铁系耐磨滑动材料及滑动构件的制作方法

专利名称：铁系耐磨滑动材料及滑动构件的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于建筑机械用滚轮，惰轮，减速装置等的浮动密封构件或用于作业机连接装置的轴承的铁系耐磨滑动材料及滑动构件。
背景技术：
装入到建筑机械的下滚轮组装及齿轮减速装置中的浮动密封件，防止其内部的润滑油的泄漏，同时防止砂土向其内部的侵入。因此，大多通过将该密封滑动面进行淬火处理形成高硬度的马氏体组织，或者在将硬质渗碳体、Cr7C3碳化物以大约30体积％大量结晶的同时，通过淬火处理，将母相制成马氏体组织，制造成其防烧伤性及耐磨损性得到改进的浮动密封件。例如，利用0.8重量％C低合金钢、镍铬冷硬铸铁(Ni-Hard)、高碳高Cr铸铁的浮动密封件就是它的例子(例如，参照专利文献1)。
进而，根据不同的目的，使用在前述密封滑动面上喷镀耐磨损性材料的浮动密封件。
特开昭51-59007号公报将上述齿轮减速装置及下滚轮装置中的润滑油密封的浮动密封件，在该机构中，由于在砂土中的碾压运动，微细的砂土粒子一面侵入密封面，一面进行磨损，同时，利用密封的润滑油润滑其密封面。因此，要求优异的耐磨损性和防烧伤性，即使在最广泛的利用高硬度的高碳高Cr铸铁制的浮动密封件中，也存在着当将其装入时的调定压力(推压力)增高时，在其滑动面上发生显著的烧裂(热裂纹)、烧熔、异常磨损，引起漏油的问题。
此外，作为提高上述防烧伤性系耐磨损性的材料，即使在采用冷加工工具钢及高速钢(SKH材料)等各种工具钢的情况下，由于防烧伤性不足，也很容易发生粘着，其结果是，存在着耐热裂性、耐磨损性不足的问题。此外，由于前述各种工具钢是价格极高的钢材，所以，在考虑到一直精加工到制品形状的材料材料利用率时，存在着材料费变成高价的问题。
进而，在近年来的推土机等建筑机械中，希望通过更高速地移动，提高工作效率，由于浮动密封件的高速旋转，同样存在着会发生烧裂、烧熔、异常磨损，引起油的泄漏的问题。

发明内容
本发明考虑到上述情况，其目的是，提供一种能够改进耐热裂性、防烧伤性及耐磨损性的铁系耐磨滑动材料及滑动部件。
为了解决上述课题，本发明的铁系耐磨滑动材料，是以铁素体相及马氏体相中的至少之一作为母相的铁系耐磨滑动材料，其特征在于，在所述母相中含有1.5～20重量％的Al，在所述母相中，分散渗碳体、Cr7C3型、Fe3M3C型及MC型中的一种以上的碳化物及石墨中的至少之一。
本发明的滑动构件，由钢材或铸铁材构成，其特征在于，至少在构成滑动面的部位，作为母相具有铁素体相及马氏体相中的至少之一，在所述母相中含有1.5～20重量％的Al，在所述母相中，分散渗碳体、Cr7C3型、Fe3M3C型及MC型中的一种以上的碳化物及石墨中的至少之一。
根据以上说明的本发明，能够提供一种能够改进耐热裂性、防烧伤性及耐磨损性的铁系耐磨滑动材料及滑动部件。


图1是表示Fe-Al系合金相的规则-不规则相变区域的图示。
图2是表示Co添加对于Fe-Al合金硬度的影响的图示，是表示在0、10、15、20、30、40原子％Co断面上的Al浓度(原子％)和硬度的关系的图表。
图3(a)是表示将Fe-Al-Co三元合金加热到1200℃后急冷的合金的维氏硬度分布的图，(b)是表示在该急冷后，时效处理10小时的合金的维氏硬度分布的图。
图4是表示浮动密封件形状的剖视图。
图5(a)是表示碳、氮浓度与回火硬度的关系(在300℃)的图表，(b)是表示碳、氮浓度与回火硬度的关系(在400℃)的图表，(c)是表示碳、氮浓度与回火硬度的关系(在500℃)的图表。
图6是Fe-C-Cr系等碳活度曲线图(在1000℃)。
图7是滚轮组件的主要部位结构图。
图8是表示分散在铸铁材料中的石墨形状的图示，(a)是表示分散在铸铁材料中的片状石墨的图，(b)是表示分散在铸铁材料中的球状石墨的图，(c)是表示分散在铸铁材料中的蠕虫状石墨的图，(d)是表示分散在铸铁材料中的黑心可锻铸铁的图。
图9是表示冷硬铸铁的代表性的急冷组织的照片。
图10是表示图9所示的冷硬铸铁的石墨化处理的急冷组织的照片。
图11是表示Fe-12Cr钢的渗碳处理表面层组织(960℃×5hr)的照片。
图12(a)、(b)是作业机械连接装置的简图。
图13(a)～(d)是表示各种作业机械轴承的图。
图14是表示利用浇铸接合的多层作业机轴承的图。
图15是表示具有推压滑动面的作业机械轴承和推压面槽形状的图。
图16是悬吊装置的要部结构图。
图17是说明平衡器机构的模式图。
图18是斜板式油压活塞泵的主要部位结构图。
图19是发动机用阀门机构的简易结构图。
图20岩石破碎用楔装置的简易结构图。
图21是表示浮动密封件的形状的剖面图。
图22是浮动密封件试验器的简中9A、9B作业机械连结装置，11作业机械轴承，12推压轴承 34平衡器机构，35悬吊装置，36滚轮组件，64发动机用阀门机构，65阀门，67阀门导向，71斜板式油压活塞泵·电机，75活塞瓦，89岩石破碎用楔装置，89楔铁，92楔铁导向。
具体实施例方式
本实施方式的铁系耐磨滑动材料，是以具有Fe-Al系规则相变性的铁素体相及马氏体相的至少之一作为母相，改进该母相的粘附性，同时改进防烧伤性、耐磨损性及耐热裂性的材料。
在本实施方式的铁系耐磨滑动材料中，重要的是(1)通过固溶1.5～20重量％的Al，附加规则-不规则相变，改进母相的粘附性；(2)通过以时效硬化到维氏硬度Hv500以上的铁素体相，或将固溶碳浓度抑制在0.15～0.8重量％的Hv500以上的马氏体相作为母相，改进耐烧伤性；(3)通过在该母相中，3体积％以上分散对对滑动材料的腐蚀小的、且硬质的渗碳体、Cr7C3型、Fe3M3C型及MC型中的一种以上的碳化物，改进耐粘附性和耐磨损性；(4)通过3～20体积％分散、析出耐粘附性和密封件滑动面上的润滑油供应性(油囊的形成)优异的石墨及铜合金相的至少之一，谋求利用上述密封件滑动面上的润滑性的改进提高耐烧伤性；(5)为提高磨合性，要调节γ相或残留γ相量，适当添加Si、Al、Ni、Mn、Cr、V、Mo、W的合金元素。
在本实施方式的铁系耐磨滑动材料中，为改进粘附性，固溶1.5～20重量％的Al，将与Fe3Al、FeAl规则相有关的显示规则-不规则相变性的铁素体相及马氏体相中的至少之一作为母相，另外，在该铁素体母相及马氏体母相中的至少之一中，分散所述碳化物(渗碳体、Cr7C3型、Fe3M3C型及MC型中的一种以上的碳化物)、石墨及铜合金相中的一种以上。由此，形成耐烧伤性和耐磨损性优良的铁系耐磨滑动材料。
从图1的表示Fe-Al系合金相的规则-不规则相变区域的图表可以看出，开始引起在Fe-Al系铁素体相的规则-不规则相变性的下限的Al浓度为3重量％，但通过添加10重量％的Co，容易引起该规则-不规则相变性，此时的下限的Al浓度为1.5重量％。更优选的Al浓度的下限值，为明显出现铁素体相的规则性的3重量％。
此外，例如在共存50体积％的大量的渗碳体的情况下，Al从渗碳体中排出，浓缩在铁素体相中。因此，当在材料中添加1.5重量％的Al的情况下，由于铁素体相中的Al浓度达到大约3重量％，因此本实施方式的铁系耐磨滑动材料中的下限的Al添加量为1.5重量％。另外，铁素体相中的上限的Al浓度，优选规定在通过后述的时效硬化性显著硬化的大约20重量％(参照图2、图3)，优选在该材料中的上限添加量也规定在20重量％，但在共存50体积％的渗碳体的情况下，优选将上限的添加量规定在10重量％。
另外，由于与不规则相相比，该规则相化学性稳定，因此引起伴随滑动面的局部粘附形成的不规则化的，或伴随因摩擦热使滑动面温度升高而形成的不规则化的大的吸热反应，从而改进铁素体相的耐粘附性。
进而，从作为耐磨滑动材料改进耐烧伤性的角度考虑，优选在上述铁素体母相中，分散作为固体润滑剂或油囊改进对滑动面的润滑油的供应性的石墨。此外，从作为上述油囊的功能的角度考虑，优选在材料中共存耐烧伤性优异的铜合金相。另外，从分散硬质粒子的角度考虑，通过适量(3～75体积％)分散硬质的所述碳化物(包括渗碳体)，更加改进耐烧伤性和耐磨损性。因此，优选根据后述的应用部件，调整使石墨或所述碳化物分散的组织。
