JP2014035072A - 摩擦係合要素の製造方法、及び、摩擦係合要素 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な耐久性及び補油性を維持して摺動時の摩擦係数を安定化させることができる摩擦係合要素の製造方法を提供する。
【解決手段】ガス軟窒化処理によってドリブンプレート１５の表面１５ａをポーラス層で形成することにより、十分な量の作動油を補油させる。この場合において、ポーラス層の形成は複数回のガス軟窒化処理によって行うことにより、十分な硬さ及び膜厚を有するポーラス層をドリブンプレート１５の表層に形成し、摩耗等の経年変化にも対応してドリブンプレート１５の表面１５ａの十分な耐久性を確保する。加えて、ドリブンプレート１５の表面１５ａに対し、ショットブラスト等を用いた凹凸加工処理を行い、断面曲線の算術平均高さが所定範囲の凹凸を形成することにより、ドリブンプレート１５の表面１５ａにおける更なる補油性の向上を図る。
【選択図】図３

Description

本発明は、湿式多板式のクラッチやブレーキ等の摩擦係合装置に用いられる摩擦係合要素の製造方法、及び、摩擦係合要素に関する。

従来、例えば、車載の自動変速機や自動変速機からの駆動力を前後輪に伝達するトランスファ等には、湿式多板式のクラッチやブレーキ等の摩擦係合装置が用いられている。この種の摩擦係合装置は、一般に、摩擦係合要素（摩擦板）として複数のドライブプレートとドリブンプレートとを備え、これらドライブプレートとドリブンプレートとが交互に配設されて要部が構成されている。

このような摩擦係合装置では、耐摩耗性の向上等を目的として、摩擦係合要素の表面を改質するための技術が提案されている。例えば、特許文献１には、クラッチプレートの摺接面に、窒化処理、又は、焼き入れ焼き戻し処理を施した後、さらに、ダイヤモンド状炭素薄膜を施す技術が開示されている。

一方、この種の摩擦係合装置を４輪駆動車のトランスファに用いる場合において、ジャダーやタイトコーナブレーキング現象等の発生を防止するためには、差動時における摩擦係合要素間の摩擦係数（μ値）を安定化させることが重要となる。μ値を安定化させるための対策として、例えば、窒化処理によって形成されるポーラス層を補油層として利用し、摺動時の摩擦係合要素間に油膜を保持させることが考えられる。この場合、摩耗等の経年変化にも対応して補油性を維持するため、ポーラス層の膜厚を所定以上の厚さに形成することが好ましい。

特開２００６−２５０３６４号公報

しかしながら、ポーラス層の膜厚は、窒化処理時間等を長く設定することで厚く形成することが可能であるものの、その背反として、ポーラス層の硬度の低下や空孔の不均一化等による耐久性の低下を招く虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、十分な耐久性及び補油性を維持して摺動時の摩擦係数を安定化させることができる摩擦係合要素の製造方法、及び、摩擦係合要素を提供することを目的とする。

本発明の一態様による摩擦係合要素の製造方法は、湿式の摩擦係合装置に用いられる摩擦係合要素の製造方法であって、前記摩擦係合要素の金属表面に凹凸面を形成するための凹凸加工処理を行う手順と、前記凹凸加工処理後の前記摩擦係合要素に窒化処理を複数回行う手順と、を備えたものである。

また、本発明の一態様による摩擦係合要素は、湿式の摩擦係合装置に用いられる摩擦係合要素であって、金属表面に凹凸面を形成するための凹凸加工処理と、前記凹凸加工処理後に複数回行う窒化処理によって、表面の断面曲線の算術平均高さが３．０〜５．０μｍの範囲内であり、且つ、硬さが５００ＨＶ以上であって、膜厚が２５〜６０μｍの範囲内のポーラス層を表層に形成したものである。

