(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェライト相およびマルテンサイト相の少なくとも一方を母相とする鉄を主成分とした摺動材料であって、
Ｃが２．５〜５重量％含有され、
Ｓｉ、ＭｎおよびＮｉが合計で２〜７重量％含有され、
且つ、Ｍｎ、ＮｉおよびＣｒが合計で０．０５〜７重量％含有され、
Ａｌが１．５〜１０重量％含有され、
前記母相中に１．５〜２０重量％のＡｌが含有され、
前記母相中にセメンタイト、Ｃｒ７Ｃ３型、Ｆｅ３Ｍ３Ｃ型およびＭＣ型のうちの一種以上の炭化物および黒鉛の少なくとも一方が分散され、
残りが鉄および不純物元素からなることを特徴とする摺動材料。
【請求項２】
請求項１において、前記母相中に５重量％以下のＳｉが含有されていることを特徴とする摺動材料。
【請求項３】
請求項１において、前記フェライト相中にＡｌが５〜２０重量％含有されるとともにＮｉおよびＭｎのうちの一種以上が合計で６〜３５重量％含有され、前記フェライト相の硬さがＨｖ５００以上に時効硬化され、前記フェライト相中に片状、粒状および芋虫状のうちの一種以上の黒鉛が３〜１５体積％析出されていることを特徴とする摺動材料。
【請求項４】
請求項１において、前記フェライト相中にＡｌが５〜２０重量％含有されるとともにＮｉおよびＭｎのうちの一種以上が合計で６〜３５重量％含有され、前記フェライト相の硬さがＨｖ５００以上に時効硬化され、前記フェライト相中に炭化物が５〜７５体積％析出されていることを特徴とする摺動材料。
【請求項５】
請求項１において、Ｃｕが４〜２０重量％含有され、前記フェライト相中にＡｌが５〜２０重量％含有されるとともにＮｉおよびＭｎのうちの一種以上が合計で６〜３５重量％含有され、前記フェライト相の硬さがＨｖ５００以上に時効硬化され、前記フェライト相中にＣｕ合金相が３〜２０体積％析出されていることを特徴する摺動材料。
【請求項６】
請求項１において、前記フェライト相中に５〜４０体積％のセメンタイトと３〜１０体積％の黒鉛を分散させた基本組織を有することを特徴とする摺動材料。
【請求項７】
請求項１において、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、ＷおよびＭｏのうちの一種以上が合計で０．０５〜７重量％含有され、前記マルテンサイト相の硬さがＨｖ５００以上に焼入れ硬化され、前記マルテンサイト相中に片状、粒状および芋虫状のうちの一種以上の黒鉛が３〜１５体積％析出されていることを特徴とする摺動材料。
【請求項８】
請求項１において、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、ＷおよびＭｏのうちの一種以上が合計で０．０５〜７重量％含有され、前記マルテンサイト相の硬さがＨｖ５００以上に焼入れ硬化され、前記マルテンサイト相中に炭化物が５〜７５体積％析出されていることを特徴とする摺動材料。
【請求項９】
請求項１において、Ｃｕが４〜２０重量％含有され、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、ＷおよびＭｏのうちの一種以上が合計で０．０５〜７重量％含有され、前記マルテンサイト相の硬さがＨｖ５００以上に焼入れ硬化され、前記マルテンサイト相中にＣｕ合金相が３〜２０体積％析出されていることを特徴とする摺動材料。
【請求項１０】
請求項１において、Ｃｕが４〜２０重量％含有され、前記マルテンサイト相中に５〜４０体積％のセメンタイトを分散させた基本組織中に、さらに、黒鉛およびＣｕ合金相の少なくとも一方が分散され、前記セメンタイトと前記黒鉛と前記Ｃｕ合金相の総量が１０〜７０体積％であることを特徴とする摺動材料。
【請求項１１】
請求項１、２、７乃至１０のいずれか一項において、前記マルテンサイト相の炭素濃度が０．１５〜０．７重量％であることを特徴とする摺動材料。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか一項において、前記黒鉛は、その平均粒径が１０μｍ以下であって、前記母相中に３〜１０体積％分散されていることを特徴とする摺動材料。
【請求項１３】
請求項１、２、７乃至１１のいずれか一項において、Ｓｉ、Ｍｎ、ＮｉおよびＣｏのうちの一種以上が総量で２〜７重量％含有され、残留オーステナイト相が１０〜４０体積％存在することを特徴とする摺動材料。
【請求項１４】
請求項１において、Ｃｕが４〜２０重量％含有され、前記母相中にＣｕ合金相が分散され、前記Ｃｕ合金相中にＡｌが７〜１５重量％含有され、前記Ｃｕ合金相の組織が（α＋β）相もしくはβ相からなることを特徴とする摺動材料。
【請求項１５】
請求項1において、３〜１５重量％のＭｏおよび３〜１５重量％のＷのうちの一種以上が含有され、前記母相中にセメンタイト、Ｃｒ７Ｃ３型、Ｆｅ３Ｍ３Ｃ型およびＭＣ型のうちの一種以上の炭化物が５〜７５体積％析出分散されていることを特徴とする摺動材料。
【請求項１６】
請求項１５において、前記母相中に４０〜７５体積％のセメンタイトが析出分散されていることを特徴とする摺動材料。
【請求項１７】
請求項１において、３〜１５重量％のＭｏおよび３〜１５重量％のＷのうちの一種以上が含有され、浸炭処理によって摺動面を構成する表面層部分に前記母相が形成され、その母相中にセメンタイト、Ｃｒ７Ｃ３型、Ｆｅ３Ｍ３Ｃ型およびＭＣ型のうちの一種以上の炭化物が５〜７５体積％析出分散されていることを特徴とする摺動材料。
【請求項１８】
請求項１乃至１７のいずれか一項において、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、ＮｂおよびＴａのうちの一種以上の合金元素が０．０５〜４重量％含有され、前記合金元素が主体となる炭化物、窒化物および炭窒化物のうちの一種以上が０．１〜１０体積％分散されていることを特徴とする摺動材料。
【請求項１９】
鋳鉄材からなる摺動部材であって、
前記鋳鉄材にＣが２．５〜５重量％含有され、Ｓｉ、ＭｎおよびＮｉが合計で２〜７重量％含有され、且つ、Ｍｎ、ＮｉおよびＣｒが合計で０．０５〜７重量％含有され、Ａｌが１．５〜１０重量％含有され、
少なくとも摺動面を構成する部位において、フェライト相およびマルテンサイト相の少なくとも一方を母相として有し、
前記母相中に１．５〜２０重量％のＡｌが含有され、
前記母相中にセメンタイト、Ｃｒ７Ｃ３型、Ｆｅ３Ｍ３Ｃ型およびＭＣ型のうちの一種以上の炭化物および黒鉛の少なくとも一方が分散され、
残りが鉄および不純物元素からなることを特徴とする摺動部材。
【請求項２０】
請求項１９において、前記母相中に５重量％以下のＳｉが含有されていることを特徴とする摺動部材。
【請求項２１】
請求項１９において、前記フェライト相中にＡｌが５〜２０重量％含有されるとともにＮｉおよびＭｎのうちの一種以上が合計で６〜３５重量％含有され、前記フェライト相の硬さがＨｖ５００以上に時効硬化されていることを特徴とする摺動部材。
【請求項２２】
請求項１９において、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、ＣｒおよびＭｏのうちの一種以上が合計で０．０５〜７重量％含有され、前記マルテンサイト相の硬さがＨｖ５００以上に焼入れ硬化されていることを特徴とする摺動部材。
【請求項２３】
請求項１９において、前記母相中に、前記黒鉛が、片状、粒状および芋虫状のうちの一種以上の黒鉛であって、３〜１５体積％析出されていることを特徴とする摺動部材。
【請求項２４】
請求項１９において、前記母相中に、前記炭化物が５〜７５体積％析出されていることを特徴とする摺動部材。
【請求項２５】
請求項１９において、Ｃｕが４〜２０重量％含有され、前記母相中に、Ｃｕ合金相が３〜２０体積％析出されていることを特徴する摺動部材。
【請求項２６】
請求項１９乃至２５のいずれか一項において、前記摺動部材は、建設機械の転輪アッセンブリもしくは歯車減速装置に組込まれるフローティングシールであることを特徴とする摺動部材。
【請求項２７】
請求項１９乃至２５のいずれか一項において、前記摺動部材は、建設機械の作業機連結装置に組込まれるスラスト軸受機能を有する作業機軸受であることを特徴とする摺動部材。
【請求項２８】
請求項１９乃至２５のいずれか一項において、前記摺動部材は、建設機械のサスペンション装置に組込まれる球面軸受であることを特徴とする摺動部材。
【請求項２９】
請求項１９乃至２５のいずれか一項において、前記摺動部材は、建設機械の車体を支えるイコライザ機構に組込まれる球面軸受であることを特徴とする摺動部材。
【請求項３０】
請求項１９乃至２５のいずれか一項において、前記摺動部材は、油圧ポンプもしくは油圧モータに組込まれる油圧部品であることを特徴とする摺動部材。
【請求項３１】
請求項１９乃至２５のいずれか一項において、前記摺動部材は、エンジン用バルブ装置に組込まれるバルブ部品であることを特徴とする摺動部材。
【請求項３２】
請求項１９乃至２５のいずれか一項において、前記摺動部材は、岩盤破砕用くさび装置に組込まれるくさびまたはくさびガイドであることを特徴とする摺動部材。
【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、減速装置などに使用されるフローティングシール部材や作業機連結装置の軸受に使用されるＦｅ系耐摩耗摺動材料および摺動部材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フローティングシールはそれら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ために、そのシール摺動面においては焼入れ処理によって高硬度なマルテンサイト組織とすることや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フローティングシール部材が多く製造されている。例えば、０．８重量％Ｃ低合金鋼、ニハード（Ｎｉ−ｈａｒｄ）鋳鉄、高炭素高Ｃｒ鋳鉄を用いた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耐摩耗性材料を溶射したフローティングシール部材が使用されている。
【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】
