JP2008115447A

JP2008115447A - 摺動部材

Info

Publication number: JP2008115447A
Application number: JP2006301623A
Authority: JP
Inventors: Masataka Kaido; 昌孝海道; Hiroyuki Murase; 博之村瀬
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-11-07
Filing date: 2006-11-07
Publication date: 2008-05-22

Abstract

【課題】耐摩耗性が優れると同時に耐焼付性も優れ、かつ相手攻撃性も小さく、しかも摩擦係数も小さい摺動部材を提供する。
【解決手段】第１基材１１及び第１基材１１上に形成された第１摺動層１２を有する第１部材（シフトフォーク）１と、第２基材２１及び第２基材２１上に形成され第１摺動層１２と摺動する第２摺動層２２を有する第２部材（ハブスリーブ）とからなる。第１摺動層１２はＳｎめっき層であり、第２摺動層２２はダイヤモンドライクカーボン層である。
【選択図】図１

Description

本発明は摺動部材に関し、詳しくは基材表面に特定の摺動層が形成された摺動部材に関する。本発明の摺動部材は、例えば、車両の手動変速機におけるシフトフォークの爪部とハブスリーブの溝部との摺動部に好適に利用することができる。

自動車の手動変速機におけるシフトフォークは、シフトレバーの操作を同期装置のハブスリーブに伝達するためのものである。このシフトフォークでは、ロッドが嵌挿されるボス部をもつ基端部から二股状に分岐したフォーク部の先端に、ハブスリーブの溝部と摺動する爪部が設けられている。このようなシフトフォークの爪部は、高速で回転するハブスリーブの溝部に高面圧で滑り接触する。このため、シフトフォークの爪部の摺動面には高い耐摩耗性が要求される。

シフトフォークの材料としては、一般に鋼、鋳鉄やＡｌ合金などが用いられているが、これらの材料はそのままでは摺動面に要求される耐摩耗性を満足させることができない。このため、鋼等からなる基材の摺動面に、高周波焼入れ、軟窒化やガス軟窒化等の硬化処理を施したり、硬質クロムめっき処理又はセラミック分散Ｎｉ−Ｐめっき処理を施したり、Ｍｏや過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金などの溶射層を形成したり、あるいはポリアミドやフッ素樹脂などをコーティング又は含浸したりしている。

また、シフトフォークの爪部表面に、耐摩耗性に優れた拡散層を有する異種金属層を形成したものも知られている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載されたシフトフォークは、鉄系材料からなる基材の表面にアルミニウム層を仮形成した後、このアルミニウム層の表面側を押圧しながら高周波加熱して拡散処理し、基材とアルミニウム層との界面にＦｅ−Ａｌの金属間化合物（Ｆｅ_３Ａｌ）よりなる拡散層を形成して、耐摩耗性に優れたＦｅ_３Ａｌよりなる拡散層を有するアルミニウム層を爪部表面に形成している。

さらに、シフトフォーク爪部の基材表面に、過共晶Ａｌ−Ｓｉ合金やＭｏ等からなる溶射層を形成し、この溶射層の上にポリアミドやポリイミド等からなる樹脂コーティング層を形成したものも知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開平７−３１０１６１号公報特開昭６３−３０３０４８号公報

ところで、シフトフォークの爪部が摩耗すれば、シフト操作のガタツキが大きくなり、シフト抜けが発生し易くなる。このため、シフトフォークの爪部には、前述のとおり高い耐摩耗性が要求される。また、相手材であるハブスリーブの溝部が摩耗すれば同様の問題を招くことから、シフトフォークの爪部には相手攻撃性も小さいことが要求される。さらに、シフト操作上、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ハブとハブスリーブのスプライン歯面との押圧力となることから、該爪部と該溝部との摩擦係数の大小はシフト操作力の大小に影響し、摩擦係数が小さいほどシフト操作力が小さくなるとともにシフトフィーリングが向上する。

