(57)【要約】    【課題】  チタン、アルミニウム、マグネシウム若しくはこれらを主成分する合金からなる機械部品であって、軽量かつ熱伝導性を維持しつつ、より腐食と磨耗に優れた機械部品を提供することを目的とする。    【解決手段】  軽金属又は軽金属元素の1種以上を主成分とする合金の基材からなり、その表面に８ＧＰａ以上の硬度の前記軽金属元素の酸化物皮膜を備え、この軽金属酸化物被膜はアルカリ溶液中での陽極電解処理によって形成されてなる機械部品、上記課題は解決される。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軽金属又は軽金属元素の1種以上を主成分とする合金の基材からなり、その表面に８ＧＰａ以上の硬度の前記軽金属元素の酸化物皮膜を備え、この軽金属酸化物被膜はアルカリ溶液中での陽極電解処理によって形成されてなる機械部品。
【請求項２】
前記軽金属は、チタン、アルミニウム、又はマグネシウムからなり、前記基材は、これら軽金属元素の１種以上を主成分とする合金から構成されてなる、請求項１に記載の機械部品。
【請求項３】
前記基材が、バナジウム、クロム、モリブデン、ジルコニウム、及びスズからなる群から選択される１種以上の金属元素を、さらに含有されてなる、請求項１又は２に記載の機械部品。
【請求項４】
一部又は全部が、請求項１ないし３のうち何れか一項に記載の機械部品からなる、回転案内機能若しくは直動案内機能を有する転動装置。
【請求項５】
軽金属又は軽金属元素の１種以上を主成分とする合金の基材からなる機械部品を、アルカリ溶液中での陽極電解処理を行い、その表面に８ＧＰａ以上の硬度の前記軽金属酸化物被膜を形成するようにした、機械部品の表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属酸化物被膜を備える機械部品に関するものであり、より詳細には、より広範な機械部品、たとえば、自動車や船舶あるいは航空機等に使用されるエンジン部品、医療機器の部品、化学繊維製造機械の部品、食品用機械、半導体製造装置、給排水ポンプ等の高温や腐食環境、境界潤滑環境で用いられる機械に広く適用可能な機械部品に関するものである。また、本発明は、この機械部品が適用された転動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
チタン、アルミニウム、マグネシウムに代表される軽金属若しくはそれらを主成分とする合金は、耐腐食性及び非磁性に優れている。しかし、かかる合金は耐磨耗性においては、その性能は十分とはいえる状況ではない。他方、ステンレス鋼は、耐摩耗性においては優れる一方で、耐腐食性及び非磁性の要求に関しては、その性能は工業上の利用において満足いくものではない。
【０００３】
そのため、腐食環境で耐磨耗性が要求される機械部品については、耐腐食性を犠牲にしてステンレス鋼を使用し、耐腐食性が重視される場合には、チタン合金等を使用するというように、一方の性能を犠牲にした選択を迫られることがあった。
【０００４】
この問題を解決するため、チタン、アルミニウム、マグネシウムやこれらを主成分とする合金の表面硬度を向上させ、耐摩耗性を改善する試みが行われてきた。
【０００５】
たとえば、チタン合金の場合、β相領域あるいはα＋β二相領域で溶体化処理後、時効処理により、βマトリクス中にα相を微細に析出させる析出効果処理が存在する。しかし、熱処理を施しても、析出硬化処理で得られる表面硬度は、せいぜい６Ｇｐａ程度が限界であった。
【０００６】
また、浸炭、浸炭窒化あるいは窒化処理におけるチタン又はチタン合金の表面に炭素、窒素、酸素を固溶させ、表面硬度を向上させる熱処理方法が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。しかし、単位時間あたりの処理深さが浅く、表面硬度も５Ｇｐａ程度しか得られず、しかも、処理に時間を要するという問題がある。
【０００７】
一方、アルミニウム及びアルミニウム合金、マグネシウム及びマグネシウム合金は、熱伝導率が高く比重が小さいことから、内燃機関に使用されるレシプロエンジンのシリンダーピストンや過給器のタービンブレードに使用されている。これらのチタン系、アルミニウム系若しくはマグネシウム系の機械部品は、熱処理が施され、材料に強度を付与した後、表面処理の一種である、酸性溶液中で陽極電解処理を行い、表面に数十μｍの酸化物被膜を形成させて表面強度を増大させている。かかる酸性溶液の具体例としては、通例、硫酸やシュウ酸がある。アルミニウム系の機械部品に対する酸性溶液中での陽極電解処理は、通例、アルマイト（商標）処理と称される。
【０００８】
