(57)【要約】【課題】基材が複雑形状であるときでも、硬質皮膜を従来より少ない工程で十分に密着させ得る摺動部材の製造方法及び摺動部材を提供すること。【解決手段】基材を浸炭処理又は浸炭窒化処理を減圧下で行い、不活性ガスで急冷処理し、プラズマイオンを用いて基材表面の酸化物を除去し、硬質皮膜を被覆して摺動部材を製造する。基材表面の炭素濃度を０．９〜１．３％として浸炭処理又は浸炭窒化処理を行い、８２０〜９２０℃で３０分保持した後、冷却処理を行う。上記製造方法により得られた摺動部材である。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材を浸炭処理又は浸炭窒化処理し、冷却処理し、基材表面の酸化物を除去し、硬質皮膜を被覆して摺動部材を製造するに当たり、
上記浸炭処理工程又は浸炭窒化処理工程を減圧下で行い、上記冷却処理工程で不活性ガスによる急冷を行い、上記酸化物除去工程でプラズマイオンを用いることを特徴とする摺動部材の製造方法。
【請求項２】
上記浸炭処理工程又は浸炭窒化処理工程を、基材表面の炭素濃度を０．９〜１．３％として行い、その後８２０〜９２０℃で少なくとも３０分保持した後、上記冷却処理工程を行うことを特徴とする請求項１に記載の摺動部材の製造方法。
【請求項３】
上記硬質皮膜被覆工程が、窒素又は窒素とメタンの存在下で、物理蒸着法により、鉄窒化物、鉄炭窒化物及びダイヤモンドライクカーボンから成る群より選ばれた少なくとも１種のものを被覆することを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材の製造方法。
【請求項４】
上記硬質皮膜被覆工程を１５０〜２５０℃で行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の摺動部材の製造方法
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の摺動部材の製造方法により得られたことを特徴とする摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摺動部材の製造方法及び摺動部材に係り、更に詳細には、歯車やＣＶＴなどの摺動部品に用いられ、硬質皮膜を有する摺動部材の製造方法及び摺動部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、自動車の減速機用の歯車やＣＶＴなどの摺動部品には、一般的に浸炭鋼又は浸炭窒化鋼が用いられている。
また、かかる摺動部品には、近年は小型高出力化が要求されており、更に今後は環境への対応からモーター駆動車が増大する見込みがあることなど、高負荷且つ高速摺動への対応が必要となっている。特に、摩耗やスカッフィング、フレーキングなどに対する摺動部材の強度向上が求められている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような背景から、摺動部表面に硬質皮膜を被覆することが考えられており、具体的には歯車の耐ピッティング性向上を目的としてＴｉＮ被覆を施す対策が提案されている（例えば特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特願平１０−１６７３４８号公報
【０００５】
この技術では、硬質皮膜に十分な密着力を与えるために、被覆する母材表面にクリーニングを行うことが重要である。このため、円筒や平板などの単純な形状では、イオンボンバードなどの処理を行い、部品表面の不活性な酸化層を除去している。
しかし、歯車の歯元など、比較的複雑な形状の部材ではその効果が不十分となり、十分な密着力が得られないことがあった。
【０００６】
この対策として、被覆工程などの際により多くのエネルギーを与えて十分な密着力を得る方法が提案されている（例えば特許文献２参照。）。
【０００７】
【特許文献２】
特開平１０−１７３５２４公報
【０００８】
しかしながら、この方法では部材の温度が上がり過ぎて母材が軟化してしまうこと、例えば歯車では歯元の曲げ疲労強度などが低下するという問題点があった。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、基材が複雑形状であるときでも、硬質皮膜を従来より少ない工程で十分に密着させ得る摺動部材の製造方法及び摺動部材を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、減圧下での浸炭処理又は浸炭窒化処理、不活性ガスによる急冷処理、プラズマイオンを用いた酸化物除去処理を連続的に行うことにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の摺動部材の製造方法について詳細に説明する。なお、本明細書において、「％」は特記しない限り質量百分率を示す。
【００１２】
上述の如く、本発明は、基材を浸炭処理又は浸炭窒化処理し、冷却処理し、基材表面の酸化物を除去し、硬質皮膜を被覆して摺動部材を製造する。
