(57)【要約】【課題】ワークの表面処理およびワーク表面への皮膜の形成を１つの工程および１つの装置でもって連続的に行うことにより、ワーク保持治具に対するワーク着脱時間や表面処理等の処理時間を短縮し、効率的にワークの表面処理およびワーク表面への皮膜形成を行う。【解決手段】処理室内に支持されるワークに圧縮残留応力を付与する表面処理を施し、前記ワークに皮膜形成を行う皮膜形成装置であって、前記ワークの表面に投射材入り電解液を高圧で噴射させ圧縮残留応力を付与する、前記ワークに沿って移動自在な表面処理機構と、前記ワークの表面に電解液を低圧で噴射させ皮膜を形成させる、前記ワークに沿って移動自在な皮膜形成機構とを備え、前記ワークは電源の陽極側に電気的に接続し、前記皮膜形成機構の電極は電源の陰極側に電気的に接続し、前記表面処理機構の噴射口と前記皮膜形成機構の噴射口は同心状に配置される、皮膜形成装置が提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理室内に支持されるワークに圧縮残留応力を付与する表面処理を施し、前記ワークに皮膜形成を行う皮膜形成装置であって、
前記ワークの表面に投射材入り電解液を高圧で噴射させ圧縮残留応力を付与する、前記ワークに沿って移動自在な表面処理機構と、
前記ワークの表面に電解液を低圧で噴射させ皮膜を形成させる、前記ワークに沿って移動自在な皮膜形成機構とを備え、
前記ワークは電源の陽極側に電気的に接続し、
前記皮膜形成機構の電極は電源の陰極側に電気的に接続し、
前記表面処理機構の噴射口と前記皮膜形成機構の噴射口は同心状に配置される、皮膜形成装置。
【請求項２】
前記投射材入り電解液および前記電解液は、前記処理室下部の貯留部に分けて貯留される、請求項１に記載の皮膜形成装置。
【請求項３】
前記投射材入り電解液および前記電解液は同軸方向に向けて前記投射材入り電解液の周囲を前記電解液が取り囲むように噴出され、前記投射材入り電解液は０．１ＭＰａ〜３００ＭＰａで噴射され、前記電解液は０．０１ＭＰａ〜１ＭＰａで噴射される、請求項１または２に記載の皮膜形成装置。
【請求項４】
前記表面処理機構と前記皮膜形成機構は一体的に移動する、請求項１〜３のいずれかに記載の皮膜形成装置。
【請求項５】
前記ワークは鉄または鉄合金からなり、前記皮膜形成機構によって形成される皮膜は硫化物系固体潤滑膜である、請求項１〜４のいずれかに記載の皮膜形成装置。
【請求項６】
ワークに皮膜を形成させる皮膜形成方法であって、
正に帯電し、回転する前記ワークに投射材入り電解液を高圧で噴射するとともに、
前記投射材入り電解液と同心状に、負に帯電する電解液を前記ワークに低圧で噴射する、皮膜形成方法。
【請求項７】
前記投射材入り電解液および前記電解液は同軸方向に向けて前記投射材入り電解液の周囲を前記電解液が取り囲むように噴出され、前記投射材入り電解液は０．１ＭＰａ〜３００ＭＰａで噴射され、前記電解液は０．０１ＭＰａ〜１ＭＰａで噴射される、請求項６に記載の皮膜形成方法。
【請求項８】
前記ワークは鉄または鉄合金からなり、前記皮膜形成機構によって形成される皮膜は硫化物系固体潤滑膜である、請求項６または７に記載の皮膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば歯車等のワーク（被加工材）に対して圧縮残留応力を付与する表面処理を行い、かつ皮膜形成を行う皮膜形成装置および皮膜形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ギア類、ベアリング類、各種のピン、ピボット類、ピストンやシリンダー類等の、相手方の金属部材の表面と摺動面において接して動くワークでは、潤滑油の存在下でも異常摩耗と焼付きが問題となる。この問題を軽減させるための手段として、ショットピーニング等のピーニング処理を施すことによって残留圧縮応力を導入し、ワークの疲労強度を改善する方法が知られており、また、ワーク（特に摺動面）の表面に硫化鉄系、硫化モリブデン系、硫化タングステン系等の硫化物系固体潤滑膜を形成する方法が知られている。