此外，由于Si是促进石墨化的合金元素，并且是容易形成与Fe3Al同样的Fe3Si规则相的元素，Si即使在0～5重量％(超过0重量％，5重量％以下)的范围内共存，也是良好的元素。但如果添加大于5重量％的Si，由于铸铁材料严重脆化，因此将5重量％作为Si添加量的上限值。
此外，在本实施方式中，是添加2.5～5重量％的C的铸铁材料，准备在含有总计6～35重量％的Ni、Co及Mn中的一种以上的铁素体相中，3～15体积％析出分散片状、粒状及蠕虫状中的一种以上的石墨的铸铁材料。通过在400℃以上的温度下加热处理该铸铁材料，使所述铁素体母相硬化到Hv500以上的硬度(时效硬化)，同时在该铁素体母相中形成规则相。由此，能够得到经济性优良、且耐烧伤性优良的铁系耐磨滑动材料。
高碳浓度的马氏体相，因滑动时的摩擦热容易引起热裂。对此，在本实施方式中，通过将铁系耐磨滑动材料的母相规定为到高温都稳定的铁素体相，表现出显著的耐热裂性。
由于在石墨中不含上述Ni、Co、Mn等合金元素，因此含有的Ni、Co，Mn在铁素体相中被浓缩。为此，作为Ni、Co及Mn中的一种以上的合计含量，优选6～35重量％，但参照图3，从经济上考虑也优选6～25重量％。此外，铁素体相中的Al的含量，优选5～20重量％。
此外，石墨分散量，优选以明显出现作为固体润滑油及油囊的石墨的润滑改善作用(称为油囊作用)的3体积％作为下限值，将以往铸铁中的石墨最大量即15体积％作为上限。另外，由于片状石墨更有效地显示上述油囊作用，因此优选分散以片状石墨为主体的石墨。另外，如果实施石墨的生长处理，由于能提高上述润滑改善作用，因此在用于后述的作业机械轴承构件时优选进行。参考含油烧结材料的气孔率，也可以将石墨的下限值规定在7体积％(石墨7～15体积％)，对该滑动材料中的石墨进行润滑油的含油处理，也能够谋求延长给作业机械轴承的加油的时间间隔。
此外，为提高作业机械轴承的耐磨损性和耐烧伤性及防止滑动时的杂音，优选在对与作业机械轴承相互滑动的作业机械销的攻击性不引起问题的范围内，适量(3～75体积％)分散渗碳体或分散在工具钢、高速钢中的Cr7C3型碳化物、Fe3M3C(例如M为Mo、W等)型碳化物、以及后述的V4C3等MC型碳化物。
此外，作为更高面压下或容易受偏负荷的作业机械轴承用的铁系耐磨滑动材料中的石墨量，更优选将基于石墨的油囊作用饱和、具有强韧性的10体积％作为上限值。
作为用于需要耐砂土磨损性的浮动密封件的铁系耐磨滑动材料，通过在上述硬质的铁素体相中大量分散渗碳体，能够期望更优异的耐磨损性。为此，在本实施方式中，优选，含有0.4～5重量％的C，在铁素体母相中，至少，含有5～20重量％的Al，同时含有总计6～35重量％的Ni、Co及Mn中的至少一种以上，在400℃以上的温度下，时效硬化到Hv500以上，另外5～75体积％分散所述碳化物(包括渗碳体)。
所述碳化物(包括渗碳体)的分散量的下限值，例如，参考将耐磨损性极优异的高速钢中的回火后的碳化物量调整到3体积％以上，优选规定在5体积％。此外，为了提高在严酷的油滑动条件下的耐烧伤性和耐磨损性，使其具有更多的硬质粒子分散效果是更有效的方法，更优选将20体积％作为下限值。
进而，在改进对砂土侵入的耐磨损性和防烧伤性的情况下，更多地分散所述碳化物(包括渗碳体)是有效的。因此，在本实施形式中，将上限渗碳体的量规定为75体积％。例如，在前述高碳高Cr铸铁材料中，析出分散的碳化物量在50体积％，如果分散大于该量的碳化物，由于变得过分脆，因此更优选将本实施方式的上限的碳化物分散量规定为50体积％。
此外，例如在上述铁素体母相中50体积％共存上述渗碳体的情况下，Al、Si、Co、Ni是从渗碳体排出的元素(分散系数KM＝渗碳体中的合金元素M浓度/铁素体中的合金元素M浓度，KCo、Ni＝大约0.3，KAl、Si＝0)。由于将铁素体相中的Co浓度规定在7重量％的Co添加量为4.5重量％，因此作为Co添加量优选5～35重量％。在考虑经济性的情况下，更优选将Co、Ni、Mn的添加量规定在5～20重量％的范围内。进而，由于Al也几乎不在渗碳体中固溶，因此将铁素体相中的Al浓度规定在5重量％的Al下限添加量能够降低到2.5重量％。这从用熔化法制造的角度考虑更适合。另外，如上所述，大量分散渗碳体能够显著降低高价的合金使用量，更加改进经济性。
进而，从上述主旨考虑，要通过使20～75体积％的大量的渗碳体在铁素体相中析出，制造耐磨损性更优异的铁系耐磨滑动材料，从经济角度考虑，更优选利用含有1.5～5重量％C的冷硬铸铁材料。此种情况的母相的一部或全部有时马氏体化，但由于实施在400℃以上的温度下的加热·时效化处理，因此其高碳浓度的马氏体相分解成铁素体相和微细的渗碳体，而且，通过由Al和Co、Ni、Mn的合金元素形成的时效硬化性，铁素体相硬化到Hv500以上，从而能够改善耐磨损性，同时能够防止因滑动时的摩擦热而产生热裂。
此外，通过石墨化退火处理上述冷硬铸铁中的渗碳体，大量分散的渗碳体的一部变成平均粒径10μm以下的石墨，能够在母相中3～10体积％分散该石墨。这随着粗大渗碳体的微细化和显著的减量，改善铁系耐磨滑动材料的韧性，同时取得耐烧伤性能和耐磨损性的平衡，更优选。此外，石墨的平均粒子间距离缩短，更有效地发挥油囊作用，因此是优选的。
另外，也能够在500～700℃的硬化铁素体相的时效硬化中，使渗碳体石墨化，但处理时间和石墨化的合适时间多不一致。因此，优选在用800℃以上的温度下进行了石墨化处理后，进行急冷，在500～700℃实施用于使铁素体相硬化的时效硬化处理。
此外，从高Cr工具钢、高速钢的例子中得知，分散耐烧伤性更优异特种碳化物、氮化物、碳氮化物等更硬质的粒子，对改善耐磨损性是有效的，在此种情况下，优选通过在铁系耐磨滑动材料中，含有2.5～25重量％的Cr、3～15重量％的Mo及3～15重量％的W中的一种以上，在母相中5～75体积％分散渗碳体、Cr7C3型、Fe3M3C型及MC型中的一种以上的碳化物。
另外，由于有能够在渗碳体中多固溶所述Cr、Mo、W等合金元素，使渗碳体更稳定化，防止渗碳体的石墨化的作用，因此，在使石墨分散的材料系中，需要抑制添加量。由于V、Ti等的形成MC型碳化物的合金元素不太溶入渗碳体，无防止渗碳体的石墨化的作用，因此优选通过分散耐烧伤性优异的、极硬质的MC型碳化物，谋求耐磨损性的改进。
另外，作为碳化物，在主要使渗碳体分散的情况下，考虑到上述的渗碳体和合金元素的关系，优选在铁系耐磨滑动材料中，含有1.5～10重量％的Al及含有2.5～14重量％的Cr，在母相中分散40～75体积％的渗碳体。
此外，如后述，通过进行渗碳处理，也可以在构成滑动面的表面层部分形成所述母相，此时的铁系耐磨滑动材料，优选，含有2.5～25重量％的Cr、3～15重量％的Mo及3～15重量％的W中的一种以上，通过渗碳处理在构成滑动面的表层部分形成所述母相，在该母相中5～75体积％析出分散渗碳体、Cr7C3型、Fe3M3C型及MC型中的一种以上的碳化物。
在利用由上述石墨形成的油囊作用的情况下，及在大量分散渗碳体的方法中，上述铁系耐磨滑动材料多发生脆化。为此，在本实施方式中，优选在上述铁素体相中3～20体积％析出分散铜合金相。
如前所述，由于铜合金相可期待油囊作用，因此优选与石墨同样，将其下限含量规定在3体积％。铜合金相的上限含量，由于铜合金相不引起脆化，因此能够大量分散，但由于软质的铜合金相使耐磨损性劣化，因此在本实施方式中，优选规定在20体积％。此外，在50体积％共存上述渗碳体的情况下，由于Cu不固溶渗碳体，因此，优选至少4～20重量％添加Cu。
一般，由于Cu合金粒子与铁系合金材料的耐粘附性优良，因此适合用作滑动材料。此外，分散在上述马氏体母相中的铜合金相是质软的，在滑动时，因浮动密封件中的碳化物等稍微被磨损，形成辅助向滑动面供应润滑油的油槽，对滑动面有润滑改善作用，即使在滑动面上发生微小热裂纹的情况下，抑制该裂纹扩大的作用也显著。因此，在本实施方式中，将开始出现润滑改善作用的3体积％作为下限值。此外，铜合金相不会招致析出分散形成的浮动密封件的脆弱化，但由于随着软质Cu合金粒子的增加，浮动密封件的耐磨损性降低，因此将其上限值规定在20体积％。
