(57)【要約】【課題】高減速比で用いる歯車歯面においても剥離することのない高靭性のダイヤモンドライクカーボン膜を備え、歯面の低フリクション化を実現する高強度歯車を提供する。【解決手段】金属製歯車基材１の歯面において、全噛み合い長さＬに対して少なくとも歯先から０．３Ｌ〜０．７Ｌの範囲Ａに、平均径が０．１〜１０μｍで且つ平均深さが０．１〜１０μｍの多数の凹部２が形成してあり、その表面に厚さ１〜５μｍのダイヤモンドライクカーボン膜３が形成してあり、ダイヤモンドライクカーボン膜３上に厚さが１０〜５００ｎｍで且つ水素を原子数密度４×１０２２ａｔｍｓ／ｃｍ３以上含有するカーボン層４を備えている高強度歯車。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製歯車基材の歯面において、全噛み合い長さＬに対して少なくとも歯先から０．３Ｌ〜０．７Ｌの範囲に、平均径が０．１〜１０μｍで且つ平均深さが０．１〜１０μｍの多数の凹部が形成してあり、その表面に厚さ１〜５μｍのダイヤモンドライクカーボン膜が形成してあり、ダイヤモンドライクカーボン膜上に厚さが１０〜５００ｎｍで且つ水素を原子数密度４×１０２２ａｔｍｓ／ｃｍ３以上含有するカーボン層を備えていることを特徴とする高強度歯車。
【請求項２】
歯面の凹部が、レーザーパルスの照射により形成してあることを特徴とする請求項１に記載の高強度歯車。
【請求項３】
金属製歯車基材の歯面に対して、全噛み合い長さＬに対して少なくとも歯先から０．３Ｌ〜０．７Ｌの範囲にレーザーパルスを照射して、平均径が０．１〜１０μｍで且つ平均深さが０．１〜１０μｍの多数の凹部を形成した後、ＰＶＤ処理室においてＰＶＤ法により歯面にダイヤモンドライクカーボン膜を形成し、続いて、ＰＶＤ処理室中に炭化水素ガスを導入してダイヤモンドライクカーボン膜上に水素を含有するカーボン層を形成することを特徴とする高強度歯車の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歯面に硬質被膜を形成した高強度歯車及びその製造方法に関し、とくに、高減速比の減速機で用いるのに好適な高強度歯車及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年では、環境問題等への対応のために、モータにより駆動される自動車が増大していくことが見込まれており、このようなモータ駆動の自動車では、減速機において数万ｒｐｍに及ぶモータの回転をコンパクトなサイズで減速する必要がある。高減速比をコンパクトなサイズで得られるものとしては、複合型遊星歯車機構があり、同機構の中には３Ｋタイプ（Ｋは装置の中心線と同じ回転軸心を持つ要素）と呼ばれるものがある。この３Ｋタイプの遊星歯車機構は、数万回転の入力に対して減速機システムの径がほとんど変わらないという利点があるが、高減速比になるほど効率が低下するという欠点があった。
【０００３】
また、上記のような欠点を解消する方策としては、歯面に、硬質で且つ低フリクション性をもたらす硬質被膜を形成することが考えられ、その硬質被膜としては、とくに鋼との摺動において優れた低フリクション性能を示すダイヤモンドライクカーボン膜（以下、『ＤＬＣ膜』と略記する）がある。ＤＬＣ膜は、既に自動車用エンジンの摺動部品への適用事例もあるが、減速機用歯車に適用する場合には、動的に付与される高い面圧や高回転による摺動発熱によって当該ＤＬＣ膜が失われてしまう恐れがあることから、同ＤＬＣ膜の靭性を確保することが重要視されている。
【０００４】
