JP2777468B2 - Composite material for mechanical structure with excellent rolling fatigue life - Google Patents
Composite material for mechanical structure with excellent rolling fatigue lifeInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、各種機械および輸送機等の摩耗部に使用さ
れる転動疲労寿命に優れた機械構造用複合材に関するも
のである。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a composite material for a machine structure which has excellent rolling fatigue life and is used for wear parts of various machines and transporting machines.
(従来の技術) 各種金型、機械の摩耗部には、従来から機械構造用炭
素鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼、クロムモリブデン
鋼などに、浸炭、焼入れ焼戻し処理あるいは窒化処理ま
たは軟窒化処理などを施した鋼材が汎用されており、良
好な耐摩耗性を発揮している。しかし、これらの鋼材は
比重が大きく軽量化の動きには、対応が困難である。(Prior art) Conventionally, carbon steel, nickel chromium molybdenum steel, chromium molybdenum steel, etc. are subjected to carburizing, quenching and tempering, nitriding or nitrocarburizing to wear parts of various molds and machines. Steel materials are widely used and exhibit good wear resistance. However, these steel materials have a large specific gravity, and it is difficult to cope with the movement to reduce the weight.
軽量化の動きに対応できる素材として、チタン及びチ
タン合金並びにアルミ及びアルミ合金が注目され始めて
いる。チタン及びチタン合金並びにアルミ及びアルミ合
金は、その優れた耐蝕性、高温比強度が大きいことか
ら、これまで、各種化学工業用および航空、宇宙用輸送
機の各種部材として広く使用されてきた。Titanium and titanium alloys, and aluminum and aluminum alloys have begun to attract attention as materials that can cope with the movement of weight reduction. BACKGROUND ART Titanium and titanium alloys, and aluminum and aluminum alloys have been widely used as various members of various chemical industry and aeronautical and space transportation vehicles because of their excellent corrosion resistance and large high-temperature specific strength.
近年、自動車初め、各種輸送機の高級化の要求が増大
するにつれて、快適走行、安全走行等機能アップを満足
させるために各種機能部品の装着を余儀なくされてい
る。それに伴い、車体重量の増加の問題が派生してき
た。2. Description of the Related Art In recent years, as the demands for upgrading various types of transports, such as automobiles, have increased, it has become necessary to mount various functional components in order to satisfy functional improvements such as comfortable driving and safe driving. As a result, the problem of increasing the body weight has arisen.
一方、燃費の低減に対する要求は依然として強く、こ
れらの問題を併せて解決するために、これまでの鉄鋼材
料に替わって、チタン及びチタン合金並びにアルミ及び
アルミ合金の採用が検討され始めている。On the other hand, there is still a strong demand for a reduction in fuel consumption, and in order to solve these problems at the same time, the use of titanium and titanium alloys and aluminum and aluminum alloys instead of conventional steel materials has begun to be studied.
しかし、チタン及びチタン合金並びにアルミ及びアル
ミ合金は、そのままでは耐焼付性、耐摩耗性に極めて劣
ることが知られており、これまで、機械の摺動部材また
は軸材として、使用するために、電気メッキ、無電解メ
ッキ、気相メッキ、ガス窒化および溶射などの表面処理
が試みられている。However, titanium and titanium alloys and aluminum and aluminum alloys are known to be extremely inferior in seizure resistance and wear resistance as they are, so far, as a sliding member or shaft material of a machine, Surface treatments such as electroplating, electroless plating, vapor phase plating, gas nitriding, and thermal spraying have been attempted.
このうち、電気メッキ、無電解メッキ等のメッキ手法
が採用できれば、最も簡便にしかも低コストで部材を提
供することができる。Among these, if a plating technique such as electroplating or electroless plating can be adopted, the member can be provided most simply and at low cost.
(発明が解決しようとする課題) しかしながら、水溶液を用いる電気メッキ、無電解メ
ッキでは、チタン及びチタン合金並びにアルミ及びアル
ミ合金は表面に強固な酸化皮膜を形成するため、メッキ
層の良好な密着性が得られない。(Problems to be Solved by the Invention) However, in electroplating and electroless plating using an aqueous solution, titanium and titanium alloys and aluminum and aluminum alloys form a strong oxide film on the surface, so that good adhesion of the plating layer is achieved. Can not be obtained.
また、気相メッキおよびガス窒化処理では、通常5μ
m程度の硬質皮膜しか得られず、高面圧下の摺動摩耗や
転動摩耗に耐えることが不可能である。In the case of vapor-phase plating and gas nitriding, usually 5 μm is used.
m, and cannot withstand sliding wear and rolling wear under a high surface pressure.
さらに、溶射皮膜は、転動摩耗では高面圧のため、こ
れに耐え得る十分な強度を有する皮膜が得られ難いなど
の理由で、何れの表面処理方法ともチタン及びチタン合
金並びにアルミ及びアルミ合金に十分に耐摩耗性を付与
することができない。Further, since the sprayed coating has a high surface pressure in rolling wear, it is difficult to obtain a coating having sufficient strength to withstand this. For example, titanium and titanium alloys and aluminum and aluminum alloys are used in any of the surface treatment methods. Cannot provide sufficient abrasion resistance.
