JPH04136183A - 転動疲労寿命に優れた機械構造用複合材の製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、各種機械および輸送機等の摩耗部に使用され
る転動疲労寿命に優れた機械構造用複合材の製造方法に
関するものである。

（従来の技術） 各種金型、機械の摩耗部には、従来から機械構造用炭素
鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼、クロムモリブデン鋼
などに、浸炭、焼入れ焼戻し処理あるいは窒化処理また
は軟窒化処理などを施した鋼材か汎用されており、良好
な耐摩耗性を発揮している。しかし、これらの鋼材は比
重か大きく軽量化の動きには、対応か困難である。

軽量化の動きに対応できる素材として、チタン合金およ
びアルミ合金か注目され始めている。チタン合金および
アルミ合金は、その優れた耐蝕性、高温比強度か大きい
ことから、これまで、各種化学工業用および航空、宇宙
用輸送機の各種部材として広く使用されてきた。

近年、自動車初め、各種輸送機の高級化の要求か増大す
るにつれて、快適走行、安全走行等機能アップを満足さ
せるために各種機能部品の装着を余儀なくされている。

それに伴い、車体重量の増加の問題か派生してきた。

一方、燃費の低減に対する要求は依然として強く、これ
らの問題を併せて解決するために、これまでの鉄鋼材料
に替わって、チタン合金およびアルミ合金の採用か検討
され始めている。

チタン合金およびアルミ合金は、そのままでは耐焼付性
、耐摩耗性に極めて劣ることが知られているが、電気Ｎ
ｉ−Ｐメッキ後、３００〜４００°Ｃでｌｈｒの熱処理
を施すことによって、メッキ層の硬度を上昇させて摺動
部材に用いられ優れた耐摩耗性を発揮している。

（発明か解決しようとする課題） しかし、電気Ｎｉ−Ｐメッキ材の転動摩耗部材への適用
については、これまで殆と例を見ない。この理由として
は、上記の従来の熱処理条件によって、硬度を上昇させ
るのみては耐転動疲労寿命を改善させることかできない
ばかりが、かえって劣化させるためである。

本発明は、耐転動疲労寿命に最適な熱処理を電気Ｎｉ−
Ｐメッキ材に施し、チタン合金およびアルミ合金を母材
とした軽くて耐転動摩耗性に優れた複合材を提供するこ
とを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明は、上記に説明した電気Ｎｉ−Ｐメッキを施した
チタン合金およびアルミ合金の耐転動摩耗性の問題点に
鑑み、本発明者らが鋭意研究を行い、検討を重ねた結果
、耐転動疲労寿命を改善するためには、硬さと靭性のバ
ランスをとることか重要で、このための熱処理温度は室
温〜２００°Ｃまたは４５０〜６００°Ｃであるという
知見を得て完成されたもので、その第１発明は、表面を
Ｒａｇ、　５μｍ以上てＰＰＩ、、か１３０以上に粗面
化したチタン合金またはアルミ合金の表面に、直接Ｎｉ
−Ｐメッキ層を１００μｍ以上被覆したのち、室温〜２
００°Ｃまたは４５０〜６００°Ｃの熱処理を施した転
動疲労寿命に優れた機械構造用複合材の製造方法である
。

第２発明は、チタン合金またはアルミ合金の表面が、弗
酸塩を含む溶液により表面粗出処・理を施されている請
求項（１）の転動疲労寿命に優れた機械構造用複合材の
製造方法である。

（作用） 以下、本発明について詳しく説明する。

転動摩耗の疲労破壊に耐えるためには、硬質層を少なく
とも１００μｍ以上形成させることか必要である。チタ
ン合金またはアルミ合金の表面に前記硬質層を強固に密
着させるためには強固なアンカー効果か必要であるが、
エツチングまたはショツトブラスト等によって、表面状
態をＲａ０．５μｍ以上で、かつＰＰ［５０１３０以上
に調整することによって、強固なアンカー効果か得られ
る。ここで、ＰＰ［（Ｐｅａｋｓ　Ｐｅｒ　Ｉｎｃｈ）
は接触式表面粗さ計の抽出曲線（測定値）の平均線から
正負両方向に一定の基準レベルＨを設け、負の基準レヘ
ルを越えた後、正の基準レベルを越えたとき、１山と計
算し、１インチ当たりの山数を表示するものである。す
なわち、ＰＰ［５ｏ１３０は基準レベル５０μ１ｎｎｃ
ｈで、１インチ当たりの山数１３０を示す。これによっ
て、チタン合金またはアルミ合金界面からの硬質メッキ
層の剥離等を抑制することか可能となる。

