JPH05132787A

JPH05132787A - Ｔｉ合金製摺動部材

Info

Publication number: JPH05132787A
Application number: JP32527591A
Authority: JP
Inventors: Manabu Ozawa; 学小澤; Yoshitaka Takahashi; 義孝高橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1991-11-13
Filing date: 1991-11-13
Publication date: 1993-05-28

Abstract

(57)【要約】【目的】めっき層が形成されたＴｉ合金製摺動部材の摺
動部における耐摩耗性をさらに向上させる。【構成】Ｔｉ合金よりなり、互いに摺動する対の摺動部
をもつ摺動部材であって、一方の摺動部の表面に共析量
の多いセラミックス微細粒子を分散させた複合分散Ｎｉ
系めっき層２ｂを形成し、他方の摺動部の表面に共析量
の少ないセラミックス微細粒子を分散させた複合分散Ｎ
ｉ系めっき層２ｂ、又は単なるＮｉ系めっき層２ａを形
成してなる。マトリックスであるＮｉ系めっき同士の接
触による凝着摩耗の影響を少なくして、耐摩耗性を向上
させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＴｉ合金製摺動部材に関
する。本発明のＴｉ合金製摺動部材は、自動車量内燃機
関等のバルブスプリング等に使用されるＴｉ合金製コイ
ルばねなどに利用して好適である。

【０００２】

【従来の技術】自動車用内燃機関の動弁系バルブスプリ
ングには、通常ばね鋼やピアノ線等の鋼からなるコイル
ばねが使用されている。ところが、近年、自動車エンジ
ンの高速回転、高出力、又は低燃費等の要求が高まって
いるが、鋼製コイルばねを用いる場合、これらの要求に
応えるのに難しい状況にある。

【０００３】上記要求に応えるコイルばねとしては、軽
量化、固有振動数のアップ、サージング発生回転数の高
回転化など動弁系バルブスプリングとしての優れた特性
を期待できるＴｉ合金製コイルばねが適しており、これ
の実用化が待たれる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、Ｔｉ合金製コ
イルばねは、その材質上線間摩耗が起こりやすく、この
ためばねの設定荷重が低下したり、摩耗が進行して破損
に至るといった問題点がある。このようなＴｉ合金製コ
イルばねの耐摩耗性を改善するために、コイルばねの表
面にめっき層を形成する手段が考えられるが、この場合
もめっき層同士の摺動における耐摩耗性を十分に改善す
ることが困難である。

【０００５】本発明は、上記実情に鑑みてなされたもの
であり、めっき層が形成されたＴｉ合金製摺動部材の摺
動部における耐摩耗性をさらに向上させることを目的と
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本第１発明のＴｉ合金製
摺動部材は、Ｔｉ合金よりなり、互いに摺動する対の摺
動部をもつ摺動部材であって、両方の前記摺動部の表面
にセラミックス微細粒子を分散させた複合分散Ｎｉ系め
っき層が形成され、一方の該複合分散Ｎｉ系めっき層中
に分散されたセラミックス微細粒子の共析量をｍ、他方
の該複合分散Ｎｉ系めっき層中に分散されたセラミック
ス微細粒子の共析量をｎ（ただしｍ＞ｎ）としたとき、
Ｒ＝ｍ／（ｍ＋ｎ）で表される共析量比率：Ｒが０．６
以上１未満であることを特徴とする。

【０００７】本第１発明においては、互いに摺動する摺
動部のうちの一方の摺動部の表面に、共析量ｍのセラミ
ックス微細粒子を分散した複合分散Ｎｉ系めっき層が形
成され、他方の摺動部の表面に、上記共析量ｍより小さ
な共析量ｎのセラミックス微細粒子を分散した複合分散
Ｎｉ系めっき層が形成されている。そして、Ｒ＝ｍ／
（ｍ＋ｎ）、ただしｍ＞ｎ、で表される共析量比率：Ｒ
が０．６以上１未満である。上記共析量比率：Ｒが０．
６未満であると、共析量の少ない側の共析量、つまりｎ
が多すぎて、共析量の多い側のめっき層と同一皮膜に近
づき、耐摩耗性が低下する。

