JP2005320604A

JP2005320604A - 金属表面の処理方法

Info

Publication number: JP2005320604A
Application number: JP2004140961A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Matsuoka; 裕征松岡
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2004-05-11
Filing date: 2004-05-11
Publication date: 2005-11-17

Abstract

【課題】面圧を受けて相互に接触する金属表面の潤滑油の保持性能を高めて摩擦係数を低減する。
【解決手段】金属表面に研磨加工により形成された仕上げ面３１に、粒径が１０〜６０μｍの投射材２９を投射して深さ５〜１５μｍの多数の凹部３２を仕上げ面３１に形成し、凹部３２を含めて仕上げ面３１に粒子径が４〜６μｍのリン酸マンガン粒子３４からなるリン酸マンガンの皮膜層３３を形成する。次いで、表面同士の摩擦により仕上げ面３１から皮膜層３３を消失させて凹部３２内にリン酸マンガン粒子３４を残留させる。これにより、金属表面間に供給される潤滑油が金属表面間に保持されて金属表面を潤滑する。
【選択図】図３

Description

本発明はハイポイド歯車などのように面圧を受けた状態で接触する金属表面の摩擦係数を低減するようにした金属表面の処理方法に関する。

車両の動力伝達装置などのように回転運動を伝達する動力伝達経路を有する装置は、駆動歯車が設けられた駆動側回転軸と、駆動歯車に噛み合う被駆動歯車が設けられた被駆動側回転軸とを有しており、駆動歯車と被駆動歯車の歯面は圧力を受けた状態で滑りながら接触することになる。また、それぞれの回転軸をケース体に支持するためにケース体に滑り軸受を装着すると、滑り軸受は回転軸と滑り接触し、転がり軸受を装着すると軸受の起動輪は鋼球と転がり接触することになる。このように金属表面同士が面圧を受けた状態で接触する場合には、金属表面の摩擦係数を低減することが回転運動の伝達効率を高めるために好ましい。また、摩擦を低減することで発熱を抑えることができ、機械要素としての寿命延長にも貢献できる。

特に、車両の動力伝達装置の終減速歯車対としては、駆動歯車と被駆動歯車の回転中心軸が相互に交わらずかつ平行でもないハイポイド歯車が使用されており、ハイポイド歯車は回転中心軸のオフセット量が大きく歯面の滑り量が大きいので、面圧のみならず歯面の摩擦係数を低減することが動力伝達効率を向上する上で重要な要素となっている。動力伝達装置を車両に縦置きで配置する場合にはオフセット量を小さくすることは、車載のレイアウトの制約上、困難であるので、オフセット量を変更することなく、摩擦係数を低減することが必要となっている。同様に、終減速歯車機構であるデファレンシャル機構を構成するピニオン歯車は、デファレンシャルケースに形成された球面座に摺動接触するので、この球面座の摩擦係数を低減することが動力伝達効率を向上する上で重要な要素となっている。

このように面圧を受けた状態で相互に接触する部材の表面の摩擦係数を低減するには、金属表面同士が直接接触することなく、潤滑油膜を介して接触するようにしており、潤滑油膜が金属表面に保持されなくなると、金属表面同士が焼き付きを起こしてしまうことになるので、潤滑油が確実に金属表面に保持されるようにする必要がある。

一般的には金属表面の初期なじみ性を向上するために、金属表面にリン酸マンガン処理を施すことが多く行われているが、この処理層は面圧を受けた状態での摺動接触が所定時間経過すると、金属の表面から摩耗により消失ないし欠落することになる。そのため、特許文献１に記載されるように、等速ジョイントのブーツ内に収容されるグリースに潤滑添加剤を加えてグリース寿命を高めるようにした技術が提案されている。
特開２０００−４６０６１号公報

しかしながら、潤滑添加剤をグリースに加えるようにすると、グリースのコストを高めることになる。そこで、本発明者は特殊な潤滑油を使用することなく、面圧が加わった状態で摺動接触あるいは転動接触する金属表面の処理方法について実験を行った。歯車などの表面は、歯切り加工により形成された表面を熱処理して表面硬度を高め、次いでラッピング加工などによって表面を平坦に仕上げ加工した後に、従来では歯車表面の初期なじみを向上させるためにリン酸マンガン処理層を形成するようにしているが、このリン酸マンガン処理層は歯車表面の接触により表面から摩耗により消失ないし欠落することになる。

