JPH1122732A

JPH1122732A - 転・摺動部材

Info

Publication number: JPH1122732A
Application number: JP19338797A
Authority: JP
Inventors: Masaru Konno; 大金野; Koichi Yatani; 耕一八谷
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1997-07-04
Filing date: 1997-07-04
Publication date: 1999-01-26

Abstract

(57)【要約】【課題】耐焼付き性、耐かじり性、耐剥離性に優れた
高精度の転・摺動部材を提供する。【解決手段】リン（Ｐ）と鉄を主成分とする所定金属
成分とを化学反応させてＰを金属に吸着させてなる非晶
質の化合物反応層２を表面に形成し、化合物反応層２の
膜厚ｔを０．２〜２．５μｍに設定した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は転・摺動部材に関
し、より詳しくは金属素地（下地）に表面処理を施して
耐焼付け性や耐摩耗性を向上させた転・摺動部材に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、転がり軸受等、転・摺動部材
が搭載された機械部品においては、極圧剤を潤滑剤中に
含有させ、該極圧剤と金属素地とを反応させて油膜を形
成することにより金属表面同士が接触する境界潤滑条件
下での耐摩耗性や耐焼付き性を向上させることが一般に
行なわれている。

【０００３】上記極圧剤を含有した潤滑剤は、金属表面
における接触面に油膜を形成する作用を有し、これによ
り前記接触面での摩擦力の低減や耐摩耗性の向上を図っ
ているが、この油膜形成方法は、雰囲気温度等の外的要
因を介して極圧剤と金属表面との間で化学反応を起こ
し、該化学反応により金属表面上に被膜を形成をしたも
のであり、このため前記外的要因を伴わない場合は油膜
が形成されない。したがって、該油膜形成方法では、外
的要因により化学反応が生じて金属表面に油膜が形成さ
れるまでの間に金属表面同士が接触摩擦を起こし、その
結果焼付きやかじりの生じる虞があるという欠点があ
る。

【０００４】そこで、かかる欠点を解消する手段とし
て、予め、有機の金属リン化合物、金属イオウ化合物、
金属塩素化合物の少なくとも一種からなる化合物反応層
を金属表面に形成し、且つ該化合物反応層の膜厚を０．
０５〜０．３μｍとすることにより、潤滑特性の向上を
図るようにした転・摺動部材が提案されている（例え
ば、特開平２−２５６９２０号公報；以下「第１の従来
技術」という）。

【０００５】また、他の従来技術としては、有機モリブ
デン化合物、有機亜鉛化合物及び鉱油（又は合成炭化水
素油）からなる混合溶液を所定温度に加熱して加熱混合
溶液とし、該加熱混合溶液に浸漬させて表面処理を施す
ことにより、軸受の潤滑特性を確保しようとしたものが
提案されている（例えば、特公平８−２３３７１号公
報；以下「第２の従来技術」という）。

【０００６】さらに、その他の従来技術としては、リン
酸マンガン塩化合物からなる化成処理液の成分を調整す
ることにより、油膜形成能力を向上させ、これにより早
期焼付きやかじりが生じるのを防止する技術（例えば、
特開平６−１５９３７１号公報；以下「第３の従来技
術」という）や、特定の固体潤滑剤によって接触低減表
面処理を施す際に、軸受部位の表面に予めリン酸塩被膜
を形成することにより、かじりの発生を防止した技術が
提案されている（例えば、特開平８−１６６０２１号公
報；以下「第４の従来技術」という）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記第
１の従来技術においては、軸受の転動体のように表面粗
さＲａが０．０１μｍ以下の金属表面では良好な耐焼付
き性を得ることができるものの、前記表面粗さＲａが大
きくなると化合物反応層による油膜形成の効果が低減
し、所望の耐焼付き性を確保することができなくなると
いう問題点があった。

【０００８】すなわち、潤滑油やグリース等の潤滑剤
は、粘性指数に表されるように、高温度になると粘度や
稠度が低下して化合物反応層による油膜の形成がなされ
にくくなり、転動体と軌道輪の接触面は境界潤滑状態と
なる。そして、金属表面の表面粗さＲａが大きくなって
前記化合物反応層の膜厚が該金属表面の表面粗さＲａよ
り小さくなると金属表面同士が直接接触する虞が生じ、
耐焼付き性を確保することができなくなるという問題点
があった。

【０００９】また、上記第２の従来技術は、二硫化モリ
ブデンによりスパッタリングして蒸着するのに代えて金
属表面上にモリブデン化合物を析出させ、これによりコ
ストの節減化や生産性の向上を図ることを主目的として
いるため、金属表面上での付着力が弱く、したがってモ
リブデン化合物の金属表面からの剥離が生じやすく十分
な耐焼付き性を確保することが困難であるという問題点
があった。

