JPH04333599A - 超微粒子ダイヤモンド共析被膜を施した機器 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えばピストンやＶ
ＴＲ用シリンダ等のように潤滑性、耐摩耗性が要求され
る機械器具等に適用される超微粒子ダイヤモンド共析被
膜を施した機器に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的に機械器具等において、特に潤滑
性、耐摩耗性が要求されるものにおいて、摺動部や噛合
い部分等の耐摩耗性を向上させる手段としては、熱処理
を施すこと、耐摩耗性を有する炭化物、酸化物、窒化物
等を金属マトリックス中に添加し合金化すること、硬質
クロムおよびニッケル−燐メッキをすること、耐摩耗性
を有する硬質微粒子、例えばアルミナ、酸化クロム、酸
化セリウム、炭化珪素、炭化タングステン等の硬質微粒
子を高分子化合物等に添加して塗布型被膜形成や反応層
硬化膜形成をすること、等が知られている。

【０００３】また、機械器具等がアルミニウム合金の場
合には、アルマイト処理等の表面硬化処理またはアルミ
ニウム中に種々の添加剤、例えばシリコン、マグネシウ
ム、銅、マグネシウム＋シリコン、亜鉛＋マグネシウム
等を適量添加して耐摩耗性を持たせたり、機械的物性を
変えて使用することが行われている。

【０００４】特に、アルミニウム合金を用いたピストン
およびＶＴＲ用シリンダ等の機械器具等においては、潤
滑性を向上させる手段として、ダイヤモンドバイト等の
超精密加工用切削工具を用いて加工面精度を向上させ、
摩擦時における真実接触部の滑り摩耗による凝着摩耗お
よびアブレシブ摩耗等を最小にするような加工手段がと
られている。

【０００５】アルミニウム合金の種類は非常に多く、要
求される機械器具等の性能等に応じて種々のアルミニウ
ム合金が開発されている。しかし、使用目的および使用
される機械器具等の性能等に対応した特性とともにそれ
自体充分満足できる潤滑性および耐摩耗性を具えたもの
はなく、二次加工する場合にも加工性および加工面粗さ
、切削工具の寿命等が異なるので使用合金を吟味する必
要がある。特にハイシリコン合金においては、加工性お
よび加工面精度が悪く、切削工具の寿命が短くなる。

【０００６】また、機械器具等の耐摩耗性と潤滑性を得
る方法として、硬質微粒子と潤滑性微粒子を目的に応じ
て使い分けを行い、耐摩耗性被膜と潤滑性被膜を形成す
るコンポジットメッキ法が知られている。しかし、これ
は微粒子の使い分けをする必要があり、また使用微粒子
の粒径が大きいため、金属被膜中に共存する微粒子の量
にバラツキが多く、特にベース側面および底面では微粒
子の共析量が極端に低く、共析被膜特性のバラツキが生
じる。

【０００７】そのうえ、共析被膜処理を行った製品につ
いての被膜面精度が１Ｓ以上と悪く、二次加工によって
面精度を向上させなければならないという欠点がある。 また、機械部品の表面にダイヤモンドの粒子をメッキに
よって定着させ、耐摩耗性と潤滑性を改善させることも
、知られている（例えば特公昭５６−２４０３２号公報
、特開昭４８−１１２３９号公報）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来のこの
種のメッキに用いられるダイヤモンド粒子は、粒子と言
っても、その粒径は小さくても数ミクロンであり、ダイ
ヤモンド粒子が接触する相手側部品に微細な傷を付ける
という欠点がある。また、従来は単結晶のダイヤモンド
粒子が使われており、この単結晶ダイヤモンドは１２面
体、８面体または６面体の形状をなし、鋭利な角がある
ので、摺動時に相手側にいっそう傷をつけやすいという
問題がある。

【０００９】また、ダイヤモンドの粒子が大きいため、
メッキ浴中に分散させても、直ぐに凝集沈降してしまい
、そのため、メッキ液中で下向きになる面は上向きにな
る面に比べて、ダイヤモンド粒子の共析量が極端に少な
くなるという問題がある。そこで、共析処理条件、メッ
キ槽構造およびメッキ液循環方式等の複雑な条件を吟味
する必要があった。

【００１０】さらに、ダイヤモンドの粒径が大きいため
、メッキ被膜の表面が粗くなり、メッキ後に表面を平滑
にするための機械的な二次加工が必要であるという問題
があった。

【００１１】この発明は、前記事情に着目してなされた
もので、その目的とするところは、硬質粒子と潤滑性粒
子を使い分けるなどの手段をとる必要がなく、また二次
加工を行う必要もなく、表面が平滑で、摺動時等に相手
部品に傷をつけることがない優れた潤滑性と耐摩耗性と
を兼備した超微粒子ダイヤモンド共析被膜を施した機械
器具やそれらの部品等（以下「機器」という）を提供す
ることにある。

