JP5363805B2 - その一方が焼付き防止性能を向上させる特定の鋼製である対の誘導要素 - Google Patents

Description

本発明は、誘導要素(guiding element)の範疇に分類される機械的部品に関する。これらの誘導要素(実際には対の誘導要素)は、固定されている誘導要素ができうる限りほとんど摩擦なしに相対的に移動しうるように、相互に接触しているが一方が他方に対して移動可能である２つの拮抗部品からなる。
これらの部品が接触している表面は、この相対的な移動及びそれらの環境のために機械的及び化学的ストレスを受け、その結果、それらは摩擦、腐食、または同時に両方により引き起こされる摩耗により多かれ少なかれ迅速に劣化する。これらの誘導要素は種々の運動学に対応するさまざまな形状を有しうるので、特に、軸/ベアリング系(軸/パッド系と呼ばれる場合もある)、ボール-継手、または滑り面を構成しうる。
更に正確には、本発明は、グリースで潤滑され、かつ接触表面が劣化する高い危険性がもたらされる、例えば高接触圧、または腐食性の雰囲気下、または同時に両方のような過酷な条件にさらされた誘導要素に関する。
本発明は、限定するわけではないが、好ましくは軸/ベアリング系または継手を形成する誘導要素に関する。 “軸”という用語は、継手のオス部分を意味する(一方、“ベアリング” は継手のメス部分である) 用語の一般的な意味で理解され、例えば、それはクランクピンまたはクランク軸またはカム軸のジャーナルでもよい。

１.誘導要素の設計
大まかに言えば、誘導要素、特に重量物の下で使用するように設計された軸/ベアリング系は、鋼製のオス部分及びブロンズ製(最も初期の設計の系)または鋼製(より近年の系)のメス部分から製造される。
ほとんどの場合、そのような誘導要素においては、炭素鋼または42CrMo4タイプ(フランスの標準による)の建設鋼が使用され、鋼によっては摩擦による摩耗に対する抵抗を増大させるために窒化されうる。多くの改良方法においては、誘導要素は、EP 0 987 456号明細書に教示されているように、更にポリマー塗膜層が塗布されグリースの作用に都合のよい形状にされうる。
これらの種々の改良を相互に組み合わせることは明らかに可能であり、その上公知である。

２.鋼の選択
機械部品を設計しなければならない場合には、当業者は材料、特に鋼の膨大な数の選択を有する。これらの鋼の組成は、国家、地域または国際標準により規定され、付加的な元素の種類及び濃度は想定される用途に必要とされる性質の関数として規定される。
したがって当業者は、改良された表面の性質に関心がある場合には、“表面焼入れ用の鋼” として知られている鋼及び“窒化用の鋼”として知られている鋼に一層関心を示すことになりうる。表面焼入れ用の鋼は、好ましくは０．４％未満の炭素を含み、この範囲内では０．２〜０．４％の範囲はいささか浸炭窒化向きであり、０．２％未満の含量が特に表面焼入れ向きである。窒化用の鋼は、好ましくは非合金の建設炭素鋼またはクロムモリブデンタイプの低合金鋼であり、最良の性能のものは更にアルミニウムを含む。これらの範疇の鋼を記載する文献は豊富である。例えば、″Pratique des traitements thermochimiques″ - Editions Techniques de l'Ingenieur″(このシリーズは定期的にアップデートされている)並びに種々の鋼の供給業者の技術的データシートを参照されたい。
したがって当業者は、選択した工程及び取得したい性質の関数として原理上鋼の最適の選択を可能にする指針にアクセスを有する。
情報のために、本明細書に以下のことを指摘する。

