JPH06192784A

JPH06192784A - 耐摩耗性焼結摺動部材

Info

Publication number: JPH06192784A
Application number: JP34697192A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Morioka; 勉森岡; Kunpei Kobayashi; 薫平小林
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-12-25
Filing date: 1992-12-25
Publication date: 1994-07-12

Abstract

(57)【要約】【目的】摺動部を構成する他の金属材に近い熱膨張係数
を有するとともに、耐摩耗性および摺動性を大幅に改善
した耐摩耗性焼結摺動部材を提供する。【構成】マルテンサイト系ステンレス合金から成るマト
リックス金属焼結体中に、Ｓｉ₃Ｎ₄，ＺｒＯ₂，Ｓｉ
ＣおよびＡｌ₂Ｏ₃から選択される少なくとも１種のセ
ラミックス粒子を２〜２０重量％分散させたことを特徴
とする。またセラミックス粒子の平均粒径は０．５〜１
００μｍに設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は耐摩耗性焼結摺動部材に
係り、特に油潤滑が困難であり、高負荷条件下で使用さ
れる摺動部材として優れた耐摩耗性、摺動性および構造
強度を有し、同時に高温環境または腐食性ガス環境下で
使用された場合においても優れた耐久性を有する耐摩耗
性焼結摺動部材に関する。

【０００２】

【従来の技術】産業機械等を構成する部品で相互に摺接
する部品材料としては、耐摩耗性に優れた材料が使用さ
れる。例えば冷凍機用冷媒を圧縮するロータリ圧縮機に
おいては、軸受と回転軸、シリンダとベーン、ベーンと
ローラなど相互に摺接する摺動部における摩耗が特に顕
著になるため、それらの摺動部品は高い耐摩耗性を有す
る材料で形成する必要がある。

【０００３】従来、この種の耐摩耗材料としては、金属
のみで構成したもの、セラミックスのみで構成したもの
などがある。

【０００４】金属のみで構成した例としては、高速度鋼
（ハイス鋼）や共晶黒鉛鋳鉄の溶製材やＦｅ−Ｍｏ−Ｎ
ｉ−Ｃｒ−Ｃ合金などがある。また無機化合物のみで構
成した例としては、Ｓｉ₃Ｎ₄，ＡｌＮ，Ａｌ₂Ｏ₃，
ＳｉＣ，ＳｉＯ₂ＺｒＯ₂などのセラミックス原料粉を
所定形状に圧縮成形後、焼成した焼結体がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな金属のみで形成した耐摩耗材は加工性は良好である
一方、耐摩耗性および潤滑性が乏しく摺動する相手材を
激しく摩耗させる性質（相手攻撃性、スカッフィング
性）が大きい問題点がある。例えばハイス材では、含有
されるＶＣ，ＷＣ，Ｍｏ₆Ｃ，Ｃｒ₆Ｃ等の硬い金属炭
化物が形成されており、このための硬度は充分に確保さ
れるが、これら炭化物による相手攻撃性が著しくなる場
合が多く、摺動部品材料としては不適当な場合がある。

【０００６】一方、近年、冷凍機用、冷蔵庫用、空調機
用などの冷媒として一般的に使用されていたフロンが環
境破壊の一因となることが判明し、フロンに代替する新
しい冷媒の開発が進められている。

【０００７】ところが現在までに開発段階にある新規な
冷媒はいずれも運転温度が、従来のフロンと比較して大
幅に上昇するため、例えば、ＳＵＳ４４０Ｃ溶製材のよ
うな従来の耐摩耗材料でベーンなどの摺動部を形成した
圧縮機では種々の問題点が発生することが確認されてい
る。

【０００８】また使用温度の上昇に伴い、摺動材を構成
する合金組織の変態等により、その硬度および耐摩耗性
が低下して焼付き事故を生じ易く、圧縮機としての能力
が低下してしまう問題点が確認されている。

