JPH05331694A - 機械構造用複合めっき非鉄金属材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 耐摩耗性、耐焼付き性、潤滑性等に優れ、摺
動部や転動部を有する機械構造用部品として有用な、耐
摩耗性に優れた非鉄金属系の複合めっき金属材を提供使
用とするものである。、 【構成】 Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｚ
ｎ，Ｓｎよりなる金属の１種以上、もしくはこれらの金
属とＰ，Ｂ，Ｗの１種以上とからなるめっき材を基体と
し、該めっき基体中に、特定の硬質化粒子と潤滑性粒子
を分散させることによって、めっき層表面の摩擦係数を
低減すると共に潤滑性を与え、摺動、転動部材としての
寿命延長を図る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐摩耗性、耐焼付き
性、潤滑性、耐食性に優れ、摺動部や転動部を有する機
械構造用部品材料として有用な複合めっき非鉄金属材に
関し、この非鉄金属材は、例えば自動車等のエンジンバ
ルブ、ピストンリング、シリンダー、コイルスプリン
グ、リテーナーあるいは各種ベアリングと接触する軸
材、更にはギヤ等の動力伝達系部材との接触部品等の素
材として活用できる。

【０００２】

【従来の技術】各種金型や機械部品等の摩耗部には、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等に浸炭処理、焼入れ・焼戻し
処理、浸炭窒化処理、軟窒化処理等を施した耐摩耗性鋼
材が汎用されており、これらにより耐摩耗性に対する要
求は一応満たされている。しかしこれらの耐摩耗性鋼材
は比重が大きいため、各種車両（自転車、自動車等）や
航空機等の軽量化の動向にそぐわない。そこで軽量化の
動きに適した金属材としてＴｉ合金、Ａｌ合金、Ｍｇ合
金等の非鉄金属材が再び注目さている。

【０００３】Ｔｉ合金、Ａｌ合金、Ｍｇ合金等は、耐食
性や高温比強度に優れたものであるところから、これま
でにも各種化学工業用および航空、宇宙輸送機等の各種
構造部材として広く使用さてきた。近年、自動車を始め
とする各種輸送機に対する高級化の要求が高まり、快適
走行、安全走行等の機能アップが指向されるにつれて付
属的な各種機能部品はますます多くなる傾向があり、そ
れに伴って車体重量の増加の問題が生じている。しかも
車体軽量化による燃費低減あるいは排ガス低減に対する
要求が一段と高まっており、これらの課題を併せて解決
する為に、これまでの鉄鋼材料に代わってＴｉ合金、Ａ
ｌ合金、Ｍｇ合金等の非鉄系の金属材を利用しようとす
る動きが急速に高まっている。

【０００４】しかしながらこれらの非鉄金属材は、その
ままでは耐焼付き性や耐摩耗性に欠けるため実用性を欠
く。そこで機械の摺動部材や軸材として使用しようとす
る場合は、電気めっき、無電解めっき、気相めっき、ガ
ス窒化、溶射等の表面処理によって耐摩耗性を高める方
法が試みられている。このうち電気めっきや無電解めっ
き等のめっき法は、最も手軽な表面処理法として多くの
研究が進められている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらＴｉ合
金、Ａｌ合金、Ｍｇ合金等の表面には強固な酸化皮膜が
形成されているため、金属イオン含有水溶液を用いる電
気めっき法や無電解めっき法では満足のいく密着性が得
られ難い。

【０００６】また気相めっき法やガス窒化処理法では、
通常５μｍ程度の厚さの硬質皮膜しか得られず、高面圧
下の摺動摩擦や転動摩擦に耐えることができない。更に
溶射皮膜は概して強度が乏しいため、高面圧の転動摩耗
に耐えきれず、いずれの表面処理法でも上記の様な非鉄
金属部材に十分な耐摩耗性を付与することはできない。

【０００７】たとえば軸材におけるボールベアリングや
ニードルベアリングとの接触部は、点接触あるいは線接
触となるため、接触部には１００Kgf/mm² 程度の最大接
触応力がかかり、表面から数１０〜数１００μｍ程度の
深さ位置で最大剪断応力が生じる。そしてこの応力が繰
り返し負荷されることによって、材料に疲労破壊が発生
しフレーキングを引き起こすので、ＷＣやＴｉＮ等のセ
ラミックス硬質材料の様に一般に高耐摩耗性材料として
汎用されている硬質材料であっても、耐転動摩耗性に劣
るものは適用できない。