前記歯車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、土砂中での籾摺り（もみすり）運動によって微細な土砂粒子がシール面に侵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。このために、耐摩耗性と耐焼付き性に優れ、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、その結果として摩耗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とともに、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、近年のブルドーザー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、耐焼付き性、耐摩耗性及び耐ヒートクラック性を改善できるＦｅ系耐摩耗摺動材料および摺動部材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系耐摩耗摺動材料は、フェライト相およびマルテンサイト相の少なくとも一方を母相とするＦｅ系耐摩耗摺動材料であって、
前記母相中に１．５〜２０重量％のＡｌが含有され、
前記母相中にセメンタイト、Ｃｒ７Ｃ３型、Ｆｅ３Ｍ３Ｃ型およびＭＣ型のうちの一種以上の炭化物および黒鉛の少なくとも一方が分散されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る摺動部材は、鋼材又は鋳鉄材からなる摺動部材であって、
少なくとも摺動面を構成する部位において、フェライト相およびマルテンサイト相の少なくとも一方を母相として有し、前記母相中に１．５〜２０重量％のＡｌが含有され、前記母相中にセメンタイト、Ｃｒ７Ｃ３型、Ｆｅ３Ｍ３Ｃ型およびＭＣ型のうちの一種以上の炭化物および黒鉛の少なくとも一方が分散されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように本発明によれば、耐焼付き性、耐摩耗性及び耐ヒートクラック性を改善できるＦｅ系耐摩耗摺動材料および摺動部材を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本実施の形態によるＦｅ系耐摩耗摺動材料は、Ｆｅ−Ａｌ系の規則変態性を持つフェライト相およびマルテンサイト相の少なくとも一方を母相とし、この母相の凝着性を改善するとともに、耐焼付き性、耐摩耗性及び耐ヒートクラック性を改善するものである。
本実施の形態によるＦｅ系耐摩耗摺動材料においては、（１）母相の凝着性改善のために、１．５〜２０重量％のＡｌを固溶させて、規則−不規則変態性を付加させること、（２）耐ヒートクラック性を改善するために、ビッカース硬度Ｈｖ５００以上に時効硬化するフェライト相もしくは固溶炭素濃度を０．１５〜０．８重量％に抑制したＨｖ５００以上のマルテンサイト相を母相とすること、（３）その母相中に相手摺動材料に対するアタック性が少なく、かつ硬質なセメンタイト、Ｃｒ７Ｃ３型、Ｆｅ３Ｍ３Ｃ型およびＭＣ型のうちの一種以上の炭化物を３体積％以上分散させることにより耐凝着性と耐摩耗性を改善すること、（４）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３〜２０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こと、（５）馴染み性を改善するためにγ相もしくは残留γ相量を調整するべく、Ｓｉ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗの合金元素を適正に添加すること、が重要である。
【００１２】
本実施の形態によるＦｅ系耐摩耗摺動材料においては、凝着性改善のために、１．５〜２０重量％のＡｌが固溶され、Ｆｅ３Ａｌ、ＦｅＡｌ規則相に関係する規則−不規則変態性を示すフェライト相およびマルテンサイト相の少なくとも一つが母相とされ、さらに、そのフェライト母相およびマルテンサイト母相の少なくとも一方中に前記炭化物（セメンタイト、Ｃｒ７Ｃ３型、Ｆｅ３Ｍ３Ｃ型およびＭＣ型のうちの一種以上の炭化物）、黒鉛およびＣｕ合金相のうちの一種以上が分散されたものである。それによって耐焼付き性と耐摩耗性に優れたＦｅ系耐摩耗摺動材料となる。
【００１３】
図１のＦｅ−Ａｌ系合金相の規則不規則変態領域を示すグラフからわかるように、Ｆｅ−Ａｌ系フェライト相での規則−不規則変態性が起こり始める下限のＡｌ濃度は３重量％であるが、例えば１０重量％のＣｏの添加によって、その規則−不規則変態性は起こり易くなり、その時の下限のＡｌ濃度は１．５重量％になる。より好ましいＡｌ濃度の下限値は、フェライト相の規則性が明確に出現する３重量％である。
【００１４】
また、例えば５０体積％の多量のセメンタイトが共存する場合においては、Ａｌがセメンタイト中から排出され、フェライト相中に濃縮される。このことから、材料中に１．５重量％のＡｌが添加された場合には、フェライト相中のＡｌ濃度が約３重量％になるので、本実施の形態によるＦｅ系耐摩耗摺動材料における下限のＡｌ添加量は１．５重量％となる。またさらに、フェライト相中の上限のＡｌ濃度は、後述の時効硬化性によって顕著に硬化する約２０重量％とすることが好ましく（図２、３参照。）、その材料中への上限添加量も２０重量％とすることが好ましいが、５０体積％のセメンタイトが共存する場合においては、上限の添加量が１０重量％とすることが好ましい。
【００１５】
なお、この規則相は、不規則相に比べて化学的に安定であるから、摺動面の局部凝着による不規則化や摩擦熱による摺動面温度上昇による不規則化に伴う大きな吸熱反応が起こり、フェライト相の耐凝着性が改善される。
【００１６】
さらに、上記フェライト母相中に固体潤滑剤やオイルポケットとして摺動面への潤滑油の供給性を改善する黒鉛を分散させることは、耐摩耗摺動材料として耐焼付き性を改善する観点から好ましい。また、上記オイルポケットとしての機能の観点からは、材料中に耐焼付き性に優れたＣｕ合金相を共存させることが好ましい。さらにまた、硬質粒子分散の観点からは、硬質な前記炭化物（セメンタイトを含む）を適量（３〜７５体積％）分散させることによって、より耐焼付き性と耐摩耗性が改善される。このことから、後述する適用部材に応じて、黒鉛や前記炭化物を分散させた組織を調整することが好ましい。
【００１７】
また、Ｓｉは黒鉛化を促す合金元素であり、かつＦｅ３Ａｌと同様のＦｅ３Ｓｉ規則相を形成させ易くする元素であるから、Ｓｉは０〜５重量％（０重量％超５重量％以下）の範囲で共存しても良い元素である。５重量％より多くＳｉを添加すると鋳鉄素材が顕著に脆化することから、５重量％をＳｉ添加量の上限値とした。
【００１８】
また、本実施の形態においては、２．５〜５重量％のＣを添加した鋳鉄素材であって、Ｎｉ、ＣｏおよびＭｎのうちの一種以上を合計で６〜３５重量％含有するフェライト母相中に、片状、粒状および芋虫状のうちの一種以上の黒鉛を３〜１５体積％析出分散させた鋳鉄素材を用意する。この鋳鉄素材を４００℃以上の温度で加熱処理することにより、前記フェライト母相をＨｖ５００以上の硬さに硬化（時効硬化）させるとともに該フェライト母相に規則相を形成する。これにより、経済性に優れ、且つ耐焼付き性に優れたＦｅ系耐摩耗摺動材料を得ることができる。
【００１９】
高炭素濃度なマルテンサイト相が、摺動時の摩擦熱によってヒートクラックを起こし易い。これに対して、本実施の形態では、Ｆｅ系耐摩耗摺動材料の母相を高温まで安定なフェライト相とすることによって、顕著な耐ヒートクラック性が発現される。
【００２０】
上記Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ等の合金元素は黒鉛中に含有されないことから、含有するＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎはフェライト相中に濃縮される。このため、Ｎｉ、ＣｏおよびＭｎのうちの一種以上の合計含有量としては、６〜３５重量％が好ましいが、前記図３を参考にして、６〜２５重量％が経済的にも好ましい。また、フェライト相中のＡｌの含有量は５〜２０重量％が好ましい。
【００２１】
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（オイルポケット作用と呼ぶ。）が明らかに出現する３体積％を下限値とし、従来鋳鉄中の黒鉛最大量である１５体積％を上限とすることが好ましい。さらに、片状黒鉛が上記オイルポケット作用をより効果的に示すことから、片状黒鉛が主体とされる黒鉛が分散されることが好ましい。またさらに、黒鉛の成長処理を施すと上記潤滑改善作用が高められることから、後述する作業機軸受部材に適用する場合に好ましい。含油焼結材料の気孔率を参考にして黒鉛の下限値を７体積％としても良く（黒鉛：７〜１５体積％）、この摺動材料中の黒鉛に潤滑油を含油処理し、作業機軸受への給脂時間間隔の延長化を図ることも可能である。
【００２２】
また、作業機軸受と摺動し合う作業機ピンに対するアタック性が問題を起こさない範囲において、セメンタイトや工具鋼、高速度鋼に分散されているＣｒ７Ｃ３型炭化物、Ｆｅ３Ｍ３Ｃ(例えばＭは、Ｍｏ，Ｗなど)型炭化物、さらに、後述するＶ４Ｃ３などのＭＣ型炭化物を適量（３〜７５体積％）分散させることは、作業機軸受の耐摩耗性と耐焼付き性および摺動時の異音発生の防止に好ましいことである。
【００２３】
また、より高面圧下や偏荷重の受けやすい作業機軸受用のＦｅ系耐摩耗摺動材料中の黒鉛量としては、黒鉛によるオイルポケット作用が飽和し、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。
【００２４】
耐土砂摩耗性が必要なフローティングシールに適用するＦｅ系耐摩耗摺動材料としては、上記硬質なフェライト相中にセメンタイトを多量に分散させることによって、より優れた耐摩耗性の得られることが期待される。そこで、本実施の形態においては、Ｃが０．４〜５重量％含有され、フェライト母相中に、少なくとも、Ａｌが５〜２０重量％含有されるとともにＮｉ、ＣｏおよびＭｎのうちの一種以上が６〜３５重量％含有され、４００℃以上の温度でＨｖ５００以上に時効硬化されることと、さらに前記炭化物（セメンタイトを含む）が５〜７５体積％分散されることが好ましい。
【００２５】
前記炭化物（セメンタイトを含む）の分散量の下限値は、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３体積％以上に調整されていることを参考にして５体積％とすることが好ましい。また、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は、より多くの硬質粒子分散効果を持たせることがより有効であり、２０体積％を下限値とすることがより好ましい。
【００２６】
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前記炭化物（セメンタイトを含む）をより多く分散させることが有効であるから、本実施の形態においては、上限のセメンタイト量を７５体積％とする。例えば、前記高炭素高Ｃｒ鋳鉄材において析出分散する炭化物量が５０体積％であり、これ以上の炭化物を分散させると脆弱化するので、本実施の形態の上限の炭化物分散量を５０体積％とすることがより好ましい。
【００２７】
