JP2018172768A - 耐酸化性、高温耐摩耗性、耐塩害性に優れる耐熱焼結材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は耐酸化性、耐摩耗性と耐塩害性の両方に優れる耐熱焼結材とその製造方法の提供を課題とする。【解決手段】本発明に係る耐酸化性、高温耐摩耗性、耐塩害性に優れた耐熱焼結材は、母相中に硬質相が分散された組織を有し、全体組成が質量％でＣｒ：２０〜３８％、Ｍｏ：０．５〜３％、Ｓｉ：３〜７％、Ｃ：０．５〜２．５％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、前記母相がＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｓｉからなり、前記硬質相がＣｒ−Ｆｅ−Ｍｏ−Ｃからなり、気孔率が２．０％以下であることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、耐酸化性、高温耐摩耗性、耐塩害性に優れる耐熱焼結及びその製造方法に関する。

内燃機関において排ガスのエネルギーを利用してタービンを高速回転させ、その回転力を利用して遠心式圧縮機を駆動し、圧縮した空気をエンジン内に送り込み、内燃機関としての熱効率を高める方式のターボチャージャーが知られている。
内燃機関に付設されるターボチャージャーにおいては、排ガスの一部を分流してタービンへの流入量を調節するノズル機構やバルブ機構が設けられている。
このターボチャージャーに組み込まれる軸受けやブッシュなどの機構部品は、エンジンから排出される高温かつ腐食性の排ガスに常に晒される上に、可動部品であり、摺動特性の面においても優れていることが望まれる。

この種の高温かつ腐食性の排ガスに晒される摺動部品においては、従来、高Ｃｒ鋳鋼の溶製材あるいは焼結材からなる耐熱部品が使用されている。
従来知られているターボチャージャー用部品の一例として、質量比でＣｒ：３２．４〜４８．４％、Ｍｏ：２．９〜１０．０％、Ｓｉ：０．９〜２．９％、Ｐ：０．３〜１．８％、Ｃ：０．７〜３．９％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる全体組成を有し、密度比が９０％以上で基地中に炭化物が分散した焼結材が知られている（特許文献１参照）。

特開２０１６−１８８４０９号公報

特許文献１に記載されている焼結材を含め、この種従来の耐熱部品に望まれる特性として、耐酸化性、耐摩耗性（自己摩耗性）、耐塩害性などがあり、これらの要望を満たし得る高Ｃｒ鋳鋼の溶製材あるいは焼結材の開発が進められている。
例えば、フェライト系の高Ｃｒ鋳鋼の溶製材として、Ｆｅ-３４Ｃｒ-２Ｍｏ-２Ｓｉ-１.２Ｃなる組成の合金が知られ、フェライト系の高Ｃｒ鋳鋼の焼結材として、Ｆｅ-３４Ｃｒ-２Ｍｏ-２Ｓｉ-２Ｃなる組成の焼結合金が知られている。

従来、ターボ部品の中でも外部に露出する可能性のあるブッシュは耐酸化性、耐摩耗性に加え耐塩害性が要求される。
これに対し全体組成としてＣｒを３４％含む高Ｃｒ鋳鋼であっても、母相Ｃｒ量は２８％程度であり、この高Ｃｒ鋳鋼では、耐塩害性は優れているものの、耐酸化性が不足し、耐摩耗性の面で大幅な向上が望まれている。また、高Ｃｒ鋳鋼の焼結材である特許文献１に記載の焼結材は硬質相である炭化クロムの析出が多いため、母相のＣｒ量が減少する。このため、特許文献１に記載の焼結材は、耐塩害性について満足できない問題がある。
一方、溶製材の方は組織中の硬質相が少ないため、母相のＣｒ量が多くなり、耐塩害性には優れるものの、硬質相が少ないために耐摩耗性には劣るという問題があった。

そこで、Ｍｏの添加量を増加し、Ｃｒ炭化物の分散量を増加した材料であれば、硬質相を増やすことはできるが、Ｍｏの多くが硬質相に含まれることになり、炭化物析出による母相Ｃｒの減少量を低減できる訳ではない。そのため、母相の周囲を全面硬質相で覆っている訳でもないので、Ｍｏの添加量を増加した材料であっても未だ耐塩害性は不充分な問題がある。
このように従来技術では耐酸化性を有しつつ耐摩耗性と耐塩害性の両方の特性を満足できる材料が提供されていなかった。
このため従来の材料は、耐摩耗性と耐塩害性の両立が困難であり、耐摩耗性と耐塩害性のどちらか一方を犠牲として使用されていた。

以上の背景において、本発明者が焼結材における耐摩耗性と耐塩害性について鋭意研究したところ、耐摩耗性を得るための硬質相として炭化クロム系の析出物を利用することで母相中のＣｒ量が減少するが、母相にＳｉを拡散させることで母相の硬度を高めてＣｒ量の減少分による硬度低下を補い、硬質相が少なくても耐摩耗性を向上できることを知見した。この関係を利用し、耐酸化性を有した上で耐摩耗性と耐塩害性の両方に優れさせた耐熱焼結材を提供できることを知見し、本発明に到達した。

