JP7516331B2

JP7516331B2 - 耐摩耗部材

Info

Publication number: JP7516331B2
Application number: JP2021153438A
Authority: JP
Inventors: 聡人行徳; 裕子笹栗
Original assignee: Noritake Co Ltd
Current assignee: Noritake Co Ltd
Priority date: 2021-09-21
Filing date: 2021-09-21
Publication date: 2024-07-16
Anticipated expiration: 2041-09-21
Also published as: JP2023045178A

Description

本発明は、耐摩耗部材に関する。

センタレスブレードなどの耐摩耗工具は、他の部材と接触する部分に耐摩耗性が要求される。従来、耐摩耗性を付与するために、超硬や多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）焼結体が用いられている。

例えば、特許文献１には、耐摩耗性、靭性及び耐食性に優れる合金として、特定の比率のＣ（炭素）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｍｎ（マンガン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｖ（バナジウム）、Ｃｒ（クロム）およびＦｅ（鉄）からなる合金が開示されている。

特開平１１－６１３５３号公報

超硬や多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）焼結体は、大面積のものを製造しにくいという問題があった。大面積とするためには複数のチップを貼りつける必要があり、製造が複雑で多数の工程が必要であったり、品質にむらが生じやすいなどの問題があった。また、通常、超硬やＰＣＤ焼結体は、ろう付けにて、台金（部材）の耐摩耗性が要求される部分に接合される。しかしながら、ろう付けの際に熱が加わることで、台金に歪が生じ精度が悪化するため、ろう付け後に多大な手直しが必要で、製造コストが高くなる問題があった。そこで、本発明の目的は、大面積にも適用でき、耐摩耗性に優れ、長寿命かつ安価な耐摩耗部材を提供することである。

本発明の耐摩耗部材は、台金と、前記台金上に形成され、他の部材と摩擦する平坦な摩擦接触面を有する耐摩耗層と、を有し、前記耐摩耗層は、前記台金上に１層に配列したダイヤモンド粒がニッケルめっきによって固着された表面層の上部が、平坦に切り取られることによって形成され、前記ダイヤモンド粒が、平均粒径が４０μｍ以上１０００μｍ以下であり、かつ、六・八面体または切頭八面体の形状であり、前記耐摩耗層の摩擦接触面における、平坦に上部が切り取られたダイヤモンド粒の露出面の割合が３０面積％以上であることを特徴とする。

このような構成とすることで、耐摩耗性が優れるものとなり、寿命も向上する。また、摩擦接触面は平坦なため、摺動性にも優れる。

なお、摩擦接触面における、平坦に上部が切り取られたダイヤモンド粒の露出面の割合は、摩擦接触面のレーザー顕微鏡画像を画像解析ソフトにて２値化処理した画像から算出することができる。摩擦接触面におけるダイヤモンド粒の露出面とニッケルめっきの露出面とでは色調が異なるため、この色調の違いから、平坦に上部が切り取られたダイヤモンド粒の露出面を判断することができる。

表面層を構成する各ダイヤモンド粒の粒径は、画像測定機の観察画像から算出されるダイヤモンド粒に外接する四角形の長辺と短辺の平均値である。ダイヤモンド粒の平均粒径は、同方法により算出した３００個のダイヤモンド粒の粒径の平均値である。

前記耐摩耗層は、振動を与えながら前記台金上に前記ダイヤモンド粒を充填し、前記ニッケルめっきによって前記ダイヤモンド粒を固着し前記表面層を形成し、さらに、平坦に研削することで形成したものであることが好ましい。このような構成であれば、ろう付けで形成されたものと異なり、熱を加えないため台金に歪が発生せず精度が悪化しない。そのため、形状修正の工程が不要で、製造コストも安くできる。

本発明によれば、耐摩耗性に優れ、長寿命かつ安価な耐摩耗部材が提供される。また、本発明の耐摩耗部材は、大面積にも適用することができる。

（ａ）は、本発明の実施形態である耐摩耗部材を示す一部省略断面図である。（ｂ）は、本発明の実施形態である耐摩耗部材を示す一部省略平面図である。本発明の実施形態である耐摩耗部材の形成方法を説明するための図である。（ａ）は研削前の図であり、（ｂ）は研削後の図である。

