KR101149424B1

KR101149424B1 - 소결 슬라이딩 부재 및 작업기 연결장치

Info

Publication number: KR101149424B1
Application number: KR1020057020533A
Authority: KR
Inventors: 타케모리 타카야마; 테츠오 오니시; 카즈오 오카무라
Original assignee: 가부시키가이샤 고마쓰 세이사쿠쇼
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2012-05-25
Also published as: JPWO2005012585A1; CN101701320B; GB2419892A; CN101701320A; CN101701321B; CN101704106B; US20060159376A1; JP4999328B2; CN101704107A; GB2419892B; CN101701321A; US7998238B2; CN101701322B; CN1780927B; CN101704106A; JP2012041639A; CN101704105B; CN1780927A; DE112004001371T5; WO2005012585A1

Abstract

내마모성, 내시저성, 내히트크랙성이 우수한 소결 슬라이딩 부재 및 작업기 연결장치를 제공한다.

본 발명에 관한 소결 슬라이딩 부재는, 백메탈(21a)과, 상기 백메탈(21a) 위에 소결접합된 철계 소결 슬라이딩체(20)를 구비한, 소결 슬라이딩 부재로서, 상기 철계 소결 슬라이딩체(20)는, 고용탄소 농도가 0.15～0.5중량%로 조정된 마텐자이트상으로 이루어지고, 5～50체적%의 탄화물을 함유하는 것을 특징으로 한다.

Description

소결 슬라이딩 부재 및 작업기 연결장치{SINTERED SLIDING MEMBER AND WORKING IMPLEMENT-CONNECTING APPARATUS}

본 발명은, 건설기계용 작업기 연결장치에 사용되는 스러스트 베어링 등의 복층 소결 슬라이딩 부재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 슬라이딩면에 내마모성, 내시저성 및 내히트크랙성이 우수한 철계 소결 슬라이딩 재료를 구비해서 백메탈(Back-metal)에 일체화된 소결 슬라이딩 부재, 소결 스러스트 베어링, 프로팅씰 및 그 소결 스러스트 베어링에 적용해서 이루어진 작업기 연결장치에 관한 것이다.

종래, 작업기 연결장치에 있어서, 큰 스러스트 하중을 받아서 슬라이딩시키는 스러스트 베어링으로서는, 보다 고면압, 저속의 그리스 윤활하에서의 내시저성과 내마모성을 고려하고, 침탄이나 고주파담금질을 한 강제의 스러스트 베어링이 이용되고 있다. 또한 최근, 이지 메인터넌스화의 요구로부터, 상기 스러스트 베어링의 급지간격을 연장시키기 위해서, 예를 들면 건설기계의 작업기 연결부에 사용되는 스러스트 베어링으로서, WC와 자용성 합금으로 이루어진 내시저성과 내마모성 이 우수한 초경용사 코팅을 강철에 실시한 스러스트 베어링을 사용하는 것이 일부실시되어 있다.

한편, 건설기계 하전륜 롤러 어셈블리에 설치된 프로팅씰은, 내부의 윤활유의 누설을 방지함과 아울러 내부에의 토사의 침입을 방지하는 것이기 때문에, 내식성이 우수함과 아울러, 경질의 Cr₇C₃형 탄화물을 30체적% 이상으로 다량으로 창출시킴으로써 그 시저성이나 내마모성을 개선한 고경도의 고탄소 고Cr주철로 제조되고 있는 경우가 많다.

상기 작업기 연결장치의 스러스트 베어링부에 있어서는, 침입하는 토사에 의한 끼임이나, 예를 들면 유압쇼벨의 버킷부에 이용되는 연결장치에 있어서는 극히 큰 편하중이 작용하는 점에서, 시저나 마모가 현저하게 일어나 쉽기 때문에, 작업전의 빈번한 급지작업이 필요하다.

또한 전술의 초경용사 코팅을 실시한 스러스트 베어링을 적용했을 경우에 있어서도, 그 용사 코팅층의 내시저성이 충분하지 않고, 또한, 경질인 코팅층이 얇기 때문에 파손되기 쉽고, 그 파손편의 또 다른 끼임에 의해 손상하는 것이 문제로 되어 있다.

또한, 상기 스러스트 베어링의 내시저성과 내마모성을 향상시키는 재료로서 S45C를 이용하여, 그 슬라이딩면에 고주파담금질을 실시한 스러스트 베어링이 자주 이용되고 있다. 그러나, 이 스러스트 베어링은 내히트크랙성이 좋아도, 내시저성 부족에 의한 마모가 발생하기 쉽고, 또한 내마모성이 충분하지 않고, 또 냉간공구강이나 고속도강(SKD, SKH 재료)등의 각종 공구강을 적용했을 경우에는, 그 내히트크랙성이 충분하지 않고, 그것을 원인으로 하는 시저가 발생하기 쉬워지고, 또한, 극히 고가인 강재임과 아울러, 제품형상으로 마무리할때 까지의 재료 수율을 고려했을 때에 재료비와 기계 가공비용이 고가가 된다는 문제가 있다.

상술의 감속장치나 전륜장치 중의 윤활유를 밀봉하는 프로팅씰은, 그 기구에 있어서, 토사 중의 마찰운동에 의해 미세한 토사입자가 밀봉면에 침입하면서 마모가 진행함과 아울러, 밀봉하는 윤활유에 의해 그 밀봉면이 윤활되어 있는 것이기 때문에, 극히 윤활조건이 엄격하다. 고경도인 고탄소고Cr주철제의 프로팅씰에서는, 그들을 조립할 때의 셋트압(압착력)이 높아지면 그 슬라이딩면에 있어서 현저한 담금질 균열(히트크랙), 시저, 이상마모가 발생하고, 기름누출을 야기하는 문제, 또한, 프로팅씰 주변부에 토사가 막히고, 프로팅씰을 파손시키는 문제가 있다.

또한, 최근의 불도저 등의 건설기계에 있어서는, 보다 고속주행에 의한 작업 효율의 향상이 요망되어, 프로팅씰의 고속 회전화에 의해서도, 상기 담금질 균열, 시저나 이상마모의 발생을 방지하기 위해서, 고경도 탄화물을 고체적%로 분산시키는 고탄소 고합금 주철제 밀봉이 검토되고 있지만, 휨강도가 보다 저하되기 때문에, 파손되지 않는 프로팅씰의 개발이 요구되고 있다.

또한, 하전륜 롤러 어셈블리 등의 장기 수명화에 의한 코스트 삭감이 요망되고, 현재 상황의 프로팅씰용 주강재료가 충분한 내마모성을 가지지 않는 문제가 있다.

본 발명은, 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, 내마모성, 내시저성 및 내히트크랙성이 우수한 소결 슬라이딩 부재, 작업기 연결장치 및 프로팅씰을 제공하는데 있다.

도 1(a)～(c)는 Fe-Si-C-X4원계 상태도다.

도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 관한 유압쇼벨 전체를 나타내는 사시도(a) 및 버킷 연결부를 설명하는 분해 사시도(b)이다.

도 3은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 버킷 연결장치의 개략구조를 설명하는 도다.

도 4(a)～(c)은, 스러스트 베어링의 구조를 설명하는 도다.

도 5(a)은, 도 4(c)에 나타내는 철계 백메탈에 가스빠짐구멍 및 홈이 설치된 스러스트 베어링의 일례를 나타내는 단면도이며, (b)는 (a)에 나타내는 A부를 확대한 단면도이며, (c)는 (a)의 평면도다.

도 6(a)은, 도 4에 나타내는 철계 소결 슬라이딩체에 가스빠짐구멍 및 홈을 설치한 예를 나타내는 평면도이며, (b)은 (a)의 B-B선을 따른 단면도다.

도 7은 본 발명의 제2 실시형태에 관한 버킷 연결장치의 개략구조를 설명하는 도다.

도 8(a)은 스러스트 베어링을 나타내는 단면도이며, (b)는 (a)에 나타내는 스러스트 베어링의 슬라이딩면의 각종 오일홈, 오목홈의 패턴예를 나타내는 평면도다.

도 9는 본 발명의 제3 실시형태에 관한 버킷 연결장치의 개략구조를 설명하는 도다.

도 10은 본 발명의 제3 실시형태의 변형예에 관한 버킷 연결장치의 개략구조 를 설명하는 도다.

도 11은 전륜 어셈블리의 주요부 구조를 설명하는 도다.

도 12는 복층 프로팅씰의 구조를 나타내는 단면도다.

도 13은 Cr₇C₃형 탄화물 중의 합금원소 농도와 그것에 평형하는 모상중의 합금원소 농도의 관계를 나타내는 그래프다.

도 14는 M₆C형 탄화물 중의 합금원소 농도와 그것에 평형하는 모상중의 합금원소 농도의 관계를 나타내는 그래프다.

도 15는 Fe-C-Cr삼원 상태도다.

도 16은 Fe-C-Mo계 상태도다.

도 17은 Fe-C-W 상태도다.

도 18은 플랜지를 갖는 스러스트 베어링의 시험편 형상을 나타내는 단면도다.

도 19(a),(b)은 요동 시험기를 설명하는 도다.

도 20(a)은 No.25의 소결 조직을 나타내는 사진이며, (b)은 No.28의 소결 조직을 나타내는 사진이다.

도 21은 No.32의 소결 조직을 나타내는 사진 및 X선 마이크로 애널라이저 분석 결과를 도시한 도면이다.

도 22(a),(b)은, 소결 접합 시험편의 형상을 도시한 도면이다.

도 23은 프로팅씰 테스터의 개략을 도시한 도면이다.

도 24는 프로팅씰의 내마모성의 시험 결과를 도시한 도면이다.

도 25는 철계 소결 슬라이딩 재료의 항절 강도와 인성의 시험 결과를 도시한 도면이다.

[부호의 설명]

1:유압쇼벨 2:작업기

3:상부 선회체 4:붐

5:암 6:버킷

6a:브래킷 7:암 연결장치

8:암 연결장치 9,9A:버킷 연결장치

10:작업기 연결핀 11,22:작업기 부시

12a,12b,25,26:스러스트 베어링 13:볼트

14:밀봉장치 15:윤활제 공급구

16:윤활제 공급로 20:철계 소결 슬라이딩체

21a,21b:철계 백메탈 21c:플랜지부

23,23A:가스빠짐구멍 24,24A:홈

27:슬라이딩면 28a:암홈

28b:다이아몬드형홈 29:구멍

30:용사피막 36:전륜 어셈블리

49:전륜 리테이너 50: 전륜 샤프트

51:전륜 부시(플랜지를 갖는 부시) 52: 전륜롤러

53:프로팅씰장치 54:씰링 55:O링

상기 목적을 달성하기 위하여, 본발명에 관한 소결 슬라이딩 부재는, 백메탈과, 상기 백메탈 위에 고정된 철계 소결 슬라이딩체를 구비한 소결 슬라이딩 부재로서,

상기 철계 소결 슬라이딩체는, 고용탄소 농도가 0.15～0.5중량%로 조정된 마텐자이트상으로 이루어지고, 5～50체적%의 탄화물을 함유하는 것을 특징으로 한다.

또한, 전술한 철계 소결 슬라이딩체는, 그 슬라이딩면에 폐쇄 기공 및 오목부 중 하나 이상을 1～10면적% 함유하는 것이라도 좋고, 9중량% 이상의 Cr, 3.5중량% 이상의 Mo, 총량에서 4.5중량% 이상의 Mo와 W 및 3중량% 이상의 V로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상을 함유하고, Cr₇C₃형 탄화물, M₆C형 탄화물 및 MC형 탄화물로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 탄화물이 상기 마텐자이트상에 분산되어 있어도 좋다.

본 발명에 관한 소결 슬라이딩 부재는, 백메탈과, 상기 백메탈 위에 고정된 철계 소결 슬라이딩체를 구비한 소결 슬라이딩 부재로서,

상기 철계 소결 슬라이딩체는, C가 0.9～3.8중량%, Cr이 9～35중량%, V가 0～3중량%를 함유하고, 그 탄소함유량이 0.143×(Cr중량%)-1.41+14×MC형 탄화물 체적분률≤C중량%≤0.156×(Cr중량%)-0.58+14×MC형 탄화물 체적분률의 관계를 만족하고, 0.2～0.45중량%의 C, 6.5～12중량%의 Cr을 고용하는 마텐자이트상을 갖고, 상기 마텐자이트상 중에 Cr₇C₃형 탄화물이 5～40체적% 분산하고, MC형 탄화물이 5체적% 이하 분산되고, 총탄화물량이 5～40체적%인 조직으로 이루어지고, Si, Mn, Ni, P, S, B, N, Mo, W, Ti, Co, Cu 및 Al로 이루어지는 합금원소군에서 선택된 1종 이상이 함유되는 것을 특징으로 한다.

상기 철계 소결 슬라이딩체는, C가 1.8～4.5중량%, Cr이 12～30중량%, V가 3.5～10중량%, Mo가 2～6.4중량% 또는 Mo와 W가 총량에서 2～6.4중량%를 함유하고, 상기 마텐자이트상은 0.2～0.45중량%의 C, 6.5～12중량%의 Cr을 고용하고, 1～3.5 중량%의 Mo, 총량에서 1～3.5중량%의 Mo와 W 및 0.4～0.6중량%의 V로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상을 고용하고, 상기 마텐자이트상 중에 Cr₇C₃형 탄화물이 10～35체적% 분산하고, MC형 탄화물이 5～15체적% 분산하고, 총탄화물량이 15～40체적%이며, Si, Mn, Ni, P, S, B, N, Mo, W, Co, Cu 및 Al로 이루어지는 합금원소군에서 선택된 1종 이상이 함유되는 것을 특징으로 한다.

상기 철계 소결 슬라이딩체는, C가 0.6～1.9중량%, Cr이 1～7중량%, V가 0～3중량%를 함유하고, Mo가 3.5중량% 이상 함유하고, (Mo+0.5×W)이 4.5～30중량%를 함유하고, 또한, 고용탄소 농도가 0.2～0.45중량%의 마텐자이트상에 5체적% 이상의 M₆C형 탄화물과 5～40체적%의 MC형 탄화물이 분산된 조직으로 이루어지고, Si, Mn, Ni, P, S, B, N, Ti, Co, Cu 및 Al로 이루어지는 합금원소군에서 선택된 1종 이상이 함유되는 것을 특징으로 한다.

상기 철계 소결 슬라이딩체는, C가 1.3～3중량%, Cr이 1～5중량%, V가 3～12중량%, Mo가 10중량% 이상, (Mo+W)가 10～23중량%를 함유하고, 또한, 고용탄소 농도가 0.2～0.45중량%의 마텐자이트상에 15～35체적%의 M₆C형 탄화물과 5～15체적%의 MC형 탄화물이 분산된 조직으로 이루어지고, Si, Mn, Ni, P, S, B, N, Ti, Co, Cu 및 Al로 이루어지는 합금원소군에서 선택된 1종 이상이 함유되는 것을 특징으로 한다.

상기 철계 소결 슬라이딩체는, C가 0.8～3.4중량%, Cr이 9～28중량%, V가 0～5중량%, Mo가 5중량% 이상, (Mo+W)가 5～18중량%를 함유하고, 또한, 고용탄소 농도가 0.2～0.45중량%의 마텐자이트상 중에 5～25체적%의 Cr₇C₃형 탄화물과 5～25체적%의 M₆C형 탄화물과 0～5체적%의 MC형 탄화물이 분산되고, 총탄화물량이 10～40체적%이며, Si, Mn, Ni, P, S, B, N, Ti, Co, Cu 및 Al로 이루어지는 합금원소군에서 선택된 1종 이상이 함유되는 것을 특징으로 한다.

상기 철계 소결 슬라이딩체는, C가 1.5～3.2중량%, Cr이 7～25중량%, Mo가 3.5중량% 이상, (Mo+W)가 5～15중량%를 함유하고, 또한, V와 Ti의 적어도 한쪽이 총량에서 3～8중량%를 함유하고, 고용탄소 농도가 0.2～0.45중량%의 마텐자이트상 중에 5～20체적%의 Cr₇C₃형 탄화물과 5～20체적%의 M₆C형 탄화물과 5～15체적%의 MC형 탄화물이 함유되고, 총탄화물량이 15～50체적%이며, Si, Mn, Ni, P, S, B, N, V, Ti, Co, Cu 및 Al로 이루어지는 합금원소군에서 선택된 1종 이상이 함유되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관한 소결 슬라이딩 부재는, 스러스트 베어링이며, 상기 철계 소결 슬라이딩체는 Cr₇C₃형 탄화물, M₆C형 탄화물 및 MC형 탄화물의 총량이 5～25체적%로 분산되고, 상기 백메탈의 경도가 Hv170이상인 것을 특징이라고 하고, 그 슬라이딩면에 폐쇄 기공 및 오목부 중 하나 이상을 1～10면적% 함유해도 좋다.

본 발명에 관한 소결 슬라이딩 부재는, 프로팅씰이며, 상기 철계 소결 슬라이딩체는 Cr₇C₃형 탄화물, M₆C형 탄화물 및 MC형 탄화물의 총량이 20～40체적%로 분산되는 것을 특징으로 하고 상기 백메탈의 경도가 Hv170이상이어도 좋고, 그 슬라이딩면에 폐쇄 기공 및 오목부 중 하나 이상을 1～10면적% 함유해도 좋다.

본 발명에 관한 작업기 연결장치는, 백메탈과, 상기 백메탈 위에 고정된 철계 소결 슬라이딩체를 구비한 소결 슬라이딩 부재로 이루어진 베어링으로서, 상기 철계 소결 슬라이딩체는, 고용탄소 농도가 0.15～0.5중량%로 조정된 마텐자이트상으로 이루어지고, 5～25체적%의 탄화물을 함유하는 것인 베어링과,

상기 베어링과의 조합에 있어서의 상대 슬라이딩 부재인 베어링을 구비하는 것을 특징으로 한다.

(제1 실시형태)

도 2(a)은, 본 발명의 제1 실시형태에 관한 유압쇼벨 전체를 나타내는 사시도이며,

도 2(b)은, 버킷 연결부를 설명하는 분해 사시도다. 도 3은, 본 발명의 제1 실시형태에 관한 버킷 연결장치의 개략구조를 설명하는 도다. 도 4(a)～(c)은, 스러스트 베어링의 구조를 설명하는 도다.

도 2(a)에 나타나 있는 바와 같이 본 실시형태에 관한 유압쇼벨(1)의 작업기(2)는 상부 선회체(3)를 구비하고 있고, 상부 선회체(3)는 붐연결장치(7)에 의해 붐(4)에 연결되어 있다. 붐(4)은 암연결장치(8)에 의해 암(5)에 연결되어 있고, 암(5)은 버킷 연결장치(9)에 의해 버킷(6)에 연결되어 있다. 이들 연결장치(7,8,9)는, 기본적으로는 동일 구조로 되어 있고, 예를 들면 버킷 연결장치(9)는, 도 2(b)에 나타나 있는 바와 같이 주로 작업기 연결핀(10) 및 작업기 부시(11)를 구비해서 구성되어 있다. 이하에 암(5)과 버킷(6)의 연결부에 배치되는 버킷 연결장치(9A)의 상세구조에 대해서 도 3을 참조하면서 설명한다.

도3에 나타나 있는 바와 같이 상기 버킷 연결장치(9A)는, 버킷(한쪽측의 기계 구성요소)(6)과, 이 버킷(6)에 형성된 브래킷(6a,6a)에 지지되는 작업기 연결핀(지지축)(10) 및 그 작업기 연결핀(10)에 바깥에서 끼워지는 작업기 부시(베어링 부시)(11,11)를 통하여 배치되는 암(다른쪽의 기계 구성요소)(5)을, 서로 회전가능하게 연결하고, 또한 버킷(6)과 암(5) 사이에 작용하는 스러스트 하중을 베어링하는 스러스트 베어링(12,12)을 구비해서 구성되어 있다. 이 버킷 연결장치(9A)에 있어서, 작업기 부시(11)는 암(5)의 선단부에 압입되고, 작업기 연결핀(10)은 브래킷(6a)에 핀 고정용 관통 볼트(13)에 의해 고정되어 있다. 또, 부호 14에서 나타내어지는 것은, 밀봉장치다. 또한, 부호15 및 16에서 나타내어지는 것은, 각각 윤활제 공급구 및 윤활제 공급로다.

