JP5236160B2 - Manufacturing method of surface hardening member, friction member, and vibration type driving device - Google Patents
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Description
本発明は、ステンレスの表面を硬化させる技術に関するものである。耐摩耗性の向上に加え、安定した摩擦力を要求される各種部材への応用が可能であると考えられる。 The present invention relates to a technique for hardening the surface of stainless steel. In addition to improved wear resistance, it is considered possible to apply to various members that require stable frictional force.
ステンレスなどにイオン窒化（プラズマ窒化ともいう）を施し、表面に鏡面加工を施して、ガラス用の成形型として使用したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このガラス用の成形型は、硬さ、耐熱性のほか、鏡面加工性等に優れている。 There has been proposed a technique in which ion nitriding (also referred to as plasma nitriding) is performed on stainless steel or the like, and the surface is mirror-finished and used as a molding die for glass (for example, see Patent Document 1). This mold for glass is excellent not only in hardness and heat resistance but also in mirror finish.
この成形型には一種の耐熱材料であるステンレスが用いられている。使用する環境下で平滑な面を維持するために、耐酸化性や耐腐食性が要求されるためである。表面加工によって平滑な面に仕上げるのであれば、ステンレスの中でもオーステナイトをはじめとした単相の金属組織であることが望ましい。これは、金属組織の一部に被加工性が異なる部分が存在すると、優れた平滑性を得られないからである。よって、優れたガラス用の成形型を製造するためには、多結晶材より均一と考えられる金属組織をもつ非晶質材や単結晶材を用いたほうが好ましいと言える。 Stainless steel, which is a kind of heat-resistant material, is used for this mold. This is because oxidation resistance and corrosion resistance are required in order to maintain a smooth surface in the environment of use. If it is finished to a smooth surface by surface processing, it is desirable that the stainless steel has a single-phase metal structure including austenite. This is because excellent smoothness cannot be obtained if there is a part having different workability in a part of the metal structure. Therefore, it can be said that it is preferable to use an amorphous material or a single crystal material having a metal structure considered to be more uniform than a polycrystalline material in order to produce an excellent glass mold.
反対に、均一組織ではない材料を用いて、表面が鏡面のように平滑でないことが望まれる場合がある。 Conversely, it may be desirable to use a material that is not a uniform tissue and that the surface is not as smooth as a specular surface.
例えば、後述する超音波モータのステータとロータの接触部に用いられる摩擦部材は、水分による吸着が生じ難い程度に、その表面に適当な凹凸があった方がよい。表面に存在する微細な凸部が水膜を打破ることにより、相対する摩擦面における接触部（真実接触部）を確保でき、高湿度な条件においても摩擦力を維持できるためである。表面に微細な凸部を設ける方法としては、結晶粒界を存在させたり、結晶方位や大きさが大きく異なる結晶粒を存在させたりするやり方があげられる。特に、金属基材と硬さやエッチング性の大きく異なる化合物相を存在させることが効果的である。 For example, a friction member used for a contact portion between a stator and a rotor of an ultrasonic motor, which will be described later, should have appropriate irregularities on the surface to such an extent that adsorption by moisture hardly occurs. This is because the fine convex portions existing on the surface break the water film, so that a contact portion (true contact portion) on the opposing friction surface can be secured, and the frictional force can be maintained even under high humidity conditions. Examples of a method for providing fine convex portions on the surface include a method in which crystal grain boundaries are present or crystal grains having greatly different crystal orientations and sizes are present. In particular, it is effective to have a compound phase that differs greatly from the metal substrate in hardness and etching properties.
そこで、超音波モータの摩擦部材としては、ある程度の大きさを備え、その上で金属基材と比較して摺動による摩耗が小さい化合物相を分散させた部材を用いることが望まれる。これは、摺動による金属基材の摩耗が生じた場合に、この化合物相が摩擦面で凸部として形成されるためである。 Therefore, it is desirable to use a member having a certain size as a friction member of an ultrasonic motor and having dispersed therein a compound phase that is less worn by sliding compared to a metal substrate. This is because when the metal substrate wears due to sliding, this compound phase is formed as a convex portion on the friction surface.
この化合物相を分散させた部材の例として、クロム炭化物を含有するステンレスを焼入れ処理により硬化させたものがある（例えば、特許文献２参照）。このクロム炭化物を含有するステンレスを超音波モータの摩擦部材として用いると、一定の条件下での耐摩耗性は優れていた。
しかしながら、良好な耐摩耗性を維持するには、常に相手部材と接触する部分に酸化皮膜か、あるいは、焼き付きを生じにくい化合物相を存在させる必要があることがわかった。酸化皮膜は摺動による摩擦熱によって形成されるが、摩擦部材と相手部材の間に適度な面圧と相対速度がある場合にのみ、酸化皮膜が維持される。 However, it has been found that in order to maintain good wear resistance, it is necessary to always have an oxide film or a compound phase in which seizure does not easily occur in a portion in contact with the mating member. Although the oxide film is formed by frictional heat due to sliding, the oxide film is maintained only when there is an appropriate surface pressure and relative speed between the friction member and the counterpart member.