＊表面焼入れは、炭素の表面拡散による鋼の熱化学的処理であり、この表面拡散は硬い表面層を形成し、その厚さは１mmまたは２mmまでで、その硬度は７００乃至９００HVである。この処理は主として低炭素鋼に適用され、良好なコアの靭性を保持すると同時に高い表面硬度(耐摩耗性)を生ずる。この処理は、一般的には９００℃近い温度において数時間気体雰囲気中で実施される。表面焼入れ温度においては部品が変形するので、表面焼入れ後の急冷、その次の応力除去焼きなまし及び最後の最終機械加工が必要不可欠であることが暗示される。
＊窒化は、鋼の表面下において窒素を拡散させうる熱化学的処理である。窒化後、２種の非常に異なる領域が深さの関数として識別される。約２０μまでの表面においては、その硬度が１０００HVより大きい実質的にイオンの窒化物(εまたはγ'相)からなる層(この層は“結合層”または“白色層”と呼ばれる)であり、この層の下は、窒素が鋼に挿入される“拡散帯”と呼ばれる帯(場合によっては窒化物の沈殿が起こりうる)である。この層における窒素の浸透の分布は、鋼に添加される付加的な元素の種類及び窒化条件に依存する。この帯においては、鋼が圧縮応力を受ける。処理は気体雰囲気中または溶融塩浴中で実施されうる。温度は一般的には５７０℃であり、その結果、表面焼入れとは異なり、窒化は熱処理もその後の更なる機械処理も必要としない。窒化は、(前述の圧縮応力のおかげで)実際には、高い耐摩耗性が高い疲労抵抗とともに必要とされる用途においてなされる。

少なくとも１対の誘導要素内では、過酷な摩耗条件を受ける鋼の性能は、明らかに、表面焼入れまたは窒化により生じうる硬質層のみに由来するだけではなく、その他のパラメータ、特に組成が考慮されるべきであることが実際に明らかになった。したがって、所与のグレードの鋼に良好な潤滑性能を付与するのに窒化処理をすれば十分であるとは予め保証できない。同様に、現在では試験を受けずにその組成から鋼の潤滑性能を予言することはできない。したがって、現在では同様な合金の性能から新規合金のそれを予想することはできない。
本発明は１対の誘導要素、特に、その一方の要素が鋼で製造され、その特別な組成が窒化後に非常に良好な耐摩耗性を提供する軸-ベアリング系にある。

本出願人は、まったく偶然で予期せずに、正確な含量の付加的な元素に適合するある種の鋼で誘導要素(特に軸/ベアリング系)を製造し、それらを窒化することにより、非常に優れた性能、特に有効寿命及び耐久性が得られることを発見した。この発見の驚くべき特徴は、得られる性能の程度ばかりでなく、この性能が、これらの特別な鋼を窒化することにより得られる硬度が通常同様な組成の鋼で得られるそれを超えることを特徴とする性質ではなくて得られる事実にも関し、今のところ、この現象の説明は不明である。
実際に、窒化の効果は、通常、表面から測定した深さの関数としての鋼の微小硬度の発生を特徴とする。その結果、フランスでは“親子関係”と一般的に呼ばれる“硬度/表面からの距離”曲線がプロットされる。現在の技術水準では、一般的に、これらの親子関係及び誘導要素の耐摩耗性間に良好な相関関係が確立されている。現在、本発明の場合には、得られる親子関係は、先験的に等価であるが、観察された非常に良好な性能にならない組成を有する他の窒化鋼において得られるそれに完全に匹敵する。
更に正確には、本発明は誘導要素、特に、その組成が
−０．１５乃至０．３質量％の炭素
−２乃至５質量％のクロム、
−０．４５質量％以上のモリブデン
−０．０１質量％以上０．５質量％以下のバナジウム
である鋼で製造され、５乃至５０μの厚さの鉄及び窒素原子の結合層が得られるように成形後に窒化される軸-ベアリング系のベアリングまたは軸に関する。

