CN109804095B - 滑动材料及其制造方法、以及滑动构件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供含有Bi的铜合金层和基材的接合强度得到提高的滑动材料及其制造方法。本发明的滑动材料具有基材和铜合金层,铜合金层由含有4.0~25.0质量%的Bi的铜合金构成,具有Bi相分散于铜合金组织而成的组织,铜合金层的与基材的接合界面处的Bi相的接触面积率在2.0%以下。滑动材料通过将铜合金的熔液浇铸在基材上并使其单向凝固来制造。

Description

滑动材料及其制造方法、以及滑动构件
技术领域
本发明涉及滑动材料,具体而言,涉及在基材上设置具有Bi相分散于铜合金组织而成的组织的铜合金层而得的滑动材料。此外,本发明还涉及滑动材料的制造方法、以及使用滑动材料的滑动构件。
背景技术
作为内燃机关等的滑动轴承、轴瓦、推力垫圈等各种滑动构件用的滑动材料,以往一直使用Cu-Sn-Pb类滑动合金。但是,鉴于Pb对环境的负面影响,试图实现无Pb化,为此提出了添加Bi以替代Pb的烧结铜合金。已知Bi分散在Cu合金基质中以形成软质的Bi相,提高非烧结性。
例如日本专利特开2001-81523号公报(专利文献1)公开了在Cu-Sn合金中含有1~20质量%的Bi、0.1~10体积%的平均粒径为1~45μm的硬质颗粒的铜类滑动材料。软质的Bi相分散在Cu合金基质中,藉此可提高适应性、异物包埋性和非烧结性。进一步记载了通过在Bi相中混入硬质颗粒而耐磨耗性优良且非烧结性得到提高的同时、软质的Bi相作为缓冲以缓和对相应材料的冲击性。
日本专利特开2012-207277号公报(专利文献2)公开了用于提供由连续烧结法制造的Cu合金层中的Bi粒的粗大化得到抑制且耐疲劳性和耐烧结性优良的铜类滑动材料的含有6~12质量%的Sn、11~30质量%的Bi、0.01~0.05质量%的P的铜类滑动材料。记载了通过使Cu合金层中含有的Bi和Sn的质量比值Bi/Sn=1.7~3.4、Bi和P的质量比值Bi/P=500~2100,烧结后的冷却工序中有Cu-Sn-P类化合物在Cu合金粉末中的Cu合金析出,藉此能够缓和Cu合金粉末中的Cu合金与液相的Bi的热收缩率的差异,Bi的液相停留在Cu合金粉末中而抑制Bi粒的粗大化,使得Bi粒可以60~350μm2的平均颗粒面积细微分散。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本专利特开2001-81523号公报
专利文献2:日本专利特开2012-207277号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
这种由含有Bi的铜合金构成的滑动材料可通过对基材上散布的铜合金粉末进行烧结来制造。这种情况下,Bi在1次烧结工序的升温过程中会熔融,在铜合金粉末彼此接合之前,Bi熔化并开始流动。1次烧结工序中先行熔化的Bi的一部分经由铜合金粉末之间的间隙而流动至与基材的界面,并在此聚集。因此,通过1次烧结工序,基材和铜合金层的接合界面处形成Bi浓度高的区域。即便进行之后的工序,1次烧结工序时形成的接合界面的Bi相也持续存在于接合界面而难以除去。其结果是,铜合金和基材的接触面积变小。Bi相为软质,强度小,因此作为整体的铜合金与基材的接合强度小,难以确保材料的强度。特别是为降低制造成本不设置中间层而直接接合的情况下,存在铜合金层与基材的接合会由此受到Bi妨碍的倾向。
近年来,伴随由发动机的高输出化、发动机的小型化引起的因轴承面积减少等造成的对轴承的负荷的增加,要求提高滑动材料的强度。为此,不仅需要提高合金自身的强度,也需要提高合金层与基材的接合强度。