本発明によれば、十分な耐久性及び補油性を維持して摺動時の摩擦係数を安定化させることができる。

車載のトランスファを示す要部断面図 ドライブプレートとドリブンプレートとを示す分解斜視図 ドリブンプレートの表面処理手順を示すフローチャート （ａ）は＃３０のアルミナ粒を用いたショットブラストによって凹凸加工処理したドリブンプレートの表面を示す電子顕微鏡写真であって（ｂ）は同条件によって処理したドリブンプレートの表面を示す立体図であって（ｃ）は同条件によって処理したドリブンプレートの表面の断面形状を示す図表 （ａ）は＃３０のセラミックスビーズを用いたショットブラストによって凹凸加工処理したドリブンプレートの表面を示す電子顕微鏡写真であって（ｂ）は同条件によって処理したドリブンプレートの表面を示す立体図であって（ｃ）は同条件によって処理したドリブンプレートの表面の断面形状を示す図表 （ａ）は＃３２０のアルミナ粒を用いたショットブラストによって凹凸加工処理したドリブンプレートの表面を示す電子顕微鏡写真であって（ｂ）は同条件によって処理したドリブンプレートの表面を示す立体図であって（ｃ）は同条件によって処理したドリブンプレートの表面の断面形状を示す図表 （ａ）は＃２３０のアルミナ粒を用いたショットブラストによって凹凸加工処理したドリブンプレートの表面を示す電子顕微鏡写真であって（ｂ）は同条件によって処理したドリブンプレートの表面を示す立体図であって（ｃ）は同条件によって処理したドリブンプレートの表面の断面形状を示す図表 （ａ）は５７０℃の温度で３時間のガス軟窒化処理を３回行ったときのドリブンプレートのポーラス層を示す電子顕微鏡写真であって（ｂ）は同条件によって処理したドリブンプレートの硬化層深さを示す図表であって（ｃ）は同条件によって処理したドリブンプレートの表層部の組織を示す電子顕微鏡写真であって（ｄ）は同条件によって処理したドリブンプレートの中心部の組織を示す電子顕微鏡写真 （ａ）は５２０℃の温度で３時間のガス軟窒化処理を３回行ったときのドリブンプレートのポーラス層を示す電子顕微鏡写真であって（ｂ）は同条件によって処理したドリブンプレートの硬化層深さを示す図表であって（ｃ）は同条件によって処理したドリブンプレートの表層部の組織を示す電子顕微鏡写真であって（ｄ）は同条件によって処理したドリブンプレートの中心部の組織を示す電子顕微鏡写真 （ａ）は６２０℃の温度で３時間のガス軟窒化処理を３回行ったときのドリブンプレートのポーラス層を示す電子顕微鏡写真であって（ｂ）は同条件によって処理したドリブンプレートの硬化層深さを示す図表であって（ｃ）は同条件によって処理したドリブンプレートの表層部の組織を示す電子顕微鏡写真であって（ｄ）は同条件によって処理したドリブンプレートの中心部の組織を示す電子顕微鏡写真 （ａ）は５７０℃の温度で６時間のガス軟窒化処理を２回行ったときのドリブンプレートのポーラス層を示す電子顕微鏡写真であって（ｂ）は同条件によって処理したドリブンプレートの硬化層深さを示す図表であって（ｃ）は同条件によって処理したドリブンプレートの表層部の組織を示す電子顕微鏡写真であって（ｄ）は同条件によって処理したドリブンプレートの中心部の組織を示す電子顕微鏡写真 （ａ）は５７０℃の温度で３時間のガス軟窒化処理を４回行ったときのドリブンプレートのポーラス層を示す電子顕微鏡写真であって（ｂ）は同条件によって処理したドリブンプレートの硬化層深さを示す図表であって（ｃ）は同条件によって処理したドリブンプレートの表層部の組織を示す電子顕微鏡写真であって（ｄ）は同条件によって処理したドリブンプレートの中心部の組織を示す電子顕微鏡写真

