JPH08260127A

JPH08260127A - ねじ部品

Info

Publication number: JPH08260127A
Application number: JP7061083A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Tanaka; 信一田中
Original assignee: Tanaka Ltd
Current assignee: Tanaka Ltd
Priority date: 1995-03-20
Filing date: 1995-03-20
Publication date: 1996-10-08

Abstract

(57)【要約】【目的】チタン金属製のねじ部品を、チタン金属本来
の耐食性を劣化させることなく、その表面に耐久性のあ
る摺動処理を施して、摩擦・摩耗係数を低減させる。【構成】純チタン金属またはチタンと他の金属成分と
の合金からなるチタン金属性のねじ部品を、Ｃ_nＨ_2n+2
で示されるメタン同属体の炭化水素ガスを含有する雰囲
気で、０．５〜１５ｔｏｒｒ、７００〜１１００℃の減
圧加熱条件でプラズマ浸炭処理を行なう。または、上記
得られたねじ部品のねじ面にさらにポリテトラフルオロ
エチレンを含有する潤滑性塗料を塗着する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、チタン金属製のねじ
部品に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ねじ部品は、使用条件に充分な
耐腐食性を備える必要があるので、そのような使用条件
（たとえば、地中、水中または海中などにおいて真水や
海水に曝される状態）でも比較的よく耐える成形材料が
採用されている。

【０００３】耐食性に優れたねじ部品用成形材料として
は、鉄鋼、特にステンレス鋼が知られており、耐食性に
優れた工業材料としてはチタン金属が知られている。

【０００４】上記チタン金属は、耐熱性が高く、強度も
ほぼ炭素鋼に等しく、また表面に酸化被膜を形成するの
で、耐食性に優れた性質を有する。また、純チタンは、
全ての金属、特に銅、スズ、鉄、アルミニウム、バナジ
ウム、クロム、コバルト、モリブデン、タングステンな
どと合金をつくり、その加工性や機械的強度を種々改良
することが可能である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記したよう
にチタン金属からねじ部品を製造すると、耐食性や機械
的強度などにおいて優れた性質を有するが、ねじ部品と
して所要の耐摩耗性、および締付け時に機械設計上必要
な締まり力（軸力）を確保するためにねじ面などを低摩
擦係数にすることについて、そのような所要特性を充分
に満足するものでないという問題点がある。

【０００６】そこで、この発明の課題は上記した問題点
を解決して、チタン金属製のねじ部品を、チタン金属本
来の耐食性を劣化させることなく、その表面に耐久性の
ある摺動処理を施して、摩擦・摩耗係数を低減させるこ
とである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、この発明においては、炭化水素ガスを含有する０．
５〜１５ｔｏｒｒ、７００〜１１００℃の雰囲気内でプ
ラズマ浸炭処理したチタン金属からなるねじ部品とした
のである。

【０００８】または、炭化水素ガスを含有する０．５〜
１５ｔｏｒｒ、７００〜１１００℃の雰囲気内でプラズ
マ浸炭処理したチタン金属からなるねじ部品において、
このねじ部品のねじ面にポリテトラフルオロエチレンを
含有する潤滑性塗料を塗着したのである。

【０００９】前記潤滑性塗料のポリテトラフルオロエチ
レンは、分子量（Ｍｎ）８０００以下の低分子量ポリテ
トラフルオロエチレンを採用することが好ましい。

【００１０】以下に、その詳細を述べる。この発明でい
うねじ部品は、その形状や使用目的を特に限定したもの
ではなく、小ねじ類、ボルト・ナット（たとえば、六角
ボルト等の多角形ボルト、六角穴付きボルト等の穴付き
ボルト、植え込みボルト、基礎ボルト、角根丸頭ボルト
等とそれらに対応するナット類）、座金類その他の周知
のねじ部品である。

【００１１】また、この発明に用いるチタン金属は、純
チタンまたはチタンと他の金属成分との合金のいずれで
あってもよく、特に合金の組成を限定して行なうもので
はない。市販のチタン金属のチタニウムの純度は、９
９．９〜９９．５％程度であるが、このような純チタン
を用いることもできる。

【００１２】チタン合金の他の金属成分としては、前述
したようにチタン金属が全ての金属と合金を形成するこ
とから、特に限定されるものではないが、たとえば銅、
スズ、鉄、アルミニウム、バナジウム、クロム、コバル
ト、モリブデン、タングステンなどを挙げることができ
る。

【００１３】このようなチタン金属は、ねじ部品に成形
した後、プラズマ浸炭処理の前に、その表面を有機溶媒
に浸漬し、また超音波による洗浄処理を行なうことが望
ましい。

