JPS6360270A - 鋳鉄の耐摩耗性向上方法 - 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 この発明は自動車部品等の各種機械部品などとして使用
される鋳鉄部材の表面の少なくとも一部の耐摩耗性を向
上させる方法に関し、待にＣＶＤもしくはＰＶＤによっ
てＴｉＮやＴｉＣで代表される硬質セラミックなどから
なるｌＩＬ買被膜を鋳鉄表面に形成して、鋳鉄部材の耐
摩耗性を向上させる方法に関するものでおる。

従来の技術 鋳鉄表面の耐［ｆ純性を向上させる方法としては種々の
方法が知られているが、最近では特に耐摩耗性を著しく
向上ざＩ！’＋＊る方法として、鋳鉄にＣＶＤ　（Ｃｈ
ｅｍｉｃａｌ　　Ｖａｐｅｒ　　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ
　）やイオンプレーティングなどのＰＶＤ　（Ｐｈｙｓ
ｉｃａｌ　　ＶａｐｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　）　、
すなわち所謂気相メッキ法によってＴＩＮやＴｉＣて代
表されるｂ更貿窒化物、硬質炭化物、硬質酸化物なとの
硬質セラミック物質をＷｉ密にコーティングし、硬１−
’４被膜を鋳鉄表面に生成させる方法の研究か進められ
ている。例えば「第１０７回日／を鋳物協会全国講演大
会講演概要集」の第８１頁「球状黒鉛鋳鉄へのＣＶＤコ
ーテインクの適用効果について」、あるいは「第１０８
回日本鋳物協会全国講演大会講演概要集」の第２８頁「
鋳鉄におけるＣＶＤ被膜の密着性」などの文献には、鋳
鉄にＴｉＮ、ＴｉＣの被膜をＣＶＤにより生成する技術
が示されている。なおこれらの文献では、基材（鋳鉄）
を強化するためにＭｎ、Ｃｒ等の焼入性向上のための合
金元素を添加した鋳鉄を用い、ＣＶＤ処理後に焼入れを
施すことも記載されている。

発明が解決すべき問題点 前述のようにＣＶＤもしくはＰＶＤによって基材表面に
Ｔ　ｉ　ＣｔＴ　ｉ　Ｎなどの硬質被膜を生成させても
、基材自体の硬度が低ければ、充分に耐摩耗性を向上さ
せることは困難である。すなわち、ＣＶＤやＰＶＤによ
る被膜は通常数ｐｍ程度と薄質でおるため、被膜自体は
硬質であっても基材が軟質でおれば見掛けの表面硬さが
低くなり、充分な耐摩耗性が得られない。鋳鉄の場合も
、一般にその硬さはＨｖ　２００程度以下と低いため、
ＣＶＤもしくはＰＶＤによる被膜自体が硬質であっても
一般には充分な耐摩耗性を得ることが困難であった。

前述の文献においては、Ｏｒ、Ｍｎ等の焼入性向上のた
めの合金元素を添加した鋳鉄を用いてＣＶＤ処理後に焼
入れを施して基材鋳鉄の強化（硬質化）を図ることが記
載されてはいるが、このように合金元素を添加して焼入
れる場合、合金元素の添加による原料コストの上昇を招
く問題があり、そこで合金元素の添加によらずに鋳鉄基
材における硬質被膜の下地となる部分の硬度上昇を図っ
て充分に耐摩耗性の向上を図る方法の開発か望まれてい
る。

ざらに、前記文献に示されるような合金元素の添加およ
び焼入れによって鋳鉄基材の硬度を上昇させても、それ
だけでは充分に耐摩耗性を向上させることは困難であっ
た。すなわち、鋳鉄は一般にその表面にまで晶出黒鉛が
存在するか、このように黒鉛が表面にあられれている部
分ではＣＶＤやＰＶＤによってＴＩＣやＴｉＮなとの硬
質被膜が生成されにくく、また仮に硬質被膜が被覆され
たとしても、その黒鉛を覆う部分では硬質被膜に亀裂や
破壊が生じ易い。このように硬質被膜が局部的に生成さ
れなかったりあるいは硬質被膜に亀裂や破壊が生じたり
するなどの異常が発生すれば、硬質被膜自体は著しく硬
質であっても下地から剥離し易くなって、耐摩耗性、耐
久性が低下してしまう。したがって従来の一般的な鋳鉄
に対するＣＶＤ、ＰＶＤによる硬質被膜の生成技術では
、たとえ下地層を硬質化したとしても、硬質被覆の特性
を充分に生かして耐摩耗性、耐久性を充分に向上させる
ことが困難だったのである。

