(57)【要約】【課題】鉄基焼結摺動材料におけるＣｕの含有量を質量比で１５％以上に増加することにより、Ｃｕの特性に基づくＦｅ基地中におけるＣｕ単体の析出量を増大し、摺動特性を格段に向上することができる鉄基焼結摺動材料を提供する。【解決手段】 全体組成が、質量比で、Ｓ：０．２〜３．０％、Ｃｕ：１５〜５０％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなるとともに硫化物粒子が分散する基地と気孔とからなる金属組織を有し、 前記基地は、フェライト相もしくは銅相が分散するフェライト相であることを特徴とする鉄基焼結摺動材料。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
全体組成が、質量比で、Ｓ：０．２〜３．０％、Ｃｕ：１５〜５０％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなるとともに硫化物粒子が分散する基地と気孔とからなる金属組織を有し、
前記基地は、フェライト相もしくは銅相が分散するフェライト相であることを特徴とする鉄基焼結摺動材料。
【請求項２】
鉄粉末に、質量比で０．２〜３．０％のＳ粉と、１５〜５０％のＣｕ粉とを添加して混合した原料粉末を用い、押型内で圧粉成形し、得られた成形体を非酸化性雰囲気中、１１００〜１３００℃で焼結することを特徴とする鉄基焼結摺動材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種の摺動部材の製造に好適な鉄基焼結摺動材料に関し、特に、油圧ギアポンプ等に使用される側板（サイドプレート）を製造するに好適な鉄基焼結摺動材料及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、各種装置の摺動部に使用される摺動部材を製造するため、摺動特性及び機械的強度に優れた種々の摺動材料が提案されている。
例えば、粉末冶金法で製造される焼結摺動材料として、特開２０１４−１７７６５８号公報には、固体潤滑剤が気孔中及び粉末粒界のみならず、粉末粒内にも均一に分散されるとともに基地に強固に固着され、摺動特性及び機械的強度に優れた鉄基焼結摺動部材が提案されている。
【０００３】
具体的に、前記特開２０１４−１７７６５８号公報には、全体組成が、質量比で、Ｓ：０．２〜３．２４％、Ｃｕ：３〜１０％および残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなるとともに、硫化物粒子が分散する基地と、気孔とからなる金属組織を有し、前記基地は、フェライト相もしくは銅相が分散するフェライト相であり、前記硫化物粒子は、基地に対して０．８〜１５．０体積％の割合で分散した鉄基焼結摺動部材が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１７７６５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された鉄基焼結摺動部材では、質量比でＣｕが３〜１０％含有されているが、Ｃｕは、Ｆｅ基地中に固溶されたＣｕと硫化物として存在し、Ｃｕ単体としては殆ど存在していない。
【０００６】
しかしながら、前記した特許文献１に記載された鉄基焼結摺動部材では、質量比でＣｕは３〜１０％程度しか含有されておらず、Ｃｕ単体の割合は少ないので、鉄基焼結摺動部材中に単体で存在するＣｕによる摺動特性の更なる向上を図ることは困難なものであった。
【０００７】
本発明は前記従来の問題点を解消するためになされたものであり、鉄基焼結摺動材料におけるＣｕの含有量を質量比で１５％以上に増加することにより、Ｃｕ単体の割合を増大し、摺動特性を格段に向上することができる鉄基焼結摺動材料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】
【０００８】
