(57)【要約】  【課題】  表面処理層の耐摩耗性に着目したＴｉ合金製部材で、めっき層の密着性を向上させ、耐摩耗性および耐久性に優れた表面処理Ｔｉ合金製部材およびその製造方法を提供することである。【解決手段】  Ｔｉ合金基材に、りん酸−硫酸系電解液を用い、電圧が１００〜３００Ｖの範囲の処理条件で、皮膜厚さが０．１μｍ〜１０μｍの範囲にある陽極酸化皮膜を形成した後Ｎｉ−ＰなどのＮｉ系めっき処理を施し、Ｔｉ合金基材とＮｉ系めっき層との間に陽極酸化皮膜を介在させたのである。このようにすれば、多孔質の陽極酸化皮膜の微細なポア内にめっき部が滲入し、そのアンカー効果によりＮｉ系めっき層の剥離が防止され、耐摩耗性が飛躍的に向上したＴｉ合金製部材を実現することができる。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｔｉ合金基材にＮｉ系めっき層が被覆された耐摩耗性に優れるチタン合金製部材であって、前記Ｎｉ系めっき層と前記チタン合金基材の間に多孔質陽極酸化皮膜が介在していることを特徴とする耐摩耗性に優れるＴｉ合金製部材。
【請求項２】
前記陽極酸化皮膜の厚さが０．１μｍ〜１０μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の耐摩耗性に優れるＴｉ合金製部材。
【請求項３】
前記Ｎｉ系めっきがＮｉ−Ｐめっきであり、そのＰの含有量が１．５〜６％の範囲にあることを特徴とする請求項１または２に記載の耐摩耗性に優れるＴｉ合金製部材。
【請求項４】
前記Ｎｉ−Ｐめっき層の厚みが１０μｍから２００μｍの範囲にあることを特徴とする請求項３に記載の耐摩耗性に優れるＴｉ合金製部材。
【請求項５】
Ｔｉ合金基材にＮｉ系めっき層が被覆された耐摩耗性に優れるチタン合金製部材の製造方法であって、前記チタン合金基材を陽極として電解液中で電圧をかけて電解することによって多孔質陽極酸化皮膜を形成した後、この陽極酸化皮膜が形成されたＴｉ合金基材にＮｉ系めっき処理を施すことを特徴とする耐摩耗性に優れるチタン合金製部材の製造方法。
【請求項６】
前記電圧が１００〜３００Ｖの範囲にあることを特徴とする請求項５に記載の耐摩耗性に優れるチタン合金製部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、耐摩耗性や耐摩耗疲労性等の用途に用いられる表面処理チタン合金製部材およびその製造方法に係り、具体的には、輸送機械や産業機械等に用いられる歯車、クランクシャフトなどの軸類、軸受け、バネ類、各種エンジンに用いられる、弁バネ，コンロッド、コンロドピン、ピストンヘッド、バルブスプリングリテーナ等、自動二輪車に用いられるスプロケット等の歯車部材、自転車のリヤプーリーやペダル軸、自動車のミッション系部品等、および動力伝達部材との接触部品の素材等の、表面処理が施された耐摩耗性に優れるＴｉ合金製部材およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
チタンまたはチタン合金（以下、これらをＴｉ合金と記す）は、優れた耐食性を有するほか、軽量で比強度に優れていることから、各種化学工業分野や航空、宇宙輸送機械分野を始めとして様々の構造部材として広く活用されてきた。ところが、このＴｉ合金製部材には耐摩耗性や耐焼付き性がわるいという欠点があるため、各種機械の摺動部材や軸部材等として使用する場合には、Ｎｉ−ＰやＣｒめっき等の湿式めっき処理、イオン窒化やほう化処理等の熱拡散処理、肉盛り溶接や溶射等の表面処理を施して耐摩耗性を高める方法が試みられている。
【０００３】