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、耐酸化性を有した上で耐摩耗性と耐塩害性の両方に優れた耐熱焼結材の提供及びその製造方法の提供を目的とする。

（１）本発明の耐熱焼結材は前記課題を解決するために、母相中に硬質相が分散された組織を有し、全体組成が質量％でＣｒ：２０〜３８％、Ｍｏ：０．５〜３％、Ｓｉ：３〜７％、Ｃ：０．５〜２．５％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、前記母相がＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｓｉからなり、前記硬質相がＣｒ−Ｆｅ−Ｍｏ−Ｃからなり、気孔率が２．０％以下であることを特徴とする。

ＦｅとＣｒとＭｏとＳｉを含む母相中に、ＣｒとＦｅとＭｏとＣを含む硬質相を分散させた組織であると、Ｓｉ添加により母相の強度を高くした上に炭化クロム系の硬質相の分散により耐摩耗性を良好にできる。また、気孔率を低くして緻密な構造とすることにより緻密な焼結材を得ることができる。このため、腐食性の液体や気体に晒されたとして内部まで腐食が進行するおそれが少なく、耐塩害性に優れた焼結材を得ることができる。
従って、優れた耐酸化性を維持した上で優れた耐塩害性と耐摩耗性を両立できる耐熱焼結材を提供できる。

（２）本発明の全体組成において前記Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｃに加え、Ｂ：０.０８〜０．８％あるいはＰ：０．２〜１．２％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物である構成を採用できる。
（３）本発明において、母相がフェライト生地からなり、該フェライト生地中にＣｒ−Ｆｅ−Ｍｏ−Ｃからなる硬質粒子が１０〜４０体積％分散されてなる構成を採用できる。

（４）本発明の耐酸化性、高温耐摩耗性、耐塩害性に優れた耐熱焼結材の製造方法は、ＦｅとＣｒとＳｉを少なくとも含み、必要に応じ更にＭｏを含むベース粉末に対し、ＳｉとＣを少なくとも含み、必要に応じて更にＦｅとＣｒとＭｏの少なくとも１つを含む添加材粉末を、質量％でＣｒ：２０〜３８％、Ｍｏ：０．５〜３％、Ｓｉ：３〜７％、Ｃ：０．５〜２．５％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる組成となるように混合して混合粉末を得る工程と、この混合粉末を加圧して圧粉体を作製する工程と、前記圧粉体を１１００〜１２８０℃に加熱してＦｅとＣｒとＭｏとＳｉを含む母相中にＣｒとＦｅとＭｏとＣを含む硬質相が分散された組織を有し、気孔率２．０％以下の焼結体を形成する工程を備えることを特徴とする。

原料粉末を調整する場合、ＦｅとＣｒとＳｉを少なくとも含み、必要に応じ更にＭｏを含むベース粉末に対し、ＳｉとＣを少なくとも含み、必要に応じて更にＦｅとＣｒとＭｏの少なくとも１つを含む添加材粉末を混合すると、ベース粉末に含まれるＳｉの量を抑制した状態で原料粉末を調整することができる。そして、添加材粉末に含ませたＳｉを焼結時に拡散させて母相側のＳｉ含有量を３．５〜７．０％の範囲に高くすることができる。
ベース粉末に初めから目的の高い濃度のＳｉを含有させておくと、ベース粉末が硬くなりすぎ、原料粉末を加圧して圧粉体とする場合に密度を高くすることができず、焼結後の気孔率を低くすることができない。
このため、上述の原料混合粉末とすることで焼結後の母相の強度を高くすることができ、硬質相の析出と相俟って優れた耐摩耗性の耐熱焼結材を製造できる。また、母相に高い濃度のＳｉを含ませることと気孔率を低くすることで耐塩害性に優れた耐熱焼結材を得ることができる。

（５）本発明の製造方法において、前記混合粉末にＦｅＢ粉末を全体組成に対しＢ：０．０８〜０．８％となるように、あるいは、ＦｅＰ粉末を全体組成に対しＰ：０．２〜１．２％となるように混合することができる。
（６）本発明の製造方法において、前記焼結体を形成する工程により、前記母相中に前記硬質相を１０〜４０体積％分散させることができる。

本発明は、全体組成でＦｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｃを特定量含有し、ＦｅとＣｒとＭｏとＳｉを含む母相中にＣｒとＦｅとＭｏとＣを含む硬質相を分散させた組織を有し、母相に含有させるＳｉの量を高くすることによって母相の強度を高め、炭化クロム系の硬質相の分散により耐摩耗性を良好にできる。また、気孔率を低くして緻密な構造とすることにより緻密な焼結材を得ることができる。このため、腐食性の液体や気体に晒されたとして内部まで腐食が進行するおそれが少なく、耐塩害性に優れた焼結材を得ることができる。
従って、優れた耐酸化性を維持した上で優れた耐塩害性と耐摩耗性を両立できる耐熱焼結材を提供できる。
このため本願の耐熱焼結材は、ターボチャージャーに組み込まれる軸受けやブッシュなどの機構部品、エンジンから排出される高温かつ腐食性の排ガスに常に晒される上に、可動部品であり、摺動特性の面においても優れている機構部品として有効に適用できる。

