(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅−珪素−錫の合金粉末または鉄−銅−珪素−錫の合金粉末と銅粉末と炭素粉末と鉄粉末とからなる鉄系焼結摺動部材であって、銅成分１５〜２５ｗｔ％、珪素成分１〜５ｗｔ％、錫成分１〜５ｗｔ％、炭素成分３〜１０ｗｔ％、残部鉄成分からなり、素地がパーライト組織またはフェライト組織またはパーライトとフェライトが共存した組織を呈し、該組織中に炭素成分が分散含有されていることを特徴とする鉄系焼結摺動部材。
【請求項２】
炭素は、天然黒鉛または人造黒鉛からなる請求項１に記載の鉄系焼結摺動部材。
【請求項３】
潤滑油が１５〜２０ｖｏｌ％の割合で含油されている請求項１又は２に記載の鉄系焼結摺動部材。
【請求項４】
銅−珪素−錫の合金粉末または鉄−銅−珪素−錫の合金粉末と銅粉末と炭素粉末と鉄粉末とからなる鉄系焼結層が鋼裏金の表面にろう材を介して一体に接合されてなる複層からなる鉄系焼結摺動部材であって、該鉄系焼結層は銅成分１５〜２５ｗｔ％、珪素成分１〜５ｗｔ％、錫成分１〜５ｗｔ％、炭素成分３〜１０ｗｔ％、残部鉄成分からなり、素地がパーライト組織またはフェライト組織またはパーライトとフェライトが共存した組織を呈し、該組織中に炭素成分が分散含有されていることを特徴とする鉄系焼結摺動部材。
【請求項５】
炭素は、天然黒鉛または人造黒鉛からなる請求項４に記載の鉄系焼結摺動部材。
【請求項６】
鉄系焼結層に潤滑油が１５〜２０ｖｏｌ％の割合で含油されている請求項４又は５に記載の鉄系焼結摺動部材。
【請求項７】
主成分をなす鉄粉末に対し、炭素粉末３〜１０ｗｔ％と銅−珪素−錫の合金粉末または鉄−銅−珪素−錫の合金粉末と銅粉末を銅成分として１５〜２５ｗｔ％、珪素成分として１〜５ｗｔ％、錫成分として１〜５ｗｔ％となるように配合し、混合して混合粉末を形成し、該混合粉末を金型に装填して所望の形状の圧粉体を成形し、この圧粉体を中性もしく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分間焼結することを特徴とする鉄系焼結摺動部材の製造方法。
【請求項８】
炭素粉末は、天然黒鉛または人造黒鉛からなる請求項７に記載の鉄系焼結摺動部材の製造方法。
【請求項９】
圧粉体を焼結して鉄系焼結摺動部材を得たのち、これに含油処理を施し、１５〜２０ｖｏｌ％の割合で潤滑油を含油する請求項７又は８に記載の鉄系焼結摺動部材の製造方法。
【請求項１０】
主成分をなす鉄粉末に対し、炭素粉末３〜１０ｗｔ％と銅−珪素−錫の合金粉末または鉄−銅−珪素−錫の合金粉末と銅粉末を銅成分として１５〜２５ｗｔ％、珪素成分として１〜５ｗｔ％、錫成分として１〜５ｗｔ％となるように配合し、混合して混合粉末を形成し、この混合粉末に粉末結合剤の１〜１５ｗｔ％水溶液を該混合粉末に対し０．１〜５．０ｗｔ％添加し均一に混合してこれを原料粉末とし、該原料粉末を圧延ロールに供給して圧延シートを成形したのち、該圧延シートを中性もしくは還元性雰囲気に調整した加熱炉内で１１００〜１１５０℃の温度で焼結して焼結板を作製し、該焼結板を鋼板からなる裏金の表面にロウ材を介して重ね合わせ、これを中性もしくは還元性雰囲気に調整した加熱炉内で該ロウ材のろう接温度で０．１〜５．０ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力下で２０〜３０分間加圧し、該焼結板の裏金表面への接合を行わせることを特徴とする複層からなる鉄系焼結摺動部材の製造方法。
【請求項１１】
炭素粉末は、天然黒鉛または人造黒鉛からなる請求項１０に記載の複層からなる鉄系焼結摺動部材の製造方法。
【請求項１２】
焼結板の裏金表面への接合を行わせて複層からなる鉄系焼結摺動部材を得たのち、これに含油処理を施し、該裏金表面上の鉄系焼結層に１５〜２０ｖｏｌ％の割合で潤滑油を含油する請求項１０又は１１に記載の複層からなる鉄系焼結摺動部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、鉄を主成分とする鉄系焼結摺動部材、具体的には素地（マトリックス）の組織がパーライト組織またはフェライト組織またはパーライトとフェライトが共存した組織を呈し、該組織中に炭素が分散含有して存在するとともに組織中に遊離セメンタイトの存在しない鉄系焼結摺動部材ならびにその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鉄系焼結摺動部材としては、鉄−銅−黒鉛系含油焼結材料あるいは黒鉛の固体潤滑作用を利用した鉄−黒鉛系焼結材料及び鉄−銅−黒鉛系焼結材料がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術における後者の鉄系焼結材料においては、黒鉛の固体潤滑作用を得るには少なくとも３ｗｔ％以上の配合量が必要とされるが、この場合、鉄粉末と黒鉛粉末が焼結過程で反応して焼結組織中に高硬度の遊離セメンタイト（Ｆｅ３Ｃ）を析出するという現象が現れる。