JP2006063428A - 硬質窒化物層の形成方法、並びにこの形成方法により得られたローラーチェーン及びサイレントチェーン - Google Patents

Abstract

【課題】使用環境条件が過酷なディーゼルエンジンを搭載した自動車等に適用した場合であっても、各種チェーンの構成部材が十分な耐摩耗性を発揮することができる硬質窒化物層の形成方法を提供する。
【解決手段】鍛造成形した素材の表面に硬質窒化物を形成するにあたり、上記素材に窒化処理を行い、次いで拡散浸透処理、焼き入れ、及び焼き戻しを順次行う。
【選択図】 図２

Description

本発明は、硬質窒化物層の形成方法、並びにこの形成方法により得られたローラーチェーン及びサイレントチェーンに係り、特に、各種チェーンの構成部材同士による摩耗に起因するチェーン伸びを防止し、これにより耐久性を向上させた各種チェーンの製造技術に関する。

自動車及び産業機械等には、各種のチェーンが使用されている。これらのチェーンとしては、カムシャフト駆動チェーン、オイルポンプ駆動チェーン、バランサーシャフト駆動チェーン等が挙げられ、種々の特性向上に関する技術開発がなされている。

チェーンに関する種々の特性向上のうち、特に、構成部材同士の摩耗抑制による耐久性の向上についての技術が数多く報告されている。例えば、高面圧下においても優れた耐摩耗性を実現すべく、サイレントチェーンに関し、リンクプレートのピン穴にシェービング加工を施す技術が開示されている（特許文献１参照）。また、同様の目的の下、チェーン用連結ピンの母材となる鋼の最表部に、バナジウム炭化物を主成分とし且つ少量のクロム炭化物を含む炭化物層を形成する技術が開示されている（特許文献２参照）。さらに、打ち抜き加工されたピン孔内面にシェービング加工を施してピン孔内面の表面粗さ、表面精度、プレート表面に対する直角度が向上するように、関節列のプレートのピン孔を形成するとともに、連結ピンの表面に、ピン孔内面との親和力が小さな、Ｃｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｎｂの金属炭化物の少なくとも１種からなる硬化層を形成したサイレントチェーンが開示されている（特許文献３参照）。加えて、噛み合い面と背面にシェービング加工を板厚の７０％以上の範囲に亘って施し、噛み合い面と背面との間の距離精度を向上させたサイレントチェーンが開示されている（特許文献４参照）。

特開２００２−１９５３５５号公報（要約書） 特開２００２−１９５３５６号公報（要約書） 特許第３１９９２２５号公報（特許請求の範囲） 特許第３１９９２４１号公報（特許請求の範囲）

近年、各種チェーンの製造工程においては、このような従来技術の中でも、特に、特許文献２に代表されるような、チェーン用連結ピンに浸炭焼き入れを施したまま、ＶＣやＣｒＣ等の金属炭化物をコーティングする、いわゆる粉末パック法が頻繁に採用されている。しかしながら、上記粉末パック法のみにより得られたチェーンを使用環境条件が過酷なディーゼルエンジンを搭載した自動車等に適用した場合には、煤等によってチェーンの十分な耐摩耗性が得られない。このため、さらに耐摩耗特性に富むチェーンの開発が要請されていた。ちなみに、上記粉末パック法で得られた連結ピンの表面硬度は、コーティング材料をＣｒＣ，ＶＣ，ＮｂＣ，ＴｉＣとした場合に、それぞれ１５００，２２００，２５００，２７００（ＨＶ）程度であり、これらの硬度では、上記のような過酷な環境下において、チェーンの十分な耐久性を実現できないのが現状である。

また、チェーン用連結ピンは、上述したように、粉末パック法で製造されることが一般的である。この方法によりコーティングがなされた連結ピンは、既に量産が可能であるコーティング材（ＣｒＣ，ＶＣ）を使用した場合であっても、また未だ量産態勢に入っていないコーティング材（ＮｂＣ，ＴｉＣ）を使用した場合であっても、上記したように、硬度には大差はない。このため、いずれのコーティング材料を使用した場合にも、耐久試験の結果に大差はなく、これらのコーティング材を従来方法により使用するのは好ましくない。

