JP4799004B2 - Fe系シール摺動部材及びその製造方法 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
(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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
Claims (17)
- 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。
- 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。
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