【０００８】また、上記共析量比率：Ｒ＝１のときはｎ
＝０、すなわち共析量の少ない側で共析が無い状態であ
り、上記他方の摺動部の表面にセラミックス微細粒子が
分散されていないＮｉ系めっき層が形成されている場合
である。この共析量比率：Ｒが１である本第２発明のＴ
ｉ合金製摺動部材は、Ｔｉ合金よりなり、互いに摺動す
る対の摺動部をもつ摺動部材であって、一方の前記摺動
部の表面にセラミックス微細粒子を分散させた複合分散
Ｎｉ系めっき層が形成され、他方の前記摺動部の表面に
Ｎｉ系めっき層が形成されていることを特徴とする。

【０００９】なお、本第１発明における共析量の多い側
のセラミックス微細粒子の共析量、つまりｍ、及び本第
２発明における複合分散Ｎｉ系めっき層中のセラミック
ス微細粒子の共析量は、そのセラミックス微細粒子が分
散された複合分散Ｎｉ系めっき層全体の５〜３０ｖｏｌ
％とすることが好ましい。これが５ｖｏｌ％より少ない
と充分な耐摩耗性を発揮できなくなり、３０ｖｏｌ％よ
り多いとセラミックス微細粒子の保持が難しくなる。

【００１０】上記Ｔｉ合金としては特に限定されない。
例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金に代表されるα＋β型
Ｔｉ合金、及びＴｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ合金
や、Ｔｉ−４Ｍｏ−８Ｖ−６Ｃｒ−３Ａｌ−４Ｚｒ合金
に代表されるβ型Ｔｉ合金等から適宜選択して使用する
ことができる。上記セラミックス微細粒子としては、Ｓ
ｉ₃Ｎ₄等の窒化物、ＳｉＣ等の炭化物、ＺｒＯ₂等の
酸化物の中から少なくとも１種又はそれ以上を選択して
用いることができる。特に、より硬質の微細粒子の方が
好ましい。なおセラミックス微細粒子の平均粒子径は、
１〜１０μｍとすることが好ましく、これが１０μｍよ
り大きいと粒子の保持が難しくなるばかりでなく相手攻
撃性が増し、耐摩耗性も低下する。また、１μｍより小
さいと十分な耐摩耗性を発揮できなくなる。

【００１１】上記複合分散Ｎｉ系めっき層及びＮｉ系め
っき層は、Ｎｉめっき層、Ｎｉ−Ｐめっき層、Ｎｉ−Ｐ
−Ｃｏめっき層等とすることができるが、めっき層とし
ての耐摩耗性を考慮した場合、Ｎｉ−Ｐめっき層やＮｉ
−Ｐ−Ｃｏめっき層の方が好ましい。また複合分散Ｎｉ
系めっき層及びＮｉ系めっき層は、電解めっき、無電解
めっきのいずれによっても形成することができる。ただ
し、めっき層の均一性を考慮する場合、無電解めっきに
より形成することが好ましい。

【００１２】この複合分散Ｎｉ系めっき層及びＮｉ系め
っき層の膜厚は、５〜３０μｍとすることが好ましい。
複合分散Ｎｉ系めっき層及びＮｉ系めっき層の膜厚が５
μｍより薄いと、めっき層として耐摩耗性に寄与する効
果が乏しいばかりでなく、高耐摩耗性を発揮するセラミ
ックス微細粒子の保持が難しくなる。また、複合分散Ｎ
ｉ系めっき層及びＮｉ系めっき層の膜厚が３０μｍより
厚いと、めっき層中の内部応力が高くなるので、めっき
層に亀裂が発生し易くなり、その疲労寿命が低下する。

【００１３】なお、複合分散Ｎｉ系めっき層は、セラミ
ックス微細粒子をＮｉ系めっき液中に均一に浮遊分散さ
せた状態で、無電解めっき又は電解めっきにより形成す
ることができる。上記複合分散Ｎｉ系めっき層及びＮｉ
系めっき層は、上記摺動部の表面上に析出したままの状
態のめっき層でもよい。しかし、熱処理を行うことによ
り、例えば非晶質のＮｉ−Ｐめっき層をＮｉ₃Ｐ化合物
が析出した組織とするのが好ましい。このめっき後の熱
処理は、図６に示すＮｉ−Ｐめっき層の熱硬化特性や、
図７に示すＮｉ−Ｐめっき層の疲労寿命の変化や、図８
に示すＮｉ−Ｐめっき層のＬＦＷ試験摩耗量などを考慮
して、２５０〜４００℃の温度で、３０分〜２時間行う
ことが好ましい。

