JPWO2019187453A1 - シャフト部材及びシャフト部材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
このために用いられる合金鋼として、機械構造用合金鋼の一つであるSCM420H等のクロムモリブデン鋼が知られている。
このため、肌焼鋼の表面にメッキ処理を行うのが一般的であった。
ここで、無電解ニッケルリンメッキ被膜におけるリン含有率が4.5%未満である場合の無電解ニッケルリンメッキを低リン(メッキ)と定義し、リン含有率が4.5%以上〜10.5%未満を中リン(メッキ)と定義し、リン含有率が10.5%以上を高リン(メッキ)と定義するものとする。
一方、中リン又は高リンの無電界ニッケルリンメッキは、母材との密着性が良いが、メッキ層の脆化等を避けるため、低リンの無電界ニッケルリンメッキを用いた場合には密着性が低下し、母材から剥がれやすくなる虞があった。
また、実施形態のシャフト部材の製造方法は、シャフト部材を構成する鋼を材料とする母材に対し、無電解脱脂あるいは陽極電解脱脂を所定時間施す脱脂工程と、リン含有量が4.5mass%以下の低リンタイプのメッキを施すメッキ工程と、を備えている。
まず、実施形態の原理について説明する。
シャフト部材に繰り返し曲げ応力が加えられた場合に、曲げ応力を実効的に無限回数繰り返しても破壊しない応力振幅の上限である疲労強度を向上させるためには、シャフト部材の内硬度を高くすることが望まれる。
このため、本実施形態においては、シャフト部材の母材(材質)として内硬度の高い高炭素鋼を用いることとした。
この場合において、下地メッキ層としてアモルファス構造を採る高リン無電解ニッケルメッキ層を形成する場合には、高リン無電解ニッケルメッキ層の厚さを低リン無電界ニッケルメッキ層の厚さよりも薄くしている。この結果、メッキ層の脆化を抑制し、メッキの硬度を維持しつつ、母材への密着性を損なうことがないシャフト部材を得ることができる。
まず、シャフト部材を高疲労強度及び耐摩耗性が要求されるデファレンシャル用ピニオンシャフトに適用した場合について説明する。
図1は、デファレンシャルの断面図である。
上記構成において、ピニオンギヤ11およびサイドギヤ13は、すぐばかさ歯車として構成されている。
[1]シャフト部材の母材
シャフト部材であるピニオンシャフト14の母材(材料)としては、表面だけでなく内部まで硬度が高い炭素含有量(質量パーセント:mass%)が0.6mass%以上の高炭素鋼、より好ましくは、炭素含有量が0.85〜1.10mass%の高炭素鋼が考えられる。
高炭素合金鋼としては、例えば、軸受鋼と知られる高炭素クロム軸受鋼が挙げられる。
JISで規定されている代表的な高炭素クロム軸受鋼としては、JIS G 4805規格で定義される記号SUJ2(=炭素含有率0.95〜1.10mass%)の高炭素クロム軸受鋼が挙げられる。しかしながら記号SUJ3、SUJ4、SUJ5(=炭素含有率0.95〜1.10mass%)等の他の高炭素クロム軸受鋼を用いるようにすることも可能である。
次にメッキ及びメッキ処理について説明する。
図2は、実施形態のシャフト部材に適用するニッケル−リンメッキの結晶状態を表す状態図である。
このβ相は、ニッケル中にリンの結晶質固溶体が含まれる均一相を形成した微結晶構造となっている。
さらにγ層は、非晶質の均一層である。
本実施形態では、上述したようにベーキングを行わないので、メッキ析出状態でもメッキ被膜の硬度が高い、リン含有率が4mass%程度以下の、いわゆる低リンタイプのメッキ(層)を用いることとした。
この場合において、リン含有率が1〜4mass%におけるメッキ層の硬度は変わらないが、メッキの生産性の観点からは、析出速度が速いリン含有率1〜1.5mass%とするのが好ましい。
またベーキングを行わないと述べているが、メッキ層の全域にわたってβ層を単独で維持できるのであれば、ベーキング(加熱)を行っても問題はない。
すなわち、図2の例の場合には、リン含有率が4mass%程度以下、かつ、ベーキング温度400℃以下であれば、適用が可能である。
