JP5117753B2 - 摺動部品 - Google Patents

Description

本発明は、多数のリンクがピンを介して連結された車両用のチェーン等の摺動部品に関する。

駆動部の動力を従動部に伝達するチェーンは、多数のリンクがピンを介して無端状に連結された構成である。リンクとピンは相対回転自在に組み込まれており、チェーンの作動時にはリンクの内周面とピンの外周面とが摺動する。車両用の駆動チェーン、例えばカムシャフト駆動用、オイルポンプ駆動用、バランサシャフト駆動用等のチェーンには、騒音が低減されたいわゆるサイレントチェーンが多用されてきている。このようなチェーンに関しては、リンクとピンとが摺動して摩耗することに起因する摩耗伸びが少ないことが求められている（特許文献１等参照）。

特開２００６−１３２６３７号公報

上記特許文献には、リンクの内周面にＣｒＣ（炭化クロム）皮膜を形成し、ピンの外周面にＶＣ（炭化バナジウム）皮膜を形成することにより、表面を硬化させて摩耗伸びを防止することが記載されている。しかしながら、近年ではチェーンの高強度化のニーズが増大しており、さらなる耐摩耗性が望まれている。
よって本発明は、耐摩耗性の一層の向上が図られる摺動部品を提供することを目的としている。

本発明者は、摺動部材の表面の硬度の差に基づく硬度比に着目して鋭意研究を行った結果、硬度比が小さいほど両者の摩耗量（総摩耗量）を少なくすることができるという知見を得た。本発明はこのような知見を基になされたものであり、鋼製のリンクからなる第１摺動部材および該第１摺動部材の孔に嵌合した鋼製のピンからなる第２摺動部材とが相互に荷重がかかった状態で相互に摺動する摺動部品であって、前記第１摺動部材の表面には炭化クロムからなる単相硬質皮膜が設けられ、前記第２摺動部材の表面には炭化クロムからなるマトリックス相中に炭化バナジウム相および／または炭化チタン相が分散してなる複相硬質皮膜が設けられ、前記複相硬質皮膜の硬度に対する前記単相硬質皮膜の硬度比が１．２〜１．４であることを特徴とする。

本発明によれば、摺動部材の表面に形成する炭化物皮膜の硬度を異ならせ、かつ異なる程度として、硬度比を適切な値（１．４以下）に規定することによって、耐摩耗性の一層の向上が図られる。硬度比が１．４以下が適切であるという理由は、以下による。すなわち硬度が大きい炭化物皮膜と、それよりも硬度が小さい炭化物皮膜が互いに摺動する場合、微視的な焼き付きで剥離した硬度大側の炭化物皮膜の一部である脱落粒子が、硬度小側の炭化物皮膜の表面に噛み込まれてしまい、その脱落粒子を噛み込んだ硬度小側の炭化物皮膜が、結果的に硬度大側の炭化物皮膜を摩耗させてしまうといった現象が生じる。このような摩耗現象は、硬度比が１．４を超えると顕著に生じるため、本発明では硬度比を１．４以下と規定した。

また、本発明では、第１摺動部材の表面と第２摺動部材の表面との間に潤滑油が介在して摺動する形態とされる。この形態では、第２摺動部材側の複相硬質皮膜においては摩耗しやすい炭化物相が優先的に摩耗し、残存した炭化物の間に凹部が有効なオイルピットとして形成され、その結果良好な摺動性を得ることができる。

本発明では、第１摺動部材の炭化物皮膜である単相硬質皮膜は、炭化クロムからなり、第２摺動部材の炭化物皮膜である複相硬質皮膜は、炭化クロムからなるマトリックス相中に炭化バナジウム相および／または炭化チタン相が分散しており、これらの硬質皮膜は、拡散浸透処理により各摺動部材の表面に形成することができる。その場合には、硬質皮膜を各摺動部材の表面に対し母材への良好な接着性をもって被覆させることができ、その結果として各硬質皮膜は各摺動部材に強固に固着し、剥離するおそれがない。