転動摩耗の特徴は高面圧て、接触応力は数１００ｋｇｆ
／ｍｍ２あり、最大剪断応力は、接触面から数１０〜数
１００μｍの深さの位置に発生する。さらに、軸および
軸受は、繰り返し転動応力を受けることにより、軌道に
剥離を生して運転不可能となる。

この現象はフレーキングと呼ばれ、軸および軸受材料の
一種の疲労破壊であり、これにより軸および軸受の寿命
か決められてしまう。

したかって、耐転動疲労寿命を向上させるためのメッキ
層の厚さは、最大剪断応力発生部位を被覆材の内部に止
めさせるためと、メッキ層の耐転動疲労性を可能かつ存
効にさせるために、０．１ｍｍ以上か好ましく、耐摩耗
性付与の観点からは１ｍｍまでて十分である。また、被
覆材の厚さを厚くすることは本発明の目的とする軽量化
からも好ましいものではない。

メッキ層の熱処理は、耐転動疲労寿命を改善するために
必要で、硬さと靭性のバランスをとることか重要である
。

第１図に電気Ｎｉ−Ｐメッキ層の耐転動疲労寿命と硬さ
に及ぼす熱処理温度の影響を示す。なお、熱処理時間は
ｌｈｒである。同図から明らかなように、室温から熱処
理温度か上昇していくと硬さも上昇し、そのピークは２
５０〜４００°Ｃ間にあり、さらに温度か上昇すると硬
さは低下してくる。一方、耐転動疲労寿命は硬さとは逆
で、２５０〜４００℃間で低下している。このように、
硬さを低下させて電気Ｎｉ−Ｐメッキ層の靭性を確保す
ることか耐転動疲労寿命を改善することになる。６００
°Ｃを超える熱処理温度では硬さと靭性のバランスかく
ずれるため好ましくない。したかって、熱処理温度は室
温〜２００°Ｃまたは４５０〜６００°Ｃとする。なお
、熱処理時間は１時間程度か好ましい。

本発明の機械構造用複合材の製造工程は、大路次の如く
である。すなわち、 ■母材（チタン合金またはアルミ合金）の機械加工 ■アルカリ脱脂（オルソ珪酸ソーダ５％溶液、７０°Ｃ
） ■水洗 ■エツチング（弗酸塩） ■水洗 ■活性化処理 ■水洗 ■電気メッキ である。

従来法でもメッキの前処理として当然工・ノチングは行
われている。しかし、この工・ソチングに用いられる酸
は、硝酸、弗酸またはこれらを混合した硝弗酸か主であ
って、これら従来使用されてしする鉱酸類では、本発明
で規定する粗面な表面はできず、単に表面か均一に工・
ソチングあるいは逆：＝平滑化されるたけである。

発明者等の知見によれば、化学的工・ノチング（二より
本発明で規定する粗面を得るには、ＮＨ，Ｆ　−ＨＦＮ
ａＦ　−ＨＦ等の弗酸塩か必要であり、他の工・ソチン
グ剤として汎用される硝酸や弗酸は光沢側としては有効
てはあるものの、本発明で規定する粗面化のためには好
ましい薬剤ではない。

また、本発明では必要により粗面化のためのエツチング
のあとて、硬質メッキのまえに、表面のスマット除去の
ための燐酸電解処理や金属面を出すためのクロム酸、弗
酸なとの酸による活性化処理を行うことか可能である。

すなわち、−旦素材表面に粗面を形成したあとのメッキ
までの工程は通常と同し方法か用いられる。このことは
、粗面化エツチングの前処理についても同様である。

このようにして得られた、母材（芯材）に軽くて高強度
のチタン合金またはアルミ合金を使用し、表層に０．１
−１ｍｍの厚い電気Ｎｉ−Ｐメッキ層を形成し、その後
、熱処理を施した複合材は優れた耐転動摩耗性を発揮す
るこよかでき得る。

（実施例） 以下に、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明は
これら実施例によって、何ら限定されるものではない。

