JP4883018B2 - 表面改質方法とパワートレイン系部品 - Google Patents

Description

本発明は、表面改質方法とそれより作製されたパワートレイン系部品に関する。

高速度工具鋼に対する表面改質方法において、焼入れ工程後、焼戻しを兼ねてハイブリッド成膜処理を行うことで、生産効率を高める方法がある（特許文献１）。そのハイブリッド成膜処理は、高速度工具鋼の表面にＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）皮膜又は窒化皮膜からなる第１膜の形成と第１回目の焼戻しとを同時に行い、その後、第１膜上にＤＬＣ（Diamond Like Carbon）成膜又はＭｏＳ_２（硫化モリブデン）皮膜からなる第２膜の形成と第２回目の焼戻しとを同時に行うことで、組織の粗大化と軟化による信頼性の劣化に対処している。

基材に対して表面保護膜としてＤＬＣ膜を密着させる方法が特許文献２に開示されている。それによると、高速度鋼、ステンレス鋼、炭素鋼などの基材表面を４２３〜６２３Ｋに加熱して金属膜を形成することにより、金属膜を構成する金属が基材へ拡散し、ＤＬＣ膜の密着性を向上させている。

一方、基材の熱処理技術に関し、転がり軸受の耐転がり疲れ性を向上させる方法が特許文献３に開示されている。それによると、転動部品に深さ０〜５０μｍの範囲で最大圧縮残留応力を１００ｋｇｆ／ｍｍ^２とし、かつ、深さ３００μｍで最大圧縮残留応力を４０ｋｇｆ／ｍｍ^２以上とすることにより、異物混入潤滑環境下で転がり軸受の耐転がり疲れ性を向上させる。

さらに、短時間急速加熱による輪郭焼入れにより疲労強度は向上するが、硬さが支配的要因であるため、トライポロジーについては考慮されていない。

特開２００４−３２３８９８号公報 特許第４０２２０４８号公報 特開平０４−５４３１２号公報

ところで、パワートレイン系部品としての歯車についての損傷は、歯元の曲げ疲労破壊、衝撃破壊、ピッチ円直径位置での歯面疲労破壊に大別される。急速高周波加熱を行うことで、歯元の曲げ疲労及び衝撃破壊、ピッチ円直径位置での内部破壊に起因する歯面疲労破壊、即ちスポーリングは大幅に改善されることが知られている。しかしながら、高周波焼入れ処理を施しても、ピッチ円直径位置での表面破壊型の歯面疲労、即ちピッチングは急速高周波加熱でも改善されるが浸炭処理に比べ改善されない。これは、急速高周波加熱処理を施した場合と比べて浸炭処理を施した方が軟化抵抗がより高くなるためである。

なお、特許文献１に開示された手法では高速度工具鋼を対象としていることから、焼戻し処理を兼ねた成膜工程は８２３〜８７３Ｋ程度の高温でなされていると推察される。高温での成膜工程により二次硬化が生じ、焼入れの時より硬度が増す。高速度工具鋼では、Ｗ（タングステン）やＣｒ（クロム）などの元素が比較的多いことから、一度にマルテンサイトにならず、一部オーステナイトが残留する。そのため、特許文献１に開示された手法では、一回目の焼戻しにより残留オーステナイトがマルテンサイトに変態し、残留オーステナイトから炭化物が排出されることで硬度が増す。二度目の焼戻しにより、一回目の焼戻しで変態したマルテンサイトを安定化させている。ところが、炭素鋼からなる基材を高速度工具鋼のように高温で処理すると、組織の粗大化及び軟化により強度が低下するという問題が生じる。

特許文献２に開示された手法では、焼戻しにより基材が軟化する点について配慮されていない。

本発明は、上述した点に鑑み、急速高周波焼入れ処理の弱点を克服し、高い疲労強度を維持したままで、優れた摩擦特性を付与する表面改質方法と、それにより作製されるパワートレイン系部品を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の表面改質方法は、急速高周波焼入れにより基材表面から所定の深さ硬化させる焼入れ工程と、中間層として金属含有ＤＬＣ膜を形成し、その後、被膜層として金属含有のＤＬＣ膜と金属非含有のＤＬＣ膜とを交互に積層する成膜工程と、を含む。ここで、中間膜の形成は、金属ターゲットに印加するスパッタリング電力を徐々に低下させて行う。成膜工程は４７３Ｋ以下で行う。

