(57)【要約】【課題】高硬度表面および深い硬度分布を有し、かつコスト抑制を図り得る耐摺動部材および耐摺動部材の製造方法を提供する。【解決手段】耐摺動部材１０、２０は、鋼によって形成された基材１１と、基材の表面に形成された膜１２と、を有する。基材の炭素含有量は、基材の表面から内部に向かって低下している。膜は、周期律表における第４Ａ族、第５Ａ族および第６Ａ族の遷移金属元素からなる群より選択される少なくとも１種の元素を含む炭化物によって形成されている。【選択図】図３
2016041830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素含有量が表面から内部に向かって低下した、鋼によって形成された基材と、
周期律表における第４Ａ族、第５Ａ族および第６Ａ族の遷移金属元素からなる群より選択される少なくとも１種の元素を含む炭化物からなる、前記基材の表面に形成された膜と、を有する、耐摺動部材。
【請求項２】
前記基材の表面の硬度は、６００ＨＶ以上であり、かつ前記基材の表面から内部への有効硬化層深さは、前記耐摺動部材に対し相対的に摺動する相手材が前記耐摺動部材を押圧することによって前記耐摺動部材の摺動面に形成される接触楕円の長軸の長さの０．６倍以上である、請求項１に記載の耐摺動部材。
【請求項３】
前記基材の表面からの前記炭素含有量の低下が飽和するまでの深さは、３ｍｍ以上である、請求項１または請求項２に記載の耐摺動部材。
【請求項４】
前記基材の表面近傍の残留オーステナイト量は２０％以下である、請求項１〜請求項３のうちのいずれか１つに記載の耐摺動部材。
【請求項５】
炭素含有量が０．１５重量％以上０．５重量％以下である鋼によって形成された基材に浸炭処理を施す浸炭工程と、
前記浸炭工程後、周期律表における第４Ａ族、第５Ａ族および第６Ａ族の遷移金属元素からなる群より選択される少なくとも１種の元素を含む炭化物からなる膜を、前記基材の表面に形成する膜形成工程と、
前記膜形成工程後、前記膜が形成された基材に焼入れ処理を施す焼入れ工程と、を有する、耐摺動部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐摺動部材および耐摺動部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
部材同士が摺動する摺動面に硬質な膜を備える耐摺動部材がある。例えば特許文献１に記載の軸受は、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）膜を摺動面に備える。この軸受では、ＤＬＣ膜は、３００℃より低い低温でスパッタ法等のドライコーティングによって形成される。例えば特許文献２のように高温で成膜せず、低温で成膜することによって、膜が形成される基材の軟化を防止できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２２２１４３号公報
【特許文献２】特開２００６−２４１４９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、低温のドライコーティングによって成膜すると、高温で成膜した場合に比べて膜の硬度が低く、また基材と膜との密着性が弱い。従って、四輪駆動車両のトランスファ部品のように、より大きな荷重が加わり、かつ大きなせん断力が部材内部のより深い箇所に作用する部材においても十分な耐摺動性を発揮するためには、部材表面のさらなる高硬度化、および深い硬度分布が必要である。
【０００５】
一方、高温で軟化し難い例えば金型鋼等によって形成された基材に高温で成膜することによって部材表面をより高硬度にでき、かつ高い部材内部硬度を確保できるものの、金型鋼等の材料は高価であるため、コストが増加する虞がある。
【０００６】