本発明に係る焼結摺動材により形成された軸受け部材の一例を示す斜視図。 同軸受け部材の金属組織の一例を示す模式図。 実施例において製造された試料の金属組織の一例を示す組織写真。 実施例試料の一部について全体Ｃｒ量と母相Ｃｒ量の関係を測定した結果を示すグラフ。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は本発明に係る耐熱焼結材からなる円筒状の軸受け部材１を示し、この軸受け部材１は一例としてターボチャージャー用のノズル機構やバルブ機構に組み込まれる軸受けに用いられる。図２は軸受け部材１を構成する耐熱焼結材の拡大組織写真の模式図である。
耐熱焼結材は、一例として、図２に示すようにＦｅとＣｒとＭｏとＳｉを含む母相２の中にＦｅとＣｒとＭｏとＣを含む不定形の硬質相３が複数分散された組織を有する。また、図２に示す組織内において黒丸で示す空孔（気孔）５が複数点在されている。
母相２は一例として、質量％でＣｒ：１５〜３５％、Ｍｏ：０．４〜２．５％、Ｓｉ：３．５〜７．０％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる組成を有する。このような母相２を得るためには、全体組成としてＣｒを２０〜３８％含むことが必要である。
硬質相３は一例として、質量％でＣｒ：４０〜７５％、Ｍｏ：１．０〜４．５％、Ｃ：５．０〜８．５％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる組成を有する。全組織に対する硬質相３の体積分率は１０〜４０％の範囲であることが好ましい。
また、全体の組成が質量％でＣｒ：２０〜３８％、Ｍｏ：０．５〜３．０％、Ｓｉ：３．０〜７．０％、Ｃ：０．５〜２．５％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、組織全体における気孔率が２．０％以下の耐熱焼結材であることが好ましい。

前記ＦｅとＣｒとＭｏとＳｉを含む母相２は一例としてＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｓｉからなり、前記ＦｅとＣｒとＭｏとＣを含む硬質相３は一例としてＣｒ−Ｆｅ−Ｍｏ−Ｃからなる炭化物相である。
なお、母相２と硬質相３の組成については後述する実施例試料のＥＤＸ分析（エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析）結果から上述の組成であることが判明している。

以下、本実施形態の耐熱焼結材における各組成比の限定理由について説明する。
「Ｃｒ量：２０〜３８質量％」
母相２のＣｒ量は耐酸化性の観点から最低限母相中に１２質量％以上含まれていることが必要であり、耐酸化性に加えて耐塩害性も満たすためには２８質量％以上含まれていることが必要である。しかし、ＳｉやＭｏも耐酸化性、耐塩害性に寄与することからＣｒ量は１５質量％以上含まれていればよい。また、３５質量％を超える場合はＳｉ添加の影響もあり、Ｃｒ量としては少ないが、σ相を形成し、非常に脆くなるおそれがある。また、耐塩害性も悪化するため、母相２のＣｒ量は１５〜３５質量％とすることが好ましい。
硬質相３の析出によって母相２のＣｒ量が減るため、母相２のＣｒ量として１５〜３５質量％を満たすには、全体としてＣｒ含有量を２０〜３８質量％とする必要がある。

「Ｍｏ量：０．５〜３．０質量％」
Ｍｏは耐塩害性の向上に寄与する。Ｍｏを０．５質量％以上含むことで耐塩害性の向上に寄与し、その向上効果は３．０質量％を超えて含有していても有効であるが効果は飽和する。Ｍｏは高価な元素なので、Ｍｏ含有量は少ない方がコストの面では望ましく、また、母相２におけるＣｒのσ相形成に寄与するため、Ｍｏ含有量の上限を３．０質量％とすることが好ましい。母相２のＭｏ量を０．４質量％以上にするためには、全体としてＭｏを０．５質量％以上含むことが好ましい。

「Ｓｉ量：３．０〜７．０質量％」
耐塩害性を満足するには母相２のＳｉ量が３．５％以上必要である。そのためには全体としてＳｉ量が３．０質量％以上必要である。全体のＳｉ量が７．０質量％を超える場合は硬くなりすぎて、被削性が悪化し、量産性に欠けた材料となるおそれがある。そのため、耐塩害性、耐摩耗性、量産性の観点から全体のＳｉ量を３．０〜７．０質量％とする必要がある。

「Ｃ量：０．５〜２．５質量％」
全体のＣ量が０．５質量％未満のときは析出する硬質相３の量が少なく、耐摩耗性を満足しない。また、全体のＣ量が２．５質量％を超える場合は硬質相３の析出する量が多くなり過ぎ、母相２のＣｒ量が減るため、耐塩害性を満足しない。そのため、全体に含まれるＣ量は０．５〜２．５質量％とする必要がある。
「気孔率：２．０％以下」
気孔率が大きいと表面積が増加し、酸化しやすくなる。そのため、気孔率は小さい方が耐酸化性、耐塩害性の向上を図ることでき、気孔率２．０％以下とすることが望ましい。

