专利名称：铁系烧结滑动部件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及滑动特性优异的铁系烧结滑动部件及其制造方法。
背景技术：
至今为止，作为铁系烧结材料已知有含浸了液体润滑剂(润滑油)的铁-碳系或铁-铜-碳系轴承材料，另外，已知有铁-碳系或铁-铜-碳系烧结材料(例如，参照非专利文献1)。在上述至今为止的铁系烧结滑动部件中，为了得到碳的固体润滑作用，需要至少3质量％以上的配合量，但铁粉末和碳粉末在烧结过程中发生反应而出现在烧结组织中析出高硬度的游离渗碳体(Fe3C)的现象。该高硬度的游离渗碳体向组织中的析出，引起在与对方材料、例如轴的滑动中使该轴(对方材料)损伤的缺点，这是在滑动用途中必须尽可能避免的重要要素。现有技术文献专利文献专利文献1 特开昭55-38930号公报专利文献2 特开昭58-19403号公报专利文献3 特开昭58-U6959号公报非专利文献非专利文献1 日本工业标准JISZ2550
发明内容
发明所要解决的课题作为防止该游离渗碳体析出的方法，通过(1)将碳(石墨)的配合量设为少量，例如设为0. 82质量％以下，(2)在游离渗碳体不析出的低温、例如1000°c以下的温度进行烧结，可以谋求大致的解决，但遗留有如下问题，即上述(1)的方法中，不能期望配合的碳的固体润滑作用，另外，在O)的方法中，因烧结合金化不充分，机械性强度低、难以适用于滑动用途等，利用哪一个方法得到的铁系烧结材料都不能充分发挥配合的碳带来的固体润滑作用。作为其它的方法，可考虑配合硅这样的石墨化稳定元素来防止游离渗碳体析出的方法(例如，参照专利文献1)，但使硅向铁中扩散固溶的条件需要约1200°c以上的温度的加热，由于要求比通常的铁系烧结材料的烧结温度高得多的温度，因此制造成本变高，而且如果不严格地控制烧结气氛，可能会使硅氧化。此外，有配合硅铁合金(FeSi)粉末来防止组织中游离渗碳体析出的铁系烧结材料的制造方法(例如，参照专利文献2及专利文献3)。本发明鉴于上述情况，目的在于提供在其组织中没有游离渗碳体的析出、摩擦磨损等滑动特性优异的铁系烧结滑动部件及其制造方法。用于解决课题的手段为了解决上述课题，发明人进行了反复专心研究，结果获得以下见解，即着眼于促进铁素体相(α相)组织生成的元素即铜和锰，将它们以铜-铁-锰母合金的形态以规定量的比例配合在铁-碳-X(金属元素)系烧结材料中，由此，铜和锰充分进行向α相组织中的扩散固溶，并且，在该α相组织中分散含有铜-铁-锰母合金，在α相组织中不会析出游离渗碳体，得到滑动特性优异的铁系烧结材料。本发明的铁系烧结滑动部件是基于上述见解而完成的，该铁系烧结滑动部件由铁粉末、铜-铁-锰合金粉末和碳粉末制成，其特征在于，包含铜成分2. 67 18. 60质量％、 锰成分0. 12 1. 20质量％、碳成分1. 0 5. 0质量％、剩余部分为铁成分，基体呈现珠光体组织或珠光体与部分铁素体共存的组织，并且在该基体的组织中无游离渗碳体析出，而分散含有铜-铁-锰合金。在所述铁系烧结滑动部件中，基体的组织中分散含有的铜-铁-锰母合金，也可以网络状地分散含有在该基体的组织的晶界处。另外，在所述铁系烧结滑动部件中，基体的组织中分散含有的铜-铁-锰合金的显微维氏硬度(HMV)显示100 120，另一方面，基体的珠光体组织或珠光体与部分铁素体共存的组织的显微维氏硬度(HMV)显示350 450。根据本发明的铁系烧结滑动部件，基体的珠光体组织或珠光体与部分铁素体共存的组织中分散含有硬度比该组织的硬度低的铜-铁-锰合金，因此可以改善滑动面与旋转轴等对方材料的磨合性，改善滑动特性。