【００１４】プラズマ浸炭処理を行なうには、加熱炉内
にグラファイトファイバー等の断熱材で囲まれた処理室
を形成し、この処理室内をロッドグラファイトからなる
発熱体で加熱すると共に、処理室内の上部に直流グロー
放電の正極を接続し、かつ処理品の載置台に陰極を接続
し、また処理室内の要所にはガスマニホールドを設置し
て炭化水素、窒素、アルゴン、水素などのプロセスガス
またはクリーニング用ガスを適宜分散させながら導入す
るようにした公知の浸炭処理装置を用いることができ
る。

【００１５】すなわち、この発明のプラズマ浸炭は、以
下の操作を行なって処理することができる。

【００１６】まず、処理室にチタン金属を装入して排気
した後、ヒータにより７００〜１１００℃の浸炭温度に
まで加熱し、水素、アルゴン、窒素などの希釈またはク
リーニング用ガスを導入し、２００〜１５００Ｖの直流
高電圧を印加して１０〜３０分保持する。

【００１７】このとき、導入されたガスはプラズマ化す
るが、プラズマ中の電位は陽極から陰極までの大部分で
ほぼ一様であり、陰極付近で急激に電位が低下する。こ
のため、プラズマ中の水素イオンＨ⁺やアルゴンイオン
Ａｒ⁺は、陰極降下によって加速され、チタン金属表面
に衝突して表面の酸化物その他の付着物を跳ね飛ばして
チタン金属表面をクリーニングする。

【００１８】次に、メタンガスなどの炭化水素ガスを
０．５〜１５ｔｏｒｒの範囲で導入すると、プラズマガ
ス中には、イオン化した活性化炭素Ｃ⁺が発生し、これ
がチタン金属表面に付着してさらに内部に拡散するか、
スパッタリング、または打込みの作用によって浸炭反応
が進行する。

【００１９】この発明において使用する炭化水素ガス
は、Ｃ_nＨ_2n+2で示されるメタン同属体であって前記浸
炭温度において気体であるものを、特にその種類を限定
することなく使用することができる。特に、常温で気体
のメタン、エタン、プロパン、ブタンは、使用に際して
気化設備が不要であるので、好ましいものであるといえ
る。

【００２０】ここで、前記したプラズマ浸炭処理の条件
における炭化水素ガスの圧力は０．５〜１５ｔｏｒｒで
ある。このような炭化水素ガスの圧力は、チタン金属表
面に主にＴｉＣからなる処理層を形成するために必要で
あって、０．５ｔｏｒｒ未満の低圧では処理層の炭素量
が少なく、摺動特性の改善が充分でない。また、１５ｔ
ｏｒｒを越える高圧では、浸炭層の炭素量が飽和値とな
って、これ以上の浸炭効果が向上せず、実用的でなくな
るからである。

【００２１】この発明におけるプラズマ浸炭処理の雰囲
気温度は、７００〜１１００℃である。なぜなら、７０
０℃未満の低温では、チタン金属表面にスーティング
（煤）の発生が起こりやすく、そのため希釈用のガス
（水素、アルゴン、窒素など）の分圧が高くなりすぎて
処理効率が極端に低下する。また、１１００℃を越える
高温では、チタンは９５０℃で六方晶系（α型）から等
軸晶系（β型）に変態して物性が変わり、１１００℃を
越える高温では、強度特性を確保するために不利となる
から、これ以上の処理温度は実用的でない。

【００２２】なお、処理時間は雰囲気温度とガスの種
類、濃度および処理圧力を考慮した上で設定されるもの
であるから、例えば、後述する実施例のように、雰囲気
温度が９５０℃、プロパンガス（１００％）の圧力が１
Ｔｏｒｒとした場合に、１時間を目安とし、処理される
チタン金属、またはチタン合金製ねじ部品の使用目的に
応じて、所要の機械的強度が得られるように、適宜に増
減変更すればよい。このようなことから、実験的に得ら
れた最も好ましいプラズマ浸炭処理条件は、９５０℃で
９０分である。

【００２３】

【作用】この発明のチタン金属製のねじ部品は、所定の
圧力および温度でプラズマ浸炭処理されているので、そ
の表面に、活性化された炭素イオンが付着し、またはチ
タン金属の表面から飛び出したＴｉ原子が活性化された
炭素イオンと結合してチタン金属表面に被着して内部に
拡散するか、または陰極の近傍で加速された炭素イオン
が直接にチタン金属内に打込まれる作用によって、主に
炭化チタンからなる処理層が形成されている。

