JP2012062539A - 低摩擦摺動部材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】Cr、W、V、Nb、Moのうち少なくとも1つ以上の炭化物生成元素の含有量が4.5重量%未満である炭素鋼もしくは低合金鋼を基材とし、上記基材の表面に、粒状あるいは群島状に析出した鉄炭化物とその間を埋めるように存在する遊離炭素とを含んでなる表面層を形成することにより、摩擦に対する耐性が高くなるうえ、それらの間を埋めるように存在する遊離炭素の固体潤滑効果により、優れた摺動特性を発揮する。
【選択図】なし
Description
この方法は、例えば、二硫化モリブデン、四フッ化エチレン樹脂、酸化スズ等の固体潤滑剤をバインダー樹脂に分散して塗布することが行なわれている(例えば下記の特許文献1)。
この方法は、摩擦係数の低い素材であるDLCをコーティングする方法が行なわれている。あるいは二硫化モリブデンをスパッタで皮膜生成させてコーティングする方法が考案されている。
この方法は、大別して2種類の方法がある。一つは電解浸硫処理であり、溶融塩の中で部品を陽極として電解処理し、硫化鉄FeSを表面に形成する。もう一つは浸硫窒化法で、塩浴、ガス、プラズマを使った方法が工業化されている。硫化物と窒化物の多孔質の化合物層を表面に形成し、窒素による拡散層を母材に形成する。化合物層の厚さは5〜15μmのものが利用されている。
リン酸マンガン皮膜は、他の化成皮膜に比べて硬く、皮膜全体が剥離することもないため、主に鉄製品の回転摺動をはじめとする耐摩耗性を要する製品に用いられている。この方法は化学処理であるため、複雑形状品でも均一な2〜15μm厚さの皮膜を形成させることができる。処理温度が低いため材質の変化が少ないという利点がある。
摺動性めっきとして、硬さを重視するものは耐摩耗性めっきと同様に硬質クロムめっき、無電解ニッケルめっきが利用されている。また、自己潤滑性を持たせるめっきとして、銅、ニッケル、銀めっきを基材とし、PTFE、グラファイト、二硫化モリブデン、窒化ホウ素等の固体潤滑剤を分散させたコンポジットめっきが行なわれている。また、摩擦を低減するためのめっきとして、銅鉛合金めっき、鉛めっき、はんだめっき等が行なわれている。また、かじり付を防止するめっきとして、銀めっき、カドミウムめっき、ニッケルめっき、錫めっき、鉛めっき、銅めっき等が行なわれている。
二硫化モリブデンや黒鉛等の固体潤滑剤をショット処理することにより、金属表面に固体潤滑皮膜を形成することが行なわれている。
上記基材の表面に、粒状あるいは群島状に析出した鉄炭化物と、その間を埋めるように存在する遊離炭素とを含んでなる表面層が形成されていることを要旨とする。
このため、表面には硬質の鉄炭化物が多量に粒状に析出し、この鉄炭化物と遊離炭素という新規な構成体の表面層は、摩耗に対する耐性が高くなるうえ、鉄炭化物の間を埋めるように存在する遊離炭素の固体潤滑効果により摩擦係数が著しく低くなる。この遊離炭素は鉄炭化物の分解によって生成するため基材と強固に結合している。また、炭素拡散浸透層が基材との間に形成されているので、自己潤滑性を付与する遊離炭素を含む表面層と基材の密着性はPVDやCVD等で形成された層よりも強固になる。さらに、摺動初期において固体潤滑剤である遊離炭素が相手材に移着し、基材側の固体潤滑性を有する表面層との摺動になるので摩擦係数が一段と低下し、耐摩耗性、なじみ性、耐焼付き性が大幅に向上する。このように、表面には硬質の鉄炭化物が粒状あるいは群島状に析出していることから、摩擦に対する耐性が高くなるうえ、それらの間を埋めるように存在する遊離炭素の固体潤滑効果により、優れた摺動特性を発揮する。
さらに、上記基材は、Cr、W、V、Nb、Mo、Mn、Tiのうち少なくとも1つ以上の炭化物生成元素の含有量が4.5重量%未満であるため、
炭化物生成元素が4.5重量%未満で炭化物の生成が少ない分、鉄炭化物が良好に形成され、上記表面層の耐久性が確保される。基材中の炭化物生成元素量が多くて炭化物が多く生成すると、鉄炭化物が十分形成されず、鉄炭化物中にそれ以外の炭化物が混在する構造となり、層の耐久性が低下すると考えられるからである。
炭素拡散浸透層は、基材中に炭素原子が侵入固溶しているため、基材を構成する鉄原子の格子に歪が生じ、転位のすべりを抑制して強度アップが図られる。また、炭素拡散浸透層の表面側に鉄炭化物を含んでいることから、炭素拡散浸透層は表面側においてより強度が高くなる。このため、硬質の基材が荷重を分担して密着性が良好になるとともに、表面層のせん断抵抗が小さくなって摩擦力が低減する。