例えば、第4図に示すような軸材を例にとると、軸材
のボールベアリングとロールベアリングの接触部では、
総花的な耐摩耗性ではなく、摺動摩耗とともに転動摩耗
特性が要求される。すなわち、この軸材の点接触部に
は、特に耐転動摩耗性が要求され、数100kgf/mm2もの最
大接触応力=高面圧がかかるとともに、材料の表面から
数10〜数100μmで最大せん断応力が発生し、また、こ
の応力が繰り返しかかるために、材料に疲れ亀裂が発生
しフレーキングに至ることがこの種転動摩耗の最大の特
徴である。したがって、このような用途に対し、通常高
耐摩耗性の材料として周知汎用されるようなWC、TiN等
のセラミック硬質材料では耐摺動摩耗には優れるものの
靭性に乏しく、耐転動摩耗性では劣るものである。For example, taking a shaft as shown in FIG. 4 as an example, at the contact portion between the ball bearing and the roll bearing of the shaft,
Rolling wear characteristics as well as sliding wear are required instead of total wear resistance. Maximum i.e., the point contact portion of the shaft member, in particular is耐転dynamic wear resistance requirements, with the number 100 kgf / mm 2 things maximum contact stress = high surface pressure is applied, at several tens to several hundreds of 100μm from the surface of the material The most characteristic feature of this kind of rolling wear is that a shear stress is generated and the stress is repeatedly applied, so that a fatigue crack is generated in the material and leads to flaking. Therefore, for such applications, ceramic hard materials such as WC and TiN, which are generally well-known and generally used as high wear-resistant materials, are excellent in sliding wear resistance but poor in toughness, and in rolling wear resistance. Inferior.
そこで、本発明者らは軽量化の動きに対応すべく、チ
タン及びチタン合金並びにアルミ及びアルミ合金を母材
とした軽くて耐摩耗性に優れた複合材を提案するもので
ある。Therefore, the present inventors propose a light and wear-resistant composite material using titanium and a titanium alloy, aluminum and an aluminum alloy as a base material in order to cope with the trend of weight reduction.
(課題を解決するための手段) 本発明は、上記に説明した表面処理を施したチタン及
びチタン合金並びにアルミ及びアルミ合金の耐摩耗性の
問題点に鑑み、本発明者らが鋭意研究を行い、検討を重
ねた結果完成されたもので、その第1発明は、表面をRa
0.5μm以上でPPI50が130以上に粗面化したチタンまた
はチタン合金及びアルミまたはアルミ合金の表面に、P
含有量4重量%以上で、メッキの結晶面方位〈111〉を
メインとする内層と、P含有量4重量%未満で、メッキ
硬さHV500以上の外層の少なくとも二層のNi−Pメッキ
層を被覆した転動疲労寿命に優れた機械構造用複合材で
ある。(Means for Solving the Problems) In view of the problem of wear resistance of titanium and titanium alloy and aluminum and aluminum alloy subjected to the surface treatment described above, the present inventors have conducted intensive studies. , Which was completed as a result of repeated studies.
The surface of titanium or titanium alloy and aluminum or aluminum alloy whose surface is 0.5μm or more and whose PPI 50 is roughened to 130 or more
At least two Ni-P plating layers, an inner layer having a crystal plane orientation of <111> as a main component with a content of 4% by weight or more and an outer layer having a P content of less than 4% by weight and a plating hardness of HV500 or more, It is a coated composite material for machine structure with excellent rolling fatigue life.
第2発明は、Ni−Pメッキ層のPの濃度が内層と外層
で連続的に変化する請求項(1)の転動疲労寿命に優れ
た機械構造用複合材である。The second invention is a composite material for a mechanical structure excellent in rolling fatigue life according to claim (1), wherein the concentration of P in the Ni—P plating layer changes continuously between the inner layer and the outer layer.
第3発明は、外層のNi−Pメッキの結晶面方位<111
>の積分強度が下記式を満足する請求項(1)の転動
疲労寿命に優れた機械構造用複合材である。The third invention is directed to a crystal orientation <111 of Ni-P plating of the outer layer.
<1> is a composite material for mechanical structure excellent in rolling fatigue life according to claim (1), wherein the integrated strength of the formula (1) satisfies the following expression.
〔〈111〉/(〈111〉+〈200〉+〈220〉+〈311〉 +〈222〉)〕×100≦90 …… 第4発明は、チタンまたはチタン合金及びアルミまた
はアルミ合金の表面が、弗酸塩を含む溶液により表面粗
化処理を施されている請求項(1)の転動疲労寿命に優
れた機械構造用複合材である。[<111> / (<111> + <200> + <220> + <311> + <222>)) × 100 ≦ 90 …… In the fourth invention, the surface of titanium or a titanium alloy and aluminum or an aluminum alloy The composite material for mechanical structure excellent in rolling fatigue life according to claim (1), which has been subjected to a surface roughening treatment with a solution containing hydrofluoric acid.
(作用) チタンまたはチタン合金及びアルミまたはアルミ合金
の表面に前記硬質メッキ層を強固に密着させるためには
強固なアンカー効果が必要であるが、エッチングまたは
ショットブラスト等によって、表面状態をRa 0.5μm以
上で、かつPPI50130以上に調整することによって、強固
なアンカー効果が得られる。ここで、PPI(Peaks Per I
nch)は接触式表面粗さ計の抽出曲線(測定値)の平均
線から正負両方向に一定の基準レベルHを設け、負の基
準レベルを越えた後、正の基準レベルを越えたとき、1
山と計算し、1インチ当たりの山数を表示するものであ
る。すなわち、PPI50130は基準レベル50μinnchで、1
インチ当たりの山数130を示す。これによって、チタン
またはチタン合金及びアルミまたはアルミ合金界面から
の硬質メッキ層の剥離等を抑制することが可能となる。(Function) A strong anchor effect is required to firmly adhere the hard plating layer to the surface of titanium or a titanium alloy and aluminum or an aluminum alloy. However, the surface state is Ra 0.5 μm by etching or shot blasting. Above, and by adjusting the PPI to 50 or more, a strong anchor effect can be obtained. Here, PPI (Peaks Per I
nch) sets a constant reference level H in both positive and negative directions from the average line of the extraction curve (measurement value) of the contact type surface roughness meter, and after exceeding the negative reference level and exceeding the positive reference level, 1
The number of peaks is calculated and the number of peaks per inch is displayed. That is, the PPI 50 130 has a reference level of 50 μinch and 1
Shows 130 peaks per inch. This makes it possible to suppress peeling of the hard plating layer from the interface between titanium or a titanium alloy and aluminum or an aluminum alloy.
