JP2018119172A - 組み合わせ摺動部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】第１および第２摺動部材の母材をアルミニウム合金で製造し、その摺動面にアルマイト層を形成した場合であっても、アルマイト層の摩滅を低減することにより、耐久性を向上することができる。【解決手段】摺動面の十点平均粗さＲｚが０．８μｍ以下のアルミニウム合金に対して、陽極酸化処理により、摺動面に厚さ３０μｍ以上のアルマイト層を形成することで、第１摺動部材を製造する工程と、第２摺動部材の母材として、摺動面の十点平均粗さＲｚが１．５〜４．０μｍのアルミニウム合金に対して、摺動面の突起の先端を削り取ることにより任意の区間における平滑部の表面の長さの合計の割合が、３０〜７０％となるように、平滑部を形成する工程と、平滑部を形成した第２摺動部材の母材に対して、陽極酸化処理により厚さ１〜５μｍのアルマイト層を形成することで、第２摺動部材を製造する。【選択図】図７

Description

本発明は、相互に摺動する第１および第２の摺動部材からなる組み合わせ摺動部材の製造方法に関する。

従来から、オートマチックトランスミッションに内蔵される油圧切替装置のバルブとバルブボディなどには、２つの摺動部材を組み合わせた組み合わせ摺動部材が利用されている。

このような組み合わせ摺動部材として、たとえば、特許文献１には、アルミニウム合金からなる第１摺動部材と、第１摺動部材の摺動面に摺動する、鋼からなる第２摺動部材と、からなる組み合わせ摺動部材の製造方法が開示されている。ここで、摺動部材の耐摩耗性を向上させるために、第１摺動部材には、陽極酸化処理によりアルマイト層が形成され、第２摺動部材には、熱処理により、焼き入れ層が形成されている。

特開昭５８−１４６７６３号公報

しかしながら、特許文献１に係る組み合わせ摺動部材では、第１および第２摺動部材の材質が異なることから、熱膨張係数の違いがある。このため、熱膨張差により、第１および第２摺動部材の摺動面の間に負荷が作用し、第１摺動部材と第２摺動部材が摩耗することがある。

このような点を鑑みると、第１および第２摺動部材を、アルミニウム合金で製造し、これらの摺動に陽極酸化処理によりアルマイト層を形成することも考えられる。しかしながら、摺動時の摩耗により、いずれか一方の摺動部材のうち、アルマイト層の薄い側のアルミニウム合金の母材が早期に露出してしまい、組み合わせ摺動部材の耐久性が低下してしまう。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、第１および第２摺動部材の母材をアルミニウム合金で製造し、その摺動面にアルマイト層を形成した場合であっても、アルマイト層の摩滅を低減することにより、耐久性を向上することができる組み合わせ摺動部材の製造方法を提供することにある。

前記課題を鑑みて、本発明に係る摺動部材の製造方法は、アルミニウム合金を母材として摺動面にアルマイト層が形成された第１摺動部材と、前記第１摺動部材の摺動面に摺動し、アルミニウム合金を母材として摺動面にアルマイト層が形成された第２摺動部材と、を備えた組み合わせ摺動部材の製造方法であって、摺動面の十点平均粗さＲｚが０．８μｍ以下のアルミニウム合金に対して、陽極酸化処理により、摺動面に厚さ３０μｍ以上のアルマイト層を形成することで、前記第１摺動部材を製造する工程と、前記第２摺動部材の母材として、摺動面の十点平均粗さＲｚが１．５〜４．０μｍのアルミニウム合金に対して、摺動面の突起の先端を削り取ることにより平滑部を形成し、かつ、前記第２摺動部材の母材の断面において、任意の区間における平滑部の表面の長さの合計の割合が、３０〜７０％となるように、前記平滑部を形成する工程と、前記平滑部を形成した前記第２摺動部材の母材に対して、陽極酸化処理により厚さ１〜５μｍのアルマイト層を形成することで、前記第２摺動部材を製造する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、第１および第２摺動部材の表面粗さおよび表面形状を最適化した上で、両者の表面にアルマイト層を形成するので、アルマイト層が薄い側の第２摺動部材のアルマイト層が摩滅し、第２摺動部材の母材が露出するまでの時間が長くなる。このような結果、第１摺動部材と第２摺動部材の凝着摩耗の発生を抑制し、組み合わせ摺動部材の耐久性を向上させることができる。