【００２４】このように形成されるねじ部品の表面の処
理層は、炭化されたことによってその炭化物が潤滑性を
発揮すると考えられ、摩擦・摩耗係数を低減させるよう
になりねじ部品として締付け時の所要の摺動性を備え、
しかもチタン金属製ねじ部品として本来の優れた耐食性
を具備する。

【００２５】なお、処理層は、たとえば７０μm 程度の
比較的厚い層に形成することができるので、耐久性のあ
る表面処理層を形成することができる。

【００２６】ねじ部品のねじ面にポリテトラフルオロエ
チレンを含有する潤滑性塗料を塗着すると、ねじ面の摺
動特性はさらに改善されるので、締着時の軸力を低減さ
せて、高い締着性を発揮するねじ部品となる。

【００２７】

【実施例】先ず、チタン金属をプラズマ浸炭処理した場
合の摺動特性、耐食性についての実験を以下に述べる。

【００２８】〔実験例１〕縦２５ｍｍ、横３５ｍｍ、厚
さ３ｍｍの平板状の純チタン（神戸製鋼所社製）を２４
０エメリー研磨後、アセトン中で超音波洗浄し、以下の
装置および条件でプラズマ浸炭処理を行なった。

【００２９】すなわち、加熱炉内にグラファイトファイ
バー等の断熱材で囲まれた処理室を有し、この処理室内
をロッドグラファイトからなる発熱体で加熱すると共
に、処理室内の上部に直流グロー放電の正極を接続し、
かつ処理品の載置台に陰極を接続し、また処理室内の要
所にはガスマニホールドを設置して炭化水素、窒素、ア
ルゴン、水素などのプロセスガスを適宜導入するように
した公知の浸炭処理装置（日本電子工業社製）を用い
た。

【００３０】そして、浸炭処理条件としては、ガス組成
を１００％プロパンガスとし、ガス圧力１Ｔｏｒｒ、処
理時間１時間、処理温度９５０℃として、処理後に窒素
ガスを処理室内に圧入して常温に冷却した。

【００３１】以上の処理を施した実験例について、Ｘ
線回折および光学顕微鏡を用いて処理層の結晶構造と厚
さを観察測定し、摩擦・摩耗試験を行なった。

【００３２】の摩擦・摩耗試験については、以下の装
置および条件で行ない、その結果を図２（ａ）および図
３（ａ）に示した。

【００３３】すなわち、カウンターウェイトによって、
一端に１．９６Ｎの荷重が掛かるように支持されたアー
ムの一端下面に、ピン型の摺動相手材（軸受鋼：ＳＵＳ
Ｊ２または試験片と同じ材質からなるもの）を固定し、
この摺動相手材を前記荷重にて平板状の試料片表面に押
しつけた状態で、この試料片をアームの長手方向と直角
方向に強制的に速度２０ｍｍ／秒、５ｍｍのストローク
で往復運動させた。このとき、摺動相手材と試料片間に
働く摩擦力をアームに生じた歪みとして歪みゲージによ
って検出し、その歪み量をＡ／Ｄ変換器を介してコンピ
ュータに入力して摩擦係数を算出した。

【００３４】なお、この実験は摩擦時間を２時間とし、
相対湿度５０〜６０％、室温、大気中の条件下で行なっ
た。なお、上記実験の摩擦係数の測定値については、実
験開始当初から６０分間の摩擦係数の時間変化を求め、
その結果を図４のグラフに示した。

【００３５】また、摩耗特性については、表面粗さ計に
よって測定した試料片の摩耗痕の断面形状、または実験
前後の試料片の重量変化から摩耗重量量または摩耗体積
を求め、摩擦実験後の比摩耗量（ｍｍ³／Ｎｍ）を求め
た。

【００３６】〔実験例２〕実験例１で用いたチタン合金
に代えて、チタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）（神戸製
鋼所社製、同寸法）を用いたこと以外は、実験例１と全
く同じ条件にてプラズマ浸炭処理を行なって試験片を製
造し、かつ同じ実験を行ない、その結果を図２（ｂ）、
図３（ｂ）に示した。

【００３７】また、実験例２ではポテンショスタット
による耐食性の比較を行ない、３ｗｔ％塩化ナトリウム
溶液、２１℃、通気なしの条件で、電流密度（μＡ／ｃ
ｍ²）と電位（ｍＶＶＳ．ＳＣＥ）の関係を測定し、
これを図１に示した。