本発明は、以上のような問題に鑑みてなされたものであり、高硬度表面および深い硬度分布を有し、かつコスト抑制を図り得る耐摺動部材および耐摺動部材の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明の耐摺動部材は、鋼によって形成された基材と、基材の表面に形成された膜と、を有する。基材の炭素含有量は、基材の表面から内部に向かって低下している。膜は、周期律表における第４Ａ族、第５Ａ族および第６Ａ族の遷移金属元素からなる群より選択される少なくとも１種の元素を含む炭化物によって形成されている。
【０００８】
上記目的を達成するための本発明の耐摺動部材の製造方法は、炭素含有量が０．１５重量％以上０．５重量％以下である鋼によって形成された基材に浸炭処理を施す浸炭工程を有する。また、本発明の耐摺動部材の製造方法は、浸炭工程後、周期律表における第４Ａ族、第５Ａ族および第６Ａ族の遷移金属元素からなる群より選択される少なくとも１種の元素を含む炭化物からなる膜を、基材の表面に形成する膜形成工程と、膜形成工程後、膜が形成された基材に焼入れ処理を施す焼入れ工程と、を有する。
【発明の効果】
【０００９】
上記構成を有する耐摺動部材および耐摺動部材の製造方法にあっては、基材の表面に形成される膜が、周期律表における第４Ａ族、第５Ａ族および第６Ａ族の遷移金属からなる群より選択される少なくとも１つを含む炭化物からなるため、膜の硬度が高く、従って耐摺動部材の表面を高硬度にできる。
【００１０】
また、上記炭化物からなる膜が形成される際、浸炭処理によって基材の表面近傍に添加された炭素が、その熱によってより深くまで基材の内部に拡散するため、基材において深い緩やかな硬度分布が得られる。
【００１１】
さらに、浸炭処理によって基材に炭素を添加すれば、炭化物からなる高硬度な膜を形成するために必要な合金成分を多量に含む金型鋼等の高価かつ加工の困難な材料によって基材を形成する必要がなく、従ってコストを抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】四輪駆動車両のトランスファに備えられて動力を分配する耐摺動部材としての第１のローラおよび第２のローラを模式的に示す図である。
【図２】図１の矢印２から見た矢視図である。
【図３】図１の３−３線に沿う断面を部分的に拡大して示す部分拡大断面図である。
【図４】浸炭処理後の基材の表面近傍における炭化物割合の分布を示すグラフである。
【図５】図４に示す炭化物割合から計算した炭素濃度の分布を示すグラフである。
【図６】高温塩浴処理によって膜を形成した後の基材の炭素濃度の分布を示すグラフである。
【図７】高温塩浴処理によって膜を形成する前後における基材の硬度分布の変化を示す図である。
【図８】比較例として作製した試料の断面の観察像である。
【図９】実施形態に基づいて作製した試料の断面の観察像である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率と異なる。
【００１４】
図１および図２において概説すると、耐摺動部材としての第１のローラ１０および第２のローラ２０は、トラクションドライブによって動力を伝達するものである。第１のローラ１０および第２のローラ２０は、四輪駆動車両のトランスファに備えられる。
【００１５】
第１のローラ１０は、エンジンからの動力を取り出すアウトプットシャフトに接続する入力軸３０に備えられる。入力軸３０は、アウトプットシャフトに接続する一端と反対側の他端で、左右後輪に動力を伝達するリヤプロペラシャフトに接続する。第２のローラ２０は、左右前輪に動力を伝達するフロントプロペラシャフトに接続する出力軸４０に備えられる。
【００１６】
第１のローラ１０と第２のローラ２０との間に薄い油膜５０が介在する。第１のローラ１０および第２のローラ２０に径方向の押し付け力が付与される。押し付け力を付与するとともに調節する機構は従来公知のものを適用できる。
【００１７】
