JPH02240275A - 耐摩耗性部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、平滑性および硬度に優れた耐摩耗層を有する
耐摩耗性部材に関する。

（従来の技術） 従来から、繊維織機における各種部品類、各種軸受スラ
イド部品類、各種ガイドローラ、各種シャフト類などの
他部材との摺接が予想される部品類には、Ｍｎを多量に
添加した高マンガン鋼のような耐摩耗性に優れた素材が
用いられており、最近では窒化ケイ素焼結体や炭化ケイ
素焼結体のようなセラミックス部材の使用も検討されて
いる。

ところで、上述したような耐摩耗性が要求される部材に
おいては、他部材との摺接による摩耗を抑制するととも
に、摺接性を高めるための表面潤滑性を有することが必
要である。そこで、鉄系などの母材の表面に母材と異な
る平滑な表面層を形成した部材を使用することが試みら
れている。このような表面層は、上記した耐摩耗性と潤
滑性の他に、母材の柔軟な挙動に対しても母材に強固に
密着していることが必要である。

たとえば織機や整経機に用いられる筬は、多数の筬羽を
櫛歯のように並べて長方形の枠に入れ、筬羽と枠とを固
定して構成したもので、各筬羽の間に経糸を通してその
位置を整え、また横糸を押しつめて布の織り目を整える
働きを行うものである。このような筬羽に表面層を形成
した部材を使用する場合、その表面層は経糸との摩擦に
よる母材表面の摩耗を防止し、かつ母材表面の摩耗によ
り糸かけば立ち、布の風合いが低下することを防止する
ための耐摩耗性と潤滑性が要求され、さらに筬羽が経糸
の動きに追従してしなるために、このしなりにより表面
層が母材から剥離しないように母材に強固に接合してい
ることが必要である。

耐摩耗性や表面潤滑性を得るための表面層を形成する方
法としては、（ａ）硬質クロムメツキ法、（ｂ）ＰＶＤ
法、（Ｃ）溶射法などが試みられているが、これらの各
形成方法にはそれぞれ次のような問題点がある。

（ａ）硬質クロムメツキによって得られるメツキ層は、
耐薬品性や母材に対する接着力が不十分である。（ｂ）
ＰＶＤ法では、形成された膜の母材との密着性が必ずし
も充分でなく母材のしなりにより剥離しやすい。（Ｃ）
溶射法によって得られるセラミックス被膜は、硬度や強
度に優れる半面１、表面性が悪く表面の研磨加工が必要
であるとともに、付着強度も不十分である。

一方、鉄を主体とする母材の表面に、クロム酸の溶液を
塗布し、加熱することによって酸化クロムを主体とする
層を形成し、この酸化クロム層によって耐摩耗性などを
向上させる試みの実用化が進められている。このクロム
酸から加熱によって変換された酸化クロム層は、優れた
耐摩耗性や潤滑性を示すとともに、中間反応層として形
成される酸化クロムと母材との化合物層によって、母Ｈ
に対して優れた接合力を示すなど、優れた特性を有して
いる。また、このような酸化クロム層の硬度をさらに向
上させるために、アルミナやシリカなどのセラミックス
粒子とクロム酸とを含有するスラリーを用いることによ
って、セラミックス粒子を酸化クロムで保持した被膜を
形成することも試みられている。

（発明が解決しようとする課題） ところで、上記酸化クロムからなる被膜は、上述したよ
うに優れた耐摩耗性を示すとともに、母材に対して大き
な接合力を有し、かつその表面性も溶射法などによる被
膜に比べて良好ではあるが、たとえば筬羽などにおける
実用上の表面潤滑性を得るためには充分とは言えず、現
状のクロム酸溶液を用いた被膜形成方法では表面の研磨
が必要とされている。

また、セラミックス粒子を分散させた酸化クロム層の場
合、セラミックス粒子の突出などが生じ、特に表面の平
滑性が低下してしまう。そこで、この被膜上にさらにク
ロム酸溶液の塗布、焼成を行い、酸化クロム層を形成す
ることが考えられているが、上述した酸化クロム単独の
被膜と同様に、実用上充分な表面平滑度は得られず、ま
たセラミックス粒子（７）−影響によってさらに表面の
平滑性が低下してしまう。

