(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パーライト及びフェライトの少なくとも一方からなる基地に黒鉛が分散した組織を有する球状黒鉛鋳鉄又はねずみ鋳鉄基材と、当該鋳鉄基材の浸ホウ素処理により形成されたＦｅ−Ｂ層中に黒鉛が分散した浸ホウ素処理層とを有し、前記浸ホウ素処理層のしゅう動面からの最大深さが１０〜２００μｍであるとともに、グリース潤滑下で使用されることを特徴とするしゅう動材。
【請求項２】
少なくともしゅう動面の全面に前記浸ホウ素処理層が表面に形成されていることを特徴とする請求項１記載のしゅう動材。
【請求項３】
前記球状黒鉛鋳鉄の黒鉛の平均粒径が１０μｍ以上であることを特徴とする請求項1又は２記載のしゅう動材。
【請求項４】
前記ねずみ鋳鉄がＦＣ３５０である請求項１又は２記載のしゅう動材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、しゅう動材に関するものであり、特に、強度としゅう動特性を兼備した、浸ホウ素処理層を施した鋳鉄系しゅう動材に関するものである。より詳しく述べるならば、本発明は、建設、土木、鉱山などで使用される機械のエンジン駆動部、トランスミッション、ショベル、クラッシャー、粉砕ミルなどの各種機器において軸受として使用されるブシュに関する。かかるブシュのしゅう動状況は、受ける荷重が大きい；過酷な環境で使用される；長い時間、例えば1年連続運転されることもある；鉱山などでは給油を頻繁に行うことができないなどである。これらの状況に適用するために、かかるブシュは密封グリース潤滑下で使用されることが多い。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１（特許第２６６１６５０号明細書）、特許文献２（特許２９１２４５８号明細書）、特許文献３（特開平２−３４７６９号公報）、及び特許文献４（特開２０００−１１９８３９号公報）は、鉄鋼表面を浸ホウ素処理するものであり、浸ホウ素処理されたしゅう動面は全面的にFe-B化合物となっている。このため油、グリースなど潤滑剤が十分にしゅう動部に供給されている場合は問題無いが、潤滑剤切れが生じた場合、しゅう動材表面には潤滑成分が無いため、摩耗や焼付きなどの損傷が生じる。
【０００３】
非特許文献１：トライボロジストVol.49/No.7/2004「鉄鋼材料の使い方」第５４１〜５４６頁はトライボロジ材料としての鋳鉄を、熱伝導性が優れた片状黒鉛を有するねずみ鋳鉄（ＦC）,保油性に優れた球状黒鉛鋳鉄（ＦＣD），黒鉛形状が片状と球状の中間の芋虫状であるＣＶ鋳鉄に分類している。
【０００４】
鋳鉄は自己潤滑性を有する黒鉛が分散している点では優れているが、硬さが低いために耐摩耗性が劣る傾向にある。そこで、特許文献５（特許第３２９７１５０号明細書）は「質量％で、Ｃ：２．５〜３．６％、Ｓｉ：１．４〜２．６％、Ｍｎ：０．５〜１．０％、Ｐ：０．１〜０．４％、Ｓ：０．１２％以下、Ｃｒ：０．１〜０．４％、Ｂ：０．０３〜０．１２％、Ｃｕ：０．２〜２．０％、Ｃｏ：１．０〜１０％を含み、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる化学組成を有し、かつパーライトからなるマトリックス中に、ステダイト及びボロン化合物からなる硬質相と片状黒鉛とが分散した組織からなることを特徴とする優れた耐食性及び耐摩耗性を有する鋳鉄」（請求項１）を提案する。特許文献５の鋳鉄は、しゅう動面に、硬質Fe-B相と黒鉛相がパーライトマトリクス中に混在した状態であるため、潤滑剤が十分に供給されている場合や、潤滑剤切れが生じた場合ともに、それなりに性能を発揮する。しかし、パーライトマトリクスが主要組織である鋳鉄は硬さが低いために、耐焼付性や耐摩耗性とも不十分である。
【０００５】
