(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Fe系焼結合金からなるシンクロナイザーリングであって、少なくとも該シンクロナイザーリングの内周面に、ブラスト処理および水蒸気処理に加えてさらに窒化処理が施されたことを特徴とするFe系焼結合金製シンクロナイザーリング。
【請求項２】
前記ブラスト処理による内周面の表面粗さが30〜70μm Ｒz であることを特徴とする請求項１に記載のFe系焼結合金製シンクロナイザーリング。
【請求項３】
前記窒化処理により形成される窒化層の硬さがＨv 400 〜700 であることを特徴とする請求項１または２に記載のFe系焼結合金製シンクロナイザーリング。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変速機同期装置用シンクロナイザーリングに係り、とくに、高速中負荷低慣性および高速低負荷高慣性において優れた摩擦特性および耐スカッフィング性を有するFe系焼結合金製シンクロナイザーリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
歯車の噛み合わせにより変速を行う歯車変速機においては、一方の歯車の周速が相手方の歯車の周速と同期しなければ変速の際に騒音を発し、ときには歯の損傷を招くこともある。このため、従来から、歯車を噛み合わせる際に、双方の周速を同期させるための同期装置が用いられている。
【０００３】
図２に同期装置の１例を示す。図中、１点鎖線は回転中心軸を示す。
まず、シフトレバー（図示せず）を動かすことにより、回転するスリーブ２が矢印方向（Ｓ）へ移動し、シンクロナイザーキー３がシンクロナイザーリング４に当接し、これを押す。これにより、シンクロナイザーリング４の内周テーパー面40は、相手材としてのクラッチギア５のコーン部50に押しつけられ、発生する摩耗力によってクラッチギヤ５は回り始める。スリーブ２がさらに矢印方向（Ｓ）に移動することにより大きな摩擦力が発生し、スリーブ２の回転とクラッチギヤ５の回転はほぼ同じ周速となる。同期が完了し、スリーブ２とクラッチギヤ５の相対速度が無くなった状態でスリーブ２をさらに矢印方向（Ｓ）に移動させるとスリーブ２のスプライン21とクラッチギヤ５のスプラインチャンファ51が噛み合って変速が完了する。
【０００４】
シンクロナイザーリング４は、回転する相手材としてのクラッチギア５のコーン部50との同期摺動あるいはクラッチギア５のコーン部50からの離脱を行う摩擦環であり、図１に１例を示すように、最外周にスリーブ２のスプライン21と噛み合うためのシンクロナイザチャンファ41を有し、通常、外周面にはシンクロナイザーキーに嵌合するキー溝43が設けられる。また、クラッチギア５のコーン部50と接触するシンクロナイザーリング４の内周面には、縦溝44と、それに直交するようにリング状条溝42が設けられている。
【０００５】
一般に、このような構造のシンクロナイザーリングには、機械的強度および精度が高いことに加え、クラッチギア５のコーン部50と接触する内周面が、優れた摩擦特性と、さらに十分な耐スカッフィング性を有していることが要求される。
このような要求に対し、例えば特公昭46-15043号公報には、溶射法により、金属とセラミックと酸化物が均一に混合され融着された層を内周面に形成したシンクロナイザーリングが提案されている。しかしながら、特公昭46-15043号公報に記載された溶射法では、溶射皮膜の材質にばらつきが発生する場合があり、品質が不安定となることがあり、さらに必要とする摩擦特性および耐スカッフィング性を十分に具備していないという問題があった。また、不完全溶融粒子や飛散粒子、跳ね返り粒子の巻き込みが生じる場合があり、摩擦特性が経時的に変化し易く、付着した粒子の脱落によるミッション系各部の摩耗を招いたりするという問題もあった。
【０００６】
また、西ドイツ特許第3705661 号公報には、金属成分粉末80重量％と非金属成分粉末20重量％とを含有する焼結粉体からなる摩擦ライニングを、火炎噴射法により、内周面に形成する摩擦リングの製造方法が開示されている。しかしながら、西ドイツ特許第3705661 号公報に記載された火炎噴射法では、各金属元素の拡散が不足し、強度が不足する場合があり、さらに必要とする摩擦特性および耐スカッフィング性を十分に具備していないという問題があった。
【０００７】
また、特開平10-73132号公報には、水蒸気処理により0.05〜0.5 μm 厚の酸化鉄皮膜を内周面に形成したシンクロナイザーリングが提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平10-73132号公報に記載された技術で製造されたシンクロナイザーリングでは、通常の段階的なシフト変更では満足できる耐スカッフィング性を有しているが、シフトをスキップさせるような急激なシフト変更（スキップシフト）においては、内周面に形成した皮膜が摩耗・磨滅し急速に失われスカッフィングが発生するという問題があった。
【０００９】
