JPH03219050A - 耐摩耗摺動材とその製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、耐焼付性と耐摩耗性を向上させた耐摩耗摺動
材に関しかつ該摺動材の製造方法に関する。

〔従来技術〕

歯車減速機、油圧ポンプおよびモーターなどの高速摺動
部には、青銅、黄銅系の鋳造材、焼結材が一般に使用さ
れている。また、負荷の小さいこれらの部位には溶製鋼
材または焼結鋼材に軟窒化、浸硫窒化処理を施して使用
されている。特に、エンジンのシリンダーライナは高負
荷用として、鋳鉄材にタフトライド処理を施して耐摩耗
性の向上をはかっている。

また、グリース潤滑のもと高負荷状態で使用されるブツ
シュ類では、５ＵＪ２、ＳＣＭ４４０Ｈなどの焼入材や
ＳＣＭ４２０Ｈなどの浸炭材が用いられている。さらに
、軸部に外部からの土砂や水などの浸入を防止するフロ
ーティングシールなどは耐摩耗性にすぐれた高炭素高ク
ロム鋳鉄が用いられている。銅系の摺動材は、摺動特性
に要求される耐焼付性にすぐれているが、材質的に高価
な割には十分な耐摩耗性を有していない。

軟窒化、浸硫窒化処理を施した溶製鋼または焼結鋼は、
摺動中に局部的な片当りによる衝撃的な荷重を受けると
、表面層に形成させた硬質の窒化物および硫化物相が脆
いために剥離し、早期に焼付いたり、異常摩耗を起すこ
とがしばしばある。特に、高速運転で往復摺動するシリ
ンダーライナでは耐摩耗性の向上が重要な課題となって
いる。

〔発明が解決しようとする課題］ 一方、建設機械の作業機などは、偏荷重を受けやすく、
かつ高負荷で使用されることから、ブツシュ類の摺動面
は高硬度に処理されているため、摺動面のなじみ性（加
工誘起の超塑性化）に乏しく、局部焼付およびグリース
切れによる異常音の発生等の障害が頻発している。また
、油封止のもとで使用されるフローティングシールは高
硬度材で構成されているため、軸部に挿着させて油洩れ
が起らないようにするとき、なしみ性に欠けるので摺動
面の組立作業が困難となる。更に、車速向上の要求から
、より高ＰＶ値（摺動速度と摺動圧との積）条件で使用
されることから、モリブデン、タングステン、バナジウ
ム、コバルトなどの高価な添加元素を加えるが、高価な
材質の割りに耐焼付性が改善されないという問題点があ
る。また、高速回転部をもつ例えば、足回り下転輪など
では、回転速度に潤滑剤が順応しないとき摺動面に局部
的に熱が発生し、縮方向にヒートクラックを起す。これ
らには鋳造材が使用されているが、材質的には多量の炭
化物と合金元素の組成のために、脆く、局部発熱を起し
やすいという問題点がある。

通常の摺動材の摺動面圧は１５０ｋｇ／ｃｒｌであるが
、連接の作業機などでは、面圧９００　ｋｇ　／　ｃｉ
が要求され、作業時のねじれの片当りを加味すると、面
圧は１３００ｋｇ　／　ｃ＋＋１にも達する。

本発明は上記に鑑みてなされたもので、油またはグリー
ス潤滑のもとで使用する摺動鋼材の耐焼付性と耐摩耗性
をより向上させ、かつ安価にできる高面圧用の耐摩耗摺
動材とその製造方法を提供することを目的とするもので
ある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記の問題点を解決するために種々検討した結
果にもとづく。鋳造鋼摺動材の表面硬度を向上させても
耐焼付性を向上できない。

しかし、銅系摺動材のすぐれた耐焼付性の効果は、相手
側とのなじみ性が良好なためと考察し、溶製鋼および焼
結鋼の摺動部表面に多量の軟質な残留オーステナイト相
を析出させ、摺動面になじみ性を付与すれば、摺動時に
受ける大きな負荷応力が介在しても、残留オーステナイ
ト相によって加工誘起のマルテンサイト相に変態し、耐
摩耗性と耐焼付性が大きく改善できることを見出して本
発明を完成させたものである。

