JPH0426792A - 転動疲労寿命に優れた機械構造用複合材およびその製造方法 - 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） 本発明は、各種機械および輸送機等の摩耗部に使用され
る転動疲労寿命に優れた機械構造用複合材およびその製
造方法に関するものである。

（従来の技術） 各種金型、機械の摩耗部には、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
などに、浸炭、焼入れ焼戻し処理あるいは窒化処理また
は軟窒化処理などを施した鋼材が汎用されており、良好
な耐摩耗性を発揮している。しかし、これらの鋼材は比
重か太き（軽量化の動きには、対応が困難である。

軽量化の動きに対応できる素材として、チタン合金およ
びアルミ合金か注目され始めている。チタン合金および
アルミ合金は、その優れた耐蝕性、高温比強度か大きい
ことから、これまて、各種化学工業用および航空、宇宙
用輸送機の各種部材として広く使用されてきた。

近年、自動車初め、各種輸送機の高級化の要求か増大す
るにつれて、快適走行、安全走行等機能アップを満足さ
せるために各種機能部品の装着を余儀なくされている。

それに伴い、車体重量の増加の問題か派生してきた。

一方、燃費の低減に対する要求は依然として強く、これ
らの問題を併せて解決するために、これまでの鉄鋼材料
に替わって、チタン合金およびアルミ合金の採用か検討
され始めている。

しかし、チタン合金およびアルミ合金は、そのままでは
耐焼付性、耐摩耗性に極めて劣ることか知られており、
これまで、機械の摺動部材または軸材として、使用する
ために、電気メッキ、無電解メッキ、気相メッキ、ガス
窒化および溶射なとの表面処理が試みられている。

このうち、電気メッキ、無電解メッキ等のメッキ手法か
採用できれば、最も簡便にしかも低コストで部材を提供
することかできる。

（発明か解決しようとする課題） しかしなから、水溶液を用いる電気メッキ、無電解メッ
キでは、チタン合金およびアルミ合金は表面に強固な酸
化皮膜を形成するため、メッキ層の良好な密着性か得ら
れない。

また、気相メッキおよびガス窒化処理では、通常５μｍ
程度の硬質皮膜しか得られず、高面圧下の摺動摩耗や転
動摩耗に耐えることが不可能である。

さらに、溶射皮膜は、転動摩耗では高面圧のため、これ
に耐え得る十分な強度を存する皮膜か得られ難いなとの
理由で、何れの表面処理方法ともチタン合金およびアル
ミ合金に十分な耐摩耗性を付与することかできない。

例えば、第６図に示すような軸材を例にとると、軸材の
ボールベアリングとロールベアリングの接触部では、総
花的な耐摩耗性ではなく、摺動摩耗とともに転動摩耗特
性が要求される。すなわち、この軸材の点接触部には、
特に耐転動摩耗性か要求され、数１００ｋｇｆ／ｍｔｎ
２もの最大接触応力＝高面圧かかかるとともに、材料の
表面から数ｌＯ〜数１００μｍで最大せん断応力か発生
し、また、この応力か繰り返しかかるために、材料に疲
れ亀裂か発生しフレーキングに至ることがこの種転動摩
耗の最大の特徴である。したがって、このような用途に
対し、通常高耐摩耗性の材料として周知汎用されるよう
なＷＣ，ＴｉＮ等のセラミック硬質材料では耐摺動摩耗
には優れるものの靭性に乏しく、耐転動摩耗性では劣る
ものである。

そこで、本発明者らは軽量化の動きに対応すべく、軽く
て耐摩耗性に優れたチタン合金およびアルミ合金を母材
とした複合材を提案するものである。（課題を解決する
ための手段） 本発明は、上記に説明した表面処理を施したチタン合金
およびアルミ合金の耐摩耗性の問題点に鑑み、本発明者
らか鋭意研究を行い、検討を重ねた結果完成されたもの
で、その第１発明は、表面をＲａＯ，５μｍ以上でＰＰ
Ｉａｏが１３０以上に粗面化したチタン合金またはアル
ミ合金の表面に、直接硬度ＨＶ５００以上の１−Ｐメッ
キ層を１００μｍ以上被覆した転動疲労寿命に優れた機
械構造用複合材である。

