JP2007023317A - 耐摩耗性チタン材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 Ni−Pめっき皮膜を設けたチタン材であって、Ni−Pめっき皮膜が、質量%で、Ni:85%以上、P:1〜5%、NH4 基:0.1〜1%を含むNi合金からなるとともに、X線回折法によるNi−Pめっき皮膜組織解析における皮膜の結晶子平均サイズが1〜5nmである結晶性めっき皮膜からなり、かつ前記チタン材とNi−Pめっき皮膜との界面に、Niが99%以上からなるNiまたはNi合金層か、Pdが90%以上からなるPdまたはPd合金層かの、少なくともいずれか一方が形成されており、Ni−Pめっき皮膜のめっきままでの硬度が500Hv以上であることとする。
【選択図】 なし
Description
先ず、本発明におけるNi−Pめっき皮膜組成について説明する。本発明では、Ni−Pめっき皮膜は、基本的に、質量%で、Ni:85%以上、P:1〜5%、NH4 基:0.1〜1%を含むNi合金からなるめっき皮膜組成とする。
本発明では、特徴的には、Ni−Pめっき皮膜の、X線回折法による皮膜組織解析において、皮膜の結晶子平均サイズを1〜5nmに微細化させる。また、好ましくは、X線回折法による皮膜組織解析において、Ni(111)とNi(200)との測定ピーク強度比Ni(111)/Ni(200)が0.3〜0.5である配向の弱い乃至無いめっき皮膜とする。
以上の組成からなるNi−Pめっき皮膜の平均膜厚は、好ましくは1〜100μmの範囲から選択される。Ni−Pめっき皮膜の平均膜厚が1μm未満では、耐摩耗性を保障できない可能性がある。一方、Ni−Pめっき皮膜の平均膜厚が100μmを超えると、逆に、密着性を含めためっき皮膜の基本特性が低下する可能性がある。
Ni−Pめっき皮膜のこれらの効果を更に向上させるためには、前記チタン材とNi−Pめっき皮膜との界面に、界面層(中間層、Ni−Pめっき皮膜の下地層)として、下記する各中間層を形成させる。
(1)Niが99%以上からなるNiまたはNi合金層。
(2)Pdが90%以上からなるPdまたはPd合金層。
これら各中間層のNiあるいはPdの純度がこれ以上低くなると、これら中間層の効果が達成できない可能性が生じる。
NiまたはNi合金層上はNiめっきが析出しやすく、また密着性良く成膜しやすい。しかしながら、析出するNiめっきの結晶子サイズ、配向度の制御は難しく、結晶子サイズが大きく、配向度が強くなりがちである。前述のNi−Pめっき浴を用いれば、請求範囲内に結晶子サイズ、配向度を抑制することも可能であり、望ましくは、NiまたはNi合金層上が粗面化されている方が、Ni-Pめっきが析出する核を多数形成し、結晶子サイズを低減することができるため良い。
PdまたはPd合金層は、Pdの分散析出ができている場合には、Pdが核としてNi−Pめっきが析出するため、Ni−Pめっき皮膜の前記結晶子サイズを微細化する作用を有する。また、Ni−PめっきはこのPd面に密着性良く成膜しやすいため、Ni−Pめっき皮膜とチタン材との密着性を向上させる。
本発明では、用途からくるより高硬度化の要求に応じて、必要により、前記Ni−Pめっき皮膜の上層として、更に、平均膜厚が0.1〜5μmで、硬度が900Hv以上の、硬質Crめっきを施しても良い。硬質Crめっきは、他部材の接触時に、初期当たり(衝撃)を緩和する役割を果たす。但し、高荷重では、特にチッピング(割れによる摩耗)が生じやすく、Ni−Pめっき皮膜の潤滑性を低下させる。このため、硬質Crめっきを設ける場合には、初期の摩耗で硬質Crめっき皮膜が無くなり、部材のなじみが出てからは、硬質Crめっき皮膜が無い状態で使用されるように、皮膜厚みを調整することが好ましい。
以上説明した本発明皮膜の形成方法につき、以下に、具体的に説明する。
本発明皮膜の形成方法は、必要により粗面化処理されたチタン基材を、先ず、市販アルカリ脱脂剤にて脱脂、酸洗(例えば、3:1程度の硝弗酸で常温で約10分洗浄するか、10g/l程度の濃度の塩酸で常温で約10分洗浄する)、活性化処理(10g/l程度の濃度の硫酸で常温で約2分洗浄する)、水洗などの適当な前処理を必要により行なう。なお、本発明の皮膜形成方法では、以下に説明する各めっき工程間に、水洗などの適当な中間処理あるいは前処理を必要により適宜加えることを含む。
上記前処理後に、先ず、前記した各中間層を設ける。
400g/l硫酸ニッケル+50g/l塩化ニッケル+50g/l硫酸を各々含むめっき浴で、浴温50℃程度、5A/dm2 程度通電して、所定時間の電気めっきを行なう。この電気めっき処理の回数や、金属イオン濃度、あるいは通電時間や通電量を調整して、NiまたはNi合金層のNi濃度(純度)や膜厚を制御する。
NiまたはNi合金層上を粗面化するのは、基材を機械的、化学的に粗面化してもよいが、NiまたはNi合金層を形成してから、機械的、化学的に粗面化してもよい。容易であることから、NiまたはNi合金層を形成してから、#100のガラスビーズやアルミナビーズを吹き付けることによって、粗面化させることが推奨される。
