耐磨损部件及其制造方法

专利名称：耐磨损部件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及通过氮化处理使硬度进一步增大的耐磨损部件及其制造方法。
背景技术：
设于回转压缩机等的叶片(vane)，被滑动自由地安装在形成于驱动缸(cylinder)的叶片槽上，叶片的侧面与叶片槽的侧壁滑动接触，并且叶片的前端部与辊(rOller)滑动接触，因此要求其具有耐磨损性。因此，提出了作为母材使用含有铬的钢、烧结合金或铸铁，对母材进行软氮化处理，在表面层形成Fe-Cr-N的第1的化合物层，并且在第1的化合物层下方形成由相同成分构成的第2化合物层(例如，参照专利文献1)。
另外，还提出了通过在不锈钢的母材的表面实施氮化处理，而形成氮化层(例如，参照专利文献2)。
此外，还有使用铁系粉末材的材料，对孔隙率为10％以下或15％以下的烧结铁通过淬火回火处理使基材形成马氏体组织后，通过表面氮化或软氮化处理而形成由Fe-N构成的化合物层，在其内侧形成氮扩散层(例如，参照专利文献3或4)。
专利文献1特开昭60-26195号公报专利文献2特开平11-101189号公报专利文献3特开2001-140782号公报专利文献4特开2001-342981号公报然而，在上述现有的构成中，表面由Fe-Cr-N或Fe-N的化合物层或Fe-Cr-N的扩散层形成，表面为单一组成且硬度均一，因此在运转压缩机时发生的叶片等的耐磨损部件的微小的磨损也变得均一。其结果，难以维持表面上规定的保油性，有可能生成烧蚀(seizing)。

发明内容
本发明鉴于现有技术具有的问题点而进行，其目的在于，提供一种可靠性高的耐磨损部件，其通过使耐磨损部件的表面成为硬度不同的混合面，形成微少的油槽，而能够提高运转耐磨损部件时的保油性，消除烧蚀等问题。
为了达成上述目的，本发明的耐磨损部件的制作方法，其中，使用含有Cr的铁系合金粉末，经压粉体烧结成形而使原材料成形，实施排除渗碳成分的氮化处理，使表面成为Fe-Cr-N的化合物层和Fe-Cr-N的扩散层和基材的混合组织。
另外，提供本发明的耐磨损部件的制作方法的其他的方式，其中，使用在含有Cr的铁系合金粉末中含有Mn、Ti、V中的至少一种的金属元素的合金粉末，经压粉体烧结成形而使原材料成形，实施排除渗碳成分的氮化处理，使表面成为Fe-Cr-N的化合物层和Fe-Cr-N的扩散层和基材的混合组织。
优选为，在表面存在孔隙，孔隙的近旁是Fe-Cr-N的化合物层，随着从孔隙远离，是Fe-Cr-N的扩散层和基材的混合组织。
本发明的耐磨损部件的制作方法的另一个方式，是使用含有Cr的铁系粉末经压粉体烧结成形而使原材料成形，实施排除渗碳成分的氮化处理，而使表面形成Fe-Cr-N的化合物层和Fe-Cr-N的扩散层和索氏体(sorbite)的基材的混合组织。
此时，可以在表面存在孔隙，孔隙的近旁是Fe-Cr-N的化合物层，随着从孔隙离开，是Fe-Cr-N的扩散层和索氏体组织的基材的混合组织。
另外，经压粉体烧结成形而使原材料成形，在淬火、回火后，实施排除渗碳成分的氮化处理，，在一部分的表面进行除去加工，而能够使表面形成至少含有Fe-Cr-N的化合物层的混合组织。
也可以在氮化处理前进行用于轻微的氧化处理的大气处理，大气处理优选在380℃的温度以上进行。