このように、従来のクロム酸の加熱によって得られる酸
化クロムを主体とする被膜は、そのままでは実用上充分
な表面平滑度が得られておらず、被膜形成工程とは別途
に研磨工程を必要としており、被膜自体の硬度が大きい
ために、研磨に要する加工工数が大きくなり、製造コス
トの増大を招いていた。

本発明は、このような従来技術の課題に対処するべくな
されたもので、研磨加工を施すことなく実用上充分な表
面平滑度を有し、かつ硬度が太き（耐久性に優れた耐摩
耗層を有する耐摩耗性部材を提供することを目的として
いる。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） すなわち本発明は、金属部材からなる基体と、この基体
上に形成された酸化クロムを少なくとも含有する耐摩耗
層とを具備する耐摩耗性部材において、前記耐摩耗層は
少なくとも表面層として■族元素の酸化物を含有する酸
化クロム層を有していることを特徴としている。

本発明における耐摩耗層は、少なくともその表面層とし
て■族元素の酸化物を含有する酸化クロム層を有してお
り、この酸化クロム層単独、あるいはセラミックス粒子
を分散させた酸化クロム層などとの複合構造として耐摩
耗層を構成する。

酸化クロム自体は、クロム酸を加熱によって酸化するこ
とにより形成され、このような手法により得られる酸化
クロム層は、酸化クロム（主としてＣｒ２０３　）どう
しが強固に結合して緻密な組織を形成し、かつ基体との
境界に基体を酸化クロムとの反応層が形成され、基体と
の密着性に優れ大きな接合強度を示す。

そして、上記■族元素の酸化物を含有する酸化クロム層
は、上記手法による酸化クロム層の形成時に、酸化クロ
ム層中に■族元素の酸化物を存在させることによって形
成され、■族元素の酸化物が酸化クロム層の表面近傍部
に膜を形成するように存在し表面の平滑度を向上させる
ものである。

この■族元素の酸化物を、含有する酸化クロム層は、た
とえば以下のようにして形成される。

まず、クロム酸（Ｃｒ（ｈ　）の５００ｇ／、ｅ　〜１
５００ｇ／（程度の水溶液（Ｉ１２Ｃｒ２０７）に、■
族元素の酸化物粉末を添加した被膜形成液を作製する。

使用する■族元素の酸化物としては、酸化亜鉛、酸化マ
グネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸
化バリウム、酸化カドミウムなどの１種または２ｆｉｌ
ｉ以上の混合系が例示され、特にこれらの内でも酸化亜
鉛は、酸化クロムとの共存性に優れるとともに、硬度の
向上にも寄与するためその使用が好ましい。上記■族元
素の酸化物は、酸液に対して溶解性を示し、均一な被膜
形成液を形成する。

また、被膜形成液中の各成分の配合比は、クロム酸（Ｃ
ｒ０３　）　　１００重量部に対して■族元素の酸化物
が１〜５０重量部とすることが好ましく、さらに好まし
くは５〜８０重量部の範囲である。■族元素の酸化物の
配合比が１重量部未満では平滑度改善効果が充分に得ら
れず、また５０重量部を超えると酸化クロムによる被膜
の緻密化が充分に進行せず、被膜内部に空孔が生じやす
くなるためである。

次に、上記被膜形成液を脱脂洗浄やブラスト処理などの
前処理を施した金属基体上に塗布する。

使用する金属基体の材質としては、鉄系材料やその他用
途に応じて各種のものが使用される。

次いで、この塗膜にたとえば乾燥処理などを施した後に
５００℃〜Ｇ（１０℃（好ましくは５５０’Ｃ付近）の
温度で加熱処理を施し、ＣｒＯ３をＣｒ２０３に変換し
て■族元素の酸化物を含有する酸化クロム層を形成する
。

この加熱処理は大気中や密閉雰囲気中で行う。

特に密閉雰囲気中で加熱処理を行うことによって、より
均一な厚さと緻密性を有する酸化クロム層を得ることが
でき、密閉雰囲気の条件としては雰囲気内の発生ガス濃
度が０．１〜５−０１％／（の範囲となるように設定す
ることが好ましい。

