(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シール摺動面を備えたフローティングシールのシールリングであって、
前記シールリングは、２〜５重量％の炭素、０．５〜６重量％のＳｉ、０．１〜５重量％のＭｎ、１〜７重量％のＮｉおよび０．３〜５重量％のＣｒを含有し、下記（ａ）〜（ｆ）の群から選択された一以上を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる鋳鉄材を用いて形成され、
前記シール摺動面に形成され、０．１５〜０．６重量％の炭素が固溶されたマルテンサイト母相と、
前記マルテンサイト母相中に分散された５〜７０体積％のセメンタイトおよび０．１〜１０体積％のＭＣ型炭化物の少なくも一方の第１分散物と、
前記マルテンサイト母相中に分散された１〜１５体積％の黒鉛および１〜２０体積％のＣｕ合金相の少なくとも一方の第２分散物と、
を具備し、
前記第１分散物と前記第２分散物との総量が５〜７０体積％であることを特徴とするフローティングシールのシールリング。
（ａ）０．５〜６重量％のＡｌ
（ｂ）１〜１０重量％のＣｕ
（ｃ）２〜１５重量％のＣｏ
（ｄ）合計で０．５〜２重量％のＭｏおよびＷの少なくとも一方
（ｅ）合計で１〜５重量％のＶ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔａからなる群から選択された一種以上
（ｆ）０．０１〜１．５重量％のＰ
【請求項２】
請求項１において、前記鋳鉄材にはＳｉが１．８〜６重量％含有され、前記マルテンサイト母相中のＳｉ濃度が３〜６．５重量％であることを特徴とするフローティングシールのシールリング。
【請求項３】
請求項１において、前記鋳鉄材にはＳｉが１〜３重量％含有されるとともにＭｏおよびＷが合計で０．５〜２重量％含有され、前記マルテンサイト母相中のＳｉ濃度が２〜４重量％であるとともにＭｏおよびＷの合計濃度が０．５〜１重量％であることを特徴とするフローティングシールのシールリング。
【請求項４】
請求項１において、前記鋳鉄材には０．５〜１．５重量％のＳｉおよび０．９〜５重量％のＣｒが含有され、前記マルテンサイト母相中のＳｉおよびＣｒの合計濃度が２〜４重量％であり、前記セメンタイト中のＣｒ濃度が２．５〜１５重量％であることを特徴とするフローティングシールのシールリング。
【請求項５】
請求項１において、前記マルテンサイト母相中のセメンタイトの分散量が１５〜５０体積％であり、前記マルテンサイト母相中に平均粒径が１５μｍ以下の粒状黒鉛が１〜１０体積％分散されていることを特徴とするフローティングシールのシールリング。
【請求項６】
請求項１において、前記マルテンサイト母相中のセメンタイトの分散量が１５〜５０体積％であり、前記マルテンサイト母相中のＣｕ合金相の分散量が１〜１０体積％であることを特徴とするフローティングシールのシールリング。
【請求項７】
請求項１において、前記マルテンサイト母相中のＭＣ型炭化物の分散量が２〜１０体積％であり、前記マルテンサイト母相中の黒鉛の分散量が１〜１０体積％であることを特徴とするフローティングシールのシールリング。
【請求項８】
請求項１において、前記鋳鉄材にＭｎが０．７〜５重量％含有され、前記マルテンサイト母相中のＭｎ濃度が２〜４重量％であり、下記式で与えられるＭｓ温度が９５〜２６０℃に調整され、前記マルテンサイト母相中に残留オーステナイトが１０〜５０体積％残留されることを特徴とするフローティングシールのシールリング。
Ｍｓ＝９９３−５１４×（Ｃ重量％）１／２−２０×Ｓｉ重量％＋２３×Ａｌ重量％−４６×Ｍｎ重量％−３０×Ｃｒ重量％−２１×Ｎｉ重量％−９×Ｃｕ重量％−２０×Ｍｏ重量％
但し、前記Ｃ重量％は前記マルテンサイト母相中のＣ含有量であり、前記Ｓｉ重量％は前記マルテンサイト母相中のＳｉ含有量であり、前記Ａｌ重量％は前記マルテンサイト母相中のＡｌ含有量であり、前記Ｍｎ重量％は前記マルテンサイト母相中のＭｎ含有量であり、前記Ｃｒ重量％は前記マルテンサイト母相中のＣｒ含有量であり、前記Ｎｉ重量％は前記マルテンサイト母相中のＮｉ含有量であり、前記Ｃｕ重量％は前記マルテンサイト母相中のＣｕ含有量であり、前記Ｍｏ重量％は前記マルテンサイト母相中のＭｏ含有量である。
【請求項９】
請求項１において、前記鋳鉄材には、１〜２．５重量％のＮｉおよび１〜１０重量％のＣｕの少なくとも一方が含有され、前記マルテンサイト母相中のＭｎとＮｉと０．５×Ｃｕとの合計濃度が２〜７重量％であり、下記式で与えられるＭｓ温度が９５〜２６０℃に調整され、前記マルテンサイト母相中に残留オーステナイトが１０〜５０体積％残留されることを特徴とするフローティングシールのシールリング。
Ｍｓ＝９９３−５１４×（Ｃ重量％）１／２−２０×Ｓｉ重量％＋２３×Ａｌ重量％−４６×Ｍｎ重量％−３０×Ｃｒ重量％−２１×Ｎｉ重量％−９×Ｃｕ重量％−２０×Ｍｏ重量％
但し、前記Ｃ重量％は前記マルテンサイト母相中のＣ含有量であり、前記Ｓｉ重量％は前記マルテンサイト母相中のＳｉ含有量であり、前記Ａｌ重量％は前記マルテンサイト母相中のＡｌ含有量であり、前記Ｍｎ重量％は前記マルテンサイト母相中のＭｎ含有量であり、前記Ｃｒ重量％は前記マルテンサイト母相中のＣｒ含有量であり、前記Ｎｉ重量％は前記マルテンサイト母相中のＮｉ含有量であり、前記Ｃｕ重量％は前記マルテンサイト母相中のＣｕ含有量であり、前記Ｍｏ重量％は前記マルテンサイト母相中のＭｏ含有量である。
【請求項１０】
請求項１において、前記鋳鉄材にはＡｌが０．５〜６重量％含有され、前記マルテンサイト母相中のＡｌ濃度が１〜１２重量％であることを特徴とするフローティングシールのシールリング。
【請求項１１】
請求項１において、前記鋳鉄材には２〜１５重量％のＣｏと１〜６重量％のＡｌが含有されていることを特徴とするフローティングシールのシールリング。
【請求項１２】
請求項１において、前記鋳鉄材には、Ｖ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔａからなる群から選択された一種以上の合金元素が１〜５重量％含有されるとともに、前記マルテンサイト母相中には前記合金元素が主体となるＭＣ型炭化物、窒化物および炭窒化物の少なくとも一種が２〜１０体積％分散されていることを特徴とするフローティングシールのシールリング。
【請求項１３】
請求項１において、前記マルテンサイト母相中には、Ｆｅ、Ｖ、Ｔｉのうち一種以上の合金元素が主体となる燐化物およびＭｎ、Ｔｉのうち一種以上の合金元素が主体となる硫化物の少なくとも一方が総量で０．２〜５体積％分散されていることを特徴とするフローティングシールのシールリング。
【請求項１４】
請求項１において、前記シールリングが前記鋳鉄材を用いた鋳造によって形成されることを特徴とするフローティングシールのシールリング。
【請求項１５】
シール摺動面を備えたフローティングシールのシールリングの製造方法であって、
２〜５重量％の炭素、０．５〜６重量％のＳｉ、０．１〜５重量％のＭｎ、１〜７重量％のＮｉおよび０．３〜５重量％のＣｒを含有し、下記（ａ）〜（ｆ）の群から選択された一以上を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる鋳鉄素材を鋳造する工程を具備し、
前記シールリングは、０．１５〜０．６重量％の炭素が固溶されたマルテンサイト母相と、
前記マルテンサイト母相中に分散された５〜７０体積％のセメンタイトおよび０．１〜１０体積％のＭＣ型炭化物の少なくも一方の第１分散物と、
前記マルテンサイト母相中に分散された１〜１５体積％の黒鉛および１〜２０体積％のＣｕ合金相の少なくとも一方の第２分散物と、を有し、
前記第１分散物と前記第２分散物との総量が５〜７０体積％であることを特徴とするフローティングシールのシールリングの製造方法。
（ａ）０．５〜６重量％のＡｌ
（ｂ）１〜１０重量％のＣｕ
（ｃ）２〜１５重量％のＣｏ