この高硬度の遊離セメンタイトの組織中への析出は、相手材、例えば軸との摺動において当該相手材を損傷させるという欠点を惹起することになり、摺動部材においては極力避けなければならない重要な要素である。
【０００４】
この遊離セメンタイトの析出を防止する方法としては、鉄−黒鉛系焼結材料においては、▲１▼黒鉛の配合量を少量（０．８２ｗｔ％以下）とすること、▲２▼遊離セメンタイトの析出し得ない低温度で焼結すること、により一応の解決は見られるが、上記▲１▼の方法では配合した黒鉛の固体潤滑作用を期待することができず、また▲２▼の方法では摺動部材としての機械的強度が低く、いずれの方法によっても得られた焼結摺動部材は黒鉛による固体潤滑作用を十分発揮させることができず、実用に供し難いという問題を残す。
【０００５】
さらに別の方法として、黒鉛粉末に銅メッキを施した、所謂被銅黒鉛粉末を使用することにより遊離セメンタイトの析出のない鉄系焼結摺動部材を得ることができるが、この方法においては▲１▼黒鉛粉末に予め銅メッキを施す工程を要し、コスト高になること、▲２▼すべての黒鉛粒子をもれなく銅メッキすることは工業的に困難であること、▲３▼上記▲２▼の結果として、焼結時に鉄と黒鉛との反応を生じ、遊離セメンタイトの析出を完全に防ぎ難いこと、などの問題がある。
【０００６】
鉄−炭素−Ｘ（金属元素）系の三元系の状態図から、アルミニウム、珪素、錫、チタンなどオーステナイト組織（γ相）にループができる金属元素を配合することにより、組織中に遊離セメンタイトの析出を防止できることが理論づけられている。しかしながら、これら金属元素を単体粉の形態で鉄−炭素系に配合する場合、単体粉の酸化の問題が生じ、該金属元素のフェライト相（α相）中への拡散が十分行われず、結果として組織中に遊離セメンタイトが析出することになる。
【０００７】
上述した問題点に鑑み本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、上記三元系状態図からα相生成元素である珪素及び錫に着目し、これら金属元素を合金化させて合金粉の形態で鉄−炭素−Ｘ（金属元素）系に配合することにより、珪素及び錫はα相中への拡散が十分に行われ、組織中に遊離セメンタイトの析出しない鉄系焼結体が得られることを知見した。
【０００８】
本発明は、斯かる知見に基いて完成されたもので、組織中に遊離セメンタイトの析出がなく、パーライト組織またはフェライト組織またはパーライトとフェライトが共存した組織をもった鉄系焼結摺動部材ならびにその製造方法を得ることを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するべく本発明の第一の態様の鉄系焼結摺動部材は、銅−珪素−錫の合金粉末または鉄−銅−珪素−錫の合金粉末と銅粉末と炭素粉末と鉄粉末とからなる鉄系焼結摺動部材であって、銅成分１５〜２５ｗｔ％、珪素成分１〜５ｗｔ％、錫成分１〜５ｗｔ％、炭素成分３〜１０ｗｔ％、残部鉄成分からなり、素地がパーライト組織またはフェライト組織またはパーライトとフェライトが共存した組織を呈し、該組織中に炭素成分が分散含有されている。
【００１０】
第一の態様の鉄系焼結摺動部材によれば、珪素及び錫を、銅−珪素−錫の合金粉末または鉄−銅−珪素−錫の合金粉末の形態で主成分をなす鉄粉末と銅粉末と炭素粉末に配合することにより、マトリックス（組織）中に遊離セメンタイトの析出が防止される。また、珪素と錫の配合量の多寡によって、素地の組織をパーライト組織またはフェライト組織またはパーライトとフェライトが共存した組織に制御することができ、摺動部材の用途に適した組織を得ることができる。
【００１１】
本発明の第二の態様の鉄系焼結摺動部材は、第一の態様の鉄系焼結摺動部材において、炭素は天然黒鉛または人造黒鉛からなる。
【００１２】