前記目的を達成するため請求項１に係る鉄基焼結衝動材料は、 全体組成が、質量比で、Ｓ：０．２〜３．０％、Ｃｕ：１５〜５０％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなるとともに硫化物粒子が分散する基地と気孔とからなる金属組織を有し、 前記基地は、フェライト相もしくは銅相が分散するフェライト相であることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に係る鉄基焼結摺動材料の製造方法は、 鉄粉末に、質量比で０．２〜３．０％のＳ粉と、１５〜５０％のＣｕ粉とを添加して混合した原料粉末を用い、押型内で圧粉成形し、得られた成形体を非酸化性ガス雰囲気中、１１００〜１３００℃で焼結することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本願発明に係る鉄基摺動材料は、質量比でＣｕが１５〜５０％含有されているので、Ｃｕ単体の割合を増大し、摺動特性を格段に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施例〜第５実施例に係る鉄基焼結摺動材料の生成条件及び摩擦摩耗試験の試験結果を示すテーブルである。
【図２】各実施例におけるＣｕ添加量と焼付面圧との関係を示すグラフである。
【図３】第３実施例に係る鉄基焼結摺動材料の断面組織を撮影した写真である。
【図４】Ｃｕにより摺動特性が向上する例を記載した模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態に係る鉄基焼結摺動材料の金属組織及び数値限定の根拠について、本実施形態の作用とともに説明する。本実施形態の鉄基焼結摺動材料では、主成分をＦｅとする。ここで、主成分とは、焼結摺動材料中の過半を占める成分の意味であり、本実施形態においては全体組成におけるＦｅ量が５０質量％以上である。金属組織は、Ｆｅ硫化物粒子とＣｕ硫化物粒子と銅相が分散する鉄基地（鉄合金基地）と気孔とからなる。鉄基地は、鉄粉末及び／又は鉄合金粉末により形成される。気孔は、粉末冶金法に起因して生じるものであり、原料粉末を圧粉成形した際の粉末間の空隙が、原料粉末の結合により形成された鉄基地中に残留したものである。
【００１３】
また、鉄基地にＳを付与し、Ｆｅと結合して硫化鉄を生成する。このように鉄基地中に析出する硫化物は、主成分であるＦｅと結合されて生成する硫化鉄である。
【００１４】
ここで、Ｃｕは室温ではＦｅと比較すると硫化物を形成し難いが、高温下ではＦｅよりも標準生成自由エネルギーが小さく、硫化物を形成し易い。また、Ｃｕはα-Ｆｅ中への固溶限が小さく、化合物を生成しないため、高温下でγ-Ｆｅ中に固溶したＣｕは冷却過程でα-Ｆｅ中にＣｕ単体で析出する特性を持っている。そのため、焼結中の冷却過程で一度固溶したＣｕはＦｅ基地中から均一に析出する。このとき、Ｃｕと硫化物はこの基地中から析出したＣｕを核として金属硫化物（硫化銅、鉄と銅の複合硫化物）を形成するとともに、その周囲に硫化物粒子（硫化鉄）の析出を促進する作用を有する。
【００１５】
なお、Ｃｕは硫化物の生成を促進させることから、Ｃｕ量に比してＳ量が多い場合には鉄基地中に硫化銅もしくは鉄と銅の複合硫化物等の形態で析出するが、Ｃｕ量に比してＳ量が少ない場合には鉄基地中に銅相として析出して分散する。
【００１６】
Ｓは硫黄粉末の形態で付与される。この方が硫化物の形態で付与するよりも安価であり、また、Ｓの含有量を簡単にコントロールできる。
【００１７】
Ｃｕは、銅粉末、銅合金粉末もしくは鉄に銅を部分的に拡散した粉末の形態で付与される。Ｃｕは、上述のとおり、硫化物粒子の析出を促進する効果があるとともに、鉄基地中に銅相が析出して分散する場合、軟質な銅相が、相手部材とのなじみ性を向上させる作用を有する。本実施形態において、Ｃｕ量は全体組成において１５〜５０質量％の範囲、望ましくは２０〜４０質量％の範囲で付与する。
【００１８】
尚、一般に、鉄基焼結合金は、鉄基地の強化のため、Ｃを鉄基地に固溶させて鋼として使用するが、本実施形態に係る鉄基焼結摺動材料においても同様にＣを追加することができる。Ｃは、合金粉末の形態で付与すると合金粉末の硬さが高くなって原料粉末の圧縮性が低下するため、黒鉛粉末の形態で付与する。
ここに、Ｃを基地に固溶させず気孔中に黒鉛の状態で残留させると、この黒鉛が固体潤滑剤として機能し、摩擦係数の低減、摩耗の抑制等の効果が得られ、摺動特性を向上させることができる。
また、Ｃの一部あるいは全部が気孔中に黒鉛として分散していることが好ましい。この場合、Ｃを黒鉛粉末の形態で添加する。
【００１９】