そこで、金属の表面に従来よりも微細な凹部を多数形成し、その凹部内を含めて所定の粒径のリン酸マンガン粒子により金属表面に皮膜層を形成すると、金属表面から皮膜層が欠落しても、凹部内にはリン酸マンガン粒子が残るとともに、凹部と凹部以外の表面とを含めた接触面の平滑度を高めることができ、さらに、その粒子相互間の隙間に潤滑油が含浸されるとともに、凹部以外の仕上げ面に形成される微細な凹部内から潤滑油を接触面に常時補給することになり、接触面の摩擦係数を低減し続けることになることが判明した。

本発明の目的は、歯車の歯面などのように面圧を受けて相互に接触する金属表面の潤滑油の保持性能を高めて摩擦係数を低減することにある。

本発明の他の目的は、動力伝達経路を構成する回転部材の摺動面の潤滑油の保持性能を高めて摩擦による発熱や音によって失われるエネルギーを低減し、回転部材間の動力伝達効率を向上することにある。

本発明の金属表面の処理方法は、相互に面圧を受けた状態で接触する金属表面を処理する金属表面の処理方法であって、金属表面に研磨や切削加工により仕上げ面を形成する表面仕上げ加工工程と、仕上げ面に深さ５〜１５μｍの多数の凹部を形成する表面調整工程と、凹部を含めて仕上げ面に粒子径が４〜６μｍのリン酸マンガン粒子からなるリン酸マンガンの皮膜層を形成する皮膜層形成工程とを有し、金属表面同士の摩擦により前記仕上げ面から前記皮膜層を消失させて前記凹部内にリン酸マンガン粒子を残留させた金属表面間の潤滑油により金属表面を潤滑することを特徴とする。

本発明の金属表面の処理方法は、粒径が１０〜６０μｍの投射材を仕上げ面に投射して前記凹部を形成することを特徴する。

本発明の金属表面の処理方法は、ハイポイド歯車の歯面、軸受の転動体ないし軌道輪の表面、滑り軸受の摺動面、デファレンシャル機構の傘歯車の球面座の表面を処理することを特徴とする。

本発明によれば、歯車の歯面のように面圧を受けて接触する金属の表面に潤滑油を保持することができるので、潤滑油の中に特殊な添加剤を含めることなく、金属表面が相互に直接接触することを防止して、油膜を介して接触することになり、金属表面の摩擦係数を低減することができる。動力を伝達する歯車や軸受などの金属同士の接触面の摩擦係数を低減することにより、摩擦による発熱や音によって失われるエネルギーを低減し、回転部材間の動力伝達効率を向上させることができる。車両を駆動する動力伝達装置における動力伝達効率を向上させて車両の燃費を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は歯車の一例であるハイポイド歯車を示す斜視図であり、図１には駆動側回転軸１０に設けられたハイポイドピニオン歯車１１と、図示しない被駆動側回転軸に設けられたハイポイドリング歯車１２とが噛合って歯車対となった状態が示されている。この歯車対が車両の動力伝達装置に使用されるときには、駆動側回転軸１０は変速機出力軸に連結され、ハイポイドリング歯車１２はデファレンシャルのケースに取り付けられることになる。ハイポイドピニオン歯車１１の回転中心軸Ｏ1と、ハイポイドリング歯車１２の回転中心軸Ｏ2は、偏心量Ｅだけずれて直角となっており、回転中心軸が相互に交わらずかつ平行ともなっておらず、動力伝達時の歯面の滑り量が、平歯車や傘歯車の歯面に比して大きくなっている。

図２は歯車１１，１２の表面処理に適用した場合における本発明の金属表面の処理工程を示す工程図である。まず、歯切り工程２１において歯車素材に歯車が形成される。この工程において、歯車はホブ盤を用いたホブ切り、あるいはピニオンカッタやラックカッタを用いた歯切りにより切削加工される。ホブ切りはホブと歯車素材との相対運動によって歯車を削り出すようにした創成歯切り法であり、ホブは円筒面上にラックの歯形をした切れ刃がねじ状に形成された工具で、このホブの回転とともに一定の比率で歯車素材を回転させ、同時にホブを歯車軸方向に送ることにより歯車の創成歯切りが行われる。歯車のうち歯筋がねじれた曲線となっているハイポイド歯車は、環状カッタを用いた創成歯切りや、円錐ホブを用いた創成歯切りにより歯切り加工される。

歯切り加工された歯車の金属表面つまり歯面は熱処理工程２２により浸炭処理が施され、歯車素材の鋼の炭素含有率が増加して歯面に硬化層が形成される。次いで、歯面は研磨加工であるラッピングやホーニング又は、切削加工であるシェービングによる表面仕上げ工程２３により平坦に仕上げ加工されて歯面には仕上げ面が形成される。歯面に研磨加工により仕上げ面が加工された後には、表面調整工程２４において仕上げ面に深さ５〜１５μｍの多数の凹部が形成され、次いで皮膜層形成工程２５において、凹部を含めて仕上げ面には、リン酸マンガン皮膜処理が施されて皮膜層が形成される。