本发明的铁系烧结滑动部件中，碳使用天然石墨或人造石墨。该碳以1 5质量％的比例分散含有在基体的珠光体组织或珠光体与部分铁素体共存的组织中，该碳具有其自身的固体润滑作用和后述的作为润滑油的保持体的作用。特别是在碳的配合量为3质量％以上时，赋予由固体润滑作用产生的自润滑性。在本发明的铁系烧结滑动部件中，以10 15体积％的比例含有润滑油。该润滑油对铁系烧结滑动部件赋予液体润滑作用，并且与所述的碳带来的固体润滑作用相结合，可进一步提高自润滑性。本发明的铁系烧结滑动部件的制造方法的特征在于，对成为主成分的铁粉末配合包含锰4 6质量％、铁3 5质量％、剩余部分为铜的合金粉末3 20质量％及碳粉末 1 5质量％，进行混合得到混合粉末后，将该混合粉末装填到模具中，成形为希望形状的压坯，将该压坯在调整为中性或还原性气氛的加热炉内以1000 1100°C的温度烧结30 60分钟。通过该制造方法得到的铁系烧结滑动部件，包含铜成分2. 67 18. 6质量％、锰成分0. 12 1. 2质量％、碳成分1. 0 5. 0质量％、剩余部分为铁成分，基体的组织呈现珠光体组织或珠光体与部分铁素体共存的组织，并且在该组织中无游离渗碳体析出，该基体的组织中分散含有铜-铁-锰合金。在所述铁系烧结滑动部件的制造方法中，成分中的铜-铁-锰合金粉末在1050°C 的温度下产生液相，因此在1000°c以上至低于1050°c的温度的烧结成为固相烧结，另一方面，在1050°C 1100°C的温度的烧结成为液相烧结。通过固相烧结而得到的铁系烧结滑动部件，基体呈现珠光体组织或珠光体与部分铁素体共存的组织，并且在该组织中无游离渗碳体析出，该基体的组织中分散含有铜-铁-锰合金。另一方面，通过液相烧结而得到的铁系烧结滑动部件，基体呈现珠光体组织或珠光体与部分铁素体共存的组织，在该组织中无游离渗碳体析出，使烧结滑动部件致密化，并使机械性强度提高，而且在该基体的组织的晶界处网络状地分散含有铜-铁-锰合金。通过固相烧结或液相烧结所得到的铁系烧结滑动部件，由于含有促进铁素体相 (α相)组织生成的元素即铜和锰，在哪一种烧结中基体都呈现珠光体组织或珠光体与部分铁素体共存的组织，并且在该组织中无游离渗碳体析出。发明效果根据本发明，可以提供一种铁系烧结滑动部件及其制造方法，该铁系烧结滑动部件由铁粉末、铜-铁-锰合金粉末和碳粉末制成，包含铜成分2. 67 18. 6质量％、锰成分 0. 12 1. 2质量％、碳成分1. 0 5. 0质量％、剩余部分为铁成分，基体呈现珠光体组织或珠光体与部分铁素体共存的组织，并且在该基体的组织中分散含有铜-铁-锰合金，磨合性良好且发挥优异的滑动特性。
图1是在1000°C的温度进行固相烧结而得到的包含铁成分85质量％、铜-铁-锰合金成分12质量％、碳成分3质量％的铁系烧结滑动部件的显微镜照片(倍率200倍)；图2是在1100°C的温度进行液相烧结而得到的包含铁成分85质量％、铜-铁-锰合金成分12质量％、碳成分3质量％的铁系烧结滑动部件的显微镜照片(倍率200倍)；图3是图2的倍率400倍的显微镜照片；图4是在1100°C的温度进行液相烧结而得到的包含铁成分85质量％、铜-铁-锰合金成分12质量％、碳成分3质量％的铁系烧结滑动部件的基体在珠光体与部分铁素体共存的组织的晶界处析出的铜-铁-锰合金部位(图中以四方表示的部位)的用扫描型电子显微镜(SEM)拍摄的图像；图5是在1100°C的温度液相烧结而得到的包含铁成分85质量％、铜-铁-锰合金成分12质量％、碳成分3质量％的铁系烧结滑动部件的基体在珠光体与部分铁素体共存的组织的部位(图中以四方表示的部位)的用扫描型电子显微镜(SEM)拍摄的图像；图6是表示推力试验方法的立体图；图7是表示轴颈摆动试验方法的立体图；图8是表示轴颈旋转试验方法的立体图。符号说明10板状轴承试样(铁系含油烧结滑动部件)IOa圆筒状轴承试样(铁系含油烧结滑动部件)I2圆筒体(对方材料)1 旋转轴(对方材料)
