(57)【要約】【課題】  互いに摺動する組合せ摺動部材の双方の耐摩耗性を向上させるばかりでなく、双方の摺動部材の耐焼付き性、相手攻撃性、摩擦係数等の摺動特性を総合的に考慮して、この組合せた部材の摺動特性を向上させることができる組合せ摺動部材を提供する。【解決手段】  この組合せ摺動部材は、摺動面に非晶質炭素材料からなる被膜を形成したハブスリーブ２０の溝部２１と、該ハブスリーブ２０の溝部２１の摺動面と摺動する摺動面にアルミニウム材料又はその合金材料を酸化処理することによりＨｖ１０００からＨｖ２０００の表面硬度を有する表面硬化層を形成したシフトフォーク１０の爪部１３と、を有してなる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
摺動面に非晶質炭素材料からなる被膜を形成した第一部材と、該第一部材の摺動面と摺動する摺動面にアルミニウム材料又はその合金材料を酸化処理することによりＨｖ１０００からＨｖ２０００の表面硬度を有する表面硬化層を形成した第二部材と、を有することを特徴とする組合せ摺動部材。
【請求項２】
前記第二部材の酸化処理は、プラズマ電解酸化処理であることを特徴とする請求項１に記載の組合せ摺動部材。
【請求項３】
前記第一部材に被覆した非晶質炭素材料の表面硬度は、Ｈｖ１０００からＨｖ５０００であることを特徴とする請求項１又は２に記載の組合せ摺動部材。
【請求項４】
前記第一部材に被覆した非晶質炭素材料の表面あらさは、十点平均あらさＲｚ０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の組合せ摺動部材。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の組合せ摺動部材を用いたトランスミッションであって、当該トランスミッションを構成するハブスリーブの摺動面には組合せ摺動部材の第一部材が用いられ、シフトフォークの摺動面には組合せ摺動部材の第二部材が用いられていることを特徴とするトランスミッション。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面に非晶質炭素材料からなる被膜を形成した部材と、この部材の摺動面と摺動する摺動面にアルミニウム材料又はその合金材料からなる部材と、を組合せた組合せ摺動部材に係り、特に、これら部材の摺動面の摺動特性が向上する組合せ摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自動車において、エンジン、トランスミッションなど様々な機器に摺動部材が用いられており、この摺動部材の摺動特性を向上させるために様々な開発がされてきている。
【０００３】
例えば、この摺動特性を向上させた摺動部材として、図４及び５に示すような、車両のトランスミッションのシフトフォークが提案されている。このトランスミッション１００のシフトフォーク１０は、運転者のシフトレバー（図示せず）の操作に合わせて、高速回転しているハブスリーブ２０の溝部２１に係合して、出力軸５０の方向にこの溝部２１を押圧する。そして、この押圧により、シンクロナイザリング３０を介して、出力軸５０の回転が同期して、ギア４０に動力を伝達することができる。
【０００４】
このようなシフトフォーク１０は、基端部１１から２股状に分岐されたフォーク部１２有している。このフォーク部１２は、その先端の爪部１３を備えており、前記押圧時には、この爪部１３が、高速回転するハブスリーブ２０の溝部２１に接触する。そこで、爪部１３の耐摩耗性を向上させるため、その爪部１３は、その摺動面１３ａにニッケルもしくはその合金にセラミック微粒子が分散されためっき皮膜を被覆している（特許文献１参照）。
【０００５】
