JP7383908B2 - ベーン式オイルポンプおよびそのベーンの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、カムリングと、該カムリングの内周面に先端部を摺接させつつ該カムリング内を移動する板片状のベーンとを備えるベーン式ポンプであって、該ベーンは、合金全体に対してCr:3~6質量%とC:0.6~1.6質量%とを含む鉄基合金の基材からなり、該ベーンの先端部は、曲率半径が0.5~3mmである断面略円弧状の曲面からなり、該先端部は、該基材上に形成された中間層と該中間層上に形成された非晶質炭素膜とで被覆されており、該中間層は、厚さが100~500nmであると共に、該基材表面から連なる厚さ50nmの基材側領域に、該基材側領域にある全Cr原子に対して金属クロムを構成するCrの原子比率である金属クロム率が10%以上であるベーン式ポンプである。
本発明は、ベーン式ポンプに用いられるベーンの製造方法としても把握できる。例えば、本発明は、カムリングと該カムリングの内周面に先端部を摺接させつつ該カムリング内を移動する板片状のベーンとを備えるベーン式ポンプに用いられるベーンの製造方法であって、該ベーンは、合金全体に対してCr:3~6質量%とC:0.6~1.6質量%とを含む鉄基合金の基材からなり、該ベーンの先端部は、曲率半径が0.5~3mmである断面略円弧状の曲面からなり、該先端部の基材上にクロムを蒸着させて中間層を形成する中間層形成工程と、該中間層上に非晶質炭素膜を形成する非晶質炭素膜形成工程とを備え、さらに、該中間層形成工程前に、該中間層に混入し得る炭素源を除去するクリーニング工程を備えるベーンの製造方法でもよい。
(1)本発明でいうベーン先端部は、カムリングの内周面と摺接し得るベーンの曲面部をいう。その摺接範囲内において、ベーン先端部の曲率が変化するとき、曲率半径の最小値を本発明に係る「曲率半径」とする。通常、ベーンの最先端部(適宜「先端頂部」という。)の曲率半径が、本発明に係る「曲率半径」となる。
(1)構造
ベーン式ポンプは、少なくともカムリングとベーンを備える。図1に示すように、ベーンは、通常、板片状であり、ロータの外周側に、径方向へ進退可能に保持される。ロータの回転に伴い、ベーンは遠心力により拡径方向へ突出し、その先端部をカムリングの内周面に摺接(摺動)させつつ移動(回転)する。ベーンの移動に伴い、カムリングの内周面とロータの外周面とベーンの側面で形成される容積が変化し、オイルの吸入と吐出(圧送)がなされる。
ベーンは、図1に示すように、板片状であり、その先端部は、断面が略円弧状をした曲面からなる。本発明では、先端部の曲率が相当に大きいベーンを想定しており、その曲率半径(r)は、例えば、0.5~3mmさらには1~2mmである。
中間層上に形成される非晶質炭素膜(DLC膜)は、単層膜でも、組成、構造、製法等が異なる複数層からなる積層膜でもよい。
中間層は、ベーン先端部の基材表面とDLC膜の中間にある。特定の中間層を設けることにより、基材が炭化物(炭化クロム等)を形成し易い鋼材からなる場合でも、ベーン先端部に、高密着性のDLC膜を形成できる。
(1)DLC膜
DLC膜は種々の方法により製膜される。例えば、スパッタリング(SP)法(特にアンバランスドマグネトロンスパッタリング(UBMS)法)、アークイオンプレーティング(AIP)法等の物理蒸着(PVD)法により製膜され得る。
中間層も種々の方法により形成される。例えば、純クロム(金属クロム)をターゲットとして、上述したスパッタリング法により中間層の形成が可能である。但し、本発明に係る中間層の形成は、炭化物(主に炭化クロム)の生成が抑止された環境下でなされるとよい。例えば、ターゲット、基材、処理炉(チャンバー)の内壁面等に付着している炭素や有機物等を十分に除去するクリーニング工程後に、中間層形成工程が行われるとよい。クリーニング工程は、例えば、Arイオンを照射するエッチング等によりなされる。クリーニング工程は、3~20分間さらには7~15分間程度なされるとよい。
ベーン式ポンプは、通常、オイル(作動油、潤滑油等)の存在下で稼働する。オイルは、例えば、自動変速機用フルード(ATF)、無段変速機用フルード(CVTF)、パワーステアリングフルード(PSF)、エンジンオイル等である。オイルは、その用途に応じて、各種の添加剤(極圧剤、摩耗防止剤、清浄分散剤等)を含んでもよい。
(1)基材
試験片の基材として、高速度工具鋼(JIS SKH材/ハイス鋼)を用いた。この基材は、C:0.8%、Cr:4%、Mo:5%、W:6%、V:2%、残部:Feおよび不純物からなる。なお、組成は、鋼材全体に対する質量割合(質量%)である。
各試験片の被覆面(基材表面)に、金属Cr(ターゲット)をスパッタリングして中間層を形成した。その中間層上にDLC膜を製膜した(DLC製膜工程)。こうして、表1に示す試料1、2と試料C1~C5に係る各試験片を用意した。
上述したように、試験片の基材表面には中間層を、DLC製膜前に形成した。具体的には、次のように中間層を形成した。
(1)DLC膜
各試料のブロック試験片に被覆したDLC膜について、膜厚、組成、構造を分析した。