「製造方法」
前記耐熱焼結材の製造方法は後に詳述するが、一例として、ベース粉末としてのＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｓｉ合金粉末と、添加材としてのＳｉＣ粉末と、焼結助剤としてのＦｅＢ粉末を前述の組成範囲となるように秤量し、均一混合して得られた混合粉末を４９０〜９８０ＭＰａ程度の圧力でプレス成形し、得られたプレス成形体を１１００〜１２８０℃で０．５〜２時間程度焼結することにより得られる。
前記ベース粉末はＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｓｉ合金粉末の代わりにＦｅ−Ｃｒ−Ｓｉ合金粉末を用いても良い。焼結助剤としてＦｅＢ粉末の代わりにＦｅＰ粉末を用いることもできるが、焼結助剤は省略しても良い。
前記添加材粉末はＳｉＣの他に、ＦｅＳｉ粉末、ＣｒＳi粉末、Ｃ粉末、ＦｅＣｒ合金粉末、ＦｅＭｏ合金粉末などを前記ベース粉末に対し前述の組成範囲となるように混合しても良い。

前述の各粉末を用いる場合、各粉末の粒径（Ｄ５０）を５〜１００μｍ程度とすることが好ましい。
焼結助剤としてＦｅＢ粉末を用いる場合、全体に対するＢの添加量として０．０８〜０．８％の範囲とすることが望ましい。
焼結助剤としてＦｅＰ粉末を用いる場合、全体に対するＰの添加量として０．２〜１．２％とすることが好ましい。
焼結助剤はＦｅＢの他にＦｅＰを用いても良く、それらを混合して用いても良く、用いる粉末の粒径を５〜２０μｍとして微粉とする場合、これらの焼結助剤は省略しても良い。

原料混合粉末を作製する場合、原料粉末として３０〜１００μｍ程度の粒径のものを用いる場合は、焼結助剤を０．４〜４．０％程度添加して焼結すれば、目的の耐熱焼結材を製造できる。焼結助剤を用いない場合は、原料粉末の粒径を５〜２０μｍ程度の微粉にすれば、目的の耐熱焼結材を製造できる。
上述の粒径の原料粉末を用い、焼結助剤としてＦｅＢを用いる場合、全体に対するＢの添加量として０．０８％を下回る量の場合は低密度化するため耐酸化性、耐塩害性、耐摩耗性のいずれかが劣化するおそれがある。全体に対するＢの添加量が０．８％を超えるようでは焼結後の変形が大きくなり、目的の形状を維持できなくなる。例えば、図１に示すような軸受け部材１とした場合に内径あるいは外径の寸法が変化し、製品形状を保てないおそれがある。
上述の粒径の原料粉末を用い、焼結助剤としてＦｅＰを用いる場合、全体に対するＰの添加量として０．２％を下回る量の場合は耐酸化性、耐塩害性、耐摩耗性のいずれかが劣化し、１．２％を超える添加量の場合は耐塩害性と耐摩耗性が低下する。

原料粉末として粒径（Ｄ５０）が１０μｍの粉末は十分製造可能であるが、粒径が１０μｍ以下になると粉末の体積に対し表面積割合が増えて、粉末の酸素量が増加し、焼結性が低下する。そのため、粒径５μｍ以下の微粉を用いると気孔率２％以下を達成できない可能性がある。微粉の場合、例えば、粒径５〜２０μｍのものを用いることができ、それ以上の粒径の原料粉末の場合は焼結助剤の添加が必要になる。
ベース粉末はＣｒ量が多く酸化しやすいため、酸素量を抑えるためにＳｉが必要となる。Ｓｉ量を１％よりも若干低くすることはできるが、酸素量抑制のために０．５〜０．８％程度は含有することとなる。このため、ベース粉末は１％程度Ｓｉを含有することが望ましい。母相２のＳｉ量を３．５％以上にすることはＳｉ源としてＣｒＳi粉末を必要量添加することで調整することが可能となる。

前記混合粉末をプレス装置の型に投入し、プレス成形して目的の形状、例えば、筒状の圧粉体を得る。
成形する場合、プレス装置による成形の他に熱間静水圧加圧（ＨＩＰ）、冷間静水圧加圧（ＣＩＰ）など、種々の方法を採用しても良い。
この圧粉体に対し、例えば、真空雰囲気あるいは窒素雰囲気中において１１００〜１２８０℃の範囲内の所定の温度で０．５〜２時間程度焼結することでＦｅとＣｒとＭｏとＳｉを含む母相中にＣｒとＦｅとＭｏとＣを含む炭化物系の硬質相を分散させた耐熱焼結材からなる例えば図１に示す筒状の軸受け部材１を得ることができる。
この軸受け部材１を構成する耐熱焼結材は、例えば図２に示すようにＦｅＣｒＭｏＳｉの母相２中に炭化物系の硬質相３を分散させた金属組織を有する。図２は後述する実施例で製造された耐熱焼結材試料の一例について組織の一部を光学顕微鏡により拡大視した写真の模式図である。図２に示すように耐熱焼結材１の金属組織中には焼結時に生成した気孔５が多少（２．０％以下程度）残留していても良い。

