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WO2012086393A1 - ボールジョイント - Google Patents

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WO2012086393A1
WO2012086393A1 PCT/JP2011/078045 JP2011078045W WO2012086393A1 WO 2012086393 A1 WO2012086393 A1 WO 2012086393A1 JP 2011078045 W JP2011078045 W JP 2011078045W WO 2012086393 A1 WO2012086393 A1 WO 2012086393A1
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WO
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ball joint
dlc film
ball
hardness
hard carbon
Prior art date
Application number
PCT/JP2011/078045
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
健太郎 小森
Original Assignee
本田技研工業株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to CN2011800609387A priority patent/CN103261712A/zh
Priority to US13/997,553 priority patent/US20130272776A1/en
Priority to JP2012549710A priority patent/JPWO2012086393A1/ja
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    • Y10T403/32696—Nonmetallic part

Definitions

  • the present invention relates to a ball joint that rotatably holds a ball stud having a spherical portion.
  • the ball joint 801 includes a ball stud 810 having a spherical portion 811 and a resin sheet 820 having a curved surface portion 821 having a shape (curvature) along the spherical portion 811.
  • the ball joint 801 having such a configuration allows the spherical surface portion 811 held by the curved surface portion 821 of the resin sheet 820 to freely rotate, and can freely change the angle at which the two materials are joined. Since it is useful, it is widely used for automobile chassis parts, that is, suspensions, arms, tie rods, steering mechanisms, link mechanisms, stabilizers, and the like.
  • Ball joints have been researched and developed for a long time to improve motor performance, ride comfort, steering feel, safety and durability. For example, a technique for forming an Fe 2-3 NC phase by carburizing and nitriding an iron member is widely performed.
  • Patent Documents 1 and 2 a technique for improving a lubricant composition, and as described in Patent Documents 3 and 4, it relates to the material and structure of a sheet (shell).
  • a technique of providing an amorphous hard carbon film (DLC film) on at least one of a dust seal and a shaft member with which the dust seal abuts has been proposed.
  • Non-Patent Document 1 a technique for providing a Fe 3 O 4 iron oxide (magnetite) layer on the spherical surface of a ball stud has been proposed.
  • JP 2003-20492 A Japanese Patent No. 4199109 Special table 2004-538431 gazette JP 2005-535854 A JP 2006-300204 A JP 2005-83400 A
  • Non-Patent Document 1 In the case of the technique of providing a magnetite layer on the spherical surface of the ball stud described in Non-Patent Document 1, good wear resistance and corrosion resistance can be obtained by the magnetite layer, but the sliding behavior of the joint portion is not good. There is a problem that a stick-slip phenomenon is likely to occur, which becomes stable and repeats sliding or sliding due to friction.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a ball joint excellent in wear resistance, corrosion resistance and stability of sliding characteristics.
  • the present invention provides a ball joint having a ball stud having a spherical portion and a resin sheet that rotatably holds the spherical portion, and the surface of the spherical portion has a hardness.
  • An amorphous hard carbon film of 6 to 39 GPa is provided.
  • the hardness of the amorphous hard carbon film is in such a specific range, so the hardness of the amorphous hard carbon film is not excessively high, so the resin sheet is made of the amorphous hard carbon film during sliding. Wear resistance (also called opponent attack) can be suppressed, and wear resistance can be improved. Further, since the hardness of the amorphous hard carbon film is not excessively low, it is possible to suppress the disappearance of the amorphous hard carbon film due to wear. Furthermore, since an amorphous hard carbon film is provided, it is excellent in lubricity and corrosion resistance. As a result, a ball joint having excellent wear resistance, corrosion resistance, and stability of sliding characteristics in the amorphous hard carbon film and the resin sheet can be obtained.
  • the root mean square roughness of the amorphous hard carbon film is 60 nm or less. In this way, since the surface roughness of the amorphous hard carbon film does not become excessively high, the wear resistance, corrosion resistance and lubricity of the amorphous hard carbon film and the resin sheet are made more difficult to be impaired. Can do. Therefore, more stable sliding characteristics can be obtained.
  • the resin sheet is preferably polyacetal, nylon, polyamide, polytetrafluoroethylene, polyetheretherketone, elastomer, or a fiber-reinforced composite material thereof. In this way, it is possible to obtain a more stable and stable sliding characteristic in combination with the elasticity characteristic and the shock absorption characteristic of these resin sheets.
  • the hardness of the amorphous hard carbon film is in a specific range, it is possible to provide a ball joint excellent in wear resistance, corrosion resistance and sliding property stability.
  • the horizontal axis indicates time [second], and the vertical axis indicates torque [Nm]. It is a graph which shows the result of the sliding behavior test using high-viscosity general purpose grease. In the figure, the horizontal axis indicates time [second], and the vertical axis indicates torque [Nm]. It is a partial sectional view explaining the conventional ball joint.
  • the gist of the present invention is to provide an amorphous hard carbon film with a specific hardness on the spherical surface of the ball stud to smoothly stabilize the sliding behavior (torque behavior) during sliding and stabilize the sliding characteristics. It is to let you.
  • a ball joint 1 includes a ball stud 10 having a spherical surface portion 11 and a resin sheet 20 that rotatably holds the spherical surface portion 11.
  • the resin sheet 20 has a curved surface portion 21 having a shape (curvature) along the spherical surface portion 11 of the ball stud 10, and is combined so that the curved surface portion 21 and the spherical surface portion 11 of the ball stud 10 come into contact with each other. ing.
  • the ball stud 10 and the resin sheet 20 combined as described above have the shaft member 12 of the ball stud 10 of the cylindrical housing 30. It is provided so as to protrude from one opening 31.
  • the opening 31 has a bent portion 32 formed by bending inside.