なお、諸条件により、結晶状態は、必ずしも図2の通りとはならないので、製品としての信頼性を確保するためには、図2中、斜線部APで示すように、リン含有率が1〜1.5mass%、かつ、ベーキング温度100℃以下とするのが好ましい。
ベーキング温度を100℃以下にするのは、Ni3Pの生成を抑制できるため好ましいからである。
なお、100℃以下のベーキングを行う場合には、図3に示した製造フローチャートにおいて、ステップS15の洗浄・乾燥処理の後で行えばよい。
図3は、実施形態のシャフト部材の製造フローチャートである。
以下の説明においては、説明を省略するが、各工程後に必要であれば、水洗処理などがなされるものとする。
まず、シャフト部材の母材としての高炭素鋼(より好ましくは、高炭素合金鋼である軸受鋼(例えば、SUJ2))の成形処理(加工処理)を行って、シャフト部材の形状を所望の形状とする(ステップS11)。
メッキ前処理としては、脱脂処理を行うが、陰極電解脱脂を行うと鉄鋼素材中に水素が侵入する虞がある。このため、所定時間の浸漬脱脂(例えば20分)あるいは陽極電解脱脂(例えば、1〜3分)を行う。
下地メッキ処理としては、中リン〜高リンメッキ処理あるいは電解ニッケルメッキ処理を施すのが好ましい。
施すメッキ処理としては、低リンメッキ処理を行う。具体的には、リン含有率が1〜1.5mass%のニッケルリンメッキを行い、ベーキングは行わないか、あるいは、実効的に行わないようにする。
この結果、ベーキングに伴うメッキ層の脆化を無くし、あるいは、大きく低減でき、疲労破壊の原因となるメッキ層の亀裂の発生を抑制できる。
さらに、メッキ層にメッキ層を脆くする原因となるNi3Pの形成を促すベーキング実効的に行わないので、メッキ層の脆化を抑制することができる。
また、ベーキング実効的に行わないことによるメッキ層の硬度低下については、低リンメッキ(層)を用い、低リンメッキを用いることによる密着性の低下を避けるために、下地メッキ層(バインダ層)として中リン〜高リンメッキ層あるいは電解ニッケルメッキ層を形成するので、硬度及び密着性の双方を確保することができる。
以上の説明においては、シャフト部材をデファレンシャルのピニオンシャフトとして用いる場合について説明したが、これに限らず、疲労強度及び耐摩耗性が要求されるシャフト部材であれば同様に適用が可能である。
図4は、実施例及び比較例の説明図である。
第1実施例では、図4に示すように、母材として炉焼き入れ(熱処理)を行った軸受鋼SUJ2を用い、メッキ処理として、リン量1〜1.5mass%のニッケルリンメッキ(低リンメッキ)を用いる。そして、実効的なベーキング無しで、前処理として無電解脱脂を20分行い、下地メッキとして電解ニッケルリンメッキを1μm形成し、膜厚10μとなるように処理を行った。
このように、電解ニッケルメッキ(層)の厚さは、低リンメッキ層よりも薄く設定される。
これにより、表面の低リンメッキ層によりメッキ層の硬度を保ちつつ、下地メッキ層により母材への密着性を確保することができ、シャフト部材の信頼性を向上している。
この結果、第1実施例によれば、メッキ層(メッキ膜)の硬さ=Hv663、3万回時の疲労強度としての目標である1456MPaを超える疲労強度を達成していた。
第2実施例では、図4に示すように、母材として炉焼き入れ(熱処理)を行った軸受鋼SUJ2を用い、メッキ処理として、リン量1〜1.5mass%のニッケルリンメッキ(低リンメッキ)を用いる。そして、実効的なベーキング無しで、前処理として陽極電解脱脂を20分行い、下地メッキとして高リンメッキ(層)を1μm形成し、膜厚10μとなるように処理を行った。
となるように処理を行った。
このように、高リンメッキ(層)の厚さは、低リンメッキ層よりも薄く設定される。
これにより、表面の低リンメッキ層によりメッキ層の硬度を保ちつつ、下地メッキ層により母材への密着性を確保することができ、シャフト部材の信頼性を向上している。
比較例では、図4に示すように、母材として浸炭浸窒(熱処理)を行ったクロムモリブデン鋼SCM420Hを用い、メッキ処理として、リン量8〜10mass%のニッケルリンメッキを用い、ベーキングを330℃で1時間行い、前処理として無電解脱脂を20分行い、下地メッキなしで膜厚10μとなるように処理を行った。