【０００８】一方、摺動摩耗部の耐摩耗性を高める方法
としては、溶射、無電解Ｎｉ−Ｐめっき、分散めっき、
ＣＶＤ、ＰＶＤ等によって硬質皮膜を形成する方法が知
られており、接触応力が比較的小さな摺動部に対しては
実用化されている。しかしながら、高面圧を受ける摺動
部に適用すると短時間の使用で前述の様なフレーキング
を引き起こすので、自動車部品の様に非常に大きな面圧
が繰り返して負荷される摺動摩耗部材としては実用性を
欠く。

【０００９】本発明は上記の様な事情に着目してなされ
たものであって、その目的は、前述の様な機械構造部品
の軽量化の動向に適合し、且つ高面圧下の摺動・転動摩
耗にも十分に耐えることのできる耐摩耗性に優れた機械
構造用複合めっき非鉄金属材を提供しようとするもので
ある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すること
のできた本発明の機械構造用複合めっき非鉄金属材の構
成は、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｓｎ，Ｚ
ｎよりなる群から選択される金属の１種以上、若しくは
これらの金属とＰ，Ｂ，Ｗの１種以上とからなるめっき
材を基体とし、該めっき基体中にＳｉＣ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，
Ｓｉ₃ Ｎ₄ ，ＷＣ，ＴｉＣ，ＴｉＮよりなる群から選択
される硬質化粒子の１種以上と、ＢＮ，ＭｏＳ₂ ，炭化
弗素，グラファイト、雲母よりなる群から選択される潤
滑性粒子の１種以上とが分散してなる複合めっき層を、
非鉄金属材の表面に形成したものであるところに要旨が
存在する。

【００１１】また、非鉄金属材の表面に、まずＮｉ，Ｆ
ｅ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｓｎ，Ｚｎよりなる群か
ら選択される金属の１種以上、若しくはこれらの金属と
Ｐ，Ｂ，Ｗの１種以上とからなるめっき層を形成し、更
にその上に硬質化粒子や潤滑性粒子が分散された上記構
成の複合めっき層を形成したものは、一層優れた耐摩耗
性を発揮する。

【００１２】ここで、めっき基体中に分散される硬質化
粒子や潤滑性粒子の平均粒径は０．０１〜５０μｍの範
囲が好ましく、またその含有量は複合めっき層内に占め
る比率で１〜３０体積％の範囲が好ましい。また本発明
では、めっき基体中に複合添加される硬質化粒子及び潤
滑性粒子によって表層部の耐摩耗性を高めるものである
から、これらの含有率はめっき層の表層側に行くにつれ
て高濃度となる様な濃度勾配を有するものが好ましい。
更に、該複合めっき層の非鉄金属材との密着性を一段と
高めるため、表面粗度がＲａ：０．５μｍ以上、ＰＰＩ
₅₀：１３０以上の非鉄金属材の表面に当該めっき層が形
成されたものが好ましい。

【００１３】

【作用】各種の機械構造用摺動・転動部材の寿命を支配
する要因としては、凝集摩耗、摺動摩耗、焼き付き、あ
るいは繰り返し受ける転動応力による疲労破壊（フレー
キング）があり、これらの要因を解消して高面圧下の耐
摩耗性を高めるには、表層部の構成素材を硬質のものと
すると共に優れた潤滑性を与える必要がある。

【００１４】本発明ではこうした要求を持たす為の手段
として、非鉄金属材の表面に、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃ
ｕ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｓｎ，Ｚｎよりなる群から選択される
金属の１種以上、若しくはこれらの金属とＰ，Ｂ，Ｗの
１種以上とからなるめっき材を基体とし、該めっき基体
中に後述する様な硬質化粒子と潤滑性粒子が分散した複
合めっき層を形成したものである。

【００１５】ここでＰ，Ｂ，Ｗから選ばれる固溶硬化元
素の作用効果を有効に発揮させるための好ましい含有率
は、前記主めっき金属に対して０．５〜７．０重量％、
より好ましくは１．０〜３．５重量％の範囲である。

【００１６】本発明で用いられる硬質化粒子は、めっき
基体を硬質化して表面の摩耗係数を低減させる効果を有
するものであり、ＳｉＣ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，Ｓｉ₃ Ｎ₄ ，Ｗ
Ｃ，ＴｉＣ，ＴｉＮよりなる群から選択される微粒子が
単独で、もしくは２種以上が組み合わせて使用される。
また潤滑性粒子としては、摺動・転動等の外力により徐
々に劈開などを起こして摩耗面に微細な固形潤滑剤を提
供する作用を有するものとしてＢＮ，ＭｏＳ₂ ，炭化弗
素，グラファイト、雲母よりなる群から選択される微粒
子が使用され、これらも必要により２種以上を併用する
ことができる。