第１のローラ１０と第２のローラ２０とは油膜５０を介して摺動する。第１のローラ１０が押し付け力を付与されつつ回転すると、油膜５０が硬化する。硬化した油膜５０に作用するせん断力（トラクション）を受けて第２のローラ２０が回転する。その結果、動力は第１のローラ１０から第２のローラ２０へ伝達される。
【００１８】
エンジンからの動力は、入力軸３０の一端に伝わり、そして入力軸３０の他端から左右後輪へ伝わる。また、エンジンからの動力は、第１のローラ１０から第２のローラ２０に伝わり、そして出力軸４０から左右前輪へ伝わる。
【００１９】
押し付け力を調節することによって、第１のローラ１０から第２のローラ２０へ伝達される動力を調節でき、また第２のローラ２０への動力伝達を遮断できる。第２のローラ２０への動力伝達を遮断することによって、四輪駆動から二輪駆動に切り替えられる。
【００２０】
図３に示すように、第１のローラ１０は、鋼によって形成された基材１１と、基材１１の表面に形成された高硬度な膜１２と、を有する。膜１２は、バナジウム炭化物からなる。膜１２の硬度は、ビッカース硬さによって表すと、例えば２５００〜３５００ＨＶである。本願では硬度をビッカース硬さによって表す。
【００２１】
基材１１の表面から内部に向かって炭素含有量は低下する。基材１１の表面からの炭素含有量の低下が飽和するまでの深さ、いわゆる全浸炭層深さは、好ましくは３ｍｍ以上であれば上限は無いが、浸炭層を深くする、すなわち浸炭時の炭素量を増加させることの経済性を考慮すると４ｍｍ以下が好ましい。
【００２２】
基材１１の表面の硬度は、好ましくは６００ＨＶ以上で特に上限は無いが、硬度を増加させることでラッピングなどの加工性が低下し、かつ硬度増加のための手間が増えて経済性が低下するため９００ＨＶ以下が好ましい。基材１１の表面近傍、例えば基材１１の表面から深さ０．２ｍｍまでの間の残留オーステナイト量は、好ましくは２０％以下である。
【００２３】
基材１１の硬度は、炭素の含有量と相関性を示す。基材１１の硬度は、基材１１の表面から内部に向かって低下する。硬度が低下して基準硬さである５１３ＨＶになるまでの基材１１の表面からの深さ（有効硬化層深さ）は、好ましくは、第１のローラ１０および第２のローラ２０が互いに押圧することによって摺動面に形成される接触楕円の長軸の長さの０．６倍以上である。第１のローラ１０および第２のローラ２０は、トラクションドライブによって動力を伝達するために大きな押し付け力を付与されながら回転するため、第１のローラ１０および第２のローラ２０の摺動面に形成される接触楕円は、動力を伝達せず部材を支持する軸受に生じる接触楕円に比べ一般的に大きい。
【００２４】
第１のローラ１０の製造方法について述べる。
【００２５】
概説すると、第１のローラ１０の製造方法は、基材１１に浸炭処理を施す浸炭工程と、浸炭工程後、膜１２を基材１１の表面に形成する膜形成工程と、膜形成工程後、膜１２が形成された基材１１に焼入れ処理を施す焼入れ工程と、を有する。
【００２６】
浸炭工程前、鋼が機械加工されることによって、略円筒形状または略円盤形状を有する基材１１が形作られる。素材となる鋼の炭素含有量は、例えば０．１５重量％以上０．５重量％以下である。素材となる鋼は例えばクロム鋼である。
【００２７】
機械加工後かつ浸炭工程前、鋼の組織および硬さを調整するため、基材１１に焼入れ処理および焼戻し処理が施される。これらの熱処理の後、浸炭工程前に基材１１にラッピング加工が施される。
【００２８】
浸炭工程では、基材１１にガス浸炭処理が施される。浸炭処理は、例えば真空浸炭処理またはプラズマ浸炭処理等の他のものでもよい。浸炭処理は好ましくは高濃度浸炭処理である。浸炭処理された基材１１に焼入れ処理および焼戻し処理が施される。これらの熱処理の後、膜形成工程前に基材１１にラッピング加工が施される。
【００２９】
膜形成工程では、浸炭処理が施された基材１１が高温の溶融塩浴剤中に一定時間浸漬されることによって、基材１１の表面に膜１２が形成される。基材１１を高温の溶融塩浴剤中に一定時間浸漬する高温塩浴処理は、例えばＴＤ処理である。溶融塩浴剤は、例えばＦｅ−Ｖの金属粉末を添加したほう砂を含む。溶融塩浴剤の温度は、例えば１０００℃〜１３００℃であるが、これに限定されない。