また、焼き付きを生じにくい化合物相は、それ自身が金属基材よりも摩耗しにくいものでなければならない。摩擦により化合物相が先に摩耗してしまっては、この化合物相が真実接触部にならず、焼き付きに耐えるという効果が得られないためである。 In addition, the compound phase that is less likely to cause seizure must be less prone to wear than the metal substrate itself. This is because if the compound phase is first worn out due to friction, the compound phase does not become a true contact portion and the effect of resisting seizure cannot be obtained.
上述したクロム炭化物を分散させたマルテンサイト系ステンレスの焼入れ材を用いた場合には、適当な摺動条件から外れると酸化皮膜が破れて金属新生面が露出し、この露出した部分にたちまち焼き付き現象が起きる。これは、いわゆるシビア摩耗と呼ばれる激しい摩耗となっていた。 In the case of using the martensitic stainless steel hardened material dispersed with chromium carbide as described above, the oxide film is broken and the new metal surface is exposed when it is outside the proper sliding conditions. Get up. This was intense wear called so-called severe wear.
これに対し、ＰＶＤ（物理的蒸着法）処理により、クロム窒化物を膜状に形成させることで、その耐摩耗性を著しく向上させることが知られている。クロム窒化物が態磨耗性を向上させるために寄与しているのである。 On the other hand, it is known that the wear resistance is remarkably improved by forming chromium nitride into a film by PVD (physical vapor deposition) treatment. Chromium nitride contributes to improving state wear.
ここで、金属基材中に化合物相を分散させる方法としては、粉末焼結を利用するやり方や、溶湯金属中にセラミック粉などを分散させた後に凝固させるやり方がある。しかしながら、これらの方法では気孔が残存し、また金属基材と化合物相との原子的整合性（界面接合性）が弱いため、表面硬化部材としての用途に必要な強度などの各特性は劣る傾向がある。 Here, as a method of dispersing the compound phase in the metal substrate, there are a method of using powder sintering and a method of solidifying after dispersing ceramic powder or the like in the molten metal. However, in these methods, pores remain, and since the atomic consistency (interface bonding property) between the metal substrate and the compound phase is weak, each characteristic such as strength required for use as a surface hardening member tends to be inferior. There is.
別の方法として、析出により窒素化合物相を形成させるというやり方がある。しかし、この方法で析出する化合物相は極めて小さく、安定した摩擦力を発生させるためにはほとんど寄与しない上、ステンレス中に固溶していたクロム元素と結合して安定相として析出するので、耐食性を著しく低下させてしまう。クロム不動態皮膜の形成に必要な固溶クロム量が減少して、いわゆる鋭敏化を起こすためである。また、金属基材中に化合物相を析出させた後、安定な化合物相として粒成長させるには、窒化温度よりさらに高い温度が必要であって、この温度にさらされたステンレスは硬度が低下して、表面硬化部材の用途としては不適切なものとなってしまう。 Another method is to form a nitrogen compound phase by precipitation. However, the compound phase precipitated by this method is very small and contributes little to generating a stable frictional force. In addition, the compound phase precipitates as a stable phase by combining with the chromium element dissolved in the stainless steel, so it has corrosion resistance. Will be significantly reduced. This is because the amount of solute chromium necessary for the formation of the chromium passive film is reduced, and so-called sensitization occurs. In addition, in order to cause grain growth as a stable compound phase after depositing the compound phase in the metal substrate, a temperature higher than the nitriding temperature is necessary, and the stainless steel exposed to this temperature has reduced hardness. Therefore, it becomes inappropriate for the use of the surface hardening member.
このように、摩擦部材の凸部を形成するために適した窒素化合物相が分散した素材を製造することは従来の方法では困難であった。このような材料は、まず溶湯において必要な組成を確保することが難しく、次にたとえ規定の組成に元素割合が制御できても希望する化合物相が生成しないことも多かった。さらに、圧延などの塑性加工の過程で素材が破壊されてしまう可能性も低くはなかった。 Thus, it has been difficult to manufacture a material in which a nitrogen compound phase suitable for forming the convex portion of the friction member is dispersed by the conventional method. In such a material, it is difficult to secure a necessary composition in the molten metal, and a desired compound phase is often not generated even if the element ratio can be controlled to a prescribed composition. Furthermore, the possibility of the material being destroyed during the plastic processing such as rolling was not low.
本発明の目的は、安定した摩擦力を発生可能とした表面硬化部材の製造方法、摩擦部材、及び振動型駆動装置を提供することにある。 The objective of this invention is providing the manufacturing method of the surface hardening member which can generate | occur | produce the stable frictional force, a friction member, and a vibration type drive device.
上記課題を解決するため、本発明は、少なくともチタン炭硫化物相を予め分散させたチタン及びイオウを含有するオーステナイト系ステンレスを窒化処理することにより、該化合物相を窒化チタン相又は炭窒化チタン相に変化させた層を形成することを特徴とする。 To solve the above problems, the present invention is at least by nitriding austenitic stainless steel titanium carbonitride sulfide phase containing titanium and sulfur were predispersed, the compound phase titanium nitride phase or titanium carbonitride phase It is characterized in that a layer changed to is formed.