第二の態様の鉄系焼結摺動部材によれば、パーライト組織またはフェライト組織またはパーライトとフェライトが共存した組織に３〜１０ｗｔ％の天然黒鉛または人造黒鉛が分散含有されているので、当該鉄系焼結摺動部材に天然または人造黒鉛の固体潤滑作用による自己潤滑性が付与される。
【００１３】
本発明の第三の態様の鉄系焼結摺動部材は、第一又は第二の態様の鉄系焼結摺動部材において、潤滑油が１５〜２０ｖｏｌ％の割合で含油されている。
【００１４】
第三の態様の鉄系焼結摺動部材によれば、天然または人造黒鉛の固体潤滑作用と相俟って鉄系焼結摺動部材の自己潤滑性がより一層高められる。
【００１５】
本発明の第四の態様の鉄系焼結摺動部材は、銅−珪素−錫の合金粉末または鉄−銅−珪素−錫の合金粉末と銅粉末と炭素粉末と鉄粉末とからなる鉄系焼結層が鋼裏金の表面にろう材を介して一体に接合されてなる複層からなる鉄系焼結摺動部材であって、該鉄系焼結層は銅成分１５〜２５ｗｔ％、珪素成分１〜５ｗｔ％、錫成分１〜５ｗｔ％、炭素成分３〜１０ｗｔ％、残部鉄成分からなり、素地がパーライト組織またはフェライト組織またはパーライトとフェライトが共存した組織を呈し、該組織中に炭素成分が分散含有されている。
【００１６】
第四の態様の複層からなる鉄系焼結摺動部材によれば、鋼裏金と、銅１５〜２５ｗｔ％、珪素１〜５ｗｔ％、錫１〜５ｗｔ％、炭素３〜１０ｗｔ％、残部鉄からなる鉄系焼結層とがろう材を介して一体に接合されているので、該鉄系焼結層の耐圧強度が高められ、すべり板、スラスト軸受等の用途への適用が可能となる。
【００１７】
本発明の第五の態様の複層からなる鉄系焼結摺動部材は、第四の態様の複層からなる鉄系焼結摺動部材において、炭素は天然黒鉛または人造黒鉛からなる。
【００１８】
第五の態様の複層からなる鉄系焼結摺動部材によれば、鉄系焼結層の素地のパーライト組織またはフェライト組織またはパーライトとフェライトが共存した組織に３〜１０ｗｔ％の天然黒鉛または人造黒鉛が分散含有されているので、鉄系焼結層は天然または人造黒鉛の固体潤滑作用による自己潤滑性が付与される。
【００１９】
本発明の第六の態様の複層からなる鉄系焼結摺動部材は、第四又は第五の態様の複層からなる鉄系焼結摺動部材において、鉄系焼結層には潤滑油が１５〜２０ｖｏｌ％の割合で含油されている。
【００２０】
第六の態様の複層からなる鉄系焼結摺動部材によれば、鉄系焼結層は天然または人造黒鉛の固体潤滑作用と相俟って鉄系焼結摺動部材の自己潤滑性がより一層高められる。
【００２１】
本発明の第七の態様の鉄系焼結摺動部材の製造方法は、主成分をなす鉄粉末に対し、炭素粉末３〜１０ｗｔ％および銅−珪素−錫の合金粉末または鉄−銅−珪素−錫の合金粉末と銅粉末を銅成分として１５〜２５ｗｔ％、珪素成分として１〜５ｗｔ％、錫成分として１〜５ｗｔ％となるように配合し、混合して混合粉末を形成し、該混合粉末を金型に装填して所望の形状の圧粉体を成形し、この圧粉体を中性もしく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分間焼結するものである。
【００２２】
第七の態様の鉄系焼結摺動部材の製造方法によれば、α相生成元素である珪素及び錫成分は、銅−珪素−錫の合金粉末または鉄−銅−珪素−錫の合金粉末の形態で鉄成分に配合されるため、焼結過程において当該珪素及び錫成分は鉄成分に拡散固溶して合金化し、素地の組織中に遊離セメンタイトの析出を生じることがない。
【００２３】
本発明の第八の態様の鉄系焼結摺動部材の製造方法は、第七の態様の鉄系焼結摺動部材の製造方法において、炭素粉末は天然黒鉛または人造黒鉛からなる。
【００２４】
第八の態様の鉄系焼結摺動部材の製造方法によれば、得られた鉄系焼結摺動部材には天然または人造黒鉛が分散含有されることになり、鉄系焼結摺動部材に天然または人造黒鉛の固体潤滑作用により自己潤滑性が付与される。
【００２５】
本発明の第九の態様の鉄系焼結摺動部材の製造方法は、第七又は第八の態様の鉄系焼結摺動部材の製造方法において、圧粉体を焼結して鉄系焼結摺動部材を得たのち、これに含油処理を施すことにより、鉄系焼結摺動部材には１５〜２０ｖｏｌ％の割合で潤滑油が含油される。
【００２６】
第九の態様の鉄系焼結摺動部材の製造方法によれば、鉄系焼結摺動部材には含油処理により１５〜２０ｖｏｌ％の潤滑油が含油されるので、天然または人造黒鉛の固体潤滑作用と相俟って鉄系焼結摺動部材の自己潤滑性がより一層高められる。
【００２７】
