JP2007170581A

JP2007170581A - カーボンナノ材料を含有する低摩擦性の被覆層を有するネジ部材

Info

Publication number: JP2007170581A
Application number: JP2005371207A
Authority: JP
Inventors: Mitsumasa Otaka; 光正大高; Osamu Endo; 修遠藤
Original assignee: Usui Kokusai Sangyo Kaisha Ltd
Current assignee: Usui Kokusai Sangyo Kaisha Ltd
Priority date: 2005-12-24
Filing date: 2005-12-24
Publication date: 2007-07-05

Abstract

【課題】ネジ、ナット、ボルトを含むネジ部材において、その基材上にカーボンナノ材料と金属材料とからなる長期に安定して摩擦が小さく優れた摺動特性を発揮する被膜層を形成したネジ部材であって、高度の軸力管理と締付け時の汚染物質の発生防止が要求される高圧式高圧燃料噴射コモンレールシステムに適用される高品質、高性能のネジ部材を提供する。
【解決手段】ネジ、ナット、ボルトを含むネジ部材において、前記ネジ部材の基材表面にカーボンナノ材料を含有する摩擦が小さい被覆層を形成したことを特徴とするネジ部材。
【選択図】図３

Description

本発明は、ネジなどの基材表面に、カーボンナノ材料を含有する低摩擦係数の被覆層を有するネジ部材に関する。

更に詳しくは、本発明は、ネジ、ナット、ボルトを含むネジ部材において、少なくともその摺動面にカーボンナノ材料を含有する低摩擦で、摺動特性に優れる被覆層を形成したことを特徴とするネジ部材に関する。

ネジ、ナット、ボルトに類する固定部材・締付部材（以下、単にネジ部材あるいはネジ部品ということもある。）は、例えば、高度の軸力管理が要求される自動車に使用されるネジ部品において、そのゆるみ（緩み）は、ただちにリコールにつながりかねない重要な不具合を発生させるため、厳しいゆるみ止め性能が要求されている。

前記したネジ部品のゆるみを防止するために、ネジ部品は、例えば、その基材表面にメッキにより金属被膜を形成するとともに摩擦係数安定剤として揮発性溶剤に二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）パウダーを分散させた溶液などを塗布して製造されている。

しかしながら、前記のように揮発性溶剤に二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）パウダーを分散させた摩擦係数安定剤の溶液を塗布してネジ部材を製造した場合、これを、例えば、ますます高圧化され、かつ、高度の軸圧管理が要求されている自動車の燃料供給系の高圧燃料噴射管に適用させる場合、大きな問題を発生させる。
これは、例えば、塗布された溶液は特にネジ部材の谷部に多く溜まり易く、溶剤が揮発してネジ部材の谷部に形成された摩擦係数安定剤の溜り部が、ねじの固定時（締付時）にネジ部材の基材表面から脱落、剥離し、燃料噴射系に流入し、種々の不具合を発生させる。

より具体的には、高圧式高圧燃料噴射装置において、燃料噴射管に適用された袋ナットをコモンレールやインジェクターのシート面を有する雄ネジにねじ込むときなどに、ねじの谷部に溜まっていたコーティング材（摩擦係数安定剤）の溜り部が雄ネジの山部に削り取られるようにして谷部から剥離し、汚染物質（コンタミネーション）として燃料に混入しインジェクターのスプールやニードルなどを固着させたり、噴射ノズルを閉塞させたりして噴射時期や噴射量に狂いを生じさせ、出力低下、加速性の悪化、排気ガス中の環境破壊成分の増加、などといった問題を誘発させる危惧があった。
また、混入したＭｏＳ_２がシリンダー内で燃焼し、二酸化モリブデン（ＭｏＯ_２）として硬さの硬い白色パウダー状の異物となり、エンジン構成部品であるピストンやシリンダーあるいはバルブやバルブシステムなど、特に摺動面の磨耗の原因となる可能性もあった。

