CN101663503B - 耐磨性链条 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种不仅高效且生产性出色，而且即便在引起的正时链条之类的严酷使用状态下也具有高耐久性的耐磨性链条。在以钢为基料的钒扩散渗透处理中，添加含硅微细化剂。形成表面硬化层的钒碳化物，在晶粒内存在由含有硅的非晶态结构构成的第二相，该钒碳化物被微细化成其结晶粒径为1[μm]以下。

Description

耐磨性链条

技术领域

本发明涉及无声链条、滚子链条等传动用链条，详细而言，涉及在上述链条中的销轴与链节、或销轴与轴套(bush)等相互地相对旋转的轴承部形成有具有钒碳化物的表面硬化层的耐磨性链条。

背景技术

近来，就传动用链条而言，往往是像例如引擎的正时链条那样在高温环境下且在有高表面压力反复作用的严酷状态下使用，另外，由于废气限制的强化所导致的EGR的大量化，无论是柴油机，还是汽油机往往都在烟尘(soot)向机油的混入被促进等严酷的状态下使用，在这样的情况下仍要求具有高耐久性，为此，提出在销轴等成为轴承的部分形成由钒碳化物(VC)构成的表面硬化层(参照特开2004-360755号公报)。

为了对上述销轴等的表面实施钒碳化物的被膜处理，通常使用通过旋转式干馏炉的粉末包装方法。将由钢构成的销轴基料与钒铁(FeV)等含钒粉末、氧化铝(Al₂O₃)等防烧结材料即氯化铵(NH₄Cl)等促进材料一起放入到炉内，保持规定温度，由此在销轴表面渗透覆盖有规定膜厚的钒碳化物。

由此得到的钒碳化物层，膜厚为6～15μm，通常该钒碳化物的粒径为1～3μm左右，但为了提高耐久性，需要在对增厚上述碳化物层时提高处理温度(例如1050℃以上)。如果提高处理温度，钒碳化物层(VxCy、例如V₈C₇)的该结晶粒度发生粗化，该粒度的粗化使钒碳化物层变得容易从基料(销轴原料)剥离，招致与基料的密合性(结合性)降低。

另一方面，如果为了抑制钒碳化物的粒度的粗化而降低处理温度，则无法得到所希望的膜厚，无法获得足够的磨损寿命。另外，也考虑延长处理时间，以便在降低处理温度的情况下得到所希望的膜厚，已有即便单纯延长处理时间也不会得到所希望的膜厚的情况，另外，即便得到所希望的膜厚，也成为显著妨碍经济性的长时间处理，并不实用。

另外，就在表面形成有由钒等金属的碳化物构成的硬化层的耐磨性链条而言，提出通过在上述硬化层中分散Si₃N₄粒子，即便在机舱中与极端劣化的高氧化度润滑油一起使用，也会中和该润滑油，由此使PH恢复而防止异常磨损伸长(参照特开2005-299800号公报)。

如上所述，在销轴等链条的轴承部上形成的钒碳化物层，为了确保引擎的正时链条等在严酷的使用条件下具有充分的耐久性，需要其具有规定以上的膜厚，但为了得到该所希望的膜厚，在高温下进行短时间处理是有效的。

但是，在通过以往的钒扩散渗透处理进行高温处理时，钒碳化物被膜的晶粒粗化，有可能而无法以该被膜的密合性等来确保产品品质。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种不仅高效且生产性出色，而且即便在严酷的使用状态下也具有充分的耐久性的耐磨性链条。

本发明同时实现了在将钒碳化物粒度微细化的同时得到所希望的膜厚的所谓从技术常识角度来讲为二律背反的现象，本发明人等在钒扩散渗透处理中，除了含钒粉末及防烧结材料、促进材料之外，还对第三添加元素进行了各种研究，作为添加元素，特别注意到硅(Si)，对其添加形态进行了潜心研究，结果完成了本发明。

本发明能够通过例如1050℃左右的高温处理进行经济且有效的钒扩散渗透处理，同时可以在将VC粒度微细化的同时得到所希望的膜厚。

本发明的耐磨性链条，构成轴承部且相对转动的销轴与链节(例如无声链条)、或销轴与轴套(例如滚子链条)中的至少任意一组链条构成要素，是通过在由钢构成的基料的表面形成有含钒碳化物(例如V₈C₇)的硬化层而成，其特征在于，

