特開 2022-65716 表面被覆鉄合金部材

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022065716

(43)【公開日】2022-04-28

(54)【発明の名称】表面被覆鉄合金部材

(51)【国際特許分類】

   C23C 26/00 20060101AFI20220421BHJP

   F02B 39/00 20060101ALI20220421BHJP

   C23C 10/32 20060101ALN20220421BHJP

   C23C 8/20 20060101ALN20220421BHJP

   C23C 8/24 20060101ALN20220421BHJP

【ＦＩ】

C23C26/00 C

F02B39/00 U

C23C10/32

C23C8/20

C23C8/24

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020174362

(22)【出願日】2020-10-16

(71)【出願人】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(74)【代理人】

【識別番号】110000648

【氏名又は名称】特許業務法人あいち国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】三岡 哲也

(72)【発明者】

【氏名】水野 智仁

(72)【発明者】

【氏名】上田 真玄

(72)【発明者】

【氏名】林 秀高

【テーマコード（参考）】

3G005

4K028

4K044

【Ｆターム（参考）】

3G005FA13

3G005GA01

3G005GB25

3G005KA05

4K028AA01

4K028AA02

4K044AA02

4K044AA03

4K044AB02

4K044AB03

4K044BA12

4K044BA13

4K044BA14

4K044BA18

4K044BB01

4K044BB11

4K044BC01

4K044CA53

(57)【要約】

【課題】高温環境下においても摩擦を低減することができる表面被覆鉄合金部材を提供する。
【解決手段】表面被覆鉄合金部材１は、鉄合金からなる母材２と、窒化ホウ素粒子及び窒化ホウ素粒子を保持する無機系バインダーを含み、母材２の表面を被覆する窒化ホウ素皮膜３と、を有している。母材２の表面には、表面に近いほどＣｒ原子の濃度が高くなるように構成されたＣｒ浸透層が設けられていてもよい。Ｃｒ浸透層には、Ｃｒ原子と、Ｎ原子及びＣ原子のうち少なくとも一方の原子とが含まれていてもよい。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

鉄合金からなる母材と、
窒化ホウ素粒子及び前記窒化ホウ素粒子を保持する無機系バインダーを含み、前記母材の表面を被覆する窒化ホウ素皮膜と、を有する、表面被覆鉄合金部材。

【請求項2】

前記母材の表面には、表面に近いほどＣｒ原子の濃度が高くなるように構成されたＣｒ浸透層が設けられている、請求項１に記載の表面被覆鉄合金部材。

【請求項3】

前記Ｃｒ浸透層には、Ｃｒ原子と、Ｎ原子及びＣ原子のうち少なくとも一方の原子とが含まれている、請求項２に記載の表面被覆鉄合金部材。

【請求項4】

前記窒化ホウ素皮膜中の前記窒化ホウ素粒子の含有量は、３０質量％以上８０質量％以下である、請求項１～３のいずれか１項に記載の表面被覆鉄合金部材。

【請求項5】

前記窒化ホウ素皮膜の厚みは１μｍ以上２０μｍ以下である、請求項１～４のいずれか１項に記載の表面被覆鉄合金部材。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、表面被覆鉄合金部材に関する。

【背景技術】

【0002】

可動部を備えた機械装置においては、機械装置を構成する部品同士の摩擦を低減する目的で、固体潤滑剤が用いられることがある。例えば特許文献１には、ディーゼルエンジンに装着される可変容量ターボチャージャに関する記載がある。特許文献１のターボチャージャにおいては、ノズル翼角度調整リングの溝とクランクレバーとの係合部に、シリコン樹脂中に二硫化タングステン粒子とグラファイトと三酸化アンチモンを分散させた皮膜が設けられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１２－１４９６１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

近年、従来固体潤滑剤が使用されている温度範囲よりも高い温度において使用される機械装置の可動部に固体潤滑剤を適用することが望まれている。しかし、特許文献１に記載された皮膜は、このような高温環境下では比較的早期に劣化しやすいという問題がある。