상기 스러스트 베어링(12)은, 도4(a),(b),(c)에 나타낸 바와 같이 슬라이딩면(도의 윗면)에 있어서 스러스트 하중을 받으면서 회전요동하는 기능을 갖고, 내마모성, 내시저성, 내히트크랙성이 뛰어난 경질인 철계 소결 슬라이딩체(20)가 백메탈(21a,21b)에 소결 접합되어 구성되어 있다. 결과적으로, 작업기 연결장치(연결장치(7,8,9))는, 백메탈과, 상기 백메탈 위에 고정된 철계 소결 슬라이딩체를 구비한 베어링과, 상기 베어링과의 조합에 있어서의 상대 슬라이딩 부재인 베어링으로 구성된다. 또한, 상기 백메탈은 철계인 것이 바람직하다.

상기 철계 소결 슬라이딩체(20)는, 내마모성과 내시저성을 개선하기 위해서 유효한 탄화물을 고용탄소 농도가 0.15～0.5중량%로 조정된 마텐자이트상 중에 5～50체적% 분산시킨 철계 소결 재료다. 또한, 상기의 고용탄소 농도 범위를 얻기 쉽고, 또한, 보다 경질이며, 내시저성이 우수한 탄화물을 얻기 위해서는, 상기 철계 소결 슬라이딩체(20) 중에, Cr이 9중량% 이상, Mo가 3.5중량% 이상, Mo와 W의 총량이 4.5중량% 이상 및 V가 3중량% 이상 중 1종 이상을 함유하고, Cr₇C₃형 탄화물, M₆C형 탄화물 및 MC형 탄화물 중 1종 이상을 상기 마텐자이트상에 분산되게 하는 것이 바람직하다. 여기서, 이들의 탄화물의 총량은 5～50체적%(체적분률:0.05～0.5)로 하는 것이 바람직하다.

도 4(a)은, 중공 원반상의 백메탈(21a)에 중공 원반상의 철계 소결 슬라이딩체(20)가 소결 접합된 예다. 버킷 연결장치로서의 스러스트 베어링의 지지 방법으로서는, 도 4(b)에 나타나 있는 바와 같이 원통형상의 백메탈(21b)의 일단면에 스러스트 하중을 받아서 슬라이딩하는 플랜지부(21c)를 설치하고, 이 플랜지부(21c)의 슬라이딩면에 철계 소결 슬라이딩체(20)를 0.5㎜ 이상의 두께로 소결 접합해도 좋다. 즉, 스러스트 베어링으로서는, 평판상, 도넛형 평판상의 것이 바람직하지만, 스러스트 베어링의 지지구조를 별도 만드는 것 보다, 원통형상 부재의 일단면에 스러스트 하중을 받아서 슬라이딩하는 플랜지부를 갖는 백메탈 형상으로 하고, 그 슬라이딩면에 상기 철계 소결 슬라이딩체를 소결 접합해서 일체화한 것을 스러스트 베어링으로 해도 좋다.

또한, 도 4(c)에 나타나 있는 바와 같이 원통형상의 백메탈(21b)의 내주면에 작업기 부시(22)가 접합되어서 일체화된 스러스트 베어링을 사용해도 된다. 백메탈의 원통형상 내주면 혹은 외주면으로 원통형상의 Cu합금계 다공질 소결 슬라이딩 재료 또는 Fe합금계 다공질소결 슬라이딩 재료로 이루어진 베어링을 소결 접합해서 고정한 것을 스러스트 베어링으로 해도 된다. 즉, 작업기 부시(22)는, Fe합금계 또는 Cu합금계 다공질 소결체로 이루어지고, 그 기공(통기공) 중에 윤활유물질, 바꿔 말하면 윤활유 혹은 윤활유와 왁스류로 이루어진 적점 60℃ 미만의 윤활조성물이 충전된 것이다. 이렇게 하면, 암선단부에 스러스트 베어링이 압입될 때의 압입력을 높여서 스러스트 하중을 받는 플랜지부(21c)에 의한 구조로부터, 부시의 빠져나감을 방지할 수 있다.

또한, 상기 Fe합금계 또는 Cu합금계 다공질소결체로 이루어지는 작업기 부시(22) 대신에, 다음과 같은 작업기 부시를 사용하는 것도 가능하다. 작업기 부시는, 내마모성, 내시저성, 내히트크랙성이 뛰어난 경질인 철계 소결 슬라이딩체(20)와 동등한 철계 소결 슬라이딩 재료를 이용한 것이며, 슬라이딩면에 오일 포켓 혹은 오일홈이 설치되어져 있다. 이 작업기 부시에서는, 고면압, 저슬라이딩속도에 있어서의 마찰저항이 큰 사용환경에 있어서도 충분한 내마모성 등을 얻을 수 있다.

또한, 백메탈에 초경용사를 실시한 스러스트 베어링에서는, 그 백메탈 경도가 약 Hv400 이하의 경우에 있어서는, 토사의 끼임에 의해 용사막이 파손되기 쉬워지기 때문에, 용사막을 보다 두껍게 형성할 필요성이 있고, 경제적으로 극히 불리해지기 쉽다. 또, 백메탈을 보다 경질로 했을 경우에 있어서는, 그 용사 코팅층을 0.5㎜ 이하로 얇게 할 수 있지만, 백메탈과의 접합 강도가 보다 약해지는 점으로부터, 토사의 끼임이나 큰 편하중에 의해 박리, 파손되기 쉬운 점이 문제가 된다. 그래서, 본 실시형태에 있어서는, 철계 소결 슬라이딩체의 두께를 0.5㎜ 이상으로 하지만, 경도가 Hv170의 연질인 백메탈(항복 강도 30kgf/㎟)에 소결 접합된 철계 소결 슬라이딩체가 토사의 끼임에 의해 파손, 박리하지 않도록, 그 두께를 1㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 철계 소결 슬라이딩체의 휨강도는 적어도 30kgf/㎟ 이상인 것이 바람직하다. 또한 보다 마모성이 심한 조건에서의 사용 환경이어도, 4㎜을 넘어서 사용하는 것은 편하중에 의한 처짐에 의한 파손이 일어나 쉬워지는 경우가 예상되어, 또한 경제적이지 않다. 또한, 일반적으로 소결 접합된 접합면의 접합 강도는, 용사막의 접합 강도(5～10kgf/㎟)에 비해서 극히 강고한 것이며, 보통은 소결 재료 전단강도와 거의 동일한 정도의 강도가 확보된다.

또한, 본 실시형태의 플랜지를 갖는 형상의 스러스트 베어링은, 그 원통부를 작업기 본체에 압입해서 고정되는 점에서, 그 압입하기 쉬움이나 압입후의 빠짐을 방지하기 위해서, 백메탈 경도는 Hv170이상, 바람직하게는 220이상으로 조정되어 있는 것이 바람직하고, 또한 후의 기계가공성을 고려했을 경우에는, Hv400이하인 것이 바람직하다.

또한 상기 플랜지를 갖는 스러스트 베어링을 본체에 압입했을 경우에 있어서, 플랜지부와 본체의 간극을 0.2㎜이하로 조정하는 것이 어렵고, 또 편하중이 작용했을 때의 본체의 휨량을 고려했을 경우에 있어서도, 0.4㎜ 정도의 휘어짐에 의해 상기 철계 소결 슬라이딩체가 파손되지 않는 것이 기대된다.

도 5(a)은, 도 4(c)에 나타내는 철계 백메탈에 가스빠짐구멍 및 홈이 설치된 스러스트 베어링의 일례를 나타내는 단면도이며, 도 5(b)은 도 5(a)에 나타내는 A부를 확대한 단면도이며, 도 5(c)는 도 5(a)의 평면도다.

본 예에 있어서는, 도 5(b)에 나타낸 바와 같이 철계 백메탈(21b)과 철계 소결 슬라이딩체(20)의 접합면에 가스빠짐구멍(23) 및 홈(24)이 형성되어 있다. 철계 소결 슬라이딩체(20)는, 5～25체적%의 탄화물을 고용탄소 농도가 0.2～0.45중량%로 조정된 마텐자이트상에 함유한 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또, 철계 소결 슬라이딩체를 철계 백메탈에 소결 접합하는 때는, 보통, 다량의 가스가 발생하고, 철계 백메탈과의 접합면에 가스 고임에 의한 접합 결함이 발생하기 쉽지만, 본 예에서는, 가스빠짐구멍(23)에 의해 가스를 빼낼 수 있고, 홈(24)에 의해 소결 접합시에 철계 소결 슬라이딩체에 액상을 발생시킬 수 있다. 따라서, 철계 소결 슬라이딩체(20)를 고밀도로 소결할 수 있고, 또한, 철계 백메탈에 고강도로 접합할 수 있다. 또한, 본 예에서는, 가스빠짐구멍(23)과 홈(24)을 양방 형성하고 있지만, 적어도 한쪽을 형성하는 것도 가능하다.

본 예에서는, 철계 백메탈과 철계 소결 슬라이딩체의 접합면측의 철계 백메탈에 가스빠짐구멍 및 홈을 형성하고 있지만, 철계 소결 슬라이딩체의 슬라이딩면에 1～10면적%의 폐쇄 기공 또는 오목부를 형성시키는 그 성형체에 있어서는, 소결 접합시에 발생하는 가스의 리크(가스빠짐)성이 뛰어난 점에서, 백메탈 접합면의 가스빠짐구멍 및 홈형성을 회피하는 것이 가능하다.

또한, 상기 폐쇄 기공 또는 오목부는, 상기 효과 이외에, 철계 소결 슬라이딩체의 슬라이딩면에 있어서의 오일 포켓(윤활제의 고임 장소)로서 작용하고, 내히트크랙성을 향상시키는 것이 가능하다.

또한, 가스빠짐구멍(23)이 설치되어진 칸막이의 높이는, 철계 소결 슬라이딩체(20)를 배치했을 때의 상기 슬라이딩체(20)의 두께 중심 이상의 높이로 조정되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 도 5에 나타내는 스러스트 베어링과의 조합에 있어서의 상대 슬라이딩 부재로서는, 예를 들면 침탄담금질, 고주파 담금질 등의 경화 열처리가 실시된 강제 스러스트 베어링을 이용하여도 좋다. 이것은 다른 실시형태 및 실시예에 있어서도 같다.

또한, 백메탈과 철계 소결 슬라이딩체의 일체화 방법으로서는, 미리 소결한 철계 소결 슬라이딩 재료를 납땜 등의 방법으로 일체화할 수도 있지만, 그 소결시의 고밀도화 과정에 있어서 치수안정성이 확보되기 어렵고, 접합전 가공에 의해 현저한 비용상승을 피할 수 없다. 이점에서, 본 실시형태에 있어서는, 철계 소결 슬라이딩체의 도넛 원반상 성형체(도넛상 평판)의 내주면의 적어도 일부와 그 성형체의 밑면이 철계 백메탈의 외주면과 평판의 윗면에 소결 접합에 의해 고정되도록 배치하고, 또한, 소결 접합시에 소결체로부터 발생하는 가스가 접합면에 고여서 가스 결함을 형성시키지 않도록, 철계 백메탈 외주면 및 평면부의 적어도 한쪽에서의 접합면의 일부에 소결 접합시에 소결체로부터 발생하는 가스를 빼내기 위한 구멍(가스빠짐구멍)과 홈을 설치한 소결 스러스트 베어링을 개발했다. 상기 구멍과 홈은, 적어도 한쪽이 상기 접합면에 설치되어 있으면 좋다.

도 6(a)은, 도 4에 나타내는 철계 소결 슬라이딩체에 가스빠짐구멍 및 홈을 설치한 예를 나타내는 평면도이며, 도 6(b)은 도 6(a)의 B-B선을 따른 단면도다.

본 예에서는, 철계 소결 슬라이딩체(20)측에 가스빠짐구멍(23A) 및 홈(24A)을 설치하고 있다. 본 예에 있어서도 도 5에 나타내는 예와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

본 실시형태에 있어서의 철계 소결 슬라이딩체(20)는, 적어도 5체적% 이상의 탄화물과 고용탄소 농도가 0.15～0.5중량%의 마텐자이트상으로 이루어진 조직을 갖는 것으로 한다. 이에 따라 고면압인 스러스트 면압을 견디어내고, 또한, 윤활조건이 나쁜 상황하에서 내마모성, 내시저성 및 내히트크랙성을 충분하게 개선할 수 있다.

또한, 철계 소결 슬라이딩체(20)에 있어서는, 탄화물의 분산량이 25체적%을 넘지 않고, 바람직하게는 15체적% 이하로 하고, 마텐자이트상의 고용탄소 농도가 0.2～0.45중량%, 보다 바람직하게는 0.2～0.35중량%로 하고, 150～600℃의 범위에서 뜨임 처리를 행함으로써, 인성과 휨강도를 회복한 상태의 것을 사용하는 것이 바람직한 형태다. 이것에 의해 스러스트 베어링에 가해지는 극히 큰 편하중에 견딜 수 있다.

상기 탄화물은, 경질이며 저렴한 Cr₇C₃형 탄화물 및 내열경도가 우수한 M₆C형탄화물의 적어도 한쪽을 주체로 한다. 이러한 탄화물을 소결 슬라이딩 재료 중에 석출 분산시켜서 이용하는 것이 경제적으로도 바람직한 형태다. 또한, 상기 탄화물로서 MC형 탄화물을 이용하는 것도 바람직하고, 이 MC형 탄화물은 경제적인 관점으로부터도 5체적% 이하로 억제하는 것이 바람직하다. 또한 보다 저렴한 Cr₇C₃형 탄화물을 주체로 하여 (M₆C+MC)형 탄화물이 5체적% 이하가 되도록 조정되는 것이 가장 바람직한 형태다.

또한, 0.1～1.5중량%의 P를 FeP합금의 상태에서 첨가함으로써, 철계 소결 슬 라이딩체(20)의 소결 밀도향상과 소결 접합성의 개선을 꾀할 수 있다. 즉, 마텐자이트상 및 M₆C형 탄화물의 적어도 한쪽에의 농축에 의한 저융점화에 의해 소결성과 소결 접합성의 개선을 꾀할 수 있다. 또한, Fe₃P, Cr₂P, FeMoP, V₂P, FeTiP형 등의 인화합물을 석출시킴으로써, 내시저성의 개선을 꾀할 수 있다. 또한, M₆C형 탄화물을 주체로 한 탄화물을 분산시키는 철계 소결 슬라이딩 재료로 있어서는, 함유하는 P가 M₆C형 탄화물 중에 농축해도 접합 안정성을 향상시키기 위해서, 적어도 0.3중량% 이상 첨가하는 것이 바람직하다.

또한, 철계 소결 슬라이딩 재료에 Cu기 합금상을 입상으로 1～10체적%의 범위로 분산되도록 첨가하는 것은 바람직한 형태다. 또한, 슬라이딩 특성을 개선하는 관점으로부터, 상기 Cu기 합금상에, P, Sn, Al, Fe 및 Ni로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상이 함유되는 것이 바람직하다. 이에 따라 슬라이딩면에 있어서의 친밀성 개선을 꾀할 수 있음과 아울러 슬라이딩 도중에 입상의 Cu기 합금상이 우선적으로 마모됨으로써 슬라이딩면에 오일포켓을 형성시킬 수 있고, 그것에 의해 내시저성과 내히트크랙성의 개선을 꾀할 수 있다.

또한, 보다 좋은 내히트크랙성을 얻는 수단으로서, 본 실시예에 의한 소결 슬라이딩 부재는, 고용탄소 농도가 0.15～0.5중량%의 마텐자이트상에 5～50체적%의 (Cr₇C₃+MC+M₆C)형 탄화물이 분산되고, 또한, 평균 구멍지름이 0.03～1.0㎜의 폐쇄화된 기공을 3～10체적% 분산시킨 철계 소결 슬라이딩체를 철계 백메탈에 소결 접합 되는 것이 바람직하고, 또한, 상기 철계 소결 슬라이딩체의 슬라이딩면에 구멍부를 설치하고, 슬라이딩면에 있어서의 구멍부에서 형성되는 오목부가 3～10면적%분산되어 있고, 상기 오목부의 평균 지름은 3㎜이하인 것이 바람직하다.

또한, 예를 들면 SiO₂입자를 철계 소결 슬라이딩 재료에 첨가해 두는 것은, 경제적으로도 극히 바람직한 형태다. 이에 따라 소결시에 있어서, SiO₂를 환원하고, 나머지의 Si를 철계 소결 슬라이딩 재료 중에 확산 고용시킬 수 있고, 그것에 의하여, SiO₂입자 흔적에 형성되는 폐쇄 기공을 슬라이딩면의 오일포켓으로서 이용할 수 있고, 그 결과, 내시저성과 내히트크랙성의 개선을 꾀할 수 있다.

또한, 철계 소결 슬라이딩체의 성형시에, 적어도 슬라이딩면에, 0.1～3㎜의 깊이의 오목부를 설치하는 것은 바람직한 형태다. 철계 소결 슬라이딩체를 철계 백메탈에 소결 접합함으로써 슬라이딩면에 오일포켓이 형성되기 때문이다.

또한, 상기 철계 소결 슬라이딩체로서의 두께는, 종래의 용사 코팅 피막이 0.1～0.3㎜의 범위로 시공되어 있는 것을 감안했을 경우에, 토사의 끼임이나 편하중에 의한 피막의 박리, 파손이 관찰되고 있는 점에서, 0.5㎜이상으로 하지만, 내마모 수명과의 관계로부터 상한두께가 결정되는 것이 바람직한 형태다.

또한, 내마모성의 관점으로부터는, 상기 폐쇄 기공과 간섭하지 않는 철계 소결 슬라이딩체의 비커스 경도를 Hv500이상, 보다 바람직하게는 Hv700 이상으로 확보해 두는 것이 바람직한 형태다.

(제2 실시형태)

도 7은, 본 발명의 제2 실시형태에 관한 버킷 연결장치의 개략구조를 설명하는 도다. 도 8(a)은 스러스트 베어링을 나타내는 단면도이며, 도 8(b)은 도 8(a)에 나타내는 스러스트 베어링의 슬라이딩면의 각종 오일홈, 오목홈의 패턴예를 나타내는 평면도다.

본 실시형태에 있어서는, 도7에 나타나 있는 바와 같이 암(5)에 압입되는 스러스트 베어링(25)과 버킷 브래킷(6a)에 배치되는 스러스트 베어링(26)을 모두 플랜지를 가진 형태의 스러스트 베어링으로 한 것이다. 버킷(6)은 작업 내용에 따라 적시교환해서 이용하는 경우가 많고, 또한 메인터넌스가 용이하기 때문에 버킷 브래킷(6a)용의 스러스트 베어링(26)의 슬라이딩면은 상기 철계 소결 슬라이딩 재료를 이용하지 않고, 예를 들면 탄소강이나 저합금강을 고주파담금질 한 것이나 침탄한 저렴한 스러스트 베어링을 이용하는 것이 경제적으로 바람직하다.

도 8(b)에 나타나 있는 바와 같이 슬라이딩면(고주파담금질 경화 슬라이딩면)(27)에 적정한 홈(암 홈(28a), 다이아몬드몬드형 홈(28b))이나 오목홈(딤플 오목홈 혹은 구멍(29))을 설치하는 것은 바람직한 형태다. 이에 따라 윤활용 그리스나 그것을 대신하는 윤활조성물이 상기 슬라이딩면(27)에 공급되기 쉬워지고, 내시저성, 내히트크랙성의 개선을 꾀할 수 있다.

(제3 실시형태)

도 9는, 본 발명의 제3 실시형태에 관한 버킷 연결장치의 개략구조를 설명하는 도다.