本発明によれば、耐摩耗性の高い窒素化合物相を金属組織中に分散させたので、焼き付きを生じにくい表面硬化部材を生成することができる。また、分散させた窒素化合物相により表面硬化部材の表面に凸部が形成され、高湿度の環境にさらされても摩擦力の低下を抑制することが可能となる。 According to the present invention, since the nitrogen compound phase having high wear resistance is dispersed in the metal structure, it is possible to produce a surface-hardened member that is unlikely to cause seizure. Moreover, a convex part is formed on the surface of the surface-hardening member by the dispersed nitrogen compound phase, and it is possible to suppress a decrease in frictional force even when exposed to a high humidity environment.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
まず、本発明の表面硬化部材が摩擦部材として適用される振動型駆動装置である超音波モータの構成について図６および図７を参照しながら説明する。図６は超音波モータの構成を示す縦断面図である。図７は図６の超音波モータの振動モードを模式的に示す図である。 First, the configuration of an ultrasonic motor, which is a vibration type drive device to which the surface hardening member of the present invention is applied as a friction member, will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing the configuration of the ultrasonic motor. FIG. 7 is a diagram schematically showing a vibration mode of the ultrasonic motor of FIG.
超音波モータは、図６に示すように、弾性体１と、弾性体２と、電気−機械エネルギ変換素子である積層圧電素子３と、ロータ７と、ギア８とを備える。各弾性体１，２、積層圧電素子３、ロータ７およびギア８は、シャフト４に挿通されている。シャフト４の両端部には、それぞれナット５，１１に螺合するねじ部が形成され、中間部には、フランジ部４ａが形成されている。積層圧電素子３は、各弾性体１，２間に配置され、各弾性体１，２および積層圧電素子３は、シャフト４の一方の端部に螺合されているナット５とシャフト４のフランジ部４ａとの間で所定の挟持力が付与されるように狭持固定されている。弾性体１の端部には、耐摩耗性を有するリング状の摩擦部材６が設けられている。摩擦部材６の詳細については、後述する。 As shown in FIG. 6, the ultrasonic motor includes an elastic body 1, an elastic body 2, a laminated piezoelectric element 3 that is an electro-mechanical energy conversion element, a rotor 7, and a gear 8. The elastic bodies 1 and 2, the laminated piezoelectric element 3, the rotor 7 and the gear 8 are inserted through the shaft 4. At both ends of the shaft 4, thread portions that are screwed into the nuts 5 and 11 are formed, and at the intermediate portion, a flange portion 4 a is formed. The laminated piezoelectric element 3 is disposed between the elastic bodies 1 and 2, and the elastic bodies 1 and 2 and the laminated piezoelectric element 3 are screwed into one end of the shaft 4 and the flange of the shaft 4. It is pinched and fixed so that predetermined | prescribed clamping force is provided between the parts 4a. A ring-shaped friction member 6 having wear resistance is provided at an end of the elastic body 1. Details of the friction member 6 will be described later.
ロータ７は、その一方の端面が弾性体１に設けられた摩擦部材６に接触するように配置されている。ロータ７の一方の端面は、摩擦部材６との接触幅が小さく、かつ適度なバネ性を有するように形成されている。ロータ７の他方の端面には、モータ出力を外部に伝達するためのギア８の凸部と係合可能な凹部が形成されている。ギア８は、超音波モータを取り付けるためのフランジ１０の下部に回転可能に嵌合されるとともに、フランジ１０によりシャフト４のスラスト方向へ移動しないように固定されている。ギア８とロータ７との間には、ロータ７を摩擦部材６に対して押し付けるための加圧バネ１５が設けられている。 The rotor 7 is arranged so that one end surface thereof is in contact with the friction member 6 provided on the elastic body 1. One end face of the rotor 7 is formed so as to have a small contact width with the friction member 6 and an appropriate spring property. On the other end face of the rotor 7, a recess is formed that can be engaged with the protrusion of the gear 8 for transmitting the motor output to the outside. The gear 8 is rotatably fitted to the lower portion of the flange 10 for attaching the ultrasonic motor, and is fixed by the flange 10 so as not to move in the thrust direction of the shaft 4. A pressure spring 15 for pressing the rotor 7 against the friction member 6 is provided between the gear 8 and the rotor 7.
ここで、図７（ａ）に示すように、弾性体１、弾性体２、積層圧電素子３、シャフト４、摩擦部材６およびナット５は、互いに協働して、棒状の振動子を構成する。積層圧電素子３においては、電極（図示せず）が２つの電極群にグループ化されており、それぞれの電極群には、電源（図示せず）から位相の異なる交流電界が印加される。積層圧電素子３の電極群に上記交流電界が印加されると、振動子には、互いに直交する２つの曲げ振動が励振される。 Here, as shown in FIG. 7A, the elastic body 1, the elastic body 2, the laminated piezoelectric element 3, the shaft 4, the friction member 6, and the nut 5 cooperate with each other to form a rod-shaped vibrator. . In the laminated piezoelectric element 3, electrodes (not shown) are grouped into two electrode groups, and alternating electric fields having different phases are applied to the respective electrode groups from a power source (not shown). When the AC electric field is applied to the electrode group of the laminated piezoelectric element 3, two bending vibrations orthogonal to each other are excited in the vibrator.
