KR102254912B1 - 체인용 축받이부, 체인용 핀 및 체인 - Google Patents

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유마 오사카
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다이도고교가부시키가이샤
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Abstract

체인용 축받이부를 구성하는 적어도 한쪽의 부재, 예를 들면 핀(2)이, 모재(20)의 표면에 바나듐 탄질화물(VCN) 피막으로 이루어지는 표면층(21)을 구비한다. 축받이부를 구성하는 다른 쪽의 부재(예를 들면 핀 구멍)와의 사이에서, 표면층의 표면에 소정 막 두께의 산화(VO) 피막(22)을 형성한다. 가혹한 환경하에 있어서도, VCN 피막에 의해 VO 피막이 과잉으로 형성되는 것이 억제된다.

Description

체인용 축받이부, 체인용 핀 및 체인{CHAIN BEARING, CHAIN PIN, AND CHAIN}
본 발명은 사일런트 체인, 롤러 체인 등의 체인에 이용되는 축받이부, 핀 및 그들을 이용한 체인에 관한 것이다.
일반적으로, 사일런트 체인은 핀과 링크 플레이트의 사이, 롤러 체인은 핀과 부시의 사이에, 상대 회전 슬라이딩을 발생하고, 핀 및 끼워 맞춤 부재(링크 플레이트 또는 부시)가 마모되어, 체인에 마모 신장을 발생시킨다. 특히, 내연 엔진내에 배치되는 타이밍 체인 등의 사일런트 체인에 있어서는 슬라이딩 발열이 우려되는 경계 윤활 상태에 가까운 조건하에 있어서도 높은 내구성이 요구되고 있다.
종래, 바나듐 탄화물(VxCy)로 이루어지는 표면층과, 핀 모재와 상기 표면층의 사이에 있어서, 바나듐과 크롬의 탄화물로 이루어지는 경계부를 구비하고, 상기 경계부에 있어서의 크롬 함유량이 핀 모재에서 상기 표면층을 향해 서서히 적어지도록 경사 변화한 체인용 핀이 안출되어 있다(일본국 특허공보 제4401108호 참조).
해당 체인용 핀은 표면층이 높은 면압 강도를 갖는 바나듐 탄화물로 이루어지고, 경계부에, 명확하게 구획된 계면을 형성하지 않은 형태로 바나듐과 크롬의 탄화물을 형성해서, 표면층과 핀 모재의 밀착 강도를 향상시켜 표면층과 경계면에서의 박리를 방지하고, 체인의 내구성 및 장수명화를 도모하고 있다.
근래의 환경 문제나 에너지 문제의 고조에 의해, 내연 엔진 등에 있어서도 지속적인 발전으로의 요구가 높아지고 있고, 엔진 차량의 한층의 연비 향상이 급선무로 되고 있는 한편, 상기 타이밍 체인의 장기 신뢰성의 확보가 중요한 과제로 되고 있다. 이러한 차세대 엔진에서는 윤활유의 저점도화가 진행하거나, 혹은 엔진 기구의 변화로부터 윤활유량이 희박화되는 경우가 있으며, 윤활 조건이 혼합 윤활이라도 경계 윤활에 근접하여, 체인 윤활 환경이 가혹화되는 경우가 많아지고 있고, 그러한 체인 구동 시험에 있어서, 상기 바나듐 탄화물을 표면층으로 한 핀(이하, VC핀이라고 함)에 이상 마모를 발생시키는 경우가 있는 것을 발견하였다.
본 발명자들은 상기 VC핀의 이상 마모에 대해 예의 연구한 결과, 우선, 종래의 엔진내 체인에 있어서, 바나듐 탄화물(VC) 피막이 크롬 탄화물(CrC), 니오브 탄화물(NbC) 등의 다른 MC(M: Cr, Nb, V, Ti 등의 메탈)형 경질 탄화물 피막보다 높은 내마모 성능을 갖는 메커니즘은
(ⅰ) VC 피막 표면에 있어서 극히 얇고 연질의 산화 피막이 지속적으로 형성되는 것에 의해, 핀 슬라이딩면이 경면화되기 쉽기 때문에, 상대(링크 플레이트 구멍면) 공격성이 낮아진다.
(ⅱ) 다른 MC형 탄화물 피막보다 높은 인성을 갖고, 고 면압하에서도 피막의 파괴(미소 박리에 의한 면 거칠음)가 진행하기 어렵고, 경면화된 슬라이딩면을 장기에 걸쳐 유지할 수 있는 것으로 해석하였다.
그리고, 차세대 엔진을 상정한 체인 구동 시험에 있어서, VC핀이 이상 마모되는 원인은 윤활 환경이 가혹하게 되는 상황에서는 슬라이딩부(핀 표면 및 링크 플레이트 구멍면)의 윤활이 경계 윤활 상태에 근접하고, 핀 표면이 발열해서 고온화되고, 그 결과, 상대 공격성의 저하를 재촉하는 산화 피막이 두껍게 형성되어 버려, 부드러운 해당 산화 피막이 마모되는 것에 의해 핀 자신의 마모가 증대한 것에 기인한다고 추측하였다.