【００１７】またこれらの硬質化粒子および潤滑性粒子
は、前記めっき基体の靱性や耐疲労特性を阻害すること
なく摩擦係数低減効果および潤滑効果を有効に発揮させ
るため、いずれも平均粒子径が０．０１〜５０μｍ、よ
り好ましくは０．１〜３０μｍの範囲のものを使用する
のがよく、またその含有量は複合めっき層全体中に占め
る比率で１〜３０体積％、より好ましくは５〜１５体積
％の範囲とするのがよい。このうち硬質化粒子の好まし
い含有率は０．１〜１５体積％、潤滑性粒子の好ましい
含有率は０．１〜５体積％である。

【００１８】尚これらの硬質化粒子および潤滑性粒子
は、前述の如く複合めっき層の摩擦係数低減と潤滑性向
上を目的として添加・分散されるものであり、それらの
効果はめっき層の表面で最も効果的に発揮されるので、
それら粒子は複合めっき層内における表層側に行くにつ
れて高濃度となる様な分散量の濃度分布をつけることに
より、これら粒子の効果を一層効果的に発揮させること
ができる。また複合めっき層における下方側を硬質化粒
子リッチとし、表層側を潤滑性粒子リッチとすれば、固
形潤滑剤としての供給が更に安定して行なわれることに
なり、耐摩耗性を一段と高めることができるので好まし
い。

【００１９】また本発明では、非鉄金属材の表面にまず
Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｓｎ，Ｚｎより
なる群から選択される金属の１種以上、若しくはこれら
の金属とＰ，Ｂ，Ｗの１種以上とからなるめっき層を下
地層として形成し、、更にそのうえに硬質化粒子と潤滑
性粒子が分散された前述の複合めっき層を形成すれば、
該下地めっき層によって複合めっき層と非鉄金属材との
密着性が高められるばかりでなく、該下地めっき層が高
靭性、高疲労特性の支持層としての作用を発揮し、軸材
や軸受け材等としての寿命を一層効果的に高めることが
できる。

【００２０】本発明で使用する非鉄金属材は、前述の如
く鋼材に代わるものとして単位重量当たりの強度特性に
おいて鋼材よりも優れた性能を示す金属材を意図するも
のであり、最も一般的なのはＴｉ，Ａｌ，Ｍｇあるいは
それらを主成分とする合金であるが、複合めっき層によ
る前述の耐摩耗性改善効果は母材の如何を問わず有効に
発揮されるので、非鉄金属材の種類はどの様なものであ
ってもよい。

【００２１】また非鉄金属材と複合めっき層の間に高靭
性、高疲労特性の下地めっき層を介在させることによっ
て延命効果が高められることは先に述べた通りである
が、該下地めっき層若しくは複合めっき層の非鉄金属材
表面に対する接合強度を高めるため、当該非鉄金属材表
面を各種薬剤によるエッチング、若しくはショットブラ
ストやサンドブラスト等によって粗面化し、アンカー効
果あるいは接合有効面積拡大効果によってめっき層との
接合力を高めることは、本発明を実施する際の好ましい
態様の一つである。

【００２２】こうした効果を有効に発揮させるための好
ましい表面粗度は、Ｒａで０．５μｍ以上、ＰＰＩ₅₀で
１３０以上である。但し表面粗度が大き過ぎると、凹凸
を埋めて表面を平滑化するのにめっき層を極端に厚くし
なければならなくなるので、Ｒａで１０μｍ程度以下、
ＰＰＩ₅₀で５００程度以下に抑えることが望まれる。こ
こでＰＰＩ（Ｐｅａｋｓ Ｐｅｒ Ｉｎｃｈ） とは、
接触式表面粗さ計の抽出線（測定値）の平均線から正負
方向に一定の基準レベルＨを設け、負の基準レベルを超
えた後、正の規準レベルを超えた時を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り、ＰＰＩ₅₀：１
３０とは、規準レベルを５０μｍとしたときの１インチ
当たりの山数が１３０であるものを意味する。

【００２３】複合めっき層或は下地めっき層と複合めっ
き層のトータル厚みは、非鉄金属材の表面粗度によって
も変わってくるので一律に決めることはできないが、耐
摩耗性を有効に発揮させるには１μ以上、より好ましく
は１０μ程度以上にするのがよい。また優れ耐転動摩耗
性を得る上では、該めっき厚さを５０μｍ以上にするこ
とが望まれる。めっき厚さの上限は特に限定されない
が、めっき効率や経済性等を総合的に考えると５００μ
ｍ程度以下、より一般的には２００μｍ程度以下に抑え
るのがよい。