【０００３】
特許文献１、２には、ワークの金属材料疲労強度の改善方法として、ワーク表面に微細なショットを投射して材料強度を高めるショットピーニング方法が開示されている。このピーニング方法によれば、未処理エリアの発生を防いで効率的なピーニング処理を行うことができ、ワークの品質を向上させることが可能となる。また、特許文献３には、ワークの表面処理とともにその洗浄を行うことが可能な処理方法、処理装置が記載されている。
【０００４】
また、特許文献４、５には、摺動面に硫化物系固体潤滑膜を形成する等の硫化処理を行った摺動部材およびその製法が開示されている。特許文献１に記載の発明によれば、作業性のよく、安価な硫化物系固体潤滑膜を有する耐焼付き性の優れた摺動部材が提供される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１５５８３６号公報
【特許文献２】特開２００２−３２６１６１号公報
【特許文献３】特開２００３−６２４９２号公報
【特許文献４】特開２００１−１１５１７７号公報
【特許文献５】特開平１１−３０２８９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来、上記特許文献１〜３に記載されるワークの表面処理を行う工程と、上記特許文献４、５に記載のワーク摺動面に硫化物系固体潤滑膜を形成する工程とは、別々の工程として行われ、各処理を行う装置やワーク保持治具も異なったもので行われていた。この場合、ワークの表面処理と、硫化物系固体潤滑膜を形成する工程を連続的には行えず、ワーク保持治具に対しワークを着脱するための時間が個々にかかる等により処理時間が長時間となってしまうという問題点があった。さらに、各処理を行う装置とワーク保持治具が別々であるため、それら装置の設置スペースや設備コストならびにワーク保持治具コストの増大といった問題点があった。
【０００７】
また、摺動面を有するワークには様々な種類があるため、上述したように、複数の工程・装置を用いる場合、ワークの種類に応じてそのワーク保持治具を変更させる手間がかかりその作業効率や作業コストが問題となっていた。
【０００８】
そこで本発明の目的は、ワークの表面処理およびワーク表面への皮膜の形成を１つの装置でもって、１つの工程あるいは複数の工程を連続的に行うことにより、ワーク保持治具に対するワーク着脱時間や表面処理等の処理時間を短縮し、効率的にワークの表面処理およびワーク表面への皮膜形成を行うことにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、処理室内に支持されるワークに圧縮残留応力を付与する表面処理を施し、前記ワークに皮膜形成を行う皮膜形成装置であって、前記ワークの表面に投射材入り電解液を高圧で噴射させ圧縮残留応力を付与する、前記ワークに沿って移動自在な表面処理機構と、前記ワークの表面に電解液を低圧で噴射させ皮膜を形成させる、前記ワークに沿って移動自在な皮膜形成機構とを備え、前記ワークは電源の陽極側に電気的に接続し、前記皮膜形成機構の電極は電源の陰極側に電気的に接続し、前記表面処理機構の噴射口と前記皮膜形成機構の噴射口は同心状に配置される、皮膜形成装置が提供される。
【００１０】
前記投射材入り電解液および前記電解液は、前記処理室下部の貯留部に分けて貯留され、前記投射材入り電解液および前記電解液は同軸方向に向けて前記投射材入り電解液の周囲を前記電解液が取り囲むように噴出され、前記投射材入り電解液は０．１ＭＰａ〜３００ＭＰａで噴射され、前記電解液は０．０１ＭＰａ〜１ＭＰａで噴射される。また、前記表面処理機構と前記皮膜形成機構は一体的に移動し、前記ワークは鉄または鉄合金からなり、前記皮膜形成機構によって形成される皮膜は硫化物系固体潤滑膜である。
