JP4401108B2

JP4401108B2 - チェーン用ピン及びその製造方法

Info

Publication number: JP4401108B2
Application number: JP2003158075A
Authority: JP
Inventors: 善雄奥村; 昭藤原
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Daido Kogyo Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Daido Kogyo Co Ltd
Priority date: 2003-06-03
Filing date: 2003-06-03
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2023-06-03
Also published as: TW200502497A; EP1635087A1; TWI329715B; US20060162819A1; JP2004360755A; WO2004109153A1; BRPI0411097A; CN100394067C; EP1635087A4; CN1802524A; US7695575B2; MY148929A; EP1635087B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サイレントチェーン、ローラチェーン等の動力伝達用チェーンに用いられるピンに係り、特にエンジン内に用いられるチェーン用として好適であり、詳しくはチェーン用ピン及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、サイレントチェーンは、ピンとリンクプレートの間、ローラチェーンは、ピンとブッシュとの間に、相対回転摺動を生じ、ピンが摩耗する。該ピンの摩耗を減少するため、ピン表面に各種の表面処理が施されている。
【０００３】
従来、表面処理したピンとして、ピン表面にクロム炭化物層を形成したピン（以下クロマイジングピンという）と、ピン表面にバナジウム炭化物層を形成したピン（以下ＶＣピンという）が知られている。高面圧が繰り返される使用環境下にあっては、上記クロマイジングピンは、クロム炭化物層の表面に剥離が生じ、またＶＣピンの場合は、バナジウム炭化物層と母材（ピン素材）との間の境界面に剥離が起る場合があることから、クロム炭化物は、母材との密着性（結合性）は良いが面圧強度が低く、一方バナジウム炭化物は、面圧強度は高いが母材との密着性は低いと考察されている。
【０００４】
上記考察結果に基づき、高面圧下において耐摩耗性を向上する目的で、鋼からなるピン母材表面に、クロム浸透拡散処理を行うことによりクロム炭化物を形成し、更にその上に、クロム浸透拡散処理の際の温度より高温で、バナジウム浸透拡散処理を行うことにより、前記クロム炭化物層より厚いバナジウム炭化物を主成分とし少量のクロム炭化物を含む混合層を形成することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１９５３５６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記提案されているピンは、クロム浸透拡散処理を行った後、それよりも高い温度で、クロム及びバナジウム浸透処理を行う必要があり、表面処理が面倒で高価になってしまう。
【０００７】
