JP3231336B2 - 摺動部材及びその表面処理方法ならびにロータリーコンプレッサーベーン - Google Patents
摺動部材及びその表面処理方法ならびにロータリーコンプレッサーベーンInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、ロータリー型コンプレッサー用ベーン又は
デファレンシャル、トランスミッション用ワッシャ等の
ように、片当り又は局部荷重が加わるような高負荷で使
用される摺動部材に関し、より詳しく述べるならば、素
材として使用されるアルミニウム合金に摺動特性の向上
を目的とする表面処理を施した摺動部材に関するもので
ある。また、本発明はアルミニウム合金の表面処理方法
に関するものである。
デファレンシャル、トランスミッション用ワッシャ等の
ように、片当り又は局部荷重が加わるような高負荷で使
用される摺動部材に関し、より詳しく述べるならば、素
材として使用されるアルミニウム合金に摺動特性の向上
を目的とする表面処理を施した摺動部材に関するもので
ある。また、本発明はアルミニウム合金の表面処理方法
に関するものである。
背景技術 上記したコンプレッサーなどを軽量化するために摺動
部材及び相手材の双方がアルミニウム製となることが多
く、この場合アルミニウムどうしの摺動となるために次
のような表面処理が摺動部材であるベーンに施されてい
る。
部材及び相手材の双方がアルミニウム製となることが多
く、この場合アルミニウムどうしの摺動となるために次
のような表面処理が摺動部材であるベーンに施されてい
る。
その一つでは、例えばベーン表面に耐摩耗性に優れた
無電解Ni−Ｐめっきもしくは無電解Ni−Ｂめっきを施す
ことである。別の表面処理では、無電解Ni−Ｐめっき皮
膜に硬質物、固体湿潤剤等を分散させることにより摺動
特性を向上することも行われている。また、無電解Ni−
Ｐめっき皮膜を300℃以下に加熱することにより硬化さ
せ耐摩耗性を向上させることも行われている。
無電解Ni−Ｐめっきもしくは無電解Ni−Ｂめっきを施す
ことである。別の表面処理では、無電解Ni−Ｐめっき皮
膜に硬質物、固体湿潤剤等を分散させることにより摺動
特性を向上することも行われている。また、無電解Ni−
Ｐめっき皮膜を300℃以下に加熱することにより硬化さ
せ耐摩耗性を向上させることも行われている。
一般に摺動部材の表面処理に使用されている無電解Ni
−ＰめっきはＰ含有量が６〜10％の中・高Ｐ型であっ
て、めっき後のHv450〜500の硬度が熱処理によりHv700
〜800という極めて高い硬度まで上昇することを利用し
て摺動特性を向上させている。例えば特開昭64−32087
号公報によるとベーンにＰ含有量が８〜10％の無電解Ni
−Ｐめっき皮膜を形成し、熱処理によりHv700〜800程度
まで硬度を上昇させている。しかしHv700〜800もの高い
皮膜硬度を得るための高い熱処理温度では、アルミニウ
ム合金は材料強度が低下するため、熱処理温度に限界が
あり、実際的にはHv500〜600程度の硬度をもつ皮膜しか
得られない。
−ＰめっきはＰ含有量が６〜10％の中・高Ｐ型であっ
て、めっき後のHv450〜500の硬度が熱処理によりHv700
〜800という極めて高い硬度まで上昇することを利用し
て摺動特性を向上させている。例えば特開昭64−32087
号公報によるとベーンにＰ含有量が８〜10％の無電解Ni
−Ｐめっき皮膜を形成し、熱処理によりHv700〜800程度
まで硬度を上昇させている。しかしHv700〜800もの高い
皮膜硬度を得るための高い熱処理温度では、アルミニウ
ム合金は材料強度が低下するため、熱処理温度に限界が
あり、実際的にはHv500〜600程度の硬度をもつ皮膜しか
得られない。
特開平８−158,058号公報によると、Ｐ−0.5〜3.0wt
％、Ｂ−0.05〜2.0wt％のNi−Ｐ−Ｂ系無電解めっきを
アルミニウム合金母材に施した摺動部材が提案されてい
る。この無電解めっき皮膜は、母材であるアルミニウム
合金の硬度を著しく低下させない温度での熱処理によっ
てHv800以上の極めて高い硬度に硬化される特長を有し
ている。
％、Ｂ−0.05〜2.0wt％のNi−Ｐ−Ｂ系無電解めっきを
アルミニウム合金母材に施した摺動部材が提案されてい
る。この無電解めっき皮膜は、母材であるアルミニウム
合金の硬度を著しく低下させない温度での熱処理によっ
てHv800以上の極めて高い硬度に硬化される特長を有し
ている。
また無電解Ni−Ｂめっきは、めっき皮膜中のＢ含有量
が0.3〜0.8重量％のものが摺動材料の表面処理として用
いられている。無電解Ni−Ｂめっき皮膜は熱処理によっ
てHv800程度まで硬度が上昇するものの、めっき皮膜に
発生するふくれ欠陥が助長される傾向があるので、特に
厳しい試験条件下ではめっき皮膜に異常摩耗が起こるこ
とがあった。
が0.3〜0.8重量％のものが摺動材料の表面処理として用
いられている。無電解Ni−Ｂめっき皮膜は熱処理によっ
てHv800程度まで硬度が上昇するものの、めっき皮膜に
発生するふくれ欠陥が助長される傾向があるので、特に
厳しい試験条件下ではめっき皮膜に異常摩耗が起こるこ
とがあった。
従来、摺動部材の表面に施されるNi−Ｐめっき皮膜は
熱処理により高い硬度が得られる中・高Ｐ型のものが使