またこの他にも、摺動部材の耐摩耗性を向上させるために、Ｓｉを含有させたアルミニウム合金からなるシリンダと、ダイヤモンドライクカーボン（非晶質炭素材料）を表面に被覆したピストンリングと、を組合せた組合せ摺動部材が提案されている（特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開平１−４２５８０号公報
【特許文献２】特開２００１−２８０４９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、例えば上述したようなトランスミッションの場合には、シフトフォークの爪部の摺動面の耐摩耗性を向上させることを目的としているものであって、シフトフォークの爪部とハブスリーブの溝部との関係において耐焼付き性、相手攻撃性、及び摩擦係数を考慮したものではない。
【０００８】
すなわち、ハブスリーブの溝部に対するシフトフォークの爪部の焼付き性が高く、相手攻撃性が大きいと、シフトフォークの爪部及びハブスリーブの溝部の両者が摩耗することになり、その結果、シフト操作時にガタつきが大きくなり、シフト抜けが発生する虞がある。
【０００９】
また、シフトフォークの爪部とハブスリーブの溝部との摩擦力が大きい（摩擦係数が大きい）と、シフトフォークがハブスリーブを押圧するシフト操作力も大きくなり、シフトフィーリングが悪化する虞がある。
【００１０】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、互いに摺動する組合せ摺動部材の双方の耐摩耗性を向上させるばかりでなく、双方の摺動部材の耐焼付き性、相手攻撃性、摩擦係数等の摺動特性を総合的に考慮して、この組合せた部材の摺動特性を向上させることができる組合せ摺動部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、上記の課題を解決すべく多くの実験と研究を行うことにより、摺動性の良い材料の組合せとしては、表面に非晶質炭素材料（ダイヤモンドライクカーボン）と、アルミニウム材料又はその合金材料との組合せが優れており、さらにアルミニウム材料またはその合金材料の摺動面に所定の硬度の酸化皮膜を設けることにより、双方の部材の摺動面の摺動特性が画期的に向上するとの知見を得た。
【００１２】
本発明は、本発明者らが得た上記の新たな知見に基づくものであり、本発明の組合せ摺動部材は、摺動面に非晶質炭素材料からなる被膜を形成した第一部材と、該第一部材の摺動面と摺動する摺動面にアルミニウム材料又はその合金材料を酸化処理することによりＨｖ１０００からＨｖ２０００の表面硬度を有する表面硬化層を形成した第二部材と、を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明の如く、非晶質炭素材料の被膜と、表面硬度がＨｖ１０００からＨｖ２０００の範囲のアルミニウム材料又はその合金材料の酸化皮膜（酸化処理による表面硬化層）とを組合せて用いることにより、摺動部材の相互の耐摩耗性が向上し、部材が長寿命化するばかりでなく、表面の焼付き性、相手攻撃性が低減され、摩擦係数も小さくなる。
【００１４】
この第二部材のアルミニウム材料又はその合金材料の表面硬化層の表面硬度がＨｖ１０００よりも小さいと、第一部材の非晶質炭素材料の被膜により第二部材の表面硬化層の摩耗が促進し、さらに、この表面硬化層の表面硬度が、Ｈｖ２０００よりも大きいと、この表面硬化層により非晶質炭素材料の被膜の摩耗が促進する。
【００１５】
また、この組合せ摺動部材の第二部材の酸化処理は、プラズマ電解酸化処理であることが好ましい。このように、第二部材のアルミニウム材料またはアルミニウム合金材料の摺動面にプラズマ電解酸化処理を行うことにより、先に示す如き、Ｈｖ１０００からＨｖ２０００の表面硬度を有した表面硬化層を容易に形成することができる。
【００１６】