（ｄ）合計で０．５〜２重量％のＭｏおよびＷの少なくとも一方
（ｅ）合計で１〜５重量％のＶ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔａからなる群から選択された一種以上
（ｆ）０．０１〜１．５重量％のＰ
【請求項１６】
請求項１５において、前記鋳造する工程は、前記鋳鉄素材を、鋳鉄材母相のＭｓ温度以上に加温された金型を用いた遠心鋳造法により鋳造し、前記金型から離型後に焼入れ処理を行う工程であることを特徴とするフローティングシールのシールリングの製造方法。
【請求項１７】
請求項１５において、前記鋳造する工程の後に、鋳鉄材のＡ１温度以上に再加熱し、黒鉛化処理を実施後に焼入れ処理を行う工程をさらに具備することを特徴とするフローティングシールのシールリングの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建設機械用転輪、アイドラー、減速装置などのフローティングシール部材等に適用して好適なＦｅ系シール摺動部材及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
建設機械の下転輪ローラアッセンブリや歯車減速装置に組み込まれるＦｅ系フローティングシールは、その内部の潤滑油の漏れを防止するとともに内部への土砂の侵入を防止するものである。このため、そのシール摺動面を焼入れ処理によって高硬度なマルテンサイト組織としたり、硬質なセメンタイト、Ｃｒ７Ｃ３炭化物を３０体積％ほどに多量に晶出させるとともに焼入れ処理によって母相をマルテンサイト組織とすることによって、その耐焼付き性や耐摩耗性を改善したＦｅ系フローティングシールが多く製造されている。例えば、ニハード（Ｎｉ−Ｈａｒｄ）鋳鉄（標準組成は、Ｃ：２．７〜３．５重量％、Ｓｉ：０．４〜１．０重量％、Ｍｎ：０．４〜０．６重量％、Ｎｉ：４．２〜４．７重量％、Ｃｒ：１．４〜２．５重量％）、高炭素高Ｃｒ鋳鉄（例えば、Ｃ：３．３〜３．６重量％、Ｃｒ：１５〜１７重量％、Ｍｏ：２．５〜３．５重量％、Ｖ：０．２〜０．５重量％）を用いたＦｅ系フローティングシールがその例である（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
さらに、目的に応じては、上記摺動面にＷＣと自溶性合金からなる肉盛用耐摩耗性材料を溶射したフローティングシールが使用されている。
【特許文献１】特開昭５１−５９００７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記減速装置や転輪装置中の潤滑油を密封するフローティングシールは、その機構において、土砂中の籾摺り運動によって微細な土砂粒子がシール面に進入しながら摩耗が進行するものであるとともに、密封する潤滑油によってそのシール面が潤滑されているものである。このため、耐摩耗性と耐焼付き性に優れたものが要求され、最も汎用的に利用される高硬度な高炭素高Ｃｒ鋳鉄製のフローティングシールにおいても、それらを組み込む際のセット圧（押し付け力）が高くなるとその摺動面において顕著な焼割れ（ヒートクラック）、焼付き、異常摩耗を発生し、油漏れを引き起こす問題がある。
【０００５】
また、上記耐焼付き性と耐摩耗性を向上させる材料として冷間工具鋼や高速度鋼（ＳＫＨ材料）等の各種工具鋼を適用した場合においても、耐焼付き性不足によるかじりが発生しやすく、その結果として摩擦熱によるヒートクラック、耐摩耗性が十分でない問題がある。また、前記各種工具鋼は極めて高価な鋼材であるために、製品形状に仕上げるまでの材料歩留まりを考慮した時の材料費が高価になる問題がある。
【０００６】
さらに、近年のブルドーザ等の建設機械においては、より高速走行による作業効率の向上が要望され、フローティングシールの高速回転化によっても同様の焼割れ、焼付き、異常摩耗を発生し、油漏れを引き起こす問題がある。
【０００７】
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、耐ヒートクラック性、耐焼付き性及び耐摩耗性に優れたＦｅ系シール摺動部材およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明に係るＦｅ系シール摺動部材は、シール摺動面を備えたＦｅ系シール摺動部材において、
前記シール摺動面に形成され、０．１５〜０．６重量％の炭素が固溶されたマルテンサイト母相と、
前記マルテンサイト母相中に分散された５〜７０体積％のセメンタイトおよび０．１〜１０体積％のＭＣ型炭化物の少なくも一方の第１分散物と、
前記マルテンサイト母相中に分散された１〜１５体積％の黒鉛および１〜２０体積％のＣｕ合金相の少なくとも一方の第２分散物と、
を具備し、
前記第１分散物と前記第２分散物との総量が５〜７０体積％であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係るＦｅ系シール摺動部材において、前記シール摺動面を構成する部位は、２〜５重量％の炭素、０．５〜６重量％のＳｉおよび０．３〜５重量％のＣｒを含有し、Ａｌ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｐ，Ｂ，Ｃａ，Ｓの群から選択された一種以上を含有する鋳鉄材を用いて形成されていることが好ましい。
【００１０】
また、本発明に係るＦｅ系シール摺動部材において、前記Ｆｅ系シール摺動部材が前記鋳鉄材を用いた鋳造によって形成されることも可能である。
また、前記Ｆｅ系シール摺動部材は、前記鋳鉄材を用いた鋳造によって形成されたフローティングシール部材であっても良い。
【００１１】
本発明に係るＦｅ系シール摺動部材の製造方法は、２〜５重量％の炭素、０．５〜６重量％のＳｉおよび０．３〜５重量％のＣｒを含有し、Ａｌ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｐ，Ｂ，Ｃａ，Ｓの群から選択された一種以上を含有する鋳鉄素材を鋳造する工程を具備するＦｅ系シール摺動部材の製造方法であって、
前記Ｆｅ系シール摺動部材は、０．１５〜０．６重量％の炭素が固溶されたマルテンサイト母相と、
前記マルテンサイト母相中に分散された５〜７０体積％のセメンタイトおよび０．１〜１０体積％のＭＣ型炭化物の少なくも一方の第１分散物と、
前記マルテンサイト母相中に分散された１〜１５体積％の黒鉛および１〜２０体積％のＣｕ合金相の少なくとも一方の第２分散物と、を有し、
前記第１分散物と前記第２分散物との総量が５〜７０体積％であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように本発明によれば、耐ヒートクラック性、耐焼付き性及び耐摩耗性に優れたＦｅ系シール摺動部材およびその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施の形態は、次のような性能を有する鋳鉄系摺動材料に関するものであり、この鋳鉄系摺動材料は例えばフローティングシールに用いられる。
（１）マルテンサイト母相中に、相手摺動材料に対するアタック性が少なく、かつ高靭性で硬質なセメンタイトを５〜７０体積％分散させることにより、耐凝着性と耐摩耗性を改善する。
（２）耐凝着性とシール摺動面における潤滑油供給性（オイルポケットの形成）に優れた黒鉛およびＣｕ合金相の少なくとも一方を１〜２０体積％分散、析出させることによって、上記シール摺動面における潤滑性改善による耐焼付き性の向上を図る。
（３）マルテンサイト母相の耐ヒートクラック性を改善するために、前記マルテンサイト母相中の炭素濃度を０．１５〜０．６重量％に抑制する。
（４）マルテンサイトの焼戻し軟化抵抗性を高めるためや馴染み性を改善する残留オーステナイト量を調整するために、Ｓｉ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗの合金元素を適正に添加する。