さらに、チタンまたはチタン合金及びアルミまたはア
ルミ合金へのメッキ密着性を向上させるには、被メッキ
材表面の結晶面方位とメッキの結晶面方位との整合性を
極力保つことによって、前記表面粗度調整効果との相乗
効果により、さらに、高度のメッキ密着性を得ることが
できる。Further, in order to improve the plating adhesion to titanium or a titanium alloy and aluminum or an aluminum alloy, the surface roughness of the material to be plated is kept as consistent as possible with the crystallographic plane orientation of the plating. Due to the synergistic effect with the adjusting effect, a higher plating adhesion can be obtained.
具体的に説明すると、チタンの最稠密面方位〈0001〉
に一致させるため、内層のNi−Pメッキの結晶面方位を
〈111〉配向とすることが極めて有効である。このため
には、Ni−Pメッキ層のP含有量を4重量%以上にし、
メッキ層厚を1.0μm以上にする必要がある。Specifically, the densest plane orientation of titanium <0001>
It is extremely effective to set the crystal plane direction of the Ni-P plating of the inner layer to the <111> orientation in order to make the crystal plane coincide. For this purpose, the P content of the Ni-P plating layer is set to 4% by weight or more,
The thickness of the plating layer needs to be 1.0 μm or more.
内層の上面にメッキする中間層または外層は、硬さと
靭性の双方を満足させるため、Ni−Pメッキ層のP含有
量を4重量%未満にしなければならない。また、内層か
ら外層へ、順次P含有量を徐々に減少させることにより
靭性と硬さを兼ね備えた耐転動疲労寿命に優れたメッキ
層を得ることができる。すなわち、外層は内層とは異な
り、被メッキ材との密着性はそれほど重要ではなく、む
しろ、靭性と硬さが重要である。このため、外層のP含
有量を4重量%未満にし、Ni−Pメッキの結晶面方位
〈111〉の積分強度を90%以下に限定する。なお、積分
強度は〔〈111〉/(〈111〉+〈200〉+〈220〉+〈31
1〉+〈222〉)〕×100%である。The intermediate layer or the outer layer plated on the upper surface of the inner layer must have a P content of less than 4% by weight in the Ni-P plated layer in order to satisfy both hardness and toughness. Also, by gradually decreasing the P content from the inner layer to the outer layer, a plating layer having both toughness and hardness and excellent in rolling contact fatigue life can be obtained. That is, unlike the inner layer, the outer layer is not so important in the adhesion to the material to be plated, but rather the toughness and hardness are important. Therefore, the P content of the outer layer is set to less than 4% by weight, and the integrated intensity of the crystal plane orientation <111> of Ni-P plating is limited to 90% or less. The integral intensity is [<111> / (<111> + <200> + <220> + <31
1> + <222>)] × 100%.
また、硬質メッキの種類としては、無電解Ni−Pメッ
キ、硬質Crメッキ、電解Ni−Pメッキ等が考えられる
が、メッキ速度、コストの点から電解Ni−Pメッキが最
も有利と考えられる。As the type of hard plating, electroless Ni-P plating, hard Cr plating, electrolytic Ni-P plating and the like can be considered, but electrolytic Ni-P plating is considered to be the most advantageous in terms of plating speed and cost.
転動摩耗の特徴は前記した通り高面圧で、接触応力は
数100kgf/mm2あり、最大剪断応力は、接触面から数10〜
数100μmの深さの位置に発生する。さらに、軸および
軸受は、繰り返し転動応力を受けることにより、軌道に
剥離を生じて転動不可能となる。この現象はフレーキン
グと呼ばれ、軸および軸受材料の一種の疲労破壊であ
り、これにより軸および軸受の寿命が決められてしま
う。Features of the rolling wear was as high surface pressure described above, contact stress is several 100 kgf / mm 2, the maximum shear stress, the number 10 from the contact surface
It occurs at a depth of several 100 μm. Further, the shaft and the bearing are subjected to repeated rolling stress, so that the track is separated and cannot be rolled. This phenomenon is called flaking and is a kind of fatigue failure of the shaft and bearing material, which determines the life of the shaft and bearing.
そこで、発明者らは、被覆材の選定のために、転動摩
耗試験を行った。その結果を以下に説明する。Therefore, the inventors conducted a rolling wear test for selecting a coating material. The results are described below.
第1図は、転動摩耗試験方法の概略図で、図中1は試
験片、2は評価面、3はボールベアリング、4はベアリ
ングレース、5は回転軸をそれぞれ示す。試験片1の先
端には評価面2があり、評価面2はボールベアリング3
と接触するようにテーパが付けてある。ボールベアリン
グ3はベアリングレース4内に必要個数配置してある。
ベアリングレース4は回転軸5に装着され、回転軸5と
ともに回転する。回転軸5は回転装置(図示せず)に連
結されている。試験は荷重Pを試験片1に加え、回転軸
5を回転させて行う。FIG. 1 is a schematic view of a rolling wear test method, in which 1 denotes a test piece, 2 denotes an evaluation surface, 3 denotes a ball bearing, 4 denotes a bearing race, and 5 denotes a rotating shaft. An evaluation surface 2 is provided at the tip of the test piece 1, and the evaluation surface 2 is a ball bearing 3.
It is tapered so as to contact with. The required number of ball bearings 3 are arranged in a bearing race 4.
The bearing race 4 is mounted on the rotating shaft 5 and rotates together with the rotating shaft 5. The rotating shaft 5 is connected to a rotating device (not shown). The test is performed by applying a load P to the test piece 1 and rotating the rotating shaft 5.