【0005】

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、高温環境下においても摩擦を低減することができる表面被覆鉄合金部材を提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様は、鉄合金からなる母材と、
窒化ホウ素粒子及び前記窒化ホウ素粒子を保持する無機系バインダーを含み、前記母材の表面を被覆する窒化ホウ素皮膜と、を有する、表面被覆鉄合金部材にある。

【発明の効果】

【0007】

前記表面被覆鉄合金部材は、母材の表面に、窒化ホウ素粒子と、窒化ホウ素粒子を保持する無機系バインダーとを含む窒化ホウ素皮膜が設けられている。窒化ホウ素皮膜中の窒化ホウ素粒子及び無機系バインダーは、いずれも高い耐熱性を有している。それ故、前記窒化ホウ素皮膜は、高温環境下においても長期間にわたって摩擦を低減する効果を維持することができる。

【0008】

従って、前記の態様によれば、高温環境下においても摩擦を低減することができる表面被覆鉄合金部材を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、実験例１における表面被覆鉄合金部材の断面図である。

【図2】図２は、実験例１における動摩擦係数の測定結果を示す説明図である。

【図3】図３は、実験例２における耐摩耗性の評価結果を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

前記表面被覆鉄合金部材の母材は、鉄合金から構成されている。母材を構成する鉄合金は、普通鋼であってもよいし、フェライト系ステンレス鋼やオーステナイト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼等の合金鋼であってもよい。母材を構成する鉄合金は、耐熱性の観点から、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１０Ｓ等のオーステナイト系ステンレス鋼であることが好ましい。

【0011】

母材としては、前述した鉄合金からなる部材をそのまま使用してもよい。また、母材の表面には、母材の内部とは異なる化学成分を有し、窒化ホウ素皮膜により被覆された表面層が設けられていてもよい。表面層は、単一の層から構成されていてもよいし、互いに積層された複数の層から構成されていてもよい。

【0012】

表面層としては、例えば、窒化処理により形成される窒化層や、浸炭処理により形成される浸炭層等が挙げられる。母材の表面に窒化層または浸炭層を形成することにより、母材の表面の硬さをより上昇させることができる。これにより、表面被覆鉄合金部材の摩耗に対する耐久性をより向上させることができる。

【0013】

母材の表面には、前記表面層として、表面に近いほどＣｒ原子の濃度が高くなるように構成されたＣｒ浸透層が設けられていることが好ましい。Ｃｒ浸透層は、母材と他の部材とが摺動した際の摩擦をより低減することができる。それ故、母材の表面にＣｒ浸透層を設けることにより、窒化ホウ素皮膜が摩耗により消滅した場合においても、他の部材との摩擦の上昇を抑制することができる。さらに、Ｃｒ浸透層は、母材の表面の硬さをより上昇させ、耐摩耗性を向上させる作用を有している。これらの結果、母材の表面にＣｒ浸透層を設けることにより、高温環境下における摩擦の増大をより長期間にわたって抑制することができる。

【0014】

母材の表面にＣｒ浸透層を形成するためには、例えば、母材の表面にクロマイズ処理等のＣｒ原子を浸透させる表面処理を行えばよい。

【0015】

前述した作用効果をより高める観点からは、前記Ｃｒ浸透層には、Ｃｒ原子と、Ｎ原子及びＣ原子のうち少なくとも一方の原子とが含まれていることが好ましい。なお、母材の表面にＣｒ原子とＮ原子との両方を含むＣｒ浸透層を形成するためには、例えば、母材の表面に、Ｃｒ原子を浸透させる処理と窒化処理とを組み合わせて行えばよい。また、母材の表面にＣｒ原子とＣ原子との両方を含むＣｒ浸透層を形成するためには、母材の表面に、Ｃｒ原子を浸透させる処理と浸炭処理とを組み合わせて行えばよい。

【0016】

高温環境下における摩擦の増大をより長期間にわたって抑制する効果をさらに高める観点からは、母材は、浸炭層または窒化層のうちいずれか一方の中間層と、前記中間層上に設けられ、窒化ホウ素皮膜により被覆されたＣｒ浸透層とからなる表面層を有していることがさらに好ましい。