用されていたが、耐摩耗性は期待されたレベルには達し
なかった。特に、ベーンの相手材であるロータ、ハウジ
ングのAl−Si合金中の初晶Siが50μｍ以上に粗大になり
かつ／またはSi粒子個数が300個/mm2以上と多くなると
高Ｐ型無電解めっき皮膜に異常摩耗が発生した。また荷
重が増大したときベーンの面圧が増大し、異常摩耗が発
生した。
熱処理により高い硬度が得られる中・高Ｐ型のものが使
用されていたが、耐摩耗性は期待されたレベルには達し
なかった。特に、ベーンの相手材であるロータ、ハウジ
ングのAl−Si合金中の初晶Siが50μｍ以上に粗大になり
かつ／またはSi粒子個数が300個/mm2以上と多くなると
高Ｐ型無電解めっき皮膜に異常摩耗が発生した。また荷
重が増大したときベーンの面圧が増大し、異常摩耗が発
生した。
また、公知のNi−Ｐ−Ｂ無電解めっき皮膜はＰ含有量
は通常のNi−Ｐ無電解めっき皮膜のものよりは低いもの
の、Niの結晶性はかなり乱されており、ひいては摺動特
性上の問題を起こしている。これは少量のＢでもNiの結
晶性を乱すことに起因することが分かった。
は通常のNi−Ｐ無電解めっき皮膜のものよりは低いもの
の、Niの結晶性はかなり乱されており、ひいては摺動特
性上の問題を起こしている。これは少量のＢでもNiの結
晶性を乱すことに起因することが分かった。
したがって、本発明は高い局部荷重が加えられるよう
な用途に使用でき、優れた摺動特性を有するNi系無電解
めっきを皮膜を施したアルミニウム系摺動部材を提供す
ることを一つの目的とする。
な用途に使用でき、優れた摺動特性を有するNi系無電解
めっきを皮膜を施したアルミニウム系摺動部材を提供す
ることを一つの目的とする。
さらに、本発明は低Ｐ型無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜
の摺動特性を向上する表面処理法を提供することを目的
とする。
の摺動特性を向上する表面処理法を提供することを目的
とする。
発明の開示 本発明者は、無電解Ni−Ｐ及びNi−Ｐ−Ｂめっき皮膜
が施されたアルミニウム合金からなる素材の摺動特性を
改良するべく鋭意研究したところ、意外にも低Ｐ型Ni−
Ｐ無電解めっきに少量のＢを添加した無電解めっき皮膜
は結晶性の乱れが少なく、また熱処理温度が低い場合の
硬度が高いことを見出した。
が施されたアルミニウム合金からなる素材の摺動特性を
改良するべく鋭意研究したところ、意外にも低Ｐ型Ni−
Ｐ無電解めっきに少量のＢを添加した無電解めっき皮膜
は結晶性の乱れが少なく、また熱処理温度が低い場合の
硬度が高いことを見出した。
この知見により完成した、本発明の摺動部材は、アル
ミニウム合金からなる素材の摺動面にP0.05〜５重量％
及びB0.01〜0.04重量％を含有する無電解Ni−Ｐ−Ｂめ
っき皮膜を形成した摺動部材である。
ミニウム合金からなる素材の摺動面にP0.05〜５重量％
及びB0.01〜0.04重量％を含有する無電解Ni−Ｐ−Ｂめ
っき皮膜を形成した摺動部材である。
本発明に係る摺動部材表面処理方法の第一の方法は、
アルミニウム合金からなる素材の摺動面に形成されたP
0.05〜５重量％及びB0.01〜0.04重量％を含有する無電
解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜にバレル研摩処理を施す方法で
ある。
アルミニウム合金からなる素材の摺動面に形成されたP
0.05〜５重量％及びB0.01〜0.04重量％を含有する無電
解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜にバレル研摩処理を施す方法で
ある。
本発明の第二の方法は、アルミニウム合金からなる素
材の摺動面に形成されたP0.05〜５重量％及びB0.01〜0.
04重量％を含有する無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜にショ
ットブラスト処理を施す方法である。
材の摺動面に形成されたP0.05〜５重量％及びB0.01〜0.
04重量％を含有する無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜にショ
ットブラスト処理を施す方法である。
本発明の第三の方法は、アルミニウム合金からなる素
材の摺動面に形成されたＰ含有量0.05〜５重量％及びB
0.01〜0.04重量％を含有する無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮
膜にレーザービームを照射する方法である。
材の摺動面に形成されたＰ含有量0.05〜５重量％及びB
0.01〜0.04重量％を含有する無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮
膜にレーザービームを照射する方法である。
本発明の第四の方法は、アルミニウム合金からなる素
材の摺動面に形成されたP0.05〜５重量％及びB0.01〜0.
04重量％を含有する無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜に高周
波誘導熱処理を施す方法である。
材の摺動面に形成されたP0.05〜５重量％及びB0.01〜0.
