(57)【要約】【課題】機械的強度の低下を伴うことなく、金属表面に防錆性を持たせることが可能な金属表面処理方法を提供する。【解決手段】−０．４４Ｖ以下の酸化還元電位を有する金属粉末からなる投射材２３ａを軸受鋼２１の表面に投射することにより、軸受鋼２１の表面に耐食性皮膜２２ａを形成し、耐食性皮膜２２ａが形成された軸受鋼２１上に、−０．４３Ｖ以上の酸化還元電位を有する金属粉末からなる投射材２３ｂを投射することにより、耐食性皮膜２２ａの表面に耐食性皮膜２２ｂを形成する。【選択図】      図１
2008001930.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼製の母材の表面に鉄より卑な金属被膜をショットピーニングして形成することを特徴とする金属表面処理方法。
【請求項２】
鋼製の母材の表面に鉄より卑な金属と貴な金属との合金または混合粉末をショットピーニングして被膜を形成することを特徴とする金属表面処理方法。
【請求項３】
鋼製の母材の表面にショットピーニングにて鉄より卑な金属からなる第一層目被膜を形成する工程と、
前記第一層目被膜上にショットピーニングにて鉄より貴な金属からなる第二層目被膜を形成する工程とを備えることを特徴とする金属表面処理方法。
【請求項４】
前記鉄より卑な金属がＡｌ、Ｚｎ、Ｂｉのいずれか少なくとも１つを含み、前記鉄より貴な金属がＮｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｎのいずれか少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２または３記載の金属表面処理方法。
【請求項５】
前記被膜全体の厚さが０．１以上８μｍ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の金属表面処理方法。
【請求項６】
前記被膜全体の厚さが０．５以上６μｍ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の金属表面処理方法。
【請求項７】
前記被膜全体の厚さが０．５以上５μｍ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の金属表面処理方法。
【請求項８】
前記母材のディンプルの深さが０．１以上５μｍ以下であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載の金属表面処理方法。
【請求項９】
前記母材に形成された被膜の最表面の粗さが０．０１以上０．５μｍＲ以下であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項記載の金属表面処理方法。
【請求項１０】
鋼製の母材の表面にショットピーニングにて−０．４４Ｖ以下の酸化還元電位を有する金属化合物からなる第一層目被膜を形成する工程と、
前記第一層目被膜上にショットピーニングにて−０．４３Ｖ以上の酸化還元電位を有する金属化合物からなる第二層目被膜を形成する工程とを備えることを特徴とする金属表面処理方法。
【請求項１１】
−０．４４Ｖ以下の酸化還元電位を有する金属粉末と−０．４３Ｖ以上の酸化還元電位を有する金属粉末とが混合された投射材を鋼製の母材の表面にショットピーニングして被膜を形成することを特徴とする金属表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属表面処理方法に関し、特に、金属表面の防錆処理方法に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
金属表面に防錆性を持たせるために金属表面に電気めっきを施す方法がある。この電気めっきは、耐食性、加工性およびはんだ付け性に優れるため、自動車部品や電子部品などの工業用として広く行われている。例えば、錫−亜鉛合金電気めっきに使用されるめっき浴としては、アルカリシアン浴、ピロリン酸浴、ホウフッ化浴、スルホン酸浴、カルボン酸浴などが実用化されている（特許文献１、２）。
【０００３】