提供一种耐磨损部件，在表面具有Fe-Cr-N的化合物层和Fe-Cr-N的扩散层和基材的混合组织，氮化后的烧结原材料的表面大致整体由0.1～0.5μm左右的粒子或凸起覆盖。
本发明因为如以上说明地构成，所以具有下述的效果。
使用在含有Cr的铁系合金粉末中含有Mn、Ti、V中的至少一种的金属元素的合金粉末，经压粉体烧结成形而使原材料成形，实施渗碳成分没有进入的氮化处理，而使表面形成化合物层和扩散层和基材的混合层，因此在对耐磨损部件进行精加工时，柔软的基材部分的加工量变多，形成微少的凹陷，而形成油槽，此外，若运转耐磨损部件，则在柔软的基材部分发生微少的磨耗，而形成油槽，从而能够实现没有烧蚀的可靠性高的耐磨损部件。
另外，若使用在含有Cr的铁系合金粉末中至少含有Mn、Ti、V中的至少一种的金属元素的合金粉末，在化合物层和扩散层中含有Mn、Ti、V中的至少一种的的成分，因此在确保由Fe、Cr所定的硬度的基础上，还能够通过Mn的存在而进一步提高硬度，通过Ti的存在而促进氮化处理，或通过V的存在而加深氮化深度，因此能够进一步提高耐磨损部件的可靠性。
此外，使用含有Cr的铁系合金粉末，经压粉体烧结成形而使原材料成形，进行淬火回火后，实施渗碳成分没有进入的氮化处理，而使表面形成化合物层和扩散层和索氏体的基材组织的混合组织，因此，在对耐磨损部件进行精加工时，柔软的基材部分的加工量变多，形成微少的凹陷，而形成油槽。另外，若运转(相对摩擦运动)耐磨损部件，则与化合物层或扩散层相比，在柔软的基材部分发生微少的磨耗，而形成油槽。此外，因为基材组织通过淬火回火而变硬，所以能够实现化合物层和扩散层由于氮化而进一步变硬，没有烧蚀而进一步提高具有高的耐磨损性的可靠性的高耐磨损部件。
另外，经压粉体烧结成形而使原材料成形，进行淬火回火后，实施渗碳成分没有进入的氮化处理，在一部分的表面进行除去加工，由此使表面成为不仅有Fe-Cr-N的化合物层，而且具有硬度的偏差的表面。因此，在进行精加工时，柔软的基材部分的加工量变多，形成微少的凹陷，而形成油槽。此外，运转(相对摩擦运动)时，柔软的基材部分发生微少的磨耗，而形成油槽，提高润滑性，并且能够在其其他的化合物层部分维持耐磨损性，因此能够提高耐磨损部件的可靠性。


图1是本发明的耐磨损部件的截面的腐蚀照片。
图2是对图1的耐磨损部件的表面进行削磨加工而切取的表面的腐蚀照片。
图3是图1的耐磨损部件的表面的以微观维氏硬度测定压痕的照片。
图4是图1的耐磨损部件的硬度分布曲线。
图5是表示对于各试料的的原料而进行的热处理模式的图表。
图6是表示氮化后的试料X的倍率40倍时的表面状态的照片。
图7是表示氮化后的试料Y的倍率40倍时的表面状态的照片。
图8是表示氮化后的试料Z的倍率40倍时的表面状态的照片。
图9是表示氮化后的试料X的倍率200倍时的表面状态的照片。
图10是表示氮化后的试料X的倍率1000倍时的表面状态的照片。
图11是表示氮化后的试料X的倍率5000倍时的表面状态的照片。
图12是表示氮化后的试料X的倍率20000倍时的表面状态的照片。
图13是表示氮化后的试料Y的倍率200倍时的表面状态的照片。
图14是表示氮化后的试料Y的倍率1000倍时的表面状态的照片。
图15是表示氮化后的试料Y的倍率5000倍时的表面状态的照片。
图16是表示氮化后的试料Y的倍率20000倍时的表面状态的照片。
图17是表示氮化后的试料Z的倍率200倍时的表面状态的照片。
图18是表示氮化后的试料Z的倍率1000倍时的表面状态的照片。
