JP6118144B2 - 耐摩耗性を有するチェーン用ピンの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、劣化オイルによる使用環境下でも耐摩耗性を向上させたチェーン用ピンの製造方法に関する。

サイレントチェーンやローラチェーンのような動力伝達用チェーン、およびプライマリドライブチェーンにおいては、多数のリンクがピンを介して無端状に連結されており、チェーンの運転時にはリンクがピンの回りを回転摺動することによってピンが摩耗する。そこで、従来よりピンの耐摩耗性を向上させるための種々の方法が提案されている。

たとえば、特開昭５６−４１３７０号公報に示すものでは、ピン素材にクロマイジング処理を施すことにより、ピン素材の表面にクロム炭化物からなる硬化層を形成している。また、特開平１０−１６９７２３号公報に示すものでは、ピン素材の表面にクロム、チタニウム、バナジウム、ニオビウムのうちの少なくとも一つの炭化物からなる硬化層を形成している。

このようにクロム炭化物（ＣｒＣ）層が形成されたピン（以下、クロマイジングピンという）と、ピン素材の表面にバナジウム炭化物（ＶＣ）層が形成されたピン（以下、ＶＣピンという）について、それぞれ耐摩耗試験を繰り返し行った結果、各ピンの耐摩耗性について以下のことが検証された。

クロマイジングピンの場合、高面圧が繰り返し作用する使用状態下では、クロム炭化物層の表面に剥離が起こり、剥離の進行とともにピンの摩耗も進行する。また、ＶＣピンの場合には、高面圧の作用下で、バナジウム炭化物層と母材（ピン素材）との間の境界面で剥離が起こって、硬化層であるバナジウム炭化物層全体が一度に剥離し、その結果、摩耗が急激に進行する。これらのことから、クロム炭化物は、母材との密着性（結合性）は良いが、面圧強度は低く、一方、バナジウム炭化物は、それ自体の表面からは剥離が起こりにくいため面圧強度は高いが、母材との密着性は低いということが検証された。

そこで、特開２００３−２６９５５０号公報に示すように、ピンの母材となる鋼の最表部に、バナジウム炭化物を主成分としかつ少量のクロム炭化物を含む炭化物層を形成するとともに、炭化物層と母材との間の境界領域に、バナジウム炭化物の含有率が急激に減少しかつクロム炭化物の含有率が急激に増加する境界層を形成するようにした技術も提案されている。

この場合には、面圧強度の高いバナジウム炭化物を主成分とする炭化物層が母材の最表部に形成されることにより、高面圧下でも炭化物層の表面剥離が生じにくくなっているため、ピンの耐摩耗性が向上している。しかも、この場合、母材およびバナジウム炭化物との結合性（密着性）が高いクロム炭化物を比較的多く含むクロムリッチ層が炭化物層と母材との間の境界層に形成されることにより、高面圧下でも炭化物層が母材から剥離しにくくなっているため、ピンの耐摩耗性が一層向上している。

上記特開２００３−２６９５５０号公報に記載された手法によれば、リンクがピンの回りを回転摺動することによって生じるピンの機械的な摩耗に対しては一定の効果が期待できる。

ところが、その後の実験によって、バナジウム炭化物中の炭素原子が、劣化オイルによる化学的侵食（chemical attack）によって酸化することが判明した。このため、オイルの長期間の使用時には、劣化オイルによりピンの摩耗（腐食摩耗）が促進される恐れがある。