また、例えば上記フェライト母相中に上記セメンタイトが５０体積％共存する場合においては、Ａｌ，Ｓｉ，Ｃｏ，Ｎｉはセメンタイトから排出される元素である（分散係数ＫＭ＝セメンタイト中の合金元素Ｍ濃度／フェライト中の合金元素Ｍ濃度、ＫＣｏ、Ｎｉ＝約０．３、ＫＡｌ，Ｓｉ＝０）。フェライト相中のＣｏ濃度を７重量％とするためのＣｏ添加量は４．５重量％となることから、Ｃｏ添加量としては５〜３５重量％が好ましい。経済性を考慮した場合には、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎの添加量を５〜２０重量％の範囲にとどめることがより好ましい。さらに、Ａｌもセメンタイト中にはほとんど固溶しないことから、フェライト相中のＡｌ濃度を５重量％とするためのＡｌ下限添加量は２．５重量％まで低減することができる。これは溶解法で製造する観点から好適である。さらに、上記のようにセメンタイトを多量に分散させることは、高価な合金使用量が顕著に低減され、より経済性が改善される。
【００２８】
さらに、上記主旨から、２０〜７５体積％の多量のセメンタイトをフェライト相中に析出させて、より耐摩耗性に優れたＦｅ系耐摩耗摺動材料を製造するのに、１．５〜５重量％Ｃを含有させたチル鋳鉄素材を利用することは経済的により好ましい。この場合の母相の一部もしくは全部がマルテンサイト化する場合があるが、４００℃以上の温度での加熱・時効硬化処理を施すことから、その高炭素濃度なマルテンサイト相がフェライト相と微細なセメンタイトに分解し、かつ、ＡｌとＣｏ，Ｎｉ，Ｍｎの合金元素による時効硬化性によってフェライト相がＨｖ５００以上に硬化して耐摩耗性が改善されると共に、摺動時の摩擦熱によるヒートクラック発生を防止することが出来る。
【００２９】
また、上記チル鋳鉄中のセメンタイトを黒鉛化焼鈍処理によって、多量に分散するセメンタイトの一部を平均粒径１０μｍ以下の黒鉛に変え、この黒鉛を母相中に３〜１０体積％分散させることができる。これは、粗大セメンタイトの微細化と顕著な減量を伴うため、Ｆｅ系耐摩耗摺動材料の靭性を改善するとともに、耐焼付き性能と耐摩耗性のバランスを取る上で極めて好ましい。また、黒鉛の平均粒子間距離が短くなり、オイルポケット作用がより有効に作用することは好適である。
【００３０】
なお、５００〜７００℃でのフェライト相を硬化させる時効硬化処理中にセメンタイトを黒鉛化することも可能であるが、処理時間と黒鉛化の適正時間が合致しないことが多い。そこで、８００℃以上の温度で黒鉛化処理を行った後、急冷して、５００〜７００℃でフェライト相を硬化させるための時効硬化処理を施すことが好ましい。
【００３１】
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ことは高Ｃｒ工具鋼、高速度鋼の例からも分かり、この場合にはＦｅ系耐摩耗摺動材料に２．５〜２５重量％のＣｒ、３〜１５重量％のＭｏおよび３〜１５重量％のＷのうちの一種以上を含有させることによって、母相中にセメンタイト、Ｃｒ７Ｃ３型、Ｆｅ３Ｍ３Ｃ型およびＭＣ型のうちの一種以上の炭化物を５〜７５体積％分散させることが好ましい。
なお、前記Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ等の合金元素はセメンタイト中に多く固溶することが可能でセメンタイトをより安定化し、セメンタイトの黒鉛化を防止する作用があることから、黒鉛を分散させる材料系においては添加量を抑制することが必要になる。Ｖ，Ｔｉ等のＭＣ型炭化物を形成する合金元素はセメンタイトにあまり溶込むことが出来ず、セメンタイトの黒鉛化を防止する作用が無いことから、耐焼付き性に優れ、極めて硬質なＭＣ型炭化物を分散させることによって耐摩耗性の改善を図ることが好ましい。
さらに、炭化物としてセメンタイトを主に分散させるような場合には、前述のようなセメンタイトと合金元素の関係を考慮して、Ｆｅ系耐摩耗摺動材料に１．５〜１０重量％のＡｌおよび２．５〜１４重量％のＣｒを含有させ、母相中に４０〜７５体積％のセメンタイトを分散させることが好ましい。
また、後述するように、浸炭処理を行うことで前記母相を摺動面を構成する表面層部分に形成してもよく、この場合のＦｅ系耐摩耗摺動材料は、２．５〜２５重量％のＣｒ、３〜１５重量％のＭｏおよび３〜１５重量％のＷのうちの一種以上が含有させ、浸炭処理によって摺動面を構成する表層部分に前記母相が形成させ、その母相中にセメンタイト、Ｃｒ７Ｃ３型、Ｆｅ３Ｍ３Ｃ型およびＭＣ型のうちの一種以上の炭化物が５〜７５体積％析出分散させることが好ましい
【００３２】
上記黒鉛によるオイルポケット作用を利用する場合において、および、セメンタイトを多量に分散させる方法においては、上記Ｆｅ系耐摩耗摺動材料が脆化することが多い。そこで、本実施の形態においては、上記フェライト相中にＣｕ合金相を３〜２０体積％析出分散させることが好ましい。
【００３３】
Ｃｕ合金相は前述のようにオイルポケット作用を期待するものであることから、その下限含有量を黒鉛と同様に３体積％とすることが好ましい。Ｃｕ合金相の上限含有量は、Ｃｕ合金相が脆化を起こさないことから多量に分散させることが可能であるが、軟質なＣｕ合金相は耐摩耗性を劣化させることから、本実施の形態においては２０体積％とすることが好ましい。また、上記セメンタイトが５０体積％共存する場合には、Ｃｕはセメンタイトを固溶しないことから、少なくともＣｕが４〜２０重量％添加されることが好ましい。
【００３４】
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良く利用される。また、上記マルテンサイト母相中に分散するＣｕ合金相は、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等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りを形成し、摺動面における潤滑改善作用を示すことと、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３体積％を下限値とした。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、その上限値を２０体積％とした。
【００３５】
さらに、このＣｕ合金相を微細なヒートクラックの進展途中に分散させることによって、そのクラックの進展を止める作用があることから、本実施の形態においては、前記高炭素高Ｃｒ鋳鉄で平均的な炭化物量（２５〜４０体積％）を参考にして、Ｃが２．５〜５重量％含有され、前記フェライト相中に５〜４０体積％のセメンタイトと３〜１０体積％の黒鉛を分散させた基本組織を有し、この基本組織中にさらにＣｕ合金相が分散され、前記セメンタイトと黒鉛とＣｕ合金相の総量が１０〜７０体積％の範囲であることが好ましい。
【００３６】
上記Ｆｅ系耐摩耗摺動材料は、Ｆｅ３ＡｌおよびＦｅＡｌの規則相の少なくとも一方を持ち、かつＨｖ５００以上に硬化させたフェライト相を母相とすることによって優れた耐焼付き性と耐摩耗性を発現させたものである。また、フェライト相中のＮｉ，Ｃｏ，Ｍｎ元素濃度を６重量％以上にするために、経済性の観点からは高価な材料となりやすい問題点がある。そこで、本実施の形態では、少なくともＡｌを１．５〜１０重量％含有し、さらに、Ｃｏ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｒ，ＷおよびＭｏのうちの一種以上を０．０５〜７重量％添加し、急冷処理によって高硬度な（Ｈｖ５００以上の）マルテンサイト相を母相とするＦｅ系耐摩耗摺動材料を得る。
【００３７】
まず、本実施の形態によるＦｅ系耐摩耗摺動材料は、上記Ｆｅ系耐摩耗摺動材料中にＣを２．５〜５重量％添加し、且つＡｌを１．５〜１０重量％含有させるとともに少なくともＮｉ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｃｒ，ＷおよびＭｏのうちの一種以上を合計で０．０５〜７重量％含有させ、そのマルテンサイト母相の硬さをＨｖ５００以上に焼入れ硬化させるとともに、さらに、そのマルテンサイト母相中に片状、粒状および芋虫状のうちの一種以上の黒鉛を３〜１５体積％析出させたものである。
【００３８】
本実施の形態によるマルテンサイト相中のＡｌ濃度は、前記フェライト相における時効硬化性を必要としないことから、図１に示したＦｅ３Ａｌ規則相の化学量論組成１２重量％を上限濃度とすることが経済的にも好ましい。また、Ｆｅ３Ａｌ相の規則−不規則変態温度が８重量％以上で飽和することから、マルテンサイト母相中のＡｌ濃度は３〜８重量％とするのがより好ましく、さらに好ましくはマルテンサイト母相中に２．５〜７重量％Ａｌを添加することである。
【００３９】
なお、上記分散させる黒鉛の作用は、前述した黒鉛の作用とほぼ同じであり、作業機軸受として本実施の形態によるＦｅ系耐摩耗摺動材料を利用する場合には、黒鉛が７〜１５体積％分散されることがより好ましい。
【００４０】
また、本実施の形態によるＦｅ系耐摩耗摺動材料の素材母相組織がベイナイト、パーライト、フェライト組織の場合においては、その材料のＡ１温度以上に再加熱して急冷する焼入れ処理が施され、その後においては４００℃以下の温度における焼戻し処理が実施されることが好ましい。
【００４１】
またＳｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｏの合金元素は焼入れ性を確保するために添加されるとともに、Ｓｉ，Ａｌ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｃｒはマルテンサイト相の焼戻し軟化抵抗を高め、摺動面における発熱によるマルテンサイト硬さの低減をできるだけ防止するためのものである。Ｓｉ，Ａｌは極めて効果的な元素であることから、Ｓｉは多く添加されることが望ましいが、前述のように５重量％を越えると脆化しやすいことから、Ｓｉの上限添加量を４重量％とするのが好ましい。
【００４２】
また、Ｃｒ，Ｍｏは、セメンタイトを安定化する元素であることから、多量の添加によって上記鋳造時の黒鉛析出を妨害し、多量のセメンタイトを析出してチル鋳鉄化する。この場合においては、上記黒鉛化処理によってセメンタイトが簡便に黒鉛化する範囲に留めておくことが好ましく、本実施の形態においてはＣｒ３重量％、Ｍｏ１重量％を上限添加量とすることが好ましい。
【００４３】
また、図４に示すフローティングシール部材の稼動中の摺動部位における温度が１８０℃にまで昇温することがあり、その摺動面においては４００〜５００℃レベルに発熱することが予想されていることから、少なくとも４００℃での焼戻し硬さがＨｖ５００以上に保持されるように調整されることが好ましい。本実施の形態においては、Ａｌが１．５重量％以上添加されることから、十分な焼戻し軟化抵抗性が得られることが特徴とされている。また、Ｓｉによる焼戻し軟化抵抗性を利用する場合においては、Ｓｉを０．５重量％以上添加するのが好ましい。