以下に本発明の実施の形態を詳細に説明するが、以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施態様の一例（代表例）であり、本発明はその要旨を変更しない限り、以下の内容に限定されない。

＜耐摩耗部材＞
図１に示す耐摩耗部材１００は、台金１０と、台金１０上に形成され、他の部材と摩擦する平坦な摩擦接触面３０を有する耐摩耗層２０と、を有する。図２に示すように、耐摩耗層２０は、台金１０上に１層に配列したダイヤモンド粒２２ｂがニッケルめっき２４によって固着された表面層２０ｂの上部が、平坦（台金１０の表面に平行）に切り取られることによって形成された層であり、平坦に上部が切り取られたダイヤモンド粒２２が１層に配列し固着されている。

（台金１０）
台金１０の材質や形状は、耐摩耗部材の種類等に応じて選択されるものであり、特に限定されない。例えば、台金１０の材質としては、鋼、アルミニウム、銅、超硬合金、モリブデン、モリブデン合金、サーメット、チタンなどの金属、セラミックス、プラスチック等が挙げられる。台金１０の形状は、方形状、円柱状、円板状、球状、各種部材の形状など任意である。

（耐摩耗層２０）
耐摩耗層２０は、ニッケルめっき２４と、１層に配列しニッケルめっき２４によって固着されたダイヤモンド粒２２を含む。耐摩耗層２０において、平坦に上部が切り取られたダイヤモンド粒２２は１層に配列しており、耐摩耗層２０の厚み方向に配置されるダイヤモンド粒２２は１つである。

図１（ｂ）に示すように、耐摩耗層２０の表面は、平坦な摩擦接触面３０であり、摩擦接触面３０は他の部材と摩擦する部分である。摩擦接触面３０は、ニッケルめっき２４の露出面３４とダイヤモンド粒２２の露出面３２を有する。摩擦接触面３０におけるダイヤモンド粒２２の露出面３２の割合は、３０面積％以上である。摩擦接触面３０におけるダイヤモンド粒２２の露出面３２の割合が３０面積％より少ない場合、他の部材との摩擦によって摩耗しやすく、耐摩耗性が不十分である。耐摩耗性を更に向上させるために、摩擦接触面３０におけるダイヤモンド粒２２の露出面３２の割合は、好ましくは４０面積％以上であり、より好ましくは５０面積％以上であり、更に好ましくは６０面積％以上である。

なお、摩擦接触面３０は、ダイヤモンド粒２２の露出面３２からなってもよく、摩擦接触面３０におけるダイヤモンド粒２２の露出面３２の割合の上限は、１００面積％である。一方で、ダイヤモンド粒２２の露出面３２からなる摩擦接触面３０とするためには、ダイヤモンド粒２２ｂの均一性が厳しく求められたり、製造コストのかかるものになりやすいため、摩擦接触面３０におけるダイヤモンド粒２２の露出面３２の割合は、９５面積％以下や９０面積％以下、８５面積％以下などと任意に調整してよい。

図１（ｂ）に示すように、摩擦接触面３０におけるダイヤモンド粒２２の露出面３２は、隣接する露出面３２と少なくとも一部が接する露出面３２ａと、隣接する露出面３２と接していない露出面３２ｂを有する。耐摩耗性により優れたものとするためには、摩擦接触面３０において、隣接する露出面３２と少なくとも一部が接する露出面３２ａが、隣接する露出面３２と接していない露出面３２ｂよりも多い方が好ましい。

（ダイヤモンド粒２２）
耐摩耗層２０を構成するダイヤモンド粒２２は、六・八面体または切頭八面体の一部が切り取られた形状であり、切り取られた部分の面がダイヤモンド粒２２の露出面３２となるように配置されている。このようなダイヤモンド粒２２の形状および配置は、台金１０上に１層に配列した、六・八面体または切頭八面体の形状のダイヤモンド粒２２ｂの上部を、平坦に切り取ることによって形成できる。ダイヤモンド粒２２ｂについては後述にて説明する。