【００２４】ところでめっき層中に硬質化粒子および潤
滑性粒子を分散させる方法にも格別の制限はないが、最
も一般的な方法として例示するならば、めっき浴中に所
定量の硬質化粒子と潤滑性粒子を投入してポンプ攪拌、
インペラ攪拌、空気攪拌等によって分散しておき、該め
っき浴中で被めっき金属材を陰極として電気めっきを行
ない、該めっき工程で被めっき金属材近傍の分散粒子を
物理的にめっき層内へ混入させていく方法である。この
とき、めっき層内への分散粒子の混入量は基本的にはめ
っき浴中の分散粒子の濃度に比例するが、めっき浴の攪
拌速度やめっき浴のｐＨ、めっき電流密度等によって若
干の影響を受けるので、これらを総合的に制御すること
によって分散粒子の混入量を調整すればよい。

【００２５】また複合めっき層中における前記粒子の分
散量に勾配を設ける方法としては、経時的にめっき浴
中の分散粒子濃度を変化させる方法、めっき電流密度
やめっき浴ｐＨを変化させる方法、分散粒子に電荷を
与え、もしくは電荷量を変化させる方法等を採用すれば
よい。また第１めっき浴槽に硬質化粒子のみを分散させ
ておき、第２浴層に潤滑性粒子のみを分散させておいて
連続的に電気めっきする方法を採用すれば、下層側が硬
質化粒子リッチで且つ表層側が潤滑性粒子リッチの複合
めっき層を得ることができる。

【００２６】尚２種以上の分散粒子をめっき浴槽中に同
時に添加して電気めっきを行なう場合、粒子の特性（比
重、濡れ性、粒子径等）によってはめっき浴槽内におけ
る分散状態が不均一になることがあるので、この様な場
合はめっき浴の攪拌力を高めて均一な分散状態で電解め
っきが行なわれる様にすることが望まれる。

【００２７】

【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、固
溶硬化元素を含む特定のめっき金属基体中に、硬質化粒
子と潤滑性粒子の両方が分散された複合めっき層を、非
鉄金属材の表面に形成することによって、高面圧下の摺
動摩耗や転動摩耗にも十分に耐える耐摩耗性を有し且つ
高靭性で耐疲労特性の優れた非鉄系の機械構造用金属材
を提供し得ることになった。

【００２８】

【実施例】以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に
説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限
を受けるものではない。

【００２９】非鉄系の被めっき金属材としてＴｉ合金，
Ａｌ合金またはＭｇ合金を使用し、脱脂→水洗→エッチ
ング→水洗→表面活性化処理（陰極電解活性等）を行な
った後、下記の条件で電気めっきを行なうことによっ
て、耐摩耗性複合めっき材を得た。なお、各母材の表面
粗度は、エッチング工程でいずれもＲａ：０．５〜０．
８、ＰＰＩ₅₀：１５０〜１９０となる様に調整した。

【００３０】めっき浴の基本組成は下記の通りとし、 ＮｉＳＯ₄ ・６Ｈ₂ Ｏ：１２０〜２５０（ｇ／ｌ） ＮｉＣｌ₂ ・６Ｈ₂ Ｏ： ４０〜２００（ｇ／ｌ） Ｈ₃ ＢＯ₃ ： １〜５ （ｇ／ｌ） Ｈ₃ ＰＯ₃ ： ４〜２０ （ｇ／ｌ） Ｈ₃ ＰＯ₄ ： ３０〜１２０（ｇ／ｌ） ｐＨ ：０．５〜４．０

【００３１】該めっき浴にＦｅ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｚ
ｎ，Ｍｎ，Ｓｎ等の金属元素を硫酸塩として適宜添加す
ると共に、前述の固溶硬化元素、硬質化粒子および潤滑
性粒子（いずれも平均粒子径は１〜５０μｍ）を添加
し、エア攪拌によってめっき浴を攪拌しつつ、電流密
度：５〜５０Ａ／ｄｍ² 、浴温：５０〜７０℃で電気め
っきを行なった。この際、めっき応力低減剤としてサッ
カリン、サッカリンソーダ、ベンゼンスルホン酸ソーダ
またはパラトルエンスルホンアミドを０．１〜２．０ｇ
／ｌの範囲で添加し、めっき応力が１０kgf/mm² 以下に
なる様に制御した。