したがって、本発明は、高荷重の用途に求められるものとは著しく異なり、結合層(または白色層)を保持することを提案する。実際に、本発明による誘導要素の高い焼き付き抵抗の起因と考えられるのは特にこの白色層である。
以下の場合が有利である。
・クロム含量は２乃至３質量％である。
・モリブデン含量は０．９質量％以下である。
・バナジウム含量は０．３質量％未満である。
必要不可欠ではないが、この鋼は０．４乃至１．５％のマンガンを更に含むと有利である。
アルミニウムは１％以上では有害であるらしく、それを回避する(０．１以下、あるいは０．０１％以下)ことが望ましいと思われ、同様にニッケルも有害な効果を有するらしく、除外されうる(０．１％以下、例えば、０．０１％)と思われ、硫黄、燐及びカルシウムも除外されうる(０．１％以下、例えば、０．０１％)と思われるけれども、その他の付加的な元素は外見上そのような性能を得るのに大きな役割を果たさないので重要ではないと思われる。
このことは、誘導要素が有利に製造される鋼が前述以外の添加剤元素を含まない理由である。

本発明の特に有利な用途の一においては、これらの窒化鋼は、特定の使用条件の関数として軸-ベアリング系の軸またはベアリングのいずれかに使用され、軸-ベアリング系の他方の要素は特定の組成の鋼、またはいずれかの他の匹敵する材料、例えば、前述のEP 0 987 456号明細書に教示されているような材料でもよい。
それにもかかわらず、本発明は、特に、滑り面、またはボール-継手、またはクランク軸系またはカム軸系のような多くのその他の対の誘導部材に適用される。
本発明に適合するためには、前述のように定義された鋼の誘導部材を窒化しなければならないが、窒化方法はこの場合には大きな影響を及ぼさないと考えられるので、この作業は溶融塩浴中、気相中、またはイオン方法により代替可能で実施されうる。同様に、窒化物層を覆う表面酸化物層の存在は性能に有意な影響を及ぼさないと思われる。窒化後に付着させた摩擦低下ワニスまたはいずれかのその他の表面塗膜、例えばポリマータイプのそれの存在も同様である(特に前述のEP 0 987 456号明細書を参照されたい)。

したがって、本発明の有利な特徴によれば、以下のことが併用して適用されうる。
・前記要素には新興ではない(non emergent)空洞が含まれる。
・前記要素は、ポリアミド、荷電ポリアミド、エポキシ樹脂、荷電エポキシ樹脂、ポリアセテート、ポリエチレン、フルオロカーボン、置換または未置換、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルスルホン、ポリアミド及びポリエーテルエーテルケトンから選択されるのが有利なポリマーまたはコポリマー材料の塗膜を有する。
・この要素は軸とともに機能するベアリングである。
・あるいは、この要素はベアリングとともに機能する軸である。
・この要素は軸がクランク軸またはカム軸である一対の部分である。
・これらの要素は、例えば、前記鋼で製造される要素が滑り面である滑材-滑り面系を形成する。
・これらの要素は、例えば、前記鋼で製造される要素がボール-継手であるボール-継手系を形成する。
・要素の各々が前記組成を有する鋼で製造される。

本発明に適合するまたは適合しない非限定実施態様
以下の非限定実施例は、現在の技術水準に適合する実施態様、本発明に適合する他の実施態様、及び最後に本発明に適合しない実施態様を明らかにする。それらは、本発明による特定の鋼の組成及び潤滑性能間の関係を明らかにし、他方、(通常定義されているような)窒化層の硬度及びその潤滑性能間に驚くべきことに明らかな関係が存在しないことを浮き彫りにした。
これらの実施例の各々においては、試験手順は、過酷な条件下で作業する(標準的な)グリースを注油した軸/ベアリング系の有効寿命の完全な代表であるように選択された。手順は、結果の比較ができるようにすべての実施例に関して同一である。鋼の種類の影響が比較できるように、すべての試料は溶融塩浴に９０分間浸漬する同一方法により窒化した。塩浴は完全に等温媒体であるため、気体媒体中で実施される他の技術よりむしろ、処理がすべての試料について完全に同一であることを保証して気体窒化オーブンの熱的同質性に関する不確実性を回避するこの技術を採用した。しかしながら、同一表面層を生成するいずれかの他の方法の使用は本発明の範囲内であることは明らかである。
種々のグレードの鋼における種々の窒化方法の比較に関する文献は更に非常に豊富であり、観察される冶金学上の差異は小さくて潤滑性能に有意な影響を及ぼさないことを示す。

