JP5110610B2 - 耐摩耗性チェーン - Google Patents

Description

本発明は、サイレントチェーン、ローラチェーン等の伝動用チェーンに係り、詳しくは上記チェーンにおけるピンとリンクプレート又はピンとブシュ等の互に相対回転する軸受部に、バナジウム炭化物を有する表面硬化層を形成した耐摩耗性チェーンに関する。

近時、伝動用チェーンは、例えばエンジンのタイミングチェーンのように、高温環境下において高い面圧力が繰返し作用する苛酷な状態で使用され、また排ガス規制の強化によるＥＧＲの多量化により、ディーゼルエンジンに限らず、ガソリンエンジンでもエンジンオイルへのすす混入が促進される等の苛酷な状態でされることが多く、このような場合でも高い耐久性が求められており、このためピン等の軸受となる部分にバナジウム炭化物（ＶＣ）からなる表面硬化層を形成したものが案出されている（特開２００４−３６０７５５号公報参照）。

上記ピン等の表面にバナジウム炭化物を皮膜処理するためには、一般に、回転レトルトによる粉末パック法が用いられる。該粉末パック法は、鋼からなるピン母材を、フェロバナジウム（ＦｅＶ）等のバナジウム含有粉末、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等の焼結防止材及び塩化アンモニウム（ＮＨ_４Ｃｌ）等の促進材と共に炉内に入れ、所定温度に保持することにより、ピン表面に所定膜厚のハナジウム炭化物が浸透被覆される。

これにより得られるバナジウム炭化物層は、膜厚６〜１５μｍであり、そのバナジウム炭化物の粒径が１〜３μｍ程度が一般的であるが、耐久性を向上するために前記炭化物層を厚くするには処理温度を高くする（例えば１０５０℃以上）必要がある。処理温度を高くすると、バナジウム炭化物層（ＶｘＣｙ、例えばＶ_８Ｃ_７）の該結晶粒度が粗大化し、該粒度の粗大化は、バナジウム炭化物層が母材（ピン素材）から剥離し易くなり、母材との密着性（結合性）の低下を招く。

一方、バナジウム炭化物の粒度の粗大化を抑制するために処理温度を低くすると、所望の膜厚を得ることができず、充分な摩耗寿命を得ることができない。また、処理温度を低くしたままで所望の膜厚を得るために処理時間を長くすることも考えられるが、単に処理時間を長くしても所望の膜厚を得られない場合もあり、また例え所望の膜厚が得られるとしても、経済性を著しく阻害する長時間処理となって、実用的ではない。

また、バナジウム等の金属炭化物からなる硬化層を表面に形成した耐摩耗性チェーンにおいて、上記硬化層中にＳｉ_３Ｎ_４粒子を分散することにより、エンジンルームにおいて極端に劣化した酸化度の高い潤滑油と共に使用しても、該潤滑油を中和することによりＰＨを回復させて、異常摩耗伸びを防止することが提案されている（特開２００５−２９９８００号公報参照）。

上述したように、ピン等のチェーンの軸受部に形成されるバナジウム炭化物層は、エンジンのタイミングチェーン等の苛酷な使用条件で充分な耐久性を確保するためには、所定以上の膜厚が必要であるが、該所望の膜厚を得るためには、高温で短時間処理することが効率的である。

しかし、従来のバナジウム拡散浸透処理によっては、高温処理すると、バナジウム炭化物皮膜の結晶粒が粗大化して、該皮膜の密着性等で製品品質を確保できない虞がある。

そこで、本発明は、効率的で生産性にも優れたものでありながら、厳しい使用状態においても、充分な耐久性を有する耐摩耗性チェーンを提供することを目的とするものである。

本発明は、バナジウム炭化物粒度を微細化すると共に、所望の膜厚を得るという、技術常識からみればいわば二律背反的な事象を同時に達成したものであり、本発明者らが、バナジウム拡散浸透処理において、バナジウム含有粉末及び焼結防止材、促進材の外に、第３の添加元素を種々研究し、特に添加元素としてケイ素（Ｓｉ）に注目し、その添加形態について鋭意研究を重ねた結果なされたものである。