【０００９】その対策例として、例えばＳｉ₃Ｎ₄など
のセラミックス体でベーンなどの摺動部を構成すること
も試行されている。セラミックスのみで形成した耐摩耗
材は、高硬度で、しかも摩擦係数が小さく、かつ摺動性
が優れ、相手攻撃性が小さい材料が多い。しかしながら
高硬度で耐衝撃力が少ないため、所定形状の部品に仕上
げるための研削研摩等の加工時間および工数が膨大とな
る問題点がある。またセラミックスの熱膨脹率は金属と
比較して極めて小さいため、他の金属部品と組み合せて
摺動部を構成した場合には、金属との熱膨脹差に起因す
る問題が発生し易い。例えばＳｉ₃Ｎ₄製のベーンと、
金属製のシリンダおよびローラとを組み合せて、ロータ
リ式圧縮機を形成した場合には、ローラ等の摺動部材の
寸法が熱膨脹によって変化し、摺動部材相互間の微小な
クリアランスが所定値に保持できず、拡大して冷媒の圧
縮効率が低下し、最終的に冷却能力の低下を招来する等
の問題点がある。

【００１０】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたものであり、摺動部を構成する他の金属材に近い
熱膨張係数を有するとともに、耐摩耗性および摺動性を
大幅に改善した耐摩耗性焼結摺動部材を提供することを
目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記目的を
達成するため、種々の金属粉末とセラミックス材料との
複合化を試み、複合化した摺動材料を使用して摺動部を
形成し、その耐摩耗特性を比較評価する実験を繰り返し
た。

【００１２】その結果、マルテンサイト系ステンレス合
金中に所定割合のセラミックス粒子を均一に分散させた
焼結体で摺動部品を形成したときに、特に摺動特性およ
び耐摩耗性が優れた摺動部品が得られ、その知見に基づ
いて本発明が完成した。

【００１３】すなわち本発明に係る耐摩耗性焼結摺動部
材は、マルテンサイト系ステンレス合金から成るマトリ
ックス金属焼結体中に、Ｓｉ₃Ｎ₄，ＺｒＯ₂，ＳｉＣ
およびＡｌ₂Ｏ₃から選択される少なくとも１種のセラ
ミックス粒子を２〜２０重量％分散させたことを特徴と
する。

【００１４】また、セラミックス粒子の平均粒径は、
０．５〜１００μｍに設定するとよい。

【００１５】さらにマトリックス金属は、重量％で、Ｃ
ｒを１０〜２５％、Ｍｏを０．１〜５％、Ｃを０．１〜
２％、残部実質的にＦｅから成る。またセラミックス粒
子表面に金属コーティング層を形成するとよい。

【００１６】本発明に係る耐摩耗性焼結摺動部材のマト
リックス金属としては、硬度が高く耐摩耗性に優れると
ともに高温強度および耐腐食性が優れたマルテンサイト
系ステンレス合金が使用される。より具体的には、マト
リックス金属としては、重量％で、Ｃｒを１０〜２５
％、Ｍｏを０．１〜５％、Ｃを０．１〜２％、残部実質
的にＦｅから成るマルテンサイト系ステンレス合金が使
用される。

【００１７】Ｃｒは鉄に固溶して基地強度（硬度）を高
めるとともに、炭素と結合して硬い炭化物を形成して耐
摩耗性を付与すると同時に、高温強度および耐食性を向
上させる元素であり、１０〜２５％添加される。添加量
が１０％未満の場合には、添加の効果が少ない一方、添
加量が２５％を超える場合には成形性が阻害されてしま
う。

【００１８】Ｍｏは硬い炭化物を形成して摺動材の耐摩
耗性、摺動性および高温強度を改善するために０．１〜
５ｗｔ％添加される。Ｍｏ添加量が０．１％未満の場合
には、添加の効果が少なくなる一方、添加量が５ｗｔ％
を超えると、Ｃｒと同様に成形性を阻害する。

【００１９】Ｃは焼結合金基地を構成するＦｅと反応し
て高硬度のマルテンサイト組織を生成するとともに、Ｍ
ｏおよびＣｒと化合して高硬度の炭化物を形成して耐摩
耗性を付与する元素であり、０．１〜２％添加される。
Ｃ含有量が０．１ｗｔ％未満の場合には、ＣｒおよびＭ
ｏ炭化物量が少なく、十分な耐摩耗性が得られない。一
方含有量が２ｗｔ％を超える場合、溶融点が下がり焼入
時に共晶組織を生じ、脆化すると共に、炭化物が粗大化
し、切削加工性および構造強度が低下してしまう。