【００１２】この発明の他の目的は、簡単な被膜構造で
ありながら優れた潤滑性を長時間維持し、摩擦時の摩擦
エネルギーの減少により機器使用時の消費エネルギーの
節減を図ることができる超微粒子ダイヤモンド共析被膜
を施した機器を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段及び作用】この発明は、前
述した目的を達成するために、機器本体の表面に、ナノ
メータあるいはオングストローム単位の超微細な粒径で
、丸みを帯びた形状のダイヤモンド粒子クラスター（以
下「超微粒子」という）が分散された金属マクリックス
からなる共析被膜を施したことを特徴とする。

【００１４】この発明において、機器本体の表面に形成
された共析被膜には丸みを帯びた形状の超微粒子が分散
しており、この超微粒子が潤滑性と耐摩耗性を向上させ
る。この超微粒子は、ダイヤモンド粒子を分級化し、丸
みを帯びた形状に整粒化したもので、その粒径はナノメ
ータあるいはオングストロームオーダーであり、小さい
ほど好ましい。一般的には粒径が５００オングストロー
ム以下であれば所期の目的を充分達成することができる
が、１００オングストローム以下であれば尚更好ましい
。

【００１５】また、ダイヤモンド粒子は好ましくは多結
晶のものを用いる。多結晶ダイヤモンドは、単結晶のも
のと異って鋭利な角がなく、丸みを帯びた形状であるた
め、摺動時に相手部品に傷を付けるおそれがない。

【００１６】このような超微粒子は、不活性ガスを満た
した圧力容器内でＴＮＴ火薬を爆発させ、黒鉛に超高圧
超高温を加えることによって製造されるが、この発明で
用いられるナノメータあるいはオングストローム単位の
超微細な粒径の多結晶ダイヤモンドは、特に粒子成長速
度を大きな値（例えば約５ｍｍ／Ｓ）に制御することに
よって得られる。

【００１７】機器本体の表面に超微粒子が分散された金
属マトリックスからなる共析被膜を施す方法は特に限定
されず、例えばメッキ法によることができる。また、金
属マトリックスとなる金属は、ニッケル、ニッケル合金
（ニッケル・コバルト合金、ニッケル・タングステン合
金）、クロム、コバルト、コバルト合金、銅等を用いる
ことができる。

【００１８】メッキ法により共析被膜を施す場合、メッ
キ液は電解でも無電解でもよく、メッキ可能な金属を含
むものを用いる。超微粒子は、メッキ液に均一に分散さ
せる。例えば、純水中に超微粒子を入れ、超音波処理を
施した後メッキ液に混ぜると均一に分散させることがで
きる。メッキ浴中における超微粒子の懸濁量は２０ｃｔ
／ｌ以下とするのが好ましい。懸濁状態を長時間維持す
るために、必要に応じて界面活性剤を添加する。

【００１９】メッキ法による場合、超微粒子の粒径が非
常に小さいため、メッキ浴中での超微粒子の沈降速度は
極めて遅く、数時間に亘って懸濁状態を維持することが
できる。また、金属が析出する際に水素等のガスが発生
し、これによってメッキ液が対流を起こすので、メッキ
液を攪拌しなくても良好な懸濁状態を維持する。

【００２０】このメッキ浴に被メッキ物としての機器本
体を浸漬し、所要の厚さ、好ましくは膜厚０．１μｍ以
上の厚さの共析被膜を形成する。その際、メッキ中に、
機器本体に適度の揺動または衝撃を与えるとピンホール
の発生を防止できる。メッキ液中には超微粒子が均一に
分散しているので、上向きの面でも下向きの面でも超微
粒子が均一に共析する。

【００２１】

【実施例】

実施例１ 下記組成のメッキ液を用意した。 硫酸ニッケル　　　　　　　　　　２２ｇ／ｌ乳酸　　
　　　　　　　　　　　　　　　　２８ｇ／ｌプロピオ
ン酸　　　　　　　　２．２ｇ／ｌ次亜リン酸ナトリウ
ム　　２０ｇ／ｌ 表面活性剤　　　　　　　　　　２〜３滴超微粒子　　
　　　　　　　　　　　　３ｃｔ／ｌ

【００２２】別に
、被メッキ物たる機器本体としてアルミニウム合金から
なるピストンを用意し、図２に示すように、メッキ浴槽
１に前記組成のメッキ液２を収容してｐＨ４．６〜５．
５に保ち、前記ピストンをバスケット３に取付け、液温
９０℃で共析処理を行った。前記ピストンは、予め有機
溶剤およびアルカリ脱脂液を使用して油脂分を洗浄後、
アルカリおよび酸等によって活性処理を行い、ジンケー
ト処理後良く水洗したものを使用した。