  • the ball stud 10 and the resin sheet 20 inserted from the other opening 33 of the housing 30 stop at the position where the resin sheet 20 hits the inside of the bent portion 32, and the other opening 33 is plugged by the plug 40. It is fixed by closing.
  • the housing 30 is fixed to automobile chassis parts such as a suspension, an arm, a tie rod, a steering mechanism, a link mechanism, and a stabilizer (not shown). Therefore, the ball joint 1 according to the present embodiment includes a housing 30 (resin sheet 20) that is fixed to a vehicle chassis component by sliding the curved surface portion 21 of the resin sheet 20 and the spherical surface portion 11 of the ball stud 10. ) To rotate freely.
  • a flange portion 35 is provided on the outer peripheral surface of the housing 30, and a boot 50 is provided so as to cover from the flange portion 35 to an arbitrary position of the shaft member 12 of the ball stud 10.
  • the boot 50 is formed of an elastomer such as rubber or synthetic rubber so as not to hinder the operation of the ball stud 10, and grease 60 is filled inside the boot 50.
  • a curved surface portion 34 having a curved surface corresponding to the spherical surface portion 11 is formed on the entire circumference of the bent portion 32 with a slight gap that does not directly contact the spherical surface portion 11.
  • the grease 60 is supplied between the spherical portion 11 of the ball stud 10 and the curved portion 21 of the resin sheet 20 from between the spherical portion 11 and the curved portion 34. These sliding operations are performed more smoothly.
  • the grease 60 can be used without particular limitation as long as it is generally used for the ball joint 1.
  • an amorphous hard carbon film (hereinafter, simply referred to as “DLC film”) 13 having a hardness of 6 to 39 GPa is provided on the surface of the spherical portion 11 of the ball stud 10. ing.
  • DLC film 13 having such a hardness, it is possible to suppress the wear aggressiveness of the DLC film 13 to the resin sheet 20 during sliding, and to suppress the disappearance of the DLC film 13 due to wear. Can do. That is, the wear resistance as the ball joint 1 is excellent, and the lubricity and corrosion resistance of the DLC film 13 are not impaired, so that the sliding characteristics can be excellent.
  • the hardness of the DLC film 13 is 6 to 39 GPa.
  • the hardness of the DLC film 13 is preferably 9 to 29 GPa, more preferably 9 to 21 GPa.
  • the hardness of the DLC film 13 has a good correlation with the hydrogen content in the DLC film 13. That is, when the hydrogen content in the DLC film 13 is large, the hardness of the DLC film 13 tends to decrease, and when the hydrogen content in the DLC film 13 is small, the hardness of the DLC film 13 tends to increase.
  • the hardness of the DLC film 13 is in the range of 6 to 39 GPa as described above, the hydrogen in the DLC film 13 varies slightly depending on the film forming conditions such as the raw material, pressure, film forming time, bias voltage, and plasma intensity.
  • the content may be about 17 to 43 at% (atomic%).
  • Examples of raw materials for the DLC film 13 include methane (CH 4 ), acetylene (C 2 H 2 ), toluene (C 7 H 8 ), benzene (C 6 H 6 ), and tetramethylsilane (Si (CH 3 ) 4. Hydrocarbon gas such as TMS).
  • a method for forming the DLC film 13 plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) using these raw materials can be preferably used.
  • the DLC film 13 can be formed by a film forming method other than plasma CVD as long as it has the above-described hardness. The method and conditions for providing the DLC film 13 can be appropriately selected according to the desired hardness.
  • the DLC film 13 may contain Si (silicon), Ti (titanium), W (tungsten), Cr (chromium), or the like. When these elements are contained, the mechanical properties such as hardness and Young's modulus of the DLC film 13 and the nano-level surface structure can be controlled, and additional components such as a wax component contained in the grease 60 can be controlled. Adsorbability can be controlled.
  • the hardness and Young's modulus of the DLC film 13 can be measured by a nanoindentation method (nanoindenter) based on ISO 14577, and can be calculated with high accuracy.
  • the hydrogen content in the DLC film 13 can be measured by, for example, Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS).
  • the surface roughness of the DLC film 13 is preferably 60 nm or less in terms of root mean square roughness (Rq). If the root mean square roughness is 60 nm or less, the roughness of the surface of the DLC film 13 is not excessively high, so that the wear attack of the DLC film 13 on the resin sheet 20 can be more reliably suppressed. Therefore, it is possible to obtain the ball joint 1 having more excellent wear resistance.
  • the root mean square roughness (Rq) of the DLC film 13 is measured using an atomic force microscope (AFM), and can be calculated based on the obtained result in accordance with JIS B0601: 2001.
  • the film physical properties such as hardness, Young's modulus, hydrogen content and surface roughness (root mean square roughness) of the DLC film 13 depend on the combination of apparatus conditions such as the type of source gas used, bias voltage to be applied, and the film formation time. Can be controlled. For example, when CH 4 , C 2 H 2 , C 6 H 6 , C 7 H 8 , TMS, or the like is used as the source gas, the pressure is 0.1 to 9.0 Pa and the bias voltage of the spherical portion 11 is 400 to 2000 V. The plasma output is set to 20 to 200 W and the film formation time is set to 15 to 240 min.
  • the resin sheet 20 can be suitably made of polyacetal, nylon, polyamide, polytetrafluoroethylene, polyetheretherketone, elastomer, or a fiber reinforced composite material thereof. If it is a resin-made sheet made of a material selected from these, it is possible to obtain excellent elasticity characteristics and shock absorption. In addition, the resin-made sheet
  • seat 20 can also use what was produced with resin and fiber reinforced composite materials other than these, if the desired effect of this invention can be show
  • the constituent members such as the ball stud 10, the housing 30, and the plug 40 are preferably steel materials including ordinary steel and special steel, but may be nonferrous metal members or ceramic members.
  • Common steel includes rolled steel for general structure (SS material), rolled steel for welded structure (SM material), boiler and pressure vessel steel (SB material), and high-pressure gas container.