【００４４】
本実施の形態においては、上記Ｆｅ系耐摩耗摺動材料中にＣが０．４〜５重量％添加され、少なくともＡｌが１．５〜１０重量％含有され、Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｒ，ＷおよびＭｏのうちの一種以上が合計で０．０５〜７重量％含有され、そのマルテンサイト母相の硬さをＨｖ５００以上に焼入れ硬化させるとともに、さらに、そのマルテンサイト母相中にセメンタイトを含む炭化物が５〜７５体積％析出されることが好ましい。
【００４５】
上記セメンタイトの作用効果は前述した作用効果とほぼ同じであるが、さらに、上記焼戻し軟化抵抗性の観点から検討した場合に、図５に示すように４００℃以上での焼戻し硬さは、マトリックスとセメンタイトの炭素量合計の平方根に比例してより硬くなり、例えば、２．５重量％のＣを含有するチル鋳鉄（２５体積％のセメンタイト＋０．８重量％のＣを含有するマルテンサイト）では４００℃焼戻し硬さがＨｖ６５０以上に硬化している。このことから、セメンタイトの高密度な分散が耐焼付き性の観点からも好ましいことが分かるので、本実施の形態における炭素添加量を２〜５重量％、Ａｌ添加量を１．５〜７重量％として、セメンタイトが２０体積％以上分散するように調整することが好ましい。
【００４６】
また、本実施の形態においては、上記Ｆｅ系耐摩耗摺動材料中にＣが０．４〜５重量％添加されるとともに、少なくとも、Ａｌが１．５〜１０重量％含有され、Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｒ，ＷおよびＭｏのうちの一種以上が合計で０．０５〜７重量％含有され、そのマルテンサイト母相の硬さをＨｖ５００以上に焼入れ硬化させるとともに、さらに、そのマルテンサイト母相中にＣｕ合金相が３〜２０体積％析出されることが好ましい。
さらに、本実施の形態においては、上記Ｆｅ系耐摩耗摺動材料中にＣが０．４〜５重量％添加されるとともに、そのマルテンサイト母相中に５〜４０体積％のセメンタイトを分散させた基本組織中に、さらに、黒鉛およびＣｕ合金粒子の少なくとも一方が分散されて、セメンタイト、黒鉛およびＣｕ合金相の総量が１０〜７０体積％であることが好ましい。これらは前述したセメンタイト、黒鉛、Ｃｕ合金相の示す作用とほぼ同じである。
【００４７】
なお、上記マルテンサイト相中のＡｌは、はじめに不規則的な配列を持つものと考えられるが、摺動面での局部的加熱によって前記規則性を持つようになり、その化学的安定性が高まり、凝着性が改善される。さらに一旦規則性を持ったマルテンサイト母相が凝着を伴う摺動熱によって不規則化する場合においては、大きな吸熱反応によって凝着の進行を抑制する作用が発現されることから、マルテンサイト相の凝着性が改善される。
【００４８】
例えば前述のフローティングシール用によく利用される高炭素高Ｃｒ鋳鉄では、マルテンサイト母相の炭素濃度が０．８重量％と高いために、摺動時の摩擦熱によってヒートクラックを起こし易い問題を抱えている。この場合においては、マルテンサイト母相の炭素濃度を０．６重量％以下に低減するように合金元素を調整することによって、耐ヒートクラック性が顕著に改善される。本実施の形態によるＦｅ系耐摩耗摺動材料は上記規則変態性を持つマルテンサイト相を母相としていることから耐ヒートクラック性は改善されている。また、前記Ｆｅ系耐摩耗摺動材料においては上記マルテンサイト母相の上限炭素濃度を、少なくとも０．８重量％以下、好ましくは０．７重量％以下とする。また、マルテンサイト母相中の下限炭素濃度を、焼入れ硬さがＨｖ５００以上となるように０．１５重量％とする。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して、上記Ｆｅ系耐摩耗摺動材料中に固溶される炭素量の上限値を０．５５重量％とし、下限値を０．１５重量％とすることが好ましい。
【００４９】
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相の硬さがＨＲＣ５０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、マルテンサイト相中の炭素濃度が０．２〜０．５重量％に調整されることがより好ましい。
【００５０】
なお、マルテンサイト母相中の上記炭素量を調整する方法としては、鋳造工程において片状、球状および芋虫状のうちの一種以上の黒鉛を析出させ、母相がほぼパーライト組織化している場合においては、少なくともＡ１温度から焼入れ温度の範囲を１５０℃／ｓｅｃ以上の急速加熱（例えば、誘導加熱）後に、急冷を施して、未固溶セメンタイトがパーライト状に残留するようにして、マルテンサイト母相中の炭素濃度を調整することが好ましい。また、上記母相がフェライトである場合においては、Ａ１温度以上に加熱して、フェライト相をオーステナイト相に変え、黒鉛からオーステナイトに炭素を拡散させて固溶させることを図った後に、一旦冷却して、母相をパーライト組織化し、上記急速加熱、急冷の熱処理を施すことが好ましい。
【００５１】
さらに、マルテンサイト中の炭素の活量を顕著に高めるＳｉが約０．１重量％Ｃ／重量％Ｓｉの割合で上記炭素濃度を低減できることから、本実施の形態においては、マルテンサイト母相中のＳｉ濃度が２重量％以上となるようにする。また、Ｓｉは黒鉛およびセメンタイト中にほとんど固溶しないことから、材料中に添加されるＳｉはマルテンサイト中に顕著に濃縮され、セメンタイトが５０体積％分散する場合においては、添加量の２倍のＳｉ濃度がマルテンサイト母相中のＳｉ濃度となることから、Ｓｉ添加量としては１重量％以上が適当であることがわかる。
【００５２】
炭素の活量に対するＳｉの作用と同様な作用を示す元素としては、Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｕ等の合金元素が挙げられるので、これらの合金元素が積極的に添加されることが好ましい。
【００５３】
なお、前記フローティングシール部材として上記硬質なＦｅ系耐摩耗摺動材料を適用する場合においては、適正な馴染み性が必要とされる。本実施の形態によるＦｅ系耐摩耗摺動材料中の黒鉛、Ｃｕ合金相はその軟質性とオイルポケット作用によって、その適正な馴染み性を得ることができる。本実施の形態においては、少なくともＳｉ、Ｍｎ、ＮｉおよびＣｏのうちの一種以上が総量で２〜７重量％含有され、残留オーステナイト相が１０〜４０体積％存在することとし、少なくともその摺動面においてγ相（残留γ相を含む）５〜３０体積％を有することによって、馴染み性の改善を図ることができる。また、フローティングシール等の摺動面に土砂等の異物を噛んだ時の破損を軽減するために、ベアリングなど転動部材においては５〜４０体積％程度の残留γ相が適性であることから、本実施の形態における残留γ相の上限値を４０体積％とし、下限値を５体積％とする。
なお、下記の第１〜第４のＦｅ系耐摩耗摺動材料におけるγ相はＮｉ，Ｍｎの添加量によって調整されるものであり、耐摩耗性を顕著に低減することからＣｕ合金相と同様に２０体積％以下とすることが好ましいが、マルテンサイト母相中の残留γ相の約５０％は摩耗時においてマルテンサイト変態し、耐摩耗性を顕著に劣化させない。
第１のＦｅ系耐摩耗摺動材料は、Ｃが２．５〜５重量％含有され、フェライト相中にＡｌが５〜２０重量％含有されるとともにＮｉ、ＣｏおよびＭｎのうちの一種以上が６〜３５重量％含有され、前記フェライト相の硬さがＨｖ５００以上に時効硬化され、前記フェライト相中に片状、粒状および芋虫状のうちの一種以上の黒鉛が３〜１５体積％析出されているものである。
第２のＦｅ系耐摩耗摺動材料は、Ｃが０．４〜５重量％含有され、フェライト相中にＡｌが５〜２０重量％含有されるとともにＮｉ、ＣｏおよびＭｎのうちの一種以上が６〜３５重量％含有され、前記フェライト相の硬さがＨｖ５００以上に時効硬化され、前記フェライト相中に前記炭化物が５〜７５体積％析出されているものである。
第３のＦｅ系耐摩耗摺動材料は、Ｃが０．４〜５重量％含有され、フェライト相中にＡｌが５〜２０重量％含有されるとともにＮｉ、ＣｏおよびＭｎのうちの一種以上が６〜３５重量％含有され、前記フェライト相の硬さがＨｖ５００以上に時効硬化され、前記フェライト相中にＣｕ合金相が３〜２０体積％析出されているものである。
第４のＦｅ系耐摩耗摺動材料は、Ｃが２．５〜５重量％含有され、前記フェライト相中に５〜４０体積％のセメンタイトと３〜１０体積％の黒鉛が分散され、前記フェライト相中にＣｕ合金相が分散され、前記セメンタイトと前記黒鉛と前記Ｃｕ合金相の総量が１０〜７０体積％である。
【００５４】
残留オーステナイトは摺動時にその半数以上が馴染み性を取るためにマルテンサイト変態化し、硬質化するが、残存する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。しかし、残留オーステナイトが多過ぎた場合においては耐摩耗性を劣化させるために、残留オーステナイト相を１０〜４０体積％の範囲で調整されることが適性である。
【００５５】
また、前記フローティングシール部材として上記母相中にＣｕ合金相が分散するＦｅ系耐摩耗摺動材料を適用する場合においては、そのＣｕ合金相が鉄系母相と摺動し合うこと、さらに、Ｃｕ合金相の摩耗粉が発生することから、Ｃｕ合金相が鉄系母相と焼付き難いことが好ましい。そこで、本実施の形態においては、少なくともＣｕ合金相中にＡｌが７〜１５重量％含有され、そのＣｕ合金相の組織が（α＋β）相もしくはβ相からなることが好ましい。
【００５６】
なお、上記Ｃｕ−Ａｌ系合金に関して、β相はＡｌ以外にＳｉ，Ｎｉ，Ｍｎによって顕著に安定化される。
【００５７】
さらに、Ｖ，Ｗ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔａを主体として形成される炭化物であって、ＭＣ型炭化物は最も硬質であり、耐摩耗性の改善に大きく寄与し、かつこれらの元素は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、本実施の形態によるＦｅ系耐摩耗摺動材料においては、少なくともＶ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａのうち一種以上の合金元素が０．０５〜４重量％含有されるとともに、それらの合金元素が主体となる炭化物、窒化物および炭窒化物のうちの一種以上が０．１〜１０体積％分散されていることが好ましい。Ｖ，Ｔｉ，Ｚｒ，ＮｂおよびＴａのうちの一種以上を０．０５〜４重量％添加することによって１〜８体積％のＭＣ型炭化物を分散させ、耐摩耗性を改善することができる。
【００５８】