供試材は、Ti−6Al−4Vを母材として、母材にWCを溶
射したもの、母材に電解Ni−Pメッキを施したものおよ
び母材ままの三種類である。これらを試験片1の形状に
仕上げ転動摩耗試験に供した。試験結果を第2図および
第3図に示す。There are three kinds of test materials: Ti-6Al-4V as a base material, a base material sprayed with WC, a base material subjected to electrolytic Ni-P plating, and a base material as it is. These were subjected to a finish rolling wear test in the shape of the test piece 1. The test results are shown in FIG. 2 and FIG.
第2図は供試材の転動疲労寿命を整理したもので、第
3図は電解Ni−Pメッキ厚さと転動疲労寿命との関係を
整理したものである。FIG. 2 summarizes the rolling fatigue life of the test material, and FIG. 3 summarizes the relationship between the electrolytic Ni-P plating thickness and the rolling fatigue life.
各供試材の寿命は、第2図に示すように、WCを溶射し
たものは5時間程度の寿命である。この原因は、WC皮膜
は摺動摩耗では良好な耐摩耗性を示すが、転動摩耗では
高面圧のためWC皮膜が破壊し脱落したためと考えられ
る。勿論、母材ままのTi−6Al−4Vは5時間以下の寿命
である。As shown in FIG. 2, the life of each test material is about 5 hours when sprayed with WC. This is probably because the WC film shows good wear resistance in sliding wear, but in rolling wear, the WC film was broken and dropped due to high surface pressure. Of course, Ti-6Al-4V as a base material has a life of 5 hours or less.
転動摩耗試験における電解Ni−Pメッキ厚さと転動疲
労寿命との関係を第3図に示す。電解Ni−Pメッキの転
動疲労寿命は、メッキ厚さの増加に伴い急激に長寿命化
することが明らかである。FIG. 3 shows the relationship between the electrolytic Ni-P plating thickness and the rolling fatigue life in the rolling wear test. It is clear that the rolling fatigue life of electrolytic Ni-P plating increases sharply with increasing plating thickness.
この結果から電解Ni−Pメッキの耐転動疲労寿命を向
上させるための被覆材の厚さは、最大剪断応力発生部位
を被覆材の内部に止めさせるためと、被覆材の耐転動疲
労性を可能かつ有効にさせるために、100μm以上が好
ましく、耐摩耗性付与の観点からは100μmまでで十分
である。また、被覆材の厚さを厚くすることは本発明の
目的とする軽量化からも好ましいものではない。From this result, the thickness of the coating material to improve the rolling fatigue life of electrolytic Ni-P plating was determined by stopping the location where the maximum shear stress was generated inside the coating material and the rolling fatigue resistance of the coating material. The thickness is preferably 100 μm or more in order to make it possible and effective, and from the viewpoint of imparting abrasion resistance, it is sufficient to use 100 μm. Further, increasing the thickness of the coating material is not preferable from the viewpoint of reducing the weight as the object of the present invention.
被覆材の硬さは、メッキ条件によって必要な硬さに調
整するが、耐転動疲労寿命の点から考えると、硬さのみ
でなく靭性をも考慮し、それらのバランスのとれている
ことが肝要である。したがって、被覆材の硬さは靭性も
考慮したうえでHV500以上に限定する。The hardness of the coating material is adjusted to the required hardness depending on the plating conditions.However, considering the rolling fatigue life, it is important to consider not only hardness but also toughness, and that these are balanced. It is important. Therefore, the hardness of the coating material is limited to HV500 or more in consideration of toughness.
本発明の機械構造用複合材の製造工程は、大略次の如
くである。すなわち、 母材(チタンまたはチタン合金及びアルミまたはアル
ミ合金)の機械加工 アルカリ脱脂(オルソ珪酸ソーダ5%溶液、70℃) 水洗 エッチング(弗酸塩) 水洗 活性化処理 水洗 電気メッキまたは無電解メッキ である。The manufacturing process of the composite material for a machine structure of the present invention is roughly as follows. Machining of base metal (titanium or titanium alloy and aluminum or aluminum alloy) Alkaline degreasing (sodium orthosilicate 5% solution, 70 ° C) Rinsing Etching (fluoric acid) Rinsing Activation treatment Rinsing Electroplating or electroless plating is there.
従来法でもメッキの前処理として当然エッチングは行
われている。しかし、このエッチングに用いられる酸
は、硝酸、弗酸またはこれらを混合した硝弗酸が主であ
って、これら従来使用されている鉱酸類では、本発明で
規定する粗面な表面はできず、単に表面が均一にエッチ
ングあるいは逆に平滑化されるだけである。In the conventional method, etching is naturally performed as a pretreatment for plating. However, the acid used for this etching is mainly nitric acid, hydrofluoric acid or nitric hydrofluoric acid obtained by mixing them, and these conventionally used mineral acids cannot form the rough surface specified in the present invention. The surface is simply etched or even smoothed out.
発明者等の知見によれば、化学的エッチングにより本
発明で規定する粗面を得るには、NH4F・HF、NaF・HF等
の弗酸塩が必要であり、他のエッチング剤として汎用さ
れる硝酸や弗酸は光沢剤としては有効ではあるものの、
本発明で規定する粗面化のためには好ましい薬剤ではな
い。According to the findings of the inventors, in order to obtain the rough surface defined in the present invention by chemical etching, a hydrofluoric acid salt such as NH 4 FHF or NaFHF is necessary, and it is generally used as another etching agent. Nitric acid and hydrofluoric acid are effective as brighteners,
It is not a preferred agent for roughening as defined in the present invention.
また、本発明では必要により粗面化のためのエッチン
グのあとで、硬質メッキのまえに、表面のスマット除去
のための燐酸電解処理や金属面を出すためのクロム酸、
弗酸などの酸による活性化処理を行うことが可能であ
る。すなわち、一旦素材表面に粗面を形成したあとのメ
ッキまでの工程は通常と同じ方法が用いられる。このこ
とは、粗面化エッチングの前処理についても同様であ
る。Further, in the present invention, after etching for roughening as necessary, before hard plating, phosphoric acid electrolytic treatment for removing surface smut and chromic acid for putting out a metal surface,
Activation treatment with an acid such as hydrofluoric acid can be performed. That is, the steps up to plating after once forming the rough surface on the material surface are the same as the usual method. This is the same for the pretreatment of the roughening etching.