鉄基地の金属組織は、Ｃを与えない場合フェライト組織となる。また、Ｃを与える場合において、Ｃを気孔中に黒鉛の状態で残留させたとき、鉄基地の金属組織はフェライトとなる。そして、Ｃの一部および全部を鉄基地に拡散させたとき、鉄基地の金属組織はフェライトとパーライトの混合組織もしくはパーライトとなる。
【００２０】
原料粉末は、従来から行われているように、製品の外周形状を造形する型孔を有する金型と、金型の型孔と摺動自在に嵌合し、製品の下端面を造形する下パンチと、製品の上端面を造形する上パンチにより原料粉末を圧縮成形した後、金型の型孔から抜き出す方法（押型法）により成形体に成形される。
【００２１】
得られた成形体は、焼結炉で加熱されて焼結が行われる。このときの加熱保持温度、すなわち焼結温度は、焼結の進行および硫化物の形成に重要な影響を与える。ここで、Ｃｕの融点が１０８４．５℃であることから、Ｃｕ液相を充分に発生させるため焼結温度を１１００℃以上とする。一方、焼結温度が１３００℃より高くなると、液相発生量が過多となり型くずれが生じ易くなる。なお、焼結雰囲気は非酸化性の雰囲気であればよいが、上述のようにＳはＨ、Ｏと反応しやすいため、露点が低い雰囲気を用いることが好ましい。
【実施例】
【００２２】
以下、図１に示すテーブルを参照しつつ第１実施例〜第６実施例に基づき説明する。
［第１実施例］
Ｃｕ：１０質量％及びＳ：２質量％を鉄粉末（８８質量％）に添加し、混合して原料粉末を得た。そして、原料粉末を成形面圧：４００［ＭＰａ］、成形密度：６．０５［g/cm3］で成形し、３０ｍｍ×３０ｍｍの平板状の圧粉体を作製した。次いで、非酸化性ガス雰囲気中、焼結温度：１１００℃で焼結時間：３０分間焼結して第１実施例に係る第１焼結体（Ｆｅ−１０Ｃｕ−２Ｓ）を作製した。かかる第１焼結体につき、下記条件でリングオンディスク試験を行った。
記
試料：３０ｍｍ×３０ｍｍの平板形状
相手材：クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４１５）に浸炭焼入れしたリング材
表面粗さ：試料及びリング材共にＲａ０．２
荷重ステップ：０．２５ＭＰａ／５ｍｉｎ
周速：６ｍ／ｓｅｃ
油種：作動油
油温：１００℃
焼付きの判断は、摩擦係数が０．１５以上になったときを基準とした。
【００２３】
かかる第１焼結体の焼結密度は、５．８８［g/cm3］であり、作動油（１００℃）環境下ですべり速度６［m/s］時のリングオンディスク試験により３．２５［MPa］の焼付面圧が得られた。
【００２４】
［第２実施例］
Ｃｕ：１５質量％及びＳ：２質量％を鉄粉末（８３質量％）に添加し、混合して原料粉末を得た。そして、原料粉末を成形面圧：４００［ＭＰａ］、成形密度：６．０５［g/cm3］で成形し、３０ｍｍ×３０ｍｍの平板状の圧粉体を作製した。次いで、非酸化性ガス雰囲気中、焼結温度：１１００℃で焼結時間：３０分間焼結して第２実施例に係る第２焼結体（Ｆｅ−１５Ｃｕ−２Ｓ）を作製した。かかる第２焼結体につき、前記第１実施例にて行ったものと同一条件でリングオンディスク試験を行った。
【００２５】
かかる第２焼結体の焼結密度は、５．９７［g/cm3］であり、作動油（１００℃）環境下ですべり速度６［m/s］時のリングオンディスク試験により４．２５［MPa］の焼付面圧が得られた。
【００２６】
［第３実施例］
Ｃｕ：２０質量％及びＳ：２質量％を鉄粉末（７８質量％）に添加し、混合して原料粉末を得た。そして、原料粉末を成形面圧：４００［ＭＰａ］、成形密度：６．０８［g/cm3］で成形し、３０ｍｍ×３０ｍｍの平板状の圧粉体を作製した。次いで、非酸化性ガス雰囲気中、焼結温度：１１００℃で焼結時間：３０分間焼結して第３実施例に係る第３焼結体（Ｆｅ−２０Ｃｕ−２Ｓ）を作製した。かかる第３焼結体につき、前記第１実施例にて行ったものと同一条件でリングオンディスク試験を行った。
【００２７】
かかる第３焼結体の焼結密度は、６．０６［g/cm3］であり、作動油（１００℃）環境下ですべり速度６［m/s］時のリングオンディスク試験により４．７５［MPa］の焼付面圧が得られた。
【００２８】
［第４実施例］