特許文献４は、炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼、鋳鋼及び鋳鉄を被処理材料として挙げ、これらの材料を浸ホウ素処理することにより硼化鉄が形成されると説明している。
【０００６】
特許文献６（特開平１−２１９１５３号公報）は鋳鉄表面にホウ素の拡散浸透層を有し、その内側に鋳鉄内部Ｓｉ含有量が高い高Ｓｉ層を有する耐酸化耐熱鋳鉄機械部品を開示している。この特許文献６からは、硬質なホウ化物により耐摩耗性が向上することは期待さできるが、潤滑性については明らかではない。
【０００７】
なお、鋳鉄表面を窒化すると耐摩耗性が付与されるが、窒化層は厚さを厚くできないために、上記した建設機械などのブシュとしては性能が不足する。
【０００８】
グリース潤滑については、非特許文献２（トライボロジスト、Vol.50/No.4/2005「グリース」、第307−318頁）、非特許文献３（「図解トライボロジー」、日刊工業新聞社、２００７年1月25日発行、初版１刷、第１３３〜１３７頁）に解説されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第２６６１６５０号明細書
【特許文献２】特許２９１２４５８号明細書
【特許文献３】特開平２−３４７６９号公報
【特許文献４】特開２０００−１１９８３９号公報
【特許文献５】特許３２９７１５０号明細書
【特許文献６】特開平１−２１９１５３号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】トライボロジストVol.49/No.7/2004「鉄鋼材料の使い方」第５４１〜５４６頁
【非特許文献２】トライボロジスト、Vol.50/No.4/2005「グリース」、第307−318頁
【非特許文献３】「図解トライボロジー」、日刊工業新聞社、２００７年1月25日発行、初版１刷、第１３３〜１３７頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
鋳鉄のしゅう動特性を改良する従来技術を分類すると次のとおりである。
（１）浸ホウ素処理鋳鉄（特許文献４）−しゅう動面が全面的にホウ化物に転換されるために、黒鉛がもっている潤滑性が発揮されない。
（２）Fe-B相分散鋳鉄（特許文献５）−鋳鉄のマトリクスがパーライトであるために、耐摩耗性及び耐焼きつき性が優れない。
（３）ホウ素拡散鋳鉄（特許文献６）−潤滑性についは明らかでない。
このように従来の浸ホウ素処理もしくはホウ素添加鋳鉄は耐摩耗性、潤滑性及び強度を兼備することができなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、パーライト及びフェライトの少なくとも一方からなる基地に黒鉛が分散した組織を有する球状黒鉛鋳鉄又はねずみ鋳鉄基材と、当該鋳鉄基材の浸ホウ素処理により形成されたＦｅ−Ｂ層中に黒鉛が分散した浸ホウ素処理層とを有し、前記浸ホウ素処理層のしゅう動面からの最大深さが１０〜２００μｍであるとともにグリース潤滑下で使用されることを特徴とするしゅう動材を提供する。以下、本発明を詳しく説明する。
【００１３】
本発明における基材となる鋳鉄はねずみ鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄などであり、特に球状黒鉛鋳鉄が好ましい。ねずみ鋳鉄はＪＩＳ  Ｇ  ５５０１に規定され、また球状黒鉛鋳鉄はＪＩＳ  Ｇ  ５５０２に規定される。
球状黒鉛鋳鉄に浸ホウ素処理を施すと、図１の模式図に示すようにFe-B化合物層に球状黒鉛粒子が分散した状態となることが分かった。図１において、１は球状黒鉛鋳鉄基材、２は球状黒鉛、２‘はフェライト、３はＦｅ−Ｂ層、４はしゅう動面、５は浸ホウ素処理層である。球状黒鉛鋳鉄基材１は、パーライト又はフェライトあるいはこれらの両方からなる基地中に球状黒鉛２が分散している。また、ステダイトなどが存在することもある。球状黒鉛鋳鉄は、特許文献２が提案するソルバイト組織をもつ鉄鋼材料ほどは高強度ではないが、鋳鉄の中で高強度を有している。