具体实施例方式下面，对本发明的实施方式进行详细说明。需要说明的是，本发明不受这些例子的任何限定。本发明的铁系烧结滑动部件是由铁成分、铜-铁-锰合金成分和碳成分制成的铁系烧结滑动部件，其特征在于，包含铜成分2. 67 18. 60质量％、锰成分0. 12 1.20质量％、碳成分1. 0 5. 0质量％、剩余部分为铁成分，基体呈现珠光体组织或珠光体与部分铁素体共存的组织，并且在该基体的组织中分散含有碳成分及铜-铁-锰合金成分。在本发明的铁系烧结滑动部件中，作为成为主成分的铁成分，适合使用通过80号筛孔的粒度(177 μ m以下)、表观密度为2. 4 3. OMg/m3左右的还原铁粉或雾化铁粉(水雾化铁粉)。这些铁粉末的根据气体吸附法(BET法-ISO 9277)得到的比表面积，雾化铁粉为60 80m2/kg，还原铁粉为80 100m2/kg。雾化铁粉在粉末内气孔少、比表面积小，与此相对，还原铁粉气孔比较多、表面凹凸多，与雾化铁粉相比，比表面积高。相对于成为所述主成分的铁成分，以规定量的比例配合的铜成分和锰成分以铜-铁-锰合金的形态使用。这些合金中的铜成分和锰成分是促进铁素体相(α相)组织生成的元素，在烧结过程中抑制成为主成分的铁成分与后述的碳成分的反应，由此起到防止在烧结体的基体的组织中游离渗碳体析出的作用。该铜成分和锰成分在烧结过程中抑制铁成分和碳成分反应的作用虽说还不清楚，但可以推测，这是因为通过将这些元素预先合金化，铜成分和锰成分在成为主成分的铁成分中优先固溶，极力阻止碳成分向铁成分中的固溶。该铜-铁-锰合金成分的成分组成包括铜成分89 93质量％、铁成分3 5质量％、锰成分4 6质量％，该铜-铁-锰合金粉末相对于成为主成分的铁成分为3 20 质量％，即相对于铁成分以铜成分2. 67 18. 6质量％、铁成分0. 09 1. 0质量％、锰成分 0. 12 1.2质量％的比例配合。所述的铜-铁-锰合金成分在1050°C的温度具有液相点，在低于1050°C的温度为固相烧结，在1050°C以上的温度成为液相烧结。在烧结温度低于1050°C的固相烧结中， 铜-铁-锰合金成分分散含有在基体的珠光体组织或珠光体与部分铁素体共存的组织中， 另外，在烧结温度为1050°C以上的液相烧结中，铜-铁-锰合金成分以网络状分散含有在基体的珠光体组织或珠光体与部分铁素体共存的组织的晶界处。图1是在1000°C的温度进行固相烧结的包含铁成分85质量％、铜-铁-锰合金成分12质量％、碳成分3质量％的铁系烧结滑动部件的显微镜照片(倍率200倍)，图2是在 IlOO0C的温度进行液相烧结的包含铁成分85质量％、铜-铁-锰合金成分12质量％、碳成分3质量％的铁系烧结滑动部件的显微镜照片(倍率200倍)，图3是图2的倍率400倍的显微镜照片。在图1中，在基体的珠光体与部分铁素体共存的组织中可看到的白色且分散的物质是铜-铁-锰合金成分，在图2及图3中，在基体的珠光体与部分铁素体共存的组织的晶界处看到的网络状的白色且分散的物质是铜-铁-锰合金成分。另外，图4及图5是用扫描型电子显微镜(SEM)拍摄的在1100°C的温度进行液相烧结的包含铁成分85质量％、铜-铁-锰合金成分12质量％、碳成分3质量％的铁系烧结滑动部件的图像，图4是分散在基体的珠光体与部分铁素体共存的组织的晶界处的铜-铁-锰合金部位(图中，以四方表示的部位)的图像，该部位的成分组成显示铜成分 89. 