ＦｅＣｒＭｏＳｉ合金粉末とＦｅＢ粉末とＳｉＣ粉末を混合し、プレス成形してから焼結した場合、ＦｅＢは液相となって他の粉末粒子の粒界に濡れ拡がり、気孔を埋める作用を奏する。このため、前記ＦｅＣｒＭｏＳｉ合金粉末とＳｉＣ粉末の粒界を液相となったＦｅＢで埋めることができる結果、焼結後の気孔率を低減できる。従って高密度の焼結材とすることができる。

ＦｅＢ粉末を構成するＦｅとＢは、ＦｅＢ二元系状態図からも明らかなようにＦｅ−４質量％Ｂの組成で１１７４℃に共晶点を有するので、焼結温度で共晶化により液相を呈し、この液相が焼結助剤として作用し、焼結密度を向上させる。このため気孔生成が少なく焼結後の密度の高い焼結体、即ち、気孔率の低い緻密な焼結体を得ることができる。気孔率が低いことで焼結体の内部に外部から腐食性の液体や気体が侵入し難くなり、耐酸化性向上に寄与する。
上述の温度で焼結する場合、ＦｅＣｒＭｏＳｉ合金粉末の周囲に存在するＦｅやＣｒ、Ｍｏ、Ｃが相互拡散するので、炭化物系の硬質相３が析出し、これらの硬質相３母相間に分散する組織となる。即ち、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｓｉ母相間にＣｒ−Ｆｅ−Ｍｏ−Ｃの組成の炭化物系析出物である硬質相３が分散された組織となる。これら硬質相３の分散により好適な耐摩耗性を得ることができる。

ベース粉末として用いるＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｓｉ合金粉末は、Ｓｉを含むがこのベース粉末に１％を超えるＳｉを添加すると硬くなりすぎてプレス成形の際に圧縮が困難となるため、ベース粉末に添加するＳｉ量は１．０％以下とすることが好ましい。
１．０％以下のＳｉを含むベース粉末を用いて耐熱焼結材を製造する場合、焼結後母相２中に３．０〜７．０質量％のＳｉを含ませるために添加材としてＳｉＣ粉末を用いる。上述の温度と圧力条件で焼結することにより、ＳｉＣ粉末からＳｉがベース粉末側に拡散するとともにベース粉末を主体として構成される素地に硬質相３が析出する。ＳｉＣ粉末からＳｉが素地側に拡散し、ベース粉末が含有していていたＳｉ量に付加するように素地側のＳｉ量が増加するとともに添加材に含まれているＣ量に応じた量の硬質相３が析出し、図２に示す組織を有する耐熱焼結材が得られる。

ＦｅベースにＣｒとＭｏとＳｉを含有させたＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｓｉからなる母相２により耐酸化性と耐塩害性を確保し、更に母相２に３．０〜７．０％添加したＳｉの影響により母相２の強度を高くすることができる。また、添加材のＳｉＣから供給されるＣ量に応じた量のＣｒ−Ｆｅ−Ｍｏ−Ｃ系の硬質相３が析出し、硬質相３の耐摩耗性と母相２の強度向上効果が相俟って優れた耐摩耗性が得られる。
硬質相３の生成時、硬質相３が母相２から一部のＣｒを奪うが、母相中にＳｉを拡散させて母相中に高濃度のＳｉを３．０〜７．０％含有させて母相の耐塩害性を向上させるとともに母相強度を高くすることができる。

なお、本実施形態においては上述の耐熱焼結材を用いてリング状の軸受け部材１を構成したが、本実施形態の耐熱焼結材はターボチャージャーのノズル機構やバルブ機構に設けられる軸部材やロッド部材、軸受け部材、プレート等に広く適用できるのは勿論である。

以上説明の製造方法により得られた耐熱焼結材において、母相、硬質相いずれも十分な量のＣｒを含むので、良好な耐酸化性と耐塩害性を示し、硬質相は母相より硬い硬質相からなり、Ｓｉを多く含む母相により母相の強度も向上しているので、良好な耐酸化性と耐塩害性に加えて良好な耐摩耗性を有する。
従って上述の軸受け部材１はターボチャージャー等の軸受け部に適用して高温の排ガスに晒されながら軸による摺動を受けた場合であっても、耐酸化性に優れ、耐塩害性に優れ、耐摩耗性に優れる。

なお、本実施形態の耐熱焼結材はターボチャージャーの軸の構成材として利用できるほか、耐酸化性、耐塩害性、耐摩耗性について高温の腐食ガスに晒される環境に設けられる各種機構部品の構成材として利用することができるのは勿論である。