0.2g/l塩化パラジウム+10g/l塩化第一錫+100ml塩酸を各々含むめっき浴に、浴温40℃程度、2分程度浸漬する、浸漬めっきを行なう。その後、温度40℃、100g/l濃度の硫酸水溶液で、2分程度洗浄して、錫を除去する。この間の水洗は必要となる。上記めっき処理の回数や、金属イオン濃度、あるいは浸漬時間を調整して、PdまたはPd合金層のPd濃度(純度)や膜厚を制御する。
Ni−Pめっき皮膜を得るためには、電気めっきでも可であるが、膜厚(膜厚分布)の均一性の点で、前記Ni−Pめっき皮膜が無電解めっきであることが好ましい。以下に、好適な無電解めっき条件を説明する。
Crめっきは公知の方法で可能で、クロム酸100〜500g/l、硫酸3〜7g/l、三価クロム3〜7g/l、有機スルホン酸6〜10g/l、程度含むめっき浴を、45〜55℃、通電量約40〜60A/dm2 程度で電気めっきを行なう。このめっき浴の組成と温度、あるいは通電量、通電時間を調整して、Crめっきの膜厚を制御する。
皮膜の素材(母材)であるチタン基材の種類は、公知の純チタンやα、βチタン合金などを、要求特性や機械的性質に応じて適宜選択して用いることができる。
Ti−6%Al−4%V板から通常の摩耗試験用の44mmφ×5mmのディスク材を製作し、チタン基材とした。
(中間層)
Ni層、Pd層の、各層の厚さ。
Ni層あるいはPd層の、Ni、Pdの純度。
(Ni−P無電解めっき皮膜)
Ni量、P量、NH4 + ( NH4 基) 量、結晶子サイズ、
XRDでの測定ピーク強度比:Ni(111)/Ni(200)。
(Ni−P無電解めっき皮膜)
Ni−Pめっき皮膜のNi、P量はICP発光分光法、NH4 + 量はイオンクロマトグラフ法を使用した。但し、これらの分析は、めっき皮膜がついた状態の試料で行い、標準基板には純チタンを用いた。また、測定により得られた下地層などからのCu、Zn、Alなどの元素は、Ni、P量やNH4 + 量算出のための計算からは除外した。
Ni層のNi量、Pd層のPd量は、オージェ電子分光法の深さ方向濃度分布より、各金属量がピークとなる深さでの定量分析を行なった。
各層あるいは皮膜の厚みは、各10箇所の500倍のSEM(走査型電子顕微鏡)にて断面を観察して、各層あるいは皮膜の平均膜厚を求めた。
また、作製した各ディスク材皮膜の、硬度、靭性、めっき引張応力などの特性を以下の通り測定した。これらの結果を表1に示す。
靭性:ビッカース圧子押し込みによって、皮膜に割れが発生する最小荷重にて評価した。ただし、装置の最大荷重(50kgf)で割れが発生しない場合、>50kgfとした。
めっき引張応力:スパイラルめっき応力計によりめっき引張応力を測定した。
(耐摩耗性評価)
耐摩耗性試験1として、ショットブラスト(5kg/cm2、カ゛ラスヒ゛ース゛#100、直上10cmより吹き付け)により、各例の約10μm のNi−P無電解めっき皮膜が摩滅または剥離し、基材が露出するまでの時間を測定した。この試験の評価は以下の通りとした。>60sec :◎、30〜60sec :○、10〜30sec :△、<10sec :×。
比較例Bは、Ni−Pめっき組成の内、Ni量が少な過ぎる。
比較例Cは、Ni−Pめっき組成の内、P量が少な過ぎる。
比較例Dは、Ni−Pめっき組成の内、NH4 基量が少な過ぎる。
比較例Eは、Ni−Pめっき組成の内、NH4 基量が多過ぎる。
比較例Fは、中間層のNi合金皮膜の組成の内、Ni量が少なすぎる。
比較例Gは、中間層のPd合金皮膜の組成の内、Pd量が少なすぎる。
この結果、比較例Bは硬度が低く、また、比較例C〜Gは結晶子サイズが本発明から外れ、靭性が低いまたはめっき応力が高い。
Claims (5)
- Ni−Pめっき皮膜を設けたチタン材であって、前記Ni−Pめっき皮膜が、質量%で、Ni:85%以上、P:1〜5%、NH4 基:0.1〜1%を含むNi合金からなるとともに、X線回折法によるNi−Pめっき皮膜組織解析における皮膜の結晶子平均サイズが1〜5nmである結晶性めっき皮膜からなり、かつ前記チタン材とNi−Pめっき皮膜との界面に、Niが99%以上からなるNiまたはNi合金層か、Pdが90%以上からなるPdまたはPd合金層かの、少なくともいずれか一方が形成されており、Ni−Pめっき皮膜のめっきままでの硬度が500Hv以上であることを特徴とする耐摩耗性チタン材。
- 前記X線回折法によるNi−Pめっき皮膜組織解析における、Ni(111)とNi(200)との測定ピーク強度比Ni(111)/Ni(200)が0.3〜0.5である請求項1に記載の耐摩耗性チタン材。
- 前記Ni−Pめっき皮膜のめっき引張応力が5kgf/mm2 以下である請求項1乃至2のいずれか1項に記載の耐摩耗性チタン材。
- 前記Ni−Pめっき皮膜が無電解めっきである請求項1乃至3のいずれか1項に記載の耐摩耗性チタン材。
- 前記Ni−Pめっき皮膜の上層に更に硬質Crめっきが施されている請求項1乃至4のいずれか1項に記載の耐摩耗性チタン材。
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