本发明的目的在于提供在基材上形成由含Bi的铜合金构成的层时提高铜合金层和基材的接合强度的方法。此外,本发明的目的是提供含Bi的铜合金层和基材的接合强度提高了的滑动材料、以及由该滑动材料制成的滑动构件。
解决技术问题所采用的技术方案
如上所述,导致含Bi的铜合金层与基材的接合强度降低的主要原因在于接合界面处存在的Bi。于是,在本发明中减少与接合界面接触的Bi相,藉此提高基材和铜合金层的接合强度。
本发明之一提供具有基材和接合至基材的铜合金层的滑动材料。铜合金层由含有4.0~25.0质量%的Bi的铜合金构成,该铜合金具有Bi相分散于铜合金组织而成的组织,与基材的接合面处铜合金层的Bi相的面积比率(接触面积率)在2.0%以下。
本发明中,通过减少与接合界面接触的Bi相的面积,可得到基材与铜合金层的接合面积增加且确保了良好的接合强度的滑动材料。
根据一个具体例,Bi含量以质量%表示时,接合界面处的Bi相的接触面积率(%)是以
接触面积率/Bi含量≦0.075
的关系所表示的值。
根据一个具体例,铜合金含有
4.0~25.0质量%的Bi、
总量在50.0质量%以下的选自Sn、Al、Zn、Mn、Si、Ni、Fe、P、Zr、Ti、Mg的1种或2种以上,
剩余部分为铜和不可避免的杂质。
铜合金可进一步包含总量在10体积%以下的MoS2和石墨中的任一者或这两者。
根据一个具体例,滑动材料可进一步在铜合金层上具有覆层。
根据一个具体例,基材的厚度为1.0~25.0mm,铜合金层的厚度为0.1~3.0mm。
基材优选为亚共析钢、共析钢、过共析钢、铸铁、高速度钢、工具钢、奥氏体系不锈钢、铁氧体系不锈钢等铁类材料、或纯铜、磷青铜、黄铜、铬铜、铍铜、科森合金等铜类材料。
本发明还提供制造上述滑动材料的方法。该方法包括:准备基材的步骤;将铜合金熔融的步骤;将熔融后的铜合金浇铸在基材的待接合的表面上的步骤;从与基材的待接合的表面相反侧的面用冷却剂将基材冷却以使铜合金单向凝固的步骤。
根据一个具体例,该方法还包括在从所述浇铸起经过规定时间后减少冷却剂的供给量的步骤。
根据一个具体例,冷却剂可以是水或油。
根据一个具体例,准备基材的步骤包括将由一个或多个基材构成的圆筒形状体成形的步骤,浇铸步骤包括一边使圆筒形状体绕圆筒形状的中心轴线旋转一边浇铸的步骤。
另外,本发明可提供由上述滑动材料制造的滑动构件。该滑动构件例如可以是滑动轴承等轴承,也可以是其他轴瓦、推力垫圈等滑动构件。
以下,参照所附示意图对本发明及其众多优点进行详细说明。附图仅以例示的目的来表示非限定性的实施例。
附图说明
图1是本发明的滑动材料的一例的剖面示意图。
图2是本发明的滑动材料的与基材的边界附近的铜合金层的剖面组织的示意图。
图3是表示本发明的滑动材料的制造方法中的冷却工序的一例的图。
图4是表示离心铸造法的示意图。
图5是剪切试验的示意图。
图6是表示接触面积率/Bi含量与剪切强度/拉伸强度的关系的图。
具体实施方式
图1示意地表示本发明的滑动材料1的一例的剖面。滑动材料1在基材2上设置有铜合金层3。在图1中,铜合金层3直接设置在基材2上。
基材2支承铜合金层3并确保滑动材料1的强度。其原材料可以是例如亚共析钢、共析钢、过共析钢、铸铁、高速度钢、工具钢、奥氏体系不锈钢、铁氧体系不锈钢等通常市售的铁类材料、或纯铜、磷青铜、黄铜、铬铜、铍铜、科森合金等铜类材料,也可以是其他材料。
铜合金层3起到滑动层的作用,由相对于铜合金整体的质量含有4.0~25.0质量%的Bi的铜合金构成。铜合金除了Bi以外,还可含有总量在50.0质量%以下的选自Sn、Al、Zn、Mn、Si、Ni、Fe、P、Zr、Ti、Mg的1种或2种以上。进一步,铜合金可含有总量在10体积%以下的MoS2和石墨中的任一者或这两者。此外,还可分散有金属的硼化物、硅化物、氧化物、氮化物、碳化物、金属间化合物等硬质颗粒。无意限定,铜合金例如可以是含有4.0~25.0质量%的Bi、12.0质量%以下的Sn、40.0质量%以下的Zn、13.0质量%以下的Al的铜合金。