通常の方法で、種々の窒化された鋼の比較を以下の２種の特性決定と関連させる。
−結合微小層の厚さ及びその硬度を測定し、測定された深さの関数としての硬度の分布をプロットする冶金学上の特性決定。
−ベアリングをシミュレートする窒化鋼のプレートに対して、軸をシミュレートする急冷した表面焼入れ鋼の環をこすることによる摩擦学上の特性決定。環及びプレート間に加えられる荷重は２５０daN(５７０MPaのHertz圧)であり、滑り速度は０．１８m/sであり、接触は、粘度が１０５センチストークの２グレードパラフィン鉱油とリチウム石鹸を基剤とするグリース(NLGI)のような標準的なグリースを用い、グリースで潤滑する。摩擦係数は時間の関数として記録され、試験は焼付きが起こる時間により特性決定される。試験の終了時に、摩耗分布を見るために顕微鏡写真を撮りうる。
更に正確には、急冷した表面焼入れ鋼の環の材料は、急冷した表面焼入れ16N6C鋼、焼入れ58乃至62 HRCとして選択され、ベアリングをシミュレートするプレートの窒化処理は、以下に定義され種々の実施例に適用した。
・市販の組成の溶融塩浴(“SURSULF(登録商標)”という商標名で市販されている)に浸漬、
・処理温度：５７０℃、
・処理時間：９０分、
・水で洗浄した後乾燥。

（実施例１）
現在の技術水準に適合する、本発明には適合しない(42CrMo4)
現在の技術水準に適合して、ベアリングをシミュレートするプレートは、０．４２％の炭素、１％のクロム、０．２％のモリブデン、０．０１％のバナジウム及び０．８３％のマンガンを含む鋼で製造され、前述の手順にしたがって窒化された。
結合層の微小硬度は１０００±７０kg/mm²であり、その厚さは２０±５μmである。この硬度は表面から５０μmで６００±５０kg/mm²以下であり、２００μmの深さでは急速に低下して実質的にコアの硬度である４２０±５０kg/mm²に達する。
摩擦試験では、試験の２５分後に焼付きに至り、試験後の部品の冶金学上の分析により、結合微小層は所々で摩耗し、微小層がないところでは直ちに焼付きが起こっていることが示された。

（実施例２）
本発明には適合しない(40CrAlMo6-12)
誘導要素をシミュレートするプレートは、０．４４％の炭素、１．６％のクロム、０．３２％のモリブデン、０．１２％のニッケル及び１％のアルミニウムを含む鋼で製造される。この鋼は、前述の手順にしたがって窒化される。
冶金学上の分析によれば、硬度１３００±１００kg/mm²、厚さ２０±５μmの結合微小層の存在が示される。硬度は、５０μmの深さではまだ８２０±５０kg/mm²であり、２００μmの深さではコアの硬度に匹敵する３３０±２０kg/mm²で安定する。硬度分布は、この鋼がそれに関して設計されたので期待される結果と一致する。
示された条件下で摩擦を受けると、試料は試験の１０分後に最初の焼付きの開始を示したが、全般的な焼付きは試験の６０分後に起こる。
摩擦試験後の部品の顕微鏡写真による試験によれば、微小層は所々で摩耗していることが示される。したがって、鋼がむき出しになっているこれらの領域は非常に焼付きに敏感である。
実施例１に記載されている場合と比較した場合のこのような性能のわずかな改良は予測可能であり、表面層の硬度がわずかに高いことに起因しうる。