图19是表示氮化后的试料Z的倍率5000倍时的表面状态的照片。
图20是表示氮化后的试料Z的倍率20000倍时的表面状态的照片。
图21是表示氮化后的试料Z的其他部位的倍率5000倍时的表面状态的照片。
图22是表示氮化后的试料Z的其他部位的倍率20000倍时的表面状态的照片。
图23是表示各试料的表层近旁的合金元素的最高浓度的曲线图。
图24是表示各试料的表层近旁的合金元素的最高浓度部位的O浓度的曲线图。
图中1—孔隙；2—化合物层；3—混合组织；8—孔隙和孔隙之间的微观维氏硬度的压痕。
具体实施例方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。
本发明的耐磨损部件，因为作为例如设于旋转活塞(rolling piston)等的叶片等而使用，所以对于例如粉末HSS(粉末高速钢)等的含有Cr的铁系合金粉末，在大约1200℃的温度进行真空烧结而使原材料成形后，进行淬火处理，而形成马氏体组织，此外在480℃～580℃进行回火热处理，而形成索氏体组织(sorbite)后，以排除渗碳成分的状态，在回火温度以下的400℃进行大约6小时的气体氮化处理。
图1表示如此制作的本发明的耐磨损部件的氮化处理后的截面组织，气体氮化处理后，进行腐蚀，而容易看到化合物层。
因为原材料由压粉体烧结成形而制作，所以密度只能达到80～90％左右，孔隙1大量存在，氮化处理中所使用的气体通过孔隙直到内部进行氮化，白色的化合物层2在孔隙1的周围形成。另外，随着从孔隙1离开，黑色部分3变多，这是扩散层和基材的混合组织。
图2是将该耐磨损部件在相对于图1的面的垂直方向上切断(即，从表面到达规定的深度切断)，将对切断面进行磨削的表面放大450倍的图。
如图2所示，在磨削面有压粉体烧结成形品特有的孔隙1存在，其周边氮化处理的气体侵入而氮化进行，因此Fe-Cr-N的化合物层2被腐蚀而成为白色。另外，从孔隙1的表面离开白色变少，形成Fe-Cr-N的扩散层和基材的混合组织3。即，孔隙1的耐磨损部件的表面，形成为化合物层2和扩散层和基材组织的混合组织3。
图3是对其断面以微观维氏硬度测定压痕的照片，压痕越小表示微观维氏硬度越高。从微观维氏硬度的压痕的大小明确可知，孔隙1的周边比较小，孔隙1和孔隙1之间8的微观维氏硬度的压痕的大小与孔隙的周面相比大，硬度下降。这被认为孔隙1的周边氮化气体进入而形成化合物层2，孔隙1和孔隙1之间8因为形成扩散层和基材的混合组织3，所以硬度与孔隙1的周边相比变低。
如此表面的硬度因为有适当的偏差，所以在对耐磨损部件进行精加工时，柔软的基材部分的加工量变多，形成微少的凹陷，而形成油槽。此外，若耐磨损部件动作，则在柔软的基材组织的部分微少的磨耗发生而具有油槽的功效，除去压粉体烧结成形品的孔隙，楔入效果高的油槽在可动部全面上形成。因此，作为表面整体，保油性高，润滑性变得良好，耐磨损性能够通过孔隙的周边的化合物层和扩散层确保，因此，表面整体与硬的耐磨损部件相比，能够确保良好的可靠性。
还有，本实施方式，通过粉末HSS的淬火、回火品进行了说明，但是也可以由一般的合金粉制作原材料，另外，由具有在含有Cr的铁系合金粉末中含有Mn、Ti、V中的至少一种的金属元素的合金粉末制造也可以得到同样的效果。
图4是表示图1的耐磨损部件的氮化处理后的硬度分布曲线，从表面超过0.4mm的位置A，硬度和表面B基本上不变。若对该耐磨损部件的表面磨削0.1mm左右进行除去加工后的距表面的深度0.1mm的位置C进行腐蚀，则形成如图2的截面组织。
