(57)【要約】【課題】第１摺動部材と、これに摺動する第２摺動部材との摺動面同士を平滑化することができる組み合わせ摺動部材を提供する。【解決手段】リアディファレンシャルギア（組み合わせ摺動部材）１は、第１摺動面１０ａが形成されたピニオンギア（第１摺動部材）１０と、第１摺動面１０ａに摺動する第２摺動面２０ａが形成されたリングギア（第２摺動部材）２０と、を備える。第１摺動面１０ａには、ビッカース硬さＨｖ８００〜１０００であり、厚さ０．５〜３μｍの非晶質炭素皮膜１２が形成されている。第２摺動面２０ａには、穴径５〜２０μｍ、かつ、深さ５０〜１００μｍの大きさを有する複数のディンプル２１、２１、…が、第２摺動面２０ａの全体の面積に対して、７０〜９０％の面積率で形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１摺動面が形成された第１摺動部材と、前記第１摺動面に摺動する第２摺動面が形成された第２摺動部材と、を備えた組み合わせ摺動部材であって、
前記第１摺動面には、ビッカース硬さＨｖ８００〜１０００であり、厚さ０．５〜３μｍの非晶質炭素皮膜が形成されており、
前記第２摺動面には、穴径５〜２０μｍ、かつ、深さ５０〜１００μｍの大きさを有する複数のディンプルが、前記第２摺動面の表面積に対して、７０〜９０％の面積率で形成されていることを特徴とする組み合わせ摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１摺動面が形成された第１摺動部材と、第１摺動面に摺動する第２摺動面が形成された第２摺動部材と、を備えた組み合わせ摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のトランスミッションなどに使用される動力伝達機構には、歯車などの組み合わせ摺動部材が利用されており、歯車の場合には、歯面の噛み合いによって駆動力の伝達を行っている。この駆動力伝達を効率良く行うためには、伝達効率である歯面での摩擦を小さくすることが重要であり、車両の燃費向上の上で重要である。
【０００３】
このような点を鑑みて、例えば、特許文献１には、歯車の表面に、厚さ０．１〜２００μｍ、ビッカース硬さＨｖ６００以上の炭素皮膜を形成した歯車（摺動部材）が提案されている。この摺動部材を製造する際には、平均粒径が３〜１５０μｍの範囲内で、硬さが硬化層の０．８倍以下の投射材を硬化層の表面に投射することにより、歯車の母材を硬化させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２９１４６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に係る摺動部材では、炭素皮膜により、摺動部材の耐摩耗性および低摩擦性の効果を発揮できるが、この摺動部材（第１摺動部材）に摺動する相手部材（第２摺動部材）への攻撃性が高くなり、相手部材の表面が摩耗し、これらの摺動部材の摺動面の表面粗さが粗くなる。
【０００６】
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、第１摺動部材と、これに摺動する第２摺動部材との摺動面同士を平滑化することができる組み合わ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】
【０００７】
本発明に係る組み合わせ摺動部材は、第１摺動面が形成された第１摺動部材と、前記第１摺動面に摺動する第２摺動面が形成された第２摺動部材と、を備えた組み合わせ摺動部材であって、前記第１摺動面には、ビッカース硬さＨｖ８００〜１０００であり、厚さ０．５〜３μｍの非晶質炭素皮膜が形成されており、前記第２摺動面には、穴径５〜２０μｍ、かつ、深さ５０〜１００μｍの大きさを有する複数のディンプルが、前記第２摺動面の表面積に対して、７０〜９０％の面積率で形成されている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、第１摺動部材の非晶質炭素皮膜の摩耗粉が、摺動時に、第２摺動部材のディンプルに収容され、この摩耗粉が、第１および第２摺動面の間で、研磨剤として作用する。これにより、第１および第２摺動面の摩耗を抑え、第１および第２摺動面が平滑化される。なお、本発明で設定された各パラメータの範囲の根拠は、後述する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る組み合わせ摺動部材の一例である、ディファレンシャルギアの模式的斜視図である。