本発明の耐摩耗摺動材は、 （１）溶製または焼結により得られる摺動用鋼材の摺動
部の炭素と窒素との含量濃度が０．８〜４．０ｗｔ％で
あり、６００’Ｃ以上の温度で浸窒、浸炭、浸炭と浸窒
もしくは同時に浸炭浸窒処理を施して焼入れされ、焼入
れ後の組織が常温で溶製鋼または焼結鋼に容積比で３０
〜９５ｖｏ　１％範囲の残留オーステナイト相を有する
ことである。

（２）炭化物形成元素として、０．１〜２５−１％クロ
ム、０．０５〜５．０ｗｔ％モリブデン、０．０５〜５
．０ｗｔ％バナジウムのうちの１種または２種以上を含
み、 焼入性形成元素として、０．０５〜１０ｗｔ％ニッケル
、０．０５〜１０ｗｔ％マンガンのうちの１種または２
種以上を含み、 残部が３．５ｗｔ％以下の炭素および鉄と不可避不純物
からなる溶製鋼または焼結鋼を、６００℃以上の温度で
浸窒、浸炭、浸炭と浸窒もしくは同時に浸炭浸窒処理を
施して焼入れされ、焼入れ後の組織が常温で溶製鋼また
は焼結鋼に容積比で３０〜９５ｖｏ　１％範囲の残留オ
ーステナイト相を有するとともにセメンタイト、炭化物
、炭窒化物が析出していることである。

（３）摺動用溶製鋼または摺動用焼結鋼を、６００℃以
上の温度で浸窒または浸炭浸窒処理した後、急冷し、焼
入れ後の組織が常温で容積比で３０〜９５ｖｏｌ％の残
留オーステナイト相を形成させることである。

次に、本発明の構成について更に説明する。

本発明の構成で、摺動用鋼材の摺動部の炭素と窒素との
合量濃度が０．８〜４．０ｗｔ％とするのは、適切な残
留オーステナイト相を析出させ、摺動面になじみ性を与
えれば、摺動時に受ける大きな面圧応力が加わると、加
工誘起のマルテンサイト変態（いわゆる超塑性変態、超
塑性によるなじみ性が付与されている）による硬度が十
分な硬さを確保するため、炭素含有量の最低量を０．８
ｗｔ％とするものである。逆に、４．０ｗｔ％以上にす
ると、摺動部屋表面部が炭化物のみでつながり、残留オ
ーステナイト相を形成させる効果が希薄になり、なじみ
性が悪くなるために、炭素含有量は最大４．０ｗｔ％と
するものである。

本発明の構成で、６００’Ｃ以上の温度で浸窒、浸炭、
浸炭と浸窒もしくは同時に浸炭浸窒処理を施して焼入れ
しとあるのは、窒化のように通常５５０℃程度で熱処理
すると、粒子表面に通常の窒化物が生成して焼結鋼の摺
動特性が低下する。浸窒処理は窒化と異なり、本発明の
必須要件であって、６００℃以上の温度と定めた理由は
、特に浸窒処理をする時にＴ、８層などの窒化物が表面
層に析出（白層と呼ばれるもの）シ難い温度とするもの
である。浸窒は溶製鋼または焼結鋼中に窒素を拡散、吸
収させるものである。

浸窒処理はアンモニヤ分解ガス雰囲気中、８００〜９０
０℃の温度範囲で行うのが好ましい。浸窒処理のみをす
るのは、炭素を含む溶製鋼または焼結鋼の場合であって
、浸炭浸窒処理は炭素を含まない合金鉄粉と黒鉛粉の混
合粉から焼結鋼を得る場合には、常法に従って、先づ浸
炭処理を行った後、引続いて浸窒処理をするか、または
浸炭と浸窒を同時に処理する。

