JP2010163694A

JP2010163694A - 窒素含有Ｃｒ被膜およびこの被膜を有する機械部材

Info

Publication number: JP2010163694A
Application number: JP2010092143A
Authority: JP
Inventors: Masuo Hitomi; 満寿雄人見; Fumito Suzuki; 史人鈴木; Masahiro Umehara; 正博梅原; Hiroshi Yamagata; 博山形; Akira Nogami; 曜野上
Original assignee: Dowa Holdings Co Ltd
Current assignee: Dowa Holdings Co Ltd
Priority date: 1997-11-06
Filing date: 2010-04-13
Publication date: 2010-07-29

Abstract

【課題】従来の機械部材は耐摩耗性、耐焼き付き性及び耐腐蝕性に劣る欠点があった。
【解決手段】本発明の窒素含有Ｃｒ被膜においては、窒素を含有するＣｒ膜中に１００原子当たり５０〜９９のクロム原子及び５０〜１の窒素原子を含むＣｒ_X Ｎ_Y 結晶を点在せしめる。また、機械部材、特に自動２輪車、自動３輪車、自動４輪車等の摩擦摩耗部品の表面に被膜を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒素含有Ｃｒ被膜およびこの被膜を有する機械部材に関するものである。

金型をはじめとする多くの機械部材は過酷な条件下で使用されるが、これらの機械部材に求められる特性としては、耐摩耗性に優れること、耐食性に優れること、耐焼き付き性に優れることなどが挙げられる。

このような特性を付与するために、通常はこのような機械部材の母材であるＳＫＤ（工具鋼）などに様々な表面処理を施している。その一つに硬質クロムメッキがある。硬質クロムメッキは表面の硬度が平均Ｈｖ１０００〜１１００と高いものの、処理廃水に含まれる六価クロムが水質汚染の原因になっている。また、メッキ被膜と母材との密着性に問題があった。

また、ＰＶＤ処理方法によって機械部材の母材表面にＣｒ単層被膜を形成した場合、母材と被膜との密着性は優れているものの、膜の硬度がＨｖ５００〜６００と低いなどの問題点があった。

また、自動２輪車や自動４輪車等のエンジンおよび変速機に使用される摩擦摩耗部品などの機械部材には、高速回転体との摺動接触や打撃を繰り返し受けるために高靱性、高い表面硬度及び低摩擦係数等の特性が要求される。

これらの部品には、一般に低炭素鋼或いは中炭素鋼等が用いられ、上記特性を付与するために、浸炭、焼き入れ、窒化などの表面処理が施されているが、更に、硬質クロムメッキやニッケル−リンメッキ、ショットピーニング、各種金属の溶射などが行われ、耐摩耗性、耐焼き付き性、潤滑性の改善を図っている。

然しながら、昨今の軽量化やエンジン出力の増大化により、より過酷な環境下で使用されるようになり、上記のような表面処理では要求特性を満足し得なくなりつつある。また、以上の特性を満足するためにＰＶＤ法のうちイオンプレーティング法によるＴｉＮ膜やＣｒＮ膜が使用されつつあるが、この方法では処理温度が４００℃以上と高いために母材の硬度が低下し、満足な特性が得られないという問題があった。

上記のように従来の機械部材への表面処理方法やそれによって得られた表面被膜では、耐摩耗性や耐食性、耐焼き付き性、潤滑性などに問題があったため、部材自体の寿命が劣るという問題があった。

本発明はこのようなこれまでの被膜の問題点を解決すべくなされたものである。

本発明の窒素含有Ｃｒ被膜は、被処理部材の表面に形成された窒素を含有するＣｒ被膜であって、Ｃｒ被膜中に１００原子当たり５０〜９９のクロム原子及び５０〜１の窒素原子を含むＣｒ_X Ｎ_Y 結晶が点在することを特徴とする。

前記窒素含有Ｃｒ被膜の硬度Ｈｖは、１７００〜２０００であることを特徴とする。

前記窒素含有Ｃｒ被膜は、５〜１００μｍの厚さを有することを特徴とする。

本発明の機械部材は、Ｃｒ_X Ｎ_Y 結晶が点在する前記窒素含有Ｃｒ被膜をその表面に形成したことを特徴とする。

前記機械部材は、金型、粉末成形パンチ、ピアスパンチ、Ｃｕコイイングパンチ、自動２輪車または自動４輪車に使用される摩擦摩耗部品であることを特徴とする。

上記のように本発明の機械部材によれば、機械部材の寿命を大きく延ばすことができるのみならず、その離型性も向上し、資源の有効的活用と公害問題の軽減にも大きく貢献できる等大きな利益がある。

