JPS58500513A - 金属に潤滑性表面を提供する方法 - Google Patents
金属に潤滑性表面を提供する方法Info
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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】
発明の名称
機械、杓包含による金属表面への二値fLモリブデンの注入
技術分野
本発明は一定の鋼を二硫化モリブデンによって処理して、摩擦を減少さげ、腐蝕
に対する抵坑を増大させるための改良さ几た方法して関する。
背景技術
二硫化モリブデン(MoS2)は公知の多能り乾燥塗臆潤滑削である。原子構造
内に生じる固有の基礎的!脅刊雌j・てより層状@:fr強さが小さくなり、す
ぐれた減串性又r/i閏滑特性が得られる。この特性が、全体として結晶構造を
構成している夫々の層の6重対称を結合している基礎面上の2個の分子単位格子
間のファンデルワールス型暗合によるものであることは明白である。物理的長さ
が比較的長いこれらの化学結合によって、滑動及び回転接毬ワ、−二−吠せん断
強さが小さくなり、従って、乾燥摩擦が小さくなる。逆に、基礎面に対して直角
)て位置している結晶面内て生しる化学結合は一般的に一価型であり、物理的長
さが短く、従って、強度が何倍も大きい。最近の研究により、ビッカーススケー
ルで測定した場合に、基礎面に対する硬度が32 kg 7’ rrvn’であ
り、結晶面に対する硬度か900 k#/M2であって、はぼ29倍も硬度が大
きいことがわかっている。単一の輌(ケ二占品内においてこのような物理的測定
値の差があることにより異方性がひき起こきれ、こうして二硫化モリブデンの金
層表面内への混入を実際的、・こ可能になる。
あるモータばねでは、ばねのトルクコンンステ/ンーを改良するために、1Jo
s2を含んでいて、ばね材料に結合されている無機膜が使用されている2、この
ように処理されているモータばね1は、種々のT4械的1寺限ヒユーズ及び従来
のエスケープ型の時計機構において非常て有用であることがわかっている。実際
に、このようなばねを使用している時計id、巻き直しが必要とされる寸でに被
覆のないばねの場合よりも300 %も長く作用することがある。
このような場合の1能の増大は巻き戻し行程中のばね板間の動摩擦係数の減少、
すなわち、主たるばね使用に従来つきまとっていた「スティック−スリップ」現
象の減少によるものである。
種々の金属基体に対するMo S 2の嘆の付着Iは、通常′ま、吹付は又は浸
漬方法に続いて乾燥及び/又は焼付けを行なうことにより、又は、モリブデンを
直接に基体に電気めっきし、その後イオウ又は硫化物を含んでいる雰囲気内で熱
処理することにより行なわれる。しかし、いかなる方法を使用する場合にも、こ
の塗膜付着は材料を最終、すなわち完成寸法に加工処理してから行なわれていた
。
これらの場合には、MoS2噂の金属基体への転移は主とし機械的方法によって
行なわれ、(a)固形MO82の柔かい表面内への直接的埋封、(bl固形のM
oS2自体が基体と対向する表面との間で運動する間にこの固形)7032の「
研磨」作用によって基体に形成された表面くぼみ内への固形MO3,の付着、又
は(cl基体の当初の表面壮士げ及び硬度に固有のくぼみ内への固形Mo S2
の付着によるものである。しかし、いずれの場合にも、又、ある使用目的;・て
対してはこれらの方法がいかに・悄足できるものであり、永′4斗のあるもので
あるとしても、高い表面蘭耗を受、する物の場合にはこれらの方法による結果は
不十分なものである。基本的に星なる表面幅にすぎないMoS2膜はこのような
環境に耐えることができず、摩擦によって急速にはがれてし甘うか、又は、破壊
してしまう。例えばピストンリング、軸受、ジャーナル、弁心棒、シャフトの如
き高摩耗部品は種々のグレードの高炭素鋼又はステンレス鋼で構成されていて、
特に池の潤滑が最小の場合には、大部分がMo S2によって与えられる低摩擦
特性及び医護の恩恵をこうむることは明らかであるが、MoS2が鋼自体め最も