第２発明は、Ｎｉ−Ｐメッキ層の少なくとも表面層のＰ
含存量が２〜７重量％である請求項（１）の転動疲労寿
命に優れた機械構造用複合材である。　第３発明は、Ｎ
ｉ−Ｐメッキ層が層の厚み方向にＰの濃度差を存する請
求項（１）または（２）の転動疲労寿命に優れた機械構
造用複合材である。

第４発明は、被覆されるチタン合金またはアルミ合金の
表面が、弗酸塩を含む溶液により表面粗化処理を施され
ている請求項（１）の転動疲労寿命に優れた機械構造用
複合材の製造方法である。

（作用） 以下、本発明の作用について説明する。

転動摩耗の疲労破壊に耐えるためには、ＨＶ５００以」
二の硬質層を少なくとも１００μｍ以上形成させること
が必要である。チタン合金またはアルミ合金の表面に前
記硬質層を強固に密着させるためには強固なアンカー効
果か必要であるが、エツチングまたはショツトブラスト
等によって、表面状態をＲａ０．５μｍ以上て、か−’
）ＰＰ［５Ｇ１３０以上に調整することによって、強固
なアンカー効果か得られる。ここで、ＰＰＩ（Ｐｅａｋ
ｓ　Ｐｅｒ　Ｉｎｃｈ）は接触式表面粗さ計の抽出曲線
（測定値）の平均線から正負両方向に一定の基準レベル
Ｈを設け、負の基準レベルを越えた後、正の基準レベル
を越えたとき、■山と計算し、１インチ当たりの山数を
表示するものである。すなわち、ＰＰ１５．１３０は基
準レヘル５０μｍｎｎｃｈて、１インチ当たりの山数１
３０を示す。これによって、チタン合金またはアルミ合
金界面からの硬質メッキ層の剥離等を抑制することか可
能となる。また、硬質メッキの種類としては、無電解Ｎ
ｉ−Ｐメッキ、硬質Ｃｒメッキ、電解Ｎｉ−Ｐメッキ等
か考えられるが、メッキ速度、コストの点から電解Ｎｉ
−Ｐメッキか最も有利と考えられる。

転動摩耗の特徴は前記した通り高面圧て、接触応力は数
１００ｋｇｆ／ｍｍ２あり、最大剪断応力は、接触面か
ら数１０〜数１００μｍの深さの位置に発生する。さら
に、軸および軸受け、繰り返し転動応力を受けることに
より、軌道に剥離を生して運転不可能となる。この現象
はフレーキングと呼はれ、軸および軸受材料の一種の疲
労破壊であり、これにより軸および軸受の寿命か決めら
れてしまう。

そこで、発明者らは、被覆材の選定のために、転動摩耗
試験を行った。その結果を以下に説明する。

第１図は、転動摩耗試験方法の概略図で、図中１は試験
片、２は評価面、３はボールベアリング、４はベアリン
グレース、５は回転軸をそれぞれ示す。試験片ｌの先端
には評価面２かあり、評価面２はボールベアリング３と
接触するようにテーパか付けである。ボールベアリング
３はベアリングレース４内に必要個数配置しである。ベ
アリングレース４は回転軸５に装着され、回転軸５とと
もに回転する。回転軸５は回転装置（図示せず）に連結
されている。試験は荷重Ｐを試験片１に加え、回転軸５
を回転させて行う。

供試材は、Ｔｉ−６ＡＩ−４Ｖを母材として、母材にＷ
Ｃを溶射したもの、母材に電解Ｎｉ−Ｐメッキを施した
ものおよび母材ままの三種類である。これらを試験片ｌ
の形状に仕上げ転動摩耗試験に供した。試験結果を第２
図および第３図に示す。

第２図は供試材の転動疲労寿命を整理したちのて、第３
図は電解Ｎｉ−Ｐメッキ厚さと転動疲労寿命との関係を
整理したものである。

各供試材の寿命は、第２図に示すように、ＷＣを溶射し
たものは５時間程度の寿命である。この原因は、ＷＣ皮
膜は摺動摩耗ては良好な耐摩耗性を示すが、転動摩耗で
は高面圧のためＷＣ皮膜か破壊し脱落したためと考えら
れる。勿論、母材ままのＴ１６Ａｌ−４Ｖは５時間以下
の寿命である。