参考例１〜６に係る組み合わせ摺動部材を用いた摩耗試験の結果を示したグラフ。 （ａ）〜（ｄ）は、参考例１および２に係る組み合わせ摺動部材の摩耗の進行を説明するための模式的断面図。 （ａ）〜（ｃ）は、参考例６に係る組み合わせ摺動部材の摩耗の進行を説明するための模式的断面図。 （ａ）および（ｂ）は、参考例３〜５に係る組み合わせ摺動部材の摩耗の進行を説明するための模式的断面図。 参考例７〜１１に係る組み合わせ摺動部材を用いた摩耗試験の結果を示したグラフ。 第２摺動部材の摺動面の平滑部率を説明するための模式図。 実施例１〜３および比較例１〜５に係る組み合わせ摺動部材を用いた摩耗試験の結果を示したグラフ。 比較例１〜３に係る組み合わせ摺動部材の平板試験片の摩耗の進行を説明するための模式的断面図。 実施例１〜３に係る組み合わせ摺動部材の平板試験片の摩耗の進行を説明するための模式的断面図。 オートマチックトランスミッションの油圧切替装置の断面図。

以下に本発明の実施形態に係る組み合わせ摺動部材の製造方法について説明する。
本実施形態で製造される組み合わせ摺動部材は、アルミニウム合金を母材として摺動面にアルマイト層が形成された第１摺動部材と、第１摺動部材の摺動面に摺動し、アルミニウム合金を母材として摺動面にアルマイト層が形成された第２摺動部材と、を備えた組み合わせ摺動部材である。

まず、第１摺動部材を製造する際に、摺動面の十点平均粗さＲｚが０．８μｍ以下のアルミニウム合金の母材を準備し、この母材に対して、陽極酸化処理により、厚さ３０μｍ以上のアルマイト層を形成する。ここで、第１摺動部材の摺動面の十点平均粗さＲｚが０．８μｍを超えた場合には、第１摺動部材の相手攻撃性が増し、第２摺動部材の摩耗が促進される。また、より好ましくは、第１摺動部材の摺動面の十点平均粗さＲｚは０．５μｍ以上である。これにより、第１摺動部材の表面に潤滑油の油溜まりを確保しやすい。なお、本明細書でいう十点平均粗さＲｚは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１−１９９４に準拠して測定した値である。

次に、第２摺動部材を製造する際に、摺動面の十点平均粗さＲｚが１．５〜４．０μｍのアルミニウム合金の母材を準備する。この母材に対して、平板状の砥石を押し当てながら研磨加工することにより、摺動面の突起の先端を削り取る。これにより、第２摺動部材の摺動面に平滑部を形成する。第２摺動部材の母材の断面において、平滑部は、頂部が平坦な台形状の断面となる。

具体的には、第２摺動部材の母材の断面において、任意の区間における平滑部の表面の長さの合計の割合（平滑部率）が、３０〜７０％となるように、平滑部を形成する。この平滑部率は、後述の図６に示すように、表面粗さ計により、第２摺動部材の摺動面の任意の区間Ｌを測定し、平滑部の表面の長さの合計（ｌ_１＋ｌ_２＋ｌ_３＋ｌ_４＋ｌ_５）を区間Ｌの長さで除算し、１００を乗算することにより、求めることができる。次に、平滑部を形成した第２摺動部材の母材に対して、陽極酸化処理により厚さ１〜５μｍのアルマイト層を形成することで、第２摺動部材を製造する。

