JP7429123B2 - 自転車用チェーンのチェーン部品、および自転車用チェーン - Google Patents

Description

本発明は、自転車用チェーンのチェーン部品、および自転車用チェーンに関する。

自転車用チェーンの耐摩耗性を向上するために、様々な試みが行われている。例えば、特許文献１には、オイルを貯留するオイル貯留容器４が、開示されている。オイル貯留容器４は、フレームに装着されている。オイル貯留容器４の出口には、オイルスイッチ５が接続される。オイルスイッチ５には、オイルノズル６が接続される。潤滑剤としてのオイルは、重力の作用により、オイルノズル６からチェーン７に落下する。これによって、自転車用チェーンの摩耗を抑えるという効果が実現されている。

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従来技術では、オイル貯留容器、オイルスイッチ、及びオイルノズルが、フレームに設けられている。このように、従来技術では、自転車用チェーンの摩耗を抑えるために用意する構成が複雑になるという問題がある。

本発明の目的は、自転車の構造の複雑化を抑えて、耐摩耗性を向上させることができる自転車用チェーン部品を、提供することにある。また、本発明の目的は、自転車の構造の複雑化を抑えて、耐摩耗性を向上させることができる自転車用チェーンを、提供することにある。

本発明の第１の態様に関して、自転車用チェーンのチェーン部品が、基材と、炭化クロム層と、窒化クロム層とを、備える。炭化クロム層は、基材上に形成される。窒化クロム層は、炭化クロム層上に形成される。

第１の態様に係る自転車用チェーンのチェーン部品では、炭化クロム層および窒化クロム層の２つの層によって、基材に対する摩耗に耐えることができる。すなわち、本チェーン部品では、従来技術と比較して、耐摩耗性を向上することができる。

本発明の第２の態様に関して、本発明の第１の態様に係る自転車用チェーンのチェーン部品は、基材が、炭素鋼、合金鋼およびステンレス鋼のいずれか１つであるように、構成される。

第２の態様に係る自転車用チェーンのチェーン部品では、基材を、炭素鋼、合金鋼およびステンレス鋼のいずれか１つによって構成することによって、基材に炭化クロム層を容易に形成することができる。

本発明の第３の態様に関して、本発明の第１または第２の態様に係る自転車用チェーンのチェーン部品は、窒化クロム層が１μｍ以上２０μｍ以下の厚みを有するように、構成される。

第３の態様に係る自転車用チェーンのチェーン部品では、窒化クロム層の厚みを上記のように形成することによって、チェーン部品の耐摩耗性を好適に向上することができる。

本発明の第４の態様に関して、本発明の第１から第３の態様のいずれか１つに係る自転車用チェーンのチェーン部品は、炭化クロム層が５μｍ以上３０μｍ以下の厚みを有するように、構成される。

第４の態様に係る自転車用チェーンのチェーン部品では、炭化クロム層の厚みを上記のように形成することによって、窒化クロム層と共に、チェーン部品の耐摩耗性を好適に向上することができる。

本発明の第５の態様に関して、自転車用チェーンは、アウターリンクプレートと、インナーリンクプレートと、リンクピンと、ローラとを、備える。この自転車用チェーンでは、アウターリンクプレート、インナーリンクプレート、リンクピン、および、ローラのうちの少なくとも１つが、上述したチェーン部品である。

第５の態様に係る自転車用チェーンでは、アウターリンクプレート、インナーリンクプレート、リンクピン、および、ローラの耐摩耗性を好適に向上することができる。

本発明によれば、自転車用チェーンのチェーン部品において、耐摩耗性を向上することができる。また、本発明によれば、自転車用チェーンにおいて、耐摩耗性を向上することができる。

本発明の実施形態による自転車用チェーンの側面図。 自転車用チェーンの分解斜視図。 図２の切断線Ａにおけるリンクピンを模式的に示した断面図。 図３Ａの部分拡大断面図。 リンクピンの評価形態を説明するための模式図。 リンクピンの評価を比較するための図。

