JPS5837400B2 - 金属面の表面処理法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、金属面の表面処理法に関するものであり、金
属の表面クランクに低摩擦係数をもつ物質を溶り込ませ
て金属表面に潤滑性コーティングを行うものである。

代表的な例として、優れた負荷特性と潤滑特性を有する
極めて優秀な接触面を形成する多孔質クロムメッキがあ
るが、この多孔質クロムメッキには、割れやへこみある
いは微細クラツクが形成されており、耐摩耗特性と高動
作特性が要求されるピストンリングやシリンダ壁面に採
用されている。

このメッキ中にクロムが付着すると、微細なクラツクが
、付着層内に生じる応力によってほぼ不規則に形成され
る。

この応力は、クロム付着層の極限強さまで増大するので
、その結果生じる破面がこの応力を吸収することになり
、したがってメッキ部に微細なクランクを残すことにな
る。

多孔部または微細クラツクのサイズや種類は種々の方法
によって調整できる。

例えば、メッキ工程後エッチングを施し形成クランクを
拡大させる方法は既知の技術である。

一般に、エッチング処理中クランクははじめ拡大し、さ
らにクラツク部の溶解率と表面の溶解率間に均衡がとら
れクラツク深さがほとんど増太しなくなるまで拡大し続
ける。

この後、エッチングによる表面侵食の防止処理を施さな
い限りメッキ部は溶解され続けるが、顕著なクランク深
さの増大は伴わない。

したがって、本発明の目的は、メッキ表面を変質させた
り影響を与えることなく、エッチングにより調整可能な
微細クラツクを生じさせ、特に微細クランクを選択的に
拡大させる手段を提供することにある。

本発明において、最初のクラツクは最初のクロムメッキ
工程中に生じることが明らかにされているが、このクロ
ムメッキに引続いてクラックを拡大させるための逆極性
エッチング工程の前処理として熱処理を行う。

このため、クロムメッキは十分な時間をかけて比較的厚
いメッキ厚｛例えば５０．８μ〜１０１．６μ（０．０
０２〜０．００４インチ）｝を得ることが望ましい。

硬質クロムメッキ表面の潤滑特性つまり低摩擦特性は、
ポリ四フツ化エチレン（商標テフロン）のような過フツ
化炭素をメッキ表面に生じたクラツク中に進入させるこ
とによって飛躍的に高めることができる。

しかしながら、上記処理において、樹脂粉末が物理的に
クランク内の所定位置に保持されることが必要であると
ともに、ポリ四フッ化エチレン粉末の融解を防ぐために
メッキ表面の加熱温度を制限する必要がある。

つまり、最高加熱温度は３４３．３℃（６５０’Ｆ）で
あるが、出来れば２６０℃（５００”Ｆ）未満、１ ２
１． １℃（２５０下）から２０４．４℃（４００’
Ｆ）の範囲が望ましい。

しかし、実際には、制限温度までの加熱によって生じる
膨張はごくわずかなので、クラツク内に未融解の粉末を
完全に進入させることは難しい。

さらに、表面が長期間にわたり膨張や繰返し摩耗を受け
る場合は特に、冷却されてもクラックの収縮状態は粉末
を均一に所定位置に保持するようにはならない。

したがって、本発明の他の目的は、多孔質金属表面の潤
滑特性と低摩耗特性を飛躍的に向上させるために過フツ
化炭素混合物を多孔質金属表面に施す新規で優れた方法
を提供するとともに特に所望の幅と深さを有する所定パ
ターンの微細クラックを形成させる処理法を提供するこ
とにある。

本発明の他の目的は、潤滑特性と低摩耗特性を飛躍的に
向上させるために、微細クラツクを有する多孔質金属表
面に溶解した耐久力のある低摩擦材料を溶け込ませるよ
うにした製品を提供することにある。