【００２０】上記金属マトリックス間に分散させるセラ
ミックス粉末としては、Ｓｉ₃Ｎ₄，Ａｌ₂Ｏ₃，Ｚｒ
Ｏ₂およびＳｉＣから選択される１種が単独で使用され
たり、または２種以上混合して使用される。上記セラミ
ックス材は、いずれも硬度が高く耐摩耗性および摺動特
性に優れている。特にＳｉ₃Ｎ₄はすべり抵抗が小で相
手攻撃性が少なく、摺動部品材料に使用した場合には優
れた摺動特性を発揮する。

【００２１】またセラミックス粒子の平均粒径は、原料
セラミックス粒子の取扱性、マトリックス金属とセラミ
ックス粒子との接合強度および摺動特性の均一性に大き
な影響を及ぼし、本発明では０．５〜１００μｍの範囲
に設定される。平均粒径が０．５μｍ未満の場合には、
マトリックス金属中への均一分散が困難となるととも
に、製造工程において飛散し易く取扱い性が悪化する一
方、平均粒径が１００μｍを超える場合にはマトリック
ス金属とセラミックス粒子との接合面積が小さくなり、
摺動部材自身の構造強度が低くなるとともに、金属マト
リックスに対するセラミックス粒子の分散状態が悪くな
り、摺動部材全体として均一な摺動特性を発揮できなく
なる。したがって平均粒径は、上記範囲に設定される
が、より好ましくは１〜１０μｍに設定するとよい。

【００２２】また摺動部材全体に対するセラミックス粒
子の配合率は、摺動部材の耐摩耗性、潤滑性、強度特
性、摺動特性、熱膨脹率等に大きく影響する。本発明で
は配合率は２〜２０ｗｔ％に設定される。配合率が２ｗ
ｔ％未満の場合にはセラミックス材が備える硬度（耐摩
耗性）、摺動特性、潤滑性などが摺動部材全体に充分に
付与されない一方、配合率が２０ｗｔ％を超える場合に
は、摺動部材全体の熱膨脹率が金属の熱膨脹率から大き
く隔たるため、この摺動部材で形成した部品と他の金属
部品とを組み合せて使用することが困難になる。したが
ってセラミックス粒子の配合率は２〜２０ｗｔ％に設定
されるが、より好ましくは５〜１０ｗｔ％である。

【００２３】本発明の耐摩耗性焼結摺動部材は、下記の
手順によって製造される。すなわち、まず鉄粉に前記元
素粉末、セラミックス粒子および潤滑材を所定量添加し
て混合粉末とし、得られた混合粉末を成形圧６００〜７
００ＭＰａで圧縮して所定形状の成形体とした後に、得
られた成形体を水素等の還元ガス雰囲気、ないし非酸化
性ガス雰囲気において、温度５００〜７００℃で１〜２
時間脱脂処理する。さらに脱脂した成形体を、減圧雰囲
気ないし還元性ガス雰囲気において温度１１００〜１２
００℃で１．５〜３時間加熱して焼結体とし、この焼結
体を温度１０００〜１０５０℃で４０〜９０分間保持し
た後に、ガス冷却を施して焼入れ処理を行なう。

【００２４】なお、上記製造方法において混合粉末を調
製する際に、各元素粉末の形で金属粉末を配合してもよ
いが、予め組成が既知のマルテンサイト系ステンレス合
金粉末とセラミックス粒子とを所定量ずつ配合してもよ
い。

【００２５】さらに金属マトリックスとセラミックス粒
子との接合強度を高めるために、原料段階のセラミック
ス粒子表面に、予めＦｅ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｓｎなどの金属
から成るコーティング層を形成しておくとよい。コーテ
ィング層を形成していないセラミックス粒子は、マトリ
ックス金属とは結合しないため、摺動時にセラミックス
粒子がマトリックス金属より脱落するおそれがある。