なお、以下の説明中、炭化クロムからなる第１摺動部材側の単相硬質皮膜を「ＣｒＣ」、炭化バナジウムを「ＶＣ」、炭化チタンを「ＴｉＣ」、第２摺動部材側のＣｒＣからなるマトリックス相中にＶＣが分散している複相硬質皮膜を「ＣｒＶＣ」、第２摺動部材側のＣｒＣからなるマトリックス相中にＴｉＣが分散している複相硬質皮膜を「ＣｒＴｉＣ」と表記する場合がある。

上記のように第１摺動部材側の単相硬質皮膜と、第２摺動部材側の複相硬質皮膜のマトリックス相とに、ＣｒＣを用いることによる作用、効果は次のとおりである。すなわち、ＣｒＣ以外ではＶＣやＴｉＣなどが考えられるが、これらでは母材との界面で剥離が生じやすく、またそれらの拡散浸透処理温度は比較的高温（９００℃以上）であるため、処理後に母材の鋼が劣化しやすいといった不都合な点がある。その点、ＣｒＣの拡散浸透処理は９００℃以下で可能であって母材への接着性が良好な特性を有し、さらに硬さが比較的高いといった利点がある。

また、上記のように第１摺動部材の表面をＣｒＣの単相硬質皮膜とし、第２摺動部材の表面をＣｒＣからなるマトリックス相中にＶＣ相および／またはＴｉＣ相が分散してなる複相硬質皮膜とすることによる作用、効果は次のとおりである。すなわち、第２摺動部材の複相硬質皮膜においてはＶＣやＴｉＣよりも硬度が低いＣｒＣからなるマトリックス相が優先的に摩耗し、また、摩耗して脱落するＣｒＣはＶＣやＴｉＣよりも十分に小さいため、ＶＣやＴｉＣは脱落しにくく表面に残留する。したがって第２摺動部材の複相硬質皮膜の表面においては、摩耗したマトリックス相の表面にＶＣおよび／またはＴｉＣ粒子が突出して分散し、ＶＣ粒子間、ＴｉＣ粒子間、またはＶＣ粒子とＴｉＣ粒子との間に、凹部が形成された状態となる。この凹部が潤滑油を保持するオイルピットとなり、潤滑性が格段に向上する。その結果、高い潤滑効果を伴って第１摺動部材と第２摺動部材とは相互に摺動し、耐摩耗性の向上が図られる。

本発明によれば、互いに摺動する摺動部材の表面に形成する炭化物皮膜の硬度比を適切な値に規定することによって、耐摩耗性の一層の向上が図られ、高強度部材に好適であるといった効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図１は本発明が適用された一実施形態のサイレントチェーンの一部を示している。このチェーンは、複数列に並んだリンク１０がピン２０によって連結された構成である。リンク１０は、内側のリンク１１と、隣接する内側リンク１１にわたる外側のリンクプレート１２がある。ピン２０は、リンク１０に対し相対回転自在に組み込まれている。このサイレントチェーンにおいては、リンク１０が本発明の第１摺動部材、ピン２０が本発明の第２摺動部材に該当する。

このサイレントチェーンは図示せぬ駆動スプロケットと従動スプロケットとに架け渡され、駆動スプロケットの動力を従動スプロケットに伝達する。作動状態においては、特に各スプロケットを通過する屈曲部分のところで、リンク１０とピン２０とは、相互に強い荷重がかかって摩耗が生じやすい。本実施形態のサイレントチェーンは、車両用の駆動チェーン、例えばカムシャフト駆動用、オイルポンプ駆動用、バランサシャフト駆動用等のチェーンに適用される。

上記リンク１０およびピン２０は、母材となる炭素鋼または合金鋼等の適宜な鋼の表面に、次の硬質皮膜が形成されている。すなわちリンク１０の表面には、炭化クロムからなる単相硬質皮膜：ＣｒＣが表面に形成されている。一方、ピン２０の表面には、炭化クロム（ＣｒＣ）からなるマトリックス相中に該マトリックス相の粒径と同じかそれ以上の大きさの炭化バナジウム（ＶＣ）粒子が分散してなる複相硬質皮膜：ＣｒＶＣが形成されている。このように表面が硬質とされたリンク１０とピン２０との材質的な組み合わせを、ここでは「ＣｒＣ−ＣｒＶＣ」と表す。