금후, 차량의 한층의 저 연비화 등의 내연 엔진의 진화에 수반하여, 체인에 대한 요구는 더욱 가혹하게 되는 것이 예측된다. 상술한 바와 같은 윤활유의 저점도화 뿐만 아니라, 체인 부하 장력의 증가 등에 유래한 윤활 환경이 악화되는 상황에서도 장기간의 운전이 가능한 내구성을 갖는 체인이 요구된다.
본 발명에 관한 체인용 축받이부는 서로 슬라이딩 자유롭게 끼워 맞춰지고, 복수의 링크를 굴곡 자유롭게 연결하는 2개의 부재를 포함하고, 상기 2개의 부재의 적어도 한쪽의 부재는 모재의 표면에 형성되고, 바나듐, 탄소 및 질소를 갖는 바나듐 탄질화물 피막으로 이루어지는 표면층과, 상기 2개의 부재의 다른 쪽의 부재와의 사이에서, 상기 표면층의 표면에 형성된 상기 바나듐 탄질화물 피막보다 부드러운 소정 막 두께의 산화 피막을 갖는다.
또, 본 발명에 관한 체인용 핀은 모재, 해당 모재의 표면에 형성되고, 바나듐, 탄소 및 질소를 갖는 바나듐 탄질화물로 이루어지는 표면층과, 상기 표면층의 표면에 형성된 상기 바나듐 탄질화물보다 부드러운 소정 막 두께의 산화 피막을 갖는다.
또한, 본 발명에 관한 체인은 핀을 갖는 복수의 제 1 링크와, 상기 핀이 끼워 맞춰지는 끼워 맞춤부를 갖는 복수의 제 2 링크를 포함하고, 상기 제 2 링크는 상기 핀이 상기 끼워 맞춤부에 끼워 맞춰지는 것에 의해 상기 제 1 링크와 교대로 연결되고, 상기 각 핀은, 모재와, 상기 모재의 표면에 형성되고, 바나듐, 탄소 및 질소를 갖는 바나듐 탄질화물 피막으로 이루어지는 표면층과, 상기 표면층의 표면에 형성된 상기 바나듐 탄질화물 피막보다 부드러운 소정 막 두께의 산화 피막을 갖는다.
본 발명에 따르면, 가혹한 환경하에 있어서도, VCN 피막에 의해 VO 피막이 과잉으로 형성되는 것이 억제된다.
도 1은 본 발명을 적용할 수 있는 사일런트 체인을 나타내는 정면도이다.
도 2의 (a)는 핀 표면으로부터의 거리에 따른 성분비를 나타내는 도면, (b)는 바나듐 탄화물(VC) 피막과 본 발명에 관한 바나듐 탄질화물(VCN) 피막의 표면으로부터의 질소(N)량의 변화를 나타내는 도면, (c)는 핀 표면 부분의 모식도이다.
도 3은 온도에 의한 산화 피막의 두께를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3의 A점 및 B점에 있어서의 VC 피막 및 VCN 피막 표면의 산화 피막을 나타내는 확대 사진이다.
도 5는 각종 경질 피막의 인성 및 경도를 나타내는 도면이다.
도 6은 각종 경질 피막의 슬라이딩면 조도의 시험 시간에 따른 변화를 나타내는 도면이다.
도 7은 VC 피막으로 이루어지는 핀을 이용한 체인(VC 체인)과 본 발명에 관한 VCN 피막으로 이루어지는 핀을 이용한 체인(VCN 체인)의 신장을 나타내는 도면이다.
도 8은 VC 체인과 VCN 체인의 축받이부 구성 부품의 마모를 나타내는 도면이다.
도 9의 (a)는 질소(N)량의 변화에 따른 체인 신장 성능을 나타내고, (b)는 N량 변화에 따른 핀 마모 성능을 나타내며, (c)는 N량 변화에 따른 핀 표면의 경도를 나타내는 도면이다.
도 10의 (a)는 표면층의 N량의 차에 따른 경도 및 인성을 나타내고, (b)는 N량에 따른 슬라이딩면 조도를 나타내는 도면이다.
이하, 도면을 따라 본 발명의 실시형태에 대해 설명한다. 본 발명을 적용할 수 있는 사일런트 체인(1)은 도 1에 나타내는 바와 같이, 핀(2)에 의해 내측 링크 플레이트(3)가 교대로 연속되어 무단(엔드리스)형상으로 구성되어 있고, 이들 내측 링크 플레이트(3)에 의한 제 2 링크(5)의 폭 방향 최외측에 가이드 링크 플레이트(6)가 배치되어 있다. 상기 핀(2)은 좌우 가이드 링크 플레이트(6)에 코킹되고, 즉 끼움 등에 의해 고정, 연결되고, 해당 핀(2)이 상기 내측 링크 플레이트(끼워 맞춤 부재)(3)의 긴쪽 방향 양단부에 형성된 핀 구멍(7,7)에 슬라이딩 자유롭게 끼워 맞춰져 있다. 상기 가이드 링크 플레이트(6) 및 핀(2)에 의해 제 1 링크(8)가 구성된다.