さらに、このようなプラズマ電解酸化処理を行う場合には、この処理後の表面は、表面硬化に伴い表面あらさが大きくなるので、この組合せ摺動部材の摺動特性をさらに向上させるためには、この酸化処理した表面を研磨することにより、表面あらさを小さくすることが好ましい。
【００１７】
さらに、この組合せ摺動部材の第一部材に被覆した非晶質炭素材料の表面硬度は、Ｈｖ１０００からＨｖ５０００であることが好ましく、このような表面硬度の範囲にすることにより、第一部材と第二部材との双方の耐摩耗性を向上させることができる。
【００１８】
また、この非晶質炭素材料を第一部材に被覆するにあたっては、第一部材の母材とこの被膜との間に、中間層として、クロム（Ｃｒ）からなる層を設けることにより、この被膜の密着性を向上させることができる。さらにこのクロムの代わりに、チタン（Ｔｉ）またはタングステン（Ｗ）を用いてもよい。
【００１９】
このような非晶質炭素材料の表面硬度にすることにより、第一部材及び第二部材の摺動特性をさらに向上することができる。この非晶質炭素材料の表面硬度がＨｖ１０００以下の場合には、第二部材の表面硬化層の硬化表面により、この非晶質炭素材料の被膜が大きく摩耗してしまい、この非晶質炭素材料の表面硬度がＨｖ５０００以上の場合には、この非晶質炭素材料の被膜により、第二部材の表面硬化層が大きく摩耗してしまう。
【００２０】
また、この組合せ摺動部材の第一部材に被覆した非晶質炭素材料の表面あらさは、十点平均あらさＲｚ０．５μｍ以下であることが好ましい。
【００２１】
このような範囲の表面あらさにすることにより、組合せ摺動部材の耐焼付き性が向上し、摩擦係数も小さくなり、第一部材及び第二部材の摩耗量も小さくなり、摺動特性をさらに向上させることができる。すなわち、第一部材の非晶質炭素材料の表面あらさが、十点平均あらさＲｚ０．５μｍよりも大きいと、この表面により、第二部材のアルミニウム材料又はその合金材料の表面硬化層の摩耗が促進され、組合せ摺動部材としての寿命が低下する。
【００２２】
アルミニウム材料又はその合金材料を酸化処理することにより得られる表面硬化層の層厚み（酸化皮膜の厚み）は、非晶質炭素材料の被膜厚みに比べて厚くすることができることから、このような組合せ摺動部材を先に示したトランスミッションに用いる場合には、この組合せ摺動部材の第一部材を、このトランスミッションを構成するハブスリーブの溝部の摺動面に用い、この組合せ摺動部材の第二部材を、シフトフォークの爪部の摺動面に用いることが好適である。
【００２３】
このように、摩耗量の多いシフトフォークの爪部に、表面硬化層の厚みが厚いアルミニウム材料又はその合金材料を使用するので、シフトフォークの寿命は延び、さらに、非晶質炭素材料を被覆したハブスリーブの溝部は摩耗しにくいので、結果として組合せ摺動部材としての寿命を長くすることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、摺動する摺動部材の耐摩耗性、耐焼付き性、相手攻撃性、及び摩擦係数などの諸特性を向上させることにより、摺動部材の相互の摺動特性を向上させることができる。この結果、摺動部材を用いることにより、摺動面の焼付き、摩耗などによる機器の破損を防止し、機器本体の長寿命化を図ることができる。
【実施例】
【００２５】
以下に、本発明を実施例により説明する。本実施例は、車両のトランスミッション（図４参照）に、本発明に係る組合せ摺動部材を用いた実施例であり、本発明に係る組合せ摺動部材の第一部材をトランスミッションのハブスリーブの摺動面に用い、第二部材をシフトフォークの摺動面に用いた実施例である。
【００２６】
（実施例１）
図５に示すようなシフトフォークを、アルミニウム合金鋳物（ＪＩＳ：ＡＣ９Ｃ)により製作した。そして、このシフトフォークの爪部を、水酸化カリウムと水とを１：６の重量の割合で混合した電解溶液中に配置し、浴温４０℃、処理電圧６２０Ｖ、電流密度５Ａ／ｄｍ２の条件で、プラズマ電解酸化処理（ＰＥＯ）により、このシフトフォークの爪部表面に、層厚み１００μｍの表面硬化層（酸化皮膜）を形成した。