なお、本発明では、第２摺動部材（ここではピン２０）の複相硬質皮膜は、炭化クロム（ＣｒＣ）からなるマトリックス相中に該マトリックス相の粒径と同じかそれ以上の大きさの炭化チタン（ＴｉＣ）粒子が分散してなるＣｒＴｉＣの場合も含む。この場合の第１摺動部材と第２摺動部材との組み合わせは、「ＣｒＣ−ＣｒＴｉＣ」と表される。さらに複相硬質皮膜のマトリックス相中に分散する炭化物粒子としては、ＶＣとＴｉＣの両方が混合した形態であってもよい。

リンク１０とピン２０とが摺動する際には、リンク１０の単相硬質皮膜ＣｒＣとピン２０の複相硬質皮膜ＣｒＶＣとが、間に潤滑油が介在した状態で相互に摺動する。ここで、複相硬質皮膜ＣｒＶＣにおいてはＣｒＣからなるマトリックス相が優先的に摩耗し、また、脱落するＣｒＣ粒子はＶＣ粒子よりも十分に小さいため、ＶＣ粒子は脱落しにくく表面に残留する。したがって複相硬質皮膜ＣｒＶＣの表面においては摩耗したマトリックス相ＣｒＣの表面にＶＣ粒子が突出して分散し、ＶＣ粒子間に凹部が形成された状態となる。この凹部が潤滑油を保持するオイルピットとなり、潤滑性が格段に向上する。

図２は、ピン２０の表面の複相硬質皮膜ＣｒＶＣに相手材（単相硬質皮膜：ＣｒＣ）が摺動して潤滑効果を得るメカニズムを示している。図の左側は摺動初期で、複相硬質皮膜のＣｒＣ粒子が摩耗により脱落している。ＣｒＣ粒子は比較的柔らかく、かつ小径であることから摩耗系外に容易に排出される。摺動がある程度経過すると、複相硬質皮膜の表面においては摩耗したマトリックス相ＣｒＣの表面にＶＣ粒子が突出して分散した状態になるとともに、ＶＣ粒子間に凹部が形成された状態となる。この凹部が潤滑油を保持するオイルピットとなり、潤滑性が格段に向上するものとなる。図２では相手材がＣｒＣであるが、相手材は母材である鋼：Ｆｅの場合もこの作用は同様に発生する。

リンクの表面に形成する単相硬質皮膜ＣｒＣおよびピンの表面に形成する複相硬質皮膜ＣｒＶＣの形成方法としては、以下のような拡散浸透処理が挙げられる。リンク表面に形成するＣｒＣは、拡散浸透処理剤としてクロム含有粉末（例えば金属クロム）、焼結防止材（例えばアルミナ：Ａｌ２Ｏ３）および促進剤（例えば塩化アンモニウム：ＮＨ４Ｃｌ等のハロゲン化物）の３種類の処理剤を充填した炉内にリンクを装入し、８５０〜９００℃で加熱処理することにより形成することができる。一方、ピン表面に形成するＣｒＶＣは、拡散浸透処理剤として、上記３種類の処理剤にＶＣ粒子を混合したものを炉内に充填し、炉内に装入したピンを９５０〜１０５０℃で加熱処理することにより形成することができる。

ピンは高炭素鋼であり、ＣｒＣとＶＣの接合強度の向上とピンの耐久性向上を目的として、従来よりもＣｒＶＣ皮膜を厚くするために、比較的処理温度が高めに設定される。一方、リンクは中炭素鋼であり、９００℃以上で加熱されると素材の劣化を招くため、処理温度はピンの処理温度よりも低く設定されるが、８５０℃以下では耐久性が確保される厚さの皮膜が得られないため、処理温度は上記温度とされる。

次に、本発明を具体化した実施例を挙げて本発明の効果を実証する。
［１］摩耗試験１
図３のグラフの右に示す表面硬化処理がなされたピンとリンクとの組み合わせＦ〜Ｉでローラチェーンを試験的に作製して作動させ、ピンとリンクそれぞれ、および両者を併せた総摩耗量を調べた。ここでのオーステンパーは、靱性、耐摩耗性、耐衝撃性を向上させるとともに歪みや寸法変化を少なくするための周知のオーステンパー処理がされた鋼である。オーステンパー処理は、鋼材を無酸化雰囲気中で８００〜９００℃の温度に上げ、２５０〜４００℃の塩浴に恒温焼入れする処理である。