従って、従来から使用されている連結ピン素材に、Ｃｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉの炭化物以外の炭化物をコーティングする手法の開発も試みられて来た。しかしながら、例えば、連結ピン素材の表面にＷやＴａの炭化物をコーティングした場合には、表面硬度の大幅な改善は見込めない。よって、近年においては、このような事情から、連結ピン素材に炭化物層よりも硬質な層をコーティングする手段の開発が特に要請されていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、使用環境条件が過酷なディーゼルエンジンを搭載した自動車等に適用した場合であっても、各種チェーンの構成部材が十分な耐摩耗性を発揮することができる硬質窒化物層の形成方法、並びにこの形成方法により得られたローラーチェーン及びサイレントチェーンを提供することを目的としている。

本発明者等は、上記事情を考慮し、耐久性の高い各種チェーンを製造すべく、連結ピンを中心とするチェーンの構成部材への硬質層の好適なコーティング方法について鋭意研究を重ねた。その結果、所定形状に鍛造した素材に対して、窒化処理と粉末パック法による拡散浸透処理とを順次施すことで、素材表面に、従来の炭化物層に比して硬質な窒化物層を形成することができるとの知見を得た。本発明はこのような知見に鑑みてなされたものである。

即ち、本発明の硬質窒化物層の形成方法は、鍛造成形した素材の表面に硬質窒化物を形成するにあたり、上記素材に窒化処理を行い、次いで拡散浸透処理、焼き入れ、及び焼き戻しを順次行うことを特徴としている。

次に、本発明者等は、上記形成方法を使用して、上記窒化物層を備える連結ピンを用いた各種チェーンについて検討した。従来硬度を同程度としていたチェーンの構成部材同士、例えば、ローラーチェーン（サイレントチェーン）については、ブッシュ（リンクプレート）と連結ピンとの各表面層に硬度差を設け、これにより、チェーンの耐久性を著しく向上させることができるとの知見を得た。即ち、２つの部材が接触、摩耗する際には、比較的凹凸の多い部材の表面層を比較的軟質とする一方、比較的凹凸の少ない部材の表面層を比較的硬質とすることで、凹凸の比較的多い部材が研磨され、両者の形状が徐々になじみ合って、一定使用時間後の摩耗を抑制することができる。ローラーチェーン（サイレントチェーン）の場合には、ブッシュ（リンクプレート）の内表面に対して連結ピンの外表面には凹凸が少ないことから、ブッシュ（リンクプレート）の内表面を比較的軟質な層とする一方、連結ピンの表面を比較的硬質な窒化物層とすることで、使用環境条件が過酷なディーゼルエンジンを搭載した自動車等に適用した場合においても、十分な耐摩耗性を実現し、これにより耐久性を向上することのできる。以下に示す各種チェーンに関する発明は、このような知見に鑑みてなされたものである。

即ち、本発明のローラーチェーンは、一対のインナープレートと、上記一対のインナープレートの一方に固定され、ピン孔を備えるブッシュと、上記一対のインナープレートの両外側に配置された一対のアウタープレートと、上記一対のアウタープレートの一方に固定され、上記ブッシュのピン孔に回転自在に挿入された連結ピンとにより形成したユニットを、複数個連結してなり、少なくとも上記連結ピンの表面に、上記した形成方法により形成された硬質窒化物層を備えることを特徴としている。

また、本発明のサイレントチェーンは、ピン孔を備える複数のリンクプレートと、上記複数のリンクプレートの両外側に配置された一対のガイドプレートと、上記一対のガイドプレートの一方に固定され、上記複数のリンクプレートのピン孔に回転自在に挿入された連結ピンとにより形成されたユニットを、複数個連結してなり、少なくとも上記連結ピンの表面に、上記した形成方法により形成された硬質窒化物層を備えることを特徴としている。

このようなローラーチェーン又はサイレントチェーンにおいては、上記硬質窒化物層がＴｉを含む窒化物層であることが望ましい。なお、本発明のローラーチェーン及びサイレントチェーンについては、連結ピンの表面以外にも、ブッシュやリンクプレートの内表面に窒化物や炭化物の硬質層を適宜形成することができる。その際、ブッシュ（リンクプレート）の内表面へコーティングする部材よりも連結ピンの表面へコーティングする部材をより硬質にすべく、連結ピンとブッシュ（リンクプレート）との各表面層に硬度差を設けることが必要である。