如此粉末hss的压粉体烧结品，即使短时间的氮化处理，由于原材料有孔隙，所以氮化的气体容易渗透到内部，而深化氮化。因此，对于在通常的氮化处理中，必须进行的原材料的促加工后，进行氮化处理，此外精加工的工序，粉末HSS的压粉体烧结品，即使对原材料进行氮化处理，直接进行精加工，也能够容易地得到必要的硬度。此外，即使原材料的淬火回火产生的变形发生加工余量变得不均一，由于深化氮化，所以能够减小完成品的最硬化合物层的表面硬度的偏差。
此外，通过对表面进行除去加工，不仅Fe-Cr-N的化合物层，Fe-Cr-N的扩散层以及基材的混合组织现出，但是这可以从在表面近旁的位置硬度低的部分存在而理解。即，本发明的耐磨损部件，保持优异的耐磨损性，并且能够省略粗加工工序，因此能够廉价地制作。
实施例1首先，将3种的含有Cr的铁系合金粉末形成为规定的形状，对该成形体以规定的温度(例如，1180℃)进行真空烧结，制作烧结体，对烧结体进行规定的热处理后，调查表面形状。各试料的材料相当于SKH51，在此称为试料X、Y、Z。
表1表示试料X、Y、Z的热处理后的组成分析结果。
表1单位wt％

另外，图5表示对各试料的原材料进行的热处理模式，表2表示各试料的材质特性。
表2

其后，对于试料X以及Y，在400℃的温度，进行6小时的氮化处理，与之相对，对于试料Z，在480℃进行3小时的大气处理(轻微的氧化处理)，此外在400℃的温度进行6小时的氮化处理。
接着，使用倍率40～20000的扫描型电子显微镜，对各试料的表面形状以及表面性状进行调查，评价。
图6～图8，分别显示氮化后的试料X、Y、Z的倍率40倍时的表面状态，试料Y以及Z，呈现相同的表面状态，对此，试料X与试料Y以及Z相比，呈现微少粒状，确认到活性的表面状态。
另外，图9～图12，分别表示试料X的倍率200、1000、5000、20000时的表面状态，图13～图16，分别表示试料Y的倍率200、1000、5000、20000时的表面状态，图17～图20，分别表示试料Z的倍率200、1000、5000、20000时的表面状态，图21以及图22，分别表示试料Z的其他部位的倍率5000、20000时的表面状态。
根据图9～12，试料X的表面小粒被包覆烧结在烧结粒间隙的表面，微细的凸状析出物无数地存在，确认到这些的微少析出物周围，氮化物粒的析出。即，可知试料X通过在400℃的温度进行6小时的氮化处理，而氮化至内部。
根据图13～16，试料Y与试料X相比，烧结粒子大，图9以及10和图13以及14比较可知，试料Y呈现比较平的表面状态，在倍率5000以上的观察中，在试料X所确认的微细凸状析出物的比率少，呈稳定(非活性)的表面状态。
另外，根据图17(倍率200)，试料Z表面的烧结粒子类似于试料Y，呈与试料X相比大的状态，但是根据图18～图22所示的倍率1000以上的观察，试料Z在表面以及烧结粒间隙微细的析出物存在试料X以上，微观的说，形成类似于试料X的表面状态。
试料Y和试料Z的不同点，是烧结后的原材料的大气处理的有无，前者是非处理状态，对此，后者是大气处理的状态。非处理材，如上述表面呈平的稳定的状态，但是大气处理过的试料Z因为在表面无数的凸状析出物成生，所以与试料X同样，表面活性化。
另一方面，氮化后的各试料的硬度如表3所示。
表3