ここで、第２摺動部材の摺動面の十点平均粗さＲｚが１．５μｍ未満の場合また平滑部率が７０％を超えた場合には、第２摺動部材の摺動面に潤滑油の油溜まりが確保され難くなる。一方、第２摺動部材の摺動面の十点平均粗さＲｚが４．０μｍを超えた場合または平滑部率が３０％未満の場合には、第２摺動部材の摺動面の突起の先端の当たりが強くなるため、第２摺動部材が摩耗しやすく、第２摺動部材の母材が露出しやすくなる。

このように、第１および第２摺動部材の表面粗さおよび表面形状を上述した如く最適化した上で、両者の表面にアルマイト層を形成するので、アルマイト層が薄い側の第２摺動部材のアルマイト層が摩滅し、第２摺動部材の母材が露出するまでの時間が長くなる。このような結果、第１摺動部材と第２摺動部材の凝着摩耗の発生を抑制し、組み合わせ摺動部材の耐久性を向上させることができる。

本実施形態に係る組み合わせ摺動部材は、ピストンとシリンダとで構成される装置や、バルブとバルブボディとで構成される装置に、好適に使用することができる。たとえば、本実施形態に係る組み合わせ摺動部材を、オートマチックトランスミッションに内蔵される油圧切替装置に適用する際には、第１摺動部材を、バルブ（弁体）に用い、第２摺動部材を、そのバルブが摺動するバルブボディに用いることが好ましい。

これにより、たとえば、バルブを付勢するスプリングの座屈に起因して、バルブがバルブボディに対して傾いてバルブボディに局所的に強く当接したり、潤滑油回路の油圧によってバルブが側圧を受けて、バルブの同じ側面がバルブボディに当接したりしても、この当接した部分の摩耗を抑制することができる。このような結果、バルブとバルブボディとの隙間が摩耗により大きくなることが無く、これらの間に異物が噛み込み難くなる。

本発明の実施例を以下に説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

〔参考例１〜６：第２摺動部材の最適表面粗さについて〕
表１に示すように、参考例１〜６に係る、第１摺動部材と第２摺動部材とからなる組み合わせ摺動部材を準備した。まず、参考例１〜６では、第１摺動部材の母材に相当するアルミニウム合金（ＪＩＳ規格：ＡＣ１Ｃ）からなる円柱試験片（外径１０ｍｍ×長さ１５ｍｍ）と、第２摺動部材の母材に相当するアルミニウム合金（ＪＩＳ規格：ＡＤＣ１２）からなる平板試験片（４０ｍｍ×６０ｍｍ×厚さ４ｍｍ）と、を準備した。準備した参考例１〜６に係る円柱試験片の十点平均粗さＲｚは０．５μｍであり、平板試験片の十点平均粗さＲｚは表１に示した値である。

次に、参考例１〜６に係る円柱試験片および平板試験片に対して陽極酸化処理を行った。これにより、円柱試験片の摺動面（外周面）に、厚さ３０μｍ、ビッカース硬さＨＶ５００のアルマイト層を形成し、平板試験片の摺動面（４０ｍｍ×６０ｍｍ）に、厚さ３μｍ、ビッカース硬さＨＶ３５０のアルマイト層を形成した。

（摩耗試験）
参考例１〜６に係る円柱試験片と平板試験片とを用いて摩耗試験を行った。具体的には、それぞれの円柱試験片と平板試験片を摩耗試験機にセットし、円柱試験片の外周面（摺動面）と平板試験片４０ｍｍ×６０ｍｍの摺動面とを接触させ、円柱試験片を軸方向に沿って摺動させて、摩耗試験を実施した。なお、この摩耗試験では、油温８０℃の潤滑油（ＡＴＦ）中において、円柱試験片から平板試験片へ１００Ｎの荷重を付加し、円柱試験片を平板試験片に対して、周波数５Ｈｚ、ストローク１０ｍｍで摺動させた。