そこで、従来においては、基材に対するＤＬＣ膜の耐剥離性を向上する方法として、基材表面に、イオン衝撃により１０〜１００ｎｍの凹凸を形成し、その後にＤＬＣ膜を形成することで機械的なアンカー効果によって密着性を向上させる方法や、基材表面にＤＬＣ膜を形成した後、その表面に、粒径が１〜５０μｍで且つエッジの鋭い粒子を用いてマイクロブラスト処理を行うことにより、その表面を滑らかにする方法が提案されていた。また、基材表面にマイクロブラストを投射し、同表面を粗いものにすることでＤＬＣ膜の靭性を確保することも、耐剥離性の面では有効であると考えられていた。
【特許文献１】特開平１０−１３０８１７号公報
【特許文献２】特開２００１−３０４２７５公報
【特許文献３】特表２００３−５００２３１公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、イオン衝撃により凹凸を形成した後にＤＬＣ膜を形成する方法では、基材とＤＬＣ膜との界面の密着性を高めるには有効であるものの、ＤＬＣ膜自体の靭性を向上することができないという問題点があった。
【０００６】
また、成膜後にマイクロブラスト処理を行う方法では、ブラスト粒子のサイズや形状を維持管理しなければならない点に難があり、何よりも油膜が薄い歯先あるいは歯元では、マイクロブラストによる数μｍレベルの面粗度の低下が、局部的な油膜切れによる金属接触を生じさせてフリクションを大幅に悪化させ、ひいては減速機の効率を低下させてしまうという問題点があり、さらに、上記した値以上に小さいブラスト粒子を用いて緻密な表面を得ることは困難であるという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、高減速比で用いる歯車表面においても剥離することのないダイヤモンドライクカーボン膜を備えたものとすることができ、且つ歯面の低フリクション化をも実現することができる高強度歯車及びその製造方法を提供することを目的としている。
【０００８】
本発明の高強度歯車は、金属製歯車基材の歯面において、全噛み合い長さＬに対して少なくとも歯先から０．３Ｌ〜０．７Ｌの範囲に、平均径が０．１〜１０μｍで且つ平均深さが０．１〜１０μｍの多数の凹部が形成してある。そして、凹部を形成した歯面には、厚さ１〜５μｍのダイヤモンドライクカーボン膜が形成してあり、さらに、ダイヤモンドライクカーボン膜上に、厚さが１０〜５００ｎｍで且つ水素を原子数密度４×１０２２ａｔｍｓ／ｃｍ３以上含有するカーボン層を備えたものとしている。また、より好ましい実施形態として、歯面の凹部が、レーザーパルスの照射により形成してあることを特徴としている。
【０００９】
本発明の高強度歯車の製造方法は、金属製歯車基材の歯面に対して、全噛み合い長さＬに対して少なくとも歯先から０．３Ｌ〜０．７Ｌの範囲にレーザーパルスを照射して、平均径が０．１〜１０μｍで且つ平均深さが０．１〜１０μｍの多数の凹部を形成する。その後、ＰＶＤ処理室においてＰＶＤ法により歯面にダイヤモンドライクカーボン膜を形成し、続いて、ＰＶＤ処理室中に炭化水素ガスを導入してダイヤモンドライクカーボン膜上に水素を含有するカーボン層を形成することで、歯面に、凹部、ダイヤモンドライクカーボン膜及びカーボン層を備えた高強度歯車を得るものとしている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の高強度歯車によれば、高減速比で用いる歯車表面においても剥離することのないダイヤモンドライクカーボン膜を備えたものとすることができ、且つ歯面の低フリクション化をも実現することができる。
【００１１】