【００１１】
また、別の観点からの本発明によれば、ワークに皮膜を形成させる皮膜形成方法であって、正に帯電し、回転する前記ワークに投射材入り電解液を高圧で噴射するとともに、前記投射材入り電解液と同心状に、負に帯電する電解液を前記ワークに低圧で噴射する、皮膜形成方法が提供される。
【００１２】
前記投射材入り電解液および前記電解液は同軸方向に向けて前記投射材入り電解液の周囲を前記電解液が取り囲むように噴出され、前記投射材入り電解液は０．１ＭＰａ〜３００ＭＰａで噴射され、前記電解液は０．０１ＭＰａ〜１ＭＰａで噴射される。また、前記ワークは鉄または鉄合金からなり、前記皮膜形成機構によって形成される皮膜は硫化物系固体潤滑膜である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ワークの表面処理およびワーク表面への皮膜の形成を１つの装置でもって、１つの工程あるいは複数の工程を連続的に行うことにより、ワーク保持治具に対するワークの着脱時間や表面処理等の処理時間を短縮し、効率的にワークの表面処理およびワーク表面への皮膜形成を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】皮膜形成装置１を側方から見た断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１６】
図１は本発明にかかる皮膜形成装置１を側方から見た断面図である。皮膜形成装置１は、上部の処理室１０と、処理室１０の下部に設置される投射材入り電解液Ａを貯留する貯留部１２および電解液Ｂを貯留する貯留部１３から構成される。また、貯留部１２と貯留部１３は仕切り板１１によって仕切られており、貯留部１３から貯留部１２にのみ電解液がオーバーフロー可能な構成となっている。ここで、処理室１０と各貯留容器１２、１３とは電気絶縁体１４を介して結合されている。処理室１０の内部にはワーク１５を取り付けたワーク保持治具１６を載せる載置台１７が設置され、例えば鉄または鉄合金の歯車等である複数のワーク１５が垂直（図１中上下方向）にワーク保持治具１６に取り付けられ、載置台１７上に設置されている。ここで、ワーク１５の摺動面である皮膜形成対象面が外周面となるように複数のワーク１５は処理室１０内に堆積される。また、載置台１７には図示しない例えばモーター等で駆動する回転機構が備えられ、回転自在である載置台１７の回転に伴って、複数のワーク１５は水平方向に回転自在となっている。なお、載置台１７およびワーク１５は随時回転していてもよいが、より好ましくは、表面処理時と皮膜形成時のみに回転動作が行われる。
【００１７】
処理室１０内部には、表面処理機構２０および皮膜形成機構３０が配置されている。図１に示すように、表面処理機構２０は皮膜形成機構３０に囲まれるように、その内部に配置される。ここで、表面処理機構２０および皮膜形成機構３０は図示しない昇降機構によって処理室１０内において昇降自在となっており、その昇降は一体的に行われる。また、表面処理機構２０には噴射口２１が、皮膜形成機構３０には噴射口３１がそれぞれ設けられており、噴射口２１および噴射口３１は常時ワーク１５の外周面に対向しており、上記表面処理機構２０および皮膜形成機構３０の昇降は、噴射口２１および噴射口３１がワーク１５の外周面に対向する範囲内で行われる。
【００１８】