04重量％を含有する無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜に高周
波誘導熱処理を施す方法である。
上記無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜は、Ni結晶内に入り
込み皮膜の硬度を高めるCo0.1〜1.0重量％及び／又はW
0.05〜1.0重量％をさらに含有することができる。
込み皮膜の硬度を高めるCo0.1〜1.0重量％及び／又はW
0.05〜1.0重量％をさらに含有することができる。
図面の簡単な説明 第１図は本発明の組成範囲内の無電解Ni−Ｐ−Ｂめっ
き皮膜のＸ線回折像である。
き皮膜のＸ線回折像である。
第２図は、本発明の組成範囲よりP,B量が多い無電解N
i−Ｐ−Ｂめっき皮膜のＸ線回折像である。
i−Ｐ−Ｂめっき皮膜のＸ線回折像である。
第３図は、低P,B無電解めっき皮膜の組織を電子顕微
鏡により観察した写真（倍率1000倍）である。
鏡により観察した写真（倍率1000倍）である。
第４図は、低P,B無電解めっき皮膜をショットブラス
ト処理した後の組織を電子顕微鏡により観察した写真
（倍率1000倍）である。
ト処理した後の組織を電子顕微鏡により観察した写真
（倍率1000倍）である。
第５図は、低Ｐ、Ｂ無電解めっき皮膜をバレル研摩し
た後の組織を電子顕微鏡により観察した写真（倍率1000
倍）である。
た後の組織を電子顕微鏡により観察した写真（倍率1000
倍）である。
第６図は、高P,B無電解めっき皮膜の写真（倍率1000
倍）である。
倍）である。
第７図は、Ｐ含有量が２重量％,B含有量が0.02重量％
の無電解めっき皮膜の表面硬度と熱処理温度の関係を示
すグラフである。
の無電解めっき皮膜の表面硬度と熱処理温度の関係を示
すグラフである。
第８図は、アルミニウム合金基材硬さと熱処理温度の
関係を示すグラフである。
関係を示すグラフである。
第９図は、Ｐ含有量が2.8重量％,B含有量が0.02重量
％の無電解めっき皮膜の表面硬度と熱処理時間の関係を
示すグラフである。
％の無電解めっき皮膜の表面硬度と熱処理時間の関係を
示すグラフである。
第10図は、摩耗試験の説明図である。
発明を実施するための最良の形態 本発明における、Ｐ含有量が0.05〜５重量％の低Ｐ型
無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜は、Ｐ含有量が少ないため
にNiの結晶格子の歪が少なくめっき皮膜の結晶性が優れ
ている。さらに、Ｂ含有量が0.01重量％未満であるとな
じみ性が不足し、一方0.04重量％を超えるとNi結晶の歪
が多くなり、外力に対して不均一変形が起こり易くなっ
て、クラック、疲労をもたらすので、本発明においては
Ｂ含有量が0.01〜0.05重量％の範囲内である。
無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜は、Ｐ含有量が少ないため
にNiの結晶格子の歪が少なくめっき皮膜の結晶性が優れ
ている。さらに、Ｂ含有量が0.01重量％未満であるとな
じみ性が不足し、一方0.04重量％を超えるとNi結晶の歪
が多くなり、外力に対して不均一変形が起こり易くなっ
て、クラック、疲労をもたらすので、本発明においては
Ｂ含有量が0.01〜0.05重量％の範囲内である。
また、Ｐ及びＢを上記の範囲で添加された無電解Niめ
っき皮膜は、熱処理により硬さが上昇し耐摩耗性が向上
する。
っき皮膜は、熱処理により硬さが上昇し耐摩耗性が向上
する。
また、上記のＰ含有量範囲では無電解めっき皮膜に発
生する引張内部応力（めっき厚さ10〜30μｍのNi−Ｐ皮
膜で１〜5kg/mm2）に起因する剥離、クラック、ふくれ
あるいは疲労強度の低下などの現象はみられない。さら
に上記範囲で極微量添加したＢは圧縮応力を発生させる
（めっき厚さ10〜30μｍのNi−Ｂ皮膜で−0.1〜1.5kg/m
m2）ため、無電解Ni−Ｐめっき皮膜の引張応力を緩和
し、この結果内部応力に起因するクラックや疲労が起こ
り難くなる。
生する引張内部応力（めっき厚さ10〜30μｍのNi−Ｐ皮
膜で１〜5kg/mm2）に起因する剥離、クラック、ふくれ
あるいは疲労強度の低下などの現象はみられない。さら
に上記範囲で極微量添加したＢは圧縮応力を発生させる
（めっき厚さ10〜30μｍのNi−Ｂ皮膜で−0.1〜1.5kg/m
m2）ため、無電解Ni−Ｐめっき皮膜の引張応力を緩和
し、この結果内部応力に起因するクラックや疲労が起こ
り難くなる。
上記の無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜にバレル研摩処
理、ショットブラスト処理、レーザービーム処理及び高
周波誘導熱処理を施すと結晶が大きく歪まず変形や溶融
が一様に進行するために、摺動特性の上で好ましい結晶
構造や高い皮膜硬さ等の表面状態が得られる。具体的に
は、めっき後の皮膜表面には結晶粒界が認められるが、
例えばバレル研摩やショットブラスト処理により表面が
押しつぶされるに伴い表面近傍で結晶粒界がなくなり、
より平滑で硬質な状態が得られる。無電解Ni−Ｐ−Ｂめ
っき皮膜のＰ含有量が0.05％未満であると無電解めっき
自体が困難であり、また耐焼付性の面で摺動特性は優れ
ない。一方Ｐ含有量が５重量％を超えると、組織がNi−
Ｐ−Ｂ化合物と非晶質構造の複合組織となり易い。この
組織ではNi−Ｐ−Ｂ化合物析出界面，結晶粒界などの変
形し易い場所が多いために外力が加わると不均一変形が
起こり易い。また、融液の液相線と固相線の差が大きい
ために、レーザービームによる高密度エネルギーが加え
られると凝固後の偏析が大きくなり、また融液の流動が
激しく結晶歪みが大きくなる。なお、Ｐ含有量は1.5〜
2.5重量％である。Ｂ含有量は0.01〜0.04重量％であ
る。
理、ショットブラスト処理、レーザービーム処理及び高
周波誘導熱処理を施すと結晶が大きく歪まず変形や溶融
が一様に進行するために、摺動特性の上で好ましい結晶
構造や高い皮膜硬さ等の表面状態が得られる。具体的に
は、めっき後の皮膜表面には結晶粒界が認められるが、
例えばバレル研摩やショットブラスト処理により表面が