浸窒は溶製鋼または焼結鋼中に窒素を拡散、吸収させて
、残留オーステナイト相の析出を容易にさせる。

本発明の構成で、焼入れ後の組織を容積比で３０〜９５
ｖｏｌ％範囲の残留オーステナイト相とするとあるのは
、鉄−炭素合金状態図から理解されるように、鋼の焼入
れ硬化において焼入れを最も極端に行う、すなわち極端
に急冷するとオーステナイトの状態がそっくり、そのま
ま常温に持来されるが、炭素鋼ではどんなに急冷しても
オーステナイト組織を１００％常温に持来させることが
できない。一般には、オーステナイト組織と異る非常に
硬いマルテンサイト組織が共存する。変化しないまま高
温のオーステナイト組織が残ったものであるから残留オ
ーステナイトという。摺動面のマトリックス組織を多く
の残留オーステナイト相に形成するとなじみ性のあるマ
トリックスとなる。残留オーステナイト相の下限値は、
なじみ効果があられれ始める量を３０νｏ１％とし、上
限値の９５ｖｏｌ％は摺動テスト後の摺動面の焼付性と
摩耗性の観察から定めた。

本発明で使用する炭化物形成元素の添加と焼入性形成元
素の添加によって得る溶製鋼または焼結鋼の添加量の関
係は、次の通りである。クロム、モリブデン、バナジウ
ムなどの制限は浸炭によって炭化物を析出させるために
、添加量から定めたものであって、最大値はコスト的な
観点から制限するものである。

ニッケル、マンガンはマトリックスの焼入性の保証から
、必要添加量とするものである。ニッケル、マンガンを
増量させると、残留オーステナイト相量が増えてなじみ
性の効果を生じるが、必要以上の添加はコスト高とする
ため、上限値は許容できる値とするものである。炭素の
最大添加量は焼結鋼における易焼結性の判断と耐摩耗性
に必要な分散炭化物量の関係から規定したものである。

本発明の構成では炭化物形成元素を有するから、多量の
残留オーステナイト相の他に高硬度なセメンタイト、Ｍ
７Ｃ３、Ｍ６Ｃ，Ｍ、Ｃ，ＭＣ等の炭化物および炭窒化
物を摺動部に析出させ、さらなる耐摩耗性の向上を確保
している。

〔作　用〕

本発明に係る耐摩耗摺動材は、摺動面のマトリックスに
多量の残留オーステナイト相を析出させて、摺動面にな
じみ性（靭性）を付与しであるため、大きな摺動面圧、
局部当たりなどがあると、瞬間的に自己的になじみ作用
（塑性変形）を起して硬化し、−段と耐焼付性、耐摩耗
性が向上する。

従来のものでは潤滑が悪いと、瞬間的にある表面の局部
が発熱して体積膨張が起って異常な応力を生じ、ヒート
クラックを起すが、本発明ではマトリックスが靭性を有
するため耐ヒートクラツク性にもすぐれている。

〔発明の効果〕 以上説明した如く、本発明の耐摩耗摺動材は、摺動面に
多量の残留オーステナイト相を形成させるのでなじみ性
が大きくなり、耐焼付性および耐摩耗性が一段とずくれ
ものとなる。安価に製造できるので、エンジン、油接、
連接、自動車などで使われる摺動部品への適用が可能に
なる。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

一実施例１ 合金鋼粉または鉄粉（神戸製鋼社製、アトメル３００Ｍ
、４１００．４６００．４８００Ｄ　Ｆ　）　、黒鉛粉
（ロンザ社製、ＫＳ６）、リン鉄（幅用金属社製、＃３
５０．２７ｗｔ％Ｐ）を用いて４種類の組成の混合粉を
作成し、前記混合粉に対して０．５ｗｔ％のアクラワッ
クス（潤滑剤）を添加し、混合した後、プレスで６ｔ／
Ｃｌ１１の加圧成型を行い、１０−　”　ｔｏｒｒ以下
の真空雰囲気中、１２００℃Ｘ１時間の条件で焼結体を
得た。焼結体とは別に、市販のＳＵＪ　２、ＳＣＭ４４
０Ｈ鋼材を準備し、これらの焼結体および鋼材を定速摩
擦摩耗試験片と摩耗試験片の形状に機械加工を施した後
、各試験片をガス雰囲気（ＲＸガス、プロパンガス、ア
ンモニヤを用いてＣＯ２ガス、ＮＨＩガス濃度がそれぞ
れ０．１５〜０．２５％と１０％となるように調整する
）中、８５０℃Ｘ４時間の条件で、浸炭浸窒処理を行な
い、直接８０℃の油中に焼入れし、１５０℃Ｘ３時間の
焼戻し処理を施した。そして、それぞれの残留オーステ
ナイトＩを求めた。