【００１０】さらに、上記第３及び第４の従来技術は、
生成される被膜が結晶質であるため、処理前の金属素地
の表面に対し処理後の表面が粗くなって寸法精度が悪化
し、また、これら第３及び第４の従来技術はいずれも化
成処理により被膜を形成しているため、被膜の膜厚が４
〜１０μｍと厚くなって加工精度も悪化する等の問題点
があった。

【００１１】本発明はこのような問題点に鑑みなされた
ものであって、耐焼付き性、耐かじり性、耐剥離性に優
れた高精度の転・摺動部材を提供することを目的とす
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】表面粗さＲａの粗い金属
表面に対し加工精度の悪化を招かない程度に化合物反応
層の膜厚を厚くすることは、該化合物反応層により被覆
されている金属素地同士が接触するのを回避することが
できると共に表面に形成される油膜の保持力を向上させ
るのに有効である。例えば、直径１２．７mm（１／２イ
ンチ）の球体同士を接触させた状態で２００kgf/mm
²（≒１．９６ＧＰａ）の面圧を負荷した場合、弾性変
形量は１．１μｍであり、ヘルツの接触力から考えても
化合物反応層の膜厚を厚くすることは金属素地同士の接
触を回避することや油膜の保持力向上に寄与すると考え
られる。

【００１３】そこで、本願出願人は、金属表面の表面粗
さＲａが０．００７μｍ以上の粗さを有する場合を対象
として耐焼付き性に優れた転・摺動部材を得るべく鋭意
研究した結果、リンやイオウ等の周期表５族及び周期表
６族に属する化学物質を含有した非晶質の化合物反応層
を金属素地の表面に形成し、且つ該化合物反応層の膜厚
を０．２〜２．５μｍとすることにより、転・摺動部材
の表面と潤滑剤との吸着性が増して耐焼付き性が向上す
るという知見を得た。

【００１４】本発明は斯かる知見に基づきなされたもの
であって、本発明に斯かる転・摺動部材は、Ｖ、Ｎｂ、
Ｔａ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、
Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、及びＰｏから選択された少なくとも一
種の元素と所定金属成分とが化学反応してなる化合物反
応層を金属表面に形成し、前記化合物反応層が非晶質で
あって、かつ該化合物反応層の膜厚が０．２〜２．５μ
ｍに設定されていることを特徴としている。

【００１５】上記構成によれば、転・摺動部材の表面と
潤滑剤との吸着性が向上するので、金属素地の表面粗さ
Ｒａが０．００７μｍ以上と粗い場合であっても金属表
面に対する油膜形成に悪影響を与えるのを防止すること
ができる。また、ＰやＳ等と、Ｆｅなどの所定金属成分
とを直接反応させて非晶質の化合物反応層を形成してい
るので、該化合物反応層が金属素地（下地）から剥離す
ることがなく、また、処理後における被処理表面の表面
粗さＲａが悪化するのを回避することができる。さら
に、化合物反応層の膜厚が０．２〜２．５μｍに設定さ
れているので、表面粗さＲａが比較的大きい場合であっ
ても金属同士が接触するのを回避する一方で、加工精度
に悪影響を及ぼすのも回避することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。

【００１７】本発明の転・摺動部材は、例えばリンと、
鉄を主成分とする所定金属元素とを化学反応させ、膜厚
が０．２〜２．５μｍの非晶質からなる化合物反応層を
金属素地（下地）の表面に形成している。

【００１８】上記化合物反応層は以下のようにして形成
される。

【００１９】１〜２０ｗｔ％の無機リン酸水溶液を酸及
びアルカリを使用して水素イオン指数ｐＨが３．５〜
５．０となるように調整した反応液を作成し、温度４０
〜９０℃下、所定金属元素からなる金属下地を３〜３０
分程度浸漬し、前記所定金属元素とリンとを化学反応さ
せる。そして、これによりリンが金属表面に吸着し、転
・摺動部材の表面には非晶質の化合物反応層が形成され
る。

【００２０】無機リン酸水溶液としては、リン酸アンモ
ニウム溶液や、リン酸ナトリウム溶液やリン酸カリウム
溶液等のアルカリ金属溶液、またはリン酸カルシウム溶
液やリン酸バリウム溶液等のアルカリ土類金属溶液を使
用することができる。