以上に示したように、本発明によれば、各種チェーンの構成部材のうち、少なくとも連結ピンの表面に窒化処理を行い、次いで拡散浸透処理、焼き入れ、及び焼き戻しを順次行うことで、ローラーチェーン（サイレントチェーン）については、ブッシュ（リンクプレート）と連結ピンとの各表面層に硬度差を設け、これにより、チェーンの耐久性を著しく向上させることができる。なお、本発明のように、連結ピンの表面に硬質な窒化物を形成した場合には、使用環境条件が過酷なディーゼルエンジンを搭載した自動車等に適用した場合においても、十分な耐摩耗性を実現することができる。ちなみに、本発明に従い、例えば、連結ピンの表面に形成したＴｉＮ層の硬度は、３８００（ＨＶ）であり、これは上述した従来の各種炭化物層の硬度に比して極めて優れたものである。

以下、本発明の好適な実施例を図面を参照して詳細に説明する。
先ず、本発明の硬質窒化物層の形成方法により得られた連結ピンの表層付近の硬度について調査した結果を以下に示す。
素材として高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２を用意し、これを鍛造してローラーチェーンの連結ピン形状の鍛造品を得た。次いで、この鍛造品に６００℃×９０分のガス軟窒化処理を施し、鍛造品表面にＦｅ_２〜３Ｎ（白層）を形成した。この白層の深さを顕微鏡断面写真により測定したところ、図１に示すように、約２４μｍであった。

次いで、上記のように表面に白層を有する鍛造品に、粉末パック法による拡散浸透処理、焼き入れ、及び焼き戻しを順次施し、表面にＴｉＮを有する連結ピンを得た。ここで、上記拡散浸透処理は、処理剤として５０質量％のＦｅ−Ｔｉ、０．５質量％のＣｒ、４９．５質量％のＡｌ_２Ｏ_３、及び上記３成分（Ｆｅ−Ｔｉ、Ｃｒ及びＡｌ_２Ｏ_３）の総質量に対して、０．５質量％のＮＨ_４Ｃｌを用いて９８０℃×１０時間の条件で行った。焼き入れ温度は８６０℃、焼き戻し温度は２８０℃とした。

図２は、鍛造品に窒化処理、拡散浸透処理、焼き入れ、及び焼き戻しを順次行って得られた連結ピンを示す顕微鏡断面組織写真である。同図に示すように、連結ピンの表層には、約２０μｍの硬質層が形成されている。また、図３は、図２に示す連結ピンについての、硬さと表面から深さ方向への距離との関係を示すグラフであり、図４は、連結ピンについての、ＥＰＭＡ分析による、各元素の含有量と表面から深さ方向への距離との関係を示すグラフである。なお、図５は、図２と同じ連結ピンの表層部を局部的に示す顕微鏡断面組織写真であり、図４は、図５の点線部分（分析位置）に沿って調査した結果である。

図３の硬さ分布の結果及び図４のＥＰＭＡ分析の結果から、連結ピンの最表層部には極めて硬質のＴｉＮ層がコーティングされており、図２及び図５から明らかなように、このＴｉＮ層は、表面から深さ方向に約１７〜２０μｍ程度に亘り存在することが確認された。

次に、本発明の硬質窒化物層の形成方法により得られた各種連結ピンを使用した場合の、チェーン伸びの抑制に基づく耐久性向上を実証する。即ち、近年においては、エンジンの車体搭載性、エンジン自体の軽量化及びコンパクト化する傾向がある。このような事情により、連結ピンとブッシュ（又はリンクプレート）との面圧が増大し、各構成部材のうち、硬度及び融点の低い鉄系部材からなるブッシュ（又はリンクプレート）側の摩耗が増大した。以下に、ローラーチェーンについて、連結ピンとブッシュとの摩耗を抑制させる、これらの最適な組み合わせパターンを提案する。なお、本実施例においては、ブッシュの表層にはなんら硬質層のコーティングを施さないものとする。

素材として高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２を用意し、これを鍛造してローラーチェーンの連結ピン形状の鍛造品とブッシュ形状の鍛造品とをそれぞれ得た。次いで、これらの鍛造品のうち、連結ピン形状の鍛造品のみに実施例１と同様の条件で、鍛造品最表層部にＴｉＮを形成する一方、実施例１の窒化処理を除く全ての行程、即ち、拡散浸透処理、焼き入れ、及び焼き戻しを施して、鍛造品最表層部にＣｒＣ，ＶＣ，ＮｂＣ，ＴｉＣをそれぞれ形成した。さらに、これらの連結ピンと上記ブッシュとを組み合わせてローラーチェーンを製造した。

