JP2006336056A - 耐摩耗性鋼製部品およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高面圧下においてチェーン用ピンの耐摩耗性を向上させる。
【解決手段】 母材となる炭素鋼又は合金鋼、例えばチェーン用ピンの母材となる鋼の最表部に、外側からＶｘＣを主成分とする層（但し，ｘは１〜２）とＶｙＣを主成分とする層（ｘ＞yで、ｙは１以下）からなる二重バナジウム炭化物層を形成する。この場合には、母材の最表部に形成される炭化物層がＶｘＣ（ｘは１〜２）とＶｙＣ（ｙ＜ｘで、ｙは１以下）の二重バナジウム炭化物を主成分としているので、炭化物層の表層から剥離が起こるのを防止できる。しかも、炭化物層と母材との間の境界層がクロムを比較的多く含んだクロム炭化物層を形成させると、当該境界層を介して炭化物層と母材との結合力が高くなっており、炭化物層が母材から剥離するのを防止できる。このようにして、高面圧下においてもピンの耐摩耗性を向上できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、チェーン用ピン等に有効な耐摩耗性鋼製部品およびその製造方法に関する。

サイレントチェーンやローラチェーン等の動力伝達用チェーンやプライマリドライブチェーンにおいては、チェーンの運転中にリンクがピンの回りを回転摺動することによってピンが摩耗する。そこで、従来よりピンの耐摩耗性を向上させるための種々の方法が提案されている。

たとえば、特開昭５６−４１３７０号公報に示すものでは、ピン素材にクロマイジング処理を施すことにより、ピン素材の表面にクロム炭化物層を形成している。

また、特開平１０−１６９７２３号公報に示すものでは、ピン素材の表面にクロム、チタニウム、バナジウム、ニオビウムのうちの少なくとも一つの炭化物層を形成している。
特開昭５６−４１３７０号公報 特開平１０−１６９７２３号公報

本件出願に係る発明者らは、ピン素材の表面にクロム炭化物（ＣｒＣ）層が形成されたピン（以下、クロマイジングピンという）と、ピン素材の表面にバナジウム炭化物（ＶＣ）層が形成されたピン（以下、ＶＣピンという）について、それぞれ耐摩耗試験を繰り返し行った結果、各ピンの耐摩耗性について以下のことが検証された。

クロマイジングピンの場合、高面圧が繰り返し作用する使用状態下では、クロム炭化物層の表面に剥離が起こり、剥離の進行とともにピンの摩耗も進行する。また、ＶＣピンの場合には、高面圧の作用下で、バナジウム炭化物層と母材（ピン素材）との間の境界面で剥離が起こり、すなわち、硬化層であるバナジウム炭化物層全体が一度に剥離し、その結果、摩耗が急激に進行する。これらのことから、クロム炭化物は、母材との密着性（結合性）は良いが面圧強度は低く、一方、バナジウム炭化物は、それ自体の表面からは剥離が起こりにくいため面圧強度は高いが、母材との密着性は低いということが検証された。

そこで、本発明は、このような検証結果に基づいて、更に、高面圧下において耐摩耗性を向上させることができる耐摩耗性鋼製部品を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意研究の結果、耐摩耗性鋼製部品の最表面にＶｘＣ（ｘ＝１〜２）層を形成する一方、内部にＶｙＣ（ｙ＝０．９以下）層を形成すると、バナジウム炭化物の母材との密着性は高まる一方、ＶｘＣ（ｘ＝１〜２）層により面圧強度も高まることを見出し、本発明を完成したもので、母材となる炭素鋼又は合金鋼の最表部に、外側からＶｘＣ層（但し，ｘは１〜２）とＶｙＣ層（ｘ＞yで、ｙは１以下）とからなる二重バナジウム炭化物層が形成されていることを特徴とする。