本発明の第十の態様の複層からなる鉄系焼結摺動部材の製造方法は、主成分をなす鉄粉末に対し、炭素粉末３〜１０ｗｔ％および銅−珪素−錫の合金粉末または鉄−銅−珪素−錫の合金粉末と銅粉末を銅成分として１５〜２５ｗｔ％、珪素成分として１〜５ｗｔ％、錫成分として１〜５ｗｔ％となるように配合し、混合して混合粉末を形成し、この混合粉末に粉末結合剤の１〜１５ｗｔ％水溶液を該混合粉末に対し０．１〜５．０ｗｔ％添加し均一に混合してこれを原料粉末とし、該原料粉末を圧延ロールに供給して圧延シートを成形したのち、該圧延シートを中性もしくは還元性雰囲気に調整した加熱炉内で１１００〜１１５０℃の温度で焼結して焼結板を作製し、該焼結板を鋼板からなる裏金の表面にロウ材を介して重ね合わせ、これを中性もしくは還元性雰囲気に調整した加熱炉内で該ロウ材のろう接温度で０．１〜５．０ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力下で２０〜３０分間加圧し、該焼結板の裏金表面への接合を行わせるものである。
【００２８】
第十の態様の複層からなる鉄系焼結摺動部材の製造方法によれば、原料粉末を圧延ロールに供給して圧延シートを成形するので、原料粉末を形成する各粉末成分の偏析を生じることなく均一なシートを得ることができる。また原料粉末はシートの形態に成形されるので、その取扱いが容易となり、次工程以降の工程が極めて容易となる。
【００２９】
本発明の第十一の態様の複層からなる鉄系焼結摺動部材の製造方法は、第十の態様の複層からなる鉄系焼結摺動部材の製造方法において、炭素粉末は天然黒鉛または人造黒鉛からなる。
【００３０】
第十一の態様の複層からなる鉄系焼結摺動部材の製造方法によれば、得られた複層からなる鉄系焼結摺動部材の鉄系焼結層には天然または人造黒鉛が分散含有されることになり、鉄系焼結層に天然または人造黒鉛の固体潤滑作用により自己潤滑性が付与される。
【００３１】
本発明の第十二の態様の複層からなる鉄系焼結摺動部材の製造方法は、第十又は第十一の態様の複層からなる鉄系焼結摺動部材の製造方法において、鉄系焼結層には含油処理により１５〜２０ｖｏｌ％の潤滑油が含油されるので、天然または人造黒鉛の固体潤滑作用と相俟って鉄系焼結層の自己潤滑性がより一層高められる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明の鉄系焼結摺動部材の成分組成について説明する。
【００３３】
＜銅−珪素−錫合金あるいは鉄−銅−珪素−錫合金粉末について＞
本発明においては、珪素及び錫成分は、銅−珪素−錫合金あるいは鉄−銅−珪素−錫合金の形態で使用される。
【００３４】
合金中の銅成分は、焼結過程における１０８３℃の温度で溶融し、主成分をなす鉄成分中に拡散して一部合金化が行われるとともに液相を生じて結合材としての役割を果たし、焼結体を緻密化させて機械的強度を向上させ、さらにパーライト組織を緻密化してパーライト組織の硬度を高める効果を発揮する。また、銅成分は鉄系焼結摺動部材の摺動性能を向上させる。
【００３５】
合金中の珪素成分は、主成分をなす鉄成分と親和性が良好で、焼結過程において鉄成分に拡散固溶して合金化する。
【００３６】
合金中の錫成分は、上記珪素成分と同様、主成分をなす鉄成分と親和性が良好で、鉄成分へ流動して合金化するとともに焼結過程における２３２℃の温度から液相を生じて結合材の役割を果たす。また錫成分は前記銅成分との合金化により焼結体を緻密化させて焼結体の靭性及び機械的強度の向上に寄与する。
【００３７】
本発明で使用する合金の成分組成の例を示すと、▲１▼銅７４ｗｔ％−珪素１３ｗｔ％−錫１３ｗｔ％、▲２▼銅６４ｗｔ％−珪素１２ｗｔ％−錫２４ｗｔ％、▲３▼鉄３０ｗｔ％−銅３４ｗｔ％−珪素１２ｗｔ％−錫２４ｗｔ％の合金である。
【００３８】
これら合金中の珪素成分及び錫成分は、焼結過程において成分中の鉄成分と炭素成分との反応を抑制する作用を果たすもので、これにより焼結部材の素地の組織中に遊離セメンタイトの析出を防止する。この珪素成分及び錫成分の焼結過程における鉄成分と炭素成分との反応を抑制する作用は詳らかではないが、これら元素が予め合金化されていることにより珪素及び錫成分が鉄成分中に優先的に固溶し、炭素成分の鉄成分中への固溶を阻止するためであると推察される。
【００３９】
そして、珪素成分と錫成分の主成分をなす鉄成分中への配合量の多寡により、焼結部材の素地の組織をパーライト組織またはフェライト組織またはパーライトとフェライトが共存した組織に選択的に制御することができる。すなわち、珪素成分と錫成分の鉄成分中への配合量を上限側に設定することにより、素地の組織をフェライト組織に、また珪素成分と錫成分の鉄成分中への配合量を下限限側に設定することにより、素地の組織をパーライト組織に制御することができる。