したがって、シフトフォークの爪部としては、耐摩耗性、耐焼付性、摩擦係数及び相手攻撃性等の諸特性が総合的に優れていることが要求される。

しかしながら、前述した従来のシフトフォークは、耐摩耗性のみについてみればかなりの程度で満足できるものもあるが、耐摩耗性のみならず、耐焼付性、相手攻撃性や摩擦係数をも総合的に考慮すれば、これらの諸特性を全て同時に十分に満足できるものがなかった。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、耐摩耗性が優れると同時に耐焼付性も優れ、かつ相手攻撃性も小さく、しかも摩擦係数も小さい摺動部材を提供することを解決すべき技術課題とするものである。

上記課題を解決する本発明の摺動部材は、第１基材及び該第１基材上に形成された第１摺動層を有する第１部材と、第２基材及び該第２基材上に形成され該第１摺動層と摺動する第２摺動層を有する第２部材とからなり、前記第１摺動層はＳｎめっき層であり、前記第２摺動層はダイヤモンドライクカーボン層であることを特徴とするものである。

本発明の摺動部材の好適な態様において、前記Ｓｎめっき層の厚さが３〜１０μｍとされている。

本発明の摺動部材の好適な態様において、前記ダイヤモンドライクカーボン層は、ビッカース硬さがＨｖ１０００〜５０００とされている。

本発明の摺動部材の好適な態様において、前記ダイヤモンドライクカーボン層は、表面粗さが０．５μｍＲｚ以下とされている。

本発明の摺動部材は、第１基材及びこの第１基材上に形成された第１摺動層を有する第１部材と、第２基材及びこの第２基材上に形成された第２摺動層を有する第２部材とからなる。

第１基材及び第２基材の材質は、特に限定されず、鉄系材料であっても、非鉄系材料であってもよい。例えば、鉄板、機械構造用の炭素鋼や各種合金鋼、焼入れ鋼等の鋼材、片状黒鉛鋳鉄や球状黒鉛鋳鉄等の鋳鉄材料、あるいはＡｌ合金やＭｇ合金等を好適に用いることができる。なお、第１基材の材質と第２基材の材質とは、同種のものであっても、異種のものであってもよい。

そして、本発明の摺動部材は、前記第１摺動層がＳｎめっき層であり、前記第２摺動層がダイヤモンドライクカーボン層（以下、ＤＬＣ層と称する）であることを特徴とする。

すなわち、この摺動部材では、第１摺動層としてのＳｎめっき層と第２摺動層としてのＤＬＣ層とが摺動する。かかる組み合わせの摺動層同士が摺動するこの摺動部材では、後述する実施例で示すように、第１摺動層を有する第１部材において、耐摩耗性及び耐焼付性が向上し、かつ、相手攻撃性及び摩擦係数が低下するとともに、第２摺動層を有する第２部材における耐摩耗性が向上する。

前記Ｓｎめっき層の厚さは３〜１０μｍであることが好ましい。Ｓｎめっき層の厚さが３μｍ未満になると、第１部材の摩耗量が増大する。一方、Ｓｎめっき層の厚さが１０μｍを超えると、電気分解等を行って処理層を形成するためＳｎめっき層の表面荒れや剥離が生じて、やはり第１部材の摩耗量が増大する。したがって、Ｓｎめっき層の厚さは３〜７μｍであることがより好ましく、４〜６μｍであることが特に好ましい。

このＳｎめっき層の形成方法は特に限定されず、電気めっき、溶融めっきや真空めっき（蒸着）等を利用することができ、例えば、浴組成：硫酸第一スズ３０〜５０ｇ／ｌ程度、温度：２０〜３０℃程度、電流密度：１．５〜２．５Ａ／ｄｍ^２程度、槽電圧：４．５〜５．５Ｖ程度の条件で電気めっきを行うことにより、第１基材の所定部位表面にＳｎめっき層を形成することができる。

前記ＤＬＣ層はビッカース硬さがＨｖ１０００〜５０００とされていることが好ましい。ＤＬＣ層のビッカース硬さがＨｖ１０００未満になると、第２部材の摩耗量が増大する。一方、ＤＬＣ層のビッカース硬さがＨｖ５０００を超えると、相手材である第１部材の摩耗量が増大する。したがって、ＤＬＣ層のビッカース硬さはＨｖ２０００〜４０００であることがより好ましく、Ｈｖ２０００〜３０００であることが特に好ましい。