此外，通过在微细的热裂纹的进展途中分散该铜合金相，由于具有制止该裂纹的进展的作用，在本实施方式中，优选地，参考所述高碳高Cr铸铁中平均的碳化物量(25～40体积％)，含有2.5～5重量％的C，具有在所述铁素体相中分散有5～40体积％的渗碳体和3～10体积％的石墨的基本组织，在该基本组织中再分散铜合金相，所述渗碳体、石墨和铜合金相的总量在10～70体积％的范围内。
上述铁系耐磨滑动材料，通过具有Fe3Al及FeAl的规则相的至少之一，并且以硬化到Hv500以上的铁素体相作为母相，表现出了优异的耐烧伤性和耐磨损性。此外，由于铁素体相中的Ni、Co、Mn元素浓度规定在6重量％以上，因此从经济性角度考虑，存在容易成为高价材料的问题。为此，在本实施方式中，至少1.5～10重量％含有Al，进而，再0.05～7重量％添加Co、Mn、Ni、Cr、W及Mo中的一种以上，通过急冷处理获得以高硬度的(Hv500以上的)马氏体相作为母相的铁系耐磨滑动材料。
首先，根据本实施方式的铁系耐磨滑动材料，在上述铁系耐磨滑动材料中，2.5～5重量％添加C，且1.5～10重量％含有Al，同时至少总计0.05～7重量％含有Ni、Co、Mn、Cr、W及Mo中的一种以上，该马氏体母相的硬度淬火硬化到Hv500以上，同时再在所述马氏体相中，3～15体积％析出片状、粒状及蠕虫状中的一种以上的石墨。
本实施方式的马氏体相中的Al浓度，从不需要所述铁素体相中的时效硬化性的方面考虑，在经济性上，也优选将图1所示的Fe3Al规则相的化学计算组成12重量％规定为上限浓度。此外，由于Fe3Al相的规则-不规则相变温度在8重量％以上时饱和，所以马氏体相母相中的Al浓度更优选规定在3～8重量％，最优选在马氏体相中添加2.5～7重量％Al。
另外，上述分散的石墨的作用，与所述的石墨的作用大致相同，作为作业机械轴承，在利用本实施方式的铁系耐磨滑动材料的情况下，更优选7～15体积％分散石墨。
此外，本实施方式的铁系耐磨滑动材料的原材料母相组织，在是贝氏体、珠光体、铁素体组织的情况下，优选地，实施再加热到该材料的Al温度以上，进行急冷的淬火处理，其后，实施400℃以下的温度的回火处理。
此外，Si、Mn、Cr、Ni、Co、Mo的合金元素是为确保淬火性而添加的，同时Si、Al、Mo、Co、Cr是用于提高马氏体相的回火软化阻力，尽量防止因滑动面上的发热而降低马氏体硬度。由于Si、Al是极有效的元素，因此最好多添加Si，但如前所述，由于如果超过5重量％，就容易脆化，所以优选将Si的上限添加量规定在4重量％。
此外，Cr、Mo，由于是使渗碳体稳定化的元素，因此通过大量添加，妨碍上述铸造时的石墨析出，析出大量的渗碳体，形成冷硬铸铁化。在此种情况下，优选通过上述石墨化处理，使渗碳体留在容易石墨化的范围内，在本实施方式中，优选将Cr3重量％、Mo1重量％规定为上限添加量。
此外，图4所示的浮动密封件的运动中的滑动部位上的温度有时升高到180℃，由于在该滑动面可预想发热到400～500℃的程度，因此优选以至少400℃时的回火硬度保持在Hv500以上的方式进行调整。在本实施方式中，其特征在于，由于1.5重量％以上添加Al，所以能够获得足够的回火软化阻抗性。此外，在利用Si形成的回火软化阻抗性的情况下，优选0.5重量％以上添加Si。
在本实施方式中，优选地，在上述铁系耐磨滑动材料中，0.4～5重量％添加C，至少1.5～10重量％含有Al，同时0.05～7重量％总计含有Mn、Ni、Co、Cr、W及Mo中的一种以上，该马氏体母相的硬度淬火硬化到Hv500以上，同时，进而在该马氏体相中，5～75体积％析出含有渗碳体的碳化物。
上述渗碳体的作用效果与所述的作用效果大致相同，但在另外从上述回火软化阻抗性的角度进行研究的情况下，如图5所示，400℃以上时的回火硬度，与基体和渗碳体的碳量合计的平方根成正比，变得更硬，例如，在含有2.5重量％C的冷硬铸铁(含有25体积％的渗碳体+0.8重量％的C的马氏体相)中，400℃回火硬度硬化到Hv650以上。由此得出，由于从耐烧伤性的角度考虑也优选高密度分散渗碳体，所以优选以将本实施方式中的碳添加量规定在2～5重量％、Al添加量规定在1.5～7重量％，20体积％以上分散渗碳体的方式进行调整。
此外，在本实施方式中，优选地，在上述铁系耐磨滑动材料中，0.4～5重量％添加C，至少1.5～10重量％含有Al，同时0.05～7重量％总计含有Mn、Ni、Co、Cr、W及Mo中的一种以上，进而，在该马氏体相中，3～20体积％析出铜合金相。
另外，在本实施方式中，优选地，在上述铁系耐磨滑动材料中0.4～5重量％添加C，同时在该马氏体相中分散5～40体积％的渗碳体的基本组织中，进而再分散石墨及Cu合金粒子的至少之一，渗碳体、石墨及铜合金相的总量为10～70体积％。这些与所述的渗碳体、石墨、铜合金相所显示的作用大致相同。
另外，认为上述马氏体相中的Al，在开始时具有不规则的配列，但通过在滑动面上的局部加热，能够具有所述规则性，其化学稳定性提高，粘附性改进。进而，在一度具有规则性的马氏体母相因伴随粘附的滑动热而产生不规则化的情况下，由于发现通过大的吸热反应有抑制粘附进展的作用，因此能改进马氏体相的粘附性。
例如，在广泛用于所述的浮动密封件用的高碳高Cr铸铁中，由于马氏体母相的碳浓度高达0.8重量％，因此存在因滑动时的摩擦热，容易引起热裂的问题。在此种情况下，通过以将马氏体母相中的碳浓度降低到0.6重量％以下的方式调整合金元素，耐热裂性显著改进。根据本实施方式的铁系耐磨滑动材料，由于以具有上述规则相变性的马氏体相作为母相，所以改进耐热裂性。此外，在上述铁系耐磨滑动材料中，上述马氏体母相的上限碳浓度至少规定在0.8重量％以下，优选0.7重量％以下。此外，马氏体母相的下限碳浓度，以淬火硬度达到Hv500以上的方式，规定在0.15重量％。进而，当参考要求耐热裂性的高温工具钢(SKD6、SKD7、SKD61、SKD62、SKD8、3Ni-3Mo钢)等含有的碳浓度时，优选地，将固溶在上述铁系耐磨滑动材料中的碳量的上限值规定为0.55重量％，下限值规定为0.15重量％。
进而，在考虑到耐砂土磨损性的情况下，该马氏体母相的硬度优选地在HRC50以上，为了确保更稳定的耐热裂性，更优选地，将固溶到马氏体母相中的碳浓度调整到0.2～0.5重量％。
另外，作为调整马氏体母相中上述碳量的方法，在铸造工序中，在析出片状石墨、球状石墨以及蠕虫状石墨的中的一种以上的石墨，母相大致珠光体组织化的情况下，优选地，至少在从Al温度以150℃/sec以上急剧加热(例如，感应加热)速度加热到淬火温度范围之后，实施急冷，未固溶的渗碳体以珠光体状残留，如此调整马氏体母相中的碳浓度。此外，在上述母相是铁素体的情况下，优选地，在通过加热到Al温度以上，铁素体相变成奥氏体相，从石墨向奥氏体中扩散碳，使其固溶后，一度冷却，使母相珠光体组织化，然后实施上述急速加热、急冷等热处理。
进而，由于显著提高马氏体中的碳的活度的Si，能够按大约0.1重量％C/重量％Si的比例，降低上述碳浓度，所以在本实施方式中，马氏体母相中的Si浓度规定在2重量％以上。此外，得知，由于Si几乎不固溶在石墨及渗碳体中，因此添加到材料中的Si显著地浓缩在马氏体中，在50体积％分散渗碳体的情况下，由于添加量的2倍的Si浓度成为马氏体母相中的Si浓度，因此作为Si添加量，1重量％以上是合适的。
作为相对于碳的活度显示与Si同样的作用的元素，由于优选列举Al、Ni、Co、Cu等合金元素，因此可积极地添加这些合金元素。
另外，在作为所述浮动密封件，采用上述硬质的铁系耐磨滑动材料的情况下，需要适当的磨合性。根据本实施方式的铁系耐磨滑动材料中的石墨、铜合金相，通过其软质性和油囊作用，能够获得其适当的磨合性。在本实施方式中，通过至少2～7重量％总量含有Si、Mn、Ni及Co中的一种以上，残留奥氏体相以10～40体积％存在，至少在其滑动面具有γ相(包括残留γ相)5～30体积％，能够谋求磨合性的改进。此外，为了减轻在浮动密封件等的滑动面咬入砂土等异物时的破坏，由于在轴承等转动部件中，5～40体积％程度的残留γ相是适宜的，所以本实施方式中的残留γ相的上限值规定为40体积％，下限值规定为5体积％。