（自転車用チェーンの構成）
図１及び図２に示すように、自転車用チェーン１は、アウターリンクプレート３と、インナーリンクプレート５と、リンクピン７と、ローラ９とを、備える。
詳細には、自転車用チェーン１は、１対のアウターリンクプレート３ａ，３ｂと、１対のインナーリンクプレート５ａ，５ｂと、リンクピン７と、ローラ９とを、備える。

図２に示すように、１対のアウターリンクプレート３ａ，３ｂは、リンクピン７の軸心Ｐ１（後述する）に関する軸方向において、間隔を隔てて配置される。すなわち、１対のアウターリンクプレート３ａ，３ｂは、リンクピン７の軸心Ｐ１に関する軸方向において、対向して配置される。

１対のアウターリンクプレート３ａ，３ｂのそれぞれには、１対の第１ピン穴１１ａ，１１ｂが形成される。第１ピン穴１１ａ，１１ｂには、リンクピン７の端部が固定される。なお、図２では、リンクピン７の端部が第１ピン穴１１ａに固定される場合の例が、示されている。なお、図２では、第１ピン穴１１ａ，１１ｂが１対のアウターリンクプレート３ａ，３ｂの対向する方向に突出するように示されている。しかし、第１ピン穴１１ａ，１１ｂには、このような突出が無くてもよい。

１対のインナーリンクプレート５ａ，５ｂは、リンクピン７の軸心Ｐ１に関する軸方向において、間隔を隔てて配置される。すなわち、１対のインナーリンクプレート５ａ，５ｂは、リンクピン７の軸心Ｐ１に関する軸方向において、対向して配置される。１対のインナーリンクプレート５ａ，５ｂのそれぞれには、１対の筒状部１３ａ，１３ｂが形成される。

筒状部１３ａ，１３ｂは、リンクピン７の軸心Ｐ１に関する軸方向において、インナーリンクプレート５ａ，５ｂの一方向に突出している。例えば、インナーリンクプレート５ａ及びインナーリンクプレート５ｂのそれぞれの筒状部１３ａ，１３ｂは、リンクピン７の軸心Ｐ１に関する軸方向において、対向するインナーリンクプレート５ｂ，５ａに向けて突出している。

筒状部１３ａ，１３ｂの内周面は、第２ピン穴１５ａ，１５ｂとして、用いられる。第２ピン穴１５ａ，１５ｂにはリンクピン７が挿通される。なお、図２では、リンクピン７が第２ピン穴１５ｂに挿通される場合の例が、示されている。

本実施形態では、インナーリンクプレート５に筒状部１３ａ，１３ｂが一体に形成される場合の例を示した。例えば、筒状部１３ａ，１３ｂは、バーリング加工によって形成される。バーリング加工は、穴の縁にフランジを成形する加工方法である。ここで、筒状部１３ａ，１３ｂはフランジに相当する。なお、筒状部１３ａ，１３ｂは、インナーリンクプレート５とは別体のブッシュであってもよい。

１対のインナーリンクプレート５ａ，５ｂは、リンクピン７を介して、１対のアウターリンクプレート３ａ，３ｂに隣接して各別に配置される。各インナーリンクプレート５ａ，５ｂは、リンクピン７を介して、各アウターリンクプレート３ａ，３ｂに対して揺動する。すなわち、リンクピン７は、隙間ばめによって、第２ピン穴１５ａ，１５ｂに配置される。

１対のインナーリンクプレート５ａ，５ｂは、リンクピン７の軸心Ｐ１に関する軸方向において、１対のアウターリンクプレート３ａ，３ｂの間に配置される。すなわち、１対のアウターリンクプレート３ａ，３ｂは、リンクピン７の軸心Ｐ１に関する軸方向において、１対のインナーリンクプレート５ａ，５ｂを挟むように配置される。

図１及び図２に示すように、リンクピン７は、軸心Ｐ１を有する。リンクピン７は、１対のインナーリンクプレート５ａ，５ｂおよび１対のアウターリンクプレート３ａ，３ｂを、連結する。