また、錫−鉛合金に代わる鉛フリーの低融点の錫合金めっきとして、安価な錫−銅合金がコネクタ部品などの接合材料として使用されている（特許文献３）。さらに、水が浸入する条件下で使用される鋼鉄設備用軸受や泥水の降りかかる車両用軸受などでは、化成処理膜と防錆油にて鋼表面の錆の発生を防止することも行われている（特許文献４）。
【特許文献１】特開２０００−２８２２５５号公報
【特許文献２】特開平６−２２８７８６号公報
【特許文献３】特開２００５−３０７２２７号公報
【特許文献４】特開２００３−２３９９９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、軸受や歯車などの機械的部品では、電気部品と異なり、応力が金属表面に集中することによる金属疲労によって経時的に機械的強度が劣化する。このため、金属表面に防錆性を持たせるために金属表面に電気めっきを施す方法では、水素の進入に伴う機械的強度の劣化を増長するという問題があった。
また、金属表面に防錆性を持たせるために金属表面に化成処理を施す方法では、化成処理時の侵食の程度によってはその部分を起点とした剥離が発生し、耐久性を却って劣化させることがあるという問題があった。
そこで、本発明の目的は、機械的強度の低下を伴うことなく、金属表面に防錆性を持たせることが可能な金属表面処理方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した課題を解決するために、請求項１記載の金属表面処理方法によれば、鋼製の母材の表面に鉄より卑な金属被膜をショットピーニングして形成することを特徴とする。
これにより、ショットピーニングという簡易な方法にて耐食性被膜を軸受鋼の表面に形成することが可能となるとともに、母材内部に被膜を拡散させることができ、被膜を軸受鋼の表面に強固に付着させることができる。このため、高価なステンレス鋼を母材として使用したり、無電界ニッケルメッキを軸受鋼の表面に施したりする必要がなくなり、コストアップを抑制しつつ、防錆性および耐食性を母材に持たせることが可能となるとともに、水素の進入に伴う機械的強度の劣化を抑制することが可能となることがら、軸受や歯車などの機械的部品の寿命を向上させることができる。
【０００６】
また、請求項２記載の金属表面処理方法によれば、鋼製の母材の表面に鉄より卑な金属と貴な金属との合金または混合粉末をショットピーニングして被膜を形成することを特徴とする。
これにより、鉄よりも錆びにくい金属で母材を保護することが可能となり、母材に錆が発生するのを防止することが可能となるとともに、被膜に損傷や傷があるために母材が露出した場合においても、犠牲防食にて母材を錆から保護することが可能となり、水や水蒸気に曝される環境下においても、錆から母材を有効に保護することが可能となる。
【０００７】
また、請求項３記載の金属表面処理方法によれば、鋼製の母材の表面にショットピーニングにて鉄より卑な金属からなる第一層目被膜を形成する工程と、前記第一層目被膜上にショットピーニングにて鉄より貴な金属からなる第二層目被膜を形成する工程とを備えることを特徴とする。
これにより、鉄よりも錆びにくい金属で母材を保護することが可能となり、母材に錆が発生するのを防止することが可能となるとともに、第二層目被膜が損傷した場合においても、第一層目被膜を母材よりも優先的に酸化させて、母材に錆が発生するのを防止することが可能となり、錆から母材を有効に保護することが可能となる。
【０００８】
また、鉄より卑な金属を第一層目とし、鉄より貴な金属を第二層目とすることにより、鉄より卑な金属が腐食性環境下に曝される部分を第二層目被膜の損傷部分に限定することができ、第二層目被膜が損傷した場合においても、犠牲防食による第一層目被膜の酸化の進行を遅らせることが可能となることから、第一層目被膜が消失するのを遅らせることができ、金属表面処理方法の耐久性を向上させることができる。
【０００９】
また、請求項４記載の金属表面処理方法によれば、前記鉄より卑な金属がＡｌ、Ｚｎ、Ｂｉのいずれか少なくとも１つを含み、前記鉄より貴な金属がＮｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｎのいずれか少なくとも１つを含むことを特徴とする。