【００２７】
一方、ハブスリーブを、クロムモリブデン鋼（ＪＩＳ：ＳＣＭ４２０）により製作した。さらに、この鋼を浸炭焼入れし、シフトフォークの爪部に接触する溝部の摺動面に、クロムを０．５μｍ被覆し、さらにそのクロムの層上に、非晶質炭素材料（ＤＬＣ）の被膜を、膜厚２μｍ被覆（コーティング）した。このＤＬＣの成膜は、基材温度２００℃、バイアス電圧１００Ｖの条件で、原料ガス：メタンガス、雰囲気ガス：アルゴンガスを用いた。なお、ＤＬＣの成膜は、ＰＶＤ処理、ＣＶＤ処理のどちらでもよい。
【００２８】
さらに、後述する焼付き試験を行うために、シフトフォークの爪部材料に相当する試験片として、内径２０ｍｍ、外径２５．６ｍｍ、高さ１７ｍｍ、十点平均あらさＲｚ１．６μｍ、円筒試験片を製作した。また、ハブスリーブの溝部材料に相当する試験片として、３０×３０×５ｍｍ、十点平均あらさＲｚ０．５μｍの平板試験片を製作した。
【００２９】
そして、実施例１のシフトフォークとハブスリーブとからなる組合せ摺動部材に対して摩耗試験を行った。具体的には、これらの部材を実機トランスミッションに組込んで、潤滑剤（ＡＴＦ  ＤｅｘｒｏｎII）を充填すると共に、ハブスリーブ回転数４８００ｒｐｍ、油温１２０℃、シフトフォーク作動荷重１００ｋｇの条件下で、シフトフォークの爪部を１ｓｅｃ作動（ハブスリーブに接触状態）−１．５ｓｅｃ休止（ハブスリーブに非接触状態）をさせて、これを１サイクルとして、３０００サイクル実施し、シフトフォークの爪部及びハブスリーブの溝部の摩耗量（軸方向の摩耗長さ）を測定した。
【００３０】
さらに、これらの組合せた摺動部材に対して焼付試験を行った。具体的には、円筒試験片（爪部材料）と平板試験片（溝部材料）を用いて、機械試験所型摩耗摩擦試験機により、潤滑剤（ＡＴＦ  ＤｅｘｒｏｎII)を用いた飛沫潤滑を行いながら、円筒試験片（爪部材料）を、８６００ｒｐｍ（周速９．６ｍ／ｓｅｃ）で回転させ、押付け荷重を２分間毎に２５０Ｎずつ増加させて、平板試験片（溝部材料）に押付けた。そして、摩擦係数が０．２以上になったとき、もしくは、摩耗が極端に大きくなったときの荷重を焼付き荷重として測定し、摩擦係数も求めた。尚、シフトフォークの爪部の表面硬度及びハブスリーブの溝部の表面硬度を測定した。
【００３１】
この摩耗試験及び焼付き試験の結果を図１及び表１に示す。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
表１及び図１に示すように、組合せ摺動部材の焼付き荷重は、４２５０Ｎ、摩擦係数は０．０１程度であり、シフトフォークの爪部の摩耗量は、２０μｍで、ハブスリーブの溝部の摩耗量は、ほとんど無かった。また、シフトフォークの爪部の表面硬度は、Ｈｖ１５００であり、ハブスリーブの溝部の表面硬度は、Ｈｖ３０００であった。
【００３４】
（比較例１）
実施例１と同形状のシフトフォーク及びハブスリーブを作成した。実施例１と異なる点は、シフトフォークをクロム鋼（ＪＩＳ：ＳＣｒ４２０）より製作し、その後浸炭焼入れをした点である。
【００３５】
（比較例２）
実施例１と同形状のシフトフォーク及びハブスリーブを作成した。実施例１と異なる点は、シフトフォークをクロム鋼（ＪＩＳ：ＳＣｒ４２０）より製作し、その後浸炭焼入れをし、さらに浸炭焼入れ後のシフトフォークの摺動面に硬質クロムめっきを被覆した点である。
【００３６】
（比較例３）
実施例１と同形状のシフトフォーク及びハブスリーブを作成した。実施例１と異なる点は、ハブスリーブを浸炭焼入れ後、ＤＬＣを被覆していない点である。
【００３７】
（比較例４）
実施例１と同形状のシフトフォーク及びハブスリーブを作成した。実施例１と異なる点は、シフトフォークをクロム鋼（ＪＩＳ：ＳＣｒ４２０）より製作し、その後浸炭焼入れした点と、ハブスリーブを浸炭焼入れ後、ＤＬＣを被覆していない点である。