  • SS material rolled steel for general structure
  • SM material rolled steel for welded structure
  • SB material boiler and pressure vessel steel
  • high-pressure gas container steel plate and steel strip
  • SG material hot rolled steel material and steel strip
  • SPHT material hot rolled carbon steel strip for steel pipes
  • SAPH material automotive structural hot rolled steel plate and steel strip
  • SPC materials cold rolled steel sheets and steel strips
  • high carbon chrome bearing steel (SUJ2 material), chrome steel (SCr material), chrome molybdenum steel material (SCM material) and nickel chrome molybdenum steel (SNCM) are preferable.
  • SC material carbon tool steel material
  • SK material alloy tool steel material for cutting tool
  • SKD material alloy tool steel material for cold die
  • SKT material high-speed tool steel
  • SUS material stainless steel
  • SUS material heat-resistant steel
  • SLA materials carbon steel materials for containers
  • SLA materials magnetic core steels and magnet steels
  • SF materials forged steel products
  • SC materials cast steel products
  • FC materials cast iron products
  • non-ferrous metal examples include aluminum, magnesium, titanium, or an alloy mainly composed of any one selected from these.
  • Al—Si—Cu—Mg—Ni Al—Si alloy 4000 series
  • Al—Mg alloy 5000 series
  • Al—Mg—Si alloy 6000 series
  • Al—Zn—Mg— Cu Al—Zn—Mg alloy
  • Al—Cu alloy AC1A
  • Al—Cu—Mg alloy AC1B
  • Al—Cu—Mg—Ni alloy AC5A
  • Al—Si alloy AC3A
  • ADC1 Al—Cu—Si alloys (AC2A, AC2B), Al—Si—Cu alloys (AC4B, ADC10, ADC12), Al—Si—Mg alloys (AC4C, AC4C) , ADC3)
  • Al-Si-Cu-Mg-Ni alloy AC8A, AC8B
  • magnesium or magnesium alloy examples include 1 to 7 types specified by JIS.
  • examples of titanium or titanium alloy examples include 1 to 4 types specified by JIS.
  • the ball stud 10, the housing 30, and the plug 40 may be formed by appropriately selecting from the materials described above according to the application. That is, the ball stud 10, the housing 30, and the plug 40 may be formed of the same material selected from the above, or may be formed of different materials.
  • DLC films were formed on the surface of a ball member made of SUJ2 and having a diameter of ⁇ 6 mm under the conditions shown in Table 1, and Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 4 were produced. In Comparative Example 1, no DLC film was formed.
  • Table 1 C 2 H 2 represents acetylene, C 6 H 6 represents benzene, C 7 H 8 represents toluene, and TMS represents tetramethylsilane.
  • the ball-on-disk friction and wear test shown in FIG. 2 was performed. As shown in FIG. 2, in the ball-on-disk friction and wear test, grease is applied to the surface of a disc material 201 made of polyacetal, the load on the ball material 202 having a diameter of 6 mm: 5 N, the sliding speed: 1 mm / second, and the temperature: The test was performed at 25 ° C. and 5000 cycles.
  • the hydrogen content shown in Table 2 was measured by Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS).
  • RBS Rutherford Backscattering Spectrometry
  • the sample was irradiated with helium (He) ions, and particularly the hydrogen content was calculated from the results of detecting hydrogen recoiled and scattered forward.
  • the root mean square roughness was calculated based on JIS B0601: 2001 from the results obtained by measuring a region having a side of 20 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less using an atomic force microscope (AFM). Young's modulus and hardness were measured using a nanoindenter according to ISO 14577.
  • the wear ratio was determined by measuring the depth of sliding scratches formed in the ball-on-disk friction wear test on the surface of the disk material 201 (see FIG. 2) with a surface roughness meter. The ratio in this case was shown as the wear ratio. Further, the surface of the ball member 202 (see FIG. 2) was observed with an optical microscope, and it was confirmed that the
  • sliding behavior was measured using a ball stud having a DLC film formed on the spherical surface under the conditions of Examples 1 to 8.
  • ball studs in which a DLC film is formed on the spherical surface under the conditions of Examples 1 to 8 are referred to as Examples 1 to 8.
  • the housing 530 of the manufactured ball joint 501 for the sliding behavior test is sandwiched and fixed between a plate material 570 illustrated by a broken line and a plate material 580 illustrated by a solid line.
  • the plate member 570 indicated by the broken line is provided with a hole (not shown) through which the shaft member 512 of the ball stud 501 protrudes, and the shaft member 512 of the ball stud 501 is protruded from this hole portion.
  • a torque wrench 590 was attached to the shaft member 512 protruding from the plate member 570, and the torque behavior was measured by rotating the torque wrench 590. The measurement was performed at an ambient temperature of 25 ° C. with a rotational speed of the torque wrench 590 of 5 degrees / second and rotated for 25 to 30 seconds.
  • Examples 1, 2, 5, 7, and 8 having different DLC film hardnesses were selected, and high viscosity general-purpose grease was used in the same manner as the sliding behavior test using low-viscosity general-purpose grease.
  • the sliding behavior test using was performed. The result is shown in FIG.
  • a general-purpose grease having a high viscosity Lipanoc Deluxe 2 manufactured by Nippon Oil Corporation was used.
  • FIG. 7 the torque behavior of Examples 1, 2, 5, 7, and 8 in which the hardness of the DLC film was in the range of 6 to 39 GPa was stable throughout the sliding test.
  • an amorphous material having a hardness of 6 to 39 GPa on the surface of the spherical portion.
  • the ball joint has excellent corrosion resistance, low wear ratio, and excellent sliding behavior (torque behavior), that is, excellent wear resistance and sliding property stability. It was found that a ball joint can be realized. Further, it was found that if the root mean square roughness of the amorphous hard carbon film is 60 nm or less, the above-described ball joint excellent in wear resistance, corrosion resistance and stability of sliding characteristics can be realized more reliably.