ローラチェーンの作動条件は、両端のスプロケット歯数：１８Ｔ×３６Ｔ、スプロケット回転数：１８Ｔ側が８０００ｒｐｍ、チェーン張力：１８６ｋｇｆ、潤滑油：１０Ｗ−３０にコンタミ油０．７３％添加、潤滑油量：１リットル／ｍｉｎ 潤滑油温：８０〜９０℃とした。図３のグラフによれば、総摩耗量の観点から硬度比は小さい方がよいことが判った。

［２］焼き付き試験
図４に示すように、リンク材にピン材を荷重をかけながら往復摺動させ、相互の接触面圧と摩擦荷重を調べるとともに、焼き付き限界を調べる焼き付き試験を行った。この試験に供した試料の組み合わせ「第１の摺動部材であるリンク材（単相硬質皮膜の材質）−第２の摺動部材であるピン材（複相硬質皮膜の材質）」は、以下のＡ〜Ｅの５種類である。なお、以下の説明での「硬度比」は「ピン材の硬度／リンク材の硬度」を言う。

Ａ： ＣｒＣ−ＣｒＴｉＣ 硬度比１．４（本発明に相当）
（ピン側のＣｒＴｉＣは炭化クロムからなるマトリックス相中に該マトリックス相の粒径と同じかそれ以上の大きさの炭化チタン粒子が分散してなる複相硬質皮膜）
Ｂ： ＣｒＣ−ＣｒＶＣ 硬度比１．２（本発明に相当）
（ピン側のＣｒＶＣは炭化クロムからなるマトリックス相中に該マトリックス相の粒径と同じかそれ以上の大きさの炭化バナジウム粒子が分散してなる複相硬質皮膜）
Ｃ： ＣｒＣ−ＶＣ 硬度比１．４ （参考例）
（ピン側のＶＣは炭化バナジウムからなる単相硬質皮膜が表面に形成されている）
Ｄ：ＣｒＣ−ＣｒＣ 硬度比１ （本発明外の比較例）
（硬度比は本発明に一致するが同じ材質同士）
Ｅ：Ｆｅ−ＶＣ 硬度比４．４ （本発明外の比較例）
（リンク側は鋼：Ｆｅで硬質皮膜なし）

焼き付き試験は、摺動速度：０．５３ｍ／ｓｅｃ、１回の摺動ストロークを２０ｍｍとし、摺動サイクル（往復回数）が５０００回になるごとに荷重を１０ｋｇずつ増やして測定値を得ながら、摺動不可能となる焼き付きが起こるまで続けた。また、リンク材とピン材の間には、低粘度油（５Ｗ−２０ １００℃相当）を充填しながら摺動させた。

図５は、リンク材とピン材の組み合わせが上記Ａ〜Ｅで行った焼き付き試験の結果であって、接触面圧と摩擦荷重との関係を示しており、図中の上向き矢印（↑）は焼き付きが起こったことを示している。また、図６はＡ〜Ｅの焼き付き時の荷重を示している。これらの結果によると、本発明のＣｒＣ−ＣｒＶＣの組み合わせ（上記Ｂ）が最も高い接触面圧を示した。また、その際の摩擦荷重は特に高いものではなく、焼き付き荷重すなわち焼き付きになってしまう限界が最も高いことが判る。また、本発明のＣｒＣ−ＣｒＴｉＣの組み合わせ（上記Ａ）では、焼き付き荷重および接触面圧がＣｒＣ−ＣｒＶＣの次に高く、焼き付き防止に効果的であることが判った。これらＡ，Ｂでは、いずれもピン側の複相硬質皮膜において摩耗しやすい炭化物粒子（ＶＣおよびＴｉＣ）が優先的に摩耗し、残存した炭化物粒子の間に凹部が有効なオイルピットとして形成され、その結果良好な摺動性が得られたと推測された。また、本発明のＣｒＣ−ＶＣの組み合わせ（上記Ｃ）は単相硬質皮膜同士の摺動であり、一方が複相硬質皮膜の上記Ａ，Ｂの場合よりは摺動性が低かったが、硬度比が１．４であるため、比較例（Ｄ，Ｅ）よりは高いレベルで摺動性が確保されていた。