滑动材料优选基材厚度为1.0~25.0mm,铜合金层的厚度为0.1~3.0mm。
本发明的滑动材料1可以在铜合金层3上进一步施加覆层。覆层可使用例如Sn、Bi等软质金属层,或者分散有固体润滑剂的树脂等公知的材料。
图2示出本发明的滑动材料1的与基材2的边界附近的铜合金层3的剖面组织的示意图。
铜与Bi在固相状态下不会彼此固溶,因此完全分离。因此,铜合金层3具有如图2所示的Bi相5在铜合金基质6的粒界处以岛状方式分散的组织。Bi相基本完全由Bi构成,但也存在铜合金所含的合金化元素固溶于Bi的情况。
通过本发明,析出至铜合金层3的Bi相5在铜合金层3与基材2的接合界面7附近的析出量减少。特别地,与接合界面7接触的纯Bi相的接触面积占接合界面7的面积的比率、即接触面积率在2.0%以下。更优选为0.2~1.2%。
进一步,Bi相的接触面积率受铜合金的Bi含量的影响,因此为了消除Bi的影响,接触面积率优选在Bi含量(质量%)乘以系数0.075而得的值以下。进一步优选系数在0.060以下。
Bi相的强度小,因此会妨碍在铜合金层3和基材2的接合界面7处的铜合金与基材的接合。本发明的滑动材料在接合界面7处的Bi相少,因此铜合金层3与基材2的接触面积增加,从而能够提高铜合金层3与基材2的接合强度,进而提高滑动材料1整体的强度。
进一步,在本实施方式中,铜合金层与基材直接接合,不需要使用具有昂贵的铜镀层的钢材,因此能降低滑动材料的成本。
接着,对铜合金的成分组成进行说明。
Bi:4.0~25.0质量%
Bi形成分散在铜合金基质中的软质的Bi相,有利于提高耐磨耗性和非烧结性。Bi如果低于4.0质量%则无法获得非烧结性的效果,由于Bi自身的强度小,如果Bi超过25.0质量%则铜合金的强度降低。优选Bi成分为8.0~20.0质量%。
选自Sn、Al、Zn、Mn、Si、Ni、Fe、P、Zr、Ti、Mg的1种或2种以上的总量在50.0质量%以下
这些元素具有将铜合金的Cu基质固溶强化的作用,或形成金属间化合物以提高铜合金的强度的作用。因此,如果含有50质量%以下的这些元素,则有利于提高滑动材料的强度。但是,如果这些元素的含量大则金属间化合物的量会变得过多,铜合金的脆性变差,因此最高为50质量%。优选在3.0质量%以上40.0质量%以下。
铜合金可包含固体润滑剂,进一步可包含总量在10体积%以下的MoS2、石墨中的任一种或这两种固体润滑剂。通过含有这些固体润滑剂,能提高铜合金层的耐磨耗性、非烧结性。如果固体润滑剂的含量增多,则强度降低,因此含量最大为10体积%。优选最大为5.0体积%。
铜合金可进一步含有1.0~10.0体积%的硬质颗粒。硬质颗粒优选具有1~45μm的尺寸,可采用金属的硼化物、硅化物、氧化物、氮化物、碳化物、金属间化合物。硬质颗粒混合在铜合金层中的Bi相中,可提高耐磨耗性和非烧结性。
接着,对本发明的滑动材料1的制造方法进行说明。在本发明中,通过将上述组成的铜合金以熔融状态浇铸在基材2上,使铜合金熔液与基材2直接接触以使其凝固。照此,本发明利用铸造法,通过使铜合金层3与基材2接合,可制造滑动材料1。
首先,准备基材2。基材2可以制成上述说明的材质的平板或圆筒体,或者也可以是其他形状。
将上述说明的组成的铜合金熔融,将熔融的铜合金浇铸在基材2的接合表面上。此时,为防止氧化,优选采用惰性气体或还原性的气氛,或者使用熔剂。
对于基材,利用冷却剂从待接合铜合金层3的基材表面(接合表面)的相反侧表面冷却基材2。冷却剂可采用例如水或油,通过将水或油喷射到基材2的与接合表面相反侧表面而进行冷却。