  • a disk material made of polyacetal is used as the resin sheet, but it is equivalent to that made of polyacetal, and is generally used under the same conditions as nylon, polyamide, polytetrafluoroethylene, poly It is strongly suggested that a sheet made of ether ether ketone, an elastomer, or a fiber reinforced composite material thereof has substantially the same effect.
  • Ball Joint 10 Ball Stud 11 Spherical Surface 12 Shaft Material 13 Amorphous Hard Carbon Film (DLC Film) 20 resin sheet 21 curved surface portion 30 housing 31 opening portion 32 bent portion 33 opening portion 34 curved surface portion 35 flange portion 40 plug 50 boot 60 grease

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Pivots And Pivotal Connections (AREA)

Abstract

耐摩耗性、耐食性と摺動特性の安定性に優れたボールジョイントを提供する。本発明に係るボールジョイント１は、球面部１１を有するボールスタッド１０と、前記球面部１１を回動自在に保持する樹脂製シート２０と、を有するボールジョイントにおいて、前記球面部１１の表面に、硬さが６～３９ＧＰａの非晶質硬質炭素膜を設けたことを特徴とする。また、本発明に係るボールジョイント１は、前記非晶質硬質炭素膜（ＤＬＣ膜）１２の二乗平均平方根粗さが６０ｎｍ以下であるのが好ましく、前記樹脂製シート２０が、ポリアセタール、ナイロン、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、エラストマーまたはこれらの繊維強化複合材であるのが好ましい。

Description

ボールジョイント
　本発明は、球面部を有するボールスタッドを回動自在に保持するボールジョイントに関する。
　図８に示すように、ボールジョイント８０１は、球面部８１１を有するボールスタッド８１０と、この球面部８１１に沿った形状（曲率）の曲面部８２１を有する樹脂製シート８２０と、を有して構成されている。かかる構成のボールジョイント８０１は、樹脂製シート８２０の曲面部８２１に保持される球面部８１１が自在に回動し、二つの材の接合する角度を自由に変化させることが可能であり、非常に有用であるため、自動車のシャシー部品、すなわち、サスペンション、アーム、タイロッド、ステアリング機構、リンク機構、スタビライザーなどに広く用いられている。
　ボールジョイントは、自動車の運動性能、乗り心地性能、ステアリングフィール、安全性や耐久性の向上を目的として古くからさまざまな技術が研究、開発されている。
　例えば、鉄部材への浸炭処理と窒化処理によりＦｅ2-3ＮＣ相を形成させる技術は広く一般的に行われている。
　近年では、例えば、特許文献１、２に記載されているように、潤滑剤組成物を改良する技術や、特許文献３、４に記載されているように、シート（シェル）の材質や構造に関する技術や、特許文献５、６に記載されているように、ダストシールおよび当該ダストシールの当接する軸部材の少なくとも一方に非晶質硬質炭素膜（ＤＬＣ膜）を設ける技術などが提案されている。
　また、非特許文献１に記載されているように、ボールスタッドの球面部にＦｅ3Ｏ4酸化鉄（マグネタイト）層を設ける技術が提案されている。
特開２００３－２０４９２号公報 特許第４１９９１０９号公報 特表２００４－５３８４３１号公報 特表２００５－５３５８５４号公報 特開２００６－３００２０４号公報 特開２００５－８３４００号公報
Thomas auf dem Brinke, Jurgen Crummenauer, Rainer Hans, Werner Oppel, "Plasma-Assisted Surface Treatment (Nitriding, nitrocarburizing and oxidation of steel, cast iron and sintered materials)", 2006, p.39-40, [online]. verlag moderne industrie, Sulzer Metco. [retrieved on 2010-12-17]. Retrieved from the Internet:URL:http://thinfilm.sulzermetco.com/pdf/nitriding_gb.pdf.
　しかしながら、一般に行われているＦｅ2-3ＮＣ相を形成させる技術や、特許文献１～６のように、ボールスタッドの球面部に保護皮膜を形成しない技術の場合、ボールジョイントに求められる耐摩耗性、耐食性と摺動挙動（例えば、トルク挙動）の安定性は、主にグリースが担っている。グリースは、使用される環境温度に敏感であり、また、使用する機構系内からの流出や経年劣化に対して耐用性が乏しいため、実働環境下における耐摩耗性、耐食性およびトルク挙動の安定性が低いという問題がある。