以下、図面を参照して本発明の形態を説明する。図面は本発明の一実施形態に係わり、図１は車載のトランスファを示す要部断面図、図２はドライブプレートとドリブンプレートとを示す分解斜視図、図３はドリブンプレートの表面処理手順を示すフローチャート、図４（ａ）は＃３０のアルミナ粒を用いたショットブラストによって凹凸加工処理したドリブンプレートの表面を示す電子顕微鏡写真であって（ｂ）は同条件によって処理したドリブンプレートの表面を示す立体図であって（ｃ）は同条件によって処理したドリブンプレートの表面の断面形状を示す図表、図５（ａ）は＃３０のセラミックスビーズを用いたショットブラストによって凹凸加工処理したドリブンプレートの表面を示す電子顕微鏡写真であって（ｂ）は同条件によって処理したドリブンプレートの表面を示す立体図であって（ｃ）は同条件によって処理したドリブンプレートの表面の断面形状を示す図表、図６（ａ）は＃３２０のアルミナ粒を用いたショットブラストによって凹凸加工処理したドリブンプレートの表面を示す電子顕微鏡写真であって（ｂ）は同条件によって処理したドリブンプレートの表面を示す立体図であって（ｃ）は同条件によって処理したドリブンプレートの表面の断面形状を示す図表、図７（ａ）は＃２３０のアルミナ粒を用いたショットブラストによって凹凸加工処理したドリブンプレートの表面を示す電子顕微鏡写真であって（ｂ）は同条件によって処理したドリブンプレートの表面を示す立体図であって（ｃ）は同条件によって処理したドリブンプレートの表面の断面形状を示す図表、図８（ａ）は５７０℃の温度で３時間のガス軟窒化処理を３回行ったときのドリブンプレートのポーラス層を示す電子顕微鏡写真であって（ｂ）は同条件によって処理したドリブンプレートの硬化層深さを示す図表であって（ｃ）は同条件によって処理したドリブンプレートの表層部の組織を示す電子顕微鏡写真であって（ｄ）は同条件によって処理したドリブンプレートの中心部の組織を示す電子顕微鏡写真、図９（ａ）は５２０℃の温度で３時間のガス軟窒化処理を３回行ったときのドリブンプレートのポーラス層を示す電子顕微鏡写真であって（ｂ）は同条件によって処理したドリブンプレートの硬化層深さを示す図表であって（ｃ）は同条件によって処理したドリブンプレートの表層部の組織を示す電子顕微鏡写真であって（ｄ）は同条件によって処理したドリブンプレートの中心部の組織を示す電子顕微鏡写真、図１０（ａ）は６２０℃の温度で３時間のガス軟窒化処理を３回行ったときのドリブンプレートのポーラス層を示す電子顕微鏡写真であって（ｂ）は同条件によって処理したドリブンプレートの硬化層深さを示す図表であって（ｃ）は同条件によって処理したドリブンプレートの表層部の組織を示す電子顕微鏡写真であって（ｄ）は同条件によって処理したドリブンプレートの中心部の組織を示す電子顕微鏡写真、図１１（ａ）は５７０℃の温度で６時間のガス軟窒化処理を２回行ったときのドリブンプレートのポーラス層を示す電子顕微鏡写真であって（ｂ）は同条件によって処理したドリブンプレートの硬化層深さを示す図表であって（ｃ）は同条件によって処理したドリブンプレートの表層部の組織を示す電子顕微鏡写真であって（ｄ）は同条件によって処理したドリブンプレートの中心部の組織を示す電子顕微鏡写真、図１２（ａ）は５７０℃の温度で３時間のガス軟窒化処理を４回行ったときのドリブンプレートのポーラス層を示す電子顕微鏡写真であって（ｂ）は同条件によって処理したドリブンプレートの硬化層深さを示す図表であって（ｃ）は同条件によって処理したドリブンプレートの表層部の組織を示す電子顕微鏡写真であって（ｄ）は同条件によって処理したドリブンプレートの中心部の組織を示す電子顕微鏡写真である。

図１において符号１は、例えば、フロントエンジン・フロントドライブ車ベース（ＦＦベース）の４輪駆動車に採用されるトランスファを示す。このトランスファ１には、図示しない自動変速装置からの駆動力がトランスミッション出力軸５を介して伝達される。このトランスファ１に伝達された駆動力は、リヤドライブ軸６を介して後輪終減速装置（図示せず）に伝達されるとともに、リダクションドライブギヤ７を介して前輪終減速装置（図示せず）に伝達される。