본 실시형태에 있어서, 그 기본구성은 도 7에 나타내는 제2 실시형태와 같다. 다만, 본 실시형태의 작업기 부시(11A)는, 다공질이며, 그 기공중에 윤활조성물이 충전된 철합금계 소결체로 구성되어 있다. 이것에 의해 버킷 연결장치의 급지간격 시간을 연장화할 수 있다. 또, 본 실시형태에서는, 작업기 부시(11A)에 상기 제1 실시형태 혹은 제2 실시형태의 스러스트 베어링을 조합시키는 것이 바람직한 형태다.

도 10은, 본 발명의 제3 실시형태의 변형예에 관한 버킷 연결장치의 개략구조를 설명하는 도다. 본 변형예는, 제3 실시형태의 보다 바람직한 형태다.

Mo를 주체로 하는 경질인 용사피막(30)이 0.1㎜이상 형성된 작업기핀을 조합시킴으로써, 좀더 급지간격의 연장화를 꾀하는 것이 가능하게 되고, 버킷 연결장치의 급지간격시간을 연장화할 수 있도록 한 것이다.

(제4 실시형태)

도 11은, 전륜 어셈블리의 주요부 구조를 설명하는 도다. 본 실시형태는, 전륜 어셈블리에 있어서의 프로팅씰 장치에 본 발명이 적용된 예다. 도 12는, 복층 프로팅씰(프로팅씰)의 구조를 나타내는 단면도다.

도 11에 나타나 있는 바와 같이 본 실시형태에 관한 전륜 어셈블리(36)는, 전륜 리테이너(49) 및 이 전륜 리테이너(49)에 지지되는 전륜 샤프트(50)와, 그 전륜 샤프트(50)에 바깥에서 끼워지는 전륜 부시(플랜지를 갖는 부시)(51) 및 그 전륜 부시(51)를 통하여 배치되는 전륜 롤러(52)가, 서로 회전가능하게 연결된 구조로 되어 있다. 이 전륜 어셈블리(36)에 있어서, 프로팅씰 장치(53)는, 밀봉면이 상접 하도록 배치되는 한쌍의 씰링(54,54)과, 각 씰링(54)에 바깥에서 끼워지는 O링(55,55)을 구비하고, 마주 향한 한쌍의 밀봉면이, 압축해서 부착된 O링(55)의 탄성력에 의해 전륜 샤프트(50)의 축방향으로 눌리워져서, 적당한 면압으로 접하면서 슬라이딩하고, 외부로부터의 물, 토사 등의 침입과 내부로부터의 윤활유의 누설을 방지하도록 구성되어 있다. 그리고, 한쌍의 씰링(54,54)의 밀봉면에, 적어도 5～50체적%의 탄화물과 고용탄소 농도가 0.15～0.5중량%로 조정된 마텐자이트상으로 이루어진 철계 소결 슬라이딩체가 소결 접합되어 있다. 또한 상기의 고용탄소 농도범위를 얻기 쉽고, 또한, 보다 경질이며, 내시저성이 우수한 탄화물을 얻기 위해서는, 상기 철계 소결 슬라이딩체 중에, Cr이 9중량% 이상, Mo가 3.5중량% 이상, Mo와 W의 총량이 4.5중량% 이상 및 V가 3중량% 이상 중 1종 이상을 함유하고, Cr₇C₃형 탄화물, M₆C형 탄화물 및 MC형 탄화물 중 1종 이상의 탄화물을 마텐자이트상에 분산시키는 것이 바람직하다. 또, 도 12에 나타나 있는 바와 같이 프로팅씰링의 소결 접합 방법 및 가스빠짐구멍(23), 홈(24)을 갖는 구조는 도 5, 도 6에 나타내어지는 스러스트 베어링과 거의 같다. 부호(G)는, 보다 고속주행용의 전륜 샤프트(50)의 표면에 슬라이딩 특성이 우수한 표면처리를 실시하는 것을 나타내고, 예를 들면 인산Zn, 인산Mn 등의 화성처리, Cr도금, Mo용사 피막처리 등이 바람직하다.

본 실시형태에 의하면, 보다 내시저성과 내히트크랙성이 우수한 프로팅씰 장치를 제공할 수 있지만, 보다 내마모성을 개선하기 위해서는, 고용탄소 농도를 0.2～0.45중량%로 조정한 마텐자이트상에 Cr₇C₃형 탄화물, M₆C형 탄화물 및 MC형 탄화물을 총량에서 20～40체적% 분산시킨 철계 소결 슬라이딩체를 Hv170이상의 철계 백 메탈에 소결 접합한 소결 슬라이딩 부재를 적용하는 것이 바람직하다.

또한, 기어감속장치 등에 이용되는 대지름의 프로팅씰 장치에 있어서는, 그 밀봉면에서의 슬라이딩속도가 빨라지고, 특히, 내시저성과 내히트크랙성이 우수한 프로팅씰이 필요로 되지만, 본 실시예에 의하면, 철계 소결 슬라이딩 재료 중에 Cu입자 혹은 Cu기 합금입자, Mo금속입자 및 폐쇄 기공의 적어도 한쪽을 1～10체적%의 범위로 분산시키는 것이 바람직하다. 또한, 폐쇄화된 기공은, 3～10체적% 분산되어, 기공의 평균 구멍지름이 0.03～1.0㎜인 것이 바람직하다. 또한, 프로팅씰의 슬라이딩면(밀봉면)에 1～30면적%, 바람직하게는 1～10면적% 또는 3～10면적%의 오목부를 설치하는 것도 바람직하지만, 상기 폐쇄 기공과 오목부의 크기를, 밀봉면의 폭의 약 1/2이하로 하고 또한, 밀봉면의 폭방향에 0.5㎜ 이하의 크기로 제어하는 것이 바람직한 형태다. 또한, 상기 폐쇄 기공과 오목부의 크기는 밀봉면의 폭방향에 1㎜ 이하로 해도 좋다.

또, 내마모가 뛰어나고, 저렴한 철계 소결 슬라이딩체로서는, SKD1, SKD2, SKD11 등의 고탄소 고Cr계 공구강과 같이 Cr₇C₃형 탄화물을 마텐자이트상 중에 석출 분산시킨 것이 이용되지만, 본 실시예에서는, SKD재료계의 적정 담금질 온도 900～1000℃에 있어서의 Fe-C-Cr 삼원계 상태도(후술의 도 15 참조)와 그 상태도에 있어서의 평형 관계(등탄소활량)을 참고로 해서, Tie LineA, B로 둘러싸여지는 (오스테나이트+Cr₇C₃형 탄화물)의 이상영역에 있어서, 마텐자이트상 중의 고용탄소 농도가 0.2～0.45중량%가 되는 것에 착안하여, 철계 소결 슬라이딩체의 탄소첨가량과 Cr첨가량 사이에 있어서, 다음식의 관계를 만족시키는 것으로 했다.

0.143×(Cr중량%)-1.41≤(C중량%)≤0.156×(Cr중량%)-0.58

또한, Cr₇C₃형 탄화물이 5～50체적% 분산되는 Cr첨가량으로서 9～35중량%를 설정했다. 또한 V는 마텐자이트상의 뜨임 연화 저항성과 Cr₇C₃형 탄화물의 균일분산성에 기여하므로, MC형 탄화물을 석출시키지 않는 범위의 V첨가의 경우의 탄소첨가량과 Cr첨가량의 관계가 이용되지만, V첨가에 의한 근소한 MC형 탄화물(5체적% 이하)을 석출 분산시키는 범위가 상기 V의 작용을 최대로 끌어 낼 수 있으므로, 이 경우의 V첨가량은 0～3중량%를 함유하고, 또한 철계 소결 슬라이딩체의 탄소첨가량과 Cr첨가량 사이에 있어서, 다음식의 관계를 만족시키는 것으로 했다.

0.143×(Cr중량%)-1.41+14×MC탄화물의 체적분률≤(C중량%)≤0.156×(Cr중량%)-0.58+14×MC탄화물의 체적분률

구체적으로는, C가 0.9～3.8중량%, Cr이 9～35중량%, V가 0～3중량%를 함유하고, 그 탄소함유량이 0.143×(Cr중량%)-1.41+14×MC형 탄화물 체적분률≤C중량%≤0.156×(Cr중량%)-0.58+14×MC형 탄화물 체적분률의 관계를 만족하고, 0.2～0.45 중량%의 C, 6.5～12중량%의 Cr을 고용하는 마텐자이트상을 갖고, 상기 마텐자이트상중에 Cr₇C₃형 탄화물이 5～40체적% 분산하고, MC형 탄화물이 5체적% 이하 분산되고, 총탄화물량이 5～40체적%인 조직으로 이루어지고, Si, Mn, Ni, P, S, B, N, Mo, W, Ti, Co, Cu 및 Al로 이루어지는 합금원소군에서 선택된 1종 이상이 함유되는 철계 소결 슬라이딩체가 바람직하고, 또한 Si의 존재를 고려하여, 철계 소결 슬라이딩체의 탄소함유량은, 0.143×(Cr중량%)-1.41+0.15×(Si중량%)+14×MC형 탄화물 체적분률≤C중량%≤0.156×(Cr중량%)-0.58+0.15×(Si중량%)+14×MC형 탄화물 체적분률의 관계를 만족하는 것이며, 상기 철계 소결 슬라이딩체에는 마텐자이트상이 형성되어 있고, 상기 마텐자이트상은 0.2～0.45중량%의 C, 6.5～12중량%의 Cr을 고용하고, 1～5중량%의 Si 및 0.5～4중량%의 Al의 적어도 한쪽을 고용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 Cr₇C₃형 탄화물과 MC탄화물을 석출 분산한 철계 소결 슬라이딩 재료의 마텐자이트상 중의 적정한 탄소농도, Cr, V, Mo, W 등의 합금원소의 농도 및 탄화물량의 조정은, 철계 소결 슬라이딩 재료의 내시저성, 내히트크랙성, 내마모성을 조정하게 되는 중요한 요인이므로 보다 정확하게 검토한다. 본 실시예에서의 철계 소결 슬라이딩 재료의 탄소첨가량과 합금원소(X원소) 첨가량(C중량%, X중량%)은, 분산되는 Cr₇C₃형 탄화물과 MC형 탄화물의 체적분률(fCr₇C₃, fMC), 마텐자이트의 탄소와 각종 합금원소 농도(CMar, XMar), Cr₇C₃형 탄화물의 탄소와 각종 합금원소 농도(C73, X73), 및, MC형 탄화물의 탄소와 각종 합금원소 농도(CMC, XMC)와 다음식의 관계를 갖는다.

(C중량%)=CMar×(1-fCr₇C₃)+C73×fCr₇C₃+CMC×fMC

(X중량%)=XMar×(1-fCr₇C₃)+X73×fCr₇C₃+XMC×fMC

=XMar×{(1-fCr₇C₃)+KX7×fCr₇C₃+KXMC×fMC}

상기한 실시형태의 범위에서는, C73≒8.7중량%, CMC=14중량%와 근사할 수 있으므로, 실시형태의 적정탄소농도 범위는, 다음식에서 기재된다.

0.2×(1-fCr₇C₃)+8.7×fCr₇C₃+14×fMC≤(C중량%)≤0.45×(1-fCr₇C₃)+8.7×fCr₇C₃+14×fMC

또한, 합금원소 X첨가량도, 마찬가지로 다음식에서 산출된다.

(X중량%)=XMar{(1-fCr₇C₃-fMC)+KX7×fCr₇C₃+KXMC×fMC}

여기서, KX7, KXMC(분배계수)은 Cr₇C₃형 탄화물, MC형 탄화물과 마텐자이트상 중의 X농도의 비(=X73/XMar, =XMC/XMar)이며, 실시형태에 있어서는, 후술과 같이 실측한 각 합금원소의 분배계수를 이용하여, 본 실시예의 범위에 있어서의 상기 철계 소결 슬라이딩 재료의 적정한 탄소, Cr, Mo, W, V, Si, Al, Ni, Co 등의 첨가량을 산출할 수 있게 하고 있다(후술에서는 KXMC을 KXM/C라고 기술한다).

여기서, 실시형태의 범위에 있어서는, KCr7=8, KMo7, KW7=2.5, KV7=13, KSi7, KAl7=0, KNi7=0.1, KCo7=0.23, KCrM/C=3.8, KMoM/C=3, KWM/C=8.2, KVM/C=119, KSiM/C, KAlM/C=0, KNiM/C, KCoM/C=0.05로 실측한 것이다. 또한 본 실시형태의 범위에 있어서는, 마텐자이트상 중의 Cr농도는 6.5～12중량%의 범위로 설정되지만, Mo,W,V농도는, 후술하는 바와 같이 Mo:0～4중량%, W:0～8중량, (Mo+0.5×W):0～4중량%, V:0～0.6중량%로 규제되는 것이며, 마텐자이트상의 담금질성의 확보나 뜨임 연화 저항성의 조정을 목적으로 하여, 설정되는 값이다.

또한, 상기 Cr의 분배계수KCr7은, 넓은 Cr농도범위에 걸쳐지기 때문에, 본 발명범위에 있어서의 KCr7을, 마텐자이트상 중의 Cr농도CrMar(중량%)을 이용하여 KCr7=-0.48×CrMar(중량%)+11.8로 설정되는 것이 보다 바람직하다.

상기한 바와 같이, 윤활성이 까다로운 상태에서 발현되는 경계 윤활하에서의 슬라이딩면의 발열에 의해, 슬라이딩면의 마텐자이트상의 경도가 급격하게 연화될 경우에는, 내시저성과 내마모성이 열화하는 것이다. 상기 철계 소결 슬라이딩 재료의 뜨임 연화 저항성을 높이기 위해서, 실시형태에 있어서는, 저렴한 Si를 1～3.5중량% 및 Al을 0.5～2중량%의 적어도 한쪽을 첨가하고, 마텐자이트상 중의 Si농도를 1～5중량% 및 Al농도를 0.5～4중량%의 적어도 한쪽의 범위에 농축시켜서, 뜨임 연화 저항성을 높인 복층 소결 슬라이딩 부재(소결 슬라이딩 부재)를 개발했다.

또한, 상기 마텐자이트상 중에 Mo를 공존시키는 경우에 있어서는, 본 출원인이 일본 특원 2003-380203호에 기재한 것 같이, Si에 의해 Mo의 뜨임 연화 저항성이 유효하게 발현되어지는 최대농도가 감하여지므로, 실시형태에 있어서는, 경제성을 고려해서 마텐자이트상 중의 Mo,(Mo+W)의 농도범위를 0～(4.0-0.5×(Si중량%+Al중량%))로 조정하는 것으로 하고, 철계 소결 슬라이딩 재료에 Mo가 0～5.5중량%, (Mo+W)가 0～5.5중량% 첨가되는 것으로 했다. 소결 접합후에 가스 냉각에 의한 담금질 경화성을 확보하는 관점에서, Mo를 1～5.5중량% 첨가하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 실시형태에 있어서는, 마텐자이트상 중의 뜨임 연화 저항성을 효율적으로 개선하는 Mo농도는 0～2.5중량%인 것으로부터, 경제적인 Si, Mo첨가량으로서는 Si가 1～2.5중량%, Mo가 1～2.8중량%이며, 보다 바람직하게는 Si가 1.5～2.5중량%, Mo가 1～2중량%이다.

Si는 마텐자이트상에 많이 고용하고, 마텐자이트상의 뜨임 연화 저항을 현저하게 향상시키는 경제적인 원소다. 이러한 점에서, 예를 들면 SKD6, SKD61, SKD62 등의 탄화물을 분산시키지 않고 사용하는 열간 공구강에 있어서는 적극적으로 첨가되고 있다. 철계 소결 슬라이딩 재료에 있어서는 소결성을 현저하게 높이는 것과 소결시나 담금질시의 오스테나이트상 중의 탄소활량을 현저하게 높이고, 마텐자이트상 중의 고용탄소 농도를 0.15×Si중량%의 관계로 저감하는 작용이 있기 때문에, 실시형태에 있어서는, 상기 Fe계 소결 슬라이딩 재료 중의 적정 탄소농도를 0.15×Si중량%의 관계로 고탄소측으로 조정되는 것이 바람직하다.

또, Si는 현저한 αFe상을 안정화하는 합금원소이며, Si의 첨가에 의해, A1, A3 변태온도를 현저하게 고온도측에 끌어 올리는 작용을 나타내기 때문에, 슬라이딩면에 있어서의 내히트크랙성을 향상시키는 작용을 나타낸다고 생각되지만, 각종합금원소의 단위중량% 당의 A3 변태온도변화(ΔA3=℃/중량%, Si:+40, Al:+70, Mo:+20, V:+40, W:+12, Mn:-30, Ni:-15, C:-220)에서 알 수 있는 바와 같이, Si이외에도 Al, Mo, V, W도 내히트크랙성을 높이는 것을 알 수 있다. 그러나, Si나 이들의 합금원소가 많이 공존하는 경우에 있어서는, 좀더 페라이트상이 안정화하고, 적정한 담금질 처리를 할 수 없어지므로, 상한 Si첨가량은, 열역학적으로 계산되는 Fe-Si-C-X4원계 상태도(도 1(a),(b),(c)참조)을 참고로 해서, Cr₇C₃형 탄화물을 주체적으로 분산시키는 마텐자이트상 조성(0.2중량%C-6.5～12중량%Cr)을 검토한 경우, 3.5중량%Si의 첨가가 가능한 점에서 3.5중량%로 했다. 또한, 후술하는 M₆C형 탄화물을 주체로 하여 분산시키는 실시형태(0.45중량%C-3중량%Mo-0.5중량%V)에서는 25중량%로 하는 것이 바람직하다(도 1(a), (b), (c)참조).

또한, Al의 첨가량은, Al이 Si보다도 현저하게 αFe상을 안정화하는 점에서, Si첨가량의 약 1/2로 설정하는 것으로 한다. 또한, 고농도인 Si, Al이 첨가되는 철계 소결 슬라이딩 재료에는, 오스테나이트상을 안정화하는 Ni:1～5중량%, Mn:0.5～2중량% 및 Cu:1～10중량% 중 1종 이상을 함유시키는 것이 바람직하다(도 1(a), (b), (c)참조).

또한, 상기 경계 윤활하의 슬라이딩면 온도가 500℃를 넘을 경우에는, 슬라이딩면의 마텐자이트상의 뜨임 연화 저항성을 보다 높이는 것이 기대된다는 점에서, 실시형태에 있어서는, 500℃ 이상에서의 뜨임 연화 저항성이 Si보다도 효과적으로 발현되는 Mo,W,V를 유효하게 활용하고, 600℃에서의 뜨임 처리(1hr)로 록웰경도 HRC50이상, 바람직하게는 HRC55이상의 경도가 유지될 수 있도록, 적어도 Mo:1.6(바람직하게는 2)～6.5중량%, (Mo+W):1.6(바람직하게는 2)～6.5중량% 중 어느하나를 상기 철계 소결 슬라이딩 재료에 함유시켜, 그 마텐자이트상 중에서 Mo:1.5～4중량%, (Mo+W):1.5～4중량% 및 V:0～0.6중량%로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상이 되도록 조정한 철계 소결 슬라이딩 부재로 하는 것이 바람직하다.

또, 마텐자이트상 중의 Mo, W농도는 900～1000℃의 담금질 온도에 있어서의 M₆C형 탄화물의 고용도를 고려하고, 최대 약 4중량%까지 고용시킬 수 있고, Mo, W의 마텐자이트상 중의 하한농도는, 굳이 한정되는 것은 아니지만, 상기 SKD공구강이나 열간공구강의 뜨임 경도 곡선을 참고로 해서, 이것들의 강재의 뜨임 연화 저항성 이상으로 개선하기 위해서, 1.5중량% 이상이 바람직한 것이라고 했지만, 2중량% 이상이 보다 바람직하다.