　また、非特許文献１に記載されているボールスタッドの球面部にマグネタイト層を設ける技術の場合、マグネタイト層によって良好な耐摩耗性、耐食性を得ることができるが、継手部分の摺動挙動が不安定となり、摩擦によって止まったり、すべったりを繰り返すスティックスリップ現象が発生しやすくなるという問題がある。
　本発明は前記問題に鑑みてなされたものであり、耐摩耗性、耐食性と摺動特性の安定性に優れたボールジョイントを提供することを課題とする。
　前記課題を解決するため、本発明は、球面部を有するボールスタッドと、前記球面部を回動自在に保持する樹脂製シートと、を有するボールジョイントにおいて、前記球面部の表面に、硬さが６～３９ＧＰａの非晶質硬質炭素膜を設けたことを特徴としている。
　非晶質硬質炭素膜の硬さをこのような特定の範囲とすれば、非晶質硬質炭素膜の硬さが過度に高くないので摺動時の非晶質硬質炭素膜による樹脂製シートへの摩耗攻撃性（相手攻撃性ともいう。）を抑制し、耐摩耗性を向上させることができる。また、非晶質硬質炭素膜の硬さが過度に低くないので摩耗により非晶質硬質炭素膜が消失するのを抑制することが可能である。さらに、非晶質硬質炭素膜を設けているので潤滑性と耐食性に優れる。結果として、非晶質硬質炭素膜と樹脂製シートにおける耐摩耗性、耐食性および摺動特性の安定性に優れたボールジョイントとすることができる。
　本発明においては、前記非晶質硬質炭素膜の二乗平均平方根粗さが６０ｎｍ以下であるのが好ましい。このようにすれば、非晶質硬質炭素膜の表面の粗さが過度に高くならないので、非晶質硬質炭素膜と樹脂製シートにおける耐摩耗性、耐食性および潤滑性をより損なわれにくくすることができる。そのため、より安定した摺動特性を得ることができる。
　本発明においては、前記樹脂製シートが、ポリアセタール、ナイロン、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、エラストマーまたはこれらの繊維強化複合材であるのが好ましい。このようにすれば、これらの樹脂製シートの弾力特性および衝撃吸収性とも相俟って、より確実に安定した摺動特性を得ることができる。
　本発明によれば、非晶質硬質炭素膜の硬さを特定の範囲としているので、耐摩耗性、耐食性と摺動特性の安定性に優れたボールジョイントを提供することができる。
本発明の一実施形態に係るボールジョイントを説明する一部断面図である。 ボールオンディスク摩擦摩耗試験の様子を説明する説明図である。 表２に示した実施例１～８および比較例１～４の摩耗比率を示した棒グラフである。同図中の縦軸は摩耗比率を示す。 表２に示した実施例１～８および比較例１～４の硬さと摩耗比率の関係をプロットしたグラフである。同図中の横軸は硬さ［ＧＰａ］を示し、縦軸は摩耗比率を示す。 摺動挙動（トルク挙動）試験の様子を説明する説明図である。 低粘度の汎用グリースを用いた摺動挙動試験の結果を示すグラフである。同図中の横軸は時間［秒］を示し、縦軸はトルク［Ｎｍ］を示す。 高粘度の汎用グリースを用いた摺動挙動試験の結果を示すグラフである。同図中の横軸は時間［秒］を示し、縦軸はトルク［Ｎｍ］を示す。 従来のボールジョイントを説明する一部断面図である。
　本発明の主旨は、ボールスタッドの球面部に特定の硬さの非晶質硬質炭素膜を設けることにより摺動時の摺動挙動（トルク挙動）を滑らかに安定させ、摺動特性を安定化させたことにある。
　以下、適宜図面を参照して本発明に係るボールジョイントを実施するための形態について詳細に説明する。
　図１に示すように、本発明の一実施形態に係るボールジョイント１は、球面部１１を有するボールスタッド１０と、この球面部１１を回動自在に保持する樹脂製シート２０と、を有している。つまり、樹脂製シート２０は、ボールスタッド１０の球面部１１に沿った形状（曲率）の曲面部２１を有し、当該曲面部２１とボールスタッド１０の球面部１１とが当接するように組み合わされている。
　一実施形態として説明する図１に示すボールスタッド１０の例では、前記したようにして組み合わされたボールスタッド１０および樹脂製シート２０は、ボールスタッド１０の軸材１２が、円筒状のハウジング３０の一方の開口部３１から突出するように設けられている。この開口部３１は、内側に曲折させて形成した曲折部３２を有している。ハウジング３０の他方の開口部３３から挿入されたボールスタッド１０および樹脂製シート２０は、樹脂製シート２０が当該曲折部３２の内側に突き当たった位置で止まり、当該他方の開口部３３をプラグ４０で閉止することにより固定される。
　ハウジング３０は、図示しないサスペンション、アーム、タイロッド、ステアリング機構、リンク機構、スタビライザーなどの自動車のシャシー部品に固定されている。そのため、本実施形態に係るボールジョイント１は、樹脂製シート２０の曲面部２１とボールスタッド１０の球面部１１とが摺動することで自動車のシャシー部品に固定されたハウジング３０（樹脂製シート２０）を基点として回動自在に動作する。
　また、図１に示す例では、ハウジング３０の外周面にフランジ部３５が設けられており、このフランジ部３５からボールスタッド１０の軸材１２の任意の位置までを覆うようにブーツ５０が設けられている。ブーツ５０は、ボールスタッド１０の動作の妨げとならないよう、ゴムや合成ゴムなどのエラストマーで形成されており、その内側にはグリース６０が充填されている。ここで、前記した曲折部３２には、球面部１１に直接接しない程度の若干の隙間をもって、球面部１１に対応する曲面を有する曲面部３４が全周的に形成されている。そのため、ボールスタッド１０の回動にともなって、球面部１１と曲面部３４の間から、グリース６０がボールスタッド１０の球面部１１と、樹脂製シート２０の曲面部２１と、の間に供給され、これらの摺動がより滑らかに行われるようになっている。なお、グリース６０は、ボールジョイント１に対して一般的に使用されるものであれば特に限定されることなく用いることができる。