例えば、図２に示すように、リンクピン７は、円柱状に形成される。リンクピン７は、アウターリンクプレート３ａ，３ｂの第１ピン穴１１ａ，１１ｂと、インナーリンクプレート５ａ，５ｂの第２ピン穴１５ａ，１５ｂに挿通される。例えば、リンクピン７の両端部は、アウターリンクプレート３の第１ピン穴１１ａ，１１ｂにかしめ固定される。

かしめ固定は、素材を変形させて他の部品に固定する方法である。例えば、リンクピン７の端部を第１ピン穴１１ａ，１１ｂに挿入した状態において、リンクピン７の端部を変形させる。これによって、ピンは穴から抜けないように固定される。

図１及び図２に示すように、ローラ９は、リンクピン７の外周部に配置される。例えば、ローラ９は、リンクピン７の軸心Ｐ１に関する径方向において、リンクピン７の外側に配置される。詳細には、図２に示すように、リンクピン７は、筒状部１３ａ，１３ｂの第２ピン穴１５ａ，１５ｂに挿通される。この状態において、ローラ９は、リンクピン７の軸心Ｐ１に関する径方向において、インナーリンクプレート５の筒状部１３ａ，１３ｂの外側に配置される。言い換えると、筒状部１３ａ，１３ｂは、リンクピン７の軸心Ｐ１に関する径方向において、ローラ９の内側に配置される。例えば、筒状部１３ａ，１３ｂは、ローラ９の孔部に挿通される。

上述した、アウターリンクプレート３、インナーリンクプレート５、リンクピン７、およびローラ９の少なくとも１つには、耐摩耗性を向上するために、表面処理が行われる。本実施形態では、リンクピン７に対して表面処理が行われる場合の例が、示される。本実施形態では、リンクピン７がチェーン部品の一例として説明される。

（リンクピンの構成）
図３Ａに示すように、リンクピン７は、基材２１と、基材２１上に形成される炭化クロム層２３と、炭化クロム層２３上に形成される窒化クロム層２５とを、備える。例えば、基材２１は、炭素鋼、合金鋼、およびステンレス鋼のいずれか１つである。本実施形態では、基材２１が炭素鋼である場合を一例として、説明が行われる。基材２１は、例えば、円柱状に形成される。

基材２１には、浸窒処理が行われる。基材２１に対して浸窒処理を行うことによって、窒素が基材２１の表層に侵入する。例えば、浸窒処理では、アンモニアガスまたは窒素ガスの雰囲気中に基材２１が暴露される。この状態で基材２１を放置することによって、窒素が基材２１の表層に侵入する。アンモニアガスの温度または窒素ガスの温度は６５０℃以上８５０℃以下であることが好ましい。

基材２１には、窒化処理が行われてもよい。窒化処理とは、表面硬化処理の化学的表面硬化法で、鋼の表面から窒素を拡散侵入させ、鋼の表面を硬くする加工技術である。基材２１に窒化処理を行うことによって、窒素が基材２１の表層に侵入する。例えば、窒化処理では、アンモニアガスまたは窒素ガスを含む空気中に、基材２１が暴露される。この状態で基材２１を放置することによって、窒素が基材２１の表層に侵入する。アンモニアガスの温度または窒素ガスの温度は、５１０度以上５７０度以下であることが好ましい。なお、窒化処理には、ガス窒化処理、塩浴窒化処理、およびイオン窒化処理等が含まれる。

上記の処理によって、基材２１の表層には浸窒層２７が形成される。浸窒層２７は、基材２１に対して窒素を拡散浸透させることで形成される。この状態において、浸窒層２７を有する基材２１に対して、クロマイジング処理が行われる。クロマイジング処理は、基材２１に対してクロムを拡散浸透させる処理である。クロマイジング処理では、基材２１が加熱され、蒸気圧の高いハロゲン化クロムが基材２１に対して送り込まれる。これにより、基材２１の表層においてクロムが析出され拡散される。

浸窒層２７を有する基材２１に対してクロマイジング処理を行うことによって、クロムが浸窒層２７に浸透する。これにより、基材２１の表層には、窒化クロム層２５が形成される。例えば、浸窒層２７の全体にクロムが浸透すると、浸窒層２７は窒化クロム層２５に変化する。例えば、図３Ｂに示すように、窒化クロム層２５は、１μｍ以上３０μｍ以下の厚みＴ１を、有する。詳細には、窒化クロム層２５は、１μｍ以上２０μｍ以下の厚みＴ１を有する。