本発明において、一定パターンの微細クラツクを形或さ
せるために、金属表面をクロム酸浴にしてメッキする。

このメッキ後、メッキ表面を加熱し酸化して、メッキ中
に発生したクラツクをさら？拡大させる目的で後で行う
エッチング作業中に、上記表面が影響を受けないように
する。

この後、上記表面を低摩擦過フツ化炭素混合物の融点以
上の温度に加熱し、さらにこの低摩擦過フン化炭素混合
物を直接前記表面に加え、微小クラック中に溶け込ます
。

機械の芯棒等の表面処理では、硬質クロムメッキを５０
．８μ〜１０ １．６μ（０．００２〜０． ０ ０
４インチ）の厚さで表面上に施し、このメッキ後、１２
１．１°Ｃ（２５０６Ｆ）から３１５．６’Ｃ（６００
″Ｆ）の温度範囲で１時間から５時間にわたって焼付け
を行う。

これらのメッキ表面酸化法は、逆極性エッチングと微細
クラツク拡大工程の前処理として最適なものである。

この逆極性エッチングは、クロム酸浴タンクに逆の極性
を印加して行う。

さらに、ポリ四フフ化エチレンを表面クラツクに溶け込
ますのに十分な高温、つまり３１５．６℃（６００’Ｆ
）から４８２．２℃（９００’Ｆ）の温度範囲に加熱し
た表面にポリ四フフ化エチレンを加える。

本発明に基づき、望ましくは６対８の粒子サイズを有す
るＡＩＳＩ８６２０合金鋼または６対７の粒子サイズを
有するＡＩＳＩ ４ ０ ０ ０系合金鋼のような微粒
子鋼の母材を、例えばパフ仕上げまたは布磨仕上げによ
り機械的に仕上げる。

次に、母材表面を、１５秒間から３０秒間にわたって陽
極エッチングし、母材の粒子組織を露出させる。

エッチングは、例えば米国ミシガン州のＢＡＳＦ Ｗｙ
ａｎｄｏｔｔｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆＷｙ
ａｎｄｔｔｅ社から″ＦＥＲＬＯＮ”という商標で販売
されているクリーナのようなアルカリ性脱錆メタルクリ
ーナーを使用した苛性溶液中で行う。

必要に応じて、エッチングは前記酸浴タンク中で、温度
を５４．４℃（１３０’Ｆ）にし、電圧を４〜６ボルト
にし、母材をタンク中に浸した状態で逆極性エッチング
法により行うことができる。

この母材は約１０秒間エッチングされ、次に陽極と陰極
を逆にして５秒間エッチングを施し、最後に母材を清水
中で水洗いする。

ここで、母材を次のメッキ工程のために温水中に漬け温
める。

次の工程として、母材をクロム酸浴クンク中で硬質クロ
ムメッキするが、厚さは５０．８μ〜１０１．６μ（０
．００２〜０．００４インチ）が望ましい。

ポリ四フツ化エチレンを受け入れる微小クラツクを有す
る表面を得るため他のメッキ混合物およびメツキ方法を
本発明にしたがって採用できるが、母材の表面に所望の
摩耗特性および潤滑特性を与えるのに、ポリ四フツ化エ
チレンとの組合せにおいて硬質クロムメッキが最適であ
ることが明らかにされている。

微小クラツクを有する硬質クロムメッキを行うため、後
述する焼付けとエッチング工程の規定順序を除き、一般
的な手順は従来のメッキ方法にしたがう。

しかし、本質的には、二重クロムとも呼ばれる微細クラ
ツクを有するクロムは、従来の銅・ニッケル基質または
ニッケル基質上に電着され、このクロムが下側のニッケ
ルを露出させる多数の微細クラツクを有するようになっ
ている。

所望のクランクパターンは、酸浴温度、クロム酸濃度、
フツ化物の含有量およびメッキ厚によって調節できる。

多層クロムメッキの代表的な方法として連続クロム浴法
があるが、本発明においては、Ｓ０４のような触媒酸基
を含有したクロム酸浴による一回のクロムメッキ工程中
に初期クラツクパターンを形成することが望ましい。