この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、鋳
鉄の耐摩耗性向上のためにＣＶＤもしくはＰＶＤにより
ＴＩＣ，ＴｉＮなどの硬質被膜を生成するにあたって、
大幅な原材料コストの上昇を招くことなく下地の鋳鉄表
面を硬質化すると同時に、硬質被膜に不生成部分や亀裂
、破壊などの異常が生じないようにして、硬質被膜生成
による耐摩耗性向上効果を充分に発揮させ、耐摩耗性、
耐久性が著しく浸れた鋳鉄部材を得ることができる方法
を提供することを目的とするものである。

問題点を解決するための手段 前述の目的を達成するため、この発明の鋳鉄の耐摩耗性
向上方法では、ＣＶＤもくしはＰＶＤによって鋳鉄表面
にＴｉＮヤＴｉＣなどの硬質被膜を生成するに先立って
、予め鋳鉄の耐摩耗性を向上させるべき部分の表面にチ
ル化層を生成しておき、そのチル化層の表面を研摩仕上
げしてからＣＶＤもしくはＰＶＤ処理を行なう。

ここで、チル化の具体的手段としては、レーザ、ＴＩＧ
アーク、電子ビームあるいはプラズマアーク等の高密度
エネルギを用いて鋳鉄の表面層を再溶融・急速再凝固さ
せる方法が代表的である。またＰＶＤ処理としてはイオ
ンプレーティングが代表的であり、一方ＣＶＤ処理とし
てはプラズマＣＶＤが好ましい。

作　　　用 この発明の方法においては、片状黒鉛鋳鉄や球状点ｆｋ
ｉ鋳鉄の如き通常の黒鉛鋳鉄のうち、耐摩耗性を向上さ
せるべき部分、すなわちＣＶ　Ｄ　−Ｆ　Ｐ　ＶＤによ
り硬質被膜を生成する部分の表面に予めチル化を施して
おく。このチル化は、鋳鉄部材の鋳造時に冷し金を用い
ることによっても行ない１７るが、鋳造後の鋳鉄部材の
表面にレーザ、ＴＩＧアーク、プラズマアーク、電子ビ
ームなどの高密度エネルギを照射して、その表面層を再
溶融・急速再：迂回によりチル化させる方法を適用する
ことが望ましい。すなわちこのような高富度エネルギを
用いた再溶融・急速再凝固によるチル化処理では、鋳造
時に冷し金を用いてチル化する方法と比較して、任意の
箇所を容易にチル化することができるとともにチル化層
の深さを容易に制御することができる。

上述のように高密度エネルギの照射によるチル化では、
先ずその高密度エネルギの照射によって鋳鉄の表面層が
急速に溶融し、続いて照射位置の移動あるいは照射停止
によって表面溶融層の熱が急速に母材側へ移動し、急冷
；迂回される。このような急冷凝固によって、その凝固
層は黒鉛を含まないチル化層、すなわち一般にはレーデ
ブライトとパーライトからなる組織のチル化層となる。

このようにして得られたデル化図は、その硬さが元の鋳
鉄の硬さくＨｖ　２００程度）よりも著しく硬くなって
、Ｈｖ　６５０〜７５０程度となる。またこのチル化石
は、上ｊホのように黒鉛を含まない粗織となっており、
したがってその表面にも黒鉛があられれない。なおここ
で、チル化層の厚み（深さ）の下限は特に限定しないが
、通常は０．１ｍ以上とすることが好ましい。チル化層
の深さがＯ，ｌａｎ未満ではＣＶＤもしくはＰＶＤによ
る硬質被膜生成後に充分な耐摩耗性を発揮させることが
困難となる。またチル化層の厚みの上限も特に定めない
が、高密度エネルギによる再溶融・再凝固処理では溶融
深さが深過ぎれば冷却速度か遅くなってチル化が弱まり
、また処理能率も低下するから、通常は５Ｍ程度以下と
することが好ましい。