【００２３】共析処理時間による被膜の厚みは、１０分
　　　　２μｍ ２０分　　　　４μｍ ３０分　　　　６μｍ で、図１に示すように、機器本体４の表面に超微粒子５
・・・が分散された金属マトリックス７の共析被膜が均
一に形成された。

【００２４】実施例２ 下記組成のメッキ液および機器本体としてアルミニウム
合金からなるＶＴＲ用シリンダを用意した。 硫酸ニッケル　　　　　　　　　　１５０ｇ／ｌ塩化ニ
ッケル　　　　　　　　　　２００ｇ／ｌホウ酸　　　
　　　　　　　　　　　　　　　３５ｇ／ｌ表面活性剤
　　　　　　　　　　　　２〜３滴超微粒子　　　　　
　　　　　　　　　　　６ｃｔ／ｌ

【００２５】前記メ
ッキ液を用いてｐＨ４．５に保ち、実施例１と同様の前
処理を行った機器本体を陰極に接続し、液温６０℃、電
流密度５Ａ／ｄｍ２で共析被膜処理を１０分間行い、被
膜厚さ３μｍの超微粒子が分散された金属マトリックス
共析被膜を施したＶＴＲ用シリンダを得た。

【００２６】実験１ この発明に係る超微粒子が分散された金属マトリックス
からなる共析被膜を施した機器の潤滑性、耐摩耗性を調
べるため、後述の材質の金属を用いて、それぞれ大きさ
および形状の異る試験片Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３をつくり、こ
れら試験片Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の表面に、前記実施例１と
同じメッキ液を用い前記実施例１と同様の無電解メッキ
法により膜厚２１〜２４μｍの超微粒子共析被膜処理を
施したものを用意し、その摩擦抵抗値を測定した。比較
のため、同じ材質の金属につき超微粒子共析被膜を施さ
ない素材のみの試験片Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３を用意し、その
摩擦抵抗値も測定した。

【００２７】実験に用いた金属の材質は、ＡＨＳ、２２
１８、Ａ３９０、ＡＣ８Ａ、ＶＳ８０、ＶＳ８１である
。図３は、試験片Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の大きさおよび形状
を示したもので、数値はその寸法（単位ｍｍ）を示す。

【００２８】図４は実験に用いた試験機である。この試
験機は原理的にピン−ディスクタイプであり、荷重であ
る重り１１に試験片Ｔ２またはＴ３を接着し、これをア
ルミニウム板のアーム１２の先端部に取り付け、回転す
る試験片Ｔ１の上に載せ、試験片Ｔ１とＴ２、Ｔ１とＴ
３の摩擦力によるアルミニウム板のアーム１２のたわみ
を歪ゲージで検出して動歪計１３を介してペンレコーダ
１４で記録する。

【００２９】実験に当っては、荷重１Ｎ、摩擦速度７．
０ｍ／ｍｉｎの低荷重、低摩擦速度とし、同一材質の金
属同士のＴ１とＴ２、Ｔ１とＴ３において５分間の摩擦
試験を行った。また、振動による外乱を防ぐため前記装
置の下にクッションを入れ、動力系ではゴム管を用いて
ターンテーブルとモータとを連結した。

【００３０】前記試験機は、ピン−ディスクタイプであ
り、その接触状態の概要を図５に示す。図５においてＮ
は垂直荷重、Ｒ１およびＲ２はディスク中心からのピン
の位置の内外径である。ピンとディスクの接触は、内半
径Ｒ１、外半径Ｒ２のリング形面積Ａ上で起こる。接触
している２面間の圧力は一様であると仮定すると、面積
要素ΔＡに作用する垂直力ΔＰの大きさは、ΔＰ＝ＮΔ
Ａ／Ａであり、ここにＡ＝π（Ｒ２２−Ｒ１２）である
。そして、ΔＡに働く摩擦力ΔＦの大きさはΔＦ＝μΔ
Ｐである。このディスク中心から面積要素ΔＡに至る距
離をｒで示すと、このディスク中心回りのΔＦのトルク
ΔＴは次の式で表わされる。

【００３１】

【数１】

【００３２】ここで、ピンとディスクとの摩擦力による
トルクをＴとし、ΔＡを極座標を用いて表した無限小要
素ｄＡ＝ｒｄθｄｒで換算して接触面上で積分すると、
次式が得られる。

【００３３】

【数２】

【００３４】以上の式から摩擦係数μを求めた。材質が
Ａ３９０である試験片Ｔ２における摩擦力の測定結果を
図６に示す。また各材質の試験片２における摩擦係数を
図７に示す。なお図６および図７において、ａは超微粒
子共析被膜処理を行ったもの、ｂは被膜処理なしのもの
である。