（５）Ｖ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔａ等のＭＣ型炭化物を分散させて耐凝着性と耐摩耗性を改善する。
【００１４】
本実施の形態によるＦｅ系シール摺動部材の一例であるフローティングシールは、その使用環境で重要な耐ヒートクラック性、耐焼付き性と耐摩耗性を改善することが要求される。そこで、本実施の形態によるフローティングシールはＦｅ系シール摺動材料によって形成されており、このＦｅ系シール摺動材料は、マルテンサイト母相中に０．１５〜０．６重量％の炭素を固溶させることにより耐ヒートクラック性を改善し、前記マルテンサイト母相中に５〜７０体積％のセメンタイトおよび０．１〜１０体積％のＭＣ型炭化物の少なくとも一方を分散させることにより耐焼付き性と耐摩耗性を改善し、さらに、前記マルテンサイト母相中に１〜１５体積％の黒鉛および１〜２０体積％のＣｕ合金相の少なくとも一方を分散させることにより耐焼付き性を改善したものであり、前記マルテンサイト母相中に分散される前記セメンタイトおよび前記ＭＣ型炭化物の少なくとも一方と前記黒鉛および前記Ｃｕ合金相の少なくとも一方の総量が５〜７０体積％である。
【００１５】
また、前記Ｆｅ系摺動材料は、少なくとも２〜５重量％の炭素、０．５〜６重量％のＳｉおよび０．３〜５重量％のＣｒを含有し、さらに、Ａｌ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｐ，Ｂ，Ｃａ，Ｓからなる群から選択された一種以上を含有する鋳鉄材が用いられる。
【００１６】
本実施の形態においては、上述したようにフローティングシールの摺動面における耐ヒートクラック性を改善するために、そのマルテンサイト母相中に固溶させる炭素濃度を０．１５〜０．６重量％の範囲に調整した理由は次の通りである。前述の高炭素高Ｃｒ鋳鉄等のフローティングシールのマルテンサイト相中の炭素濃度が約０．８重量％と推定されることから、マルテンサイト相中に固溶される炭素の上限濃度は０．７重量％が好ましいと考えられ、さらに、耐ヒートクラック性が要求される熱間工具鋼（ＳＫＤ６，ＳＫＤ７，ＳＫＤ６１，ＳＫＤ６２，ＳＫＤ８，３Ｎｉ−３Ｍｏ鋼）等の含有炭素濃度を参考にすると、マルテンサイト相中に固溶される炭素の上限濃度は０．６重量％がより好ましく、下限濃度は０．１５重量％とすることが好ましい。
【００１７】
さらに、耐土砂摩耗性を考慮した場合においては、そのマルテンサイト母相の硬さがＨｖ５００以上であることが好ましく、より安定した耐ヒートクラック性を確保させるためには、マルテンサイト母相中に固溶される炭素の濃度が０．１５〜０．５重量％に調整されることがより好ましい。
【００１８】
なお、焼入れ硬化させたマルテンサイト母相中に固溶される炭素の濃度を上記の範囲に調整する方法について説明する。鋳鉄材のマトリックスを安定したパーライト組織とするためには０．３重量％以上のＣｒが含有されることが好ましい。（方法１）パーライト組織となる鋳鉄材を鋳造時に焼入れる場合には、Ｆｅ−Ｃ系のパーライト組織の共析炭素濃度が約０．８重量％であって、さらに、オーステナイト相中の炭素活量を顕著に高めるＳｉの添加によって、約０．１重量％Ｃ／重量％Ｓｉの割合で上記共析炭素濃度を低減できることを利用して、オーステナイト相（焼入れ後にはマルテンサイト相）中のＳｉ濃度が２重量％以上になるように調整することを基本とするが、そのＳｉ濃度を３重量％以上に調整することがより好ましい。
【００１９】
なお、Ｓｉが黒鉛、セメンタイトおよびＭＣ型炭化物にほとんど固溶せず、マルテンサイト相中にほぼ全てのＳｉが濃縮される。このことから、マルテンサイト相中のＳｉ濃度の制御は、例えば、セメンタイトが４０体積％分散される鋳鉄材における３重量％のＳｉが含有されるマルテンサイト母相を得るためには、鋳鉄材に１．８重量％のＳｉを添加すればよいことがわかる。また、後述する（セメンタイト＋黒鉛）量の好ましい下限値１６体積％では、前記マルテンサイト母相中に固溶される炭素の濃度範囲を０．１５〜０．６重量％に調整するために、１．５〜６重量％のＳｉを鋳鉄材に添加すればよいことがわかる。また、共析炭素濃度を低減する元素としては、ＣｒもＳｉとほぼ同じ作用を示すので、マルテンサイト母相中の（Ｓｉ重量％＋Ｃｒ重量％）が２重量％以上を基本とし、３〜６．５重量％に調整することがより好ましい。したがって、本実施の形態では、少なくとも鋳鉄材に１．８〜６重量％のＳｉを含有し、マルテンサイト母相中のＳｉ濃度が３〜６．５重量％に調整されていることが好ましい。前記鋳鉄系のＳｉ含有量の上限値を６重量％としたのは靭性を確保するためである。
【００２０】
さらに、前記マルテンサイト母相中に固溶される炭素の濃度を調整する他の方法について説明する。
（方法２）例えば、黒鉛とフェライト相が析出する鋳鉄材であっても、Ａ１温度以上に適正に加熱して、黒鉛からオーステナイト中に炭素を拡散固溶させ、フェライト相を消失させる熱処理後に直接焼入れる方法も好ましい。
（方法３）上記（方法２）の熱処理後に一旦冷却し、母相をパーライト組織もしくは粒状セメンタイトが分散した組織に調整した鋳鉄材を焼入れ処理する方法も好ましい。
【００２１】
また、その焼入れ処理が、摺動面に限定して、１５０℃／ｓｅｃ以上の加熱速度で高周波焼入れすることによってパーライト状の板状セメンタイトや粒状セメンタイトを未固溶な状態でマルテンサイト母相中に残留させることも好ましい方法である。この場合のマルテンサイト相中に固溶される炭素の濃度は、セメンタイト中のＣｒ濃度によって制御され、セメンタイト中のＣｒ濃度を４〜１５重量％に調整することによってマルテンサイト母相中に固溶される炭素の濃度をほぼ０．１５〜０．６重量％に調整できることがわかる。また、この炭素濃度がオーステナイト中のＳｉ濃度によって、０．１重量％Ｃ／重量％Ｓｉの割合で減ぜられ、例えば、４重量％Ｓｉを含有する場合においては、セメンタイト中のＣｒ濃度が２．５重量％であってもよいことから、セメンタイト中のＣｒ濃度範囲としては２．５〜１５重量％が好ましい。したがって、本実施の形態では、少なくとも鋳鉄材に０．５〜１．５重量％のＳｉ、０．９〜５重量％のＣｒを含有し、マルテンサイト母相中の（Ｓｉ＋Ｃｒ）濃度を２〜４重量％、セメンタイト中のＣｒ濃度を２．５〜１５重量％に調整することが好ましい。
【００２２】
なお、マルテンサイト相中に共晶反応で晶出するセメンタイト以外にマルテンサイト母相中に極めて微細にパーライト状にセメンタイトが分散する組織は、フローティングシールの摺動面における潤滑油の供給性を高めることや母相の耐摩耗性を高めることから、本実施の形態のＦｅ系シール摺動材料として好ましい組織である。
【００２３】
さらに、マルテンサイト相のＳｉ濃度が４重量％以上においては、ＨＡＮＳＥＮのＦｅ−Ｓｉ系状態図から予測されるように、Ｆｅ３Ｓｉ規則・不規則相変態性が発現され、顕著な焼戻し軟化抵抗性の改善と摺動面における凝着性が改善されること、７重量％Ｓｉ以上で規則相の出現による脆化が顕著になることから、マルテンサイト母相中のＳｉ濃度を４〜６．５重量％に調整することが好ましく、前記マルテンサイト母相中に固溶される炭素の濃度を０．１５〜０．４重量％の範囲で調整することがより好ましい。
【００２４】
なお、後述するように、上記規則・不規則相変態性を示す合金元素としてＳｉと同様にセメンタイト中にほとんど固溶しないＡｌが挙げられるので、本実施の形態においてもＡｌの添加は好ましい。なお、マルテンサイト相中に固溶される炭素の濃度を減じる作用が小さいことから、マルテンサイト母相中のＳｉ濃度で固溶炭素濃度を調整し、さらに、Ａｌを複合添加することによって規則・不規則変態性を実現し、それによって、脆弱性を回避し、耐焼付き性と耐摩耗性を向上させることが好ましい。
また、本実施の形態において、前記鋳鉄材にはＡｌが０．５〜６重量％含有され、マルテンサイト母相中のＡｌ濃度が１〜１２重量％に調整されていることが好ましい。
【００２５】