（ニッケルめっき２４）
ニッケルめっき２４は、ダイヤモンド粒２２を台金１０の上に固着するものである。ニッケルめっき２４は、ニッケルが主たる成分であれば、ニッケル以外の金属や非金属元素を含んでもよい。例えば、ニッケルめっき２４の例としては、Ｎｉ、Ｎｉ－Ｓ合金、Ｎｉ－Ｐ合金、Ｎｉ－Ｂ合金、Ｎｉ－Ｃｏ合金などが挙げられる。

耐摩耗層２０は、ダイヤモンド粒２２とニッケルめっき２４とから実質的になる構成としてもよい。例えば、耐摩耗層２０は、ダイヤモンド粒２２とニッケルと不可避不純物（微量のその他の金属や光沢材など）からなる層や、ダイヤモンド粒２２とニッケル合金（例えば、Ｎｉ－Ｓ合金、Ｎｉ－Ｐ合金、Ｎｉ－Ｂ合金、Ｎｉ－Ｃｏ合金など）と不可避不純物とからなる層とすることができる。

＜耐摩耗層の形成＞
耐摩耗層２０は、振動を与えながら台金１０上にダイヤモンド粒２２ｂを充填し、ニッケルめっき２４によってダイヤモンド粒２２ｂを固着し表面層２０ｂを形成し（図２（ａ）参照）、さらに、平坦（台金１０の表面に平行）に研削することで形成できる（図２（ｂ）参照）。振動により、台金１０の表面にダイヤモンド粒２２ｂを、配向性を揃えて密に配列させることができる。また、研削時に、ダイヤモンド粒２２ｂが平坦に研削され一様に平坦化されるため、平坦に上部が切り取られたダイヤモンド粒２２（研削後のダイヤモンド粒）の露出面３２は摩擦接触面３０と同一の平面に配置される。

表面層２０ｂを構成するダイヤモンド粒２２ｂは、上記の通り、六・八面体形状または切頭八面体形状である。なお、切頭八面体とは、正八面体形状のダイヤモンド粒における６個の頂点付近が四角錐形状でそれぞれ等しく切除され、四角形状をした６個の平面部が形成された形状であり、６個の四角形状の面と８個の六角形状の面とからなるものである。六・八面体とは、切頭八面体形状における四角形状をした６個の平面部を、隣り合って位置する四角形状の平面部の頂点同士が一致する所まで、それぞれ均等に拡張したような形状であり、六・八面体は、６個の四角形状の面と、８個の三角形状の面とからなるものである。

六・八面体形状または切頭八面体形状のダイヤモンド粒２２ｂを用い、振動を与えながら台金１０上に充填することで、ダイヤモンド粒２２ｂは、面積の大きな面を底面として、配向性を揃えて密に配列しやすい。すなわち、六・八面体形状のダイヤモンド粒２２ｂを用いることで、四角形状の面を底面として配列するダイヤモンド粒２２ｂが多くなる。また、切頭八面体形状のダイヤモンド粒２２ｂを用いることで、六角形状の面を底面として配列するダイヤモンド粒２２ｂが多くなる。この状態でダイヤモンド粒２２ｂをニッケルめっき２４によって固着し形成した表面層２０ｂを研削することで、耐摩耗性により優れた耐摩耗層２０が形成される。

表面層２０ｂを構成するダイヤモンド粒２２ｂは、平均粒径が４０μｍ以上１０００μｍ以下である。ダイヤモンド粒２２ｂが小さすぎると、耐摩耗性が低下する。また、ダイヤモンド粒２２ｂが大きすぎると、ツルーイングに時間がかかるため好ましくない。ダイヤモンド粒２２ｂの大きさは、耐摩耗部材の用途等に応じて選択すればよいが、耐摩耗性を向上させるために、ダイヤモンド粒２２ｂの平均粒径を、５０μｍ以上や７５μｍ以上としてもよい。また、上記のような形成方法とすることで、大きなダイヤモンド粒２２ｂだけでなく、ろう付けでは密に配列させることが困難な小さいダイヤモンド粒２２ｂ（例えば、平均粒径１５０μｍ以下や１００μｍ以下のダイヤモンド粒２２ｂ）であっても、振動を与えながら充填することで台金１０上に密に配列させることができる。