또한, 철계 소결 슬라이딩 재료에 첨가되는 Mo, W는 분산되는 Cr₇C₃형 탄화물중에 농축하므로, 후술의 실시예에서 구한 Mo, W의 Cr₇C₃형 탄화물과 마텐자이트상 간의 분배계수 KMo7, KW7을 이용하여, 상기 Cr₇C₃형 탄화물의 하한 분산량과 상한 분산량 및 마텐자이트상 중의 Mo 및 W의 적어도 한쪽의 하한농도, 상한농도의 관계로부터 Mo:1.6～6.4중량%, (Mo+W):1.6～6.4중량%로 설정되는 것이 바람직하다. 또한, 마텐자이트상 중의 Mo 및 W의 적어도 한쪽의 농도가 2～4중량%로 설정하고, 상기 스러스트 베어링용에 적합한 Cr₇C₃:10～25체적%에서는 Mo:2.3～5.5중량%, 상기 프로팅씰용에 적합한 Cr₇C₃:20～40체적%에서는 Mo:2.6～6.4중량%가 바람직한 것이라고 했지만, 보다 바람직하게는 Cr₇C₃:25～40체적%, Mo:3.5～6.4중량%이다.

상기 Mo, W의 경우와 같이, V에 대해서 검토한다. 마텐자이트상 중의 V는 Mo, W보다도 현저하게 뜨임 연화 저항성을 높이는 원소이지만, 0.2～0.45중량%의 C를 고용하는 마텐자이트상 중의 V농도는, MC형 탄화물이 극히 안정된 탄화물이다. 이러한 점에서, 900～1100℃의 온도범위에서는 0.2～0.6중량%이며, 또한, Cr₇C₃형 탄화물 중에 현저하게 농축하는 V농도를 고려하면, 예를 들면, 실시형태의 범위에 있어서는 50체적%의 Cr₇C₃형 탄화물이 석출하는 철계 소결 슬라이딩 재료 중에 있어 서 약 3.5중량%까지, MC형 탄화물이 석출되지 않고 첨가된다. 또 후술하는 바와 같이, 탄화물이 다량으로 분산됨과 아울러, 그 강도가 열화하는 것과 경제성을 고려하여, 5～40체적%의 Cr₇C₃형 탄화물이 분산되는 철계 소결 슬라이딩 재료를 상정했을 경우에는, Cr₇C₃형 탄화물양에 따라 0.5～3.0(보다 정확하게는 2.9)중량%를 첨가하는 것이 바람직하다. 또한, 마텐자이트상의 뜨임 연화 저항성을 현저하게 향상시키는 V를 최대한으로 이용하기 위해서는, 경제성의 관점으로부터 허용되는 소량의 MC탄화물을 석출, 분산되게 하는 것이 바람직하므로, 실시형태에 있어서는, MC형 탄화물:5체적% 이하를 분산되게 하는 것이 바람직한 것으로 하고, 실시형태의 범위에 있어서의 MC형 탄화물 중의 V농도가 약 45중량%인 것을 고려하여, V의 첨가량을 5중량 이하, 보다 바람직하게는 4중량% 이하로 했다.

또한, 적정한 내마모성과 강인성을 필요로 하는 스러스트 베어링용의 철계 소결 슬라이딩 재료로서는, 상기(Cr₇C₃+MC)의 총탄화물량을 10～20체적% 분산시키는 것이 바람직하므로, C:1.1～2.4중량%, Cr:10～29중량%, Mo:1.8～5중량%, V:1.1～3.5중량%인 것이 바람직하고, 또한 내시저성을 개선하는 관점으로부터는, 0.5～5체적%의 MC탄화물을 소량 분산시켜, (Cr₇C₃+MC)형 탄화물의 총량이 20～40체적%로 하는 것이 보다 바람직하므로, C:1.9～4중량%, Cr:15～35중량%, Mo:2～6.4중량%, V:2～5중량%로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 스러스트 베어링보다도 뛰어난 내마모성을 필요로 하는 프로팅씰에 적용할 경우에 있어서는, 상기 철계 소결 슬라이딩 재료의 내마모성과 내시저성을 보다 높일 필요성이 있다. 적어도 C가 1.8～4.5중량%, Cr이 12～30중량%, V가 3.5～10중량%, Mo가 2～6.4중량% 또는 Mo와 W가 총량에서 2～6.4중량%를 함유하고, 고용탄소 농도가 0.2～0.45중량%의 마텐자이트상 중에 Cr₇C₃형 탄화물보다 경질인 MC형 탄화물을 5～15체적% 석출 분산시킨 철계 소결 슬라이딩 재료를 사용한 소결 슬라이딩 부재를 개발했다. 상기 마텐자이트상은 0.2～0.45중량%의 C, 6.5～12중량%의 Cr을 고용하고, 1～3.5중량%의 Mo, 총량에서 1～3.5중량%의 Mo 와 W 및 0.4～0.6중량%의 V로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상을 고용시키는 것이 바람직하다. 여기서, 철계 소결 슬라이딩 재료의 강인성을 고려하고, 마텐자이트상 중에 10～35체적%의 Cr₇C₃형 탄화물과 5～15체적% MC형 탄화물을 총탄화물량에서 15～40체적% 석출 분산시키는 것으로 하고, 또한, Si, Mn, Ni, P, S, B, N, Co, Cu, Al 등의 합금원소의 1종 이상을 함유시키는 것이 바람직하지만, 철계 소결 슬라이딩 재료의 강인성을 개선하는 관점으로부터는 총탄화물량을 15～30체적%로 설정하는 것이 보다 바람직하다.

또, (V+Ti)첨가에 의한 MC형 탄화물의 하한 분산량은, 후술하는 고속도강에 있어서의 평균치의 5체적%로 하고, 또한, 그 상한 분산량으로서는, 경제성을 고려해서 15체적%로 설정했다. 특히, Cr₇C₃형 탄화물과 공존시켜서 MC형 탄화물을 분산시키는 경우에는, Cr₇C₃형 탄화물에 V가 고농도로 농축하므로, 경제적인 관점에서는 Cr₇C₃형 탄화물을 10～25체적%로 제한하고, 또한, 철계 소결 슬라이딩 재료의 강인 성을 확보하는 관점으로부터, 적어도 C:1.8～3.7중량%, V:3.7～9중량%, Mo:2.5～5.5중량%, (Mo+W):2.5～5.5중량%를 함유하고, 탄화물 총량을 15～30체적%로 조정하는 것이 바람직하다.

또한, MC형 탄화물을 현저하게 형성하는 Ti, Zr, Nb, Hf 등의 합금원소는, 그 마텐자이트상 중에 거의 고용상태에 없고, 전량이 MC형 탄화물로서 분산되면 근사된다. 또한 매우 고가인 원소류이며, 다량으로 첨가하는 것이 경제적이지는 않다. 이러한 점으로부터 그 첨가량을 3중량% 이상으로서, 또한, TiC, ZrC, NbC의 화학량론 조성으로부터 계산되는 탄소량(중량%)을 첨가하고, 적정탄소첨가 농도를 조정하는 것이 바람직하다.

또한, 철계 소결 슬라이딩 재료의 철계 백메탈에의 소결 접합은, 거의 1150～1220℃에서 실시되어, 이 소결 접합 근방의 온도로부터 직접적으로 가스 냉각에 의한 담금질을 실시해도, 마텐자이트상 중에 있어서의 고용탄소 농도가 0.2～0.45중량%로 조정되어 있는 한 문제는 없다. 담금질 온도가 높을수록, 마텐자이트상 중의 V, Mo, W농도가 보다 커지고, 뜨임 연화 저항성에 바람직하다.

또, 마텐자이트상의 600℃에서의 뜨임 연화 저항성은, 록웰경도 HRC로 표기하는 뜨임 파라미터ΔHRC와 각 마텐자이트상 중의 합금원소 농도와 다음식의 관계로 개선된다. 따라서, 예를 들면, SKD1(2.02중량%C, 0.34중량%Si, 13.03중량%Cr, 0.04중량%V)의 600℃ 뜨임경도(약 HRC43)를 기준으로 해서, ΔHRC가 7이상, 보다 바람직하게는 12이상이 되도록 마텐자이트상 중의 각 합금원소 농도가 조정되는 것이 바람직하다.

ΔHRC=0.5×(11×MoMar+7.5×WMar+25.7×VMar+5.8×SiMar+5.8×SiMar)

예를 들면, ΔHRC≥12의 조건을 달성하기 위해서는, Mo, W, V의 단독첨가에서는 마텐자이트상 중의 각 합금원소는 2.2중량%Mo이상, 3.2중량%W이상, 0.93중량%V이상을 필요로 하고, 상기 최대고용V농도: 약 0.6중량%인 점으로부터, Mo, W의 첨가없이, V의 단독첨가만으로는 뜨임 연화 저항성의 개선이 불충분해지고, 적어도 Mo의 복합첨가에 의해 마텐자이트상 중의 Mo농도를 1중량% 이상으로 조정해 두는 것이 필요하다는 것을 알 수 있다.

또, MC형 탄화물을 Cr₇C₃형 탄화물과 함께 분산시키는 경우의 철계 소결 슬라이딩 재료의 적정 탄소량이 수정되는 것은 전술했지만, 첨가되는 Cr, Mo, W도 MC형 탄화물에 현저하게 농축한다. 이러한 점에서, 전술의 각 합금원소의 MC형 탄화물과 마텐자이트 간의 분배계수를 이용하여, 적정한 마텐자이트상 중의 각 합금원소 농도를 조정하기 위한 철계 소결 슬라이딩 재료에 첨가되는 Cr, Mo, W의 적정한 첨가량을 계산할 수 있다. MC형 탄화물 중에는 Mo, W, V, Cr이 극히 고농도로 농축한다는 점에서, 단순한 분배계수를 사용하는 것 만으로는 그 정확성이 충분하지 않다. 따라서, MC형 탄화물은 (V, Mo, W, Cr)₄C₃형의 복합 탄화물로서 석출하고, 그 탄화물의 조성은, (V+Mo+W+Cr):80중량, C:15중량%, (Fe+Mn+등):5중량%로 거의 구성되어 있는 것으로 하고, MC형 탄화물중의 V, Mo, W, Cr의 각 농도는, 각각의 합금원소의 MC형 탄화물과 마텐자이트 간의 분배계수(KVM/C=119, KMoM/C=3, KWM/C=8.2, KCrM/C=3.8)로 정해지는 농도비율에서, 그들의 합금원소의 총량이 80중량%가 되도록 수정을 행하는 것으로 한다. 예를 들면, VMC중량%=(VMar×KVMC/((VMar×KVMC+CrMar×KCrMC+MoMar×KMoMC+WMar×KWMC)/0.8)로 계산되는 것으로 수정된다(간단히, 여기서는 KXM/C를 KXMC로 약기한다). 예를 들면, 후술하는 도21 중에 기재된 No.32의 MC탄화물의 근사적인 마텐자이트 조성(2.0중량%Mo, 2.0중량%W, 4.5중량%Cr, 0.45중량%V)로부터, 마텐자이트상 중에 분산되는 MC형 탄화물의 계산조성은, 46.0중량%V-5.2중량%Mo-14.1중량%W-14.7중량%Cr로 계산되어, 후술하는 도 21중에 기재된 분석결과와 잘 일치하는 점에서, 이 수정이 바람직한 방법인 것을 알 수 있다.

고경도인 SKH2(T1), SKH10(T15), SKH54(M4, M6), SKH57 등의 고속도강은, 다량의 W, Mo를 함유하고, 1200℃ 이상의 담금질 온도로부터 담금질 처리와 2회 이상의 뜨임처리(약 550～580℃)를 실시하고, 잔류 오스테나이트상을 거의 완전하게 분해하고, 그 록웰경도가 HRC65 이상이 되도록, 고용탄소 농도를 0.5～0.6중량%로 조정되어서 사용된다. 상기 고속도강은, 현저한 뜨임 연화 저항성을 발현시키기 위해, 고용(Mo+W+V):5～10중량%, 고용Cr:3.5～4.5중량%의 고합금 마텐자이트상 중에 5～12체적%의 Fe₃Mo₃C, Fe₃W₃C의 결정구조를 기본으로 하는 M₆C형 탄화물과 1～9체적%의 V₄C₃의 구조를 기본으로 하는 MC형 탄화물의 총탄화물량이 7～12체적% 분산되어 있는 재료(참조문헌: 사토, 니시자와, 「일본금속학회회보」2(1963), P564.)이다. 이 때문에, 상기 고Cr계 공구강과 같이 내히트크랙성이 충분하지 않고, 또한 상기 프로팅씰 등에 적용할 경우에는, 탄화물이 적기 때문에, 내시저성과 내마모성이 충분하지 않은 문제가 있다. 그래서 본 발명에 있어서는, 상기 Cr₇C₃형 탄화물과 MC형 탄화물을 마텐자이트상 중에 분산시킨 적정한 탄소와 합금원소첨가량의 결정방법과 같은 방법에 의해, M₆C형 탄화물을 많이 분산시킨 경우의 적정한 탄소 및 합금원소의 첨가량을 설정할 필요가 있다. 그래서 본 발명은, 900～1000℃의 Fe-C-Mo계의 상태도(후술의 도 16참조)을 참조하면서, 고용탄소 농도가 0.2～0.45중량%의 마텐자이트상 중에 M₆C형 탄화물이 분산하는 철계 소결 슬라이딩 재료에 있어서의 Mo첨가량에 대한 적정한 탄소량이,

0.043×(Mo중량%)≤(C중량%)≤0.038×(Mo중량%)+0.36

을 만족시키는 것과 근사해서 표기되어, 또한 상기 Fe-C-Mo계와 같이, Fe-C-W계 상태도(후술의 도17을 참조)에 대해서 검토하면, 오스테나이트(γ)와 M₆C 탄화물의 이상 영역을 구성하는 Tie Line A, Tie Line B의 구배가 거의 Fe-C-Mo계 상태도(도16)의 Tie Line의 구배의 약 1/2에 상당하고, 또한, M₆C형 탄화물의 오스테나이트에의 고용도가 거의 같이 근사할 수 있다는 점으로부터, Mo와 W가 동시에 첨가된 경우의 철계 소결 슬라이딩 재료의 마텐자이트상 중의 고용탄소 농도를 0.2～0.45중량%로 조정하기 위한 적정 탄소량이,

0.043×(Mo중량%+0.5×W중량%)≤(C중량%)≤0.038×(Mo중량%+0.5×W중량%)+0.36

을 만족시키고, 또한, M₆C형 탄화물이 5～40체적%을 분산되어져, (Mo+0.5×W)이 4.5～30중량%를 함유하는 철계 소결 슬라이딩 재료를 개발했다. 또, 본 발명의 철계 소결 슬라이딩 재료는, 적어도 C가 0.6～1.9중량%, Cr이 1～7중량%, V가 0～3중량% 및 Mo가 3.5중량% 이상이고, (Mo+0.5×W)이 4.5～30중량%(또는, (Mo+W)가 6～30중량%)함유하고, 고용탄소 농도가 0.2～0.45중량%(바람직하게는, 고용Mo농도가 2～4중량% 및 고용(Mo+W)농도가 2～4중량%, 고용Cr농도가 1～7중량%, 고용V농도가 0～0.6중량%)의 마텐자이트상 중에 5체적% 이상(바람직하게는 5～40체적%)의 M₆C형 탄화물과 5～40체적%의 MC형 탄화물이, 분산된 조직으로 이루어지고, 또한, Si, Mn, Ni, P, S, N, B, Ti, Co, Cu, Al의 1종 이상의 합금원소가 필요에 따라서 함유되어서 이루어진 철계 소결 슬라이딩 재료가 고강도, 고인성인 철계 백메탈에 소결 접합되어서 이루어진 복층 소결 슬라이딩 부재를 개발했다.

또한, MC형 탄화물의 분산량에 따른 탄소첨가량의 수정량이나 합금원소첨가량은 상기의 방법을 따라서 설정되므로, 고용탄소 농도가 0.2～0.45중량%의 마텐자이트상 중에 M₆C형 탄화물과 MC형 탄화물이 분산되는 철계 소결 슬라이딩 재료에 있어서의 Mo, W첨가량에 대한 적정한 탄소량이, 다음식을 만족시키는 것은 명확하다. 0.043×(Mo중량%+0.5×W중량%)+14×MC탄화물의 체적분률≤(C중량%)≤0.038×(Mo중량%+0.5×W중량%)+0.36+14×MC탄화물의 체적분률

또, 상기 Cr₇C₃형 탄화물과 MC탄화물을 석출 분산한 철계 소결 슬라이딩 재료 보다 정확한 조성 검토와 같은 검토가 필요하다. 본 실시예에서의 M₆C형 탄화물의 체적분률 fM₆C와 M₆C탄화물의 탄소농도CM₆C(중량%)를 기술하면, 철계 소결 슬라이딩 재료의 적정 탄소량이, 마텐자이트상의 고용탄소 농도 0.2, 0.45중량%를 이용하여, 다음식의 관계로 표시된다.

0.2×(1-fM₆C-fMC)+CM₆C×fM₆C+14×fMC≤(C중량%)≤0.45×(1-fM₆C-fMC)+CM₆C×fM₆C+14×fMC

또한 상기의 내히트크랙성을 높이기 위해서, 마텐자이트상의 상한 고용탄소 농도를 0.35중량%로 할 경우에는, 0.35중량%를 상기 식에 꼭 맞춰서 사용하는 것이 바람직하다.

또한, M₆C형 탄화물의 탄소농도(CM₆C)은, M₆C형 탄화물 중의 Mo, W의 함유비율에 따라서 변화되는 것이지만, 후술의 실시예의 결과로부터, M₆C탄화물과 마텐자이트상 간의 Mo, W의 분배계수가 KMo6≒KW6과 근사되는 것을 알았으므로, 다음식과 같이 근사되는 것이라고 했다.

CM₆C=0.91×(Mo중량%/(Mo중량%+W중량%))+1.74

또, M₆C탄화물과 마텐자이트상 간의 각 합금원소의 분배계수는, KMo6=206, KW6=23, KV6=5.7, KCr6=0.95, KSi6=2.3, KAl6=2.3, KNi6=04, KCo6=0.5, KP6=2으로 실측된다. 따라서, 이들의 분배계수를 이용하여 상기 철계 소결 슬라이딩 재료에 대한 경우와 같이 적정한 합금원소의 첨가량이 계산된다. 또한, 상기 MC형 탄화물중의 합금원소 농도를 수정하는 것과 같이, M₆C탄화물 중의 Mo, W농도가 높고, Fe₃Mo₃C에서는 58중량% Mo, Fe₃W₃C에서는 70중량% W까지 고용하는 점에서, Mo과 W가 공존할 경우에는, MoM₆C/(MoM₆C+WM₆C)의 비율에 따라 (MoM₆C+WM₆C) 중량%를 계산하는 것이 바람직하다.

또한, 내히트크랙성과 강인성을 중시한 철계 소결 슬라이딩 재료로서는, 상기 마텐자이트상 중의 상한 고용탄소 농도를 0.35중량%로 하고, M₆C형 탄화물이 5～20체적%, MC형 탄화물이 5체적% 이하, 총탄화물량이 10～25체적% 분산되어 있는 것이 바람직하고, 복층 스러스트 베어링(스러스트 베어링)에 적합하다. 보다 뛰어난 내시저성과 내마모성을 필요로 하는 상기 프로팅씰 등에 적용하는 철계 소결 슬라이딩 재료로서는, M₆C형 탄화물이 15～40체적%, MC형 탄화물이 5체적% 이하로 하고, 총탄화물량이, 상기 고속도강보다 더욱 많고, 20～40체적분산되어 있는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같이, 고속도강은, 담금질 상태에서는 20체적% 이상의 잔류 오스테나이트상이 잔류하기 때문에, 550～580℃에서의 2회 이상의 뜨임 처리에 의해, 잔류 오스테나이트를 분해함과 아울러, 뜨임 2차경화에 의해 HRC65 이상으로 현저하게 경화된 상태에서 사용된다. 이 때문에, 프로팅씰에 적용할 경우, 슬라이딩면간의 초기 친밀성 불량에 의한 기름누출이나 시저가 다발하는 문제가 있다. 본 발명에 있어서는, 상기 친밀성 개선에 의한 내시저성과 0.3～2.0㎜ 정도의 적정한 밀봉폭을 확보하기 위해서, 뜨임 처리후에 있어서도, 잔류 오스테나이트가 매트릭스중에 5체적% 이상, 보다 바람직하게는 10～40체적% 분산시키는 것으로 하지만, 40체적% 이상의 잔류 오스테나이트가 존재할 경우에는, 내마모성이 열화하기 때문에, 그 상한치를 40체적%로 했다.