따라서, 상기 핀(2)과 핀(2)이 끼워 맞춰지는 끼워 맞춤 부재로서의 상기 링크 플레이트(3)의 핀 구멍(7)이 서로 상대 슬라이딩할 수 있는 체인용 축받이부(9)를 구성한다. 또한, 상기 가이드 링크 플레이트(6)와 폭 방향에서 정렬하는 가이드 링크열 G는 핀(2)에 대해 내측 링크 플레이트(3)를 포함시켜 상대 회전하지 않고, 해당 가이드열에 인접하는 논 가이드열 N의 내측 링크 플레이트(3)가 핀(2)에 대해 상대 회전하여, 사일런트 체인(1)은 자유롭게 굴곡할 수 있지만, 통상, 가이드 링크열 G 및 논 가이드열 N의 내측 링크 플레이트(3)는 동일한 것이 이용되며, 내측 링크 플레이트(3)를 끼워 맞춤 부재로 해서 핀(2)과의 사이에서 상기 체인용 축받이부(9)가 구성된다.
내측 링크 플레이트(3)는 핀(2)이 끼워 맞춰지는 끼워 맞춤부로서의 좌우 1쌍의 핀 구멍(7,7)과, 핀 구멍의 중심을 연결하는 선(피치 라인)의 내경측에 1쌍의 티스(10,10)를 갖는다. 해당 티스(10)는 그 사이의 크로치(crotch)(11)부측에 내측 플랭크면(12,12)이 형성되고, 각 티스의 외측에 외측 플랭크면(13,13)이 형성되어 있다. 상기 티스(10)는 스프로킷의 티스에 내측 플랭크면(12) 및 외측 플랭크면(13)이 접합하는 맞물림 기구, 예를 들면 외측 플랭크면(13)이 스프로킷 티스에 접합해서 맞물림을 진행한 후, 내측 플랭크면(12)이 스프로킷 티스에 착좌된다(외부 크로치 맞닿음, 내부 크로치 착좌).
상기 체인용 축받이부(9)를 구성하는 한쪽의 부재, 본 실시형태에 있어서는 핀(2)에, 소정 두께(예를 들면 대략 6∼12㎛)의 바나듐 탄질화물(이하, VCN이라고 함) 피막으로 이루어지는 표면층이 형성된다. 해당 표면층은 핀 모재의 표면에 바나듐 탄화물(VC) 피막을 형성하는 공정(바나듐 침투 확산 처리)과, 상기 핀 모재의 표면에 질소(N)를 침투하는 공정(질화 처리)에 의해, 상기 VCN 피막이 형성된다.
구체적으로는 핀 모재는 강재, 예를 들면 고탄소 크롬 축받이강(SUJ2), 크롬 몰리브덴강(SCM) 등의 선재가 이용되며, 해당 선재가 소정 길이로 절단된다. 해당 핀 모재는 우선, 분말 팩법에 의한 바나듐 침투 확산 처리(VC 복합 확산 침투 처리)가 실행된다. 즉, 침투재로 되는 FV(페로바나듐), 소결 방지재로서의 Al2O3(알루미나, 산화 알루미늄), 첨가재(촉진재)로서의 NH4Cl(염화암모늄)으로 이루어지는 분말이 핀 모재와 함께 노내에 들어가고, 900℃∼1100℃로 승온되며, 소정 기간 유지된 후, 제랭된다. 이에 따라, 핀 모재의 표면에 소정 두께의 바나듐 탄화물(VC) 피막이 형성된다.
다음에, 상기 VC 피막이 형성된 핀 소재를 질소 분위기 중에서 수시간 가열하는 질화 처리가 실행된다. 즉, 상기 노내에 N2가스를 보내어, 1000℃이상의 고온에서 수시간 가열한 후, 제랭된다. 이에 따라, 도 2의 (c)에 나타내는 바와 같이, 철 Fe를 주체로 한 핀 모재(20)의 표면의 상기 VC 피막에 질소 N이 확산 침투하는 것에 의해 결합해서 VCxNy로 이루어지는 바나듐 탄질화물(VCN) 피막을 갖는 표면층(21)이 형성되고, 또한 질소 N의 함유량(비율)은 표면에서 모재의 계면을 향해 서서히 저하하도록 경사 변화하고 있다. 해당 VCN 피막으로 이루어지는 표면층(21)의 극 표면에는 극히 얇은 바나듐 산화(VO) 피막(22)이 형성되어 있다.