この摩耗試験の結果を図１に示す。図１の縦軸は、平板試験片のアルマイト層がなくなるまでの時間であり、図１の横軸は、参考例１〜６に係る平板試験片の十点平均粗さＲｚである。ここで、摩耗試験中に平板試験片のアルマイト層が摩耗してなくなると、平板試験片のアルミニウム合金の母材が露出する。平板試験片の露出した母材のアルミニウム合金が、円柱試験片の表面の一部に露出した母材（アルミニウム合金）に凝着する。この凝着により、円柱試験片と平板試験片との摩耗係数が大きく変動するため、この時間を、平板試験片のアルマイト層がなくなるまでの時間とした。

［結果１および考察１］
図１に示すように、参考例３〜５に係る平板試験片は、参考例１、２、および６のものに比べて、平板試験片のアルマイト層が摩滅するまでの時間が長かった。これは参考例３〜５に係る平板試験片の十点平均粗さＲｚ（表面粗さ）が最適な範囲にあるからであると考えられる。

参考例１および２に係る組み合わせ摺動部材では、摺動初期の段階では、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、平板試験片の表面粗さが小さいため、摺動時に、平板試験片の表面に、潤滑油の油溜まりが少ない。このため、参考例１および２では、平板試験片の表面に形成される油膜が切れやすく、平板試験片のアルマイト層が脱落し、平板試験片の母材が、円柱試験片の表面に凝着しやすい。

円柱試験片と平板試験片との摺動が継続すると、図２（ｃ）に示すように、平板試験片のアルマイト層がさらに脱落して摩耗粉となり、この摩耗粉が、円柱試験片と平板試験片との間に介在し、平板試験片のアルマイト層のアブレシブ摩耗が促進される。これにより、平板試験片の母材が露出し、平板試験片の母材が、円柱試験片の表面に凝着する。

さらに、円柱試験片と平板試験片との摺動が継続すると、図２（ｄ）に示すように、平板試験片の露出した母材のアルミニウム合金が、円柱試験片の摺動面にさらに移着する。これにより、強い凝着摩耗が発生し、参考例１および２に係る平板試験片のアルマイト層は、参考例３〜５のものよりも、早くなくなった（摩滅した）と考えられる。

また、参考例６に係る組み合わせ摺動部材では、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、アルマイト層が形成された平板試験片の表面粗さが大きいため、潤滑油の溜まりは形成されるが、円柱試験片に対する面圧が大きくなる。これにより、平板試験片のアルマイト層および円柱試験片のアルマイト層がアブレシブ摩耗しやすい。

さらに、円柱試験片と平板試験片との摺動が継続すると、図３（ｃ）に示すように、平板試験片の母材のアルミニウム合金が露出し、アルミニウム合金の一部が摩耗粉となって、円柱試験片の摺動面に移着する。これにより、強い凝着摩耗が発生し、参考例６に係る平板試験片のアルマイト層は、参考例３〜５のものよりも、早くなくなったと考えられる。

一方、参考例３〜５に係る組み合わせ摺動部材では、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、平板試験片の表面粗さが適度な大きさであるため、摺動時に、参考例１および２のものよりも、平板試験片の表面に、潤滑油の油溜まりが形成されやすく、参考例６のものよりも、円柱試験片に対する面圧が小さくなる。

このような結果、参考例３〜５に係る平板試験片の如く、平板試験片の十点平均粗さＲｚ（表面粗さ）が１．５〜４．０μｍの範囲では、これを外れた範囲の平板試験片に比べて、平板試験片のアルマイト層が摩滅するまでに時間が長くかかると考えられる。

〔参考例７〜１１：第１摺動部材の最適表面粗さについて〕
参考例１と同じようにして、表２に示す組み合わせ摺動部材を作製した。参考例７〜１１が、参考例１と相違する点は、参考例７〜１１に係る平板試験片の十点平均粗さＲｚを２．０μｍにし、参考例７〜１１に係る円柱試験片の十点平均粗さＲｚを表２に示す値にした点である。参考例７〜１１に係る組み合わせ摺動部材に対して、参考例１と同じように、摩耗試験を行った。この結果を図５に示す。