另外，在下列第1～第4的铁系耐磨滑动材料中的γ相，是根据Ni、Mn的添加量调整的，由于显著降低耐磨损性，因此与铜合金相同样，优选规定在20体积以下，但马氏体母相中的残留γ相的大约50％，在磨损时产生马氏体相变，从而不会严重劣化耐磨损性。
第1铁系耐磨滑动材料，2.5～5重量％含有C，在铁素体相中含有5～20重量％Al，同时含有总计6～35重量％的Ni、Co及Mn中的一种以上，前述铁素体相的硬度时效硬化到Hv500以上，在所述铁素体相中，3～15体积％析出片状、粒状及蠕虫状中的一种以上的石墨。
第2铁系耐磨滑动材料，0.4～5重量％含有C，在所述铁素体相中5～20重量％含有Al，同时含有总计6～35重量％的Ni、Co及Mn中的一种以上，前述铁素体相的硬度时效硬化到Hv500以上，在所述铁素体相中5～75体积％析出所述碳化物。
第3铁系耐磨滑动材料，0.4～5重量％含有C，在所述铁素体相中5～20重量％含有Al，同时含有总计6～35重量％的Ni、Co及Mn中的一种以上，前述铁素体相的硬度时效硬化到Hv500以上，在所述铁素体相中3～20体积％析出铜合金相。
第4铁系耐磨滑动材料，2.5～5重量％含有C，在所述铁素体相中分散有5～40体积％的渗碳体和3～10体积％的石墨，在所述铁素体相分散铜合金相，所述渗碳体、所述石墨和所述铜合金相的总量为10～70体积％。
残留奥氏体，在滑动时其半数以上为取得磨合性，产生马氏体相变、硬质化，但残存的残留奥氏体，由于质软，所以能够期待作为上述油囊的功能。但是，在残留奥氏体过多的情况下，由于使耐磨损性劣化，所以在1 0～40体积％的范围内调整残留奥氏体相是适应的。
此外，在作为所述浮动密封件，采用在上述母相中分散有铜合金相的铁系耐磨滑动材料的情况下，由于该铜合金相与母相滑动接合，进而，产生铜合金相的摩擦粉，因此，优选铜合金相难与铁系母相烧熔。为此，在本实施方式中，优选，至少在铜合金相中含有7～15重量％Al，所述铜合金相的组织由(α+β)相或β相构成。
另外，关于上述Cu-Al系合金，β相，除Al以外，明显被Si、Ni、Mn稳定化。
进而，在以V、W、Ti、Zr、Nb、Ta为主体形成的碳化物中，MC型碳化物是最硬质，非常有助于改进耐磨损性，并且这些元素向渗碳体中的固溶度小，几乎不能使渗碳体稳定化，不妨碍石墨的析出。因此，在本实施形式的铁系耐磨损性滑动材料中，优选地，通过至少0.05～4重量％含有V、Ti、Zr、Nb、Ta中的一种以上的合金元素，同时0.1～10体积％分散以这些合金元素为主体的碳化物、氮化物及碳氮化物中的一种以上。通过0.05～4重量％添加V、Ti、Zr、Nb、Ta中的一种以上，能够使1～8体积％的MC型碳化物分散，能够改进耐磨损性。
例如，在作为MC型碳化物选定TiC的情况下，由于TiC的比重基本上为4.9Cr/cm3，所以，通过添加0.5～4重量％的Ti，分散0.63重量％(1体积％)～5重量％(8体积％)的TiC，有效地改进耐磨损性。这些合金元素的上限添加量之所以为8重量％，是因为在前述高速钢中的MC型碳化物的量不会超过约8体积％，进而，也是因作为浮动密封构件的初期磨合性变差而确定的。此外，通过在熔制阶段含有氮，可析出这些氮化物及碳氮化物的至少之一，但是，它们比碳化物的耐烧伤性更优异，所以在本发明中，优选积极分散。
另外，在更重视耐磨损性时的铸造浮动密封材料中，希望更多地分散含有更硬质的渗碳体的所述碳化物，在利用铸造法分散大量的碳化物的情况下，多产生该铸造浮动密封件过分脆化。为此，在本实施方式的渗碳铁系耐磨滑动材料中，准备至少含有1.5～5重量％的Al及2.5～14重量％的Cr、3～15重量％的Mo及3～15重量％的W等中的任何一种以上，同时，进而再含有C、Si、Ni、Mn、Mo、W、V、Ti、Zr、Nb、Ta、Cu、B及P等中的一种以上的合金元素及S、O、N等杂质元素的，其余实质上由铁构成的钢材或铸铁材，通过渗碳处理该钢材或铸铁材的至少滑动面表面层，5～75体积％分散所述碳化物(包括渗碳体)，能够形成具有高韧性的组织结构的滑动材料。此外，优选地，通过将Mo及W总计抑制在7重量％以下，40～75体积％分散渗碳体，能够更加改进经济性。所述钢材或铸铁材作为母相具有铁素体相及马氏体相中的至少之一，在所述母相中分散碳化物及石墨中的至少之一。此外，在所述钢材或铸铁材中，也可以进一步含有0.05～10重量％的Co。
此外，在所述母相中，也能够含有5重量％以下的Si。此外，也可以在所述钢材或铸铁材中含有0.4～5重量％C，在所述钢材或铸铁材中含有1.5～10重量％Al，同时含有总计0.05～7重量％的Ni、Co、Mn、Cr、W及Mo中的一种以上，前述马氏体相的硬度淬火硬化到Hv500以上，在所述马氏体相中5～75体积％析出碳化物。此外，所述马氏体相的碳浓度，优选为0.15～0.7重量％。此外，在所述钢材或铸铁材中，也能够含有总计2～7重量％的Si、Mn、Ni及Co中的一种以上，10～40体积％存在残留奥氏体相。此外，在所述钢材或铸铁材中，也能够0.05～4重量％含有V、Ti、Zr、Nb及Ta中的一种以上的合金元素，同时0.1～10体积％分散以所述合金元素为主体的碳化物、氮化物及碳氮化物中的一种以上。
在通过上述渗碳或渗碳渗氮处理形成渗碳体的情况下，需要在高的碳活度(Ac)下的处理，但是从确保渗碳炉的稳定的操作状态的观点出发，一面参照图6所示的Fe-C-Cr三元系相图(在1000℃)，一面以在Ac＝0.5～0.8下操作为前提，进而，为了在析出渗碳体之前，至少在一度析出Cr7C3型碳化物后，以该碳化物为核分散性良好地析出渗碳体，同时大量析出渗，优选地，将该Cr下限添加量规定为(奥氏体γ+渗碳体+Cr7C3碳化物)的三相共存区域的K点，Cr上限添加量，在Ac＝0.5下渗碳时，规定为析出70体积％的渗碳体量的14重量％，但在经济性上更优选8重量％。
此外，在本实施方式中，由于在分散有渗碳体的滑动面表面层的下部，形成析出硬质的Cr7C3碳化物的硬质相，因此即使在因磨损渗碳体层消失的情况下，也能够存在大量分散硬质的Cr7C3碳化物的层。因此，本实施方式的滑动构件的品质优良。
另外，优选地，通过渗碳处理，在所述滑动表面层上分散TiCN、VN、AlN、TiAlN等氮化物及碳氮化物中的至少之一，由于作为AlN消耗形成本实施方式中的Fe3Al规则相时所需的Al，所以优选渗碳处理在N2气单一的渗碳保护性气氛下进行。
进而，利用上述的铁系耐磨滑动材料的特性的本实施方式的滑动构件，由钢材或铸铁材构成，其特征在于，至少在构成滑动面的部位，作为母相具有铁素体相及马氏体相中的至少之一，在所述母相中含有1.5～20重量％的Al，在所述母相中，分散渗碳体、Cr7C3型、Fe3M3C型及MC型中的一种以上的碳化物及石墨中的至少之一。此处，优选在母相中含有5重量％以下的Si。此外，优选地，在钢材或铸铁材中，含有0.4～5重量％C，在铁素体相中含有5～20重量％Al，同时含有总计6～35重量％的Ni、Co及Mn中的一种以上，铁素体相的硬度时效硬化到Hv500以上。此外，优选地，在钢材或铸铁材中，含有0.4～5重量％C，含有1.5～10重量％Al，同时含有总计0.05～7重量％的Ni、Co、Mn、Cr及Mo中的一种以上，马氏体相的硬度淬火硬化到Hv500以上。此外，优选地，在母相中，石墨是片状、粒状及蠕虫状中的一种以上的石墨，3～15体积％析出。此外，优选地，在母相中，5～75体积％析出碳化物。此外，优选地，在母相中，3～20体积％析出铜合金相。