本発明は、このような従来の実情に鑑みてなされたもので、本発明が解決しようとする課題は、劣化オイルによる使用環境下でも耐摩耗性を向上できるチェーン用ピンの製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本願発明に係る発明者は、高硬度でありかつ酸化に対するロバスト性（robustness）が高い炭化物として、タングステン炭化物（ＷＣ）に着目した。ＷＣ層は、ターボエンジンや直噴エンジン内での使用環境下で化学的侵食や煤による侵食（soot attack）に対してピン摩耗を低減させることが期待される。その一方、タングステン自体は、一般に、溶融点が高いため、鋼の表面に直接生成することは困難である。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、本発明に係るチェーン用ピンの製造方法は、ピンの母材となる鋼材をクロム、タングステン炭化物およびハロゲン化物の触媒とともに容器に入れ、当該容器内において７５０〜９５０℃の温度下で撹拌して鋼材に対して拡散浸透処理を行うことにより、鋼材の最表部にタングステン炭化物が散在したクロム炭化物層を形成するようにしている（請求項１参照）。

本発明によれば、タングステン炭化物が鋼材の最表部のクロム炭化物層中に生成されており、これにより、鋼表面の高硬度を維持できるとともに、クロム炭化物層中のタングステン炭化物によって、劣化オイルによる化学的侵食や煤による侵食に対して高いロバスト性を発揮でき、その結果、耐摩耗性を向上できる。

また、タングステン炭化物をクロム炭化物からなる炭化物層の中に散在させるようにしたことにより、鋼の表面に直接生成することが困難なタングステン炭化物をクロム炭化物をバインダ（結合材）としてクロム炭化物層内に取り込むことが可能になる。

この場合、拡散浸透処理の際の温度範囲の下限を７５０℃に設定したのは、これより低くなると、クロム炭化物（ＣｒＣ）層の生成が困難となるからであり、また温度範囲の上限を９５０℃に設定したのは、これより高くなると、タングステン炭化物（ＷＣ）層の生成が困難となることが実験的に確かめられたからである。

触媒としてのハロゲン化物は、好ましくは塩化鉄である（請求項２参照）。

炭化物層の厚みは、１０μｍ以上が好ましい（請求項３参照）。

以上のように、本発明によれば、ピンの母材となる鋼材の最表部にクロム炭化物からなる炭化物層を形成しかつ当該炭化物層中にタングステン炭化物を散在させるようにしたので、炭化物層中のタングステン炭化物により、鋼表面の高硬度を維持できるとともに、劣化オイルによる化学的侵食や煤による侵食に対して高いロバスト性を発揮でき、その結果、耐摩耗性を向上できる。また、本発明では、タングステン炭化物がクロム炭化物からなる炭化物層中に散在していることで、鋼の表面に直接生成することが困難なタングステン炭化物をクロム炭化物をバインダ（結合材）としてクロム炭化物層内に取り込むことができる。

本発明の一実施例によるピンを採用するサイレントチェーンの平面概略図である。 サイレントチェーン（図１）の正面概略図である。 ピン（図１）の製造装置である回転レトルトの縦断面図である。 回転レトルト（図３）の端部断面図である。 ピン（図１）の横断面の顕微鏡写真である。 サイレントチェーン（図１）の摩耗試験装置の概略構成を試験条件とともに示す図である。 摩耗試験装置（図６）による摩耗試験結果を従来品の結果とともに示すグラフである。 摩耗試験後（１００時間経過後）のリンクおよびピンの摩耗量を従来品の摩耗量とともに示すグラフである。

以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
図１ないし図８は、本発明の一実施例によるチェーン用ピンを説明するための図である。ここでは、サイレントチェーン用のピンを例にとって説明する。

図１および図２に示すように、サイレントチェーン１は、各々一対の歯部２１およびピン穴２２を有する多数のリンクプレート２を厚み方向（図１上下方向、図２紙面垂直方向）および長手方向（図１、図２左右方向）に積層するとともに、各ピン穴２２内に挿入した連結ピン３で各リンクプレート２を枢支可能にかつ無端状に連結することにより構成されている。リンクプレート２の最外側には、ガイドリンク４が配置されており、ガイドリンク４のピン穴４１内には、連結ピン３の端部が固定されている。なお、ここでは、ガイドリンクとして、その背面側にクロッチ部４２が形成されたいわゆる低剛性ガイドを例にとっている。