押しつぶされるに伴い表面近傍で結晶粒界がなくなり、
より平滑で硬質な状態が得られる。無電解Ni−Ｐ−Ｂめ
っき皮膜のＰ含有量が0.05％未満であると無電解めっき
自体が困難であり、また耐焼付性の面で摺動特性は優れ
ない。一方Ｐ含有量が５重量％を超えると、組織がNi−
Ｐ−Ｂ化合物と非晶質構造の複合組織となり易い。この
組織ではNi−Ｐ−Ｂ化合物析出界面，結晶粒界などの変
形し易い場所が多いために外力が加わると不均一変形が
起こり易い。また、融液の液相線と固相線の差が大きい
ために、レーザービームによる高密度エネルギーが加え
られると凝固後の偏析が大きくなり、また融液の流動が
激しく結晶歪みが大きくなる。なお、Ｐ含有量は1.5〜
2.5重量％である。Ｂ含有量は0.01〜0.04重量％であ
る。
無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜の厚さは５〜40μｍが一
般的であり、より好ましくは10〜20μｍである。
般的であり、より好ましくは10〜20μｍである。
続いて図面を参照して本発明の特長をより詳しく説明
する。
する。
第１図はP2.0重量％及びB0.02重量％を含有する無電
解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜（ａ）のＸ線回折像を示し、又
第２図はP8重量％及びB3重量％を含有する無電解Ni−Ｐ
−Ｂめっき皮膜（ｂ）のＸ線回折像を示す。これらの図
において、第１図の皮膜（ａ）はＰ及びＢ含有量が本発
明範囲内であり、第２図の皮膜（ｂ）はこれらが本発明
範囲を超えるめっき皮膜のＸ線回折像である。これらを
比較すると、前者の方が後者より（111）ピークがシャ
ープであることが分かる。
解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜（ａ）のＸ線回折像を示し、又
第２図はP8重量％及びB3重量％を含有する無電解Ni−Ｐ
−Ｂめっき皮膜（ｂ）のＸ線回折像を示す。これらの図
において、第１図の皮膜（ａ）はＰ及びＢ含有量が本発
明範囲内であり、第２図の皮膜（ｂ）はこれらが本発明
範囲を超えるめっき皮膜のＸ線回折像である。これらを
比較すると、前者の方が後者より（111）ピークがシャ
ープであることが分かる。
上記した二種類の無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜を施し
たアルミニウム合金を、荷重1470N、速度0.12m/sの条件
で５時間往復摺動試験したところ皮膜の比摩耗量（10-9
mm2/kg）は以下のとおりとなった。
たアルミニウム合金を、荷重1470N、速度0.12m/sの条件
で５時間往復摺動試験したところ皮膜の比摩耗量（10-9
mm2/kg）は以下のとおりとなった。
皮膜（ａ）:0.5 皮膜（ｂ）:5.0 無電解Ni−Ｐ−ＢめっきのP,B含有量が摺動特性に及
ぼす影響をさらに調べるために、後者の皮膜（ｂ）のめ
っき後の硬度Hv0.1＝850とほぼ同じ硬度にするため前者
の皮膜（ａ）を200℃で３時間熱処理した。これら二種
類のめっき皮膜を有する試料を荷重9.8Nの条件で平板回
転摩耗試験したところ次の摩耗量（mg/1000回転）が得
られた。
ぼす影響をさらに調べるために、後者の皮膜（ｂ）のめ
っき後の硬度Hv0.1＝850とほぼ同じ硬度にするため前者
の皮膜（ａ）を200℃で３時間熱処理した。これら二種
類のめっき皮膜を有する試料を荷重9.8Nの条件で平板回
転摩耗試験したところ次の摩耗量（mg/1000回転）が得
られた。
皮膜（ａ）:0.2 皮膜（ｂ）:0.8 以上の結果から、無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜のＰ及
びＢ量を低くすると、皮膜の配向性が高まり、これに伴
い耐摩耗性を向上していることが分かる。これに対して
P,B量が多く硬度が同じ無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜
（ｂ）は配向性が低く、また（111）結晶と方位が異な
り、その結果粒界の面積や格子不整合を起こす結晶の割
合が大きくなり、これが原因となって摩耗が進行し易く
なると考えられる。
びＢ量を低くすると、皮膜の配向性が高まり、これに伴
い耐摩耗性を向上していることが分かる。これに対して
P,B量が多く硬度が同じ無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜
（ｂ）は配向性が低く、また（111）結晶と方位が異な
り、その結果粒界の面積や格子不整合を起こす結晶の割
合が大きくなり、これが原因となって摩耗が進行し易く
なると考えられる。
本発明の第一の方法で採用されるバレル研摩は、ベー
ン、研摩媒体としてのポリエステル系媒体等のバレル材
及び水を回転容器の中に入れて回転もしくは振動を行
い、めっき皮膜表面を平滑にしかつ硬化する処理であ
る。研摩条件としては、回転数240rpm,時間５分を好ま
しく採用することができる。
ン、研摩媒体としてのポリエステル系媒体等のバレル材
及び水を回転容器の中に入れて回転もしくは振動を行
い、めっき皮膜表面を平滑にしかつ硬化する処理であ
る。研摩条件としては、回転数240rpm,時間５分を好ま
しく採用することができる。
低Ｐ−低Ｂ無電解Niめっき皮膜をバレル研摩した後の
組織を、走査型電子顕微鏡により観察したところ、高Ｐ
−Ｂ無添加無電解Niめっき皮膜とは均一性に本質的に差
があった。
組織を、走査型電子顕微鏡により観察したところ、高Ｐ
−Ｂ無添加無電解Niめっき皮膜とは均一性に本質的に差
があった。
本発明の第二の方法で採用されるショットブラスト処
理は鋼などの粒子を高速で無電解めっき面に衝突させ、
表面に圧縮応力を発生させる処理である。より好ましく
は、ショットにより無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜の温度
を再結晶温度以上に高めるとともに、めっき皮膜表面に
おいてある程度の塑性変形を招いて、めっき直後とは異
なる結晶形態の微細組織を発生させる条件を設定する。