一方、ＣｒＣ−ＣｒＣの場合（上記Ｄ）は、硬度比が１であるものの同じ材質同士であること、また、Ｆｅ−ＶＣでは硬度比が４．４と大きすぎることがそれぞれ原因で、いずれも焼き付き荷重は低く摺動性に劣っていることが判った。

［３］摩耗試験２
図７に示す２種類の組み合わせの表面硬化処理がなされたリンク材（第１摺動部材）とピン材（第２摺動部材）との組み合わせでサイレントチェーンを試験的に作製して作動させ、リンク材とピン材それぞれ、および両者を併せた総摩耗量を調べた。なお、組み合わせは、リンク材−ピン材が、「Ｆｅ−ＣｒＶＣ」と「ＣｒＣ−ＣｒＶＣ（本発明）」である。チェーンの作動条件は、両端のスプロケット歯数：１８Ｔ×３６Ｔ、スプロケット回転数：１８Ｔ側が８０００ｒｐｍ、チェーン張力：１８６ｋｇｆ、潤滑油：１０Ｗ−３０にコンタミ油０．９％添加、潤滑油量：１リットル／ｍｉｎ 潤滑油温：８０〜９０℃とし、５０時間作動させた。

サイレントチェーンでの摩耗試験結果を示した図７のグラフによっても、硬度比が小さいと摩耗が少ないことが判り、特に本発明のリンク材の表面がＣｒＣ、ピンの表面がＣｒＶＣである「ＣｒＣ−ＣｒＶＣ」の組み合わせは摩耗が少ないことが顕著であった。

また、図７に示すＦｅ−ＣｒＶＣ（リンク材がＦｅ、ピン材がＣｒＶＣで表面硬質化）のチェーンと、本発明のＣｒＣ−ＣｒＶＣのチェーンの摩耗状態を、それぞれ図８および図９の写真に示す。Ｆｅ−ＣｒＶＣの組み合わせでは、（ａ）のピン材、（ｂ）のリンク材とも周方向に筋が明確に刻まれており、カジリが起こったことが認められた。一方、本発明のＣｒＣ−ＣｒＶＣの組み合わせでは、（ａ）のピン材、（ｂ）のリンク材とも表面に損傷はなく、摺動面は鏡面状態になっており、本発明の効果が確認された。

本発明が適用された一実施形態のサイレントチェーンの一部を示す断面図である。 第２摺動部材の複相硬質皮膜ＣｒＶＣに相手材（第１摺動部材：ＣｒＣ）が摺動して潤滑効果を得るメカニズムを模式的に示す図である。 実施例で行った摩耗試験１の結果を示すグラフである。 実施例で行った焼き付き試験の方法を示す斜視図である。 同焼き付き試験の結果を示す折れ線グラフである。 実施例で行った焼き付き試験の結果を示す棒グラフである。 実施例で行った摩耗試験２の結果を示すグラフである。 ピン材とリンク材との組み合わせが本発明外の場合の摩耗状態を示す写真であって、（ａ）はピン材、（ｂ）はリンク材の摺動面である。 ピン材とリンク材との組み合わせが本発明の場合の摩耗状態を示す写真であって、（ａ）はピン材、（ｂ）はリンク材の摺動面である。

符号の説明

１０…リンク（第１摺動部材）
２０…ピン（第２摺動部材）

Claims (2)

1. 鋼製のリンクからなる第１摺動部材および該第１摺動部材の孔に嵌合した鋼製のピンからなる第２摺動部材とが相互に荷重がかかった状態で相互に摺動する摺動部品であって、
   前記第１摺動部材の表面には炭化クロムからなる単相硬質皮膜が設けられ、
   前記第２摺動部材の表面には炭化クロムからなるマトリックス相中に炭化バナジウム相および／または炭化チタン相が分散してなる複相硬質皮膜が設けられ、
   前記複相硬質皮膜の硬度に対する前記単相硬質皮膜の硬度比が１．２〜１．４であることを特徴とする摺動部品。
2. 前記第１摺動部材の表面と前記第２摺動部材の表面との間に、潤滑油が介在することを特徴とする請求項１に記載の摺動部品。

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