또한, 상기 적정한 잔류 오스테나이트량을 확보하기 위해서, 종래의 고속도강에서는 첨가되지 않는 Ni가 1～5중량%, Mn이 ～2중량%, Cu가 ～10중량%의 1종 이상이 첨가되는 것으로 했다.

또한, 상기 프로팅씰은 상기한 바와 같이 마찰된 상태에 있어서도 충분한 밀봉성을 확보하기 위해서, 적정한 밀봉폭이 확보되는 철계 소결 슬라이딩 재료를 선정하는 것이 중요하다. 밀봉폭이 지나치게 좁을 경우에는, 밀봉성이 확보되지 않을뿐만 아니라, 밀봉면에서의 슬라이딩면압이 높아져 밀봉면의 시저, 히트크랙을 현저하게 발현한다. 또한, 밀봉폭이 지나치게 넓을 경우에는 안정된 밀봉성이 확보되지만, 밀봉 면내의 윤활성이 극히 안좋아지기 때문에, 밀봉면의 시저, 히트크랙을 현저하게 발현한다. 이러한 문제가 있으므로, 종래의 밀봉재료에 있어서도 그 밀봉 폭이 0.3～2㎜가 되도록 선정되어 있고, 본 발명에 있어서는, 밀봉면간의 윤활성을 개선하는 방책을 제공하고 있다.

또, 본 발명에 있어서의 마텐자이트상 중의 고용탄소 농도의 조정 방법으로서는, 종래 조성의 고속도강의 열처리 데이터(사토, 니시자와, 「일본금속학회회보」2(1963), P 564.)에 근거하여 담금질 온도를 900～1150℃, 보다 바람직하게는 900～1000℃로 설정하고, 담금질 처리를 실시하는 방법을 사용하고 있다.

상기한 바와 같이 철계 소결 슬라이딩 재료중에 있어서는, Cr₇C₃형 탄화물을 분산시키지 않기 위해, 그 Cr첨가량을 1～7중량%으로 제한하고 있다. 그 때의 마텐자이트상 중의 Cr농도도 거의 1～7중량%으로 되어 있고, Cr농도가 높을수록 내식성 이 우수하다. 상기한 바와 같이, 높은 뜨임 연화 저항성을 중시할 경우에는, 본 출원인이 일본특원 2002-380203호에서 개시하는 것 같이, 마텐자이트상 중의 Cr농도가 3.5중량% 이상으로 되면 뜨임처리에 의해 Cr₇C₃형 탄화물이 석출되어 Mo, W, V등에 의한 뜨임 연화 저항성을 열화시키는 점에서, 마텐자이트상 중의 상한의 Cr농도를 3.5중량%로 하는 것이 바람직하고, 하한의 Cr농도는 담금질 경화성을 고려하고, 1중량%로 하는 것이 바람직하다. 또, 담금질성의 확보는, 마텐자이트상 중의 Ni, Mn, Mo에 의해도 충분히 조정되는 것이다. 또한 내식성은 마텐자이트상 중의 Cr농도가 1중량%이어도, Cr이외의 Mo, Ni, Cu, P, Si, Al의 첨가에 의해 충분히 개선되는 것이다. 예를 들면, 종래부터 프로팅씰으로서의 내식성에 문제가 없는 니하드 주철의 마텐자이트상 조성은 약 5중량%Ni-1중량%Cr-1.5중량%Si다.

또한, M₆C형 탄화물이 40체적% 분산되고, MC형 탄화물(V₄C₃)이 석출되지 않는 소결 슬라이딩 재료에 첨가되는 최대 V첨가량은, 1.2중량%(보다 정확하게는 1.15중량%)이다. 상기 Cr₇C₃형 탄화물이 40체적% 분산되고, MC형 탄화물(V₄C₃)이 석출되지 않는 소결 슬라이딩 재료에 첨가되는 최대 V첨가량과 비교했을 경우, 본 발명은, V가 보다 경제적으로 마텐자이트상의 뜨임 연화 저항성을 향상시키는 철계 소결 슬라이딩 재료로서 적합한 것을 알 수 있다.

또한, V의 뜨임 연화 저항성 개선 효과를 최대한으로 이용하는 관점으로부터, M₆C형 탄화물을 5, 15, 30, 40체적% 분산시키고, MC형 탄화물을 분산시키지 않을 경우의 V첨가량은 각각 0.5, 0.7, 1.0, 1.2중량%이다. 또한, 5체적%의 MC형 탄화물을 분산시키는 경우의 V첨가량은 2.2～4.5중량%로 계산되는 점에서, 본 발명에 있어서의 V의 적정 첨가량은, 0.5～4.5중량%인 것이 바람직하다. 또한, 상기 스러스트 베어링에 적용하는, M₆C가 5～25체적%, MC가 5체적% 이하로 총탄화물량이 10～25체적% 분산된 철계 소결 슬라이딩 재료에 있어서는, C가 0.6～1.6중량%, Cr이 1～3중량%, Mo가 7.5중량% 이상에서 (Mo+W)가 7.5～15중량%, V가 0.9～4중량%이다. 그리고, 프로팅씰용에 적용하는, M₆C가 20～40체적%, MC가 1～5체적%에서 총탄화물량이 20～40체적% 분산된 철계 소결 슬라이딩 재료에 있어서는, C가 0.8～1.9중량%, Cr이 1～3.5중량%, Mo가 13중량% 이상에서 (Mo+W)가 13～25중량%, V가 1.3～4.5중량%인 것이 바람직하다.

마텐자이트상 중의 Cr농도가 3.5중량% 이하의 경우의 뜨임 연화 파라미터 ΔHRC가 마텐자이트상 중의 각 합금원소X의 농도(XMar중량%)에 의해 다음식으로 기술된다(일본특원 2002-380203호).

ΔHRC=2.8×CrMar+11×MoMar+7.5×WMar+25.7×VMar+5.8×(SiMar+AlMar)

600℃에서의 뜨임(1hr)처리에서 HRC50이상, 보다 바람직하게는 HRC55이상의 경도를 확보하기 위해서는 ΔHRC가 27이상, 및 31이상인 것이 필요하다. 그리고, MoMar이 2～4중량%, (MoMar+WMar)이 2～4중량%, CrMar이 1～3.5중량%, VMar가 0～0.6중량%, Si가 0～7중량%, Al이 0～4중량%의 범위에서 그 조건을 검토할 수 있다. 상술한 바와 같이(SiMar+AlMar)을 1.5중량% 이상 첨가했을 경우에는, Mo, W, V의 뜨임 연화 저항성의 개선 효과를 감하기 때문에, 본 발명의 철계 소결 슬라이딩 재료에 있어서는, (Si중량+Al중량%)을 0.5～1.5중량% 이하로 조정되는 것이 바람직하다. 상기 잔류 오스테나이트상의 확보, 담금질성의 개선, 내식성의 개선에서 첨가되는 Ni와 Al이 공존했을 경우에 있어서는, 현저한 시효 경화성을 나타내고, 뜨임 연화 저항성이 개선되므로, Al을 첨가하는 철계 소결 슬라이딩 재료에 있어서는, Ni를 강도첨가하는 것이 바람직하다.

또한, 다량의 M₆C형 탄화물을 분산시키는 철계 소결 슬라이딩 재료는, 다량의 Mo, W를 사용하는 점에서, 보다 경제적인 Mo와 W의 첨가 방법을 검토한다. M₆C 형 탄화물의 석출량에 대한 고가인 W첨가의 영향은 Mo첨가의 그것과 비교해서 약0.8배, 그리고 뜨임 연화 저항에 대한 영향도의 Mo와의 비율은 약 0.7배이며, 또한, MC형 탄화물이 공존해서 분산될 경우에는, MC형 탄화물 중에 W가 Mo보다 많이 농축하기 쉽다. 이러한 점에서, W보다 Mo를 주체로 첨가하는 것이 보다 경제적이며, 또한 소결성의 관점으로부터도, 본 발명에 있어서는, W를 첨가하지 않는 것이 보다 바람직하지만, 소결용 분말의 시장에 있어서의 입수성을 고려하면, 종래의 Mo형 고속도강 중의 W첨가량(7중량%)보다 많은 W를 첨가하는 것은 경제적이지 않다.

또한 전술한 바와 같이 철계 소결 슬라이딩 재료를 프로팅씰에 적용할 경우에는, 보다 내마모성과 내시저성을 개선하는 관점에서, MC형 탄화물을 고체적%(5～15체적%)으로 분산시키는 것이 바람직하고, 또한 총탄화물량을 20～50체적%로 향상시키는 것이 바람직하다. 그래서, 적어도 C가 1.3～3중량%, Cr이 1～5중량%, V가 3 ～12중량%, 및, Mo가 10중량% 이상에서 (Mo+W)가 10～23중량%를 함유하고, 또한 고용탄소 농도가 0.2～0.45중량%의 마텐자이트상에 15～35체적%의 M₆C형 탄화물과 5～15체적%의 MC형 탄화물이 분산된 조직(총탄화물량 20～40체적%)으로 이루어지고, 또한, Si, Mn, Ni, P, S, B, N, Ti, Co, Cu, Al 등의 합금원소가 함유되어 고경도인 철계 소결 슬라이딩 재료를 소결 접합한 복층 소결 슬라이딩 부재를 개발했다.

상기한 바와 같이, Mo, W를 주체로 한 철계 소결 슬라이딩 재료를 소결 접합한 복층 소결 슬라이딩 부재에서는, Cr₇C₃형 탄화물을 주체로 분산시킨 철계 소결 슬라이딩 재료에 비해서 경제적이지 않다. 그래서, 철계 소결 슬라이딩 재료에, 적어도 C가 0.8～3.4중량%, Cr이 9～28중량%, Mo가 5중량% 이상에서, (Mo+W)가 5～18중량%, V가 5중량% 이하 함유되고, 고용탄소 농도가 0.2～0.45중량%의 마텐자이트상 중에, 내마모성이 우수한 Cr₇C₃형 탄화물을 5～25체적%, MC형 탄화물을 5체적% 이하, 내시저성이 우수한 M₆C형 탄화물을 5～25체적% 분산시키고, 상기 마텐자이트상의 총탄화물량이 10～40체적%이며, 또한, Si, Mn, Ni, P, S, B, N, Ti, Cu, Co, Al 등의 합금원소의 1종 이상이 필요에 따라서 함유되어 이루어진 철계 소결 슬라이딩 재료가 고강도인 철계 백메탈에 소결 접합되어 이루어진 복층 소결슬라이딩 부재를 개발했다.

또한, 상기 프로팅씰용 철계 소결 슬라이딩 재료로서는, Cr₇C₃형 탄화물이 10～25체적%, MC탄화물이 0.5～5체적%로 내시저성이 우수한 M₆C형 탄화물이 10～20 체적%로 하고, 분산시키는 총탄화물량을 20～40체적%로 한다. 이러한 철계 소결 슬라이딩 재료에는, 적어도 C가 1.34～3.4중량%, Cr이 11～28중량%, Mo가 8중량% 이상에서 (Mo+W)가 8～16중량%, V가 1～5중량% 함유하는 것이 바람직하다. 또한 상기 스러스트 베어링용 철계 소결 슬라이딩 재료로서는, Cr₇C₃형 탄화물이 5～10체적%, MC형 탄화물이 0.5～5체적%로 내시저성이 우수한 M₆C형 탄화물이 5～10체적%로 하고, 분산시키는 총탄화물량을 10～20체적%로 한다. 이러한 철계 소결 슬라이딩 재료에는, 적어도 C가 0.8～2.0중량%, Cr이 9～20중량%, Mo가 4.5중량% 이상에서 (Mo+W)가 4.5～12중량%, V가 1～4중량% 함유하는 것이 바람직하다.

상기의 (Cr₇C₃형 탄화물+M₆C형 탄화물)을 함유하고, 고용탄소량이 0.2～0.45중량%의 마텐자이트상으로 이루어진 철계 소결 슬라이딩 재료 중의 적정 탄소농도(C중량%)는, Cr의 KCr6≒1로 근사할 수 있다는 점에서, 하기식

0.043×(Mo중량%+0.5×W중량%)+2×0.085×(Cr중량%-6.5)≤C중량%)≤0.038×(Mo중량%+0.5×W중량%)+0.33+2×0.085×(Cr중량%-6.5)

의 관계를 근사적으로 만족하는 것이 바람직하다.

또한, 보다 정확하게는, 철계 소결 슬라이딩 재료의 적정 탄소농도 범위는, 하기식
0.2×(1-fCr₇C₃-fM₆C-fMC)+8.7×fCr₇C₃+2.65×fM₆C+14×fMC≤(C중량%)≤0.45×(1-fCr₇C₃-fM₆C-fMC)+8.7×fCr₇C₃+CM₆C×fM₆C+14×fMrC

로 기술되고, 적정한 각 합금원소의 첨가량도 상기한 관계식에 의해 산출되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 있어서의 Cr, Mo, W, V 등의 첨가량은, CrMar이 6.5～12중량%, (MoMar+WMar)이 2～4중량%, V가 0～0.6중량%의 범위에서 적정한 fCr₇C₃, fM₆C, fMC의 탄화물량을 설정함으로써, 상기 계산 방법으로부터 산출된다.

또, 철계 소결 슬라이딩 재료의 원료분말의 입수성을 고려하고, 그 경제성을 고려했을 경우에 있어서는, 전술한 원료분말을 소정의 비율로 혼합해서 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 철계 소결 슬라이딩 재료의 베이스 합금강 분말에, Cr, Mo, W, V분말이나 고합금 분말을 첨가해서 조성조정함으로써, 평균 입경 40㎛ 이상으로 조대화시킨 Cr₇C₃형 탄화물, M₆C형 탄화물 및 MC형 탄화물을 용이하게 석출시킬 수 있고, 내마모성과 내시저성을 개선하기 위해서, 이들 조대 탄화물의 1종 이상을 3체적% 이상 석출 분산시키는 것이 바람직한 것으로 했다.

전술한 철계 소결 슬라이딩 재료의 내마모성과 인성을 보다 개선하기 위해서, 적어도 C가 0.8～3.4중량%, Cr이 9～28중량, Mo가 5중량% 이상에서, (Mo+W)가 5～18중량%, V가 0～5중량% 함유하고, 고용탄소 농도가 0.2～0.45중량%의 마텐자이트상 중에 5～25체적%의 Cr₇C₃형 탄화물과 5～25체적%의 M₆C형 탄화물 및 0～5체적%의 MC형 탄화물이 총탄화물량에서 10～40체적% 석출분산되어, 또한, Si, Mn, Ni, P, S, B, N, Ti, Cu, Co, Al 등의 합금원소의 1종 이상이 필요에 따라서 함유되어 이루어진 철계 소결 슬라이딩 재료가 고강도인 철계 백메탈에 소결 접합되어 이루어진 복층 소결 슬라이딩 부재를 개발했다.

또한 전술한 철계 소결 슬라이딩 재료의 내마모성을 보다 개선하고, 상기 프로팅씰용 철계 소결 슬라이딩 재료로서 적용하기 위해서, 10～25체적%의 Cr₇C₃탄화물, 0.5～5체적%:MC탄화물과, 내시저성이 우수한 10～20체적%의 M₆C탄화물로서 분산시키는 총탄화물량에서 20～40체적%가 분산되는 철계 소결 슬라이딩 재료로서, 적어도 C가 1.34～3.4중량%, Cr이 11～28중량%, Mo가 8중량% 이상에서 (Mo +W)이 8～16중량%, V가 1～5중량%를 함유하는 것이 바람직하고, 또한 상기 스러스트 베어링용 철계 소결 슬라이딩 재료로서는, 5～10체적%의 Cr₇C₃탄화물, 0.5～5체적%의 MC탄화물과, 내시저성이 우수한 5～10체적%의 M₆C탄화물로서 분산시키는 총탄화물량에서 10～20체적%가 분산되는 철계 소결 슬라이딩 재료로서, 적어도 C가 0.8～2중량%, Cr이 9～20중량%, Mo가 4.5중량% 이상에서 (Mo+W)가 4.5～12중량%, V가 1～4중량%를 함유하는 것이 바람직한 것이라고 했다.

전술한 철계 소결 슬라이딩 재료의 내마모성을 보다 개선하기 위해서, 적어도 C가 1.5～3.2중량%, Cr이 7～25중량, Mo가 3.5중량% 이상에서, (Mo+W)가 5～15중량%, V가 3～8중량% 함유하고, 고용탄소 농도가 0.2～0.45중량%의 마텐자이트상중에 5～20체적%의 Cr₇C₃형 탄화물과 5～20체적%의 M₆C형 탄화물 및 5～15체적%의 MC형 탄화물이 총탄화물량에서 15～50체적% 석출분산되고, 또한, Si, Mn, Ni, P, S, B, N, Ti, Cu, Co, Al 등의 합금원소의 1종 이상이 필요에 따라서 함유되어 이루어진 소결 슬라이딩 재료가 고강도인 철계 백메탈에 소결 접합되어 이루어진 복 층 소결 슬라이딩 부재를 개발했다. 또, 강인성을 개선하기 위해서는 총탄화물량이 15～35체적%로 조정되는 것이 보다 바람직하다.

또한, 상기 철계 소결 슬라이딩 재료중에 함유되는 Ni, Mn, Cu는, 상기한 바와 같이, 오스테나이트 안정화 원소로서, 담금질온도의 저온도화에 유효하며, 또한 소결성을 높이고, 또한, 잔류 오스테나이트상을 철계 소결 슬라이딩 재료 중에 형성시켜, 슬라이딩면에 있어서의 친밀성을 개선하고, 히트크랙의 발생을 억제하고, 시저성의 개선 등에 기여한다. 그러나, 과잉된 첨가는 잔류 오스테나이트의 증가에 의한 내마모성의 열화에 연결되는 것이나, Ni는 고가인 원소인 점에서 1～5중량%를 첨가량 범위로 하고, Mn은 소결성을 저해하기 쉬운 원소인 점에서 1～2중량%를 첨가량 범위로 하고, 또한, Cu는 소결성을 높이는 원소로서 0～10중량%를 첨가량 범위로 한다.

또한, Ni는 Al, Mo와의 공존에 의해 뜨임 처리에 의해 시효 경화성을 나타내고, 또한, Cu를 공존 첨가시킴으로써 그 시효 경화성이 촉진되므로, 이들의 합금원소를 적극적으로 첨가하는 것이 바람직하다.

또한, Co는 2～12중량%의 첨가에 의해, 마텐자이트 모상의 자기변태온도를 높여서 마텐자이트상의 뜨임 연화 저항성을 높이고, 또한 상기한 바와 같이 Si는 0.5～3.5중량%, Al은 0.2～2.0중량%의 첨가에 의해, 마텐자이트상의 뜨임 연화 저항성을 향상시키지만, Si는 Mo, W, V의 뜨임 연화 저항성을 저감하는 작용이 있어서, 1.5중량% 이하의 범위에서 사용되는 것이 바람직하다.

구체적으로는, 1～5중량%의 Ni, 1～2중량의 Mn, 2～12중량%의 Co 및 0.2～ 1.5중량%의 Al로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 함유하는 철계 소결 슬라이딩 재료를 사용하는 것이 바람직하다.

전술한 철계 소결 슬라이딩 재료가 고강도인 철계 백메탈에 소결 접합되어 이루어진 복합 소결 슬라이딩 부재에 있어서는, 그 철계 소결 슬라이딩 재료는, 적어도 상대밀도에서 95%이상으로 치밀화되어서, 가스 혹은 윤활유의 누출이 없고, 또한 담금질 후에 HRC55 이상으로 경질화됨과 아울러, 상기 백메탈에 충분히 강하고 견고하게 접합되어 있는 것이 바람직하다. 그래서, 그 소결 접합 과정에 있어서 충분한 액상성분을 발생시키는 0.1～1.5중량%의 P와 0.01～0.2중량%의 B중 1종 이상을 첨가하고, Fe₃P, Cr₂P, FeMoP, V₂P 및 FeTiP로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 화합물을 10체적% 이하 분산시킨 철계 소결 슬라이딩 재료를 소결 접합한 복층 소결 슬라이딩 부재를 개발했다.

