JP7179179B2 - シリンダ装置と金属製摺動部品及び金属製摺動部品の製造方法 - Google Patents
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Description
本願は、2019年6月26日に、日本に出願された特願2019-118685号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
例えば、厚さ方向に応力勾配がないクロム層を析出させる技術(特許文献1参照)、高速クロムめっき装置の構造を改良した技術(特許文献2参照)、クロムめっき膜の結晶子の平均直径を規定し、({211}/{222})で表記されるピーク強度比を規定した技術(特許文献3参照)が知られている。
ところで、本発明者は、サスペンション用ピストンロッドのクロムめっきの成膜速度を高速化する技術の開発を進めている。
また、クロムめっきの成膜速度を高速化しても、得られためっき膜の特性値は従来のめっき品と同等とすることで検討を進めてきた。
しかし、本発明者が高速化によって得られたクロムめっき膜の結晶性について詳細な解析を行ったところ、ピストンロッドの摺動特性を改善しうる結晶性を有していることを見出した。
また、このような金属製摺動部品としてのロッドを備えたシリンダ装置であれば、ロッドの摺動特性を改善することができ、耐久性に優れたシリンダ装置を提供できる。
なお、以下に説明する実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
このロッド1は、丸棒状の大径部2と、この大径部2の長さ方向一端部中央に大径部2を延長するように形成された小径部3とからなる。大径部2の一端側には径を絞るように形成されたテーパ面4が形成されている。このテーパ面4の終端側に形成された鍔部2aを介し小径部3が形成されている。小径部3の先端側には雄ねじ部5が形成されている。
ロッド1はめっきが施された被めっき物である。大径部2の外周面とテーパ面4にめっきが電着されている。
図2は大径部2の表面部分を一部切り出して断面視した図である。大径部2を構成する鋼母材である金属基材6の表面にクロムめっき膜7が被覆されている。なお、ロッド1において大径部2と小径部3はいずれも鋼母材からなる。
クロムめっき膜7において、結晶子の平均径は、膜厚方向(FTD)で12nm以下であり、面内方向(PD)で60nm以上となるように形成されている。結晶子の膜厚方向の平均径は0.28nm以上であることが好ましく、面内方向では240nm以下であることが好ましい。
bcc単位格子の幅方向の軸長をa0、高さ方向の軸長をh0と表記すると、図3Bに示すクロム結晶格子のアスペクト比(AR)はh0/a0で表される値となる。
図4は本実施形態に係るクロムめっき膜7の結晶構造を模式化して示す概念図である。図5は従来構造のクロムめっき膜8の結晶構造を模式化して示す概念図である。図4と図5に(111)面が堆積している方位を矢印で示す。クロムめっき膜7、8では面内(膜面)方向に(111)面が優先配向されている。
「優先方位」という用語は、多結晶集合体の状態であり、結晶方位はランダムでなく、特定の方向に配列する傾向を示すという意味を有する。
結晶性や優先方位については、例えばX線回折測定によって得られる回折パターンから分析することができる。本実施形態に係るクロムめっき膜の代表的なX線回折パターンでは、(111)面が優先配向していることを示す強い(222)ピークが観察される。このようなピークのパターンから積分強度を求め、強度比を算出すると、(222)ピークが90%以上を示した。無配向なクロムにおける標準データでは、(222)ピークの強度比は3%程度であり、強く優先配向していると言える。
図4に示す本実施形態のクロムめっき膜7は、膜厚方向の平均結晶子径hと面内方向の平均結晶子径aのアスペクト比(h/a)が、0.2以下とされている。
クロムめっき膜7における結晶子の大きさの測定は、X線回折装置により特性X線Cu-Kαを用い、面内の回折線と広角での回折線とをHall法により結晶子の大きさと歪みとに分離して評価することができる。
本実施形態において膜厚方向の平均結晶子径hとは、広角X線回折装置によりめっき膜の10mm×10mmの範囲を走査した時に発生する反射X線の回折線により上記のHall法により求めた値である。
本実施形態において面内方向の平均結晶子径aとは、高分解能X線回折装置によりめっき膜の10mm×10mmの範囲に広角X線回折よりも極めて低い照射角で走査した時に発生する試料の沿面方向へ走る面内回折X線の回折線により求めた値である。
図4と図5を対比して分かるように、本実施形態のクロムめっき膜7では、前述のアスペクト比(h/a)が0.2以下である。このことは、図7に示すクロムめっき膜7を構成する結晶子9において、面内方向の平均結晶子径が膜厚方向の平均結晶子径より相当に大きいことを意味する。