これにより、鉄よりも錆びにくい金属で母材を保護することが可能となり、母材に錆が発生するのを防止することが可能となるとともに、被膜に損傷や傷があるために母材が露出した場合においても、犠牲防食にて母材を錆から保護することが可能となり、金属表面処理方法の耐久性を向上させることができる。
【００１０】
また、請求項５記載の金属表面処理方法によれば、前記被膜全体の厚さが０．１以上８μｍ以下であることを特徴とする。
これにより、防錆効果が飽和しない範囲内で十分かつ持続的な防錆効果を得ることが可能となり、コスト増を抑制しつつ、金属表面処理方法の耐久性を向上させることができる。
また、請求項６記載の金属表面処理方法によれば、前記被膜全体の厚さが０．５以上６μｍ以下であることを特徴とする。
これにより、被膜の剥離を抑制しつつ、十分かつ持続的な防錆効果を得ることが可能となる。
【００１１】
また、請求項７記載の金属表面処理方法によれば、前記被膜全体の厚さが０．５以上５μｍ以下であることを特徴とする。
これにより、十分かつ持続的な防錆効果を得ることが可能となるとともに、被膜処理後に隙間を調整するために後加工する必要がなくなり、低コスト化を図ることができる。
また、請求項８記載の金属表面処理方法によれば、前記母材のディンプルの深さが０．１以上５μｍ以下であることを特徴とする。
これにより、母材に形成された被膜の密着性を向上させることができ、金属表面処理方法の耐久性を向上させることができる。
【００１２】
また、請求項９記載の金属表面処理方法によれば、前記母材に形成された被膜の最表面の粗さが０．０１以上０．５μｍＲ以下であることを特徴とする。
これにより、母材に形成された被膜の密着性を向上させることができ、金属表面処理方法の耐久性を向上させることができる。
また、請求項１０記載の金属表面処理方法によれば、鋼製の母材の表面にショットピーニングにて−０．４４Ｖ以下の酸化還元電位を有する金属化合物からなる第一層目被膜を形成する工程と、前記第一層目被膜上にショットピーニングにて−０．４３Ｖ以上の酸化還元電位を有する金属化合物からなる第二層目被膜を形成する工程とを備えることを特徴とする。
【００１３】
これにより、ショットピーニングという簡易な方法にて耐食性被膜を母材の表面に形成することが可能となるとともに、鉄より卑な金属を介して鉄より貴な金属にて母材の表面を覆うことができる。このため、軸受鋼が酸化性環境下におかれた場合においても、母材が酸化されるよりも先に鉄よりも卑な金属を酸化させて母材が錆びるのを防止するとともに、鉄よりも卑な金属が酸化性環境下に曝されるのを鉄より貴な金属にて抑えることができ、鉄よりも卑な金属の酸化を遅らせることが可能となる。また、電気めっきなどの電気化学的手法を用いることなく、母材の表面に被膜を形成することが可能となり、水素の進入に伴う機械的強度の劣化を抑制することが可能となることがら、軸受や歯車などの機械的部品の寿命を向上させることができる。
【００１４】
また、請求項１１記載の金属表面処理方法によれば、−０．４４Ｖ以下の酸化還元電位を有する金属粉末と−０．４３Ｖ以上の酸化還元電位を有する金属粉末とが混合された投射材を鋼製の母材の表面にショットピーニングして被膜を形成することを特徴とする
これにより、鉄よりも錆びにくい金属で母材を保護することが可能となり、母材に錆が発生するのを防止することが可能となるとともに、被膜に損傷や傷があるために母材が露出した場合においても、犠牲防食にて母材を錆から保護することが可能となり、水や水蒸気に曝される環境下においても、錆から母材を有効に保護することが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように、本発明によれば、コストアップを抑制しつつ、防錆性および耐食性を母材に持たせることが可能となるとともに、アルカリや酸の廃液処理などが不要となることから、環境汚染を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態に係る金属表面処理方法について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る金属表面処理方法を示す断面図である。
図１（ａ）において、母材として軸受鋼２１を用意する。ここで、軸受鋼２１としては、安価なＦｅを用いることができる。