ここで、上記浸炭処理工程又は浸炭窒化処理工程は、０．１〜１０Ｐａ程度の減圧下で行う。これより、熱処理工程で基材が酸化され難くなり、ＦｅＯやＦｅ２Ｏ３などの発生が減少する。
また、歪の発生が減少するため仕上げ加工が省略できる。更に、イオンクリーニングも軽度ですむようになる。更にまた、複雑形状を有する歯車のような基材であっても、歯元などまで硬質皮膜を密着でき高い面疲労強度が得られる。
【００１３】
また、かかる浸炭処理工程又は浸炭窒化処理工程では、基材表面の炭素濃度を０．９〜１．３％として行い、その後８２０〜９２０℃で少なくとも３０分保持することが好適である。このときは、強靭なマルテンサイト基地中に、膜被覆時の熱にも分解し難い、硬く微細な炭化物や炭窒化物が分散した金属組織が形成され得る。そのため、本発明の摺動部材は被覆時や部材使用時の発熱に対して軟化や変形をし難く、ひいては硬質皮膜が高い密着性を有し得る。
例えば、ガス浸炭により上記炭素濃度で９００〜１０５０℃程度で処理した後に、８２０〜９２０℃で３０分保持してから、焼入れを行うことができる。なお、この保持時間は皮膜の素材などにより異なるが１５分〜６０分程度あればよい。
【００１４】
更に、上記冷却処理工程では、基材を不活性ガスにより急冷する。これより、基材が良好に焼入れされる。また、歪の発生が抑制され得るので、基材が歯車のような複雑形状であっても修正作業を省略できる。更に、酸素と接触させずに冷却するので基材表面の酸化を防止できる。更にまた、油焼入れで行う脱脂洗浄工程を省略できる。
上記不活性ガスとしては、例えばアルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ２）、ヘリウム（Ｈｅ）などを使用できる。また、上記急冷は、不活性ガスを複数の噴射器から基材へ均等に噴出して行うことが良く、ねじれや反りの生じ易い基材でも非酸化雰囲気から取り出しての修正加工が省略できる。
【００１５】
更にまた、上記酸化物除去工程では、プラズマイオンを用いて基材表面の酸化物を除去する。これより、酸化物の除去が困難な複雑形状を有する基材でも表面が非酸化雰囲気に保持されるため、その後に行う被覆工程では優れた密着性を有する硬質皮膜が形成される。
【００１６】
また、上記硬質皮膜被覆工程では、窒素（Ｎ２）の存在下又はＮ２とメタン（ＣＨ４）の存在下で物理蒸着法を行うことが好適であり、更に被覆材として、鉄窒化物、鉄炭窒化物又はダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、及びこれらの任意の組合せに係るものを被覆することが好適である。この場合は、より低温又は低廉な母材を基材として用いても高い密着力が得られる。言い換えれば、被覆材が鉄窒化物や鉄炭窒化物のときは、他の被覆材よりも基材（鋼を母材のものなど）との熱膨張差が小さくなり、被覆時の熱により生じる内部応力が低減され、密着力が一層向上し易い。被覆材がＤＬＣのときは、相手部材とのフリクション（摺動面のフリクション）が低減され、摺動部材使用時に硬質皮膜にかかる力を低減できるので、密着力が一層向上し易い。
【００１７】
更に、上記硬質皮膜被覆工程は、１５０〜２５０℃で行うことが好適である。この場合は、焼き戻し工程を省略しても安定した組織が得られ、また処理中に過度の軟化をしないため、低コストと高強度が両立した摺動部材が得られる。なお、上記「硬質皮膜被覆工程」には、被覆処理及び被覆するための基材の表面処理（イオンクリーニングなど）が含まれる。
【００１８】
次に、本発明の摺動部材は、上述した製造方法により得られる。即ち、減圧下での浸炭処理又は浸炭窒化処理、不活性ガスによる急冷処理、プラズマイオンを用いた酸化物除去処理を連続的に行うことにより得られるため、複雑形状であっても細部まで硬質皮膜を優れた密着性で被覆した摺動部材となる。代表的には、歯車、ＣＶＴ用プーリー、カムシャフトなどが挙げられ、また歪が生じ難いことからベアリングレースにも好適である。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００２０】
（実施例１〜４、比較例１〜１０）
下地の材料として、ＪＩＳ  ＳＣＭ４２０Ｈを選び、以下に示す歯車形状に加工した。
＜歯車諸元＞
モジュール：２．５  ｍｍ
歯数      ：３０
歯幅      ：１３ｍｍ
外径      ：７８ｍｍ
厚さ      ：３０ｍｍ
歯車は脱脂処理の後、図１に示す工程イ又はロにて、歯車を処理した。
【００２１】
まず、実施例及び比較例の歯車について、図２に示すプラズマ浸炭処理を行った。歯車表面の炭素濃度は浸炭／拡散の時間比にて調整した。
その後、比較例の歯車については一部を６０℃の油中に焼き入れ、１７０℃で２時間の焼き戻しを行った後、マイクロブラスト処理及び脱脂洗浄して硬質皮膜の被覆工程に供した。一方、実施例の歯車については９５０℃にてプラズマ浸炭及び拡散を複数回行って歯車表面を所定の炭素濃度とした後、別チャンバーに歯車を搬送し、アルゴンガスを用いて圧力３ｂａｒにてノズルガス冷却を行った。