【００２１】また、化合物反応層を形成する元素として
はリン（Ｐ）に限定されるものではなく、Ｖ、Ｎｂ、Ｔ
ａ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓ、
Ｓｅ、Ｔｅ、及びＰｏ等周期表の５族又は６族に属する
他の元素を使用することができる。

【００２２】また、水素イオン指数ｐＨを調整する酸と
しては、硝酸、フッ化水素酸、塩酸等を希釈した希釈溶
液を使用することができ、またこれら希釈溶液と炭酸ナ
トリウム、炭酸水素ナトリウム等の弱アルカリ塩とを併
用することができる。

【００２３】このように上述した酸、アルカリを使用し
て水素イオン濃度指数ｐＨが３．５〜５．０の緩衝域の
反応液を作成することができる。

【００２４】しかして、本実施の形態においては、前記
化合物反応層の膜厚は、以下に述べる理由により０．２
〜２．５μｍとなるように形成されている。

【００２５】化合物反応層の膜厚を厚くすることは上述
したように耐焼付き性に寄与するものであり、表面粗さ
Ｒａが０．００７μｍ以上の場合に対処するためには少
なくとも０．２μｍ以上の膜厚が必要である。一方、化
合物反応層の膜厚が２．５μｍを超えるとｐＨ調整液に
より表面の腐食が進行し、化合物反応層形成後の表面粗
さＲａが粗くなったり或いは寸法変化が顕著になる。こ
のため、化合物反応層の膜厚を０．２〜２．５μｍ、好
ましくは、０．３〜２．５μｍに限定した。

【００２６】また、酸に溶解するＣｒ、Ｃｕ、Ｎｉ等の
金属イオンを反応液中に添加することにより、これら金
属イオンとリンや酸素、或いは金属イオンとイオウや酸
素との非晶質化合物反応層を形成することも可能であ
り、このように非晶質化合物反応層に金属イオンや酸素
等を含有させることにより、優れた防錆力や更なる低摺
動性を得ることができる。

【００２７】尚、金属イオンの溶解濃度としては１〜１
００００ｐｐｍが望ましく、好ましくは１０〜１０００
ｐｐｍ、更に好ましくは１００〜５００ｐｐｍが望まし
い。

【００２８】

【実施例】次に、本発明の実施例について具体的に説明
する。

【００２９】本願出願人は、まず、直径１２．７ｍｍの
金属製球体を表面粗さＲａが０．０００１〜１．０μｍ
の範囲内となるように研磨加工し、表面粗さＲａの異な
る多数の研磨加工品（金属下地）を作成した。

【００３０】一方、３％リン酸アンモニウム水溶液を硝
酸と無水炭酸カルシウムを使用して水素イオン濃度指数
ｐＨを４〜４．５に調整して反応液を作成した。

【００３１】次いで、予めアルカリ洗浄した前記研磨加
工品を前記反応液に浸漬し、４０〜６０℃の温度範囲で
変化させながら研磨加工品と前記反応液とを化学反応さ
せ、図１に示すように、研磨加工品１の金属表面にリン
成分を吸着させてなる非晶質の化合物反応層２を形成
し、該化合物反応層２の膜厚ｔが異なる多数の試験供試
品を作成した。

【００３２】次に、本願出願人は試験供試品における化
合物反応層の膜厚をＸ線光電子分光分析機（ＸＰＳ）及
び電磁式膜厚計を使用して測定した。

【００３３】Ｘ線光電子分光分析機は、試験供試品にＸ
線を照射し、該試験供試品における膜厚が数オングスト
ロームの最外表面から放出される光電子エネルギを解析
して試験供試品の定性的及び定量的な元素情報及び結合
状態を得、更にアルゴンイオン銃を使用して試験供試品
の表面をスパッタリングしながら膜厚を測定するもので
あり、該Ｘ線光電子分光分析機を使用することにより膜
厚が０．２μｍ以下の化合物反応層の深さ方向における
分布状態を得た。

【００３４】また、０．２μｍ以上の膜厚については電
磁式膜厚計を使用して測定した。本実施例では、測定結
果の精度を上げるために１個の試験供試品に対して１０
回測定し、その平均値を化合物反応層の膜厚とした。

【００３５】次いで、本願出願人は、これら化学反応層
の膜厚及び表面粗さＲａの異なる種々の試験供試品につ
いて高速４球試験機を使用し、日本工業規格（ＪＩＳ）
に基づく４球ボール試験を行って焼き付きが生じるまで
の時間Ｔ（以下「耐久時間」という）を測定した。