【００１４】
図１は球状黒鉛鋳鉄基材１の表面部では鋳鉄の基本成分であるＦｅ−Ｃ−ＳｉのうちＦｅ及びＦｅの炭化物はホウ素の拡散に伴ってＦｅＢ，Ｆｅ２ＢなどのＦｅ−Ｂ化合物に転換されている。即ち、基材内部では黒鉛粒子の周りをフェライトが取囲んでいるが、表面部ではフェライトはホウ化物に転換され、黒鉛は残されている。意外にも、ねずみ鋳鉄や球状黒鉛鋳鉄などのように黒鉛が有る程度の大きさ、特に、好ましくは平均粒径で１０μｍ以上の粒径を有している場合は、黒鉛は残存し、潤滑成分として利用できることを見出した。但し、ホウ化剤中のB成分を少なくし、ホウ素の浸透を意図的に遅くして長時間すると、微細黒鉛は浸ホウ素処理層中に残存しなくなる。
鋳鉄の基本成分の一つであるＳｉはＦｅがホウ化鉄に転換される過程で存在する未転換Ｆｅ結晶中に押出され、Ｆｅ−Ｂ層３中で濃化する。さらにＳｉは球状黒鉛鋳鉄基材１の表面に拡散することもある。
【００１５】
浸ホウ素処理層５は、しゅう動面４から基材中心側に向かってホウ素の拡散先端３ａまで測定し、平均で１０μｍ以上存在している。即ち、ホウ素の拡散先端３ａの鋸刃状最大深さを測定し、浸ホウ素処理層５の厚さが１０μｍ未満であると、浸ホウ素処理層が薄いために、摩耗が進むと基材が露出するので耐焼付性が劣る。また浸ホウ素処理層５は、しゅう動面４から基材中心側に向かって、平均で２００μｍ以下存在している。この最大深さが２００μｍを超えると、クラックが浸ホウ素処理層５内を伝播し易く、欠けや剥離が生じて基材が露出するために、耐摩耗性や耐焼付性が劣る。
【００１６】
浸ホウ素処理法は、ホウ砂（Ｎａ2Ｂ4Ｏ7)に炭化珪素又は炭化ホウ素などを１０〜４０重量％加えて所定温度に加熱された溶融塩浴に数時間浸漬する液体法、ホウ砂、ホウ砂と炭化珪素、ホウ砂と塩化ナトリウムなどを混合して所定の溶融温度に加熱された溶融塩浴中で母材を陰極として数時間電解を行う電解法、あるいは炭化ホウ素および炭素に炭化珪素、四フッ化ホウ素カリウムなどを添加した混合粉のなかに母材を埋めて加熱する固体法などが採用される。なかでも固体法が好ましい。固体法によれば他の方法に比べて容易に深さが最大で２００μｍに達する厚い浸ホウ素処理層が得られる。
【００１７】
ねずみ鋳鉄は各種鋳鉄を使用することができるが、強度がすぐれたＦＣ２５０，３００、３５０、特にＦＣ３５０を使用することが好ましい。ねずみ鋳鉄の場合もＦｅ−Ｂ層３中に片状黒鉛が残存する点で図1と同じである。
球状黒鉛鋳鉄は主要基地組織がフェライトであるFCD４００、フェライト＋パーライトであるFCD５００、６００又はパーライトであるFCD７００−２を使用することができる。鋳鉄の化学組成は特に限定されないが、強度の面からは基地組織は完全パーライトもしくはパーライト量が多い方が好ましい。
【００１８】
ブシュを鋳造する場合は、中子を使用した通常の砂型鋳造を行い、型ばらし後、鋳造品のしゅう動面となる表面を切削、研摩することにより鋳肌を除き、その後、浸ホウ素処理を行う。この場合しゅう動面となるブシュ内面全面に浸ホウ素処理層を形成し、ブシュの外面は適当なマスク材を使用して浸ホウ素処理層を形成しないことが好ましい。浸ホウ素処理後の冷却は鋳鉄マトリクスのパーライト量を多くするためにできるだけ徐冷することが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
図１に示されるように、本発明のしゅう動材は、しゅう動面４において、Hv１２００〜１８５０の硬さを有する硬質Ｆｅ−Ｂ化合物が耐摩耗性に寄与し、分散した黒鉛が潤滑性に寄与する。黒鉛は片状黒鉛でも潤滑性を有するが、球状黒鉛２はＦｅ−Ｂ層３に深く突入しているために、しゅう動相手材による脱落が起こり難く安定して潤滑性と保油性を発揮する。