また、マルテンサイト相中のＳｉは焼戻し軟化抵抗性を高める元素としてよく知られており、とりわけ、４５０℃以下の低温域ではＭｏ、Ｗよりも優れた作用を示すが、４５０℃以上の高温域での焼戻し軟化抵抗性はＭｏ、Ｗが優れた作用を示すことから、Ｍｏ、Ｗ等の合金元素を積極的に固溶させることが好ましい。Ｍｏ、ＷはＳｉと共存して添加された場合に、有効に作用する最大のＭｏ添加量であるＭｏ＝２．３−０．５×Ｓｉ重量％の範囲内でＭｏを添加することがＭｏの焼戻し軟化抵抗性を活かせること、および、凝固過程で晶出するセメンタイトとオーステナイト間のＭｏの分配係数（セメンタイト中のＭｏ重量％／オーステナイト中のＭｏ重量％）γＫＭｏが２〜２．５であり、セメンタイトへのＭｏの最大固溶度が約２重量％であることから、その際のマルテンサイト母相中のＭｏ濃度が約１重量％であることを考慮すると、本実施の形態のＦｅ系シール摺動材料においては、少なくとも鋳鉄材にＳｉが１〜３重量％含有されるとともにＭｏおよびＷが合計で０．５〜２重量％含有され、マルテンサイト母相中のＳｉ濃度が２〜４重量％に調整されるとともにＭｏおよびＷの合計濃度が０．５〜１重量％に調整されることが好ましい。また、低温域における焼戻し軟化抵抗性を高め、さらに、高温域での焼戻し軟化抵抗性を高めるために、マルテンサイト母相中のＭｏ濃度を０．３〜１重量％に調整できるように前記鋳鉄材に０．５〜２重量％のＭｏが添加されることが好ましい。また、Ｗに関しては、γＫＷが約１．５、セメンタイトへの最大固溶度が２重量％であることを考慮してＭｏと同様の検討をした結果、Ｍｏとほぼ同程度以上に有効であるといえる。そこで、本実施の形態においては、前記鋳鉄材にＭｏおよびＷが合計で０．５〜２重量％を添加することが好ましいこととした。なお、Ｍｏ、Ｗの上限添加量においては、Ｆｅ３Ｍｏ３Ｃ６型特殊炭化物がわずかに析出し、マルテンサイト母相中にセメンタイトと共存する際の最大のＭｏ、Ｗを固溶させたものとしており、それ以上の添加は経済的に好ましくない。なお、Ｍｏ特殊炭化物（Ｆｅ３Ｍｏ３Ｃ）は汎用の高炭素高ＣｒＭｏ系フローティングシール用材料中に利用されていることから、耐焼付き性と耐摩耗性を減じることがない。
【００２６】
上記オーステナイト相中の炭素活量を高め、固溶炭素濃度を減じるＳｉと同様な作用を示す元素としては、Ｐが挙げられるが、オーステナイトへのＰ固溶度が１重量％未満で、固溶炭素濃度を減じる作用は少ない。しかし、析出するＦｅ３Ｐ燐化合物は摺動面での耐焼付き性を改善するので、鋳鉄材を顕著に脆化しない、１．５重量％以下で鋳鉄材に添加されることが好ましい。
【００２７】
また、前述したように本実施の形態においては、ＭＣ型炭化物を０．１〜１０体積％分散させることを規定したが、０．１体積％以上の極めて硬質で耐凝着性に優れたＭＣ型炭化物を分散させることによって、摺動面における耐焼付き性が顕著に改善されるとともに、摺動面での凝着摩耗性が顕著に改善される（硬質粒子分散効果と呼ぶ）。さらに、約１０体積％のＶ４Ｃ３が分散される高速度鋼において、その耐土砂摩耗性が顕著に改善されることから、ＭＣ型炭化物を析出させる経済性を考慮するとＭＣ型炭化物の上限値は１０体積％とすることが好ましい。したがって、前記マルテンサイト母相中にＭＣ型炭化物と摺動面の潤滑性を改善する黒鉛およびＣｕ合金相の少なくとも一方が分散した鋳鉄系耐摩耗摺動材料がフローティングシール部材に適しており、より耐土砂摩耗性を高める観点からＭＣ型炭化物が２〜１０体積％に調整されることがより好ましい。
【００２８】
さらに、土砂侵入に対する耐摩耗性が必要とされるフローティングシール部材に適用する鋳鉄材料においては、より多くの硬質な炭化物を多く分散させることが好ましいことから、本実施の形態においては、安価なセメンタイトの分散量を５〜７０体積％に規定した。この分散セメンタイト量の下限値を５体積％とした理由は、例えば、極めて耐摩耗性に優れた高速度鋼中の焼入れ後の炭化物量が５〜１７体積％に調整されていることを参考にしたものである。さらに、厳しい油摺動条件での耐焼付き性と耐摩耗性を向上させるために、より多くの硬質粒子分散効果がより有効であり、とりわけ耐摩耗性を重視する場合においては、従来の上記高速度鋼を参考にすると１５体積％を下限値とすることがより好ましい。したがって、上記セメンタイトとＭＣ型炭化物を混在させることによって前記耐焼付き性と耐摩耗性がより効果的に改善される。さらに、黒鉛およびＣｕ合金相の少なくとも一方を分散させることによってより耐焼付き性と耐凝着摩耗性が改善される。尚、前記マルテンサイト母相中のＣｕ合金相の分散量は１〜１０体積％であることがより好ましい。
【００２９】
さらに、土砂の侵入に対する耐摩耗性や耐焼付き性をより改善する場合にセメンタイト量をより多く分散させることが有効である。そこで、本実施の形態においては、上限のセメンタイト量を７０体積％と規定したが、例えば、前記高炭素高Ｃｒ鋳鉄材を用いたフローティングシール部材においては、炭化物量を５０体積％以上にした場合には脆くなりすぎることを参考にすると、上限のセメンタイト分散量を５０体積％とすることがより好ましい。
【００３０】
したがって、上記鋳鉄材の炭素添加量がセメンタイト量の上・下限値からそれぞれ２〜５重量％であることが好ましい。この炭素添加量が、４重量％を越えた場合には、極めて粗大な初晶セメンタイトが多く晶出し、脆化するので、炭素添加量の一部を黒鉛として析出分散させて利用することが好ましい。そこで、前記マルテンサイト母相中に平均粒径が１５μｍ以下の粒状黒鉛が１〜１０体積％分散されていることが好ましい。
【００３１】
また、本実施の形態のように高濃度なＳｉを添加した鋳鉄系耐摩耗摺動部材においては、Ｓｉが黒鉛化形成元素であって、通常の冷却速度での凝固組織はＭａｕｒｅｒ鋳鉄組織図の関係から、Ｓｉ添加重量％＝０．６×（４．３−Ｃ添加重量％）以下のＳｉの添加によって白鋳鉄組織、またそのＳｉ添加量以上のＳｉの添加によってパーライト母相中に黒鉛が分散したものとなり、さらに、Ｓｉ添加重量％≧１．６５×（４．３−Ｃ添加重量％）以上のＳｉの添加によってフェライト母相中に黒鉛が分散した組織となる。前記のようにＳｉをより多く添加する本発明の鋳鉄材中に共晶セメンタイトを分散させることが難しくなることから、共晶セメンタイトを安定化させるために、０．９重量％以上のＣｒを添加し、黒鉛化処理によってセメンタイトが黒鉛化し易いようにセメンタイト中のＣｒ濃度が２．５〜６重量％の範囲になるようにＣｒを０．９〜３．５重量％の範囲で添加することが好ましい。なお、下限値１５体積％のセメンタイトが分散する場合、凝固過程で晶出するセメンタイトとオーステナイト間の分配係数（セメンタイト中のＣｒ重量％／オーステナイト中のＣｒ重量％）γＫＣｒが約４であることから、鋳鉄材に対する下限の添加量は０．９重量％と計算される。また、セメンタイト中のＣｒ濃度が１０重量％を越えると長時間の黒鉛化処理によっても黒鉛化が進行しない。このことから、後述するように黒鉛化処理によって短時間で適量の黒鉛を分散させることを積極的に活用する本耐摩耗摺動材料においては、セメンタイト中のＣｒ濃度が６重量％となるＣｒ添加量３．５重量％を上限とすることが好ましく、より経済的である。
【００３２】
また、Ｍｎもセメンタイトを安定化させ、セメンタイトの黒鉛化を抑制する元素であり、かつ０．１重量％以上のＭｎは鋳鉄材に不可避的に含まれやすいものであり、さらに、鋳鉄材に５重量％以上添加する場合に白銑化するものであり、またその結果から、Ｍｎの分配係数γＫＭｎが１．５〜２であり、共晶セメンタイト中のＭｎ濃度が１０重量％以上で共晶セメンタイトが安定化されることがわかる。従って、Ｍｎは、前記Ｃｒほどの大きな安定化作用は期待されないが、積極的に添加されることが好ましい元素である。さらに、後述するようにＭｎはＮｉと同様にオーステナイトを顕著に安定化する元素であって、かつ焼入れ性を高め、残留オーステナイト相を形成する安価な元素であることから、より積極的に０．７〜５重量％のＭｎを添加することが好ましい。例えば５０体積％のセメンタイトが分散する鋳鉄材に５重量％のＭｎを添加した場合においては、マルテンサイト母相中のＭｎ濃度は約３．３重量％になり、オーステナイトの安定化による凝固時のフェライト生成の抑制と顕著な焼入れ性と適正な残留オーステナイトが確保される。