【００３５】前記測定の結果から、いずれの材質であっ
ても被膜処理なし（ｂ）に比べ超微粒子共析被膜を施し
たもの（ａ）は、摩擦係数が４〜５割程度減少している
ことがわかる。このことは超微粒子共析被膜処理を施し
た機器は、優れた潤滑性、耐摩耗性を有することを示す
ものである。

【００３６】次に、試験片Ｔ３の測定について説明する
。試験片Ｔ２の形状では接触状態が面接触であるため、
接触面各点における速度ベクトルが異なり、荷重分布に
偏りが生じ、また接触面前方で発生した摩耗粉の転がり
摩擦が後方で生じることが考えられるため、試験片Ｔ３
は図３のとおり形状を変えて接触状態を面接触から線接
触にし、摩擦力を測定した。

【００３７】材質がＡ３９０である試験片Ｔ３における
測定結果を図８に示す。また各材質の試験片３における
摩擦係数を図９に示す。なお、図８および図９でａは超
微粒子共析被膜処理を行ったもの、ｂは被膜処理なしの
ものである。前記測定の結果から、いずれの材質であっ
ても被膜処理なし（ｂ）に比べ超微粒子共析被膜を施し
たもの（ａ）は、摩擦係数が５〜６割程度減少している
ことがわかる。

【００３８】また、各試験片Ｔ２、Ｔ３における摩擦面
の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真による摩擦面解析結
果によると、超微粒子共析被膜を施した場合においては
、摩擦表面は塑性流動を起こしており、発生する摩耗粉
は３μｍ以下であった。これに対して被膜処理なしの場
合においては、摩擦表面は摩擦流動のほかに激しい凝着
と剪断破壊を繰り返しており、摩耗粉の大きさも７μｍ
前後と大きく量も多くなっていた。

【００３９】実験２ さらに、実施例１により２５分間共析処理し、５μｍの
共析被膜を施した機器の共析被膜表面の面粗さを接触型
および非接触型の各面粗さ測定機で測定した。測定の結
果は、面粗さＲａ＝２．７８ｎｍで非常に平滑な超微粒
子共析被膜であった。従来技術において、このようなｎ
ｍの微粒子共析被膜を施したものは皆無である。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれば
、機器本体の表面に、ナノメータあるいはオングストロ
ーム単位の超微細な粒径で、丸みを帯びた形状のダイヤ
モンド粒子クラスターが分散された金属マトリックスか
らなる共析被膜を施すことにより、硬質粒子と潤滑性粒
子に使い分けるなどの手段をとる必要なくして、潤滑性
と耐摩耗性に富んだ機器を提供することができる。さら
に、二次加工を行わなくても、表面が平滑で、摺動時に
相手部品に傷を付けることがない優れた潤滑性と耐摩耗
性を得ることができ、満足できる潤滑性、耐摩耗性を兼
備したピストンやＶＴＲ用シリンダ等の機器を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す超微粒子共析被膜を
施した機器の断面図。

【図２】メッキ装置の断面図。

【図３】試験片の形状および寸法を示す説明図。

【図４】摩擦摩耗試験機の斜視図。

【図５】試験機における試験片の接触状態を示す説明図
。

【図６】試験片Ｔ２の超微粒子共析被膜を施した試験片
と被膜なしの試験片の摩擦力を示すグラフ。

【図７】試験片Ｔ２における摩擦係数を示すグラフ。

【図８】試験片Ｔ３の超微粒子共析被膜を施した試験片
と被膜なしの試験片の摩擦力を示すグラフ。

【図９】試験片Ｔ３における摩擦係数を示すグラフ。

【符号の説明】

４・・・機器本体、５・・・超微粒子、７・・・金属マ
トリックス。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　機器本体の表面に、ナノメータあるい
   はオングストローム単位の超微細な粒径で丸みを帯びた
   形状のダイヤモンド粒子クラスターが分散された金属マ
   トリックスからなる共析被膜を施したことを特徴とする
   超微粒子ダイヤモンド共析被膜を施した機器。
2. 【請求項２】　　ダイヤモンド粒子クラスターは、粒径
   が５００オングストローム以下であることを特徴とする
   請求項１記載の超微粒子ダイヤモンド共析被膜を施した
   機器。
3. 【請求項３】　　共析被膜は、電解または無電解メッキ
   浴中に機器本体を浸漬して形成され膜厚が０．１μｍ以
   上であることを特徴とする請求項１記載の超微粒子ダイ
   ヤモンド共析被膜を施した機器。
4. 【請求項４】　　ダイヤモンド粒子クラスターの懸濁量
   は、２０ｃｔ／ｌ以下であることを特徴とする請求項３
   記載の超微粒子ダイヤモンド共析被膜を施した機器。