トランスファ１は、自動変速装置に連設するトランスファケース２を有し、このトランスファケース２内に、摩擦係合装置としての湿式多板クラッチ（トランスファクラッチ）１０が収容されて要部が構成されている。

具体的に説明すると、トランスファケース２内にはトランスミッション出力軸５の先端側が臨まされ、このトランスミッション出力軸５には、上述のリダクションドライブギヤ７とともにクラッチハブ１１が固設されている。また、トランスファケース２内において、トランスミッション出力軸５の同軸上にはリヤドライブ軸６の基端部が相対回転自在に配設され、このリヤドライブ軸６には、クラッチドラム１２が固設されている。クラッチドラム１２の内周面はクラッチハブ１１の外周面に対向されており、これらの対向領域には、クラッチハブ１１の外周面にスプライン嵌合された複数の摩擦係合要素としてのドライブプレート１６と、クラッチドラム１２の内周面にスプライン嵌合された複数の摩擦係合要素としてのドリブンプレート１５とが交互に重ねられた状態で配設されている（図１，２参照）。

また、クラッチドラム１２内には油圧室１７が形成され、この油圧室１７内には、ドライブプレート１６とドリブンプレート１５とを一体的に押圧するトランスファピストン１８が配設されている。そして、トランスファピストン１８による押圧力の制御を通じて、トランスファクラッチ１０の締結力が制御されることにより、トランスファ１による前輪と後輪とのトルク配分比は、例えば、１００：０から５０：５０の間で可変制御される。

ここで、上述のトランスファ１において、トランスファクラッチ１０を構成するドライブプレート１６及びドリブンプレート１５は、例えば、自動車構造用熱間圧延鋼板（ＳＡＰＨ材）によって構成されている。これらのうち、ドライブプレート１６の表面１６ａには、例えば、摩擦による振動や異音の発生を抑えつつ所定の摩擦特性を得ることを目的として、不織布あるいは樹脂などからなる摩擦材が貼着され、これにより、ドリブンプレート１５との摺接面が形成されている。一方、ドリブンプレート１５の表面１５ａには、耐摩耗性及び補油性等を向上するための表面処理が施され、これによりドライブプレート１６との摺接面が形成されている。

このドリブンプレート１５に対する表面処理は、例えば、図３に示す手順に従って行われる。すなわち、ドリブンプレート１５の粗材が投入されると、先ず、ステップＳ１０１において、例えば、ショットブラストを用いた凹凸加工処理が行われる。この凹凸加工処理では、例えば、粒度の番手が♯３０〜♯６０の範囲内のショット粒或いはメディアを研磨材（ショット玉）として使用することが可能であり、これにより、ドリブンプレート１５の表面１５ａには、例えば、断面曲線の算術平均高さＰａ＝３．０〜５．０μｍ、断面曲線の最大高さＰｚ＝１８．０〜２２．０μｍの凹凸が形成される。

本実施形態において、より具体的には、研磨材として、例えば、番手が♯３０のアルミナ粒が好適に用いられる。これにより、例えば、図４に示すように、ドリブンプレート１５の表面１５ａには、断面曲線の算術平均高さＰａ＝４．４μｍ程度、断面曲線の最大高さＰｚ＝１８．９μｍ程度の均質な凹凸が形成される。

そして、ステップＳ１０２に進むと、凹凸加工処理後のドリブンプレート１５の粗材に対し、窒化処理が行われる。具体的には、ステップＳ１０２において、ドリブンプレート１５の粗材には、窒素雰囲気中での熱処理（ガス軟窒化処理）が行われる。このガス軟窒化処理は、例えば、５６０〜５８０℃の温度範囲内で３〜６時間行うことが可能である。

ステップＳ１０３に進むと、予め設定された回数（複数回）の窒化処理が行われたか否かの判定が行われる。ここで、窒化処理の回数としては、例えば、２〜４回の回数を好適に設定することが可能である。このステップＳ１０３において、窒化処理回数が設定回数未満であると判定された場合には、ステップＳ１０２の窒化処理が再度行われる。