又、比較のためＰ３１Ｃ材とＳＣＭ４４０Ｈ材にタフト
ライド処理を施したものを用意し、上記の浸炭浸窒を施
さず、他は同一条件とした試験片を作成した。得られた
試験片について摺動試験を行った結果を第１表に示す。

第１表には、バナジウムを含む実施例を示していないが
、１〜４ｗｔ％範囲のバナジウムを含む合金粉焼結体に
ついて浸炭浸窒処理を施した後、焼入れ焼戻し処理を施
して摺動試験を行った結果、限界ＰＶ値、比摩耗量とも
良好な結果が得られることを確かめている。

実施例２ 第１表の試験片Ｎｏ、３と同じ焼結体を往復摩耗試験片
の形状に機械加工を施した後、試験片の表面カーボンポ
テンシャルが０．８ｗｔ％炭素になるように、７００℃
Ｘ４時間の条件で浸炭した後、ｌＯ％アンモニヤ分解ガ
ス（残留アンモニヤ濃度１０％）雰囲気中、８５０℃Ｘ
４時間の条件で浸窒処理を行ない、直接８０℃の油中で
急冷した。この試験片の残留オーステナイト量は６０シ
Ｏ１％である。

また、比較のため上記試験片Ｎα３と同じ焼結体の機械
加工した試験片を、１Ｏ−２ｔｏｒｒ以下の真空雰囲気
中、９００℃Ｘ３時間の条件で再加熱した後、窒素ガス
で焼入れ処理を行ない、４００℃Ｘ１時間の窒素中で焼
戻しを行った。次に、エンジンシリンダーライナ用材と
しているＦＣ３０鋳放し材およびＦｅ２０材を５７０℃
Ｘ３時間のタフトライド処理を行った試験片を作成した
。得られた各試験片について往復摺動試験を行った結果
を第１図に示す。

（注）往復摺動試験条件 荷重：５ｋｇ、速度：２０Ｈｚ（ストローク、　５　ｍ
ｍ　）、潤滑油：１０Ｖｌ−ＣＤ、加熱温度＝１８０℃
１相手材：ＦＣＤ５０＋クロムメツキ 実施例３ 第１表の試験片Ｎα４およびＮα６と同じ焼結体とＳＣ
Ｍ４４０鋼材をブツシュサイズ〔外径９６ｍｍφ、内径
８０飾φ、高さ８０ｍｍ、　グリース溝（巾１０ｍｍ、
深さ２ｍｍ））に機械加工を施した後、実施例１と同じ
条件で浸炭浸窒し、焼入れ焼戻し処理した。

また、比較のためＳＣＭ４１５　（ＧＣＴＱ熱処理）材
、および３４５Ｃ（ＩＱＴ熱処理）材を上記ブツシュサ
イズに機械加工を施し、９３０℃Ｘ４時間の条件で浸炭
し、８５０℃から焼入れし、１８０℃×３時間の条件で
焼戻し処理した試験片を作成した。

得られた各試験片について焼付性試験を行った結果を第
２表に示す。第２図は焼付性試験機を、第３図はブツシ
ュのグリース溝形状を示す。

（注）焼付性試験条件 ビン材：　ＳＣＭ４３５　ｒＱＴ。

グリース：リチウム系Ｇ２−Ｌ　Ｉ、 Ｆ　３　＝　２５””　、　Ｎ　３−焼付きまで揺動角
：９０゛ 揺動速度：２０°／　ＳｅＣ 焼付性試験は第２図に示されるような装置で行った。こ
の装置は固定されたブツシュ試験片内にピンを嵌入し、
このピンを揺動させて両者間のなじみおよび焼付性を試
験するものである。