次いでチル化層の表面に研摩仕上げを施して平滑化した
後、ＰＶＤＬ＜はＣＶＤによって、チル化層の表面にＴ
　！　Ｃｆ１ｌＴ　ｉ　Ｎなどの硬質セラミックで代表
される硬質被膜を生成する。セラミックをコーティング
するＰＶＤ法としてはイオンプレーティングが代表的で
ある。またＣＶＤとしては、低温処理が可能でおるプラ
ズマＣＶＤ法を用いることが望ましい。すなわち一般に
ＣＶＤは金属化合物塩やその他の反応物質を含むペーパ
ーを高温の母材表面で分解させて、被覆物質を母材表面
に析出させる方法で必って、本質的に母材表面が高温に
加熱されることが不可欠であり、このように母材鋳鉄が
高温に加熱された場合、母材表面のチル化図の軟化が生
じる結果、硬質被膜を生成しても充分な耐摩耗性が得ら
れなくなるおそれがあるか、ＣＶＤ法のうちでもプラズ
マＣＶＤ法では比較的低温での処理が可能であるため、
母材鋳鉄表面のチル化層の軟化の程度が少なく、したが
ってこの発明の方法でＣＶＤ法を適用する場合、プラズ
マＣＶＤ法を用いることが望ましい。なおこのようにし
て生成されるＴｉＣ１’ＴｉＮ等の硬質被膜の厚みは、
製品の用途などに応じて適宜窓めれば良く、通常は０．
５〜５戸程咳とする。

以上のようにして処理された鋳鉄の表面付近の断面の状
況を第１図に模式的に示す。

第１図において１は片状黒鉛鋳鉄もしくは球状黒鉛鋳鉄
などの通常の黒鉛鋳鉄からなる母材であり、この母材鋳
鉄１の表面層は前述のようなチル化処理により黒鉛晶出
のない硬質なレーデブライト＋パーライトの組織からな
るチル化層２となっている。そしてこのチル化層の表面
上に、ＣＶＤもしくはＰＶＤよるＴｉＣやＴｉＮ等の硬
質被膜３が生成されている。

チル化層２は鋳鉄と比較してその硬さが著しく高くなっ
ており、したがってチル化層２は硬質被膜３に対するバ
ックアツプ層として有効に機能し、無処理の母材ｖＩ鉄
表面に直接硬質被膜を生成した場合よりも見掛けの表面
硬さを格段に向上させて、耐摩耗性を充分に向上させる
ことができる。

ざらに、チル化層は黒鉛が存在しない□ためその表面に
黒鉛があられれておらず、そのため従来法のように表面
の黒鉛部分においてＣＶＤもしくはＰＶＤ処理時に硬質
被膜が被覆されなかったりあるいは黒鉛部分で硬質被膜
に亀裂や破壊などの異常が生じることが有効に防止され
、したかって硬貿被膜の密着性を良好にして硬質被膜の
剥離を防止し、耐摩耗性、耐久性を著しく向上させるこ
とができる。

実施例 Ｃ３，３５％、Ｓｉ２．００％を含有するＪＩＳ　Ｆｅ
１２の片状黒鉛鋳鉄から、１４ｓＸ１ＢＭ×２５ｍの方
形ブロックを切出し、その１６ｓＸ２５ｍの面にＴＩＧ
アークによって再溶融・急速再凝固によるチル化処理を
行なった。このＴＩＧアークによるチル化処理において
は、電極としてφ３．２ｍのタングステン電極を用い、
シールドガスとして流量２０１２　／　ｍｒｎのＡｒガ
スを用い、アーク長３ｒｒｍ、電流１２ＯＡ　。

トーチ速度３ｍｍ　／　Ｓｅｃとした。この処理後のチ
ル化層の深さは２Ｍであった。

次いでチル化層の表面を研摩仕上げして、全体をＬＦＷ
摩耗試験用のブロック試験片（１０，４Ｘ８．３５　ｘ
１５．７ｍ＞に仕上げた後、チル化層の表面に次の３種
の方法によってＴｉＣ，ＴｉＮの硬質被膜を生成した。

（１）イオンプレーティング法によりＴｉＣの硬質被膜
を生成した（本発明材１）。

（２）プラズマＣＶＤ法によりＴｉＮの硬質被膜を生成
した（本発明材２）。

（３）プラズマＣＶＤ法によりＴｉＣの硬質被膜を生成
した（本発明材３）。

なおいずれも硬質被膜の厚みは３３，１ｍとした。

一方、比較材として、ＪＩＳ　Ｆｅ１２の片状黒鉛鋳鉄
のままの試験片Ａ、同じ片状黒鉛鋳鉄に前記同様なＴＩ
Ｇアークによるチル化処理のみを施した試験片Ｂ、およ
び同じ片状黒鉛鋳鉄に対してチル化処理を行なわずにイ
オンプレーティングにより直接ＴｉＣ被膜を形成した試
験片Ｃを用意した。