窒化クロム層２５の厚みＴ１は、断面観察によって測定される。窒化クロム層２５の厚みＴ１は、窒化クロム層２５において最も小さい最小厚みによって、評価されることが好ましい。

また、上記のクロマイジング処理によって、クロムを、浸窒層２７より内側の部分にも浸透させる。これにより、浸窒層２７より内側の部分、例えば基材２１において浸窒層２７に隣接する部分には、炭化クロム層２３が形成される。

このように、炭化クロム層２３はクロムの拡散浸透によって形成される。また、窒化クロム層は窒素およびクロムの拡散浸透によって形成される。

上記のように本実施の形態では、浸窒処理によって浸窒層を形成した後に、クロマイジング処理が行われている。これに対して、例えば、クロマイジング処理を行った後に浸窒処理を行う場合には、クロマイジング処理によって炭化クロム層が安定する。この場合、窒化クロム層は、ほとんど生成されない。

このように、クロマイジング処理後に窒化処理が行われた場合、耐摩耗性の向上に期待することができない。すなわち、クロマイジング処理よってクロムを基材２１に拡散浸透させた後に、窒化処理によって窒素を拡散浸透させると、耐摩耗性の向上に寄与する窒化クロム層および炭化クロム層の２層構造を、形成することができない。

図３Ｂに示すように、炭化クロム層２３は、５μｍ以上３０μｍ以下の厚みＴ２を、有する。炭化クロム層２３の厚みＴ２は、断面観察によって測定される。炭化クロム層２３の厚みＴ２は、炭化クロム層２３において最も小さい最小厚みによって、評価されることが好ましい。

なお、図３Ａ及び図３Ｂでは、リンクピン７において炭化クロム層２３及び窒化クロム層２５を除いた部分が、符号“３１”で示されている。

上記のように、炭化クロム層２３及び窒化クロム層２５は、基材２１の表面上に追加的に重ねて形成されていない。すなわち、炭化クロム層２３及び窒化クロム層２５は、基材２１の表層部の性質を変化させて形成されている。リンクピン７において炭化クロム層２３及び窒化クロム層２５を除いた部分は、例えば、基材本体である。

基材本体３１は、基材２１の性質が実質的に変化していない部分である。つまり、炭化クロム層２３及び窒化クロム層２５が形成されたリンクピン７では、基材本体３１は基材２１である。

基材本体３１は、炭素鋼の特性を有する。すなわち、リンクピン７は、炭素鋼の特性を有する基材本体３１と、炭化クロムの特性を有する炭化クロム層２３と、窒化クロムの特性を有する窒化クロム層２５とを有すると、解釈してもよい。

上記のように、例えば、基材２１に対して、浸窒処理または窒化処理を行った後に、クロマイジング処理を行う。これによって、窒化クロム層２５および炭化クロム層２３の２層の被膜を、基材２１に容易に形成することができる。

また、物理蒸着によってチェーン部品の基材２１に窒素被膜を形成する場合、硬度の高い窒素被膜と硬度の低い基材との間での硬度差が、大きくなる。そのため、基材に対する窒素被膜の密着性が十分に得られず、耐摩耗性が長期に亘って維持されない。これと比較して、炭化クロムの硬度は窒化クロムの硬度よりも低い。また、炭化クロムの硬度は炭素鋼の硬度よりも高い。

このため、窒化クロム層２５および炭化クロム層２３の２層の被膜は、基材２１に対する密着性を向上することができる。また、窒素およびクロムを基材２１に拡散させているので、物理蒸着と比較して密着性は向上する。すなわち、リンクピン７の耐摩耗性を向上することができる。物理蒸着などで形成された被膜と、拡散浸透によって形成された被膜とは、被膜の構造が異なる。そして、この構造の違いは、断面観察または各層の結晶の状態を調べることなどによって確認される。なお、窒化クロム層と基材との硬度差を小さくして剥離を軽減するために、クロマイジング処理を行った炭化クロム層の上には、窒化クロム層を、メッキ、蒸着、またはスパッタリング等で形成することもできる。この場合、炭化クロム層２３は、クロムの拡散浸透によって形成される。