再結晶組織は配向性が高いめっき組織の方位をかなり引
継ぐために、配向性と微細化の結果さらに組織の緻密性
が高められる。具体的にはショット粒子は、硬度がHv60
0以上のスチール又はAl2O3等の硬質ビーズ又はカーボン
等を使用し、粒径は0.03〜0.4μｍの範囲とし、投射速
度は80m/sec以上とする。
理は鋼などの粒子を高速で無電解めっき面に衝突させ、
表面に圧縮応力を発生させる処理である。より好ましく
は、ショットにより無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜の温度
を再結晶温度以上に高めるとともに、めっき皮膜表面に
おいてある程度の塑性変形を招いて、めっき直後とは異
なる結晶形態の微細組織を発生させる条件を設定する。
再結晶組織は配向性が高いめっき組織の方位をかなり引
継ぐために、配向性と微細化の結果さらに組織の緻密性
が高められる。具体的にはショット粒子は、硬度がHv60
0以上のスチール又はAl2O3等の硬質ビーズ又はカーボン
等を使用し、粒径は0.03〜0.4μｍの範囲とし、投射速
度は80m/sec以上とする。
低Ｐ−低Ｂ無電解めっき皮膜の組織を観察した写真
（倍率1000倍）を第３図に示し、高Ｐ−Ｂ無電解めっき
皮膜の写真（倍率1000倍）を第６図に示す。これらの比
較より低Ｐ−Ｂ無電解めっき皮膜では組織が微細かつ緻
密になっていることが分かる。また、ショットブラスト
処理した後の写真（倍率1000倍）及びバレル研磨した後
の写真（倍率1000倍）を各々第４、５図に示す。これら
の処理は、組織をさらに微細・緻密化していることが分
かる。
（倍率1000倍）を第３図に示し、高Ｐ−Ｂ無電解めっき
皮膜の写真（倍率1000倍）を第６図に示す。これらの比
較より低Ｐ−Ｂ無電解めっき皮膜では組織が微細かつ緻
密になっていることが分かる。また、ショットブラスト
処理した後の写真（倍率1000倍）及びバレル研磨した後
の写真（倍率1000倍）を各々第４、５図に示す。これら
の処理は、組織をさらに微細・緻密化していることが分
かる。
本発明の第三の方法で採用されるレーザー照射処理
は、無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜を瞬間的かつ局部的に
溶融させる処理であって、この結果融液は周囲のNi−Ｐ
−Ｂ及び基材に熱を奪われて凝固する。この場合溶融を
局部的に行うので、融液からの奪熱量が非常に多くなり
急冷凝固となり、Ｐ及びＢがNi結晶中に強制的に固溶さ
れて硬化が起こりかつ結晶粒も微細になる。レーザーの
種類としては、特に制限はないが、100〜400W/cm2（ビ
ーム面積）程度の出力を有するYAGパルスレーザーを好
ましく使用することができる。
は、無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜を瞬間的かつ局部的に
溶融させる処理であって、この結果融液は周囲のNi−Ｐ
−Ｂ及び基材に熱を奪われて凝固する。この場合溶融を
局部的に行うので、融液からの奪熱量が非常に多くなり
急冷凝固となり、Ｐ及びＢがNi結晶中に強制的に固溶さ
れて硬化が起こりかつ結晶粒も微細になる。レーザーの
種類としては、特に制限はないが、100〜400W/cm2（ビ
ーム面積）程度の出力を有するYAGパルスレーザーを好
ましく使用することができる。
レーザー照射の操作はレーザーガンと摺動部材を相対
移動させ、後者の摺動部に順次前者のスポットが照射さ
れるように適宜治具を使用して行う。
移動させ、後者の摺動部に順次前者のスポットが照射さ
れるように適宜治具を使用して行う。
次に、無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜のレーザー照射に
よる硬化の一例を示す。
よる硬化の一例を示す。
レーザー照射条件は下記のとおりである。
レーザー種類:YAGパルス レーザー出力:100〜400W/cm2 レーザービーム直径:2cm レーザー走査速度:10cm/sec 無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜：厚さ20μｍ 第１表よりＰ＝1.5〜3.6％,B＝0.02〜0.03％の範囲で
極めて大きな硬化が起こることが分かる。
極めて大きな硬化が起こることが分かる。
本発明の第四の方法で採用される高周波熱処理は上記
したＰ及びＢの強制固溶を高周波誘導加熱により行うも
のである。高周波加熱は母材であるアルミニウム合金の
温度が好ましくは200℃以下に保たれるように、Niのキ
ュリー点（631K）をめっき皮膜の温度が超えず、渦電流
がめっき皮膜に集中し母材にはできるだけ流れないよう
にする必要がある。高周波の周波数は70kHz以上が好ま
しい。
したＰ及びＢの強制固溶を高周波誘導加熱により行うも
のである。高周波加熱は母材であるアルミニウム合金の
温度が好ましくは200℃以下に保たれるように、Niのキ
ュリー点（631K）をめっき皮膜の温度が超えず、渦電流
がめっき皮膜に集中し母材にはできるだけ流れないよう
にする必要がある。高周波の周波数は70kHz以上が好ま
しい。
次に、無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜の高周波熱処理に
よる硬化の一例を示す。
よる硬化の一例を示す。
高周波熱処理条件は下記のとおりである。なお、第２
表よりＰ＝1.5〜3.6％,B＝0.02〜0.03％の範囲で極めて
大きな硬化が起こることが分かる。
表よりＰ＝1.5〜3.6％,B＝0.02〜0.03％の範囲で極めて
大きな硬化が起こることが分かる。
周波数:100kHz 高周波出力:80KW 無電解Ni−Ｐめっき皮膜：厚さ0.02mm 上記した本発明の第一〜第四の処理を施される低Ｐ−
低Ｂ添加無電解Niめっき皮膜の素材に対する密着性を高
めるために下地として中・高Ｐ無電解Ni−Ｐめっき皮膜
を施すことができる。
低Ｂ添加無電解Niめっき皮膜の素材に対する密着性を高
めるために下地として中・高Ｐ無電解Ni−Ｐめっき皮膜
を施すことができる。
但し、高Ｐ型Ni−Ｐ無電解めっき皮膜は、配向性が低