次に、図１（ｂ）に示すように、投射材２３ａを軸受鋼２１の表面に投射することにより、軸受鋼２１の表面に耐食性皮膜２２ａを形成する。なお、投射材２３ａとしては、−０．４４Ｖ以下の酸化還元電位を有する金属粉末を用いることができ、耐食性皮膜２２ａとしては、−０．４４Ｖ以下の酸化還元電位を有する金属化合物から構成することができる。例えば、投射材２３ａおよび耐食性皮膜２２ａとしては、Ａｌ、Ｚｎ、Ｂｉなどの鉄より卑な金属を用いることできる。
【００１７】
次に、図１（ｃ）に示すように、耐食性皮膜２２ａが形成された軸受鋼２１上に投射材２３ｂを投射することにより、耐食性皮膜２２ａの表面に耐食性皮膜２２ｂを形成する。なお、投射材２３ｂとしては、−０．４３Ｖ以上の酸化還元電位を有する金属粉末を用いることができ、耐食性皮膜２２ｂとしては、−０．４３Ｖ以上の酸化還元電位を有する金属化合物から構成することができる。例えば、投射材２３ｂおよび耐食性皮膜２２ｂとしては、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｎなどの鉄より貴な金属を用いることできる。
【００１８】
これにより、ショットピーニングという簡易な方法にて耐食性被膜２２ａ、２２ｂを母材の表面に形成することが可能となり、軸受鋼２１が酸化性環境下におかれた場合においても、母材が酸化されるよりも先に耐食性被膜２２ｂを酸化させて母材が錆びるのを防止するとともに、耐食性被膜２２ｂが酸化性環境下に曝されるのを耐食性被膜２２ａにて抑えることができ、耐食性被膜２２ｂの酸化を遅らせることが可能となる。また、電気めっきなどの電気化学的手法を用いることなく、母材の表面に耐食性被膜２２ａ、２２ｂを形成することが可能となり、水素の進入に伴う機械的強度の劣化を抑制することが可能となることがら、軸受や歯車などの機械的部品の寿命を向上させることができる。
【００１９】
なお、各Ｚｎ層１ａ〜４ａの膜厚と各Ｓｎ層１ｂ〜４ｂの膜厚とを合計した被膜全体の膜厚は、好ましくは０．１以上８μｍ以下であるのがよく、さらに好ましくは０．５以上６μｍ以下であるのがよく、最も好ましくは０．５以上５μｍ以下であるのがよい。また、被膜の最表面の粗さは０．０１以上０．５μｍＲ以下であるのが好ましい。
また、軸受鋼２１の表面には、被膜を形成する前の前処理としてディンプルを形成するようにしてもよい。ここで、軸受鋼２１のディンプルの深さは０．１以上５μｍ以下であることが好ましい。
【００２０】
また、耐食性被膜２２ａ、２２ｂは、軸受鋼２１をそれぞれ被覆する形態であってもよいが、マトリックスを形成する合金の形態であってもよい。合金の場合には、構成成分は、−０．４３Ｖ以上の酸化還元電位を有する金属に対して、−０．４４Ｖ以下の酸化還元電位を有する金属のモル分率が０．５以上であることが好ましい。
なお、被膜の厚さを測定する方法としては、例えば、マイクロメータにて処理前後の径を測定する方法、あるいは断面を電子顕微鏡で測定する方法を用いることができる。
【００２１】
また、被膜の厚さを測定する方法として、以下の方法を用いるようにしてもよい。まず、被膜の保護を目的として、被膜を備えた転動体の転動面に、熱硬化性樹脂であるポリアミドイミドのピロリドン溶液を塗布し、１７５℃で２時間加熱して硬化させ、被膜の保護膜を形成する。この転動体を切断してエポキシ樹脂に埋め込み、転動体の切断面をバフ研磨で鏡面仕上げする。さらに、凹凸を付けるために、３％ピクラール溶液で５秒間腐食した後、スパッタによりナノオーダーのクロム層を表面に被覆して通電性を付与する。そして、電子顕微鏡（ＳＥＭ）により、切断面を５０００倍の倍率で３０視野観察する。
【００２２】
また、電子顕微鏡による観察では、反射電子線像で膜厚が明瞭に観察できるようにするために、各視野において、横方向に被覆面が横断されるように観察し、縦方向に６分割し、被膜の厚さを５点測定し、これら５点の平均値を求め、この平均値をその視野の被膜の厚さとする。そして、３０視野の被膜の厚さの平均値を求めることができる。