【0017】

母材の表面には、窒化ホウ素粒子と、窒化ホウ素粒子を保持する無機系バインダーと、を含む窒化ホウ素皮膜が設けられている。窒化ホウ素皮膜は、母材の表面全体に設けられていてもよいし、母材の表面の一部に設けられていてもよい。窒化ホウ素粒子としては、例えば、六方晶窒化ホウ素（いわゆるｈ－ＢＮ）からなる粒子を用いることができる。窒化ホウ素粒子の平均粒子径は特に限定されることはないが、例えば、０．５μｍ以上１２μｍ以下の範囲であればよい。なお、窒化ホウ素粒子の平均粒子径は、体積基準の粒度分布に基づいて算出されるメジアン径（つまり、累積５０％径）である。窒化ホウ素粒子の体積基準の粒度分布は、例えば、レーザ回折／散乱式粒度分布測定装置を用いることにより取得することができる。

【0018】

無機系バインダーとしては、例えば、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム等の金属酸化物を使用することができる。無機系バインダーは、前述した金属酸化物のうち１種の金属酸化物から構成されていてもよいし、２種以上の金属酸化物から構成されていてもよい。

【0019】

前記窒化ホウ素皮膜中の前記窒化ホウ素粒子の含有量は、３０質量％以上８０質量％以下であることが好ましい。窒化ホウ素皮膜中の窒化ホウ素粒子の含有量を３０質量％以上とすることにより、窒化ホウ素粒子による摩擦低減の効果をより高め、高温環境下における表面被覆鉄合金部材と相手材との摩擦をより低減することができる。摩擦低減の効果をより高める観点からは、窒化ホウ素皮膜中の窒化ホウ素粒子の含有量を４５質量％以上とすることがより好ましい。

【0020】

また、窒化ホウ素皮膜中の窒化ホウ素粒子の含有量を８０質量％以下とすることにより、窒化ホウ素皮膜中の無機系バインダーの量を十分に多くし、窒化ホウ素皮膜からの窒化ホウ素粒子の脱落をより長期間にわたって抑制することができる。これにより、窒化ホウ素皮膜による摩擦低減の効果をより長期間にわたって維持することができる。かかる作用効果をより確実に奏する観点からは、窒化ホウ素皮膜中の窒化ホウ素粒子の含有量を７０質量％以下とすることがより好ましい。

【0021】

また、前記窒化ホウ素皮膜の厚みは１μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。窒化ホウ素皮膜の厚みを１μｍ以上とすることにより、窒化ホウ素皮膜による摩擦低減の効果をより長期間にわたって維持することができる。一方、窒化ホウ素皮膜の厚みを過度に厚くすると、相手材との摩擦によって窒化ホウ素皮膜が摩耗しやすくなるおそれがある。窒化ホウ素皮膜の厚みを好ましくは２０μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下とすることにより、窒化ホウ素皮膜の摩耗をより長期間にわたって抑制し、ひいては窒化ホウ素皮膜による摩擦低減の効果をより長期間にわたって維持することができる。

【0022】

前記表面被覆鉄合金部材は、例えば、摺動面を備えた摺動部品として構成されていてもよい。鉄合金からなる摺動部品の摺動面に窒化ホウ素皮膜を設けることにより、高温環境下においても摩擦を低減することができる。摺動部品は、より具体的には、ガソリンエンジン用ターボチャージャに用いるための摺動部品として構成されていてもよい。ガソリンエンジンはディーゼルエンジンに比べて排気温度が高いため、ガソリンエンジンに取り付けられるターボチャージャの部品には、ディーゼルエンジン用のターボチャージャに比べて高い耐熱性が求められる。前記表面被覆鉄合金部材は、表面に高い耐熱性を有し、摩擦の小さい窒化ホウ素皮膜を有しているため、ガソリンエンジン用ターボチャージャの摺動部品として好適である。特に、前記表面被覆鉄合金部材は、ターボチャージャにおけるタービンハウジングの内部、つまり、排気ガスが流通する部分に配置される摺動部品として好適である。