또, P의 첨가는 철계 소결 슬라이딩 재료의 치밀화와 소결 접합성의 개선에 유효하며, 소결성의 개선이 보다 명확하게 드러나는 0.1중량을 하한 첨가량으로 하고, 0.5 중량% 이상의 첨가에 의해, Cr₂P, FeMoP, V₂P 및 FeTiP 등의 인화물이 석출 분산하고, 내시저성이 개선되지만, 과잉인 P첨가는 취약화의 원인이 된다. 이러한 점에서, 1.5중량%를 P의 상한 첨가량으로 한다.

또한, P와 같이, 철계 소결 슬라이딩 재료의 치밀화와 소결 접합성의 개선에 B의 첨가가 유효하지만, 0.2중량% 이상의 첨가에 의해 취약화하기 쉽다. 이러한 점에서, 적정한 B첨가 범위는 0.01～0.2중량%로 한다.

또한, 마찬가지의 소결 접합성을 개선하는 관점과, 상기 내히트크랙성을 향상시키는 관점에서, 상기 철계 소결 슬라이딩 재료 중에 연질인 Cu기 합금상을 입상으로 1～10체적% 분산시켜, 슬라이딩면에 있어서의 친밀성을 향상시키고, 또한, 슬라이딩 중에 국부적인 오일포켓이 형성되기 쉽게한 복층 소결 슬라이딩 부재를 개발했다.

또, Cu기 합금으로서는, 슬라이딩 특성을 개선하는 관점으로부터, Sn, Al, Si, P, Fe, Ni, Ti의 1종 이상이 총량에서 5～15중량% 함유되는 것이 바람직하다.

또한, Mo금속입자, W금속입자 및 흑연입자의 적어도 하나가 1～10체적%로 분산되고, 상기 하나가 상기 Cu 또는 Cu합금상으로 둘러싸여져 있음으로써, Mo, W금속고유의 고체윤활성의 발현에 의한 철계 소결 슬라이딩 재료의 내시저성을 개선한 복층 소결 슬라이딩 부재를 개발했다.

또, Mo 및 W의 적어도 한쪽의 금속상 입자와 Cu입자 혹은 Cu합금입자와 공존시키는 이유는, Mo 및 W의 적어도 한쪽의 금속입자가, 소결 접합시에 철계 소결 슬라이딩 재료와 반응하는 것을 방지하기 위해서다. 그 때의 철계 소결 슬라이딩 재료에 있어서는, 미리 Cu성분이 포화상태에 가까운 상태로 조정되어 있는 것이 바람직하지만, 철계 소결 슬라이딩 재료와 부분적으로 반응했을 경우에 있어서도, M₆C형 탄화물, Mo₂C탄화물 및 MC형 탄화물(WC) 중 적어도 하나가 내마모성의 개선에 연결되는 것으로 선정되는 것이다.

또한, 상기 고밀도로 소결 접합된 철계 소결 슬라이딩 재료의 슬라이딩면에, 평균 입경이 0.03～3㎜의 폐쇄화된 기공을 1～10체적% 분산 형성시키고, 슬라이딩면에 있어서의 윤활성을 개선한 것을 특징으로 하는 복합 소결 슬라이딩 부재를 개발했다. 상기 기공이 오일포켓으로서 유효작용하기 시작하는 기공량을 1체적%로 하고, 기공량이 지나치게 많으면 철계 소결 슬라이딩 재료가 약해지므로, 그 상한량을 10체적%로 한다. 또, 함유 베어링의 슬라이딩면에 있어서의 기공량을 참고로 하면, 3～10체적%의 범위에 기공량을 조정하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 기공의 평균 지름은 복층 소결 슬라이딩 부재로서의 용도에 따라 컨트롤 되는 것이다. 예를 들면, 상기 복층 프로팅씰에 있어서는, 그 밀봉면 폭의 약1/2폭 정도로 조정되고, 보다 구체적으로는 1㎜이하, 보다 바람직하게는 0.5㎜이하로 조정되는 것이 바람직하다.

또, 상기 사이즈의 폐쇄 기공을 형성시키는 방법으로서는, 적당한 사이즈의 SiO₂나 Ni산화물입자, Co산화물입자, Cu산화물입자, Fe산화물입자, Mo산화물입자, W산화물입자(중공입자, 조립입자로도 가능) 등을 상기 철계 소결 슬라이딩 재료용 원료분말에 적정량 배합해서 성형하고, 소결시에 그들의 산화물입자를 탄소환원하고, 잔류 성분을 철계 소결 슬라이딩 재료중에 고용시킴으로써 용이하게 기공을 형성시킬 수 있다. 또한 평균 입경 0.1～1㎜ 의 SiC, Cu, 수지 등을 미리 혼합, 성형하고, 소결 과정에 있어서 소결 슬라이딩 재료중에 고용시키고, 혹은 소실시킴으로써 형성시킬 수도 있다. 상기 SiO₂, Cu, 수지는 단섬유 형상으로 가공하기 쉬운 소재로서, 이들 단섬유를 사용한 기공형성이어도 좋지만, 이들의 기공이 상기 폐쇄 기공화하고 있는 것이 필요하다.

또한, 상기 폐쇄 기공을 분산시키는 것은, 제조 코스트상 값이 비싸지기 쉬운 점이나 편석에 의해 균일분산성의 확보가 어렵고, 상기 철계 소결 슬라이딩 재료의 강도저하를 초래하기 쉽다. 그래서, 상기 철계 소결 슬라이딩 재료 혼합분말의 성형품의, 적어도 슬라이딩면에 있어서 3～10면적%의 오목부형상의 오일포켓을 형성시켜, 소결 접합한 복층 소결 슬라이딩 부재를 개발했다. 또한, 상기 복층 프로팅씰에 있어서는, 상기 오목부의 크기는, 상기 밀봉폭을 횡단해서 기름유출을 일으키지 않는 크기로서, 약 밀봉폭의 1/2이하 혹은 밀봉폭 방향(밀봉면의 폭방향)에 있어서 1㎜이하, 보다 바람직하게는 0.5㎜ 이하로 한다.

또한, 탄화물 형성 원소로서의 Zr, Nb, Hf, Ta 등이나 기타 Ca, S, N도 필요성의 범위에서 첨가해도 좋다.

또, 상기 철계 소결 슬라이딩 재료는, 소결 접합 온도로부터 1100℃ 이하, 바람직하게는, 900～1000℃의 담금질 온도로 열내리기해서, 가스 담금질되어서 사용되는 것이다. 마텐자이트상의 인성과 휨강도를 회복시키기 위해서는, 150～600℃에서의 뜨임 처리가 실시된 뜨임 마텐자이트상으로서 사용되는 것이 바람직하다.

또한, 550～580℃의 고온뜨임 처리에 의한 뜨임 2차경화에 의해 HRC65 이상으로 경화할 경우에는, 상기 프로팅씰에 있어서, 초기 친밀성이 나쁘고, 초기의 기름누출이 발생하기 쉽다. 이러한 점에서, 본 발명에 있어서는, 뜨임의 상한온도를 500℃ 이하로 설정하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명의 제조방법으로서는, 소결 접합후, 900～1100℃로 로내에서 열내리기를 유지한 후에 가스 냉각해서 마텐자 이트상을 형성시키고, 그 복층 소결 슬라이딩 부재를 150～500℃에서 1회의 뜨임 처리를 실시하는 것이 보다 경제적으로 바람직하다.

전술한 철계 소결 슬라이딩 재료중의 탄화물량이 5체적% 이상으로 증량됨에 따라서, 그 소결 슬라이딩 재료의 내마모성과 내시저성이 개선된다. 단, 그 탄화물의 증량에 따라서 강도의 열화와 인성의 열화를 피할 수 없는 문제가 되고, 상기 한 바와 같이 편하중이 가해지기 쉬운 스러스트 베어링에 있어서는 특히 휨강도와 그 최대 휨량이 중요하며, 400MPa 이상의 휨강도(200MPa 이상의 접합면에 있어서의 파단강도)와 그 파탄시의 최대 휨량 0.4㎜이상을 확보하는 것이 기대된다. 이러한 점에서, 전술의 철계 소결 슬라이딩 재료중의 탄화물 총량이 30체적% 이하가 되도록 조정되고, 또한, 전술의 담금질한 철계 소결 슬라이딩 재료는 100～600℃의 1회의 뜨임 처리가 실시되는 것이 바람직하고, 탄화물 총분산량을 20체적% 이하로 하는 것이 보다 바람직하고, 경제적이다.

또한, 상기 철계 소결 슬라이딩 재료의 소결 접합후의 담금질 조작은, 소결 접합후에 상기한 바와 같이 1100℃이하 혹은 900～1000℃로 온도를 내리고, 유지한 후에, 가스 냉각에 의한 담금질 조작을 실시하고, 철계 소결 슬라이딩 재료는 충분하게 담금질 경화된다. 철계 백메탈이 페라이트, 펄라이트, 베이나이트, 마텐자이트상의 혼합조직이 되도록 하고, 소결 접합한 철계 소결 슬라이딩 재료의 담금질 균열, 박리가 발생하는 것을 방지하는 것이 바람직하다. 상기 철계 소결 슬라이딩 재료는, Cr₇C₃형 탄화물, M₆C형 탄화물 및 MC형 탄화물의 총량이 5～25체적%로 분산되어 있는 것이 바람직하지만, 상대 슬라이딩 재료가 침탄담금질, 고주파담금질 부재의 경우에 있어서는, 상대 슬라이딩 재료에 대한 어택성을 고려하고, 탄화물 총량을 5～15체적%로 분산시키는 것이 보다 바람직하다. 또한, 원통형상 백메탈의 일단면에 플랜지를 갖는 부를 설치한 스러스트 베어링에 있어서는, 그 원통부를 작업기 본체에 압입해서 고정할 필요가 있기 때문에, 백메탈 경도가 적어도 비커스경도 Hv170 이상인 것이 바람직하고, 철계 소결 슬라이딩 재료의 휨강도의 하한치의 항복응력을 구비하기 위해서는 Hv240 이상으로 경화되는 강재로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 철계 소결 슬라이딩 재료의 슬라이딩면에 폐쇄 기공 및 오목부 중 하나 이상을 1～10면적%, 바람직하게는 3～10면적% 함유시킴으로써, 폐쇄 기공 또는 오목부가 슬라이딩면에 있어서의 오일포켓(윤활제의 고임장소)로서 작용하고, 내히트크랙성을 향상시킬 수 있다.

또한, 원통형상 백메탈의 일단면에 플랜지를 갖는 부를 설치한 스러스트 베어링에 있어서는, 스러스트면에서 내시저성과 내히트크랙성을 현저하게 개선함으로써, 스러스트면에의 그리스 급지간격을 500hr 이상으로 연장화할 수 있다. 따라서, 이 스러스트 베어링은, 종래의 사용되고 있는 고주파담금질법이나 침탄담금질법에 의해 제조되는 스러스트 베어링보다도 보다 좀더 이지 메인터넌스한 스러스트 베어링이 된다. 원통형상 백메탈의 내주면에 있어서도 원통부시(베어링)을 일체화하고 있으므로, 이 원통 부시의 급지간격의 연장화를 꾀할 필요성이 있다. 그래서, 상기 복층 스러스트 베어링의 원통형상 백메탈의 내주면에, 통기성을 갖는 동계 혹은 철계 다공질 소결 슬라이딩 재료로 이루어짐과 아울러, 그 기공중에 윤활유 혹은 윤 활유와 왁스류로 이루어진 윤활조성물이 충전되어 있는 원통 부시가 소결 접합되어 일체화된 복층 소결 슬라이딩 부재를 개발했다. 또, 여기서는, 동계 혹은 철계 다공질 소결 슬라이딩 재료를 사용하고 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 동계 및 철계 이외의 다른 다공질 소결 재료와 사용하는 것도 가능하다.

또한, 상기 스러스트 베어링과 같이, 건설기계의 작업기 부시(원통형상 베어링)에 있어서도 현저한 편하중 하에서 사용되기 때문에, 상기 윤활유를 함유하는 동계 혹은 철계 다공질 소결 슬라이딩 재료라도, 내시저성, 내마모성이 충분하지는 않다. 그래서, 상기 스러스트 베어링용의 철계 소결 슬라이딩 재료를 원통형상의 철계 백메탈의 내주면에 소결 접합해서 일체화하여 이루어진 복층 소결 부시 부재를 개발했다.

원통형상 철계 백메탈의 내주면에의 일체화 방법으로서는, 상기 철계 소결 슬라이딩 재료를 압입, 소감(燒嵌)하는 방법이나 철계 소결 슬라이딩 재료의 소결 공정에 있어서 동시에 소결 접합하는 방법이 바람직하다. 소결 접합하는 방법을 채용할 경우에 있어서는, 철계 소결 슬라이딩 재료에 적어도, Al, Cu, Sn, Ti, P의 1종 이상의 합금원소가 함유되어 있는 것이 바람직하다.

전술한 철계 소결 슬라이딩 재료중의 탄화물량이 5체적% 이상으로 증량함에 따라서, 그 소결 슬라이딩 재료의 내마모성과 내시저성이 개선된다. 건설기계용의 감속기 장치나 전륜장치의 오일씰 장치로서 이용되는 프로팅씰에 적용할 경우에는, 보다 충분한 내토사 마모성을 확보함과 아울러, 좀더 내시저성의 개선이 필요하다.이러한 점에서, 상기 철계 소결 슬라이딩 재료중의 탄화물 총량이 20～40체적%로 조정되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는, 탄화물 총량이 25～40체적%로 조정되는 것이다.

실시예 1

(철계 소결 슬라이딩 재료의 소결후의 평형 조성조사)

본 실시예에서는, Fe-0.6중량% C-0.3중량% Si-0.45중량% Mn-15중량% Cr-3중량% Mo-1.2중량% V합금분말과, Fe-0.6중량% C-0.3중량% Si-0.35중량% Mn-9중량% Cr-6중량% Mo-4중량% W-2중량% V합금분말과, Fe-0.6중량% C-0.3중량 Si-4.5중량% Cr-5중량% Mo-6중량% W-2중량% V합금분말을 베이스로 해서, 또한, ＃350이하의 Ni, Co, Si, FeAl, FeP분말 및 6㎛ 평균지름의 흑연분말을 조정해서 표 1에 나타내는 4종류의 소결합금 혼합 분말(A～D)을 혼합 조정하고, 또한, 혼합 조정한 소결용 혼합 분말에 3중량%의 파라핀왁스를 첨가한 것을 1.0톤/㎠의 압력에서 프레스 성형한 A, B조성의 성형체를 1190℃에서, C조성의 성형체를 1135℃에서, D조성의 성형체를 1230℃에서 각각 2시간 진공소결하고, 그 후에 A～D조성의 소결체를 1000℃로 노냉 하고, 1시간 유지후에, 400torr의 질소 가스에서 냉각 담금질을 실시하고, 그 소결체 시험편을 절단 연마후에, X선 마이크로 애널라이저(EPMA)에 의해 마텐자이트 모상과 그 모상에 석출분산하는 탄화물 중의 각종 합금원소 농도를 조사했다. 그 조사 결과가 표 2에 나타내어져 있다.

상기 소결합금 A, B는, 고Cr인 15Cr-3Mo계 합금에, 3중량%의 Co와 2중량% 또는 4중량%의 Ni를 첨가한 합금이며, 마텐자이트상(모상)과 Cr₇C₃형 탄화물 만이 평형하는 것이다. 소결합금C는, Cr, Mo, W농도를 높이고, 마텐자이트 모상 중에 Cr₇C₃형 탄화물과 M₆C형 탄화물이 평형하도록 한 것이며, 소결합금D는, M₆C형 탄화물과 근소한 MC형 탄화물이 평형하도록 한 것이다.

표 2중의 모상, M₇C₃ 및 M₆C의 란은 각각의 합금원소 농도를 나타내고 있고, KM7은 Cr₇C₃형 탄화물과 모상간의 합금원소M의 분배계수(Cr₇C₃형 탄화물과 모상간의 합금원소 중량%/모상중의 합금원소중량%), KM6은 M₆C형 탄화물과 모상간의 합금원소M의 분배계수(M₆C형 탄화물 중의 합금원소중량%/모상중의 합금원소중량%), KMM/C는 MC형 탄화물과 모상간의 합금원소M의 분배계수(MC형 탄화물중의 합금원소중량%/모상중의 합금원소중량%)을 나타내고 있지만, 그들 각 합금원소의 분배계수를 비교 함으로써, 각종 합금원소의 특징을 검토할 수 있다.

또한 이들의 결과를 이용하여, Cr₇C₃형 탄화물 중의 합금원소 농도와 그것과 평형하는 모상중의 합금원소 농도의 관계가 도 13에 나타내어지고, M₆C형 탄화물 중의 합금원소 농도와 그것과 평형하는 모상 중의 합금원소 농도의 관계가 도 14에 나타내져 있다. 도 13 및 도 14에 의하면, 각 원소에 관해서는 대략 일정한 비율로 합금원소가 분배되는 것, 및, 철계 소결 슬라이딩 재료의 조성이 다른 경우에 있어서도, 분배계수는 거의 같아지는 것을 알 수 있다.

또, 각 합금원소에 관한, 본 발명에서 사용하는 Cr₇C₃형 탄화물, M₆C형 탄화물, MC형 탄화물과 오스테나이트상(담금질 후에 마텐자이트상이 된다)사이의 분배계수를 표 3에 정리해서 나타냈지만, 각 합금원소에 대해서는,

(1) Si, Al은 M₇C₃형 탄화물에 거의 고용하지 않고 거의 전량이 마텐자이트상 중에 농축하고, 마텐자이트상의 뜨임 연화 저항성을 높이는 것,

(2) V는 M₇C₃형 탄화물에의 Cr, Mo, W보다 보다 많이 농축하고, Cr₇C₃형 탄화물의 미세화를 꾀하지만, M₆C형 탄화물에는 그다지 농축하지 않고, M₆C탄화물과 마텐자이트상으로 이루어지는 강재에 있어서는 MC형 탄화물로서 석출하기 쉽고, 마텐자이트상의 뜨임 연화 저항성을 현저로 향상시키는 것,

(3) Mo, W는 M₇C₃형 탄화물보다도 M₆C형 탄화물에 현저하게 농축하는 것,

(4) Cr은 Cr₇C₃탄화물에 현저하게 농축하지만, M₆C 탄화물에는 거의 농축하지 않는 것,

(5) Ni, Co는 모두 탄화물보다 마텐자이트 모상중에 농축하는 것 등의 특징을 갖는 것을 정량적으로 알 수있다. 또한 이들의 분배계수를 사용함으로써, 본 발명의 주지로 하는 마텐자이트상의 탄소, 각 합금원소 농도를 설정할 수 있고, 또한 분산시키는 탄화물의 종류와 양을 설정함으로써, 적정한 철계 소결 슬라이딩 재료의 조성을 산출할 수 있다.

상기 각종 합금원소의 분배계수에 의거하여 대표적인 SKD, SKH공구강재의 성분으로부터, 그들 강재의 표준담금질 온도로부터 담금질된 마텐자이트 모상의 조성과 탄화물량을 해석할 수 있게 되고, 그 결과를 표 4에 나타내고 있지만, SKD재료(SKD1, SKD2, SKD11, D7, SKD12, 담금질 온도:950～1000℃)의 마텐자이트 모상은, Cr:4.5～7중량%, C:0.65～0.9중량%로 조정되고, Cr₇C₃ 탄화물이 8～18체적%, MC탄화물이 ～7체적% 분산한 조직으로 되어 있고, 마텐자이트상 중의 고용탄소량이 높은 점에서, 예를 들면 내 히트 크랙이 우수한 열간 가공용 공구강(예를 들면, SKD7, SKD6, SKD61, SKD62)과 비교해서 충분하지 않은 것을 알 수 있다. 또한 SKH재료(SKH2, SKH9)에 있어서도 마텐자이트상 중의 고용탄소량이 0.5～0.55중량%로 비교적 높은점에서, 충분한 내히트크랙성이 실현되지 않는 것을 알 수 있다.