所述硬化层在所述钒碳化物的晶粒中存在由含有硅(Si)的非晶态结构形成的第二相，且所述钒碳化物的代表性结晶粒径为1[μm]以下，优选500[nm]以下。

由此，具有钒碳化物的硬化层，可以在钒碳化物的晶粒内分散由非晶态结构形成的第二相，使上述钒碳化物的结晶微细化到1[μm]以下。由此，可以像例如引擎的正时链条那样即便在严酷的使用状态下也具有高耐久性。

具体而言，上述钒碳化物除了含有钒和碳之外，还含有0.05～0.5[重量％]、优选0.15～0.3[重量％]的硅。

由此，钒碳化物通过在晶粒内仅含有0.05～0.5[重量％]的微量的硅，就可以将该结晶的粒度大幅度微细化。

另外，关于上述链条构成要素在具有钒的气体气氛中、且以规定温度对由钢形成的基料实施扩散渗透处理而形成，

并且在实施该扩散渗透处理时，添加含硅微细化剂。

由此，在钒扩散渗透处理时，通过仅添加含硅微细化剂的简单处理，通过利用高温的高生产性的有效处理，可以得到具有规定膜厚且由经微细化的晶粒形成的钒碳化物的单层。

附图说明

图1是利用扫描型电子显微镜得到的硬化层部分的组织图(照片)，(A)是以往的钒碳化物层的组织图，(B)是本发明的钒碳化物层的组织图。

图2是利用透射型电子显微镜得到的钒碳化物层的显微组织图(照片)。

图3是进一步放大上述显微组织图的放大组织图。

图4是表示利用X射线分析装置得到的成分分析的图，(A)表示VC粒内的第二相的成分，(B)表示VC粒的基质部分的成分。

图5是表示超细电子衍射(ultra-fine electron diffraction)像的图(照片)，(A)表示以VC粒内的第二相为目标的衍射像，(B)表示以VC粒基质部分为目标的衍射像。

图6是表示利用X射线衍射装置分析本发明的销轴表面的试验结果的图。

图7是表示在模拟劣化油中使使用了本发明的销轴的无声链条和使用了以往的渗钒销轴的无声链条进行运转的状态下的伸长率相对于时间的的图。

具体实施方式

以下，对本发明的实施方式进行说明。本发明的链条被用于公知的滚子链条或无声链条等所有的动力传动用链条，特别是适合用于正时链条等在引擎内使用的链条。

关于滚子链条，将销轴插入到轴套内以环状连结带轴链节和滚子链节，并且在轴套中松动嵌合滚子而构成，所述带轴链节是用销轴来连结两个带轴链节的两端部而得到，所述滚子链节是用轴套来同样连结两个滚子链节的两端部而得到。另外，关于无声链条，用固定在上述导向链节上的销轴环状连结导向列(guide trains)和铰接列(joint trains)而构成，所述导向列是由两端具有导向链节的多个链节构成，所述铰接列不具有上述导向链节而仅由带齿链节构成。

此外，在链条每次屈曲时，对于上述滚子链条，在销轴和轴套之间发生滑动接触运动，另外，对于无声链条，在销轴和铰接列的链节的销孔之间发生滑动接触运动，上述销轴和轴套、上述销轴和铰接列的链节构成轴承部。另外，对传动用链条作用较大的牵引力，所以对上述滑动接触运动的轴承部作用较大的表面压力。本发明是以构成上述轴承部的链条构成要素为对象，具体而言，对于滚子链条，以销轴和轴套的至少任意一方为对象，对于无声链条，以销轴和铰接列链节的至少任意一方为对象，但在本实施方式中，以销轴为对象进行说明。