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、０．５〜４重量％のＴｉ添加によって０．６３重量％（１体積％）〜５重量％（８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８体積％としたのは、前記高速度鋼におけるＭＣ型炭化物量が約８体積％を越えることが無いからであるが、さらに、フローティングシール部材としての初期馴染み性が悪いことから決められるものでもある。また、溶製の段階に窒素を含有させることによりそれらの窒化物および炭窒化物の少なくとも一方が析出するが、これらは炭化物以上に耐焼付き性が優れることから、本発明においては積極的に分散させることが好ましい。
【００５９】
なお、より耐摩耗性を重視する場合の鋳造フローティングシール材料においては、より硬質なセメンタイトを含む前記炭化物をより多く分散させることが望ましいが、鋳造法によって多量の炭化物を分散させる場合に、その鋳造フローティングシールが脆弱化しすぎることが多い。そこで、本実施の形態による浸炭Ｆｅ系耐摩耗摺動部材においては、少なくとも１．５〜５重量％のＡｌおよび２．５〜１４重量％のＣｒ、３〜１５重量％のＭｏおよび３〜１５重量％のＷのいずれか一種以上を含有するとともに、さらに、Ｃ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｕ，ＢおよびＰのうちの一種以上の合金元素およびＳ，Ｏ，Ｎの不純物元素が含有され残りが実質的にＦｅからなる鋼材又は鋳鉄材を用意し、この鋼材又は鋳鉄材の少なくとも摺動面表面層を浸炭処理して前記炭化物（セメンタイトを含む）を５〜７５体積％分散させることにより、高靭性な組織構造を有する摺動材料とすることができる。またＭｏおよびＷを合計で７重量％以下に抑え、セメンタイトを４０〜７５体積％分散させることにより、より経済性を改善することが好ましい。前記鋼材又は前記鋳鉄材はフェライト相およびマルテンサイト相の少なくとも一方を母相として有し、前記母相中に炭化物および黒鉛の少なくとも一方が分散されている。また、前記鋼材又は前記鋳鉄材に０．０５〜１０重量％のＣｏをさらに含有させても良い。
また、前記母相中に５重量％以下のＳｉが含有されていることも可能である。また、前記鋼材又は前記鋳鉄材にＣが０．４〜５重量％含有され、前記鋼材又は前記鋳鉄材にＡｌが１．５〜１０重量％含有されるとともにＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、ＷおよびＭｏのうちの一種以上が合計で０．０５〜７重量％含有され、前記マルテンサイト相の硬さがＨｖ５００以上に焼入れ硬化され、前記マルテンサイト相中に炭化物が５〜７５体積％析出されていることも可能である。また、前記マルテンサイト相の炭素濃度は０．１５〜０．７重量％であることが好ましい。また、前記鋼材又は前記鋳鉄材にＳｉ、Ｍｎ、ＮｉおよびＣｏのうちの一種以上が総量で２〜７重量％含有されるとともに残留オーステナイト相が１０〜４０体積％存在することも可能である。また、前記鋼材又は前記鋳鉄材にＶ、Ｔｉ、Ｚｒ、ＮｂおよびＴａのうち一種以上の合金元素が０．０５〜４重量％含有されるとともに前記合金元素が主体となる炭化物、窒化物および炭窒化物のうちの一種以上が０．１〜１０体積％分散されていることも可能である。
【００６０】
上記浸炭または浸炭浸窒処理によってセメンタイトを形成させる場合においては、高い炭素活量（Ａｃ）下での処理が必要であるが、浸炭炉の安定した操業状態を確保する観点から、図６に示すＦｅ−Ｃ−Ｃｒ三元系状態図（ａｔ１０００℃）を参照しながら、Ａｃ＝０．５〜０．８で操業することを前提とし、さらに、セメンタイトが析出する前に少なくともＣｒ７Ｃ３型炭化物を一旦析出させた後に、その炭化物を核にしてセメンタイトを分散性良く析出させながら多量に析出させるために、そのＣｒ下限添加量を（オーステナイトγ＋セメンタイト＋Ｃｒ７Ｃ３炭化物）の三相共存領域のＫ点とし、Ｃｒ上限添加量はＡｃ＝０．５で浸炭した際に７０体積％のセメンタイト量が析出する１４重量％とすることが好ましいが、経済的には８重量％であることがさらに好ましい。
【００６１】
また、本実施の形態においてはセメンタイトが分散された摺動面表面層の下部に硬質なＣｒ７Ｃ３炭化物が析出した硬質相が形成されることから、摩耗によってセメンタイト分散層が消失した場合においてもより硬質なＣｒ７Ｃ３炭化物が多く分散する層が存在することになる。このために本実施の形態による摺動部材は品質上好ましい。
【００６２】
またさらに、浸炭処理によって、前記摺動面表面層にＴｉＣＮ，ＶＮ，ＡｌＮ，ＴｉＡｌＮ等の窒化物および炭窒化物の少なくとも一方を分散させることは、本実施の形態におけるＦｅ３Ａｌ規則相を形成する際に必要なＡｌをＡｌＮとして消費することになるので、浸炭処理はＮ２ガスフリーな浸炭雰囲気とすることが好ましい。
【００６３】
さらに、前述したＦｅ系耐摩耗摺動材料の特性を利用した、本実施の形態の摺動部材は、鋼材又は鋳鉄材からなる摺動部材であって、少なくとも摺動面を構成する部位において、フェライト相およびマルテンサイト相の少なくとも一方を母相として有し、母相中に１．５〜２０重量％のＡｌが含有され、母相中にセメンタイト、Ｃｒ７Ｃ３型、Ｆｅ３Ｍ３Ｃ型およびＭＣ型のうちの一種以上の炭化物および黒鉛の少なくとも一方が分散されていることを特徴としている。ここで、母相中に５重量％以下のＳｉが含有されていることが好ましい。また、鋼材又は鋳鉄材にＣが０．４〜５重量％含有され、フェライト相中にＡｌが５〜２０重量％含有されるとともにＮｉ、ＣｏおよびＭｎのうちの一種以上が合計で６〜３５重量％含有され、フェライト相の硬さがＨｖ５００以上に時効硬化されていることが好ましい。また、鋼材又は鋳鉄材にＣが０．４〜５重量％含有され、Ａｌが１．５〜１０重量％含有され、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、ＣｒおよびＭｏのうちの一種以上が合計で０．０５〜７重量％含有され、マルテンサイト相の硬さがＨｖ５００以上に焼入れ硬化されていることが好ましい。また、母相中に、黒鉛が、片状、粒状および芋虫状のうちの一種以上の黒鉛であって、３〜１５体積％析出されていることが好ましい。また、母相中に、炭化物が５〜７５体積％析出されていることが好ましい。また、母相中に、Ｃｕ合金相が３〜２０体積％析出されていることが好ましい。
前述したＦｅ系耐摩耗摺動材料又は摺動部材を使って、より高性能な耐摩耗摺動部材を開発する事例としては、前述の建設機械の転輪アッセンブリもしくは歯車減速装置に組込まれるフローティングシール、建設機械の作業機連結装置に組込まれるスラスト軸受機能を有する作業機軸受、建設機械のサスペンション装置に組込まれる球面軸受、建設機械の車体を支えるイコライザ機構に組込まれる球面軸受、油圧ポンプもしくは油圧モータに組込まれる油圧部品、エンジン用バルブ装置に組込まれるバルブ部品、岩盤破砕用くさび装置に組込まれるくさびまたはくさびガイド等への適用が多く考えられる。
【００６４】
次に、本発明によるＦｅ系耐摩耗摺動材料および摺動部材のより具体的な実施の形態について説明する。
【００６５】
最初に、より安価な鋳造法によって製造される鋳造フローティングシール部材として、少なくとも２．５〜５重量％のＣと２．５〜２５重量％のＡｌが含有されるとともに、Ｎｉ，ＭｎおよびＣｏのうちの一種以上が５〜３５重量％添加され、さらに、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｕ，Ｖ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔａ，ＢおよびＰのうちの一種以上の合金元素およびＳ，Ｏ，Ｎの不純物元素が含有され、残りが実質的にＦｅからなる鋳鉄フローティングシール素材を用意する。この鋳鉄フローティングシール素材において、４００℃以上の温度でＨｖ５００以上に時効硬化させたフェライト相を母相とし、少なくとも黒鉛が３〜１５体積％分散されている。
【００６６】
また、少なくとも０．４〜５重量％のＣと１．５〜２５重量％のＡｌが含有されるとともに、Ｍｎ，ＮｉおよびＣｏのうちの一種以上が４〜３５重量％含有され、さらに、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｕ，Ｖ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ，ＢおよびＰのうちの一種以上の合金元素およびＳ，Ｏ，Ｎの不純物元素が含有され、残りが実質的にＦｅからなる鋳鉄フローティングシール素材を用意する。この鋳鉄フローティングシール素材において、４００℃以上の温度でＨｖ５００以上に時効硬化させたフェライト母相中に、少なくとも５〜７５体積％のセメンタイトが分散されている組織を有する。このフローティングシール部材において、より摺動面における耐熱軟化抵抗性を高め、耐焼付き性と耐摩耗性を改善する目的と、合金元素添加量を低減し経済性を高める目的から、少なくともＣを１．５〜５重量％含有させ、少なくともセメンタイトが２０〜７５体積％分散しているものとするのが好ましい。また、鋳造時の黒鉛の析出を抑制することとフェライト相の時効硬化処理中に多量のセメンタイトが黒鉛に分解し過ぎないように、Ｃｒを０．５〜５重量％添加することが好ましい。
【００６７】
上記チル鋳鉄中に含有されるセメンタイトは、その硬さがＨｖ８００〜１３００程度であり、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ等の特殊炭化物に比べ軟質であり、相手摺動材料に対するアタック性が小さく、かつ他の特殊炭化物に比べて靭性に優れている。さらに、セメンタイトは２１５℃に磁気変態温度を持つ強磁性体であることに注目すると、この温度近傍で磁気変態によるλ型の吸熱反応が顕著に出現し、多量のセメンタイトが析出する摺動面において、摺動面温度の上昇による潤滑性の切れを防止するために良い影響を与えることが期待され、その磁気変態温度が６０〜１８０℃に調整されることが好ましい。なお、潤滑油の粘性が顕著に低下し始める６０℃と潤滑油が劣化する１８０℃において、セメンタイトの磁気変態による顕著な吸熱作用で摺動面潤滑性が改善され、焼付き性の改善に有効である。本実施の形態においては、とりわけセメンタイトに顕著に濃縮しやすいＭｎ，Ｃｒ，Ｖを調整することが好ましい。
【００６８】
なお、セメンタイトの磁気変態温度（Ａｏ）に対する合金元素の影響は、一般には、
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％以下の場合）    ・・・（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濃度が０．６重量％の飽和状態）    ・・・（２）