本発明のパワートレイン系部品は、基材と基材上に形成された中間層と中間層上に形成された被膜層とからなり、基材が所定の深さの硬化層を有し、中間層が金属含有ＤＬＣ膜であって被膜層側に近づくに伴い硬さが増すように形成された層であり、被膜層は金属含有のＤＬＣ膜と金属非含有のＤＬＣ膜とが交互に積層してなる。ここで、被膜層の最表面層は金属非含有のＤＬＣ膜である。基材における硬化層は５００〜２０００ＭＰａの圧縮残留応力を有する。所定の深さとは、例えば１．５ｍｍ以下である。

本発明の表面改質方法によれば、先ず適切な深さで硬化層を形成するように基材に焼入れ処理を行い、次に中間層及び被膜層を順に堆積する。よって、中間層で基材との密着性が向上し、積層構造の被膜層が堆積される。このときの膜堆積温度が例えば４７３Ｋ以下と低温、即ち必要以上に焼戻しされない温度であるので、基材が軟化しない。よって、急速高周波焼入れ処理の浸炭処理に対する不足分を被膜層としてのＤＬＣ膜で補うことができる。

本発明のパワートレイン系部品によれば、上述の本発明の表面改質方法により作製することができるので、高い疲労強度を維持したまま、材料表面に優れた磨耗特性を付与することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。
（パワートレイン系部品）
本発明の実施形態に係るパワートレイン系部品について説明する。
図１は、実施形態に係るパワートレイン系部品１０の断面図である。パワートレイン系部品１０は、図１に示すように、基材１１と、この基材１１上に形成された中間層１２と、この中間層１２上に形成された被膜層１３と、からなる。

基材１１は例えば炭素鋼からなり、各種駆動伝達部品の形状を有する。基材１１には所定の深さを有するよう硬化層が形成されている。耐疲労性が要求されるパワートレイン系部品１０では、０．３ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の硬化層が形成されることが好ましい。耐摩耗性が要求されるパワートレイン系部品１０では、１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の硬化層が形成されることが好ましい。この硬化層は急速高周波加熱により焼入れ処理を行うことで形成される。なお、硬化層の深さは、ビッカース硬さ計で測定される測定断面硬さ分布により求められる。また、硬化層が５００〜２０００ＭＰａの圧縮残留応力を有することが好ましい。

中間層１２は、Ｗ（タングステン）などの金属を含むＤＬＣ膜である。この中間層１２は基材１１との密着性を向上させるために設けられている。中間層１２は、金属含有ＤＬＣ膜であって被膜層側に近づくに伴い硬さが増すように形成された層である。よって、中間層１２は、被膜層側が基材側より硬い傾斜構造となっている。

被膜層１３は、Ｗ（タングステン）などの金属を含むＤＬＣ膜（以下、「Ｍｅ-ＤＬＣ膜」とする）１３ａと金属を含まないＤＬＣ膜１３ｂとが交互に積層してなる。ここで、最表面側は金属非含有のＤＬＣ膜１３ｂである。Ｍｅ-ＤＬＣ膜１３ａはＤＬＣ膜と比べて軟質であり、金属の含有％が増えると低硬度となる。Ｍｅ−ＤＬＣ膜１３ａは被膜弾性のためと被膜層１３の強靭化を向上させるために設け、ＤＬＣ膜１３ｂは耐摩耗性、耐摺動性特性を確保するためである。被膜層１３が低硬度のＭｅ−ＤＬＣ膜１３ａと高硬度のＤＬＣ膜１３ｂとを交互に積層してなるので、内部応力も緩和する。なお、被膜層１３で最も中間層側は、Ｍｅ−ＤＬＣ膜１３ａでも金属非含有のＤＬＣ膜１３ｂでもよい。

