JP2001089876A - 高面圧低減機能を有する耐摩耗性に優れた鋼製部材とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 他の部材と共働して作動する際に非常に高い
面圧が生じても、優れた耐摩耗性を発揮することができ
る鋼製部材、その製造方法を提供する。 【解決手段】 表面硬化層２を有する鋼製母材１と、前
記表面硬化層２の上に形成され、その表面硬度に対して
硬度がＨｖ１５０以上低いＳｎ、Ｓｎ−Ｃｕ合金等の軟
質金属からなる面圧低減層３とを備える。面圧低減層３
は鋼製部材が他の部材と共働して作動する際に局部的に
生じた高面圧の下で塑性変形することにより接触面積を
増大させて面圧を低減する。このため、表面硬化層２に
局部的な摩耗や損傷が生じず、耐摩耗性が有効に発揮さ
れる。前記表面硬化層２と前記面圧低減層３との間に両
層の密着性を向上させる中間層を設けてもよい。前記面
圧低減層３、中間層４は２５０℃以下で形成することに
より、表面硬化層２の熱軟化を抑制することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】自動車などの輸送機、産業機
械、レジャー用品などの機械、装置に組み込まれて、他
の部材と共働して作動する鋼製の部材に関する。このよ
うな部材の典型例としては、車軸、等速ジョイント、レ
ールガイド、歯車等の転動部材を例示することができ
る。

【０００２】

【従来の技術】車軸、等速ジョイント、レールガイド、
歯車等の転動部材に対して、耐摩耗性を付与して、耐久
性を向上させる手段として、鋼製母材の表面に浸炭、浸
炭窒化、窒化、高周波焼入等によって母材よりも高硬度
の表面硬化層を形成することが従来から行われている。
しかしながら、母材に表面硬化層を形成することによる
耐摩耗性、耐久性の向上は限界に近づきつつある。

【０００３】すなわち、近年、地球環境問題の観点か
ら、種々の機械、装置に使用される鋼製部材の省エネル
ギー化、高効率化が進められており、より軽量化、コン
パクト化が指向されている。これに伴って、部材同士の
接触部における面圧が高く設計される傾向があり、特に
使用開始時においては部材の製作誤差や組み立て誤差等
があるために、部材同士の接触部に非常に高い面圧が生
じる傾向にある。このため、単なる表面硬化層の形成に
よる耐摩耗性の改善では、近年の使用環境の過酷化には
対応できなくなりつつある。

【０００４】本発明はかかる問題に鑑みなされたもの
で、他の部材と共働して作動する際に非常に高い面圧が
生じても、優れた耐摩耗性を発揮することができる鋼製
部材およびその製造方法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、鋼製母材
の表面に表面硬化層を形成した各種の転動部材の破壊部
の調査を通じて、作動初期に部材同士の接触部に非常に
高い面圧が発生し、これによって部材の表面硬化層に局
部的な摩耗、損傷が生じるため、表面硬化層が有効に作
用せず、耐摩耗性が劣化することを知見した。すなわ
ち、機械、装置の設計段階では、転動する部材同士の接
触部に過度な局部摩耗や損傷が生じないように、機械的
に完全な噛み合わせ状態が得られるように設計される
が、現実には製作誤差、組み立て誤差等があるために理
想的な共働状態は得られ難い。このため、機械、装置の
稼働初期には、部材同士の接触部は片当たりに近い状態
になる。機械、装置のコンパクト化の下では、設計段階
での接触部の面圧がもともと高く計画されるので、この
ように状態が生じると、接触部に非常に高い面圧が発生
する。かかる高面圧が生じると、部材に局部的な摩耗や
損傷が生じて、部材に表面硬化層を形成した場合でも、
表面硬化層の本来の作用が発揮できず、耐摩耗性が低下
し、引いては機械、装置の寿命を短縮させるのである。

【０００６】本発明はかかる知見に基づいてなされたも
のであり、請求項１に記載した本発明は、他の部材と共
働して作動する鋼製部材であって、表面硬化層を有する
鋼製母材と、前記表面硬化層の表面硬度に対して硬度が
Ｈｖ１５０以上低い軟質金属からなる面圧低減層とを備
え、前記面圧低減層は前記表面硬化層の上に形成され、
鋼製部材が他の部材と共働して作動する際に局部的に生
じた高面圧の下で塑性変形することにより面圧を低減す
る、高面圧低減機能を有する耐摩耗性に優れた鋼製部材
である。