【図２】図１に示すピニオンギアとリングギアとの模式的断面図である。
【図３】リングギアの第２摺動面の模式的平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施形態に係る組み合わせ摺動部材として、ディファレンシャルギアを例示して、図１〜図３を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係るディファレンシャルギア１の模式的斜視図であり、図２は、図１に示すピニオンギア１０とリングギア２０との模式的断面図である。図３はリングギア２０の第２摺動面２０ａの模式的平面図である。
【００１１】
図１に示すように、本実施形態の組み合わせ摺動部材として例示された、伝達駆動系であるディファレンシャルギア１は、ピニオンギア１０とリングギア２０とを備えている。本実施形態のピニオンギア１０が、本発明でいう第１摺動部材に相当し、リングギア２０が、本発明でいう第２摺動部材に相当する。なお、本実施形態では、ディファレンシャルギア１を例示したが、たとえば、組み合わせ摺動部材が、トランスミッションの歯車であってもよい。
【００１２】
ピニオンギア１０とリングギア２０とは、噛み合っており、ピニオンギア１０に入力された入力トルクが、リングギア２０から出力として出力される。ピニオンギア１０を構成する基材１１は、クロムモリブデン鋼、モリブデン鋼などの鋼材からなり、基材１１のビッカース硬さはＨｖ７２０〜８５０の範囲にあることが好ましい。この範囲を満たしていれば、基材１１の材料は、特に限定されない。
【００１３】
ピニオンギア１０の歯面である第１摺動面１０ａは、リングギア２０の歯面である第２摺動面２０ａに摺動し、第１摺動面１０ａには、ビッカース硬さＨｖ８００〜１０００であり、厚さ０．５〜３μｍの非晶質炭素皮膜１２が形成されている。本実施形態では、非晶質炭素皮膜１１には、フッ素が含有されており、これにより、上述したビッカース硬さの範囲を満たすことができる。非晶質炭素皮膜１２は、後述する方法で、基材１１に成膜することができる。
【００１４】
ここで、非晶質炭素皮膜１２のビッカース硬さＨｖ８００未満の場合、非晶質炭素皮膜１２の摩耗を促進してしまう。一方、非晶質炭素皮膜１２のビッカース硬さＨｖ１０００を超える場合、相手材であるリングギア２０の摩耗を促進してしまう。非晶質炭素皮膜１２の厚さが０．５μｍ未満である場合、非晶質炭素皮膜１２が摩滅し易く、非晶質炭素皮膜１２の厚さが３μｍを超えても、後述する平滑化の効果をそれ以上期待することができない。
【００１５】
リングギア２０は、ピニオンギア１０で例示した基材を構成する鉄系材料からなり、上述した基材のビッカース硬さの範囲であることが好ましい。第１摺動面１０ａに摺動する第２摺動面２０ａには、穴径５〜２０μｍ、かつ、深さ５０〜１００μｍの大きさを有する複数のディンプル２１が、第２摺動面２０ａの全体の表面積に対して、７０〜９０％の面積率で形成されている。
【００１６】
ここで、ディンプル２１は、レーザを照射することにより形成することができ、ディンプル２１の穴径Ａは、第２摺動面２０ａを垂直方向から視たとき、ディンプル２１の周縁で囲まれた領域の面積と同等の面積を有する円の直径である。ディンプル２１の深さＤは、ディンプル２１の最大深さである。ディンプル２１の面積率は、第２摺動面２０ａを垂直方向から視たとき、第２摺動面２０ａの全体の表面積に対するディンプル２１の総面積の割合である。
【００１７】
ここで、ディンプル２１の穴径が５μｍ未満である場合、ディンプル２１の深さが５０μｍ未満である場合、または、ディンプル２１の面積率が７０％未満である場合には、研磨剤として作用する非晶質炭素皮膜１２の摩耗粉を、ディンプル２１に十分に収容できない。
【００１８】
一方、ディンプル２１の穴径が２０μｍを超えた場合には、研磨剤として作用する非晶質炭素皮膜１２の摩耗粉がディンプル２１に保持され難い。また、ディンプル２１の深さが１００μｍを超えた場合には、ディンプル２１の内部に摩耗粉が収容され、摩耗粉が摺動面間に介在され難く、後述する平滑化を期待できない。また、ディンプル２１の面積率が９０％を超えた場合には、第２摺動部材２０の実質的な摺動面が確保できないため、第２摺動部材２０の摩耗が促進される。
【００１９】