前記Ｎｉ−ＰめっきやＣｒめっき等の湿式めっき処理では、めっき層と基材との密着性が低いため、耐摩耗性が不十分である。一方、イオン窒化やほう化処理等の熱拡散処理では、１０００℃程度の高温で長時間の処理を必要とするため、結晶粒成長による結晶粒の粗大化やそれに伴なう機械的性質の劣化が生じ易いという問題がある。また、肉盛り溶接法では熱歪によって大きな変形が生じ易く、溶接部に亀裂が生じたり接合不良を生じることもあり、しかも溶接後の研削等の二次加工が必要であり、更には微細な形状物に対する処理が困難であるなど、多くの問題がある。このように、Ｔｉ合金部材の耐摩耗性改善方法には多くの問題があるが、これらの処理方法の中、ニッケル−リン（以下Ｎｉ−Ｐと記す）めっきやＣｒめっき等の湿式めっき処理によれば、めっき層の硬度と靭性を向上させると共に、この両特性を適度にバランスさせることにより、比較的容易に耐摩耗性を改善できると考えられる。それらの中でも特にＮｉ−Ｐめっき層は靭性、潤滑性、Ｎｉ−Ｐ化合物の析出効率等の点で優れていることから、近年Ｎｉ−Ｐめっき処理とその後の熱処理、更には引き続いて行われるショットピーニングやドライホーニング処理等のホーニング処理を組み合わせて耐摩耗性を高める方法が提案されている。
【０００４】
これらの組み合わせ処理により耐摩耗性を高める方法としては、例えば、Ｔｉ合金製コイルバネの全表面上に無電解めっきによりＮｉ−Ｐめっき層を形成した後、Ｎｉ−Ｐめっき層の熱硬化特性等を考慮した処理条件で短時間の熱処理を施す技術が開示されている（特許文献１参照）。また、例えば、スプリングなどのＴｉ合金部材に、Ｎｉ−Ｐめっきに熱処理を施し、更にその表面にドライホーニングやショットピーニング等の微粒子を投射し、めっき層に圧縮残留応力を付与して疲労強度を向上させる技術が開示されている（特許文献２、３参照）。
【特許文献１】特開平２−２２１３７７号公報（第３頁〜第４頁）
【特許文献２】特開平２−１３３５７８号公報（第４頁〜第５頁）
【特許文献３】特開平１−１５９３５８号公報（第１頁〜第２頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記特許文献１〜３に開示されためっき処理後の熱処理は、Ｎｉ−Ｐめっき層の高硬度化を促進し、または、めっき層−基材の界面で相互拡散層を形成し、それにより密着性を向上させることを主目的とするが、開示された熱処理条件では、めっき層の高硬度化は達成されるものの、熱処理過程でめっき層に多大な引張り応力が生じるため、靭性が低下する。また、熱処理によるめっき層−基材界面の拡散層の形成によって密着性は若干向上するが、その形成量は不十分であって耐摩耗性を劇的に改善するまでには至らない。
【０００６】
一方、熱処理後に行われる前記ショットピーニング処理やドライホーニング処理は、主として、熱処理で靭性の低下しためっき層に圧縮残留応力を付与し、靭性を回復させると同時に、めっき層のタガ締め効果を利用して基材の疲労強度を高めることを目的とするが、処理条件によってはめっき層への圧縮残留応力の付与が不十分で靭性が十分に回復し難く、しかも、ショットピーニング処理時に表面に導入された傷を起点としてクラックを生じる可能性が高く、結果として耐摩耗性の改善が十分に行われないことも多い。
【０００７】
このような理由で、特許文献１〜３に開示されたように、Ｎｉ−Ｐめっき層が付与され、組み合わせ処理が施されたＴｉ合金製部材であっても、スピードレース用車両に用いられる耐摩耗性部材、例えば、弁バネや、バルブリテーナ、コンロッドなどの機械部品では、過酷な使用条件下での耐久性が不十分であり、使用中にめっき層が剥離する等の問題が指摘され、耐久性のより一層の向上が要求されている。また、スピードレース用車両に用いられる耐摩耗部材に限らず、それ以外の機械用部材であっても、近年急速に進んでいる機械部品の高機能化により最大負荷は増大する傾向にある。このため、一層優れた耐久性を有する信頼性の高いチタン合金製耐摩耗部材の開発が要望されている。
【０００８】
この発明は上記のような従来技術の問題点に鑑みなされたもので、その課題は、表面処理層の耐摩耗性に着目したＴｉ合金製部材で、上記従来技術で指摘したような問題を生じずに、耐摩耗性および耐久性に優れた表面処理Ｔｉ合金製部材およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである。
【００１０】