【００３０】
浸炭処理によって基材１１の表面近傍に添加された炭素は、膜１２の形成に費やされるとともに、膜１２が形成される際の高温下において基材１１の内部に向かって拡散する。浸炭処理によって添加された炭素が基材１１の内部に向かって拡散する深さは、溶融塩浴剤の温度、および溶融塩浴剤中に浸漬する時間によって調節できる。
【００３１】
焼入れ工程では、膜１２が形成された基材１１は、例えば、３０℃／分の割合で８５０℃まで加熱された後、８５０℃で１時間保持され、その後、油中で１５分かけて５０℃まで冷却される。
【００３２】
焼入れ工程後、湯戻し処理、サブゼロ処理、および焼戻し処理を、この順序で行ってもよい。サブゼロ処理と焼戻し処理とを繰り返してもよい。この繰り返しの回数は特に限定されない。これらの熱処理によって基材１１の表面近傍の残留オーステナイト量が減る。残留オーステナイト量は、例えばＸ線回折を利用して知ることができる。
【００３３】
第２のローラ２０の構成および製造方法は第１のローラ１０と略同様である。このため、第２のローラ２０の構成および製造方法についての重複する説明を省略する。
【００３４】
本実施形態の作用効果を述べる。
【００３５】
本実施形態では膜１２がバナジウム炭化物からなるため、膜１２の硬度が高く、従って、第１のローラ１０および第２のローラ２０の表面を高硬度にできる。
【００３６】
またバナジウム炭化物からなる膜１２は基材１１に拡散浸透しつつ形成されるため、膜１２と基材１１との密着性が良好である。
【００３７】
また、膜１２が形成される際、浸炭処理によって基材１１の表面近傍に添加された炭素が基材１１の内部に拡散し、その結果として基材１１において深い緩やかな硬度分布が得られる。
【００３８】
本発明者らが実際に鋼材の表面にバナジウム炭化物からなる膜を形成して作製した試料について解析したところ、高温塩浴処理によって膜が形成される前、浸炭処理された鋼材は、図４および図５に示すように鋼材の表面近傍に炭素を高濃度に含むことが確認された。一方、高温塩浴処理によって膜が形成された後では、図６に示すように、炭素濃度分布は鋼材内部に向かって緩やかに低下して鋼材内部のより深くまで広がっていた。
【００３９】
硬度分布は、炭素濃度分布の変化と同様に鋼材の内部のより深くまで広がった。図７に示すように、高温塩浴処理による成膜後の有効硬化層深さは、成膜前に比べて増大した。
【００４０】
以上のことから、浸炭処理によって基材１１の表面近傍に添加された炭素が、膜１２が形成される際の高温下で基材１１の内部に向かって拡散し、その結果、深い硬度分布を得られることが分かる。
【００４１】
膜１２が高温塩浴処理によって基材１１に形成される際、基材１１に含まれる炭素が膜１２の形成に利用される。このため、膜１２に隣接する基材１１の表面近傍では炭素量が低下して硬度が低下する虞がある。膜１２自体が高硬度であっても基材１１の表面近傍の硬度が低ければ、大きな荷重が加わったときに膜１２が破断する虞がある。これに対し、本実施形態では、膜形成工程後の焼入れ工程によって、基材１１の表面近傍の硬度が高められ、そのため膜１２の破断を防止できる。膜形成工程後の焼入れ工程によって基材１１の表面近傍の硬度が高められる結果、基材１１の硬度は、基材１１の表面近傍で一旦急激に低下することなく、基材１１の表面から内部に向かって連続的に低下する。
【００４２】
浸炭処理によって基材１１に炭素を添加するため、炭化物からなる膜１２を形成するために金型鋼等の炭素を比較的多く含む高価な材料によって基材１１を形成する必要がない。従ってコストを抑えられる。金型鋼等を用いるよりも浸炭処理によって炭素を添加した方がコストを抑えられる。
【００４３】