特に、昨今、燃費、排ガス規制などの観点から、従来の１２００〜１４００ｋｇ／ｃｍ^２、更には１８００ｋｇ／ｃｍ^２以上の超高圧に耐えるように設計されている高圧燃料噴射管においては、ネジ、ナット、ボルトに類する固定部材・締付部材は高度な内面清浄度が要求され、かつ、前記した超高圧に耐え得るに十分な締付け軸力が必要とされ、さらに、締付け時にこれらネジ部材の表面の欠落、剥落などによる汚染物質の発生防止が強く求められている。

高圧式高圧燃料噴射装置においては、燃料噴射管とコモンレールの締結のために各種のナットが使用される。この種のナットの締め付けトルクは、高圧時にシート面からの高圧燃料の漏れを発生させないだけの高いシール面圧を確保するために、高い軸力が得られることが必要である。しかしながら、締め付けトルクが大きくなると基材の弾性変形、時には塑性変形が発生する。このため、ナットの軸力は、前記した漏れを発生させないためのシールに必要な軸力以上であり、かつ、破壊軸力以下で安全率を含めて管理されなければならない。

前記したように、例えば１８００ｋｇ／ｃｍ^２以上（２５０Ｍｐａ以上）の超高圧に耐える高圧燃料噴射管においては、ネジ部材は必要な軸力を得るために、大きな締め付けトルクに耐え得る十分な強度をもつこと、締付け時にネジ部材表面層の剥離、破損などによる汚染物質の発生に基づくインジェクター系の汚染、燃焼不具合やエンジン構成部品の摺動面の磨耗を発生させないこと、が強く要求されている。

従来、所定の基材上に固体潤滑性能あるいは高耐摩耗性能（摩擦低減機能）に優れるカーボンナノ材料の被膜層を形成する技術は知られている。
例えば、溶射法が知られている。これは、基材上にカーボンナノ材料と金属、セラミック、樹脂から選ばれた少なくとも１種とを組合わせた複合粉末を電磁加速プラズマ溶射装置などを用いて溶射し、固体潤滑材とするものである（特許文献１参照）。
しかしながら、これは、ネジ、ナット、ボルトに類するネジ部材としての用途確立を意図したものではなく、特に、燃費や排気ガス規制などの観点からますますの高圧化が要求されている蓄圧式高圧燃料噴射用コモンレールシステムに適用される高品質、高性能のネジ径が１２ｍｍ〜１６ｍｍ程度の小径ネジ、特に袋ナットなどの内周のネジ面への被覆が必要なネジ部材、としての用途確立を意図したものではない。

また、樹脂や金属などの母材上にメッキ技術によりカーボンナノ材料を含むメッキ層を形成することも知られている（特許文献２〜３参照）。
しかしながら、これら提案は、カーボンナノ材料の熱伝導性、電気伝導性、機械的特性を利用した電子部品、微小歯車、熱伝導体などの用途に関係したり（特許文献２参照）、また、リレー、スイッチコネクタなどの電気接点材料において、その電気的特性を改善したり、半導体製造技術によって微細加工された微細形状を転写するための微細パターンの成形用金型において、その磨耗特性を改善したりするものである（特許文献３参照）。
前記したように、これら提案も、例えば、前記した燃費や排気ガス規制などの観点からますますの高圧化が要求されている蓄圧式燃料噴射用コモンレールシステムに適用される高品質、高性能のネジ部材としての用途確立を意図したものではない。

なお、カーボンナノ材料を用いて固体潤滑材とするものではないが、カーボンナノ材料とＮｉなどの炭化物を形成する金属との懸濁液を、基材上にエアブラシにより霧状に吹付け、真空中で加熱処理してカーボンナノチューブ膜を形成し、これを蛍光表示装置の電子放出源とするものも提案されている（特許文献４参照）。
特開２００５−０２９８７３特開２００４−１５６０７４特開２００４−２９３２２９特開２００３−０８１６１８

本発明は、ネジ、ナット、ボルトを含むネジ部材の製造分野において、従来技術にみられるネジ部材を構成する基材表面上に耐食性のメッキ層のみを形成したり、ＭｏＳ_２などの摩擦係数安定剤を塗布する方法に代わり、メッキ技術などによりネジ部材の基材表面に摩擦係数が小さく摺動特性に優れるカーボンナノ材料を含有する被覆層を形成した高性能、高品質のネジ部材を提供することを目的とするものである。