特に、タイミングチェーン等のエンジン内の高温環境下において高い面圧が作用する場合、上記ピンの最表面は、バナジウム炭化物とクロム炭化物の混合層［（Ｖ，Ｃｒ）ｘＣｙ、例えば（Ｖ，Ｃｒ）₈Ｃ₇］からなる関係上、バナジウム炭化物（Ｖｘ，Ｃｙ、例えばＶ₈Ｃ₇）からなるものに比して面圧強度が充分でなく、表面に剥離を生じ、剥離の進行と共にピンの摩耗が進行する虞れがあり、更にクロム・バナジウム混合層と母材である鋼との間に、クロム炭化物層からなる明確な中間層が存在する関係で、上記中間層と、その上層である混合層及びその下層である鋼母材との間の境界面で剥離が生じ、その結果摩耗が急激に進行する虞れがある。
【０００８】
そこで、本発明は、ピン母材とバナジウム炭化物からなる表面層との間に、クロム含有量が傾斜変化して、明確な界面を形成しない複合炭化物を形成し、もって上述した課題を解決したチェーン用ピン及びその製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る本発明は（例えば図４参照）、クロムを０．６［％］以上含有するピン母材（１）と、バナジウム炭化物からなる表面層（６）と、
前記ピン母材と前記表面層との間にあって、バナジウム及びクロムの複合炭化物からなる境界部（５）と、を備え、
前記境界部（５）におけるクロム炭化物の含有量は、前記ピン母材（１）との境界面（７）で最大で前記表面層（６）において０［％］となるように徐々に減少してなる、
ことを特徴とするチェーン用ピンにある。
【００１０】
請求項２に係る本発明は（例えば図３参照）、ピン母材（１）としてクロムを０．６［％］以上を含有する鋼材を用い、
該ピン母材を、バナジウムを有する気体雰囲気中（ＶＣｌ）にて所定温度で拡散浸透処理を行い、
前記ピン母材から供給されるクロム（Ｃｒ）及び炭素（Ｃ）と前記雰囲気中のバナジウム（Ｖ）により、まず、前記ピン母材の表面部にバナジウムとクロムの複合炭化物［（Ｖ，Ｃｒ）ｘＣｙ］を形成し、かつ該複合炭化物を形成している間に前記ピン母材からのクロムの供給が減少する状態で、前記クロム炭化物の含有量を徐々に減少して境界部を形成し、
その後前記ピン母材（１）からのクロム（Ｃｒ）の供給が途絶えてクロム炭化物（ＣｒｘＣｙ）の含有量が０［％］となり、前記雰囲気中のバナジウム（Ｖ）により、バナジウム炭化物（ＶｘＣｙ）からなる表面層を形成してなる、
ことを特徴とするチェーン用ピンの製造方法にある。
【００１１】
請求項３に係る本発明は（例えば図３参照）、前記拡散浸透処理は、浸透材原料として、バナジウム含有粉末［例えばフェロバナジウム（ＦｅＶ）］、焼結防止材［例えばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）］及び促進材［例えば塩化アンモニウム（ＮＨ₄Ｃｌ）等のハロゲン化物］を用いた粉末パック法からなり、
熱処理温度が１０００［℃］〜１１００［℃］である、
請求項２記載のチェーン用ピンの製造方法にある。
【００１２】
なお、上記カッコ内の符号は、図面と対照するためのものであるが、これにより請求項の構成に何等影響を及ぼすものではない。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１に係る本発明によると、表面層がバナジウム炭化物からなるため、高い面圧強度を有し、高温環境下において高い面圧が繰返し作用する苛酷な使用状態にあっても、表面に剥離を生ずることを防止し、更に該表面層とピン母材との境界部に、明確に区画された界面を形成しない形でバナジウムとクロムの複合炭化物を形成するので、表面層とピン母材との密着強度を向上すると共に、複合炭化物とピン母材及び表面層との境界面での剥離を生じることも防止して、苛酷な使用環境下での使用であっても、ピン摩耗を減少して、チェーンの耐久性及び長寿命化を図ることができる。
【００１４】