由此,通过进行铜合金的浇铸、冷却,铜合金从与基材2的接合表面接触的铜合金起优先进行单向凝固。在本实施方式中,不从铜合金的自由表面侧(相当于与铜合金层的接合表面相反侧)进行冷却。
Cu-Bi合金如果从熔融状态降低温度,则首先开始析出Cu结晶,Bi在Cu-Bi液相中被浓缩。从而,在约270度,剩余的Cu-Bi液相凝固,Cu和Bi彼此几乎不固溶,因此Cu相和Bi相分离,形成Bi相与Cu相分散的组织。
在本发明的方法中,从与被冷却的基材2的接合表面接触的铜合金开始凝固,因此在基材2的接合表面附近析出Cu初晶,作为副成分的Bi残留在液相中并从接合面侧向液相侧移动。其结果是,如果形成铜合金层3,则与铜合金层3和基材2的接合界面7接触的Bi相相对较少。
由此,本发明中,使铜合金从与基材2的接合表面进行单向凝固,藉此接合界面附近被急速凝固,铜合金层3的与接合表面相反侧的滑动表面附近被逐渐冷却。照此,能够使与接合界面接触的Bi相的接触面积在2.0%以下。
此外,相较于利用烧结法的粉末合金彼此的结合,铸造法因可使整体熔融以形成基质,所以通过利用铸造法将铜合金形成为内衬,更能确保作为铜合金层而具备的足够的合金强度。
本发明在凝固工序中,通过控制向基材2的与接合表面相反侧表面供给的冷却剂的供给量,能进行组织控制。例如,图3中示出冷却条件的一例。横轴表示从浇铸开始的时间,纵轴表示铜合金层的接合表面(A)和作为自由表面的滑动表面(B)的温度。冷却初期(第一阶段)增大冷却剂的供给量并缩短冷却时间(例如,将向每1cm2的基材喷射的冷却水流量设为0.400L/min以上,冷却时间设为对于基材的每1mm厚度冷却1.0~8.0秒),在其以后的第二阶段减少冷却剂的供给量并延长冷却时间(例如,将向每1cm2的基材喷射的冷却水流量设为0.100L/min以下),在第二阶段之后放置冷却。在第1阶段的最后时期,铜合金层的接合表面的温度低于铜合金的凝固开始温度Ts,虽然开始了凝固,但滑动表面的温度仍高于Ts,因此是熔融的状态。在第2阶段,滑动表面也慢慢地凝固。通过该控制,使与该接合界面接触的Bi相的接触面积率减少,并且在到滑动表面为止的远离接合界面的区域内,Bi相可大致均匀地分散为岛状。通过调整冷却剂的供给量,可使Bi相的尺寸越靠近滑动表面越大。通过这种冷却条件,能够控制组织和厚度比率。
以往的铸造法中,从铜合金层的滑动表面侧、即接合界面的相反侧表面开始冷却,因此在厚度方向上从表面连续凝固。该以往的方法中,Bi相在滑动表面侧较少,在接合界面侧大量析出。
作为实施本发明的方法的一个具体例,可以是在平板基材的表面上设置堰,将铜合金的熔液浇铸在由堰围住的基材表面上的方法。此时,为了防止基材和铜合金的氧化,优选采用惰性气体或还原性的气氛,或者使用熔剂。在浇铸后,从基材里侧开始进行使用上述冷却剂的冷却。
作为其他的具体例,也可采用离心铸造。当然,本发明并不局限于这些铸造方法。
图4示出离心铸造法的示意图。将作为基材的板材2成形为圆筒形状,将两端部用密封件11密封。利用例如旋转滚转机等旋转装置12使该成形为圆筒形状的基材2以高速进行水平旋转。在圆筒形状内,优选设为真空或还原或惰性气体气氛。从设置在基材的圆筒形状的端部的浇口(日文:ゲート)13注入熔融后的铜合金。通过从外表面供给冷却剂来冷却基材2。熔融铜合金通过离心力而紧贴在基材2的内表面,以内径正圆的状态凝固,形成铜合金层。离心铸造方法可适用于例如圆筒形状的滑动轴承等。
对铜合金层的与基材的接合面处的Bi相的接触面积率的测定方法进行说明。用光学显微镜或电子显微镜(例如200倍)观察滑动材料的剖面组织,确定基材与铜合金层的接合界面。测量该接合界面的规定长度内所接触的Bi相的接触距离,通过该Bi相的接触距离的合计相对于接合界面的规定长度的比率、即线分率(日文:線分率)来评价Bi相的接触面积率。