摩耗を受ける部分となるように#ilをMoS2により処理する好都合な方法は
知られていない。
装置を持ち上げるためのワイヤロープ、船用ケーブル装置、航空機制御ケーブル
の如きより線構造、及び圧縮型、延長型及びねじり型の如きコイルばねに使用さ
れる常温延伸ワイヤも通常は種々の高炭素鋼合金から製造きれる。完成されたワ
イヤは例えばばねメーカーに供給され、コイル巻き、研削仕上、二次形成、応力
除去処理、めっき、及び多くの場合には特殊充填を含む種々の作業によつヤばね
が形成される。同様に、より線構造用のワイヤも別の場所に輸送されてロープの
製造が行なわれる。
はね及びコープ用のワイヤは冷間加工と、アニールと、最終焼戻し作業の絹合せ
によって所定の直径を有するように製造され、スゾール、リール又はゆるく巻い
たコイル状で輸送される。MoS2の微細な分散体を含んでいるナイロンによっ
てクレーン溝車を製造し、試験した、ペンシルバニア、リーディングのポリマー
コーポレーション。
が以前に行なった試験に鑑みて、ワイヤストランドに付着させられているMoS
2によってストランドワイヤケープケーブルの寿命は標準的な溝車を“史用した
場合に比較して増大した。ワイヤケーブル中の夫々のストランド間の摩擦によっ
て破損の生じることもあった。
航空機キャリヤの制動ケーブルはMoS2の有用性の別の領域を代表するもので
ある。現在は、グリースの如きバリヤー膜を繰り返し塗付してこのようなケーブ
ルの摩擦と腐蝕とが減じられている。しかし、使用中にケーブルから徐々にグリ
ースが除去されて、臨界箇所において飛行甲板がすべ9やすくなる。更に、引火
性のグリースには火炎危険性があり、グリースを排除すればより安全な操業条件
が得られる。他のキャリヤに関する問題点は、塩1戦Ilこよる航空τ幾の内部
制御ケーブルの腐(独であり、これらの問題点も、 MOS2の使用によって寿
命と耐蝕性との両方に改良を加えることができる。
簡単に言えば、中炭素から高炭素鋼及びステンレス句から形成される広範囲9製
品id: −MOS2を梅自体の一部分とすることによって処理の1@久性を増
大させることができさえすれば太いにMOS、の貝恵をこうむる。腐蝕が予期し
なけれ、ばならない問題点である上記の如き使用の場合には、摩擦が減、しられ
るばかりでなく、耐11111件も増大する。従って、上記が本発明の主たる目
的である。
発明の開示
本発明1d、中炭素から高炭素鋼及びステンレス鋼を冷間加工して所定の完成寸
法になす時のこれらの鋼り一定の特性を利用している。本明細曹及び添付の請求
の範囲において、「冷間加工」は、延伸、鍛造、圧・湧及び他の今頃の冷間刀ロ
エ用の漂準的方法の如き作業を意味するものであり、「中炭素から高炭素鋼及び
ステンレス室」は。
Al5I 5−AE NOs、 1035から1095及びAl5I −SAE
ステ/ンス型301.302.304.3]、6.316L、 416等の如き
炭素−を意味しており、これらはすべて、構造上「すき間を有する」ものであり
、通常は高表面摩耗上受ける使用目的に使用される。このような鋼を、冷間加工
するとこれらの鋼は公知の如くに「加工硬化」しがちなので、冷間加工によって
生じた結晶格子のデイスロケーンヨンを除去するためにアニールを行なわなけれ
ばならず、アニールは各金属の「再結晶化」温度によって行なわれる。アニール
後に、金属はその後の冷1間加工に適切になる。従って、多くの適用の場合には
、冷間加工工程は一連のアニールが介在している一連の冷間加工を含んでおり、
各作業の数及び構成は、金属の完成寸法への「崩壊(ブレーキングダウン)」と
も呼ばれる、金嘴の断面寸法を減じなければならない程度によって定められる。
アニール作業の副生物は、関連の全軍のすき間のある性質による「カーバイド沈
殿」と呼ばれる現よである。
冷間加工中に、金属基体の金属の表面上の凹凸間に評分子炭素クラスターが形成
され、このクラスターからアニール工程の熱によって炭素が除去され、かくて金
属表面に脱炭空げきが形成される。これらの空げきの寸法′d、アニール作業の
完了時における方が、その後の冷間加工作業の終了時におけるよりもよりはっき