前記ＤＬＣ層は表面粗さが０．５μｍＲｚ以下とされていることが好ましい。ＤＬＣ層の表面粗さが０．５μｍＲｚを超えると、相手材である第１部材の摩耗量が増大する。相手材である第１部材の摩耗量をより低減させる等の観点より、ＤＬＣ層の表面粗さは０．３μｍＲｚ以下であることがより好ましく、０．１μｍＲｚ以下であることが特に好ましい。

前記ＤＬＣ層の厚さは１〜５μｍであることが好ましい。ＤＬＣ層の厚さが１μｍ未満になると、第２部材の摩耗量が増大する。一方、ＤＬＣ層の厚さが５μｍを超えると、表面にクラックが発生する場合がある。したがって、ＤＬＣ層の厚さは１〜３μｍであることがより好ましく、２〜３μｍであることが特に好ましい。

また、第２基材に対するＤＬＣ層の密着性を向上させる観点より、第２基材の表面上にまず中間層を形成し、この中間層上にＤＬＣ層を形成することが好ましい。中間層の種類としては、ＤＬＣ層の密着性を向上させうるものであれば特に限定されず、Ｃｒ、ＴｉやＷ等を採用することができる。なお、中間層の厚さは０．５〜１μｍ程度とすることができる。

このＤＬＣ層の形成方法は特に限定されず、スパッタリング法、ＣＶＤ法やイオンプレーティング法等を採用することができる。

このような本発明の摺動部材は、例えば、車両用の手動変速機におけるシフトフォークの爪部とハブスリーブの溝部との摺動部に好適に利用することができる。すなわち、第１摺動層としてのＳｎめっき層を有する第１部材をシフトフォークの爪部に適用し、第２摺動層としてのＤＬＣ層を有する第２部材をハブスリーブの溝部に適用すれば、Ｓｎめっき層を有する爪部において、耐摩耗性及び耐焼付性が向上し、かつ、相手攻撃性及び摩擦係数が低下するとともに、ＤＬＣ層を有する溝部における耐摩耗性が向上する。

以下、実施例により、本発明を更に詳しく説明するが本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１）
図１に示される本実施例の摺動部材は、爪部１ａを有する、第１部材としてのシフトフォーク１と、爪部１ａが係合して摺動する溝部２ａを有する、第２部材としてのハブスリーブ２とからなる。

シフトフォーク１は、第１基材１１と、シフトフォーク１の爪部１ａに相当する部分の第１基材１１表面に形成された、第１摺動層１２とから構成されている。

第１基材１１は、クロム鋼（ＳＣｒ４２０）を浸炭焼入れした焼入れ鋼よりなる。

第１摺動層１２は、電気めっきにより形成されたＳｎめっき層よりなる。この電気めっきは、浴組成：硫酸第一スズ（４０ｇ／ｌ、温度：２０℃、電流密度：１．５Ａ／ｄｍ^２、槽電圧：５Ｖの条件で行った。これにより、厚さが５μｍのＳｎめっき層よりなる第１摺動層１２を、第１基材１１の爪部１ａ表面に形成した。

ハブスリーブ２は、第２基材２１と、ハブスリーブ２の溝部２ａに相当する部分の第２基材２１表面に形成された、中間金属層２３と、この中間金属層２３表面に形成された第２摺動層２２とから構成されている。

第２基材２１は、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４２０）を浸炭焼入れした焼入れ鋼よりなる。

第２摺動層２２は、スパッタリング法により形成されたＤＬＣ層よりなる。このスパッタリング法では、基材温度を２００℃、基材に印加する負のバイアス電圧を１００Ｖとして、Ａｒ（アルゴン）ガス及びＣＨ_４（メタン）ガスを用いた。これにより、厚さが２μｍ、ビッカース硬さがＨｖ３０００、表面粗さが０．５μｍＲｚのＤＬＣ層よりなる第２摺動層２２を、第２基材２１の溝部２ａ表面に形成した。