作为使用上述的铁系耐磨滑动材料或滑动构件，开发更高性能的耐磨损滑动构件的事例，可考虑在以下等方面的应用装入到所述建筑机械的下滚轮组装及齿轮减速装置中的浮动密封件；装入到建筑机械的作业机连结装置上的具有推压轴承功能的作业机轴承；装入到建筑机械的悬吊装置上的球面轴承；装入到支持建筑机械的车体的平衡器机构上的球面轴承；装入到油压泵或油压电机中的油压部件；装入到发动机用阀门机构上的阀门部件；装入到岩石破碎楔装置上的楔铁或楔形导槽等。
下面，说明本发明的铁系耐磨滑动材料及滑动构件的更具体的实施方式。
最初，作为利用更廉价的铸造法制造的浮动密封件，准备至少含有2.5～5重量％的C、2.5～25重量％的Al，同时添加5～35重量％的Ni、Mn及Co中的一种以上，进而，再含有Si、Mn、Ni、Co、Cr、Mo、W、Cu、V、Ti、Nb、Zr、Ta、B及P等中的一种以上的合金元素及S、O、N等杂质元素的，其余实质上由铁构成的铸铁浮动密封件材料。在该铸铁浮动密封件材料中，以在400℃以上的温度下时效硬化到Hv500以上的铁素体相作为母相，至少3～15体积％分散石墨。
此外，准备至少含有0.4～5重量％的C和1.5～25重量％的Al，同时添加4～35重量％的Mn、Ni及Co中的一种以上，进而，再含有Si、Mn、Ni、Co、Cr、Mo、W、Cu、V、Ti、Nb、Ta、B及P等中的一种以上的合金元素及S、O、N等杂质元素的，其余实质上由铁构成的铸铁浮动密封件材料。在该铸铁浮动密封件材料中，具有在400℃以上的温度下时效硬化到Hv500以上的铁素体母相中，至少分散5～75体积％的渗碳体的组织。在该浮动密封件中，从更加提高滑动面上的耐热软化抗性、改进耐烧伤性和耐磨损性的目的，和降低合金元素添加量、提高经济性的目的出发，优选地，规定至少含有1.5～5重量％的C、至少分散20～75体积％的渗碳体。此外，优选地，抑制铸造时的石墨的析出，和以在铁素体相的时效硬化处理中不在石墨中过分分解大量的渗碳体的方式，添加0.5～5重量％的Cr。
上述冷硬铸铁中含有的渗碳体，其硬度在Hv800～1300的范围，与Cr、Mo、V等特殊碳化物相比质软，与对方滑动材料的攻击性小，且与其它特殊碳化物相比韧性优异。进而，如果注重渗碳体是在215℃具有磁性转变温度的强磁性体，在该温度附近，明显出现磁性转变形成的λ型的吸热反应，在析出大量渗碳体的滑动面上，能够期待对于防止因滑动面温度的上升形成的润滑油的隔断，有良好的影响，优选地，将该磁性转变温度调整到60～180℃。另外，在开始显著降低润滑油的粘性的60℃和劣化润滑油的180℃，利用润滑油的粘性转变形成的显著的吸热作用，改进滑动面润滑性，对于改进烧伤性是有效的。在本实施方式中，特别优选调整容易在渗碳体中显著浓缩的Mn、Cr、V。
另外，合金元素对渗碳体的磁性转变温度(Ao)的影响，一般公开为Ao＝215℃-16×Cr重量％-24×Mn重量％-16×Mo重量％-19×W重量％+3.7×Ni重量％+8.7×Co重量％-57×V重量％(V添加量0.2重量％以下时)……(1)Ao＝181℃-16×Cr重量％-24×Mn重量％-16×Mo重量％-19×W重量％+3.7×Ni重量％+8.7×Co重量％(V浓度0.6重量％的饱和状态) ……(2)由于在渗碳体中的V浓度不固溶在0.6重量％以上，渗碳体磁性转变温度在180℃下达到一定，所以在本实施方式中，优选地，在渗碳体中固溶0.6重量％的V。例如，在25体积％的渗碳体分散的情况下，如果假设所述分配系数KV＝9，就得出需要添加0.2重量％以上的V，因此，优选通过0.2重量％以上添加V，进而，通过调整Mn、Cr的添加量，将渗碳体磁性转变温度调整到60～180℃。
为了防止将在上述冷硬化的过程中结晶出的粗大的渗碳体调整到50体积％以上时的浮动密封件的脆弱化，如上所述，优选通过石墨化处理，谋求渗碳体量的调整和微细化。为此，铸造浮动密封件，优选地，通过石墨化处理，使分散在所述浮动密封件中的粗大的渗碳体微细化，在所述铁素体母相中，至少分散5～40体积％的渗碳体和3～10体积％的石墨。
在渗碳体中，在Cr过度浓缩的情况下，由于渗碳体的石墨化慢，因此考虑到其经济性将上限规定在5重量％。通过在上述凝固过程中的偏析，有时结晶出部分Cr7C3型碳化物，但由于该Cr7C3型碳化物是分散在以往的浮动密封件用材料中，所以只要Cr7C3型碳化物的分散量在10体积％以下，不会对滑动特性引起大的问题，就可认为是容许的。
在上述各铸造浮动密封件中，也可以在铁素体母相中分散铜合金相。
接着，作为其它铸造浮动密封件，优选地，将至少含有1.5～20重量％、优选3～8重量％Al的，进而，含有0.5～6重量％的Si、Mn、Ni、Cr及Mo中的一种以上的，通过急冷处理(淬火)达到Hv500以上的高硬度的马氏体相作为母相，在母相中至少3～15体积％分散片状、粒状及蠕虫状中的一种以上的石墨。进而，铸造浮动密封件，优选地，在其马氏体母相中，至少5～75体积％、优选20～75体积％分散渗碳体。此外，铸造浮动密封件，优选地，在其马氏体母相中，至少分散5～40体积％的渗碳体和3～10体积％的石墨。进而，铸造浮动密封件，优选地，将马氏体母相中的碳浓度调整到0.15～0.7重量％、优选0.2～0.6重量％的范围。另外，在这些铸造浮动密封件中，也可以在马氏体母相中分散20体积％以下的铜合金相。
进而，为了使铸造浮动密封件中的渗碳体的一部石墨化，作为促进石墨化的元素，优选2～7重量％含有Si、Ni中的一种以上。为了有效析出渗碳体，如上所述，需要添加0.5～5重量％的Cr。进而，在以铸造状态再加热·淬火处理浮动密封件的母相的情况下，为了抑制再加热温度下的渗碳体的石墨化，优选添加0.5～5重量％的Cr。
此外，优选地，采用在将含有Cr的上述铸造浮动密封件的母相形成珠光体组织(板状渗碳体+铁素体)后，从Al温度到淬火温度，以150℃/sec以上的急剧加热速度急速加热后，进行急冷处理(淬火)的方法，在马氏体母相中，以珠光体状分散渗碳体。
此外，由于Ni是促进石墨化的元素，同时也是提高淬火性的元素，并且，也是在浮动密封件的磨合性的改进中形成残留奥氏体相、改进耐烧伤性的元素，因此在本实施方式中，优选添加1重量％以上的Ni，此外，Ni的上限添加量，从残留奥氏体相过多带来的耐磨损性的劣化和经济角度考虑，优选规定在5重量％。
另外，由于Mn与Ni同样，是奥氏体稳定化元素，是形成残留奥氏体相的廉价元素，所以在本实施方式中，优选添加2重量％以下的Mn。
但是，在更重视耐磨损性的铸造浮动密封材料中，希望更多地分散更硬质的渗碳体。在利用铸造法分散大量的渗碳体的情况下，由于该铸造浮动密封件多过分脆化，因此作为其它例，列举渗碳浮动密封件。对于该渗碳浮动密封件，准备至少含有1.5～10重量％的Al及3～14重量％的Cr，同时，含有C、Si、Al、Ni、Mn、Mo、W、V、Ti、Zr、Nb、Ta、Cu、Co、B及P等中的一种以上的合金元素及S、O、N等杂质元素的，其余实质上由铁构成的钢材，至少通过渗碳或渗碳渗氮处理浮动密封件的滑动面表面层，30～70体积％分散渗碳体，能够形成由高韧性的组织结构构成的浮动密封件。
在通过上述渗碳或渗碳渗氮处理形成渗碳体的情况下，需要在高的碳活度(Ac)下的处理，但是从确保渗碳炉的稳定的操作状态的观点出发，一面参照图6所示的Fe-C-Cr三元系相图(在1000℃)，一面以在Ac＝0.5～0.8下操作为前提，进而，为了在析出渗碳体之前，至少在一度析出Cr7C3型碳化物后，以该碳化物为核高分散性地析出渗碳体，同时大量析出渗碳体。因此，优选地，将该Cr下限添加量规定为(奥氏体γ+渗碳体+Cr7C3碳化物)的三相共存区域的K点，Cr上限添加量，在Ac＝0.5下渗碳时，规定为析出70体积％的渗碳体量的14重量％。另外，在经济性上更优选8重量％。
此外，在本实施方式中，由于在分散有渗碳体的表面层的下部，形成析出硬质的Cr7C3碳化物的硬质相，因此即使在因磨损渗碳体层消失的情况下，也能够存在大量分散硬质的Cr7C3碳化物的层，因此品质优良。
另外，通过渗碳处理分散TiCN、VN、AlN、TiAlN等氮化物及碳氮化物中的至少之一，由于作为AlN消耗形成本实施方式中的Fe3Al规则相时所需的Al，所以优选渗碳处理在N2气单一的渗碳保护性气氛下进行。