表面調整工程２４は、仕上げ面に所定の深さの凹部を形成する工程であり、仕上げ面に投射材を噴射して物理的に形成することができるとともに、仕上げ面を腐食することにより化学的に形成することもできる。物理的に凹部を形成すると、投射材によって歯車表面側の１０〜２０μｍの範囲には圧縮残量応力が、他の部分の２倍程度に発生し、歯面の強度を高めて疲労寿命を伸ばすことができる。

図３（Ａ）〜（Ｄ）は本発明の金属表面の処理方法における表面の変化を示す断面図であり、図３（Ａ）は表面調整工程２４において歯車を構成する金属素地３０の仕上げ面３１に凹部３２が形成された状態を示す。この表面調整工程２４では、物理的に凹部３２を形成するようにしており、歯車を構成する金属素地３０の仕上げ面３１に、粒径４０〜６０μｍの投射材２９を投射することにより、金属素地３０の仕上げ面３１に無数の凹部３２を形成している。これにより、金属素地３０の表面は投射材２９が投射されない仕上げ面３１と、投射材２９により形成される凹部３２とが混在した面となる。それぞれの凹部３２は、浸炭条件による歯面の高度に応じて投射圧を調整し金属素地３０の表面に粒径４０〜６０μｍの投射材２９を投射することによって、深さＤが５〜１５μｍの範囲となるように設定される。通常のショットピーニング処理では、粒径が上述した値の約１０倍の投射材が用いられているが、本発明の表面調整工程２４においては、通常のショットピーニング処理に使用される投射材の１０分の１程度の粒径の投射材２９を用いることによって、上述した深さの凹部３２を歯面に無数に形成することができる。

図３（Ｂ）および図３（Ｃ）は、皮膜層形成工程２５において金属素地３０の仕上げ面３１に皮膜層３３を形成している状態を示す断面図であり、この皮膜層形成工程２５では、粒径が４〜６μｍのリン酸マンガン粒子３４を有する処理液を用いてその処理液の中に金属素地３０を浸すことにより皮膜層３３を形成している。金属素地３０をリン酸マンガン処理液の中に浸すと、まず、図３（Ｂ）に示すように、凹部３２の中にリン酸マンガン粒子３４が入り込み、所定の時間、たとえば５〜１５分浸すことにより、図３（Ｃ）に示すように、凹部３２内に入り込んだリン酸マンガン粒子３４を核にして、リン酸マンガン粒子３４が生成されて仕上げ面３１の表面には厚みＷが１０μｍ程度となった皮膜層３３が形成される。

図３（Ｄ）は上述のように皮膜層３３がそれぞれ形成された一対の歯車を噛み合わせて回転を伝達させることにより、初期なじみを行った後の歯車の金属素地３０を示す断面図であり、相互に対となる他の歯車の歯面と噛み合い接触することによって、接触面同士の摩耗により皮膜層３３のうち仕上げ面３１に付着した部分は消失ないし欠落する。さらに、上述した表面調整工程２４において微細な粒径の投射材２９を用いて仕上げ面３１の表面調整処理を行うと、一部の凹部３２は５μｍよりも浅い深さの凹部が形成され、そのような浅い凹部３２内に入り込んだ皮膜層３３は、相互に対となる他の歯車の歯面との噛み合い接触により消失ないし欠落することになる。これに対して、所定の深さの凹部３２内に入り込んだリン酸マンガン粒子３４は凹部３２内に残留することになる。

初期なじみ処理により仕上げ面３１の表面に付着した皮膜層３３が消失するのは、歯面同士の接触により皮膜層３３が面圧を受けると、面圧により皮膜層３３を構成するリン酸マンガン粒子３４が仕上げ面３１に沿う方向にも弾性変形し、その結果、仕上げ面３１から欠落することになるためである。しかし、欠落したリン酸マンガン粒子３４の一部はいずれかの凹部３２内に付加的に入り込んで凹部３２を埋めることになるとともに、凹部３２内に入り込んだリン酸マンガン粒子３４は凹部３２の外径が小さいことから、凹部３２内から欠落することが防止される。

したがって、仕上げ面３１から初期なじみにより皮膜層３３が消失された状態の両方の歯車の歯面間に潤滑油を供給すると、供給された潤滑油は凹部３２内に入り込んだリン酸マンガン粒子３４の相互間に含浸されるとともに、露出した仕上げ面３１の微細な表面荒れの中にも入り込むことになり、歯面間にはこれらの潤滑油が供給されて歯面を潤滑することになる。