도 2의 (a)에 나타내는 바와 같이, 핀 모재(20)는 철(Fe)이 주성분이고, 해당 핀 모재의 표면에 VCN 피막이 형성되며, 해당 피막은 대략 그 전체 두께에 걸쳐 대략 동일한 함유율의 바나듐(V)과, 표면에서 모재 계면을 향해 서서히 증가하는 탄소(C)와, 표면에서 모재 계면을 향해 서서히 감소하는 질소(N)를 함유한다. 또, 도 2의 (b)에 나타내는 바와 같이, VCN 피막은 질소(N)량이 표면에서는 많이 함유하고 있지만, 핀 모재 계면을 향해 서서히 감소한다. 또한, 바나듐 탄화물(VC) 피막으로 이루어지는 핀은 질소(N)량이 대략 0이다.
체인용 핀(한쪽의 부재)(2)은 축받이부(9)를 구성하는 상대측 부재(다른 쪽의 부재)인 내측 링크 플레이트(3)의 핀 구멍(7)에 대해 상대 슬라이딩을 반복하면서, VCN 피막 극 표면의 산화(VO) 피막(22)이 슬라이딩 마모되어 있다. 해당 산화(VO) 피막(22)은 표면층(21)의 VCN 피막보다 부드럽고, 따라서 핀 구멍(상대측 부재)에 대한 공격성이 낮으며, 또한 슬라이딩 접촉하면 경면으로 되어 핀 자체 및 핀 구멍의 마모를 억제한다.
도 3은 타이밍 체인 등의 체인 축받이부의 온도에 대한 상기 산화 피막의 두께를 나타내는 도면이다. 상기 산화 피막은 표면층이 VC 피막으로도 형성되며, 해당 산화(VO) 피막이 체인의 내구성에 크게 영향을 미치는 것을 본 발명자들은 발견하고, 또한 윤활 환경이 충분하지 않은 상태에서는 종래의 VC 피막에 있어서는 상기 산화 피막이 과잉으로 형성되어, 그것이 해당 VC핀의 마모의 증대로 이어지는 것을 알아내었다. 내연 엔진은 한층의 연비 향상이 요구되고 있으며, 슬라이딩 부재의 마찰 저감을 목적으로 해서 윤활유의 전단 저항을 감소하기 위해, 점도가 낮은 윤활유가 개발되고, 이와 같이 차세대 엔진을 상정한 경우, 엔진내의 윤활 자체의 환경은 악화되고, 체인 축받이부의 온도는 높아지는 경향으로 된다.
도 4는 도 3의 A점, 즉 온도가 낮은(종래의 엔진내 환경) 상태와, B점, 즉 온도가 높은(차세대 엔진내 환경) 상태에 있어서, 종래 타입의 VC핀과, 본 발명에 의한 VCN 핀 표면의 산화(VO) 피막을 촬영한 사진(투과형 전자 현미경 TEM상)이다. 또한, 도 4는 원화상을 동일한 배율이 되도록 사이즈를 조정한 것이다. 체인용 축받이부의 온도가 낮은 A점에 있어서는 종래 타입의 VC핀의 산화 피막도 본 발명에 의한 VCN핀의 산화 피막도 대략 동일한 두께(약 2㎚)이다. 윤활 환경이 나빠져 축받이부의 온도가 국부적으로 높아지는 B점에 있어서, VC핀은 산화 피막이 대폭 두꺼워지지만(예를 들면 10배를 넘은 두께), 본 발명에 관한 VCN핀은 산화 피막의 두께의 변화는 적다(예를 들면 2배를 넘는 일은 없다). 도 3은 상기 도 4에 나타내는 VC핀 및 VCN핀의 복수의 온도에 있어서의 산화 피막의 층 두께를 측정한 결과로부터 도출된 것으로써, VC핀에 있어서의 산화 피막의 두께는 온도가 높아질수록 급격히 두꺼워지지만, VCN핀에 있어서의 산화 피막 두께는 VC핀에 비해 온도에 대해 대폭 변화가 작다. 이는 VC에 비해 VCN쪽이 산소와의 결합(산화)이 억제되고, VCN은 내산화성이 높기 때문에, 산화물의 과잉 형성이 억제되는 것으로 추측한다.
도 5는 각 경질 부재에 의한 피막의 인성과 경도의 관계를 나타낸다. 또한, 인성은 나노 연속 압입 시험법에서 산출되는 크리프를 파라미터로서 정의하고 있으며, 따라서 단위는 퍼센트[%]이다. 예를 들면 비커스 시험에 의한 다이아몬드 압자 부하에 수반하는 피막의 파괴 모델을 고려하면, 크리프가 클수록 크랙이 적고, 이는 피막 인성이 높을수록, 축받이 하중이 커져도, 피막 내력이 높은 것을 의미한다. 도 5에 있어서, 경도는 TiC가 높고, CrC가 낮으며, VCN 및 VC는 그 중간에 있고, 또한 인성은 높지만 특히 VCN은 VC에 비해 인성이 높은 것을 나타내고 있다. 따라서, VCN핀은 다른 재료 CrC, TiC 뿐만 아니라, 종래 마모 성능이 우수한 VC핀에 비해서도 인성이 높고, 피막의 미크로적인 파괴, 즉 슬라이딩면의 거칠음이 진행하기 어려우며, 슬라이딩 상대재에의 공격성이 낮고, 마모 성능이 우수하다.