このようにして得られた各ローラーチェーンについて、その駆動時間に伴う伸びを測定した。当該測定は、歯数１８（８０００ｒｐｍ）のスプロケットと、歯数３６（４０００ｒｐｍ）のスプロケットとの回りにチェーンを噛み合わせ、チェーン張力を１８６０Ｎとするとともに、給油剤として、コンタミ油を用いた。コンタミ油は、通常使用されるエンジンオイルに、１６質量％のカーボンブラック、２質量％のフェライト系酸化物、４質量％のＰＶ樹脂、及び７８質量％のストレートミネラルオイルからなるコンタミナントを所定量混合したものとした。このようにコンタミ油を用いたのは、極端に劣化した酸化度の高い潤滑油を用いた場合であっても、本発明のチェーンが優れた耐久性を示すことを実証するためである。また、実際のチェーン駆動時に必要な給油量は、１．０Ｌ／ｍｉｎとした。その結果を図６に示す。

図６から明らかなように、鍛造品にいかなる炭化物層をコーティングした連結ピンを使用した場合よりも、ＴｉＮ層をコーティングした連結ピンを使用した場合の方が、耐久性について優れた結果を示すことが判る。従って、本発明のローラーチェンについて、耐久性に関する効果が実証された。

以上説明したように、本発明によれば、各種チェーンの構成部材のうち、少なくとも連結ピンの表面に窒化処理を行うとともに、拡散浸透処理、焼き入れ、及び焼き戻しを順次行い、ローラーチェーン（サイレントチェーン）において、ブッシュ（リンクプレート）と連結ピンとの各表面層に硬度差を設け、これにより、チェーンの耐久性を著しく向上させることができる。よって、本発明は、周辺部材の今後益々の複雑高度化等に伴い耐久性の向上が要請される各種チェーンの製造に有用である。

窒化処理を施した連結ピン形状の鍛造品の断面組織写真である。 本発明のローラーチェン用連結ピンについての断面組織写真である。 本発明のローラーチェン用連結ピンについての、硬さと表面から深さ方向への距離との関係を示すグラフである。 本発明のローラーチェン用連結ピンについて、各元素の含有量と表面から深さ方向への距離との関係を示すグラフである。 本発明のローラーチェン用連結ピンについて各元素の含有量を測定する際の、測定箇所を示す断面組織写真である。 各種コーティングを施した連結ピンを用いて得られた各ローラーチェンについての、チェーン伸びと耐久時間との関係を示すグラフである。

Claims (5)

1. 鍛造成形した素材の表面に硬質窒化物を形成するにあたり、前記素材に窒化処理を行い、次いで拡散浸透処理、焼き入れ、及び焼き戻しを順次行うことを特徴とする硬質窒化物層の形成方法。
2. 一対のインナープレートと、前記一対のインナープレートの一方に固定され、ピン孔を備えるブッシュと、前記一対のインナープレートの両外側に配置された一対のアウタープレートと、前記一対のアウタープレートの一方に固定され、前記ブッシュのピン孔に回転自在に挿入された連結ピンとにより形成したユニットを、複数個連結してなるローラーチェーンにおいて、
   少なくとも前記連結ピンの表面に、請求項１に記載の形成方法により形成された硬質窒化物層を備えることを特徴とするローラーチェーン。
3. 前記硬質窒化物層がＴｉを含む窒化物層であることを特徴とする請求項２に記載のローラーチェーン。
4. ピン孔を備える複数のリンクプレートと、前記複数のリンクプレートの両外側に配置された一対のガイドプレートと、前記一対のガイドプレートの一方に固定され、前記複数のリンクプレートのピン孔に回転自在に挿入された連結ピンとにより形成されたユニットを、複数個連結してなるサイレントチェーンにおいて、
   少なくとも前記連結ピンの表面に、請求項１に記載の形成方法により形成された硬質窒化物層を備えることを特徴とするサイレントチェーン。
5. 前記硬質窒化物層がＴｉを含む窒化物層であることを特徴とする請求項４に記載のサイレントチェーン。

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