（表面改質方法）
本発明の実施形態に係る表面改質方法について説明する。この表面改質方法は、前述のパワートレイン系部品１０の作製方法でもある。

第１工程として、基材１１に焼入れ処理を行う。
この焼入れ処理は、例えば急速高周波焼入れによりなされ、所定の深さだけ硬化処理が施される。ここで、急速高周波焼入れとは、高周波電力を投入して１秒以下という短時間で急速に加熱して焼入処理を行うことをいう。焼入れ処理後、表面が研磨され、超音波洗浄がなされる。これは、あとでコーティングする膜が２〜３μｍと薄いことに起因し、基材表面粗さの影響を抑えるためである。即ち、基材１１の表面粗さを緩和させるためである。ここで、基材１１には、調質処理と所定の形状及び大きさを有するように切削等の加工が予め施されている。

高周波焼入れにより基材１１の表面から所定の深さだけ硬化させることで、硬化層に圧縮残留応力を生じさせる。滑りを伴う転動疲労の内部せん断応力を考慮すると、有効硬化深さが１．５ｍｍより深くても効果は変わらないので、有効硬化深さは１．５ｍｍで十分である。１．５ｍｍ以下であれば目的に応じて適宜有効硬化深さを設定することが可能である。例えば、滑りを伴う転動疲労の内部せん断応力よりも、表面の圧縮残留応力を高くしたいのであれば、有効硬化層を浅くすればよい。なお、有効硬化深さはＪＩＳ規格で定められている手順で求めた値である。

第２工程として成膜処理を行う。その際、ＰＶＤ法などの各種成膜方法を採用することができ、特にＵＢＭＳ（Unbalanced Magnetron Sputtering）法を用いることが好ましい。以下の説明ではＵＢＭＳ法を前提に説明する。

図２は第２工程における成膜処理を説明するための図である。横軸はプロセス時間で、縦軸はスパッタリング電力である。
焼入れ処理を施した基材１１において、改質を施す部位又は全表面に、中間層１２と被膜層１３とを順に堆積させる。成膜温度は、必要以上に焼戻しされない温度以下であればよく、例えば４２３±５０Ｋが好ましい。この温度範囲であれば、基材１１の表面から所定の深さまでに形成された硬化層が必要以上に軟化しないためである。よって、急速高周波加熱による焼入れ処理の特性が失われない。

中間層１２と被膜層１３とを次の要領で連続して堆積させる。なお、使用する成膜装置にはＷターゲットとカーボンターゲットとを備え、各ターゲットに対向する位置に基材１１が配置される。この成膜装置では、Ｗターゲットに印加するスパッタ電力とカーボンターゲットに印加するスパッタ電力とを独立に制御することができる。

先ず、カーボンターゲットに印加する電力を一定とする一方、Ｗターゲットに印加する電力を徐々に低下させることで、Ｗ含有％が徐々に減少したＭｅ-ＤＬＣ膜を基材１１に堆積させる。よって、中間層１２はＷとＤＬＣとによる傾斜構造となり、中間層１２内で深さが浅くなるに従い硬度が徐々に増す。
引き続いて、被膜層１３として、Ｗを所定の割合で含んだＭｅ−ＤＬＣ膜１３ａとＤＬＣ膜１３ｂとをそれぞれ所定の厚みで交互に繰り返して堆積させる。被膜層１３は、Ｍｅ−ＤＬＣ膜１３ａとＤＬＣ膜１３ｂとが交互に積層してなる。よって、硬度の異なる膜が互い違いに積層される。ここで、Ｍｅ−ＤＬＣ膜１３ａに含まれる金属、例えばＷは例えば５〜１５％前後である。被膜層１３において、パワートレイン系部品表面における硬度が高い方が好ましい場合にはＷの含有割合を例えば５％と低下させる一方、パワートレイン系部品表面における硬度が通常より低い方が好ましい場合にはＷの含有割合を例えば１５％と増加させる。Ｗターゲットに印加する電力を制御することで、Ｍｅ−ＤＬＣ膜中のＷの含有％を調整することができる。