本実施形態によれば、ピニオンギア１０の非晶質炭素皮膜１２の摩耗粉が、摺動時に、リングギア２０のディンプル２１に収容され、この摩耗粉が、第１および第２摺動面１０ａ、２０ａの間で、研磨剤として作用する。これにより、ピニオンギア１０およびリングギア２０の第１および第２摺動面１０ａ、２０ａの摩耗を抑え、第１および第２摺動面１０ａ、２０ａが平滑化される。このような結果、歯面噛み合い時において、ピニオンギア１０およびリングギア２０の摩耗の促進を抑え、歯当たり不良による噛み合い損失の増加を抑え、歯打ち音の増加を抑えることができる。
【実施例】
【００２０】
以下に、本発明の実施例を説明する。
＜実施例１＞
ＦＲ商用車（３．５Ｌ排気量ガソリンエンジン）用のリアディファレンシャルギア（組み合わせ摺動部材）を作製した。リアディファレンシャルギアは、ドライブピニオンギア（第１摺動部材）と、リングギア（第２摺動部材）で構成されており、それぞれの基材として、その下地素材がクロムモリブデン鋼（ＪＩＳ規格：ＳＣＭ４２０）に浸炭処理を施し、９３０℃、４．５時間で浸炭処理を行い、油焼入れ後１５０℃で焼き戻した基材を準備した。これらの基材の表面の十点平均粗さがＲｚ３．０μｍとなるまで研磨した。基材の表面のビッカース硬さは、Ｈｖ７５０であった。なお、本明細書でいうビッカース硬さＨｖは、ＪＩＳ  Ｂ  ７７２５に準拠して測定した結果である。
【００２１】
（第１摺動部材の作製）
上述した第１摺動部材（ドライブピニオンギア）の基材を用いて、第２摺動部材（リングギア）を摺動する第１摺動面に、化学蒸着法により、フッ素を含有した非晶質炭素皮膜を形成した。具体的な成膜条件は、以下のとおりである。使用ガスは、メタンガスと四フッ化炭素ガスの混合ガスであり、混合ガス中のメタンガスと四フッ化炭素ガスとは、いずれも５０体積％であり、これらの混合比は、体積比で、１：１である。成膜時の圧力は、０．７Ｐａであり、イオン注入エネルギは、２０ｋｅＶである。また、成膜エネルギは、２ｋｅＶであり、注入時間は、３０分、成膜時間は、１００分、印加周波数は、２０００Ｈｚである。
【００２２】
これにより、表１に示すように、ビッカース硬さ（表面硬さ）がＨｖ８００であり、厚さが０．５μｍのフッ素を含有した非晶質炭素（フッ素ＤＬＣ）皮膜を得た。成膜前の基材の表面粗さを調整することにより、第１摺動面である非晶質炭素皮膜の十点平均粗さはＲｚ３．０μｍであった（表１参照）。なお、本明細書で測定する表面粗さは、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１−１９９４に準拠した十点平均粗さＲｚである。
【００２３】
（第２摺動部材の作製）
上述した第２摺動部材（リングギア）の基材の第２摺動面に、レーザ加工（出力３０Ｗ、周波数３０ｋＨｚ，走査速度３ｍ／ｓ）により、ディンプル加工で、表１に示すように、複数のディンプルを、第２摺動面の表面積に対して、７０％の面積率で形成した。各ディンプルの穴径は５．０μｍであり、その深さは、５０μｍであった。なお、面積率は、第２摺動面を撮影した画像を画像処理して、２値化することにより算出したものである。また、ディンプルの穴径およびその深さは、非接触式の表面粗さにより測定した１０個のディンプルの穴径およびその深さの測定値の平均値である。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
＜実施例２＞
実施例１と同じように、ドライブピニオンギア（第１摺動部材）と、リングギア（第２摺動部材）とからなるリアディファレンシャルギア（組み合わせ摺動部材）を作製した。実施例１と相違する点は、第１摺動部材の成膜時のガス混合比と成膜時間を変更することにより、表１に示すように、ビッカース硬さがＨｖ１０００の非晶質炭素（フッ素ＤＬＣ）皮膜を得た点である。
【００２６】
＜実施例３＞
実施例１と同じように、ドライブピニオンギア（第１摺動部材）と、リングギア（第２摺動部材）とからなるリアディファレンシャルギア（組み合わせ摺動部材）を作製した。実施例１と相違する点は、第１摺動部材の成膜時のガス混合比と成膜時間を変更することにより、表１に示すように、ビッカース硬さがＨｖ１０００であり、厚さが３．０μｍのフッ素を含有した非晶質炭素（フッ素ＤＬＣ）皮膜を得た点である。
【００２７】
さらに相違する点は、第２摺動部材の第２摺動面に照射するレーザ出力および走査速度を変更することにより、ディンプル加工で、表１に示すように、各ディンプルの穴径が２０．０μｍとなり、その深さが１００μｍとなる複数ディンプルを、第２摺動面の表面積に対して、９０％の面積率で形成した点である。