【００２６】しかしながらセラミックス粒子表面に金属
コーティング層を形成させることにより、マトリックス
金属とセラミックス粒子の接合強度および摺動部材自身
の構造強度を高めることができる。

【００２７】また金属マトリックスを形成するための原
料金属粉末の粒径は成形体の形状精度、強度を高く保持
するために、３００μｍ以下に設定することが望まし
い。すなわち原料金属粉末の粒径が３００μｍを超える
場合には、この粉末を圧縮成形して得た成形体のグリー
ン強度が小さくなり、取扱性が低下すると共に成形型の
細かい部位までに粉末が充分に充填されにくくなるた
め、形状精度が低下し易い。また汎用のアトマイズ法で
は、３００μｍを超える粗大な複合金属粉末を効率的に
製造しにくい。したがって、原料金属粉末の粒径は３０
０μｍ以下に設定されるが、成形体密度をより上昇させ
るためには２００μｍ以下が望ましい。

【００２８】ここでセラミックス表面にＮｉを被覆する
方法としては、例えばＮｉ蒸気を含有したガス中に原料
セラミックス粉末を浮遊させてセラミックス表面にＮｉ
のコーティング層を形成するカーボニル法などが採用さ
れる。このＮｉコーティングに際して、セラミックスを
被覆するニッケル量はセラミックス重量に対して１０重
量％以上８０％以下に設定するとよい。ニッケル量が１
０ｗｔ％未満の場合にはセラミックス粒子全表面にＮｉ
コーティング層が形成されにくく、マトリックス金属と
の接合強度が低下してしまう。またニッケル量が８０ｗ
ｔ％を超える場合には、前記の通り焼結合金に残留オー
ステナイトが生じ基地の硬度が低下し耐摩耗性が低下し
てしまう。好ましくは３０〜７０ｗｔ％程度が好適であ
る。

【００２９】

【実施例】次に本発明に係る耐摩耗性焼結摺動部材の一
実施例について従来の摺動部材と比較してより具体的に
説明する。

【００３０】実施例１〜５実施例１〜５に係る耐摩耗性焼結摺動部材としての軸受
を下記手順でそれぞれ調製した。すなわち、粒径１４５
μｍ以下のＦｅ粉末に、粒径２０μｍ以下のＭｏ粉末
と、粒径２０μｍ以下のＣｒ粉末と、粒径２０μｍ以下
の黒鉛粉末と、表面にＮｉのコーティング層を形成した
平均粒径１０μｍのＳｉ₃Ｎ₄、 ZrO₂粉末、Ａｌ₂Ｏ
₃粉末およびＳｉＣ粉末とを所定量ずつ秤量し配合した
混合体に対し潤滑剤としてのステアリン酸亜鉛を１．０
重量％添加して均一に混合して、最終的に表１の左欄に
示す組成となるように各粉末を添加混合して５種類の粉
末混合体を調製した。

【００３１】次に得られた各粉末混合体を成形圧６００
ＭＰａで加圧して成形密度が６．７ｇ／cm³の成形体を
得た。そして各成形体を水素ガス雰囲気において温度６
００℃で２時間加熱することにより脱脂仮焼結した。

【００３２】次に脱脂した各成形体をＡｒガスを含有す
る減圧雰囲気下で１１８０℃の温度条件下で１２０分間
焼結して、１０５０℃で６０分間保持した後、ガス冷却
により焼入れを行ない、密度が７．０〜７．５ｇ／cm³
である５種類の焼結摺動部材を製造した。そして、各焼
結摺動部材を機械研削加工して、外径３０mm、内径２６
mm、高さ１０mmの外形寸法を有する円筒状の軸受試料を
製造した。さらにこれらの軸受試料を温度６００℃の下
でＲＸガス（ＣＯ−ＣＯ₂ガス）２３ vol％−アンモニ
アガス６０％−窒素ガス１７％から成る雰囲気中で１時
間保持し、表面を窒化処理して硬化層を形成して実施例
１〜５の軸受試料をそれぞれ調製した。