【００４０】
＜炭素粉末について＞
炭素は、本発明においては天然黒鉛あるいは人造黒鉛が使用される。炭素はパーライト組織またはフェライト組織またはパーライトとフェライトが共存した組織に分散含有されて固体潤滑作用をなすもので、この固体潤滑作用を発揮させるためには少なくとも３ｗｔ％の配合量が必要とされる。また、素地がパーライト組織またはフェライト組織またはパーライトとフェライトが共存した組織を呈し、遊離セメンタイトの析出を生じないため、該炭素を１０ｗｔ％もの多量の配合が可能となる。しかし、１０ｗｔ％を超えて配合すると、摺動部材としての機械的強度が損なわれるため、その配合量は１０ｗｔ％が限度である。
【００４１】
＜銅粉末について＞
本発明においては、上記銅−珪素−錫合金粉末あるいは鉄−銅−珪素−錫合金粉末と炭素粉末と鉄粉末を混合してなる混合粉末の成形性を高めるために、銅粉末が配合される。該銅粉末としては電解銅粉末が好ましく使用される。
【００４２】
鉄粉末、銅粉末及び銅−珪素−錫の合金粉末または鉄−銅−珪素−錫の合金粉末は２００メッシュの篩を通過する粉末が使用される。また、炭素粉末はその粒径が１００μm以上、１５０μm以下の天然黒鉛または人造黒鉛が使用される。
【００４３】
本発明の鉄系焼結摺動部材における上記銅−珪素−錫合金あるいは鉄−銅−珪素−錫合金粉末と銅粉末と炭素粉末と鉄粉末との配合割合は、銅１５〜２５ｗｔ％、珪素１〜５ｗｔ％、錫１〜５ｗｔ％、炭素３〜１０ｗｔ％、残部鉄からなる。
【００４４】
本発明の鉄系焼結摺動部材は、銅１５〜２５ｗｔ％、珪素１〜５ｗｔ％、錫１〜５ｗｔ％、炭素３〜１０ｗｔ％、残部鉄からなる鉄系焼結層を鋼裏金の表面にロウ材を介して一体に接合することにより、複層からなる鉄系焼結摺動部材とすることができる。
【００４５】
本発明の鉄系焼結摺動部材は、炭素が３〜１０ｗｔ％の割合で含有されているので、該摺動部材には該炭素の固体潤滑作用による自己潤滑性が付与されているが、さらに含油処理を施すことにより、該摺動部材に潤滑油を含油することができ、炭素の固体潤滑作用と相俟って自己潤滑性をより一層高めることができる。焼結摺動部材には１５〜２０ｖｏｌ％の割合で潤滑油が含油される。
【００４６】
つぎに、鉄系焼結摺動部材の製造方法について説明する。
【００４７】
主成分をなす鉄粉末に対し、炭素粉末３〜１０ｗｔ％および銅−珪素−錫の合金粉末または鉄−銅−珪素−錫の合金粉末と銅粉末を、銅成分として１５〜２５ｗｔ％、珪素成分として１〜５ｗｔ％、錫成分として１〜５ｗｔ％となるように配合し、混合して混合粉末を形成する。ついで、該混合粉末を所望の形状を有する金型に装填し、２〜５トン／ｃｍ２の圧力下で圧縮成形し、該混合粉末からなる圧粉体を成形する。このようにして得た圧粉体を中性もしく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分間焼結し、その後炉冷して炉から取出し、必要に応じて機械加工により所望の寸法に加工して鉄系焼結摺動部材を得る。ここで、中性もしくは還元性雰囲気としては、アンモニア分解ガス、窒素ガス、水素ガスなどが使用される。
【００４８】
上述した製造方法において、焼結温度は焼結組織に敏感に影響を及ぼすもので、とくに温度管理には注意を必要とする。本発明では１１００〜１１５０℃の温度範囲で行われる。また、焼結時間は焼結温度ほど敏感に焼結組織に影響を及ぼさないが、焼結体の機械的強度に影響を及ぼす。本発明では３０〜６０分間で良い結果が得られる。
【００４９】
このようにして得た鉄系焼結摺動部材は、その素地の組織がパーライト組織またはフェライト組織またはパーライトとフェライトが共存した組織を呈し、該組織中に炭素が分散含有されている。これらの組織は成分中の珪素成分と錫成分との配合量の多寡によって制御され、摺動部材の用途によって適宜選択される。
【００５０】
このようにして得た鉄系焼結摺動部材は、その使用目的、用途に応じて含油処理を施し、含油焼結摺動部材としての適用が可能である。この含油焼結摺動部材においては、該焼結摺動部材中に含油される潤滑油の含油量が１５〜２０ｖｏｌ％であり、焼結摺動部材に含有された炭素の固体潤滑作用と相俟って該摺動部材により一層の自己潤滑性を付与することができる。
【００５１】