上記硬化層が荷重を分担して密着性が良好になるとともに、表面層のせん断抵抗が小さくなって摩擦力が低減する。また、特に、窒化層では、クロムを含む基材中のクロムが窒化クロムを生成することにより消費されるため、結果的に基材表層部に固溶するクロムの量が少なくなるため、クロム炭化物の生成が少なくなる分、鉄炭化物が良好に形成され、上記表面層の耐久性が確保される。基材中のクロム量が多くてクロム炭化物が多く生成すると、鉄炭化物が十分形成されず、鉄炭化物中にクロム炭化物が混在する構造となり、層の耐久性が低下すると考えられるからである。
硬質の鉄炭化物が多量に粒状に析出した鉄炭化物と遊離炭素を含む表面層が効果的に現出し、粒状あるいは群島状に析出した硬質の鉄炭化物により摩擦に対する耐性が高くなり、それらの間を埋める遊離炭素の固体潤滑効果により、優れた摺動特性を発揮する。
(100−20X2)≧C≧(40−80X1)…(式A)
(60+80X1)≧F≧(0+20X2)…(式B)
ただし 0≦X1≦0.5、0≦X2≦5
C+F=100(ただし不可避的不純物及び合金元素を除く)…(式C)
上記表面層は、耐摩耗性、固体潤滑性ともに優れた性能を発揮する。
摩擦に対して十分に耐久性のある層になり、極めて長時間の処理が必要となることもなく、工業的に現実的である。
基材に固溶する炭化物生成元素量が少ないため、炭化物の生成が少ない分、鉄炭化物が良好に形成され、表面層の耐久性が確保される。すなわち、基材中の炭化物生成元素量が多くて炭化物が多く生成すると、そこに炭素が消費されて鉄炭化物が十分形成されず、鉄炭化物とそれ以外の炭化物が混在する構造となり、層の耐久性が低下すると考えられるからである。
図1(b)は第2例であり、基材の鉄鋼材料と、基材硬化層と、炭素拡散浸透層と、遊離炭素層(本発明の表面層としての炭素遊離層)とを備えている。上記基材硬化層は、基材の上記表面層の下に形成されたもので、例えば、調質、浸炭焼入れ、高周波焼入れ、析出硬化処理、時効硬化処理を行った硬化層を形成することができる。また、上記基板硬化層として、窒化による硬化層を形成することもできる。
CO(気体)+H2(気体)→H2O(気体)+C(固溶炭素)…(1)
3Fe(金属)+C(固溶炭素)→Fe3C…(2)
3Cr(金属)+C(固溶炭素)→Cr7C3またはCr23C6…(3)
Fe3C→3Fe(金属)+C(黒鉛)…(4)
FeXC→X/3Fe3C または XFe(金属)+C(黒鉛)…(5)
CO(気体)→CO(吸着)…(6)
CO(吸着)+Fe(金属)→3Fe(金属)+C(固溶炭素)…(7)
CO(吸着)+3Fe(金属)→Fe3C…(8)
3Fe(金属)+C(固溶炭素)→Fe3C…(9)
2CO(気体)→C+CO2(気体)…(10)
3Fe(金属)+4CO2(気体)→Fe3O4(酸化物)+4CO(気体)…(11)
(100−20X2)≧C≧(40−80X1)…(式A)
(60+80X1)≧F≧(0+20X2)…(式B)
ただし 0≦X1≦0.5、0≦X2≦5
C+F=100(ただし不可避的不純物及び合金元素を除く)…(式C)
C1=100−20X(0≦X≦5)
C2=40−80X(0≦X≦0.5)
また、Fe濃度(F)は、表面からの距離(μm)をXとしたとき、下記の関係式で表される直線F1とF2を含んでそれらに挟まれる領域である。
F1=60+80X(0≦X≦0.5)
F2=0+20X(0≦X≦5)
炭素濃度(C)はC1とC2の直線の間の範囲にあり、かつ、Fe濃度(F)はF1とF2の直線の間の範囲にあることが好ましい。なお、基材に含まれる元素(炭素、合金元素、不純物など)についてはこの式には含まれず、不可避的不純物および他の合金元素を除くとC+Fはおよそ100になる。
フッ化処理は、室温から昇温し、NF3ガスを濃度6%、残部94%N2の雰囲気で280℃、1時間保持して行ない、基材表面にフッ化膜を形成した。
炭素析出処理は、10%CO−90%H2組成の雰囲気ガスで、470℃、22時間、加熱して行った。
実施例2は、基材をSCM435(Cr:0.9〜1.2重量%)とした以外は、実施例1と同様にして得た本発明の自己潤滑性低摩擦摺動部材である。
