ギアコーティング技術

PVD蒸着技術は長年にわたり新たな表面改質技術として実用化されており、特に真空イオンコーティング技術は近年大きな発展を遂げ、工具、金型、ピストンリング、ギアなどの部品の処理に広く利用されています。真空イオンコーティング技術でコーティングされたギアは、摩擦係数を大幅に低減し、耐摩耗性を向上させ、一定の耐腐食性も備えているため、ギア表面強化技術の分野における研究の焦点とホットスポットとなっています。

歯車に使用される一般的な材料は、主に鍛鋼、鋳鋼、鋳鉄、非鉄金属（銅、アルミニウム）、プラスチックです。鋼は主に45鋼、35SiMn、40Cr、40CrNi、40MnB、38CrMoAlです。低炭素鋼は主に20Cr、20CrMnTi、20MnB、20CrMnToに使用されます。鍛鋼は性能が優れているため、歯車に広く使用されていますが、鋳鋼は通常、直径> 400mmで構造が複雑な歯車の製造に使用されます。鋳鉄歯車は耐粘着性と耐孔食性がありますが、耐衝撃性と耐摩耗性に欠けるため、主に安定した作業、低速または大型で複雑な形状の動力に適しており、潤滑不足の条件下でも動作でき、オープントランスミッションに適しています。一般的に使用される非鉄金属は、錫青銅、アルミニウム鉄青銅、鋳造アルミニウム合金で、タービンや歯車の製造に広く使用されていますが、滑り特性と摩擦抵抗特性が低いため、軽中荷重および低速歯車にのみ使用されます。非金属材料歯車は、主にオイルフリー潤滑や高信頼性など、特殊な要件が求められる分野で使用されています。例えば、家電製品、医療機器、食品機械、繊維機械など、低公害が求められる分野です。

ギアコーティング材料

エンジニアリングセラミック材料は、高強度、高硬度、特に耐熱性に優れ、熱伝導率と熱膨張率が低く、耐摩耗性と耐酸化性が高いなど、将来性が極めて高い材料です。多くの研究により、セラミック材料は本質的に耐熱性があり、金属に対する摩耗が少ないことが示されています。そのため、耐摩耗部品に金属材料の代わりにセラミック材料を使用すると、摩擦サブの寿命が向上し、高温、高耐摩耗性、多機能などの厳しい要件を満たすことができます。現在、エンジニアリングセラミック材料は、エンジンの耐熱部品、機械トランスミッションの摩耗部品、化学機器の耐腐食部品やシーリング部品の製造に使用されており、セラミック材料の幅広い応用の見通しがますます広がっています。

ドイツ、日本、アメリカ、イギリスなどの先進国は、エンジニアリングセラミック材料の開発と応用を非常に重視しており、エンジニアリングセラミックの加工理論と技術の開発に多額の資金と人材を投入しています。ドイツは「SFB442」と呼ばれるプログラムを立ち上げました。その目的は、PVD技術を用いて部品の表面に適切な膜を合成し、環境や人体に有害な可能性のある潤滑媒体を代替することです。ドイツのPW Goldらは、SFB442の資金を用いてPVD技術を転がり軸受の表面に薄膜を堆積させ、転がり軸受の耐摩耗性能が大幅に向上し、表面に堆積した膜が極圧摩耗防止添加剤の機能を完全に代替できることを発見しました。ドイツのJoachim、FranzらはPVD技術を用いてWC/C膜を作製し、優れた耐疲労特性を示しました。この膜は極圧添加剤を含む潤滑剤よりも優れており、この結果からも同様に、有害な添加剤をコーティングで代替できる可能性が示唆されています。ドイツのアーヘン工科大学材料科学研究所のE. Lugscheiderらは、DFG（ドイツ研究委員会）の資金提供を受けて、適切な膜を部品表面に堆積させた後、耐疲労性が大幅に向上することを実証しました。 PVD技術を用いた100Cr6鋼。さらに、米国ゼネラルモーターズは、ボルボS80ターボ型車のギア表面に耐疲労性孔食性を向上させる蒸着膜を採用しました。有名なティムケン社はES200ギア表面膜という名称で販売を開始しました。ドイツではMAXITギアコーティングの登録商標が登場し、英国でもGraphit-iCとDymon-iCの登録商標を持つギアコーティングが販売されています。