特に、本発明は、前記背景技術の項で説明したように、高度な軸力管理が要求されているネジ、ナット、ボルトに類する部材の製造に有用な、または、内面清浄度と超高圧に耐える蓄圧式高圧燃料噴射コモンレールシステムに適用される配管用のネジ、ナット、ボルトに類する部材の製造に有用な、基材表面にメッキ技術などによりカーボンナノ材料と金属材料とを含有する摩擦係数が小さく優れた摩擦特性と摺動特性の被覆層を形成した高性能、高品質のネジ部材を提供することを目的とするものである。

本発明を概説すれば、本発明は、ネジ、ナット、ボルトを含むネジ部材において、前記ネジ部材の基材表面にカーボンナノ材料を含有する低摩擦性の被覆層を形成したことを特徴とするネジ部材に関するものである。

本発明により、ネジ、ナット、ボルトを含むネジ部材の基材表面上にカーボンナノ材料またはカーボンナノ材料と金属材料を複合化させた被覆膜を形成することにより、摩擦係数が小さく摺動特性に優れる高品質、高機能のネジ摺動面を持ったネジ部材が提供される。
また、本発明のネジ部材は、長期に亘り摩擦係数が小さく摺動特性に優れているため、昨今、特に、燃費や排気ガス規制などの観点からますますの高圧化が要求されている蓄圧式高圧燃料噴射用コモンレールシステム用の配管ネジ部品に適用されたとき、高性能のコモンレールシステムを実現することができる。

即ち、本発明のネジ部材は、高度な軸力管理と締付け時のコンタミネーションの混入防止が強く要求されている超高圧に耐える蓄圧式高圧燃料噴射用コモンレールシステムに適用される配管用ネジ部材として有用なものである。

以下、本発明の技術的構成を詳しく説明する。

本発明のネジ、ナット、ボルトを含むネジ部材において、その中核となる技術、即ち、ネジ部材の基材表面上にカーボンナノ材料またはカーボンナノ材料と金属材料を複合化させてカーボンナノ材料を含有する摩擦係数が小さく摺動特性に優れる被覆層を形成する方法は、既知の被膜形成方法を採用すればよい。
前記したカーボンナノ材料を含有する被覆層の形成方法としては、メッキ法、溶着法、塗布と熱処理法の併用などを採用すればよい。
以下、メッキ法によるカーボンナノ材料を含有する被覆層の形成方法の概要を説明する。

図１は、本発明のメッキ技術による基材（Ｓ）表面上にカーボンナノ材料（１）と金属材料（２）が複合化した摩擦係数が小さく摺動特性に優れた複合メッキ被膜（３）を形成するための第１の形成方法（第１実施例）の模式図である。
図示されるように、カーボンナノ材料（１）と金属材料（２）は、電気メッキにより基材（Ｓ）上に電着される。
なお、本発明において、メッキ方法としては、前記した電気メッキに限定されずに常法による無電気（化学）メッキであってもよい。

図示されるように、所望の金属材料（Ｍ）からなる電極（＋）と所望の基材（Ｓ）からなる電極（−）のもとで、カーボンナノ材料（１）とイオン化金属（Ｍ^ｎ＋）（２）を含むメッキ液（Ｌ）に通電し、基材（Ｓ）上にカーボンナノ材料（１）と金属成分（Ｍ）を共に共沈・電着させ、カーボンナノ材料（１）と金属成分（Ｍ）を含有する複合メッキ被膜（３）を形成する。

本発明において、カーボンナノ材料としては、公知のものを使用することができる。例えば、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、あるいはこれらのカーボンナノ材料に所望の金属材料やフラーレンを内包させたもの、更にはカーボンナノ材料を化学修飾したりフッ素化したものなどを使用することができる。これらの形状は、単層、複層ナノチューブ、カーボンナノホーン等のいかなる形態であってもよい。

本発明において、メッキ用金属成分（Ｍ^ｎ＋）としては、所望のものを使用することができる。例えば、ネジ、ナット、ボルトの用途との関連において、基材金属の耐食性を向上させることは好ましく、このために、例えば、亜鉛、亜鉛／ニッケル、錫／亜鉛などの犠牲腐食性に優れた金属成分の単独または複数を組み合わせて使用することができる。
メッキ浴は、使用する金属成分によって、例えば、公知の亜鉛メッキ浴、亜鉛／ニッケルメッキ浴、錫／亜鉛メッキ浴などをカーボンナノ材料の均一分散という観点から浴調整して使用すればよい。