Ｗターゲット及びカーボンターゲットに印加する電力は具体的には次の通りである。Ｗターゲットに印加する電力を、ｔ_０〜ｔ_１の間でＰ_ｗ１一定し、その後時間ｔ_１〜ｔ_３の間でＰ_ｗ１から徐々に例えば直線的に減少させ、時間ｔ_３でＰ_ｗ２になると、堆積終了までの時間ｔ_３〜ｔ_４の間、間隔ｔ＝（ｔ_４−ｔ_３）／ｎでデューティ比を５０％としてＰ_ｗ２とゼロとを所定の回数繰り返す。なお、ｎは繰り返し数であり、Ｍｅ−ＤＬＣ膜１３ａ及びＤＬＣ膜１３ｂの各積層回数である。
カーボンターゲットに印加する電力を、ｔ_０〜ｔ_２の間でゼロから徐々に例えば直線的に上昇させ、時間ｔ_２でＰ_ｃ１になると堆積終了までのｔ_２〜ｔ_４の間Ｐ_ｃ１一定とする。

この連続プロセスにより、中間層１２では徐々に硬度が高くなり、被膜層１３では低硬度の膜と高硬度の膜とが積層される。成膜時の基材温度は、成膜可能な温度であればよく、４２３±５０Ｋの範囲が好ましい。基材１１が好ましい温度に達すると、中間層１２の堆積を開始し、被膜層１３の堆積終了に伴い、基材の温度を下げる。

試験片における基材の素材として、構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃを用いた。構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃは、重量％として、Ｃを０．４７％、Ｓｉを０．２４％、Ｍｎを０．６７％、Ｐを０．０２２％、Ｓを０．０１２％、Ｎｉを０．０７％、Ｃｒを０．２０％、Ｃｕを０．１４％含んでいる。炉加熱により同材に調質処理を施した。具体的には１１７３Ｋの焼入れと８７３Ｋの焼戻しを行った。

調質処理後、図３及び図４に示す形状、寸法を有する疲労試験用試験片と摩擦磨耗試験片との各基材を作製した。図３は実施例１における疲労試験用試験片の基材１の側面図であり、図４は実施例１における摩擦磨耗試験片の基材２を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。
疲労試験用試験片における基材１は、直径１６ｍｍ、長さ１８０ｍｍの棒材であり、長手方向の中心部位が太さ７ｍｍとなるよう断面曲率２０ｍｍで窪んでおり、そのセンターが角度６０°、深さ０．５ｍｍ、断面曲率０．４ｍｍで切り欠き部を有している。
摩擦磨耗試験片の基材２は、直径φ１５ｍｍで、高さ１０ｍｍの円柱状である。

先ず、第１工程として、各基材１，２に急速高周波焼入れ処理を行った。図３及び図４にハッチングを付した領域に急速高周波焼入れ処理を施した。図５及び６はそれぞれ、図３、図４に示す各基材の急速高周波焼入れ処理を行う熱サイクルを示す図である。
疲労試験用試験片の基材１は、図５に示すように、加熱開始から０．２２秒で１２４８Ｋに加熱し、その後、水で急速に冷却した。硬化層の深さは０．５ｍｍであった。
磨耗摩擦試験用試験片の基材２は、図６に示すように、加熱開始から１秒で１２４６Ｋに加熱し、その後水で急速に冷却した。その結果、硬化層の深さは１．０ｍｍであった。
急速高周波焼入れを施した基材１，２は、その表面を研磨して超音波洗浄を行った。これにより、基材の表面粗さを緩和させた。