なお、乾燥処理は４０’Ｃ〜１２０℃程度の温度による
加熱乾燥や、減圧乾燥などによって行われる。

そして、上記被膜形成液の塗布工程と加熱処理工程とを
複数回繰返し行うことによって、所望の膜厚の酸化クロ
ム層を得る。この■族元素の酸化物を含有する酸化クロ
ム層の厚さは、用途に応じて適宜設定されるものである
が、耐摩耗層の耐久性や潤滑性の点からは２μｍ以上で
あることが好ましい。

また、この酸化クロム層の形成工程において、クロム酸
水溶液を加熱してクロム酸の溶解度を高めた状態で塗膜
の形成を行ってもよい。これによって、１回当りの酸化
クロム層形成量を増大することが可能となる。また、ク
ロム酸の水溶液に代えて、クロム酸のＭＭを使用するこ
とも可能である。クロム酸は２００℃〜２５０℃程度の
温度で融解し、塗膜の形成が可能となる。このクロム酸
の融液を使用することによって、１回当りの被膜形成量
が増大するとともに、被膜の緻密性も向上するが、粘性
が高くなるために塗膜形成時に充分に平滑化を行う必要
がある。

本発明における耐摩耗層は、上記■族元素の酸化物を含
有する酸化クロム層単独でも充分にその効果を発揮する
が、用途に応じては上述したようにセラミックス粒子を
分散させた酸化クロム層との複合構造としてルーよい。

上記セラミックス粒子を分散させた酸化クロム層は、た
とえば以下のようにして形成される。

まず、クロム酸の水溶液とアルミナ、シリカ、ジルコニ
アなどの被膜形成温度に対して安定なセラミックス粒子
とを混合し、所望の粘度のスラリーを作製する。使用す
るセラミックス粒子は平均粒子径で０．５μｍ以下程度
のものであれば実用上問題はなく、またその配合比は酸
化クロム　１００重量部に対して３０〜５ＱｆｆＩ　ｆ
ｆｉ部程度が好ましい。セラミックス粒子の配合比が余
り少ないとセラミックス粒子による効果が充分に得られ
ず、逆に多すぎると酸化クロムによる被膜形成力が弱ま
り被膜の機械的強度が低下して脆くなる。このセラミッ
クス粒子を分散させた酸化クロム層の厚さは、使用用途
によって適宜選択されるものであるが、通常２０μｌｌ
〜５０μ鳳程度である。

（作　用） ゛本発明の耐摩耗性部材における耐摩耗層は、少なくと
も表面層として■族元素の酸化物を含有する酸化クロム
層を有している。この■族元素の酸化物は、クロム酸を
加熱することによって酸化クロムに変換して成膜する際
に、被膜表面近傍部にガラス状の薄膜を形成する如く拡
散し、被膜表面の平滑度を、研磨を施さなくとも実用上
充分な程度に高める。また、表面近傍部に存在する■族
元素の酸化物によって、硬度の向上も期待できる。

また、セラミックス粒子を含有する酸化クロム層などの
表面層として、上記■族元素の酸化物を含有する酸化ク
ロム層を形成する際には、下層の緻密性や表面性に拘ら
ず平滑な表面が得られる。

（実施例） 以下、本発明の実施例について説明する。

実施例１ ｘ＋＞　レスｔＨ（ＳＵＳ　３（１４）　ｈラナル３５
ｒａｔｉＸ　７Ｄｔｍｍ×３ｍｌの金属基体に対して、
まずその表面をトリフロンで脱脂し、次いで乾燥後にポ
リブラストで表面を粗し、アルカリ洗浄と湯洗浄を行い
乾燥させ、前処理を施した。

一方、クロム酸溶液（Ｈ２Ｃｒ２０７．１０口Ｏｇ／ｆ
ｆｌ　）に、クロム酸（Ｏｒ（ｈ　）　　１００重量部
に対して１０ｍｍ部の酸化亜鉛粉末（平均粒子径２μｌ
）を添加し、充分に溶解させて被膜形成液を作製した。