SKD1, SKD2, SKD11 등의 고탄소 고Cr계 공구강의 표준 담금질 상태에 있어서는 10～15체적%의 Cr₇C₃형 탄화물이 0.5～0.7중량%의 탄소를 고용하는 마텐자이트상 중에 석출 분산하기 때문에, 마텐자이트상이 고탄소인 점에서 내히트크랙성이 충분하지 않은 것을 알 수있고, 본 실시예에서는, SKD재료계의 적정담금질 온도 900～1000℃에 있어서의 Fe-C-Cr 삼원계 상태도(후술의 도 15)와 그 상태도에 있어서의 평형관계(등탄소활량)를 참고로 해서, Cr₇C₃형 탄화물이 5～40체적73%, MC형 탄화물이 0～5체적%, 이들의 총탄화물량이 5～40체적% 분산하고, 또한 마텐자이트상 중의 고용탄소 농도가 0.2～0.45중량%, 고용Cr농도가 6.5～12중량%, 고용V농도가 0～0.6중량%의 범위로 조정되도록, 적어도 C가 0.9～3.8중량%, Cr이 9～35중량%, V가 0～3중량%를 함유하고, 또한, 0.143×(Cr중량%)-1.41+14×MC탄화물의 체적분률≤(C중량%)≤0.156×(Cr중량%)-0.58+14×MC탄화물의 체적분률의 관계를 만족시키도록, Cr, V와 C첨가량을 조정하고, 또한, Si, Mn, Ni, P, S, B, N, Mo, W, Ti, Co, Cu 및 Al 등으로 이루어진 합금원소군으로부터 선택된 1종 이상이 필요에 따라서 함유된 철계 소결 슬라이딩체를 소결 접합되어서 되는 소결 슬라이딩 부재로 하는 것이 바람직하다. 또, 여기서는, 0.143×(Cr중량%)-1.41+14×MC탄화물의 체적분률≤(C중량%)≤0.156×(Cr중량%)-0.58+14×MC탄화물의 체적분률의 관계를 만족시키도록 Cr, V와 C첨가량을 조정하고 있지만, 0.143×(Cr중량%)-1.41+0.15×(Si중량%)+14×MC형 탄화물 체적분률≤C중량%≤0.156×(Cr중량%)-0.58+0.15×(Si중량%)+14×MC형 탄화물 체적분률의 관계를 만족하도록 탄소량을 조정해도 좋다.

따라서, SKD공구강과 동등 이상의 내마모성을 발휘시키기 위해서는, 10체적% 이상의 탄화물(예를 들면 Cr₇C₃형 탄화물)을 분산되게 하는 것이 바람직하고, C가 1.05～3.8중량%, Cr이 12～35중량%를 함유하는 철계 소결 슬라이딩 재료로 하는 것이 바람직하다. 보다 내마모성을 개선하는 관점으로부터는, Cr₇C₃형 탄화물이 15체적% 이상이 되는, C가 1.45～3.8중량%, Cr이 14～35중량%인 것이 보다 바람직하다. 또한, 프로팅씰에 적용할 경우에는, 적정한 마모수명을 확보하기 위해서, Cr₇C₃형 탄화물이 20체적% 이상이 되고, C가 1.85～3.8중량%, Cr이 16.5～35중량%인 것이 바람직하다. 또한 철계 소결 슬라이딩 재료에 첨가하는 상한의 Cr첨가량은, 적정한 내마모성과 강도를 확보하기 위해서 그 경제성을 감안하고, 상한 Cr₇C₃형 탄화물량을 40체적%으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 열간가공용 공구강의 내히트크랙성을 겸비하는 철계 소결 슬라이딩 재료를 얻는 방법으로서는, 적어도, 마텐자이트상 중의 고용탄소 농도가 0.45중량% 이하인 것이 바람직하고, 또한, 마텐자이트상 중의 고용탄소 농도가 0.35중량% 이하인 것이 보다 바람직하다. 즉, 보다 내히트크랙성을 높이기 위해서, 마텐자이트상의 상한의 고용탄소 농도를 0.35중량%로 조정하는 것이 바람직하므로, 적정한 상한의 탄소 첨가량이, (C중량%)≤0.156×(Cr중량%)-0.68+14×MC탄화물의 체적분률의 식에 의해 기술된다.

또한, 담금질 균열성이 문제가 되기 쉬운 고주파담금질 방법에 있어서도, 보통 0.5중량% 이하의 탄소강이나 합금강이 선택되는 것과 유사하다.

또한, Cr₇C₃형 탄화물과 마텐자이트상을 주체로 하는 철계 소결 슬라이딩 재료에 있어서는, 소결 접합후의 담금질 온도를 900～1000℃로 한 경우에 있어서, 마텐자이트상 중의 고용탄소량을 0.2～0.45중량%로 하는 조건으로서, 900℃에 있어서의 Fe-C-Cr 삼원상태도(도 15)중의 2개의 Tie-LineA, B에 의해 끼워지는 철계 소결 슬라이딩 재료중의 Cr중량%에 대한 적정한 탄소량(C중량%)이 다음식에서 주어지는 것을 알 수 있다.

0.143×Cr중량%-1.41≤(C중량%)≤0.156×Cr중량%-0.58

또한 도 15에는, Cr₇C₃형 탄화물이 10,20,30,40체적% 분산하는 조성 위치를 파선으로 나타내고 있지만, Cr₇C₃형 탄화물을 10체적% 분산시키는 조건은 (Cr중량%)≥10중량%이며, Cr₇C₃형 탄화물을 40체적% 이하 분산되게 하는 조건은 (Cr중량%)≤35중량%인 것을 알 수 있다.

또한, 본 출원인이 일본특원2002-380203호에 기재한 것 같이, 마텐자이트상의 뜨임 연화 저항성을 의해 높임으로써, 경계윤활하에서, 또한 토사의 침입이 있는 슬라이딩면에서의 내시저성과 내마모성을 현저하게 개선할 수 있다. 또한, 600℃의 뜨임 처리에 의해서도 HRC50이상을 유지할 수 있는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 HRC55이상을 유지할 수 있는 것이다. 또한, 마텐자이트상 중의 고용탄소량이 0.15～0.45중량%일 경우의 마텐자이트상 중에 고용하는 각종 합금원소 농도를 전술한 뜨임 연화 파라미터 ΔHRC식에 적용시켜서, 합금설계 되는 것이 바람직하다.

또한, 도 16(Fe-C-Mo계 상태도)을 참고로 하면, (Fe, Mo)₆C형 탄화물을 거의 석출 분산시키지 않는 Mo의 최대 고용도는, 약 4중량%(at 900, 1000℃)이며, 또한, 전술의 10～40체적%의 Cr₇C₃형 탄화물에 농축하는 Mo를 고려하면, 바람직한 Mo첨가량은 0.6～6.5중량%인 것을 알 수 있다.

또한, 후술의 도 17(Fe-C-W상태도)을 참고로 하면, W에 관해서도 거의 같이 의논을 할 수 있다. 철계 소결 슬라이딩 재료에 대한 Mo, W의 구체적인 첨가량은 거의 0.6～7.0중량%이다. Mo, W가 가장 효율적으로 뜨임 연화 저항성을 향상시키는 2.5중량%까지를 매트릭스상의 최대 고용량으로 함으로써 Mo, W첨가량을 4중량% 이하로 하는 것이 경제적으로도 바람직하다.

또한, V는 상기한 바와 같이 Cr₇C₃형 탄화물에 현저하게 농축하고, 마텐자이트상 중에 고인 양이 극히 적어지기 때문에, 매트릭스상의 뜨임 연화 저항성을 높이는 원소로서는 비효율이다. V는 Cr₇C₃형 탄화물을 미세화하는 작용을 나타내기 때문에 마텐자이트상 중에 V의 최대 고용량 0.5중량%를 고용시켰을 경우의 철계 소결 슬라이딩 재료에 대한 V첨가량은, 1.1～3.9중량%(10～40체적% Cr₇C₃형 탄화물)이며, Cr₇C₃형 탄화물을 주체로 하여 분산시키는 철계 소결 슬라이딩 재료에 있어서는, 4중량% 이하로 하는 것이 경제적으로도 바람직하다.

M₆C형 탄화물이 주체가 되고, 또한 MC형 탄화물이 분산되는 SKH계 소결 슬라이딩 재료의 마텐자이트상 중의 고용탄소 농도에 관해서는, 사토, 니시자와의 보고(「금속학회보」2(1963), P564, 제3도 탄화물의 고용에 따른 기질 중의 탄소농도변화)를 참고로 하면, 그 마텐자이트상 중의 고용탄소 농도를 0.4중량% 이하로 조정하기 위한 간편한 방법이 소결 접합후의 담금질 온도를 900～1100℃의 온도범위로 설정하는 것이다. 일반적인 SKH계 고속도강에 있어서의 담금질 온도가 1200～1350℃인 것에 비하여, 현저하게 저온도측에서의 담금질 조작이 본 발명의 기본의 하나가 된다.

또한, 상기의 Fe-C-Cr계 상태도를 사용한 것과 같은 검토가, 도 16과 도 17에 나타낸 Fe-C-Mo, Fe-C-W계 상태도에 의거하여 전개할 수 있고, M₆C형 탄화물과 평형하는 마텐자이트상의 탄소고용도가 0.15, 0.45중량%를 통과하는 Tie-Line A,B는, 동도 중에 수치화해서 나타내는 바와 같다. Fe-C-Mo계와 Fe-C-W계의 Tie-Line을 비교하면, Fe-C-W계의 Tie-Line의 구배는 Mo의 그것의 약 1/2인 것, M₆C형 탄화물과 평형하는 마텐자이트상 중의 Mo,W의 중량% 농도가 거의 같은 것부터, Mo와 W가 공존 첨가되었을 경우의 M₆C형 탄화물과 마텐자이트상의 조성 평형 관계가 0.5×W중량%=Mo중량%로서, Fe-C-Mo계상태도로부터 읽어낼 수 있는 것을 알 수 있다. 상기 Tie-Line A, B로부터 수치화되는 철계 소결 슬라이딩 재료중의 적정 탄소농도(C중량%)가, 다음식

0.043×(Mo중량%+0.5×W중량%)≤(C중량%)≤0.038×(Mo중량%+0.5×W중량%)+0.33

으로 간략적으로 기술할 수 있다.

또, MC형 탄화물을 고려하면, 철계 소결 슬라이딩 재료(철계 소결 슬라이딩체)의 탄소 함유량이, 0.043(바람직하게는 0.05)×(Mo중량%+0.5×W중량%)+14×MC형 탄화물 체적분률≤(C중량%)≤0.038×(Mo중량%+0.5×W중량%)+0.33+14×MC형 탄화물 체적분률의 범위에 있는 것도 가능하다. 또한, Cr₇C₃형 탄화물을 고려하면, 철계 소결 슬라이딩 재료의 탄소함유량은, 0.043×(Mo중량%+0.5×W중량%)+8.5×Cr₇C₃형 탄화물 체적분률+14×MC형 탄화물 체적분률≤(C중량%)≤0.038×(Mo중량%+0.5×W중량%)+0.33+8.5×Cr₇C₃형 탄화물 체적분률+14×MC형 탄화물 체적분률의 범위에 있는 것도 가능하다.

또한 이러한 점에서, Mo를 주체적으로 사용하고, W첨가량을 억제하는 것이 보다 경제적인 것, 또한, 철계 소결 슬라이딩 재료의 소결성이나 마텐자이트상의 뜨임 연화 저항성을 높이는 관점으로부터도 Mo를 주체로서 첨가하는 것이 바람직하고, W를 첨가하지 않아도 좋다고 할 수 있다.

또한, 전번의 Mo, W, Cr 등의 합금원소의 분배계수KM6을 이용하여, 마텐자이트상 중의 탄소, 각 합금원소 농도를 설정하고, 또한 분산되게 하는 M₆C형 탄화물의 양을 설정함으로써, 적정한 철계 소결 슬라이딩 재료의 조성을 산출할 수 있다.

실시예 2

(철계 소결 슬라이딩재의 소결 접합시험과 그 슬라이딩 특성평가)

도 18은, 플랜지를 갖는 스러스트 베어링의 시험편 형상을 나타내는 단면도다. 도19(a),(b)은 요동 시험기를 설명하는 도다.

본 실시예에서는 도 18에 나타내어지는 형상의 플랜지를 갖는 스러스트 베어링을 이용하여, 도 19(a)에 나타내어지는 요동 시험기에 의해, 2개의 시험편의 슬라이딩면을 상접하도록 배치하고, 한쪽의 시험편의 회전중심축을 다른쪽의 시험편에 대하여 2°경사시켜, 하중(P)을 주고, 회전중심축 주변에 정역방향의 회전을 되풀이하는 요동 조작을 행한다. 요동 조작은, 도 19(b)에 나타내는 요동각 120°, 요동 속도2m/min의 요동 사이클(가로축:시간, 세로축:각도)을 따른다. 여기에서는, 편당 상태(상기 경사상태)에서의 하중 1ton마다의 500사이클 요동시험을 행하고, 내히트크랙성과 내시저성을 발생한 하중으로 평가했다. 비교 강재로서는, SUJ2, SKD6, SKD11, SKH9의 표준 담금질 뜨임 강재와 SCM420H재에 표면 탄소량이 0.8중량%가 되도록 930℃에서 침탄담금질뜨임한 스러스트 베어링을 사용했다.

표 5 및 표 6에 나타내는 철계 소결 슬라이딩체를 S50C탄소강의 플랜지부에 1130～1280℃의 온도범위에서 소결 접합하고, 그 소결 접합성을 초음파 탐상법으로 평가했다. 또, 표 5에 나타낸 No.20～No.30의 철계 소결 슬라이딩 재료는, 표 5의 No.16에 나타낸 합금강 분말을 베이스로 해서, 또한, ＃200메쉬 이하의 Cu, Cu-10중량%Sn, Fe25중량%P, Cu8중량%P, SiO₂파쇄 분말 및 ＃300메쉬 이하의 Si, Cr분말, 평균 입경 6㎛의 Mo, Ni, Co, Si₃N_4,흑연(론저사제 KS6)분말, 또한 0.03～0.5㎜의 Mo/Cu도금 입자, 흑연/Cu도금 입자를 적정하게 배합한 것이다.

또한, 표 5 및 표 6의 배합 원료에는, 3중량%의 왁스를 첨가하고, 하이 스피드 믹서를 사용하여, 100℃에서 10분간 혼합조립한 것을 도 18에 나타내는 플랜지를 갖는 스러스트 베어링 윗면의 도넛형상 평판에 성형압력 1톤/㎠2의 조건에서 성형하고, 진공 소각로를 이용하여 상기 소결 온도에서 소결 접합한 후에, 960℃까지 노냉하고, 500torr의 N₂가스냉각에 의한 담금질을 행하고, 또한 200℃에서 2시간의 뜨임 처리를 실시했다.

표 5 및 표 6 중에는, 소결 접합율과 히트크랙 혹은 시저의 발생하는 하중도 나타내져 있다.

No.1～6의 합금은, 인첨가량을 0.9～1.6중량%로 다량으로 배합하고, 철계 소결 슬라이딩 재료의 소결성과 철계 백메탈에 대한 소결 접합성을 개선함과 아울러, 마텐자이트상 중의 고용탄소 농도를 낮게 하면서, V첨가에 의한 MC형 탄화물, Si₃N₄를 분산석출시킨 것이다. No.1～6의 합금은, No.1(고용탄소 농도 0.6중량%)과 No.2,3,6의 비교에 있어서 MC탄화물 및 Si₃N₄의 분산에 의해 내히트크랙성이 현저하게 개선되는 것을 알 수 있다. 또한 No.1～6의 합금은, No.2와 No.4,5의 비교에 있어서, 마텐자이트상 중의 Mo, Cr농도를 높이는 것에 의한 뜨임 연화 저항성의 개선에 의해 내히트크랙성이 현저하게 개선되는 것을 알 수 있다.

또한, Fe₃P, V₂P의 인화합물이 분산되는 No.1,2와 SUJ2, SKD6, SKD11, SKH9,침탄담금질강과 비교해서 인화합물과 MC형 탄화물의 분산, 및, 마텐자이트중의 고용탄소 농도의 저감에 의해 내히트크랙성이 현저하게 개선되는 것을 알 수 있다.

또한, No.7～23의 비교에 있어서, No.8,10,13,16의 마텐자이트상 중의 고용탄소 농도가 0.5중량%를 넘는 것 이외의 내히트크랙성은 현저하게 개선되고, 또한, No.20,21에 나타낸 바와 같이 Cr₇C₃형 탄화물의 양적 증대에 의해, 내히트크랙성이 개선되는 것을 알 수 있다. 또한, No.17과 No.19의 비교에 있어서, Si첨가에 의해 마텐자이트상 중의 고용탄소 농도가 저감함으로써, 내히트크랙성이 개선되어 있는 것을 알 수 있다. 또, No.14,15에 있어서는, 마텐자이트상 중의 고용탄소 농도를 저감시키는 것과 분산되게 하는 MC탄화물량을 증량함으로써, No.22에 있어서는, Mo,W의 첨가에 의한 M₆C탄화물을 분산시킴으로써 또한, No.23에 있어서는 Ni, Co의 첨가에 의해 현저하게 내히트크랙성이 개선된다.

또, No.16의 합금은 프로팅씰용 소결 슬라이딩 재료로서 내식성과 내마모성이 우수한 기준조성으로서 이용하고 있는 것이다. No.24～No.26은 이 No.16의 합금(마텐자이트상 중의 고용탄소 농도 0.9중량%)을 베이스로 Cu입자 혹은 Cu합금입자를 분산되게 한 것이다. 이들의 첨가에 의한 소결성, 소결 접합성에 마이너스 인자는 없고, 그 내히트크랙성은 No.16과의 비교에 있어서 현저하게 개선되어 있는 것을 알 수 있다. 또한 그 조직은 도 20(a)에 나타나 있는 바와 같이 Cu입자가 입상으로 분산되어져, 슬라이딩시의 친밀성 개선에 형편이 좋은 것을 알 수 있다. 또한 Cu10중량% Sn합금을 첨가한 No.25가 내히트크랙성에 보다 효과적인 것을 알 수 있고, 분산되게 하는 Cu입자의 조성은, 동계 슬라이딩 재료에 곧잘 첨가되는 Sn, Ni, Ti, P 등의 합금원소의 1종 이상이 5～15중량% 함유되어 있는 것이 바람직한 것을 알 수 있다.

No.27은 탄화물 이외에 Si₃N₄를 분산되게 한 것이다. 마텐자이트상의 고용탄소농도를 0.4중량% 이하로 내리고, Cr₇C₃형 탄화물과의 공존에 의해, 현저하게 내히트크랙성이 개선되어 있다. 이것은 No.6, No.9과의 비교에 있어서, Si₃N₄입자의 분산에 의한 작용이 보다 큰 것을 시사하고 있다.

도 20(b)에 나타나 있는 바와 같이 No.28은, No.16에 2.5중량%의 SiO₂를 첨가하여, 소결시의 탄소에 의한 강력한 환원 작용에 의해 SiO₂를 환원하고, SiO₂입자흔적에 기공을 형성시킨 것이며, 소결후의 소결 재료중의 탄소량을 2중량%, Si를 1.77중량%로 조정한 것이다. 그 내히트크랙성은, SiO₂ 환원 기공에 의한 윤활촉진 작용에 의해, 지극히 현저한 개선이 확인된다.

또한 No.29,30은 고체윤활재가 되는 흑연, Mo금속상을 분산되게 한 것이며, 현저한 내히트크랙성의 개선이 발현되고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, W, CaF₂ 등에 관해서도 동일한 효과를 기대할 수 있다.

No.31～No.36은 M₆C형 탄화물을 주체로서 분산되게 한 합금이다. 이 합금은, P의 첨가에 의해, 소결성과 소결 접합성이 현저하게 개선됨과 아울러, 인화합물(FeMoP)의 분산에 의해, 내히트크랙성이 개선되고, 또한, M₆C형 탄화물의 증량에 의해서도 내히트크랙성이 개선되는 것을 알 수 있다.