本発明の高強度歯車の製造方法によれば、高減速比で用いる歯車表面においても剥離することのないダイヤモンドライクカーボン膜を形成することができ、且つ歯面の低フリクション化をも実現した高強度歯車を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の高強度歯車は、図１に示すように、鉄、銅、アルミニウム及びその合金等から成る金属製歯車素材１の歯面において、全噛み合い長さ（歯先から歯元に至る長さ）Ｌに対して少なくとも歯先から０．３Ｌ〜０．７Ｌの範囲Ａに、平均径が０．１〜１０μｍで且つ平均深さが０．１〜１０μｍの多数の凹部２が形成してある。
【００１３】
また、上記の範囲に凹部２を形成した歯面の全面には、厚さ１〜５μｍのダイヤモンドライクカーボン膜３が形成してあり、さらに、ＤＬＣ膜３上の全面に、厚さが１０〜５００ｎｍで且つ水素を原子数密度４×１０２２ａｔｍｓ／ｃｍ３以上含有するカーボン層４が形成してある。
【００１４】
上記の高強度歯車を製造するには、歯車基材１の歯面に対して、全噛み合い長さＬに対して少なくとも歯先から０．３Ｌ〜０．７Ｌの範囲Ａにレーザーパルスを照射して、上記した大きさの多数の凹部２を形成する。このように、凹部２の形成にレーザパルスを用いることにより、ブラスト処理のように粒子を投射する方法では困難であった緻密な凹部形状の形成や形成範囲を容易に制御することができ、且つ安定した品質を得ることができる。
【００１５】
その後、ＰＶＤ（物理気相合成）処理室において、ＰＶＤ法により歯面にＤＬＣ膜３を形成する。このＰＶＣ処理としては、基材に対する被膜の密着力の観点などから、アークイオンプレーティング法やスパッタリング法などが好ましい。
【００１６】
そして、上記のＤＬＣ膜３の形成に続いて、本来ＤＬＣ膜３中に水素が入らないＰＶＤ処理において、ＰＶＤ処理室中に、例えばメタンガス等の炭化水素ガスを導入してＤＬＣ膜３上に水素を含有するカーボン層４を形成する。これにより、歯面に、所定範囲の凹部２、ＤＬＣ膜３及びカーボン層４を備えた高強度歯車が得られる。
【００１７】
上記の高強度歯車において、歯車素材１は、金属製であるから熱伝導が高く、動力伝達時において摺動面で生じた熱を伝えて放出し易いものである。また、歯面において、全噛み合い長さＬに対して少なくとも歯先から０．３Ｌ〜０．７Ｌの範囲Ａは、とくに面圧が高くなり、高靭性が要求される部分であり、歯先及び歯元は、とくに摺動が厳しくなる部分である。
【００１８】
そこで、当該高強度歯車では、とくに面圧が高くなる上記範囲Ａにレーザパルスにより多数の凹部２を形成してから、歯面全面にＤＬＣ膜３を形成することで、上記範囲Ａすなわち面圧が高く靭性を要する歯面のピッチ点まわりの部分では、ブラスト処理のように表面粗さを悪化させずに凹部２を形成したうえで、ＤＬＣ膜３が形成されることになり、凹部２を形成した範囲Ａでは、ＤＬＣ膜３がきめ細かいブロック状となって、局部の欠陥や傷が全体に伝播することのない高靭性の被膜となる。
【００１９】
また、当該高強度歯車は、とくに摺動が厳しくなる歯先及び歯元には凹部２を形成しないので、これらの部分では上記範囲Ａに比べて表面が緻密なものになると共に、金属接触が生じ難くなり、フリクションを低下させることができるうえに製造コストを低減できるという利点がある。
【００２０】
ここで、凹部２の平均径を０．１〜１０μｍとし且つ平均深さを０．１〜１０μｍとしたのは、平均径を０．１μｍ未満とし且つ平均深さを０．１μｍ未満にすると、実質的に凹部２が無い状態に等しくなってブロック状のＤＬＣ膜３を得ることが困難になるからであり、一方、平均径が１０μｍを超え且つ平均深さが１０μｍを超えると、ＤＬＣ膜３のブロック状のきめ細かさが失われて高靭性を維持することが困難になるからである。
【００２１】
また、ＤＬＣ膜３の厚さを１〜５μｍとしたのは、厚さが１μｍ未満であると、薄過ぎて充分な耐摩耗性を得ることが困難になるからであり、一方、厚さが５μｍを超えると、ＤＬＣ膜３が厚過ぎて剥離し易くなるからである。
