JPH02270943A - 高温に耐える軸受用焼結合金およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は高温で腐蝕性の雰囲気というような過酷な環
境で用いられる軸受用に適する焼結合金およびその製造
方法に関するものである。

〔従来の問題点］ 自動車、自動二輪車などの内燃機関では、その排気装置
内に排気制御用の弁を設けて出力特性の最適化を図る場
合があるが、その弁の軸を支える軸受に問題があった。

即ち、排気ガスは一般に５００　’Ｃ以上の高温になる
なめ軸受に潤滑油を使用できず、排気ガスに種々の腐蝕
性成分を含むことと相俟って軸受の摩耗が促進される。

そのため通常の条件では優れた特性を示す黒鉛はもとよ
り、耐熱材料として一般的なステンレス鋼でも所要の設
計寿命に達せず、新しい材料の開発が望まれていた。

［課題を解決するための手段］ この発明は上述の背景に基づいてなされたもので、基本
的にはステンレス鋼の系統ではあるが、その製造に粉末
冶金の手法を用いることで最適な組成および合金組織を
実現させ、それにより過酷な環境での耐摩耗性を向上さ
せたものである。

即ち、この発明に係る焼結合金（以下特に付言しない限
り、組成は重量基準、）は、全体組成が炭素：１．５〜
４　％、Ｓｉ：０．１〜０．８％Ｃｒ：１３〜２５　％
、Ｎｉ：５　〜２１　　％Ｍｏ：　　１．３〜１０．７
％、Ｃｏ：３　〜１９　　％および鉄：残部からなり、
かつその合金組織は、金属炭化物が分散したニラゲル・
クロム系ステンレス鋼からなるマトリックスの間に５〜
３０％のゲイ素、クロムおよびモリブデンを含有する粒
状のコバルト合金相と遊離炭素が分散した組織を呈する
ことを特徴とするものである。

またこの様な合金組織を確実に実現させる製造方法の発
明は、組成がＮ１　：８〜２２％、Ｃｒ：１６〜２６％
および鉄：残部：またはＮｉ：８〜２２％、Ｃｒ：１６
〜２６％、Ｍｏ：３％以下および鉄：残部のオーステナ
イト系ステンレス鋼粉に、Ｓｉ：２．２〜２．６％、Ｃ
ｒニア、５〜＆６％。

Ｍｏ：２７〜２９％およびｃｏ＝残部のコバルト合金粉
５〜３０％と黒鉛粉１．５〜４％を配合した混合粉を原
料として用いることをその骨子とするものである。

〔作用〕

以下、上述の合金組成と金属組織の作用効果について説
明する。

本発明の基本構想は、マトリックスをオーステナイト系
ステンレス鋼として耐熱性を負担させるとともにそのマ
トリックス中にクロムを主とする金属炭化物を分散させ
て基地の強化を図り、更に硬質のコバルト系金属間化合
物粒子を分散させて凝着摩耗に対する抵抗力を増す一方
、遊離黒鉛の固体潤滑作用によって耐牽擦塁耗性の強化
を図ることにある。

オーステナイト系ステンレス鋼は、ニラゲルとクロムの
含有量がＮｉ：８〜２２％、Ｃｒ：１６〜２６％の範囲
のものが用いられる。

更に、このオーステナイト系ステンレス鋼は、ＭＯを２
〜３％を含有するもの（例えばＪＩＳの５ＵＳ３１６Ｌ
）でもよい、Ｍｏが３％を超えるステンレス鋼種および
Ｃｕを含む鋼種は、硬さが高く、粉末の圧縮性が悪いの
で好ましくない、同様の理由で、炭素量の少ない銅粉が
好ましい。

ステンレス胴中のＮｉおよびＣ「は、鉄基地に固溶しそ
の耐蝕性および耐熱性を向上する元素である。その組成
範囲は例えば原著者ゾヅフィーの「ステンレス濁入門」
　（昭和４８年特種Ｍ（ｎ梁部発行）に記載されている
ように、夫々下限値より少ない場合にはその特性が不十
分であり、上限値より多くしてもそれ以上の効果を生じ
ない。

このマトリックス中の金属炭化物は、混合粉中の黒鉛と
ステンレス鋼中の主としてクロムの反応で生成され、鏡
検するとマトリックスのほぼ全域に、点状および迷路の
ような線状を呈している。