도 6은 각 경질 피막(TiC, CrC, VC, VCN)의 핀에 소정 하중을 부가한 상태에서의 시험 시간에 대한 슬라이딩면 조도의 변화를 나타낸다. 또한, 조도는 10점 평균 조도 Rzjis를 이용하고 있으며, 단위는 [㎛]이다. 도 6으로부터, VC 및 VCN 피막이 다른 경질 피막(TiC, CrC)에 비해, 상술한 산화 피막의 형성에 의해 슬라이딩면 조도가 낮지만, 특히 VCN 피막은 VC 피막에 대해서도 장시간에 걸쳐 슬라이딩면을 낮게 유지하는 것을 알 수 있다, 도 5 및 도 6에 나타내는 바와 같이, VCN핀은 다른 경질 피막(TiC, CrC) 뿐만 아니라, VC핀에 비해서도 슬라이딩 특성이 우수하고, 마모 성능이 향상되어 있는 것을 알 수 있다
도 7은 차세대 엔진을 상정한 윤활 환경이 나쁜 상태에서의 체인의 마모 신장 시험 결과를 나타낸 도면이다. 해당 환경에 있어서는 윤활 불량에 의해 축받이부에 국부 발열을 발생시키고, 또 면압이 증대하며, 그 결과, 종래의 VC핀을 이용한 체인은 소정 구동 시간에서 체인 신장률이 급속히 증대한다. 본 발명에 관한 VCN핀을 이용한 체인은 전체 시험 구동 시간에 걸쳐 대략 일정한 체인 마모 신장을 유지하고 있다.
도 8은 VC핀을 이용한 체인과 VCN핀을 이용한 체인에 의한 부품 마모를 나타내며, '□'부분은 상대방인 내측 링크 플레이트의 핀 구멍의 마모량, 빗금 부분은 핀 자체의 마모량, '●'는 핀 구멍과 핀의 마모 비율을 나타낸다. VC 피막은 희박 윤활에 의한 고온 환경하에 있어서는 도 3 및 도 4에 나타내는 바와 같이, 산화(VO) 피막이 과잉으로 성장하고, 해당 부드럽고 또한 두꺼운 산화 피막은 표면으로부터 박리하기 쉬우며, 핀 자체의 조기 마모의 원인으로 되지만, VCN 피막은 국부 발열에 의해 고온 상태가 되어도, 산화(VO) 피막이 과잉으로 성장해서 과도하게 두꺼워지는 일은 없고, 소정 두께로 유지되는 산화 피막은 상대측인 핀 구멍과의 사이에 부드럽고 또한 경면으로 이루어지는 슬라이딩 접촉면을 유지하면서, 박리 또는 결손이 적고, 핀 자체가 조기에 마모되는 일은 없다. 이에 따라, 도 8의 핀 마모에 나타내는 바와 같이, VCN핀은 VC핀에 비해 마모량이 적다.
VCN 피막은 VC 피막에 비해, 도 5에 나타내는 바와 같이 인성이 높고, 또한 도 6에 나타내는 바와 같이 슬라이딩면 조도가 낮다. 이에 따라, 비교적 높은 면압이 축받이 슬라이딩면에 작용해도, 핀 표면층(21)은 면 조도가 낮은 경면에 유지되고, 상기 비교적 얇은 산화 피막(22)의 개재와 맞물려, 축받이 상대 부재인 핀 구멍에 대한 공격성이 낮고, 내측 링크 플레이트의 핀 구멍의 마모량은 VC핀을 이용한 체인에 비해 낮다. 따라서, 체인 마모 신장의 원인으로 되는 핀 마모량 및 핀 구멍 마모량은 VC핀에 대해 VCN핀을 이용한 체인이 모두 낮고, VCN핀을 이용한 체인은 VC핀을 이용한 체인에 비해 체인 마모 신장이 작다.
상술한 바와 같이, 핀 표면의 산화 피막 두께는 VC핀에 비해 VCN핀은 대폭 얇으므로, 함께 감소하고 있는 핀 마모량 및 핀 구멍 마모량이라도, 고온 환경하에 있어서는 핀 마모량의 감소가 현저하므로, 핀 마모 비율은 VCN 체인이 VC 체인에 비해 낮다.