【０００７】この発明の鋼製部材によると、面圧低減層
は表面硬化層の表面硬度に対して硬度がＨｖ１５０以上
低いので、作動初期に片当たりなどに起因する非常に高
い面圧が他の部材との接触部に局部的に発生しても、面
圧低減層が速やかに塑性変形を起こして接触面積を増大
させて面圧を低下させ、また部材同士を高負荷のかから
ない適正な位置に保持しようとするため、表面硬化層に
は高面圧が直接作用せず、局部的な摩耗や損傷が生じ難
くなる。このため、表面硬化層の耐摩耗性が有効に発揮
されるようになり、高面圧下においても優れた耐摩耗
性、耐久性が得られ、本発明の部材が組み込まれた機
械、装置においては、設計どおりの本来の寿命を達成す
ることができるようになる。面圧低減層の表面硬度が高
いと局部的な高面圧が作用したとき、円滑な塑性変形が
起こりにくくなり、面圧低減作用や位置調整作用が低下
するようになるので、本発明では面圧低減層の硬度を表
面硬化層の表面硬度よりＨｖ１５０以上、好ましくはＨ
ｖ２００以上低くするのがよい。なお、前記面圧低減層
は機械、装置の初期において有効な作用を奏するもので
あり、定常運転状態に至れば部材同士の接触部では磨滅
して消失し、部材の耐摩耗性は鋼製部材の表面に形成さ
れた表面硬質層が担うようになる。

【０００８】また、請求項２に記載したように、前記表
面硬化層と前記面圧低減層とに対する密着性が良好な金
属によって形成された中間層を設け、前記面圧低減層を
前記表面層の上に前記中間層を介して形成することで、
表面硬化層と機械的性質の異なる面圧低減層を表面硬化
層に強固に被覆させることがき、面圧低減層に局部的な
高面圧が作用した際に、面圧低減層が表面硬化層に対し
て剥離やずれが生じず、面圧低減層に局部的な塑性変形
が速やかに生じるようになり、部材の耐摩耗性、耐久性
をより向上させることがきる。

【０００９】前記面圧低減層を形成する金属としては、
Ｓｎ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｓｎを３０wt％以上含有する
Ｓｎ−Ｃｕ合金あるいはＳｎ−Ｎｉ合金、Ｓｎ−Ｐｂ合
金、Ｚｎ−Ｓｎ合金などの軟質金属を適用できるが、特
に請求項３に記載したように、Ｓｎ、Ｓｎ：３０wt％以
上，残部実質的にＣｕを本質的成分とするＳｎ−Ｃｕ合
金、あるいはＳｎ：３０wt％以上，残部実質的にＮｉを
本質的成分とするＳｎ−Ｎｉ合金が好適である。これら
のＳｎ系金属は、Ｐｂを含まないため環境汚染の問題も
なく、Ｉｎのような高価な元素を含まないため経済的で
あり、面圧低減層として必要な特性も優れているからで
ある。

【００１０】また、前記鋼製母材に形成された表面硬化
層は、請求項４に記載したように、表面硬度を６００Ｈ
ｖ以上とするのがよい。表面硬化層の表面硬度が高いほ
ど耐摩耗性あるいは耐久性が向上する傾向があり、好ま
しくはＨｖ６００以上、より好ましくはＨｖ７５０とす
ることで、面圧低減層の面圧低減作用により表面硬化層
の耐摩耗性が極めて効果的に発揮され、非常に優れた耐
摩耗性、耐久性を確保することができる。

【００１１】また、本発明の製造方法は、請求項５に記
載したように、表面硬化層を有する鋼製母材の最外層に
請求項１に記載した面圧低減層を形成する鋼製部材の製
造方法であって、前記表面硬化層の上に直接に、あるい
は前記表面硬化層および前記面圧低減層に対する密着性
が良好な金属によって形成された中間層を介して前記面
圧低減層を形成するに際し、前記面圧低減層あるいは前
記中間層および前記面圧低減層を２５０℃以下で形成す
る高面圧低減機能を有する耐摩耗性に優れた鋼製部材の
製造方法である。