以下、実施例を示して本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
原料粉末として、表１に示すＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｓｉ合金粉末（ベース粉末）とＦｅＢ粉末（焼結助剤）とＳｉＣ粉末（添加材）を用意し、これらの粉末を以下の表に示す最終成分組成となるように配合し、Ｖ型混合機で３０分間混合した後、この混合粉末を成形圧力４９０〜９８０ＭＰａにてプレス成形して筒状の圧粉体を作製した。
次に、この圧粉体を真空雰囲気中において、１１００〜１２８０℃の温度で０．５〜２．０時間焼結し、筒状の耐熱焼結材を得た。
いずれの耐熱焼結材も以下の各試験毎に好適な形状に成形し各試験に供した。

また、他の試験例として以下の表１に示す組成になるように、ベース粉末に対しＳｉ源として、ＳｉＣ、ＦｅＳｉ、ＣｒＳｉのいずれかの粉末を用い、Ｃ源としてＣ（炭素粉末）を用い、Ｃｒ量およびＭｏ量の調節のためにＣｒＳi、ＦｅＣｒ、ＦｅＭｏの何れかの粉末を使用し、Ｎｏ．1〜Ｎｏ．３１の試料を作製した。
また、焼結助剤としてＦｅＢとＦｅＰのいずれかの粉末と焼結助剤を略する場合を使い分け、添加材として以下の他の添加材粉末を使い分けて耐熱焼結材試料を製造した。

Ｎｏ.１〜３１の試料を作製する場合、用いた粉末の平均粒径は、ＦｅＣｒＭｏＳｉ合金粉末（Ｄ５０＝１００μｍ）、ＦｅＣｒＳｉ合金粉末（Ｄ５０＝１００μｍ）、ＦｅＣｒ合金粉末（Ｄ５０＝４０μｍ）、ＳｉＣ粉末（Ｄ５０＝１０μｍ）、Ｃ粉末（Ｄ５０＝２０μｍ）、ＣｒＳｉ粉末（Ｄ５０＝１０μｍ）、ＦｅＭｏ粉末（Ｄ５０＝６０μｍ）を用いた。また、焼結助剤としてＦｅＢ粉末（Ｄ５０＝３０μｍ）とＦｅＰ粉末（Ｄ５０＝３０μｍ）を用いた。
Ｎｏ.２６〜３１の試料を作製する場合は、ＦｅＣｒＭｏＳｉ合金粉末（Ｄ５０＝８μｍ）の微粉末を用いた。

「気孔率」
気孔率はアルキメデス法にて測定した。
「耐酸化性試験」
耐酸化性試験においては、外径：２０ｍｍ×内径：１０ｍｍ×高さ：５ｍｍの寸法を有し、以下の表１〜表５に示される組成成分のリング状耐熱焼結材（軸受け部材）を得、試験を行った。
条件は大気中８００℃、１００時間保持し、重量の変化量と試料の表面積から酸化増量を求めた。酸化増量の判定基準は１ｍｇ／ｃｍ^２以下を○とし、この値を超える場合は×とした。

「耐摩耗性試験」
ロールオンブロック試験を行うために、ブロックの上に円柱のシャフトを載せ９０゜往復回転させる試験を行った。測定温度６００℃、３０分間行い、往復回数を２０００回として摩耗量を評価した。
摩耗量測定は、３Ｄマイクロスコープにより摩耗面の写真を撮影し、摩耗深さを測定した。摩耗試験片の形状は５０×１０×５ｍｍ厚の焼結材からなる直方体形状のブロックである。相手材のシャフトは、ＳＵＳ３１６からなる直径８ｍｍ、長さ１５０ｍｍのステンレスロッドであり、前記ブロックに、加重８０Ｎで、このステンレスロッドを押し付けつつ、モーターの回転軸として、往復回転させて試験した。
耐摩耗性試験の判定基準は４０μｍ未満の試料を○、４０μｍ以上の試料を×とした。

「耐塩害性試験」
耐塩害性については、塩水噴霧試験（ＪＩＳＺ２３７１に準ずる）により把握した。５％ＮａＣｌ水溶液の塩水噴霧（３５℃、２４時間）により外観上の錆の発生面積率を評価し、錆び発生による腐食面積率が１％以下の試料を合格とした。試験片は外径２０ｍｍ、内径１０ｍｍ、高さ５ｍｍのリング状試験片である。
○印は錆びによる腐食面積率が１％以下、×印は錆びによる腐食面積率が１％を超えることを確認できたものに相当する。
以上の試験結果を以下の表１に示す。

表１に示すトータル組成（全体組成）毎の耐熱焼結材試料Ｎｏ.１〜３１について、耐酸化性試験結果（酸化増量）と気孔率の測定結果及びそれらの判定結果と、耐塩害性について錆び面積率の検査結果と、耐摩耗性について摩耗量とその判定結果を示す。
表１に示す結果から、全体組成が質量％でＣｒ：２０〜３８％、Ｍｏ：０．５〜３％、Ｓｉ：３〜７％、Ｃ：０．５〜２．５％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、母相がＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｓｉ系合金からなり、硬質相がＣｒ−Ｆｅ−Ｍｏ−Ｃ系合金からなり、気孔率が２．０％以下であるＮｏ.１〜３、８、９、１８、２１〜２３、２６、２７、２９〜３１の耐熱焼結材であるならば、耐酸化性に優れ、高温耐摩耗性に優れ、耐塩害性に優れることが明らかである。