另外，用700℃平衡加热铁素体相和渗碳体相共存的高频淬火前的组织时的合金元素M的分配系数αKM＝(渗碳体中的M元素浓度重量％/铁素体中的M元素浓度重量％)，已知有，αKCr＝28、αKMn＝10.5、αKV＝9.0、αKMo＝7.5、αKW＝2、αKNi＝0.34、αKCo＝0.23、αKSi、Al0，得知Mn、Cr、Mo、V、W向渗碳体浓缩，Si、Al、Ni、Co在铁素体中浓缩。
(第1实施方式)其次，说明对在滚轮组件中的浮动密封装置中应用本发明的例子。图7，是表示滚轮组件的主要部分的结构的图示。
本实施形式的滚轮组件36，将滚轮保持架49和滚轮辊52可相互旋转地连接起来构成，其中，所述滚轮辊52经由支撑在该滚轮保持架49的滚轮轴50和外套在该滚轮轴50上的滚轮衬套51配置。在该滚轮组件36中，浮动密封装置53，包括与密封面相切配置的一对密封环54、54，外套在各密封环54上的O环55，相互对向的一对密封面，被压缩安装的O环55的弹性力向滚轮轴50的轴向方向推压，一面以适当的表面压力接触一面滑动，防止水、砂土等从外部侵入，并防止润滑油从内部泄漏。同时，在一对密封环54、54的密封面，至少将5～70体积％的渗碳体及1～10体积％的MC型碳化物和石墨及铜合金相中的至少其中之一，调整成分散在具有硬质的规则相的铁素体相或具有规则相变性的马氏体相中的组织。
此外，在齿轮减速装置等中使用的大直径的浮动密封装置中，在其滑动面上的滑动速度变快，特别需要防烧伤性和耐热裂性优异的浮动密封环。根据本实施形式，其特征在于将前述滑动速度超过1m/sec使用的浮动密封件的材料中的母相，规定为具有硬质的规则相的铁素体相或具有规则相变性的马氏体相；及/或分散防止热裂的进展的铜合金相；进而，在这些母相中，为了改进在滑动面的润滑性，在总计3～20体积％的范围内分散石墨及Cu合金相的至少其中之一。
根据本实施形式，可以提供防烧伤性和耐热裂性更优异的浮动密封装置，但是，为了进一步提高经济性，并且改进耐热裂性和防烧伤性，优选地，以固溶在马氏体相中的碳浓度达到0.15～0.7重量％的方式，调整Si、Cr、Cu、Mo、W、V等合金元素的添加量，作为渗碳体，为了在60～180℃具有磁性转变点，以V、Mn、Cr为主进行调整，并且分散可促进润滑性的石墨及Cu合金相的至少其中之一。另外，优选地，作为将固溶在马氏体母相中的碳浓度调整到0.15～0.7重量％的方法，通过能够急速加热的感应加热，以150℃/sec以上的升温速度迅速地从Al温度加热到淬火温度，之后通过急冷，形成珠光体状渗碳体分散在马氏体母相中的组织，进而，更优选地，将固溶在马氏体母相中的碳浓度调整到0.2～0.5重量％。
图8～图10，适用于用铸造法制作的铁系耐磨滑动材料的代表性的组织构成。
图8表示分散在铸铁材料中的石墨形状的图示，(a)片状石墨、(b)球状石墨、(c)蠕虫状石墨，多在凝固过程中出现，其母相，已知形成铁素体、珠光体、马氏体、贝氏体等各组织形态。在本实施方式中，通过在400～750℃的铁素体相区域实施时效硬化，使铁素体相或(铁素体相+粒状及/或板状渗碳体)母相化。此外，铁素体相的时效硬化，是以在铁素体相中的Al浓度在7～25重量％、(Co+Ni+Mn)浓度在6～35重量％时共存的情况下，显著出现为基本进行设计。此外，本实施方式，以母相含有1.5～25重量％的Al和碳，由具有规则相变性的马氏体相构成为基本进行设计。特别是在上述时效硬化的铁素体相中，珠光体状分散渗碳体的情况下，从润滑性的观点出发，更优选。
图9是表示(含有4重量％Ni-2重量％Cr的镍铬冷硬铸铁)冷硬铸铁的代表性的急冷组织，由具有定向性的白色渗碳体、莱氏体(共晶组织)及被腐蚀的马氏体或珠光体构成，铁素体相组织极微细，不被识别，但通过400～750℃的加热，上述的马氏体相分离成具有规则相的铁素体相和渗碳体，珠光体也由铁素体相和板状渗碳体构成。以此，本实施方式，是以腐蚀的部分所含的铁素体相具有规则相、时效硬度达到Hv500以上、由上述马氏体构成等为基本进行设计的。
图10，石墨化处理图9所示的冷硬铸铁，石墨化渗碳体的一部的图示，由于渗碳体减量，并且在该减量过程中结果被分断、微细化，此外析出的石墨粒子微细，因此形成强韧性优良的组织。在腐蚀的母相部，在本实施方式中，利用上述铁素体相，将上述马氏体相用作主体(含有部分贝氏体、屈氏体，但是Hv500以上的母相组织)，以此为基本进行设计。
此外，也优选通过使用所述的感应加热的淬火处理，在上述马氏体母相中分散珠光体状的渗碳体的组织。
另外，通过利用石墨化处理，作为微细的石墨粒子，分散本发明保护范围4、保护范围8中的渗碳体的几乎全部，能够形成保护范围3、保护范围7(参照图8(d))。
另外，由于以铁素体相为母相的铁系耐磨滑动材料需要添加大量的高价Ni、Co，因此以Fe-Al-C系的马氏体相为母相，更有利于经济性。
此外，Al是不阻碍石墨化的元素，由于大部分从渗碳体中排出，所以如图9所示，如果一旦以冷硬铸铁状态制作铸造材料，Al就在该母相中浓缩。例如，在析出50体积％的渗碳体的铸造材料中，优选地，通过添加1.5重量％的Al，母相中Al浓度达到3重量％，能够具有显著的规则性。同样，由于Ni、Co也是从渗碳体排出的、浓缩在铁素体相或马氏体相中的元素，所以从经济上优选大量分散渗碳体。
此外，由于Cu在铁系耐磨滑动材料的母相中的固溶度大约在5重量左右，因此通过添加5重量％以上的Cu，能够得到铜合金相以粒状分散在上述铸铁材料中的组织。因此，也优选在图8、图9、图10的各组织中分散有铜合金相的组织。
此外，从进一步提高铁系耐磨滑动材料的耐磨损性的观点出发，优选地，在图8～图10所示的组织中分散V4C3等MC型碳化物。
图11，表示在所述的铁系耐磨滑动材料的任何一种中所述的、适合用渗碳或渗碳渗氮法制作的铁系耐磨滑动材料的代表性的组织构成。由于耐磨损性和耐烧伤性能够局限于滑动面表层面，因此作为浮动密封件能够得到更强的韧性。此外，通过渗碳或渗碳渗氮，由于能够高密度析出渗碳体或V4C3碳化物，因此具有能够制造耐磨损性更优异的浮动密封件的特征。此外，在渗碳或渗碳渗氮处理前的软质的状态下，通过锻造、轧制，弯曲加工、机械加工等一种以上的廉价加工，能够制造浮动密封件基体。由此得知，能够形成经济性更优异的浮动密封件。另外，更优选渗碳浮动密封件的马氏体母相是含有上Al的马氏体相。
(第2实施方式)其次，说明对在作业机械装置上的作业机械轴承、推压轴承中应用本发明的例子。图12(a)、(b)，表示作业机械连接装置的结构简图。此外，图13表示与作业机械销的外周面滑动接合的作业机械轴承的代表性的形状。
本实施方式的作业机械连接装置，用作相对于上述旋转体连结油压挖土机的悬臂的悬壁连结装置、相对于悬臂连结臂杆的臂杆连结装置、相对于臂杆连结铲斗的铲斗连结装置。首先，举例说明图12(a)所示的铲斗连结装置9A。该铲斗连结装置9A，相互可转动地连结铲斗6和臂杆5，借助由形成在该铲斗6上的托架6a、6a支持的作业机械连结销10及外套在该作业机械连结销10上的作业机械轴承(作业机械轴瓦)11、11，配置该臂杆5，并且该铲斗连结装置9A具有承受作用在铲斗6和臂杆5之间的推压负荷的推压轴承12、12。在该铲斗连结装置9A中，作业机械轴承11压入在臂杆5的前端部，作业机械连结销10，通过销固定用双头连接螺栓13固定在托架上。另外，符号14表示密封装置。此外，符号15、16分别表示润滑剂供给口及润滑剂供给路。
下面，说明图12(b)所示的其它例的铲斗连接装置9B。在该铲斗连结装置9B中，压入在臂杆5部的推压轴承25和配置在托架6a部上的推压轴承26，都形成凸缘型的推压轴承。
在用于所述各铲斗连结装置9A、9B的作业机械轴承11中，如图13(a)～(d)所示，在滑动面上形成油槽((a)～(c))，或形成润滑剂穴((d))，通过在上述油槽及润滑剂穴内充填含有润滑用的各种油脂(更优选含有固定润滑剂。)或润滑油的塑料或石墨，能够显著改进所述作业机械轴承11的供脂间隔的延长性。预先通过铸造形成所述槽部或孔部，经济性会更好。