また、上述した成分組成からなる鉄系焼結層をロウ材を介して鋼裏金の表面に一体に接合した、所謂、複層からなる鉄系焼結摺動部材の製造方法について説明する。製造方法にはいくつかの方法があるが、ここでは粉末圧延法を使用した製造方法について説明する。
【００５２】
この複層からなる鉄系焼結摺動部材を形成する鋼裏金としては、一般構造用圧延鋼板（ＪＩＳ  Ｇ−３１０１）からなる鋼板が使用される。
【００５３】
主成分をなす鉄粉末に対し、炭素粉末３〜１０ｗｔ％および銅−珪素−錫の合金粉末または鉄−銅−珪素−錫の合金粉末と銅粉末を、銅成分として１５〜２５ｗｔ％、珪素成分として１〜５ｗｔ％、錫成分として１〜５ｗｔ％となるように配合し、混合して混合粉末を形成する。この混合粉末に粉末結合剤の１〜１５ｗｔ％水溶液を該混合粉末に対し０．１〜５．０ｗｔ％の割合で配合し、均一に混合して該混合粉末に湿潤性を与えた原料粉末を形成する。
【００５４】
粉末結合剤として使用できるものとしては、ヒドロキシプロピルセルロース（ＨＰＣ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ヒドロキシエチルセルロース（ＨＥＣ）、メチルセルロース（ＭＣ）、ゼラチン、アラビアゴム及びスターチなどが挙げられるが、とくにヒドロキシプロピルセルロースの使用が好ましい。粉末結合剤の溶媒としては、水あるいは水以外にエチルアルコール等の親水性化合物の５〜２０ｗｔ％の水溶液を使用することもできる。
【００５５】
粉末結合剤は上記溶媒に対して１〜１５ｗｔ％加えて水溶液にするのが好ましい。該粉末結合剤水溶液の配合割合は、混合粉末に対して０．１〜５．０ｗｔ％が好ましく、これ以上の量を配合すると焼結体組織中に制御できないポア（孔）が増加し、得られる焼結層の強度を低下させる。
【００５６】
上記湿潤性が与えられた原料粉末は、ついでコンベア及びホッパーによって圧延ロールに供給され、該圧延ロールによって該原料粉末は圧延シート（圧粉体シート）に形成される。原料粉末の圧延は双ロールを有する横型圧延機が使用される。該横型圧延機のロールへの原料粉末の供給量を一定にすれば、ロール隙間を変えることで圧延荷重が変化し、圧延シートの密度及び厚さを調節することができる。例えば、ロール速度を０．１〜１．０ｍ／ｍｉｎとし、ロール間隔を０．４〜１．０ｍｍとすると、密度５．５〜６．７ｇ／ｃｍ２、厚さ１．３８〜１．８３ｍｍの圧延シートが得られる。該圧延シートを中性もしく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分間焼結し、その後炉冷して炉から取出し焼結板を得る。このようにして得た焼結板は上記鋼裏金としての鋼板の寸法に対応した寸法に切断機等を用いて切断する。
【００５７】
鋼板の表面にロウ材を配置し、前記焼結板を鋼板の表面に該ロウ材を介して重ね合わせる。ロウ材としては、鉛−錫合金、亜鉛合金、黄銅、青銅、銅が粉末あるいは板の形態で適宜使用される。
【００５８】
ロウ材を介して鋼板の表面に重ね合された焼結板を中性もしくは還元性雰囲気に調整した加熱炉内に置き、圧力下で該焼結板の鋼板表面への接合を行わせ、鋼板表面にロウ材を介して一体に接合した複層からなる鉄系焼結摺動部材を得る。
【００５９】
この接合工程において、接合時の圧力は焼結組織の密度を増加させ、鋼板との接合強度を向上させるもので、本発明では０．１〜５．０ｋｇｆ／ｃｍ２、好ましくは０．３〜３．０ｋｇｆ／ｃｍ２である。
【００６０】
接合温度は、焼結板と鋼板との接合強度に影響を及ぼすものであり、使用するロウ材に適したろう接温度が選択される。該ろう接温度としては、ロウ材の液相線以上の温度あるいは固相線温度と液相線温度の間の温度が使用される。例えば、鉛７０ｗｔ％−錫３０ｗｔ％からなる鉛−錫合金をロウ材として使用した場合は１８５〜２６５℃、銅８９ｗｔ％−錫１０ｗｔ％−燐１ｗｔ％からなる青銅をロウ材として使用した場合は８００〜９００℃である。また、接合時間も接合温度と同様、焼結板と鋼板との接合強度に影響を与える。本発明では、２０〜３０分間で良い結果が得られる。
【００６１】
このようにして得られた複層からなる鉄系焼結摺動部材は、焼結板を鋼板表面にロウ材を介して一体に接合して複層化されるもので、焼結層の素地の組織は前述した鉄系焼結摺動部材と同様、パーライト組織またはフェライト組織またはパーライトとフェライトが共存した組織を呈し、該組織中に遊離セメンタイトの析出はなく、炭素は該組織中に分散含有されている。
【００６２】