さらに、スキップシフトを行ったとき、シフト時の周速が10m/s 以上でしかも高負荷荷重となる高速摺動状態となる場合がある。このような場合は、従来Mo溶射等により対応しているがコスト高となる。このため、このような高速摺動状態においても、スカッフィングを発生させない耐スカッフィング性に優れたシンクロナイザーリングが要求されている。
【００１０】
本発明者らは、すでに特願平10−275372号において、水蒸気処理により５μm 超15μm 以下の酸化鉄被膜を円周面に形成したシンクロナイザーリングを提案した。このシンクロナイザーリングングは周速が10m/s を超える高速高負荷摺動では耐スカッフィング性に優れたシンクロナイザーリングであるが、高速中負荷低慣性および高速低負荷高慣性となる摺動では、スカッフィングが発生し耐スカッフィング性が低下するという問題があった。本発明は、上記した問題を有利に解決し、高速中負荷低慣性および高速低負荷高慣性時にもスカッフイングが発生しない耐スカッフィング性に優れたシンクロナザーリングを提案することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、シンクロナイザーリングの内周面に形成する表面処理層について、鋭意検討した。その結果、シンクロナイザーリングの母材としてFe系焼結合金を用い、内周面にブラスト処理を施し所定の表面粗さとしたのち、水蒸気処理を施し母材の空孔を封孔して酸化皮膜を形成し、さらに窒化層を形成することにより摩擦係数の維持と同時に耐スカッフィング性が向上することを見いだした。
【００１２】
本発明は、これら知見に基づいて構成されたものである。
すなわち、本発明は、Fe系焼結合金からなるシンクロナイザーリングであって、少なくとも該シンクロナイザーリングの内周面に、ブラスト処理および水蒸気処理に加えてさらに窒化処理が施されたことを特徴とするFe系焼結合金製シンクロナイザーリングであり、また、本発明では、前記ブラスト処理による内周面の表面粗さを30〜70μm Ｒz とするのが好ましく、また、本発明では、前記窒化処理により形成される窒化層の硬さをＨv 400 〜700 とし、厚さを10μm 以上とするのが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明でいう摩擦係数の維持と耐スカッフィング性とは、高い摩擦係数の維持と同時に高い耐摩耗耐スカッフィング性を意味する。具体的には、シンクロナイザーリング単体摩耗試験機により評価するものとする。
本発明のシンクロナイザーリングは、Fe系合金の焼結体から所定の形状に加工されたものである。Fe系合金の焼結体は、鉄粉、あるいは低合金鋼粉に、黒鉛粉、あるいは必要に応じCu粉等の合金元素粉、あるいは合金粉を、所定の配合量で配合し、通常の条件で混合し、金型内で加圧して圧粉体としたのち、該圧粉体を1000〜1200℃程度の温度で焼結して製造されるのが望ましい。
【００１４】
焼結体からなるシンクロナイザーリングの内周面は、焼結のままでは、微細な凹凸と、無数の空孔が存在し、その表面粗さは８〜15μm Ｒz 程度である。本発明では、この内周面にブラスト処理を施す。このブラスト処理により、該内周面の表面粗さを30〜70μm Ｒz とするのが望ましい。ブラスト処理による内周面の表面粗さが30μm Ｒz 未満では、表面の凹凸が少なく摩擦係数（μ) が低くなり、一方、70μm Ｒz を超えると、耐スカッフィング性が低下する。
【００１５】
本発明のシンクロナイザーリングは、ブラスト処理された内周面に水蒸気処理が施され、酸化皮膜が形成される。水蒸気処理は、550 〜 600℃で30〜90min のの範囲で行うのが望ましい。この水蒸気処理により、表面に、厚さ10μm 以上の酸化鉄皮膜を形成するのが好ましく、酸化皮膜の形成により母材焼結合金の空孔が封孔される。この水蒸気処理による焼結合金の封孔は、窒化処理による母材焼結合金内部の窒化物の形成を防止し、シンクロナイザーリングの耐衝撃性の維持に著しく寄与する要因となる。
【００１６】
本発明のシンクロナイザーリングは、ブラスト処理および水蒸気処理に加えて、さらに窒化処理が施される。この窒化処理により、シンクロナイザーリングには、窒化層が形成される。形成された窒化層の硬さは、Ｈv 400 〜700 とするのが望ましい。窒化層の硬さがＨv400未満では、耐摩耗性および耐スカッフィング性が劣化する。また、Ｈv700を超えると、スカッフィングが発生しやすくなる。
【００１７】
窒化処理の方法は、窒化、軟窒化のいずれでもよく、とくに限定する必要はない。ガス窒化、塩浴窒化、イオン窒化等いずれの窒化方法も好適であるが、なかでもNH3 ガスを利用したガス窒化（軟窒化）処理が処理の簡便さ、窒化層厚の均一性等で好ましい。窒化層の硬さ、厚さは、処理温度、および処理時間で調整できる。ガス窒化（軟窒化）処理における好ましい処理温度は500 〜600 ℃である。500 ℃未満では、窒化層の形成速度が遅く、また600 ℃を超えると、反応がはやく窒化層厚の調整が難しい。なお、窒化層の厚さは10μm 以上とするのが好ましい。これにより耐摩耗、耐スカッフィング性を維持することができる。
【００１８】