りとしていることは明らかである。
ることであり、この場合に、最終了ニール作業は、実際は、Mo S2を付着さ
せるだめの金属の準備を成している。
この場合・)て、金属の表面硬度は最終冷間加工及び焼戻し後におけるよりも小
さい。かくて、冷間加工が行なわれる極限圧力のために、冷間加工によってMo
S2が効果的に金属基体のミクロ構造内に埋封される。更に、MoS2の異方性
・特性により、金属基体の最終冷間加工後、すなわち、基体がより大きい表面硬
度を有している時KMoS、が基体に付着させられる場合よシもMoS2がより
十分に空げき内に浸透する。
普通dtJoはミクロ粉末形状であり、スルホン化されて同様に粉末状のMoS
、が得られる。その後このMo S2が被ルクロロエチレンの如き液体キャリヤ
中の黒鉛と混合されることもあり、黒鉛は低負荷での潤滑性を改善するために添
加されている。本発明の一実施9°1では、上記の状態のMOS2が更にケイ酸
ナトリウムの如き無機結合剤と混合される。最終了ニール作業後に、鋼に下記の
方法で上記の混合物が被覆され、最終冷間作業以前ににルクロロエチレンが「フ
ラッシュ蒸発」させられる。腐蝕が問題ではない場合には、この発明の実行方法
は調定できるものである。しかし、種々の完成製品として使用されている場合に
中が腐蝕を受ける環境下では、鋼の表面が最終了ニールによっていくらか脱炭さ
れているが、黒鉛が腐蝕を減少させるよりも促進しがちである。この欠点を除去
するために、本発明の別の実施例では、黒鉛が排除されており、ケイ酸ナトリウ
ムの代わりに有機ベースの合成樹脂系か結合剤として使用されている。この系は
、[レドックス」樹脂の形状の腐蝕防止剤を含んでいる。「レドックス」樹脂は
、交互に酸化、環元されるキノン−ヒドロキノンの如き固有の可逆官能基が結合
している高度に架橋している炭化水素マトリックスを有している合成ホリマーで
ある。腐蝕防止の点から、これ、らの樹脂は「選定交換体」、「レドックスイオ
ン交換体」、又は単にレドックス樹脂と呼ぶことができる。実際には、レドック
ス樹脂を含んでいろ有傳ペースの結合糸を含んでいる急速に反応するMO8?付
着It! iri汁較的最近市販きれるようになっだ1・ずかりである。腐蝕防
、Fの原理は腐蝕が生じる反応速度を遅くすることに基つく。酸化相では、金罹
成分がイオンrヒしでアニオンを誘引し、可溶性の基又′I′i酸化物を形成し
て、基礎金属の電蝕がひき起こされる。環元相では金属カチオンが、周囲環境に
よって形成された、又は存在するようになった陰極電池に向かって誘引される。
後者の種類の腐蝕は普通は電蝕と呼ばれている。レドックス樹脂が存在していて
表面界面内で密に接触している場合には、これらの樹脂が、化学的に言えば電気
平衡を容易にする固体電解質として作用し、種々の反応が生じる速度を遅くさせ
る。陽啄保護の犠牲的付加が存在しなくても、基礎合金に対する腐蝕保護が得ら
れる。
発明を実施するための最良の形態
内燃機関用のピストンリング材料の製造:・で対する部分的に予想されている使
用に関して本発明をまず説明する。
このような種類のピストンリングは、普通は、種々の高炭素鋼合金から製造され
る。普通(d、冷間加工、アニール及び最終・暁戻し作業との組み合せによって
製造されるオイル調節リング用の材料の場合には、例えばQ、5]mmX 2,
7Qmの断面寸法の平らなストリップの形状で上記の材料がり/グメーカーに供
給される。本発明は、言うまでもなく、ストリップがリングメーカーに輸送され
る以前にストリップのメーカーによって実行される。例えば、積が1.665−
nM2であると仮定する。更に、最後から2番目の冷間加工作業及び最終アニー
ル作業後ではあるか、最終冷間加工作業以前のストリップの仮の断面積か4.6
45M2であり、最後の冷間加工作業によって断面、積が約65係減少すると仮
定する。
本発明は、基本的に、最終了ニールによる準備後に、仮の寸法のストリップを、
低い逆張力をこのストリップに加えながら引取ドラム上に巻きつけ、その後この
ドラムから離れている適切な巻き取りドラムに再び巻きつけることにより、すな