（実施例３）
本発明に適合する(32CrMoV13)
誘導要素をシミュレートするプレートは、０．２７％の炭素、２．９％のクロム、０．８８％のモリブデン、０．２６％のバナジウム及び０．１２％のニッケルを含む鋼で製造される。それは、前述の手順にしたがって窒化される。
このプレートの冶金学的試験によれば、厚さが２０±５μmで、硬度が１１５０±１００kg/mm²の結合微小層の存在が示される。５０μmの深さでは硬度は７７０±５０kg/mm²であり、２００μmの深さでは実質的にコアの硬度に匹敵する３５０±２０kg/mm²で安定する。
摩擦試験では、試験の１４０分後に起こった焼付きの痕跡がもたらされ、摩擦領域の試験によれば、結合微小層が完全には摩耗せず、残存する厚さは５乃至８μmであることが示される。その外観は光っていて、焼付きの痕跡はないけれども、拮抗部分において起こった微小焼付きが試験の停止時に観察される。
この性能の改良は、微小層の最初の厚さにも、その硬度にも、また深さの関数としての硬度の発生にもまったく関連しない。というのは、測定の精度の範囲内ではこれらの大きさは、もっと悪い結果となる実施例２で測定されたそれと完全に一致するからである。

（実施例４）
本発明に適合する(15CrMnMoV9)
誘導要素をシミュレートするプレートは、０．１５％の炭素、１．２５％のマンガン、２．１４％のクロム、０．４７％のモリブデン、０．４８％のニッケル及び０．１７％のバナジウムを含む鋼からなる。それは、前述の手順にしたがって窒化される。
その冶金学的試験によれば、厚さが２０±４μmで、硬度が１１００±１００kg/mm²の結合微小層が表面に示される。５０μmの深さでは硬度は７８０±５０kg/mm²であり、２００μmの深さから３５０±２０kg/mm²の値で安定する。
摩擦試験では、試験の１５０分後に最初の焼付き痕跡を示し、解体後のプレートの試験によれば、結合微小層は完全に摩耗しているが、プレートは平坦で均質な外観を有し、微小の焼付きは拮抗部分においてのみ起こっていることが示される。

（実施例５）
本発明に適合する(18CrMo7)
誘導要素をシミュレートするプレートは、０．１８％の炭素、２％のクロム、０．５％のモリブデン、０．１５％のニッケル、０．７％のマンガン及び０．０１％のバナジウムを含む鋼で製造される。それは、前述の手順にしたがって窒化される。
冶金学的分析によれば、１１５０±１００kg/mm²の硬度及び１３±５μmの厚さの結合微小層の存在が示され、硬度は、結合層の下５０μmの深さではまだ７７０±５０kg/mm²であり、コアでは３００±５０kg/mm²で安定することが示される。
示された条件下で摩擦を受けると、試料は試験の２２５分後に全体に注目に値する焼付きの最初の開始を示す。

（実施例６〜８）
本発明に適合しない

これらの非限定実施例は、本発明に適合する窒化鋼で製造された部品で得られた結果の非常に驚くべき特徴を説明する。表面の硬度はこの現象に作用していないと思われる(最初の２つの適合しない鋼１及び２の硬度は３つの適合する鋼３乃至５のそれを、深部においても表面においても同様に一括して考えうる)が、誘導要素が、その組成が特許請求の範囲外である通常または“窒化”建設鋼で製造されている場合には、結合微小層の耐摩耗性は並であり、磨耗の結果としてのその局所的消滅は直ちに焼付きとなるのに対し、誘導要素が本発明に適合する鋼である場合には、等しい硬度における結合微小層がずっと迅速ではなく摩耗するばかりか、下にある拡散帯自体は、焼付かず、この現象は最終的に極限状態で拮抗部品に起こるので、驚くべき潤滑性能を有することに注目されたい。したがって、誘導要素の部品の有効寿命は、非常に有利な場合には２．５乃至５倍以上に延びる。
前述の実施例においては、白色層の硬度を増大することなく、また焼入れ硬化層の深さを有意に増大させることなく(例えば、WO-00/18 975号明細書のような文献において求められているそれに対して、典型的には５００μ未満)、公知の解と比較して抗焼付き特性が有意に改良されたことに注目されたい。
この現象の説明はまだ不明である。
前述のように、本発明は特に、そのベアリングが前述の定義に適合する鋼で製造され、いずれかの適合する材料、特にいずれかの手段により硬化された鋼のような、その硬度が55 HCRより大きい鋼である軸と組み合わされている軸-ベアリング系によく適合する。それは特に、表面焼入れ、急冷、改良された鋼、改良HF急冷した鋼、焼入れ、次いで硬質クロムを塗布した鋼、窒化鋼、セラミックを塗布した鋼及びその他の浸炭窒化鋼から選択される鋼でもよい。