25质量％、锰成分0. 80质量％、铁成分9. 68质量％，图5是基体的珠光体与部分铁素体共存的组织的部位(图中，以四方表示的部位)的图像，该部位的成分组成显示铁成分 93. 56质量％、铜成分5. 09质量％、锰成分1. 35质量％。在上述图1及图2所示的显微镜照片中，对于基体的珠光体与部分铁素体共存的组织的部位及在该组织中分散含有的铜-铁-锰合金部位的硬度，以显微维氏硬度(HMV) 计，基体的珠光体与部分铁素体共存的组织的部位显示350 450，以显微维氏硬度计， 铜-铁-锰合金的部位显示100 120。通过在基体的珠光体与部分铁素体共存的组织中分散地含有硬度比该组织的部位的硬度低的铜-铁-锰合金，在与对方材料的滑动中，磨合性变好、滑动特性提高。接着，参照各实施例对本发明进行说明。另外，不用说，本发明不限定于下面的实施例。实施例1对平均粒径70 μ m的雾化铁粉(神户制钢所株式会社制“ 7卜300M”)配合包含铜成分90. 5质量％、铁成分4. 1质量％及锰成分5. 4质量％的、平均粒径75μπι的铜-铁-锰合金粉末(福田金属箔工业制)12质量％以及作为碳成分的、平均粒径40 μ m 的天然石墨粉末(日本石墨制CB150)3质量％，在V型搅拌机中混合20分钟得到混合粉末 (铜成分10. 86质量％、锰成分0.65质量％、铁成分85. 49质量％、碳成分3质量％ )。接着，将该混合粉末装填到模具中，以进行成形压力5吨/cm2进行成形得到方形的压坯。将该方形的压坯放置在调整为氢气气氛的加热炉内，在以1000°C的温度固相烧结 60分钟后从加热炉取出，得到方形的铁系烧结材料。对该铁系烧结材料实施机械加工而得到单边30mm、厚度5mm尺寸的铁系烧结滑动部件。该铁系烧结滑动部件的密度为6. 2g/cm3, 组织如图1所示那样，呈现珠光体与部分铁素体共存的组织，并且在组织中无游离渗碳体生成，确认在该组织中分散含有铜-铁-锰合金。而且，珠光体与部分铁素体共存的组织的部位的显微维氏硬度(HMV)为350，该组织中分散含有的铜-铁-锰合金的部位的显微维氏硬度为100。接着，对该铁系烧结滑动部件实施含油处理，得到含油率12体积％的铁系含油烧结滑动部件。实施例2得到与上述实施例1同样的混合粉末(铜成分10. 86质量％、锰成分0. 65质量％、 铁成分85. 49质量％、碳成分3质量％ )，将该混合粉末装填到模具中，以成形压力5吨/ cm2进行成形得到方形的压坯。将该方形的压坯放置在调整为氢气气氛的加热炉内，在以 1100°C的温度液相烧结60分钟后从加热炉取出，得到方形的铁系烧结材料。对该铁系烧结材料实施机械加工得到单边30mm、厚度5mm尺寸的铁系烧结滑动部件。该铁系烧结滑动部件的密度显示6. 7g/cm3,组织如图2、图3所示那样，呈现珠光体与部分铁素体共存的组织， 并且在组织中无游离渗碳体生成，确认在该组织的晶界处网络状地分散含有铜-铁-锰合金。而且，珠光体与部分铁素体共存的组织的部位的显微维氏硬度(HMV)为400，该组织的晶界处网络状地分散含有的铜-铁-锰合金的部位的显微维氏硬度为110。接着，对该铁系烧结滑动部件实施含油处理，得到含油率10体积％的铁系含油烧结滑动部件。实施例3对平均粒径70 μ m的雾化铁粉(与上述实施例1相同)配合包含铜成分90. 5质量％、铁成分4. 1质量％及锰成分5. 4质量％的平均粒径75 μ m的铜-铁-锰合金粉末(与上述实施例1相同)10质量％及作为碳成分的平均粒径40 μ m的天然石墨粉末(与上述实施例1相同)3质量％，在V型搅拌机中混合20分钟得到混合粉末(铜成分9. 