また、本実施例では、第２基材２１に対する第２摺動層２２の密着性を向上させるべく、第２基材２１の表面上にまず中間金属層２３をスパッタリング法により形成し、この中間金属層２３上に第２摺動層２２を形成した。この中間金属層２３は、Ｃｒよりなり、厚さが０．５μｍとされている。

なお、前記第２基材２１は、前記中間金属層２３が形成される前の素地状態で、表面粗さが０．５μｍＲｚであった。

このように本実施例１では、表１に示されるように、シフトフォーク１の爪部１ａ表面に第１摺動層１２としてのＳｎめっき層が形成され、また、ハブスリーブ２の溝部２ａ表面に第２摺動層２２としてのＤＬＣ層が形成されている。

（比較例１）
シフトフォーク１の爪部１ａに相当する部分の第１基材１１表面に、第１摺動層１２を形成しないこと以外は、前記実施例１と同様である。

すなわち、この比較例１では、表１に示されるように、シフトフォーク１の爪部１ａが、第１基材１１の材料である、ＳＣｒ４２０の浸炭焼入れ鋼よりなり、また、ハブスリーブ２の溝部２ａ表面に第２摺動層２２としてのＤＬＣ層が形成されている。

（比較例２）
シフトフォーク１の爪部１ａに相当する部分の第１基材１１表面に、第１摺動層１２としてのＳｎめっき層を形成する代わりに、硬質クロムめっき層を形成すること以外は、前記実施例１と同様である。

すなわち、この比較例２では、表１に示されるように、シフトフォーク１の爪部１ａ表面に硬質クロムめっき層が形成され、また、ハブスリーブ２の溝部２ａ表面に第２摺動層２２としてのＤＬＣ層が形成されている。

（比較例３）
ハブスリーブ２の溝部２ａ表面に、中間金属層２３及び第２摺動層２２を形成しないこと以外は、前記実施例１と同様である。

すなわち、この比較例３では、表１に示されるように、シフトフォーク１の爪部１ａ表面に第１摺動層１２としてのＳｎめっき層が形成され、また、ハブスリーブ２の溝部が、第２基材２１の材料である、ＳＣＭ４２０の浸炭焼入れ鋼よりなる。

（比較例４）
シフトフォーク１の爪部１ａに相当する部分の第１基材１１表面に、第１摺動層１２を形成しないこと、及びハブスリーブ２の溝部２ａ表面に、中間金属層２３及び第２摺動層２２を形成しないこと以外は、前記実施例１と同様である。

すなわち、この比較例４では、表１に示されるように、シフトフォーク１の爪部１ａが、第１基材１１の材料である、ＳＣｒ４２０の浸炭焼入れ鋼よりなり、また、ハブスリーブ２の溝部が、第２基材２１の材料である、ＳＣＭ４２０の浸炭焼入れ鋼よりなる。

（比較例５）
シフトフォーク１の爪部１ａに相当する部分の第１基材１１表面に、第１摺動層１２としてのＳｎめっき層を形成する代わりに、硬質クロムめっき層を形成すること、及びハブスリーブ２の溝部２ａ表面に、中間金属層２３及び第２摺動層２２を形成しないこと以外は、前記実施例１と同様である。

すなわち、この比較例５では、表１に示されるように、シフトフォーク１の爪部１ａ表面に硬質クロムめっき層が形成され、また、ハブスリーブ２の溝部が、第２基材２１の材料である、ＳＣＭ４２０の浸炭焼入れ鋼よりなる。

（耐摩耗性、耐焼付性、相手攻撃性及び摩擦係数の評価）
前記実施例１及び比較例１〜５に係る摺動部材について、耐摩耗性、耐焼付性、相手攻撃性及び摩擦係数を評価した。

すなわち、表１に示される各爪部材料を用いて円筒試験片を作製するとともに、同じく表１に示される各溝部材料を用いて平板試験片を作製した。

なお、円筒試験片は、内径が２０ｍｍφ、外径が２５．６ｍｍφ、高さが１７ｍｍ、表面粗さが１．６μｍＲｚである。また、平板試験片は、３０×３０×５ｍｍ、表面粗さが０．５μｍＲｚである。