く（111）比強度は高々60％程度である。この下地に接
して形成される低P,低Ｂ型添加無電解めっき皮膜は下地
の影響を受けて配向性が若干低下する。
く（111）比強度は高々60％程度である。この下地に接
して形成される低P,低Ｂ型添加無電解めっき皮膜は下地
の影響を受けて配向性が若干低下する。
したがって、中・高Ｐ皮膜は、配向性を犠牲にしても
よい場合優れた密着性を利用するために低Ｐ−低Ｂ型向
電解Niめっき皮膜の下地として使用する。
よい場合優れた密着性を利用するために低Ｐ−低Ｂ型向
電解Niめっき皮膜の下地として使用する。
高Ｐ無電解Ni−Ｐめっき皮膜のＰ含有量は0.5〜15重
量％が好ましい。より好ましいＰ含有量は５〜８重量％
である。Coは0.1〜1.0重量％添加することができる。
量％が好ましい。より好ましいＰ含有量は５〜８重量％
である。Coは0.1〜1.0重量％添加することができる。
上記した本発明の第一〜第四の方法による処理を施さ
れる低P,低Ｂ型無電解Niめっき皮膜を熱処理により表面
硬化させ、耐摩耗性を向上させることも可能である。
れる低P,低Ｂ型無電解Niめっき皮膜を熱処理により表面
硬化させ、耐摩耗性を向上させることも可能である。
第７図は2.8重量％Ｐ−0.02重量％Ｂを含有する無電
解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜の熱処理温度（１時間保持）と
表面硬度の関係を示すグラフであり、第８図はアルミニ
ウム合金基材の硬さと熱処理温度の関係を示すグラフで
ある。ここで、表面硬度はビッカース硬度計（荷重0.1k
g）を使用し、硬さはロックウェルＢ硬度計を使用し、
それぞれ試料の表面硬度を測定することにより求めたも
のである。すなわち測定荷重の大小により圧痕深さが異
なることを利用して測定部位を変えたものである。ま
た、図中の符号 は３個の試料を指す。これら第７、８図より熱処理は表
面硬度を僅かに増大させるが、220℃以下の熱処理温度
ではアルミニウム合金基材の硬さをほとんど変化させな
いことが分かる。
解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜の熱処理温度（１時間保持）と
表面硬度の関係を示すグラフであり、第８図はアルミニ
ウム合金基材の硬さと熱処理温度の関係を示すグラフで
ある。ここで、表面硬度はビッカース硬度計（荷重0.1k
g）を使用し、硬さはロックウェルＢ硬度計を使用し、
それぞれ試料の表面硬度を測定することにより求めたも
のである。すなわち測定荷重の大小により圧痕深さが異
なることを利用して測定部位を変えたものである。ま
た、図中の符号 は３個の試料を指す。これら第７、８図より熱処理は表
面硬度を僅かに増大させるが、220℃以下の熱処理温度
ではアルミニウム合金基材の硬さをほとんど変化させな
いことが分かる。
第９図は2.8〜12重量％Ｐ及び0.02重量％Ｂを含有す
る無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜のP,B含有量、表面硬度
及び200℃での熱処理時間との関係を示すグラフであ
る。このグラフより2.8重量％とＰ含有量が極めて低い
無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜の表面硬度は20時間以上の
長時間保持でHv1000程度まで上昇することが分かる。
る無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜のP,B含有量、表面硬度
及び200℃での熱処理時間との関係を示すグラフであ
る。このグラフより2.8重量％とＰ含有量が極めて低い
無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜の表面硬度は20時間以上の
長時間保持でHv1000程度まで上昇することが分かる。
アルミニウム合金としては各種アルミニウム合金展伸
材もしくは鋳造材を使用することができ、Al−Si共晶系
にFe,Ni,Moなどの重金属を多量に添加したアルミニウム
合金粉末を粉末冶金法により成形したものも使用するこ
とができる。これらの粉末冶金成形材料はSHORIK（昭和
電工株式会社）、スミアルタコ（住友電気工業株式会
社）の商品名で販売されている。
材もしくは鋳造材を使用することができ、Al−Si共晶系
にFe,Ni,Moなどの重金属を多量に添加したアルミニウム
合金粉末を粉末冶金法により成形したものも使用するこ
とができる。これらの粉末冶金成形材料はSHORIK（昭和
電工株式会社）、スミアルタコ（住友電気工業株式会
社）の商品名で販売されている。
アルミニウム合金展伸材はほとんどの種類が200℃で2
0時間以上熱処理されると過時効になるので、適正時効
時間が長い2000番系中でも2218合金を素材として選択す
ることが必要になる。なお、熱処理時間を10時間未満と
すると、ほとんどの熱処理型アルミニウム合金が過時効
にならない。その中には2214などの高強度合金もその中
に含まれる。
0時間以上熱処理されると過時効になるので、適正時効
時間が長い2000番系中でも2218合金を素材として選択す
ることが必要になる。なお、熱処理時間を10時間未満と
すると、ほとんどの熱処理型アルミニウム合金が過時効
にならない。その中には2214などの高強度合金もその中
に含まれる。
素材となるアルミニウム合金に対する無電解Ni−Ｐ−
Ｂめっき皮膜の密着性を高めるために、以下に例示され
る前処理を順次行うことが好ましい。
Ｂめっき皮膜の密着性を高めるために、以下に例示され
る前処理を順次行うことが好ましい。
アルカリ脱脂（50℃×５分、アルカリ脱脂材使用） アルカリエッチング（50℃×40秒、NaOH浴） スマット除去（27℃×40秒、硝酸を主成分とする洗浄
浴） 亜鉛置換めっき処理（１）（27℃×25秒、ジンケート
浴） 亜鉛剥離（27℃×60秒、50％硝酸） 亜鉛置換めっき処理（２）（27℃×25秒、ジンケート
浴） ショットブラスト、バレル処理、レーザービーム照射
などの表面処理後は、処理された面をそのまま摺動面と
して使用するが、高周波熱処理の場合は研摩処理などを