まず、供試材の複合材の製造方法について説明する。Ｎ
ｉ−Ｐメッキの母材（芯材）にはチタン合金、Ｔｉ−６
ＡＩ−４Ｖ　、Ｔｉ−６ＡＩ−６Ｖ−２Ｓｎを用いて、
前記のように、脱脂−水洗→エツチングー水洗−表面活
性化処理を行ったのち、電気Ｎｉ−Ｐメッキを施した。

メッキ浴組成は、ＮｉＳＯ４・６Ｈ２０・２００ｇ／ｌ
　、　　ＮｉＣｌ２・６Ｈ２０・５０ｇ／ｌ、　Ｈ２Ｐ
Ｏ３：　４〜４０ｇ／ｌ　５Ｈ３ＰＯ＜：５０ｇ／ｌと
し、電流密度は５〜４０Ａ／ｄｍ２の範囲て適宜選定し
た。メッキ厚さは０．４〜０．７ｍｍの範囲内で適宜選
定した。メッキ後、第１表に示す熱処理条件て熱処理を
行った。その後、これらの供試材について、メッキ組成
、メッキ厚さ、メッキ硬さおよび転動疲労寿命を調査し
た。

転動疲労寿命の調査には第２図に示す転動摩耗試験方法
を用いた。

第２図は、転動摩耗試験方法の概略図で、図中１は試験
片、２は評価面、３はホールヘアリング、４はヘアリン
グレース、５は回転軸をそれぞれ示す。試験片ｌの先端
には評価面２かあり、評価面２はホールベアリング３と
接触するようにテーバか付けである。ボールベアリング
３はヘアリングレース４内に必要個数配置しである。ベ
アリングレース４は回転軸５に装着され、回転軸５とと
もに回転する。回転軸５は回転装置（図示せず）に連結
されている。試験は荷重Ｐを試験片ｌに加え、回転軸５
を回転させて行う。

第１表にメッキ組成、メッキ厚さ、メッキ硬さおよび転
動疲労寿命を示す。

第１表 第１表の本発明例Ｎｏ、　１〜６およびＮｏ、１２〜＋
５は２００’Ｃ以下で、Ｎｏ、　７〜ＮおよびＮｏ、　
１６〜２０は４０Ｃ１〜６００″Ｃて熱処理したもので
ある。本発明例はいずれの熱処理条件においても、硬さ
と靭性のバランスかとれているため、転動疲労寿命が優
れている。

一方、比較例は３００〜４２０″Ｃて熱処理しているた
め、メッキ硬さかＨＶ８５０〜９８０と硬く、硬さと靭
性のバランスかくづれ、転動疲労寿命は低下している。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明に係わる転動疲労寿命に優
れた機械構造用複合材は、Ｎｉ−Ｐメッキ後に硬さと靭
性のバランスかとれた熱処理を行っているため、軽くて
高強度のチタン合金およびアルミ合金を母材にして、こ
れにＮｉ−Ｐメッキを施すことにより、チタン合金およ
びアルミ合金に耐転動摩耗性を付与することかできると
いう優れた効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は電気Ｎｉ−Ｐメッキ層の耐転動疲労寿命と硬さ
に及ぼす熱処理温度の影響を、第２図は転動摩耗試験方
法の概略図を示す図である。 ｌ　試験片 ２　評価面 ３　ポールベアリング ４　ベアリングレース ５−回転軸 第１図 Ｔｏｏ　　２００　　３００　４００ 力り熱温度ｆ”ｃ） 特許出願人　株式会社　神戸製鋼所 代　理　人　弁理士　　金欠　章−

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面をＲａ０．５μｍ以上でＰＰＩ＿５＿０が１
   ３０以上に粗面化したチタン合金またはアルミ合金の表
   面に、直接Ｎｉ−Ｐメッキ層を１００μｍ以上被覆した
   のち、室温〜２００℃または４５０〜６００℃の熱処理
   を施したことを特徴とする転動疲労寿命に優れた機械構
   造用複合材の製造方法。
2. （２）チタン合金またはアルミ合金の表面が、弗酸塩を
   含む溶液により表面粗化処理を施されていることを特徴
   とする請求項（１）の転動疲労寿命に優れた機械構造用
   複合材の製造方法。