歯車は機械伝動装置の重要な部品として、産業において重要な役割を果たしているため、歯車へのセラミック材料の応用を研究することは、実用上非常に重要な意義を持っています。現在、歯車に応用されているエンジニアリングセラミックは主に以下のとおりです。

1、TiNコーティング層
1、TiN

イオンコーティングTiNセラミック層は、高硬度、高接着強度、低摩擦係数、優れた耐食性などを備えた、最も広く使用されている表面改質コーティングの1つです。さまざまな分野で広く使用されていますが、特に工具および金型業界で使用されています。ギアへのセラミックコーティングの適用に影響を与える主な理由は、セラミックコーティングと基材との結合問題です。ギアの動作条件と影響要因は、工具や金型よりもはるかに複雑であるため、ギアの表面処理に単一のTiNコーティングを適用することは大幅に制限されています。セラミックコーティングは、高硬度、低摩擦係数、耐食性などの利点がありますが、脆くて厚いコーティングを得るのが難しいため、その特性を発揮するには、コーティングを支える高硬度で高強度の基材が必要です。そのため、セラミックコーティングは主に超硬合金や高速度鋼の表面に使用されます。ギア材料はセラミック材料に比べて柔らかく、基材とコーティングの性質の差が大きいため、コーティングと基材の密着性が悪く、コーティングがコーティングを支えるのに十分でないため、使用過程でコーティングが剥がれやすく、セラミックコーティングの利点を発揮できないだけでなく、剥がれたセラミックコーティング粒子がギアにアグレッシブ摩耗を引き起こし、ギアの摩耗損失を加速させます。現在の解決策は、複合表面処理技術を用いてセラミックと基材の密着性を向上させることです。複合表面処理技術とは、物理蒸着コーティングと他の表面処理プロセスまたはコーティングを組み合わせ、2つの別々の表面/表面下層を用いて基材の表面を改質することで、単一の表面処理プロセスでは達成できない複合的な機械的特性を得ることを指します。イオン窒化とPVDによって堆積されたTiN複合コーティングは、最も研究されている複合コーティングの一つです。プラズマ窒化処理された基材とTiNセラミック複合コーティングは強固な密着性を有し、耐摩耗性が大幅に向上します。

耐摩耗性と皮膜基部の密着性に優れたTiN皮膜の最適な厚さは約3～4μmです。皮膜の厚さが2μm未満では耐摩耗性は顕著に向上しません。また、皮膜の厚さが5μmを超えると皮膜基部の密着性が低下します。

2、多層多成分TiNコーティング

TiNコーティングの適用が徐々に広まるにつれ、TiNコーティングの改良・強化に関する研究もますます盛んになっています。近年では、Ti-CN、Ti-CNB、Ti-Al-N、Ti-BN、(Tix,Cr1-x)N、TiN/Al2O3など、2元TiNコーティングをベースにした多成分コーティングや多層コーティングが開発されています。TiNコーティングにAlやSiなどの元素を添加することで、コーティングの高温酸化耐性と硬度を向上させることができ、Bなどの元素を添加することで、コーティングの硬度と密着強度を向上させることができます。

多成分組成の複雑さのため、本研究では多くの論争があります。特に、(Tix、Cr1-x)N多成分コーティングの研究では、研究結果に大きな論争があります。(Tix、Cr1-x)NコーティングはTiNをベースとしており、CrはTiNドットマトリックス内の置換固溶体の形でのみ存在でき、独立したCrN相としては存在できないと考える人もいます。他の研究では、(Tix、Cr1-x)Nコーティング中のTi原子を直接置換するCr原子の数は限られており、残りのCrはシングレット状態で存在するか、Nと化合物を形成していることが示されています。実験結果によると、コーティングにCrを添加すると、表面粒子サイズが縮小し、硬度が増加し、Crの質量百分率が3l%に達するとコーティングの硬度が最高値に達しますが、コーティングの内部応力も最大値に達します。

3、その他のコーティング層

一般的に使用される TiN コーティングに加えて、さまざまなエンジニアリングセラミックがギアの表面強化に使用されます。

(1)日本のY. Terauchiらは、蒸着法で堆積したチタンカーバイドまたはチタン窒化物セラミックギアの摩擦摩耗に対する耐性を研究した。ギアはコーティング前に浸炭処理と研磨を施し、表面硬度約HV720、表面粗さ2.4μmを実現した。セラミックコーティングは、チタンカーバイドの場合は化学蒸着法（CVD）、チタン窒化物の場合は物理蒸着法（PVD）で作製され、セラミック膜厚は約2μmであった。摩擦摩耗特性は、それぞれ油摩擦と乾燥摩擦の存在下で調査された。その結果、ギアバイスの耐かじり性と耐傷付き性は、セラミックコーティングによって大幅に向上することが判明した。