Ｃ ｒ ０ ３とＳＯ４の割合は厳密に調整するものと
し、例えば６０゜Ｃ（１４０’Ｆ）において重量比でＣ
ｒＯ３とＳＯ，の割合が１００対１の場合、中密度のク
ランクパターンが生じ、一方、同温度で１２５対１と比
率が高くなると、より高密度のクラツクパターンが生じ
ると考えられる。

クラツク部は一般に微細クラツクから成るはっきりした
網状状態を呈する。

浴液濃度は制限内にある限りクラツクパターンの大きさ
にほとんど影響を及ぼさないが、温度変化は微細クラツ
クの細さまたは粗さに重要な影響を与えることが明らか
にされている。

したがって、温度が４８．９℃（１２０下）から６０℃
（１４０下）に上昇した場合、微小クランクはかなり粗
くなる。

電流密度は、メッキ速度の制御にとって非常に重要なも
のであるが、クラツクパターンの大きさにとっては比較
的にわずかな影響しか及ぼさず、その代表的な範囲は６
． ４ ５ ｉ （１ ｉｎｃｈ２）当り１．０から４
．０アンペアである。

望ましいクロムメッキ溶液は、米国ＮｅｗＪｅｒｓｅｙ
州ＲａｈｗａｙにあるＭ＆Ｔ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ社が
製造しているＵｎｉｃｈｒｏｍｅ ＳＲＨＳクロムメッ
キ溶液ＣＲ−１０であり、これは特にクロム酸を３．８
ｔ（１ガロン）当り６８０．４〜１ １３４ｇ（２４〜
４０オンス）の濃度にして使用するように意図されてい
る。

この溶液の特徴は、高い電流効率と速いメッキ速度にあ
り、しかも瞬間的な電気遮断に対しても感度は低く、さ
らに優れた付着性、高い硬度と低い疲労抵抗低下を示す
。

錫・鉛合金製陽極は浴液と一緒に使用するのが望ましく
、またこの陽極の断面は過熱を伴わず所要電流を十分に
流すことができるものでなければならない。

補助陽極は、裸鋼に対向させるようにした場合には、鉛
か鉛被覆のものにすべきである。

前記の硬質クロムメッキ作業には、最大許容電源密度を
十分利用するために、６から９ボルトの電源を使用する
。

クロム酸浴は、まず清水をタンクの約％まで充填し、さ
らに所要作業温度より約１２，２℃高く加熱する。

次にクロム酸混合物をかき混ぜながら投入し、同時に残
りの水を加えて溶液が作業液位に達するようにし、さら
に浴液を作業温度に調節する。

陽極はタンク中に設置され、さらにダミー陰極を使用し
、６ボルトで、時々溶液をかき混ぜながら数時間所定の
作業温度で電解する。

また硬質メッキ工程において、濃度範囲は、４８．９℃
（１２０’Ｆ）から６５．６℃（１５０′Ｆ）までの作
業温度範囲においてクロム酸３．８ｔ（１ガロン）当た
り６８０．４〜１１３４ｇ（２４〜４０オンス）である
。

この時、温度を低くすれば電力をよくカバーし、また温
度を高くすれば高い電流密度を得られるとともにメッキ
速度が速くなり、使用電流密度範囲が広くなる。

Ｃｒ−１１０メッキ溶液の使用において、望ましい溶液
の濃度は、クロム酸については３．８ｔ（１ガロン）当
たり９０７．２〜１０２０．６ｇ（３２〜３６オンス）
で、また硫酸塩については３．８ｔ（１ガロン）当り３
．４ ｇ （ ０．１ ２オンス）である。

温度については、微細なクランクパターンの場合は最低
５１，１℃（ １ ２４’Ｆ）、また粗いクラツクパタ
ーンの場合には５８．３℃（１３７′Ｆ）に保持するの
が望ましい。