05质量％、 锰成分0. 54质量％、铁成分87. 41质量％、碳成分3质量％ )。接着，将该混合粉末装填到模具中，以成形压力5吨/cm2进行成形，得到圆筒状的压坯。将该圆筒状的压坯放置在调整为氢气气氛的加热炉内，在以1100°C的温度液相烧结60分钟后从加热炉取出，得到圆筒状的铁系烧结材料。对该铁系烧结材料实施机械加工，得到内径20mm、外径^mm、长度15mm尺寸的铁系烧结滑动部件。该铁系烧结滑动部件的密度显示6. 6g/cm3,组织如图4所示那样，呈现珠光体与部分铁素体共存的组织，并且在组织中无游离渗碳体生成，确认在该组织的晶界处网络状地分散含有铜-铁-锰合金。珠光体与部分铁素体共存的组织的部位的显微维氏硬度(HMV)为400，该组织中分散含有的铜-铁-锰合金的部位的显微维氏硬度为110。接着，对该铁系烧结滑动部件实施含油处理，得到含油率10体积％的铁系含油烧结滑动部件。实施例4得到与上述实施例2同样的混合粉末(铜成分10. 86质量％、锰成分0. 65质量％、 铁成分85. 49质量％、碳成分3质量％ )，将该混合粉末装填到模具中，以成形压力5吨/cm2 进行成形得到圆筒状的压坯。将该圆筒状的压坯放置在调整为氢气气氛的加热炉内，在以 1100°C的温度液相烧结60分钟后从加热炉取出，得到圆筒状的铁系烧结材料。对该铁系烧结材料实施机械加工，得到内径20mm、外径观讓、长度15mm尺寸的铁系烧结滑动部件。该铁系烧结滑动部件的密度显示6. 7g/cm3，组织如图5所示那样，呈现珠光体与部分铁素体共存的组织，并且在组织中无游离渗碳体生成，确认在该组织的晶界处网络状地分散含有铜-铁-锰合金。而且，珠光体与部分铁素体共存的组织的部位的显微维氏硬度(HMV)为 450，该组织中分散含有的铜-铁-锰合金的部位的显微维氏硬度为120。接着，对该铁系烧结滑动部件实施含油处理，得到含油率10体积％的铁系含油烧结滑动部件。(比较例)制作了与由日本工业标准JISZ2550规定的SMF 4种铁系烧结材料同样的铁系烧结材料。即，对平均粒径70 μ m的雾化铁粉(与上述实施例1相同)配合平均粒径IOOym 的电解铜粉末3质量％和作为碳成分的平均粒径40 μ m的天然石墨粉末(与上述实施例1 相同)0. 7质量％，在V型搅拌机中混合20分钟，得到混合粉末(铜成分3质量％、碳成分 0. 7质量％、剩余部分为铁成分)。接着，将该混合粉末装填到模具中，以成形压力4吨/cm2 进行成形，得到圆筒状的压坯。将该方形的压坯放置在调整为氢气气氛的加热炉内，在1120°C的温度下烧结60 分钟后从加热炉取出，得到圆筒状的铁系烧结材料。对该铁系烧结材料实施机械加工，得到内径20mm、外径^mm、长度15mm尺寸的铁系烧结滑动部件。该铁系烧结滑动部件的密度显示6. 5g/cm3。对该铁系烧结滑动部件实施含油处理，得到含油率15体积％的铁系含油烧结滑动部件。(评价试验)对于上述的实施例及比较例中得到的铁系含油烧结滑动部件，说明对滑动特性进行评价的结果。对实施例1及实施例2中得到的铁系含油烧结滑动部件，根据下述所示的推力试验条件评价推力滑动特性，另外，对实施例3、实施例4及比较例中得到的铁系含油烧结滑动部件，根据下述所示的轴颈摆动试验条件及轴颈旋转试验条件，评价轴颈摆动特性及轴颈旋转特性。推力试验条件