即ち、請求項１に係る耐摩耗性に優れるＴｉ合金製部材は、Ｔｉ合金基材にＮｉ系めっき層が被覆された耐摩耗性に優れるチタン合金製部材であって、前記Ｎｉ系めっき層と前記チタン合金基材の間に多孔質陽極酸化皮膜が介在していることを特徴とする。
【００１１】
Ｔｉ合金製部材の耐摩耗性を高めるには、Ｔｉ合金基材表面をＮｉ系めっき層のような硬質物質で被覆すればよいが、Ｔｉ合金基材の場合、その表面の自然酸化皮膜が強固であるため、Ｎｉ系めっき層などの表面への被覆層とＴｉ合金基材との間の密着性を保つことが一般に困難である。このため、外部から力が作用したときに、Ｔｉ合金基材と表面被覆層の間で大きな歪みが生じて被覆層の剥離が生じる。従って耐摩耗性に優れたＴｉ合金製の表面処理部材を得るには、自然酸化層に代えて、Ｔｉ合金基材の表面に、被覆層と密着性の良い表面層を形成する必要がある。本発明者らは、このような観点から耐摩耗性表面処理チタン合金製部材の製造法について鋭意検討した結果、Ｔｉ合金基材に陽極酸化を施して多孔質酸化皮膜を形成し、その上層にＮｉ系めっき処理を施すことによって、このＮｉ系めっき層とＴｉ合金基材との高密着化を図ることができ、耐摩耗性に優れるチタン合金製部材を実現きることを見いだしたのである。このように、Ｎｉ系めっき層とＴｉ合金基材との間に陽極酸化層を介在させることにより、密着性が向上するのは、陽極酸化皮膜が、微細なポアが多数存在する多孔性酸化皮膜であるため、前記ポア内に滲入したＮｉ系めっき部がアンカー効果を発揮するためと考えられる。
【００１２】
請求項２に係る耐摩耗性に優れるＴｉ合金製部材は、上記の陽極酸化皮膜の厚さが０．１μｍ〜１０μｍの範囲にあることを特徴とする。
【００１３】
上記陽極酸化皮膜の厚みが０．１μｍ未満であれば、前記アンカー効果が小さく、１０μｍを超えると、外力が作用したときに皮膜の破壊が起こりやすくなる。
【００１４】
請求項３に係る耐摩耗性に優れるＴｉ合金製部材は、上記のＮｉ系めっきがＮｉ−Ｐめっきであり、そのＰの含有量が１．５〜６wt％の範囲にあることを特徴とする。
【００１５】
前記Ｎｉ系めっきとしては、機械部品の表面からの摩耗による損傷を抑制するために、高い硬度を有することが重要であり、とくにＮｉ−Ｐ系めっきが好適である。このＮｉ−Ｐ系めっきが十分な耐摩耗性を発揮するためには、めっき層の表面硬度がＨｖ６００を下回る場合には摩耗速度が大きくなるため、少なくともＨｖ６００の表面硬度が必要であり、Ｈｖ７００以上の表面硬度が望ましい。一方、めっき層の表面硬度が高すぎる場合には、靭性が低下して耐疲労摩耗性が劣化するため、表面硬度はＨｖ１０００以下とすることが好ましく、Ｈｖ９００以下であればより好ましい。
【００１６】
前記Ｎｉ−Ｐ系めっき層では、その表面硬度をＨｖ６００以上にするためには、めっき層中のＰの含有量が１．５％以上必要である。Ｐの含有量が１．５％を下回り不足すると、めっき層の表面硬度が不十分となり、また、Ｐ含有量が６％を超えて高すぎると、耐疲労摩耗性が不十分となる。前記Ｐ含有量のより好ましい範囲は、２〜５％である。
【００１７】
請求項４に係る耐摩耗性に優れるＴｉ合金製部材は、上記のＮｉ−Ｐめっき層の厚みが１０μｍから２００μｍの範囲にあることを特徴とする。
【００１８】
前記Ｎｉ−Ｐ系めっき層の厚みが１０μｍ未満では、摩耗の比較的初期段階から、チタン合金基材の負荷による変形の影響を受けてめっき層の剥離が発生しやすくなる。一方、Ｎｉ−Ｐ系めっき処理では、１ｍｍ以上の厚さのめっき層の付与も可能であり、めっき層の厚膜化により耐摩耗性は向上する。しかし、耐摩耗性機械部品の形状によっては、めっき層が厚すぎると局部的な異常粒成長が起こり、めっき層の表面荒れを来たし、表面仕上げ加工が必要となる場合がある。また、必要以上の厚膜化は生産性や経済性の低下をもたらすため、２００μｍをめっき層厚さの上限とすることが望ましい。
【００１９】
