JPS5837155A - 摺動部材 - 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】 本発明は耐摩耗性に優れた鉄基焼結合金製摺動部材に関
する〇 例えば内燃機関のカム、タペット、オイルポンプのハウ
ジング等の苛酷な使用条件下で使用される摺動部品の材
料嬬耐摩耗性に優れて−ることが要求され、従来からチ
ル鋳鉄や合金鋳鉄に熱処理を施して少なくとも摺動表面
層を硬化させたものが使用されている。ところが、一般
の鋳造品は寸法精度が良好で社なく、切削加工を施さね
ばならないが、上記の鋳鉄社被削性が良好でなく、加工
コストが嵩むという問題点を有している。

粉末冶金法によって製造される焼結体は寸法精度が良好
で、歩留りも高く、内在する気孔の故に良好な保油性を
備えているところから、焼結合金は機械部品の材料とし
て広く使用されるようになってきており、耐摩耗性を改
善する念めに種々の合金元素を添加した鉄基焼結合金が
試みられているが、苛酷な使用条件の下ではその耐摩耗
性はチル鋳鉄や耐摩耗合金鋳鉄のそれには及ばない。ま
た鉄鋼材料の耐摩耗性を改善する有効な手段として窒化
処理があるが、焼結合金は内在する気孔のために窒化の
進行が速く、窒化用鋼のように窒素との親和力が強いア
ルミニウムやクロムを鉄基焼結合金に含有させると、窒
化処理に際して膨張を起して寸法変化が大きくなるので
、これらの合金元素を含有させることができない。その
ため充分な硬さを有する窒化層が得られず、窒化処理に
よる鉄基焼結合金の耐摩耗性改善に社大きな効果を期待
することができない。

本発明は上記のような問題点を解消し、寸法精度の良好
な焼結合金製であって、耐摩耗性の改善された摺動部材
を提供することを目的としており、炭素０．３〜二〇％
、鋼３〜ＩＯ弧、クロムＯ９ｊ〜ｊ％、残部が実質的に
鉄からなる組成を有し、気孔が該気孔の内壁に形成され
た四三酸化鉄（Ｆｅ１２斗）Ｋよって封孔されている鉄
基焼結合金を母材とし、少なくとも摺動表面にｒ′（７
・４Ｎ）相とε（ハ、−ａ＋）相とを主体とする窒化層
が形成されていることを特徴とする摺動部材に関する。

発明者は研究の結果、鋼を含有する鉄基焼結合金に窒化
処理を施すことにより、ど（ＩＦｅ、Ｎ）相が多量に生
成され、最表層部にはγ′相と共にε（ＩＦ＠ｚ−Ｊ）
相が多量に生成された窒化層が形成され耐摩耗性が着し
く改善されること、銅の−ｒ′相生成作用鉱り田ムの含
有によって損なわれないこと、クロムを含有する鉄基焼
結合金の前記のような窒化処理に伴なう甚しい膨張は、
窒化処理に先立って蒸気処理を施して気孔の内壁に四三
酸化鉄（７ｅ、Ｏいを形成させて気孔を封することによ
り、窒化層の厚さをＯ８／〜０．３ｍｍ程度にすること
で防止で自ること、並びに鋼及びクロムを含有する鉄基
焼結合金に蒸気処理を施し、次いで窒化処理を施して得
られる窒化層は硬さが非常に高く、耐摩耗性に一層優れ
ることを見出した。

蒸気処理によりて窒化層の厚さが制御され、焼結体の甚
しい膨張が防止されるの祉次の理由によるものと考えら
れる。即ち、焼結合金の気孔は立体的には互に連結され
ており、窒化処理に際して窒化ガスは焼結体内の気孔中
に侵入し、焼結体の表面からのみならず内部の気孔から
も窒化が進行する。りｐムは窒素との親和力の強い元素
であるので、り四ムを含有する鉄基焼結体に窒化処理を
施すと、短時間で深部に迄窒化され、焼結体が甚しい膨
張を起す。窒化処理に先立って焼結体に蒸気処理を施し
て気孔の内壁に四三酸化鉄の皮膜を形成させて気孔を封
孔しておくと、窒化処理の際、窒化ガスが先ず四三酸化
鉄を還元し、次いで気孔内に侵入して気孔から窒化が進
行する、或いは上記四三酸化鉄の還元と気孔からの窒化
とが同時に進行するようになるので、窒化層が不必要に
厚くなることはなく、焼結体の畠しい膨張も防止される
亀のと考えられる。

本発明に於ける窒化処理はガス窒化又はガス軟窒化が好
適である。ガス窒化又はガス軟窒化によれば、焼結合金
中に存在する気孔の中に奪囲気ガスが侵入して充分な深
さの窒化層が形成される。