また電流密度については、微細なクラツクパターンには
６． ４ ５ｃｆｆｌ （ １ ｉｎｃｈ２）当り１ア
ンペア、また粗いクラツクパターンには６． ４ ５
ａＡ （１ ｉｎｃｈ２）当り２アンペアを使用する。

クロムメッキ厚は時間によって大きく左右されるが、厚
さ５０．８μ（０．００２インチ）の場合にはメッキ時
間は４５分間要し、厚さ１０１．６μ（０．００４イン
チ）になると１時間から２時間要するようになる。

メッキ作業中において、電極の過負荷を防ぐために、ク
ロム酸浴中で１回にメッキする部分の面積は陽極部分の
％を超えないようにする。

一般に、メッキ厚は、所要の厚さが得られるまでメッキ
工程中に実測により求める。

最初のメッキ工程後、メッキ部品は水中で水洗いし、つ
ぎにオーブン中で温度１ ２ １． １℃（２５０’Ｆ
）から３１５．６℃（ ６ ０ ０’Ｆ）で、１時間か
ら５時間焼付けを行う。

この場合、温度と時間は、メッキ表面を完全に酸化でき
かつ水素を排除できるものに決め、つぎの逆極性エッチ
ング工程に対する保護を行う。

焼付け後、部品を前記した濃度のクロム酸浴液中に漬け
、逆極性を溶液にかけて最初のメッキ作業中に形或され
たクラツクをさらに拡大させる。

この作業は、ポリ四フツ化エチレンを最終段階のクラツ
ク中に確実かつ均一に進入させるために重要なものであ
る。

メッキ部品のエッチングの程度は、クラツクの深さや巾
、つまり多孔性の程度や種類の選択に関し重要な影響を
与える。

硫酸塩の有無にかかわらずクロム酸溶液中での陽極エッ
チングは、クラツクの大きさや拡大を制御する従来の方
法により、一般的にメッキ作業に関し述べたと同じ温度
でメッキ浴中で行い、また電流密度は６．４ ｓ＝（
１ ｉｎｃｈ２）当たり２から４アンペアを使用する。

しかしながら、エッチング工程において、クロム酸エッ
チング溶液の規定配合、および温度と電流密度等の作業
条件はさほど重要ではない。

メッキおよびエッチング両工程において、メッキおよび
エッチングすべき部品を吊り下げるために適切な支持器
具を使用する。

この場合、最も配慮しなければならないことは、メッキ
すべき部品の端部や開口部端部に過度の付着がないよう
に保護膜により適切に被覆することである。

ここで再度強調したいことは、逆極性エッチング工程の
前処理としての焼付け工程は、クラツクの形或に関し新
規な調整方法であり、特にメッキ表面を変質させたり、
悪化させたリせずクラツクの巾と深さを選択的に増大さ
せることができる方法である。

また、注目すべき点は、多孔性の程度はある程度までは
後述する最終の機械仕上げによって調整できる点で、つ
まりエッチングされた層または多孔質層の切削程度によ
って多孔性の程度が決まるわけである。

次の工程として、各メッキ部品を第２図に示す施盤に取
付け、部品表面速度を毎分１．２２〜２．４４ｍ（４〜
８フィート）にして回転させる。

さらにメッキ表面をポリ四フツ化エチ１／ンの融点より
高く加熱する。

例えば、数分間プロパントーチで加熱するようにする。

つぎにボリ四フツ化エチレンを部品表面に施すが、例え
ば第３図に示す如くポリ四フフ化エチレン製の固体棒を
加熱された表面に押しつけるようにして施す。

ボリ四フツ化エチレンをメッキ表面に施す場合において
、２．５４ｃＩｒＬ（１インチ）の棒を使用し、その上
半分を直角より小さい角度に切断し、部品が回転中に供
給される粉末に対し漏斗の役目を果すようにする。