［結果２および考察２］
図５に示すように、参考例７および８では、参考例９〜１１に比べて、平板試験片のアルマイト層が摩滅するまでの時間が長かった。これは、参考例７および８に係る円柱試験片の十点平均粗さＲｚ（表面粗さ）は、０．８μｍ以下の範囲にあり、参考例９〜１１のものに比べて小さいため、平板試験片に対するアブレッシブ作用が小さいからであると考えられる。これにより、参考例７および８では、参考例９〜１１に比べて、円柱試験片に対する平板試験片の相手攻撃性が小さくなり、平板試験片のアルマイト層が摩滅するまでの時間が長かったと考えられる。

〔実施例１〜３〕
参考例８と同じようにして、実施例１〜３に係る組み合わせ摺動部材を作製した。実施例１〜３が、参考例８と相違する点は、実施例１〜３では、十点平均粗さＲｚが３．０μｍの平板試験片を準備し、この平板試験片に対してラッピング加工（研磨加工）を施すことにより、平板試験片の平滑部率を表３に示す値にした後に、陽極酸化処理によりアルマイト層を形成した点である。

なお、ここでいう平滑部率は、図６に示すように、表面粗さ計により、平板試験片の表面粗さを測定し、その表面形状から、測定区間の長さＬに対する平滑部の合計した長さ（例えば、ｌ_１＋ｌ_２＋ｌ_３＋ｌ_４＋ｌ_５）の割合（百分率）である。

〔比較例１〜５〕
実施例１と同じようにして、比較例１〜５に係る組み合わせ摺動部材を作製した。比較例１〜５が、実施例１と相違する点は、比較例１では、平板試験片に対してラッピング加工を施さず、比較例２〜５では、平板試験片に対してラッピング加工を施すことにより、平板試験片の平滑部率を表３に示す値にした点である。

実施例１〜３および比較例１〜５に係る組み合わせ摺動部材に対して、参考例１と同じように、摩耗試験を行った。この結果を図７に示す。

［結果３および考察３］
図７に示すように、実施例１〜３では、比較例１〜５に比べて、平板試験片のアルマイト層が摩滅するまでの時間が長かった。これは、図８Ｂに示すように、実施例１〜３では、平板試験片の平滑部率が３０〜７０％であるので、アルマイト層のみからなる平滑部で長時間摺動しつつ、潤滑油の適度な油溜まりにより、潤滑効果が得られたからであると考えられる。これにより、実施例１〜３では、比較例１〜３に比べて、平板試験片のアルマイト層がなくなる（摩滅する）までの時間が長い（寿命が長い）と考えられる。

比較例１〜３では、平板試験片の平滑部率が３０％未満であるので、図８Ａに示すように、摺動初期にアルマイト層の突起の先端が、局所的に当たりが強くなるため、アルマイト層が摩耗し、アルミニウム合金の素地が早期に露出しやすい。これにより、比較例１〜３では、実施例１〜３に比べて、平板試験片のアルマイト層がなくなる（摩滅する）までの時間が短い（寿命が短い）と考えられる。

一方、比較例４および５では、平板試験片の平滑部率が７０％を超えているので、潤滑油の油溜まりが少ないため、平板試験片と円柱試験片との間の油膜が切れやすく、凝着摩耗が発生しやすい。これにより、比較例４および５では、実施例１〜３に比べて、平板試験片のアルマイト層がなくなる（摩滅する）までに時間が短い（寿命が短い）と考えられる。

〔実施例４〕
実施例４に係る第１摺動部材と第２摺動部材との組み合わせ摺動部材を作製した。具体的には、この組み合わせ摺動部材を、オートマチックトランスミッションに内蔵される油圧切替装置に適用した。図９は、オートマチックトランスミッションに内蔵される油圧切替装置３の断面図である。油圧切替装置３は、本体であるバルブボディ１と、油圧切替時にバルブボディ１内において摺動するバルブ２とを少なくとも備えている。