転動摩耗試験における電解Ｎｉ−Ｐメッキ厚さと転動疲
労寿命との関係を第３図に示す。電解Ｎｉ−Ｐメッキの
転動疲労寿命は、メッキ厚さの増ＪｔＤに伴い急激に長
寿命化されることか明らかである。

この結果から電解Ｎｉ−Ｐメッキの耐転動疲労性帝を向
上させるための被覆材の厚さは、最大剪断応力発生部位
を被覆材の内部に止めさせるためと、被覆材の耐転動疲
労性を可能かつ有効にさせるために、０．１ｍｍ以上か
好ましく、耐摩耗性イ、１与の観点からは１ｍｍまてて
十分である。また、被覆材の厚さを厚くすることは本発
明の目的とする軽量化からも好ましいものではない。

被覆材の硬さは、メッキ条件によって必要な硬さに調整
するが、耐摩耗性付与と転動疲労寿命の点からＨＶ５０
０以上に限定する。

第４図にＮｉ−Ｐメッキ層中のＰ含有量とメッキ層の硬
さとの関係を示す。本発明ては、Ｎｉ−Ｐメッキ層中の
Ｐ含有量が、同図に示すように、２〜７重量％のところ
てメッキ層の硬度か１（Ｖ５００以上のピークになるこ
とを知見した。勿論、Ｐの含有量以外にも他の添加剤や
メッキ条件によって、硬度の制御は可能であるが、この
結果は通常のＮｉ−Ｐメッキにおいては、通常無電解メ
ッキで１０重量％以上のＰ含を量となるＮｉ−Ｐメッキ
よりも低いレヘルのＰ量て硬度か高くなることを示して
おり、したがって、本発明でも簡便に高硬度を達成しよ
うとずれば、Ｎｉ−Ｐメッキ中のＰ含有量を２〜７重量
％にすることか好ましい。

まＴこ、本発明において、前記無電解メッキではＰ含有
量の制御か難しいので電気メッキの方かメ／キ手法とし
て優れている。

第５図に転動疲労寿命とメッキ習のＰ濃度との関係を示
す。母材にはＴｉ−６ＡＩ−４Ｖを用い、脱脂→水洗→
エツチング→水洗→表面活性化処理を行ったのち、電解
Ｎｉ−Ｐメッキを施した。メッキ浴組成は、ＮｌＳＯ４
・６Ｈ２０：２００ｇ／ｌ　ＳＮ＋Ｃ１２・６Ｈ２０：
５０ｇ／ｌ、Ｈ，ＰＯ３：４〜４０ｇ／ｌ　ＳＨ＊ＰＯ
４：５（Ｉｇ／ｌである。なお、表面粗さはＲａ　１．
３２　ａｍ　、　ＰＰ［５０２８３である。電流密度は
メッキ層の厚みに応じて変化させた。図中、■は１５Ａ
／ｄｍ２、◆は３０Ａ／ｄｍ２ていずれもメッキ層の厚
み方向のＰ濃度を一定にした「単層メッキ」である。メ
ッキ層の厚みは７００μｍである。

一方、・は下層５Ａ／ｄｍ２（２０１ｔ　ｍ厚み形成）
、中層＋５Ａ／ｄｍ２（５００ｕｍ厚み形成）、上層３
０Ａ／ｄｍ２（２００μｍ厚み形成）の３段階に変化さ
せ、ムは下層１５Ａ／ｄｍ２（２００〜３００　μｍ厚
み形成）、上層３０Ａ／ｄｍ２（２００〜３００μｍ厚
み形成）の２段階に変化させメッキ層の厚み方向のＰ濃
度を変化させた「複層メッキ」である。