【００２８】
＜比較例１＞
実施例１と同じように、ドライブピニオンギア（第１摺動部材）と、リングギア（第２摺動部材）とからなるリアディファレンシャルギア（組み合わせ摺動部材）を作製した。実施例１と相違する点は、第１摺動部材の第１摺動面に、粒子直径０．８ｍｍ、ビッカース硬さＨｖ７００のショット粒子を、投射速度５０ｍ／ｓ、投射時間２１０秒間で、投射することにより、ショットピーニングを施し、表１に示すように、ビッカース硬さがＨｖ１０００の第１摺動面を得た点である。
【００２９】
さらに相違する点は、第２摺動部材の第２摺動面に照射するレーザ出力および走査速度を変更することにより、表１に示すように、ディンプル加工で、各ディンプルの穴径が２０．０μｍとなり、その深さが１００μｍとなる複数ディンプルを、第２摺動面の表面積に対して、９０％の面積率で形成した点である。
【００３０】
＜比較例２＞
実施例１と同じように、ドライブピニオンギア（第１摺動部材）と、リングギア（第２摺動部材）とからなるリアディファレンシャルギア（組み合わせ摺動部材）を作製した。実施例１と相違する点は、第１摺動部材の第１摺動面に、１つのグラファイトターゲットと、１つのＰｔターゲットを準備し、フローガスにメタン５体積％を含むアルゴンガスを流し、バイアス電圧として、グラファイトターゲット側に１００Ｖを印加し、Ｐｔターゲット側に８０Ｖを印加し、基材を１００℃に加熱した状態で、物理蒸着法（スパッタリング）により、表１に示すように、ビッカース硬さがＨｖ３０００の非晶質炭素（ナノダイヤＤＬＣ）皮膜を形成した点である。
【００３１】
さらに相違する点は、第２摺動部材の第２摺動面に照射するレーザ出力および走査速度を変更することにより、表１に示すように、ディンプル加工で、各ディンプルの穴径が２０．０μｍとなり、その深さが１００μｍとなる複数ディンプルを、第２摺動面の表面積に対して、９０％の面積率で形成した点である。
【００３２】
＜比較例３＞
実施例１と同じように、ドライブピニオンギア（第１摺動部材）と、リングギア（第２摺動部材）とからなるリアディファレンシャルギア（組み合わせ摺動部材）を作製した。実施例１と相違する点は、第１摺動部材の成膜時のガス混合比と成膜時間を変更することにより、表１に示すように、厚さ３．０μｍ、ビッカース硬さがＨｖ１０００の非晶質炭素（フッ素ＤＬＣ）皮膜を得た点である。
【００３３】
さらに相違する点は、第２摺動部材の第２摺動面に、９５℃、３０分間の条件で、リン酸マンガン処理を施し、十点平均粗さＲｚが５．０μｍ、皮膜厚さが１０μｍの第２摺動面を得た点である。
【００３４】
＜比較例４＞
実施例１と同じように、ドライブピニオンギア（第１摺動部材）と、リングギア（第２摺動部材）とからなるリアディファレンシャルギア（組み合わせ摺動部材）を作製した。実施例１と相違する点は、第１摺動部材の成膜時の成膜時間を変更することにより、表１に示すように、厚さ３．０μｍ、ビッカース硬さがＨｖ１０００の非晶質炭素（フッ素ＤＬＣ）皮膜を得た点である。
【００３５】
さらに相違する点は、実施例１の第１摺動部材と同じ成膜条件で、第２摺動部材の第２摺動面に、表１に示すように、厚さ０．５μｍの非晶質炭素（フッ素ＤＬＣ）皮膜を得た点である。
【００３６】
＜比較例５＞
実施例１と同じように、ドライブピニオンギア（第１摺動部材）と、リングギア（第２摺動部材）とからなるリアディファレンシャルギア（組み合わせ摺動部材）を作製した。実施例１と相違する点は、第１摺動部材の第１摺動面に、粒子直径０．８ｍｍ、ビッカース硬さＨｖ７００のショット粒子を、投射速度５０ｍ／ｓ、投射時間２１０秒間で、投射することにより、ショットピーニングを施し、表１に示すように、ビッカース硬さがＨｖ１０００の第１摺動面を得た点である。
【００３７】
さらに相違する点は、第２摺動部材の第２摺動面に、９５℃、３０分間の条件で、リン酸マンガン処理を施し、表１に示すように、十点平均粗さＲｚが５．０μｍ、皮膜厚さが１０μｍの第２摺動面を得た点である。
【００３８】
＜参考例１＞
実施例１と同じように、ドライブピニオンギア（第１摺動部材）と、リングギア（第２摺動部材）とからなるリアディファレンシャルギア（組み合わせ摺動部材）を作製した。実施例１と相違する点は、第１摺動部材の成膜時のガス混合比と成膜時間を変更することにより、表１に示すように、ビッカース硬さがＨｖ１０００であり、厚さが３．０μｍのフッ素を含有した非晶質炭素（フッ素ＤＬＣ）皮膜を得た点である。