【００１２】この発明の製造方法によると、面圧低減
層、あるいは中間層および面圧低減層を形成する際に、
表面硬化層の温度が２５０℃以下とされるので、表面硬
化層の熱軟化が抑制され、硬度低下を防止することがで
きる。このため、表面硬化層を形成した際の硬度をほぼ
維持することができ、優れた耐摩耗性、耐久性を備えた
鋼製部材が得られる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は本発明の第１実施形態にか
かる鋼製部材の要部断面図を示しており、鋼製母材１の
表面に表面硬化層２が形成されており、その表面硬化層
２の上に面圧低減層３が被覆形成されている。

【００１４】前記鋼製母材１は、表面硬化処理によって
表面硬化層２を形成することができる鋼材で形成されて
いる。このような鋼材としては、例えば機械構造用鋼、
合金鋼、工具鋼、軸受鋼を用いることができる。表面硬
化処理としては、浸炭焼入、高周波焼入、窒化処理、浸
炭窒化処理などがある。表面硬化層の硬度は、高いほど
よく、Ｈｖ６００以上、好ましくはＨｖ７００以上、よ
り好ましくはＨｖ７５０以上とするのがよい。なお、表
面硬化処理によって得られた表面硬化層の表面に異常組
織が形成される場合には、面圧低減層３を形成する前に
表層の数十μmを研削等により削除しておくことが好ま
しい。

【００１５】前記面圧低減層３は、前記表面硬化層２の
表面硬度に対して硬度がＨｖ１５０以上、好ましくはＨ
ｖ２００以上低い軟質金属で形成されている。このよう
な金属としては、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｓｎを３０
wt％以上含有するＳｎ−Ｃｕ合金あるいはＳｎ−Ｎｉ合
金、Ｓｎ−Ｐｂ合金、Ｚｎ−Ｓｎ合金などの金属を適用
できるが、特に純Ｓｎ、Ｓｎ：３０wt％以上（好ましく
は４０wt％以上、より好ましく５０wt％以上），残部実
質的にＣｕを本質的成分とするＳｎ−Ｃｕ合金、あるい
はＳｎ：３０wt％以上（好ましくは４０wt％以上、より
好ましくは５０wt％以上），残部実質的にＮｉを本質的
成分とするＳｎ−Ｎｉ合金が好適である。これらのＳｎ
系金属は、Ｐｂを含まないため環境汚染の問題もなく、
Ｉｎのような高価な元素を含まないため経済的であり、
適度な硬度を有しており、機能的に優れているからであ
る。前記軟質金属は、概ね相手部材に対する摩擦抵抗が
表面硬化層２よりも小さく、滑り性に優れており、摺動
性も良好である。

【００１６】面圧低減層３の硬度は、表面硬化層２の表
面硬度よりもＨｖ１５０以上、好ましくＨｖ２００以上
低ければよい。もっとも、面圧低減層３の硬度が高い場
合には一般的に摩耗速度が遅いために面圧低減効果が長
く得られる利点があるが、面圧を分散、低減する効果は
硬度上昇と共に低下する。一方、硬度が低い場合には摩
耗速度が速いために効果が得られる期間が短くなるが、
面圧の分散、低減効果は優れている。このため、あえて
好適な範囲を設定すれば概ねＨｖ１５〜４００が好まし
く、より好ましくはＨｖ３０〜２５０程度がよい。

【００１７】面圧低減層３の層厚は、１〜１５μm 程度
が好ましい。１μm 未満では面圧低減作用が不足し、一
方１５μm を超えて形成しても面圧低減作用は飽和し、
経済的でないばかりか、寸法精度が悪化して部材の耐摩
耗性が低下するようになり、さらに面圧低減層の摩耗粉
が増大して潤滑油を汚染し、耐摩耗性に悪影響を及ぼす
スラッジを生成したり、潤滑油添加剤の消耗を促進した
りする。このため、面圧低減層の層厚は１〜１５μm 、
より好ましくは、５〜１０μm 程度にするのがよく、２
０μm 以上は避けるべきである。