請求項５に係る耐摩耗性に優れるチタン合金製部材の製造方法は、Ｔｉ合金基材にＮｉ系めっき層が被覆された耐摩耗性に優れるチタン合金製部材の製造方法であって、前記チタン合金基材を陽極として電解液中で電圧をかけて電解することによって陽極酸化皮膜を形成した後、この陽極酸化皮膜が形成されたＴｉ合金基材にＮｉ系めっき処理を施すことを特徴とする。
【００２０】
このように、Ｔｉ合金基材とＮｉ系めっき層の間に、前記基材に強固に密着した多孔質の皮膜を介在させることができる。なお、前記電解液としては、りん酸−硫酸系の電解液が好ましい。
【００２１】
請求項６に係る耐摩耗性に優れるチタン合金製部材の製造方法は、上記の電圧が１００〜３００Ｖの範囲にあることを特徴とする。
【００２２】
前記陽極酸化皮膜を１００Ｖよりも低い電圧で形成すると、皮膜表面が平滑となり、目的とするアンカー効果を得ることができない。また、３００Ｖを超える電圧では、酸化処理中の皮膜の破壊が激しくなる。前記電圧は、１５０〜２７０Ｖの範囲にあることがより好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
この発明では、Ｔｉ合金製部材の耐摩耗性を向上させるためのＮｉ系めっき層とＴｉ合金基材との間に、Ｔｉ合金基材の多孔質の陽極酸化皮膜を介在させたので、Ｎｉ系めっき部が陽極酸化皮膜の微細なポアに滲入してアンカー効果を発揮するため、Ｎｉ系めっき層のＴｉ合金基材へ密着性が大きく向上する。
【００２４】
また、前記Ｎｉ系めっきとして、Ｎｉ―Ｐめっきを用い、陽極酸化皮膜の厚みとともに、めっき層のＰ含有量および厚さを適正化したので、Ｎｉ−Ｐめっき層の剥離が防止され、耐摩耗性が飛躍的に向上したＴｉ合金製部材を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下にこの発明の実施形態について説明する。
【００２６】
前記Ｔｉ合金基材、即ち母材のＴｉ合金としては、例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ等のα、α―β型Ｔｉ合金、およびＴｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ、Ｔｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａｌ等のβ型Ｔｉ合金などを用いることができる。このＴｉ合金基材とＮｉ系めっき層との間に介在させる陽極酸化皮膜は、例えば、りん酸―硫酸系の電解液を用いて、前述のように、電極間に１５０〜３００Ｖの範囲の電圧をかけることにより形成することができる。前記りん酸―硫酸系電解液中の硫酸濃度は、５wt％未満であれば皮膜がほとんど成長しないため、３５％を超えると電流効率が低下するため、５〜３５wt％の範囲にあるのが望ましい。このようにしてＴｉ合金基材に陽極酸化皮膜を形成した後、Ｎｉ系めっき処理、例えば、Ｎｉ―Ｐめっき浴を用いた電気めっき、または無電解めっきにより、Ｎｉ−Ｐめっき処理が施される。このＮｉ−Ｐめっき層の硬度は、めっき処理後に、熱処理またはショットピーニング処理を施すことにより、さらに上昇させることができる。なお、前記Ｎｉ−Ｐめっきは、Ｔｉ合金製部材の全表面に被覆しても良いが、摺動部材同士が接触する部位に限定して被覆してもよい。また、前記めっき層の耐摩耗性の向上を目的として、めっき層中に、Ｓｉ3Ｎ4 、ＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3等のセラミックスや、カーボンまたはＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等の微粒子を分散させることもできる。
【００２７】
前記めっき処理後に熱処理を施す場合には、基材のＴｉ合金製部材の強度が低下しないように熱処理条件を選択する必要がある。熱処理によるＮｉ−Ｐめっきの硬度上昇効果は、Ｐ含有量に依存し、Ｐ含有量の少ない方が低温・短時間の熱処理で硬度が上昇する。このため、Ｔｉ合金基材の強度低下の虞のない低温・短時間の熱処理により、できるだけ高い硬度上昇効果を得る観点からもＰ含有量は６％以下に制限することが好ましい。
