滑动部件以及滑动构造体

技术领域

本发明涉及一种例如组装于内燃机的油环、凸轮凸起部(Cam lobe)等的用于各种滑动环境的滑动部件。并且，涉及一种组装有这些滑动部件而构成的内燃机等滑动构造体。

背景技术

以往，对于作为内燃机的构成部件的油环、凸轮凸起部、挺杆、活塞销、气缸套、传动装置(Mission gear)、止推板、叶片等的构成滑动构造体的滑动部件，作为其坯料已经使用作为JIS钢种的SUJ2、SKD11。SKD11通过淬火回火能够实现60HRC以上的高硬度，并且组织中的碳化物也丰富，因此是耐磨耗性优异的钢种。然后，提出了一种冲压模具，其通过对坯料的成分组成进行改良，对坯料赋予优异的滑动特性(自润滑特性)，提高了耐磨耗性(专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2007-002333号公报

发明内容

发明所要解决的问题

专利文献1的冲压模具通过其自润滑特性的表达，而具有优异的耐磨耗性。但是，没有考虑将专利文献1的冲压模具的材料应用于内燃机的构成部件。

本发明的目的在于，提供一种耐磨耗性优异的滑动部件。并且，提供一种具备该滑动部件的滑动构造体。

用于解决问题的方案

本发明是一种滑动部件，其特征在于，按质量％计具有以下成分组成：C：0.7～1.6％、Si：0.5～3.0％、Mn：0.1～3.0％、P：0.05％以下、S：0.01～0.12％、Ni：0.3～1.5％、Cr：7.0～13.0％、Mo以及W中的1种或者2种：按(Mo+1/2W)的关系式为0.5～1.7％、V：0～0.70％、Cu：0.1～1.0％、Al：0.10～0.70％、Nb：0～0.30％、剩余部分为Fe以及杂质，硬度为52HRC以上且小于58HRC。

此外，本发明是一种滑动构造体，其特征在于，构成为：上述的本发明的滑动部件在该滑动部件的滑动面上夹存润滑油的环境下，与配对部件的滑动面进行滑动。

发明效果

根据本发明，能够使滑动部件的耐磨耗性提高。

附图说明

图1是表示本发明例以及比较例的滑动部件的、硬度与疲劳强度之间的关系的一例的图。

图2是表示本发明例以及比较例的滑动部件的、通过球盘试验测定出的摩擦系数的结果的一例的图。

图3是表示本发明例以及比较例的滑动部件的、疲劳强度与通过球盘试验测定出的摩擦系数达到了0.20时的滑动距离之间的关系的一例的图。

具体实施方式

如以油环、凸轮凸起部这样的内燃机的构成部件为代表，构成各种滑动构造体的许多滑动部件在其滑动面上夹存润滑油的环境下，与配对部件的滑动面进行滑动而使用。然后，查明了：在该环境下，本发明的滑动部件有效地发挥自润滑特性，滑动部件的耐磨耗性提高。以下，对本发明的构成要素进行说明。

(1)本发明的滑动部件按质量％计具有以下成分组成：C：0.7～1.6％、Si：0.5～3.0％、Mn：0.1～3.0％、P：0.05％以下、S：0.01～0.12％、Ni：0.3～1.5％、Cr：7.0～13.0％、Mo以及W中的1种或者2种：按(Mo+1/2W)的关系式为0.5～1.7％、V：0～0.70％、Cu：0.1～1.0％、Al：0.10～0.70％、Nb：0～0.30％、剩余部分为Fe以及杂质。

在上述的成分组成中，特别是对本发明的滑动部件赋予特征的是大大有助于其自润滑特性的表达的“S和Cu的共同添加”。以往，S以及Cu作为阻碍钢铁材料的热加工性的元素，是在大部分的钢铁材料中不会积极添加的元素。以下，对本发明的滑动部件的成分组成，说明其作用效果。

·C：0.7～1.6质量％(以下，仅记作“％”。)

C是固溶于基体中而对滑动部件赋予强度的元素。此外，是形成碳化物而提高滑动部件的耐磨耗性、抗咬合性的元素。但是，如果C变得过多，则固溶于基体的C量增加，加工成滑动部件的形状时的切削性恶化。此外，会生成粗大的碳化物，淬火时的热处理尺寸变化增大。由此，C设为0.7～1.6％。优选为0.9％以上。此外，优选设为1.3％以下。更优选设为1.1％以下。