Ｎｏ.４、５の試料は焼結助剤としてＦｅＢを用い、焼結時にＦｅＢを液相として圧粉体の隙間を埋め、気孔率を低く抑える場合に望ましいＢ量の下限より全体Ｂ量を少なくした例である。上述の範囲の粒径の原料粉末を用いた場合、焼結助剤としてのＦｅＢの添加量が０.０６％と少ない場合、耐酸化性、耐塩害性ともに劣化した。
また、逆に上述の範囲の粒径の原料粉末を用いた場合、焼結助剤としてのＦｅＢの添加量が０.９０％と多すぎる場合、耐酸化性、耐塩害性、耐摩耗性には優れたいたが、Ｎｏ.６の試料は焼結後の変形が大きく、Ｎｏ.７の試料は形状維持が困難であった。この結果から、上述の粒径の原料粉末を用い、焼結助剤としてＦｅＢを使用する場合、焼結助剤Ｂの添加量は０.０８〜０.８％の範囲が望ましい。

Ｎｏ.１０の試料は全体組成のＣｒ量を望ましい範囲である２０〜３８％の範囲より少なくし過ぎた試料であるが耐塩害性に劣る結果となり、Ｎｏ.１１の試料は全体組成のＣｒ量を望ましい範囲である２０〜３８％の範囲より多くし過ぎた試料であるが耐塩害性に劣る結果となった。
Ｎｏ.１２の試料は全体組成のＣ量を望ましい範囲である０．５〜２．５％の範囲より少なくした試料であるが耐摩耗性に劣る結果となり、Ｎｏ.１３の試料は全体組成のＣ量を望ましい範囲である０．５〜２．５％の範囲より多くした試料であるが耐塩害性に劣る結果となった。

Ｎｏ.１４の試料は全体組成のＳｉ量を望ましい範囲である３．０〜７．０％の範囲より少なくし過ぎた試料であるが耐塩害性に劣る結果となり、Ｎｏ.１５の試料は全体組成のＳｉ量を望ましい範囲である３．０〜７．０％の範囲より僅かに少なくした試料であるが耐塩害性に若干劣る結果となった。
Ｎｏ.１６の試料は全体組成のＳｉ量を望ましい範囲である３．０〜７．０％の範囲より多くした試料であるが、耐酸化性、耐塩害性、耐摩耗性には優れていたが、焼結品の加工が不可能であった。
Ｎｏ.１７の試料はＭｏを添加していない試料であるが、耐塩害性に劣る結果となり、Ｎｏ.１９の試料はＭｏを望ましい範囲の上限より多くした例であるが、耐塩害性に劣る結果となった。

Ｎｏ.２０の試料はＮｏ.１の試料と同等組成であるが、焼結温度を６０℃下げて低密度になるように焼結した結果、耐熱焼結材が低密度となり気孔率が高くなり、耐塩害性が低下し、耐摩耗性も低下した。
Ｎｏ.２１の試料は焼結助剤としてＦｅＢの代わりにＦｅＰを用いた試料であるが、耐酸化性に優れ、耐塩害性と耐摩耗性にも優れていた。
Ｎｏ.２２の試料は望ましい範囲内でＰを少なく含む試料、Ｎｏ.２３の試料は望ましい範囲内でＰを多く含む試料であるが、いずれも耐酸化性に優れ、耐塩害性と耐摩耗性にも優れていた。
Ｎｏ.２４の試料は望ましい範囲よりＰを少なくした試料、Ｎｏ.２５の試料は望ましい範囲よりＰを多くした試料であるが、耐塩害性が低下し、耐摩耗性も低下した。このことから、焼結助剤としてＦｅＢ、ＦｅＰを添加し、上述の粒径の粉末原料を混合して耐熱焼結材を製造する場合、焼結助剤Ｐの添加量は０.２〜１．２％の範囲が望ましい。
Ｎｏ.２６の試料は焼結助剤を使用せず、代わりにＦｅＣｒＭｏＳｉ合金粉末（Ｄ５０＝１０μｍ）の微粉末を用いた例であるが、耐酸化性に優れ、耐塩害性と耐摩耗性にも優れていた。
Ｎｏ.２７の試料はＮｏ．２６から焼結温度を４０℃下げた試料であり、目的の耐熱焼結材を得ることができたが、Ｎｏ.２８の試料はさらに焼結温度を４０℃下げた試料であり、目的の耐熱焼結材を得ることができなかった。