다음에, VCN 피막으로 이루어지는 핀 표면층(21)의 표면에 있어서의 질소(N) 비율에 대해 설명한다. N은 질화 처리에 의해 핀 표면으로부터 침투하므로, 핀 표면층(21)의 표면이 가장 함유량(비율)이 높고, 도 2의 (b)에 나타내는 바와 같이, 모재 계면을 향해 서서히 감소한다. 체인의 신장 성능은 도 9의 (a)에 나타내는 바와 같이, N량이 10[atom%]이상에 있어서, 그 비율이 증가함에 따라 높아지고, 30[atom%]를 넘는 근방에서 포화하며, 45[atom%]이상에서는 저하한다. 핀 마모 성능은 도 9의 (b)에 나타내는 바와 같이, N량이 10[atom%]이상에서는 그 비율이 증가함에 따라 높아지고, 30[atom%]를 넘는 근방에서 포화하며, 45[atom%]이상에서는 저하한다. 핀 표면층(21)의 표면 경도(비커스 경도 Hv0.1)는 도 9의 (c)에 나타내는 바와 같이, N량 비율이 커질수록 낮아진다. 엔진 오일에 혼입되는 그을음의 경도는 800∼1500Hv이며, 그을음에 의한 피막 표면의 손상을 고려하면, 핀 표면에서의 경도는 1600[Hv0.1]이상이 바람직하다. 이상을 고려하면, 핀 표면층 표면의 질소(N)의 비율은 10[atom%]이하에서는 핀 마모 억제 효과가 충분하지는 않고, 45[atom%]이상에서는 내연 엔진내에서 발생하는 그을음보다 경도가 낮아질 가능성이 있으며, 해당 그을음에 의한 핀 마모의 증가가 우려되므로, 10∼45[atom%]의 범위가 바람직이다.
도 10은 N량의 슬라이딩면에 대한 영향을 나타낸다. 표면층의 피막 인성은 도 10의 (a)에 나타내는 같이, N량이 많을수록 높다. 또, 슬라이딩면 조도는 도 10의 (b)에 나타내는 바와 같이, N량이 많을수록 작다. 따라서, 핀 표면의 마모를 고려한 경우, 소정량 이하의 범위에 있어서는 N량 비율이 많을수록 바람직하다.
본 발명에 관한 VCN 피막으로 이루어지는 핀은 마모량이 VC핀에 비해 적지만, 사용에 의해 서서히 마모된다. 핀 표면층(21)에 있어서의 N량은 표면에서 모재 계면을 향해 서서히 감소하기 때문에, 산화 피막의 과잉 형성의 억제 효과도 서서히 감소하지만, 해당 감소는 천천히 변화하기 때문에, 핀 슬라이딩면의 경면을 장기에 걸쳐 유지할 수 있고, 또한 상기 N량의 급격한 변화점이 없으므로, VCN 피막의 결손 및 박리를 방지할 수 있다. 특히, 가혹한 사용 환경으로 되는 차세대의 내연 엔진내의 체인에 적용되어, 높은 신뢰성에서의 장수명화가 가능하게 되며, 내연 엔진의 저 연비화 등의 지구 환경의 지속 가능성에 공헌할 수 있다.
또, 상기 VCN 피막으로 이루어지는 표면층을 갖는 축받이부의 부재를 핀으로 하면, 해당 핀의 표면이 끼워 맞춤 부재와 슬라이딩하는 슬라이딩면으로 되어, 해당 슬라이딩면에 상기 VCN 피막이 형성되므로, 해당 VCN 피막의 기능을 효율적으로 발현할 수 있다.
또한, 핀 등의 축받이부를 구성하는 부재의 표면층의 경도가 엔진 오일에 혼입되는 그을음의 경도(800∼1500Hv)보다 높으면(본 실시형태에서는 1600Hv이상), 체인을 내연 엔진내에서 이용되는 체인에 적용해도, 핀 등의 축받이부가 그을음에 의해 손상되어 조기에 마찰되는 것을 방지할 수 있다.
또, VCN 피막의 질소(N) 함유량이 10[%]미만에서는 바나듐 산화 피막의 과잉 형성의 억제에 의한 핀 마모 억제 효과가 충분하지 않으며, 또 45[%]보다 많으면, VCN 피막의 경도가 충분하지 않고, 엔진내 체인으로서의 사용의 신뢰성을 확보할 수 없기 때문에, 10∼45[atom%]의 범위내에 있으면, 체인의 마모 신장 및 신뢰성을 확보할 수 있다.
또한, 산화 피막의 과잉 형성의 억제에 의한 핀 등의 축받이부의 마모 억제 효과가 표면이 마모되는 것에 의해, 질소 함유량이 표면부터 서서히 감소하는 것에 의해 천천히 변화하고, 축받이부 슬라이딩면의 경면을 장기에 걸쳐 유지할 수 있으며, 또한 상기 질소량의 급격한 변화점이 없으므로, 피막의 박리를 방지할 수 있다.
또, 본 실시형태에서는 모재의 표면에 바나듐 탄화물 피막을 형성하는 공정과, 해당 공정의 후 혹은 동시에 모재의 표면에 질소를 침투하는 공정을 구비하고 있으며, 상기 체인의 축받이부의 표면에 VCN 피막을 형성할 수 있다. 더욱 상세하게는 본 실시형태에서는 분말 팩법 등에 의해 바나듐 확산 침투 처리를 한 후, 1000[℃]이상에서의 질화 처리에 의해, VC 피막에 질소를 침투하여, VCN 피막을 용이하고 또한 확실하게 제조할 수 있다.