次に、第２工程として、ＵＢＭＳにより成膜処理を行った。
図７は、第２工程での成膜処理における基材の温度を示す図である。横軸は時間（分）であり、縦軸は温度（Ｋ）である。約１００分間で室温から４２３Ｋまで昇温し、その後、４２３Ｋで一定に維持して成膜を行い、その後、加熱を止めて降温した。
基材が４２３Ｋまで昇温して成膜を開始した。カーボンターゲットに印加する電力がＰ_ｃ１に達すると一定とする一方、Ｗターゲットに印加する電力を低下させ、中間層を堆積させた。これにより、ＷとＤＬＣとの傾斜構造を有する約２μｍの厚さの中間層を基材上に堆積させた。
中間層１２の堆積に続けて、基材温度を４２３Ｋのままに維持し、カーボンターゲットに印加する電力がＰ_ｃ１になると一定とする一方、Ｗターゲットに印加する電力をＯＮ／ＯＦＦさせた。これにより、被膜層１３として、Ｗを１０％含有したＭｅ−ＤＬＣ膜１３ａとＷを含まないＤＬＣ膜１３ｂを交互に５層ずつ積層させた。Ｍｅ−ＤＬＣ膜１３ａとＤＬＣ膜１３ｂは何れも１００ｎｍの厚みを有し、被膜層１３全体の厚みを約１μｍとした。つまり、最表面には、金属を含まないＤＬＣ膜１３ｂを堆積させた。

（比較例）
比較例として、実施例と同様に第１工程のみ行い、第２工程を行わなかった。なお、応力除去のため真空加熱炉を用いて４２３Ｋで２時間保温した後、炉冷した。

＜硬度＞
被膜の硬度をダイナミックス超微小硬さ計で測定した。なお、ダイヤモンド圧子で負荷荷重を５ｍＮとした。実施例１では、約２２５０Ｈｖであったが、比較例では約７００Ｈｖであった。つまり、成膜処理により硬さが約３倍増加した。

＜磨耗摩擦試験結果＞
ボールオンディスク型磨耗摩擦試験機により磨耗摩擦試験を行った。なお、ボール材はＳＵＪ２であり、負荷荷重を２Ｎとし、摺動速度を２０ｍｍ／秒とした。
図８は、磨耗摩擦試験結果を示す図である。横軸は摺動距離（Ｋｍ）、縦軸は摩擦係数μ（無次元）である。実施例１では、摺動開始直後では摩擦係数μは０．４と高いものの、摺動距離が０．３ｋｍ以降では０．１程度と低下している。これは、相手材への攻撃性が低いためと推察される。一方、比較例では、摺動距離の増加によりやや増加し、全体として０．４〜０．５程度であった。

＜疲労特性＞
小野式回転曲げ疲労試験機による疲労試験を行った。なお、回転数を３００ｒｐｍとした。図９は、疲労試験結果を示す図である。横軸は、破断繰り返し数Ｎｆであり、左縦軸は公称応力（ＭＰａ）であり、右縦軸は実応力（ＭＰａ）である。図中、●プロットが実施例１の結果を示し、○プロットが比較例の結果を示す。
実施例１、比較例を問わず、同様の疲労寿命曲線が得られた。実施例１で作製した試験片について疲労試験を行った後の様子を観察したところ、中間層及び被膜層の状態も良好で、マクロ的な割れも生じていなかった。また、基材から中間層や被膜層が剥がれておらず、基材との界面も密着していた。

＜ローラピッチング特性＞
ローラピッチング試験機によりローラピッチング特性を調べた。図１０は、ローラピッチング特性の結果を示す図である。横軸は繰り返し数（回）であり、縦軸は面圧（ＭＰａ）である。図中、◆プロットが実施例１の結果を示し、■プロットが比較例の結果を示す。３２００ＭＰａの面圧で比較すると、寿命は、実施例１では１．５×１０^６回であったのに対し、比較例では２．５×１０^５回であった。よって、被膜処理により約６倍性能が向上した。

実施例１と同様な素材、即ち、構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃを用いて平歯車を作製した。作製した歯車の主な諸元は、モジュール２、歯数４０、圧力角２０°、歯先円直径１２６ｍｍ、厚さ２０ｍｍとした。この歯車に対し、実施例１と同様に急速高周波焼入れ処理を施した。図１１は、実施例２に関し、急速高周波焼入れの際の熱サイクルを示す図である。図の横軸は時間であり、縦軸は温度である。図１１に示すように、加熱開始から時間ｔ_１１で温度Ｔ_１まで加熱し、所定時間経過後、別の加熱開始から時間ｔ_１２で温度Ｔ_２まで急速に加熱することで、急速高周波焼入れを行う。ケース１では、時間ｔ_１１を１．５秒、温度Ｔ_１を６９５Ｋとし、時間ｔ_１２を０．１９秒、温度Ｔ_２を１１４３Ｋとした。ケース３では、時間ｔ_１１を１．５秒、温度Ｔ_１を９０７Ｋとし、時間ｔ_１２を０．２７秒、温度Ｔ_２を１２３７Ｋとした。ケース４では、時間ｔ_１１を８．０秒、温度Ｔ_１を７６１Ｋとし、時間ｔ_１２を０．２３秒、温度Ｔ_２を１２６１Ｋとした。ここで、最初の加熱が所謂予熱処理で、二番目の加熱が本加熱処理であり、この本加熱処理が急速高周波焼入れ処理に該当する。