Ｎｏ.２９の試料は焼結助剤を用いることなく、実施例１の試料とＣｒ、Ｍｏ、Ｓｉ量において類似組成とした微粉末（Ｄ５０＝１０μｍ）を用いて製造した耐熱焼結材、Ｎｏ.３０の試料は実施例２の試料とＣｒ、Ｍｏ、Ｓｉ量において類似組成の微粉末（Ｄ５０＝１０μｍ）を用いて製造した耐熱焼結材、Ｎｏ.３１の試料は、実施例３の試料とＣｒ、Ｍｏ、Ｓｉ量において類似組成の微粉末（Ｄ５０＝１０μｍ）を用いて製造した耐熱焼結材である。
これらの試料の結果から、焼結助剤を省略しても混合粉末を微細化することで目的の耐熱焼結材を得ることができるとわかった。
また、Ｎｏ.２９の試料について、母相と硬質相のＥＤＸ（エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置）分析を行った。その結果、母相が質量％で、Ｃｒ：２０．３％、Ｍｏ：１．３％、Ｓｉ：３．９％、残部Ｆｅの組成を有し、硬質相が質量％で、Ｃｒ：６２．０％、Ｍｏ：３．５％、Ｃ：６．１％、残部Ｆｅの組成を有していた。
この分析結果から、母相はＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｓｉ相であり、硬質相はＣｒＦｅＭｏＣ相であることが明らかになった。なお、他の試料についても同様にＥＤＸ分析により母相はＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｓｉ相であり、硬質相はＣｒＦｅＭｏＣ相であることを確認できた。

図３は表１に示すＮｏ.２の試料の表面組織拡大写真である。この組織写真に示すように耐熱焼結材試料は母相（Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｓｉ相）中に不定形の硬質相（Ｃｒ−Ｆｅ−Ｍｏ−Ｃ相）が分散された組織を呈した。また、組織の中に黒丸で示す微細な気孔が複数分散されていた。

図４はＮｏ.１〜２０の試料について全体Ｃｒ量と母相Ｃｒ量の関係を測定した結果を示すグラフである。
母相Ｃｒ量については耐酸化性と耐塩害性を満たすためには母相中に２８％以上のＣｒが必要とされるが、ＳｉやＭｏも耐酸化性と耐塩害性に寄与するため、母相中に１５％以上のＣｒを必要とする。母相Ｃｒ量が３０％を超えるとＳｉ添加の影響もありσ相を生成して脆くなる傾向となるので、母相Ｃｒ量は１５〜３５％の範囲が望ましい範囲となる。このことを考慮すると図４の関係から１５〜３５％の母相Ｃｒ量を得るためには、全体Ｃｒ量を２０〜３８％の範囲に調整することが好ましいことがわかる。

１…軸受け部材（耐熱焼結材）、２…母相（Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｓｉ相）、３…硬質相（Ｃｒ−Ｆｅ−Ｍｏ−Ｃ相）、４…空孔（気孔）。

Claims (6)

1. 母相中に硬質相が分散された組織を有し、全体組成が質量％でＣｒ：２０〜３８％、Ｍｏ：０．５〜３％、Ｓｉ：３〜７％、Ｃ：０．５〜２．５％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、前記母相がＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｓｉからなり、前記硬質相がＣｒ−Ｆｅ−Ｍｏ−Ｃからなり、気孔率が２．０％以下であることを特徴とする耐酸化性、高温耐摩耗性、耐塩害性に優れた耐熱焼結材。
2. 全体組成において前記Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｃに加え、Ｂ：０.０８〜０．８％あるいはＰ：０.２〜１.２％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物であることを特徴とする請求項１に記載の耐酸化性、高温耐摩耗性、耐塩害性に優れた耐熱焼結材。
3. 母相がフェライト生地からなり、該フェライト生地中にＣｒ−Ｆｅ−Ｍｏ−Ｃからなる硬質粒子が１０〜４０体積％分散されてなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の耐酸化性、高温耐摩耗性、耐塩害性に優れた耐熱焼結材。
4. ＦｅとＣｒとＳｉを少なくとも含み、必要に応じ更にＭｏを含むベース粉末に対し、ＳｉとＣを少なくとも含み、必要に応じて更にＦｅとＣｒとＭｏの少なくとも１つを含む添加材粉末を、
   質量％でＣｒ：２０〜３８％、Ｍｏ：０．５〜３％、Ｓｉ：３〜７％、Ｃ：０．５〜２．５％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる組成となるように混合して混合粉末を得る工程と、この混合粉末を加圧して圧粉体を作製する工程と、前記圧粉体を１１００〜１２８０℃に加熱してＦｅとＣｒとＭｏとＳｉを含む母相中にＣｒとＦｅとＭｏとＣを含む硬質相が分散された組織を有し、気孔率２．０％以下の焼結体を形成する工程を備えることを特徴とする耐酸化性、高温耐摩耗性、耐塩害性に優れた耐熱焼結材の製造方法。
5. 前記混合粉末にＦｅＢ粉末を全体組成に対しＢ：０．０８〜０．８％となるように、あるいは、ＦｅＰ粉末を全体組成に対しＰ：０．２〜１．２％となるように混合することを特徴とする請求項４に記載の耐酸化性、高温耐摩耗性、耐塩害性に優れた耐熱焼結材の製造方法。
6. 前記焼結体を形成する工程により、前記母相中に前記硬質相を１０〜４０体積％分散させることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の耐酸化性、高温耐摩耗性、耐塩害性に優れた耐熱焼結材の製造方法。