또한, 사일런트 체인은 핀과, 해당 핀에 슬라이딩 자유롭게 끼워 맞추는 핀 구멍을 갖는 내측 링크 플레이트가 끼워 맞춤 부재로 되어 상기 축받이부를 구성하지만, 상기 핀 구멍의 접촉 면적이 작고, 핀에 의한 상대 공격성에 대해 엄격하지만, 핀 등의 축받이부의 한쪽의 부재는 부드러운 산화 피막에 의해 상대 공격성이 낮고, 또한 해당 산화 피막의 과잉 형성에 의한 핀 등의 축받이부의 한쪽의 부재의 마모의 증대도 낮으며, 가혹 환경하에 있어서의 사일런트 체인에 대해, 핀 및 끼워 맞춤 부재(내측 링크 플레이트의 핀 구멍면)의 양쪽의 마모를 밸런스 좋게 저감하여, 높은 신뢰성으로 장수명화를 도모할 수 있다.
상기 실시형태는 VCN 피막으로 이루어지는 표면층을 사일런트 체인의 핀에 형성했지만, 이것에 한정되지 않고, 체인용 축받이부를 구성하는 2개의 부재의 적어도 1개에 상기 표면층을 형성하면 좋다. 예를 들면, 사일런트 체인의 핀 대신에, 또는 핀에 부가해서 내측 링크 플레이트, 특히 그 핀 구멍에 표면층을 형성해도 좋다. 또, 사일런트 체인에 한정되지 않고, 축받이부의 한쪽의 부재를 구성하는 핀을 갖는 제 1 링크와, 축받이부의 다른 쪽의 부재를 구성하는 끼워 맞춤 부재를 갖는 제 2 링크를, 상기 축받이부에 의해 무단형상으로 연결한 체인에 적용할 수 있다. 예를 들면, 사일런트 체인의 경우, 제 1 링크가 가이드 링크 플레이트를 갖고, 제 2 링크가 내측 링크 플레이트를 갖는다. 또, 롤러 체인의 경우, 축받이부는 한쪽의 부재인 핀과 해당 핀을 끼워 맞추는 끼워 맞춤부(끼워 맞춤 부재)를 구성하는 다른 쪽의 부재인 부시로 이루어지고, 제 1 링크가 외부 링크 플레이터를 갖고, 제 2 링크가 내부 링크 플레이트를 갖는다. 또한, 본 VCN 피막으로 이루어지는 핀은 모든 체인용 핀에 적용 가능하며, 예를 들면, 로커 핀(rocker pin)식 사일런트 체인에 이용되는 로커 핀에도 적용 가능하다.
이와 같이, 체인용 축받이부를 구성하는 적어도 한쪽의 부재의 표면에 바나듐 탄질화물(VCN) 피막을 배치하는 것에 의해, VCN 피막은 바나듐 탄화물(VC)이나 크롬 탄화물(CrC) 등의 다른 경질 탄화물 피막에 대해 높은 인성을 갖고, 크랙의 발생이나 그에 따른 피막 결손을 감소하고, 슬라이딩면에 경면을 장시간 유지할 수 있으며, 또한 슬라이딩면을 경면화하는 산화 피막을 형성하여 상대 공격성을 낮게 유지할 수 있는 것이면서, 희박 윤활 등의 가혹한 환경에 있어서도, 상기 산화 피막이 과잉으로 형성되는 것을 억제하여, 축받이부의 마모의 조기 증대를 없애, 서로 상대 슬라이딩하는 축받이부를 구성하는 양쪽의 부재의 마찰을 억제하여, 차세대 엔진 등의 가혹한 사용 상태에 있어서도 체인의 장수명화를 도모할 수 있다.
또한, 본 발명은 내연 엔진내에 있어서, 크랭크 샤프트의 회전을 캠 샤프트에 전달하는 타이밍 체인에 이용해서 바람직하지만, 이것에 한정되지 않고, 캠, 밸런서, 오일 펌프의 구동을 포함하는 내연 엔진내 체인에 적용해도 좋고, 또한 엔진내 이외의 체인에 적용하는 것도 가능하다.
즉, 상기 체인용 축받이부는 사일런트 체인, 롤러 체인 등의 체인에 이용해서, 가혹 환경하에 있어서도 내구성이 우수한 체인을 제공할 수 있다. 또, 예를 들면, 축받이부가 핀 및 부시로 이루어지는 롤러 체인에 적용해서, 내구성 및 신뢰성이 높은 롤러 체인을 얻을 수 있다.