【実施例】
以下、本発明の鉄系焼結摺動部材をその実施例に基づき詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に何ら限定されないのである。
【００６３】
＜実施例１＞
２５μｍのふるいを通過する還元鉄粉７６ｗｔ％に対し、２００メッシュ（７４μｍ）のふるいを通過する銅７４ｗｔ％−珪素１３ｗｔ％−錫１３ｗｔ％の合金粉末を、銅成分として５．７ｗｔ％、珪素成分として１ｗｔ％、錫成分として１ｗｔ％となるように７．７ｗｔ％配合し、さらに１５０メッシュ（１００μｍ）のふるいを通過する電解銅粉末を１１．３ｗｔ％配合し、Ｖ型ミキサーにて２０分間混合した後、炭素として、その粒径が１００μｍ以上、１５０μｍ以下の天然黒鉛粉末を５ｗｔ％配合し、再度Ｖ型ミキサーで５分間混合して混合粉末（鉄：７６ｗｔ％、銅：１７ｗｔ％、珪素：１ｗｔ％、錫：１ｗｔ％、天然黒鉛：５ｗｔ％）を得た。
【００６４】
ついで、この混合粉末を金型中に装填し、成形圧力３トン／ｃｍ２で成形して円筒状圧粉体を得た。この円筒状圧粉体をアンモニア分解ガス雰囲気の加熱炉内に置き、１１００℃の温度で３０分間焼結したのち、機械加工を施し、内径４０ｍｍ、外径５０ｍｍ、長さ１５ｍｍの鉄系焼結摺動部材を得た。この鉄系焼結摺動部材の密度は５．８１ｇ／ｃｍ３であった。
【００６５】
この鉄系焼結摺動部材の素地の組織はパーライト組織を呈し、組織中に遊離セメンタイトの析出はなく、黒鉛は該組織中に分散含有されているのを確認した。ついで、該鉄系焼結摺動部材に含油処理を施し、含油率１７ｖｏｌ％の含油鉄系焼結摺動部材を得た。
【００６６】
＜実施例２＞
２５μｍのふるいを通過する還元鉄粉７３．７５ｗｔ％に対し、２００メッシュ（７４μｍ）のふるいを通過する鉄３０ｗｔ％−銅３４ｗｔ％−珪素１２ｗｔ％−錫２４ｗｔ％の合金粉末を、鉄成分として３．７５ｗｔ％、銅成分として４．２５ｗｔ％、珪素成分として１．５ｗｔ％、錫成分として３ｗｔ％となるように１２．５ｗｔ％配合し、さらに１５０メッシュ（１００μｍ）のふるいを通過する電解銅粉末を１３．７５ｗｔ％配合し、Ｖ型ミキサーにて２０分間混合した後、炭素として、その粒径が１００μｍ以上、１５０μｍ以下の天然黒鉛粉末を５ｗｔ％配合し、再度Ｖ型ミキサーで５分間混合して混合粉末（鉄：７２．５ｗｔ％、銅：１８ｗｔ％、珪素：１．５ｗｔ％、錫：３ｗｔ％、天然黒鉛：５ｗｔ％）を得た。
【００６７】
以下、前記実施例１と同様の方法で、内径４０ｍｍ、外径５０ｍｍ、長さ１５ｍｍの鉄系焼結摺動部材を得た。この鉄系焼結摺動部材の密度は５．７８ｇ／ｃｍ３であった。
【００６８】
この鉄系焼結摺動部材の素地の組織はパーライトとフェライトが共存する組織を呈し、組織中に遊離セメンタイトの析出はなく、黒鉛は該組織中に分散含有されているのを確認した。ついで、該鉄系焼結摺動部材に含油処理を施し、含油率１６．５ｖｏｌ％の含油鉄系焼結摺動部材を得た。
【００６９】
＜比較例＞
銅粉末５ｗｔ％、天然黒鉛粉末０．５ｗｔ％、不可避的不純物粉末３ｗｔ％、残部鉄粉末をＶ型ミキサーにて２０分間混合し混合粉末を得た。ついで、この混合粉末を金型中に装填し、成形圧力３トン／ｃｍ２で成形して円筒状圧粉体を得た。この円筒状圧粉体をアンモニア分解ガス雰囲気の加熱炉内に置き、１１００℃の温度で３０分間焼結したのち、機械加工を施し、内径４０ｍｍ、外径５０ｍｍ、長さ１５ｍｍの鉄系焼結摺動部材を得た。この鉄系焼結摺動部材の密度は５．６５ｇ／ｃｍ３であった。
【００７０】
この鉄系焼結摺動部材の素地の組織はパーライトとフェライトが共存する組織を呈し、組織中に遊離セメンタイトの析出はないことを確認した。ついで、該鉄系焼結摺動部材に含油処理を施し、含油率１８．０ｖｏｌ％の含油鉄系焼結摺動部材を得た。
【００７１】
つぎに、上記実施例及び比較例で得た鉄系焼結摺動部材の摺動特性について、下記の条件で試験した結果を説明する。
【００７２】
＜試験条件＞
摺動速度  １．０ｍ／ｍｉｎ
負荷面圧  ５００ｋｇｆ／ｃｍ２（負荷荷重３０００ｋｇｆ）
試験時間  ２０時間
試験方法  ジャーナル回転試験（相手軸連続回転運動）
【００７３】
上記試験条件で行った摺動特性の試験結果は表１に示すとおりである。
【００７４】
【表１】
0004234865.tif 000002
表１中、摺動部材摩耗量及び相手軸摩耗量は試験時間２０時間後の寸法変化量を示したもので、その単位はｍｍである。
【００７５】