【００３８】
（比較例５）
実施例１と同形状のシフトフォーク及びハブスリーブを作成した。実施例１と異なる点は、シフトフォークをクロム鋼（ＪＩＳ：ＳＣｒ４２０）より製作し、その後浸炭焼入れをし、さらに浸炭焼入れ後のシフトフォークの摺動面に硬質クロムめっきを被覆した点と、ハブスリーブを浸炭焼入れ後、ＤＬＣを被覆していない点である。
【００３９】
そして、比較例１から比較例５の組合せ摺動部材に対して、実施例１と同様に、摩耗試験及び焼付き試験を行った。その結果を図１及び表１に示す。
【００４０】
表１及び図１に示すように、比較例１から５の組合せ摺動部材は、実施例１に比べて、摩擦係数も高く、焼付き荷重も小さかった。また、シフトフォークの爪部及びハブスリーブの溝部のどちらも、実施例１に比べて、その摩耗量は多かった。
【００４１】
（評価１）
この結果から、実施例１の如く、非晶質炭素材料（ＤＬＣ）と、プラズマ電解酸化処理により表面を硬化させたアルミニウム合金とを、摺動部材に組合せて使用することにより、摺動部材の相互の耐摩耗性が向上し、各部材が長寿命化するばかりでなく、表面の焼付き性、相手攻撃性が低減され、摩擦係数も小さくなったと考えられる。
【００４２】
また、アルミニウムを主材とした材料であれば、酸化処理により表面を硬化させることが可能であるので、アルミニウム合金の代わりにアルミニウムを用いた場合であっても、同様の結果が得られると推定される。
【００４３】
（実施例２から５）
実施例１と同様の組合せ摺動部材を製作した。実施例１と異なる点は、実施例２から５のシフトフォークの爪部のプラズマ電解酸化処理時における処理電圧を以下の表２に示す如き電圧条件で酸化処理を行った点である。
【００４４】
この実施例２から５に示す組合せ摺動部材について、実施例１と同様の摩耗試験を行った。また、これらのシフトフォークの爪部の表面硬化層の表面硬度も測定した。その結果を図２及び表２に示す。
【００４５】
図２及び表２に示すように、シフトフォークの爪部の表面硬化層の表面硬度は、処理電圧を大きくすると共に大きくなった。また、実施例２から５の組合せ摺動部材のシフトフォークの爪部の摩耗量は４０μｍ以下、ハブスリーブの溝部の摩耗量は５μｍ以下であった。
【００４６】
【表２】
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【００４７】
（比較例６及び７）
実施例１と同様の組合せ摺動部材を製作した。実施例１と異なる点は、比較例６及び７のシフトフォークの爪部の表面のプラズマ電解酸化処理の処理電圧を表２に示す如き電圧条件で、酸化処理を行った点である。
【００４８】
この比較例６及び７に示す組合せ摺動部材について、実施例１と同様の摩耗試験を行った。また、これらのシフトフォークの爪部の表面硬化層の表面硬度も測定した。その結果を図２及び表２に示す。
【００４９】
図２及び表２に示すように、比較例６のシフトフォークの爪部の表面硬度が８００Ｈｖであり、実施例２から５に比べて、シフトフォークの爪部の摩耗量は大きかった。また、比較例７のシフトフォークの爪部の表面硬度は２５００Ｈｖであり、実施例２から５に比べて、比較例７のハブスリーブの溝部の摩耗量は大きかった。
【００５０】
（評価２）
この結果より、シフトフォークの爪部の表面硬化層の最適な表面硬度は、Ｈｖ１０００からＨｖ２０００であり、この表面硬度範囲を外れるとシフトフォークの爪部またはハブスリーブの溝部のいずれか一方の摩耗が促進すると考える。すなわち、比較例６の如くシフトフォークの爪部の表面硬度がＨｖ１０００よりも小さいと、ハブスリーブの溝部のＤＬＣの被膜によりシフトフォークの爪部の摩耗が促進され、比較例７の如くシフトフォークの爪部の表面硬度がＨｖ２０００よりも大きいと、シフトフォークの爪部によりハブスリーブの溝部の摩耗が促進されたと考える。
