(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮残留応力が付与された曲げ応力集中部位と耐摩耗性部位とを各々有する曲げ応力負荷部品に気相コーティング皮膜を施す方法であって、気相コーティング処理時に前記曲げ応力集中部位を遮蔽し、この曲げ応力集中部位に、気相コーティング皮膜を施さないか、この曲げ応力集中部位の前記気相コーティング処理後の圧縮残留応力が、前記気相コーティング処理前の圧縮残留応力の90% 未満にまで低下しない厚みの気相コーティング皮膜を設けることを特徴とする曲げ応力負荷部品の気相コーティング方法。
【請求項２】
前記気相コーティング処理時の曲げ応力負荷部品の平均温度が250 ℃以下である請求項１に記載の曲げ応力負荷部品の気相コーティング方法。
【請求項３】
前記気相コーティング処理がイオンプレーティングである請求項１または２に記載の曲げ応力負荷部品の気相コーティング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は曲げ応力負荷部品の気相コーティング方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
産業機械、一般機械、輸送機、レジャー用品などには、多くの曲げ応力負荷部品が使用されている。これらの代表的な部品としては、ロッカーアーム、ファンシャフト、ポンプロータ、歯車部品などである。これらの機械構造部品には大きな曲げ応力が負荷されるため、浸炭鋼などの高硬度 (高強度) な金属材料が用いられる。
【０００３】
これら曲げ応力負荷部品の耐久性として重要なのは、部品の特に使用中の曲げ応力が集中する部位の疲労強度である。このため、通常は、部品自体の疲労強度を増すために、ショットピーニングなどにより、前記曲げ応力集中部位の表面に予め高い圧縮残留応力が付与される。ショットピーニングは微小な硬質粒子を部品表面に高速で打ちつけ、部品表面に高い圧縮残留応力を付与する。
【０００４】
また、曲げ応力負荷部品の特に摺動面や転がり面には、耐摩耗性や耐損傷性などの耐久性も更に要求される。これらの耐摩耗性や耐損傷性を増すために、前記残留応力が付与された後の部品に対し、その摺動面や転がり面を含めた表面に、気相コーティングにより、硬質なTiN 、TiC 、DLC などの皮膜を被覆することが特開平5-163909号公報等で公知である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、本発明者らの知見によれば、この気相コーティングを行った場合、曲げ応力負荷部品の基本特性として重要な疲労強度が、部品の部位によっては低下してしまう現象が生じる。
【０００６】
そして、この疲労強度の低下は、曲げ応力負荷部品の使用環境が過酷となったり、曲げ応力負荷部品が高強度するほど、部品の総合的な耐久性を低下させる問題として顕在化する。
【０００７】
言い換えると、前記気相コーティングによる曲げ応力負荷部品の耐摩耗性や耐損傷性などの耐久性の向上は、逆に、曲げ応力負荷部品の疲労強度の低下をもたらし、曲げ応力負荷部品の総合的な耐久性を低下させるという矛盾がある。
【０００８】
本発明はこの様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、耐摩耗性部位の耐摩耗性や耐損傷性などの耐久性とともに、曲げ応力集中部位の疲労強度耐久性が優れた、曲げ応力負荷部品の気相コーティング方法を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明曲げ応力負荷部品の気相コーティング方法の要旨は、請求項1 に記載のように、圧縮残留応力が付与された曲げ応力集中部位と耐摩耗性部位とを各々有する曲げ応力負荷部品に気相コーティング皮膜を施す方法であって、気相コーティング処理時に前記曲げ応力集中部位を遮蔽し、この曲げ応力集中部位に、気相コーティング皮膜を施さないか、この曲げ応力集中部位の前記気相コーティング処理後の圧縮残留応力が、前記気相コーティング処理前の圧縮残留応力の90% 未満にまで低下しない厚みの気相コーティング皮膜を設けることである。