表面処理機構２０は、連通路２２および混合機構２５を介し、処理室１０下方に配置され電解液Ｂが貯留されている貯留部１３に連通している。ここで、連通路２２には、高圧ポンプ２３が取り付けられ、高圧ポンプ２３の稼動により貯留部１３から電解液Ｂが表面処理機構２０に設けられている混合機構２５へ導入される。また、表面処理機構２０は、連通路２６および混合機構２５を介し、処理室１０下方に配置され投射材入り電解液Ａが貯留されている貯留部１２とも連通している。連通路２６には低圧ポンプ２７が取り付けられ、低圧ポンプ２７の稼動により貯留部１２から投射材入り電解液Ａが表面処理機構２０に設けられている混合機構２５へ導入される。混合機構２５において投射材入り電解液Ａと電解液Ｂが混合され、投射材入り電解液Ａと電解液Ｂが混合された混合電解液（即ち、投射材入り電解液）が表面処理機構２０の噴射口２１からワーク１５に対し高圧で噴射される構成となっている。上述したように、噴射口２１はワーク１５の外周面に対向しているため、前記混合電解液（即ち、投射材入り電解液）はワーク１５の外周面に高圧で噴射される。そして、ワーク１５外周面に噴射された後、前記混合電解液は落下し貯留部１２に集められる。
【００１９】
また、貯留部１２および連通路２８にはサイクロン４０が接続されており、サイクロン４０には貯留部４１が接続される。ここで、サイクロン４０は、貯留部１２内の投射材入り電解液Ａに含まれている投射材を分球するための装置である。投射材入り電解液Ａをワーク１５に噴射させると、投射材がワーク１５と衝突するため、投射材の粒径が小さくなる、あるいは投射材が砕ける等の現象が起こる。これら不良形状となった投射材は、サイクロン４０において除去され、再利用可能な投射材入り電解液Ａのみが貯留部１２に戻され貯留される。また、それ以外の電解液Ａ（基本的には投射材の入っていない電解液Ａ、ただし投射材の粒径が小さくなる、あるいは投射材の砕けてつかえないものが入った電解液Ａも含まれる）は貯留部４１に貯留される。
【００２０】
一方、皮膜形成機構３０は、連通路３２を介し、処理室１０下方に配置され、電解液Ｂが貯留されている貯留部１３に連通している。ここで、連通路３２には、低圧ポンプ３３が取り付けられ、低圧ポンプ３３の稼動により貯留部１３から電解液Ｂが皮膜形成機構３０へ導入され、皮膜形成機構３０の噴射口３１から電解液Ｂが噴射される構成となっている。噴射口３１はワーク１５の外周面に対向しているため、電解液Ｂはワーク１５の外周面に低圧で噴射される。そして、電解液Ｂはワーク１５の外周面に噴射された後、落下して貯留部１２に集められる。
【００２１】
また、連通路３２にはフィルター３５が設置されている。フィルター３５は、貯留部１３内の電解液Ｂに混入してしまった投射材や表面処理時に発生するワーク１５からの脱落粒子（バリ等）や皮膜形成反応により生成する不溶性スラッジ等を除去するために取り付けられている。フィルター３５において、電解液Ｂから上記脱落粒子や不溶性スタッツを濾過し除去することにより、これらによる皮膜形成機構３０の損傷や損耗を防止することが可能となる。
【００２２】
高圧ポンプ２３の吐出圧は０．１ＭＰａ以上（数百ＭＰａまでの高圧ポンプが使用可能となるが、５ＭＰａ〜３００ＭＰａ程度が常用範囲）であり、より好ましくは２５ＭＰａ〜１００ＭＰａである。また、低圧ポンプ２７の吐出圧は０．０５ＭＰａ以上（数ＭＰａまでの低圧ポンプが使用可能となるが、０．１ＭＰａ〜０．５ＭＰａ程度が常用範囲）であり、好ましくは０．０５ＭＰａ〜０．３５ＭＰａである。低圧ポンプ３３の吐出圧は０．０１ＭＰａ以上（数ＭＰａまでの低圧ポンプが使用可能となるが、０．１ＭＰａ〜１ＭＰａ程度が常用範囲）であり、好ましくは０．１５ＭＰａ〜０．５ＭＰａである。ここで、高圧ポンプ２３および低圧ポンプ３３の吐出圧は、前述した圧力の範囲内において、処理対象のワーク１５の材質および前処理、ならびに使用条件に応じて、ワーク１５表面に付与する圧縮残留応力とその分布を好適に得られる吐出圧を選定することが望ましい。
【００２３】