わち、「コイル−コイル」作業とも呼ばれる方法てよりこの段階において実行さ
れる。2個のドラムの間に、容計が841jットル程度で、適切な攪拌装置が設
けられている、大気に対して開放されているタンクが配置されている。このタン
ク内に、固形のマイクロメーター寸法のMoS2と、黒鉛と、ヘルりロロエチレ
ンの如キ液体キャリヤーと、ケイ酸ナトリウムの如き無機結合剤との混合物がす
べて室昼程度で収容されている。
タンクと巻き取りドラムとの間に、2線状メートルにわたって約260°Cの温
度を維持可能なサーモスタンド制御されているオーブン又は炉が配置されている
。巻き取りドラムからのストリップが、その後適切な公知の手段により、MoS
2を懸濁状、蝉に保持するように攪拌装置によって攪拌されているタンク内の混
合物中に通され、このタンクからストリップが[湿潤]状態でひき出され、次い
でオーブン内を通り、このオーブン内でo /レクロロエチレンが「フラッシュ
蒸発」してストリップ上にMoS2の乾燥結合フィルムが形成され、このス)
IJノブが最後に1巻き取りドラムに巻きつけられ、以上の工程はすべて分速約
3.65線状メートルの速度で行なわれる。71対22対80割合で合計量32
75CCの固形のli’lOS2と、ケイ酸ナトリウムと、黒鉛と、残量の波ル
クロロエチレンとを含んでいる34リツトルの混合物を使用するとストリップ上
に0.0025から0.005 mmの厚味のMoS2の乾燥結合膜が形成され
る。
巻き取りドラムからのストリップは次いで通常の方法で完成断面寸法1で最終的
に冷間加工され、その後約200゛Cの温度で焼戻しされる。M OS2の付着
、キャリヤ液体の除去及び最終の冷間加工、焼戻し作業中のストリップの温度は
、約425−480°CのMoS2の酸化温度以下に保持すべきである。この場
合にでも、MoS2からMOS・3への酸化速度は非常に遅く、研究により、3
0係程度が酸化されるまではこれらの温IfでMoS2の潤滑ヰが失なわれない
ことがわかっている。
こうして、MoS2が通常の方法で完成寸法捷での冷間加工後に膜として付着さ
れる場合よりも大きな程度にMoS2がピストンリング材料の作用入面に機械的
に埋込み又は「混入(包含)」される。このためには、]、、78+m厚の冷延
焼鈍ストリップ状の高炭素圧縮ピストンリング鋼を一定前使用することとする。
材料を2個の試験体に分割して、第1の試験体は変化なしに処理し、第2の試験
体には、基体のミクロ構造内へのMoS2の移植に対する浸透深さに関する効果
を!jl11定するだめに、処理以前に特別脱炭を施した。上記の混合物を使用
した0、0059厚さのMoS2膜を両方の試験体に付着した。その後試験体を
ミルに戻し、厚さ0.60 mynまで冷間圧延し、約155係の断面積の減少
を達成した。ミルから戻された時に両方の試験体を圧延又は粒子の伸長の方向に
対して直角に縦方向に切断し、基体のミクロ構造内へのMoS2の混入量を測定
した。切断した試、験体を@察すると、著しく大量の付着量のM OS2の部分
的及び全磯誠的混入が晃られた。第1の、すなわち未加工の試験体の場合には混
入の深さは0.02Mであり、一方、第2の、すなわち、脱炭試験体の場合の混
入の深さは0.028mであった。従って、混入の深さは夫々の脱炭域の深さの
関数のようであった:すなわち、混入の程度は、所定量の冷間作業に関する域の
出発深さが約55−60係の場合に一定であるようである1、更に、処理以前に
Sをアニールすることによって、基礎部分の/ξミーライト比較して表面近辺で
は比較的柔らかい第二鉄変態が生じるので、本発明の移植方法によって基体の実
現化に役立つ。
別の試験では、2枚の平らな炭素鋼ストリップ、Al5I−1078を空気中で
アニールしだ。第1のストリップにはその鎌上記の混合物を被覆し、乾燥させ、
冷間加工によって幅3.28mm、厚I床0.61mm1で減少を行なった。第
2のストリップは、上記の混合物を被覆する以前に同一の寸法に冷間加工した。
その後、横断面が見えるように両方のストリップをエポキシにはめ込んで、0.