本発明は、例えば１０５０℃程度の高温処理により、経済的で効率的なバナジウム拡散浸透処理を行うことができるものでありながら、ＶＣ粒度の微細化と共に所望の膜厚を得る事を可能とするものである。

本発明は、相対的に回動して軸受部を構成するピンとリンクプレート（例えばサイレントチェーン）又はピンとブシュ（例えばローラチェーン）の少なくともいずれか一方のチェーン構成要素が、鋼からなる母材の表面にバナジウム炭化物（例えばＶ_８Ｃ_７）を有する硬化層が形成されてなる、耐摩耗性チェーンにおいて、
前記硬化層は、前記バナジウム炭化物の結晶粒内にシリコン（Ｓｉ）を含有するアモルファス構造からなる第２相が存在してなり、かつ前記バナジウム炭化物の代表的な結晶粒径が１［μｍ］以下、望ましくは５００［ｎｍ］以下であることを特徴とする。

これにより、バナジウム炭化物を有する硬化層が、バナジウム炭化物の結晶粒内にアモルファス構造からなる第２相が分散して、上記バナジウム炭化物の結晶を１［μｍ］以下に微細化することができる。これにより、例えばエンジンのタイミングチェーンのように、厳しい使用状態においても、高い耐久性を有することができる。

具体的には、前記バナジウム炭化物は、バナジウムと炭素の外に、０．０５〜０．５［重量％］、望ましくは０．１５〜０．３［重量％］のシリコンを含有してなる。

これにより、バナジウム炭化物は、結晶粒内に０．０５〜０．５［重量％］の微量のシリコンを含有するだけで、該結晶の粒度を大幅に微細化することができる。

また、前記チェーン構成要素が、鋼からなる母材を、バナジウムを有する気体雰囲気中にて所定温度で拡散浸透処理することにより形成され、
かつ該拡散浸透処理に際して、シリコン含有微細化剤が添加されてなる。

これにより、バナジウム拡散浸透処理に際して、シリコン含有微細化剤を添加するだけの簡単な処理で、高温による生産性の高い効率的な処理により、所定膜厚でかつ微細化した結晶粒からなるバナジウム炭化物の単層を得ることができる。

走査型電子顕微鏡による硬化層部分の組織図（写真）であり、（Ａ）は従来のバナジウム炭化物層の組織図であり、（Ｂ）は本発明に係るバナジウム炭化物層の組織図である。 透過型電子顕微鏡によるバナジウム炭化物層のミクロ組織図（写真）である。 上記ミクロ組織図を更に拡大した拡大組織図である。 Ｘ線解析装置による解析成分を示す図で、（Ａ）はＶＣ粒内の第２相の成分を示し、（Ｂ）はＶＣ粒のベース部分の成分を示す。 極微電子回折像を示す図（写真）で、（Ａ）はＶＣ粒内の第２相を狙った回折像を示し、（Ｂ）はＶＣ粒ベース部分を狙った回折像を示す。 Ｘ線回折装置による本発明に係るピン表面を分析した試験結果を示す図である。 本発明に係るピンを用いたサイレントチェーンと従来のバナダイジングピンを用いたサイレントチェーンとを擬似劣化オイル中で運転させた状態の時間に対する伸び率を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。本発明に係るチェーンは、公知のローラチェーン又はサイレントチェーン等のあらゆる動力伝達用チェーンに適用され、特にタイミングチェーン等のエンジン内に用いられるチェーンに適用して好適である。