連結ピン３は、例えば、図３および図４に示すような製造装置を用いて製造される。これらの図において、炉１０の内部には、回転容器（回転レトルト）１１が回転自在に設けられている。回転レトルト１１の両端部には、それぞれ支軸１２が取り付けられており、各支軸１２は、炉１０の両側壁部１０Ａに形成された各開孔１０ａを挿通して延びている。各開孔１０ａには、それぞれブシュ１３が設けられており、回転レトルト１１の各支軸１２は、各ブシュ１３により回転自在に支持されるとともに密にシールされている。支軸１２は、図示しない駆動モータに駆動連結されている。また、回転レトルト１１の内部には、放射状の複数の突起１４が設けられている。

次に、上記製造装置を用いた連結ピン３の製造方法について説明する。
駆動モータにより回転レトルト１１を所定の速度で回転させる一方、炉１０を７５０〜９５０℃（好ましくは約８９０℃）の温度に加熱して維持する。このとき、回転レトルト１１内には、コーティングされるべき炭素鋼製の多数の連結ピン３および粒子混合物１５が導入されている。粒子混合物１５は、クロム（Ｃｒ）粉末およびタングステン炭化物（ＷＣ）粉末からなる浸透剤、ならびにハロゲン化物（ここでは塩化鉄ＦｅＣｌ_３）の触媒を含んでいる。運転時間としては３０時間程度が好ましいが、この運転時間は、ピン表面に形成すべき炭化物層の厚みに応じて調整される。

運転時に回転レトルト１１が回転すると、図４に示すように、回転レトルト１１内部の放射状の突起１４により、連結ピン３とともに粒子混合物１５が混合・撹拌され、その結果、連結ピン３の外周が粒子混合物１５に常時接触した状態におかれる。これにより、連結ピン３の母材となる鋼の表面に、タングステン炭化物（ＷＣ）粒子がクロム炭化物（ＣｒＣ）とともに浸透して、タングステン炭化物粒子がクロム炭化物（ＣｒＣ）層中に散在したクロム炭化物層（ＣｒＣ−ＷＣ層）が生成されることになる。

ここで、温度範囲の下限を７５０℃に設定したのは、これより低くなると、ＣｒＣ層の生成が困難となるからであり、また温度範囲の上限を９５０℃に設定したのは、これより高くなると、ＷＣ層の生成が困難となる（とくに１０００℃を超えた場合にはＷＣ層が生成されなくなる）ことが実験的に検証されたからである。

次に、上述のようにして製造された連結ピン３の横断面の顕微鏡写真を図５に示す。
図５に示すように、連結ピン３の母材の表面に厚み約１０μｍの硬化層が形成されている。硬化層中、グレーに見えている部分はクロム炭化物（ＣｒＣ）層であり、白く見えている部分はタングステン炭化物（ＷＣ）である。同図から分かるように、タングステン炭化物（ＷＣ）の粒子は、クロム炭化物（ＣｒＣ）層内に多数散在している。なお、硬化層の上に配置されている樹脂の層は、顕微鏡写真を撮影するための連結ピン３のカットサンプルを固定するためのものである。

次に、上述したサイレントチェーンを用いた摩耗試験方法について説明する。
摩耗試験は、図６にその概略構成を試験条件とともに示す摩耗試験装置によって行われた。同図に示すように、この試験装置は、離隔配置された駆動軸Ｄ１および従動軸Ｄ２にいずれも歯数２３枚のスプロケットＳ１、Ｓ２を取り付けて構成されており、これらのスプロケットＳ１、Ｓ２に試験用のサイレントチェーンＣが巻き掛けられている。

この摩耗試験装置の駆動軸Ｄ１の回転数は６５００ｒｐｍである。潤滑油の油温は１００℃で、油量は毎分１．０リッターである。また、潤滑油は、全塩基価（ＴＢＮ：Total Base Number）が１のものを採用した。ここで、全塩基価とは、一般に、オイルに含まれる酸や塩基の量を示し、オイルの酸中和能力と清浄度を示す基準として用いられている。長時間の使用により劣化したオイルの場合、オイルが酸性になって全塩基価が小さくなる傾向があるため、ＴＢＮ＝１の潤滑油を選択することで、劣化オイルによる運転状態を再現しようとしたのである。