【００１０】
本発明者らは、曲げ応力負荷部品に気相コーティング処理を行った場合に、疲労強度が低下してしまう原因を調査した。この結果、気相コーティング処理の際の曲げ応力負荷部品表面の高温化が原因であること、高温化によって曲げ応力負荷部品が熱処理を受けたのと同じ結果となり、特に、曲げ応力集中部位の圧縮残留応力が著しく低下すること、等を知見した。
【００１１】
即ち、曲げ応力負荷部品に気相コーティング処理を行う際には、部品表面の清浄度を向上させ、気相コーティング膜の密着性を確保するため、前処理として、必ずスパッタクリーニングプロセスが行われる。このクリーニングプロセスは、Ar等の質量の比較的大きな気体元素や成膜する金属元素をイオン化して、部品表面に複雑に衝突せしめ、その衝撃で部品表面の汚染層を予め除去するものである。この方法では、部品表面の汚染層を弾き飛ばすために高エネルギーが必要であるから、部品表面に投入される単位時間当たりのエネルギーは、気相コーティングプロセス自体よりも大きくなる。部品表面から入った熱は、部品内部に向かって熱拡散するが、部品表面からのエネルギー投入は継続されるので、部品表面には内部に向かう急峻な温度勾配が形成され続ける。このため、特に部品表面から100 μm 程度の深さの表面部分の高温化が避けられない。
【００１２】
因みに、このクリーニングプロセスを省略した場合や、エネルギーを小さくした場合、気相コーティング皮膜の密着性が低下し、特に耐摩耗性が要求される部位での使用中の皮膜密着性が確保出来ず、剥離した皮膜が部品動作中に悪影響を及ぼすなど、部品の耐久性や、装置全体の寿命にも致命的な影響を与える。
【００１３】
したがって、本発明では、このクリーニングプロセスを含めた気相コーティング処理の際に、曲げ応力負荷部品の高温化が不可避であることを前提にする。但し、本発明では、この気相コーティング処理の際に、曲げ応力負荷部品の、耐摩耗性部位の表面は高温化させる一方、曲げ応力集中部位の表面は高温化させないことを骨子とする。このため、耐摩耗性部位は表面に気相コーティング皮膜を設けるとともに、曲げ応力集中部位には気相コーティング皮膜を実質的に設けず、圧縮残留応力を低下させない。
【００１４】
そして、気相コーティング処理の際に、曲げ応力集中部位を高温化させないためには、請求項2 に記載の通り、気相コーティング処理時の、曲げ応力負荷部品の実体平均温度が250 ℃以下とされることが好ましい。
【００１５】
また、気相コーティングとしては、請求項3 に記載の通り、イオンプレーティングであることが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
(対象部品)
本発明の適用対象とする曲げ応力負荷部品とは、前記ロッカーアーム、ファンシャフト、ポンプロータ、歯車部品など、使用乃至動作中に大きな曲げ応力が負荷されるために、圧縮残留応力が付与された曲げ応力集中部位と、更に気相コーティング皮膜を施された耐摩耗性部位とを一体的に有する部品のことを言う。
そして、更に、気相コーティング処理されて表面が高温化されること、耐摩耗性部位には耐摩耗性や耐損傷性などの耐久性、曲げ応力集中部位には疲労強度の耐久性が各々要求されることを前提とする。
【００１７】
これらの曲げ応力負荷部品用の素材は、周知の通り、浸炭などの表面硬化処理を施されたあるいは施されない、低炭素、中炭素、高炭素、高合金などの種々の鋼や、A 7075等の7000系アルミニウム合金など、高硬度 (高強度) な金属材料からなる。
【００１８】
因みに、気相コーティング処理時に、残留応力が付与された曲げ応力集中部位と耐摩耗性部位とを一体的に有さず、別々の部品で構成および別々に気相コーティング処理し乃至処理せずに、気相コーティング処理後に一体化させるような曲げ応力負荷部品では本発明の課題自体が生じない。また、残留応力が付与された曲げ応力集中部位が無い曲げ応力負荷部品や、曲げ応力集中部位の疲労強度耐久性が要求されない曲げ応力負荷部品も同様である。
