(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軽金属支持体表面とセラミック被膜との間にＮｉ−Ｐ中間層が挿入されていることを特徴とする軽金属支持体表面上の耐摩耗性セラミック被膜であって、セラミック被膜はＣｒＮ膜からなり軽金属支持体はアルミニウム又はアルミニウム合金からなる軽金属支持体表面上の耐摩耗性セラミック被膜。
【請求項２】
Ｎｉ−Ｐ中間層は無電解めっき法で堆積されたものである請求項１に記載の軽金属支持体表面上の耐摩耗性セラミック被膜。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、軽金属支持体表面上のセラミック被膜に関する。より詳細には、本発明は、耐摩耗性や耐久性に優れた軽金属支持体表面上のセラミック被膜に関する。
【０００２】
【従来技術】
工業用ミシンの針棒、押え棒、押え抱きのような摺動部品を含む一般機械部品の材料としては、使用状態における機械的性質を優れたものとするために、従来から、種々のものが開発され、実際に使用されている。
【０００３】
その一つに、機械構造用炭素鋼、ニッケルクロム鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼、クロム鋼、クロムモリブデン鋼などの焼きがよく入り異常組織を生じないハダ焼き鋼を、浸炭焼入した後に焼戻しして内部は靭性のまま保持しつつ表面を硬化したものがある。これは、また、圧縮応力が残留するため疲労強度が向上するので摺動部だけでなく耐疲労性を要求される部分にも活用することができるが、油漏れが生じ易いという欠点があった。また、窒化法も従来は被窒化材が限定されていたが、イオン窒化では、従来の窒化方法では窒化が非常に困難であったＮｉ，Ｃｕ，Ａｌの中に窒化物形成元素を添加して非鉄基の合金やＣｒ含有量の高い高合金鋼も窒化が可能となった上に、もともと窒化は焼入による硬化ではないので窒化したものに変形が少ないという利点を有するので、窒化鋼は一般機械部品の材料として最近よく活用されているが、油漏れが生じ易いという浸炭鋼と同様な欠点があった。したがって、例えば、これらの鋼材をミシン部品として使用した場合には、ミシンの本縫い面部などにおいて油漏れを生じ易かった。浸炭鋼や窒化鋼は、鋼に対して表面硬化処理を施したものであるが鋼自体の比重が大きいために機械全体の負荷が減少できず、その結果として、摩擦による発熱など好ましくない現象の発生を有意的に回避することができず、無給油部品とすることはできなかった。
【０００４】
軽量化の要請により鋼材に代わってアルミニウム材やアルミニウム合金材のような軽金属材を支持体として使用した上で、必要な耐摩耗性や耐疲労性などを該軽金属材を表面処理することによって付加しようとすることが提案された。その一つが、アルミニウム材又はアルミニウム合金材上に硬質陽極酸化処理を施すものである。かかる場合には、アルミニウムが軽いため摩擦抵抗が小さくなるという利点を有するが、表面に形成された酸化物被膜は高応力負荷の状態で使用されると酸化物層の剥離が発生し易いという欠点を伴っていた。一旦膜が剥離又は摩耗により滅失すると直ちに焼付けが発生するので上記欠点は非常に深刻な問題であった。また、硬質処理により耐疲労性が浸炭鋼や窒化鋼に比べて低く、繰り返し大きな荷重を受ける部分には使用することができない。更に亀裂も生じ易かった。そして、酸化物被膜の硬度もＨｖで５００〜７００程度しか得られなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
それ故、本発明の目的は、軽量でしかも優れた耐摩耗性を有する材料を提供することである。
【０００６】
本発明の別の目的は、軽量でしかも優れた耐疲労性を有する材料を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者は鋭意研究の結果、アルミニウムやアルミニウム合金などの軽金属を支持体としその上にセラミック被膜を施すことにより、軽金属の有する比重が小さいという利点とセラミック被膜が有する耐摩耗性を合わせもつ材料の開発に成功した。
【０００８】
かかる材料は、本発明は、軽金属支持体表面とセラミック被膜との間にＮｉ−Ｐ中間層が挿入されていることを特徴とする軽金属支持体表面上に耐摩耗性セラミック被膜が施されたもの材料である。
【０００９】
軽金属とセラミックとでは硬度が非常に異なるので、軽金属支持体上に直接セラミック被膜を施しても小さい剪断応力でセラミック被膜簡単に剥離してしまうが、Ｎｉ−Ｐ中間層を軽金属支持体表面とセラミック被膜との間に挿入させることによって剥離の問題を解決した。
【００１０】
Ｎｉ−Ｐ中間層は電気めっき又は無電解めっきのいずれで堆積されたものでもよいが、無電解めっきで堆積されたものはピンホールがなくしかも厚さが均一であるため好ましい。なお、無電解めっきで堆積されたニッケルめっき層は非晶質なので４００℃以上に加熱して結晶化して安定化させる。支持体としてアルミニウム又はアルミニウム合金を使用するときにはアルミニウムはその表面に再生容易な強い酸化被膜を生成するので、置換めっき、直接めっきなどの特殊な前処理をした上で、Ｎｉ−Ｐ層をめっきする。
