技術論文

青銅系焼結軸受合金に添加する
黒鉛分散Co基硬質粒子の開発
Development of Graphite Dispersed Co-based Particle with High Hardness for Addition to Bronze-Based Sintered Bearing Material
澤田俊之＊1

池田裕樹＊2

Toshiyuki Sawada and Hiroki Ikeda
Synopsis: Bronze-based sintered bearing material has been applied for various parts of such as automobile and industrial
machinery. But, recently, because of increasing friction speed and applied load, remarkable wear and seizure
have been serious problem. To improve them, an additive of hard particle or solid lubricant to bronze-based
sintered bearing material using under such as serious conditions has been investigated.
In this study, new Co-based alloy particle with precipitating graphite in its inside was developed as an additive
hard particle in bronze-based sintered bearing material. The concept of this alloy particle is to improve wear andseize resistance by both effects of high hardness and lubrication action. The developed alloy particle after heat
treatment at 1373K precipitated graphite with several µm in size and showed approximately 700HV in Vickers
hardness. Furthermore, according to results of pin-on-disk type abrasion test, bronze-based sintered bearing
material including this developed alloy particle showed higher wear resistance and lower friction coefficient thanthat including Co-Mo-Cr-Si commercial alloy particle.
Key words: sintered bronze bearing, hard particle, copper-tin alloy, cobalt-based alloy, graphite, wear resistance, seize resistance, friction
coefficient, solid lubricant.

化合物粒子をCu-Sn-Pb系合金粉末に添加した焼結軸受合1. 緒言

金とS55C製シャフトによる摩耗試験において、Ni-B化合
青銅系焼結軸受合金は自動車や一般産業機械の摺動部材

物粒子が荷重を支えることにより耐摩耗性が改善すること料として広く用いられているが、使用環境の高速化や高荷を示唆している5）。このように、焼結軸受合金の中に添加重化などにより、十分な潤滑が得られない部位においてはされた硬質粒子は、マトリックスとなる軟質な青銅よりも著しい摩耗や焼付が発生し、その改善が課題となっている。

高い荷重を受けていると考えられ、摩擦する相手材との摺このような厳しい環境下で用いることを目的に、硬質な金動性を向上させることで、更なる耐摩耗性、耐焼付性の改属粒子

1-4）やセラミックス粒子、二硫化モリブデンや黒善が見込まれる。

5,6）

鉛などの固体潤滑材7-9） を原料粉末に混合し、耐摩耗性やそこで本研究では、青銅との焼結性に優れる金属系の硬耐焼付性を改善した焼結軸受合金が検討されてきた。特に、質粒子において、粒子中に黒鉛を内包できる新規合金組成セラミックスや黒鉛と比較し、青銅との焼結性の良い金属を検討した。これは、高硬度と黒鉛の持つ固体潤滑作用の系粒子の添加は機械的強度の低下も抑えられ有効である。

重畳効果による、青銅系焼結軸受合金の耐摩耗性、耐焼付金属系硬質粒子として、Co基合金粒子、Cr粒子、V粒子性の向上を狙いとしている。本報告では、開発した新規硬などの研究例があるが、藤田らは自動車用のFe基焼結バル質粒子の合金設計および諸特性と、Cu-Sn系合金粉末に混ブシートへの添加実績のある硬質Co基合金粒子をCu-Sn-合した焼結軸受合金のピンオンディスク摩耗試験による摩Pb系合金粉末に混合し、焼結することにより、優れた耐耗量、摩擦係数について報告する。

摩耗性、耐焼付性が得られることを報告している1）。この報告でS45C製シャフトと焼結軸受合金による摩耗試験において、焼結軸受合金に添加された硬質Co基合金粒子が荷重を支える点となることで、耐摩耗性が改善されることが示唆されている。また、樋口らは硬質硼化物であるNi-B
＊1
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粉末事業部
粉末事業部

粉末技術部
粉末技術部

技術グループ
技術グループ長32

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青銅系焼結軸受合金に添加する黒鉛分散Co基硬質粒子の開発