ダイヤモンド粒２２ｂの充填は、例えば、台金１０を振動させた状態で、ダイヤモンド粒２２ｂやこれを含む溶液を滴下することで行うことができる。

めっき液への浸漬は、ダイヤモンド粒２２ｂを配列させる前に行ってもよいし、配列させた後に行ってもよい。つまり、めっき液に浸漬させた後にダイヤモンド粒２２ｂを配列させても、ダイヤモンド粒２２ｂを配列させた後にめっき液に浸漬してもよい。

めっき液は、ニッケルイオンと溶媒を含むものが用いられる。めっき液は、ニッケルを主たる成分として析出させることができれば、ニッケル以外に、コバルト（Ｃｏ）などの金属元素や、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、ホウ素（Ｂ）などの非金属元素が含まれてよい。

具体的なめっき浴としては、スルファミン酸ニッケル、塩化ニッケル、および硼酸からなるスルファミン酸ニッケル浴や、ニッケル・コバルトの合金めっき浴、ワット浴等が挙げられる。

めっき処理は、電解めっき処理であってもよいし、無電解めっき処理であってもよい。好ましくは電解めっき処理である。

めっき処理により形成されるニッケルめっき２４の厚みは特に限定されず、ダイヤモンド粒２２ｂの大きさや形成させる耐摩耗層２０の厚み等に応じて適宜決定される。一方、ニッケルめっき２４の厚みが薄すぎるとダイヤモンド粒２２ｂの保持量が弱く研削時に脱落しやすくなり、摩擦接触面３０を形成するための研削量も増加するため好ましくない。そのため、めっき処理で形成されるニッケルめっき２４の厚みは、ダイヤモンド粒２２ｂの平均粒径の０．６倍以上が好ましく、０．６５倍以上がより好ましく、０．７倍以上がさらに好ましい。また、ニッケルめっき２４によってダイヤモンド粒２２ｂを固着した後、研削して平坦化するため、ニッケルめっき２４の厚みを過剰に厚くする必要はない。そのため、ダイヤモンド粒２２ｂの平均粒径の１倍以下や、０．９５倍以下、０．９倍以下などとすることができる。

めっき処理を行うことで表面層２０ｂ（研削前の耐摩耗層）が形成される。表面層２０ｂを、平坦に研削することで、耐摩耗層２０を形成することができる。研削量は、研削により平坦な面を形成することができれば特に限定されず、求められる耐摩耗性等に応じて適宜決定される。例えば、研削量は、ダイヤモンド粒２２ｂの平均粒径の０．２５倍以上や、０．３０倍以上、０．３５倍以上とすることができる。また、研削量は、ダイヤモンド粒２２ｂの平均粒径の０．７５倍以下や、０．７０倍以下、０．６５倍以下などとその上限も任意に調整してよい。

耐摩耗部材１００の耐摩耗層２０を形成するための研削は、耐摩耗層２０の摩擦接触面３０における、ダイヤモンド粒２２（研削後のダイヤモンド粒）の露出面３２の割合が３０面積％以上となるように行われる。耐摩耗性がより優れた耐摩耗層２０を形成するためには、耐摩耗層２０の摩擦接触面３０における、ダイヤモンド粒２２の露出面３２の割合が４０面積％以上となるように研削することが好ましく、５０面積％以上となるように研削することがより好ましく、６０面積％以上となるように研削することが更に好ましい。また、上記の通り、その上限は任意であり、摩擦接触面３０におけるダイヤモンド粒２２の露出面３２の割合が１００面積％以下や、９５面積％以下、９０面積％以下、８５面積％以下などとなるように研削量は任意に調整してよい。

＜耐摩耗部材の用途＞
耐摩耗部材１００は、他の部材との摩擦が生じる各種部材の用途に採用することができる。耐摩耗部材１００を、これらの工具等の他の部材との摩擦や摺動に対する耐摩耗性を求められる部分に用いることで、これらの工具の耐久性や寿命が向上する。特に、耐摩耗部材１００の耐摩耗層２０の摩擦接触面３０は平坦であるため、他の部材が摺動するセンタレスブレードやワークセンタなどの部材として好適である。