【0023】

前記表面被覆鉄合金部材を作製するに当たっては、例えば、以下の方法を採用すればよい。まず、窒化ホウ素皮膜が形成される母材と、窒化ホウ素皮膜を形成するための塗料とを準備する。

【0024】

母材としては、鉄合金からなり、所望の形状を有する部材を準備すればよい。この際、必要に応じて、母材に窒化処理や浸炭処理、クロマイズ処理等の表面処理を実施することにより、窒化層や浸炭層、Ｃｒ浸透層などの表面層を備えた母材を得ることができる。

【0025】

また、塗料としては、窒化ホウ素粒子と無機系バインダーの前駆体との混合物を使用することができる。前駆体としては、例えば、アルカリケイ酸塩や金属アルコキシド等の、焼成後に金属酸化物となる化合物を使用することができる。塗料には、必要に応じて、有機溶媒等が含まれていてもよい。

【0026】

このようにして準備した母材の表面に塗料を塗布した後、母材上の塗料を加熱して前駆体を焼成することにより、母材の表面に窒化ホウ素皮膜を形成することができる。前駆体の焼成温度及び焼成時間は、前駆体の化学構造に応じて適宜設定すればよい。

【実施例0027】

前記表面被覆鉄合金部材の実施例を以下に説明する。なお、本発明に係る表面被覆鉄合金部材の具体的な態様は実施例の態様に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲で適宜構成を変更することができる。

【0028】

（実験例１）
本例の表面被覆鉄合金部材１は、図１に示すように、鉄合金からなる母材２と、窒化ホウ素粒子及び窒化ホウ素粒子を保持する無機系バインダーからなり、母材２の表面を被覆する窒化ホウ素皮膜３と、を有している。本例の表面被覆鉄合金部材１は円柱状を呈しており、その先端１１は曲率半径２５０ｍｍの球面状に成形されている。

【0029】

本例においては、以下の方法により準備した試験材１～７を用い、窒化ホウ素皮膜を備えた表面被覆鉄合金部材の摩擦特性の評価を行った。なお、試験材２～７は、試験材１との比較のための試験材であり、表面に窒化ホウ素皮膜を有していない。

【0030】

・試験材１
試験材１は、鉄合金からなる母材と、窒化ホウ素粒子及び窒化ホウ素粒子を保持する無機系バインダーからなり、母材の表面を被覆する窒化ホウ素皮膜と、を有している。試験材１の形状は図１に示す通りである。

【0031】

試験材１の母材を構成する鉄合金の材質は、具体的にはＳＵＳ３１０Ｓである。試験材１の窒化ホウ素皮膜の厚みは１０μｍである。試験材１の窒化ホウ素皮膜には５０質量％の六方晶窒化ホウ素粒子が含まれている。試験材１の無機系バインダーは、具体的にはシリカである。

【0032】

・試験材２
試験材２は、ＳＵＳ３１０Ｓから構成されている。試験材２の形状は、試験材１と同様である。

【0033】

・試験材３
試験材３は、ＳＵＳ３１０Ｓからなり、表面がＣｕめっき膜により被覆されている。試験材３の形状は、試験材１と同様である。

【0034】

・試験材４
試験材４は、ＳＵＳ３１０Ｓからなり、表面がＣｒめっき膜により被覆されている。試験材４の形状は、試験材１と同様である。

【0035】

・試験材５
試験材５は、ＳＵＳ３１０Ｓからなり、表面にＣｒ原子及びＮ原子を含むＣｒ浸透層が設けられている。試験材５の形状は、試験材１と同様である。試験材５のＣｒ浸透層は、具体的には、ＳＵＳ３１０Ｓからなる母材の表面にＣｒ原子を浸透させる処理と窒化処理とを組み合わせて行うことにより形成されている。