速度 1. 3m/min负荷 800kgf/cm2试验时间 8小时对方材料机械构造用碳钢(S45C)润滑条件在试验开始时向滑动面涂敷锂系润滑脂试验方法如图6所示那样，将板状轴承试样(铁系含油烧结滑动部件)10固定放置，将成为对方材料的圆筒体12从板状轴承试样10的上方(从箭头A方向)向其表面 11 一边加载规定的负荷，一边使圆筒体12向箭头B方向旋转，测定板状轴承试样10和圆筒体12之间的摩擦系数及规定试验时间后的板状轴承试样10的磨损量。轴颈摆动试验条件速度 3m/min负荷 100kgf/cm2 250kgf/cm2摆动角度士 45°试验时间 100小时对方材料轴承钢(SUJ2淬火)润滑条件在试验开始时向滑动面涂敷锂系润滑脂试验方法如图7所示那样，对圆筒状轴承试样(铁系含油烧结滑动部件)IOa加载负荷并固定，使成为对方材料的旋转轴12a以一定的滑动速度摆动旋转，测定圆筒状轴承试样IOa和旋转轴1 之间的摩擦系数及规定试验时间后的圆筒状轴承试样IOa的磨损量。轴颈旋转试验条件速度 10m/min负荷 250kgf/cm2 300kgf/cm2试验时间 100小时对方材料轴承钢(SUJ2淬火) 润滑条件在试验开始时向滑动面涂敷锂系润滑脂试验方法如图8所示那样，对圆筒状轴承试样(铁系含油烧结滑动部件)IOa加载负荷并固定，使成为对方材料的旋转轴12a以一定的滑动速度旋转，测定圆筒状轴承试样IOa和旋转轴1 之间的摩擦系数及规定试验时间后的圆筒状轴承试样IOa的磨损量。在上述试验条件下进行的滑动特性的评价结果如表1表 3中所示。表 权利要求
1. 一种铁系烧结滑动部件，由铁粉末、铜-铁-锰合金粉末和碳粉末制成，其特征在于，包含铜成分2. 67 18. 60质量％、锰成分0. 12 1. 20质量％、碳成分1. 0 5. 0质量％、剩余部分为铁成分，基体的组织呈现珠光体组织或珠光体与部分铁素体共存的组织， 并且在该基体的组织中分散有铜-铁-锰合金。
2.如权利要求1所述的铁系烧结滑动部件，其特征在于，所述铜-铁-锰合金在基体的组织的晶界处以网络状分散而析出。
3.如权利要求1或2所述的铁系烧结滑动部件，其特征在于，所述基体的组织的显微维氏硬度(HMV)显示350 450，分散于该组织中的铜-铁-锰合金的显微维氏硬度(HMV) 显示100 120。
4.如权利要求1 3中任一项所述的铁系烧结滑动部件，其特征在于，所述碳由天然石墨或人造石墨构成。
5.如权利要求1 4中任一项所述的铁系烧结滑动部件，其特征在于，以10 15体积％的比率含有润滑油。
6.一种铁系烧结滑动部件的制造方法，其特征在于，对成为主成分的铁粉末分别配合包含锰4 6质量％、铁3 5质量％、剩余部分为铜的合金粉末3 20质量％及碳粉末 1 5质量％，混合形成混合粉末后，将该混合粉末装填到模具中成形为希望形状的压坯， 将该压坯在调整为中性或还原性气氛的加热炉内以1000 1100°C的温度烧结30 90分钟。
7.如权利要求6所述的铁系烧结滑动部件的制造方法，其特征在于，作为所述碳，使用由天然石墨或人造石墨构成的碳。
8.如权利要求6或7所述的铁系烧结滑动部件的制造方法，其特征在于，在对压坯进行烧结而得到铁系烧结滑动部件后，对其施行含油处理，以10 15体积％的比率含有润滑油。
全文摘要
本发明提供一种在其组织中无游离渗碳体的析出、摩擦磨损等滑动特性优异的铁系烧结滑动部件及其制造方法。对成为主成分的铁粉末分别配合包含锰4～6质量％、铁3～5质量％、剩余部分为铜的合金粉末3～20质量％及碳粉末1～5质量％，混合形成混合粉末后，将该混合粉末装填到模具中成形希望形状的压坯，将该压坯在调整为中性或还原性气氛的加热炉内以1000～1100℃的温度烧结90分钟。
文档编号C22C38/16GK102471853SQ20108003178
公开日2012年5月23日 申请日期2010年5月24日 优先权日2009年8月19日
发明者白坂康广 申请人:奥依列斯工业株式会社