(57)【要約】【課題】  電力の遮断機や駐車場の遮断機および鉄道の遮断機等機械部品の固定軸として用いられているピンが作動中に焼きつかないよう現在、ピンにグリスが塗布されている。このグリスが固着して開閉不能となる障害が多発している。本発明は耐凝着生の良い表面層を付与したピンを提供することによって、グリスの使用を不用とし、グリス固着による開閉障害をなくすことを目的とする。【解決手段】ピンの表面に金属薄層を被覆し、その上にW-C層を被覆するかあるいは、Si-Cからなる薄層を被覆し、その上に、Hを10%から40%含ませた炭素系皮膜を被覆させる。また、高い力を受ける用途に対しては、鋼材の表面層にNを浸透させて、高硬度とした上に該多層構造の炭素系皮膜を被覆する。これによって、グリスを用いなくてもピンと回転体との凝着を防ぐことができ、グリスの固着による事故をなくすことができる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
0.1μm以上、0.5μm以下厚さのTiまたはCrを被覆し、その上に0.3μm以上、1μm以下厚さのWとCからなる層を被覆し、更にその上に、Cと10%以上50%以下のHからなる0.5μm以上、3μm以下厚さの炭素系皮膜を被覆したことを特徴とする多層膜被覆鋼材ピン。
【請求項２】
0.1μm以上、0.5μm以下厚さのSiとCからなる層を被覆し、更にその上に、Cと10%以上50%以下のHからなる0.5μm以上、3μm以下厚さの炭素系皮膜を被覆したことを特徴とする多層膜被覆鋼材ピン。
【請求項３】
炭素系皮膜の表面硬度がHv500kg/mm2以上、Hv 1000kg/mm2以下であることを特徴とする請求項１および請求項２に記載の多層膜被覆鋼材ピン。
【請求項４】
鋼材の表面に、10μm以上、50μm以下深さにNを含有させて硬化した上に、請求項１、請求項２および請求項３に記載の多層構造の皮膜を被覆したことを特徴とする多層膜被覆鋼材ピン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力の開閉遮断機や駐車場の遮断機および鉄道の遮断機の固定軸として使用されている機械部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力の開閉遮断機や駐車場の遮断機および鉄道の遮断機は、鋼材製のピンと称されている軸を基点として、鋼材製の回転体を回転させて電力の接続を開閉したり浸入防止用竿を上下させる機構となっている。  固定軸には、炭素鋼や合金鋼を焼き入れ焼き戻ししたピンが使用されている。  この鋼材製の固定軸が使用中にピンと接触している鋼材製回転体と焼きついたり、あるいは錆付いて動かなくなるのを防ぐために、これまでピンにグリスが塗布されている。  
【０００３】
しかし、長期間使用中にグリスが固着して回転できなくなり、電気の開閉が不能となったり、浸入防止用竿を上下できなくなる障害が多発している。この対策として、定期的な開閉試験を実施してきているが、こうした保全作業はコストの増加となるだけでなく、十分に固着を防止することができない。  
また、グリスの高性能化などが検討されてきたが、機構部を分解して旧油を完全に拭き取らなければならない他、グリス固着に対する長期性能面で不安があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
固定軸に塗布されているグリスを使用する限り、グリスが固着して開閉が不能となる可能性を保障することができない。グリスの固着による開閉障害を完全に防ぐには、グリスそのものを使用しないことである。そのためには、グリスがなくても固定軸が焼きつかないようする必要がある。
【０００５】
本発明は、固定軸の表面に鋼材との耐凝着性の優れた皮膜を予め被覆することによって、グリスを用いないでも、鋼材製固定軸が固着して開閉不能となる障害を根絶することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明では、鋼材製の固定ピンの表面に、Cと10%以上50%以下のHからなる0.5μm以上、3μm以下厚さの炭素系皮膜を被覆した、グリスを必要としない遮断機用ピンを提供する。Cと10%以上50%以下のHからなる炭素系皮膜は鋼材と耐凝着生に優れている。Cだけからなる皮膜では、皮膜中のCが基材のFeと結合して、凝着を十分抑制できない。  CにHを添加してCとHをあらかじめ結合させておくことにより、Feとの結合が抑制され、優れた耐凝着性を示すに至る。この効果はHが10%以上において顕著に現れるが、50%を超えると皮膜が脆くなるため、10%以上50%以下でなければならない。  