請求項２に係る本発明によると、ピン母材としてクロムリッチな鋼材を用いることにより、２種類以上の浸透材を用いることなく、１ステップの熱処理に基づく拡散浸透処理にて、ピン母材表面にまずバナジウムとクロムの複合炭化物を形成し、更にその後、複合炭化物との間で界面を形成することなくバナジウム炭化物からなる表面層を形成したので、１ステップの熱処理による表面処理にて、簡単かつ容易に精度の高い上記チェーン用ピンを確実かつ安価に製造することができる。
【００１５】
請求項３に係る本発明によると、実績のある粉末パック法による、１０００［℃］〜１１００［℃］での１ステップの熱処理により、大きなコストアップを伴うことなく、上記チェーン用ピンを正確に製造することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面に沿って、本発明の実施の形態について説明する。本発明に係るチェーン用ピンは、公知のローラチェーン又はサイレントチェーン等のあらゆる動力伝達用チェーンに適用され、特にタイミングチェーン等のエンジン内に用いられるチェーンに適用して好適である。
【００１７】
ローラチェーンは、２枚のピンリンクプレートの両端部をピンにて連結したピンリンクと、同じく２枚のローラリンクプレートの両端部をブッシュにて連結したローラリンクとを、ピンをブュシュ内に嵌挿して無端状に連結すると共に、ブッシュにローラを遊嵌して構成される。また、サイレントチェーンは、両端にガイドリンクプレートを有する複数のリンクプレートからなるガイド列と、上記ガイドリンクプレートを有さず歯付きリンクプレートのみからなる関節列とを、上記ガイドリンクプレートに固定されたピンにて無端に連結して構成されている。
【００１８】
そして、チェーンの屈曲毎に、上記ローラチェーンにあっては、ピンとブッシュとの間に摺接運動を生じ、またサイレントチェーンにあっては、ピンと関節列のリンクプレートのピン孔との間に摺接運動を生じ、かつチェーンには大きな引張力が作用しているので、上記摺接運動するピンには大きな面圧が作用する。
【００１９】
本発明は、上記チェーン用ピンに関するが、まず本発明の実施の形態を説明する前に、前述した従来の技術に係るピン及びその製造方法について、図１に沿って説明する。
【００２０】
母材としてのピン母材１は、例えばＳ５０Ｃ（Ｃ；０．４７〜０．５３％、Ｓｉ；０．１５〜０．３５、Ｍｎ；０．６０〜０．９０％、Ｐ；０．３０％以下、Ｓ；０．３５％以下、不純物としてのＣｒ；０．２０％以下）の機械構造用炭素鋼鋼材等の鋼からなり、該鉄（Ｆｅ）を母材とするピン母材（素材）１に２ステップの金属浸透処理が行われる。まず、１ステップ目の金属浸透処理は、クロム浸透拡散処理（ＣｒＣ拡散浸透処理、クロマイジング）であり、ピン母材と共に、浸透材原料としてのＣｒ（金属クロム）と、焼結防止材としてのＡｌ₂Ｏ₃（アルミナ）と、促進材としてのＮＨ₄Ｃｌ（塩化アンモニウム）とからなる粉末を炉内に入れ、８００℃〜９００℃に昇温し、所定時間保持する。該ＣｒＣ拡散処理は、炉内において、ＮＨ₄Ｃｌ→ＮＨ₃＋ＨＣｌ（気体）となり、ＨＣｌ（気体）＋Ｃｒ（金属粉末）→ＣｒＣｌ（気体）＋Ｈ₂↑となり、該ＣｒＣｌ雰囲気中にあって、ピン母材中のＦｅ及びＣが雰囲気中のＣｒと結合し、（Ｆｅ，Ｃｒ）ｘＣｙ、例えば（Ｆｅ，Ｃｒ）₈Ｃ₇となり、ピン母材１の表面に、まず該クロム炭化物（ＣｒＣ）が浸透して被覆層を形成する。
【００２１】