本発明において、カーボンナノ材料をメッキ浴に均一に分散させるためには、イオン界面活性剤（カチオン及び／又はアニオン）、非イオン界面活性剤、ポリアクリル酸などの分散剤を組合わせて使用することが好ましい。
また、均一分散のために、マイクロフルイダイザー、超音波分散などの混合・分散化手段を採用することが好ましい。

図２は、本発明のメッキ技術による基材（Ｓ）表面上にカーボンナノ材料（１）と金属材料（２）が複合化した摩擦係数の小さい摺動特性に優れた複合メッキ被覆層（３）の第２の形成方法（第２実施例）の模式図である。
図示されるように、本発明においては、耐食性向上のために予め基材（Ｓ）上に犠牲防食機能を持った他の金属メッキ層（４）を単層または複数層に形成した基材を用いて、これに前記のようにしてカーボンナノ材料（１）と金属材料（２）が複合化した摩擦係数の小さい摺動特性に優れた複合メッキ被覆層（３）を形成してもよい。

図３は、高度な軸力管理と内面清浄度が要求されているディーゼルエンジン用の超高圧に耐える蓄圧式高圧燃料噴射コモンレールシステムへの本発明のネジ部材の適用例を説明する図である。
本発明のカーボンナノ材料と金属材料からなる摩擦係数の小さい摺動特性に優れた複合メッキ被覆層を少なくとも雌ネジの表面に有する高圧燃料噴射管用ナット（５）は、燃料供給本管のコモンレール（７）から分岐した高圧燃料噴射管（６）に組込まれ、所望の軸力管理のもとでネジ止めされる。

図４〜図６は、高圧燃料噴射管用袋ナットにおいて、従来品と本発明品の相違を説明するための図である。

図４は、ディーゼルエンジンの高圧式高圧燃料噴射用コモンレールシステムの高圧燃料噴射管に適用される（締結）ナット（５）の模式的な断面図である。図示のものは、袋ナット構造のものである。
図において、５１はナット母材、５２はネジ溝部を示している。

図５は、従来の摩擦係数安定剤を塗布したナットを用いたときのネジ溝部（５２）の拡大図である。
図示の従来のナットは、ナット表面にＺｎメッキ層（８）、その上に二硫化モリブデンを含む摩擦係数安定剤層（９）を有するものである。この場合、図示されるように、摩擦係数安定剤液をディッピングによりコーティングしたときにネジの谷部に液溜りを生じ易く、これをそのまま加熱乾燥するとネジ溝部（５２）に摩擦係数安定剤の溜まり部（１０）が形成され、これがコモンレールやインジェクターへのネジ込み時に剥離し、異物混入の原因となる。そして、異物は高圧燃料噴射装置のインジェクターのスプールやニードルの摺動面に噛み込んだり或いは噴射ノズルのノズルホールに沈着、堆積し、重大な欠陥を発生、誘発することになる。
インジェクターは、燃料を燃焼室に噴出する装置であり、この噴射特性がエンジンの燃費、排気ガスの組成、騒音、振動並びに出力特性に大きな影響を与えるため、インジェクターノズルの異物による閉塞などは、これらに多大な悪影響をあたえる。

図６は、本発明のカーボンナノ材料と金属材料を含有する被覆層を有するナットを用いたときのネジ溝部（５２）の拡大図である。
図示されるように、カーボンナノ材料は摩擦係数が小さく摺動特性に優れているため、従来のように摩擦係数安定剤を塗布しなくても、摩擦係数が小さく、必要な軸力を低トルクで得ることができる。

本発明のメッキ技術などによるカーボンナノ材料と金属材料を含有する複合被膜または複層被膜を有するネジ、ナット、ボルトに類する固定部材・締付部材は、従来の摩擦係数安定剤を塗布したものと比較して、長期にわたり大幅に摩擦係数を低減させることができ、かつ、締付けトルクによるネジ部材表面の破損、剥離の問題を解消することができる。