【００１９】
(部品要件)
本発明では、このような曲げ応力負荷部品の、先ず、前記曲げ応力集中部位には気相コーティング皮膜を実質的に施さない。仮に、曲げ応力集中部位に気相コーティング皮膜を施した場合、従来の部品と同様となり、気相コーティング処理の際に曲げ応力集中部位が高温化し、圧縮残留応力が著しく低下する。
【００２０】
なお、本発明で言う実質的とは、この曲げ応力集中部位の気相コーティング処理後の圧縮残留応力が、前記気相コーティング処理前の圧縮残留応力の90% 未満にまで低下しない程度に、気相コーティング処理を受ける、気相コーティング皮膜が設けられることを許容する。この許容される皮膜厚みは、部品や気相コーティングの種類と条件によって異なり、一概に規定できないものの、目安となるのは約0.1 μm 程度である。
【００２１】
曲げ応力集中部位の前記気相コーティング処理後の圧縮残留応力は、前記した通り、気相コーティング処理前の圧縮残留応力の90% 以上とすることが好ましい。この圧縮残留応力が90% 未満となった場合、疲労強度を著しく低下させる。そして、前記した通り、曲げ応力負荷部品の使用環境が過酷となったり、曲げ応力負荷部品が高強度するほど、部品の総合的な耐久性を低下させる。
【００２２】
なお、曲げ応力集中部位への高い圧縮残留応力付与は、前記したショットピーニングなどの公知の方法により行う。この際、圧縮残留応力付与の部品部位は、主として曲げ応力集中部位となるが、必要により、あるいは、付随的に、耐摩耗性部位に圧縮残留応力が付与されても良い。但し、前記した通り、気相コーティング処理されて表面が高温化されると、耐摩耗性部位の圧縮残留応力も必然的に低下する。
【００２３】
(対象気相コーティング)
本発明の適用対象とする気相コーティングは、スパッタリング、イオンプレーティングなど、公知の気相コーティング方法が適用出来る。ただ、クリーニングプロセスを含めた気相コーティング処理の際に、曲げ応力負荷部品の高温化が不可避であることを前提にする。曲げ応力負荷部品の高温化が伴わない気相コーティング方法では本発明の課題自体が生じない。
【００２４】
ただ、本発明で用いる気相コーティング方法としては、イオンプレーティング法が好ましい。イオンプレーティング法は、成膜したい金属種のターゲットを用い、窒素、メタン、あるいはこれらの混合雰囲気中で、プラズマを発生せしめ、基材に向かって蒸発もしくは飛散させたターゲットと発生プラズマとを反応させながら、基材表面に成膜する。このため、多種多様な皮膜であって、高機能な皮膜が成膜できる特徴がある。
【００２５】
また、イオンプレーティング法の中でも、アークイオンプレーティング(AIP) 法が特に好ましい。AIP 法は、前記クリーニングプロセスに使用するイオン種やイオン化された成膜材料に直進性がある。このため、気相コーティング処理の際に、曲げ応力集中部位を高温化させない手段として後述する、曲げ応力集中部位を前記気相コーティング時に遮蔽する手段が有効に働く。
【００２６】
(気相コーティング条件)
本発明における気相コーティングの条件自体は、前記各々のコーティング方法に適した公知のコーティング条件が適用できる。但し、部品の曲げ応力集中部位を高温化させない手段、言い換えると、曲げ応力集中部位の気相コーティング処理後の圧縮残留応力を、気相コーティング処理前の圧縮残留応力の90% 未満に低下させない手段が新たに必要であり、この手段を以下に説明する。
【００２７】
その手段の一つは、クリーニングプロセスを含めた気相コーティング処理中に曲げ応力集中部位を遮蔽することである。図1 に曲げ応力集中部位の遮蔽例を示す。図1 は、曲げ応力負荷部品を模擬した (気相コーティングされる) 平板状試験片1 を部分的に示す。試験片1 において、試験片1 を三角形状に切り欠いて作成した凹部3(円で囲んだ部分) が曲げ応力集中部位であり、その他の試験片部分2(一点鎖線で囲んだ部分) が耐摩耗性部位である。ここにおいて、4 は曲げ応力集中部位3 の気相コーティングからの遮蔽物である。
【００２８】