【００１４】本第１発明及び本第２発明のＴｉ合金製摺
動部材の形状は、互いに摺動する対の摺動部をもつもの
であれば特に限定されないが、本第１発明及び本第２発
明のＴｉ合金製摺動部材はコイルばねなどに好適に利用
することができる。この場合、通常の冷間伸線、コイリ
ング、時効処理、研削、ショットピーニング、低温焼
鈍、ドライホーニング等の工程を経て成形したＴｉ合金
製のコイルバネ本体の互いに摺動する対の摺動部、つま
りコイルばねの線間で作動中に互いに摺接する部分に複
合分散Ｎｉ系めっき層やＮｉ系めっき層を形成して構成
することができる。なお、コイルばねの形状としては、
オープンエンド形状が好ましい。また、コイルばねの端
部の座面を平坦にしたものでも、端部が断面円形のまま
のものでもよい。

【００１５】

【発明の作用】本第１発明のＴｉ合金製摺動部材は、互
いに摺動する対の摺動部のうちの一方の摺動部に、共析
量ｍのセラミックス微細粒子を分散させた複合分散Ｎｉ
系めっき層を形成し、かつ他方の摺動部に、上記共析量
ｍより少なくかつ所定の共析量比率：Ｒを満たす共析量
ｎのセラミックス微細粒子を分散させた複合分散Ｎｉ系
めっき層を形成してなるものである。

【００１６】これらの複合分散Ｎｉ系めっき層が摺動す
る場合、上記共析量の少ない複合分散Ｎｉ系めっき層側
からみたとき、該共析量の少ない複合分散Ｎｉ系めっき
層は、上記共析量の多い複合分散Ｎｉ系めっき層のマト
リックスとしてのＮｉ系めっきでなく皮膜中のセラミッ
クス微細粒子と優先的に接触する。このため、マトリッ
クスとしてのＮｉ系めっき同士の接触が少なくなり、凝
着摩耗の影響が少なくなる。

【００１７】また、その理由は明らかではないが、同一
皮膜同士の摺動では摩耗量が多くなることが一般的に知
られている。このため、セラミックス微細粒子の共析量
が互いに異なる複合分散Ｎｉ系めっき層同士の摺動であ
る本第１発明の摺動部材では、異種皮膜間での摩耗現象
を示し、その摩耗量は同一皮膜同士と比べて少ない。さ
らに、複合分散Ｎｉ系めっき層のマトリックスであるＮ
ｉ系めっきは優れた耐摩耗性をもつとともに、セラミッ
クス微細粒子もさらに優れた耐摩耗性をもっている。

【００１８】したがって、本第１発明のＴｉ合金製摺動
部材は、互いに摺動する対の摺動部における耐摩耗性が
向上する。本第２発明のＴｉ合金製摺動部材は、互いに
摺動する対の摺動部のうちの一方の摺動部に、セラミッ
クス微細粒子を分散させた複合分散Ｎｉ系めっき層を形
成し、かつ他方の摺動部に、セラミックス微細粒子を分
散させていない単なるＮｉ系めっき層を形成してなるも
のであり、上記第１発明と同様の作用を奏する。

【００１９】複合分散Ｎｉ系めっき層と単なるＮｉ系め
っき層とが摺動する場合、Ｎｉ系めっき層は、複合分散
Ｎｉ系めっき層のマトリックスとしてのＮｉめっきでは
なく皮膜中のセラミックス微細粒子と優先的に接触する
ので、マトリックスとしてのＮｉ系めっき同士の接触が
少なくなり、凝着摩耗の影響が少なくなる。また、上記
第１発明は、上述したようにセラミックス微細粒子の共
析量の異なる複合分散Ｎｉ系めっき層同士の摺動なので
異種皮膜間での摩耗現象を示すものの、セラミックス微
細粒子を分散させた複合分散Ｎｉ系めっき層同士の摺動
という点では巨視的に同一皮膜間に近い摩耗現象を示
す。複合分散Ｎｉ系めっき層と単なるＮｉ系めっき層と
が摺動する完全に異種皮膜間での摩耗現象を示す本第２
発明のＴｉ合金製摺動部材は、耐摩耗性がさらに向上す
る。