３１５．６℃（６００’Ｆ）から４８２．２℃（９００
′Ｆ）の高温においては、ポリ四フツ化エチレンは部品
表面と接触すると、すぐに軟化し溶解するから、素早く
旋すことができる。

さらにわずかに−上記固体棒に圧力を加えることによっ
て、軟化し溶解したボリ四フフ化エチレンはクランク内
により均一に溶け込むようになる。

必要であれば、粉末状のポリ四フフ化エチレンを前記棒
の加熱表面に施して前記固体棒とともに使用することも
でき、粉末状ポリ四フフ化エチレンは前記固体棒の端部
において素早く溶融し、部品のメッキ表面に拡大形成さ
れたクラツク内に溶け込む。

一般に、ボリ四フツ化エチレンの供給は部品のメッキ表
面との接触面でポリ四フフ化エチレンがもはや軟化しな
くなった時に完了し、その後部品を室温にて冷却する。

最終の仕上げ段階において、部品を毎分表面速度を４５
．７２〜７６．２ｍ（１５０〜２５０フィート）という
比較的高速で回転させながら綿布をメッキ表面に押しつ
けて艶出しを行う。

下記の作業例は、管曲げ芯棒部材（ｔｕｂｅ ｂｅｎｄ
ｉｎｇｍａｎｄｒｅｌ ａｓｓｅｍｂｌｉｅｓ）の硬質
クロムメッキに関する実例である。

例１ 直径９．８ ８ＣＩｒＬ（ ３．８ ９ １インチ）で
長さ２５．４ｃｍ（１０インチ）の鋼製シャンクで、前
記部材に使用されている。

前述の如くアルカリ溶液中で、温度５４．４℃（１３０
下）、電圧４〜６ボルトで１５秒間洗浄した。

さらに、このシャンクを逆極性のもとで１分間未満クロ
ム酸エッチング溶液中で洗浄した。

水洗い後、このシャンクを濃度が３．８７（１ガロン）
当たり９０７．２ｇ（３２オンス）、温度５７．２℃（
１３５’Ｆ）、電流密度６．４５ｃｒ７ｔ （１ ｉｎ
ｃｈ２）当たり１．２５アンペアという条件でクロム酸
浴によりメッキした。

メッキ時間は２時間１０分で、メッキ厚は１２７μ（０
．００５インチ）であった。

水洗い後、シャンクを３時７ｓｔｊ １７ ６．７’Ｃ
（３５０’Ｆ）で焼付けた。

さらにこのシャンクを、クロム酸濃度が３．８ｔ（１ガ
ロン）当たり７ ９ ３．８ ｇ （２８オンス）、温
度が５６．１℃（１３３″Ｆ）、電流密度が６．４ ５
ｆｆｌ（１ ｉｎｃｈ２）当たり２アンペアという条件
の浴液中で３分間エッチングを行った。

ポリ四フツ化エチレンを施す前にシャンクを検査したが
、浸食は見られたが、クラツクパターンははっきりと、
均一に、かつ比較的微細に形成されていた。

シャンクを温度３２９．４℃（６２５′Ｆ″）に加熱し
た後、このシャンク表面にボリ四フツ化エチレンを第３
図に示す如く粉末状および固体棒状にして加えた。

例２ 直径が各々９．８ ６ＣｒｒＬ（ ３．８ ８ ２イン
チ）である３個の鋼球を例１に記した如く洗浄し、エッ
チングし、その後クロム酸濃度が３．ｓｚ（１ガロン）
当たり９３５．５ｇ（３３オンス）で、浴液温度が５６
．７℃（１３４．’Ｆ）で、電流密度が６．４５誠（
１ ｉｎｃｈ２）当たり１．２５アンペアというクロム
酸浴によりメッキを行った。