遮蔽物4 は、気相コーティング処理中、図1 の上方から飛来する、コーティング乃至前記クリーニングプロセスに使用するイオン種やイオン化された成膜材料5 に対し、曲げ応力集中部位3 のみを遮蔽する。この結果、図2 に、気相コーティング処理後の試験片1 の例を示す通り、遮蔽されていない耐摩耗性部位2 は通常通り高温化して、かつ、成膜6 層が比較的厚く形成される。一方、遮蔽された曲げ応力集中部位3 では、前記イオン種やイオン化された成膜材料5 が到達しないため、高温化されず、実質的に成膜6 層は形成されない。したがって、曲げ応力集中部位3 の気相コーティング処理後の圧縮残留応力の低下を防止乃至抑制出来る。
【００２９】
この遮蔽物4 は、図1 の態様では、鋼製のワイヤを編んだより線を複数本用いて網状あるいは籠状としたものを、曲げ応力集中部位3 に密着させて乃至近接させて配置している。遮蔽物4 の材質は、気相コーティング処理の際の投入されるエネルギーによる、遮蔽物表面の高温化に耐えうるか、または気相コーティング処理の際に蒸発乃至溶融しても気相コーティング処理に悪影響を与えないものであれば良い。したがって、金属、セラミックスなどの材質のものが気相コーティング条件に応じて適宜選択される。また、これら材質の遮蔽物形状 (大きさを含め) も、曲げ応力集中部位の形状に応じて、前記網状や籠状の他に、塊状、板状、棒状、線状、繊維状あるいはこれらの組み合わせた形状が適宜選択される。
【００３０】
更に、遮蔽物を配置する位置も、前記遮蔽物形状や遮蔽すべき曲げ応力集中部位の形状や面積、気相コーティング条件との関係で、曲げ応力集中部位に対し、密着させることから距離を置く配置とすることまで、適宜選択される。例えば、曲げ応力集中部位が、図1 のような直線的な (鋭角的な) 切り欠き乃至凹み形状である場合、その先端部を遮蔽する。また、曲げ応力集中部位が、湾曲状乃至円弧状などの曲線的な形状 (凹みや凸部) である場合、これらの曲線やR に沿って遮蔽する。
【００３１】
曲げ応力負荷部品の曲げ応力集中部位を高温化させない手段のもう一つは、クリーニングプロセスを含めた気相コーティング処理中の部品温度の制御である。前記曲げ応力集中部位3 の遮蔽により曲げ応力集中部位自体が高温化されない場合でも、他の耐摩耗性部位2 は高温化されるので、部品として一体化されている曲げ応力集中部位はこの影響を受けて、ある程度高温化されることが不可避である。この高温化によって、曲げ応力集中部位の圧縮残留応力が低下するのを抑制するため、気相コーティング処理中の部品全体の温度は、平均温度として250 ℃以下、より好ましくは200 ℃以下に制御されることが好ましい。
【００３２】
この部品温度の制御は、耐摩耗部位の側の気相コーティング皮膜密着性の低下が許容できる程度に、クリーニングプロセスを含めた気相コーティング処理時のエネルギーを小さくするか、部品の側や雰囲気を間欠的あるいは連続的に冷却するなど、気相コーティング条件を調整して行う。但し、この気相コーティング条件の調整には、前記した耐摩耗部位の側の気相コーティング皮膜密着性低下防止の大きな制約がある。したがって、前記遮蔽物の配置などの手段と組み合わせて行い、耐摩耗部位の側の気相コーティング皮膜密着性を確保することが好ましい。
【００３３】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を説明する。
前記図1 に示した切り欠きを設けた平板状のクロムモリブデン浸炭鋼製の試験片(10mmt) に、前記したショットピーニングにより予め圧縮残留応力を与えた。この試験片に、アークイオンプレーティング法とスパッタリング法により、クリーニングを含む気相コーティングを行った際の、残留応力が付与された曲げ応力集中部位3 のコーティング皮膜厚み、圧縮残留応力の変化、疲労強度、そして耐摩耗性部位2 のコーティング皮膜厚み、硬度 (耐摩耗性) を評価した。これらの結果を、気相コーティングの条件は表1 と2 に、試験片の特性は表3 に各々示す。
【００３４】