行ってもよい。
浴） 亜鉛置換めっき処理（１）（27℃×25秒、ジンケート
浴） 亜鉛剥離（27℃×60秒、50％硝酸） 亜鉛置換めっき処理（２）（27℃×25秒、ジンケート
浴） ショットブラスト、バレル処理、レーザービーム照射
などの表面処理後は、処理された面をそのまま摺動面と
して使用するが、高周波熱処理の場合は研摩処理などを
行ってもよい。
以上の如く処理された材料はロータリーコンプレッサ
ーのベーン、ラジアルプレーンベアリング、スラストプ
レーンベアリング等として使用することができる。
ーのベーン、ラジアルプレーンベアリング、スラストプ
レーンベアリング等として使用することができる。
続いて本発明の方法で処理されたアルミニウム合金素
材が片当りが発生するような高負荷条件を再現する試験
の結果を説明する。
材が片当りが発生するような高負荷条件を再現する試験
の結果を説明する。
実施例１ 第10図は本実施例における試験方法を説明する概念図
であって、図中10は本発明の方法または比較方法で処理
されたアルミニウム合金素材（AHS−３−T7）、11はブ
ロック（A390アルミニウム合金、初晶Si平均粒径30μ
ｍ）である。素材10の寸法は35×14×3mmである。
であって、図中10は本発明の方法または比較方法で処理
されたアルミニウム合金素材（AHS−３−T7）、11はブ
ロック（A390アルミニウム合金、初晶Si平均粒径30μ
ｍ）である。素材10の寸法は35×14×3mmである。
さらに第10図において、θは角度＝１゜、荷重Ｐは15
0kgf（15.3N），試験時間は５時間、往復摺動周波数は1
0Hz,ストロークは6mm,給油は30mL/hであった。
0kgf（15.3N），試験時間は５時間、往復摺動周波数は1
0Hz,ストロークは6mm,給油は30mL/hであった。
素材は前述の予備表面処理を行わず（第３表のＰ）あ
るいは行った後、Ｐ含有量が2.8重量％,B含有量が0.02
重量％の無電解めっき皮膜を厚さが15μｍで素材の全面
に形成した。めっき液の成分は、硫酸ニッケル、次亜リ
ン酸、水酸化ナトリウム、硫酸コバルト等であり、pHは
6.5,温度は80℃であった。めっき後の表面硬度はHv710
であった。
るいは行った後、Ｐ含有量が2.8重量％,B含有量が0.02
重量％の無電解めっき皮膜を厚さが15μｍで素材の全面
に形成した。めっき液の成分は、硫酸ニッケル、次亜リ
ン酸、水酸化ナトリウム、硫酸コバルト等であり、pHは
6.5,温度は80℃であった。めっき後の表面硬度はHv710
であった。
試験に供した表面処理は以下のとおりであった。
1.バレル研摩処理 研摩媒体種類：ポリエステル樹脂＋ジルコン 研摩媒体量 :1.5kg 液体量 :1.0kg（水） 素材個数 :20個 回転容器体積:0.01m3 回転容器回転数:200rpm 処理時間 :5min 2.ショットブラスト処理 ショット粒材質:Al2O3、硬度Hv1000 ショット粒径:200μｍ平均 ショット投射速度:150m/sec 投射量:50kg/m2/sec 3.レーザー照射処理 レーザー種類:YAGパルス（東芝社製） レーザー出力:10KW ビーム径当り出力:100〜400W/m2 4.熱処理 200℃、60分の熱処理を行い、その後１の処理を行っ
た。
た。
5.熱処理 200℃、60分の熱処理を行い、その後２の処理を行っ
た。
た。
6.熱処理 200℃、60分の熱処理を行い、その後３の処理を行っ
た。
た。
前記した無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜に対しCo.0.5重
量％、W.0.1重量％を加えた組成の無電解めっき皮膜15
μｍを、Ｐの含有量が６重量％の奥野製薬工業製めっき
液（商品名トップニコロンTOM）を用いた厚さが２μｍ
の中間めっきを介して形成し、その後以下の表面処理を
行った。
量％、W.0.1重量％を加えた組成の無電解めっき皮膜15
μｍを、Ｐの含有量が６重量％の奥野製薬工業製めっき
液（商品名トップニコロンTOM）を用いた厚さが２μｍ
の中間めっきを介して形成し、その後以下の表面処理を
行った。
7:1の処理 8:2の処理 9:3の処理 10:4の処理 11:5の処理 12:6の処理 比較例として次の処理も行った。
（ａ）上記した低P,B無電解めっき （ｂ）高P,B無電解めっき（Ｐ含有量＝８重量％,B含有
量＝1.2重量％） （ｃ）上記（ｂ）の後熱処理 試験の結果を第３表に示す。
量＝1.2重量％） （ｃ）上記（ｂ）の後熱処理 試験の結果を第３表に示す。
第３表に示すように本発明の供試材は比較例のものと
比較して供試材及びブロックの摩耗が少ない。
比較して供試材及びブロックの摩耗が少ない。
実施例２ 実施例１でブロック11に使用したA390に代えて、Al−
17％Si−５％Fe−４％Cu−1.2％Mg−0.5％Mnとの組成を
もつアルミニウム合金粉末の押出材（T6処理:HRB94）を
使用して処理１〜12を行ったところ得られた結果は第１
表に記載の数値とほとんど差がなかった。
17％Si−５％Fe−４％Cu−1.2％Mg−0.5％Mnとの組成を
もつアルミニウム合金粉末の押出材（T6処理:HRB94）を
使用して処理１〜12を行ったところ得られた結果は第１
表に記載の数値とほとんど差がなかった。
実施例３ 実施例１、２（処理１）の処理を施した素材をコンプ
レッサー実機にベーンとして組込んで下記条件で摩耗試
験を行った。
レッサー実機にベーンとして組込んで下記条件で摩耗試
験を行った。
試験機：ロータリー型コンプレッサ実機試験機 回転数:800rpm 吐出力／吸入圧（kg/cm2）:28/4.0 吐出温度／吸入温度（℃）:127/24 時間:100時間 試験の結果、ベーン摩耗量は１〜２μｍであり、非常
に僅かであった。
に僅かであった。
産業上の利用可能性 以上説明したように、本発明により提供される低Ｐ型
無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜は従来の同種皮膜よりも摺
動特性に優れているために、片当りし易くまた高い局部
荷重下で使用される摺動部品の性能を向上し、以ってコ
ンプレッサーなどの各種機器の信頼性を高めることがで