母材となる炭素鋼又は合金鋼との密着性を高めるためには、母材の最表部に、クロム浸透拡散処理によりマイジングＣｒＣを含有する内側拡散層とＣｒＣからなる外側形成層とを設け、該ＣｒＣ外側形成層上に外側からＶｘＣ層（但し，ｘは１〜２）とＶｙＣ層（ｘ＞yで、ｙは１以下）からなる二重バナジウム炭化物層が形成されるのが好ましい。通常、前記ＶｘＣ層（但し，ｘは１〜２）の厚みが１０μｍ以上で、前記ＶｙＣ層（ｘ＞yで、ｙは１以下）の厚みが５μｍ以上となり、前記ＶｘＣ層（但し，ｘは１〜２）の結晶粒径が１．５μｍ以上であり、硬さがＨｖ２０００以上であるのが好ましい。

本件発明は、母材となる炭素鋼又は合金鋼がＣ０．５〜１．２重量％を含むものに適用されるのが好ましい。

本発明に係る耐摩耗性鋼製部品は、Ｃ０．５〜１．２重量％を含む炭素鋼又は合金鋼からなる鋼製部品を用意し、該鋼製部品をフェロバナジウムを主成分とする浸透剤を用いて、ついで１０００〜１１００℃でバナジウム浸透拡散処理を行うことに製造することができるが、部品表面にＣｒＣ層を形成すべきときは、浸透剤に金属クロムを配合し、まず８００〜９００℃でクロム浸透拡散処理を行い、その後上記バナジウム浸透拡散処理を行うようにすればよい。また、バナジウム浸透拡散処理は１１００℃でも実施できるが、経済的理由等により１１００℃以下が好ましい。

本発明の効果を従来のＶＣ単層と比較すると、従来の場合、荷重のかかった摺動作用により摩耗粒子は大きくなり、また、噛み込み粒子がアグレッシブ粒子として被覆を摩耗させ易いが、本発明の場合、ＶｘＣ層はＶＣ層よりやや硬度が低く、相手材の攻撃性を低くする結果、アグレッシブ粒子を形成する割合も小さくなる。
特に、ＶＣ層がＣｒＣ層を介して形成されると、バナジウム炭化物の母材との密着性が一層高まるので、耐摩耗性を高めることができる。

以下、本発明の実施態様を添付図面に基づいて説明する。
チェーン用ピン（１．２〜０．５％Ｃ）を用い、表１に示すバナジウム含有粉末（例えば、フェロバナジウム）、クロム含有粉末（例えば、金属クロム）、焼結防止剤（例えば、アルミナ）および促進剤（例えば、塩化アンモニウム等のハロゲン化物）組成からなる浸透剤を充填した回転炉に投入し、表１に示す処理条件でバナジウムおよびクロムの拡散被覆処理を施した。結果を表２に示す。

表１

表２

図２は上記本発明の処理によるチェーン用ピンの組成を示すＥＰＭＡ分析結果（波長分散型Ｘ線マイクロアナライザによるＸ線分析法により元素分析された結果）を示すグラフである。図４は上記チェーン用ピンの断面ミクロ組織を示す顕微鏡写真である。

これらの図に示すように、チェーン用ピンの母材となる鋼の最表部には、バナジウム炭化物（ＶｘＣ及びＶＣ）を主成分としかつ少量のクロム炭化物（ＣｒＣ ) を含む炭化物層が形成されている。また、この炭化物層と母材との間の境界領域には、バナジウム炭化物の含有率が急激に減少するとともに、クロム炭化物の含有率が急激に増加している境界層が形成されている。そして、これら炭化物層および境界層により、母材表面に被覆層（硬化層）が形成されている。なお、境界層と母材との間にはＣｒＣが拡散した層が介在することになり、この結果、ＣｒＣを主成分とする境界層によりバナジウム炭化物層が母材表面に強固に密着することになる。