励振される一方の曲げ振動は、図７（ｂ）に示す、紙面に平行な方向の振動である。他方の曲げ振動は、紙面に垂直な方向の振動である。上記印加される交流電界の位相を調整することにより、２つの曲げ振動間にπ／２（ｒａｄ）の時間的な位相差を与えることができる。その結果、上記振動子の曲げ振動は、振動子の軸周り（シャフト４の軸周り）に回転する。よって、ロータ７に接触する弾性体１の端面には楕円運動が生じ、摩擦部材６に押圧されたロータ７が摩擦駆動されるため、ロータ７、ギア８、加圧バネ１５が一体に回転する。そして、ギア８の回転駆動力が、モータ出力として外部ギア（図示せず）へ伝達される。 One excited bending vibration is a vibration in a direction parallel to the paper surface shown in FIG. The other bending vibration is a vibration in a direction perpendicular to the paper surface. By adjusting the phase of the applied AC electric field, a time phase difference of π / 2 (rad) can be given between the two bending vibrations. As a result, the bending vibration of the vibrator rotates around the axis of the vibrator (around the axis of the shaft 4). Therefore, an elliptical motion is generated on the end face of the elastic body 1 that contacts the rotor 7, and the rotor 7 pressed by the friction member 6 is frictionally driven, so that the rotor 7, the gear 8, and the pressure spring 15 rotate together. . Then, the rotational driving force of the gear 8 is transmitted to an external gear (not shown) as a motor output.
本発明の表面硬化部材が摩擦部材として適用される振動型駆動装置として、上記超音波モータの他に、例えば円環型超音波モータがある。この円環型超音波モータについて図８を参照しながら説明する。図８（ａ）は円環型超音波モータの構成を示す縦断面図、図８（ｂ）は振動子の斜視図である。 As a vibration type drive device to which the surface hardening member of the present invention is applied as a friction member, for example, there is an annular type ultrasonic motor in addition to the above ultrasonic motor. The annular ultrasonic motor will be described with reference to FIG. FIG. 8A is a longitudinal sectional view showing the configuration of the annular ultrasonic motor, and FIG. 8B is a perspective view of the vibrator.
円環型超音波モータは、図８（ａ）に示すように、ハウジング３０を備える。ハウジング３０には、出力軸２８が複数の軸受３１を介して回転可能に支持されている。出力軸２８には、ギヤ（図示せず）などを介して、本超音波モータを駆動源とする各種装置、機器などの作動装置の駆動機構が接続される。 The annular ultrasonic motor includes a housing 30 as shown in FIG. An output shaft 28 is rotatably supported by the housing 30 via a plurality of bearings 31. The output shaft 28 is connected to a drive mechanism of an operation device such as various devices and equipment using the ultrasonic motor as a drive source via a gear (not shown).
また、ハウジング３０には、環状の弾性体２１がネジ３２で固定されている。環状の弾性体２１は、出力軸２８と同軸上に配置されている。弾性体２１の一方の面には、環状の移動体２７と接触する摩擦部材２６が設けられている。また、弾性体２１の他方の面には、電気−機械エネルギ変換素子としての円環状の圧電素子２３が貼り付けられている。 An annular elastic body 21 is fixed to the housing 30 with screws 32. The annular elastic body 21 is arranged coaxially with the output shaft 28. On one surface of the elastic body 21, a friction member 26 that comes into contact with the annular moving body 27 is provided. An annular piezoelectric element 23 as an electro-mechanical energy conversion element is attached to the other surface of the elastic body 21.
具体的には、弾性体２１は、金属材料の切削加工あるいは粉末焼結などの型成形によって円環状に製作される。弾性体２１の一方の面（表面）には、図８（ｂ）に示すように、軸方向へ突出する複数のくし歯状の突起が形成されおり、該複数の突起の上面には、摩擦部材２６が接着されている。また、弾性体２１の他方の面（裏面）に貼り付けられている圧電素子２３には、複数の電極２２が設けられている。弾性体２１と圧電素子２３と摩擦部材２６とは、互いに協働して振動子を構成する。 Specifically, the elastic body 21 is manufactured in an annular shape by molding such as cutting of metal material or powder sintering. As shown in FIG. 8B, a plurality of comb-like protrusions protruding in the axial direction are formed on one surface (front surface) of the elastic body 21, and friction surfaces are formed on the upper surfaces of the plurality of protrusions. The member 26 is bonded. A plurality of electrodes 22 are provided on the piezoelectric element 23 attached to the other surface (back surface) of the elastic body 21. The elastic body 21, the piezoelectric element 23, and the friction member 26 cooperate with each other to form a vibrator.
移動体２７は、その一方の面が摩擦部材２６と対向しかつ出力軸２８と同軸上になるように配置されている。移動体２７は、出力軸２８に固着されている加圧ばね部材３５に支持されている。加圧ばね部材３５は、移動体２７を摩擦部材２６に加圧接触させるばね力を発生する。 The moving body 27 is arranged so that one surface thereof faces the friction member 26 and is coaxial with the output shaft 28. The moving body 27 is supported by a pressure spring member 35 fixed to the output shaft 28. The pressure spring member 35 generates a spring force that causes the moving body 27 to be in pressure contact with the friction member 26.