図4において、オイルシール11の面方向に隣接する結晶子9、9の境界を粒界13とみなすことができる。図5において、オイルシール12の面方向に隣接する結晶子10、10の境界を粒界14とみなすことができる。
このため、図6に示すクロムめっき膜7がオイルシール11に対し摺動する場合と、図7に示すクロムめっき膜8がオイルシール12に対し摺動する場合を対比すると、図6の構造の方が、オイルシール11に粒界13が擦れ合う確率が低くなる。このため、クロムめっき膜7の表面に凝着が発生し難くなり、ロッド1の摺動特性が向上する効果を得ることができる。
このため、金属製摺動部品としてのロッド1は、摺動する際に、相手材との真実接触部が安定するとともに、微細な段差を生じてしまう結晶粒界を摺動する回数が減じることで摩擦係数を低くすることができる。
上記のクロムめっき膜7は、有機スルフォン酸を含むクロムめっき浴中で、直流定電流を利用しためっき処理を行うことにより形成される。めっき液は所定の流速でめっき面に沿った方向の定常流を与えるように設定することが好ましい。
なお、有機スルフォン酸を含むクロムめっき浴としては、特公昭63-32874号公報に記載される、以下の表1に示す成分組成のものを用いることが望ましい。
上記のクロムめっき膜7をロッド1の表面に形成するための装置の一形態を図8に示す。この装置は、ワーク(例えば、金属製ピストンロッド)Wを吊下支持し移動するハンガー21を有する。その移動ラインの下には、装着ステーション22、アルカリ電解脱脂槽23、めっき槽24、水洗槽25および離脱ステーション26がこの順序で配列されている。めっき槽24は、アルカリ電解脱脂槽3側のエッチング処理槽24Aと、これに続くめっき処理槽24Bとに分割されている。めっき処理槽24Bには、前記した有機スルフォン酸を含むクロムめっき浴24bが収納されている。
また、アルカリ電解脱脂槽23、エッチング処理槽24Aおよびめっき処理槽24Bに沿ってそれぞれの上方にブスバ27、28、29が分割して配列されている。これらブスバのうち、アルカリ電解脱脂槽23に対応するブスバ27、エッチング処理槽24Aに対応するブスバ28、めっき処理槽24Bに対応するブスバ29にはそれぞれ直流電源30、31、32が接続されている。
そして、アルカリ電解脱脂槽23においてワークWを陽極とする脱脂処理を、エッチング処理槽24AにおいてワークWを陽極とするエッチング処理をそれぞれ行う。続いて、ワークWをめっき処理槽24Bに移送し、ここで、ワークWを陰極とするクロムめっき処理を行う。
更に、めっき液の出口温度を90℃以下、望ましくは85℃以下とすることで、結晶子のアスペクト比が小さなクロムめっき膜を形成することができる。また、印加する直流電流としては、350ASD(A/dm2)以上が好ましい。本実施形態においては、1500ASD以上を印加した場合に、めっき膜の平坦性が低下しめっき膜質異常を引き起こしたことから、実質的に350~1500ASDとすることが望ましく、400~1200ASDとすることがより望ましい。この範囲の電流密度でめっき処理を施すことは、この種のクロムめっき膜を生成する一般的な電流密度より高い範囲となる。このため、前述の範囲でめっき処理することは高速クロムめっきを行っていることとなる。
更に、流速が2.5m/s以上となった場合には、めっき電流に伴うワーク表面の温度上昇が不十分となるとともに、めっき反応過程で生じる6価クロムの還元中間体がワーク表面に残存することが出来なくなる。このため、析出反応の継続的な進行が阻害され、結晶配向の低い膜が成長してしまう。
なお、高速クロムめっきを行うことで生産時のリードタイムを短縮し、生産効率を向上できる効果がある。
ワークWにクロムめっき膜7を形成する場合の第2実施形態として、図9を参照して以下に説明する方法に従うこともできる。
第2実施形態では、内筒型の陽極40と外筒型の処理槽本体41を備えためっき処理装置42を用いる。陽極40の中心にロッド状のワークWを設置してめっき処理を実施する。
めっき処理を行う場合、内筒型の陽極40に収容しためっき液に上向きの循環流を生じさせることが好ましい。
このような電極配置にすることで、ワークWの表面近傍におけるめっき液の流れが整い易くなるとともに、高電流を印加した場合の、めっき液温の上昇を管理し易くなり、適切な温度範囲と流量範囲を安定的に提供することが可能となる。
図10は、図9に示すめっき処理装置42に関し、より具体的な構造とした一例を示す断面図である。
この例のめっき処理装置51は、搬送ロボットの把持部52を有している。把持部52は、ロッド1の小径部3とは反対側の部分である大径部2を把持する。把持部52は、ロッド1を把持部52から鉛直下方に延出させた状態で把持する。把持部52は、上下に昇降可能となっている。把持部52で把持された状態のロッド1は鉛直方向に沿っており、大径部2よりも小径部3が下側に配置されている。