図１２は、実施例２の結果として、硬化層深さ（ｍｍ）と圧縮残留応力（ＭＰａ）の関係を示す図表である。図表から、有効硬化層深さが０．３〜０．８２ｍｍのとき、圧縮残留応力が１０００ＭＰａ以上と高い値を示している。このように、高い圧縮残留応力が生じている基材に対し実施例１と同様に、傾斜構造の中間層と積層構造の被膜層とを順に堆積させた。

実施例１と同様の試験評価を行ったところ、ローラピッチング特性、動作時における歯元応力の低減、低騒音の点で性能が向上したことを確認した。よって、本発明に係る処理方法を施すことにより、歯車の寿命を延ばすことができた。

なお、有効硬化深さは、モジュール３以下の歯車においては０．３〜０．８ｍｍが好適であり、第２工程に沿って成膜を行うことが好ましく、歯車以外のパワートレイン系部品、例えばカムやシャフト等では、有効硬化深さは１．５ｍｍ程度でよいことを確認した。

本発明の実施形態に係るパワートレイン系部品の断面図である。 本発明の実施形態に係る表面改質方法に関し、第２工程における成膜処理を説明するための図である。 実施例１における疲労試験用試験片の基材の側面図である。 実施例１における摩擦磨耗試験片の基材を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。 図３に示す基材の急速高周波焼入れ処理を行う熱サイクルを示す図である。 図４に示す基材の急速高周波焼入れ処理を行う熱サイクルを示す図である。 第２工程における成膜処理での基材の温度を示す図である。 磨耗摩擦試験結果を示す図である。 疲労試験結果を示す図である。 ローラピッチング特性の結果を示す図である。 実施例２に関し、急速高周波焼入れの際の熱サイクルを示す図である。 実施例２の結果として、硬化層深さと圧縮残留応力との関係を示す図表である。

符号の説明

１，２，１１ 基材
１０：パワートレイン系部品
１２：中間層
１３：被膜層
１３ａ：金属含有ＤＬＣ膜（Ｍｅ−ＤＬＣ膜）
１３ｂ：ＤＬＣ膜

Claims (6)

1. 急速高周波焼入れにより基材表面から所定の深さ硬化させる焼入れ工程と、
   金属ターゲットに印加するスパッタリング電力を徐々に低下させて中間層として金属含有ＤＬＣ膜を形成し、その後被膜層として金属含有のＤＬＣ膜と金属非含有のＤＬＣ膜とを交互に積層する成膜工程と、を含む、表面改質方法。
2. 前記成膜工程は４７３Ｋ以下で行う、請求項１に記載の表面改質方法。
3. 基材とこの基材上に形成された中間層とこの中間層上に形成された被膜層とからなり、
   上記基材が所定の深さの硬化層を有し、
   上記中間層が金属含有ＤＬＣ膜であって上記被膜層側に近づくに伴い硬さが増すように形成された層であり、
   上記被膜層が金属含有ＤＬＣ膜と金属非含有のＤＬＣ膜とが交互に積層してなる、パワートレイン系部品。
4. 前記被膜層の最表面層は金属非含有のＤＬＣ膜である、請求項３に記載のパワートレイン系部品。
5. 前記基材における硬化層が５００〜２０００ＭＰａの圧縮残留応力を有する、請求項３に記載のパワートレイン系部品。
6. 前記所定の深さが１．５ｍｍ以下である、請求項３に記載のパワートレイン系部品。