また、窒化クロム層２５が摩耗したとしても、窒化クロム層２５の下層に位置する炭化クロム層２３によって、リンクピン７の耐摩耗性を確保することができる。

（リンクピンに対する摩耗評価）
以下では、リンクピン７に対する摩耗評価についての説明が、行われる。図４に示すように、リンクピン７に対する摩耗評価は、２つのリンクピンの一方７２，７３を、２つのリンクピンの他方７１に対して摺動させることによって、行われる。

ここでは、第１の評価および第２の評価が行われる。第１の評価では、第１リンクピン７１と、第２リンクピン７２とが、用いられる。例えば、第１リンクピン７１は、直径３．６ｍｍおよび長さ６．１ｍｍを有する円柱に、形成される。第１リンクピン７１は、上述した２層の被膜を有していない。すなわち、第１リンクピン７１は、基材２１である。

基材２１は、ＪＩＳ規格におけるＳ５５Ｃの炭素鋼である。基材２１の硬さは、ＨＲＣで５０に調整される。基材２１の外周面の粗さは、Ｒａ０．１μｍ以下になるように調整される。

例えば、第２リンクピン７２は、直径３．６ｍｍおよび長さ６．１ｍｍを有する円柱に、形成される。第２リンクピン７２には、基材２１に対して、上述した窒化クロム層２５および炭化クロム層２３の２層の被膜が、設けられる。

基材２１は、ＪＩＳ規格におけるＳ５５Ｃの炭素鋼である。基材２１の硬さは、ＨＲＣで５０に調整される。窒化クロム層２５の粗さ（基材２１の外周面の粗さ）は、Ｒａ０．１μｍ以下になるように調整される。

窒化クロム層２５の厚みＴ１は、４μｍである。炭化クロム層２３の厚みＴ２は、１５μｍである。すなわち、窒化クロム層２５の厚みＴ１および炭化クロム層２３の厚みＴ２の全体厚みＴは、１９μｍである。

第２の評価では、第１リンクピン７１と、第３リンクピン７３とが、用いられる。例えば、第３リンクピン７３は、直径３．６ｍｍおよび長さ６．１ｍｍを有する円柱に、形成される。第３リンクピン７３には、炭化クロム層２３のみからなる１層の被膜が、設けられる。

基材２１は、ＪＩＳ規格におけるＳ５５Ｃの炭素鋼である。基材２１の硬さは、ＨＲＣで５０に調整される。炭化クロム層２３の粗さ（基材２１の外周面の粗さ）は、Ｒａ０．１μｍ以下になるように調整される。

炭化クロム層２３の厚みＴ３は、１９μｍである。この炭化クロム層２３の厚みＴ３は、第２リンクピン７２における窒化クロム層２５の厚みＴ１および炭化クロム層２３の厚みＴ２の全体厚みＴと同じである（Ｔ３＝Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ２）。

第１の評価および第２の評価では、第２リンクピン７２または第３リンクピン７３が、第１リンクピン７１に対して直交して配置される。第２リンクピン７２または第３リンクピン７３が第１リンクピン７１に接触した状態において、第２リンクピン７２または第３リンクピン７３は第１リンクピン７１の軸方向Ｄに移動する。

第１の評価および第２の評価では、第１リンクピン７１に向けて、第２リンクピン７２または第３リンクピン７３に１００Ｎの力Ｆを作用させる。これによって、第２リンクピン７２または第３リンクピン７３が第１リンクピン７１に接触する。

この状態において、第２リンクピン７２または第３リンクピン７３は、第１リンクピン７１に対して、１０ｍｍ／ｓｅｃの速度で往復移動する。第２リンクピン７２または第３リンクピン７３が往復する回数は、５０００サイクルである。第２リンクピン７２または第３リンクピン７３が第１リンクピン７１に対して摺動する距離は、３ｍｍである。ここでは、１リットルの水に５０ｇのＪＩＳ試験用粉体１１種（関東ローム）を混ぜたものが、潤滑剤として用いられる。

