ摺動部材に必要な強度・靭性等を帯有している。本発明の複合材料は、このような苛酷な摺動・摩擦環境供される摺動部材料として、その摺動機能の安定性を高め、耐久性の向上、メンテナンスの軽減等に多大の効果をもたらすものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合材料の硬質粒子の分散形態を模式的に示す断面説明図である。
【図２】従来の複合材料の硬質粒子の分散形態を模式的に示す断面説明図である。
【図３】本発明の複合材料を適用した摺動部材の例を示す正面断面図である。
【図４】摺動装置部材に対する複合材料の適用例を示す一部切欠正面図である。
【図５】摺動装置部材に対する複合材料の適用例を示す一部切欠正面図である。
【図６】摺動部材の例を示す正面図である。
【符号の説明】
１：複合材料層
２：母材金属層
３：複層スリーブ
５：軸
７：凹陥溝
Ｐ：硬質粒子
Ｐ１：微細硬質粒子
Ｐ２：粗大硬質粒子
Ｍ：金属マトリックス
【図１】
0004018308.tif 000003
【図２】
0004018308.tif 000004
【図３】
0004018308.tif 000005
【図４】
0004018308.tif 000006
【図５】
0004018308.tif 000007
【図６】
0004018308.tif 000008