从表3可知，距表面深度0.01mm以及0.05mm的部位的硬度，以试料Z、X、Y的顺序，前面的高。
表3所示的硬度和上述的表面形状相比较，则存在于氮化后的表面的微细析出粒，如图9～22所示，以试料Z、Y、X的顺序，前面的密度高。试料Z在对试料Y进行氮化处理前，通过大气处理而在试料表面形成微细的氧化物粒子，因此设想为试料Z由于微细析出的氧化物粒子使表面活性化，而容易进行氮化反应。
另外，试料Y的情况，通过使氮化温度上升(例如，大约430℃)，或即使氮化温度为400℃但延长氮化时间(例如，大约10小时)，由此距表面的深度0.5mm的部位的硬度也有时会高至900Hv以上，但氮化不稳定，会发生裂纹。
此外，对于试料Z，将处理时间设为一定(3小时)，将处理温度变为280℃、380℃、480℃、580℃而进行大气处理，在280℃中距表面深度1.5mm的部位的硬度虽然在900Hv以下，但是确认到处理温度在380℃以上时，距表面深度1.5mm为止的硬度全在900Hv以上。
即，试料Y以及Z氮化性差，通过在380℃的温度进行3小时的大气处理后，在400℃的温度进行6小时的氮化处理，而与试料X同样，提高氮化性。
还有，确认到各试料在表层近旁的合金元素(Cr、W、MO、V)以及O浓度不同，这些元素浓度分布的不同对氮化反应产生影响。
此外，若详述，则各试料的表层组成调查进行到大约50μm的深度为止时，任一种材料均显示与3μm以上的深度部分的浓度大致相同的值，因此以3μm的深度为止的数据为基，而对构成表层的元素的浓度分布进行了解析。
其结果，试料X在距表层大约0.2μm的深度，确认到是基材部组成的大约2～3倍的增浓化的Cr、W、MO以及V的增浓化区域，在最表层中检测出大约达到30％的O量。另外，试料Y的表层近旁的W、MO以及V浓度增浓化到基材部组成的大约1.5倍左右，但是Cr呈现脱元素化现象。此外，最表层的O浓度大约6％左右，比试料X低。
另外，试料Z与试料X同样，在距表层大约0.2μm的深度，增浓化为基材部组成的大约1.5～2倍的W以及MO，在最表层中检测出大约6％左右的O量。另一方面，Cr以及V的举动类似于试料Y，前者显示脱元素举动，后者显示在最表层中增浓化的现象。
从以上，构成试料Z表层的元素浓度，设想为具有试料X和试料Y之间的相结构。
图23显示各试料的表层的合金元素的最高浓度，表层的Cr、W、MO以及V量是试料X最高。另外，在试料Y和试料Z中，Cr量大致等量，但是其他的元素与试料Y相比，试料Z高。从这些可以推断氮化时，以试料X、Z、Y的顺序，成为越靠前，越容易硬化的状态。
各试料因为由于大气加热处理而容易氮化，所以若着眼与各合金元素的最高浓度部位的O浓度则能够得到图24的曲线图。根据这些曲线图，若除去V的最高浓度部位的O浓度的举动，则试料X与其他的试料相比较高浓度的O量被检出。另一方面，难以氮化试料Y的O浓度最低。从这些，可以设想W以及MO的最高浓度部位的O浓度的高低决定氮化的难易。
还有，V最高浓度部位的O浓度在试料Z中高，在试料Z中在最表面V浓度最高，其他的试料在比最表面更进入内部的位置中V浓度变高，这被认定为由于O量的吸收差而生成，和V量的直接关系不大。
根据本实施例，试料Z与试料X同样，氮化物的微细的析出粒子覆盖表面，若看其密度则认为在试料X以上。其决定极表层的硬度的序列，由大气处理产生的表面形状变化而生成的微细析出粒被推定为可以吸收氮。还有观察到，试料X以及Z的氮化后的烧结原材料的表面的大致全面由0.1～0.5μm左右的粒子或凸起覆盖。