【０００７】
この皮膜を鋼材製ピンに被覆しておけば、グリスを用いなくても使用中に鋼材製の回転体と焼きつくことがなく、スムースに開閉器を回転させることができる。このCとHからなる皮膜は、ダイヤモンド結合とグラファイト結合の混合からなり、全体としては非晶質構造をしている無機質であるため、グリスのように、経年変化することすることがなく、長期間安定して使用することができる。また、さびが発生することもない。
【０００８】
ただ、このCとHからなるこの皮膜は鋼材との耐凝着生に優れていることが災いして、鋼材の表面に安定して被覆することができない。このため、炭素系薄膜を被覆するに先立って、まず、鋼材表面に0.1μm以上、0.5μm以下厚さのTiまたはCrを被覆する。これら金属は鋼材と強固に結合することができる。次いで、この金属薄膜の上に0.3μm以上、1μm以下厚さのWとCからなる層を被覆する。その際、最初はWだけからなり、次第にCを増加させていく傾斜組成層とし、最後はCだけとすることが望ましい。TiまたはCrとWは金属同士であるから強固に結合することができる。また、WとCは強く結合することができる。
【０００９】
炭素系薄膜を鋼材上に強固に被覆するもう一つの方法は、鋼材製ピンの表面に0.1μm以上、0.5μm以下厚さのSiとCからなる層を被覆することである。SiとCからなる層は鋼材上に被覆することができ、一方、Cとも強く結合することができる。
【００１０】
こうした薄層の上に、Cと10%以上50%以下のHからなる炭素系皮膜を被覆する。CあるいはSiとCからなる層の上にCとHの皮膜は無理なく被覆することができる。
【００１１】
電力の遮断機や駐車場の遮断機および鉄道の遮断機等に使用される固定軸は、従来の焼きいれ焼き戻しされた鋼材が用いられてきており、炭素系皮膜硬度はこれと同程度のHv500kg/mm2以上であれば十分である。一方、外部から力を受けた際の剥離を考えた場合、炭素系皮膜の表面硬度は、Hv 1000kg/mm2以下であることが望ましい。
【００１２】
炭素系皮膜を被覆した鋼材製ピンが、局部的に大きな力を受けると局部的な変形を生じる。そうすると炭素系皮膜も同様に変形するが、炭素系皮膜の延性は鋼材に比べて小さいため、皮膜に亀裂が生じ、剥離に繋がる恐れが増大する。このため炭素系皮膜を被覆処理するに先立って、鋼材の表面層を硬化しておけば、鋼材製ピンが外力を受けた際の局部的な変形を抑制でき、炭素系皮膜が安定して性能を発揮することができる。
【００１３】
鋼材製ピンの表面層を硬化するには、窒素ガスのプラズマ中に浸漬させて、Nを浸透させて硬化する方法が、容易で効果的である。  浸透させるNの深さは10μm以上でないと、変形に対する抑止効果は少ない。しかし、50μmを超えて、Nを浸透させようとすると、表面にFeとNの化合物からなる脆い層が生成し、その上に被覆する皮膜の密着強度を低下させてしまう。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、電力用遮断機や駐車場の遮断機および鉄道の遮断機等の固定軸として用いられているピンの回りにグリスを塗布する必要がなくなり、グリスの固着による開閉不能障害を完全に防ぐことができるほか、遮断機の分解点検作業を省略でき、メンテナンスコストを削減することができる。
【実施例】
【００１５】
電力の遮断機の固定軸には、従来、炭素鋼や合金鋼を焼入れ焼き戻ししたピンが用いられている。この鋼材製のピンが使用中に、ピンと接触している回転体の鋼材製回転体と焼きついて動かなくなるのを防ぐために現在においてはグリスが塗布されている。
本発明では、このグリスの使用を不要とするために、鋼材製ピンの表面に最表層が炭素系皮膜からなる多層皮膜を被覆するものである。本発明によるピンを電力の遮断機に用いて、グリスを全く用いないで開閉試験を１万回実施したところ、開閉不能障害は全くなく良好に使用できた。
以下に具体的な実施例を述べる。
【００１６】