此外，如图14所示，也优选在用铸造法接合在铁系轴瓦内衬材料上的多层作业机械轴承中应用本发明。优选地，在这些铁系耐磨滑动材料中分散10～15体积％的石墨，在该石墨中含有润滑油，此外优选石墨是片状石墨。另外，与轴瓦内衬的接合方法不局限于铸入接合，也可以采用焊接、粘接等。
此外，通过用离心铸造法制造这些作业机械轴承，利用在内周面侧更多地分散比重轻的石墨的特点，能够形成更加改进润滑性，并且能够延长供脂时间间隔的作业机械轴承。
另外，通过形成图14所示的多层作业机械轴承，能够形成高刚性、无作业机械轴承的连转或拔出、并且经济性优良的作业机械轴承。
图15(a)～(c)是表示具有上述作业机械连结装置上的推压轴承功能的作业机械轴承的例子的图示，是在凸缘部承受推压负荷，在圆筒部内径内，一边接受径向负荷一边滑动的推压轴承。在该推压面上，由于对砂土侵入的耐磨损性成为问题，及该滑动面上的润滑条件极差，容易产生热裂、烧熔，所以，优选地，至少含有5～40体积％的碳化物(渗碳体)，进而，由3～10体积％分散石墨的铁系耐磨滑动材料构成。此外，优选在推压滑动面及/或径向滑动面上，设置与上述同样的槽部、穴部等润滑剂贮藏部。此外，能够制造·利用在图15所示的凸缘部只接受径向负荷滑动的推压轴承。另外，在本实施方式中，如图15(d)所示，是设置容易向滑动面供给润滑用润滑脂或润滑组成物的适当的槽(半径槽27、直径型槽28)或凹坑(凹坑或穴29)，谋求改进耐烧伤性、耐热裂性的优选方式。
本实施方式的铁系耐磨滑动材料，不局限于所述作业机械连结装置，也适合具有与此类似的滑动机构的轴承装置，由于其滑动机构上的滑动面形状也可以是圆筒状、圆柱状、平面状、球面状，因此能够开发用于支持其轴承装置结构类似于作业机械连结装置的推土机的车体的平衡器机构，及在翻斗卡车或车轮式装载机的悬吊装置等中使用的轴承装置。
(第3实施方式)图16是表示用于悬吊装置的球面轴承的例子。在该悬吊装置35中，借助作为支持一侧的机械构成要素的支持轴的悬吊支持销46，及作为外套在该支持轴上的轴承衬套的球面轴瓦(自由度2)47，作为另一侧的机械构成要素配置悬吊48，上述悬吊支持销46和悬吊48，相互转动或可转动地连结。因此，在这些连结部位，与第1实施方式及第2实施方式同样，通过采用本发明的铁系耐磨滑动材料，能够获得与上述实施方式相同的作用效果。
(第4实施方式)图17是表示用于平衡器机构的球面轴承的例子。在该平衡器机构34上，借助作为一侧的机械构成要素的主构架41，和作为支持该一侧的机械构成要素的支持轴的平衡器销42及作为外套在该支持轴上的轴承衬套的平衡器衬套43，作为另一侧的机械构成要素配置平衡器杆44，上述平衡器销42和平衡器杆44相互转动或可转动地连结。因此，在这些连结部位，通过采用本发明的铁系耐磨滑动材料，能够获得与上述各实施方式相同的作用效果。
(第5实施方式)图18是斜板式油压活塞泵·电机的主要部位的结构图。
在本实施方式的斜板式油压活塞泵·电机71中，在同一轴上配置传动轴72和油缸体73，在是油压泵的情况下，通过用发动机等原动机转动油缸体73，使具有嵌入在与该油缸体73一同转动的活塞74的一端部内的球状头部的活塞瓦75，相对于与传动轴72倾斜配置的摇动凸轮76滑动，使活塞74在油缸体73内往返运动，由此，使经由阀板77的吸入口77a吸入的油形成高压，从该阀板77的排出口77b排出。此外，在是油压泵的情况下，通过从阀板77侧向油缸体73的孔内导入高压油，使活塞瓦75在摇动凸轮76上滑动，与油缸体73一同转动。
无论在泵·电机的哪种的情况下，活塞瓦75都通过高压油，一边向摇动凸轮76推压，一边高速滑动。此外，在该油压泵、电机中，具有活塞74和油缸体73的孔、摇架94和摇动凸轮76、油缸体73和阀板77等多个滑动部位，优选在其中一个以上的油压部件上应用本发明的铁系耐磨滑动材料。
另外，不局限于所述斜板式油压泵·电机，例如，即使在斜板式、径向式的油压泵·电机中，同样优选采用本发明的铁系耐磨滑动材料。
(第6实施方式)图19表示发动机用阀门机构的简易结构图。
本实施方式的发动机用阀门机构64的构成，具有开关未图示的发动机的燃烧室的阀门65、为引导该阀门65的工作而安装在气缸盖66的所要求部位上的阀导承67、以及阀座68或阀簧69，以下都未图示的遥杆、凸轮轴、凸轮轴·定时凸轮、同步皮带、曲轴·同步齿轮等。
即使在本实施方式的发动机用阀门机构64中，也优选在与阀导承67滑动接触的阀杆65c的表面上应用本发明的铁系耐磨滑动材料。
(第7实施方式)图20是岩石破碎用楔装置(动力分裂设备)的简易结构图。
本实施方式的岩石破碎用楔装置89，具有接受来自油压缸(推力发生手段)90的推力的楔91、和夹持该楔91地配置的一对楔导向92，通过用所述油压缸90的驱动使所述楔91相对于楔导向92滑动，利用上述楔导向92将接受来自油压缸90的推力变换成横向扩宽力，利用该横向扩宽力破坏岩石，进行岩石破碎作业，如此构成岩石破碎用楔装置89。
在如此构成的岩石破碎用楔装置89中，通过以扩压楔导向92的方式，用油压力慢慢压入楔91，产生岩石破碎力，破碎岩石。在本实施方式中，由于在楔91的滑动面上产生极大的面压，滑动速度慢，因此存在明显引起在该滑动面的凝粘磨损的问题。因此，通过采用在楔91或楔导向92的底面滑动部上，一体化一种以上本发明滑动材料的多层滑动构件，能够得到更大的岩石破碎力，同时能够划时代地削减运转成本。
其次，说明本发明的铁系耐磨滑动材料及采用该材料的滑动构件的具体实施例。
在本实施例中，将表1所示的铸造浮动密封材料和铸造比较材料铸造到壳型铸模中，铸造后在950℃再加热(石墨化)施行淬火处理，然后磨削成图21所示的浮动密封件的形状，在图中所示的密封面上施行抛光加工，用图22的简图所示的浮动密封试验机对其防烧伤性进行评价。此外，浮动密封试验机，利用将制成的试验片作为与密封面相接的方式配置的一对密封环的浮动密封装置，将与一个密封环接触的O环固定，向与另一个密封环接触的O环赋予负荷和绕密封环的中心轴的旋转。使浮动密封件彼此间的推压负荷63kgf(线压P2kgf/cm)一定，封入EO#30发动机油，一面改变在空气中的旋转速度(圆周速度V)，一面利用滑动阻力急剧增大烧伤时刻的PV(P×V，单位kgf/cm·m/sec)值，评价防烧伤性。其结果作为临界PV值示于表1的右侧。另外，表1中的磨损量表示，在图22的装置中，在将SiO2粒子规定在50％的水中，将线压P设定在2kgf/cm、将圆周速度V设定在1m/sec，运转500hr时的单位密封面的位置移动量(mm)，此外，也一并表示浮动密封件材料的组织特性。
表1 浮动密封材料组成(重量％)和临界PV值PV值(单位)kgf/cm·m/sec、磨损量(单位)mm

另外，作为比较材料，选择作为浮动密封用材料良好地采用的FC15Cr3Mo、FC9Cr6Mo5W、冷硬铸铁、镍铬冷硬铸铁。
No.1～No.9，是以时效硬化(600℃、3hr)的铁素体相作为母相的合金，No.1是只设定为铁素体母相的组织的合金，与比较材料相比，发现显著的耐烧伤性、耐热裂性，进而得知，随着增大石墨量，临界PV值更加改善，在No.2(石墨量6.5体积％)中显著改进。另外，在含油轴承材料中，气孔率在3体积％以上，明确发现润滑功能，但因滑动面的气孔的闭塞化，其润滑特性不稳定，在7体积％以上的气孔率下，与其润滑特性更加稳定化相符合。此外，在No.1～No.6的比较中，通过改进临界PV值，耐磨损性改善。
在No.6～No.9中，在铁素体母相中分散通过冷硬化结晶的渗碳体、铜合金相、Cr7C3碳化物，显示出极优异的临界PV值(耐烧伤性、耐热裂性)，并且，发现优异的耐磨损性，但也得知，因No.8中的铜合金相的出现耐磨损性降低。
No.10～No.16，是以马氏体相作为母相的合金，No.10虽分散10体积％的石墨和V4C3碳化物，但耐烧伤性和耐磨损性得到改善，如No.11、12，通过大量分散渗碳体，发现显著改进耐磨损性，进而，通过分散No.15的铜合金相，发现更加改进耐烧伤性。
进而，如No.14～15所示可知，通过分散Cr7C3碳化物，更加改进耐磨损性，但如No.16，通过增加Cr添加量，降低马氏体中的固溶碳浓度，更加改进耐烧伤性。