上記摩耗試験装置を用いた摩耗試験結果を図７および図８に示す。
各図中、従来品ａとは、窒化処理された窒化ピンを用いたサイレントチェーンの例を示し、従来品ｂとは、バナジウム炭化物（ＶＣ）層がコーティングされたＶＣピンを用いたサイレントチェーンの例を示している。従来品ａのピンの表面硬度はＨｖ＝８００で硬化層厚みは４０μｍであり、従来品ｂのピンの表面硬度はＨｖ＝２５００で硬化層厚みは１５μｍであり、本発明品のピンの表面硬度はＨｖ＝１７００で硬化層厚みは１５μｍであった。また、図８は、運転時間が１００時間経過後の本発明品におけるリンクＬおよびピンＰ単体の摩耗量を従来品ｂにおけるリンクＬおよびピンＰ単体の摩耗量と対比して示している。

図７に示すように、運転時間が１０時間程度であれば、従来品ａ、ｂおよび本発明品ともにチェーン伸びにあまり差は出ないが、その後はこれらの間のチェーン伸びに徐々に差が生じている。とくに運転時間が５０時間を超えると、本発明品のチェーン伸びがほとんど増加していないのに対して、従来品ａ、ｂのチェーン伸びは時間の経過とともに増大している。

図８に示すように、運転時間が１００時間経過後において、リンクＬの摩耗量は、本発明品の方が従来品ｂよりも約２１％少なく、ピンＰの摩耗量は、本発明品が従来品ｂの約１／４であって、著しく低減していることが分かった。

このように本実施例によれば、連結ピン３の母材となる鋼の表面に、タングステン炭化物（ＷＣ）粒子がクロム炭化物（ＣｒＣ）層中に散在したクロム炭化物層（ＣｒＣ−ＷＣ層）を形成するようにしたので、劣化オイルによる使用環境下においてもピンの摩耗ひいてはチェーン全体の摩耗を低減できる。

前記実施例では、ピンの製造装置において、ピンおよび粒子混合物を導入する容器として、回転容器（回転レトルト）を用いた例を示したが、本発明の適用はこれに限定されない。ピンおよび粒子混合物を導入する容器としては、回転型ではなく、揺動型や撹拌型等であってもよい。

前記実施例では、本発明によるピンがサイレントチェーンに適用された例を示したが、本発明は、ローラチェーン用のピンにも同様に適用可能である。

本発明は、サイレントチェーンやローラチェーンのような動力伝達用チェーン、およびプライマリドライブチェーンにおいて、隣り合う各リンクを連結するためのピンに適している。

１： サイレントチェーン

３： 連結ピン

特開昭５６−４１３７０号公報（特許請求の範囲参照） 特開平１０−１６９７２３号公報（段落［００２２］参照） 特開２００３−２６９５５０号公報（図８、図９参照）

Claims (3)

1. 耐摩耗性を有するチェーン用ピンの製造方法であって、
   ピンの母材となる鋼材をクロム、タングステン炭化物およびハロゲン化物の触媒とともに容器に入れ、当該容器内において７５０〜９５０℃の温度下で撹拌して鋼材に対して拡散浸透処理を行うことにより、鋼材の最表部にタングステン炭化物が散在したクロム炭化物層を形成するようにした、
   ことを特徴とするチェーン用ピンの製造方法。
2. 請求項１において、
   前記ハロゲン化物が塩化鉄である、
   ことを特徴とするチェーン用ピンの製造方法。
3. 請求項１において、
   前記クロム炭化物層の厚みが１０μｍ以上である、
   ことを特徴とするチェーン用ピンの製造方法。

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