【００１１】
セラミック被膜の例としてはＣｒＮ膜やＴｉＮ膜が含まれるが、特に刃物に対してはＣｒＮ膜の方が好ましい。かかるセラミック被膜の堆積にはイオンプレーティングなどのＰＶＤやプラズマＣＶＤなどのＣＶＤからなる気相めっき技術を利用するのが好ましく、特にイオンプレーティングが被膜の密着性の良さ、緻密さ、つき回りのよさから好ましい。
【００１２】
軽金属支持体にはアルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金などが含まれるが、加工性の良さからアルミニウム材又はアルミニウム合金が工業用ミシンの押え棒などの部品用材料としては好ましい。
【００１３】
Ｎｉ−Ｐ中間層やセラミック被膜の膜厚は、用途や経済性などによって異なるが、一般にそれぞれ０．５〜５０μｍ、好ましくは１０〜２０μｍである。
【００１４】
【作用】
セラミック被膜は軽金属支持体に比べて高温でも硬度が高く耐摩耗性に優れているので、軽金属支持体にセラミック被膜を施すと摩擦係数が小さく保たれると共に耐摩耗性が著しく向上した。故に、無給油摺動部品としても適した部材である。また、支持体に被膜を施した場合にはその密着性が問題となるが、本発明では、支持体、Ｎｉ−Ｐ中間層及びセラミック被膜の３層構造となったために、表面に向かって硬度が段階的に増大し且つ熱膨張係数が段階的に低くなるためセラミック被膜の剥離が生じにくくなったものと考えられる。また、垂直方向の力に対する耐荷重性も、アルミニウム材又はアルミニウム合金材に硬質陽極酸化処理を施したときに比べて著しく向上したので摺動部品だけでなく耐疲労性が要求される部品にも活用が期待される。更に、アルミニウム材などに硬質陽極酸化処理をしたときに伴われていた亀裂の発生や耐疲労性の低下が軽減された。
【００１５】
なお、セラミック被膜として耐熱性、耐腐食性に優れたＣｒＮを使用することにより、焼付け開始時間が大幅に伸びた。
【００１６】
【実施例】
本発明の軽金属支持体表面とセラミック被膜との間にＮｉ−Ｐ中間層が挿入されていることを特徴とする耐摩耗性セラミック被膜の施された軽金属支持体と従来技術の硬質陽極酸化処理がその上に施されたアルミニウム材との耐摩耗性、摩擦係数を比較するために以下の試験を実施した。
【００１７】
図１に示すものは、実施例で使用した試料である。本発明の試料は、アルミニウム材からなる支持体上に２０μｍの厚さの無電解めっきＮｉ−Ｐ中間層を介して２０μｍの厚さのＣｒＮ被膜をイオンプレーティングにより施した。また、比較例の試料は、アルミニウム材からなる支持体上に硬質陽極酸化処理により４０μｍの厚さの酸化層を施したものを作製した。そして、それぞれの試料を図２に示す試験装置の掴み部の間に試料を入れて、横方向に摺動させ、焼付けが発生して動かなくなるまで摺動させて、耐摩耗性及び耐剥離性を評価した。なお、試験条件は、いずれも無給油４０００ＲＰＭ且つ速度４．６ｍ／ｓで行った。
【００１８】
図３は本発明のＣｒＮ被膜を含む試料の実験結果を示したもので、図４は硬質陽極酸化膜を含む試料の実験結果を示したものである。図３と図４との比較から容易にわかるように、硬質陽極酸化被膜を含む試料の焼付け荷重は約２ｋｇｆと有意的に低かったにもかかわらず、硬質陽極酸化被膜を含む比較例の試料は試験開始から２０分間を経過したところで焼付けが発生した。一方、本発明の試料は荷重が２ｋｇｆでは焼付けが２０分間経過しても発生せず、その後荷重を６ｋｇｆ程度まで上げて試験開始から６時間を経過してようやく焼付けが発生した。
【００１９】
以上より、酸化被膜の耐摩耗性を考慮すると、比較例の試料は酸化被膜が摩耗による摩滅が進行しないうちに酸化被膜が剥離したものと考えられる。これに対し、本発明の試料は、セラミック被膜及び／又はＮｉ−Ｐ中間層の密着性が良好で剥離が抑制され、耐摩耗性が高く且つ摩擦係数が小さく、結果として焼付け開始時間が遅くなりしかも耐焼付け荷重も高くなったものと考えられる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の耐摩耗性セラミック被膜を施した軽金属支持体は、耐摩耗性に優れ且つ耐焼付け荷重も大きいことから、摺動部品として無給油や高速度で使用することも可能と考える。また、
また、Ｎｉ−Ｐ中間層を挿入することによって振動を有意的に吸収できるため、低振動化の面からも用途が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例で使用した試料の形状である。
【図２】  実施例で使用した装置の断面図である。
【図３】  本発明の範囲に含まれるＣｒＮ被覆Ａｌ材の試料の摺動試験下での焼付け時間を示す図である。
【図４】  本発明の範囲に含まれない硬質陽極酸化処理したＡｌ材の試料の摺動試験下での焼付け時間を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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