あるいはそれは、前述の段落に記載した材料の一で製造されているベアリングと、前述の定義に適合する鋼で製造されうるような軸-ベアリング系の軸である。特にクランク軸またはカム軸系の場合には、前述の推薦された鋼はクランク軸またはカム軸のクランクピンまたはジャーナルに有利に使用される。
本発明は、前述のEP-0 987 456号明細書に記載されているもののような多くのその他の対の誘導要素に適合する。したがって、前述のような鋼は、特に滑り面-滑材対の滑り面または滑材、またはボール-継手系のボール-継手またはキャップを製造するのに使用されうる。
同一の対の２つの誘導要素が、例えば同一組成を有する鋼のような、前述の定義に適合する鋼で製造されてもよい。
同様に、表面の一は新興ではない空洞を含み、及び/または、特に、ポリイミド、荷電ポリイミド、エポキシ樹脂、荷電エポキシ樹脂、ポリアセテート樹脂、ポリエチレン、フルオロカーボン、置換または未置換の、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルスルホン、ポリアミド及びポリエーテルエーテルケトンから選択されるポリマーまたはコポリマー材料が塗布される(これは特定の鋼で製造された部分のことでもよい)のが有利である。

Claims (13)

1. 対の誘導要素であって、前記誘導要素の少なくとも一方が、０．１５乃至０．３質量％の炭素、２乃至５質量％のクロム、０．４５〜０．９質量％のモリブデン、０．０１質量％以上０．５質量％以下のバナジウム、０〜１．５質量％のマンガン及び０．４８質量％以下のニッケルを含み、残部が鉄及び不可避不純物からなる鋼で製造され、かつ前記鋼が、５乃至５０μmの厚さの鉄及び窒素原子が結合した層が得られるように成形後に窒化されることを特徴とする対の誘導要素。
2. クロムの含量が２乃至３質量％である請求項１記載の対の誘導要素。
3. バナジウムの含量が０．３質量％以下である請求項１又は２に記載の対の誘導要素。
4. ０．４質量％以上のマンガンを含む請求項１乃至３のいずれかに記載の対の誘導要素。
5. 前記少なくとも一方の誘導要素がポリマーまたはコポリマー材料の塗膜を有する請求項１乃至４のいずれかに記載の対の誘導要素。
6. 前記塗膜が、ポリイミド、荷電ポリイミド、エポキシ樹脂、荷電エポキシ樹脂、ポリアセテート樹脂、ポリエチレン、フルオロカーボン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルスルホン、ポリアミド及びポリエーテルエーテルケトンから選択される材料である請求項５記載の対の誘導要素。
7. 前記一方の誘導要素が軸とともに機能するベアリングである請求項１乃至６のいずれかに記載の対の誘導要素。
8. 前記一方の誘導要素がベアリングとともに機能する軸である請求項１乃至６のいずれかに記載の対の誘導要素。
9. 前記軸がクランク軸である請求項７または８記載の対の誘導要素。
10. 前記軸がカム軸である請求項７または８記載の対の誘導要素。
11. 対の誘導要素がボール-継手である請求項１乃至６のいずれかに記載の対の誘導要素。
12. 他方の誘導要素が鋼製である請求項１乃至１１のいずれかに記載の対の誘導要素。
13. 他方の誘導要素が前記組成及び５乃至５０μmの厚さの鉄及び窒素原子が結合した層を有する鋼で製造される請求項１乃至１２のいずれかに記載の対の誘導要素。