·Si：0.5～3.0％

Si是使滑动部件的高温软化特性提高的元素。但是，如果Si过多，则组织中的δ铁素体的形成变得显著，阻碍滑动部件的硬度的维持。由此，Si设为0.5～3.0％。优选为0.9％以上。此外，优选为2.0％以下。更优选为1.5％以下。进一步优选为1.1％以下。

·Mn：0.1～3.0％

Mn是提高淬火性的元素。但是，如果过多，则切削性恶化。由此，Mn设为0.1～3.0％。优选为0.3％以上。更优选为0.4％以上。此外，优选为1.0％以下。更优选为0.6％以下。

·P：0.05％以下

P是通常即使不添加也不可避免地含有的元素。并且，是阻碍滑动部件的韧性的元素。由此，设为0.05％以下。优选设为0.03％以下。更优选设为0.02％以下。

·S：0.01～0.12％

S是与后述的Cu一起有助于本发明的滑动部件的自润滑特性的提高的元素。本发明人调查了：将具有专利文献1的成分组成的滑动部件在其滑动面上夹存润滑油的环境下使用时，在滑动面上发生的现象。其结果是，发现了：在该使用过程中，如果滑动部件与配对部件的滑动面之间以产生咬合的程度的高表面压力进行接触，则吸附于滑动部件的滑动面的润滑油中的有机物成分会脱氢，它会变化为金刚石、石墨等物质。然后，发现了：在这些金刚石、石墨等之中，具有周期性地插入硫酸离子或者硫酸分子的结构的“石墨层间化合物”使滑动部件的自润滑特性提高，能够将彼此的滑动面间的摩擦系数维持得较低。

然后，滑动部件中的S在其使用过程中的滑动面上被氧化，生成硫酸离子。然后，该所生成的硫酸离子被插入石墨层间，促进上述的石墨层间化合物的形成。或者，该所生成的硫酸离子与通过上述润滑油的脱氢所生成的氢离子键结而形成硫酸分子，它被插入石墨层间，促进上述的石墨层间化合物的形成。由此，石墨的C轴方向的面间隔增大，抑制在纳米级的状态下石墨同素变态为金刚石，提高滑动的自由度，润滑性提高。但是，如果滑动部件中的S变得过量，则会在滑动面生成无法插入石墨层间的程度的过量的硫酸离子。然后，该过量的硫酸离子助长滑动面的损伤，阻碍自润滑特性的表达。由此，S设为0.01～0.12％。优选为0.03％以上。更优选为0.04％以上。进一步优选为0.05％以上。此外，优选为0.09％以下。更优选为0.08％以下。

·Ni：0.3～1.5％

Ni是在淬火回火工序中与后述的Al进行键结而析出Ni-Al系金属间化合物，有助于滑动部件的硬度的维持的元素。但是，如果Ni过多，则在淬火回火前的退火状态下，加工成滑动部件的形状时的切削性恶化。由此，Ni设为0.3～1.5％。优选为0.4％以上。此外，优选为1.0％以下。更优选为0.8％以下。进一步优选为0.6％以下。

·Cr：7.0～13.0％

Cr是提高基体的淬火性的元素。此外，是与上述的C形成碳化物而提高滑动部件的耐磨耗性、抗咬合性的元素。但是，碳化物的增加使切削性恶化。由此，Cr设为7.0～13.0％。优选为7.5％以上。更优选为8.0％以上。此外，优选为11.0％以下。更优选为10.0％以下。进一步优选为9.0％以下。

·Mo以及W中的1种或者2种：按(Mo+1/2W)的关系式为0.5～1.7％

Mo以及W是在淬火回火后的组织中形成微细的碳化物，而对滑动部件赋予疲劳强度的元素。但是，如果过多，则导致切削性、韧性的降低。Mo以及W能够以单独或者复合的方式进行添加。然后，就此时的添加量而言，由于W为Mo的约2倍的原子量，因此能够以(Mo+1/2W)的关系式一起规定。然后，在本发明中，按(Mo+1/2W)的值计设为0.5～1.7％。优选为0.7％以上。更优选为0.9％以上。进一步优选为1.0％以上。此外，优选为1.5％以下。更优选为1.3％以下。进一步优选为1.2％以下。