鋼球を２時間３０分間メッキし、平均メッキ厚は８８．
９μ（０．００３５インチ）とした。

水洗い後、１７６．７℃（３５０″Ｆ）の温度で３時間
焼付けた。

さらにこの鋼球をクロム酸濃度が３．８ｔ（１ガロン）
当たり７ ９ ３．８ｇ（２８オンス）で、浴液温度が
５１．７℃（１２５’Ｆ）である浴液中で２分間エッチ
ングを行った。

この鋼球に粉末状のポリ四フフ化エチレンを温度３１５
．６℃（ ６ ０ ０’Ｆ）で５＋分間与え潤滑化をは
かった結果、非常に滑らかな表面を得られたが、表面の
ポリ四フツ化エチレンの量がわずかにオーバーした。

例３ 前記例２にもとづく洗浄、メッキ、焼付け、エッチング
処理を受けた球体で、粘着状態のポリ四フツ化エチレン
を、３１５．６℃（６００″Ｆ）以上に加熱された球表
面に６分間与えて潤滑化をはかった。

潤滑剤は均一にのび、形成されたクラツクパターン中に
溶け込んだ。

前記した方法にもとづき処理されたその他の球体につい
ても、時間を４５秒から１２分間まで変化させ、また温
度も３１５．６°Ｃ（６００”Ｆ）から４８２．２°Ｃ
（９００’Ｆ）まで変化させて加熱し、ポリ四フフ化エ
チレンを球表面に与えた。

この場合、ポリ四フフ化エチレンは粉末状と棒状の両方
を採用したが、滑らかで平均した表面膜が形成された。

下記は、前記部材に使用される芯棒シャンクの表面処理
により得られる摩擦係数の実例である。

シャンクは、前記の例２と例３に記述した如くコーティ
ングされ、さらに硬質クロムメッキされているがボリ四
フツ化エチレンのコーティングがされていないシャンク
と比較されている。

これら一対のシャンクに、５．０ ８ｃｒｒＬ（ ２イ
ンチ）巾の鋼バンドにより吊り下げられた１ １．３
４Ｋｐ（ ２ ５ポンド）の静重量を加えて摩擦試験を
行った。

この鋼バンドは、他端を２ ２．６ ８Ｋｙ（ ５ ０
ポンド）はかりに固定されているとともに各型式のシャ
ンクが表面速度毎分２５．９ｍ（８５フィート）で回転
している時、各シャンク上にくるようにされている。

摩擦係数については、各型式のシャンクに対する回転抵
抗がはかりのふれで示されるものとして測定した。

１ １．３ ４Ｋ７（ ２ ５ポンド）の荷重を用いた
比較試験において、本発明にもとづきコーティングさせ
たシャンクは、鋼バンドと１ １．３ ４Ｋｙ（ ２
５ポンド）の吊下げ荷重による抵抗を受けている間、著
しく改良された潤滑特性と摩耗特性を示した。

前述の如く処理された金属表面は、前記部材の芯棒に関
して前記した特定用途以外に数多くの用途があることが
理解できるだろう。

以上、本発明の実施態様および実施方法を説明してきた
が、本発明は特許請求の範囲内で上記以外にも実施化で
きることができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にもとづく代表的な表面処理作業の大ま
かな工程図、第２図は潤滑剤を金属球体のメッキ表面に
施す方法を示した概略図、第３図は潤滑剤を高温におい
て金属球体のメッキ表面に施す方法を示した概略図であ
る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 金属表面を洗浄処理後、クロム酸浴を用いた電気メ
   ッキ処理により微細クラツクパターンを有するクロムメ
   ッキ層を形成し、これを酸化雰囲気下で１２１〜３１６
   ℃及び１〜５時間の熱処理によりクロムメッキ層表面を
   焼付けし、さらに逆電エッチング処理により前記クロム
   メッキ層の微細クラツクパターンを拡大し、拡大された
   微細クラツクパターン内へ過フッ化炭素物を溶解浸入せ
   しめ、金属表面に潤滑性コーティングを行うことを特徴
   とする金属面の表面処理法。