＜実施例１＞
振動を与えながら、φ６０×５Ｔの円板形状の台金の表面のφ２１～φ４３の位置に、切頭八面体形状のダイヤモンド粒（平均粒径１５０μｍ）を充填した。ダイヤモンド粒を充填した台金をスルファミン酸ニッケル浴に浸漬させ、ニッケルめっきを析出させ、ダイヤモンド粒が１層に配列し固着した表面層を形成した。表面層を、研削後のダイヤモンド粒の露出面の割合が３０％となるように、一様な平坦面に研削し、耐摩耗層が形成された耐摩耗部材を得た。

＜実施例２～５、比較例２＞
研削後のダイヤモンド粒の露出面の割合（ダイヤモンド粒露出面積）が表１に示す割合になるように、表面層を一様な平坦面に研削した以外は実施例１と同様にして、実施例２～４、比較例２の耐摩耗部材を得た。

＜比較例１＞
平均粒径１μｍ以下のダイヤモンド粒：金属粉末＝８０：２０（ｗ／ｗ）で混合した後、焼結して焼結体を得た。得られた焼結体を台金上にろう付けし、仕上げを行い、耐摩耗層が形成された耐摩耗部材を得た。

＜実施例６～１０、比較例３、４＞
平均粒径１５０μｍのダイヤモンド粒に代えて、表２に示す平均粒径のダイヤモンド粒を用いた以外は、実施例３と同様にして、実施例６～１０、比較例３、４の耐摩耗部材を得た。

［摩擦接触面における、ダイヤモンド粒の露出面の割合（ダイヤモンド粒露出面積）］
摩擦接触面における、ダイヤモンド粒の露出面の割合は、画像解析ソフトを用いて、実施例１～１０、比較例１～４の部材の摩擦接触面のレーザー顕微鏡画像を２値化処理した処理画像から算出した。結果を表１、表２に示す。

［評価１（寿命）］
実施例１～１０、比較例１～４の摩耗試験を行い、摩耗量を求めた。比較例１の部材の摩耗量を１００として、実施例１～実施例１０、比較例２～４の部材の摩耗量の相対値を算出し、以下の基準で評価した。
◎：１１０以上
○：９０以上～１１０未満
△：７０以上～９０未満
×；７０未満

［評価２（製造コスト）］
耐摩耗試験における比較例１の部材の製造工数を１００として、実施例１～実施例１０、比較例２～４の部材の作業工数の相対値を算出し、以下の基準で評価した。
◎：６０未満
○：６０以上～８０未満
△：８０以上～１００未満
×：１００以上

１０台金
２０耐摩耗層
２０ｂ表面層
２２上部が切り取られたダイヤモンド粒
２２ｂダイヤモンド粒
２４ニッケルめっき
３０摩擦接触面
３２、３２ａ、３２ｂ上部が切り取られたダイヤモンド粒の露出面
３４ニッケルめっきの露出面
１００耐摩耗部材

Claims

台金と、台金上に形成され、他の部材と摩擦する平坦な摩擦接触面を有する耐摩耗層と、を有し、
前記耐摩耗層は、前記台金上に１層に配列したダイヤモンド粒がニッケルめっきによって固着された表面層の上部が、平坦に切り取られることによって形成され、
前記ダイヤモンド粒が、平均粒径が４０μｍ以上１０００μｍ以下であり、かつ、六・八面体または切頭八面体の形状であり、
前記耐摩耗層の摩擦接触面における、平坦に上部が切り取られたダイヤモンド粒の露出面の割合が、３０面積％以上であり、
前記摩擦接触面が、平坦に上部が切り取られたダイヤモンド粒の露出面およびニッケルめっきの露出面からなる、耐摩耗部材。
前記耐摩耗層は、振動を与えながら前記台金上に前記ダイヤモンド粒を充填し、前記ニッケルめっきによって前記ダイヤモンド粒を固着し前記表面層を形成し、さらに、平坦に研削することで形成したものである、請求項１に記載の耐摩耗部材。