Ｃｕ：３０質量％及びＳ：２質量％を鉄粉末（６８質量％）に添加し、混合して原料粉末を得た。そして、原料粉末を成形面圧：４００［ＭＰａ］、成形密度：６．１８［g/cm3］で成形し、３０ｍｍ×３０ｍｍの平板状の圧粉体を作製した。次いで、非酸化性ガス雰囲気中、焼結温度：１１００℃で焼結時間：３０分間焼結して第４実施例に係る第４焼結体（Ｆｅ−３０Ｃｕ−２Ｓ）を作製した。かかる第４焼結体につき、前記第１実施例にて行ったものと同一条件でリングオンディスク試験を行った。
【００２９】
かかる第４焼結体の焼結密度は、６．３７［g/cm3］であり、作動油（１００℃）環境下ですべり速度６［m/s］時のリングオンディスク試験により５．００［MPa］の焼付面圧が得られた。
【００３０】
［第５実施例］
Ｃｕ：４０質量％及びＳ：２質量％を鉄粉末（５８質量％）に添加し、混合して原料粉末を得た。そして、原料粉末を成形面圧：４００［ＭＰａ］、成形密度：６．２８［g/cm3］で成形し、３０ｍｍ×３０ｍｍの平板状の圧粉体を作製した。次いで、非酸化性ガス雰囲気中、焼結温度：１１００℃で焼結時間：３０分間焼結して第５実施例に係る第５焼結体（Ｆｅ−４０Ｃｕ−２Ｓ）を作製した。かかる第５焼結体につき、前記第１実施例にて行ったものと同一条件でリングオンディスク試験を行った。
【００３１】
かかる第５焼結体の焼結密度は、６．５７［g/cm3］であり、作動油（１００℃）環境下ですべり速度６［m/s］時のリングオンディスク試験により５．２５［MPa］の焼付面圧が得られた。
【００３２】
［第６実施例］
Ｃｕ：５０質量％及びＳ：２質量％を鉄粉末（４８質量％）に添加し、混合して原料粉末を得た。そして、原料粉末を成形面圧：４００［ＭＰａ］、成形密度：６．４３［g/cm3］で成形し、３０ｍｍ×３０ｍｍの平板状の圧粉体を作製した。次いで、非酸化性ガス雰囲気中、焼結温度：１１００℃で焼結時間：３０分間焼結して第６実施例に係る第６焼結体（Ｆｅ−５０Ｃｕ−２Ｓ）を作製した。かかる第６焼結体につき、前記第１実施例にて行ったものと同一条件でリングオンディスク試験を行った。
【００３３】
かかる第６焼結体の焼結密度は、７．１１［g/cm3］であり、作動油（１００℃）環境下ですべり速度６［m/s］時のリングオンディスク試験により５．００［MPa］の焼付面圧が得られた。
【００３４】
尚、図１のテーブルに示すように、鉄粉末（１００質量％）のみで原料粉末を生成し、かかる原料粉末を成形面圧：４００［ＭＰａ］、成形密度：６．２８［g/cm3］で成形し、３０ｍｍ×３０ｍｍの平板状の圧粉体を作製した。次いで、非酸化性ガス雰囲気中、焼結温度：１１００℃で焼結時間：３０分間焼結して比較例１に係る焼結体（Ｆｅ）を作製した。
かかる焼結体の焼結密度は、６．２７［g/cm3］であり、作動油（１００℃）環境下ですべり速度６［m/s］時のリングオンディスク試験により２．５０［MPa］の焼付面圧が得られた。
【００３５】
更に、図１のテーブルに示すように、Ｓ：２質量％を鉄粉末（９８質量％）に添加し、混合して原料粉末を得た。かかる原料粉末を成形面圧：４００［ＭＰａ］、成形密度：６．０９［g/cm3］で成形し、３０ｍｍ×３０ｍｍの平板状の圧粉体を作製した。次いで、非酸化性ガス雰囲気中、焼結温度：１１００℃で焼結時間：３０分間焼結して比較例２に係る焼結体（Ｆｅ−２Ｓ）を作製した。
かかる焼結体の焼結密度は、６．１２［g/cm3］であり、作動油（１００℃）環境下ですべり速度６［m/s］時のリングオンディスク試験により３．５０［MPa］の焼付面圧が得られた。
【００３６】
続いて、第１比較例、第２比較例、第１実施例〜第６実施例に関して、Ｃｕ添加量［wt%]と焼付面圧［MPa］との関係について調べた。その結果が図２のグラフに示されている。
図２のグラフにおいて、第１比較例はＣｕを添加することなくＦｅのみを焼結して得られた焼結体であり、焼付面圧は２．５［MPa］である。また、第２比較例はＳ：２質量％のみをＦｅ粉末に添加した原料粉末を焼結して得られた焼結体であり、焼付面圧は３．５［MPa］である。第１比較例と第２比較例とを比較すれば明らかなように、Ｓは焼付面圧を増加して摺動特性を向上させる作用を奏する。
【００３７】
第１実施例〜第６実施例のそれぞれに係る第１焼結体〜第６焼結体は、それぞれ２質量％のＳが添加された原料粉末で作製しているが、Ｃｕの含有量はそれぞれ異なっている。
【００３８】