2.2 Co-C系2元合金ガスアトマイズ粉末の諸特性

2. 黒鉛を内包する金属系硬質粒子の合金設計

Co-C系合金が合金溶湯中にCを含有し、作製されたガ
金属系硬質粒子の製法として、複雑な合金成分でも比較スアトマイズ粉末中に黒鉛を生成することを確認するた的製造が容易であるガスアトマイズ法を選択した。この粉め、Co-C系2元合金粉末をガスアトマイズ法により作製し末製造工法は、耐火物坩堝中で溶解した原料を坩堝下部のた。Fig.1にCo-C系2元合金粉末の断面および表面の組成ノズルから出湯し、直後にガスを噴霧することで合金粉末像、Fig.2にX線回折パターンを示す。なお、評価は熱処理を得る方法であり、溶解雰囲気および噴霧をN2やArのよう前および1373Kの熱処理後の粉末で実施した。熱処理前な不活性ガスとすることにより活性元素の添加が容易となのCo-C系粉末の断面にはCの偏析が見られるが、黒鉛のり、製造できる合金組成の自由度も高い。また、粉末表面生成量は著しく少ない。粉末表面にも黒鉛はほとんど観察の酸化が抑えられることにより、酸化物による焼結の阻害されず、X線回折パターンにはCo（F.C.C.）とわずかに黒を抑制する効果も期待される。

鉛のピークが認められるのみであった。このことから、熱処理前の粉末はガスアトマイズの急冷凝固作用により、多2.1 粒子内に黒鉛を生成するベース金属

くのCがCo（F.C.C.）に過飽和固溶していると考えられる。

新規硬質合金粒子のベース金属として必要な条件は、こ一方、熱処理後のCo-C系粉末の断面には5μm以下程度のの合金溶湯中に多量のCを含有できることと、合金中に添微細な黒鉛が多く見られ、粉末表面にはさらに多量の黒鉛加されたCが炭化物を生成せず黒鉛として存在できることが見られた。X線回折パターンにも高い黒鉛のピークが認である。ガスアトマイズ法により製造される合金には、Feめられた。

基、Co基、Ni基、Cu基などがあるが、これら金属とCとこのように、Co-C系2元合金は溶湯中にCを多く含有での2元状態図から、FeはFe3Cを生成するため溶湯に添加しき、作製したガスアトマイズ粉末を熱処理することによりたCが効率的に黒鉛を生成しないこと、NiおよびCuは溶湯多量の黒鉛を生成できることが確認された。しかしながら、中に溶け込むC量が少ないことが予測される。これらに対熱処理中に粉末表面に黒鉛が著しく濃化する傾向が見られし、Coは合金溶湯中に多量のCを含有でき、炭化物を生成た。一般に黒鉛はCuとの焼結性が低いため、粉末表面にしないことが予測され、本研究で狙う新規硬質合金のベー

濃化した黒鉛は焼結軸受合金のマトリックスとなる青銅系ス金属として最適であると考えられる。

粉末との焼結を阻害する可能性がある。したがって、熱処

Fig.1

Fig.2

Backscattered electron images of cross-section and surface of Co-C alloy powder
before and after heat treatment at 1373K.

X-ray diffraction pattern of Co-C alloy powder before and after heat treatment at 1373K.

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理による黒鉛の粉末表面への過度な濃化を抑制することが重要であると考えられる。
なお、このCo-C系2元合金粉末のビッカース硬さは、熱処理前で400HV、熱処理後で200HVであった。硬質粒子として用いられるCo-Mo-Cr-Si系合金（以下T400と記す）
ガスアトマイズ粉末の1373K熱処理後のビッカース硬さは700HVであったことから、さらに高硬度化が必要である。
Fig.4
2.3 粉末表面の黒鉛の濃化を抑制する化合物およびX-ray diffraction pattern of Co-C-B alloy
powder after heat treatment at 1373K.

Co-C-B系合金ガスアトマイズ粉末の諸特性
熱処理による粉末表面の黒鉛の濃化は、黒鉛が粉末表面2.4 ビッカース硬さを増加する添加元素へ移動することで、母相であるCoと黒鉛との界面エネルビッカース硬さの増加を目的としCo-C-B系合金の諸特ギーが低下することに起因すると考えられる。そこで、ガ性に及ぼす添加元素の影響を検討した。ただし、添加したスアトマイズ後にCを過飽和に固溶したCo母相を化合物に元素が炭化物を生成しないことが重要であるため、まず、より分断することで、熱処理によりCo母相から析出するアーク溶解法により作製した小鋼塊を用い、炭化物生成挙黒鉛を粉末内に固定できると考えた。この化合物を生成さ動に及ぼす添加元素の影響について予備実験を行った。

せるための添加元素としてBを選択した。Co-B系2元状態

Co-C-B系合金にTi、V、Cr、Feを添加した小鋼塊を作製

図から、BはCo中への固溶限が小さいため、ガスアトマイした。この小鋼塊に1373Kの熱処理を行い、X線回折によズによる凝固時にCo3Bを生成することが予測される。こり炭化物の生成を評価した。その結果、CrおよびFe添加のCo3BによりCo母相を分断することで、熱処理による黒組成には明確な炭化物が認められなかった。