【００３３】比較例１〜２一方、比較例１として、従来汎用のマルテンサイト系ス
テンレス合金ＳＵＳ４４０Ｃの溶製材を機械加工して実
施例１と同一寸法を有する軸受試料を製造し、さらにこ
の軸受試料を温度６００℃の下でＲＸガス（ＣＯ−ＣＯ
₂ガス）２３vol％−アンモニアガス６０％−窒素ガス
１７％から成る雰囲気中で１時間保持し、表面を窒化処
理して硬化層を形成して比較例１の軸受試料を調製し
た。

【００３４】また比較例２として、セラミック粒子（Ｓ
ｉ₃Ｎ₄）の配合量を過少な１ｗｔ％に設定した点以外
は、実施例２と同一処理条件にて原料混合、加圧成形、
脱脂焼結して、最終的に表１左欄に示す組成および実施
例１〜５と同一寸法を有する軸受試料を製造した。

【００３５】こうして得られた実施例１〜５および比較
例１〜２の焼結摺動部材としての軸受の構造強度を比較
評価するために各軸受の密度を測定して表１に示す結果
を得た。

【００３６】また各軸受の耐摩耗特性、摺動特性および
耐久性を評価するために、図１に示すように各軸受１１
にＦＣＤ製の回転軸１２を挿通し、この回転軸１２の両
端に各１０kgずつ、合計２０kgの荷重を付加し、かつ雰
囲気温度を３００℃に保持した状態で耐摩耗試験を実施
し、回転軸１２の外面および軸受１１の内面の摩耗量を
測定し、下記表１に示す結果を得た。

【００３７】

【表１】

【００３８】表１に示す結果から明らかなように、マル
テンサイト系ステンレス合金から成るマトリックス金属
焼結体中に所定量のセラミックス粒子を均一に分散せし
めた摺動部材で形成した実施例１〜５の軸受において
は、高温度条件下においても良好な摺動特性を発揮し、
軸受の摩耗量も極めて少なく優れた耐摩耗性を有するこ
とが確認された。またセラミックス粒子の配合量を所定
範囲に限定しているため、従来の金属材の熱膨脹係数か
ら大きく離れることがなく、高温使用時の寸法変化を抑
制することも可能である。

【００３９】一方、セラミックス粒子の配合によりマト
リックス金属の高温耐食性に加えて、回転軸および軸受
の摩耗量も少なく、良好な摺動特性および耐久性を発揮
することが確認された。特に相手材（回転軸）に対する
かじり攻撃も少なく、耐スカッフィング特性も大幅に改
善された。

【００４０】一方、比較例１〜２の従来材の軸受におい
てはセラミックス粒子による耐摩耗性および摺動性の改
善効果が得られないため、耐摩耗性も低下するとが確認
された。

【００４１】

【発明の効果】以上説明の通り本発明に係る耐摩耗性焼
結摺動部材によれば、マルテンサイト系ステンレス合金
から成る金属マトリックス中に所定量のセラミックス粒
子を均一に分散させているため、金属材固有の熱膨脹係
数を大きく変化させることなく、セラミックス粒子によ
って耐摩耗性および摺動性を大幅に改善することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】耐摩耗試験要領を示す斜視図。

【符号の説明】

１１軸受１２回転軸

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マルテンサイト系ステンレス合金から成
るマトリックス金属焼結体中に、Ｓｉ₃Ｎ₄，Ｚｒ
Ｏ₂，ＳｉＣおよびＡｌ₂Ｏ₃から選択される少なくと
も１種のセラミックス粒子を２〜２０重量％分散させた
ことを特徴とする耐摩耗性焼結摺動部材。
【請求項２】セラミックス粒子の平均粒径が０．５〜
１００μｍであることを特徴とする請求項１記載の耐摩
耗性焼結摺動部材。
【請求項３】マトリックス金属が重量％で、Ｃｒを１
０〜２５％、Ｍｏを０．１〜５％、Ｃを０．１〜２％、
残部実質的にＦｅから成ることを特徴とする請求項１記
載の耐摩耗性焼結摺動部材。
【請求項４】セラミックス粒子表面に金属コーティン
グ層を形成したことを特徴とする請求項１記載の耐摩耗
性焼結摺動部材。