·V：0～0.70％

V可以为了淬火性的提高而含有。但是，由于V会形成硬质的VC碳化物，因此含有过量的V会阻碍切削性。由此，在本发明中，即使在含有V的情况下，也设为0.70％以下。优选为0.50％以下。更优选为0.30％以下。进一步优选为0.20％以下。

·Cu：0.1～1.0％

Cu是与上述的S一起有助于本发明的滑动部件的自润滑特性的提高的元素。就是说，Cu是显示用于生成上述的“石墨层间化合物”的催化剂作用的元素。在淬火回火后的滑动部件中，Cu可以在其滑动面上析出极微量。然后，在滑动面析出的Cu具有促进上述的“石墨层间化合物”的形成的催化剂的功能。但是，如果过量地含有Cu，则会导致坯料的红热脆化，热加工性恶化。由此，Cu设为0.1～1.0％。优选为0.2％以上。更优选为0.3％以上。此外，优选为0.8％以下。更优选为0.6％以下。进一步优选为0.5％以下。

·Al：0.10～0.70％

Al是与上述的Ni进行键结而形成Ni-Al系金属间化合物，有助于滑动部件的硬度的维持的元素。但是，如果Al过多，则组织中的δ铁素体的形成变得显著，阻碍滑动部件的硬度的维持。由此，Al设为0.10～0.70％。优选设为0.15％以上。更优选设为0.25％以上。此外，优选设为0.50％以下。更优选为0.45％以下。

·Nb：0～0.30％

Nb与V同样地可以为了淬火性的提高而含有。但是，含有过量的Nb会阻碍切削性。由此，在本发明中，即使在含有Nb的情况下，也设为0.30％以下。优选设为0.20％以下。更优选设为0.15％以下。需要说明的是，为了得到上述效果而优选的含量为0.03％以上。更优选为0.05％以上。进一步优选为0.07％以上。

通过以上的成分组成，本发明的滑动部件所具有的自润滑特性利用在其滑动面上夹存的润滑油的“由摩擦实现的变质行为”而被发挥。由此，对于本发明的自润滑特性的表达，只要在与其使用过程中的配对部件之间夹存例如烃系这样的润滑油即可，对于配对部件，能够选择广泛的坯料(材质)。

(2)本发明的滑动部件的硬度为52HRC以上且小于58HRC。

一般认为：降低滑动部件的硬度会导致滑动部件的耐磨耗性的降低。因此，以往的滑动部件调整为60HRC以上的硬度。但是，本发明的滑动部件通过上述的成分组成，具有比以往的SKD11高的疲劳强度。然后，其疲劳强度的值通过适度地降低滑动部件的硬度而更显著地提高。就是说，如图1所示，就以往的SKD11(图1中的×标记)而言，调整为一般的滑动部件的硬度即60HRC时的疲劳强度约为560MPa。然后，即使降低硬度，其疲劳强度的值也仅上升至约600MPa左右。另一方面，在本发明的成分组成的材料(图1中的○标记)的情况下，其疲劳强度的值在将硬度降低为58HRC时显示出约630MPa的高疲劳强度。并且，此后，在低硬度区域中维持上述的高疲劳强度。

然后，在由上述成分组成形成的本发明的滑动部件中，其所呈现的使用过程中的摩擦系数随着该滑动部件所具有的疲劳强度的值的上升而有效地减少，本发明的自润滑特性协同地提高(参照图3)。然后，作为能稳定地得到该协同地提高的自润滑特性的疲劳强度，在本发明中，以具有超过以往的SKD11难以达到的600MPa的疲劳强度的滑动部件为目标。优选为超过630MPa的疲劳强度。然后，本发明的滑动部件的硬度设为能够容易实现超过该600MPa的疲劳强度的范围，设为小于58HRC。优选为57HRC以下。

但是，在使用本发明的滑动部件时，若假定其配对部件的硬度高，则降低本发明的滑动部件的硬度并非上策。例如，在配对部件使用了作为JIS钢种的轴承钢的SUJ2的情况下，其硬度通常调整为60～62HRC，比本发明的滑动部件的硬度高。SUJ2是按照JIS-G-4805标准化的“高碳铬轴承钢钢材”，其成分组成按质量％计如下。

C：0.95～1.10％、Si：0.15～0.35％、Mn：0.50％以下、P：0.025％以下、S：0.025％以下、Cr：1.30～1.60％、剩余部分为Fe以及杂质。