ここで、圧電素子２３の電極に交流電界が印加されると、上記振動子が励振され、摩擦部材２６に加圧接触する移動体２７が出力軸２８と一体に回転駆動される。これにより、モータ出力は、外部の駆動機構へ伝達される。 Here, when an AC electric field is applied to the electrode of the piezoelectric element 23, the vibrator is excited, and the moving body 27 that is in pressure contact with the friction member 26 is rotationally driven integrally with the output shaft 28. As a result, the motor output is transmitted to an external drive mechanism.
本実施の形態においては、本発明の表面硬化部材が摩擦部材として適用される超音波モータとして、棒型および円環型超音波モータが例示されている。しかし、これらに限定されることはなく、振動体の形状、励起する振動の次数、振動の形態などに応じて構成される各種のタイプの超音波モータに対して、本発明の表面硬化部材が摩擦部材として適用可能であると考えられる。 In the present embodiment, rod type and annular type ultrasonic motors are exemplified as the ultrasonic motor to which the surface hardening member of the present invention is applied as a friction member. However, the surface hardening member of the present invention is not limited to these, and various types of ultrasonic motors configured according to the shape of the vibrating body, the order of vibration to be excited, the form of vibration, and the like. It is thought that it can be applied as a friction member.
次に、上述した超音波モータの摩擦部材を形成する表面硬化部材の金属組織について図１乃至図３を参照しながら説明を行う。 Next, the metal structure of the surface hardening member forming the friction member of the ultrasonic motor described above will be described with reference to FIGS.
本発明の第１の実施例では、予め化合物相が基材中に分散しているステンレスを窒化処理することで、この化合物相を窒化物相に変化させたもので構成された摩擦部材を用いた。具体的には、クロム炭化物を分散させたマルテンサイト系ステンレスを窒化処理したものを摩擦部材とした。窒化処理後のステンレスの摩耗量は窒化処理しないステンレスの摩耗量に比較して減少しており、後述するように比較的安定した摩擦力を発生するようになった。 In the first embodiment of the present invention, a friction member constituted by changing the compound phase into a nitride phase by previously nitriding stainless steel in which the compound phase is dispersed in the base material is used. It was. Specifically, a friction member was obtained by nitriding martensitic stainless steel in which chromium carbide was dispersed. The wear amount of the stainless steel after the nitriding treatment is reduced as compared with the wear amount of the stainless steel not subjected to the nitriding treatment, and a relatively stable frictional force is generated as will be described later.
そこで、その窒化層を分析すると、元々存在していたクロム炭化物がクロム窒化物に相変化していることがわかった。 Therefore, when the nitride layer was analyzed, it was found that the chromium carbide, which was originally present, changed to chromium nitride.
この相変化を利用する方法では、予め、ある一定の体積を別の相で金属基材中に分散させてあるため、その変化は比較的低い温度で起こるはずである。金属基材の結晶格子を歪ませて、そこへ溶質元素を拡散濃縮させ、ある大きさの化合物相を形成させる析出過程および成長過程で必要とされる熱エネルギと比較すると、小さな熱エネルギで済むと考えられるためである。 In the method using this phase change, since a certain volume is dispersed in the metal substrate in another phase in advance, the change should occur at a relatively low temperature. Compared to the thermal energy required for the precipitation and growth processes that distort the crystal lattice of the metal substrate, diffuse and concentrate solute elements there, and form a compound phase of a certain size, less thermal energy is required. It is because it is considered.
図１は本実施例に係る表面硬化部材であって、第１の素材であるマルテンサイト系ステンレス（ＪＩＳ ＳＵＳ４４０Ａ）にイオン窒化処理した摩擦部材の断面のＥＰＭＡ（電子プローブマイクロアナライザー）マッピングを示す図である。６つのマッピング図（分布図）があるが、上段は左から順にＣＰ（反射電子）像、炭素元素のマッピング図、窒素元素のマッピング図である。また、下段は左から順にクロム元素のマッピング図、鉄元素のマッピング図、モリブデン元素のマッピング図である。これらの図はすべて同じ場所を観察または分析したものである。 FIG. 1 is a diagram showing an EPMA (Electron Probe Microanalyzer) mapping of a cross section of a friction member obtained by ion nitriding a martensitic stainless steel (JIS SUS440A) as a first material, which is a surface hardening member according to the present embodiment. It is. Although there are six mapping diagrams (distribution diagrams), the upper row is a CP (reflected electron) image, a carbon element mapping diagram, and a nitrogen element mapping diagram in order from the left. The lower part is a mapping diagram of chromium elements, a mapping diagram of iron elements, and a mapping diagram of molybdenum elements in order from the left. These figures are all observed or analyzed at the same place.
そして、各図の左稜線が摩擦部材の表面に相当する部位であって、イオン窒化処理によって表面から窒素を拡散して窒化層を形成させている。また、それぞれの図において、左側が窒化された窒化層で約３０μの層厚があり、右側が窒化が及んでいない本来のステンレス母材である。窒素元素のマッピング図では、その右側が黒くつぶれているが、これは窒素が到達しておらず、その部分からは窒素元素が検出されなかったためである。 And the left ridgeline of each figure is a site | part corresponded to the surface of a friction member, Comprising: Nitrogen is diffused from the surface by ion nitriding treatment, and the nitrided layer is formed. Further, in each figure, the left side is a nitrided nitride layer having a thickness of about 30 μm, and the right side is an original stainless steel base material that is not nitrided. In the mapping diagram of the nitrogen element, the right side is crushed in black, but this is because nitrogen has not reached and no nitrogen element was detected from that portion.