鉛の過度な拡散を抑制できる可能性があると考えた。また、
硼 素1mol当 り の 生 成 自 由 エ ネ ル ギ ー がB4C
Co3B

11）

そこで、Co-C-B-Cr系およびCo-C-B-Fe系合金粉末をと比較しガスアトマイズ法により作製し、ビッカース硬さに及ぼすのほうが負に大きく、BがCではなくCoと化合し熱処理温度の影響を評価した。Fig.5にCo-C-B系および

10）やすいことが予測され、さらにCo3Bが硬質であること

Cr、Feを添加したガスアトマイズ粉末のビッカース硬さ

12）も選択の理由である。

を示す。Co-C-B系合金にCrを添加することによりビッFig.3に1373Kで熱処理したCo-C-B系合金ガスアトマ

カース硬さの増加が認められた。Co-C-B-Cr合金粉末は

イズ粉末の断面および表面の組成像、Fig.4にX線回折パ

1373Kの熱処理でT400と同等の700HVを有し、青銅系ターンを示す。断面観察から、Co3Bで分断されたCo相中焼結軸受合金の焼結温度である1073K付近での熱処理でに黒鉛が固定されていることが確認でき、表面観察から、は800HVを超えるビッカース硬さを示しており、硬質粒粉末表面の黒鉛の濃化が抑制されていることが確認され子としての耐摩耗性改善効果が期待できる。一方、Feを添た。X線回折パターンには、Co（F.C.C.）、Co（H.C.P）、加したCo-C-B-Fe系合金粉末はCo-C-B系合金粉末より黒鉛に加えCo3Bのピークも認められた。また、この粉末ビッカース硬さが低下した。の1373K熱 処 理 後 の ビ ッ カ ー ス 硬 さ は600HVで あ り、T400よりわずかに低い値であった

Fig.3

Backscattered electron images of cross-sectionand surface of Co-C-B alloy powder after heat
treatment at 1373K.
Fig.5

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Vickers hardness variation with temperature ofheat treatment.

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2.5 黒鉛を内包する新規金属系硬質粒子

Cu-10%Sn粉末と硬質粒子を重量比9:1で混合し、温度合金溶湯へのC溶解量、合金中での黒鉛の安定性に着目

973K、圧力13MPa、2時間の条件でホットプレスによりし、ベース金属としてCoを選択し、黒鉛を粒子内へ固定固化成形した。成形型には直径50mmの黒鉛型を用い、高するためにBを添加、炭化物を生成することなくビッカーさ約10mmの成形体を作製した。この成形体を1073Kでス硬さを増加するためにCrを添加した新規金属系硬質粒子熱処理したものを供試材として用いた。なお、比較として、Co-C-B-Cr系 合 金（ 以 下GR01と 記 す ） を 開 発 し た。

硬質粒子を添加していないCu-10%Snのみの成形体も同1373Kで熱処理したGR01ガスアトマイズ粉末の断面組様の条件で作製した。以下、GR01粒子、T400粒子を混成像をFig.6、X線回折パターンをFig.7に示す。Fig.3に示合した焼結軸受合金を、それぞれST-GR01、ST-T400としたCo-C-B系合金粉末と同様にCo3Bで分断されたCo相し、Cu-10%Sn単独の焼結軸受合金をST-CuSnと記す。

中に黒鉛が固定されていることが確認でき、構成相もCo（F.C.C.）、Co（H.C.P.）、黒鉛、Co3Bのみで、炭化物の3.2 焼結軸受合金の諸特性評価生成は認められない。

作製した焼結軸受合金の研磨試料を用い、ミクロ組織観察（組成像）およびビッカース硬さ測定を実施した。ビッカース硬さはマトリックスであるCu-10%Sn部を0.98N、硬質粒子部を1.96Nの荷重で測定した。
耐摩耗性および摩擦係数を評価するためピンオンディス
ク摩耗試験（神鋼造機株式会社製）を実施した。評価対象となる焼結軸受合金のピン3本を、SUJ2製相手ディスク（90HRB）に接触させ、143rpmで回転させた。ピンおよびディスクの形状をFig.8に示す。3本の試験ピンは、相手ディスクの回転軸を中心にした半径20mmの円周上が、各ピンの中心となるように等間隔に配置されている。試験は
室 温、 大 気 中 の ド ラ イ 環 境 で 実 施 し た。 試 験 圧 力 は、3MPaから60s毎に1MPa上昇させ、最終20MPaまで評価した。この試験においてトルクより換算した摩擦係数を評

Fig.6 Cross-sectional backscattered electron image of
Co-C-B-Cr alloy powder after heat treatment at 1373K.