【００３８】〔比較例１〕実験例１でプラズマ浸炭処理
を行なうことに代えて、下記の条件でプラズマ窒化処理
を行なうこと以外は、実験例１と全く同様にして試験片
を製造し、かつ同じ実験を行ない、その結果を図２
（ａ）、図３（ａ）、図４に示した。

【００３９】また、比較例１ではポテンショスタット
による耐食性の比較を行ない、この結果を図１に示し
た。

【００４０】前記プラズマ窒化処理条件としては、ガス
組成を１００％窒素ガスとし、ガス圧力２Ｔｏｒｒ、処
理時間３時間、処理温度７９０℃として、処理後に炉内
で常温にまで冷却した。

【００４１】〔比較例２〕実験例２でプラズマ浸炭処理
を行なうことに代えて、プラズマ窒化処理（比較例１と
同じ条件）を行なうこと以外は、実験例２と全く同様に
して試験片を製造し、かつ同じ実験を行ない、その結果
を図２（ｂ）、図３（ｂ）に示した。

【００４２】〔比較例３〕純チタン（神戸製鋼所社製）
で試験片を製造し、このもの（表面処理を行わない状
態）に対して実験例１と同じ実験を行ない、その結果を
図２（ａ）、図３（ａ）または図４に示した。

【００４３】また、比較例３ではポテンショスタット
による耐食性の比較を行ない、この結果を図１に示し
た。

【００４４】〔比較例４〕チタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−
４Ｖ）（神戸製鋼所社製）で試験片を製造し、このもの
（表面処理を行わない状態）に対して実験例１と同じ実
験を行ない、その結果を図２（ｂ）、図３（ｂ）に示し
た。

【００４５】以上述べた実験例および比較例の実験〜
の結果について、以下に述べる。

【００４６】まず、Ｘ線回折および光学顕微鏡を用い
た処理層の結晶構造と厚さについてみると、Ｔｉ合金：
Ｔｉ₂Ｎ＞ＴｉＮ、純Ｔｉ：ＴｉＮ＞Ｔｉ₂Ｎであり、
純チタン、チタン合金表面に形成された浸炭層の厚さは
７０μm であった。この場合、純チタンは処理層が明瞭
であるのに対し、チタン合金の処理層は、拡散層が発達
しており、やや不明瞭であった。これらの処理層は主に
ＴｉＣであった。

【００４７】次に、ポテンショスタットによる耐食性
の比較試験については、図１の結果から明らかなよう
に、プラズマ浸炭処理を施したチタン合金からなる実験
例２は、プラズマ窒化処理したチタン合金である比較例
１または未処理の純チタンである比較例３に比べて、電
位は上昇し電流も少なくなり、耐食性が向上していた。

【００４８】摩擦・摩耗試験については、図２および
図３の結果から明らかなように、純チタンまたはチタン
合金をプラズマ窒化した比較例１または比較例２の摩擦
・摩耗特性は、純チタンで未処理の比較例３またはチタ
ン合金で未処理の比較例４にそれぞれ比べて改善されて
いなかった。

【００４９】その理由としては、前述のように窒化層が
非常に薄いために、摩擦初期に剥離または摩耗してしま
い、その後は母材との摩擦に移行してしまうためと考え
られた。

【００５０】これに対して、純チタンをプラズマ浸炭処
理した実験例１またはチタン合金をプラズマ浸炭処理し
た実験例２は、処理済の試料片同士を摩擦した場合（図
２）、試料片と軸受鋼を摩擦した場合（図３）のいずれ
の場合でも摩擦係数、比摩耗量共にかなり低下し、摩擦
・摩耗特性が改善されていた。

【００５１】また、図４の結果からも明らかなように、
プラズマ浸炭処理を施したチタン金属は、摩擦係数の値
が小さいだけでなく、経時的にみてもこれらの値の変動
が非常に小さかった。

【００５２】以上の結果から、純チタンを所定の条件で
プラズマ浸炭処理した素材は、ねじ部品として、所要の
耐食性および所要の摺動特性を具備していることがわか
る。

【００５３】次に、上記のチタン金属からなるねじ部品
に、潤滑塗料を適宜に併用した場合の実施例１〜３、ま
たは比較例５について説明する。

【００５４】〔実施例１〜３〕六角ボルト・ナット（Ｍ
１０×Ｐ１．５×６０：ｍｍ）を純チタン金属で成形
し、表１に示した処理温度および処理時間としたこと以
外は前記した実験例１と全く同様にしてプラズマ浸炭処
理を行ない、ボルト・ナット共に下記の潤滑塗料を塗着
した。