貫通路85は、めっき液をマスキング治具71の軸方向に通過させるめっき液流通用の通路である。
めっき液によって上昇したマスキング治具71は、その収容穴75にロッド1の小径部3を収容しつつ当接部81をロッド1の鍔部2aに当接させて停止する。めっき液は、貫通路85を下から上に向けて流れて電極62内で大径部2に接触する。電極62の挿入口61から溢れためっき液は、処理槽本体56と電極62との間を通って下方に流れる。
マスキング治具71の外周面72と壁電極部65の内周面68の隙間を狭くすることによって、マスキング治具71が、マスキング治具71より下部に位置する壁電極部65の円筒面状の内周面68から流れてくるはずの電流を遮蔽する遮蔽板として働くため、本来ロッド1の下方に集中するはずの電流を抑制する。このことにより膜厚均一化に効果が得られる。
本実施形態では、クロムめっき膜7において、膜厚方向の平均結晶子径と面内方向の平均結晶子径のアスペクト比が0.2以下であり、クロムの結晶の(111)面を面内方向に平行に揃える優先方位となるように結晶配向されているクロムめっき膜7を形成することを目的とする。また、このクロムめっき膜7において、結晶子の平均径が膜厚方向で12nm以下であり、面内方向で60nm以上となることが好ましい。
このクロムめっき膜7を形成する場合、図10に示す構造のめっき処理装置51を用いて製造することが結晶配向性に優れ、目的の平均結晶子径のクロムめっき膜を得る上で望ましい。
図11は前述のクロムめっき膜7を有するロッド1を備えた本発明に係るシリンダ装置の第1実施形態を示す断面図である。
図11に示すシリンダ装置111は、自動車や鉄道車両等の車両のサスペンション装置に用いられる緩衝器である。具体的には自動車のストラット型サスペンションに用いられる緩衝器である。シリンダ装置111は、円筒状の内筒(シリンダ)112と、有底筒状の外筒114とを有している。内筒112には、作動液体が封入される。外筒114は、内筒112よりも大径で内筒112の外周側に設けられる。外筒114は、内筒112との間に作動液体および作動気体が封入されるリザーバ室113を形成する。つまり、シリンダ装置111は、外筒114内に内筒112が設けられた複筒式の緩衝器である。
ロッド1は、大径部2の外周面においてロッドガイド131およびシール部材133を通って内筒112および外筒114から外部へと延出している。これにより、ロッド1は、一端側が外筒114および内筒112内に配置され他端側が外筒114および内筒112の外部に配置されている。ロッド1は、大径部2の外周面がロッドガイド131に摺接し、ロッドガイド131で案内されて、内筒112および外筒114に対して、ピストン135と一体に軸方向に移動する。ロッド1は、大径部2の外周面がシール部材133に摺接する。シール部材133は、外筒114とロッド1との間を閉塞して、内筒112内の作動液体と、リザーバ室113内の作動気体および作動液体とが外部に漏出するのを規制する。
ベース部材130には、その軸方向の底部118側に円環状のディスクバルブ155が配置され、その軸方向の底部118とは反対側に、円環状のディスクバルブ156が配置されている。ディスクバルブ155は、ベース部材130に当接することで通路152を閉塞可能である。ディスクバルブ156は、ベース部材130に当接することで通路153を閉塞可能である。
また、ロッド1の大径部2の外周面にクロムめっき膜7を設けているので、大径部2が繰り返しシール部材133に対し摺動したとしても、クロムめっき膜7が優れた摺動特性を発揮し、優れた耐摩耗性を発揮できる。
めっき液は鋼棒に対して図10に示すめっき処理装置51を用いて図9に示すように沿面方向(大径部2の外周面に沿って上向き方向)に流し、めっき処理を行った。
めっきを行う際のめっき液の流速は0、0.05、0.1、1.0、2.5、3.0m/sとして試料を作製した。
また、参考のため、同じ供試材および同じめっき浴を用い、浴温60℃、電流密度100A/dm2の一定条件で汎用の硬質クロムめっき処理を行い、供試材表面に厚さ約20μmのクロムめっき膜を形成した試料1を得た。めっきを行う際のめっき液の流速は1.0m/sに設定した。
また、JIS Z2371による塩水噴霧試験を行って発錆の有無を観察した。
ここで、クロムめっき膜の残留応力の測定は、日本非破壊検査協会編「非破壊検査」第37巻第8号第636~642頁に開示される「X線応力測定法」を用いて行った。
また、クロムめっき膜における結晶子の大きさの測定は、X線回折装置により特性X線Cu-Kαを用い、面内の回折線と広角での回折線とをHall法により結晶子の大きさを評価した。