さらに、メッキ後の熱処理などの必要性についてであ
るが、従来技術ではメッキのチタンまたはアルミ界面と
の密着性を向上させようとして、熱処理によりチタンと
メッキ金属とを相互に拡散させる手法が取り入れられて
いるが、本発明では逆に熱処理した方がメッキ層が脆く
なるような傾向も知見しており、熱処理がなくても本件
のメッキ密着性が悪くなるものではない。In addition, regarding the necessity of heat treatment after plating, in the prior art, in order to improve the adhesion of the plating to the titanium or aluminum interface, a method of mutually diffusing titanium and plating metal by heat treatment has been adopted. However, in the present invention, it has been found that the plating layer becomes brittle when the heat treatment is performed on the contrary, and the plating adhesion of the present invention is not deteriorated even without the heat treatment.
このようにして得られた、母材(芯材)に軽くて高強
度のチタンまたはチタン合金及びアルミまたはアルミ合
金を使用し、表面にHV500以上で100〜1000μmの厚い電
解Ni−Pメッキ層を形成しているため、優れた耐摩耗性
を発揮でき得る。なお、本複合材の軸材と接触しない部
分には、耐摩耗性付与のための硬質層を要しないことは
言うまでもない。軽量化をさらに向上させるためには、
必要最小限の部分のみに被覆材を施すことが有利であ
る。Using a light and high-strength titanium or titanium alloy and aluminum or aluminum alloy for the base material (core material) obtained in this way, a thick electrolytic Ni-P plating layer of HV500 or more and 100-1000 μm on the surface Since it is formed, excellent wear resistance can be exhibited. It is needless to say that a hard layer for imparting abrasion resistance is not required in a portion of the present composite material that does not contact the shaft. To further improve weight reduction,
It is advantageous to apply the covering only to the minimum necessary parts.
(実施例) 以下に、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明
はこれら実施例によって、何ら限定されるものではな
い。(Examples) Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
実施例1 まず、供試材の複合材の製造方法について説明する。
電解Ni−Pメッキの母材(芯材)にはチタン合金、Ti−
6Al−4Vを用いて、前記のように、脱脂→水洗→エッチ
ング→水洗→表面活性化処理を行ったのち、電解Ni−P
メッキを施した。Example 1 First, a method of manufacturing a composite material of a test material will be described.
The base material (core material) of electrolytic Ni-P plating is titanium alloy, Ti-
Using 6Al-4V, after performing degreasing → washing with water → etching → washing with water → surface activation treatment as described above, electrolytic Ni-P
Plated.
メッキ浴組成は、 NiSO4・6H2O:200g/l NiCl2・6H2O:50g/l H3PO3:4〜40g/l H3PO4:50g/lとし、 電流密度は、Pを4重量%以上含有し、結晶配向性が
〈111〉を有するメッキ層を得るために、5〜40A/dm2の
範囲内で適宜選定した。Plating bath composition, NiSO 4 · 6H 2 O: 200g / l NiCl 2 · 6H 2 O: 50g / l H 3 PO 3: 4~40g / l H 3 PO 4: and 50 g / l, the current density, P In order to obtain a plated layer having a crystal orientation of <111> in an amount of 5 to 40 A / dm 2 .
第5図および第6図には、5A/dm2および30A/dm2の各
電流密度における電解Ni−PメッキのX線回折図形(Cu
Kα)を示す。第5図に示す電流密度5A/dm2における回
折図形には、電解Ni−Pメッキの結晶構造面心立方格子
の面指数111を示す回折線のみが出現している。すなわ
ち、第5図は、第6図に示すような面指数200、220に対
応する回折線の出現はなく、電解Ni−Pメッキ層が選択
的な配向性をもつ結晶から成立していることが示されて
おり、電解Ni−Pメッキ層が結晶配向性を有しているこ
とが判る。FIGS. 5 and 6 show X-ray diffraction patterns of Cu—Ni plating at each current density of 5 A / dm 2 and 30 A / dm 2 (Cu
Kα). In the diffraction pattern at a current density of 5 A / dm 2 shown in FIG. 5, only a diffraction line having a plane index 111 of the crystal structure face-centered cubic lattice of the electrolytic Ni—P plating appears. In other words, FIG. 5 shows that there is no appearance of diffraction lines corresponding to plane indices 200 and 220 as shown in FIG. 6, and that the electrolytic Ni-P plating layer is made of crystals having selective orientation. And it can be seen that the electrolytic Ni-P plating layer has crystal orientation.
この電解Ni−Pメッキ層のP含有量は4重量%以上で
あることを分析によって確認した。It was confirmed by analysis that the P content of this electrolytic Ni-P plating layer was 4% by weight or more.
これらの特徴を有する電解Ni−Pメッキを施した供試
材を転動摩耗試験に供した。その結果を第1表に示す。
なお、転動摩耗試験には先に述べた転動摩耗試験機(第
1図)を用いた。The test material subjected to electrolytic Ni-P plating having these characteristics was subjected to a rolling wear test. Table 1 shows the results.
In the rolling wear test, the above-described rolling wear tester (FIG. 1) was used.
第1表から明らかなように、本実施例の電解Ni−Pメ
ッキ層は、Pを4重量%以上含有し、結晶配向性を有し
ているため、母材との密着性がよく、メッキ層の厚みが
増加するとともに疲労摩耗における寿命は向上し、メッ
キ層の厚みが100μm以上になると安定した耐摩耗性を
示している。勿論、メッキ層を有しない母材ままのチタ
ン合金は耐摩耗性に劣っている。 As is evident from Table 1, the electrolytic Ni-P plating layer of this example contains P by 4% by weight or more and has a crystal orientation, so that the adhesion to the base material is good, and As the thickness of the layer increases, the life in fatigue wear improves, and when the thickness of the plating layer becomes 100 μm or more, stable wear resistance is exhibited. Of course, a titanium alloy as it is without a plating layer is inferior in wear resistance.