上述した試験結果から、実施例１及び実施例２の鉄系焼結摺動部材は、摩擦係数が低く、とくに相手軸の摩耗量は極めて低い値を示した。試験後の相手軸表面には、該摺動部材に含有されている黒鉛の固体潤滑作用に起因する黒鉛被膜が形成されているのが確認され、結果として相手軸の摩耗を低く抑えることができたものと推察される。この相手軸の摩耗を低く抑えることは、摺動部材として極めて重要な性質である。一方、比較例の鉄系焼結摺動部材は、実施例からなる鉄系焼結摺動部材との比較において、摩擦係数は比較的低い値で推移したが、潤滑油の消費とともの徐々に摩擦係数が上昇する傾向を示し、この摩擦係数の上昇により相手軸の摩耗を増大させたものと推察される。
【００７６】
つぎに、複層からなる鉄系焼結摺動部材の実施例について説明する。
【００７７】
＜実施例３＞
前記実施例１と同様の混合粉末を作製した。この混合粉末に、５．２６ｗｔ％のヒドロキシプロピルセルロース（ＨＰＣ）水溶液（ＨＰＣ１００ｇ、エチルアルコール１２０ｍｌ及び水１７８０ｍｌ）を混合粉末重量に０．５％配合し、５分間Ｖ型ミキサーで均一に混合して湿潤性をもった原料粉末を得た。
【００７８】
該原料粉末を直径６０３ｍｍの双ロールをもった横型圧延ロールに、ロール間隙間０．５ｍｍ、ロール速度０．３ｍ／ｍｉｎの条件下で通し、密度５．７０ｇ／ｃｍ３、厚さ１．５０ｍｍの圧延シート（圧粉体シート）を成形した。該圧延シートをアンモニア分解ガス雰囲気の加熱炉内に置き、１１００℃の温度で３０分間焼結して、焼結板を作製した。このようにして得た焼結板を幅１７０ｍｍ、長さ６００ｍｍの寸法に切断し、幅１７０ｍｍ、長さ６００ｍｍ、厚さ１０ｍｍの一般構造用圧延鋼材（ＪＩＳ  Ｇ３１０１）の鋼板上に鉛−錫合金（鉛７０％−錫３０％）板からなるロウ材を介して重ね合わせ、アンモニア分解ガス雰囲気に調整した加熱炉内に置き、２５０℃の温度で２０分間、圧力０．５ｋｇｆ／ｃｍ２をかけながら焼結板と鋼板との接合を行わしめた後、機械加工を施し、鋼板上にロウ材を介して一体に接合した複層からなる鉄系焼結摺動部材を得た。
【００７９】
この複層からなる鉄系焼結摺動部材の焼結層の密度は５．７５ｇ／ｃｍ３であり、該焼結層の素地の組織はパーライトとフェライトが共存する組織を呈し、組織中に遊離セメンタイトの析出はなく、黒鉛は組織中に分散含有されているのを確認した。ついで、該鉄系焼結摺動部材に含油処理を施し、含油率１６．５ｖｏｌ％の複層からなる含油鉄系焼結摺動部材を得た。
【００８０】
＜実施例４＞
前記実施例２と同様の混合粉末を作製し、以下前記実施例３と同様の方法で、鋼板上にロウ材を介して一体に接合した複層からなる鉄系焼結摺動部材を得た。この複層からなる鉄系焼結摺動部材の焼結層の密度は５．６３ｇ／ｃｍ３であり、該焼結層の素地の組織はパーライト組織を呈し、組織中に遊離セメンタイトの析出はなく、黒鉛は組織中に分散含有されているのを確認した。ついで、該鉄系焼結摺動部材に含油処理を施し、含油率１７．５ｖｏｌ％の含油鉄系焼結摺動部材を得た。
【００８１】
上述した実施例３及び実施例４で得た複層からなる鉄系焼結摺動部材の摺動特性について、下記の条件で試験した結果を説明する。
【００８２】
0004234865.tif 000003
【００８３】
上記試験条件で行った摺動特性の試験結果は表２に示すとおりである。
【００８４】
【表２】
0004234865.tif 000004
表２中、摺動部材摩耗量及び相手軸摩耗量は試験ストローク１０万サイクル試験後の寸法変化量を示したもので、その単位はｍｍである。
【００８５】
上述した試験結果から、実施例３及び実施例４の複層からなる鉄系焼結摺動部材は、前述した実施例の試験結果と同様、摩擦係数が低く、とくに相手軸の摩耗量は極めて低い値を示した。
【００８６】
【発明の効果】
本発明の鉄系焼結摺動部材は、その素地の組織をパーライト組織に、またはフェライト組織に、またはパーライトとフェライトが共存する組織に、それぞれ摺動部材の使用用途に応じて適宜制御可能であり、組織中に遊離セメンタイトを析出することなく多量の炭素（黒鉛）が分散含有されているので、該炭素の固体潤滑作用により自己潤滑性が付与されるとともに、潤滑油を含油した摺動部材においては炭素の固体潤滑作用と相俟って一層の自己潤滑性の向上が図られる。また、製造方法においては、α相生成元素である珪素及び錫を、銅との合金あるいは鉄−銅との合金の形態で、主成分をなす鉄及び炭素に配合することにより、焼結摺動部材の素地の組織中に遊離セメンタイトの析出を抑制することができる。