また、皮膜形成機構３０の内周部には電極６０が設置されており、電極６０は処理室１０外部に備えられる例えばＤＣ電源である電源６２の陰極側と電気的に接続している。そのため、電源６２の稼動により皮膜形成機構３０内部に導入された電解液Ｂは負に帯電する。一方、ワーク保持治具１６は電源６２の陽極側と電気的に接続しており、電源６２の稼動によりワーク保持治具１６上に保持されるワーク１５は正に帯電する。
【００２４】
貯留部１２にはアルカリ金属もしくはアルカリ土類金属のチオシアン酸塩またはチオ硫酸塩の一種または二種以上を溶解した水溶液に１〜５０ｖｏｌ％の投射材が含まれる投射材入り電解液Ａが貯留される。投射材の種類としては、例えば電解液と反応しない粒径５〜３００μｍのアルミナが例示されるが、ワーク１５の材質および前処理ならびに使用条件に対応しワーク１５表面に付与する圧縮残留応力とその分布を得るのに好適な投射材を選定すればよい。また、貯留部１３は、仕切り板１１を挟んで貯留部１２に隣接し、貯留部１３には投射材を含まないアルカリ金属もしくはアルカリ土類金属のチオシアン酸塩またはチオ硫酸塩の一種または二種以上を溶解した水溶液である電解液Ｂが貯留されている。
【００２５】
一方、貯留部４１と貯留部１３は供給路６５を介して連通しており、貯留部４１に貯留された投射材を含まない電解液が貯留部１３へ供給される。ここで、貯留部４１には図示しないＰｈ計、電磁濃度計、温度計、フィルター等が設置されており、貯留部１３にはこれらＰｈ計、電磁濃度計、温度計によって再利用可能と判断された電解液を供給する。また、投射材は貯留部１２に直接投入され、貯留部１２において電解液と混合され投射材入り電解液Ａとなる。
【００２６】
以上説明したように構成される皮膜形成装置１において、ワーク１５への表面処理および皮膜形成が行われる。貯留部１２に貯留される投射材入り電解液Ａは、投射材が入っているため高圧ポンプ２３を使用して表面処理に好適な吐出圧力までの加圧には適さない。そのため、低圧ポンプ２７の稼動により連通路２６を介し混合機構２５へ導入され、貯留部１３に貯留される電解液Ｂには投射材が入っていないため高圧ポンプ２３を使用して表面処理に好適な吐出圧力まで加圧可能であり、高圧ポンプ２３の稼動により連通路２２を介し混合機構２５へ導入される。そして、投射材入り電解液Ａと電解液Ｂが混合された混合電解液（即ち、投射材入り電解液）が噴射口２１からワーク１５に対し高圧で噴射される。混合電解液のワーク１５外周面（摺動面）に対する高圧噴射により、従来より知られる、圧縮残留応力を付与するピーニング処理が行われ、ワーク１５の疲労強度の向上が実現されることとなる。ここで、ワーク１５は水平方向（図１中左右方向）に回転しているため、噴射口２１からの混合電解液の噴射はワーク１５外周面に均等に行われることとなる。さらに、表面処理機構２０は、噴射口２１がワーク１５外周面に沿うように昇降しながら混合電解液をワーク１５に噴射するため、複数堆積されたワーク１５の何れにも均等に混合電解液が噴射される。従って、ワーク１５の回転と表面処理機構２０の昇降によって、複数堆積されたワーク１５の外周面全てに均等に表面処理が施される。
【００２７】
また、貯留部１３に貯留される電解液Ｂは、低圧ポンプ３３の稼動により連通路３２を介し皮膜形成機構３０へ導入され、噴射口３１からワーク１５に対し低圧で噴射される。ここで、上述したように、ワーク１５は正に帯電、電極６０は負に帯電している。そのため、電解液Ｂのワーク１５を陽極とする電気化学反応によって、ワーク１５の外周面（摺動面）には皮膜が形成される。ここで、この皮膜形成の一例である常温硫化プロセスについて以下に説明する。
【００２８】