次に、供試体として、表面硬さがＨＲＣ５８〜６４、表面残留オーステナイトが２０〜４５容量％のＪＩＳＺ２２４１に準拠する試験片を用いて引っ張り試験を行った。なお、本実施例では、ＳＵＪ２に浸炭窒化を行ったものを用いたが、ＳＵＪ２に浸炭窒化を行ってないもの、すなわち、ズブ焼きまたは高周波焼入れを行ったもの、あるいはＳＣＭ４２０、ＳＣｒ４２０などに浸炭窒化や浸炭を行い、表面を硬化させたものを用いるようにしてもよい。
【００２３】
被覆材としては、酸化還元電位が−０．７２６８Ｖの亜鉛と、酸化還元電位が０．１５３Ｖの銅を使用した。
亜鉛被膜形成の具体的な方法として、ショットピーニング装置を用い、投射材としてＪＩＳＲ６００１による平均粒径４５μｍのＺｎ粉末を噴射圧力２．０〜９．０ｋｇ／ｃｍ2、噴射時間１０〜２０ｍｉｎの条件で母材の表面に投射した。また、１回の処理に供する外輪の重量は１〜２０ｋｇｆとした。
【００２４】
続いて、一部の試料については、亜鉛被膜形成処理を行った後に、亜鉛被膜を銅にて被覆した（実施例１）。なお、銅被膜形成の具体的な方法としては、亜鉛被膜形成処理と同様の装置と処理条件を用い、投射材としてＺｎ粉末の代わりに平均粒径４５μｍのＣｕ粉末を用いた。ここで、Ｚｎ粉末とＣｕ粉末とをショットピーニングして得られた被膜の性状については、電子顕微鏡にて被膜の断面を観察することにより、ＺｎとＳｎとの合金層および部分的にＣｕリッチな層からなることを確認した。
また、実施例２として、Ｚｎ粉末とＣｕ粉末とをモル比率で１：１に混合した混合粉を母材の表面にショットピーニングしたものを作製した。さらに、比較例１として、母材の表面に電気亜鉛−銅合金めっきしたものを作製した。ここで、実施例１の被膜の膜厚は３μｍ、実施例２の被膜の膜厚は２μｍ、比較例１の被膜の膜厚は５μｍとした。
【００２５】
図２は、本発明の一実施例に係る金属表面処理方法における引っ張り強度試験結果を比較例とともに示すグラフである。
図２において、電気亜鉛−銅合金めっきしたものでは引っ張り強度が約７０％にまで低下するが、ショットピーニングにて作製したものでは引っ張り強度の低下が見られないことが確認できた。
次に、ＪＩＳＺ２３７１に準拠した試験方法にて耐食性を評価した。ここで、実施例１、２および比較例１の試料について、塩水噴霧環境下において、外観状況を観察することでさび発生の水準を求めた。
【００２６】
図３（ａ）は、本発明の一実施例に係る金属表面処理方法における錆試験結果を比較例とともに示すグラフ、図３（ｂ）は、さび発生の水準を示す表である。
図３において、比較例１では膜厚が５μｍと厚いにも関わらず、ピンホールがあるため、赤錆が発生するまでの時間が２０時間未満となった。これに対し、実施例１、２では膜厚がそれぞれ２μｍ、３μｍと比較例１と比べて薄いにも関わらず、ピンホールが皆無であるため、赤錆が発生するまでの時間が５０時間以上となり、電気亜鉛−銅合金めっきに比べて約２倍以上の防錆性が得られた。
【００２７】
なお、軸受としては、例えば、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、自動調心玉軸受、針状ころ軸受、円筒ころ軸受、円すいころ軸受、自動調心ころ軸受等のラジアル形の転がり軸受、スラスト玉軸受、スラストころ軸受等のスラスト形の転がり軸受などに適用することができる。また、本発明は、転がり軸受に限らず、他の種類の様々な転動装置に対して適用することができ、例えば、ボールベアリング、ローラベアリング、ボールねじ装置、リニアガイド装置、ボールスプライン、リニアボールベアリングなどに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態に係る金属表面処理方法を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施例に係る金属表面処理方法における引っ張り強度試験結果を比較例とともに示すグラフである。
【図３】図３（ａ）は、本発明の一実施例に係る金属表面処理方法における錆試験結果を比較例とともに示すグラフ、図３（ｂ）は、さび発生の水準を示す表である。
【符号の説明】
【００２９】
２１  金属素地
２２ａ、２２ｂ  耐食性皮膜
２３ａ、２３ｂ  投射材
【図１】
2008001930.tif 000003
【図２】
2008001930.tif 000004
【図３】
2008001930.tif 000005