【００２２】
さらに、カーボン層４は、ある程度の摺動により研磨されて相手材となじむ性質があり、このようななじみ層を歯先から歯元に至るまでむら無く形成し且つなじみ後には本来のＤＬＣ層を露出させる働きをする。このため、カーボン層４の厚さを１０〜５００ｎｍとしており、これは、厚さが１０ｎｍ未満であると、薄過ぎて充分ななじみ性を得ることが困難になるからであり、一方、厚さが５００ｎｍを超えると、厚過ぎてなじみ後にＤＬＣ層を露出させるのが困難になるからである。
【００２３】
そしてさらに、カーボン層４の水素含有量を原子数密度４×１０２２ａｔｍｓ／ｃｍ３以上としたのは、原子数密度４×１０２２ａｔｍｓ／ｃｍ３未満であると、炭素膜の硬度が高くてアブレッシブ摩耗（異物による摩耗）的な相手攻撃性が生じ、上記したようななじみ層として不充分になるからである。
【００２４】
したがって、本発明の高強度歯車及びその製造方法では、金属製歯車基材１の歯面において、全噛み合い長さＬに対して少なくとも歯先から０．３Ｌ〜０．７Ｌの範囲Ａに、レーザパルスによって平均径が０．１〜１０μｍで且つ平均深さが０．１〜１０μｍの多数の凹部２を高精度に形成し、その後、歯面の全面に厚さ１〜５μｍのＤＬＣ膜３を形成することで、ＤＬＣ膜３が厚くなることによる歯先での強度低下や摩耗の無い高靭性のＤＬＣ膜３が歯面の噛み合い範囲全域で得られることとなる。
【００２５】
また、上記のＤＬＣ膜３上に、厚さが１０〜５００ｎｍで且つ水素を原子数密度４×１０２２ａｔｍｓ／ｃｍ３以上含有するカーボン層４を備えることにより、このカーボン層４は、炭素膜の硬度が急激に失われてアブレッシブ摩耗的な相手攻撃性が低下したものとなり、軟質でダイヤモンド構造の特徴はないものの、相手表面の研磨作用に優れ且つ摺動後すぐに失われるなじみ層として最適であり、これにより一層の低フリクション性能が得られ、その結果、摺動発熱が低下してＤＬＣ膜３の摩耗もし難くなる。
【００２６】
このようにして、当該高強度歯車及びその製造方法によれば、高減速比で用いる歯車表面においても剥離することのないＤＬＣ膜３を備えたものとすることができ、且つ歯面の充分な低フリクション化を実現することができる。
【実施例】
【００２７】
本発明に係わる高強度歯車の効果を調べるために、実施例Ａ，Ｂ及び比較例Ａ〜Ｇといて、以下に示す諸元の複合型遊星歯車を試作した。本発明に係る歯車であるピニオンギア（大ピニオンギア，小ピニオンギア）及び相手歯車（サンギア，インターナルギア）の材料は、ＪＩＳ−ＳＣＭ４２０Ｈとし、ホブ切りにより歯を形成した後、浸炭焼き入れ・焼き戻しを行って表面硬度をＨｖ７３０とし、有効硬化層深さを０．６ｍｍとした。また、いずれの歯車も歯面研削にて形状を整えた。
＜歯車形状試験片＞
サンギア
モジュール      ：０．８７
試験歯車の歯数  ：２４
圧力角       ：１７．５°
ねじれ角       ：２５°
大ピニオンギア
試験歯車の歯数  ：６０
小ピニオンギア
モジュール      ：１．１９
試験歯車の歯数  ：２０
圧力角       ：２１°
ねじれ角       ：１１°
インターナルギア
試験歯車の歯数  ：８７
【００２８】
その後、比較例Ｆを除く各試験歯車の歯面に対して、以下の条件でレーザーパルスを照射し、歯面の所定範囲に多数の凹部を形成した。この凹部形成方法の原理は、水中の歯車の歯面にレーザーパルスを照射して局所的にプラズマを発生させ、極表面を溶解するものである。このとき、歯面の各凹部は、１パルスが照射した面積内に極めて微小な凹凸を多数形成することにより得られるものであって、照射したレーザーパルス１個の大きさに対応するものではない。なお、比較例Ｅでは歯面全面に凹部を形成した。
＜レーザーパルス照射条件＞