該ピン母材のクロム浸透拡散処理の終了後、表面にクロム炭化物を浸透被覆したピン（クロマイジングピン）を、一旦炉から取り出し、今度は、２ステップ目の金属浸透処理として、バナジウム拡散浸透処理（ＶＣ拡散浸透処理）が行われる。該バナジウム拡散浸透処理は、浸透材原料としてＦｅＶ（フェロバナジウム）が用いられ、その他前記クロム浸透拡散処理と同様に、アルミナ及び塩化アンモニウムが上記クロマイジングピンと共に炉内に入れられ、９００℃〜１０００℃に昇温し、所定時間保持される。該ＶＣ拡散浸透処理は、上記の同様な反応により、ＶＣｌ雰囲気中にあって、ピン母材中のＣと雰囲気中のＶが結合して、ＶｘＣｙ、例えばＶ₈Ｃ₇となり、上記ピン母材表面のクロム炭化物の層上に、該バナジウム炭化物が浸透して表面被覆層を形成する。該表面被覆層は、バナジウム炭化物が主成分となるが、上記クロム炭化物を少量混在しており、混合層を形成している。
【００２２】
従って、従来の技術によるチェーン用ピンＰ₁は、図２に示すように、まずＦｅを主成分とするピン母材１上に、クロム炭化物（Ｆｅ，Ｃｒ）₈Ｃ₇からなる中間層２が形成され、更にその上にバナジウム炭化物（Ｖ₈Ｃ₇）を主成分とする表面層３が形成される。上記クロム炭化物からなる中間層２は、母材１及びバナジウム炭化物を主成分とする表面層３と断面写真上で明確に区別し得る。
【００２３】
本発明に係るチェーン用ピンの製造方法を図３に示す。本製造方法は、１回（１ステップ）の金属拡散浸透処理、即ちバナジウム浸透拡散処理（ＶＣ複合拡散浸透処理）の粉末パック法のみにより行われる。該ＶＣ複合拡散浸透処理は、浸透材（粉末）となるＦｅＶ（フェロバナジウム）、焼結防止材としての耐火物粉末であるＡｌ₂Ｏ₃、添加材（促進材）としてのハロゲン化物であるＮＨ₄Ｃｌ（塩化アンモニウム）からなる粉末がピン母材１と共に炉内に入れる。そして、ピン母材１は、クロムモリブデン鋼鋼材（ＳＣＭ）、クロム鋼鋼材（ＳＣｒ）、ニッケルクロムモリブデン鋼鋼材（ＳＮＣＭ）、ニッケルクロム鋼鋼材（ＳＮＣ）、マンガンクロム鋼鋼材（ＳＭｎＣ）、高炭素クロム軸受鋼鋼材（ＳＵＪ）、窒化鋼（ＳＡＣＭ，ＳＣＭ，ＳＣＭＶ）、軟窒化鋼（ＳＡＣ）等の高いクロム含有率（Ｃｒ；０．６ｗｔ％以上）の鋼材、例えばＳＮＣＭ４３９（Ｃ；０．３６〜０．４３％、Ｓｉ；０．１５〜０．３５％、Ｍｎ；０．６０〜０．９０％、Ｐ；０．０３０％以下、Ｓ；０．０３％以下、Ｃｒ；０．６〜１．００％、Ｎｉ；１．６〜２．００％、Ｍｏ；０．１５〜０．３０％）又はＳＵＪ２（Ｃ；０．９５〜１．１０％、Ｓｉ；０．１５〜０．３５％、Ｍｎ；０．５０％以下、Ｐ；０．０２５％以下、Ｓ；０．０２５％以下、Ｃｒ；１．３０〜１．６０％）の鋼材が用いられる。なお、ＳＡＣＭ６４５，ＳＣＭ５６，ＳＣＭＶ２，ＳＡＣ５１，ＳＡＣ７２は、Ｃｒが１．００［ｗｔ％］以上含有して、ピン母材の材料として好ましい。
【００２４】
上記浸透材原料とピン母材は、炉内において１０００℃〜１１００℃に昇温され、該温度に所定時間保持された後、除冷される。これにより、ＮＨ₄Ｃｌが分解したＨＣｌ（気体）とＦｅＶのＶが結合したＶＣｌ雰囲気中にあって、まず、該雰囲気中のＶが、ピン母材（素材）から拡散したＣｒ及びＣと結合して、バナジウム及びクロムの複合炭化物［（Ｖ，Ｃｒ）ｘＣｙ、例えば（Ｖ，Ｃｒ）₈Ｃ₇］が形成され、ピン母材表面に該バナジウム・クロム複合炭化物からなる境界部が形成される。該拡散浸透処理が進むにつれて、ピン母材（素材）からのＣｒの供給が減少し（供給効果が小さくなり）、雰囲気中のＶと母材からのＣとが結合して、バナジウム炭化物（ＶｘＣｙ、例えばＶ₈Ｃ₇）が形成されてピン表面に皮膜される。
【００２５】