これらの円筒試験片及び平板試験片を用いて、焼付限界を求める焼付試験を行うとともに、シフトフォーク及びハブスリーブの実際の使用において焼付きを生じさせないマイルドな条件で、摩耗試験（実機摩耗試験）を行った。

ここで、前記焼付試験は、機械試験所型摩擦摩耗試験機を用い、潤滑油（商品名「ＡＴＦＤｅｘｒｏｎ II」）による飛沫潤滑、８６００ｒｐｍ（９．６ｍ／ｓｅｃ）の条件下にて、２分間ごとに２５０Ｎずつ荷重を増加させ、摩擦係数が０．２以上となった時、又は摩耗が極端に大きくなった時の荷重をもって、焼付荷重（Ｎ）とした。

また、前記実機摩耗試験は、実際の変速機に組み込んで、潤滑油を充填し、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、１秒作動させた後１．５秒休止させるサイクルを３００００サイクル実施し、シフトフォーク及びハブスリーブの摩耗量を調べた。

これら焼付試験における焼付荷重及び摩擦係数の結果を前記表１に併せて示すとともに、実機摩耗試験における摩耗量を図２に示す。

表１及び図２に示されるように、本実施例では、焼付荷重が３７５０Ｎと著しく大きく、耐焼付性が優れるとともに、摩擦係数が０．０１８と小さく、かつ、シフトフォーク爪部及びハブスリーブ溝部ともに摩耗量が小さかった。

（ＤＬＣ層の表面粗さと摩擦摩耗特性との関係）
次に、前記第２摺動層２２としてのＤＬＣ層の表面粗さの影響を調べるために、表２に示されるように、表面粗さの異なる平板試験片及び実機ハブスリーブを製作し、前記焼付試験及び前記実機摩耗試験を同様の方法で行った。

第２摺動層２２としてのＤＬＣ層の表面粗さは、ＤＬＣ層をコーティングする前の素地（第２基材２１）の表面粗さの影響を大きく受けるため、素地の表面粗さを変えることによってＤＬＣ層の表面粗さを種々変更した。

焼付荷重及び摩擦係数の結果を表２に示すとともに、実機摩耗試験における摩耗量を図３に示す。

表２及び図３より、第２摺動層２２としてのＤＬＣ層の表面粗さが０．５μｍＲｚ以下であれば、焼付荷重が３７５０Ｎ以上と大きく、耐焼付性が優れるとともに、摩擦係数が０．０１８以下と小さく、かつシフトフォーク爪部及びハブスリーブ溝部ともに摩耗量が小さかった。

本実施例に係る摺動部材を模式的に示す断面図である。実施例１及び比較例１〜５に係る摺動部材について、実機摩耗試験により摩耗量を調べた結果を示す図である。実施例１の摺動部材について、ＤＬＣ層の表面粗さの影響を調べるために、実機摩耗試験により摩耗量を調べた結果を示す図である。

符号の説明

１…シフトフォーク（第１部材）１ａ…爪部
２…ハブスリーブ（第２部材）２ａ…溝部
１１…第１基材１２…第１摺動層
２１…第２基材２２…第２摺動層

Claims

第１基材及び該第１基材上に形成された第１摺動層を有する第１部材と、第２基材及び該第２基材上に形成され該第１摺動層と摺動する第２摺動層を有する第２部材とからなり、
前記第１摺動層はＳｎめっき層であり、前記第２摺動層はダイヤモンドライクカーボン層であることを特徴とする摺動部材。
前記Ｓｎめっき層の厚さが３〜１０μｍとされていることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
前記ダイヤモンドライクカーボン層は、ビッカース硬さがＨｖ１０００〜５０００とされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。
前記ダイヤモンドライクカーボン層は、表面粗さが０．５μｍＲｚ以下とされていることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の摺動部材。