炭素元素のマッピング図とクロム元素のマッピング図において、それぞれの右側に位置するステンレス母材を見ると、炭素元素の存在する範囲とクロム元素の存在する範囲が一致していることがわかる。これは、高炭素マルテンサイト系ステンレス中にクロム炭化物が存在していることを示している。そして、その大きさが数ミクロンであることもわかる。 In the mapping diagram of carbon element and the mapping diagram of chromium element, it can be seen that the range in which the carbon element exists and the range in which the chromium element exist match when the stainless steel base material located on the right side of each is seen. This indicates that chromium carbide is present in the high carbon martensitic stainless steel. It can also be seen that the size is several microns.
ところが、各図の左側に位置する窒化層部分を見ると、クロムは母材部分とそれほど変わらず存在しているものの、炭素元素はほとんど見られなくなっている。これに対し、窒素元素のマッピング図を見ると、その窒化層部分には窒素元素がクロム元素の範囲と一致して存在している。このことは、つまり、ステンレス中に分散していたクロム炭化物がクロム窒化物に相変化したことを示している。 However, when the nitride layer portion located on the left side of each figure is seen, although the chromium is not much different from the base material portion, the carbon element is hardly seen. On the other hand, when the mapping diagram of the nitrogen element is seen, the nitrogen element is present in the nitride layer portion in accordance with the range of the chromium element. This indicates that the chromium carbide dispersed in the stainless steel has changed to chromium nitride.
図２は本発明における第２の実施例に係る表面硬化部材であって、第２の素材であるチタン、イオウ含有のオーステナイト系ステンレスにイオン窒化処理した摩擦部材の断面のＥＰＭＡマッピングを示す図である。 FIG. 2 is a surface hardened member according to a second embodiment of the present invention, and is a diagram showing an EPMA mapping of a cross section of a friction member obtained by ion nitriding a titanium or sulfur-containing austenitic stainless steel as a second material. is there.
試料はやや左に傾いているが、各図の上面の稜線部が表面の位置であり、窒化層は上部から約３０μの厚さがある。 Although the sample is slightly inclined to the left, the ridge line portion on the upper surface of each figure is the position of the surface, and the nitride layer has a thickness of about 30 μm from the top.
上段の左側の図はＣＰ像を示しており、数μ大で点在しているものは、材料を切削しやすくために与えられたチタン炭硫化物相、チタン硫化物相、あるいは、硬質の窒化チタン相である。その右隣は炭素元素のマッピング図で、ＣＰ像の各点在相の範囲と略一致しているので、チタン硫化物相、あるいは、窒化チタン相の各相は、炭素を含んだチタン炭硫化物相及び炭窒化チタン相になっているものが多いことがわかる。 The upper left figure shows a CP image, and the ones scattered by several μ are those of a titanium carbon sulfide phase, a titanium sulfide phase, or a hard material given for easy cutting of the material. It is a titanium nitride phase. The right-hand side is a mapping diagram of carbon elements, which is almost the same as the range of each interspersed phase of the CP image. Therefore, each of the titanium sulfide phase or the titanium nitride phase is a titanium carbon sulfide containing carbon. It can be seen that there are many physical phases and titanium carbonitride phases.
一方、炭素元素分布、左下のイオウ元素分布及びその隣のチタン元素分布を比べると、母材領域では各元素の範囲が完全に一致しており、快削成分であるチタン炭硫化相が分布していることがわかる。 On the other hand, comparing the carbon element distribution, the lower left sulfur element distribution, and the adjacent titanium element distribution, in the base material region, the range of each element is completely the same, and the titanium carbosulfide phase, a free-cutting component, is distributed. You can see that
それに対して、窒化層の領域では窒素元素とチタン元素の範囲が略一致しており、反対にイオウ元素はその範囲で希釈している。このことは、チタン炭硫化物相が窒化チタン相ないし炭窒化チタン相に変化したことを示している。 On the other hand, in the region of the nitride layer, the ranges of the nitrogen element and the titanium element are substantially the same, and on the contrary, the sulfur element is diluted in that range. This indicates that the titanium carbon sulfide phase has changed to a titanium nitride phase or a titanium carbonitride phase.
このように、被切削性を向上させるためにチタン炭硫化物を分散晶出させたステンレスに窒化処理を施すと、チタン炭硫化物相が窒化チタン相ないし炭窒化チタン相に変化することがわかった。このチタン炭硫化物相は２０００Ｈｖ以上の硬さとなり、アブレッシブ摩耗しにくい上、化学的反応作用を伴う化学摩耗も生じにくいことが知られている。つまり、切削加工時には削りやすくしておきながらも、切削後には耐磨耗性を向上させることができる。 In this way, when nitriding treatment is performed on stainless steel in which titanium carbon sulfide is dispersed and crystallized in order to improve machinability, the titanium carbon sulfide phase is changed to a titanium nitride phase or a titanium carbonitride phase. It was. It is known that this titanium carbon sulfide phase has a hardness of 2000 Hv or more, and is less likely to be abrasively worn and is less likely to be chemically worn with a chemical reaction. That is, it is possible to improve the wear resistance after cutting while making it easy to cut during cutting.