【００２０】なお、前述の第１発明の摺動部材におい
て、繰り返しの摺動により、複合分散Ｎｉ系めっき層の
表面に保持されたセラミッス微細粒子が脱離するので、
共析量の少ない側のセラミックス微細粒子が摺動面に無
い状態になることもあり、このときは上記第２発明の摺
動部材と同様に作用する。

【００２１】

【実施例】以下、本発明のＴｉ合金製摺動部材をＴｉ合
金製コイルばねに適用した実施例を説明する。（実施例１）図１に本実施例１のＴｉ合金製コイルばね
を示す。このＴｉ合金製コイルばねは、その拡大断面図
を図２示すように、Ｔｉ合金からなるオープンエンド形
状のコイルばね本体１と、このコイルばね本体１の表面
に形成されためっき層２とから構成されている。なお、
めっき層２は、コイルばねの線間で、図１の上側の面に
形成されたＮｉ−Ｐめっき層２ａと、図１の下側の面に
形成され、Ｓｉ₃Ｎ₄よりなるセラミックス微細粒子
（平均粒径１〜２μｍ）を約１０ｖｏｌ％分散させた複
合分散Ｎｉ−Ｐめっき層２ｂとからなる。上記Ｎｉ−Ｐ
めっき層２ａの金属組織を示す顕微鏡写真（×４００
倍）を図３に、上記複合分散Ｎｉ−Ｐめっき層２ｂの金
属組織を示す顕微鏡写真（×４００倍）を図４に示す。
図３及び図４中、略中央を横切る白い帯状のものがそれ
ぞれめっき層であり、図４の複合分散Ｎｉ−Ｐめっき層
２ｂ中には黒いセラミックス微細粒子が分散しているの
が確認できる。

【００２２】本実施例１のＴｉ合金製コイルばねは、Ｔ
ｉ−４Ｍｏ−８Ｖ−６Ｃｒ−３Ａｌ−４Ｚｒ合金のβ型
Ｔｉ合金素材を用い、通常の冷間伸線、コイリング、時
効処理、研削、ショットピーニング、低温焼鈍、ドライ
ホーニング等の工程を経て、コイル平均径２１．０ｍ
ｍ、線径３．０ｍｍ、総巻き数４．３、有効巻き数２．
３、ばね定数１８．５７ＭＰａのコイルばね本体１を成
形した。

【００２３】Ｓｉ₃Ｎ₄よりなるセラミックス微細粒子
を分散させた無電解Ｎｉ−Ｐめっき液を用いて、上記コ
イルばね本体１の表面上に膜厚１５μｍのめっき層２を
形成した。そして、３３０℃×２時間の熱処理を施し
て、本実施例１のＴｉ合金製コイルばねとした。なお、
上記めっき処理中、めっき液中で部分的に流速を制御す
ることにより、単なるＮｉ−Ｐめっき層２ａと、複合分
散Ｎｉ−Ｐめっき層２ｂとを形成した。（実施例２）ＳｉＣを約１５ｖｏｌ％分散させた複合分
散Ｎｉ−Ｐめっき層２ｂとすること以外は、上記実施例
１と同様にして実施例２のＴｉ合金製コイルばねを製造
した。（実施例３）ＺｒＯ₂を約１５ｖｏｌ％分散させた複合
分散Ｎｉ−Ｐめっき層２ｂとすること以外は、上記実施
例１と同様にして実施例３のＴｉ合金製コイルばねを製
造した。（実施例４）図５の断面図に示すように、Ｓｉ₃Ｎ₄を
約２０ｖｏｌ％分散させた複合分散Ｎｉ−Ｐめっき層２
ｂとし、かつ上記実施例１におけるＮｉ−Ｐめっき層２
ａをＳｉ₃Ｎ₄を共析量比率Ｒ＝０．７となるように分
散させた複合分散Ｎｉ−Ｐめっき層２ｂとすること以外
は、上記実施例１と同様にして実施例４のＴｉ合金製コ
イルばねを製造した。（実施例５）ＳｉＣを約１０ｖｏｌ％分散させた複合分
散Ｎｉ−Ｃｏ−Ｐめっき層２ｂとすること以外は、上記
実施例１と同様にして実施例５のＴｉ合金製コイルばね
を製造した。（実施例６）めっき層２の膜厚を５μｍとすること以外
は、上記実施例１と同様にして実施例６のＴｉ合金製コ
イルばねを製造した。（比較例１）上記実施例１のコイルばね本体のみからな
る比較例１のＴｉ合金製コイルばねを製造した。（比較例２）セラミックス微細粒子を含まない通常の無
電解Ｎｉ−Ｐめっきによりめっき層２を形成すること以
外は、上記実施例１と同様にして比較例２のＴｉ合金製
コイルばねを製造した。（比較例３）めっき層２全体を、Ｓｉ₃Ｎ₄を１０ｖｏ
ｌ％分散させた複合分散Ｎｉ−Ｐめっき層により形成す
ること以外は、上記実施例１と同様にして比較例３のＴ
ｉ合金製コイルばねを製造した。（評価）上記実施例１〜６、及び比較例１〜３の耐久性
を確認するため、自動車用４サイクルエンジンを用い、
連続高速耐久試験を実施して、線間摩耗痕幅を測定した
試験条件はエンジン回転数６０００ｒｐｍ×１８０時間
とした。この結果を表１に示す。なお、表１には、線間
での最大の線間摩耗痕幅を示す。