【００３３】
なお、マルテンサイト母相中の残留オーステナイトの体積％であるＦはマルテンサイト母相のＭｓ温度（マルテンサイト変態開始温度）と、下記式（ｄ）
Ｆ＝１００ｅｘｐ（−０．０１１×（Ｍｓ−Ｑ））・・・（ｄ）
の関係式から経験的に算出され、また、Ｍｓ温度はマルテンサイト母相中の組成から、下記の近似式（ｅ）
Ｍｓ（Ｋ）＝９９３−５１４×（Ｃ重量％）１／２−２０×Ｓｉ重量％＋２３×Ａｌ重量％−４６×Ｍｎ重量％−３０×Ｃｒ重量％−２１×Ｎｉ重量％−９×Ｃｕ重量％−２０×Ｍｏ重量％  ・・・（ｅ）
によって算出され、またＱは冷却温度３０３Ｋ（ケルビン絶対温度）で与えられるので、残留オーステナイト量の調整が容易に実施できることがわかる。
尚、前記近似式（ｅ）において、前記Ｃ重量％は前記マルテンサイト母相中のＣ含有量であり、前記Ｓｉ重量％は前記マルテンサイト母相中のＳｉ含有量であり、前記Ａｌ重量％は前記マルテンサイト母相中のＡｌ含有量であり、前記Ｍｎ重量％は前記マルテンサイト母相中のＭｎ含有量であり、前記Ｃｒ重量％は前記マルテンサイト母相中のＣｒ含有量であり、前記Ｎｉ重量％は前記マルテンサイト母相中のＮｉ含有量であり、前記Ｃｕ重量％は前記マルテンサイト母相中のＣｕ含有量であり、前記Ｍｏ重量％は前記マルテンサイト母相中のＭｏ含有量である。
本実施の形態において、前記鋳鉄材にＭｎが０．７〜５重量％含有され、前記マルテンサイト母相中のＭｎ濃度が２〜４重量％であり、前記近似式（ｅ）で与えられるＭｓ温度が９５〜２６０℃に調整され、前記マルテンサイト母相中に残留オーステナイトが１０〜５０体積％残留されることが好ましい。
【００３４】
なお、Ｎｉ、Ｃｕの分配係数はそれぞれγＫＮｉ：０．３、γＫＣｕ：０であり、これらは、セメンタイトの黒鉛化を促進する元素であるが、Ｍｎよりも効率的にマルテンサイト母相中に濃縮し、オーステナイトを顕著に安定化する元素であり、焼入れ性を高め、残留オーステナイトを形成する元素であることから積極的に含有させることが好ましい元素である。また、マトリックス母相における２重量％Ｃｕのオーステナイトの安定化作用（後述する）と上記Ｍｓ温度降下作用は１重量％Ｎｉに相当する。
【００３５】
また、より耐焼付き性に優れた特殊炭化物、窒化物、炭窒化物等のより硬質な粒子を分散させることが耐摩耗性の改善に有効である。多量に添加したＣｒ，Ｍｎはセメンタイト中に３６重量％以上に固溶することができるが、ＭｏとＷについてはＭｏが２重量％、Ｗが１．５重量％、さらに、ＶとＴｉについてはＶが０．６重量％まで、Ｔｉがほぼ０重量％しか固溶することができない。これらの合金元素のほとんどが特殊炭化物、窒化物として析出するために、セメンタイトをより安定化して黒鉛化を防止する機能をほとんど持たずに、前述の黒鉛を分散させた鋳鉄材に耐焼付き性と耐摩耗性を改善するＭｏ、Ｗ、Ｖ、Ｔｉ等の特殊炭化物を効率的に分散させることができる。またさらに、より耐焼付き性に優れ、極めて硬質なＭＣ炭化物を形成するＶ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆ等の合金元素を高速度鋼に倣って１重量％以上添加し、２〜１０重量％のＭＣ型炭化物を分散させることによって耐焼付き性と耐摩耗性の改善を図ることが好ましい。
つまり、本実施の形態において、前記鋳鉄材には、Ｖ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔａからなる群から選択された一種以上の合金元素が１〜５重量％含有されるとともに、前記マルテンサイト母相中には前記合金元素が主体となるＭＣ型炭化物、窒化物および炭窒化物の少なくとも一種が２〜１０体積％分散されていることが好ましい。
【００３６】
さらに、前記固溶炭素濃度が調整されたマルテンサイト母相を形成させる前記（方法２）および前記（方法３）の方法については、鋳造工程において片状黒鉛、球状黒鉛および芋虫状黒鉛の少なくとも一の黒鉛がフェライトおよび（フェライト＋パーライト）の少なくとも一方の組織からなる母相中に分散した鋳鉄材料においては、Ａ１温度以上に加熱して、上記黒鉛を一部固溶させて、前記固溶炭素濃度にした後に、焼入れることが必要となる。またさらに、上記Ａ１温度以上に加熱後に、一旦冷却し、母相をパーライト組織化したものを焼入れることがより好ましい。また、上記鋳造工程において、大きな共晶セメンタイトがマルテンサイト、ベイナイト、パーライト組織中に分散した鋳鉄材においては、黒鉛化のためやセメンタイト中にＣｒ等を濃縮させるための熱処理後に焼入れすることが好ましい。また、上記焼入れ方法として、前記のような急速な誘導加熱によって摺動面を焼入れすることが好ましく、とりわけ、Ａ１温度〜（９００〜１１００℃）の焼入れ温度範囲を１５０℃／ｓｅｃ以上、好ましくは５００℃／ｓｅｃ以上の加熱速度で加熱した後に焼入れることが好ましい。これによって、大きな晶出セメンタイト以外にマルテンサイト母相中に未固溶な状態で微細なセメンタイトを分散させることができる。なお、マルテンサイト相中にパーライト状にセメンタイトが分散する組織は、フローティングシールの摺動面における潤滑油の潤滑性を高めることから、鋳鉄系耐摩耗摺動材料として好ましい組織である。
【００３７】
前述したように本実施の形態は、２〜５重量％の炭素、０．５〜６重量％のＳｉおよび０．３〜５重量％のＣｒを含有し、Ａｌ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｐ，Ｂ，Ｃａ，Ｓの群から選択された一種以上を含有する鋳鉄材を用いることにより、０．１５〜０．６重量％の炭素が固溶されたマルテンサイト母相と、前記マルテンサイト母相中に分散された５〜７０体積％のセメンタイトおよび０．１〜１０体積％のＭＣ型炭化物の少なくも一方の第１分散物と、前記マルテンサイト母相中に分散された１〜１５体積％の黒鉛および１〜２０体積％のＣｕ合金相の少なくとも一方の第２分散物と、を具備し、前記第１分散物と前記第２分散物との総量が５〜７０体積％であるＦｅ系シール摺動部材を作製するものである。
前記黒鉛は、鋳鉄の凝固過程で形成される片状、球状、芋虫状の少なくとも一種の黒鉛であってもよいが、できるだけ多くのセメンタイトを分散させるとともに、前記固体潤滑剤となる極軟質な黒鉛をより微細に、かつ均一に分散させるために、本実施の形態においては、一旦白鋳鉄化したものを黒鉛化焼鈍し、平均粒径が１５μｍ以下の粒状黒鉛であることが好ましい。また、上記黒鉛化焼鈍条件を適正化することによって、前記大きな共晶セメンタイトの均質・分散化を図りながら、多量のセメンタイト（１５〜５０体積％）を残存させ、耐焼付き性と耐摩耗性を向上させることができる。
【００３８】
なお、セメンタイトの分散量は上記のように１５〜５０体積％とすることが好ましい。また、黒鉛分散量は、固体潤滑剤およびオイルポケットとしての黒鉛の潤滑改善作用が明らかに出現する１体積％を下限値とし、従来の鋳鉄中の黒鉛最大量である１５体積％を上限とするが、その潤滑改善作用が飽和し、強靭性を備えた１０体積％を上限値とすることがより好ましい。なお、黒鉛量の下限値は、摺動材料の耐焼付き性の改善作用が１体積％の粒子分散量で顕著に発現することを参考にしているが、３体積％以上の黒鉛を分散させることがより好ましい。
【００３９】