　かかる構成のボールジョイント１において、本発明では、ボールスタッド１０の球面部１１の表面に、硬さが６～３９ＧＰａの非晶質硬質炭素膜（以下、単に「ＤＬＣ膜」という。）１３を設けている。
　このような硬さのＤＬＣ膜１３を設けることにより、摺動時のＤＬＣ膜１３による樹脂製シート２０への摩耗攻撃性を抑制することができるとともに、摩耗によるＤＬＣ膜１３の消失を抑制することができる。つまり、ボールジョイント１としての耐摩耗性に優れるとともに、ＤＬＣ膜１３の潤滑性と耐食性が損なわれないので、摺動特性に優れたものとすることができる。
　ＤＬＣ膜１３の硬さが６ＧＰａ未満であると、ＤＬＣ膜１３の硬さが低すぎるため、樹脂製シート２０の曲面部２１と摺動することによってＤＬＣ膜１３が摩耗し、消失してしまう。
　一方で、ＤＬＣ膜１３の硬さが３９ＧＰａを超えると、ＤＬＣ膜１３の硬さが高すぎるため摩耗攻撃性が高くなり、相手材となる樹脂製シート２０の摩耗量が増大する。
　よって、ＤＬＣ膜１３の硬さは６～３９ＧＰａとする。ＤＬＣ膜１３の硬さは９～２９ＧＰａとするのが好ましく、９～２１ＧＰａとするのがより好ましい。
　ＤＬＣ膜１３の硬さは、ＤＬＣ膜１３中の水素含有量とよい相関性がある。つまり、ＤＬＣ膜１３中の水素含有量が多いとＤＬＣ膜１３の硬さは低くなる傾向があり、ＤＬＣ膜１３中の水素含有量が少ないとＤＬＣ膜１３の硬さが高くなる傾向がある。ＤＬＣ膜１３の硬さが前記したように６～３９ＧＰａの範囲である場合、原料、圧力、成膜時間、バイアス電圧、プラズマ強度などの成膜条件によっても若干異なるが、ＤＬＣ膜１３中の水素含有量は１７～４３ａｔ％（原子％）程度とすればよい。
　ＤＬＣ膜１３の原料としては、例えば、メタン（ＣＨ4）、アセチレン（Ｃ2Ｈ2）、トルエン（Ｃ7Ｈ8）、ベンゼン（Ｃ6Ｈ6）、テトラメチルシラン（Ｓｉ(ＣＨ3)4；ＴＭＳ）などの炭化水素ガスを挙げることができる。また、ＤＬＣ膜１３の成膜方法としては、これらの原料を用いたプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）を好適に用いることができる。なお、ＤＬＣ膜１３は、前記した硬さを有する限り、プラズマＣＶＤ以外の成膜方法で成膜可能であることはいうまでもない。どのような手法および条件によってＤＬＣ膜１３を設けるかは、所望する硬さに応じて適宜に選択することができる。ＤＬＣ膜１３には、Ｓｉ（シリコン）、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ｃｒ（クロム）などが含有されていてもよい。これらの元素が含有されているとＤＬＣ膜１３の硬さやヤング率などの機械的特性やナノレベルの表面構造を制御することができるとともに、グリース６０中に含有されるワックス成分等の添加成分の吸着性を制御することができる。
　なお、ＤＬＣ膜１３の硬さやヤング率は、ＩＳＯ　１４５７７に準拠したナノインデンテーション法（ナノインデンテンター）で測定することができ、精度よく算出することができる。
　また、ＤＬＣ膜１３中の水素含有量は、例えば、ラザフォード後方散乱分光法（Rutherford Backscattering Spectrometry；ＲＢＳ）で測定することができる。
　ＤＬＣ膜１３の表面粗さは、二乗平均平方根粗さ（Ｒｑ）で６０ｎｍ以下とするのが好ましい。二乗平均平方根粗さが６０ｎｍ以下であれば、ＤＬＣ膜１３の表面の粗さが過度に高くないので、ＤＬＣ膜１３による樹脂製シート２０への摩耗攻撃性をより確実に抑制することができる。そのため、より確実に耐摩耗性に優れたボールジョイント１を得ることができる。
　ＤＬＣ膜１３の二乗平均平方根粗さ（Ｒｑ）は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて測定し、得られた結果からＪＩＳ　Ｂ０６０１：２００１に準拠して算出することができる。
　ＤＬＣ膜１３の硬さ、ヤング率、水素含有量や表面粗さ（二乗平均平方根粗さ）などの膜物性は、用いる原料ガス種や印加するバイアス電圧などの装置条件や成膜時間の組み合わせにより制御することができる。例えば、原料ガスとしてＣＨ4、Ｃ2Ｈ2、Ｃ6Ｈ6、Ｃ7Ｈ8、ＴＭＳなどを用いた場合、圧力を０．１～９．０Ｐａ、球面部１１のバイアス電圧を４００～２０００Ｖ、プラズマ出力を２０～２００Ｗ、成膜時間を１５～２４０ｍｉｎとすることで前記した範囲で任意に調整することができる。
　樹脂製シート２０は、ポリアセタール、ナイロン、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、エラストマーまたはこれらの繊維強化複合材で作製されたものを好適に用いることができる。これらから選択される材料で作製された樹脂製シートであれば、優れた弾力特性と衝撃吸収性を得ることができる。なお、樹脂製シート２０は、本発明の所望の効果を奏することができればこれら以外の樹脂や繊維強化複合材で作製されたものを用いることもできる。
　ボールスタッド１０、ハウジング３０、プラグ４０といった構成部材は、普通鋼および特殊鋼を含む鉄鋼製材であるのが好ましいが、非鉄金属製の部材またはセラミック製の部材などであってもよい。
　普通鋼としては、日本工業規格（ＪＩＳ）で規格されている一般構造用圧延鋼材（ＳＳ材）、溶接構造用圧延鋼材（ＳＭ材）、ボイラーおよび圧力容器用鋼材（ＳＢ材）、高圧ガス容器用鋼板および鋼帯（ＳＧ材）、熱間圧延鋼材および鋼帯（ＳＰＨ材）、鋼管用熱間圧延炭素鋼鋼帯（ＳＰＨＴ材）、自動車構造用熱間圧延鋼板および鋼帯（ＳＡＰＨ材）、冷間圧延鋼板および鋼帯（ＳＰＣ材）などを挙げることができる。