此外，对于在用960℃石墨化处理冷硬化的镍铬冷硬铸铁，分散平均粒径大约5μm的微细的石墨粒子的同时减量渗碳体，并且，微细化的合金(石墨化Nihard)(参照图10，石墨大约3体积％)中，明显改进耐烧伤性，优选将石墨析出下限量规定在大约3体积％。
需要说明的是本说明书中“以上、以下”均包括端点。
权利要求
1.一种铁系耐磨滑动材料，以铁素体相及马氏体相中的至少之一作为母相，其特征在于，在所述母相中含有1.5～20重量％的Al，在所述母相中，分散渗碳体、Cr7C3型、Fe3M3C型及MC型中的一种以上的碳化物及石墨中的至少之一。
2.如权利要求1所述的铁系耐磨滑动材料，其特征在于，在所述母相中含有5重量％以下的Si。
3.如权利要求1所述的铁系耐磨滑动材料，其特征在于，含有2.5～5重量％的C，在所述铁素体相中含有5～20重量％的Al，同时含有总计6～35重量％的Ni、Co及Mn中的一种以上，前述铁素体相的硬度被时效硬化到Hv500以上，在所述铁素体相中析出3～15体积％的片状、粒状及蠕虫状中的一种以上的石墨。
4.如权利要求1所述的铁系耐磨滑动材料，其特征在于，含有0.4～5重量％的C，在所述铁素体相中含有5～20重量％的Al，同时含有总计6～35重量％的Ni、Co及Mn中的一种以上，前述铁素体相的硬度被时效硬化到Hv500以上，在所述铁素体相中析出5～75体积％的碳化物。
5.如权利要求1所述的铁系耐磨滑动材料，其特征在于，含有0.4～5重量％的C，在所述铁素体相中含有5～20重量％的Al，同时含有总计6～35重量％的Ni、Co及Mn中的一种以上，前述铁素体相的硬度被时效硬化到Hv500以上，在所述铁素体相中析出3～20体积％的铜合金相。
6如权利要求1所述的铁系耐磨滑动材料，其特征在于，含有2.5～5重量％的C，具有在所述铁素体相中分散5～40体积％的渗碳体和3～10体积％的石墨的基本组织。
7.如权利要求1所述的铁系耐磨滑动材料，其特征在于，含有2.5～5重量％的C，含有1.5～10重量％的Al，同时含有总计0.05～7重量％的Ni、Co、Mn、Cr、W及Mo中的一种以上，前述马氏体相的硬度被淬火硬化到Hv500以上，在所述马氏体相中析出3～15体积％片状、粒状及蠕虫状中的一种以上的石墨。
8.如权利要求1所述的铁系耐磨滑动材料，其特征在于，含有0.4～5重量％的C，含有1.5～10重量％的Al，同时含有总计0.05～7重量％的Ni、Co、Mn、Cr、W及Mo中的一种以上，前述马氏体相的硬度被淬火硬化到Hv500以上，在所述马氏体相中析出5～75体积％的碳化物。
9.如权利要求1所述的铁系耐磨滑动材料，其特征在于，含有0.4～5重量％的C，含有1.5～10重量％的Al，同时含有总计0.05～7重量％的Ni、Co、Mn、Cr、W及Mo中的一种以上，前述马氏体相的硬度被淬火硬化到Hv500以上，在所述马氏体相中析出3～20体积％的铜合金相。
10.如权利要求1所述的铁系耐磨滑动材料，其特征在于，含有0.4～5重量％的C，在所述马氏体相中分散有5～40体积％的渗碳体的基本组织中，进而分散石墨及铜合金相中的至少之一，所述渗碳体、所述石墨和所述铜合金相的总量为10～70体积％。
11.如权利要求1、2、7～10中的任何一项所述的铁系耐磨滑动材料，其特征在于，所述马氏体相的碳浓度为0.15～0.7重量％。
12.如权利要求1～11中的任何一项所述的铁系耐磨滑动材料，其特征在于，所述石墨，其平均粒径为10μm以下，在所述母相中分散3～10体积％。
13.如权利要求1、2、7～11中的任何一项所述的铁系耐磨滑动材料，其特征在于，含有总计2～7重量％的Si、Mn、Ni及Co中的一种以上，残留奥氏体相存在10～40体积％。
14.如权利要求1所述的铁系耐磨滑动材料，其特征在于，在所述母相中分散铜合金相，在所述铜合金相中含有7～15重量％的Al，所述铜合金相的组织由(α+β)相或β相构成。
15.如权利要求1所述的铁系耐磨滑动材料，其特征在于，含有2.5～25重量％的Cr、3～15重量％的Mo及3～15重量％的W中的一种以上，在前述母相中，析出分散5～75体积％的渗碳体、Cr7C3型、Fe3M3C型及MC型中的一种以上的碳化物。
16.如权利要求15所述的铁系耐磨滑动材料，其特征在于，含有1.5～10重量％的Al及2.5～14重量％的Cr，在所述母相中，析出分散40～74体积％的渗碳体。
17.如权利要求1所述的铁系耐磨滑动材料，其特征在于，含有2.5～25重量％的Cr、3～15重量％的Mo及3～15重量％的W中的一种以上，通过浸碳处理在构成滑动面的表面层部分形成所述母相，在前述母相中，析出分散5～75体积％的渗碳体、Cr7C3型、Fe3M3C型及MC型中的一种以上的碳化物。
18.如权利要求1～17中的任何一项所述的铁系耐磨滑动材料，其特征在于，含有0.05～4重量％的V、Ti、Zr、Nb及Ta中的一种以上的合金元素，分散0.1～10体积％的以所述合金元素为主体的碳化物、氮化物及碳氮化物中的一种以上。
19.一种滑动构件，由钢材或铸铁材构成，其特征在于，至少在构成滑动面的部位，作为母相具有铁素体相及马氏体相中的至少之一，在所述母相中含有1.5～20重量％的Al，在所述母相中，分散渗碳体、Cr7C3型、Fe3M3C型及MC型中的一种以上的碳化物及石墨中的至少之一。
20.如权利要求19所述的滑动材料，其特征在于，在所述母相中含有5重量％以下的Si。
21.如权利要求19所述的滑动构件，其特征在于，在所述钢材或铸铁材中，含有0.4～5重量％的C，在所述铁素体相中含有5～20重量％的Al，同时含有总计6～35重量％的Ni、Co及Mn中的一种以上，前述铁素体相的硬度被时效硬化到Hv500以上。
22.如权利要求19所述的滑动构件，其特征在于，在所述钢材或铸铁材中，含有0.4～5重量％的C，含有1.5～10重量％的Al，同时总计含有0.05～7重量％的Ni、Co、Mn、Cr及Mo中的一种以上，前述马氏体相的硬度被淬火硬化到Hv500以上。
23.如权利要求19所述的滑动构件，其特征在于，在所述母相中，所述石墨是片状、粒状及蠕虫状中的一种以上的石墨，并析出3～15体积％。
24.如权利要求19所述的滑动构件，其特征在于，在所述母相中，析出5～75体积％的所述碳化物。
25.如权利要求19所述的滑动构件，其特征在于，在所述母相中，析出3～20体积％的铜合金相。
26.如权利要求19～25中任何一项所述的滑动构件，其特征在于，所述滑动构件，是装入到建筑机械的下滚轮组件及齿轮减速装置中的浮动密封件。
27.如权利要求19～25中任何一项所述的滑动构件，其特征在于，所述滑动构件，是装入到建筑机械的作业机连结装置上的具有推压轴承功能的作业机轴承。
28.如权利要求19～25中任何一项所述的滑动构件，其特征在于，所述滑动构件，是装入到建筑机械的悬吊装置上的球面轴承。
29.如权利要求19～25中任何一项所述的滑动构件，其特征在于，所述滑动构件，是装入到支撑建筑机械的车体的平衡器机构上的球面轴承。
30.如权利要求19～25中任何一项所述的滑动构件，其特征在于，所述滑动构件，是装入到油压泵或油压电机中的油压部件。
31.如权利要求19～25中任何一项所述的滑动构件，其特征在于，所述滑动构件，是装入到发动机用阀门装置上的阀门部件。
32.如权利要求19～25中任何一项所述的滑动构件，其特征在于，所述滑动构件，是装入到岩石破碎楔装置上的楔铁或楔形导槽。
全文摘要
本发明提供一种能够改进耐烧熔、耐磨损性及耐热裂性的铁系耐磨滑动材料及滑动构件，是一种以铁素体相及马氏体相中的至少之一作为母相的铁系耐磨滑动材料，其特征在于，在所述母相中含有1.5～20重量％的Al，在所述母相中，分散渗碳体、Cr
文档编号C22C38/00GK1680612SQ20051005628
公开日2005年10月12日 申请日期2005年4月4日 优先权日2004年4月5日
发明者高山武盛 申请人:株式会社小松制作所