【００３９】
さらに相違する点は、第２摺動部材の第２摺動面に、１９０℃に加熱された（Ｋ・Ｎａ）ＳＣＮ浴でこの表面を陽極分解して、浸硫処理を行い、表１に示すように、十点平均粗さＲｚが５．０μｍ、皮膜厚さが１０μｍの第２摺動面を得た点である。
【００４０】
＜伝達効率試験＞
実施例１〜３、比較例１〜５、および参考例１のリアディファレンシャルギア（組み合わせ摺動部材）を実機に搭載し伝達効率試験を行った。具体的には、試験条件として、回転数：２０００ｒｐｍ、入力トルク：５０Ｎ・ｍ、湯温４０℃、試験時間３時間の条件で、実施例１〜３、比較例１〜５、および参考例１のリアディファレンシャルギア（組み合わせ摺動部材）において、ドライブピニオンギア（第１摺動部材）からの入力トルクに対する、リングギア（第２摺動部材）の出力トルクを測定した。
【００４１】
次に、測定した出力トルクと入力トルクとのトルク差に対して入力トルクを除算した値を噛合い損失比として算出した。この結果を表２に示す。表２の噛合い損失比は、比較例５のものを基準とした差分であり、その値が小さいほど、噛合い損失が低い。
【００４２】
さらに、試験後のドライブピニオンギア（第１摺動部材）の第１摺動面の表面粗さおよびリングギア（第２摺動部材）の第２摺動面の表面粗さを測定した。これらの結果を表２に示す。
【００４３】
【表２】
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【００４４】
〔結果〕
表２に示すように、実施例１〜３の第１摺動部材の表面粗さおよび第２摺動部材の表面粗さは、いずれも初期表面粗さに比べて、試験後の表面粗さは小さくなっていた。さらに、実施例１〜３の噛合い損失比は、比較例１〜５のものに比べて低く、−１５％以下であった。
【００４５】
実施例１〜３では、第１摺動部材の非晶質炭素皮膜の摩耗粉が、摺動時に、第２摺動部材のディンプルに収容され、この摩耗粉が、第１および第２摺動面（歯面）の間で、研磨剤として作用したと考えられる。摩耗粉は、低硬度の非晶質炭素（フッ素ＤＬＣ）であるので、第２摺動部材の第２摺動面の摩耗を抑え、第２摺動面が平滑化されたものと考えられる。
【００４６】
一方、比較例１および５では、第１摺動部材には、非晶質炭素皮膜が形成されていないため、第２摺動部材の摺動面が平滑化されてなかったと考えられる。また、比較例２のように、第１摺動部材に非晶質炭素皮膜が形成されていても、ビッカース硬さが硬すぎると、非晶質炭素皮膜が、第２摺動部材の第２摺動面を攻撃したと考えられる。
【００４７】
さらに、比較例３〜５では、第２摺動部材の第２摺動面にディンプルが形成されていないため、第１摺動部材の非晶質炭素皮膜の摩耗粉が摺動面間に保持されず、実施例１〜３に比べて、摺動面が平滑化され難かったと考えられる。特に、比較例４の場合には、これらの摺動面同士に形成された非晶質炭素皮膜同士に凝着摩耗が発生したと考えられる。なお、参考例１では、第２摺動部材の摺動面には、ディンプルが形成されていないが、浸硫処理された皮膜を構成する硫化鉄に、第１摺動部材の非晶質炭素皮膜の摩耗粉が突き刺さるように作用するため、この摩耗粉が研磨剤として作用したと考えられる。
【００４８】
このような結果から、第１摺動部材に、ビッカース硬さＨｖ８００〜１０００であり、厚さ０．５〜３μｍの非晶質炭素皮膜を形成し、第２摺動部材に、穴径５〜２０μｍ、深さ５０〜１００μｍの大きさを有する複数のディンプルを、７０〜９０％の面積率で形成すれば、これらの摺動面の初期馴染み性を向上させることができると考えられる。
【００４９】
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【符号の説明】
【００５０】
１：リアディファレンシャルギア（組み合わせ摺動部材）、１０：ピニオンギア（第１摺動部材）、１０ａ：第１摺動面、１１：基材、１２：非晶質炭素皮膜、２０：リングギア（第２摺動部材）、２０ａ：第２摺動面、２１：ディンプル
【図１】
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【図２】
2019086076.tif 000006
【図３】
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