一方、ステップＳ１０３において、窒化処理回数が設定回数に達していると判定された場合には、ドリブンプレート１５の粗材に対する表面処理が終了する。これにより、ドリブンプレート１５の表層には、平均膜厚が４５μｍ〜７０μｍの化合物層が形成され、この化合物層内の表面側に、硬さの最大値が４５０ＨＶ以上、且つ、平均膜厚が２５〜６０μｍのポーラス層が形成される。

ここで、本実施形態において、より具体的には、例えば、ステップＳ１０２でのガス軟窒化処理の条件として、処理温度５７０℃、処理時間３時間が設定され、さらに、ステップＳ１０３で判定される窒化処理回数として３回が設定されている。これにより、例えば、図８に示すように、ドリブンプレート１５の表層には、平均膜厚が６５μｍ程度の化合物層が形成され、この化合物層内の表面側に、硬さの最大値が５００ＨＶ程度、且つ、平均膜厚が５５μｍ程度のポーラス層が形成される。

このような実施形態によれば、ガス軟窒化処理によってドリブンプレート１５の表面１５ａをポーラス層で形成することにより、ドリブンプレート１５の表面１５ａに十分な量の作動油を補油させることができる。この場合において、ポーラス層の形成は複数回のガス軟窒化処理によって行うことにより、十分な硬さ及び膜厚を有するポーラス層をドリブンプレート１５の表層に形成することができ、摩耗等の経年変化にも対応してドリブンプレート１５の表面１５ａの十分な耐久性を確保することができる。加えて、ドリブンプレート１５の表面１５ａに対し、ショットブラスト等を用いた凹凸加工処理を行い、断面曲線の算術平均高さが所定範囲の凹凸を形成することにより、ドリブンプレート１５の表面１５ａにおける更なる補油性の向上を図ることができる。

従って、特に、本実施形態のようにトランスファ１のトランスファクラッチ１０に対して上述の表面処理を行えば、スリップ制御時等の摩擦係数を安定化してジャダーやタイトコーナブレーキング現象の発生を的確に防止することができる。

次に、上述の凹凸加工処理（ショットブラスト処理）における条件設定までの経緯について説明する。
本出願人らは、作動油の補油性に優れた凹凸をドリブンプレート１５の表面１５ａに形成すべく、種々の研磨材を用いたショットブラスト処理を行い、処理後の表面１５ａの凹凸の大きさとして断面曲線の算術平均高さＰａと最大高さＰｚについて検証した。その結果、例えば、アルミナ粒を研磨材として用いた場合、番手が大きい場合には表面１５ａの凹凸の大きさにさほど変化は見られなかったものの（図６，７参照）、所定の番手未満では、粒径と凹凸の大きさは略比例関係となっている（すなわち、番手が小さくなるほど凹凸が大きくなる）ことを確認した（図４参照）。このような傾向は、例えば、セラミックスビーズを研磨材として用いた場合にも確認することができた（例えば、図５参照）。但し、番手♯３０のアルミナ粒とセラミックスビーズによる処理結果を比較すると、細かい凹凸については大差ないものの、アルミナ粒による凹凸は平均すると直線的であるのに対し、セラミックスビーズによる凹凸は平均しても直線的とはならず所定に波打った形状となる。

なお、凹凸を大きくすれば補油性の向上を期待できる反面、強度的な面で耐久性の低下を招く虞がある。従って、これらの要求を充足するためには、断面曲線の算術平均高さＰａが３．０〜５．０μｍの範囲内であることが望ましい。

以上に基づき、研磨材としては、番手が♯３０〜６０の範囲のショット粒或はメディアを用いることが望ましいと結論づけ、最も望ましい研磨材として、番手が♯３０のアルミナ粒を選定した。

次に、上述の窒化処理（ガス軟窒化処理）における条件設定までの経緯について説明する。
一般に、ドリブンプレート１５等の摩擦係合要素対するポーラス層の形成は１回のガス軟窒化処理によって行われ、当該ガス軟窒化処理によって形成されるポーラス層の膜厚は、処理温度及び処理時間によって制御される。しかしながら、本出願人らによる実験の結果、所定以上の膜厚のポーラス層を得ようとした場合、単に処理時間を長く設定しただけではポーラス層の厚膜化には限界があり、一方、処理温度を高く設定しすぎると、ポーラス層が脆く不均一となったり、クラック等が発生することが確認された。