イオン窒化法で社表面下の気孔内壁から窒化させること
かできず、表面からのみの窒化となるので溶製材に於け
る窒化と同様に極めて浅−窒化層しか形成されない。ま
た塩浴窒化法では窒化処理後に気孔内に侵入した塩浴の
除去が困難であって、後に錆の発生が甚しく、機械部品
として供するに社運さない◎ 本発明摺動部材の母材の化学組成について言えば、 炭素が０．３％未満では、焼結合金の組織が大部分軟質
のフェライトとなって機械的強度が不足し、タ ユ０％を超えると遊離七メンｔイトが多くなって脆化す
るようになるので、その含有量を０．３〜２、、Ｏ襲の
＠囲とするのが良い。

銅は前記のようなｒ′相金管主体する窒化層を形成させ
るために必須の元素であって、これが３％未満ではγ′
相の生成が少ないか或は生成されず、耐摩耗性教養の効
果が不充分であり、７０％を超えると焼結合金の組織中
にＯｕ相が多くなって、機械的強度が著しく低下するよ
うになるので、その含有量は３〜１０％の範囲とするの
が良い。特に好ましい範囲はｊＮ♂％である。

クロム社鋼と共に窒化層の硬さを著しく高め１耐摩耗性
の一層の改善に有効な元素であり、これがＯ０ｊ％未満
では窒化層の硬さの上昇が不充分であり、５％を超える
と焼結合金中にクロムが富化した部分を生じて窒化処理
に際して均一、かつ適当な厚さの窒化層を形成させる妨
げとなるので、その含有量は０ＪＮｊ％の範囲とするの
が良い。

炭素、銅及びり四人以外の合金元素としては、ニッケル
、モリブデン、パナヂウム、チタン、ニオブ及びタング
ステンが焼結合金母材の機械的強第３図は同じく表面か
ら０．！−０．７ｊｒｎｍの深さの範囲の組織を示す倍
率参〇〇倍の顕微鏡写真である。表面からｊｍｍ（Ｑ深
さの位置、即ち中心部の組織は第３図に示す組織と実質
的に同一組織であった。

第７図から本発明材祉表面に）から概ね０．３ｍｍの深
さ迄窒化層Ｑが形ＩＩＬされていることが判る。

窒化層＠は後述するｘ１１回折試験によってｒ′（ｙ＠
＋Ｎ）相とε（１・２−、１１）相を主体とする窒化層
であることが確認されている。

第２図から母材焼結合金の気孔（２）の内壁には灰色に
見えるｆｆ１＝酸化鉄（ハコ０今）の皮Ｓ（廊が形成さ
れていて気孔（イ）は封孔されていることが判る。窒化
層儲の中の気孔（２）の内壁に社四三−化鉄は認められ
ず、窒化処理中に四三酸化鉄は還元されて消失したもの
と考えられる。

第３図から母材焼結合金の気孔（イ）の内１！Ｋｉｔ第
λ図に於けると同様に四三醗化鉄の皮膜（イ）が観察さ
れる。（ロ）は母材焼結合金の基地で、微細なパーライ
ト組織を呈している。

ｘ１１回折試験 板状試料について表面から内部に向って成分相口 をｘ　＠ｊｇ折によって調べた結果祉第２表に示す通り
である。表中εは１・ｘ−３夏、どは１・４Ｎｓαはフ
ェライトである。◎印は多量に検出されたこ七を、Ｏ印
線少量であるが検出されたことを、Ｘ印は検出されなか
ったことを夫々示す。

第　　２　　表 れなくなって−る＠ε相祉試料ｐを除−てはいずれも表
面から０．２ｍｍｗｒの深さ迄多量に生成されている。

試料Ｂ（本発明材）及び試料０ではγ′相は表面では少
量、表面から０．／−０，２ｍｍの範囲では多量に存在
しており、表面からＯＪｍｍの深さの位置では殆ど母材
かもなっているので、ε相、ｔ′相共に少量検出される
だけである。試料Ａ及び試料ｐではγ′相は検出されな
かった。ａは母材のパーライト基地中のフェライトが検
出されたものであるが、試料ｐを除−てはいずれも表面
からθ／ｗｒｍの深さ迄Ｆ１Ｗｔめられす、表面から０
．２　ｍ　ｍの深さの位置では少しく残存し、表面から
Ｑ、ｊ　ｍ　ｍの深さから中采に至る迄は窒化されてい
ないため多量に存在している。試料Ｂ（本発明材）につ
いての以上の試験結果は前述の組織観察の結果と一致し
ている。

硬さ試験 板状試料について表面から内部に向って２００ｇの荷重
でマイク冒ビッカース硬さを測定し、硬さの変化を求め
た結果ｔｔｓ；４／Ｌ図に示す通りである。

同図から、試料Ｂ（本発明材）は窒化層の硬さが高く、
而も表面から０．３ｍＩｍの深さ迄硬さの低下が僅少で
ある。その他の試料は窒化層の硬さが高くなく（試料ム
及び試料０）、或いは表面から０．２ｍｍの深さの位置
で硬さの急激な低下を示しており（試料ム及び試料Ｄ）
、本発明材が耐摩耗性に優れていることが理解できる。