ローラチェーンは、２枚のピンリンクプレートの両端部をピンにて連結したピンリンクと、同じく２枚のローラリンクプレートの両端部をブシュにて連結したローラリンクとを、ピンをブシュ内に嵌挿して無端状に連結すると共に、ブシュにローラを遊嵌して構成される。また、サイレントチェーンは、両端にガイドリンクプレートを有する複数のリンクプレートからなるガイド列と、上記ガイドリンクプレートを有さず歯付きリンクプレートのみからなる関節列とを、上記ガイドリンクプレートに固定されたピンにて無端に連結して構成されている。

そして、チェーンの屈曲毎に、上記ローラチェーンにあっては、ピンとブシュとの間に摺接運動を生じ、またサイレントチェーンにあっては、ピンと関節列のリンクプレートのピン孔との間に摺接運動を生じ、上記ピンとブシュ、上記ピンと関節列のリンクプレートとが軸受部を構成する。また、伝動用チェーンには大きな引張力が作用しているので、上記摺接運動する軸受部には大きな面圧が作用する。本発明は、上記軸受部を構成するチェーン構成要素を対象とするものであり、具体的には、ローラチェーンにあってはピン及びブシュの少なくともいずれか一方、サイレントチェーンにあってはピン及び関節列リンクプレートの少なくともいずれか一方が対象となるが、本実施の形態にあっては、ピンを対象として説明している。

母材としてのピンは、高炭素鋼、又は浸炭処理した鋼、例えばＳ５０Ｃ（Ｃ；０．４７〜０．５３％、Ｓｉ；０．１５〜０．３５、Ｍｎ；０．６０〜０．９０％、Ｐ；０．３０％以下、Ｓ；０．３５％以下、不純物としてのＣｒ；０．２０％以下）の機械構造用炭素鋼鋼材等の鋼からなり、該鉄（Ｆｅ）を母材とするピン母材（素材）にバナジウム拡散浸透処理（ＶＣ拡散浸透処理）が行われる。該ＶＣ拡散浸透処理（バナダイジング）は、ピン母材と共に、浸透材原料としてのＦｅＶ（フェロバナジウム）と、焼結防止材としてのＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）と、促進材としてのＮＨ_４Ｃｌ（塩化アンモニウム）とからなる粉末を炉内に入れ、更に本発明に係る結晶質のシリコン含有微細化剤（例えばＳｉＯ_２粉末）を少量添加する。そして、上記炉内を９００℃〜１１００℃に昇温し、所定時間保持する。該ＶＣ拡散処理は、炉内において、ＮＨ_４Ｃｌ→ＮＨ_３＋ＨＣｌ（気体）となり、ＨＣｌ（気体）＋Ｖ（金属粉末）→ＶＣｌ（気体）＋Ｈ_２↑となり、該ＶＣｌ雰囲気中にあって、ピン母材中のＣが雰囲気中のＶと結合し、ＶｘＣｙ、例えばＶ_８Ｃ_７となり、ピン母材の表面に、該バナジウム炭化物（Ｖ）が浸透して被覆層を形成する。

この際、結晶質のＳｉを所定量含有する結晶のＳｉ含有微細化剤（例えばＳｉＯ_２）を少量添加することにより、上記ＶＣ拡散浸透処理の反応中に、上記Ｓｉ含有微細化剤が熱分解して、ＶＣ被膜の形成中に核として機能し、ＶＣ粒度の微細化が実現するものと推測される。また、上記ＶＣの結晶粒内にＳｉを含有する第２相が存在し、該第２相は、アモルファス構造からなり、Ｓｉが化合物化することなく、微細化した単層のＶＣ皮膜が得られる。

上記バナジウム拡散浸透処理は、所定高温、例えば１０５０℃により比較的短時間に行われ、効率的で実用的な生産性を得られ、ピンは、鋼からなる母材の表面に、バナジウム炭化物（Ｖ_８Ｃ_７）からなる硬化層が約１０〜２５［μｍ］の膜厚に形成されており、かつ代表的なＶＣ結晶の粒径が１［μｍ］以下、望ましくは５００［ｎｍ］以下の微細粒からなる。