（2）遷移層としてNi-Pをプレコーティングし、その後TiNを堆積させることで、化学コーティングされたNi-PとTiNの複合コーティングを作製した。この研究により、この複合コーティングの表面硬度はある程度向上し、コーティングと基材の密着性が向上し、耐摩耗性も向上することが示された。

（３）WC/C、B4C薄膜
日本工業大学機械工学科の村川正之氏らは、PVD技術を用いて歯車の表面にWC/C薄膜を堆積し、無給油潤滑条件下での寿命が通常の焼入れ研磨歯車の3倍であることを示した。Franz J氏らは、PVD技術を用いてFEZ-AおよびFEZ-C歯車の表面にWC/CおよびB4C薄膜を堆積し、実験ではPVDコーティングによって歯車の摩擦が大幅に低減し、歯車が熱接着や接着の影響を受けにくくなり、歯車の耐荷重性が向上することを明らかにした。

（4）CrN膜
CrN膜はTiN膜と同様に硬度が高く、TiNよりも高温酸化に強く、耐腐食性に優れ、TiN膜よりも内部応力が低く、靭性が比較的優れています。Chen Lingらは、HSS表面に優れた膜ベース結合を備えた耐摩耗性TiAlCrN / CrN複合膜を調製し、多層膜の転位スタッキング理論も提唱しました。2層間の転位エネルギー差が大きい場合、一方の層で発生した転位がもう一方の層に界面を越えにくくなり、界面で転位スタッキングが形成され、材料を強化する役割を果たします。Zhong Binらは、CrNx膜の相構造と摩擦摩耗特性に対する窒素含有量の影響を研究し、N2含有量の増加に伴い、膜中のCr2N（211）回折ピークが徐々に弱まり、CrN（220）ピークが徐々に強くなり、膜表面の大きな粒子が徐々に減少し、表面が平坦になる傾向があることを示しました。 N2エアレーションが25ml/分（ターゲットソースアーク電流は75A、負圧は100V）の場合、堆積されたCrNフィルムは良好な表面品質、良好な硬度、および優れた耐摩耗性を備えています。

（５）超硬質フィルム
超硬質膜は、硬度が40GPaを超え、耐摩耗性、耐高温性、低摩擦係数、低熱膨張係数を備えた固体膜で、主にアモルファスダイヤモンド膜とCN膜が挙げられます。アモルファスダイヤモンド膜は非晶質特性を持ち、長距離秩序構造を持たず、多数のCC四面体結合を含むため、四面体アモルファスカーボン膜とも呼ばれます。アモルファスカーボン膜の一種であるダイヤモンドライクコーティング（DLC）は、高熱伝導率、高硬度、高弾性率、低熱膨張係数、良好な化学的安定性、良好な耐摩耗性、低摩擦係数など、ダイヤモンドに類似した多くの優れた特性を備えています。ギア表面にダイヤモンドライク膜をコーティングすると、耐用年数が6倍に延び、耐疲労性が大幅に向上することが示されています。アモルファス炭素窒素膜とも呼ばれるCN膜は、β-Si3N4共有結合化合物に似た結晶構造を持ち、β-C3N4とも呼ばれます。LiuとCohenら第一自然原理からの擬ポテンシャルバンド計算を用いた厳密な理論計算を実施した結果、β-C3N4は結合エネルギーが大きく、機械構造が安定しており、少なくとも1つの準安定状態が存在でき、弾性率はダイヤモンドに匹敵するなど優れた特性を持ち、材料の表面硬度と耐摩耗性を効果的に向上させ、摩擦係数を低減できることを確認しました。

（6）その他の合金耐摩耗コーティング層
歯車にも合金耐摩耗コーティングの適用が試みられています。例えば、45#鋼歯車の歯面にNi-P-Co合金層を堆積させることで、超微細粒組織化を実現し、寿命を最大1.144～1.533倍に延ばすことができます。また、Cu-Cr-P合金鋳鉄歯車の歯面にCu金属層とNi-W合金コーティングを施し、強度を向上させる研究も行われています。HT250鋳鉄歯車の歯面にNi-WとNi-Co合金コーティングを施すことで、未コーティング歯車と比較して耐摩耗性が4～6倍向上します。