また、金型鋼等の材料は炭素を比較的多く含むため高硬度である。従って加工性が悪い。しかし本実施形態では、基材１１を形成する素材として、金型鋼等に比べて炭素含有量の少ない、炭素含有量が例えば０．１５重量％以上０．５重量％以下である鋼を用いており、このため加工性に優れ、また浸炭処理の際に炭素を添加し易い。
【００４４】
また、金型鋼は炭素を比較的多く含むため、金型鋼に高温塩浴処理を施すと、基材の内部で図８の符号１３で示すように炭化物が析出された。このような大きな炭化物が析出されると基材の硬度低下を招く虞がある。一方、本実施形態では、基材１１を形成する素材自体は金型鋼に比べて炭素含有量が少なく、また浸炭処理によって炭素は基材１１の表面近傍に添加されるため、図９に示すように基材１１の内部で炭化物が析出され難く、従って基材１１の硬度低下を防止できる。
【００４５】
第１のローラ１０および第２のローラ２０では、他の耐摺動部材である例えば軸受に比べて大きな荷重が加わり、その結果、部材内部のより深い箇所に大きなせん断力が作用するため、より深い硬度分布が必要である。このように耐摺動部材に応じて必要とされる硬度分布の深さは異なる。これに対し、基材１１の表面の硬度を６００ＨＶ以上とするとともに、基材１１の表面から内部への有効硬化層深さを摺動面に形成される接触楕円の長軸の長さの０．６倍以上とすることによって、個別の耐摺動部材に適した深さを有する硬度分布とすることができる。
【００４６】
基材１１の表面からの炭素含有量の低下が飽和するまでの深さが３ｍｍ以上であれば、第１のローラ１０および第２のローラ２０のような、摺動する部材間で動力を伝達する耐摺動部材に適した深い硬度分布を形成できる。従来、浸炭処理が施された軸受等の一般的な部材では全浸炭深さは１ｍｍ未満であるが、このような浅い硬度分布では本実施形態のように部材内部の深い箇所に大きなせん断力が作用する場合に耐摺動性を十分に発揮できない。
【００４７】
第１のローラ１０および第２のローラ２０の摺動面では、例えば３ＧＰａもの大きな面圧がかかるとともに、加わる荷重自体も大きい。また、例えば四輪駆動車両が砂地を走行する際にすべりが生じると、第１のローラ１０および第２のローラ２０の表面温度は、瞬間的に例えば２５０℃〜４００℃もの高温に達する。しかしこのような状況であっても、基材１１の表面にバナジウム炭化物からなる高硬度な膜１２が形成され、かつ、炭素含有量の低下が飽和するまでの深さが３ｍｍ以上であるような深い硬度分布を基材１１が備えることによって、第１のローラ１０および第２のローラ２０は焼き付きを防止できる。
【００４８】
基材１１の表面近傍の残留オーステナイト量を２０％以下にすることによって、基材１１の表面近傍の硬度低下をより効果的に防止できる。
【００４９】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変できる。
【００５０】
例えば、膜を構成する炭化物はバナジウム炭化物に限定されない。膜を構成する炭化物は、例えばクロム炭化物およびチタン炭化物等の他のものであってもよい。
【００５１】
また、耐摺動部材は上記実施形態のような四輪駆動車両のトランスファで動力を分配するローラに限定されない。耐摺動部材は、例えば異物環境や潤滑の悪い環境で用いる軸受や歯車であってもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１０    第１のローラ（耐摺動部材）、
１１    基材、
１２    膜、
２０    第２のローラ（耐摺動部材）、
３０    入力軸、
４０    出力軸、
５０    油膜。
【図１】
2016041830.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2016041830.tif 000008
【図７】
2016041830.tif 000009
【図８】
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【図９】
2016041830.tif 000011