図１は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による前記ピンの硬化層部分を示す図であって、（Ａ）は従来の硬化層を示し、（Ｂ）は本発明による硬化層を示す。１ａ，１ｂはＶＣ層を、２ａ，２ｂは母材を示すが、本発明によるＶＣ層１ｂは、従来のＶＣ層１ａに比して、層が厚くかつＶＣ粒度が微細化されている単層からなることが解かる。

図２は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による本発明に係るＶＣ結晶のミクロ組織（３００００倍撮影）を示す。該ミクロ組織を解析した結果、ＶＣ粒度は、１５０〜４００［ｎｍ］であることが確認され、かつＶＣ結晶内に数十［ｎｍ］の第２相（白い小さな点として見える）が存在することが解かった。図３は、上記ミクロ組織を更に拡大したもの（６０００００倍撮影）であるが、Ｂ部分がＶＣ結晶のベース部分、Ａ部分が上記ＶＣ粒内の第２相部分であり、上記ベース部分Ｂ及び第２相部分ＡをＸ線分析装置により成分分析した結果を図４に示す。

図４（Ａ）は、ＶＣ粒内の第２相（Ａ部分）の成分であり、Ｖ，Ｃの外、Ｓｉが存在することが確認され、図４（Ｂ）は、ＶＣ結晶のベース（Ｂ部分）の成分であり、Ｓｉが存在しない。なお、Ｃｕは解析サンプル固定治具に起因するものであり、その他の元素は不純物である。上記第２相Ｓｉは、０．２［重量％］程度であり、不純物でないことは明らかである。

更に、極微電子回折により回折した像を図５に示す。図５（Ａ）はＶＣ粒子内の第２相（Ａ部分）を狙った極微電子回折像であり、ハローパターンを呈しており、第２相が非晶質（アモルファス）相と想定される。図５（Ｂ）は、ＶＣ結晶のベース部分（Ｂ部分）を狙った極微電子回折像を示す。図６は上記第２相のＸ線回折装置（ＸＲＤ）による本発明に係るピン表面の試験結果であり、結晶構造であるＶＣ相（Ｖ_８Ｃ_７）のみが同定されており、Ｓｉが分析されない。これは、第２相が回折現象を示さないアモルファス構造であることに起因すると考えられる。

以上の分析結果、以下のことが確認された。
ｉ．本発明に係るピンの表面硬化層は、バナジウム炭化物（Ｖ_８Ｃ_７）の単層からなり、該ＶＣ結晶は、従来のものに比して大幅に微細化されている（ＶＣ粒度５００ｎｍ以下）。
ii．バナジウム炭化物（ＶＣ）の結晶粒内に微細な第２相が分散しており、該第２相は、シリコン（Ｓｉ）を含有するアモルファス構造からなる。

上記分析結果から以下のことが推測される。即ち、バナジウム拡散浸透処理に際し、結晶質のＳｉ含有微細化剤を微少量添加することにより、該Ｓｉ含有微細化剤が化学反応して、ＶＣ皮膜の形成に際して核として機能し、ＶＣ結晶粒子の大幅な微細化が達成される。

蓋し、バナジウム拡散浸透処理に際し、高純度Ｓｉ粉末やＦｅ−Ｓｉ（フェロシリコン）合金粉末を添加すると、ＶＣ反応と同時にシリコナイジング反応が併進し、ＶＣ粒度が微細化することなく、かえってボイド等の欠陥の多い皮膜となることが多い。また、Ｓｉ_３Ｎ_４やＳｉＣなどのセラミックス粉末を添加した場合には、ＶＣ粒度の微細化効果発現を確認することができない。

なお、結晶粒を微細化するメカニズムとして、結晶粒の粗大化抑制に効果的な物質を分散させて結晶粒界の移動を抑制するピンニング現象も考えられるが、上記ＴＥＭ解析の結果、結晶粒界にピンニング現象を発現し得る物質の存在が確認されない。従って、本発明に係るＶＣ粒度微細化のメカニズムは、上述した核密度向上に因るものと考えられる。