05ミクロンのアルミナ粉末を防用して研削、研磨を行なった。研磨中に、エツ
ジ丸味つけを最小にするように注意した。その後、1,0OOX倍の冶金顕微鏡
により試験片を入射光によって観察した。第1の試、験片では、表面に代表的な
深さが(、)、0025mの多数の暗色物質の混入が見られ、第2の試験片では
、このような混入物は見られなかった。
上記は、すべて、硬度、強度等の点から材料自体を本質的に変じることなく行な
うことができる。その後従来の方法によりこの材料からピストンリングの形成が
可能であるが、完成リンクのクロムめっきは省略される。こうしてクロムめっき
リングとシリンダ壁との表面硬度の通例の差異が減じられ、かくて、壁体自体の
摩耗も減じられる。同時に、す/りの固有の潤滑(でよってリンクとシリンダ壁
との間に通常の液体又は流体力学的潤滑が補われるので、リンクの摩耗も減じら
れる。潤滑化されたリンクは高い作業荷重により良く劇え、境界潤滑により短期
間よりうまく作用し、局部荷重をよりうまく分布させ、合せ面の摩耗特性を改良
する。内燃機関のシリンダ壁では、ピストンの方向が変化する箇所及び2個の対
向する表面を分離するに十分な厚さのオイル膜の蓄積が不可能な箇所で最も大き
な摩耗が生じるので、上記の特徴は上部及び下部の死点近辺で特に重要である。
これは、上記の2点におけるピストンの上口速度が、対向する表面間の相対速度
の流体力学的必要条件がこれらの正確な位置では満たされないことを意味してい
るからである。
一方、潤滑リンクは、これらの重大な時点においてクロムめっきリンクでは不可
能なこれらの箇所における補足潤滑を提供すると共に、新しいエンジンの臨界破
壊期間中に全シリンダ壁に補足潤滑を行なう。
次に、ばね及び標準的なワイヤ構造に使用するだめの常温延伸ワイヤの製造への
適用に関して不発明を説明する。
例えば、仕上げ直径が0.71m、すなわち、断面積が0.40mm2で、最後
から2番目の冷間加工作業及び最終アニール後ではあるが、最終冷間加工作業以
前の仮の直径が約1.90門、すなわち、仮の断面積が2−84mm”であり、
かくて最終冷間加工作業によって断面積が約85%減少するワイヤを化性の雰囲
気内で行なわれて再結晶化が達成され、その後のアニール作業がストランド型の
アニーラ内で650’Cで40秒から60秒間フラッシュ脱炭用に行なわれると
仮定すると、この最後のアニール作業によって、脱炭域が約0.045 rrv
nまで広げられて、表面が本発明の機緘的包含に対して最適になる。
後のアニール作業後のワイヤは巻出リールに券きつけられ、コイル−コイルコー
ティング作業を行なうために巻取リールが適切に結合されている。2個のリール
間に容量。
が約70から80リツトルの冷却タンクが配置されていて、ここのタンク内に、
固形のマイクロメーター寸法のMoS2と、フェノールビニル樹脂又はエポキシ
ビニル樹脂の如き有機ベースの結合剤及び腐蝕防止剤として作用するレドックス
樹脂、及び、60%のセルロースアセテート、30%のキシレン及び10%のメ
チルエチルケトンから成る速乾複合溶剤又は液体キャリヤとの混合物が収容され
ている。
溶剤の揮発性に応じて混合物をo′cから5’Cの温度に維持するようにタンク
の冷却が調節されている。タンクと巻取リールとの間に、更に、2勝状メートル
の距離にわたって温度を260 ’Cに保持可能なサーモスタンド調節されてい
るオーブン又は炉が配置されている。巻出リールからのワイヤがその後公知の手
段によって導れて、MoS2を懸濁状態に維持するために適切な攪拌装置によっ
て攪拌されているタンク内の混合物中を通される。その後ワイヤがタンクから「
湿潤」状態でひき出され、オープン内に入り、このオープン内で溶剤が「フラノ