なお、ステンレスに予め分散させておく相は何でも良いというものではなく、窒化処理条件に応じて、窒素との結合が容易な、所謂、窒化物形成元素を含む相であることが望まれる。今回の比較素材であるオーステナイト系快削ステンレスであるＪＩＳ ＳＵＳ３０３は、マンガン硫化物が分散しているが、これを切削後に窒化しても、マンガン硫化物相は窒化物相に変化することなくそのまま残留した。この化合物相は脆いため、靭性や耐摩耗性を要求する表面硬化部材には好ましくない。その上、マンガン硫化物は片状に存在しやすく、ステンレス材料自体の特性に強い異方性を与えてしまう。また、耐食性についても該化合物が存在しないステンレスとの比較ではかなり劣化してしまう。 Note that the phase to be dispersed in stainless steel in advance is not limited to anything, and it is desirable that the phase includes a so-called nitride-forming element that can be easily bonded to nitrogen depending on the nitriding conditions. JIS SUS303, which is an austenitic free-cutting stainless steel as a comparative material this time, has manganese sulfide dispersed, but even if it is nitrided after cutting, the manganese sulfide phase remains as it is without changing to the nitride phase. Remained. Since this compound phase is brittle, it is not preferable for a surface-hardened member that requires toughness and wear resistance. In addition, manganese sulfide tends to exist in the form of flakes, giving strong anisotropy to the characteristics of the stainless steel material itself. Further, the corrosion resistance is considerably deteriorated in comparison with stainless steel in which the compound does not exist.
下記表１に第１の素材、第２の素材、そして市販のＪＩＳ ＳＵＳ３０３の組成（重量％）が記載されている。 Table 1 below shows the composition (% by weight) of the first material, the second material, and commercially available JIS SUS303.
そして図３には、下記表１に示す各素材の窒化処理後の摩擦面の凹凸状態を示すＡＦＭ（原子間力顕微鏡）図、および、その一部断面形状を示している。 FIG. 3 shows an AFM (Atomic Force Microscope) diagram showing an uneven state of the friction surface after nitriding treatment of each material shown in Table 1 below, and a partial cross-sectional shape thereof.
図５は本発明の一実施の形態に係る表面硬化部材からなる摩擦部材の外形を示す斜視図である。それぞれの素材を図５に示すようにリング状に各素材を加工した後、イオン窒化処理してから接着、ラップ加工を経て、図６に示す棒状超音波モータに組み付け、１時間の耐久試験後にその摩擦摺動面を測定したものが図３である。 FIG. 5 is a perspective view showing an outer shape of a friction member made of a surface hardening member according to an embodiment of the present invention. After each material is processed into a ring shape as shown in FIG. 5, it is subjected to ion nitriding treatment, followed by bonding and lapping, and assembled into the rod-shaped ultrasonic motor shown in FIG. FIG. 3 shows the measured friction sliding surface.
この結果、本実施の形態で使用した第２の素材、第１の素材、市販のＳＵＳ３０３の順に表面凹凸が大きいことがわかる。 As a result, it can be seen that the surface irregularities are larger in the order of the second material, the first material, and the commercially available SUS303 used in the present embodiment.
一方、図４は各摩擦部材を使用した棒状超音波モータにおいて、その起動時の発生トルクの時間推移を示している。まず、トルク−回転数測定（Ｔ−Ｎ測定）の段階で数十秒回転させるわけであるが、その測定によりモータの発生トルクを求めておき、この値を１００％に相当するものとした。その後、各モータ（摩擦部材３種×各６ヶ）を温度２９８Ｋ（２５℃）、湿度５０％の環境下に２時間以上放置し、最初に起動する瞬間に発生するトルクの上記発生トルクに対する比率を示している。これによると、摩擦部に水分が介在しトルクが回復するまでに若干の時間を要することがわかる。 On the other hand, FIG. 4 shows the time transition of the generated torque at the time of starting in the rod-shaped ultrasonic motor using each friction member. First, rotation is performed for several tens of seconds at the stage of torque-rotational speed measurement (TN measurement), and the generated torque of the motor is obtained by the measurement, and this value corresponds to 100%. After that, leave each motor (3 types of friction members x 6 each) in an environment of temperature 298K (25 ° C) and humidity 50% for 2 hours or more, and the ratio of the torque generated at the first start-up to the generated torque Is shown. According to this, it is understood that it takes some time for the torque to recover due to the presence of moisture in the friction part.
先のＴ−Ｎ測定直後にこの測定をすれば、最初からほぼ１００％のトルクを発生するので、湿度下に放置しておくことで摩擦面に水分が吸着し、それが摩擦力を低下させていると思われる。 If this measurement is performed immediately after the previous TN measurement, a torque of almost 100% is generated from the beginning, so that moisture is adsorbed on the friction surface when left under humidity, which reduces the frictional force. It seems that
この実験では、上述した第２の素材、第１の素材、ＳＵＳ３０３の順に発生トルクの回復が速いことがわかる。これは、図３の測定結果である摩擦面の表面凹凸の結果に対応している。 In this experiment, it can be seen that the recovery of the generated torque is fast in the order of the second material, the first material, and SUS303. This corresponds to the result of the surface unevenness of the friction surface, which is the measurement result of FIG.