【００１８】図２は、本発明の第２実施形態を示す鋼製
部材の要部断面を示しており、この実施形態では、鋼製
母材１に形成された表面硬化層２に中間層４を介して面
圧低減層３が被覆形成されている。なお、第１実施形態
と同機能を有する部分には同符号が付されており、その
説明を省略する。

【００１９】前記中間層４は、表面硬化層２および面圧
低減層３の両層になじみ易く、密着性の良好な金属によ
って形成されている。このような金属としては、Ｃｕ、
Ｎｉ、あるいはＣｕ，Ｎｉを本質的成分としてなるＣｕ
−Ｎｉ合金を例示することができる。純Ｃｕ、あるいは
Ｎｉ：３０wt％以下、残部実質的にＣｕを本質的成分と
してなるＣｕ−Ｎｉ合金は密着性が良好で、経済的であ
るので、好ましい。

【００２０】前記中間層の層厚は、Ｃｕ，Ｎｉともに原
子オーダーの厚さでも効果を発揮するが、いたずらに薄
層を形成する必要はなく、層厚の下限は一般的には０．
１μm 程度でよい。一方、厚すぎると経済的でない他、
摩耗により寸法変化が大きくなるため、１０μm 程度以
下に止めておくことが好ましく、数十μm 以上の中間層
は避けるべきである。好ましくは、０．２〜５μm 程度
がよい。

【００２１】さらに、密着性をより向上させるには、中
間層４と面圧低減層３との間に両層の成分が拡散した拡
散層を形成すればよい。拡散層を形成する方法は種々あ
るが、表面硬化層の上に中間層、面圧低減層をこの順序
で積層形成した後、拡散温度にて加熱保持する拡散熱処
理を施せばよい。拡散温度は、表面硬化層の硬度を低下
させないように、２５０℃以下、好ましくは２００℃以
下に止めるのがよい。面圧低減層を形成する際に加熱を
行う成膜法、例えば真空蒸着や気相コーティングを適用
する場合、拡散熱処理を別個に行う必要はなく、拡散熱
処理を省略することができる。

【００２２】前記拡散層の厚さは、加熱温度と保持時間
によって調整可能であり、軟質金属の原子が中間層４と
表面硬化層２の界面付近まで拡散するようにしてもよ
い。この場合、前記界面付近において、中間層４の主成
分の合計濃度が概ね５０wt％以上あれば、中間層４から
置き換わった拡散層と表面硬化層２との密着性を確保す
ることがきる。なお、前記拡散熱処理によって、中間層
４と表面硬化層２との間に、両層の成分が拡散した拡散
層が形成されることはほとんどないが、両層の密着性も
向上させる作用がある。

【００２３】前記面圧低減層３、中間層４を形成するプ
ロセスは特に指定されないが、処理時の温度上昇がほど
んど無視できるため、めっき処理が一般的に好ましい。
その他、真空蒸着、イオンプレーティング、スパックリ
ング等の気相コーティングを適用することもできる。こ
れら気相コーティング法を用いて成膜する際には、２５
０℃以下、好ましくは２００℃以下の処理温度に制限す
ることによって、鋼製母材１に形成された表面硬化層２
の熱軟化による硬度劣化を抑制することができる。

【００２４】

【実施例】化学組成の異なる種々のクロムモリブデン浸
炭窒化鋼によって軸状の鋼製母材を製作し、この母材に
浸炭窒化を施して、母材の表面に種々の硬度を有する表
面硬化層を形成した。さらに、その後、表面硬化層に研
削仕上を施し、その表層の約５０μmを除去した。この
鋼製母材の表面硬化層に直接に、あるいは中間層を形成
後、その上に面圧低減層を被覆形成して試験用部材を得
た。面圧低減層は湿式めっき法、多元ＥＢ（電子ビー
ム）法によって形成された。一方、中間層は湿式めっき
法、ＡＩＰ（アークイオンプレーティング）法によって
形成された。これらの各層の成膜条件を下記に示す。