【００５５】潤滑塗料：分子量（Ｍｎ）８０００以下の
ポリテトラフルオロエチレン含量７±０．５重量、溶媒
（代替フロン：ＨＣＦＣ−２２５、接着用樹脂０．３重
量％含む）９３重量％からなる潤滑塗料である。

【００５６】得られたボルト・ナットに対して、ＪＩＳ
１０８４−１９９０「ねじ部品の締付け試験方法」に準
拠し、締付けトルクを１５０ｋｇｆ・ｃｍ（耐力値最小
２１５Ｎ／ｍｍ）としてトルク係数、軸力、総合摩擦係
数、ねじ部摩擦係数を測定し、結果を表１に併記した。

【００５７】

【表１】

【００５８】〔比較例５〕六角ボルト・ナット（Ｍ１０
×Ｐ１．５×６０：ｍｍ）を純チタン金属で成形し、プ
ラズマ浸炭処理を行なわなかったこと以外は、実施例１
と全く同様にしてボルト・ナットを製造し、表１中に併
記した潤滑条件において前記した「ねじ部品の締付け試
験」を行ない、得られた結果を表１中に併記した。

【００５９】表１の結果からも明らかなように、所定の
プラズマ浸炭処理を経ずに潤滑処理のみを行なった比較
例５は、プラズマ浸炭処理を経た実施例１〜３に比べて
高いトルク係数値であり、また、摩擦係数は高く、軸力
は低く、適当なトルクでもって充分な締付け力が得られ
ないねじ部品であった。

【００６０】なお、ねじ部品の潤滑状態を示すトルク係
数値は、チタン金属製で未潤滑処理のねじ部品の場合
は、通常、０．４以上を示し、普通鋼製のねじ部品のト
ルク係数値は、０．１４〜０．２６である。

【００６１】上記した比較例に対して、全ての条件を満
足する実施例１〜３は、低いトルク係数値であって摩擦
係数は低く、軸力は高く、優れた締付け特性を有してい
た。そして、前記した実験例から純チタンおよびチタン
合金は、摩耗係数その他の機械的強度面において普通鋼
または合金鋼と同等であるから、従来のねじ部品を用い
た機械の設計を変更することなく、耐食性（耐久性）に
優れたチタン金属製ねじ部品を利用できることになる。

【００６２】すなわち、実施例のねじ部品は、チタン金
属本来の耐食性を具備すると共に、その表面のプラズマ
浸炭による加工硬化した耐久性のある摺動性の層によっ
て摩擦・摩耗係数の低減したものであった。

【００６３】

【効果】この発明は、以上説明したように、炭化水素ガ
スを含有する所定の真空度および所定温度の雰囲気内で
プラズマ浸炭処理したチタン金属からなるねじ部品とし
たので、このものがチタン金属本来の耐食性を具備する
と共に、その表面の耐久性のある摺動性の層によって摩
擦・摩耗係数が低減する利点がある。

【００６４】また、ねじ面にポリテトラフルオロエチレ
ンを含有する潤滑性塗料を塗着したねじ部品では、前記
摺動特性がよりいっそう顕著になる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】ポテンショスタットによる電流密度と電位の関
係を示す図表

【図２】（ａ）実験例１、比較例１、比較例３の同種材
同士の摩擦係数と比摩耗量を示す図表（ｂ）実験例２、比較例２、比較例４の同種材同士の摩
擦係数と比摩耗量を示す図表

【図３】（ａ）実験例１、比較例１、比較例３の軸受材
に対する摩擦係数と比摩耗量を示す図表（ｂ）実験例２、比較例２、比較例４の軸受材に対する
摩擦係数と比摩耗量を示す図表

【図４】実験例１、比較例１、比較例３の軸受鋼に対す
る摩擦係数と摩擦時間の関係を示す図表

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化水素ガスを含有する０．５〜１５ｔ
ｏｒｒ、７００〜１１００℃の雰囲気内でプラズマ浸炭
処理したチタン金属からなるねじ部品。
【請求項２】炭化水素ガスを含有する０．５〜１５ｔ
ｏｒｒ、７００〜１１００℃の雰囲気内でプラズマ浸炭
処理したチタン金属からなるねじ部品において、このねじ部品のねじ面にポリテトラフルオロエチレンを
含有する潤滑性塗料を塗着したことを特徴とするねじ部
品。
【請求項３】前記潤滑性塗料のポリテトラフルオロエ
チレンが、分子量（Ｍｎ）８０００以下の低分子量ポリ
テトラフルオロエチレンである請求項２に記載のねじ部
品。