コバルト系の金属間化合物は球状に近い形をしていて、
その硬さは、マイクロビッカース硬さで７００程度であ
る。これには通常、Ｓｉ：２．２〜２．６％、Ｃｒニア
、５〜８．６％、Ｍｏ：２７〜２９％およびＣｏｘＴＡ
部の市販の合金粉が好ましく、比較的柔らかい基地に分
散させると凝着摩耗を緩和させる作用がある。

コバルト合金粉の添加量は５〜３０％の範囲が好ましく
、その量が５％未満では作用効果が低下する。一方３０
％を越えると焼結合金が硬くなり過ぎて相手部材を損傷
したり、あるいは混合粉の圧縮性が悪くなるため焼結体
の密度や強度が低くなり、好ましくない。

黒ｊ９粉は１．５〜４％添加する。この内の一部は焼結
中に前述のマトリックス中の主としてクロムと炭化物を
形成し、残余は遊離炭素の形態で空孔および粒界に残留
する。添加量が１．５％未満ては遊離炭素が少なく潤滑
効果が認められない、一方添加量が４％を越えると焼結
体の強度が低くなるので好ましくない。

焼結合金の空孔量は特に限定しないが、通常の焼結合金
と同様に、材料の機械強度を考慮すると約２５％以下、
即ち、焼結密度に換算すると５．９ｇ／ｃＩ１１以上で
あることが望ましい。

実施例１ 先ず原料粉として第１表の試料１〜６の欄に示す組成で
粒度１００メツシユ以下のオーステナイト系ステンレス
鋼粉６種；組成がＳｉ：２．５％。

Ｃｒ：＆１％、、ＭＱ：２７．８％およびＣｏ：残部で
粒度が１００メヅシユ以下のコバルト合金粉：それに平
均粒径が５μの天然黒鉛粉を準備した。

次にこれらの原料粉を第１表に示す割合に配合し、成形
潤滑剤として１％のステアリン酸亜鉛を添加して充分に
混合した。そして、夫々の混合粉を成形圧力６ｔ／ｃｆ
ｆｌで所定の形状に圧縮成形後、分解アンモニアガス雰
囲気炉中温度１１００℃で３０分間焼結し、焼結密度６
−Ｌｇ／ｃｖの圧環強度測定用および摩耗試験用の各試
料（試料番号１〜１５）を作製した。Ｉ：２粍試験用試
料の形状は内径８１ｍ１．外径１３ｉｎ、全長３５ｍ１
の軸受形である。

また、比較のために５ＵＳ３０４ステンレス鋼（溶製材
）のブロックおよび黒鉛のブロックから試料を作成し、
夫々試料１６．１７とした。

１耗試験は、温度５００℃に保った軸受試料に５ＵＳ３
０４ステンレスＭ　（９Ｎｉ　−１９Ｃｒ　）の軸を挿
入し、この軸に１ｋｇの荷重を加えた状態で軸を１０１
１１のストロークで軸方向に毎分６０回往復動させ、３
０時間経過後、軸受と軸の摩耗量を測定しな。

各試料についての圧環強さ、摩耗量の試験結果ならびに
１耗試験における凝着状況は、第１表に示す通りである
。

試料番号１〜６は、コバルト合金粉と黒鉛粉の添加量を
一定としてステンレス銅粉の組成の影響を見たもので、
試１！−１１〜４はその組成１合金組繊ともこの発明の
範囲内にあり、試料、相手軸ともに摩耗が少ない優れた
結果を示している。これに対して、試料５はステンレス
鋼粉中のＣｒ量が１試料６はＮ１Ｊｉが範囲外であり、
これらは試料。

相手軸ともに摩耗量が多くなっている。

試料番号７〜１５は、ステンレス鋼粉の種類を最良の結
果が得られた試料３で用いたものに一定して、コバルト
合金粉と黒鉛粉の添加ｌを変えてその影響を見たもので
ある。その結果を試料３と比較すると、コバルト合金粉
は試料７．・８が示すように、減少すると圧環強さは向
上するものの耐摩耗性は低下し、増加すると圧環強さは
低下するが耐摩耗性は向上する。黒鉛粉も試料９．１０
が示す通り、コバルト合金粉の場合と同様の傾向を示し
ている。ただし、試料７〜１０はその特性が後述の比較
材や従来材に比べて著しく高く、充分実用できる域にあ
る。