そこで、本出願人らは、ガス軟窒化処理を複数回行うことでポーラス層を厚膜化することについて検討した。その結果、例えば、図８，１１，１２の比較からも明らかなように、同一の温度条件（例えば、５７０℃）でガス軟窒化処理を行った場合、処理回数が多くなるほどポーラス層の膜厚を厚く形成することができ、しかも、ポーラス層の硬さ及び均斉度等についてもさほど低下しないことが確認された。但し、ガス軟窒化処理を２回或いは３回行った場合には、ポーラス層の膜厚が回数に応じて顕著に増加することが認められたものの、４回目以降はガス軟窒化処理の回数に対して膜厚の増加量が鈍化することが確認された。

また、図８〜１０の比較からも明らかなように、同一の処理時間及び処理回数であっても、ガス軟窒化処理の処理温度が高くなるほどポーラス層の膜厚が増加することが確認された．但し、例えば、図９に示すように、処理温度が低すぎると（例えば、５２０℃）、ポーラス層自体が形成されず、逆に、例えば、図１０に示すように、処理温度が高すぎると（例えば、６２０℃）、ポーラス層の均斉度の低下（組織の粗大化）やクラック（亀裂）の発生等が認められた。

なお、摩耗等によるポーラス層の経年変化等も考慮し、耐久性について検討した場合（使用状況による）、ポーラス層の膜厚は５０μｍ以上、且つピーク硬さ５００Ｈｖ以上を確保されることが望ましい。

以上に基づき、ガス軟窒化処理の条件としては、処理温度が５６０〜５８０℃の範囲にあり、処理時間が３〜６時間の範囲であって、処理回数が２〜４回であることが望ましいと結論づけ、最も望ましい条件として、処理温度が５７０℃、処理時間が３時間であって、処理回数が３回となる条件を選定した。

なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲内である。

例えば、本発明の摩擦係合要素が適用される摩擦係合装置としては、トランスファ用の湿式多板式のクラッチに限定されないことはもちろんである。

また、例えば、上述の実施形態においては、湿式多板式のクラッチに本発明を適用した一例について説明したが、本発明の適用はこれに限定されるものではなく、例えば、湿式多板式のブレーキに対しても適用が可能である。

また、上述の実施形態においては、一方の摩擦係合要素であるドリブンプレートに対してのみ表面処理を行う一例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ドライブプレートのみ、或いは、ドライブプレート及びドリブンプレートの両方に対して表面処理を行うことも可能である。

１ … トランスファ
２ … トランスファケース
５ …トランスミッション出力軸
６ … リヤドライブ軸
７ … リダクションドライブギヤ
１０ … トランスファクラッチ（摩擦係合装置）
１１ … クラッチハブ
１２ … クラッチドラム
１５ … ドリブンプレート（摩擦係合要素）
１５ａ … 表面
１６ … ドライブプレート（摩擦係合要素）
１６ａ … 表面
１７ … 油圧室
１８ … トランスファピストン

Claims (2)

1. 湿式の摩擦係合装置に用いられる摩擦係合要素の製造方法であって、
   前記摩擦係合要素の金属表面に凹凸面を形成するための凹凸加工処理を行う手順と、
   前記凹凸加工処理後の前記摩擦係合要素に窒化処理を複数回行う手順と、を備えたことを特徴とする摩擦係合要素の製造方法。
2. 湿式の摩擦係合装置に用いられる摩擦係合要素であって、
   金属表面に凹凸面を形成するための凹凸加工処理と、前記凹凸加工処理後に複数回行う窒化処理によって、表面の断面曲線の算術平均高さが３．０〜５．０μｍの範囲内であり、且つ、硬さが５００ＨＶ以上であって、膜厚が２５〜６０μｍの範囲内のポーラス層を表層に形成したことを特徴とする摩擦係合要素。