これらの本発明材１〜３および比較材Ａ−Ｃについて、
相手材として５ＵＪ−２を用いて摩耗試験を行なった。

摩耗試験条件は次の通りである。

リング回転数　：　　１６０ｐｐｍ 荷　　　　　　重　　：　　　１５０Ｋｇ試験時間：３
０分 潤　　滑　　油　　：５ＡＥ１０す３０試験後、各試験
片１〜３、Ａ〜Ｃについて摩耗深ざを測定した結果を第
２図に示す。

第２図から明らかなように、本発明材１．２．３はいず
れも比較材Ａ、Ｂ、Ｃと比較して格段に優れた耐摩耗性
を有しでいることが判る。

また比較材Ｃにおいては、試験後の摺動面においてＴｉ
Ｃ被膜の剥離が生じていたのに対し、本発明材１．２．
３ではいずれも被膜の剥離は認められず、良好な密着状
態を示していた。

なお本発明材１の見掛は表面硬さはＨｖ３０００程度で
おる。また本発明材２．３はＣＶＤ法のうちでも比較的
低温で処理可能であるプラズマＣＶＤ法を用いて処理温
度５００℃でＴｉＮもしくはＴｉＣを被覆したのであり
、この場合チル化層自体の硬さはプラズマＣＶＤ処理前
のＨｖ　７００〜７５０程度からＨｖ　４５０程度に低
下するが、ＴｉＣ被膜形成後の本発明材３の見掛は表面
硬さはＨｖ３０００に遅し、またＴｉＮ被膜形成後の本
発明材２０見掛は表面硬さはＨｖ１６００程度となった
。一方比較材Ａでは見掛は表面硬さは）ｌｖ　２００、
比較材ＢではＨｖ　７５０、比較材ＣではＨｖｌｏｏｏ
といずれも本発明材よりも格段に低い。耐摩耗性は見掛
は表面硬さの増ＤＯに伴なって向上すると言われており
、前述の耐摩耗試験結果も見掛は表面硬さに良く対応し
ている。

発明の効果 以上の実施例からも明らかなように、この発明の方法に
よれば、予め基材鋳鉄の表面層をチル化してからＣＶＤ
もしくはＰＶＤによるＴｉＮやＴｉＣなどの硬質被膜を
生成することによって、その硬質被膜の下地層部分が著
しく硬質なチル化層となり、そのため硬質被膜形成によ
る耐摩耗性向上効果を充分に発揮けることができ、しか
も硬質被膜の下地層としてのチル化層は黒鉛が存在して
いないため、下地層の黒鉛による硬質被膜の異常、例え
ば黒鉛部分に局部的に硬質被膜が生成されなかったり、
黒鉛部分で硬質被膜に亀裂や破壊が生じたりすることを
有効に防止することができ、そのため硬質被膜が剥離し
てしまうことを有効に防止して、耐摩耗性、耐久性を充
分に向上させることができる。なおまた、この発明の方
法の場合鋳鉄母材に合金元素を特に添加する必要もない
ため、原材料コストの上昇を招くこともない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の方法によって処理された鋳鉄の表面
付近の断面構造を模式的に示す断面図、第２図は実施例
における本発明材１．２．３および比較材Ａ、Ｂ、Ｃに
ついての摩耗試験結果を示すグラフである。 １・・・母材鋳鉄、　２・・・チル化層、　３・・・硬
質被膜。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）鋳鉄の少なくとも一部の表面層をチル化し、その
   チル化層の表面を研摩仕上げした後、ＰＶＤもしくはＣ
   ＶＤ処理によりチル化層表面に硬質被膜を生成させるこ
   とを特徴とする鋳鉄の耐摩耗性向上方法。
2. （２）前記チル化を、高密度エネルギの照射による再溶
   融・急速再凝固によって行なう特許請求の範囲第１項記
   載の鋳鉄の耐摩耗性向上方法。
3. （３）前記ＰＶＤ処理として、イオンプレーティング法
   を用いる特許請求の範囲第１項記載の鋳鉄の耐摩耗性向
   上方法。
4. （４）前記ＣＶＤ処理として、プラズマＣＶＤ法を用い
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の鋳鉄の
   耐摩耗性向上方法。