実施例１   寸法が15mmφx120mmの焼入れ焼戻しされた炭素鋼、SK4のピンをスパッタリング装置にいれて200℃に加熱した後、Ti板をスパッタリングして炭素鋼の表面にTiを0.2μｍ厚さに被覆し、その上に、WはW板をArイオンでスパッタリングし、CはC板をArイオンでスパッタリングすることによって、WとCからなる層を0.5μｍ厚さに被覆した。その際、Wに加えるスパッタリング電力を徐々に小さくしていき、一方、C板に加える電力を徐々に増加させて、皮膜中のCが漸増するようにした。更にその上に、Wのスパッタリングを停止し、C板だけArスパッタリングを継続することによって炭素系皮膜を0.8μｍ厚さに被覆した。その際、Ar に加えてArに対する流量比で20%の CH4ガスを装置内に導入して、炭素系皮膜中内にHが18%含まれるようにした。
得られた皮膜の硬度はHv 1650kg/mm2であった。本実施例により作製されたピンの断面模式図を図１に示す。
【００１７】
実施例２    寸法が20mmφx210mmの焼入れ焼戻しされた合金工具鋼、SKD11のピンをスパッタリングとRF電極を備えた真空槽にいれて300℃に加熱した後、槽内にCH(SiH3)ガスを導入して、C-Si層を0.3μｍ厚さに被覆し、次いで、C2H2ガスを導入し、RFコイルに通電してC2H2ガスをイオン化することによって炭素系皮膜を3μｍ厚さに被覆した。この方法による炭素系皮膜中内にはHが33%含まれていた。得られた皮膜の硬度はHv 730kg/mm2であった。本実施例により作製されたピンの断面模式図を図２に示す。
【００１８】
実施例３    寸法が15mmφx120mmの焼入れ焼戻しされたステンレス鋼、SUS420J2のピンをスパッタリングとイオン銃を備えた真空槽にいれて250℃に加熱した後、Cr板をArイオンでスパッタリングして炭素鋼の表面にCrを0.2μｍ厚さに被覆し、その上に、WはW板をArイオンでスパッタリングし、CはC2H2ガスを導入してイオン銃を用いてイオン化することによってWとCからなる層を0.5μｍ厚さに被覆した。その際、Wに加えるスパッタリング電力を徐々に小さくしていき、一方、C2H2ガス流量を徐々に増加させて、皮膜中のCが漸増するようにした。更にその上に、Wのスパッタリングを停止し、C2H2ガスによる成膜を継続することによって炭素系皮膜を2.1μｍ厚さに被覆した。この方法による炭素系皮膜中内にはHが30%含まれていた。得られた皮膜の硬度はHv 850kg/mm2であった。
【００１９】
実施例４  寸法が20mmφx210mmの焼入れ焼戻しされた合金工具鋼、SKD11のピンをプラズマ窒化装置にいれ、50%N2と50%H2の混合ガス中において、ピンに300Vの負電圧を印加した状態で１時間400℃に保持することによって、35μｍ深さにNを浸透させた。この時の表面硬度はHv 840kg/mm2であった。このピンをスパッタリング装置にいれて200℃に加熱した後、Cr板をArイオンでスパッタリングして炭素鋼の表面にCrを0.4μｍ厚さに被覆し、その上に、WはW板をArイオンでスパッタリングし、CはC板をArイオンでスパッタリングすることによってWとCからなる層を0.5μｍ厚さに被覆した。その際、Wに加えるスパッタリング電力を徐々に小さくしていき、一方、C板に加える電力を徐々に増加させて、皮膜中のCが漸増するようにした。更にその上に、Wのスパッタリングを停止し、C板だけArスパッタリングを継続することによって炭素系皮膜を2.6μｍ厚さに被覆した。その際、Ar に加えてArに対する流量比で35%の CH4ガスを装置内に導入して、炭素系皮膜中内にHが38%含まれるようにした。
得られた皮膜の硬度はHv 920kg/mm2であった。本実施例により作製されたピンの断面模式図を図３に示す。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る実施例１により作製されたピン表面層の断面模式図
【図２】本発明に係る実施例２により作製されたピン表面層の断面模式図
【図３】本発明に係る実施例４により作製されたピン表面層の断面模式図
【図１】
2006095910.tif 000002
【図２】
2006095910.tif 000003
【図３】
2006095910.tif 000004