実施例3は、基材としてSCM435を使用し、基材硬化処理として窒化処理下後、実施例1と同様のフッ化処理および炭素析出処理を行ったものである。窒化条件は、50%NH3−50%N2雰囲気で520℃×4時間とした。
比較例1は、基材としてSKD61を使用した以外は、実施例1と同様のフッ化処理および炭素析出処理を行ったものである。
比較例2は、基材としてSUS420J2を使用した以外は、実施例1と同様のフッ化処理および炭素析出処理を行ったものである。
比較例3は、基材としてSUS304を使用した以外は、実施例1と同様のフッ化処理および炭素析出処理を行ったものである。
比較例4は、基材としてSCM435の調質材にUBMS法でDLCを成膜した。
比較例5は、S45Cの未処理材である。
図4は、実施例1の自己潤滑性低摩擦摺動部材であり、(a)表層部の断面SEM像、(b)EDX測定した断面炭素濃度プロファイルである。この実施例では、約2μm厚さの表面層が観察され、基材にも炭素は約1μm深さまで拡散浸透している。
図8は、実施例2の断面をGDSで測定した炭素濃度とFe濃度のプロファイルを示す。表面炭素濃度は約80重量%に達し、深さ方向において減少している。一方Fe濃度は、表面で約10重量%であり、深さ方向において増加している。
摩擦摩耗試験を実施して評価を行った。摩擦摩耗試験には、ナノテック(株)のボールオンディスク試験機(CSM TRIBOMETER HT−800)を用いた。
ディスク材(φ50×10mm厚さ)として上記の実施例1、実施例2、実施例3、比較例1、比較例2、比較例4、比較例5に従って処理を行ったものを使用した。ボール材はSUJ2(φ6mm、HV780)またはアルミナ(φ6mm)を用いて行った。試験条件は、ディスク回転速度を線速度で15cm/秒、荷重を5N、摺動距離を1000mとし、いずれの試験も無潤滑の室温環境で実施した。ただし、比較例5については、摺動距離500mで試験を打ち切った。また、摩擦係数の測定の信頼性をより確かなものにするため、実施例1、実施例2および比較例4については、往復動摩擦摩耗試験機での測定も実施した。
図11は実施例1(S45C)の摩擦摩耗試験結果(相手材アルミナ)、
図12は実施例2(SCM435)の摩擦摩耗試験結果(相手材SUJ2)、
図13は実施例2(SCM435)の摩擦摩耗試験結果(相手材アルミナ)、
図14は実施例3(SCM435+窒化)の摩擦摩耗試験結果(相手材SUJ2)、
図15は比較例2(SCM435+窒化)の摩擦摩耗試験結果(相手材アルミナ)、
図16は比較例1(SKD61)の摩擦摩耗試験結果(相手材SUJ2/アルミナ)、
図17は比較例2(SUS420J2)の摩擦摩耗試験結果(相手材SUJ2/アルミナ)、
図18は比較例5(S45C未処理材)の摩擦摩耗試験結果(相手材SUJ2)、
図19は比較例5(S45C未処理材)の摩擦摩耗試験結果(相手材アルミナ)、
図20は比較例4(DLC)の摩擦摩耗試験結果(相手材SUJ2/アルミナ)である。
Claims (5)
- Cr、W、V、Nb、Mo、Mn、Tiのうち少なくとも1つ以上の炭化物生成元素の含有量が4.5重量%未満である鋼を基材とし、
上記基材の表面に、粒状あるいは群島状に析出した鉄炭化物と、その間を埋めるように存在する遊離炭素とを含んでなる表面層が形成されていることを特徴とする自己潤滑性低摩擦摺動部材。 - 上記表面層の下の基材に炭素拡散浸透層が形成され、炭素拡散浸透層の表面側に鉄炭化物を含んでいることを特徴とする自己潤滑性低摩擦摺動部材。
- 上記基材には、上記表面層の下に調質、窒化処理、浸炭焼入れ、高周波焼入れ、析出硬化処理、時効硬化処理を行った硬化層が形成されている請求項1または2記載の自己潤滑性低摩擦摺動部材。
- 上記表面層は、炭素濃度(重量%)をC、Fe濃度(重量%)をF、表面からの距離(μm)をX1、X2としたとき、CとFは、それぞれ下記の(式A)と(式B)の範囲内であり、かつ(式C)の関係を満たす請求項1〜3のいずれか一項に記載の自己潤滑性低摩擦摺動部材。
(100−20X2)≧C≧(40−80X1)…(式A)
(60+80X1)≧F≧(0+20X2)…(式B)
ただし 0≦X1≦0.5、0≦X2≦5
C+F=100(ただし不可避的不純物及び合金元素を除く)…(式C) - 上記表面層は摩擦係数が0.25以下である請求項1〜4のいずれか一項に記載の自己潤滑性低摩擦摺動部材。
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