また基材となる鋳鉄は特殊鋼や高炭素材料などの鉄鋼材料よりは強度は低いが、軟鋼と同等以上の十分な強度を有しており、しかも潤滑成分となる黒鉛を供給するという鉄鋼材料では見られない特長を有している。
本発明のしゅう動材は、グリース潤滑でしかも油切れが起こり易い条件で使用される用途に特に適している。
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
表１に示すＪＩＳ規格の鋼材もしくは鋳造材の市販品の板を購入した。但し、比較例の９はＦＣ３５０鋳鉄にホウ素を添加した市販品の板である。これらの鋳造板を固体法による浸ホウ素処理を行った。ホウ化処理剤は炭化ホウ素３〜２０重量部、炭素１０〜３０重量部、炭化珪素５０〜７０重量部、四フッ化ホウ素カリウム０.５〜７重量部−但し、成分合計量は１００重量部を超えない−からなり、これらの混合粉末中に試料を埋込み、９００℃で１時間加熱後炉冷した。この結果平均厚さが６０μｍの浸ホウ素処理層が形成された。
【００２１】
供試材につき次の条件でまた図２に示すように摩耗試験を行なった。
摩耗試験条件
試験機：往復しゅう動試験機
荷重：200kgf
ストローク：20mm
周波数：5Hz
試験時間：10時間
温度：室温
相手材２１−ＳＵＪ２焼入れ半球
試料２２−平板
潤滑：グリース（リチウム石けん）
塗布量：  0.03g
【００２２】
さらに、次の条件で、図３に示すように耐焼付性試験を行なった。
摩耗試験条件
試験機：リングオンプレート試験機
荷重：荷重漸増    15MPa/10min
回転数：1000rpm
温度：室温〜成り行き
相手材２１−ＳＵＪ２焼入れリング
試料２２−平板
潤滑：グリース（リチウム石けん）
塗布量:0.1g
試験の結果を表１に示す。
【００２３】
【表１】
0005757832.tif 000002
【００２４】
表１の実施例１の顕微鏡組織写真を図４に示す。球状黒鉛粒子の大きさは、浸ホウ素処理層中でも、球状黒鉛鋳鉄基材中でも変わりはない。さらに浸ホウ素処理層中では、球状黒鉛とその周囲のＦｅ−Ｂ化合物の境界は鮮明であるので、球状黒鉛はホウ素とまったく反応していないことが分かる。
表１に示された比較例Ｎｏ．４，５の高周波焼入れ材は耐摩耗性がすぐれているが、耐焼付性は不良である。鉄鋼材料の浸ホウ素処理材（比較例Ｎｏ．６）は、高強度材であり、かつ耐摩耗性が優れているが、潤滑成分である黒鉛が存在しないために、耐焼付性が不良である。無処理球状黒鉛鋳鉄及び化成処理球状黒鉛鋳鉄は耐摩耗性と耐焼付性の両方が不良である（比較例No.７，８，９）。これに対して本発明実施例は耐摩耗性と耐焼付性の両方がすぐれている。比較例のＮｏ．１０，１１は球状黒鉛鋳鉄を浸ホウ素処理をしているが、浸ホウ素処理層の厚さが十分でないために、耐焼付性が不良であり、また厚さが大の比較例Ｎｏ．１１では耐摩耗性が著しく不良である。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
以上説明したように、本発明のしゅう動材は建設、土木、鉱山などで使用されるブシュに適している。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明のしゅう動材を示す模式図である。
【図２】耐摩耗性試験法の説明図である。
【図３】耐焼付き試験法の説明図である。
【図４】実施例１の顕微鏡写真（倍率×２００）である。
【符号の説明】
【００２７】
１−球状黒鉛鋳鉄基材
２−球状黒鉛
３−Fe-B層
４−しゅう動面
【図１】
0005757832.tif 000003
【図２】
0005757832.tif 000004
【図３】
0005757832.tif 000005
【図４】
0005757832.tif 000006