【００３６】試験条件は以下の通りである。

【００３７】〔４球ボール試験〕試験供試品の直径（mm）：１２．７面圧（ＧＰａ）：２滑り速度（ｍ／sec) ：３潤滑油：タービンオイル（ＭＩＬＬ２３６９９（モービル（株）製））運転条件：油中、６０秒回転した後、油を抜き取る。

【００３８】判定基準は、耐久時間Ｔが５００secを超
えるか否かで評価した。

【００３９】図２は、耐久時間Ｔが５００secを維持で
きる場合の表面粗さＲａと化合物反応層の膜厚ｔとの関
係を示した特性図である。

【００４０】この図２から明らかなように、化合物反応
層の膜厚ｔを０．２〜２．５μｍの範囲に設定した場合
は転・摺動部材の表面粗さＲａが０．００７〜１μｍの
範囲で良好な耐焼付き性を得ることができるのが判る。

【００４１】すなわち、金属表面の表面粗さＲａが０．
００７μｍの場合を対象にしたときは、化合物反応層の
膜厚ｔを０．２μｍ以下とすると耐久時間Ｔが５００se
c以下となり、所望の耐焼付き性を得ることができな
い。

【００４２】一方、［発明の実施の形態］で述べたよう
に、膜厚が２．５μｍを超えると金属腐食が生じるおそ
れがあるが、膜厚が２．５μｍにおける表面粗さＲａは
１μｍである。したがって、金属表面の表面粗さＲａが
０．００７〜１μｍの場合を対象にしたときは、化合物
反応層の膜厚ｔが０．２〜２．５μｍの範囲で吸着力の
優れた非晶質の化合物反応層を得ることができ、優れた
耐焼付き性、耐かじり性を得ることができる。

【００４３】次に、本願出願人は、本発明の実施例とし
て種々の表面粗さを有する研磨加工品１に対して膜厚ｔ
が１μｍの非晶質化合物反応層２を有する転・摺動部材
を作成し、また、比較例として、図３に示すように、種
々の表面粗さを有する研磨加工品３の表面上に膜厚ｔ′
が０．５μｍのリン酸亜鉛からなる結晶質層４を作成
し、これら両者の処理前後の表面粗さ比ａ（＝処理後の
表面粗さ／処理前の表面粗さ）と耐久時間Ｔとの関係を
調べた。

【００４４】図４は処理前後の表面粗さ比ａと耐久時間
Ｔとの関係を示す特性図である。

【００４５】この図４から明らかなように、非晶質の化
合物反応層２が形成された本実施例の転・摺動部材は、
実線に示すように、焼付きに対する耐久時間Ｔが５００
sec以上となって優れた耐焼付き性、耐かじり性を有す
るのに対し、結晶質層４が形成された比較例の転・摺動
部材は、破線に示すように、前記耐久時間が５００sec
以下となって耐久性に劣ることが判る。すなわち、本実
施例は、研磨加工品１の表層部分において金属成分とＰ
等が反応し、これにより非晶質の化合物反応層２を形成
しているので、表面粗さＲａは下地である研磨加工品に
ほぼ準じた粗さとなり、処理前後の表面粗さ比ａが１〜
１０とその変化が比較的少なく、良好な耐久特性を得る
ことができる。一方、比較例は、研磨加工品２の表面上
に結晶質層４が形成されているため、処理前後で表面粗
さＲａの変化が大きく、処理前後の表面粗さ比ａで１０
以上となり、表面粗さＲａが粗くなるのに伴い、耐久時
間も低下することが判る。

【００４６】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明に係る転・
摺動部材は、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂ
ｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、及びＰｏから選
択された少なくとも一種の元素と所定金属成分とが化学
反応してなる化合物反応層を表面に形成し、前記化合物
反応層が非晶質であって、かつ該化合物反応層の膜厚が
０．２〜２．５μｍに設定されているので、金属素地の
表面粗さを悪化させることもなく、良好な耐焼付き性、
耐かじり性、耐剥離性を有する転・摺動部材を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る転・摺動部材の一実施例を示す要
部断面図である。

【図２】表面粗さＲａと化合物反応層の膜厚ｔとの関係
を示す特性図である。

【図３】比較例としての転・摺動部材の要部断面図であ
る。

【図４】処理前後の表面粗さ比ａと耐久時間Ｔとの関係
を示す特性図である。

【符号の説明】

２非晶質の化合物反応層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、
Ｂｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、及びＰｏから
選択された少なくとも一種の元素と所定金属成分とが化
学反応してなる化合物反応層を金属表面に形成し、前記化合物反応層が非晶質であって、かつ該化合物反応
層の膜厚が０．２〜２．５μｍに設定されていることを
特徴とする転・摺動部材。