一方、比較例は結晶配向性がないため、メッキ層の厚
みが厚くとも耐摩耗性は劣っている。On the other hand, since the comparative example has no crystal orientation, the wear resistance is inferior even if the thickness of the plating layer is large.
以上の結果から、Pを4重量%以上含有し、結晶配向
性を有するメッキ層を内層として、この上に外層とし
て、厚めの電解Ni−Pメッキを施すことによって、母材
との密着性のよい転動疲労寿命の優れた電解Ni−Pメッ
キ層を形成することが可能である。From the above results, the plating layer containing P by 4% by weight or more and having a crystal orientation is used as an inner layer, and a thicker electrolytic Ni-P plating is applied thereon as an outer layer, whereby the adhesion to the base material is improved. It is possible to form an electrolytic Ni-P plating layer having good rolling fatigue life.
実施例2 実施例2は内層と外層の2層メッキの例で、電解Ni−
Pメッキの母材(芯材)にはチタン合金、Ti−6Al−4V
を用い、実施例1とおなじく、脱脂→水洗→エッチング
→水洗→表面活性化処理を行ったのち、電解Ni−Pメッ
キを施した。Example 2 Example 2 is an example of two-layer plating of an inner layer and an outer layer.
The base material (core material) of P plating is titanium alloy, Ti-6Al-4V
As in Example 1, after performing degreasing → water washing → etching → water washing → surface activation treatment, electrolytic Ni-P plating was performed.
メッキ浴組成は、 NiSO4・6H2O:200g/l NiCl2・6H2O:50g/l H3PO3:4〜40g/l H3PO4:50g/lとし、 電流密度は5〜40A/dm2とし、内層メッキ時はP含有
量が4重量%以上に、外層メッキ時はP含有量が4重量
%未満になるように、メッキ浴組成および電流密度を適
宜選定した。Plating bath composition, NiSO 4 · 6H 2 O: 200g / l NiCl 2 · 6H 2 O: 50g / l H 3 PO 3: 4~40g / l H 3 PO 4: and 50 g / l, the current density is 5 to The plating bath composition and current density were appropriately selected so that the content was 40 A / dm 2 and the P content was 4% by weight or more during the inner layer plating and the P content was less than 4% by weight during the outer layer plating.
これらの供試材を転動摩耗試験に供した。その結果を
第2表に示す。なお、転動摩耗試験機は実施例1と同じ
である。These test materials were subjected to a rolling wear test. Table 2 shows the results. The rolling wear tester is the same as that of the first embodiment.
第2表から明らかなように、本発明例は内層のP含有
量が4重量%以上のため、メッキ層に結晶配向性があ
り、母材との密着性が改善されているため、良好な耐摩
耗性を示している。したがって、本発明に係わる複合材
は優れた転動疲労寿命を有することが判る。 As is clear from Table 2, in the present invention example, since the P content of the inner layer is 4% by weight or more, the plating layer has a crystal orientation and the adhesion to the base material is improved. Shows abrasion resistance. Therefore, it can be seen that the composite material according to the present invention has excellent rolling fatigue life.
実施例3 実施例3は内層、中間層および外層の3層メッキの例
で、電解Ni−Pメッキの母材(芯材)にはチタン合金、
Ti−6Al−4Vを用い、実施例1とおなじく、脱脂→水洗
→エッチング→水洗→表面活性化処理を行ったのち、電
解Ni−Pメッキを施した。Example 3 Example 3 is an example of three-layer plating of an inner layer, an intermediate layer, and an outer layer. The base material (core material) of electrolytic Ni-P plating is titanium alloy,
Using Ti-6Al-4V, after performing degreasing → washing with water → etching → washing with water → surface activation treatment as in Example 1, electrolytic Ni-P plating was performed.
メッキ浴組成は、 NiSO4・6H2O:200g/l NiCl2・6H2O:50g/l H3PO3:4〜40g/l H3PO4:50g/lとし、 電流密度は5〜40A/dm2とし、内層から外層の各メッ
キ層の所望P含有量と厚さに応じて、メッキ浴組成およ
び電流密度を適宜選定した。Plating bath composition, NiSO 4 · 6H 2 O: 200g / l NiCl 2 · 6H 2 O: 50g / l H 3 PO 3: 4~40g / l H 3 PO 4: and 50 g / l, the current density is 5 to and 40A / dm 2, depending on the desired P content and the thickness of each plating layer of the outer layer from the inner layer, was appropriately selected plating bath composition and current density.
これらの供試材を転動摩耗試験に供した。その結果を
第3表に示す。なお、転動摩耗試験機は実施例1と同じ
である。These test materials were subjected to a rolling wear test. Table 3 shows the results. The rolling wear tester is the same as that of the first embodiment.
第3表から明らかなように、本発明例は内層に実施例
1で説明した母材との密着性がよいメッキを施し、中間
層、外層に内層よりもP含有量を減少させ、メッキ厚さ
を増したメッキを施しているため、メッキ層の靭性が改
善され良好な転動疲労寿命を示している。 As is clear from Table 3, in the present invention example, the inner layer is plated with good adhesion to the base material described in Example 1, the P content is reduced in the intermediate layer and the outer layer more than the inner layer, and the plating thickness is reduced. Since the plating with increased thickness is applied, the toughness of the plating layer is improved, and a good rolling fatigue life is exhibited.