【００２５】 (1) 面圧低減層 湿式めっき法 ・Ｓｎ層のめっき条件 めっき液組成：硫酸第１スズ ４０〜７０ｇ／ｌ 硫酸 ８０〜１００ｇ／ｌ ホルマリン ５ｍｌ／ｌ 電流密度：２〜５Ａ／ｄｍ² めっき液温：１０〜２００℃ ・Ｚｎ層のめっき条件 めっき液組成：硫酸亜鉛 １５０〜２３０ｇ／ｌ 酢酸ナトリウム ３０〜５Ｏｇ／ｌ 硫酸 数ｍｌ／ｌ 電流密度：５〜１５Ａ／ｄｍ² めっき液温：５０〜６０℃ 多元ＥＢ蒸着法 ・Ｓｎ−Ｐｂ（７０wt％）合金層、Ｃｕ−Ｓｎ（４０wt％）合金層の成膜条件 真空度 ：３〜７×１０^-4Torr 基板温度：２５０℃ ＥＢ出力：１ｋＷ

【００２６】 (2) 中間層 ＡＩＰ法 ・Ｃｕ層、Ｎｉ層 窒素導入前真空度：１×１０^-3〜５×１０^-5Torr スパッタクリーニング：−５００〜−８００Ｖ、２min 成膜開始時の被処理材温度：１８０〜３００℃ 窒素導入後圧力：２０ｍTorr 成膜時カソード電流：１００Ａ 成膜時バイアス電圧：−１０〜−３０Ｖ 湿式めっき法 ・Ｃｕ層 めっき液組成：ピロリン酸銅 ７０〜９０ｇ／ｌ ピロリン酸カリウム ２４０〜４００ｇ／ｌ アンモニア水 ４ｍｌ／ｌ 電流密度：２〜５Ａ／ｄｍ² めっき液温：５０〜６０℃ ・Ｎｉ層 めっき液組成：硫酸ニッケル ２２０〜３００ｇ／ｌ 塩化ニッケル ４０〜５０ｇ／ｌ ホウ酸 ３０〜４０ｇ／ｌ 電流密度：２〜５Ａ／ｄｍ² めっき液温：４５〜６０℃

【００２７】以上のようにして製作した各試料（試験部
材）の層の構成、製法、種類（組成）、層厚、硬度、被
処理材の最高到達温度、中間層あるいはさらに面圧低減
層の成膜前および成膜後の表面硬化層の表面硬度を表１
にまとめて示す。表１において、中間層を形成後に多元
ＥＢ蒸着法によって面圧低減層を形成した試料（No.８
および９）は、同法の実施の際に被処理材（鋼製母材お
よび中間層）が処理温度に保持されるため、中間層と面
圧低減層との間に拡散層が形成された。また、中間層お
よび面圧低減層を共にめっき法により形成した試料No.
６は、両層を成膜後に部材を２００℃に保持する拡散熱
処理を行って、拡散層を形成した。

【００２８】各試料の試験部材を用いて、摺動の要素も
加味したローラピッチング試験を行った。この試験は、
図３に示すように、大ローラ１１の外周部に小ローラ
（試料試験部材）１２の面圧低減層１３が被覆された部
分を当接させ、下記の条件にて大ローラ１１および小ロ
ーラ１２を回転させ、ピッチングの発生により小ローラ
１２に生じた振動で小ローラ１２が停止するまでの回転
数を求め、これにより試験部材の耐摩耗性、耐久性を評
価した。これらの結果を表１に併せて示す。なお、No.
１７は面圧低減層を形成していない無処理の鋼製母材を
用いたものである。

【００２９】〔ローラピッチング試験条件〕 大ローラと小ローラの当接部における面圧：３．０ＧＰ
ａ 大ローラの回転数：１５００ｒｐｍ 大ローラ周面における小ローラの滑り率：−４０％ 当接部に供給した潤滑油：ディーゼルオイル（２Ｌ／mi
n 、９０℃） 大ローラの材質：ＳＵＪ２鋼（表面硬度Ｈｖ７８０）