このように、酸性溶液中での陽極電解処理では、処理後の表面に微細な孔が形成されており、この孔を封じないと、耐腐食性が劣化するため、封孔処理を施す必要性がある。また、最大でも酸化物被膜の厚さが数十μｍと薄膜であるため、耐磨耗性についての耐久性は不十分である等のさまざまな問題点を抱えているのが現状である。
【０００９】
ところで、チタン、アルミニウム、マグネシウムあるいはこれらを主成分とする合金では、大気での酸化処理により表面に酸化物被膜を形成させる方法もあるが、その表面強度は５ＧＰａに留まることが報告されている。
【特許文献１】特公昭６１−２７４７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みに、軽金属系の機械部品であって、軽量かつ熱伝導性を維持しつつ、耐腐蝕性と耐磨耗性に優れた機械部品、及びそのための表面処理方法を提供することを目的とする。本発明の他の目的は、前記機械部品を備える転動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、鋭意研究を行った結果、アルカリ電解処理によって得られた酸化物被膜が機械部品の表面硬度を向上させるとの知見に基づき、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明の第一の態様によれば、軽金属又は軽金属元素の1種以上を主成分とする合金の基材からなり、その表面に８ＧＰａ以上の硬度の前記軽金属元素の酸化物皮膜を備え、この軽金属酸化物被膜はアルカリ溶液中での陽極電解処理によって形成されてなる機械部品を提供する。
【００１２】
本発明による前記機械部品における好ましい態様によれば、前記軽金属は、チタン、アルミニウム、又はマグネシウムからなり、前記基材は、これら軽金属元素の１種以上を主成分とする合金から構成されてなることを特徴とする。
【００１３】
本発明による前記機械部品における好ましい態様によれば、前記基材が、バナジウム、クロム、モリブデン、ジルコニウム、及びスズからなる群から選択される１種以上の金属元素を、さらに含有されてなることを特徴とする。
【００１４】
本発明の第二の態様によれば、一部又は全部が、前記機械部品からなる、回転案内機能若しくは直動案内機能を有する転動装置を提供する。
【００１５】
本発明の第三の態様によれば、軽金属又は軽金属元素の１種以上を主成分とする合金の基材からなる機械部品を、アルカリ溶液中での陽極電解処理を行い、その表面に８ＧＰａ以上の硬度の前記軽金属酸化物被膜を形成するようにした、機械部品の表面処理方法を提供する。
【００１６】
なお、本発明で用いる用語「主成分」とは、合金中の全重量に対して、他の成分に比較して、最も含有量が多い成分をいい、たとえば、５０質量％以上である成分を指称する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に陽極電解処理により形成された酸化物被膜は、従来の大気酸化法や酸性溶液を用いた陽極酸化処理法に比して、特段に表面硬度が高く、耐食性や耐摩耗性に優れる機械部品を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。以下の実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな形態で実施することができる。
【００１９】
本発明による機械部品は、チタン、アルミニウム、又はマグネシウムの軽金属を基材とするか、あるいはこれらの１種以上を主成分とする合金を基材としたものである。本発明に係る機械部品は、機材の主成分である金属元素と酸素を必須成分とする金属酸化物被膜をその表面に有し、その金属酸化物被膜の硬度は、８Ｇｐａ以上である。
【００２０】
本発明に利用される合金としてのチタン合金の具体例には、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−４．５Ａｌ−３Ｖ−２Ｆｅ−２Ｍｏ、Ｔｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａｌを例示できる。また、αチタンなどのような純度の高い純チタンも使用可能であり、チタンに他の金属元素を添加したもの、たとえばα＋βチタンなどのように、チタン９０質量％にアルミニウム６質量％、バナジウム４質量％を加えたチタン合金も使用可能である。
【００２１】
本発明に利用される合金の他の例としては、アルミニウム合金があり、具体的には、Ａｌ−Ｍｎ合金（３０００系）、Ａｌ−Ｓｉ合金（４０００系）、Ａｌ−Ｍｇ合金（５０００系）、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金（６０００系）、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金（７０００系）、Ａｌ−Ｃｕ合金（２０００系）等がある。これらのアルミニウム合金の中でも、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金（６０００系）が好ましい。