本発明に係る製造方法にて製造されたチェーン用ピンＰ₂を図４に示す。上述したように、ピン母材１との境界部５にバナジウム・クロム複合炭化物［（Ｖ，Ｃｒ）₈Ｃ₇ ］が形成される。更に、該複合炭化物からなる境界部５上に、バナジウム炭化物（Ｖ₈Ｃ₇）６からなる表面層が皮膜される。上記複合炭化物［（Ｖ，Ｃｒ）₈Ｃ₇］は、ピン母材１中にも、Ｖが浸透することにより拡散して、クロム炭化物（Ｃｒ₈Ｃ₇）と共に存在し、上記母材１との境界面７に最も多く存在するが、そのＣｒの含有率は、母材との境界面７から表面層６に向って徐々に減少し、明確に区画されない。従って、図４（ｂ）に示すように、上記複合炭化物［（Ｖ，Ｃｒ）₈Ｃ₇］は、後述するＸ線プローブマイクロアナライザ等の分析結果から見れば、境界部５における上記複合炭化物層の存在を推測できるが、図４（ａ），図４（ｃ）に示すように、断面写真からは、表面層６と複合炭化物層５との間の界面８を認識することができず、母材１と表面層６との界面７のみが認識でき、上記複合炭化物層５の存在を明確に区画することはできない。
【００２６】
図５は、母材にＳＵＪ２を用い、上記バナジウム拡散浸透処理を施した、本発明に係るチェーン用ピンをＸ線プローブマイクロアナライザにより分析した結果である。図５（ａ）は、バナジウムの含有率を示し、該バナジウム含有率は、ピン表面から所定距離（約２０μｍ）に亘り、約８０［％］を有し、境界部７で急激に低下し、ピン母材中にあっては、約０［％］となる。
【００２７】
図５（ｂ）は、クロムの含有率を示し、上記アナライザを、ｋβ１次線を使って大電流で分析したものである。クロム含有率は、ピン母材中からピン表面に向って徐々に低下していることが分析されている。即ち、クロムリッチなピン母材中から、上記高温による熱処理により、クロム（Ｃｒ）がバナジウム炭化物層（表面層）に拡散、浸透して、複合炭化物層［（Ｖ，Ｃｒ）ｘＣｙ］５を形成し、該複合炭化物層中のクロム含有率は、上記境界部分７が最も高く、ピン表面に向って徐々に減少して、境界面から所定距離（約６μｍ）で約０［％］となり、そこからピン表面までは、略々バナジウム炭化物からなる表面層６となる。
【００２８】
一般に、バナジウム拡散浸透処理は、バナジウム炭化物粒度の粗大化を避けるため、熱処理温度は、１０００℃以下に設定されており、図１に示す従来の技術にあっても、バナジウム拡散浸透処理は、９００℃〜１０００℃に設定されている。従来の技術にあっては、ピン母材中に炭化物形成元素（例えばＣｒ）が存在していても、その含有率が小さく、拡散効量が小さい。このため、上記複合炭化物［（Ｖ，Ｃｒ）ｘＣｙ］５のような、組成傾斜中間層を得ることは難しい。例え、熱処理温度を１０００℃以上に高くすることにより、母材に含まれるＣｒ等の炭化物形成元素の拡散効果が得られる可能性があるとしても、上述したように、母材中の炭化物形成元素（Ｃｒ）が少ないために、上記拡散効果が得られない。
【００２９】
本発明にあっては、母材中のＣｒ含有率が高く、バナジウム拡散浸透処理の温度を１０００℃以上として、母材中のＣｒのバナジウム炭化物層への拡散を図り、上記複合化合物からなる組成傾斜中間層を得ることができる。なお、熱処理温度が１１００℃を超えると、バナジウム炭化物（ＶＣ）粒の粗大化が進み、該ＶＣ粒の脱落現象を生じる場合があり、上記拡散浸透処理温度は、１０００℃〜１１００℃の範囲が望ましい。
【００３０】
上記チェーン用ピンＰ₂は、１０μｍ〜３０μｍの表面処理皮膜（Ｖ₈Ｃ₇からなる表面層６と（Ｖ，Ｃｒ）₈Ｃ₇からなる境界部５とを合せた皮膜）からなり、特に該表面皮膜層は、約２０μｍ（１６〜２５μｍ）が望ましい。そして、ピン強度を付与するために、上記拡散浸透処理後、所定の焼入、焼戻し又は恒温変態処理が行われる。
【００３１】
前述した従来の技術によるピンＰ₁の製造方法は、図１に示すように、２ステップの熱処理を必要とし、その分製造方法が面倒であるが、本発明に係るピンＰ₂の製造は、図３に示すように、１ステップの熱処理で足り、その分製造方法が容易であり、精度の高いピンＰ₂を高い効率にて容易かつ正確に製造することができる。
【００３２】