実施例４ 合金鋼粉（三菱製鋼社製、Ｆｅ−１５ｃｒ　−３Ｍ。

ｌ　Ｎｉ、　　Ｆｅ　−９Ｃｒ　−６Ｍｏ　−４Ｗ）　
、黒鉛粉（ロンザ社製、ＫＳ６）、カーボニルニッケル
粉（インコネル社製、平均粒径Ｉｍ）を用いて５種類の
組成の混合粉を作成し、前記混合粉に対して０．５ｉｙ
ｔ％のアクラワックス（潤滑剤）を添加し、混合した後
、６ｔ／ｃｆｆｌの加圧成型し、１Ｏ−２ｔｏｒｒ以下
の真空雰囲気中、１１００〜１２００℃×２時間の条件
で焼結し、９００〜９６０℃の範囲から窒素ガスによる
焼入れして第６図に示すフローティングシール形状の試
験片を作成した。

５ＵＳ４３１材も第６図に示されるフローティングシー
ル形状に機械加工を施した後、９３０℃×７時間の条件
で真空浸炭処理して表面層に容積比で３０〜３５ｖｏｌ
％範囲のＣｒ７Ｃ，、の炭化物を析出させた試験片を作
成した。

上記の各試験片とＳＵＪ　２材を実施例１と同一条件で
浸炭浸窒、焼入れ焼戻し処理を施した。

あわせて、比較のために浸炭浸窒処理を施さず、他は同
一条件とした試験片を作成した。

得られた各試験片について第５図に示される装置で焼付
試験を行った結果と残留オーステナイト量および炭化物
析出量を求めた値を第３表に示す。第５図は焼付試験に
用いる装置でフローティングシールを接合し加圧状態で
相互回転するものである。

（注）焼付試験条件 相手材：同種材同士の摺動 油種：Ｅ（ｉ−＃３０ 線圧：１〜３　ｋｇ　／　ｃｉ 周速二０．９〜１．５ｃｍ／ｓｅｃ 第３表の結果から、残留オーステナイト相を増加させる
ことにより、焼付試験における限界ＰＶ値が一段と向上
できることがわかる。

【図面の簡単な説明】

第１図は摺動試験における摩耗量と摺動時間との関係説
明図、第２図は焼付性試験装置の概略説明図、第３図は
ブツシュの溝パターンの形状説明図、第４図は５ＵＳ４
３１の真空浸炭した金属組織で金属組織中にＣｒ７Ｃ：
＋炭化物が析出している状態を示す写真、第５図は焼付
試験装置の概略説明図、第６図はフローティングシール
の形状説明図である。 第 １ 図 （Ａ） （Ｂ） 第２図 第３ 図 第４ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　溶製または焼結により得られる摺動用鋼材の摺動部
   における炭素と窒素との合量濃度が０．８〜４．０ｗｔ
   ％であり、６００℃以上の温度で浸窒、浸炭、浸炭と浸
   窒もしくは同時に浸炭浸窒処理を施して焼入れされ、焼
   入れ後の摺動部の組織が常温で溶製鋼または焼結鋼に容
   積比で３０〜９５ｖｏｌ％範囲の残留オーステナイト相
   を有することを特徴とする耐摩耗摺動材。 ２　炭化物形成元素として、０．１〜２５ｗｔ％クロム
   、０．０５〜５．０ｗｔ％モリブデン、０．０５〜５．
   ０ｗｔ％バナジウムのうちの１種または２種以上を含み
   、 焼入性形成元素として、０．０５〜１０ｗｔ％ニッケル
   、０．０５〜１０ｗｔ％マンガンのうちの１種または２
   種以上を含み、 残部が３．５ｗｔ％以下の炭素および鉄と不可避不純物
   からなる溶製鋼または焼結鋼を、 ６００℃以上の温度で浸窒、浸炭、浸炭と浸窒もしくは
   同時に浸炭浸窒処理を施して焼入れされ、焼入れ後の組
   織が常温で溶製鋼または焼結鋼に容積比で３０〜９５ｖ
   ｏｌ％範囲の残留オーステナイト相を有するとともにセ
   メンタイト、炭化物、炭窒化物が析出していることを特
   徴とする耐摩耗摺動材。 ３　摺動用溶製鋼または摺動用焼結鋼を、６００℃以上
   の温度で浸窒または浸炭浸窒処理した後、急冷し、焼入
   れ後の組織が常温で容積比で３０〜９５ｖｏｌ％の残留
   オーステナイト相を形成させることを特徴とする耐摩耗
   摺動材の製造方法。