と開示されている。セメンタイト中のＶ濃度が０．６重量％以上には固溶しないで、セメンタイト磁気変態温度が１８１℃で一定となることから、本実施の形態においては０．６重量％のＶがセメンタイト中に固溶されていることが好ましい。例えば、２５体積％のセメンタイトが分散する場合、前記分配係数ＫＶ＝９を想定すると０．２重量％以上のＶ添加が必要になることが分かるので、Ｖが０．２重量％以上添加され、さらに、Ｍｎ，Ｃｒの添加量を調整することによってセメンタイトの磁気変態温度を６０〜１８０℃に調整することが好ましい。
【００６９】
上記チル化の過程で晶出する粗大なセメンタイトを５０体積％以上に調整した場合のフローティングシール部材の脆弱化を防止するために、前述のように黒鉛化処理によって、セメンタイト量の調整と微細化を図ることが好ましい。そこで、鋳造フローティングシール部材は、前記フローティングシール部材中に分散する粗大なセメンタイトを黒鉛化処理によって微細化し、前記フェライト母相中に、少なくとも５〜４０体積％のセメンタイトと３〜１０体積％の黒鉛を分散させることが好ましい。
【００７０】
セメンタイト中にＣｒが濃縮し過ぎた場合においては、セメンタイトの黒鉛化が遅れることから、その経済性を考慮して上限を５重量％とする。上記凝固過程での偏析によって、一部Ｃｒ７Ｃ３型炭化物が晶出する場合があるが、このＣｒ７Ｃ３型炭化物が従来のフローティングシール用材料に分散されるものであることから、Ｃｒ７Ｃ３型炭化物の分散量が１０体積％以下であれば摺動特性に大きな問題を起こすことがなく、許容されるものと考えられる。
【００７１】
上記各鋳造フローティングシール部材においては、Ｃｕ合金相がフェライト母相中に分散されてもよい。
【００７２】
次に、他の鋳造フローティングシール部材としては、少なくともＡｌが１．５〜２０重量％、好ましくは３〜８重量％含有され、さらに、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｎｉ，ＣｒおよびＭｏのうちの一種以上が０．５〜６重量％含有され、急冷処理（焼入れ）によってＨｖ５００以上の高硬度なマルテンサイト相を母相とし、その母相中に少なくとも片状、粒状および芋虫状のうちの一種以上の黒鉛が３〜１５体積％分散されていることが好ましい。さらに、鋳造フローティングシール部材は、そのマルテンサイト母相中に、少なくともセメンタイトが５〜７５体積％、好ましくは２０〜７５体積％分散されていることが好ましい。また、鋳造フローティングシール部材は、そのマルテンサイト母相中に、少なくとも５〜４０体積％のセメンタイトと３〜１０体積％の黒鉛が分散されていることが好ましい。さらに、鋳造フローティングシール部材は、マルテンサイト母相中の炭素濃度が０．１５〜０．７重量％、好ましくは０．２〜０．６重量％の範囲に調整されていることが好ましい。なお、これらの鋳造フローティングシール部材において、２０体積％以下のＣｕ合金相がマルテンサイト母相中に分散しても良い。
【００７３】
さらに、鋳造フローティングシール材料中のセメンタイトの一部を黒鉛化させるために、黒鉛化を促進する元素としてＳｉ，Ｎｉの一種以上が２〜７重量％含有されるのが好ましい。セメンタイトを有効に析出させるためには、前述のようにＣｒを０．５〜５重量％添加しておくことが必要である。さらに、鋳造状態でフローティングシール部材の母相を再加熱・焼入れ処理する場合において、再加熱温度でのセメンタイトの黒鉛化を抑制するためにＣｒを０．５〜５重量％添加しておくことは好ましいことである。
【００７４】
また、Ｃｒを含有する上記鋳造フローティングシール部材の母相をパーライト組織（板状セメンタイト＋フェライト）とした後に、Ａ１温度〜焼入れ温度まで１５０℃／ｓｅｃ以上の加熱速度で急速加熱した後に急冷処理（焼入れ）する方法によって、マルテンサイト母相中にパーライト状にセメンタイトを分散させることが好ましい。
【００７５】
また、Ｎｉは黒鉛化を促進する元素であるとともに、焼入れ性を高める元素であって、かつ、フローティングシールの馴染み性の改善に残留オーステナイト相を形成させ、耐焼付き性を改善する元素であることから、本実施の形態においては１重量％以上のＮｉの添加が好ましく、またそのＮｉの上限添加量は残留オーステナイト相が多くなり過ぎることによる耐摩耗性の劣化と経済的な観点から５重量％とすることが好ましい。
【００７６】
またさらに、ＭｎはＮｉと同様にオーステナイト安定化元素であって、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、本実施の形態においては、Ｍｎを２重量％以下添加することが好ましい。
【００７７】
しかし、より耐摩耗性を重視する場合の鋳造フローティングシール材料においては、より硬質なセメンタイトをより多く分散させることが望ましい。鋳造法によって多量のセメンタイトを分散させる場合に、その鋳造フローティングシールが脆弱化し過ぎることが多いので、他の例としては浸炭フローティングシール部材が挙げられる。この浸炭フローティングシール部材は、少なくとも１．５〜１０重量％のＡｌと３〜１４重量％のＣｒが含有されるとともに、さらに、Ｃ，Ｓｉ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｕ，Ｃｏ，ＢおよびＰのうちの一種以上の合金元素およびＳ，Ｏ，Ｎの不純物元素が含有され、残りが実質的にＦｅからなる鋼材を用意し、少なくともフローティングシール部材の摺動表面層が浸炭または浸炭浸窒処理によりセメンタイトを３０〜７０体積％分散させることによって、高靭性な組織構造からなるものである。
【００７８】
上記浸炭または浸炭浸窒処理によってセメンタイトを形成させる場合においては、高い炭素活量（Ａｃ）下での処理が必要である。浸炭炉の安定した操業状態を確保する観点からは、図６に示すＦｅ−Ｃ−Ｃｒ三元系状態図（ａｔ１０００℃）を参照しながら、Ａｃ＝０．５〜０．８で操業することを前提とし、さらに、セメンタイトが析出する前に少なくともＣｒ７Ｃ３型炭化物を一旦析出させた後に、その炭化物を核にしてセメンタイトを分散性良く析出させながら多量に析出させる。このために、そのＣｒ下限添加量を（オーステナイトγ＋セメンタイト＋Ｃｒ７Ｃ３炭化物）の三相共存領域のＫ点とし、Ｃｒ上限添加量はＡｃ＝０．５で浸炭した際に７０体積％のセメンタイト量が析出する１４重量％とする。なお、このＣｒ上限添加量は経済的には８重量％であることが好ましい。
【００７９】
また、本実施の形態においてはセメンタイトが分散する表面層の下部に硬質なＣｒ７Ｃ３炭化物が析出した硬質相が形成されることから、摩耗によってセメンタイト分散層が消失した場合においてもより硬質なＣｒ７Ｃ３炭化物が多く分散する層が存在することになり、品質上好ましい。
【００８０】
またさらに、浸炭処理によって、ＴｉＣＮ，ＶＮ，ＡｌＮ，ＴｉＡｌＮ等の窒化物および炭窒化物の少なくとも一方を分散させることは、本実施の形態のＦｅ３Ａｌ規則相を形成する際に必要なＡｌをＡｌＮとして消費することになるので、浸炭処理はＮ２ガスフリーな浸炭雰囲気とすることが好ましい。
【００８１】
なお、フェライト相とセメンタイト相が共存する高周波焼入れ前組織を７００℃で平衡加熱させた時の合金元素Ｍの分配係数αＫＭ＝（セメンタイト中のＭ元素濃度重量％／フェライト中のＭ元素濃度重量％）としては、αＫＣｒ＝２８、αＫＭｎ＝１０．５、αＫＶ＝９．０、αＫＭｏ＝７．５、αＫＷ＝２、αＫＮｉ＝０．３４、αＫＣｏ＝０．２３、αＫＳｉ，Ａｌ≒０であることが知られており、Ｍｎ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｗがセメンタイトへ濃縮し、Ｓｉ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｏがフェライト中に濃縮することが分かる。
【００８２】
（第１の実施形態）
次に、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本発明が適用された例について説明する。図７は、転輪アッセンブリの要部構造を示す図である。
【００８３】
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５０に外嵌される転輪ブッシュ（鍔付ブッシュ）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されている。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のシール面においては、少なくとも５〜７０体積％の炭化物と黒鉛およびＣｕ合金粒子の少なくとも一方が硬質な規則相をもつフェライト相もしくは規則変態性を有するマルテンサイト相中に分散する組織に調整されている。
【００８４】
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。本実施形態によれば、前記摺動速度が１ｍ／ｓｅｃを越えて使用するフローティングシール部材の材料中の母相を、硬質な規則相をもつフェライト相もしくは規則変態性を有するマルテンサイト相とすること、および／またはヒートクラックの進展を防止するＣｕ合金相を分散させること、さらに、それらの母相中に摺動面での潤滑性を改善するために黒鉛およびＣｕ合金相の少なくとも一方を合計で３〜２０体積％の範囲で分散させることを特徴としている。
【００８５】
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、より経済性に優れ、かつ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に固溶する炭素の濃度が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、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で主として調整され、かつ潤滑性を促進する黒鉛粒子およびＣｕ合金粒子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する炭素の濃度を０．１５〜０．７重量％に調整する熱処理方法としては、急速加熱が可能な誘導加熱によってＡ１温度から焼入れ温度までを１５０℃／ｓｅｃ以上で迅速に加熱した後に焼入れし、マルテンサイト母相中にパーライト状セメンタイトが分散した組織とすることが好ましく、さらに、マルテンサイト母相中に固溶する炭素の濃度を０．２〜０．５重量％に調整することがより好ましい。
【００８６】
図８〜図１０には、鋳造法で製作されるのに適したＦｅ系耐摩耗摺動材料の代表的な組織構成が図示されている。
【００８７】