　また、特殊鋼としては、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２材）、クロム鋼（ＳＣｒ材）、クロムモリブデン鋼鋼材（ＳＣＭ材）、ニッケルクロムモリブデン鋼（ＳＮＣＭ）が好ましいが、機械構造用炭素鋼（Ｓ－Ｃ材）、炭素工具鋼鋼材（ＳＫ材）、切削工具用合金工具鋼鋼材（ＳＫＳ材）、冷間ダイス用合金工具鋼鋼材（ＳＫＤ材）、熱間金型用合金工具鋼鋼材（ＳＫＴ材）、高速度工具鋼鋼材（ＳＫＨ材）、炭素クロム軸受鋼鋼材（ＳＵＪ材）、ばね鋼鋼材（ＳＵＰ材）、ステンレス鋼鋼材（ＳＵＳ材）、耐熱鋼鋼材（ＳＵＨ材）、定温圧力容器用炭素鋼鋼材（ＳＬＡ材）、磁心鋼や磁石鋼、鍛鋼品（ＳＦ材）、鋳鋼品（ＳＣ材）、鋳鉄品（ＦＣ材）などを挙げることができる。
　非鉄金属としては、アルミニウム、マグネシウム、チタンまたはこれらから選択されるいずれか一つを主成分とする合金を挙げることができる。
　アルミニウムまたはアルミニウム合金としては、ＪＩＳで規格されている純Ａｌ（１０００系）、Ａｌ－Ｃｕ，Ａｌ－Ｃｕ－Ｍｇ系合金（２０００系）、Ａｌ－Ｍｎ，Ａｌ－Ｍｎ－Ｍｇ系合金（３０００系）、Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ－Ｍｇ－Ｎｉ，Ａｌ－Ｓｉ系合金（４０００系）、Ａｌ－Ｍｇ系合金（５０００系）、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金（６０００系）、Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ，Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ系合金（７０００系）、Ａｌ－Ｃｕ合金（ＡＣ１Ａ）、Ａｌ－Ｃｕ－Ｍｇ合金（ＡＣ１Ｂ）、Ａｌ－Ｃｕ－Ｍｇ－Ｎｉ合金（ＡＣ５Ａ）、Ａｌ－Ｓｉ合金（ＡＣ３Ａ、ＡＤＣ１）、Ａｌ－Ｃｕ－Ｓｉ合金（ＡＣ２Ａ、ＡＣ２Ｂ）、Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ合金（ＡＣ４Ｂ、ＡＤＣ１０、ＡＤＣ１２）、Ａｌ－Ｓｉ－Ｍｇ合金（ＡＣ４Ｃ、ＡＣ４ＣＨ、ＡＤＣ３）Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ－Ｍｇ－Ｎｉ合金（ＡＣ８Ａ、ＡＣ８Ｂ、ＡＣ８Ｃ、ＡＣ９Ａ、ＡＣ９Ｂ、ＡＤＣ１４）、Ａｌ－Ｍｇ合金（ＡＣ７Ａ、ＡＤＣ５、ＡＤＣ６）などを挙げることができる。
　マグネシウムまたはマグネシウム合金としては、ＪＩＳで規格されている１～７種を挙げることができる。
　チタンまたはチタン合金としては、ＪＩＳで規格されている１～４種を挙げることができる。
　ボールスタッド１０、ハウジング３０、プラグ４０は、前記した材料の中から用途に応じて適宜選択して形成されたものであればよい。つまり、ボールスタッド１０、ハウジング３０、プラグ４０は、前記の中から選択される同じ材料で形成されていてもよく、また、異なる材料で形成されていてもよい。
　次に、本発明の効果を確認した実施例について説明する。
　まず、ＳＵＪ２材からなる直径φ６ｍｍのボール材の表面に、表１に示す条件でＤＬＣ膜を成膜し、実施例１～８および比較例１～４を作製した。なお、比較例１にはＤＬＣ膜を成膜しなかった。表１中のＣ2Ｈ2はアセチレン、Ｃ6Ｈ6はベンゼン、Ｃ7Ｈ8はトルエン、ＴＭＳはテトラメチルシランをそれぞれ表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示す実施例１～８および比較例１～４に係るボール材と、ポリアセタールで作製した円形のディスク材と、を用いて、図２に示すボールオンディスク摩擦摩耗試験を行った。
　図２に示すように、ボールオンディスク摩擦摩耗試験は、ポリアセタール製のディスク材２０１の表面にグリースを塗布し、φ６ｍｍのボール材２０２への荷重：５Ｎ、摺動速度：１ｍｍ／秒、温度：２５℃、５０００サイクルという条件で行った。
　試験終了後、ディスク材２０１およびボール材２０２の表面をそれぞれ観察し、ディスク材２０１の摩耗比率と、ボール材２０２表面のＤＬＣ膜の状態と、を調べた。また、成膜したＤＬＣ膜の水素含有量［ａｔ％］、二乗平均平方根粗さ［ｎｍ］、ヤング率［ＧＰａ］および硬さ［ＧＰａ］を測定したので、併せて表２に示す。なお、表２中の「―」は測定対象であるＤＬＣ膜が存在しないので測定しなかったことを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２に示す水素含有量は、ラザフォード後方散乱分光法（Rutherford Backscattering Spectrometry；ＲＢＳ）により測定した。ＲＢＳでは、試料にヘリウム（Ｈe）イオンを照射して、特に水素含有量については、反跳して前方に散乱した水素を検出した結果より算出した。
　二乗平均平方根粗さは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて、一辺が２０μｍ以上５０μｍ以下の領域を測定し、得られた結果からＪＩＳ　Ｂ０６０１：２００１に準拠して算出した。
　ヤング率および硬さは、ＩＳＯ　１４５７７に準拠したナノインデンターを用いて測定した。
　摩耗比率は、表面粗さ計でディスク材２０１（図２参照）の表面におけるボールオンディスク摩擦摩耗試験で形成された摺動傷の深さを測り、比較例１の摩耗量を１．００とした場合における比率を摩耗比率として示した。また、ボール材２０２（図２参照）の表面を光学顕微鏡で観察し、ＤＬＣ膜が摩耗により消失していないか確認した。
　表２および図３に示すとおり、比較例３、４は、ＤＬＣ膜の硬さが高すぎるため、ディスク材２０１の摩耗量が増大し、比較例１と比較して摩耗比率（つまり、摩耗量）が５倍以上となった。