ビーム径 ：φ０．２ｍｍ
パルス密度 ：８００００パルス／ｍ２
【００２９】
また、レーザーパルスによる凹部形成を行う際に、防錆剤入りの水を媒体として用いたが、この媒体はレーザーを透過するものであればよく、錆を嫌う場合は白灯油などを用いても良い。さらに、凹部のサイズの効果を確認するため、各実施例及び比較例Ｆを除く各比較例について、照射するパルスエネルギーを変えて試作を行った。
【００３０】
その後、比較例Ｆを除く各試験歯車の歯面に対して、非平衡マグネトロンスパッタリングにてダイヤモンドライクカーボン膜の形成を行った。これは、歯車の歯面をアルゴン（Ａｒ）イオンにてスパッタリングした後、中間層としてＣｒ層をピッチ点で０．５μｍとなるように生成し、続いて、ＷＣ（タングステンカーバイド）／Ｃ層を形成した。この際、ＤＬＣ膜の厚さの影響を確認するため、成膜時間を変えて膜厚を変えた。
【００３１】
そして、成膜の最後に、炭化水素ガスとして、Ａｒガスの全流量に対して３０％のメタンガス（ＣＨ４）を導入してカーボン層を形成した。このカーボン層の水素含有量は二次イオン質量分析装置にて測定し、同カーボン層の原子数密度を１×１０２３ａｔｍｓ／ｃｍ３として求めた。なお、比較例Ｂにはカーボン層の形成を行わなかった。
＜ＤＬＣ成膜条件＞
Ａｒガス導入前真空度  ：１ｘ１０−４Ｔｏｒｒ
スパッタ圧            ：Ａｒ  ０．３Ｐａ
窒素ガス導入後圧力    ：３０ｍＴｏｒｒ
製膜前温度            ：１３０℃
【００３２】
その後、各実施例及び各比較例について、以下の条件で歯車単体試験を行い、１０７回転後の相手歯車の表面粗さの変化及び剥離の有無を調べた。また、トルクから効率を算出して比較した。試験後には、膜厚及び表面形状をＳＥＭ（走査電子顕微鏡）にて観察し、また、相手表面の粗さを測定した。
＜歯車試験条件＞
潤滑油      ：日産純正ＡＴＦ  マチックＤ
試験油温    ：９０℃
入力回転数  ：１５０００ｒｐｍ
トルク ：１５Ｎｍ
表１に結果をまとめて示す。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
本発明の実施例Ａ，Ｂでは、いずれも比較例Ａ〜Ｆに対して相手表面粗さが明らかに向上しており、ＤＬＣ膜の高い剥離限界と高効率を確認した。
【００３５】
これに対して、比較例Ａでは、凹部が深く且つ大き過ぎてＤＬＣ膜の剥離が生じた。また、カーボン層を形成しなかった比較例Ｂや、カーボン層の厚さを薄くした比較例Ｄ及びＥでは、相手表面粗さ並びに歯車表面間の接触状態が改善されず、比較例Ｂでは、凹部が深く且つ大き過ぎてＤＬＣ膜が失われ、比較例Ｄでは、ＤＬＣ膜が薄過ぎて歯元の膜が摩耗で失われた。逆に、比較例Ｃでは、ＤＬＣ膜が厚過ぎて歯先側から剥離が生じた。
【００３６】
さらに、比較例Ｅでは、全面に凹部を形成したためにＤＬＣ膜が剥離しなかったが、効率が低いものとなり、同じく剥離が生じた比較例Ａ〜Ｄも効率は向上しなかった。そしてさらに、比較例Ｇは、最表面のカーボン層の水素含有量が４×１０２２ａｔｍｓ／ｃｍ３未満であったため、その硬度が大きくてなじみ層として機能しなかった。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の高強度歯車における歯面を説明する断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  歯車基材
２  凹部
３  ダイヤモンドライクカーボン膜
４  カーボン層
Ａ  凹部の形成範囲（Ｌに対して０．３Ｌ〜０．７Ｌの範囲）
【図１】
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