【００２２】
本発明に利用される合金の別の例としては、マグネシウム合金があり、具体的には、ＡＺ９１Ｄ、ＡＭ６０Ｂ、ＡＭ５０Ａ、ＡＳ４１Ｂ(ＪＩＳ規格)等が使用可能である。
【００２３】
くわえて、本発明に利用される合金から構成される基材は、バナジウム、クロム、モリブデン、ジルコニウム、及びスズから選択される１種以上の金属元素を含有することが好ましい。バナジウム、クロム、モリブデン、ジルコニウム、スズから選択される１種以上の金属元素を含有する合金をアルカリ溶液中で陽極電解処理すると、これらの金属も酸化され、主成分の酸化物とともに、基材の表面に酸化物被膜を形成する。この付加金属元素をも含む酸化物被膜は、主成分からなる酸化物被膜の後記する種々の効果を強化する。
【００２４】
バナジウム、クロム、モリブデン、ジルコニウム、スズの含有量は、基材を構成する金属材料中、５０質量％以下であって、０．００１質量％以上含有されることが好ましい。５０質量％を超える含有量では、主成分からなる酸化物被膜を強化による効果をさらに向上することは期待できず、コスト的に割高になる一方、０．００１質量％未満の含有量ではその向上の程度は十分ではない。
【００２５】
本発明に係る金属酸化物被膜を基材表面へ形成することは、アルカリ溶液中の陽極電解処理により達成される。
【００２６】
かかる陽極電解処理により形成される被膜は、孔の存在しない緻密な結晶性の酸化物被膜であり、その表面硬度が８ＧＰａ以上となる。また、その酸化物被膜の厚さは、電気量を調整することにより、数十から数百μｍとすることが可能である。ここで、かかる金属酸化物被膜中の孔の存在割合はごくわずかであり、この数十〜数百μｍの厚さの酸化物被膜は、いわゆるセラミックと同質であり、耐摩耗性・耐腐食性に優れている。ただし、表面硬度が３０ＧＰａを超えると、酸化物被膜自体が脆くなり、好ましくない。
【００２７】
次に、本発明に係る金属酸化物被膜を機械部品の形成するための表面処理方法について説明する。米国特許第５６１６２２９号に開示されているように、アルカリ溶液中での陽極電解処理の際の通電方法は、不完全整流法のほか、直流法、定電流法、定電圧法、ＰＲ法、パルス法、交直畳重法等のいずれでもよい。これらの通電方法の中でも、不完全整流法、パルス法又は交直畳重法が好ましい。これらの三つの方法は、所定時間毎に、電流の流れる方向（電圧の極性）を変えるもので、これにより電極の分極作用と温度上昇が低減される。そのため、電流密度を向上することができ、被膜を厚くすることが可能となる。ただし、機械部品は陽極となっている割合（電流若しくは電圧の絶対値と時間の積）が５０％を超えていなければならない。
【００２８】
なお、陽極電解処理を施す際、基材を部分的にマスキングし、所望の位置にのみ、本発明よる陽極電解処理に基づく表面処理を行うことが好ましい。
【００２９】
本発明に利用される陽極電解処理に利用される電圧の範囲は、±１００Ｖ〜±２０００Ｖが好ましく、電流密度の範囲は５〜２００Ａ/ｄｍ3が好ましい。陽極電解処理時の電圧が±２０００Ｖを超えると、相対的に設備費が高くなる以上に、均一な酸化物被膜が得られ難いという傾向になる。他方、電圧が±１００Ｖ未満では分極作用低減効果が得られにくく、そのため均一な酸化物被膜が形成されにくい。また、陽極電解処理時の電流密度が２００Ａ/ｄｍ3を超えると、相対的に設備費が大きくなる以上に、均一な酸化物被膜が形成されにくく、一方、電流密度は５Ａ/ｄｍ3未満では、必要な厚さの酸化物被膜を得るための時間が長くなりすぎるため好ましくない。
【００３０】
次に、陽極電解処理に用いるアルカリ溶液を得るためのアルカリ化合物の具体例としては、水に溶解させた際にアルカリ性を示す物質であれば特に制限はなく使用できるが、好ましくは、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等に代表される金属の水酸化物が挙げられる。また、ケイ酸ナトリウムやアルミン酸ナトリウム、チタン酸ナトリウム等に複合酸化物塩等も好適に使用できる。さらに好ましくは、金属の水酸化物とケイ酸ナトリウム等を併用することでもよい。
【００３１】
本発明による陽極電解処理に利用されるアルカリ溶液の好ましいｐＨの範囲は、ｐＨ８〜１３である。ｐＨが８未満若しくは１３を超えると、均一な酸化物被膜を形成することができなくなる。
【００３２】