前述したバナジウム炭化物（ＶＣ）の代表的結晶粒径は、約５００［ｎｍ］以下であるが、従来のものと峻別し得、以下に述べる微細化による効果を達成し得る範囲として、代表的な結晶粒径が１［μｍ］以下であればよい。また、上記実施の形態によるピンは、分析した結果、Ｓｉの含有量は、０．２［重量％］であって、誤差等を考慮して０．１５〜０．３［重量％］の範囲であるが、０．０５［重量％］以下であると、不純物としての峻別が難しくなると共にＶＣ結晶の微細化効果の発現に不充分であり、かつ０．５［重量％］以上であると、シリコナイジング反応の併進等、ＶＣ結晶の核として微細化発現に支障をきたす虞がある。

図７は、本発明に係るピンを用いたサイレントチェーンと、従来のバナダイジングピンを用いたサイレントチェーンとを、擬似劣化オイル中で運転した時間に対する伸び率の変化を示す図である。なお、擬似劣化オイルとは、試験の再現性向上を目的として、異物などを含んだ市場劣化オイルを擬似させた人工オイルであり、特殊なカーボンブラックなどを調合して作製される。図７に示すように、本発明に係るサイレントチェーン（開発ＶＣ）は、従来のもの（従来ＶＣ）に比して約３５％耐久性を改善できることを確認できた。

バナジウム炭化物（ＶＣ）の結晶粒度の相違する複数（本発明に係るピンと、従来の２種のＶＣピンの合計３個）のピンを用いたサイレントチェーンを用いて摩耗伸び試験を行った結果、ＶＣ粒度が微細である程耐摩耗性能が向上し、最も微細である本発明に係るものが摩耗性能が一番優れていることが解った。チェーン摩耗伸びを分担するピンとリンクプレートのピン孔との摩耗量を分析した結果、ピンの摩耗量が同等であるが、プレートのピン孔の摩耗量に有意差がみられ、ＶＣ粒度が細かい程、プレートのピン孔摩耗量が低減することが判明した。これにより、ＶＣ粒度が微細である程、軸受部の相手攻撃性が低減されてチェーンの摩耗伸びが改善するものと考えられる。

なお、上述した実施の形態は、サイレントチェーンのピンに適用したが、これに限らず、軸受部の一方又は両方、具体的には、サイレントチェーンにあってはピン及び関節列のリンクプレートの一方又は両方、ローラチェーンにあってはピン及びブシュの一方又は両方、場合によってはローラにも適用し得る。

本発明は、サイレントチェーン又はローラチェーン、特にエンジン内のタイミングチェーンに用いられて好適である。相対回転する軸受部を構成するチェーン構成要素に適用され、具体的にサイレントチェーンにあってはピンとリンクプレート、ローラチェーンにあってはピンとブシュのいずれか一方又は両方に利用可能である。

Claims (3)

1. 相対的に回動して軸受部を構成するピンとリンクプレート又はピンとブシュの少なくともいずれか一方のチェーン構成要素が、鋼材からなる母材の表面にバナジウム炭化物を有する硬化層が形成されてなる、耐摩耗性チェーンにおいて、
   前記硬化層は、前記バナジウム炭化物の結晶粒内にシリコンを含有するアモルファス構造からなる第２相が存在してなり、かつ前記バナジウム炭化物の結晶粒径が１［μｍ］以下であることを特徴とする、
   耐摩耗性チェーン。
2. 前記バナジウム炭化物は、バナジウムと炭素の外に、０．０５〜０．５［重量％］のシリコンを含有してなる、
   請求項１記載の耐摩耗性チェーン。
3. 前記チェーン構成要素が、鋼からなる母材を、バナジウムを有する気体雰囲気中にて所定温度で拡散浸透処理することにより形成され、
   かつ該拡散浸透処理に際して、シリコン含有微細化剤が添加されてなる、
   請求項１又は２記載の耐摩耗性チェーン。