【００２４】

【表１】表１からも明らかなように、本実施例に係るＴｉ合金製
コイルばねは耐摩耗性が格段に向上することが確認でき
た。また、実施例１と実施例４とを比較してもわかるよ
うに、共析量比率：Ｒが１未満のときよりも１であると
きの方が耐摩耗性が向上している。

【００２５】

【発明の効果】以上詳述したように本第１発明のＴｉ合
金製摺動部材は、セラミックス微細粒子の共析量が互い
に異なる複合分散Ｎｉ系めっき層同士が摺動するので、
摺動部における耐摩耗性が向上して、その耐久性が向上
し、Ｔｉ合金製コイルバネなどに好適に利用することが
可能となる。

【００２６】また、本第２発明のＴｉ合金製摺動部材
は、複合分散Ｎｉ系めっき層とＮｉ系めっき層とが摺動
するので、摺動部における耐摩耗性がさらに向上し、そ
の耐久性もさらに向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例１に係るＴｉ合金製コイルばねの平面
図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。

【図３】本実施例１に係るＴｉ合金製コイルばねにおい
て、セラミックス微細粒子の共析量が多い複合分散Ｎｉ
系めっき層を含む部分の金属組織を示す顕微鏡写真（×
４００倍）である。

【図４】本実施例１に係るＴｉ合金製コイルばねにおい
て、セラミックス微細粒子が分散されていないＮｉ系め
っき層を含む部分の金属組織を示す顕微鏡写真（×４０
０倍）である。

【図５】本実施例４のＴｉ合金製コイルばねに係る図１
のＡ−Ａ線断面図である。

【図６】Ｎｉ−Ｐめっきの熱硬化特性を示す図である。

【図７】Ｎｉ−Ｐめっきの熱処理温度に対する疲労寿命
の変化を示す図である。

【図８】Ｎｉ−Ｐめっきの熱処理温度に対する摩耗量の
変化を示す図である。

【符号の説明】

１はＴｉ合金製コイルバネ本体、２ａはＮｉ系めっき
層、２ｂは複合分散Ｎｉ系めっき層である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｔｉ合金よりなり、互いに摺動する対の
摺動部をもつ摺動部材であって、両方の前記摺動部の表面にセラミックス微細粒子を分散
させた複合分散Ｎｉ系めっき層が形成され、一方の該複
合分散Ｎｉ系めっき層中に分散されたセラミックス微細
粒子の共析量をｍ、他方の該複合分散Ｎｉ系めっき層中
に分散されたセラミックス微細粒子の共析量をｎ（ただ
しｍ＞ｎ）としたとき、Ｒ＝ｍ／（ｍ＋ｎ）で表される
共析量比率：Ｒが０．６以上１未満であることを特徴と
するＴｉ合金製摺動部材。
【請求項２】Ｔｉ合金よりなり、互いに摺動する対の
摺動部をもつ摺動部材であって、一方の前記摺動部の表面にセラミックス微細粒子を分散
させた複合分散Ｎｉ系めっき層が形成され、他方の前記
摺動部の表面にＮｉ系めっき層が形成されていることを
特徴とするＴｉ合金製摺動部材。