【0036】

・試験材６
試験材６は、ＳＵＳ３１０Ｓからなり、表面にＣｒ原子及びＣ原子を含むＣｒ浸透層が設けられている。試験材６の形状は、試験材１と同様である。試験材６のＣｒ浸透層は、具体的には、ＳＵＳ３１０Ｓからなる母材の表面にＣｒ原子を浸透させる処理と浸炭処理とを組み合わせて行うことにより形成されている。

【0037】

・試験材７
試験材７は、Ｎｉ基耐熱合金から構成されている。試験材７を構成するＮｉ基耐熱合金の材質は、具体的にはＩＮ７１３Ｃである。試験材７の形状は、試験材１と同様である。

【0038】

以上の構成を有する試験材１～７を用い、高温環境下において摺動試験を行った。まず、試験材１～７と摺動させる相手材として、ＳＵＳ３１０Ｓからなる板材を準備した。この相手材に試験材の先端を４Ｎの荷重で相手材に押し付けつつ往復させることにより、試験材を相手材に摺動させた。なお、往復運動の振幅は１０ｍｍ、試験材の速度は２ｍｍ／秒とし、摺動試験の継続時間は１８００秒とした。また、摺動試験は、表１に示すいずれかの温度の高温槽内で行った。表１及び図２に、摺動試験開始時から１００秒後までの動摩擦係数の平均値を示す。なお、図２の縦軸は動摩擦係数の平均値であり、横軸は試験温度（単位：℃）である。表１における記号「－」は、当該温度において摺動試験を行わなかったことを示す。

【0039】

【表1】

【0040】

表１及び図２に示したように、鉄合金からなる母材の表面に窒化ホウ素皮膜が形成されている試験材１は、いずれの温度においても、窒化ホウ素皮膜が設けられていない試験材２～６に比べて動摩擦係数を低減することができた。さらに、試験材１は、Ｎｉ基耐熱合金からなる試験材７に比べても動摩擦係数を低減することができた。

【0041】

以上のように、鉄合金からなる母材２の表面に窒化ホウ素皮膜３を形成することにより、高温環境下においても摩擦を低減することができる表面被覆鉄合金部材１が得られた。さらに、かかる表面被覆鉄合金部材１の母材２は鉄合金から構成されているため、試験材７のようにＮｉ基耐熱合金からなる部材に比べて材料コストを容易に低減することができる。

【0042】

（実験例２）
本例では、実験例１における試験材２及び試験材５～７を用い、Ｃｒ浸透層による耐摩耗性向上の効果の評価を行った。

【0043】

耐摩耗性向上の効果の評価は、高温環境下における摺動試験により行った。本例における摺動試験の試験方法及び条件は、試験材に加える荷重を６０Ｎとした以外は、実験例１と同様である。表２及び図３に、摺動試験完了後における試験材の先端の摩耗量（単位：μｍ）と、相手材の摩耗量（単位：μｍ）との合計を示す。なお、図３の縦軸は試験材の先端の摩耗量と相手材の摩耗量との合計（単位：μｍ）であり、横軸は試験温度（単位：℃）である。表２における記号「－」は、当該温度において摺動試験を行わなかったことを示す。

【0044】

【表2】

【0045】

表２及び図３に示したように、鉄合金からなる母材の表面にＣｒ浸透層を形成した試験材５～６は、いずれの温度においても、Ｃｒ浸透層が設けられていない試験材２や試験材７に比べて摩耗量を低減することができた。

【0046】

以上のように、鉄合金からなる母材２の表面にＣｒ浸透層を形成することにより、母材の耐摩耗性が向上した。また、実験例１の表１及び図２によれば、表面にＣｒ浸透層を有する鉄合金は、Ｎｉ基耐熱合金よりも小さい動摩擦係数を有している。それ故、これらの結果によれば、表面被覆鉄合金部材１における窒化ホウ素皮膜３の下にＣｒ浸透層を設けることにより、Ｃｒ浸透層が摩耗により消失した場合においても、動摩擦係数の増大を抑制できることが理解できる。

【符号の説明】

【0047】

１ 表面被覆鉄合金部材
２ 母材
３ 窒化ホウ素皮膜

【図1】

【図2】

【図3】