实施例
制造以下的实施例1~19和比较例1~5的各试样,进行了接触面积率和接合强度的评价。
基材的准备
作为基材,使用SPCC制的钢板,为了防止熔液泄漏,使周边部残留,将上面中央部切削,加工成在周边部形成有堰的箱形状。浇铸厚度设定为5mm。作为滑动构件的基材的部分的壁厚为6mm。作为抗氧化剂,利用熔融硼砂覆盖基材表面,在含H2气体的还原性气氛中以1000℃~1200℃进行了基材的预热。
铜合金的铸造
作为铜合金,将纯铜、纯Bi及其他成分的材料掺合,在大气中进行熔化,以达到表1和表2示出的实施例1~19和比较例1~5的各组成。铜合金的熔液在大气中保持在1000℃~1200℃,浇铸至预热后的基材上。
冷却工序
浇铸后,从设置于基材下部的洒水喷嘴向基材底面喷射冷却水。比较例中,以少量的一定流量连续地喷射冷却水(以40L/min的冷却水流量冷却180秒)。另一方面,实施例1~5和11~19如图3所示,在冷却初期(第1阶段),相较于比较例,冷却水量多、冷却时间短(以130L/min的冷却水流量冷却20秒),在冷却初期之后(第2阶段),相较于第1阶段,冷却水量少、冷却时间长(以20L/min的冷却水流量冷却60秒),有意地采用不连续的两阶段的冷却条件。在两阶段的冷却工序结束后,在大气中放置冷却,缓慢冷却至室温。实施例6~10中,与实施例1~5和11~19相比,第1阶段的冷却水量增加(以180L/min的冷却水流量冷却15秒),增强了冷却效果。第2阶段以后,与实施例1~5和11~19的条件相同。
接触面积率评价方法
通过光学显微镜或反射电子组成相观察剖面,针对每个试样拍摄10处位置的剖面组织图像(高234μm×宽334μm的视线范围)。图像以铜合金和基材的边界线与横向方向平行的方式拍摄。测量剖面组织图像上的边界线的长度,并且测量铜合金组织中分布的各Bi相的轮廓线与边界线重叠的部分的长度、即与Bi相的接触界面的接触线的各长度,进行合并。对各测定部位所得的接触线长的合计/边界线长的值取平均,作为接触面积率评价。
另外,还评价了接触面积率(面积%)相对于Bi含量(质量%)的比率(接触面积率/Bi含量)。
接合强度测定
根据铜合金层和基材的剪切强度与铜合金的拉伸强度的比率(剪切强度/拉伸强度)来评价铜合金层和基材的接合强度。剪切强度受到拉伸强度的影响,所以为了能比较成分不同的材料,用剪切强度/拉伸强度的比作为接合强度的指标。
剪切强度是如图5所示加工成铜合金层和基材以规定的接合面积接合的试验片,在对两端施加拉伸负荷(拉伸力)时,以接合部发生破坏的最高拉伸应力表示的数值(参照日本专利特开2002-224852号公报)。
表1中,Cu-Bi合金中Bi成分以质量%计从4.0%到25.6%变化时的接触面积率(面积%)、接触面积率(面积%)相对于Bi含量(质量%)的比率、接合强度(剪切强度/拉伸强度)的测定结果分别示于“接触面积率(%)”、“接触面积率/Bi含量”和“剪切强度/拉伸强度”栏。
比较例1~5、实施例1~5、实施例6~10如上所述,各自的冷却条件不同。由表1结果可知,为相同成分时,冷却条件导致接触面积率出现较大不同,冷却程度较大的实施例6~10的接触面积最小。通过照此控制冷却条件,与Bi成分无关,能使接触面积率在2.0面积%以下。比较例1~5的冷却条件下,接触面积率在3.70面积%以上。
相同的冷却条件下,如果增加Bi含量则接触面积增加,接触面积率/Bi含量的值即便在Bi含量变化的情况下也大致均一。