図８は鋳鉄材中に分散する黒鉛形状を示したものであり、（ａ）片状黒鉛、（ｂ）球状化黒鉛、（ｃ）芋虫状黒鉛の黒鉛が凝固過程で多く出現し、その母相はフェライト、パーライト、マルテンサイト、ベイナイトの各組織形態をとることが知られている。本実施の形態においては、４００〜７５０℃のフェライト相領域で時効硬化処理を施すことによって、フェライト相もしくは（フェライト＋粒状および／または板状セメンタイト）を母相化したものである。また、フェライト相の時効硬化はフェライト相中のＡｌ濃度が７〜２５重量％、（Ｃｏ＋Ｎｉ＋Ｍｎ）濃度が６〜３５重量％で共存する場合に顕著に発現されることを基本として設計されている。また、本実施の形態は、母相が１．５〜２５重量％のＡｌと炭素を含有し、規則変態性を有するマルテンサイト相からなることを基本として設計されるものである。とりわけ、上記時効硬化したフェライト相中にセメンタイトがパーライト状に分散する場合においては、潤滑性の観点からより好ましい。
【００８８】
図９は、（４重量％Ｎｉ−２重量％Ｃｒを含有するニハード）チル鋳鉄の代表的な急冷組織を示したものであり、指向性を持つ白色のセメンタイト、レーデブライト（共晶組織）および腐食されているマルテンサイトやパーライトからなり、フェライト相組織は極めて微細で識別されないが、４００〜７５０℃での加熱によって、上記のマルテンサイト相は規則相を有するフェライト相とセメンタイトに分離し、パーライトも規則相を有するフェライト相と板状セメンタイトから構成されるようになる。これを利用して、本実施の形態は腐食されている部分に含まれるフェライト相が規則相を持ちＨｖ５００以上に時効硬化されるものであって、上記マルテンサイトからなることを基本として設計されるものである。
【００８９】
図１０は、図９に示すチル鋳鉄を黒鉛化処理し、セメンタイトの一部を黒鉛化したものであって、セメンタイトが減量し、かつその減量過程で結果として分断、微細化され、また析出する黒鉛粒子が微細であることから、強靭性に優れた組織となることが分かる。腐食されている母相部に、本実施の形態においては、上記フェライト相を適用し、上記マルテンサイト相を主体（一部ベイナイト、トルースタイトを含有するが、Ｈｖ５００以上の母相組織）として適用することを基本として設計されるものである。
【００９０】
また、前述の誘導加熱を使った焼入れ処理によって、上記マルテンサイト母相中にパーライト状のセメンタイトが分散している組織も好ましい。
【００９１】
なお、請求項４、請求項８の中のセメンタイトのほとんど全てを黒鉛化処理によって微細な黒鉛粒子として分散させることによって、請求項３、請求項７とすることができる。（図８（ｄ）参照）。
【００９２】
なお、フェライト相を母相とするＦｅ系耐摩耗摺動材料は、高価なＮｉ，Ｃｏの多量添加が必要とされることから、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃ系のマルテンサイト相を母相とすることがより経済的に有利である。
【００９３】
また、Ａｌは黒鉛化を阻害しない元素であり、セメンタイト中からほとんど排出されることから、図９に示されるように一旦チル鋳鉄状態で鋳造素材を製作すると、その母相中にＡｌが濃縮される。例えば５０体積％のセメンタイトが析出する鋳造素材においては、１．５重量％のＡｌ添加で母相中Ａｌ濃度が３重量％となり、顕著な規則性を有するようになることは好ましいことである。同様に、Ｎｉ，Ｃｏもセメンタイトから排出され、フェライト相やマルテンサイト相に濃縮する元素であることから、セメンタイトを多量に分散させることは経済的にも好ましい。
【００９４】
また、Ｆｅ系耐摩耗摺動材料の母相中へのＣｕの固溶度は約５重量％程度であることから、５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８，９，１０の各組織中にＣｕ合金相が分散した組織も好ましい。
【００９５】
また、Ｆｅ系耐摩耗摺動材料の耐摩耗性をより高める観点からは、図８〜図１０に示す組織中にＶ４Ｃ３等のＭＣ型炭化物を分散させることは好ましいことである。
【００９６】
図１１には、前述したＦｅ系耐摩耗摺動材料のいずれかに記載され、浸炭もしくは浸炭浸窒法で製作されるのに適したＦｅ系耐摩耗摺動材料の代表的な組織構成が図示されている。耐摩耗性と耐焼付き性は摺動面表面層に限定することができるために、フローティングシール部材としてはより強靭性を得ることができる。また、浸炭または浸炭浸窒によってセメンタイトやＶ４Ｃ３炭化物を高密度に析出させることができることから、より耐摩耗性に優れたフローティングシール部材を製造できる特徴を有している。また、浸炭または浸炭浸窒処理前の軟質な状態において鍛造、圧延、曲げ加工、機械加工等の一種以上の安価な加工によってフローティングシール部材ベースが製造できる。このことから、より経済性に優れたフローティングシール部材になることが分かる。なお、浸炭フローティングシールのマルテンサイト母相が上記Ａｌを含有したマルテンサイト相であることがより好ましい。
【００９７】
（第２の実施形態）
次に、作業機連結装置における作業機軸受、スラスト軸受に本発明が適用された例について説明する。図１２（ａ）（ｂ）には、作業機連結装置の概略構造図が示されている。また、図１３には、作業機ピンの外周面と摺動し合う作業機軸受の代表的形状が示されている。
【００９８】
本実施形態の作業機連結装置は、油圧ショベルのブームを上部旋回体に対して連結するブーム連結装置、アームをブームに対して連結するアーム連結装置、バケットをアームに対して連結するバケット連結装置として利用される。まず、図１２（ａ）に示されるバケット連結装置９Ａを例にとって説明する。このバケット連結装置９Ａは、バケット６と、このバケット６に形成されたブラケット６ａ，６ａに支持される作業機連結ピン１０およびその作業機連結ピン１０に外嵌される作業機軸受（作業機ブッシュ）１１，１１を介して配されるアーム５とを、互いに回転可能に連結し、かつバケット６とアーム５との間に作用するスラスト荷重を受支するスラスト軸受１２，１２を備えて構成されている。このバケット連結装置９Ａにおいて、作業機軸受１１はアーム５の先端部に圧入され、作業機連結ピン１０はブラケット６ａにピン固定用通しボルト１３によって固定されている。なお、符号１４にて示されるのは、シール装置である。また、符号１５，１６にて示されるのは、それぞれ潤滑剤供給口および潤滑剤供給路である。
【００９９】
次に、図１２（ｂ）に示される他の例のバケット連結装置９Ｂについて説明する。このバケット連結装置９Ｂにおいては、アーム５部に圧入されるスラスト軸受け２５と、ブラケット６ａ部に配置されるスラスト軸受２６とがいずれも鍔付き型のスラスト軸受とされている。
【０１００】
前記各バケット連結装置９Ａ，９Ｂに用いられる作業機軸受１１においては、図１３（ａ）〜（ｄ）に示されるように、摺動面に油溝を形成したり（（ａ）〜（ｃ））、あるいは潤滑剤穴を形成したり（（ｄ））して、これらの油溝および潤滑剤穴に潤滑用各種グリース（固定潤滑剤を含有することがより好ましい。）や潤滑油を含有するプラスチックや黒鉛を充填することによって、前記作業機軸受１１の給脂間隔の延長性を顕著に改善するようにされている。前記溝部や穴部はあらかじめ鋳造によって形成することが、より経済性に優れる。
【０１０１】
また、図１４に示されるように、本発明を鋳造法で鉄系裏金材料に接合する複層作業機軸受に適用することも好ましい。これらのＦｅ系耐摩耗摺動材料中には１０〜１５体積％の黒鉛を分散させ、その黒鉛中に、潤滑油を含油させることが好ましく、また黒鉛が片状黒鉛であるのが好ましい。なお、裏金との接合法は鋳込み接合に限らず、ロー付け、接着等であっても良い。
【０１０２】
さらに、遠心鋳造法でこれら作業機軸受を製造することによって、内周面側に比重の軽い黒鉛がより多量に分散する特徴を利用して、より潤滑性を改善し、また給脂時間間隔を延長化できる作業機軸受とすることができる。
【０１０３】
さらにまた、図１４に示す複層作業機軸受とすることによって、高剛性で、作業機軸受の連れ回りや抜け出しがなく、かつ経済性に優れた作業機軸受とすることができる。
【０１０４】
図１５（ａ）〜（ｃ）は上記作業機連結装置におけるスラスト軸受機能を有する作業機軸受の例を示したものであって、鍔部においてはスラスト荷重を受け、円筒部内径においてはラジアル荷重を受けながら摺動するスラスト軸受である。このスラスト面においては土砂侵入に対する耐摩耗性が問題になることおよびその摺動面における潤滑条件が極めて厳しく、ヒートクラック、焼付きが発生しやすいことから、少なくとも炭化物（セメンタイト）を５〜４０体積％含有するようにして、さらに、黒鉛３〜１０体積％が分散されるＦｅ系耐摩耗摺動材料から構成されることが好ましい。また、スラスト摺動面および／またはラジアル摺動面に、上記と同様の溝部、穴部等の潤滑剤貯蔵部を設けることが好ましい。また、図１５に示される鍔部にスラスト荷重を受けて摺動するだけのスラスト軸受を製造・利用することができる。なお、本実施形態においては、図１５（ｄ）に示されるように、潤滑用グリースや潤滑組成物が摺動面に供給され易いような適正な溝（アール溝２７、ダイヤ型溝２８）や窪み（ディンプル窪みもしくは穴２９）を設けて、耐焼付き性、耐ヒートクラック性の改善を図るのが好ましい形態である。
【０１０５】
本実施の形態に係るＦｅ系耐摩耗摺動材料は、前記作業機連結装置に限らず、これと類似する摺動機構を持つ軸受装置に好適であり、その摺動機構における摺動面形状は円筒状、円柱状、平面状、球面状であっても良いことから、その軸受装置構造が作業機連結装置と類似するブルドーザーの車体を支えるイコライザ機構およびダンプトラックやホイルローダーのサスペンション装置等に使用する軸受装置が開発できる。
【０１０６】
（第３の実施形態）
図１６には、サスペンション装置に適用される球面軸受の例が示されている。このサスペンション装置３５においては、一側の機械構成要素に支持される支持軸としてのサスペンション支持ピン４６およびその支持軸に外嵌される軸受ブッシュとしての球面ブッシュ（自由度２）４７を介して、他側の機械構成要素としてサスペンション４８が配され、これらサスペンション支持ピン４６とサスペンション４８とが、互いに回動または回転可能に連結されている。したがって、それら連結部位に、第１の実施形態および第２の実施形態と同様、本発明に係るＦｅ系耐摩耗摺動材料を適用することで、それら実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【０１０７】
（第４の実施形態）
図１７には、イコライザ機構に適用される球面軸受の例が示されている。このイコライザ機構３４においては、一側の機械構成要素としてのメインフレーム４１と、この一側の機械構成要素に支持される支持軸としてのイコライザピン４２およびその支持軸に外嵌される軸受ブッシュとしてのイコライザブッシュ４３を介して、他側の機械構成要素としてイコライザバー４４が配され、これらイコライザピン４２とイコライザバー４４とが、互いに回動または回転可能に連結されている。したがって、それら連結部位に本発明に係るＦｅ系耐摩耗摺動材料を適用することで、前記各実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【０１０８】
（第５の実施形態）