【００３０】

【表１】

【００３１】表１より、発明例の試料No. １〜１６は、
ローラピッチング試験において、面圧低減層を有しない
No. １７の試料に比して５〜１６倍寿命が向上し、優れ
た耐摩耗性、耐久性が得られた。特に、面圧低減層をＳ
ｎあるいはＳｎ−Ｃｕ合金で形成したものは耐久性に優
れている。もっとも、面圧低減層を２０μm と厚く形成
した試料No. １６では、磨滅して剥離したＳｎ粉に起因
したスラッジが潤滑油内に明瞭に認められ、層厚を１０
μm に形成した試料No. １に比して耐久性の低下が認め
られた。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、鋼製母材の表面硬化層
に所定の軟質金属によって形成された面圧低減層を設け
るという実施容易な手段により、部材のコンパクト化に
伴って、今後ますます厳しくなる、転動を含む高面圧下
での摩耗環境において優れた耐摩耗性、耐久性を発揮し
うる鋼製部材を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態にかかる鋼製部材の要部
断面図である。

【図２】本発明の第２実施形態にかかる中間層を備えた
鋼製部材の要部断面図である。

【図３】実施例におけるローラピッチング試験要領を示
す説明図である。

【符号の説明】

１ 鋼製母材 ２ 表面硬化層 ３ 面圧低減層 ４ 中間層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岩崎 克浩 兵庫県神戸市灘区灘浜東町２番地 株式会 社神戸製鋼所神戸製鉄所内 (72)発明者 安部 聡 兵庫県神戸市灘区灘浜東町２番地 株式会 社神戸製鋼所神戸製鉄所内 (72)発明者 松島 義武 兵庫県神戸市灘区灘浜東町２番地 株式会 社神戸製鋼所神戸製鉄所内 Ｆターム(参考） 3J030 BC02 CA10 4K044 AA02 AB10 BA06 BA10 BB03 BB04 BC01 CA12 CA13 CA14 CA18

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 他の部材と共働して作動する鋼製部材で
   あって、 表面硬化層を有する鋼製母材と、 前記表面硬化層の表面硬度に対して硬度がＨｖ１５０以
   上低い軟質金属からなる面圧低減層とを備え、 前記面圧低減層は前記表面硬化層の上に形成され、鋼製
   部材が他の部材と共働して作動する際に局部的に生じた
   高面圧の下で塑性変形することにより面圧を低減する、
   高面圧低減機能を有する耐摩耗性に優れた鋼製部材。
2. 【請求項２】 他の部材と共働して作動する鋼製部材で
   あって、 表面硬化層を有する鋼製母材と、 前記表面硬化層の表面硬度に対して硬度がＨｖ１５０以
   上低い軟質金属からなる面圧低減層と、 前記表面硬化層および前記面圧低減層に対する密着性が
   良好な金属によって形成された中間層とを備え、 前記面圧低減層は前記表面硬化層の上に前記中間層を介
   して形成され、鋼製部材が他の部材と共働して作動する
   際に局部的に生じた高面圧の下で塑性変形することによ
   り面圧を低減する、高面圧低減機能を有する耐摩耗性に
   優れた鋼製部材。
3. 【請求項３】 面圧低減層はＳｎ、Ｓｎ：３０wt％以
   上，残部実質的にＣｕを本質的成分とするＳｎ−Ｃｕ合
   金、あるいはＳｎ：３０wt％以上，残部実質的にＮｉを
   本質的成分とするＳｎ−Ｎｉ合金によって形成された請
   求項１または２に記載した高面圧低減機能を有する耐摩
   耗性に優れた鋼製部材。
4. 【請求項４】 鋼製母材の表面硬化層は表面硬度がＨｖ
   ６００以上である請求項１、２または３に記載した高面
   圧低減機能を有する耐摩耗性に優れた鋼製部材。
5. 【請求項５】 表面硬化層を有する鋼製母材の最外層に
   請求項１に記載した面圧低減層を形成する鋼製部材の製
   造方法であって、 前記表面硬化層の上に直接に、あるいは前記表面硬化層
   および前記面圧低減層に対する密着性が良好な金属によ
   って形成された中間層を介して前記面圧低減層を形成す
   るに際し、前記面圧低減層あるいは前記中間層および前
   記面圧低減層を２５０℃以下で形成する高面圧低減機能
   を有する耐摩耗性に優れた鋼製部材の製造方法。