以上のように第1実施例及び第2実施例によれば、メッキ層の硬さが十分であり、かつ、3万回時の疲労強度としての目標を超える性能を有するシャフト部材を得ることができた。
一方、比較例によれば、メッキ層の硬さは十分であるが、3万回時の疲労強度としての目標を超えることはできず、所望の性能を得ることはできなかった。
本実施形態のシャフト部材(14)は、鋼を材料とする軸状の母材と、前記母材に積層された低リンメッキ層と、前記母材と前記低リンメッキ層との間に積層された電解ニッケルリンメッキ層あるいは高リンメッキ層として形成された下地メッキ層と、を備えている。
この構成によれば、シャフト部材の高強度化を図り、ひいては、シャフト部材の小型化を図ることができる。
この構成によれば、シャフト部材の内硬度を高くでき、曲げ応力に対して強くでき、疲労強度の向上が図れる。
この構成によれば、シャフト部材の内硬度を充分に高くでき、疲労強度の向上が図れる。
この構成によれば、表面の低リンメッキ層によりメッキ層の硬度を保ちつつ、下地メッキ層により母材への密着性を確保することができ、シャフト部材の信頼性を向上することができる。
この構成によれば、低リンメッキ層の結晶状態を、ニッケル中に微小結晶構造を有する結晶質固溶体の均一層とすることができ、安定したメッキ層を形成することができる。
この構成によれば、確実に低リンメッキ層の結晶状態を、結晶質固溶体の均一層とすることができ、Ni3Pの含有量を抑制して、強度の高いより安定したメッキ層を形成することができる。
この構成によれば、母材との密着性を確保しつつ、表面の硬度を安定して維持することができる。
本実施形態のシャフト部材の製造方法は、シャフト部材を構成する鋼を材料とする母材に対し、無電解脱脂あるいは陽極電解脱脂を所定時間施す脱脂工程(ステップS12)と、リン含有量が4.5mass%以下の低リンタイプのメッキを施すメッキ工程と(ステップS14)を備えている。
この構成によれば、内硬度が充分に高く、疲労強度の向上を図ったシャフト部材を容易に製造できる。
この構成によれば、確実に低リンメッキ層の結晶状態を、結晶質固溶体の均一層とすることができ、Ni3Pの含有量を抑制して、強度の高いより安定したメッキ層を形成することができる。
この構成によれば、母材と低リンメッキ層の間の密着性を改善して、より疲労強度の向上を図ったシャフト部材を製造できる。
Claims (8)
- 鋼を材料とする軸状の母材と、
前記母材に積層されるとともに、リンを含み、前記リンの含有量が4.5mass%以下とされた低リンメッキ層と、
前記母材と前記低リンメッキ層との間に積層された電解ニッケルリンメッキ層あるいは高リンメッキ層として形成された下地メッキ層と、
を備えたシャフト部材。 - 前記母材は、高炭素鋼あるいは高炭素合金鋼である、
請求項1記載のシャフト部材。 - 前記高炭素鋼あるいは高炭素合金鋼における炭素含有量は、0.85〜1.10mass%とされている、
請求項2記載のシャフト部材。 - 前記下地メッキ層の厚さは、前記低リンメッキ層の厚さより薄く設定されている、
請求項1乃至請求項3のいずれか一項記載のシャフト部材。 - 前記低リンメッキ層におけるリン含有量は、1.0〜1.5mass%とされている、
請求項1乃至請求項3のいずれか一項記載のシャフト部材。 - 前記シャフト部材は、表面が前記低リンメッキ層とされている、
請求項1乃至請求項5のいずれか一項記載のシャフト部材。 - シャフト部材を構成する鋼を材料とする母材に対し、無電解脱脂あるいは陽極電解脱脂を所定時間施す脱脂工程と、
リンを含み、リン含有量が4.5mass%以下の低リンタイプのメッキを施すメッキ工程と、
を備えたシャフト部材の製造方法。 - 前記脱脂工程と前記メッキ工程との間に、電解ニッケルリンメッキ処理あるいは高リンメッキ処理を行う下地メッキ工程を備えた、
請求項7記載のシャフト部材の製造方法。
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