さらに、一般的にＣｕ合金粒子は鉄系合金材との耐凝着性に優れることから摺動材料としてよく利用される。さらに、上記マルテンサイト母相中に分散するＣｕ合金相が軟質であり、摺動時にフローティングシール材中の炭化物によってわずかに摩耗され、摺動面への潤滑油の供給を補助するオイル溜まりを形成し、摺動面における潤滑改善作用を示す。摺動面における微小なヒートクラックが発生した場合であっても、そのクラックの拡大を抑制する作用が顕著である。これらのことから、本実施の形態においては、潤滑改善作用を示し始める１体積％を、マルテンサイト母相中のＣｕ合金相の下限分散量とすることが好ましい。また、Ｃｕ合金相は析出分散によるフローティングシール部材の脆弱化を招かないが、軟質Ｃｕ合金粒子の増加に伴って、フローティングシール部材の耐摩耗性が低下することから、マルテンサイト母相中のＣｕ合金相の上限分散量を１０体積％とすることが好ましい。
【００４０】
なお、上記マルテンサイト母相やパーライト状にセメンタイトを分散させたマルテンサイト母相を形成させる方法においては、焼入れ処理が必要となるために、その製造コストの経済性が問題になるので、鋳造時の冷却速度を高めて、鋳造過程でマルテンサイト母相を形成させることが好ましい。凝固過程において軟質なフェライト相が析出した場合においては、耐焼付き性と耐摩耗性が改善されない問題がある。とりわけ、Ｓｉは顕著なフェライト安定化元素である。マルテンサイト母相（加熱時はオーステナイト母相）の固溶炭素濃度が０．１５〜０．５重量％で、２〜６．５重量％の高濃度なＳｉを含有する鋳鉄材においては、フェライトが析出しやすく、このフェライトの析出を防止するためには、適正なオーステナイト安定化元素を添加することが必要となる。そこで、本実施の形態においては、少なくともオーステナイト母相中のＭｎ、Ｎｉ、Ｃｕのうちの一種以上が総量で２〜７重量％含有されることが好ましい。
【００４１】
図１は、４．５重量％のＳｉを含有したときのＦｅ−４．５重量％Ｓｉ−Ｃ−Ｍ（合金元素）系の（フェライト＋オーステナイト）／オーステナイト相平衡縦断面状態図を熱力学的に計算したものである。０．２〜０．５重量％の固溶炭素濃度のオーステナイト母相（焼入れ後にマルテンサイト）を得るためには、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕなどのオーステナイト安定化元素の添加が極めて有効であり、（Ｍｎ＋Ｎｉ＋０．５×Ｃｕ）が合計で２重量％以上が含有されていることが好ましいことがわかるが、逆にＭｏ、Ｗ、Ｖなどの合金元素がオーステナイトに多量に含有されることは好ましくない。前記のように１重量％以上のＭｏ、Ｗがオーステナイトに固溶する場合には、Ｍｏ特殊炭化物が析出するために、Ｍｏ、Ｗがオーステナイトを不安定化させる作用は限定されることがわかる。さらにＶについては、Ｖ４Ｃ３（ＭＣ型炭化物）として析出するために、オーステナイト中にほとんど固溶しないことから、フェライト安定化作用は極めて限定されることがわかる。したがって、本実施の形態では、マルテンサイト母相中のＭｎ濃度が２〜４重量％および（Ｍｎ＋Ｎｉ＋０．５×Ｃｕ）濃度が２〜７重量％の範囲の少なくとも一方で調整されることが好ましいが、Ｍｏ、Ｗが合計で１重量％以下、Ｎｉが３重量％以下含有されることがより好ましい。
【００４２】
また、セメンタイトもしくは後述するＭＣ型炭化物がマルテンサイト母相中に多量に分散されるほど、フローティングシール部材としての耐土砂摩耗性が向上するが、馴染み性が悪くなり、シール当り幅が顕著に狭くなり、摺動面における発熱による焼付きやヒートクラックが発生しやすくなる。このために、少なくとも鋳鉄材にＭｎが０．７〜５重量％含有され、マルテンサイト母相中のＭｎ濃度が２〜４重量％に調整され、あるいは少なくとも鋳鉄材に０．１〜５重量％のＭｎ、１〜２．５重量％のＮｉおよび１〜１０重量％のＣｕのうち二種以上が含有され、マルテンサイト母相中の（Ｍｎ＋Ｎｉ＋０．５×Ｃｕ）濃度が２〜７重量％に調整されることが好ましい。そして、前記Ｍｓ温度の算出式にしたがって、Ｍｓ温度が９５〜２６０℃に調整され、摺動面における馴染み性と靭性を改善するために、マルテンサイト母相中に残留オーステナイトが１０〜５０体積％存在することが好ましい。
【００４３】
また、前述した本実施の形態における前記鋳鉄材中の共晶セメンタイトの黒鉛化処理を利用する場合には、Ｃｒ以外の黒鉛化阻止元素（Ｍｎ、Ｍｏ）と黒鉛化促進元素のセメンタイト中での濃度と黒鉛化の関係を規定しておくことが重要である。セメンタイト中の合金元素Ｍ濃度ＣΘＭは、鋳鉄材の合金元素Ｍの濃度ＣＭとセメンタイトの分散量ＶΘ（体積分率）およびγＫＭから、
ＣΘＭ＝ＣＭ×γＫＭ／（１−ＶΘ＋γＫＭ×ＶΘ）
の関係式から算出される。そこで、本実施の形態においては、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉを対象にした、
２重量％≦ＣΘＣｒ＋０．３×ＣΘＭｎ＋０．３×ＣΘＭｏ−ＣΘＮｉ≦６重量％
の関係式で与えるものとする。下限値の２重量％は前記０．８重量％Ｃｒの添加によって一般鋳鉄材が白銑化することを考慮し、その際の共晶セメンタイト中のＣｒ濃度が約１．６重量％であることから設定したものである。さらに、前記５重量％のＭｎの添加により白銑鉄化し、そのときのセメンタイト中のＭｎ濃度から係数０．３を推定したものである。また、Ｍｏのセメンタイト安定化は前記分配係数がほぼ同じであることからＭｎと同じ係数０．３倍とする。Ｎｉは黒鉛化形成元素であるが、後述する実施例におけるニハード鋳鉄材の９５０×１ｈｒの黒鉛化処理によって、Ｃｒ濃度が５．７重量％、Ｎｉ濃度が１．９１重量％のセメンタイトが十分短時間で黒鉛化することから上限値を６重量％とし、Ｎｉ濃度の係数を１と設定するが、好ましくはその上限値が４重量％である。
【００４４】
より具体的には、セメンタイトを３５体積％分散させた平均的な鋳鉄材においては各合金元素の添加量が、
２重量％≦０．４×ＣΘＭｎ＋０．４×ＣΘＭｏ＋２．０×ＣΘＣｒ−０．４×ＣΘＮｉ≦５重量％
の関係を満足するように鋳鉄材成分が調整されることが好ましい。
【００４５】
残留オーステナイトは、摺動時にその半数以上は馴染み性を取るためにマルテンサイト変態化して硬質化し、未硬化な残留オーステナイトは、軟質であるために、摺動面において前述のオイルポケットとして機能することが期待されるが、多すぎた場合においては耐摩耗性が劣化するために、残留オーステナイトは１０〜４０体積％の範囲で調整されることが適正である。
【００４６】
さらに、上記マルテンサイト母相の焼戻し軟化抵抗を高めると、より優れた耐摩耗摺動特性を示すので、顕著に焼戻し軟化抵抗性を改善するＳｉ，Ａｌ，Ｍｏ，Ｖ，Ｗを積極的に添加することが好ましい。とりわけ、マルテンサイト母相中のＡｌは、Ｓｉと同様に顕著に焼戻し軟化抵抗性を高める作用を持ち、さらに、３重量％以上ではＦｅ３Ａｌ規則相の規則不規則変態性を示し始め、顕著な耐焼付き性改善作用が認められ、さらにまた、ＡｌがＮｉ，Ｃｏと共存する場合においては顕著な時効硬化性を示し、ＡｌはＳｉと同様にセメンタイト中から排出され、マルテンサイト母相中に濃縮されること等の効果を示す。これらのことから、本実施の形態においては、前記鋳鉄材に少なくともＡｌが０．５〜６重量％添加され、マルテンサイト母相中のＡｌ濃度が１〜１２重量％である。また、本実施の形態においては、前記鋳鉄材に１〜７重量％のＮｉおよび２〜１５重量％のＣｏの少なくとも一方と１〜６重量％のＡｌが添加されることが好ましい。
【００４７】
また、Ｃｏは磁気変態を顕著に上昇させ、炭素、合金元素の拡散係数を低減させることによって、Ｍｏ，Ｖ，Ｗ，Ａｌ，Ｓｉ等の焼戻し軟化抵抗を高めることができる。本実施の形態においても、経済性の観点からＣｏが１５重量％以下で添加されることが好ましい。
【００４８】
またさらに、本実施の形態において、前記マルテンサイト母相中にＣｕ合金相を１〜１０体積％分散させるために、鋳造フローティングシール材料中においては、少なくともＣｕが１〜１０重量％添加されることが好ましい。さらに、鋳鉄系耐摩耗摺動材料は、Ｃｕ合金相の耐焼付き性を高めるために、分散するＣｕ合金相は３〜１２重量％の（Ｓｉ＋Ａｌ）を含有するＣｕ−Ｓｉ−Ａｌ系合金からなることが好ましく、また、β相や金属間化合物相が分散されていることが好ましい。
【００４９】