然后，若本发明的滑动部件为油环、凸轮凸起部，则其滑动面以旋转或者往复运动这样的“间歇性”接触形态与配对部件的滑动面进行滑动。在这样的接触形态中，如果本发明的滑动部件的硬度大幅度低于配对部件的硬度，则所负荷的赫兹应力上升。然后，如果该赫兹应力超过滑动部件的疲劳强度，则在滑动面上产生微细的塑性变形。然后，诱发滑动部件的剥离磨耗，滑动面间的摩擦系数上升，阻碍本发明的自润滑特性。由此，本发明的滑动部件的硬度的下限设为52HRC。在该下限中，优选为53HRC。更优选为54HRC。进一步优选为55HRC。

通过这些条件，例如，配对部件的坯料能够使用SUJ2等金属材料，能够得到实现了咬合(粘连)损伤的抑制与疲劳寿命的提高并存的长寿命的滑动构造体的机构。

实施例

准备了具有表1的样品No.1、2的成分组成的各滑动部件1、2。需要说明的是，样品No.2为SKD11。

[表1]

※包含杂质。

接着，对各滑动部件1、2，准备了目标硬度调整为A：50HRC、B：55HRC、C：60HRC的3种滑动部件。此时，各滑动部件的实际的硬度：滑动部件1-A为50.4HRC、滑动部件1-B为56.2HRC、滑动部件1-C为62.0HRC、滑动部件2-A为50.0HRC、滑动部件2-B为55.8HRC、滑动部件2-C为61.0HRC。然后，由目标硬度为60HRC的SKD11形成的滑动部件2-C相当于以往的滑动部件。然后，测定出这些滑动部件的疲劳强度。疲劳强度的测定方法采用如下方法：将各滑动部件加工成旋转弯曲疲劳试验片，对其进行大越式旋转弯曲疲劳试验。通过由试验片的形状确定的截面惯性矩和悬挂在试验片的平行部的中央的重物重量的调整，对试验片的表面应力进行了调整。应力振幅设为在试验片的1次旋转中拉伸以及压缩的应力相等的条件(称为振幅比-1)。试验片的转速设为50Hz(3000rpm)。然后，将直至旋转弯曲疲劳试验片的断裂时的应力设为疲劳强度。结果在图1中示出。

然后，对各滑动部件进行球盘试验，对各滑动部件所具有的自润滑特性进行了评价。试验条件如下。然后，在滑动距离达到100m之前的期间，连续地对摩擦系数的变化进行了测定。结果在图2中示出。

装置：CSM制摩擦磨耗试验机

试验片：

·盘(滑动部件)：直径20mm×厚度5mm

·球(配对部件)：SUJ2(直径6mm、硬度62HRC)

球载荷：10N

盘转数：500rpm

滑动半径：3.3mm

滑动距离：100m

涂油量：0.1μl

油型(润滑油)：

·基础油：市售石蜡油

·甲酸：添加量2.9×10^-4ppm

根据图2，作为没有表达自润滑特性的成分组成的滑动部件2-A、2-B、2-C的摩擦系数上升，计测出超过0.30的摩擦系数的值。然后，滑动部件2-B、2-C在滑动距离达到100m之前，发生咬合，摩擦系数急剧上升。

相对于此，作为表达自润滑特性的成分组成的滑动部件1-A、1-B、1-C在100m的滑动距离之间，没有发生咬合。然后，滑动部件1-A、1-B在此期间的摩擦系数的值维持在0.30以下。然后，除了上述的表达自润滑特性的成分组成以外，将硬度调整为“52HRC以上且小于58HRC”的本发明的滑动部件1-B的自润滑特性协同地提高，摩擦系数进一步降低，其值为0.20以下。

在图3中，示出各滑动部件的疲劳强度与上述计测出的摩擦系数达到0.20时的滑动距离的关系。在此“0.20”的摩擦系数的值是如上所述在本实施例的试验条件下，滑动部件发挥协同的自润滑特性时的摩擦系数的指标。根据图3，本发明的滑动部件1-B的疲劳强度超过600MPa。然后，即使在滑动距离达到了100m时，也维持在0.20以下的低摩擦系数(在图3中，为了方便，在该“100m”的位置示出)。本发明的滑动部件1-B与滑动部件1-A、1-C相比，自润滑特性提高(摩擦系数小)，并且其提高的自润滑特性在长滑动距离中被稳定地维持。