또, 상기의 형태는 VCN 피막의 형성 방법으로서, VC 피막 형성 후에 1000℃이상에서 질화 처리했지만, 이것에 한정되지 않고, 저온 조건이나 암모니아 분위기에서도 VCN 피막의 형성이 가능하다. 또, VC 피막의 형성과 질화 처리를 동시에 실행해도 좋다. 또한, 상기 표면층은 V, C, N 이외에, Ti, Si, Mo 등의 다른 원소를 첨가해서 고용해도 좋다.
1; 사일런트 체인 2; 핀
3; 내측 링크 플레이트 6; 가이드 링크 플레이트
10; 티스 20; 핀 모재
21; 표면층 22; 산화 피막

Claims (12)

  1. 서로 슬라이딩 자유롭게 끼워 맞춰져, 복수의 링크를 굴곡 자유롭게 연결하는 2개의 부재를 포함하고,
    상기 2개의 부재의 적어도 한쪽의 부재는 모재의 표면에 형성되고, 바나듐, 탄소 및 질소를 갖는 바나듐 탄질화물 피막으로 이루어지는 표면층과, 상기 2개의 부재의 다른 쪽의 부재와의 사이에서, 상기 표면층의 표면에 형성된 상기 바나듐 탄질화물 피막보다 부드러운 소정 막 두께의 상기 바나듐 탄질화물의 산화 피막을 갖는 것을 특징으로 하는 체인용 축받이부.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 2개의 부재는 핀 및 해당 핀을 회전운동 자유롭게 끼워 맞추는 끼워 맞춤 부재로 이루어지고,
    상기 핀에, 상기 바나듐 탄질화물 피막으로 이루어지는 표면층이 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 체인용 축받이부.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 바나듐 탄질화물 피막으로 이루어지는 상기 표면층의 경도는 1600[Hv]이상인 것을 특징으로 하는 체인용 축받이부.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면층은 그 표면에 있어서의 질소 함유량이 10∼45[atom%]인 것을 특징으로 하는 체인용 축받이부.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 표면층에 있어서의 질소 함유량은 표면에서 상기 모재와의 계면을 향해 서서히 저하하도록 경사 변화되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 체인용 축받이부.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면층은 상기 모재의 표면에 바나듐 탄화물 피막이 형성된 후에, 상기 모재의 표면에 질소를 침투시킴으로써 상기 바나듐 탄질화물 피막이 형성되는 것을 특징으로 하는 체인용 축받이부.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 바나듐 탄화물 피막은 모재를, 바나듐을 갖는 기체 분위기 중에서 소정 온도로 확산 침투 처리를 실행함으로써 형성되고,
    상기 바나듐 탄질화물 피막은 표면에 바나듐 탄화물 피막이 형성된 모재를 1000[℃]이상의 온도의 질소 분위기 중에서 가열 처리하여 형성되는 것을 특징으로 하는 체인용 축받이부.
  8. 링크를 굴곡 자유롭게 연결하는 체인용 핀으로서,
    모재와,
    상기 모재의 표면에 형성되고, 바나듐, 탄소 및 질소를 갖는 바나듐 탄질화물로 이루어지는 표면층과,
    상기 표면층의 표면에 형성된 상기 바나듐 탄질화물보다 부드러운 소정 막 두께의 상기 바나듐 탄질화물의 산화 피막을 포함하는 것을 특징으로 하는 체인용 핀.
  9. 핀을 갖는 복수의 제 1 링크와,
    상기 핀이 끼워 맞춰지는 끼워 맞춤부를 갖는 복수의 제 2 링크를 포함하고,
    상기 제 2 링크는 상기 핀이 상기 끼워 맞춤부에 끼워 맞춰지는 것에 의해 상기 제 1 링크와 교대로 연결되고,
    상기 각 핀은,
    모재와,
    상기 모재의 표면에 형성되고, 바나듐, 탄소 및 질소를 갖는 바나듐 탄질화물 피막으로 이루어지는 표면층과,
    상기 표면층의 표면에 형성된 상기 바나듐 탄질화물 피막보다 부드러운 소정 막 두께의 상기 바나듐 탄질화물의 산화 피막을 갖는 것을 특징으로 하는 체인.
  10. 제 9 항에 있어서,
    각각의 상기 제 1 링크가 1쌍의 상기 핀에 의해 연결된 가이드 링크 플레이트를 갖고,
    각각의 상기 제 2 링크는 양단부에 상기 끼워 맞춤부로서의 핀 구멍을 구비하고, 1쌍의 티스를 갖는 내측 링크 플레이트를 갖고,
    상기 체인은 사일런트 체인인 것을 특징으로 하는 체인.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 링크는 1쌍의 상기 핀에 의해 고정된 외부 링크 플레이트를 갖고,
    상기 제 2 링크는 상기 끼워 맞춤부로서의 한쌍의 부시와, 상기 한쌍의 부시에 의해 연결된 내부 링크 플레이트를 갖고,
    상기 체인은 롤러 체인인 것을 특징으로 하는 체인.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 체인은 내연 엔진내에 배치된 체인인 것을 특징으로 하는 체인.
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