摩耗試験 前記板状試料及び前記以外の比較材として鋳鉄’Ｉ１０
．３０を冷し金を使用して強制チルさせて製作した従来
の摺動部材について厚さｊａｎの試験片を採取し、表面
層を０．／ｖａｍ研削除去して表面粗さを中心線平均粗
さｏ、ｉｏＰに仕上け、これらの試験片について大船式
迅速摩耗試験機を使用して表面層の摩耗試験を行った。

試験条件は以下の通りである。最終荷重＋ｘ、３ｋＦ、
摩擦速度：ｔ／弘ｍ／ｓｓｏ、摩擦距離”　６００ｍ、
潤滑油ｉｔ、Ｏ’０のモーターオイル４１３０を１滴／
　ｓ　＠　Ｏ供給、相手ローター材：Ｈへ〇３０の硬さ
を有するりｐムモリブデン鋼Ｂ　ＯＭ　４’　ｊ　ｊ　
。

試験結果は第５図に示す通りである。同図から、試料Ｂ
（本発明材）は従来のチル鋳鉄製摺動部材に比べては勿
論、他の窒化焼結合金製比較材に比べても摩耗量が著し
く少なくなっており、耐摩耗性が大幅に改曽されている
ことが判る。

寸法変化測定 外径１ｐＱｌａｗｒ、内径１１Ｑｍｍ、高さｊＯｍｍの
円筒状試料について、圧粉体成形に使用した金型（ダイ
）の内径寸法に対する窒化処理後の試料の外径寸法の変
化を測定し、各々５０個の試料についてその平均値■及
び範囲（６）を求めた。

その結果は第３表に示す通９であるＯ同表には参考のた
めに焼結体素材に蒸気処理を施さずに窒化処理を施した
場合について同様の測定を行った結果が併記しである。

平均値ｉは 試１ 範囲Ｘａ＜試料の外径−金型の内径）ｍｍの範囲で表示
しである。

第　　３　　表 表から蒸気処理を施さず、窒化処理を施した場合は、焼
結体素材の組成の如何に拘らず大きな寸法変化を起すの
みならず、寸法のバラツキも非常に大きいが、焼結体素
材に蒸気処理を施して気孔を四三酸化鉄で封孔し、然る
後窒化処理を施した場合は寸法変化もまた寸法のバラツ
キも小さく、特に本発明材（試料Ｂ）は６寸法精度に優
れていることが判る＠上配本発明材の寸法変化は溶製鉄
鋼材料の通例の熱処理（焼入、焼戻等）による寸法変化
よりも少なく、本発明材は寸法精度の上でも良好である
ことを示している。

以上説明したように、銅及びり田ムを含有し、気孔を四
三酸化鉄で封孔した鉄基焼結合金に窒化処理を施した本
発明摺動部材は、り四ムを含有するにも拘らず寸法精度
が良好であり、またその窒化層はγ′相及びε相を主体
としていることと、鋼及びり胃ムを含有して−るために
硬度が高く、而も充分な厚さを有している上に、気孔の
在存による良好な保油性を備えているので、苛酷な使用
条件下でも優れた耐摩耗性を示し、工業上の利用価値社
大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明摺動部材の表面層の代表的な組織を示す
倍率１００倍の顕微鏡写真、第２図は同じく倍率≠ＯＯ
倍の顕微鏡写真、第３図は本発明摺動部材の母材焼結合
金の代表的な組織を示す倍率参〇〇倍の顕微鏡写真であ
る。 図中Ｖ）は表面、儲は窒化層、（２）は窒化層中の気孔
、＠位母材焼結合金の基地、（イ）祉母材中の気孔、■
は四三酸化鉄である。 第≠図は表面から内部へ向っての硬さの変化を示すグラ
フ、第１図は大船式迅速摩耗試験機を使用しての摩耗試
験の結果を示すグラフである。 出願人　　株式会社　リ　ケ　ン 第１Ｆ５３ 第３図 第５図 や ＼ 」 ′９

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 炭素０．３〜２０％、８３〜１０％、クロムｏ、ｒ〜ｊ
   ％、残部が実質的に鉄からなる組成を有し、気孔が該気
   孔の内壁に形成された四三−化鉄（ｙ・３０４）によっ
   て封孔されている鉄基焼結合金を母材とし、少なくとも
   摺動表面にｒ′（１・１Ｎ）相とε（Ｆ０２〜．Ｎ）相
   とを主体とする窒化層が形成されていることを特徴とす
   る摺動部材。