作为基料的销轴，由高碳钢、或经渗碳处理的钢，例如S50C(C：0.47～0.53％，Si：0.15～0.35％，Mn：0.60～0.90％，P：0.30％以下，S：0.35％以下，作为的杂质的Cr：0.20％以下)的机械构造用碳钢钢材料等钢构成，对该以铁(Fe)为基料的销轴基料(原料)实施钒扩散渗透处理(VC扩散渗透处理)。关于该VC扩散渗透处理(渗钒)，是将由作为渗透材料原料的FeV(钒铁)、作为防烧结材料的Al₂O₃(氧化铝)、作为促进材料的NH₄Cl(氯化铵)构成的粉末连同销轴基料一起放入到炉内，进而少量添加本发明的含结晶硅微细化剂(例如SiO₂粉末)。然后，将上述炉内升温至900℃～1100℃，保持规定时间。关于该VC扩散处理，在炉内成为NH₄Cl→NH₃+HCl(气体)，HCl(气体)+V(金属粉末)→VCl(气体)+H₂↑，在VCl气氛中，销轴基料中的C与气氛中的V结合，生成VxCy例如V₈C₇，在销轴基料的表面有该钒碳化物(V)渗透而形成覆盖层。

此时，通过少量添加含有规定量的结晶硅的含结晶硅微细化剂(例如SiO₂)，在上述VC扩散渗透处理的反应中，上述含Si微细化剂发生热分解，在VC被膜的形成中作为核发挥功能，推测VC粒度的微细化得以实现。另外，在上述VC的晶粒内存在含有Si的第二相，该第二相由非晶态结构形成，在不使Si化合物化的情况下得到已微细化的单层VC被膜。

上述钒扩散渗透处理是在规定高温例如1050℃下以较短时间进行的，得到有效且实用的生产性，销轴是在由钢构成的基料表面上形成由钒碳化物(V₈C₇)构成的硬化层，该硬化层的膜厚约为10～25[μm]，且由代表性的VC结晶的粒径为1[μm]以下、优选500[nm]以下的微粒构成。

图1是表示利用扫描型电子显微镜(SEM)得到的上述销轴的硬化层部分的图，(A)表示以往的硬化层，(B)表示本发明的硬化层。1a、1b表示VC层，2a、2b表示基料，但本发明的VC层1b，可知与以往的VC层1a相比，由层更厚且VC粒度被微细化的单层构成。

图2表示利用透射型电子显微镜(TEM)得到的本发明的VC结晶的显微组织(30000倍拍摄)。对该显微组织进行分析，结果可以确认VC粒度为150～400[nm]，且VC结晶内存在数十[nm]的第二相(以白色小点示出)。图3是进一步放大上述显微组织的放大组织(600000倍拍摄)，B部分是VC结晶的基质部分，A部分是上述VC粒内的第二相部分，将利用X射线分析装置对上述基质部分B及第二相部分A进行成分分析而得的结果示于图4中。

图4(A)表示VC粒内的第二相(A部分)的成分，除了V、C之外，还有Si存在，图4(B)表示VC结晶的基质(B部分)的成分，没有Si存在。需要说明的是，Cu是由分析样品固定夹具产生的，其他元素是杂质。上述第二相Si为0.2[重量％]左右，明确其不是杂质。

进而将利用超细电子衍射进行衍射得到的像示于图5。图5(A)表示以VC粒子内的第二相(A部分)为目标的超细电子衍射像，呈现晕样式(halo pattern)，估计第二相为非晶(amorphous)相。图5(B)表示以VC结晶的基质部分(B部分)为目标的超细电子衍射像。图6是上述第二相的利用X射线衍射装置(XRD)得到的本发明的销轴表面的试验结果，鉴定仅为结晶构造的VC相(V₈C₇)，未分析到Si。认为这是因为第二相是不显示衍射现象的非晶态结构。

根据以上的分析结果，确认了下述内容。

i.本发明的销轴的表面硬化层，由钒碳化物(V₈C₇)的单层构成，该VC结晶与以往的结晶相比被大幅度微细化(VC粒度为500nm以下)。

ii.在钒碳化物(VC)的晶粒内分数有微细的第二相，该第二相由含有硅(Si)的非晶态结构构成。

根据上述分析结果可以推测以下内容。即，在实施钒扩散渗透处理时，通过微少量添加含有结晶硅的微细化剂，该含硅微细化剂发生化学反应，在形成VC被膜时，作为核发挥功能，VC结晶粒子的大幅度微细化得到实现。