実施例４では、バルブボディ１に、実施例１に係る平板試験片に相当する材料を適用し、バルブ２に、実施例１に係る円柱試験片に相当する材料を適用した。すなわち、バルブボディ１が第２摺動部材に相当し、バルブ２が第１摺動部材に相当する。

なお、表４に示すように、バルブ２では、アルマイト層の厚さを、３０μｍにし、アルマイト層の十点平均粗さＲｚを、０．５μｍにした。一方、バルブボディ１では、ラッピング加工を施す前の十点平均粗さＲｚを、３．０μｍにし、ラッピング加工を施すことにより、平滑部率を４０％にした後に、陽極酸化処理により、アルマイト層の厚さを４μｍにした。

〔比較例６、７〕
実施例４と同じようにして、バルブ２（第１摺動部材）とバルブボディ１（第２摺動部材）とを作製した。比較例６が、実施例４と相違する点は、バルブボディ１を作製する際に、十点平均粗さＲｚを１．０μｍにし、ラッピング加工を施さず、平滑部率を０％とした点である。比較例７が、実施例４と相違する点は、ラッピング加工を施さず、平滑部率を０％とした点である。

（耐久試験）
実施例４および比較例６、７に係るバルブボディ１とバルブ２とを組み合わせた油圧切替装置３を、それぞれトランスミッションに取付けて、バルブ２の摺動サイクル９００００サイクル（１００時間稼働）の条件で、耐久試験を行った。

実施例４および比較例６、７に係るバルブボディ１とバルブ２の耐久試験後の摩耗深さを摩耗量として測定した。この結果を表４に示す。なお、比較例６では、６００００サイクル稼働後に、スティックによりバルブが動作しなくなったので、この時点の摩耗量を測定した。

［結果４および考察４］
比較例６では、上述したように、６００００サイクル稼働後に、スティックによりバルブが動作しなくなり、この時点で、比較例６のバルブボディ１とバルブ２の摩耗量は、実施例４のものよりも大きかった。また、比較例７では、スティックによりバルブの動作不良は生じないが、比較例７のバルブボディ１とバルブ２の摩耗量は、実施例４のものよりも大きかった。

実施例４では、スティックが生じず、バルブボディ１とバルブ２の摩耗量が、比較例６、７よりも小さかったのは、十点平均粗さＲｚが３．０μｍのバルブボディ１に、平滑部率が４０％となるようにラッピング加工を行った後に、アルマイト層を形成したからであると考えられる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１：バルブボディ
２：バルブ
３：油圧切替装置

Claims (1)

1. アルミニウム合金を母材として摺動面にアルマイト層が形成された第１摺動部材と、前記第１摺動部材の摺動面に摺動し、アルミニウム合金を母材として摺動面にアルマイト層が形成された第２摺動部材と、を備えた組み合わせ摺動部材の製造方法であって、
   摺動面の十点平均粗さＲｚが０．８μｍ以下のアルミニウム合金に対して、陽極酸化処理により、摺動面に厚さ３０μｍ以上のアルマイト層を形成することで、前記第１摺動部材を製造する工程と、
   前記第２摺動部材の母材として、摺動面の十点平均粗さＲｚが１．５〜４．０μｍのアルミニウム合金に対して、摺動面の突起の先端を削り取ることにより平滑部を形成し、かつ、前記第２摺動部材の母材の断面において、任意の区間における平滑部の表面の長さの合計の割合が、３０〜７０％となるように、前記平滑部を形成する工程と、
   前記平滑部を形成した前記第２摺動部材の母材に対して、陽極酸化処理により厚さ１〜５μｍのアルマイト層を形成することで、前記第２摺動部材を製造する工程と、を含むことを特徴とする組み合わせ摺動部材の製造方法。

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