図１８には、斜板式油圧ピストンポンプ・モータの要部構造図が示されている。
【０１０９】
本実施形態に係る斜板式油圧ピストンポンプ・モータ７１においては、ドライブシャフト７２とシリンダブロック７３とが同軸上に配置され、油圧ポンプの場合、エンジンなどの原動機でシリンダブロック７３を回転させることにより、このシリンダブロック７３と共に回転するピストン７４の一端部に嵌め込まれる球状頭部を有してなるピストンシュー７５を、ドライブシャフト７２に対して傾斜配置されるロッカカム７６に対して摺動させて、ピストン７４をシリンダブロック７３内で往復運動させ、これによりバルブプレート７７の吸入ポート７７ａを介して吸い込まれた油を高圧にしてそのバルブプレート７７の吐出ポート７７ｂから吐出させる。また、油圧モータの場合、バルブプレート７７側からシリンダブロック７３のボア内に高圧油を導入することにより、ピストンシュー７５をロッカカム７６上で摺動させてシリンダブロック７３とともに回転させる。
【０１１０】
ポンプ・モータのいずれの場合においても、ピストンシュー７５は高圧油によってロッカカム７６に押し付けられながら高速摺動される。また、この油圧ポンプ、モータにおいては、ピストン７４とシリンダブロック７３のボア、クレードル９４とロッカカム７６、シリンダブロック７３とバルブプレート７７等多くの摺動部位を持っており、これら１つ以上の油圧部品に本発明のＦｅ系耐摩耗摺動材料が適用されることが好ましい。
【０１１１】
なお、前記斜板式油圧ポンプ、モータに限らず、例えば斜軸式、ラジアル式のものにおいても、同様に本発明のＦｅ系耐摩耗摺動材料が適用されることが好ましい。
【０１１２】
（第６の実施形態）
図１９には、エンジン用バルブ装置の概略構造図が示されている。
【０１１３】
本実施形態に係るエンジン用バルブ装置６４は、図示省略されるエンジンの燃焼室を開閉するバルブ６５と、このバルブ６５の動作を案内するためにシリンダヘッド６６の所要部位に装着されるバルブガイド６７と、その他バルブシート６８や、バルブスプリング６９、以下いずれも図示省略されるロッカアーム、カムシャフト、カムシャフト・タイミングギヤ、タイミングベルト、クランクシャフト・タイミングギヤなどを備えて構成されている。
【０１１４】
本実施形態のエンジン用バルブ装置６４においても、バルブガイド６７と摺接するバルブステム６５ｃの表面に本発明のＦｅ系耐摩耗摺動材料が適用されることが好ましい。
【０１１５】
（第７の実施形態）
図２０には、岩盤破砕用くさび装置（パワースプリッタ）の概略構造図が示されている。
【０１１６】
本実施形態に係る岩盤破砕用くさび装置８９は、油圧シリンダ（推力発生手段）９０からの推力を受けるくさび９１と、このくさび９１を挟むように配される一対のくさびガイド９２を備え、前記油圧シリンダ９０の駆動にて前記くさび９１を前記くさびガイド９２に対して摺動させることにより、その油圧シリンダ９０からの推力をそれらくさびガイド９２によって横方向拡幅力に変換し、この横方向拡幅力により岩盤を破壊して割岩作業を行えるように構成されている。
【０１１７】
このように構成される岩盤破砕用くさび装置８９においては、くさびガイド９２を押し広げるようにくさび９１を油圧力でゆっくりと押し込んで、割岩力を発生して、岩盤を破砕する。本実施形態においては、くさび９１の摺動面においては極めて大きな面圧が発生し、滑り速度が遅いために、その摺動面での凝着摩耗が顕著に起こる問題がある。このため、本発明摺動材料の一種以上をくさび９１もしくはくさびガイド９２の底面摺動部に一体化した複層摺動部品を用いることで、より大きな割岩力を得ることができるとともに、ランニングコストを画期的に削減することができる。
【実施例】
【０１１８】
次に、本発明によるＦｅ系耐摩耗摺動材料およびそれを用いる摺動部材の具体的実施例について説明する。
【０１１９】
本実施例では、表１に示した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、９５０℃に再加熱後（黒鉛化）、焼入れ処理を施した後に図２１に示した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て作成し、図２２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。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）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）を変えながら、摺動抵抗が増大し摺動面温度が急増する焼付く時点でのＰＶ値（Ｐ×Ｖ、単位：ｋｇｆ／ｃｍ・ｍ／ｓｅｃ）で評価し、その結果を表１の右側に限界ＰＶ値として示した。なお、表１中の摩耗量は図２２の装置にＳｉＯ２粒子を５０％とした水中で、線圧Ｐを２ｋｇｆ／ｃｍ、周速Ｖを１ｍ／ｓｅｃとし、５００ｈｒ稼動させた時のシール面当たり位置の移動距離（ｍｍ）を示したものであり、また、フローティングシール材料の組織的特徴も併せて示した。
【０１２０】
【表１】
0004820562.tif 000002
【０１２１】
なお、比較材料としてはフローティングシール用材料として良く用いられているＦＣ１５Ｃｒ３Ｍｏ，ＦＣ９Ｃｒ６Ｍｏ５Ｗ，チル鋳鉄，ニハード鋳鉄を選んだ。
【０１２２】
Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９は時効硬化（６００℃、３ｈｒ）させたフェライト相を母相とした合金であって、Ｎｏ．１はフェライト母相のみの組織としたものであって、比較材料と比べて顕著な耐焼付き性、耐ヒートクラック性が確認され、さらに、黒鉛量が増大するにしたがってより限界ＰＶ値が改善され、Ｎｏ．２（黒鉛量：６．５体積％）で顕著に改善されていることがわかる。なお、含油軸受材料において、気孔率が３体積％以上で潤滑機能が明確に発現されるが、摺動面の気孔の閉塞化によってその潤滑特性が安定せず、７体積％以上の気孔率でその潤滑特性がより安定化することと符合している。また、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６の比較において、限界ＰＶ値の改善によって、耐摩耗性が改善されていることが分かる。
【０１２３】
Ｎｏ．６〜Ｎｏ．９ではチル化で晶出させたセメンタイト、Ｃｕ合金相、Ｃｒ７Ｃ３炭化物をフェライト母相に分散させたものであるが、極めて優れた限界ＰＶ値（耐焼付き性、耐ヒートクラック性）を示し、かつ、優れた耐摩耗性が認められるが、Ｎｏ．８でのＣｕ合金相の出現によって耐摩耗性が減少することも分かる。
【０１２４】
Ｎｏ．１０〜Ｎｏ．１６はマルテンサイト相を母相とした合金であって、Ｎｏ．１０は１０体積％の黒鉛とＶ４Ｃ３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が改善され、Ｎｏ．１１，１２のようにセメンタイトを多量に分散させることによって、耐摩耗性が顕著に改善されることが分かり、さらに、Ｎｏ．１５のＣｕ合金相の分散によって、より耐焼付き性が改善されることが分かる。
【０１２５】
さらに、Ｎｏ．１４〜１５に示すように、Ｃｒ７Ｃ３炭化物の分散によって、より耐摩耗性が改善されるが、Ｎｏ．１６のようにＣｒ添加量を多くして、マルテンサイト中の固溶炭素濃度を低下させることによって、耐焼付き性がより改善されることが分かる。
【０１２６】
また、チル化させたニハード鋳鉄を９６０℃で黒鉛化処理し、平均粒径が約５μｍの微細な黒鉛粒子を分散させるとともにセメンタイトを減量させ、かつ、微細化させた合金（黒鉛化Ｎｉｈａｒｄ）（図１０参照、黒鉛：約３体積％）では、耐焼付き性が明確に改善されており、黒鉛析出下限量を約３体積％とすることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】Ｆｅ−Ａｌ系合金相の規則不規則変態領域を示すグラフ。
【図２】Ｆｅ−Ａｌ合金硬さに対するＣｏ添加の影響を示すものであって、０，１０，１５，２０，３０，４０原子％Ｃｏ断面におけるＡｌ濃度（原子％）と硬さとの関係を示すグラフ。
【図３】（ａ）は、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｏ三元合金を１２００℃に加熱後急冷したもののビッカース硬さ分布を示す図であり、（ｂ）は、この急冷後に６００℃で１０時間時効処理したもののビッカース硬さ分布を示す図。
【図４】フローティングシールの形状を示す断面図。
【図５】（ａ）は、炭素、窒素濃度と焼戻し硬さとの関係（ａｔ３００℃）を示すグラフであり、（ｂ）は、炭素、窒素濃度と焼戻し硬さとの関係（ａｔ４００℃）を示すグラフであり、（ｃ）は、炭素濃度と焼戻し硬さとの関係（ａｔ５００℃）を示すグラフ。
【図６】Ｆｅ−Ｃ−Ｃｒ系等炭素活量線図（ａｔ１０００℃）。
【図７】転輪アッセンブリの要部構造図。
【図８】鋳鉄材中に分散する黒鉛形状を示すものであって、（ａ）は鋳鉄材中に分散する片状黒鉛を示す図であり、（ｂ）は鋳鉄材中に分散する球状黒鉛を示す図であり、（ｃ）は鋳鉄材中に分散する芋虫状黒鉛を示す図であり、（ｄ）は鋳鉄材中に分散する黒芯可鍛鋳鉄を示す図。
【図９】チル鋳鉄の代表的な急冷組織を示す写真。
【図１０】図９に示すチル鋳鉄の黒鉛化処理組織を示す写真。
【図１１】Ｆｅ−１２Ｃｒ鋼の浸炭処理表面層組織（９６０℃×５ｈｒ）を示す写真。
【図１２】（ａ），（ｂ）は、作業機連結装置の概略構造図。
【図１３】（ａ）〜（ｄ）は、各種作業機軸受を示す図。
【図１４】鋳込み接合による複層作業機軸受を示す図。
【図１５】スラスト摺動面を持つ作業機軸受とスラスト面溝形状を示す図。
【図１６】サスペンション装置の要部構造図。
【図１７】イコライザ機構を説明する模式図。
【図１８】斜板式油圧ピストンポンプの要部構造図。
【図１９】エンジン用バルブ装置の概略構造図。
【図２０】岩盤破砕用くさび装置の概略構造図。
【図２１】フローティングシールの形状を示す断面図。
【図２２】フローティングシールテスターの概略図。
【符号の説明】
【０１２８】
９Ａ，９Ｂ  作業機連結装置
１１        作業機軸受
１２        スラスト軸受
３４        イコライザ機構
３５        サスペンション装置
３６        転輪アッセンブリ
６４        エンジン用バルブ装置
６５        バルブ
６７        バルブガイド
７１        斜板式油圧ピストンポンプ・モータ
７５        ピストンシュー
８９        岩盤破砕用くさび装置
９１        くさび
９２        くさびガイド
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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