本発明の機械部材の表面処理装置の説明図である。ファビリー試験機の説明図である。

以下図面によって本発明の被膜およびこの被膜を有する機械部材の一例として金型について説明する。

図１は本発明の被膜を金型上に形成するためのスパッタリング装置の概略図を示し、１は円筒状または角形状の真空処理室、２はこの真空処理室１内を真空とするための真空ポンプ、３は上記真空処理室１内の中心部に配置した回転テーブル、４はこの回転テーブル３上に治具５を介して載置した被処理部材である金型、６はこの被処理金型４を取り囲むように配置した蒸発源としてのクロムターゲット、７はこのクロムターゲット６に夫々接続した直流のスパッタ電源、８は上記回転テーブル３に接続した直流のイオンボンバード及びバイアス電源、９は上記真空処理室１内にアルゴン及び窒素ガスを導入するためのガス導入パイプである。

本発明においては、スパッタリングプロセスの前に真空脱ガスを実施せしめる。

また、本発明においては真空処理室１内に窒素ガスとアルゴンガスをガス導入パイプ９を介して導入した後、被処理部材、例えば金型の表面にクロムをスパッタリングし、金型の表面に窒素を含有するＣｒ膜として１００原子当たり５０〜９９のクロム原子及び５０〜１の窒素原子を含むＣｒ_X Ｎ_Y 結晶が点在した膜を生成せしめる。上記スパッタリングに際しては、上記被膜の厚さを均一ならしめるため、且つ被処理部材の温度をその焼戻し温度以下に維持するため、ターゲットと被処理材料間の間隔を例えば７０ｍｍに保つのが好ましい。

本発明においては、上記スパッタリングプロセス前に必要に応じてイオンボンバード処理を行い、かつプロセス温度を３００℃未満とし、所定の被膜の厚みに応じて処理時間を定め、被膜の組織調整はプロセス中の圧力やバイアス電圧の変更によって行うようにする。なおプロセス温度が３００℃以上になると、母材自体の軟化が生じるので、本処理についてはなるべく低い温度が好ましいが、室温以下で行うことは密着性の確保が困難なので実用上得策でない。

なお、上記被膜の厚みは、最大１００μｍまでとするのが好ましい。

ＥＰＭＡによって表面の膜の化学組成を調べたところ、Ｃｒ７２，Ｎ２８及びＣｒ５２，Ｎ４８などの比を示した。膜の特性については、耐焼き付き性、耐摩耗性、摩擦係数、密着性などについて調査した。

（比較例）

比較例１，２としてはイオンプレーティングしたＴｉＮ膜および電解硬質クロムメッキの膜を用いた。

耐焼き付け性については、図２に示すようなファビリー試験機を用いて行った。即ち、直径約６．４ｍｍのＳＣＭ４１５に浸炭焼き入れ焼き戻し研磨仕上げしたテストピン１０に、それぞれ６μｍの本発明被膜を付け、ＳＣＭ４１５に浸炭焼き入れ焼き戻し表面研磨仕上げしたＶブロック１１を用い、締め付け加重を６００Ｋｇｆ一定として断続運転を行った。断続運転は２秒ＯＮ，１０秒ＯＦＦ、すべり速度０．１ｍ／ｓｅｃ，無潤滑の条件である。評価の方法は、膜が破壊するまでの断続回数を焼き付き性として評価した。

なお、１２はテストピン１０を例えば３００ｒｐｍで回転せしめる駆動機、１３は駆動機１２にテストピン１０を固定するためのシアーピンである。

また、摩耗特性としては、耐アグレッシブ特性を評価した。スガ式摩耗試験器（ＮＵＳ−ＩＳＯ−３型）を用いて、＃４００のダイヤモンド電着研磨布を用いて、往復運動摩耗試験を行った。母材はいずれもＳＵＳ４４０Ｃを鏡面仕上げしたものである。試験片の総荷重は９．８Ｎであり往復のストローク長さは６０ｍｍである。摩耗特性の評価はサンプルの摩耗量（×１０^-5ｇ／ｃｍ）として評価した。

表１にその結果を示す。

なお、表１において、例えば破壊までの回数３０＜とは３０回以上を示し、５＞とは５回以下を示す。

さらに、本発明被膜を有する部材の一例として、金型にスパッタリング処理を施した。

本発明におけるイオンボンバード処理は、Ａｒ雰囲気中で２×１０^-2ｔｏｒｒとして、１２５０Ｖ×０．０１ｍＡで約４０分行った。

また、スパッタリング処理は、雰囲気中のガス分圧をＡｒ：１．２×１０^-3ｔｏｒｒ，Ｎ２：０．２×１０^-3ｔｏｒｒ，バイアス電圧：−９０〜−１００Ｖとし、処理時間を約１００分とした。

本発明においては以上の条件で母材である工具鋼にスパッタリングターゲット処理を施した金型を作成した。

なお、上記の条件については、母材の材料、寸法や形状によって変更される。本実施例の場合は上記条件をはずれると、被膜の密着性や膜の特性が劣る。

この条件によって得られた膜は、硬度がＨｖ＝１７００〜２０００であり、得られた膜の厚さは１０μｍであった。

表２に従来の金型との使用上の比較例を示す。寿命については実際にパンチをした際に金型の離れが悪くなった際の成型品のショット数で本発明と従来金型の比較を行ったものである。