一方、従来法より処理されたクロマイジングおよびＶＣピンの元素分析結果を図１に示す。図３に示すように従来の処理法によるＶＣピンにおいては、ＶｙＣを主成分とするバナジウム炭化層の上部にほとんどＶｘＣを主成分とする層が形成されない。

これに対して、本実施態様では、本発明の処理法によれば、ＶｙＣバナジウム炭化物を主成分とする炭化物層の上にＶｘＣバナジウム炭化物を主成分とする炭化物が５μｍ以上、好ましくは１０μｍ以上形成される。

この結果、従来例と本実施態様によるピンの摩耗試験結果を比較したものを表３に示す。

表３

○：剥離せず ×：剥離

ここで用いた摩耗試験方法は、図５に示すとおり、試験片としてのピンＰを治具Ｊに固定した状態で、所定の回転数で回転するディスクＤを所定の加圧力ＦでピンＰに押圧することにより、硬化層の剥離の有無を調べた。このような摩耗試験の結果、表１に示すように、本実施態様によるピンは、１００ｋｇ／ｍｍ² および１５０ｋｇ／ｍｍ ²の高面圧下においても硬化層の剥離が生じていないが、従来法で処理したＶＣピンの場合には、１００ｋｇ／ｍｍ² において剥離が生じていることが分かる。これにより、本実施態様によるピンが耐摩耗性に優れていることが立証された。このような両者の差異は、以下のような点に起因していると考えられる。

すなわち、本実施態様においては（ｉ）面圧強度の高いＶｘＣバナジウム炭化物を主成分とする炭化物層がＶｙＣを主成分とするバナジウム炭化物層の上に十分に形成される結果、高面圧下でも炭化物層の表面剥離が生じにくくなっており、これにより、ピンの耐摩耗性が向上している。
（ii）さらに、母材およびバナジウム炭化物との密着性（結合性）が高いクロム炭化物を比較的多く含むクロムリッチ層とクロム炭化物層が拡散したクロム拡散層が炭化物層と母材との間の境界層に形成されることにより、高面圧下でも炭化物層が母材から剥離しにくくなっており、これにより、ピンの耐摩耗性が向上している。

これに対して、従来法のＶＣピンの場合には（ｉ）ＶｙＣバナジウム炭化物層が母材の最表部に形成されているものの、面圧強度の高いＶｘＣバナジウム炭化物層がほとんど形成されていない結果、面圧強度が本発明品ほど向上しない。
（ii）母材との密着性が高いクロム炭化物層の含有率がバナジウム炭化物層と母材との間の境界領域で急激に減少していることにより、高面圧下でバナジウム炭化物層が母材から剥離しやすい傾向にあり、その結果、ピンの耐摩耗性が減少している。

また、本実施態様においては、炭化物層の厚みは合計２０μｍ程度またはそれ以上、ＶｘＣの厚みは５μｍ以上、１０μｍ以上があるのが好ましく、境界層の厚みは数μｍ程度であるのが好ましい。これは、高面圧下でも炭化物層の下層の境界層が圧壊を起こさないようにするためには、二重バナジウム炭化物層の厚みは合計で２０μｍ以上、ＶｘＣ層は５μｍ以上、１０μｍ以上が必要であり、また炭化物層が母材から剥離しないためには、境界層の厚みとして数μｍもあれば十分だからである。

次に、本実施態様によるチェーン用ピンは、以下のようにして製造される。まず、第１の工程において、チェーン用ピンの母材となる鋼である、たとえば軸受鋼や機械構造用炭素鋼に対して、８００〜９００℃の温度下でクロム浸透処理を行うことにより、数μｍ程度の厚みの薄いクロム炭化物層を鋼の表面に形成させる。