接触面积率2.0%以下的实施例1~10的剪切强度使得剪切强度/拉伸强度在0.7以上,大幅超过比较例1~5的值。单位Bi含量所对应的接触面积率(接触面积率(%)/Bi含量(质量%))的值与剪切强度/拉伸强度的关系示于图6。可知接触面积率/Bi含量的值与剪切强度/拉伸强度的值在很大程度上相关。接触面积率/Bi含量如果在0.075以下(实施例6~10)、可得到剪切强度/拉伸强度在约0.8以上的特别优良的接合强度。
[表1]
Figure BDA0002011579480000111
实施例11~19是在实施例3的合金组成(Cu-约15%Bi)中添加其他合金元素(Sn、Zn、Al、Fe、Ni、Mn、Si、P、Zr、Ti、Mg)或硬质颗粒Mo2C、固体润滑剂颗粒石墨(Gr)的实施例。实施例11~19的冷却条件与实施例3的条件相同。
表3中示出试验结果。由表3可知,即使添加上述添加成分,接触面积率也为1.28%~1.78%的范围,与实施例3的接触面积率1.50%为同等的值,接触面积率/Bi含量的值也为0.086~0.0119,也与实施例3的0.101为同等的值。因此,接合强度(剪切强度/拉伸强度)为0.69~0.76,与实施例3的0.75为同等程度。由该结果可知,添加成分对接触面积率和接合强度的影响较小。
[表2]
Figure BDA0002011579480000121
*合金成分的未用“体积%”记载的数值为“质量%”。
符号说明
1 滑动材料
2 基材
3 铜合金层
5 Bi相
6 基质
7 接合界面
11 密封件
12 旋转装置
13 浇口

Claims (10)

1.滑动材料,它是具有基材和与该基材接合的铜合金层的滑动材料,其特征在于,
所述铜合金层由含有4.0~25.0质量%的Bi的铜合金构成,该铜合金具有Bi相分散于铜合金组织而成的组织,
所述铜合金层的与所述基材的接合界面处的所述Bi相的接触面积率在2.0%以下。
2.如权利要求1所述的滑动材料,其特征在于,Bi含量如果以质量%计,则所述Bi相的接触面积率满足
接触面积率/Bi含量≦0.075。
3.如权利要求1或2所述的滑动材料,其特征在于,所述铜合金含有
4.0~25.0质量%的Bi、
总量在50.0质量%以下的选自Sn、Al、Zn、Mn、Si、Ni、Fe、P、Zr、Ti、Mg的1种或2种以上,
剩余部分为铜和不可避免的杂质。
4.如权利要求1或2所述的滑动材料,其特征在于,所述铜合金还含有总量在10体积%以下的MoS2和石墨中的任一者或这两者。
5.如权利要求1或2所述的滑动材料,其特征在于,所述铜合金层上还具有覆层。
6.如权利要求1或2所述的滑动材料,其特征在于,所述基材的厚度为1.0~25.0mm,所述铜合金层的厚度为0.1~3.0mm。
7.滑动材料的制造方法,它是权利要求1~6中任一项所述的滑动材料的制造方法,其特征在于,包含
准备所述基材的步骤、
熔融所述铜合金的步骤、
在所述基材的待接合的表面上浇铸熔融的所述铜合金的步骤、以及
通过冷却剂从所述基材的待接合的表面的相反侧面冷却所述基材以使所述铜合金单向凝固的步骤,其中,所述冷却包括增大冷却剂的供给量并缩短冷却时间的第一阶段、及在其以后的减少冷却剂的供给量并延长冷却时间的第二阶段,在所述第一阶段的最后时期,铜合金层的接合面侧的温度低于铜合金的凝固开始温度Ts,虽然开始了凝固,但滑动面侧的温度仍高于Ts;在所述第二阶段,滑动表面侧也凝固。
8.如权利要求7所述的滑动材料的制造方法,其特征在于,所述冷却剂是水或油。
9.如权利要求7或8所述的滑动材料的制造方法,其特征在于,所述准备基材的步骤包括由1个或多个基材形成圆筒形状体的步骤,
所述浇铸步骤包括一边使所述圆筒形状体绕圆筒形状体的中心轴线旋转一边进行浇铸的步骤。
10.滑动构件,其特征在于,包括权利要求1~6中任一项所述的滑动材料。
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