メッキ最表層のＰ濃度は以下のとおりである。

■は５．２重量％「単層メッキ」 ◆は４．９重量％ｒ単層メッキ」 ・は２．８重量％「複層メッキ」 ムは２．８重量％「複層メッキＡ 第５図に示すように、本発明で目的とする転動疲労寿命
はメッキ層のＰ濃度を変化させた「複層メッキ」の方が
優れている。したかって、メッキ層には厚み方向にＰの
濃度差をつけた方か好ましい。

本発明の機械構造用複合材の製造工程は、大路次の如く
である。すなわち、 ■母材（チタン合金またはアルミ合金）の機械加工 ■アルカリ脱脂（オルソ珪酸ソーダ５％溶液、７０°Ｃ
） ■水洗 ■エツチング（弗酸塩） ■水洗 ■活性化処理 ■水洗 ■電気メッキまたは無電解メッキ である。

従来法でもメッキの前処理として当然エツチングは行わ
れている。しかし、このエツチングに用いられる酸は、
硝酸、弗酸またはこれらを混合した硝弗酸か主であって
、これら従来使用されている鉱酸類では、本発明で規定
する粗面な表面はできず、単に表面か均一にエツチング
あるいは逆に平滑化されるだけである。

発明者等の知見によれば、化学的エツチングにより本発
明で規定する粗面を得るには、ＮＨ４Ｆ　−ＨＰＮａＦ
　−ＩＰ等の弗酸塩か必要であり、他のエツチング剤と
して汎用される硝酸や弗酸は光沢剤としては有効ではあ
るものの、本発明で規定する粗面化のためには好ましい
薬剤ではない。

また、本発明では必要により粗面化のためのエツチング
のあとて、硬質メッキのまえに、表面のスマット除去の
ための燐酸電解処理や金属面を出すためのクロム酸、弗
酸などの酸による活性化処理を行うことが可能である。

すなわち、−旦素材表面に粗面を形成したあとのメッキ
までの工程は通常と同し方法か用いられる。このことは
、粗面化エツチングの前処理についても同様である。

さらに、メッキ後の熱処理などの必要性についてである
が、従来技術ではメッキのチタン界面との密着性を向上
させようとして、熱処理によりチタンとメッキ金属とを
相互に拡散させる手法か取り入れられているが、本発明
では逆に熱処理した方がメッキ層が脆くなるような傾向
も知見しており、熱処理かなくても本件のメッキ密着性
か悪くなるものではない。

このようにして得られた、母材（芯材）に軽くて高強度
のチタン合金またはアルミ合金を使用し、表層にＨＶ５
００以上て０．１〜１ｍｍの厚い電解Ｎｉ−Ｐメッキ層
を形成しているため、優れた耐摩耗性を発揮でき得る。

なお、本複合材の軸材と接触しない部分には、耐摩耗性
付与のための硬質層を要しないことは言うまでもない。

軽量化をさらに向上させるためには、必要最小限の部分
のみに被覆材を施すことか有効である。

（実施例） 以下に、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明は
これら実施例によって、何ら限定されるものではない。

実施例１ まず、供試材の複合材の製造方法について説明する。Ｎ
ｉ−Ｐメッキの母材（芯材）にはチタン合金、Ｔｉ−６
ＡＩ−４Ｖ　、ＴｉＴｉ−６ＡＩ−２Ｓｎ−４２ｒ−２
、Ｔｉ−６ＡＩ−６Ｖ２Ｓｎを用いて、前記のように、
脱脂→水洗→エツチンク→水洗→表面活性化処理を行っ
たのち、電解Ｎｉ−Ｐメッキを施した。メッキ浴組成は
、ＮｉＳＯ４・６Ｈ２０：２００ｇ／Ｉ　、　　ＮＩＣ
１２・６Ｈ２０：５０ｇ／ｌ、Ｈ３ＰＯ３：　４〜４０
ｇ／ｌ　、　Ｈ３ＰＯ４：５ｏｇ／ｌ　とし、電流密度
は５〜４０Ａ／ｄｍ２の範囲て適宜選定した。メッキ厚
さは０．０２〜０．５ｍｍの範囲内で適宜選定した。こ
れらの供試材について、耐摩耗性とメッキ密着性を調査
した耐摩耗性は先に述へた転動摩耗試験機（第１図）を
用いて調査した。メッキ密着性はメッキ面に１ｍｍクロ
スカットを１００個切った後、直径５ｍｍ、１８０°曲
げを行いテープ剥離テストで評価した。