得られたクロムめっき膜に対して、ニトリルブタジエンゴム(摺動部材を想定)との摩擦係数を往復摺動試験で評価した結果、500ASD(500A/dm2)で電気めっきを行って得たクロムめっき膜は摩擦係数が小さくなることが認められた。このクロムめっき膜は、硬さ(HV)も向上しており、摩擦係数が小さいので、耐摩耗性も向上することが判明した。
クロムめっき膜の結晶配向性は、広角X線回折法によって、(111)面が優先配向していることを示す強い(222)ピークと、(100)面の(200)ピークについてピーク面積比から定量的に求めた。
この結果から、高電流密度でクロムめっき膜を形成した本発明の実施例に係るクロムめっき膜の場合、(111)面の配向性が向上していることが明らかとなった。
図12に示す結果から、電流密度を350A/dm2以上に設定すると、面内方向の結晶子径を60nm以上にできることが明らかになった。
印加した電流密度を100、200、300、350、400、450、500A/dm2のそれぞれの値に設定し、得られたクロムめっき膜のアスペクト比の値との相関性を求めた結果を図13に示している。
図13に示す結果から、アスペクト比を0.2以下とするには、350A/dm2以上の電流密度でめっき処理を行う必要があることがわかった。
図14に示す結果から、アスペクト比が0.2以下の範囲で小さくなると最大摩擦係数も小さくなることがわかる。
また、クロムめっき膜を製造する場合、電流密度を350A/dm2以上とすることがアスペクト比0.2以下のクロムめっき膜を製造する上で望ましく、電流密度を350A/dm2以上とすることにより面内方向の結晶子径を60nm以上としたクロムめっき膜を製造できることがわかった。
また、このような金属製摺動部品としてのロッドを備えたシリンダ装置であれば、ロッドの摺動特性を改善することができ、耐久性に優れたシリンダ装置を提供できる。
2 大径部
3 小径部
4 テーパ面
6 金属基材
7 クロムめっき膜
9 結晶子
14 粒界
W ワーク(ピストンロッド)
21 ハンガー
22 装着ステーション
23 アルカリ電解脱脂槽
24 めっき層
24A エッチング処理槽
24B めっき槽
25 水洗槽
26 離脱ステーション
27、28、29 ブスバ
30、31、32 電源
34 給電ブラシ
37、38 陽極、
40 陽極
41 処理槽本体
42 めっき処理装置
51 めっき処理装置、
56 処理槽本体
62 電極
71 マスキング治具
111 シリンダ装置、
112 内筒(シリンダ)
112b 開口部
131 ロッドガイド
133 シール部材(摺接部材)。
Claims (11)
- 少なくとも一端側に開口部を有する筒状のシリンダと、
前記シリンダの開口部から突出する金属製のロッドと、
前記シリンダの開口部に設けられ前記ロッドと摺接する摺接部材と、を備え、
前記ロッドの表面には、クロムめっき膜が設けられ、
前記クロムめっき膜における膜厚方向の平均結晶子径と面内方向の平均結晶子径のアスペクト比が0.2以下であることを特徴とするシリンダ装置。 - 前記結晶子の面内方向の平均結晶子径が60nm以上であることを特徴とする請求項1に記載のシリンダ装置。
- 前記結晶子が(111)面を面内方向に揃える優先方位となる結晶配向性を有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のシリンダ装置。
- 金属製基材の表面にクロムめっき膜を有し、該クロムめっき膜における結晶子の膜厚方向の平均結晶子径と面内方向の平均結晶子径のアスペクト比が0.2以下であることを特徴とする金属製摺動部品。
- 前記結晶子の面内方向の平均結晶子径が60nm以上であることを特徴とする請求項4に記載の金属製摺動部品。
- 前記結晶子が(111)面を面内方向に揃える優先方位となる結晶配向性を有することを特徴とする請求項4または請求項5に記載の金属製摺動部品。
- 前記金属製基材がロッドであることを特徴とする請求項4~請求項6のいずれか一項に記載の金属製摺動部品。
- 金属製基材を、流れ終端側における温度を60℃以上、出口温度を90℃以下とした有機スルフォン酸を含むクロムめっき液に浸漬して電流を印加することにより、結晶子の膜厚方向の平均結晶子径と面内方向の平均結晶子径のアスペクト比が0.2以下であるクロムめっき膜を形成する工程を備えることを特徴とする金属製摺動部品の製造方法。
- 前記めっき液に浸漬して電流を印加する場合、電流密度350ASD以上となる電流を印加する工程を含むことを特徴とする請求項8に記載の金属製摺動部品の製造方法。
- 前記結晶子の面内方向の平均結晶子径を60nm以上とすることを特徴とする請求項8または9に記載の金属製摺動部品の製造方法。
- 前記結晶子が(111)面を面内方向に揃える優先方位となる結晶配向性を有すること
を特徴とする請求項8~請求項10のいずれか一項に記載の金属製摺動部品の製造方法。
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