これに対して試料１１はコバルト合金粉を更に減量した
ため全体組成中のモリブデンとコバルトが範囲外（不足
）になり、また、試料１２は更に増量したためコバルト
が範囲外（過剰）になったもので、両者とも試料および
相手軸の摩耗が増加している。試料１３．１４は黒鉛に
関するものであり、黒鉛の場合は相手軸に対する影響は
少ないものの、自己の摩耗量は、不足１過剰のどちらの
場合も多くなっている。

試料１５は、コバルト合金粉も黒鉛粉も省いてステンレ
ス鋼粉単昧を焼結したもので、圧環強さは高いが、試料
自身および相手軸の摩耗が全試料の中゛で最も多くなっ
ている。なお、コバルト合金粉の添加量が不足の試料１
１．黒鉛粉の添加量が不足の試料１３ならびにこの試料
１５の場合に、掌擦による凝着現象が認められた。

試料１６はステンレス鋼５ＵＳ３０４の溶製材で、焼結
材（試料１５）はどではないが試料、軸とも摩耗が多く
、凝着も認められた。

試料１７の黒鉛材は、相手軸を傷付けることはないが試
料自体の摩耗が多く、試験の途中で割れを生じたなめ摩
耗試験を中断した。

実施例２ 次に実施例１の摩耗試験で好成績を示した試料２と試料
３の本発明材について、実機に近い条件で、溶製ステン
レス材（試料１６）および黒鉛材（試料１７）との比較
試験を行なった。その結果は以下の通りである。

試験装置は大型自動二輪車の排気管を利用したもので、
その管内にはステンレスａｓｕｓ３ｏ４（９Ｎｉ−１９
Ｃｒ　）製の排気制御弁が装着されている。試験の対象
部品はこの弁の軸を支える軸受で、その寸法は内径１０
１１１１．外径１７ｍｎ、全長２０１１である。従って
各試料はこの寸法に作られているが、それぞれの製造条
件は実施例１の場合と同一である。

排気制御弁の軸は、駆動機構により０．５秒で半回転正
転、０．５秒間停止、０．５秒で半回転逆転。

０、５秒間停止を１サイクルとする揺動を反復するよう
設定され、同時に、軸には１ｋｇの荷重が負荷されてい
る。そして、排気管内にはプロパン燃焼ガスを連続して
流し、軸受の近傍を温度５００’Ｃに常時保っである。

この試験装置の軸受部に各試料を順に装着して５万回揺
動させた結果は、試料１６の溶製ステンレス材が８１μ
（軸の摩耗は５１μ）、試料１７の黒鉛材が１２４μ（
軸は摩耗せず）も摩耗したのに対して、試料２．試料３
の本発明材の摩耗はどちらも７μ（軸の１粍は２μ）に
過ぎず、その優れた耐摩耗性を実証した。

以上に詳述した通り、本発明によれば、従来の材質が早
期に劣化、摩耗するような過酷な条件、例えば高温の排
気ガス中での使用に耐え得る軸受を容易に得ることがで
きる。従ってこの発明は、その様な用途の装置の設計を
可能にすると同時に焼結合金の用途を拡大したものでも
ある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　重量％にて、全体組成が 炭素：１．５〜４％、Ｓｉ：０．１〜０．８％Ｃｒ：１
   ３〜２５％、Ｎｉ：５〜２１％ Ｍｏ：１．３〜１０．７％、Ｃｏ：３〜１９％および鉄
   ：残部 からなり、かつその合金組織は、金属炭化物が分散した
   ニッケル・クロム系ステンレス鋼からなるマトリックス
   の間に５〜３０％のケイ素、クロムおよびモリブデンを
   含有する粒状のコバルト合金相と遊離炭素が分散した組
   織を呈することを特徴とする、高温に耐える軸受用焼結
   合金。 ２　重量％にて１．５〜４％の黒鉛粉、５〜３０％のコ
   バルト合金粉およびオーステナイト系ステンレス鋼粉残
   部の混合粉を成形および焼結する焼結合金の製造方法に
   おいて、 コバルト合金粉にはその組成が Ｓｉ：２．２〜２．６％、Ｃｒ：７．５〜８．６％、Ｍ
   ｏ：２７〜２９％、Ｃｏ：残部の合金粉を、オーステナ
   イト系ステンレス鋼粉にはその組成がＮｉ：８〜２２％
   、Ｃｒ：１６〜２６％および鉄：残部；または Ｎｉ：８〜２２％、Ｃｒ：１６〜２６％、 Ｍｏ：３％以下および鉄：残部の合金粉を用いることを
   特徴とする、高温に耐える軸受用焼結合金の製造方法。