また、昨今、ディーゼルエンジン用のコモンレール式燃料蓄圧噴射システムにおいては、燃費や排ガス規制などの観点から超高圧（１８００ｋｇ／ｃｍ^２以上、２５０Ｍｐａ以上）に耐え得る高圧燃料噴射管が要求され、かつ、それに適用することができるネジ部材が要求されているが、本発明により製造されるネジ部材は、従来の摩擦係数安定剤を必要とせず、従って、締付け時に発生する異物（ネジ部材表面の破損物、剥離物）のシステム内への混入による問題を解消することができるため、高圧燃料噴射管の品質向上に大きく貢献することができる。

本発明のカーボンナノ材料を含有する被覆層を有するネジ部材のメッキ法による第１製造例を説明する図である。本発明のカーボンナノ材料を含有する被覆層を有するネジ部材のメッキ法による第２製造例を説明する図である。本発明のカーボンナノ材料を含有する被覆層を有するネジ部材のディーゼルエンジンの蓄圧式高圧燃料噴射用コモンレールシステムへの適用例を説明する図である。ディーゼルエンジンの蓄圧式高圧燃料噴射用コモンレールシステムに適用される（締結）ナット（５）の断面図である。従来の摩擦係数安定剤を表面塗布したナットの蓄圧式高圧燃料噴射用コモンレールシステムへの適用時にみられる不具合発生を説明する図である。本発明のカーボンナノ材料と金属材料を含有する被覆層を有するナットの蓄圧式高圧燃料噴射用コモンレールシステムへの適用時にみられる優位性を説明する図である。

符号の説明

Ｍ・・・・金属材料
Ｓ・・・・基材
Ｌ・・・・メッキ液
１・・・・カーボンナノ材料
２・・・・イオン化金属成分
３・・・・複合メッキ被覆層
４・・・・メッキ層
５・・・・高圧燃料噴射管用ナット
５１・・・ナット母材
５２・・・ネジ溝部
６・・・・高圧燃料噴射管
７・・・・ディーゼルエンジン用コモンレール
８・・・・Ｚｎメッキ層
９・・・・摩擦係数安定剤層
１０・・・摩擦係数安定剤の溜まり部
１１・・・カーボンナノ材料と金属材料を含有する被覆層

Claims

ネジ、ナット、ボルトを含むネジ部材において、前記ネジ部材の基材表面にカーボンナノ材料を含有する低摩擦性の被覆層を形成したことを特徴とするネジ部材。
カーボンナノ材料を含有する低摩擦性の被覆層が、カーボンナノ材料と金属とから成る複合被覆層である請求項１に記載のネジ部材。
カーボンナノ材料を含有する低摩擦性の被覆層が、基材表面に金属メッキ層を形成するとともに、前記金属メッキ層の上にカーボンナノ材料含有層を形成した複層被覆層である請求項１に記載のネジ部材。
金属メッキ層が、基材に対して犠牲腐食機能に優れた金属成分で構成されたものである請求項３に記載のネジ部材。
カーボンナノ材料含有層が、カーボンナノ材料の単独層または金属との複合層で構成されたものである請求項３に記載のネジ部材。
カーボンナノ材料が、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、これらの化学変性物またはフッ素化物、または、これらに金属またはフラーレンを内包させたもの、から成る群から選ばれた少なくとも１種のものである請求項１に記載のネジ部材。
ネジ部材が、高度の軸力管理と固定（締結）時にネジ部材の基材表面からの破損・剥離破片の発生防止が要求されるネジ固定部に適用されるものである請求項１に記載のネジ部材。
ネジ部材が、高度の軸力管理と固定（締結）時にネジ部材の基材表面からの破損・剥離破片の発生防止が要求される蓄圧式高圧燃料噴射用コモンレールシステムに適用されるものである請求項１に記載のネジ部材。
ネジ部材が、高度の軸力管理と固定（締結）時にネジ部材の基材表面からの破損・剥離破片の発生防止が要求される蓄圧式高圧燃料噴射用コモンレールシステムに適用され、かつ、摩擦係数安定剤及び／又は固体潤滑剤を使用せずに適用されるものである請求項１に記載のネジ部材。