その後、ガスを排気し、歯車を別チャンバーの被覆工程に搬送した。
なお、本発明では浸炭及び急冷工程で油脂を使用していないため、脱脂洗浄は行わなかった。また、急冷工程後の焼き戻しは、次の被覆工程の予熱中に同時に行えるため、焼き戻し工程は行わなかった。
【００２２】
硬質皮膜の被覆工程では、物理蒸着法のうちアークイオンプレーティング法又はスパッタリング法を用いて、以下に示す条件で処理した。
なお、表１に示すように、実施例ではＦｅＮ又はＤＬＣで皮膜を形成し、比較例ではこれらの他、ＴｉＮやＣｒＮで皮膜を形成した。また、比較例では皮膜なしの歯車も製造した。
【００２３】
＜アークイオンプレーティング成膜条件＞
窒素ガス導入前真空度：１×１０−３〜５×１０−５Ｔｏｒｒ
スパッタクリーニング：Ａｒ  −６００〜−７００Ｖ，４ｍｉｎ（間欠）
窒素ガス導入後圧力  ：１０〜４０ｍＴｏｒｒ
成膜時カソード電流  ：６０〜１００Ａ
成膜時バイアス電圧  ：−１０〜−５０Ｖ
成膜前温度          ：１００〜１５０℃
成膜パターン        ：１０分成膜−１０〜５０分休止サイクル
【００２４】
＜スパッタリング成膜条件＞
ガス導入前真空度    ：１×１０−３〜５×１０−５Ｔｏｒｒ
スパッタクリーニング：Ａｒ  −６００〜−７００Ｖ，４ｍｉｎ（間欠）
ガス導入後圧力      ：１０〜４０ｍＴｏｒｒ
成膜時カソード電流  ：６０〜１００Ａ
成膜時バイアス電圧  ：−１０〜−５０Ｖ
成膜前温度          ：１００〜１５０℃
成膜パターン        ：１０分成膜−１０〜５０分休止サイクル
【００２５】
（性能評価試験）
実施例、比較例とも一連の処理後に歯面を切断し、切断面にて硬質皮膜近傍の母材のビッカース硬度、ＥＰＭＡによる炭素量の測定、及び炭化物のＳＥＭ観察と画像解析にて炭化物の量や形を調べた。
また、歯車の強度を動力循環式歯車試験にて調べた。なお、負荷繰り返し数１×１０−８回にて剥離のない場合はＯＫストップとした。
【００２６】
＜歯車試験条件＞
トルク  ：２００Ｎｍ
回転数  ：１０００ｒｐｍ
油温    ：１２０℃
オイル  ：日産純正ベルトフルードＮＳ−１
供給油量：１Ｌ／ｍｉｎ
【００２７】
表１に評価試験結果をまとめて示す。
【００２８】
【表１】
2004307927.tif 000002
【００２９】
実施例１〜４の製造方法で得られた歯車の母材の金属組織はマルテンサイト基地に径が３μｍ以下である微細な疑球状炭化物が析出しており、その量は面積率で３％〜７％であった。これらの微細な炭化物は、母材の靭性を損なうことなく、熱による母材の軟化抵抗性を向上させていると思われる。
また、実施例１〜４の歯車は、硬質皮膜を被覆しない歯車（比較例１）に比べて２５倍以上の負荷繰り返し数に対しても剥離が生じなかった。
【００３０】
一方、比較例２の歯車は、急冷前の保持温度（ｔ）が高すぎて炭化物の析出が少なく、またマルテンサイトより軟質な残留オーステナイト相が多く見られるために被覆後の硬度が低く、早期に剥離が生じた。比較例３の歯車は、逆に保持温度が低すぎるために焼き入れにより十分な硬度を得ることができず早期に剥離が生じた。
比較例４と比較例５の歯車は、本発明の熱処理工程でないためにいずれもイオンクリーニングの効果が及びにくい歯元部分にて膜が剥離してしまった。比較例６と比較例７の歯車は、炭素量が本発明の好適範囲から外れるために、母材が軟化し易く又は割れが生じ易くなっており、いずれも早期に剥離した。比較例８の歯車は、被覆の温度が低すぎるために膜に十分な強度が与えられず剥離した。比較例９及び１０の歯車は、膜材質がＦｅＮでないために被覆温度１８０〜２００℃では母材との密着力が十分に得られず剥離した。
【００３１】
本発明によれば、熱処理から被覆までの一連の工程を非酸化雰囲気で行い得るため、皮膜と基材（母材）との密着性を阻害する酸化皮膜が部品に生じ難くなり、歯車など複雑な形状の摺動部材でも十分な密着力を得ることができる。特に、部品表面の炭素濃度を０．９〜１．３％とし、８２０〜９２０℃以下で保持した後、急冷処理した部品に、ＦｅＮ膜又はダイアモンドライクカーボン膜を１５０〜２５０℃にて被覆すれば、基材の強度及び靭性を損なうことなく、優れた密着性を与えることができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、減圧下での浸炭処理又は浸炭窒化処理、不活性ガスによる急冷処理、プラズマイオンを用いた酸化物除去処理を連続的に行うこととしたため、基材が複雑形状であるときでも、硬質皮膜を従来より少ない工程で十分に密着させ得る摺動部材の製造方法及び摺動部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】浸炭から硬質皮膜被覆までの工程を示すフロー図である。
【図２】プラズマ浸炭処理パターンの制御工程を示すグラフである。
【図１】
2004307927.tif 000003
【図２】
2004307927.tif 000004