上記の条件によって第１の評価および第２の評価を行った結果が、図５に示される。例えば、第１の評価では、第２リンクピン７２の摩耗量は２３μｍである。第２の評価では、第３リンクピン７３の摩耗量は３０μｍである。このように、第２リンクピン７２の摩耗量は、第３リンクピン７３の摩耗量より小さい。ここで摩耗量は、摩耗深さに対応する。

すなわち、第２リンクピン７２の窒化クロム層２５によって、第２リンクピン７２の摩耗の進行が第３リンクピン７３の摩耗の進行より遅くなると、判断することができる。被膜の厚みＴが同じである場合、２層被膜（窒化クロム層２５および炭化クロム層２３）の耐摩耗性は、１層被膜（炭化クロム層２３）の耐摩耗性より優れていると、判断することができる。

なお、第２リンクピン７２および第３リンクピン７３の摩耗量は、第１リンクピン７１に対する接触範囲（摺動範囲）において測定される。例えば、接触範囲において、試験前の第２リンクピン７２の最小直径と試験後の第２リンクピン７２の最小直径とが測定される。この差が、摩耗量として図３に示されている。摩耗量は、試験前の第２リンクピン７２の重量と、試験後の第２リンクピン７２の重量とを測定し、その差を摩耗量に換算してもよい。

＜他の実施形態＞
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態及び変形例は必要に応じて任意に組合せ可能である。

（ａ）前記実施形態では、チェーン部品の一例として、リンクピン７の説明が行われた。本発明の対象となるチェーン部品は、リンクピン７だけでなく、アウターリンクプレート３、インナーリンクプレート５、およびローラ９の少なくとも１つであってもよい。すなわち、アウターリンクプレート３、インナーリンクプレート５、リンクピン７、およびローラ９の少なくとも１つは、本願発明の対象となるチェーン部品である。

（ｂ）前記実施形態では、リンクピン７が円柱状に形成される場合の例が示された。これに代えて、リンクピン７は円筒状に形成されてもよい。

１ 自転車用チェーン
３，３ａ，３ｂ アウターリンクプレート
５，５ａ，５ｂ インナーリンクプレート
７，７１，７２，７３ リンクピン
９ ローラ
１１ａ，１１ｂ 第１ピン穴
１３ａ，１３ｂ 筒状部
１５ａ，１５ｂ 第２ピン穴
２１ 基材
２３ 炭化クロム層
２５ 窒化クロム層
２７ 浸窒層
３１ 基材本体
Ｄ 第１リンクピン７１の軸方向
Ｆ 力
Ｔ１ 窒化クロム層の厚み
Ｔ２ 炭化クロム層の厚み
Ｐ１ リンクピン７の軸心

Claims (5)

1. 自転車用チェーンのチェーン部品であって、
   基材と、
   前記基材上に形成される炭化クロム層と、
   前記炭化クロム層上に形成される窒化クロム層と、
   を備え、
   前記基材には、表層に窒素を拡散浸透することによって生成される浸窒層が、形成され、
   前記浸窒層に対してクロムを拡散浸透することによって、前記窒化クロム層が前記浸窒層に形成され、前記炭化クロム層が前記浸窒層よりも内側に形成される、
   チェーン部品。
2. 前記基材は、炭素鋼、合金鋼およびステンレス鋼のいずれか１つである、
   請求項１に記載のチェーン部品。
3. 前記窒化クロム層は、１μｍ以上２０μｍ以下の厚みを有する、
   請求項１または２に記載のチェーン部品。
4. 前記炭化クロム層は、５μｍ以上３０μｍ以下の厚みを有する、
   請求項１から３のいずれか１項に記載のチェーン部品。
5. アウターリンクプレートと、インナーリンクプレートと、リンクピンと、ローラと、を備える自転車用チェーンであって、
   前記アウターリンクプレート、前記インナーリンクプレート、前記リンクピン、および、前記ローラのうちの少なくとも１つは、請求項１から４のいずれか１項に記載のチェーン部品である、
   自転車用チェーン。
   

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