きる。
無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜は従来の同種皮膜よりも摺
動特性に優れているために、片当りし易くまた高い局部
荷重下で使用される摺動部品の性能を向上し、以ってコ
ンプレッサーなどの各種機器の信頼性を高めることがで
きる。
フロントページの続き (72)発明者 近藤 賢一 愛知県豊田市緑ケ丘３丁目65番地 大豊 工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平８−158058（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−145335（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−86482（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−258473（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−84836（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−312982（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−134659（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−306650（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−42382（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−179333（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−227302（ＪＰ，Ａ) 金属表面技術講座９「無電解メッ キ」、第113−114貢（昭和46年４月25 日、３版、朝倉書店) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C23C 18/16 - 18/52
Claims (12)
- 【請求項１】アルミニウム合金からなる素材の摺動面に
形成されたP0.05〜５重量％及びB0.01〜0.04重量％を含
有する無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜を有することを特徴
とする摺動部材。 - 【請求項２】前記無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜がさらに
0.1〜1.0重量％のCo及び0.05〜1.0重量％のＷの少なく
とも１種を含有することを特徴とする請求の範囲第１項
記載の摺動部材。 - 【請求項３】前記無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜の下地に
Ｐ含有量が５重量％を超え15重量％以下の下地無電解Ni
−Ｐめっき皮膜が施されていることを特徴とする請求の
範囲第１項又は第２項記載の摺動部材。 - 【請求項４】アルミニウム合金からなる素材の摺動面に
形成されたP0.05〜５重量％及びB0.01〜0.04重量％を含
有する無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜にバレル研摩処理を
施すことを特徴とする摺動部材の表面処理方法。 - 【請求項５】アルミニウム合金からなる素材の摺動面に
形成されたP0.05〜５重量％及びB0.01〜0.04重量％を含
有する無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜にショットブラスト
処理を施すことを特徴とする摺動部材の表面処理方法。 - 【請求項６】前記ショットブラスト処理を、前記無電解
Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜の硬度とほぼ同等以上の硬度を有
する粒子を80m/sec以上の速度で投射することにより行
う請求の範囲第５項記載の摺動部材の表面処理方法。 - 【請求項７】アルミニウム合金からなる素材の摺動面に
形成されたP0.05〜５重量％及びB0.01〜0.04重量％を含
有する無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜の表面にレーザービ
ームを照射することを特徴とする摺動部材の表面処理方
法。 - 【請求項８】アルミニウム合金からなる素材の摺動面に
形成されたP0.05〜５重量％及びB0.01〜0.04重量％を含
有する無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜の表面に高周波誘導
熱処理を施すことを特徴とする摺動部材の表面処理方
法。 - 【請求項９】前記無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜がさらに
Co0.1〜1.0重量％及びW0.05〜1.0重量％の少なくとも１
種を含有することを特徴とする請求の範囲第４から８項
までの何れか１項記載の摺動部材。 - 【請求項１０】前記無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜の形成
に先立って、Ｐ含有量が５重量％を超え15重量％以下の
下地無電解Ni−Ｐめっき皮膜を施すことを特徴とする請
求の範囲第４から９項までの何れか１項記載の摺動部材
の表面処理方法。 - 【請求項１１】前記無電解Ni−Ｐ−Ｂめっき皮膜に100
〜200℃の熱処理を施すことを特徴とする請求の範囲第
４項から８項までの何れか１項記載の摺動部材の表面処
理方法。 - 【請求項１２】請求の範囲第４から11項までの何れか１
項記載の表面処理方法で処理された摺動部材を用いたロ
ータリーコンプレッサーベーン。
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