도 21은, No.32의 소결 조직을 나타내는 사진 및 X선 마이크로 애널라이저 분석 결과를 도시한 도면이다. 도 21에 나타내는 사진에 의하면, 소결시에 형성되는 M₆C형 탄화물과 MC형 탄화물이 입계로 석출되고, 또한 960℃의 담금질 온도에의 온도 내리기 과정에서 입자 내에 그들의 탄화물 및 인화합물(FeMoP 혹은 V₂P)이 석출하고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 입계로 석출되어 있는 M₆C형 탄화물과 MC형 탄화물을 X선 마이크로 애널라이저에서 분석한 결과(도 21중에 나타낸다)로부터, Si, P는 MC탄화물이나 Cr₇C₃형 탄화물로부터 현저하게 배출되는 것에 대해서, M₆C형 탄화물에는 현저하게 농축하고 있는 것이 특징적이다(별도의 분석 결과로부터, 그 분배계수KSi₆, KP₆=2). 종래의 M₆C형 탄화물을 분산시키는 고속도강에 있어서, Si함유량은 0.4중량% 이하로 제한되어 있다고 생각된다. 그 이유는, Si의 다량첨가가, M₆C형 탄화물의 저융점화가 일어나는 것에 의한 담금질 온도의 저하를 초래하고, 뜨임 2차 경화성을 얻기 위한 충분한 고용합금량을 얻기 어려워지는 것, 또한, 뜨임 처리에 있어서의 M₆C형 탄화물의 안정 석출을 촉진하고, Mo, W의 뜨임 연화 저항성의 개선 효과가 저감되도록 작용하는 것에 의한다. M₆C형 탄화물을 주체로 하는 본 발명범위의 철계 소결 슬라이딩 재료로 있어서는, Si, P의 첨가는, 소결성과 소결 접합성을 향상시키는 점에서, 상기 필요한 뜨임 연화 저항성을 얻기 위한 상한 Si첨가량을 1.5중량%로 억제하고, 소결성과 소결 접합성을 보다 현저하게 향상시키기 위해서는 Si첨가량을 0.35중량% 이하로 설정하는 것이 보다 바람직하고, 마텐자이트 중에는 많이 고용할 수 없는 P, B, 또한, 마텐자이트상 중의 Ni-Mo간의 시효경화성을 촉진하는 Cu성분을 첨가하는 것이 보다 바람직하다.

No.37～No.39는 Cr₇C₃형 탄화물과 M₆C형 탄화물을 공존시킨 것이다. 탄소 첨가량을 적게 하고, Cr₇C₃형 탄화물량을 감소시킴과 아울러 마텐자이트상 중의 고용탄소 농도를 저감시킨 No.38과, 또한, Ni첨가에 의한 잔류 오스테나이트를 많게한 No.39에 있어서는, 현저하게 내히트크랙성이 개선된다.

실시예 3

(철계 소결 슬라이딩 재료의 프로팅씰 특성평가)

도 22(a),(b)은, 소결 접합 시험편의 형상을 도시한 도면이다. 도 23은, 프로팅씰 테스터의 개략을 도시한 도면이다.

본 실시예에서는, 실시예 2의 표 5 및 표 6에 나타낸 조성의 혼합분말을 도22(a)에 나타내는 링형상으로 성형압력 1톤/㎠의 조건에서 성형하고, SS강재로부터 가공한 베이스재에 배치한 후, 진공 분위기로를 사용하여, 소결층의 상대밀도가 93% 이상으로 되도록, 1100～1280℃의 온도에서 2시간 소결 접합하고, 960℃로 로냉각한 후에, 30분간 유지해서 400torr의 N₂ 가스 분위기 하에서 담금질 처리를 실시하고, 담금질 후에 200℃에서 2시간의 뜨임 처리를 실시한 소결 접합 시험편을 작성했다.

상기 소결 접합 시험편을 도 22(b)의 일부를 확대한 단면도에 나타내는 형상으로 연삭후, 도면 중에 나타내는 소결 접합 시험편 윗면의 폭 2㎜의 밀봉 면부를 랩가공해서 마무리한 후에, 도 23에 나타내는 프로팅씰 테스터(슬라이딩 시험기)를 이용하여, 프로팅씰 장치의 밀봉면이 상접하도록 배치되는 한쌍의 씰링을 상기 소결 접합 시험편으로 하고, 밀봉면에서의 하중, 회전속도를 변경하여 공중에서 내히트크랙성과 내시저성의 평가를 실시하고, SiO₂가 약 50중량% 함유하는 흙탕물중에서 내마모성의 조사를 실시했다.

또, 내히트크랙성과 내시저성은, 밀봉 하중(선압=하중/밀봉위치 길이)을 2kg/cm로 한 조건에서 슬라이딩 저항이 급격하게 증대하는 회전속도를 조사함으로써 구하고, 내마모성은, 선압 2kgf/cm, 밀봉면에서의 주속 1m/sec의 조건에서 500시간 연속 시험후의 밀봉당 위치의 이동량(㎜)으로 평가했다. 또, 이상 마모성을 나타내는 합금에 대해서는 선압을 1kgf/cm으로 내려서 내마모성을 조사하고, 도 24와 표 5 및 표 6의 오른쪽란에 내히트크랙성을 나타내는 PV치로서 나타냈다.

또한, 상기 내마모성과 내시저성의 비교 재료로서, Fe-3.4C-1.5Si-15Cr-2.5Mo-1.5Ni와 Fe-3.5C-1.5Si-9Cr-6Mo-4.5W-2V-2Ni-3Co의 조성의 주철 밀봉재료(FC15Cr3Mo, FC9Cr6Mo) 및 표 6에 기재한 SKD11, SKH9를 들고, 그 결과에 대해서도 도 24와 표 6에 나타냈다.

표 5 및 표 6 중에 나타낸 각 합금의 PV치는 대략 실시예 2에서 평가한 내 히트 크랙 한계하중과 같은 경향을 나타내는 것을 알 수 있다.

또한, 도 24중의 파선은, 건설기계의 프로팅씰로서 요구되는 내마모성 기준을 나타낸 것이다. 예를 들면, 건설기계의 프로팅씰로서는, (Cr₇C₃형 탄화물+MC형 탄화물)이 약 15체적% 분산하고, 마텐자이트상 중의 고용탄소 농도가 0.45중량% 이하로 조정된 No.3, No.17과 같은 소결합금의 내마모성이 바람직하고, 또한, 탄화물량의 증가에 따라 내마모성이 보다 개선 되는 점에서, Cr₇C₃형 탄화물, M₆C형 탄화물 및 MC형 탄화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 탄화물이 20체적% 이상 함유되는 것이 보다 바람직하다.

또한, 실시예 2에서 분명하게 나타나 있는 바와 같이 내히트크랙성에 과제를 갖는 No.13, No.16, No.37과 상기 고탄소 고Cr, Mo주철에서는, 선압2kgf/cm에서 내마모성을 평가했을 경우, 미세한 히트 크랙을 수반하는 현저한 이상 마모성을 나타내지만, 마텐자이트상 중의 고용탄소량을 0.5중량% 이하로 제어한 소결합금에 있어서는 시험 종료후에 히트 크랙은 관찰되지 않는 것을 알았다.

실시예 4

(철계 소결 슬라이딩 재료의 저항강도와 인성)

본 실시예에서는, 실시예 2의 표 5 및 표 6에 기재한 No.16, No.17, No.32 의 철계 소결 슬라이딩 재료를 예로서, 그 항절강도와 인성에 대해서 조사하고, 그 결과를 각각 함유하는 탄화물체적%에 대하여 도 25에 나타냈다. 또, 도 25에 있어서, No.의 뒤에 기호/Temp.가 첨부되어 있는 것(예를 들면 No.16/Temp.)는 뜨임 처리를 실시한 것을 나타내고 있다.

960℃에서의 담금질 후에, 200℃에 있어서의 뜨임에 의해, 상기 소결 슬라이딩 재료의 항절강도가 개선됨과 아울러 최대 휨량도 커져서 인성이 개선되는 것을 알 수 있다. 특히, No.16과 같이 마텐자이트상 중의 고용탄소 농도가 높고 또한 탄화물량이 많은 소결합금일수록 그 경향이 강하게 드러나고 있다.

또한, 200℃ 뜨임 처리를 실시한 소결 슬라이딩 재료에 있어서는, 탄화물량이 많아질수록 항절강도가 저하하고, 큰 편하중을 받는 스러스트 베어링 등에서는 때로는 60kgf/㎟ 정도의 휨응력이 작용할 경우가 많으므로, 탄화물량을 25체적% 이하로 하는 것이 바람직하고, 20체적% 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 도 11에 나타나 있는 바와 같이 프로팅씰은 고무제 O링을 통한 밀봉 기구에서 사용 되는 점에서, 그 휨응력이 10kg/㎟을 넘을 일이 없다. 이러한 점에서, 철계 소결 슬라이딩 재료에 분산되어지는 탄화물량은, 50체적% 정도까지 가능해지고, 보다 바람직하게는 40체적% 이하다.

또, 후술하는 바와 같이, 오스테나이트와 Cr₇C₃형 탄화물의 평형상태에 있어서의 각종 합금원소M의 분배계수KM₇=(Cr₇C₃형 탄화물 중의 합금원소 M중량%농도/오스테나이트상 중의 합금원소 M중량%농도)을 비교하면, V>Cr>Mo>W의 순으로 Cr₇C₃형 탄화물에의 농축 경향이 강하고, V가 Cr₇C₃형 탄화물을 효과적으로 미세화하고(KV ₇:17, KCr₇:6.5, KMo₇:2.5, KW7:2.9), Si,Al,Ni,Co의 각 원소는 Cr₇C₃형 탄화물로부터 현저하게 배출되어, 오스테나이트상 중에 농축하는 경향이 강한 것을 밝히고 있다.

또한, 오스테나이트와 M₆C형 탄화물의 평형상태에 있어서의 각종 합금원소M의 분배계수KM₆을 앞과 마찬가지로 비교하면, W>Mo>V>Si, P의 순으로 M₆C형 탄화물에 농축하지만(KW₆:23, KMo₆:20, KV₆:5.5, KSi₆:2.4), Cr은 근소하게 M₆C 탄화물로부터 배출되어 오스테나이트상에 농축하고, Ni, Co는 현저하게 M₆C형 탄화물로부터 배출되는 것을 밝히고 있다.

또, 후술하는 바와 같이, V는 오스테나이트와 Cr₇C₃형 탄화물의 평형시에는 오스테나이트 중의 V농도의 17배농도로 Cr₇C₃형 탄화물에 농축한다. 이 때문에, 10, 20, 30, 40체적%의 Cr₇C₃형 탄화물과 공존하면서, 오스테나이트 중의 V농도가 0.5중량%를 넘고, V가 MC형 탄화물을 형성시키기 위한 철계 소결 슬라이딩 재료에 대한 V첨가량은 각각 1.1, 1.7, 2.3, 3.9중량% 이상이 아니면 안된다는 것이 계산된다. Cr₇C₃형 탄화물을 주체로 분산시키는 철계 소결 슬라이딩 재료에 있어서는, V를 첨가해서 MC형 탄화물을 석출시킴으로써 내마모성의 개선을 꾀하는 것은 경제적이지 않고, V첨가는 소결시에 있어서의 Cr₇C₃형 탄화물의 조대화 방지의 관점으로부터 0.5～4중량%의 범위에 그치는 것이 바람직하다.

단, M₆C형 탄화물을 주체로 하여 MC형 탄화물을 분산되게 할 경우에는, M₆C형 탄화물에의 V의 농축이 꽤 큰것이 아니라는 점에서, 10,20,30,40체적%의 M₆C형 탄화물과 공존하면서, 오스테나이트 중의 V농도가 0.5중량%를 넘고, V가 MC형 탄화물을 형성시키기 위한 철계 소결 슬라이딩 재료에 대한 V첨가량은 각각 0.74, 0.97, 1.21, 1.44중량% 이상이 아니면 안된다는 것이 계산된다. M₆C형 탄화물을 주체로 분산시키는 철계 소결 슬라이딩 재료에 있어서는, V를 첨가해서 MC형 탄화물을 석출시킴으로써 내마모성의 개선이 효율적으로 꾀하여지는 것을 알 수 있다. 이것은, M₆C형과 MC형 탄화물의 합계가 약 13체적%을 함유하는 고속도강SKH10(SAET15)에 있어서, V첨가보다 MC형 탄화물량을 약 10체적%로 높이고, 내마모성을 현저하게 개선하고 있는 것과 부합되고 있다. 본 발명의 V의 최대 첨가량으로서는, MC형 탄화물이 20체적%을 상한으로 하여 10중량%로 했다. 이 MC형 탄화물을 많이 분산시킨 경우에는, V이외에도 Ti, Nb, Zr 등의 합금원소를 다량으로 첨가할 필요가 있지만, 이들의 합금원소를 다량으로 첨가하면 철계 소결 슬라이딩 재료의 경제성이 나빠진다. 따라서, SKH10 이외의 고속도강으로 분산되는 MC형 탄화물을 참고로 하면, MC형 탄화물은 5체적% 이하인 것이 바람직하다.

또한, 상기 철계 소결 슬라이딩 재료에 Ti, Nb, Zr 등을 첨가하고, MC형 탄화물을 분산시킨 경우의 철계 소결 슬라이딩 재료의 적성 탄소량은, MC형 탄화물에 사용되는 탄소량을 여분으로 첨가하는 것이 필요하며, 그 화학량론적인 탄소량을 첨가하는 것이 필요하다.

본 발명에 의하면, 내마모성, 내시저성 및 내히트크랙성이 우수한 소결 슬라이딩 부재 및 작업기 연결장치를 제공할 수 있다.

Claims

백메탈과, 상기 백메탈 위에 고정된 철계 소결 슬라이딩체를 구비한 소결 슬라이딩 부재로서,

상기 철계 소결 슬라이딩체는, 고용탄소 농도가 0.15～0.5중량%로 조정된 마텐자이트상으로 이루어지고, 5～50체적%의 탄화물을 함유하며, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 부재.
제 1항에 있어서, 상기 철계 소결 슬라이딩체는, 그 슬라이딩면에 폐쇄 기공 및 오목부의 적어도 한쪽을 1～10면적% 함유하는 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 부재.
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백메탈과, 상기 백메탈 위에 고정된 철계 소결 슬라이딩체를 구비한 소결 슬라이딩 부재로서,

상기 철계 소결 슬라이딩체는, C가 0.9～3.8중량%, Cr이 9～35중량%, V가 0～3중량%를 함유하고, 그 탄소함유량이 0.143×(Cr중량%)-1.41+14×MC형 탄화물 체적분률≤C중량%≤0.156×(Cr중량%)-0.58+14×MC형 탄화물 체적분률의 관계를 만족하고, 0.2～0.45 중량%의 C, 6.5～12중량%의 Cr를 고용하는 마텐자이트상을 갖고, 상기 마텐자이트상 중에 Cr₇C₃형 탄화물이 5～40체적% 분산하고, MC형 탄화물이 5체적% 이하 분산되고, 총탄화물량이 5～40체적%인 조직으로 이루어지고, 0.5～2중량%의 Mn, 1～5중량%의 Ni, 0.1～1.5중량%의 P, 0.01～0.2중량%의 B, 2～12중량%의 Co, 1～10중량%의 Cu로 이루어지는 합금원소군에서 선택된 1종 이상이 함유되고, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 부재.
제 4항에 있어서, 상기 철계 소결 슬라이딩체는, 1～3.5중량%의 Si 및 0.5～2중량%의 Al의 적어도 한쪽을 함유하는 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 부재.
제 5항에 있어서, 상기 철계 소결 슬라이딩체의 탄소함유량은, 0.143×(Cr중량%)-1.41+0.15×(Si중량%)+14×MC형 탄화물 체적분률≤C중량%≤0.156×(Cr중량%)-0.58+0.15×(Si중량%)+14×MC형 탄화물 체적분률의 관계를 만족하는 것이며, 상기 철계 소결 슬라이딩체에는 마텐자이트상이 형성되어 있고, 상기 마텐자이트상은 0.2～0.45중량%의 C, 6.5～12중량%의 Cr를 고용하고, 1～5중량%의 Si 및 0.5～4중량%의 Al의 적어도 한쪽을 고용하고, 또한 Mo의 함유량 또는 Mo와 W의 총함유량이 0～(4.0～0.5×(Si중량%+Al중량%))의 범위로 조정되어 있는 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 부재.
제 4항에 있어서, 상기 철계 소결 슬라이딩체는 1.6～6.5중량%의 Mo 및 총량에서 1.6～6.5중량%의 Mo와 W중 어느 하나를 함유하고, 상기 마텐자이트상은 1.5～4중량%의 Mo, 총량에서 1.5～4중량%의 Mo와 W 및 0～0.6중량%의 V로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 부재.
백메탈과, 상기 백메탈 위에 고정된 철계 소결 슬라이딩체를 구비한 소결 슬라이딩 부재로서,

상기 철계 소결 슬라이딩체는, C가 1.8～4.5중량%, Cr이 12～30중량%, V가 3.5～10중량%, Mo가 2～6.4중량% 또는 Mo와 W가 총량에서 2～6.4중량%를 함유하고, 마텐자이트상은 0.2～0.45중량%의 C, 6.5～12중량%의 Cr를 고용하고, 1～3.5 중량%의 Mo, 총량에서 1～3.5중량%의 Mo와 W 및 0.4～0.6중량%의 V로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상을 고용하고, 상기 마텐자이트상 중에 Cr₇C₃형 탄화물이 10～35체적% 분산하고, MC형 탄화물이 5～15체적% 분산하고, 총탄화물량이 15～40체적%이며, 0.5～3.5중량%의 Si, 0.5～2중량%의 Mn, 1～5중량%의 Ni, 0.1～1.5중량%의 P, 0.01～0.2중량%의 B, 2～12중량%의 Co, 1～10중량%의 Cu 및 0.2～1.5중량%의 Al로 이루어지는 합금원소군에서 선택된 1종 이상이 함유되고, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순무로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 부재.
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제 1항에 있어서, 상기 철계 소결 슬라이딩체는, Cr, Mo, W, V분말이나 고합금 분말을 첨가해서 조성조정함으로써, 평균 입경 40㎛ 이상으로 조대화시킨 Cr₇C₃형 탄화물, M₆C형탄화물 및 MC형 탄화물의 1종 이상을 3체적% 이상 석출 분산시킨 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 부재.
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제 1항에 있어서, 상기 철계 소결 슬라이딩체는, 0.1～1.5중량%의 P 및 0.01～0.2 중량%의 B의 1종 이상을 함유하고, Fe₃P, Cr₂P, FeMoP, V₂P 및 FeTiP로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 화합물을 10체적% 이하 분산하고 있는 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 부재.
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제 18항에 있어서, 상기 철계 소결 슬라이딩체는, Mo금속입자, W금속입자 및 흑연입자의 적어도 하나가 1～10체적%로 분산되고, 상기 하나가 Cu 또는 Cu합금상으로 둘러싸여져 있는 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 부재.
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제 1항에 있어서, 상기 마텐자이트상이 150～600℃에서 뜨임 처리가 실시된 뜨임 마텐자이트상인 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 부재.
제 1항에 있어서, 상기 백메탈은 원통형상 부재와, 상기 원통형상 부재의 일단면에 설치된, 슬라이딩면을 갖는 플랜지부로 이루어지고, 상기 슬라이딩면에 상기 철계 소결 슬라이딩체가 0.5㎜이상의 두께로 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 부재.
제 1항에 있어서, 상기 철계 소결 슬라이딩체는 도넛형상 평판의 형상을 갖고, 상기 도넛형상 평판의 내주면의 적어도 일부와 상기 도넛형상 평판의 밑면이 상기 백메탈에 소결 접합에 의해 고정되는 것으로서, 상기 철계 소결 슬라이딩체와 상기 백메탈의 접합면의 일부에, 소결 접합시에 소결체로부터 발생하는 가스를 빼기 위한 구멍 및 홈중 적어도 한쪽을 설치하는 것을 특징으로 하는 소결 슬라이딩 부재.
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