コーティング皮膜厚み (単位: μm)の測定は、試験片の各々の部位を切断研磨した断面の観察にて行った。また、疲労強度 (単位:MPa) の測定は、試験片の曲げ応力集中部位3 から切り出した丸棒の回転曲げ試験法により行った。試験丸棒は、7mm Φと10mmΦとの径の異なる部分を1.5Rの円弧部で結ぶ形状とし、丸棒を回転させつつ、この円弧部に曲げ応力を負荷し、円弧部が破断した限界曲げ応力を疲労強度とした。硬度 (単位:HV)の測定は、ビッカース硬度により測定し、荷重は25gf×10sec とした。
【００３５】
圧縮残留応力の測定は、X 線応力測定法 (応力定数-32.44))により、曲げ応力集中部位3 の、最表面、50μm 、100 μm の3 点の深さの圧縮残留応力を測定し、これらの平均値を算出して、圧縮残留応力値 (単位:MPa) とした。また、請求項で規定する圧縮残留応力の変化率(%) は、 (コーティング後の圧縮残留応力値/ コーティング前の圧縮残留応力値) ×100 で算出した。
【００３６】
この際、遮蔽物を使用するかしないかの条件を変えて、また、気相コーティング時の試験片の平均温度を種々変えた。これらの条件も表2 に各々示す。なお、遮蔽物としては、前記図1 に示した鋼製のワイヤを編んだより線を複数本用いて網状としたものを、曲げ応力集中部位3 に密着させて配置した。また、試験片の平均温度は、成膜時のカソード電流やバイアス電圧などの気相コーティング条件を変えて制御した。
【００３７】
表2 、3 から明らかな通り、遮蔽物を使用した発明例No.1〜12は、曲げ応力集中部位の気相コーティング皮膜厚みが0.1 μm 以下か、0.1 〜0.2 μm で、気相コーティングが実質的に施されていない。この結果、気相コーティングの種類や条件にかかわらず、曲げ応力集中部位の圧縮残留応力は、気相コーティング処理前の圧縮残留応力の90% 以上であり、疲労強度が高い。また、耐摩耗性部位の方のコーティング皮膜厚みも、高い硬度 (耐摩耗性) が得られる量だけ確保されている。
【００３８】
一方、遮蔽物を使用しない比較例No.13 〜15は、曲げ応力集中部位の気相コーティング皮膜厚みが0.5 〜1.6 μm で、発明例に比して、気相コーティング処理が実質的に施されている。この結果、耐摩耗性部位の方のコーティング皮膜厚みは、高い硬度 (耐摩耗性) が得られる量だけ確保されているにもかかわらず、曲げ応力集中部位の圧縮残留応力は、発明例に比して、気相コーティング処理前の圧縮残留応力の90% 未満と低く、疲労強度も低い。
【００３９】
以上の実施例から、本発明対象の曲げ応力負荷部品に、曲げ応力集中部位の疲労強度と耐摩耗性部位の耐摩耗性を、両方兼備させるための、本発明各要件の臨界的な意義が裏付けられる。
【００４０】
【表１】
0004058250.tif 000002
【００４１】
【表２】
0004058250.tif 000003
【００４２】
【表３】
0004058250.tif 000004
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、残留応力が付与された曲げ応力集中部位と耐摩耗性部位とを各々有し、かつ気相コーティング処理された曲げ応力負荷部品であって、耐摩耗性部位の耐摩耗性や耐損傷性などの耐久性とともに、特に曲げ応力集中部位の疲労強度耐久性が優れた曲げ応力負荷部品の気相コーティング方法を提供することができる。
このため、曲げ応力負荷部品の用途を大きく拡大するものであり、工業的な価値が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の曲げ応力負荷部品の一実施態様を示す説明図である。
【図２】  本発明の曲げ応力負荷部品の気相コーティング処理後の態様を示す説明図である。
【符号の説明】
1:試験片、2:耐摩耗性部位 (その他の試験片部分) 、3:曲げ応力集中部位 (切り欠き部) 、4:遮蔽物、5:成膜材料、6:気相コーティング皮膜、
【図１】
0004058250.tif 000005
【図２】
0004058250.tif 000006