常温硫化プロセスとは、特許文献４、５に記載されたワーク摺動面に硫化物系固体潤滑膜を形成させる処理であり、硫黄を含むアルカリ金属塩の常温溶液中に被処理品（ワーク）を浸漬保持し、被処理品を陽極として、電気化学反応で被処理品表面に数μｍの硫化鉄層を形成させる常温硫化処理技術である。被処理品を浸漬させる電解液としては主にアルカリ金属もしくはアルカリ土類金属のチオシアン酸塩またはチオ硫酸塩の一種または二種以上を溶解した水溶液が用いられる。これらの電解液を使用して常温硫化プロセスを行うことにより、鉄や鉄合金の表面に硫化鉄皮膜（硫化物系固体潤滑膜）を形成させることができる。また、常温硫化プロセスは室温処理であるため、焼入れ硬さ・ショットピーニング等によって得られる圧縮残留応力が維持され、熱による被処理品の歪み等を防止することができ、処理後の被処理品の硬さ等が担保される。すなわち本発明の前記投射材の噴射による表面処理により硬化された圧縮残留応力が維持されたまま、硫化鉄皮膜を形成することができる。
【００２９】
上記常温硫化プロセスを利用し、本実施の形態にかかる皮膜形成装置１において、投射材入り電解液Ａおよび電解液Ｂとしてアルカリ金属もしくはアルカリ土類金属のチオシアン酸塩またはチオ硫酸塩の一種または二種以上を溶解した水溶液を用い鉄および鉄合金等からなるワーク１５に電解液Ｂを噴射させることにより、ワーク１５の外周面に硫化鉄からなる皮膜を形成させることができる。ワーク１５に皮膜を形成させることにより摺動面におけるワークの焼付きや異常摩耗等の問題が解決されることとなる。
【００３０】
即ち、表面処理機構２０からの混合電解液の高圧噴射によって、ワーク１５の外周面（摺動面）にピーニング処理が施され、疲労強度の向上が実現される。同時に、皮膜形成機構３０からの電解液Ｂの低圧噴射によって、ワーク１５の外周面（摺動面）に皮膜形成がなされる。本実施の形態にかかる皮膜形成装置１によれば、上記ピーニング処理と皮膜形成をほぼ同時に連続的に行うことが可能であり、また、複数のワーク１５の外周面（摺動面）に均一に行うことが可能となる。従来は、ショットピーニング等のピーニング処理と皮膜形成は異なる装置・工程で行われていたが、本実施の形態にかかる皮膜形成装置１を用いることにより、ワーク１５の表面処理（ピーニング処理）およびワーク１５表面への皮膜形成を１つの工程および１つの装置でもって連続的に行うこととなり、ワーク１５のワーク保持治具１６に対する着脱時間や表面処理等の処理時間を短縮し、効率的にワーク１５の表面処理およびワーク１５表面への皮膜形成を行うことができる。なお、本発明の装置を用いて上記ピーニング処理と皮膜形成は順に連続して行うこともできる。
【００３１】
以上、本発明の実施の形態の一例を説明したが、本発明は図示の形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００３２】
上記実施の形態において、ワークは鉄または鉄合金からなるとしたが、これに限られるものではなく、上述した常温硫化プロセスを用いて皮膜形成が可能であるような鋼種であればよい。例えば、ＳＣＭ、ＳＣｒ、ＳＫ、ＳＵＪ、ＳＡＣＭ、ＳＳ、ＳＫＤ、ＳＵＳ等のマルテンサイト系の鋼種およびＳＡＣＭ等の窒化鋼種が例示される。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、例えば歯車等のワーク（被加工材）に対して圧縮残留応力を付与する表面処理を行い、かつ皮膜形成を行う皮膜形成装置および皮膜形成方法に適用できる。
【符号の説明】
【００３４】
１…皮膜形成装置
１０…処理室
１１…仕切り板
１２、１３…貯留部
１４…電気絶縁体
１５…ワーク
１６…ワーク保持治具
１７…載置台
２０…表面処理機構
２１…噴射口
２２、２６、２８、３２…連通路
２３…高圧ポンプ
２５…混合機構
２７、３３…低圧ポンプ
３０…皮膜形成機構
３１…噴射口
３５…フィルター
４０…サイクロン
４１…貯留部
６０…電極
６２…電源
【図１】
2010234499.tif 000003