一方、比較例の一部については、内層のP含有量は4
重量%以上あるものの外層のP含有量が多いため、外層
が脆くなり転動疲労寿命が劣っている。また、一部につ
いては、内層のP含有量が少なく、外層のP含有量が多
いため、転動疲労寿命が劣っている。On the other hand, for some of the comparative examples, the P content of the inner layer was 4%.
Although the content is not less than weight%, the P content of the outer layer is large, so that the outer layer becomes brittle and the rolling fatigue life is inferior. Further, for a part, the rolling contact fatigue life is inferior because the P content of the inner layer is low and the P content of the outer layer is high.
勿論、メッキを施してないチタン合金が耐転動疲労性
に劣っているのは当然であるが、HV1000以上のWC溶射も
上記本発明例に劣ることが明らかである。Of course, it is obvious that the unalloyed titanium alloy is inferior in rolling contact fatigue resistance, but it is clear that WC spraying of HV1000 or more is also inferior to the above examples of the present invention.
実施例4 実施例4は外層の電解Ni−Pメッキの結晶面方位〈11
1〉の積分強度を90%以下にした例で、電解Ni−Pメッ
キの母材(芯材)にはチタン合金、Ti−6Al−4V、Ti−6
Al−2Sn−4Zr−2Mo、Ti−6Al−6V−2Snを用い、実施例
1とおなじく、脱脂→水洗→エッチング→水洗→表面活
性化処理を行ったのち、電解Ni−Pメッキを施した。Example 4 In Example 4, the crystal plane orientation of the electrolytic Ni-P plating of the outer layer was <11.
In this example, the integrated strength of 1> was set to 90% or less. The base material (core material) of electrolytic Ni-P plating was titanium alloy, Ti-6Al-4V, Ti-6.
Using Al-2Sn-4Zr-2Mo and Ti-6Al-6V-2Sn, after performing degreasing → water washing → etching → water washing → surface activation treatment as in Example 1, electrolytic Ni—P plating was performed.
メッキ浴組成は、 NiSO4・6H2O:200g/l NiCl2・6H2O:50g/l H3PO3:4〜40g/l H3PO4:50g/lとし、 電流密度は5〜40A/dm2とし、所望メッキ層に応じ
て、メッキ浴組成および電流密度を適宜選定した。Plating bath composition, NiSO 4 · 6H 2 O: 200g / l NiCl 2 · 6H 2 O: 50g / l H 3 PO 3: 4~40g / l H 3 PO 4: and 50 g / l, the current density is 5 to It was 40 A / dm 2, and the plating bath composition and the current density were appropriately selected according to the desired plating layer.
これらの供試材について、結晶配向性、メッキ密着性
および耐摩耗性を調査した。結晶配向性調査のためのX
線回折は、一次X線源はCuKα線、40kV、300mA、走査ス
ピード4゜/min、入射角2゜で行い、結晶配向性は
〔〈111〉/(〈111〉+〈200〉+〈220〉+〈311〉+
〈222〉)〕×100で表示した。For these test materials, the crystal orientation, plating adhesion, and wear resistance were investigated. X for investigating crystal orientation
The X-ray diffraction was performed with a primary X-ray source of CuKα ray, 40 kV, 300 mA, a scanning speed of 4 ° / min, and an incident angle of 2 °, and the crystal orientation was [<111> / (<111> + <200> + <220 > + 〈311〉 +
<222>)] × 100.
メッキ密着性はメッキ面に、1mmクロスカットを100個
切った後、直径5mm、180゜曲げを行いテープ剥離テスト
で評価した。The plating adhesion was evaluated by a tape peeling test after cutting 100 pieces of 1 mm cross cuts on the plating surface, bending them to a diameter of 5 mm and bending 180 °.
耐摩耗性は実施例1と同じ転動摩耗試験機を用いて調
査した。The wear resistance was investigated using the same rolling wear tester as in Example 1.
その結果を第4−1表および第4−2表に、メッキ層
のP含有量および厚さとともに併記する。The results are shown in Tables 4-1 and 4-2 together with the P content and the thickness of the plating layer.
第4−1表および第4−2表から明らかなように、本
発明例のチタン合金に電解Ni−Pメッキを施した複合材
は、P含有量を4重量%未満にし、結晶面方位〈111〉
の積分強度を90%以下にしているため、メッキ層の靭性
が優れ、良好な耐摩耗性を示している。また、密着性は
良好で、硬さもHV500以上である。勿論、メッキを施し
ていない母材ままのチタン合金は耐摩耗性に劣ってい
る。 As is clear from Tables 4-1 and 4-2, the composite material obtained by subjecting the titanium alloy of the present invention to electrolytic Ni-P plating has a P content of less than 4% by weight and a crystal plane orientation <111>
Is 90% or less, the plating layer has excellent toughness and good wear resistance. The adhesiveness is good and the hardness is HV500 or more. Of course, the unplated base titanium alloy is inferior in wear resistance.
一方、比較例は、P含有量が4重量%以上で、結晶面
方位〈111〉の積分強度が90%以上のため、メッキ層が
脆くなり、耐摩耗性が劣っている。On the other hand, in the comparative example, since the P content is 4% by weight or more and the integrated intensity of the crystal plane orientation <111> is 90% or more, the plating layer becomes brittle and the wear resistance is poor.
本発明の複合材で狙いとする転動疲労寿命特性を付与
するためには、メッキ層の母材との密着性、メッキ層の
靭性、メッキ層の硬さが重要である。したがって、実施
例で説明したように、内層にはP含有量を4重量%以上
にし、結晶面方位〈111〉をメインとするメッキを、外
層にはP含有量を4重量%未満にし、結晶面方位〈11
1〉の積分強度が90%以下のメッキを施すことが肝要で
ある。In order to provide the desired rolling fatigue life characteristics in the composite material of the present invention, the adhesion of the plating layer to the base material, the toughness of the plating layer, and the hardness of the plating layer are important. Therefore, as described in the examples, the inner layer is made to have a P content of 4% by weight or more, the plating mainly having the crystal plane orientation <111> is performed, and the outer layer is made to have a P content of less than 4% by weight. Plane orientation <11
It is important to apply plating in which the integrated intensity of 1> is 90% or less.