また、従来の技術によるチェーン用ピンＰ₁は、中間層のクロム炭化物（Ｃｒ₈Ｃ₇）がバナジウム炭化物（Ｖ₈Ｃ₇）を主成分とする表面層３を母材（Ｆ）に高い密着強度で密着するが、上記クロム炭化物層（中間層）２は、図２に示すように、明確に区画される単独層からなるため、該クロム炭化物層２と表面層３及びピン母材１との間に区画し得る境界面２ａ，２ｂが存在し、上記密着強度が充分ではない。
【００３３】
これに対し、図４に示すように、本発明に係るチェーン用ピンＰ₂は、クロムリッチな母材１から供給されるＣｒ及びＣが雰囲気中のＶと相俟って複合炭化物［（Ｖ，Ｃｒ）₈Ｃ₇］を形成し、かつ該複合炭化物層５は、バナジウム炭化物（Ｖ₈Ｃ₇）からなる表面層６とピン母材１の境界部にあって明確に区画されずに、Ｃｒの含有率が徐々に変化するので、該複合炭化物５がピン母材１にバナジウム炭化物（Ｖ₈Ｃ₇）からなる表面層６を強い密着強度で密着する。また、バナジウム炭化物からなる表面層６は、高い面圧強度を有し、高温環境下における高い面圧が作用する苛酷な使用状態にあっても、表面に剥離を生じることが防止される。
【００３４】
図６は、ダイヤモンド圧子を上記ピンに押し付け、連続的に荷重を上げて引っかき試験を行い、剥離限界荷重を求めるスクラッチ試験の結果である。該試験結果は、本発明に係る複合拡散浸透処理によるピンＰ₂が、従来の技術によるピンＰ₁に比して、高い剥離限界荷重を有することを示しており、本発明に係るピンＰ₂が、従来の技術によるピンＰ₁に比して、表面層であるバナジウム炭化物が強い強度で密着していることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の技術（特開２００２−１９５３５６号公報にて提案されている技術）によるチェーン用ピンの製造方法を示す図。
【図２】従来の技術によるチェーン用ピンの断面写真で見た皮膜構造を示す図。
【図３】本発明に係るチェーン用ピンの製造方法を示す図。
【図４】本発明に係るチェーン用ピンの断面を示す図で、（ａ）は断面写真で見た皮膜構造を示す図、（ｂ）は分析結果から見た皮膜構造を示す図、（ｃ）はその模式図。
【図５】本発明に係るチェーン用ピンのＸ線プローブアナライザによる分析結果を示す図で、（ａ）はバナジウム含有率、（ｂ）はクロム含有率を示す。
【図６】スクラッチ試験結果を示す図。
【符号の説明】
Ｐ₂ チェーン用ピン
１ピン母材
５境界部
６表面層
７境界面

Claims

クロムを０．６［％］以上含有するピン母材と、
バナジウム炭化物からなる表面層と、
前記ピン母材と前記表面層との間にあって、バナジウム及びクロムの複合炭化物からなる境界部と、を備え、
前記境界部におけるクロム炭化物の含有量は、前記ピン母材との境界面で最大で前記表面層において０［％］となるように徐々に減少してなる、
ことを特徴とするチェーン用ピン。
ピン母材としてクロムを０．６［％］以上を含有する鋼材を用い、
該ピン母材を、バナジウムを有する気体雰囲気中にて所定温度で拡散浸透処理を行い、
前記ピン母材から供給されるクロム及び炭素と前記雰囲気中のバナジウムにより、まず、前記ピン母材の表面部にバナジウムとクロムの複合炭化物を形成し、かつ該複合炭化物を形成している間に前記ピン母材からのクロムの供給が減少する状態で、前記クロム炭化物の含有量を徐々に減少して境界部を形成し、
その後前記ピン母材からのクロムの供給が途絶えてクロム炭化物の含有量が０［％］となり、前記雰囲気中のバナジウムにより、バナジウム炭化物からなる表面層を形成してなる、
ことを特徴とするチェーン用ピンの製造方法。
前記拡散浸透処理は、浸透材原料として、バナジウム含有粉末、焼結防止材及び促進材を用いた粉末パック法からなり、
熱処理温度が１０００［℃］〜１１００［℃］である、
請求項２記載のチェーン用ピンの製造方法。