本発明に利用される陽極酸化処理の設備内容等にも特に制約はないが、好ましくは、上記したアルカリ溶液をステンレス等の耐食性と導電性のある容器に入れ、ｐＨ、温度、攪拌速度等を適宜管理した上で、容器に触れないように酸化物被膜の対象となる機械部品を溶液に浸し、容器と部品との間に所定の時間、所定の電圧をかける。
【００３３】
本発明による陽極電解処理の条件は、処理する部品の材質、形状、所望の膜厚等により、好ましい範囲の中で、適宜調整することができる。陽極電解処理は、アルカリ溶液を利用する。そのため、通例、アルミニウムの陽極電解処理における酸性溶液を使用する場合では、非結晶性のアルミナが表面に形成されるのに対し、本発明においてアルカリ溶液を用いたことで、結晶性のアルミナが表面に形成され、当該結晶性のアルミナが、いわゆるセラミックであるため、耐食性・耐磨耗性に優れるものと推測される。
【００３４】
さらに、本発明に係る機械部品を構成する基材が、バナジウム、クロム、モリブデン、ジルコニウムやスズを含有する合金からなる、あるいは不純物して含有する場合には、基材を構成する主成分である金属元素の酸化物被膜に起因する強度の向上に加えて、陽極酸化時に、これらバナジウム、クロム、モリブデン、ジルコニウム、スズによる酸化物被膜をも形成する。その結果として、かかる金属による被膜の耐食性・耐磨耗性・耐剥離性等が向上する。
【００３５】
また、本発明による陽極電解処理を、パルス法等の電流電圧の方向が所定の時間で変化する処理方法とし、±１００Ｖ以上、５Ａ/ｄｍ3以上の電圧電流の作用により、陽極電解時に形成された被膜は、極表面にて、溶解―再結晶を繰り返しており、これによりさらに緻密な被膜となり、耐食性・耐摩耗性・耐剥離性等が一段と向上する。
【００３６】
図１は、本発明に利用した陽極電解処理を実行するための装置の概略図を示す。本発明が適用される陽極酸化処理装置では、電力供給装置１０から電流計（Ａ）を介して被処理物１１へ、リード線１２により電力が供給される。ステンレス容器の対極１３との間のリード線１２と並列に電圧計（Ｖ）１４が設置されている。
【００３７】
本発明の酸化物被膜の製造方法は、被処理物１１である基材を陽極として、アルカリ性の電解液１５中において、ステンレス容器の対極１３との間に、約６００Ｖの印加電圧と約７０Ａ/ｄｍ3の電流密度の電解条件を、電力供給装置１０より３０分、付与する方法である。
【実施例】
【００３８】
以下に示す本発明の実施例及び比較例は例示的なものであり、本発明は以下の具体例に制限されるものではない。当業者は、以下に示す実施例に様々な変更を加えて本発明を実施することができ、かかる変更は本願特許請求の範囲に包含される。
【００３９】
実施例１
陽極に、チタン合金（Ｔｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ合金）を接続し、６００Ｖの印加電圧で交直重畳法によって、５０Ａ/ｄｍ3での電解処理を行ったところ、チタン合金の表面に合金酸化物被膜が、２０μｍの厚みで形成された。なお、電解浴は水酸化カリウムとチタン酸ナトリウムからなり、そのｐＨは１０〜１１、液温は４５〜５５℃であった。
【００４０】
比較例１
実施例１と同じチタン合金（Ｔｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ合金）を大気酸化処理により、ルチル型酸化チタン層を形成した。酸化物被膜は２０μｍの厚みであった。
【００４１】
比較例２
実施例１と同じチタン合金（Ｔｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ合金）を、酸性浴を用いて、印加電圧が４０Ｖ、直流電解法で表面に合金酸化物被膜を形成させた。電解浴はシュウ酸にて、ｐＨを１〜２とした。その結果得られた酸化物被膜の厚さは１０μｍであった。
【００４２】
実施例１並びに比較例１及び２で得られた機械部品の耐摩耗性を調べるため、ボールオンディスクによる比較実験を行った。具体的には、ディスクに、先の実施例及び比較例により得られた被処理物の表面を使用し、ＳＵＪ２のボールを一定の荷重で押し付け、接触面圧が１．８ＧＰａの条件で、１ｍ/ｓの速度で２時間回転させた。
【００４３】
試験後の磨耗深さを表面粗さ計で形状を測定したところ、実施例１では５μｍ、比較例１では１８μｍ、比較例２では１５μｍという結果が得られた。
【００４４】
実施例２
アルミニウム合金（ＪＩＳ呼称６Ｎ０１；Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金）を、実施例１と同様に、陽極に取り付け、４０分電解処理を行った。電解電圧は４００Ｖ、電流密度５０Ａ/ｄｍ3にて、パルス電解法を採用した。電解浴は水酸化溶液とメタリン酸で調整して、ｐＨ１０〜１１のアルカリ溶液とした。液温は、４５〜５５℃に保持して陽極電解処理を行った。その結果、表面に厚さ２０μｍの合金化合物層が形成された。微小光度計で断面の硬さ測定を行ったところ、１２ＧＰａであった。