(発明の効果) 以上説明したように、本発明はチタンまたはチタン合
金及びアルミまたはアルミ合金の表面粗度を調整した
後、被メッキ材表面の結晶面方位とメッキの結晶面方位
との整合性を保つために、P含有量を4重量%以上にし
た内層と、さらに、メッキ層の靭性を改善し耐摩耗性を
確保するために、P含有量を4重量%未満、硬さHV500
以上の外層の少なくとも二層の電解Ni−Pメッキ層をチ
タンまたはチタン合金及びアルミまたはアルミ合金に施
すものである。(Effects of the Invention) As described above, according to the present invention, after adjusting the surface roughness of titanium or a titanium alloy and aluminum or an aluminum alloy, consistency between the crystal plane direction of the surface of the material to be plated and the crystal plane direction of plating is adjusted. In order to maintain the P content, the inner layer having a P content of 4% by weight or more, and further, in order to improve the toughness of the plating layer and secure wear resistance, the P content is less than 4% by weight, and the hardness is HV500.
At least two electrolytic Ni-P plating layers of the above outer layers are applied to titanium or a titanium alloy and aluminum or an aluminum alloy.
したがって、本発明は、軽くて高強度のチタン及びチ
タン合金並びにアルミ及びアルミ合金を母材とし、これ
らに電解Ni−Pメッキを施すことにより、チタン及びチ
タン合金並びにアルミ及びアルミ合金に耐摩耗性を付与
することができるという優れた効果を有するものであ
る。Therefore, the present invention is based on the fact that titanium and titanium alloy and aluminum and aluminum alloy which are light and high-strength are used as a base material and which are subjected to electrolytic Ni-P plating to provide titanium and titanium alloy and aluminum and aluminum alloy with wear resistance. Has an excellent effect of being able to impart the following.
第1図は転動摩耗試験方法の概略図を、第2図はWC皮
膜、電解Ni−Pメッキおよび母材の転動疲労寿命を、第
3図は電解Ni−Pメッキ厚さと転動疲労寿命との関係
を、第4図は転動摩耗のモデルと接触圧、せん断力の概
念を、第5図および第6図はX線回折図形を示す図であ
る。 1……試験片 2……評価面 3……ボールベアリング 4……ベアリングレース 5……回転軸Fig. 1 is a schematic diagram of the rolling wear test method, Fig. 2 is the rolling fatigue life of the WC film, electrolytic Ni-P plating and base metal, and Fig. 3 is the electrolytic Ni-P plating thickness and rolling fatigue. FIG. 4 is a diagram showing the relationship with the life, FIG. 4 is a model of rolling wear and the concept of contact pressure and shear force, and FIGS. 5 and 6 are X-ray diffraction patterns. 1 ... test piece 2 ... evaluation surface 3 ... ball bearing 4 ... bearing race 5 ... rotating shaft
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 寺田 好則 兵庫県高砂市荒井町小松原5丁目10―17 (56)参考文献 特開 昭61−170596(JP,A) 特開 昭59−185794(JP,A) 特開 昭58−146763(JP,A) 特開 平1−106909(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C25D 5/00 - 7/12──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Yoshinori Terada 5-10-17 Komatsubara, Arai-machi, Takasago-shi, Hyogo (56) References JP-A-61-170596 (JP, A) JP-A-59-185794 (JP) JP-A-58-147673 (JP, A) JP-A-1-106909 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) C25D 5/00-7/12
Claims (4)
粗面化したチタンまたはチタン合金及びアルミまたはア
ルミ合金の表面に、P含有量4重量%以上で、メッキの
結晶面方位〈111〉をメインとする内層と、P含有量4
重量%未満で、メッキ硬さHV500以上の外層の少なくと
も二層のNi−Pメッキ層を被覆したことを特徴とする転
動疲労寿命に優れた機械構造用複合材。1. The method according to claim 1, wherein the surface of titanium or a titanium alloy or aluminum or an aluminum alloy whose surface is Ra 0.5 μm or more and whose PPI 50 is roughened to 130 or more has a P content of 4% by weight or more and a plating crystal plane orientation <111> as main layer and P content 4
A composite material for mechanical structure having excellent rolling fatigue life, characterized by being coated with at least two Ni-P plating layers of an outer layer having a plating hardness of HV500 or more at a weight percentage of less than 500%.
連続的に変化することを特徴とする請求項(1)の転動
疲労寿命に優れた機械構造用複合材。2. The composite material according to claim 1, wherein the concentration of P in the Ni—P plating layer changes continuously between the inner layer and the outer layer.
の積分強度が下記式を満足することを特徴とする請求
項(1)の転動疲労寿命に優れた機械構造用複合材。 〔〈111〉/(〈111〉+〈200〉+〈220〉+〈311〉 +〈222〉)〕×100≦90 ……3. The crystal plane orientation <111> of Ni-P plating of an outer layer.
3. The composite material for a mechanical structure having excellent rolling fatigue life according to claim 1, wherein the integrated strength of the composite material satisfies the following expression. [<111> / (<111> + <200> + <220> + <311> + <222>)) × 100 ≦ 90 ……
アルミ合金の表面が、弗酸塩を含む溶液により表面粗化
処理を施されていることを特徴とする請求項(1)の転
動疲労寿命に優れた機械構造用複合材4. The rolling fatigue life according to claim 1, wherein the surface of titanium or titanium alloy and aluminum or aluminum alloy is subjected to a surface roughening treatment with a solution containing a fluoride. Excellent mechanical structural composite
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP22057690A JP2777468B2 (en) | 1990-08-21 | 1990-08-21 | Composite material for mechanical structure with excellent rolling fatigue life |
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