このように、シンクロナイザーリングの内周面にブラスト処理と水蒸気処理、さらに窒化処理を施し、内周面に窒化層を形成し、内周面の表面粗さをほぼ30〜70μm Ｒz するとともに、硬さを増加させることにより、内周面の相手部材との接触面に形成される油膜が薄くなる。形成される油膜が薄くなると境界潤滑状態が生じやすく、かつその状態が維持されて、摩擦係数の維持と同時に、窒化層の存在により、スカッフィングを防止する効果が増大する。
【００１９】
このように、本発明のシンクロナイザーリングでは、30〜70μm Ｒz の表面粗さと封孔処理された焼結合金に窒化層が形成され、高速中負荷低慣性および高速低負荷高慣性の摺動時にも優れた耐摩耗耐スカッフィング性が極めて向上するのである。
【００２０】
【実施例】
原料粉末として、いずれも 150メッシュ以下の粒度を有する鉄粉、黒鉛粉、Cu粉、Fe−Ｗ合金粉を用意し、鉄粉に、黒鉛粉： 0.9wt％、Cu粉：20wt％、Fe−Ｗ合金粉：10wt％を配合し混合して混合粉とした。この混合粉を圧力：５ton/cm2 でプレス成形した後、NH3 分解ガス雰囲気中で1160℃×80min の焼結処理を施し、配合組成と実質的に同一組成を有するシンクロナイザーリングを得た。
【００２１】
このシンクロナイザーリングから製品形状のシンクロナイザーリングを採取し、つぎの▲１▼〜▲３▼に示す処理を施し内周面の表面状態を変化させた。
▲１▼ブラスト処理および水蒸気処理（ 580℃×90min ）を施し、さらに軟窒化処理（ 550℃×60min ）を施した。（試験No.1-1，No.2-1）
▲２▼水蒸気処理（ 550℃×90min ）を施した（試験No.1-2，No.2-2）。
【００２２】
▲３▼水蒸気処理（ 580℃×90min ）を施した（試験No.1-3，No.2-3）。
このような処理により内周面の表面状態を変化させた製品形状のシンクロナイザーリング12と、外周面をほぼ鏡面状としたテーパーコーン11を組合せ、図３に示すシンクロナイザー単体摩耗試験機を使用して、下記条件でシンクロナイザーリングにおけるスカッフィングの発生状況を調査した。なお、図３において、10は回転軸、11はテーパーコーン、12はシンクロナイザーリング、13はシンクロナイザーホルダーである。
【００２３】
試験は、はじめ2000rpm で回転するテーパーコーン11をシンクロナイザーリング12に荷重1500Ｎで押しつけたり、離したりするならし運転を100 回行ったのち、試験運転を行った。試験運転は表１に示す条件でそれぞれ最高200 回まで行った。この試験は、変速機での高速中負荷低慣性および高速低負荷高慣性時のシンクロナイザーリングの耐スカッフィング性を評価できる。
【００２４】
【表１】
0003832983.tif 000002
【００２５】
なお、スカッフィングの発生は、シンクロナイザーリング12に発生するトルクを測定し、トルク波形の乱れ、過大なスティックトルクの発生、および異音の発生から判断した。さらに、試験後、シンクロナイザーリング12の内周面を観察し、表面粗さの変化を測定した。
試験結果を表２に示す。
【００２６】
【表２】
0003832983.tif 000003
【００２７】
本発明例は、高速中負荷低慣性および高速低負荷高慣性時の摺動においてもスカッフィングの発生もなく、摩耗係数（μ）の維持と耐スカッフィング性に優れていることがわかる。試験後の内周面の観察から、摩耗やスカッフィングによる金属光沢は観察されず、また試験後の内周面表面粗さＲz の低下も少ない。一方、本発明例を外れる比較例（試験No.1-2，1-3 、試験No.2-2，2-3 ）では、摩耗の進行が著しく、トルク波形が乱れ、スティックトルクが大きくなり、異音を発生し、スカッフィングが発生した。また、比較例についての試験後の表面観察では、皮膜が消失して基地が露出し金属光沢が見られた。また表面粗さの低下も著しい。なお、摩擦係数を測定した結果、本発明例は、比較例と同程度の摩擦係数を有していた。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、高速中負荷低慣性および高速低負荷高慣性の条件でもスカッフィングが発生しない耐スカッフィング性に優れ、しかも品質の安定したたシンクロナイザーリングを提供でき、ミッションの高級化、高性能化を促進できるという産業上格段の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】シンクロナイザーリングの１例を示す斜視図である。
【図２】同期装置の要部断面図の１例である。
【図３】シンクロナイザー単体摩耗試験機の概要を示す説明図である。
【符号の説明】
１  同期装置
２  スリーブ
21  スプライン
３  シンクロナイザーキー
４  シンクロナイザーリング
40  内周テーパ面
41  シンクロナイザーチャンファ
42  リング状条溝
43  キー溝
44  縦溝
５  クラッチギヤ
50  コーン部
51  スプラインチャンファ
10  回転軸
11  テーパーコーン
12  シンクロナイザーリング
13  シンクロナイザーリングホルダ
【図１】
0003832983.tif 000004
【図２】
0003832983.tif 000005
【図３】
0003832983.tif 000006