各試料のブロック試験片に形成したDLC膜、中間層および基材を、オージェ電子分光分析(AES:Auger Electron Spectroscopy)した。これにより、DLC膜の表面側から内部(基材側)に向かう深さ方向について、構成元素量(組成分布)を明らかにした。具体的には、次のようにして分析した。
(1)実機
ベルト式無段変速機(CVT)用のベーン式ポンプ(図1参照)に、各試料のベーン試験片を組み込んだ。ベーン試験片の摺動相手材であるカムリングは鉄系焼結材製とした。ベーン試験片の先端部が摺接するカムリングの内周面は、リン酸塩皮膜で被覆した。オイルには、市販のCVTフルード(トヨタ自動車株式会社製CVTF)を用いた。CVTFは、CVTの作動油であると共に、各部の潤滑油でもある。このようなベーン式ポンプは、作動油圧源であると共に潤滑油供給源でもある。
各ベーン試験片を組み込んだベーン式オイルポンプを、モータリング法により稼働させてオイルを循環させた。このとき、ロータ回転数:1500rpm、吐出油圧:5.7MPa、油温:80℃として、5.5hr運転を継続した。
実機試験の終了後、ベーン先端部にあるDLC膜の剥離の有無を観察した。その結果を表1に併せて示した。
(1)密着性
表1から明らかなように、実機試験後のベーン先端部のDLC膜は、試料1と試料2では剥離していなかった。一方、試料C1~C3のベーン先端部には、長さ数十μm~数百μm程度の大きさで、基材の露出が観察された。つまり、試料C1~C3のDLC膜には、剥離が確認された。
図2に示した各試料のAESスペクトルを比較するとわかるように、試料1・2と試料C1~C3とでは、中間層における金属クロムと炭化クロムの分布形態が、大きく異なっていた。具体的にいうと、表1に示すように、中間層の基材表面近傍(基材側領域)において、試料1・2では金属クロムが15at%以上さらには20at%以上存在していた。一方、試料C1~C3では、その基材側領域に金属クロムが殆ど存在せず、ほぼ全てが炭化クロムとなっていた。
以上の観察結果を踏まえると、各試料の中間層付近は、図4の模式図に示すような状態になっていると推察される。また、図2、図4および表1に示したことを総合的に考慮すると、下地となる中間層として、基材表面近傍に所定量以上の金属クロムが存在していると、ベーン先端部に設けたDLC膜の密着性が高まるといえる。このような特定の中間層上に形成されたDLC膜でベーン先端部が被覆されている場合、ベーン式ポンプは所望の摺動特性を長期にわたって発揮し得る。
Claims (8)
- カムリングと、該カムリングの内周面に先端部を摺接させつつ該カムリング内を移動する板片状のベーンとを備えるベーン式オイルポンプであって、
該ベーンは、合金全体に対してCr:3~6質量%とC:0.6~1.6質量%とを含む鉄基合金の基材からなり、
該ベーンの先端部は、曲率半径が0.5~3mmである断面略円弧状の曲面からなり、
該先端部は、該基材上に形成された中間層と該中間層上に形成された非晶質炭素膜とで被覆されており、
該中間層は、厚さが100~500nmであると共に、該基材表面から連なる厚さ50nmの基材側領域に、該基材側領域にある全Cr原子に対して、金属クロムを構成するCrの原子比率である金属クロム率が10%以上であると共に炭化されているCrの原子比率である炭化クロム率が50%未満であり、
該非晶質炭素膜は、該基材上に形成された第1層と該第1層上に形成された第2層とを少なくとも有する積層膜であり、
該第1層は水素フリー非晶質炭素からなり、
該第2層はホウ素含有非晶質炭素からなるベーン式オイルポンプ。 - 前記ベーン先端部の曲率半径に対する中間層の厚さの比率である厚さ比が0.7~3(×10-4)である請求項1に記載のベーン式オイルポンプ。
- 前記非晶質炭素膜は、膜厚が0.5~7μmである請求項1または2に記載のベーン式オイルポンプ。
- 前記金属クロム率は30%以上および前記炭化クロム率は35%以下である請求項1~3のいずれかに記載のベーン式オイルポンプ。
- 前記鉄基合金は、さらにW:1~20質量%含む請求項1~4のいずれかに記載のベーン式オイルポンプ。
- 前記鉄基合金は、工具鋼である請求項1~5のいずれかに記載のベーン式オイルポンプ。
- 前記カムリングは、鉄基焼結材からなる請求項1~6のいずれかに記載のベーン式オイルポンプ。
- カムリングと該カムリングの内周面に先端部を摺接させつつ該カムリング内を移動する板片状のベーンとを備える請求項1~7のいずれかに記載のベーン式オイルポンプに用いられるベーンの製造方法であって、
該ベーンは、合金全体に対してCr:3~6質量%とC:0.6~1.6質量%とを含む鉄基合金の基材からなり、
該ベーンの先端部は、曲率半径が0.5~3mmである断面略円弧状の曲面からなり、
該先端部の基材上にクロムを蒸着させて中間層を形成する中間層形成工程と、
該中間層上に非晶質炭素膜を形成する非晶質炭素膜形成工程とを備え、
さらに、該中間層形成工程前に、該中間層に混入し得る炭素源を処理炉から除去するクリーニング工程を備え、
該クリーニング工程は、真空排気した該処理炉内へのH2ガス導入を伴うベーンの製造方法。
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