【００４５】
比較例３
実施例２と同じアルミニウム合金を使用して、陽極電解処理（電解電圧：３０Ｖ、電流密度：５Ａ/ｄｍ2、直流電解でシュウ酸溶液にてｐＨ１〜２に調整した酸性溶液）で、表面に厚さ１０μｍの酸化被膜を形成した。実施例２と同様に、硬さを測定したところ、５ＧＰａであった。
【００４６】
図２は、本発明に係る機械部品が一部又は全部に適用された、直動案内の転動装置としてのボールねじの一例を示す。ボールねじ２０は、一方の移動部材であり、かつその案内面となる外周面に螺旋状のねじ溝２１が形成されたねじ軸２２と、他方の移動部材であり、かつその案内面となる内周面２３に前記ねじ溝２１に対向する螺旋状のねじ溝２４が形成されたナット２５と、対向するねじ溝間に転動自在に介装された転動体である多数のボール２６と、それらのボール２６を循環させるチューブ式循環路２７とを具備して概略構成される。
【００４７】
チューブ式循環路２７は外形略コ字状のチューブからなり、その両端部２８に、それぞれナット２５を両ねじ溝２１、２４の接線方向に貫通するチューブ取付孔２９からナット２５内のボール転動空間に差し込み、止め金３０でナット２５の外面に固定される。螺旋状のボール転動空間を転動するボール２６は、ねじ溝２１、２４を複数回回って移動してから、チューブ式循環路２７の一方の端部２８ですくい上げられてチューブ式循環路２７の中を通り、他方の端部（不図示）からナット２５内のボール転動空間に戻る循環を繰り返すように構成されている。
【００４８】
転動体、ねじ軸、ナット等の部品を、本発明による陽極電解処理された陽極電解処理された機械部品とすることで、転動装置の耐食性、耐磨耗性を向上させる。
【００４９】
図３は、本発明に係る機械部品が適用された深溝玉軸受の断面図を示す。図３に示す深溝玉軸受４０は、内周面に深溝型の外輪軌道４１を有する外輪４２と、外周面に深溝型の内輪軌道４３を有する内輪４４と、これら外輪軌道４１と内輪軌道４３との間に保持器４５により保持した状態で転動自在に設けられた、複数の玉４６とから構成される。
【００５０】
前記深溝玉軸受４０の運転時に、上記各玉４６は、上記外輪４２と内輪４４とが相対回転するのに伴って、上記外輪軌道４１と上記内輪軌道４３との間で自転しつつ、公転する。そして、上記各玉４６の転動面と上記各軌道４１、４３との、剥離等の磨耗損傷が生じる蓋然性が極めて高い。そのため、本発明に係る機械部品を前記玉４６に使用とする、その耐食性及び耐磨耗性の向上に起因して、磨耗損傷を低下させる効果を有する。
【００５１】
図２及び図３に例示した、本発明の態様では、装置の形状や用途、適用する部品の種類によって、好適な材質、膜厚等は異なる場合が多く、それらが耐食性や耐磨耗性はもちろん、耐久性や発塵性等にも影響を与えることが考えられるので、材質、陽極電解処理条件等を、適宜、好ましい範囲で選定することができる。
【００５２】
本発明による酸化物被膜は、基本的には電気絶縁性であるため、たとえば、転がり軸受の外輪外面若しくは内輪外面に、本発明による酸化物被膜を形成するにとにより、軸受に電気絶縁作用を付与させることが可能である。本発明による酸化被膜の電気絶縁性を利用した軸受の好適な具体例としては、インバータモータ用等の軸受が挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る陽極電解処理である陽極酸化処理を実行するための装置の概略図を示す。
【図２】図２は、本発明に係る機械部品を適用した、直動案内の転動装置であるボールねじの一例を示す図である。
【図３】図３は、本発明に係る機械部品を適用した深溝玉軸受の断面図を示す。
【符号の説明】
【００５４】
１０…電力供給装置、１１…被処理物、  １２…リード線、１３…対極、１４…電圧計、２０…ボールねじ、２１…ねじ溝、２２…ねじ軸、２３…内周面、２４…ねじ溝、２５…ナット、２６…ボール、２７…循環路、２８…両端部、２９…チューブ取付孔、３０…止め金、４０…深溝玉軸受、４１…外輪軌道、４２…外輪、４３…内輪軌道、４４…内輪、４５…保持器、４６…玉
【図１】
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【図２】
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【図３】
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