さらに、ＭＣ型炭化物は、Ｖ，Ｗ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔａを主体として形成される炭化物であって、炭化物中で最も硬質であり、耐摩耗性の改善に大きく寄与するものであるが、セメンタイト中への固溶度が小さく、セメンタイトをほとんど安定化させず、黒鉛の析出を阻害しない。このことから、本実施の形態の鋳鉄系耐摩耗摺動材料においては、Ｖ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔａからなる群から選択された一種以上の合金元素を１〜５重量％添加することによって２〜１０体積％のＭＣ型炭化物、窒化物および炭窒化物の一種以上を分散させ、それにより耐摩耗性を改善することができる。例えばＭＣ型炭化物としてＴｉＣを選定した場合には、ＴｉＣの比重がほぼ４．９ｇｒ／ｃｍ３であることから、１〜５重量％のＴｉ添加によって２〜１０体積％のＴｉＣが分散し、耐摩耗性が有効に改善される。これら合金元素の上限添加量を５重量％としたのは、前記高速度鋼におけるＭＣ型炭化物量が約１０体積％を超えることがないからであり、さらに、前記５重量％を超えるとフローティングシール部材としての初期馴染み性が悪くなるからである。
【００５０】
また、燐化物やＭＣ型炭化物を微量分散させることによって、摺動面における耐焼付き性が顕著に改善されることから、燐化合物以外においても同様の前記粒子分散効果が期待されるので、本実施の形態においては、Ｆｅ、Ｖ、Ｔｉのうち一種以上の合金元素が主体となる燐化物が総量で０．２〜５体積％（より好ましくは１〜５体積％）分散されていることが好ましく、またＭｎ、Ｔｉの少なくとも一方の合金元素が主体となる硫化物が総量で０．２〜５体積％（より好ましくは１〜５体積％）分散されていることが好ましく、また前記燐化物および前記硫化物が総量で０．２〜５体積％（より好ましくは１〜５体積％）分散されていることが好ましい。
【００５１】
また、本実施の形態においては、前述したＦｅ系シール摺動材料、前述した鋳鉄系耐摩耗摺動材料を、鋳造によって形成したフローティングシール部材に適用することも可能である。また、本実施の形態によるＦｅ系シール摺動部材、例えばフローティングシールは、前記鋳鉄材を用いた鋳造によって形成されることが好ましい。
【００５２】
なお、上記Ｆｅ系シール摺動部材、上記フローティングシール部材としては、遠心鋳造法による急冷チルド化鋳鉄を用いて形成されることがより好ましいが、金型を鋳鉄材母相の前記Ｍｓ温度以上に加温して遠心鋳造法を実施し、フローティングシール部材を作成し、そのフローティングシール部材をＭｓ温度以上の状態で金型から離型させた後に焼入れ硬化させることによって、鋳造時の割れ発生と歪の低減を図ることがより好ましい。
【００５３】
本発明の実施の形態によるＦｅ系シール摺動部材の製造方法は、２〜５重量％の炭素、０．５〜６重量％のＳｉおよび０．３〜５重量％のＣｒを含有し、Ａｌ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｐ，Ｂ，Ｃａ，Ｓの群から選択された一種以上を含有する鋳鉄素材を鋳造する工程を具備するものである。
【００５４】
前記Ｆｅ系シール摺動部材は、０．１５〜０．６重量％の炭素が固溶されたマルテンサイト母相と、前記マルテンサイト母相中に分散された５〜７０体積％のセメンタイトおよび０．１〜１０体積％のＭＣ型炭化物の少なくも一方の第１分散物と、前記マルテンサイト母相中に分散された１〜１５体積％の黒鉛および１〜２０体積％のＣｕ合金相の少なくとも一方の第２分散物と、を有し、前記第１分散物と前記第２分散物との総量が５〜７０体積％であることが好ましい。
【００５５】
また、本実施の形態において、前記鋳造する工程は、前記鋳鉄素材を、鋳鉄材母相のＭｓ温度以上に加温された金型を用いた遠心鋳造法により鋳造し、前記金型から離型後に焼入れ処理を行う工程であっても良い。また、前記鋳造する工程の後に、鋳鉄材のＡ１温度以上に再加熱し、黒鉛化処理を実施後に焼入れ処理を行う工程をさらに具備するものであっても良い。
【００５６】
次に、本発明の実施の形態による鋳鉄系耐摩耗摺動材料について、図面を参照しつつより詳細に説明する。
【００５７】
図２には、本発明の一実施形態に係る転輪アッセンブリの要部構造を示す図である。本実施形態は、図示のような転輪アッセンブリにおけるフローティングシール装置に適用された例を示すものである。
【００５８】
本実施形態に係る転輪アッセンブリ３６は、転輪リテーナ４９と、この転輪リテーナ４９に支持される転輪シャフト５０およびその転輪シャフトに外嵌される転輪ブッシュ５１を介して配される転輪ローラ５２とが、互いに回転可能に連結された構造となっている。この転輪アッセンブリ３６において、フローティングシール装置５３は、シール面が相接するように配される一対のシールリング５４，５４と、各シールリング５４に外嵌されるＯリング５５を備え、向き合った一対のシール面が、圧縮して取り付けられたＯリング５５の弾性力によって転輪シャフト５０の軸方向に押し付けられ、適当な面圧で接しながら摺動し、外部からの水、土砂等の侵入と内部からの潤滑油の漏洩を防止するように構成されている。そして、一対のシールリング５４，５４のシール面は、５〜７０体積％のセメンタイトおよび１〜１０体積％のＭＣ型炭化物の少なくとも一方を含有し、さらに、黒鉛およびＣｕ合金相の少なくとも一方が硬質なマルテンサイト母相中に分散する組織に調整されている。
【００５９】
また、歯車減速装置等に利用される大径のフローティングシール装置においては、そのシール面での摺動速度が速くなり、とりわけ、耐焼付き性と耐ヒートクラック性に優れたフローティングシールリングが必要とされるが、本実施形態によれば、前記摺動速度が１ｍ／ｓｅｃを超えて使用する鋳造フローティングシール材料中に黒鉛およびＣｕ合金相の少なくとも一方を３〜１０体積％の範囲で分散させることが好ましい。
【００６０】
本実施形態によれば、より耐焼付き性と耐ヒートクラック性に優れたフローティングシール装置を提供することができるが、より耐ヒートクラック性と耐焼付き性を改善するためには、マルテンサイト相中の固溶炭素濃度が０．１５〜０．７重量％になるようにＳｉ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖの合金元素添加量を調整することや、焼入れ温度を８５０〜１０００℃に設定し、１５０℃／ｓｅｃ以上の急速加熱焼入れすることが好ましく、セメンタイトとしては６０〜１８０℃に磁気変態点を持つようにＶ，Ｍｎ，Ｃｒを主として調整され、かつ潤滑性を促進する黒鉛およびＣｕ合金相の少なくとも一方が分散されることが好ましい。なお、マルテンサイト母相中に固溶された炭素の濃度が０．１５〜０．６重量％になるようにＳｉ、Ｃｒの合金元素の添加量を調整することや、マルテンサイト母相中の（Ｓｉ＋Ａｌ）濃度を４重量％以上に高め、規則不規則変態性を持たせること、顕著な硬質粒子分散効果を発現するＭＣ型炭化物、燐化物、硫化物をマルテンサイト母相中に分散させること、潤滑性を促進する黒鉛およびＣｕ合金相の少なくとも一方が分散されることが好ましい。さらに、鋳鉄材中のセメンタイトのキュリー温度を６０〜１５０℃になるようにＶ、Ｍｎ、Ｃｒで調整し、摺動面での潤滑油が劣化し始める際の吸熱作用を持たせることが好ましい。なお、黒鉛化処理で粒状黒鉛を分散させた後に、焼入れ処理を実施する場合においては、急速加熱が可能な誘導加熱によって１５０℃／ｓｅｃ以上の昇温速度で８５０〜１０５０℃の焼入れ温度にすばやく加熱し、その後に急冷することによって上記マルテンサイト母相中に共晶セメンタイトと粒状黒鉛以外にパーライト状の板状セメンタイトや粒状セメンタイトを分散させることが好ましい。
【００６１】