実験によれば、凹部３２の深さ寸法Ｄを５μｍ以下に設定すると、潤滑油の保持を十分に行うことができず、歯車の耐久性に限度があった。一方、深さ寸法Ｄを１５μｍ以上に設定すると、凹部３２内の表面部のリン酸マンガン粒子３４が一部欠落することがあり、凹部３２内のリン酸マンガン粒子３４の部分が仕上げ面３１に対して同一面とならず、歯面の面荒さが劣化するとともに、歯車の強度が高まらず歯車としての性能を発揮できない。このような実験結果から、凹部３２の深さ寸法Ｄを５〜１５μｍの範囲に設定することは、その深さの凹部３２内にはリン酸マンガン粒子３４が確実に残留し続けることになり、浅い凹部３２内からはリン酸マンガン粒子３４が欠落してもその深さの凹部は摩擦係数を高めることなく潤滑油を保持することになるので、歯面の表面荒さを維持しつつ潤滑油の介在による接触面相互の摩擦係数を低減するために好ましいことが判明した。さらに、凹部３２の深さを１０〜１４μｍの範囲に設定した場合と、８μｍに設定した場合とを比較したところ、８μｍに設定した方がハイポイド歯車の伝達効率は向上していることが判明した。

リン酸マンガン処理液に含ませるリン酸マンガン粒子３４の粒径は、４〜６μｍの範囲に設定される。この粒径を４μｍ以下の小径とすると、粒径が小さ過ぎて潤滑油の保持効果を発揮することができずに接触面の摩擦係数が大きくなった。これに対して、粒径を６μｍ以上の大径にすると粒径が大き過ぎて歯面の表面荒さが大きくなって接触面の摩擦係数が大きくなってしまうことが実験により判明した。したがって、リン酸マンガン粒子３４の粒径を４〜６μｍの範囲設定することにより、潤滑油の保持性能を高めて接触面の摩擦係数を低減することができる。

このように、本発明の金属表面の処理方法を適用して車両の終減速機用のハイポイド歯車の歯面を処理すると、潤滑油の保持性能が高まって歯面の摩擦係数が低減して動力伝達効率を向上させることができ、車両の燃費も向上させることができる。しかも、ハイポイド歯車はバックラッシュの管理が厳しいが、バックラッシュを設計値に押さえて最適な表面処理を行うことができる。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。たとえば、実施の形態は車両用のハイポイド歯車の歯面を本発明の金属表面の処理方法によって処理した場合を示すが、軸受の転動体ないし軌道輪の表面、滑り軸受の摺動面、デファレンシャル機構の傘歯車の球面座の表面を処理するためにも本発明を適用することができる。また、仕上げ面３１に凹部３２を形成するための表面調整工程２４としては、上述した物理的加工方法によらず、化学的加工方法を適用するようにしても良い。

歯車の一例であるハイポイド歯車を示す斜視図である。本発明の金属表面の処理工程を示す工程図である。（Ａ）〜（Ｄ）は本発明の金属表面の処理方法における表面の変化を示す断面図である。

符号の説明

１１，１２ハイポイド歯車
２１歯切り工程
２２熱処理工程
２３表面仕上げ工程（研磨工程）
２４表面調整工程
２５皮膜層形成工程
３０金属素地
３１仕上げ面
３２凹部
３３皮膜層
３４リン酸マンガン粒子

Claims

相互に面圧を受けた状態で接触する金属表面を処理する金属表面の処理方法であって、
金属表面に研磨加工により仕上げ面を形成する表面仕上げ加工工程と、
仕上げ面に深さ５〜１５μｍの多数の凹部を形成する表面調整工程と、
凹部を含めて仕上げ面に粒子径が４〜６μｍのリン酸マンガン粒子からなるリン酸マンガンの皮膜層を形成する皮膜層形成工程とを有し、
表面同士の摩擦により前記仕上げ面から前記皮膜層を消失させて前記凹部内にリン酸マンガン粒子を残留させた金属表面間の潤滑油により金属表面を潤滑することを特徴とする金属表面の処理方法。
請求項１記載の金属表面の処理方法において、粒径が１０〜６０μｍの投射材を仕上げ面に投射して前記凹部を形成することを特徴する金属表面の処理方法。
請求項１または２記載の金属表面の処理方法において、ハイポイド歯車の歯面、軸受の転動体ないし軌道輪の表面、滑り軸受の摺動面、デファレンシャル機構の傘歯車の球面座の表面を処理することを特徴とする金属表面の処理方法。