表２は、種々の材質の金型及びパンチの使用寿命を示す。

なお、表２において、例えば寿命倍率１０＜とは従来のものに比べ寿命が１０倍延びたことを示す。また、ＳＫＤ（ＨＱＴ）は、焼入・焼戻しのＳＫＤ材を示す。

以下本発明の被膜を自動２輪車及び自動４輪車等のエンジン及び変速機に使用される摩擦摩耗部品に適用した本発明の他の実施例を説明する。

比較例３，４，５としてはイオンプレーティングしたＴｉＮ膜とＣｒＮ膜及び電解硬質クロムメッキの膜を用いた。

摩擦係数及び耐焼き付き性については、図２に示すような、ファビリー試験機を用いて行った。即ち、直径６．４ｍｍのＳＣＭ４１５に浸炭焼き入れ、焼き戻し研磨仕上げしたテストピン１０に、夫々１０μｍの本発明被膜を着け、ＳＣＭ４１５に浸炭焼き入れ、焼き戻し表面研磨仕上げしたＶブロック１１を用い、締付け荷重を０から２５ｋｇ／秒で増加する試験を行った。試験は油中で実施し、このときの摩擦係数と耐焼付き荷重を評価した。表３にその結果を示す。

また、本発明被膜を摩擦摩耗部品である自動２輪車用シフトフォークに適用することを考慮して、摩擦摩耗試験を行ない、本発明品の摩耗量を比較例６〜９のそれと比較した。この時の被膜条件は、母材がＳＣＭ４１５の浸炭焼き入れ焼き戻し品を研磨ラップ仕上し表面粗さをＲａ０．２に調整し、この上に本発明被膜を５〜１０μｍ厚さで処理した。また、摩擦摩耗試験は実際の自動２輪車ではシフトフォークの相手方の材料（シフター）との摩擦摩耗を調べるのであるが、ここでは、摩擦摩耗試験としてプレイトオンディスク試験を行ない、シフターに相当する部分の表面処理は、機械加工し、浸炭し，ショットブラスト処理したものを用いた。

本発明で用いた摩擦摩耗試験では、シフターに相当するターンテーブルの上に、シフトフォークに相当する被処理品を所定の荷重で押圧した状態でターンテーブルのみを所定時間回転させた後、被処理品の摩耗量を測定し、この摩耗量を試験片の摩擦面の被膜の膜厚の減少量として評価する。

具体的には、被処理品：ＳＣＭ４１５の母材を浸炭焼き入れ焼き戻しした後に、研磨ラップ仕上げし、表面粗さをＲａ＝０．２に調整し、この上に本発明の方法によって得られる窒素含有被膜を５μｍ厚さでつけたものを試験品として用い、相手方のターンテーブルには、被処理品と接触する面の表面を機械加工仕上げの後、浸炭を行ない、ショットブラスト処理によって得られたものを用いた。なお、荷重負荷は８０Ｋｇｆ，すべり速度は１３ｍ／ｓｅｃ，時間は２０時間とした。

摩擦条件は、最大荷重８０ｋｇｆ、すべり速度最大１３ｍ／秒で２０時間の耐久試験を実施した。

試験後の評価は、摩擦面の摩耗量を膜厚の減少量として評価した。本評価結果を表４に示す。

表４中に比較例６として硬質クロムメッキ（膜厚３０μｍ）、比較例７としてイオンプレーティング製（以下ＩＰと略す）ＴｉＮ（膜厚５μｍ）、比較例８としてＩＰ製ＣｒＮ（膜厚６μｍ）及び比較例９としてＭｏ溶射（膜厚１００μｍ）品を用いた。

１真空処理室
２真空ポンプ
３回転テーブル
４被処理金型
５治具
６クロムターゲット
７スパッタ電源
８直流のバイアス電源
９ガス導入パイプ
１０テストピン
１１Ｖブロック
１２駆動機
１３シアーピン

Claims

被処理部材の表面に形成された窒素を含有するＣｒ被膜であって、Ｃｒ被膜中に１００原子当たり５０〜９９のクロム原子及び５０〜１の窒素原子を含むＣｒ_X Ｎ_Y 結晶が点在することを特徴とする窒素含有Ｃｒ被膜。
前記窒素含有Ｃｒ被膜の硬度Ｈｖが１７００〜２０００であることを特徴とする請求項１記載の窒素含有Ｃｒ被膜。
前記窒素含有Ｃｒ被膜が、５〜１００μｍの厚さを有することを特徴とする請求項１または２記載の窒素含有Ｃｒ被膜。
請求項１〜３のいずれかに記載のＣｒ_X Ｎ_Y 結晶が点在する前記窒素含有Ｃｒ被膜をその表面に形成したことを特徴とする機械部材。
前記機械部材が、金型、粉末成形パンチ、ピアスパンチ、Ｃｕコイイングパンチ、自動２輪車または自動４輪車に使用される摩擦摩耗部品であることを特徴とする請求項４記載の機械部材。