先ず、第１実施例に係る第１焼結体を作製するための原料粉には、１０質量％のＣｕが含有されているが、測定された焼付面圧は３．２５［MPa］であり、第２比較例の焼結体で測定された焼付面圧（３．５［MPa］）よりも低い値である。これは、Ｃｕが鉄基地中に拡散され、鉄基地が硬くなったこと、及び、銅相が未拡散銅として殆ど存在していないことに起因して、焼付面圧の値が低くなったものと考えられる。
【００３９】
第２実施例に係る第２焼結体を作製するための原料粉には、１５質量％のＣｕが含有されており、測定された焼付面圧は４．２５［MPa］である。このように比較的高い焼付面圧の値が得られたのは、Ｃｕの含有量が１０質量％から１５質量％に増加するに従って焼結体２において析出した銅相が未拡散銅として残存していることに基づくと考えられる。未拡散銅の存在に基づき焼付面圧の値が高くなり、摺動特性が向上するものである。
【００４０】
第３実施例に係る第３焼結体を作製するための原料粉には、２０質量％のＣｕが含有されており、測定された焼付面圧は４．７５［MPa］である。このように更に高い焼付面圧の値が得られたのは、Ｃｕの含有量が１５質量％から２０質量％に増加するに従って焼結体３において析出した銅相が未拡散銅として残存していることに基づくと考えられる。未拡散銅の存在に基づき焼付面圧の値が高くなり、摺動特性が向上するものである。
【００４１】
第４実施例に係る第４焼結体を作製するための原料粉には、３０質量％のＣｕが含有されており、測定された焼付面圧は５．００［MPa］である。このように第３実施例と比較して高い焼付面圧の値が得られたのは、Ｃｕの含有量が２０質量％から３０質量％に増加するに従って焼結体４において析出した銅相がより多くの未拡散銅として残存していることに基づくと考えられる。多くの未拡散銅の存在に基づき焼付面圧の値が高くなり、更に摺動特性が向上するものである。
【００４２】
第５実施例に係る第５焼結体を作製するための原料粉には、４０質量％のＣｕが含有されており、測定された焼付面圧は５．２５［MPa］である。このように第４実施例と比較して高い焼付面圧の値が得られたのは、Ｃｕの含有量が３０質量％から４０質量％に増加するに従って焼結体５において析出した銅相がより多くの未拡散銅として残存していることに基づくと考えられる。更に多くの未拡散銅の存在に基づき焼付面圧の値が高くなり、更に摺動特性が向上するものである。
【００４３】
第６実施例に係る第６焼結体を作製するための原料粉には、５０質量％のＣｕが含有されており、測定された焼付面圧は５．００［MPa］である。このように第５実施例と比較して低い焼付面圧の値が得られている。これについては以下のように考えられる。
即ち、Ｃｕが４０質量％から５０質量％に増加するに従って焼結体５において析出した銅相がより多くの未拡散銅として残存するものではあるが、Ｃｕの含有量に基づく焼付面圧の値は、Ｃｕの含有量が４０質量％程度でピークとなり、４０質量％を超えるＣｕに基づく銅相は焼付面圧の値には寄与しなくなるものと考えられる。
【００４４】
ここで、前記第１実施例〜第６実施例係る第１焼結体〜第６焼結体の内、第４実施例に係る第４焼結体を例として、その断面組織写真を図３に示す。図３において、鉄基地は白色の部分であり、硫化物は灰色の部分である。気孔は黒色の部分である。図３において硫化物（灰色）は鉄基地（白色）中に析出して分散しており、基地への固着性が良好であることが伺える。なお、気孔（黒色）は比較的丸みを帯びた形状となっている。
また、銅相は薄い灰色の部分であり、鉄基地の金属組織中に未拡散銅として比較的均一に分散されている。
【００４５】
前記したように、鉄基焼結摺動材料中に析出されて未拡散銅として分散されている場合には、銅相に基づき焼付面圧の値が増加して摺動特性を向上することに加えて、図４に模式的に示すように、Ｆｅ粒子の間に存在するＣｕ相は軟質であることから、酸化物等の不純物が発生しても、かかる不純物はＣｕ相中に埋没させることができる。これにより、鉄基焼結摺動材料における摺動特性を向上させることができる。
【００４６】
尚、本発明は前記実施形態により限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能であることは勿論である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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