図６に示す摩擦部材を形成するため、まず、上述した表１に表される組成（重量％）を有する鋼塊が真空誘導炉にて製造される。次いで、この鋼塊が１４７３Ｋの温度で２時間保持された後に、熱間加工により直径６０ｍｍの丸棒が製造される。そして、この丸棒は、１３７３Ｋの温度で熱間圧延され、直径１５ｍｍの丸棒に仕上げられる。さらに、上記丸棒を切削加工することによって、図５に示すような、所定の寸法を有するリング状の摩擦部材６が形成される。 In order to form the friction member shown in FIG. 6, first, a steel ingot having the composition (% by weight) shown in Table 1 is manufactured in a vacuum induction furnace. Next, after this steel ingot is held at a temperature of 1473 K for 2 hours, a round bar having a diameter of 60 mm is manufactured by hot working. Then, this round bar is hot-rolled at a temperature of 1373K and finished into a round bar having a diameter of 15 mm. Further, by cutting the round bar, a ring-shaped friction member 6 having a predetermined dimension as shown in FIG. 5 is formed.
ここでは、摩擦部材６は、外径１０ｍｍ、内径７.２ｍｍ、厚さ０.５ｍｍの各寸法を有するものとする。 Here, it is assumed that the friction member 6 has dimensions of an outer diameter of 10 mm, an inner diameter of 7.2 mm, and a thickness of 0.5 mm.
そして、摩擦部材６との比較のために、表１に記載された市販のＳＵＳ３０３から、摩擦部材６と同一の寸法を有する摩擦部材（以下、比較用摩擦部材という）が形成される。 Then, for comparison with the friction member 6, a friction member (hereinafter referred to as a comparative friction member) having the same dimensions as the friction member 6 is formed from the commercially available SUS303 shown in Table 1.
形成された摩擦部材６は、本実施の形態で使用した第１の素材については７４３Ｋで５時間イオン窒化処理し、本実施の形態で使用した第２の素材および市販ＳＵＳ３０３については８２３Ｋの温度で２時間イオン窒化処理した。 The formed friction member 6 is ion-nitrided for 5 hours at 743 K for the first material used in the present embodiment, and at a temperature of 823 K for the second material used in the present embodiment and the commercially available SUS303. Ion nitriding treatment was performed for 2 hours.
マルテンサイト系ステンレスについては、７７３Ｋ以上では耐食性が著しく低下し、温度３１３Ｋ（４０°Ｃ）、湿度９０％で２００時間放置すると、若干錆びの発生が見られたからである。一方、オーステナイト系ステンレスについては、７７３Ｋ以下では実用的な窒化層の厚さが得られないからである。 For martensitic stainless steel, the corrosion resistance is remarkably lowered at 773 K or more, and when it is left for 200 hours at a temperature of 313 K (40 ° C. ) and a humidity of 90%, slight rusting is observed. On the other hand, for austenitic stainless steel, a practical nitride thickness cannot be obtained at 773K or less.
また、各摩擦部材に対応するサンプルがそれぞれ樹脂に埋め込まれ、その断面についてビッカース硬さ試験が行われた。この試験により、両者は、ともに、表面から２０μｍｍの深さの位置において、１２００Ｈｖの十分な硬さを維持し、硬さに関しては、それぞれの組成による差は認められないという結果が得られた。 Moreover, the sample corresponding to each friction member was each embedded in resin, and the Vickers hardness test was done about the cross section. As a result of this test, both of them maintained a sufficient hardness of 1200 Hv at a position of a depth of 20 μm from the surface, and there was a result that no difference depending on the respective compositions was recognized regarding the hardness.
また、ここでは、イオン窒化処理の場合に摩擦部材６の相変化が確認されているが、ガス窒化処理、塩浴窒化処理などの他の窒化処理でも同様の効果を期待することができると推測される。 Here, although the phase change of the friction member 6 has been confirmed in the case of the ion nitriding treatment, it is assumed that the same effect can be expected in other nitriding treatments such as gas nitriding treatment and salt bath nitriding treatment. Is done.
また、本実施の形態においては、図６に示す超音波モータの摩擦部材６を形成する場合の表面硬化部材について説明したが、図８に示す円環型超音波モータの摩擦部材２６も、同様の表面硬化部材により形成することができ、また、同様の効果を得ることができる。 Further, in the present embodiment, the surface hardening member in the case of forming the friction member 6 of the ultrasonic motor shown in FIG. 6 has been described, but the same applies to the friction member 26 of the annular ultrasonic motor shown in FIG. The surface hardening member can be used, and the same effect can be obtained.
１，２，２１ 弾性体
６，２６ 摩擦部材
７ ロータ
２７ 移動体
1, 2, 21 Elastic body 6, 26 Friction member 7 Rotor 27 Moving body
Claims (3)
前記摩擦面は、窒化チタン相、又は炭窒化チタン相を含むことを特徴とする摩擦部材。 The surface-hardening member manufactured by the manufacturing method according to claim 1 is used for a contact portion between a stator and a rotor of an ultrasonic motor, and has an uneven surface on a friction surface.
The friction member, wherein the friction surface includes a titanium nitride phase or a titanium carbonitride phase.
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