上記前処理を施した金属基体を上記酸化亜鉛を含有する
クロム酸溶液中に浸漬し、酸化亜鉛添加クロム酸溶液を
被着させた後に乾燥を行った。次いで、大気中、約５５
０℃の温度で２時間加熱処理して酸化クロム層を形成し
た。そして、この酸化亜鉛添加クロム酸溶液の被着、乾
燥、加熱処理を１５回繰返し行って、厚さ約５μ−の耐
摩耗層を形成した。

このようにして得た耐摩耗層の表面平滑度改善率と硬度
改善率を以下に示す方法にしたがって評価した。

（Ａ）　　硬度改善率 まず、比較例１として上記実施例１で使用した金属基体
に対して、実施例１と同一条件で酸化亜鉛を含まないク
ロム酸溶液（）１２　Ｃｒ２０７．１０００ｇ／（）の
塗布、加熱処理を１５回繰返し行い（比較例１）、各酸
化クロム層形成毎の硬度（Ｖｏ　）をｉｌｌ定した。次
いで、実施例１の製造工程にしたがい酸化亜鉛を含有す
る酸化クロム層を順次形成しく１５回）、各酸化クロム
層形成毎に硬度（Ｖｌ）を測定した。そして、次式にし
たがって硬度改善率を評価した。

（Ｖ＋　　−Ｖｏ　　）　　／Ｖｏ　　Ｘ　　　１口０
　　　（％）（Ｂ）　　表面平滑度改善率 上記比較例１における酸化クロム層形成毎の表面粗さ（
Ｌｏ）を測定した。次いで、実施例１の製造工程にした
がい酸化クロム層を順次形成し、各酸化クロム層形成毎
に表面粗さ（Ｌｌ）を４−１定した。そして、次式にし
たがって表面平滑度改善率を評価した。

（Ｌｏ−ＬＨ）　／Ｌｏ　Ｘ　　１００　　（％）表面
平滑度改善率の結果を第１図に示す。なお、同図におい
て横軸に平行な線は比較例１の表面粗さの水準を表す。

同図から明らかなように、実施例１による耐摩耗層は、
酸化亜鉛の存在によって明らかに表面粗さが改善され、
平滑な表面を有していることがわかる。

また、硬度改善率の測定結果を第２図に示す。

なお、同図において横軸に平行な線は比較例１の硬度の
水準を表す。同図から明らかなように、実施例１による
耐摩耗層は、酸化亜鉛の存在によって明らかに硬度が向
上していることがわかる。

また、上記実施例１の耐摩耗層の接合強度を下記に示す
方法にしたがって測定したところ、６００ｋｇ／ｃｊと
良好な値を示し、酸化亜鉛を添加しても金属基体に対す
る接合強度は影響を受けないことを確認した。

（Ｃ）　　接合強度の測定 強度測定用試料（耐摩耗層）上に引張り強度測定ビン（
接着部＝　２１φ）をエポキシ樹脂系接着剤を介して載
置し、これをクリップ型のアクセサリで固定した後、１
５０℃で１時間加熱して接着し、密着強度試験機（セバ
スチャン■）にセットして引張り強度測定ビンが１１＄
１定用試料から剥がれた際の引張り強度をもって接合強
度とする。

実施例２ まず、クロム酸溶液（１１２Ｃｒ２０７．５００ｇ／β
）と、平均粒子径ｌＯμ−のα−ＡＡ２０３と平均粒子
径５μｍのα−８１０；＋とを、重量比でＣｒＯ３：　
ａ−１２０３二α−３ＩＯ２−１：　　ｌ：　　Ｂとな
るよう１こ所定量秤量し、これらをボールミルで充分に
混合・粉砕して所望の粘度のスラリーを作製した。

次に、実施例１で使用した金属基体（前処理済）の表面
に、上記スラリーを塗布した後に乾燥を行った。次′い
で、乾燥後の塗膜に対して、大気中、約５５０”Ｃの温
度で２時間加熱処理を施し、セラミックス粒子を分散さ
せた厚さ約４０μ厘の酸化クロム層を形成した。