【００５１】
（実施例６及び７）
実施例１と同様の組合せ摺動部材を製作した。実施例１と異なる点は、ＤＬＣを被覆する前のハブスリーブの溝部の表面あらさを調整して、実施例６及び７のハブスリーブの溝部に形成したＤＬＣの被膜の表面あらさを、順に十点平均あらさＲｚ０．１μｍ、０．５μｍにした点である。
【００５２】
そして、実施例６及び７の組合せ摺動部材に対して、実施例１と同様の摩耗試験を行い、さらに、実施例１と同様にこれらに対応した試験片を製作し焼付き試験を行った。その結果を、図３及び表３に示す。
【００５３】
図３及び表３から、実施例６、実施例７の如くＤＬＣの被膜の表面あらさを変えた場合であっても、実施例１と同様に、焼付き荷重は４２５０Ｎ程度、摩擦係数も、０．０１程度であり、シフトフォークの爪部の摩耗量は、２０μｍ程度、ハブスリーブの溝部の摩耗量は、ほとんど無かった。
【００５４】
【表３】
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【００５５】
（比較例８から１０）
実施例１と同様の組合せ摺動部材を製作した。実施例１と異なる点は、ＤＬＣを被覆する前のハブスリーブの溝部のあらさを調整して、ハブスリーブの溝に形成したＤＬＣの被膜の表面あらさを、比較例８から順に十点平均あらさＲｚ１μｍ、３μｍ、５μｍにした点である。
【００５６】
そして、比較例８から１０の組合せ摺動部材に対して、実施例１と同様の摩耗試験を行い、さらに、実施例１と同様にこれらに対応した試験片を製作し焼付き試験を行った。その結果を、図３及び表３に示す。
【００５７】
図３及び表３に示すように、ハブスリーブの溝部に被覆したＤＬＣの被膜の表面あらさを大きくしても、ハブスリーブの溝部の摩耗量はほとんど変化しないが、ハブスリーブの溝部を押圧するシフトフォークの爪部の摩耗量は増加し、この組合せ摺動部材の焼付き荷重も低下し、摩擦係数も大きくなった。
【００５８】
また、比較例８から１０の組合せ摺動部材は、実施例６、７に比べて、シフトフォークの爪部の摩耗量が大きく、摺動部材としての焼付き荷重も小さく、摩擦係数が大きかった。
【００５９】
（評価３）
このような結果から、ハブスリーブの溝部に被覆したＤＬＣの表面あらさは、十点平均あらさＲｚ０．５μｍ以下にすることが好ましく、この表面あらさよりも大きいと、ハブスリーブの溝部に接触するシフトフォークの爪部がアブレッシブ摩耗により、摩耗量が増加すると考えられ、これらの部材の摺動抵抗も増加すると考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本実施例の組合せ摺動部材は、車両のトランスミッションのシフトフォークとハブスリーブに用いた例を示したが、エンジンのピストンリングとシリンダの摺動部材など、摺動する頻度が高く、耐摩耗性が要求されるような環境において使用される摺動部材に特に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】実施例１の組合せ摺動部材と比較例１から５の組合せ摺動部材の摩耗試験結果を示した図。
【図２】実施例２から５の組合せ摺動部材と比較例６及び７の組合せ摺動部材の摩耗試験結果を示した図。
【図３】実施例６及び７の組合せ摺動部材と比較例８から１０の組合せ摺動部材の摩耗試験結果を示した図。
【図４】従来の車両のトランスミッションを示した図。
【図５】図４に示すトランスミッションのシフトフォークを示した図。
【符号の説明】
【００６２】
１０：シフトフォーク，１３：爪部，２０：ハブスリーブ，２１：溝部，１００：トランスミッション
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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