【００２８】
一方、前記電気めっき処理後にショットピーニング処理を施す場合には、ガラスビーズや鉄球等の微粒子と吹きつけ条件を適切に選択すれば、Ｎｉ−Ｐめっき層に圧縮残留応力が導入されて耐疲労摩耗性や表面硬度をさらに上昇させることができる。例えば、好ましいショットピーニング条件として、＃８０〜４００程度の大きさのガラスビーズを、空気圧１〜８ｋｇｆ／ｃｍ2で１〜１０秒間吹きつける処理条件を挙げることができる。
【００２９】
以下に実施例について説明するが、本願発明の実施形態は、下記の実施例に限定されるものではなく、前述または後述の趣旨に照らして適宜変更することは本願発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例】
【００３０】
β型Ｔｉ合金（Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al）を基材とする直径６０ｍｍ、厚さ５ｍｍのディスクを複数個用意し、脱脂、酸洗後、温度が１０℃のリン酸−硫酸浴中で、３０分間陽極酸化し、引き続いて下記条件のめっき浴を用いて、厚さ１００μｍの電気Ｎｉ−Ｐめっきを施した。りん酸−硫酸浴の硫酸濃度および陽極酸化電圧は表１に記入した。尚、陽極酸化処理を施さないTi合金ディスク基材では、一般に実施される前処理として、電気めっきによる純Niのストライクめっきを厚さ１μｍ付与してから電気Ｎｉ−Ｐめっきを施した。また、陽極酸化処理を施さないTi合金ディスク基材では、電気Ｎｉ−Ｐめっき処理後、４５０℃で３０分間の熱処理を施し、その後に、ガラスビーズ(平均粒径２００μｍ)のショットを用いてホーニング処理したサンプルも準備した。
めっき浴：ＮｉＳＯ4・６Ｈ2Ｏ ２００ｇ／ＮｉＣｌ2・６Ｈ2Ｏ ５０ｇ／Ｈ3ＰＯ3 ４４０ｇ／Ｈ3ＰＯ4 ５０ｇ／Ｈ3ＢＯ4 ０．５〜３ｇ／サッカリン ０〜１．０ｇ／温度：６０±５℃／ｐＨ：１±０．５／電流密度：５〜３０Ａ／ｄｍ2 ／撹拌方法：エアー撹拌
【００３１】
次に、これらＴｉ合金基材のディスクサンプルの耐摩耗性をボールオンディスク試験により評価した。前記Ｔｉ合金ディスクに対して、直径５ｍｍのアルミナボールを相手材とし、ディスクの回転数は１２０ｒｐｍとし、ボール荷重を除々に高くしていき、Ｎｉ−Ｐめっきが剥離する最小荷重を求めた。各々の処理条件のディスクサンプル１０枚に対してそれぞれ前記ボールオンディスク試験を実施し、１０回測定した前記最小荷重の平均値をその条件の剥離臨界荷重値Ｐ１とした。そして、陽極酸化皮膜を付与しない比較例Ｎｏ．１０における剥離臨界荷重値Ｐ２を１００としたときの、前記剥離臨界荷重値Ｐ２に対する各実施例の剥離臨界荷重値Ｐ１の比率、即ち剥離臨界荷重比Ｒｃを求めてＮｉ−Ｐめっきの密着性を評価した。剥離臨界荷重比Ｒｃ（Ｐ１／Ｐ２×１００）を表１に、処理条件とともにまとめて示す。
【００３２】
【表１】
2006089842.tif 000002
【００３３】
従来のＮｉ−Ｐめっき処理の場合（比較例Ｎｏ．１０）に比べると、陽極酸化層をＮｉ−Ｐめっき層とＴｉ合金基材の間に介在させた場合には、剥離臨界荷重比Ｒｃが１８４〜２５７と、剥離臨界荷重（Ｐ１）が１．８〜２．５倍程度向上することが確認された。また、Ｎｉ−Ｐめっき処理後に熱処理とホーニング処理を実施した場合（比較例Ｎｏ．１１）に比べても、剥離臨界荷重比Ｒｃが顕著に向上していることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
この発明は、輸送機械や産業機械等の動力伝達などに用いられる、耐摩耗性が要求されるＴｉ合金製部材全般、動力伝達部材との接触部品の素材等、およびシリンダライナー等の摺動部材、更にはネジ、プレス金型等の治具・工具部材やスクロール等の圧縮器部材等として有効に利用することができる。また、自動車ホイール、ゴルフヘッドや調理用ホットプレートのプレート部の様な非動力伝達部材に適用し、耐摩耗性や耐食性を高める等の手段としても有効活用が可能である。