次いでこのセラミックス粒子を分散させた酸化クロム層
上に、実施例１と同一条件で酸化亜鉛を含有する酸化ク
ロム層を形成し、２層構造を有する耐摩耗層を得た。

このようにして得た２層構造の耐摩耗層の表面状態を観
察したところ、第１層中に存在するセラミックス粒子の
影響も見られず平清な表面を有していた。

また、この実施例との比較のために、上記実施例２で形
成したセラミックス粒子を分散させた酸化クロム層上に
、酸化亜鉛無添加のクロム酸溶液の塗布、加熱処理を実
施例１と同一条件で繰返し行い、耐摩耗性部材（比較例
２）を作製した。この耐摩耗性部材の耐摩耗層に対して
、上記実施例２と同様に表面状態の観察を行ったところ
、セラミックス粒子の影響によって表−面に凹凸が形成
されていることが観察された。

次に、この実施例２における耐摩耗層に対しても、上記
実施例１中で示した耐摩耗層の硬度改善率と耐摩耗層表
面の平滑度改善率を、比較例２における表面層の酸化ク
ロム層の硬度および表面粗さを基準にして評価した。

表面平滑度改善率の結果を第３図に、また硬度改善率の
ａｌｌ定結果を第４図に示す。なお、これらの図におい
て溝軸に平行な線は比較例２の表面粗さおよび硬度の水
準を表す。

これらの図から明らかなように、実施例２による耐摩耗
層は明らかに硬度が向上しており、また上層の酸化クロ
ム層中の酸化亜鉛の存在によって、下層のセラミックス
粒子による影響がほとんど見られず、平滑度が大幅に改
善されていることがわかる。

実施例３ 実施例１で使用した金属基体（前処理済）の表面に、ク
ロム酸溶液（１１２Ｃｒ２０７．５［）Ｏｇｌｉ）と、
平均粒子径０．１μ−のγ−Ａｆｚ０３と平均粒子径０
．１μｍの無定形５１０２とを、重量比でＣｒＯ３：γ
−Ａぶ２０３：無定形５ｉＯｚ　−１：　　１．５：　
　７．５となるように所定量秤量し、これらをボールミ
ルで充分に混合・粉砕して作製したスラリーを塗布し、
実施例１と同一条件で乾燥、加熱処理を行い、セラミッ
クス粒子を分散させた酸化クロム層を形成した。

次に、クロム酸溶液（Ｔｏ　Ｃｒ２Ｏｙ　、！０００ｇ
／β）に、クロム酸（Ｃｒ０３　）　　１００重量部に
対して３０重量部の酸化亜鉛粉末（平均粒子径２μｓ）
を添加し、充分に溶解させて被膜形成液を作製し、この
被膜形成液中に上記耐摩耗層下層を形成した金属基体を
浸漬し、酸化亜鉛添加クロム酸溶液を被着させ乾燥を行
った後、大気中、約５５０℃の温度で２時間加熱処理を
施して酸化クロム層を形成した。そして、この酸化亜鉛
添加クロム酸溶液の被着、乾燥、加熱処理を１５回繰返
し行って、厚さ約３０μｍの耐摩耗層上層を形成した。

このようにして得た２層構造の耐摩耗層も、実施例２と
同様に比較例２の耐摩耗性部材に比べて、硬度および表
面平滑度の改善が認められた。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明の耐摩耗性部材は、研磨加工
などを施さなくとも実用上充分な表面潤滑性が得られる
平滑度を有し、かつ酸化クロム単独層に比べて硬度が大
きい耐摩耗層を有している。

よって、他部材との摺接に対する耐久性と潤滑性の両方
を満足する優れた部材を安価に提供することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の一実施例の耐摩耗層の表
面平滑度改善率および硬度改善率をそれぞれ示すグラフ
、第３図および第４図は本発明の他の実施例の耐摩耗層
の表面平滑度改善率および硬度改善率をそれぞれ示すグ
ラフである。 出願人　　　　　　株式会社　東芝

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属部材からなる基体と、この基体上に形成され
   た酸化クロムを少なくとも含有する耐摩耗層とを具備す
   る耐摩耗性部材において、 前記耐摩耗層は、少なくとも表面層としてII族元素の酸
   化物を含有する酸化クロム層を有していることを特徴と
   する耐摩耗性部材。
2. （２）前記II族元素の酸化物を含有する酸化クロム層は
   、酸化クロムマトリックス中にセラミックス粒子を分散
   してなる層を介して前記基体上に形成されていることを
   特徴とする請求項１記載の耐摩耗性部材。