但是，在钒扩散渗透处理时，如果添加高纯度Si粉末、Fe-Si(硅铁)合金粉末，在发生VC反应的同时发生渗硅反应，VC粒度未微细化，反而多成为空隙等缺陷多的被膜。另外，在添加了Si₃N₄、SiC等陶瓷粉末的情况下，无法确认是否体现出VC粒度的微细化效果。

需要说明的是，作为将晶粒微细化的机制，也考虑使有效抑制晶粒粗化的物质分散来抑制晶界的移动的钉扎现象(pinning phenomenon)，但根据上述TEM分析的结果，确认在晶界没有可以体现钉扎现象的物质存在。因此，关于本发明的VC粒度微细化的机制，认为是由上述核密度提高引起的。

上述的钒碳化物(VC)的代表性结晶粒径约为500[nm]以下，但作为可以与以往的粒子严格区别开并实现以下所述的由微细化所带来的效果的范围，代表性的结晶粒径为1[μm]以下即可。另外，就上述实施方式的销轴而言，经分析的结果，Si的含量为0.2[重量％]，如果考虑误差等，为0.15～0.3[重量％]的范围，如果为0.05[重量％]以下，则作为杂质的严格区分变难，而且VC结晶的微细化效果未充分体现，且如果为0.5[重量％]以上，有可能引起渗硅反应的并进等，妨碍作为VC结晶的核体现微细化。

图7是表示在模拟劣化油中使使用了本发明的销轴的无声链条和使用了以往的渗钒销轴的无声链条进行运转的状态下的伸长率相对于时间的变化的图。需要说明的是，模拟劣化油是指以提高试验再现性为目的而模拟含有异物等的市场劣化油的人工油，调合特殊的炭黑等而制作。如图7所示，本发明的无声链条(开发VC)，能够确认与以往的无声链条(以往VC)相比耐久性可以改善约35％。

使用利用了钒碳化物(VC)的结晶粒度不同的多个(本发明的销轴和以往的两种VC销轴总计3个)销轴的无声链条，进行磨损伸长试验，其结果可知，VC粒度越微细，耐磨性能越是提高，最微细的本发明的销轴具有最为出色的耐磨损性能。对分担链条磨损伸长的销轴和链节的销孔的磨损量进行分析，结果可知，销轴的磨损量相等，在链节的销孔的磨损量方面可见显著差异，VC粒度越细小，链节的销孔磨损量越降低。由此认为，VC粒度越微细，轴承部的对应物攻击性越是降低，链条的磨损伸长得到改善。

需要说明的是，上述的实施方式用于无声链条的销轴，但并不限于此，可以用于轴承部的一方或双方，具体为无声链条中销轴及铰接列的链节的一方或双方、滚子链条中销轴及轴套的一方或双方，根据情况也可以用于滚子。

工业上的可利用性

本发明适合用于无声链条或滚子链条，特别适合用于引擎内的正时链条。可以用于构成相对旋转的轴承部的链条构成要素，具体可以用于无声链条中的销轴及链节的任意一方或双方、滚子链条中的销轴及轴套的任意一方或双方。

Claims (3)

1.一种耐磨性链条，构成轴承部且相对转动的销轴与链节、或销轴与轴套中的至少任意一组链条构成要素，是通过在由钢材料构成的基料的表面形成有含钒碳化物的硬化层而成，其特征在于，

所述硬化层在所述钒碳化物的晶粒中存在由含有硅的非晶态结构形成的第二相、且所述钒碳化物的代表性结晶粒径为1μm以下。

2.根据权利要求1所述的耐磨性链条，其特征在于，

所述钒碳化物除了含有钒和碳之外，还含有以重量百分比计为0.05～0.5％的硅。

3.根据权利要求1或者2所述的耐磨性链条，其特征在于，

所述链条构成要素是通过在具有钒的气体气氛中、且以规定温度对由钢材料构成的基料实施扩散渗透处理而形成，

并且在实施该扩散渗透处理时添加含硅微细化剂。

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