【００３２】また分散粒子のめっき基体中への混入量に
濃度勾配を与える方法としては、経時的に浴中の分散粒
子の濃度を変化させる方法を採用した。即ち電解のスタ
ート時にはめっき浴中の分散粒子濃度を零とし、その後
徐々に粒子を加えていくことによってめっき浴中の分散
粒子濃度を高めて行き、最表面に近づくほど分散粒子濃
度が高くなる様にコントロールした。

【００３３】得られた各複合めっき金属材について、表
面硬度を測定すると共に、下記の方法で転動摩耗試験を
行ない、表１〜４に示す結果を得た。尚表１，２は、単
層めっきの構成と試験結果を示したものであり、また表
３，４は、下層と上層の２層めっきとしたものの構成と
試験結果を示したものである。また表５には、硬質化粒
子および潤滑性粒子の一方だけを分散させた従来例のＮ
ｉ基めっき材（めっき後に熱処理を加えたもの）を比較
例として示した。

【００３４】（転動摩耗試験法） 試験概要図：図１（但し、１は供試非鉄金属材、２は複
合めっき部、３は回転ボール、４は軸受け、５は台座を
夫々表わす） 面圧 ： ４００kgf/mm² 速度 ： １００ｒｐｍ 潤滑 ： な し 相手材 ： ＳＵＳ製ボ−ルベアリング 評価 ： ◎ 優れている ○ やや優れている △ やや劣る × 非常に劣る

【００３５】

【表１】

【００３６】

【表２】

【００３７】

【表３】

【００３８】

【表４】

【００３９】

【表５】

【００４０】表１〜５からも明らかである様に、本発明
の規定要件を満たす複合めっき材は、表面硬度が特に高
いわけでもないのに非常に優れた耐転動摩耗性を有して
いることが分かる。これに対しＮｏ．３７〜４１は、硬
質化粒子および潤滑性粒子のいずれも分散されておらな
い比較例であり、熱処理により表面硬度を高めることは
できるが、それにより耐摩耗性はかえって悪くなる。ま
たＮｏ．４２〜４９は硬質化粒子および潤滑性粒子の一
方だけを分散させたものであるが、熱処理の有無にかか
わらず耐摩耗性を充分に改善することができない。

【図面の簡単な説明】

【図１】転動摩耗試験法を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 供試非鉄金属材 ２ 複合めっき部 ３ 回転ボール ４ 軸受け ５ 台座

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｓ
   ｎ，Ｚｎよりなる群から選択される金属の１種以上、若
   しくはこれらの金属とＰ，Ｂ，Ｗの１種以上とからなる
   めっき材を基体とし、該めっき基体中にＳｉＣ，Ａｌ₂
   Ｏ₃ ，Ｓｉ₃Ｎ₄ ，ＷＣ，ＴｉＣ，ＴｉＮよりなる群か
   ら選択される硬質化粒子の１種以上と、ＢＮ，ＭｏＳ
   ₂ ，炭化弗素，グラファイト、雲母よりなる群から選択
   される潤滑性粒子の１種以上とが分散してなる複合めっ
   き層を、非鉄金属材の表面に形成したものであることを
   特徴とする耐摩耗性に優れた機械構造用複合めっき非鉄
   金属材。
2. 【請求項２】非鉄金属材の表面に、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ，
   Ｃｕ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｓｎ，Ｚｎよりなる群から選択され
   る金属の１種以上、若しくはこれらの金属とＰ，Ｂ，Ｗ
   の１種以上とからなるめっき層が形成され、更にその上
   に請求項１に記載された複合めっき層を形成したもので
   あることを特徴とする耐摩耗性に優れた機械構造用複合
   めっき非鉄金属材。
3. 【請求項３】めっき基体中に、平均粒径が０．０１〜５
   ０μｍである硬質化粒子及び潤滑性粒子が１〜３０体積
   ％分散している請求項１または２に記載の機械構造用複
   合めっき非鉄金属材。
4. 【請求項４】めっき基体中における硬質化粒子及び潤滑
   性粒子の含有率が、表層側に行くにつれて高濃度となる
   濃度勾配を有するものである請求項１〜３のいずれかに
   記載の機械構造用複合めっき非鉄金属材。
5. 【請求項５】表面粗度がＲａ：０．５μｍ以上、ＰＰＩ
   ₅₀：１３０以上である非鉄金属材の表面にめっき層が形
   成されたものである請求項１〜４のいずれかに記載の機
   械構造用複合めっき非鉄金属材。