その後、第２の工程において、１０００〜１１００℃の温度下で、クロムおよびバナジウム浸透処理を行うことにより、鋼の最表面に、すなわち第１の工程で形成されたクロム炭化物層の上に、最初ＶｙＣバナジウム炭化物およびクロム炭化物の混合層を形成させ，その後炭素の拡散が減少する。この混合層の形成時には、第１の工程で形成されたクロム炭化物層の内部に徐々にバナジウム炭化物層が浸透していくことになる。また、このクロムおよびバナジウム浸透処理は、第１の工程におけるクロム浸透処理よりも長時間にわたって実行される。これにより、クロムよりもバナジウムを多く含みかつクロム炭化物層よりも厚い炭化物層が鋼の表面に形成される。

また、第２の工程でのクロムおよびバナジウム浸透処理に先立って、第１の工程でクロムの浸透処理が行われているので、鋼の最表面に形成されたバナジウム炭化物およびクロム炭化物の混合層と鋼との間の境界領域には、クロム炭化物を比較的多量に含むクロムリッチ層が形成されることになる。

〔他の実施態様〕
前記実施態様では、ピンの母材となる鋼の最表部に、バナジウム炭化物およびクロム炭化物の混合層を形成した例を示したが、本発明の適用はこれには限定されない。クロム炭化物のかわりに、チタニウム炭化物、ニオビウム炭化物またはタングステン炭化物のうちのいずれか一つまたは二つ以上の炭化物を用いるようにしてもよい。

従来法の処理によるチェーン用ピンの組成を示すＥＰＭＡ分析結果（波長分散型Ｘ線マイクロアナライザによるＸ線分析法により元素分析された結果）を示すグラフである。 本発明方法の処理によるチェーン用ピンの組成を示すＥＰＭＡ分析結果（波長分散型Ｘ線マイクロアナライザによるＸ線分析法により元素分析された結果）を示すグラフである。 従来法の処理によるチェーン用ピンの断面ミクロ組織を示す顕微鏡写真である。 本発明方法の処理によるチェーン用ピンの断面ミクロ組織を示す顕微鏡写真である。 ピンの摩耗試験方法の説明図である。

Claims (6)

1. 母材となる炭素鋼又は合金鋼の最表部に、外側からＶｘＣ層（但し，ｘは１〜２）とＶｙＣ層（ｘ＞yで、ｙは１以下）とからなる二重バナジウム炭化物層が形成されていることを特徴とする耐摩耗性鋼製部品。
2. 母材となる炭素鋼又は合金鋼の最表部に、ＣｒＣを含有する内側拡散層とＣｒＣを主成分とする外側形成層とを備え、該ＣｒＣ外側形成層上に外側からＶｘＣを主成分とする層（但し，ｘは１〜２）とＶｙＣを主成分とする層（ｘ＞yで、ｙは１以下）からなる二重バナジウム炭化物層が形成されている請求項１記載の耐摩耗性鋼製部品。
3. 前記ＶｘＣ又はＶｘＣを主成分とする層（但し，ｘは１〜２）の厚みが１０μｍ以上で、前記ＶｙＣ又はＶｙＣを主成分とする層（ｘ＞yで、ｙは１以下）の厚みが５μｍ以上である請求項１又は２記載の耐摩耗性鋼製部品。
4. 前記ＶｘＣ層（但し，ｘは１〜２）の結晶粒径が１．５μｍ以上であり、硬さがＨｖ２０００以上である請求項１〜３のいずれかに記載の耐摩耗性鋼製部品。
5. 母材となる炭素鋼又は合金鋼がＣ０．５〜１．２重量％を含む請求項１〜４のいずれかに記載の耐摩耗性鋼製部品。
6. Ｃ０．５〜１．２重量％を含む炭素鋼又は合金鋼からなる鋼製部品を用意し、該鋼製部品をフェロバナジウム、金属クロム及び焼結防止剤を主成分とする浸透剤を用いて８００〜９００℃でクロム浸透拡散処理を行い、ついで１０００〜１１００℃でバナジウム浸透拡散処理を行うことを特徴とする耐摩耗性鋼製部品の製造方法。
   

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