その結果を第１−１表および第１−２表に表面粗さ、 メッキ層硬さおよび厚さとともに併記する。

第１ １表 −１６＝ 第１ ２表 第１−１表および第１−２表から明らかなように、本発
明例のチタン合金に電解Ｎｉ−Ｐメッキを施した複合材
は、被覆材厚みが増すとともに耐摩耗性は向上し、被覆
材厚みが０．１ｍｍ以上になると安定した耐摩耗性を示
している。勿論、被覆かしてない母材ままのチタン合金
は、耐摩耗性に劣っている。

また、本発明例のチタン合金に電解Ｎｉ−Ｐメッキを施
した複合材は、テープ剥離テストにおいても剥離は認め
られず、メッキ密着性は良好である。

一方、比較例は表面粗さか不十分なため、メッキ密着性
が悪く耐摩耗性が劣っている。

実施例２ 実施例１の第１−１表に示すＴｉ−６ＡＩ−４Ｖ　、表
面粗さＲａ　１．３２　ｕ、ｍ　、　ＰＰ［５，２８３
の母材を用いて、実施例１とおなし電解Ｎｉ−Ｐメッキ
条件で、電流密度のみを変えてメッキを行い、メッキ層
のＰの含有量を変化させた。なお、メッキ層の厚みは７
００μｍである。これらメッキ層についてＰ含有量と硬
度を測定した。その結果を第４図に示す。

本発明の複合材で狙いとする転動疲労寿命特性のために
は、勿論、一義的にメッキ層表面硬度か重要てあり、第
４図の結果からＰ含有量か２〜７重量％のときに、硬度
が高くなることがわかる。

また、Ｐの含有量か７重量％を超えるとＮｉ−Ｐメッキ
層自体か脆くなり、靭性か低下し負荷時にメッキ層の割
れか生じる可能性かあり、この点からもＰの含有量は２
〜７重量％か好ましい。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明に係わる転動疲労寿命に優
れた機械構造用複合材およびその製造方法は上記の構成
であるから、軽くて高強度のチタン合金およびアルミ合
金を母材とし、被覆材にＮｉＰメッキ等を用いた表面硬
化処理を施すことにより、チタン合金およびアルミ合金
に耐摩耗性を付与することかできるという優れた効果を
有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は転動摩耗試験方法の概略図を示す図である。 第２図は１ｖＣ皮膜、電解Ｎｉ−Ｐメッキおよび母、材
の転動疲労寿命を示す図である。 第３図は電解Ｎｉ−Ｐメッキ厚さと転動疲労寿命との関
係を示す図である。 第４図はＮｉ−Ｐメッキ層中のＰ含有量とメッキ層の硬
さとの関係を示す図である。 第５図は転動疲労寿命とメッキ層のＰ濃度との関係を示
す図である。 第６図は転動摩耗のモデルと接触圧、 せん断力 の概念を示す図である。 ■　試験片 評価面 ホールベアリング ベアリングレース 回転軸

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面をＲａ０．５μｍ以上でＰＰＩ＿５＿０が１
   ３０以上に粗面化したチタン合金またはアルミ合金の表
   面に、直接硬度ＨＶ５００辺上のＮｉ−Ｐメッキ層を１
   ００μｍ以上被覆したことを特徴とする転動疲労寿命に
   優れた機械構造用複合材。
2. （２）Ｎｉ−Ｐメッキ層の少なくとも表面層のＰ含有量
   が２〜７重量％であることを特徴とする請求項（１）の
   転動疲労寿命に優れた機械構造用複合材。
3. （３）Ｎｉ−Ｐメッキ層が層の厚み方向にＰの濃度差を
   有することを特徴とする請求項（１）または（２）の転
   動疲労寿命に優れた機械構造用複合材。
4. （４）被覆されるチタン合金またはアルミ合金の表面が
   、弗酸塩を含む溶液により表面粗化処理を施されている
   ことを特徴とする請求項（１）の転動疲労寿命に優れた
   機械構造用複合材の製造方法。