図３には、鋳造法で製作される鋳鉄材中に晶出し、分散する黒鉛形状が示されている。この図３に示される、（ａ）片状黒鉛、（ｂ）球状化黒鉛、（ｃ）芋虫状黒鉛が凝固過程で多く出現するが、その母相はフェライト、アシキュラーフェライト、パーライト、ベイナイト、マルテンサイトの各組織をとる。本実施形態においては、０．３重量％以上のＣｒを添加することによってパーライト組織となるべき鋳鉄材を凝固過程で急冷して母相をマルテンサイト化したものであって、さらに、少なくともマルテンサイト母相中にはＭＣ型炭化物を１〜１０体積％分散させた鋳鉄系耐摩耗摺動材料である。
【００６２】
また、図４には、後述する実施例におけるＮｉｈａｒｄ比較材の鋳込み組織（ａ）と黒鉛化処理後の熱処理組織（ｂ）がそれぞれ示されている。図４（ａ）に示されるように、チルド化された鋳鉄組織はマルテンサイト母相中に共晶セメンタイトが多量に分散したものとなり、その後９５０℃で黒鉛化焼鈍し、その温度から直接焼入れした組織は、図４（ｂ）に示すように、粗大な共晶セメンタイトが分解して微細な粒状黒鉛を析出し、マルテンサイト母相中に、その黒鉛と微細化、かつ均一分散化された未分解な共晶セメンタイトが分散された組織となり、強靭性化の点で好ましい。
【００６３】
また、鋳鉄系耐摩耗摺動材料の母相中へのＣｕの固溶度は、炭素量やＮｉ、Ｍｎ量によって変動するが、ほぼ５〜６重量％程度であることから、７重量％以上のＣｕ添加によってＣｕ合金相が上記鋳造素材において粒状に分散した組織を得ることができる。従って、図３，図４の各組織中にＣｕ合金相が分散した組織も本発明の範疇に入る。
【００６４】
また、鋳鉄系耐摩耗摺動材料の耐焼付き性と耐摩耗性をより高める観点からは、セメンタイトやＶ４Ｃ３の炭化物を分散させることが好ましい。
【実施例】
【００６５】
次に、本発明の実施例による鋳鉄系耐摩耗摺動材料について、図面を参照しつつ説明する。
【００６６】
本実施例では、表１に示される鋳造フローティングシール材料と鋳造比較材料をシェル鋳型に鋳造したものと、この鋳造後に９５０℃で再加熱（黒鉛化）して焼入れ処理を施し、その後図５に示されるフローティングシール形状に研削後、図中に示すシール面にラップ加工を施したものとを作成し、図６の概略図に示すフローティングシールテスターでその耐焼付き性について評価した。
【００６７】
【表１】
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【００６８】
なお、フローティングシールテスターは、作成した試験片を、シール面が相接するように配される一対のシールリングとする、フローティングシール装置を用いて、一方のシールリングと接するＯリングを固定し、他方のシールリングと接するＯリングに荷重及びシールリング中心軸周りの回転を与える。耐焼付き性は、フローティングシール同士の押し付け荷重６３ｋｇｆ（線圧Ｐ：２ｋｇｆ/ｃｍ、線圧＝荷重／シール位置長さ）を一定にしてＥＯ＃３０のエンジンオイルを封入し、空気中での回転速度（周速Ｖ、単位：ｍ／ｓｅｃ）を変えながら摺動抵抗が急激に増大する焼付く時点でのＰＶ値（Ｐ×Ｖ）で評価した。その結果が表１の「ＰＶ値１」および「ＰＶ値２」の各欄に合わせて示されている。なお、「ＰＶ値１」は鋳造しっ放しのフローティングシール、「ＰＶ値２」は上記熱処理を施したフローティングシールに関して求めた結果である。さらに、表２には各合金元素について調査した分配係数γＫＭを用いて計算されるチルド化鋳鉄材のマルテンサイト母相中の固溶炭素濃度、セメンタイト分散率、母相中の合金元素濃度、セメンタイト中の合金元素濃度を参考に示した。
【００６９】
【表２】
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【００７０】
Ｎｏ．１，２は鋳造比較材のニハード（Ｎｉ−ｈａｒｄ）チルド鋳鉄材に類する合金である。比較材のチルド鋳鉄、ニハード鋳鉄材とＮｏ．１，２の結果を比べることによって、Ｓｉ増量によりマルテンサイト母相中の固溶炭素濃度を低下させることによって耐焼付き性が改善され、さらに、熱処理（９５０℃×１ｈｒ）により分散析出させた黒鉛によってシール面における耐焼付き性がより改善されていることがわかる。図４（ａ），（ｂ）に、ニハード鋳鉄材の代表的な組織が示されているが、シール面における油漏れを起こさせない平均粒径が約５μｍの微細な黒鉛粒子と、微細で均一に分散された共晶セメンタイト粒が分散していることがわかる。しかし、顕著な共晶セメンタイトの低減が起こり、耐摩耗性の不足が心配されるので、より軽度な耐土砂摩耗性用シールとして有効である。
【００７１】
Ｎｏ．３，４はさらに、Ｎｏ．１，２の耐摩耗性改善水準としてＶのＭＣ型炭化物（Ｖ４Ｃ３）を分散させたものであって、Ｖ４Ｃ３炭化物が分散されることによって、顕著な耐焼付き性の改善が認められるとともに、耐摩耗性が改善されることがわかる。また、黒鉛加熱処理による黒鉛の析出が認められ、黒鉛粒子分散による耐焼付き性の改善が認められ、耐摩耗性を重視するフローティングシール材料として有効である。このことから、Ｖの代わりにＴｉ，Ｚｒ，Ｎｂ等のＭＣ型炭化物を析出分散させる合金元素の添加が有効であるといえる。とりわけ、Ｔｉは黒鉛化を阻害しない元素であることからより好ましい元素である。
【００７２】
Ｎｏ．５，６，７，８はさらに、Ｓｉ添加量を増量し、マルテンサイト母相中のＳｉ濃度を５重量％以上となるようにし、Ｆｅ３Ｓｉの規則相変態性を発現させたもの、さらに、それにＶ４Ｃ３型炭化物を分散させたものであるが、耐焼付き性と耐摩耗性に極めて優れたフローティングシール材料が得られることがわかった。また、高濃度にＶを添加し、Ｖ４Ｃ３を多量に分散させたＮｏ．８では、Ｍｎを増量して、残留オーステナイトを多量に残留させることによって、シール面での馴染み性が改善され、より耐焼付き性が改善されていることがわかる。
【００７３】
Ｎｏ．９，１０はＭｎを増量し、前記共晶セメンタイト、共晶セメンタイトと黒鉛粒子が分散するマルテンサイト母相中の残留オーステナイト量を高め、さらに、Ｆｅ３Ｐ燐化物を分散させた作用とマルテンサイト母相中のＭｏ添加による焼戻し軟化抵抗性を高めたものであるが、鋳造比較材に比べて優れた耐焼付き性が得られることがわかる。また、このことから、燐化物に代わる硫化物などの分散によっても耐焼付き性の改善が図れるといえる。
【００７４】
Ｎｏ．１１，１２は、Ｃｕ合金相を分散させた影響を調べた水準であるが、Ｃｕ合金相の増大によって耐焼付き性が改善される。また、Ｃｕ合金相にＡｌが含有されるＮｏ．１３がより改善されることから、そのＣｕ−Ｓｉ−Ａｌ系合金相の増加によって耐焼付き性が改善される。
【００７５】
また、Ｎｏ．１４はＡｌ添加によるマルテンサイト母相のＦｅ３Ａｌ規則相変態性を高めた水準であり、耐焼付き性が顕著に改善され、さらに、Ｎｏ．１４においてはＮｉを増量して時効硬化性を付与しているのでその耐摩耗性に優れる。また、これらの水準に前記ＭＣ型炭化物を分散させることがより耐摩耗性を高めるのに有効である。
【００７６】
尚、本発明は上記実施の形態及び上記実施例に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】Ｆｅ−４．５重量％Ｓｉ−Ｃ−Ｍ（合金元素）系の（フェライト＋オーステナイト）／オーステナイト相平衡縦断面状態図。
【図２】本発明の一実施形態に係る転輪アッセンブリの要部構造を示す図。
【図３】鋳鉄材中に分散する黒鉛形状を示す図。
【図４】Ｎｉ−ｈａｒｄ合金の鋳込み組織（ａ）と熱処理組織（ｂ）を示す写真。
【図５】フローティングシールの形状を示す断面図。
【図６】フローティングシールテスターの概略図。
【符号の説明】
【００７８】
３６    転輪アッセンブリ
４９    転輪リテーナ
５０    転輪シャフト
５１    転輪ブッシュ
５２    転輪ローラ
５３    フローティングシール装置
５４    シールリング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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