　表２および図４を参照するとわかるように、ＤＬＣ膜の硬さ４０～５０ＧＰａ（つまり、比較例３、４）を境界として摩耗比率が急激に増大することがわかる。
　比較例２は、ディスク材２０１の摩耗比率が比較例１と同程度であり良好であったが、ＤＬＣ膜の硬さが低すぎるため、ボールオンディスク摩擦摩耗試験によりボール材２０２の表面に成膜したＤＬＣ膜が消失した。
　これに対し、実施例１～８はいずれも摩耗比率が良好であった。また、ボールオンディスク摩擦摩耗試験によるボール材２０２表面のＤＬＣ膜の消失もなかった。
　実施例１～８および比較例２～４の結果から、ＤＬＣ膜の硬さが本発明の要件である６～３９ＧＰａとする必要があることがわかった。
　また、実施例４から、ＤＬＣ膜の二乗平均平方根粗さが６０ｎｍ程度以下であれば良好な摩耗比率を確実に得ることができることがわかった。
　次に、実施例１～８の条件で球面部にＤＬＣ膜を成膜したボールスタッドを用いて摺動挙動（トルク挙動）の測定を行った。なお、以下の説明では、実施例１～８の条件で球面部にＤＬＣ膜を成膜したボールスタッドを実施例１～８と呼ぶ。
　まず、低粘度の汎用グリースを用いた際の摺動挙動の測定を行った。かかる測定は、ＳＣＭ材で作製したボールスタッドの球面部に、表１の実施例１～８に示した条件でＤＬＣ膜を成膜した。ＤＬＣ膜を成膜したボールスタッドの球面部に低粘度の汎用グリースとして新日本石油株式会社製クラノックコンパウンドＦＬを塗布し、ポリアセタール製シートを当接させてハウジング内に組み込み、摺動挙動試験用のボールジョイントを作製した。
　そして、図５に示すように、作製した摺動挙動試験用のボールジョイント５０１のハウジング５３０を、同図中の破線で図示した板材５７０と実線で図示した板材５８０との間に挟んで固定した。なお、破線で示した板材５７０にはボールスタッド５０１の軸材５１２を突出させる穴部（図示せず）が設けられており、この穴部からボールスタッド５０１の軸材５１２を突出させている。
　板材５７０から突出している軸材５１２にトルクレンチ５９０を取り付け、トルクレンチ５９０を回転させてトルク挙動を測定した。なお、測定は、２５℃の環境温度下、トルクレンチ５９０の回転速度を５度／秒とし、２５～３０秒間回転させた。
　なお、比較のために、球面部（図８の符号８１１参照）に厚さ約２μｍのマグネタイト層を設けた比較例５に係るボールスタッドを作製し、前記実施例１～８と同様にしてボールジョイント５０１を作製した。また、前記と同様、二枚の板材５７０、５８０を用いて固定し、トルクレンチ５９０にて前記と同じ条件でトルク挙動を測定した。
　その結果、図６に示すように、実施例１～８は終始トルク挙動が安定していたのに対し、比較例５はトルク挙動が激しく上下し、不安定であった。
　実施例の中から、ＤＬＣ膜の硬さが異なる実施例１、２、５、７、８を選択し、低粘度の汎用グリースを用いた摺動挙動試験と同様にして、高粘度の汎用グリースを用いた摺動挙動試験を行った。その結果を図７に示す。なお、高粘度の汎用グリースとして新日本石油株式会社製リパノックデラックス２を用いた。
　図７に示すように、ＤＬＣ膜の硬さが６～３９ＧＰａの範囲にある実施例１、２、５、７、８はいずれも摺動試験の間、終始トルク挙動が安定していた。
　以上に説明したように、球面部を有するボールスタッドと、球面部を回動自在に保持する樹脂製シートと、を有するボールジョイントにおいて、球面部の表面に、硬さが６～３９ＧＰａの非晶質硬質炭素膜を設けることで、耐食性に優れ、摩耗比率が少なく、かつ摺動挙動（トルク挙動）の安定性に優れたボールジョイント、つまり、耐摩耗性と摺動特性の安定性に優れたボールジョイントを具現できることがわかった。
　また、非晶質硬質炭素膜の二乗平均平方根粗さが６０ｎｍ以下であれば前記した耐摩耗性、耐食性と摺動特性の安定性に優れたボールジョイントをより確実に具現できることがわかった。
　さらに、前記した実施例では樹脂製シートとしてポリアセタール製のディスク材を使用したが、ポリアセタール製のものと同等品であり、一般に同様の条件で使用されているナイロン、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、エラストマーまたはこれらの繊維強化複合材で作製されたシートについても、略同じ効果を奏することが強く示唆される。
　１　　　ボールジョイント
　１０　　ボールスタッド
　１１　　球面部
　１２　　軸材
　１３　　非晶質硬質炭素膜（ＤＬＣ膜）
　２０　　樹脂製シート
　２１　　曲面部
　３０　　ハウジング
　３１　　開口部
　３２　　曲折部
　３３　　開口部
　３４　　曲面部
　３５　　フランジ部
　４０　　プラグ
　５０　　ブーツ
　６０　　グリース

Claims (3)

  1. 　球面部を有するボールスタッドと、前記球面部を回動自在に保持する樹脂製シートと、を有するボールジョイントにおいて、
    　前記球面部の表面に、硬さが６～３９ＧＰａの非晶質硬質炭素膜を設けた
    　ことを特徴とするボールジョイント。
  2. 　前記非晶質硬質炭素膜の二乗平均平方根粗さが６０ｎｍ以下であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のボールジョイント。
  3. 　前記樹脂製シートが、ポリアセタール、ナイロン、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、エラストマーまたはこれらの繊維強化複合材である
    　ことを特徴とする請求の範囲第１項または請求の範囲第２項に記載のボールジョイント。
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