/ユ蒸発」させられて、ワイヤ上にMoS2の乾燥結合膜が形成される。
このワイヤが分速3がら3局線状メートルの速度で巻取リールに再び巻きつけら
れ、この場合には、ワイヤがタンクを通過した後に比較的すぐに再巻き取りされ
るので、関連の樹脂の反応速度が速いことが非常に重要である。
最後に、ワイヤが適切な伸線装置に送られ、断面積が減じられる、すなわち、上
記の完成直径まで冷間加工される。この場合には冷間加工は約135°C以下の
温度に保持して行なうべきであり、この温度以上では関連の樹脂が分解しがちで
ある。
上記の如くに処理されたワイヤはいくつかの利点を有している。例えば、コイル
ばねの製造に使用する場合には、防蝕のだめの高価な後めっきが不必要になり、
がくて、水素脆化、はねのもつれ、延長ばねの密巻きコイル間のめっきの不在等
の固■の問題点を排除することができる。更に、曲鉛と鋼との界面間のもろい合
金が排除されるので、このワイヤは熱浸漬亜鉛めっきワイヤと比較して改良され
た延性と靭性とを有している。上述した如くに、種々の標準的なワイヤ構造に使
用した場合に、このようなワイヤにも同一の又は類似の利点が与えられる。
本発明の最終冷間加工によって腐蝕防止特性が減じられる程度に、最終冷間加工
後に上記の従来技術方法によってMoS2 k再被覆してワイヤを史に保護する
ことができる。
軸受、ジャーナル、シャフトの如き上記の他の高曙耗成分にも本発明の適用が可
能であり、この場合には、ピストンリンク及びワイヤに関して上述したと類似の
方法で本発明が実行される。本発明は、最終冷間加工作業以前に材料の研削、二
ノチンク、サンドプラスチック又は酸洗いの如きアニール以外の準備手段によっ
て鋼の表面空隙が形成される場合にも適用可能である。
国際調査報告
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 (1)1回又は複数回の冷間加工作業によって鋼の断面寸法が最初の大型寸法か ら完成時の小型寸法まで減じられる、高1摩耗を受ける中炭素から高炭素鋼、及 びステンレス鋼に潤滑付表I]lI]を提供する方法であり、最後から2番目の 冷間加工作業後の準備作業によって鋼の表面に空隙を形成する段階と;その後、 液体キャリヤ中のマイクロメーター寸法の固形の二価化モリブデンと結合剤とを 含んでいる混合物Dコーチインク作業によって鋼のHmk fJfi覆する段階 と;乾燥作業によって液体キャリヤを除去する段階と:鋼に最終冷間加工作業を 行なって−を上記の完成断面寸法まで減じる段階とを有していることを特徴とす る方法。 (2)−のアニールを含む準備作業を史に含んでいろことを特徴とする請求の暉 囲第(1)項に記載の方法。 (3)上記のコーティング作業以前に鋼を再アニールすることを特徴とする請求 の範囲第(2)項に記載の方法。 (4) 上記のm体キャリヤが被ルクロロエチレンでアリ、結合剤がケイ酸すト リウムであることを特徴とする請求゛の範囲第(1)(2)又は(3)項のいず れか1項に記載の方法。 (5)上記の結合1111が有機ベース合成樹脂であり、液体キャリヤが傾会溶 剤であることを特徴とする請求の範囲第(11+21 +、3)項のいずれか1 項に記載の方法っ(6) 結合剤が更にレドツタス樹脂を含んでいることを特徴 とする請求の範囲第(5)項に記載の方法。 (7)上記の最終冷間加圧作業後に、鋼に、液体キャリヤ中のマイクロメーター 寸法の二硫化モリブデンと結合剤との混合物をコーティングすることを特徴とす る請求の範囲第(6)項に記載の方法っ
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