価した。また、試験後の3本のピンの長さ変化により、ピンの摩耗量を評価した。

Fig.7

X-ray diffraction pattern of Co-C-B-Cr alloy
powder after heat treatment at 1373K.

3. 実験方法
新規金属系硬質粒子GR01の耐摩耗性、摺動性を評価するため、青銅系粉末と混合、焼結した軸受合金を作製し、Fig.8

Specimen shape of pin on disk abrasion test.

諸特性を評価した。
3.1 焼結軸受合金の作製
ガスアトマイズ法によりマトリックスとなるCu-10%Sn合金粉末および硬質粒子となるGR01合金、T400合金粉末を作製した。Cu-10%Sn粉末は150μm以下、GR01およびT400粉末は45 〜 125μmに分級し実験に用いた。

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さは900HVでありT400粒子と概ね同等であった。した

4. 実験結果

がって、GR01粒子は焼結合金の耐摩耗性向上に寄与でき4.1 焼結軸受合金のミクロ組織およびビッカース硬さる硬さを有していると考えられる。

焼結軸受合金中の硬質粒子の断面組成像をFig.9に示す。GR01粒子、T400粒子ともに焼結合金中でもマトリッ4.2 焼結軸受合金のピンオンディスク摩耗試験

クスと過度に反応することなく残存していることが確認

Fig.10にピンオンディスク摩耗試験による摩擦係数をされた。またGR01粒子内には、単独で熱処理したFig.6

示 す。 試 験 初 期 の 段 階 で 最 も 摩 擦 係 数 が 増 大 し たと同様に微細な黒鉛が認められた。

ST-CuSnはピンが破損したため途中で試験を中止した。

Table 1に焼結軸受合金のマトリックス部および硬質粒

これに対し、硬質粒子を添加した焼結合金はいずれも試子部のビッカース硬さを示す。GR01粒子のビッカース硬験初期の摩擦係数が低減され、ピンが破損することなく

Fig.9

Cross-sectional backscattered electron image of hard particle and Cu-Sn matrix in sintered bearing material.
Table 1
Vickers hardness of Cu-Sn matrix
and hard particle in sinteredbearing materialFig.10Comparison of friction coefficient of sintered bearing material
without and with hard particle by pin-on-disk type abrasion test.

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青銅系焼結軸受合金に添加する黒鉛分散Co基硬質粒子の開発試験が完了しており、摺動性の改善が見られた。特に、結 果、Co-C-B-Cr系 合 金（GR01） 粒 子 を 開 発 し た。

ST-GR01の240 〜 600sにおける摩擦係数はST-T400

GR01粒子の諸特性およびCu-10%Snに添加した焼結軸と比較しても低く、固体潤滑材である黒鉛を内包する受合金は、以下の優れた特長を有していることがわかった。

GR01粒子が試験初期において高い摺動性を示すことがわかった。

1）GR01粒子は熱処理により黒鉛を生成し、この黒鉛はFig.11に 試 験 ピ ン の 摩 耗 量 を 示 す。ST-GR01はCo3Bにより分断されたCo相内に固定されている。

ST-T400と比較し、ピン摩耗量が約5分の1に抑えられて

2）GR01粒子を添加した焼結軸受合金において、GR01

お り、 優 れ た 耐 摩 耗 性 を 示 し た。 ま た、Fig.12に粒子はマトリックスのCu-10%Snと過度に反応することなく残存し、900HVの高硬度を示した。

ST-GR01およびST-T400のピンオンディスク摩耗試験により発生した摩耗粉のSEM像を示す。いずれの焼結軸受

3）GR01粒子を添加した焼結軸受合金は優れた耐摩耗性合金での試験でも金属状の扁平な摩耗粉であり、凝着摩および摺動性を示した。これはGR01粒子の持つ高硬耗が支配的であったと考えられ、ST-GR01の試験で発生度とGR01粒子内に生成する黒鉛の固体潤滑作用の重した摩耗粉はST-T400と比較し小さいことから、GR01畳効果によるものと推察される。

粒子内の黒鉛の潤滑効果により凝着摩耗が低減されたと推察される。

参考文献

なお、ST-CuSnは試験中にピンが破損したため摩耗量
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Fig.12■著者Wear debris by pin-on-disk typeabrasion test.

5.結言
高硬度と固体潤滑作用の重畳効果を狙った金属系硬質粒子の開発を目的とし、黒鉛を内包できるベース金属および澤田 俊之

黒鉛の粒子内固定、高硬度化のための添加元素を検討した

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池田 裕樹

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