从以上可知，试料X以及Z作为本发明的耐磨损部件的材料而优选使用，与之相对，试料Y的使用不为优选。
另外，从以上可知，能够进行如下判断。
(1)氮化后的材料的表面，持续原材料的表面状态，试料X以及试料Z在表面确认到大量微细析出物，但是试料Y析出物少且为平面。
(2)氮化后的深度0.01mm以及0.05mm的部位的硬度，以试料Z、X、Y的顺序，前者高，表层硬度与表面析出物的密度相关。
(3)氮化的难易，由表层所生成的合金元素的增浓化、浓度分布状态以及微少氧化物粒子等的表面活性化现象所支配。
(工业上的利用可能性)本发明的耐磨损部件在进行精加工时，柔软的基材部分的加工量变多，形成成为油槽的微少的凹陷，此外，因为在柔软的基材部分发生微少的磨耗而形成油槽，所以提高耐磨损性而不会发生烧蚀，因此，作为发动机或压缩机的华东部件等使用时十分有效。
权利要求
1.一种耐磨损部件的制作方法，其中，使用含有Cr的铁系合金粉末经压粉体烧结成形而使原材料成形，实施排除了渗碳成分的氮化处理，使表面成为Fe-Cr-N的化合物层和Fe-Cr-N的扩散层和基材的混合组织。
2.一种耐磨损部件的制作方法，其中，使用在含有Cr的铁系合金粉末中含有Mn、Ti、V中的至少一种金属元素的合金粉末，经压粉体烧结成形而使原材料成形，实施排除了渗碳成分的氮化处理，使表面成为Fe-Cr-N的化合物层和Fe-Cr-N的扩散层和基材的混合组织。
3.根据权利要求1或2所述的耐磨损部件的制作方法，其特征在于，表面存在孔隙，孔隙的近旁为Fe-Cr-N的化合物层，随着从孔隙远离而形成Fe-Cr-N的扩散层和基材的混合组织。
4.一种耐磨损部件的制作方法，其中，使用含有Cr的铁系合金粉末经压粉体烧结成形而使原材料成形，实施排除了渗碳成分的氮化处理，使表面成为Fe-Cr-N的化合物层和Fe-Cr-N的扩散层和索氏体基材组织的混合组织。
5.根据权利要求4所述的耐磨损部件的制作方法，其特征在于，表面存在孔隙，孔隙的近旁为Fe-Cr-N的化合物层，随着从孔隙远离而形成Fe-Cr-N的扩散层和索氏体组织的基材的混合组织。
6.一种耐磨损部件的制作方法，其中，在经压粉体烧结成形而使原材料成形，并进行淬火、回火后，实施排除了渗碳成分的氮化处理，在一部分的表面进行除去加工，使表面成为至少含有Fe-Cr-N的化合物层的混合组织。
7.根据权利要求1～6的任一项所述的耐磨损部件的制作方法，其特征在于，在所述氮化处理之前，进行大气处理。
8.根据权利要求7所述的耐磨损部件的制作方法，其特征在于，在380℃的温度以上进行所述大气处理。
9.一种耐磨损部件，其中，在表面具有Fe-Cr-N的化合物层和Fe-Cr-N的扩散层和基材的混合组织，氮化后的烧结原材料的表面的大致整个面被0.1～0.5μm左右的粒子或凸起所覆盖。
全文摘要
使用含有Cr的合金粉末经压粉体烧结成形而使原材料成形，通过进行排除渗碳成分的氮化处理，而使表面形成Fe－Cr－N的化合物层(2)和Fe－Cr－N的扩散层和基材的混合组织(3)。
文档编号C23C8/02GK1871084SQ20048003066
公开日2006年11月29日 申请日期2004年10月19日 优先权日2003年10月21日
发明者福原弘之, 佐佐木健二, 平田健介, 本间利彦 申请人:松下电器产业株式会社, 川崎氮化工业株式会社