JP6487276B2 - 摺動部材の製造方法およびクラッチプレートの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、摺動部材の製造方法およびクラッチプレートの製造方法に関するものである。
特許文献１には、摺動部材の製造方法として、電磁クラッチ装置のクラッチプレートの製造方法が記載されている。特許文献１の摺動部材の製造方法は、鋼材からなる素材を６６０〜６９０℃のアンモニアを含む雰囲気中で０．５〜１．５時間加熱処理を行い、次いで、６０〜８０℃の油温にて油冷を行い、最後に、素材を加圧しながら２５０〜３５０℃の温度にて焼戻し処理を行う。これにより、窒素化合物層と窒素拡散層がそれぞれ２０〜５０μｍ程度の厚さに形成される。
ここで、クラッチプレートなどの摺動部材が長時間使用された場合、摺動部材の表面が摩耗することにより、相手部材との接触面積が変化するため、両者間の伝達トルクが増大する。よって、クラッチプレートなどの摺動部材には、耐摩耗性を向上させたいとの要請がある。また、クラッチプレートなどの摺動部材の表面は、高い平坦度を確保する必要がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、耐摩耗性を向上できるとともに、比較的高い平坦度を確保できる摺動部材の製造方法およびクラッチプレートの製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、摺動部材の製造方法として把握することができ、また摺動部材の一態様としての電磁クラッチのクラッチプレートの製造方法として把握することもできる。
（摺動部材の製造方法）
摺動部材の製造方法は、鋼材からなる母材部と、母材部の表面側に形成される窒素拡散層と、窒素拡散層の表面側に形成される窒素化合物層と、窒素化合物層の最表面に形成される酸化層と、を備える摺動部材の製造方法において、鋼材からなる素材に対してアンモニアを含む雰囲気にて加熱処理を行った後に冷却処理を行う第一工程と、第一工程に続いて、表面側を加圧しながら焼戻し処理を行う第二工程と、第二工程に続いて、前記素材を保持する処理室内に窒素ガスを供給しながら前記処理室内の雰囲気温度を所定温度まで昇温し、前記雰囲気温度が前記所定温度まで昇温した状態を一定の間維持した後に、前記雰囲気温度が前記所定温度に維持された前記処理室内で前記素材を水蒸気雰囲気にて加熱する水蒸気処理を行う第三工程と、を行うことにより、窒素拡散層、窒素化合物層および酸化層を形成する。
摺動部材の製造方法は、鋼材からなる母材部と、母材部の表面側に形成される窒素拡散層と、窒素拡散層の表面側に形成される窒素化合物層と、窒素化合物層の最表面に形成される酸化層と、を備える摺動部材の製造方法において、鋼材からなる素材に対してアンモニアを含む雰囲気にて加熱処理を行った後に冷却処理を行う第一工程と、第一工程に続いて、表面側を加圧しながら焼戻し処理を行う第二工程と、第二工程に続いて、前記素材を保持する処理室内に窒素ガスを供給しながら前記処理室内の雰囲気温度を所定温度まで昇温し、前記雰囲気温度が前記所定温度まで昇温した状態を一定の間維持した後に、前記雰囲気温度が前記所定温度に維持された前記処理室内で前記素材を水蒸気雰囲気にて加熱する水蒸気処理を行う第三工程と、を行うことにより、窒素拡散層、窒素化合物層および酸化層を形成する。
（クラッチプレートの製造方法）
クラッチプレートの製造方法は、電磁クラッチを構成するクラッチプレートの製造方法であって、上述した摺動部材の製造方法を用いる。
クラッチプレートの製造方法は、電磁クラッチを構成するクラッチプレートの製造方法であって、上述した摺動部材の製造方法を用いる。
上述した摺動部材の製造方法によれば、第三工程にて水蒸気処理を行っているため、窒素化合物層の最表面に四酸化三鉄からなる緻密な酸化層を形成することができる。これにより、凝着摩耗を抑制することができるため、摺動部材の耐摩耗性を向上させることができる。
さらに、第三工程の水蒸気処理は、第二工程の焼戻し処理に続いて行うため、比較的高い平坦度を確保することができる。仮に、第一工程の冷却処理に続いて（焼戻し処理でなく）水蒸気処理を行った場合、水蒸気処理において素材が加圧されない状態にて残留オーステナイトがマルテンサイトに変態し、第一工程で生じた素材の歪が矯正されないまま素材が硬化してしまう。よって、これに続いて素材を加圧した状態で焼戻し処理を行っても最終的な摺動部材の平坦度が低下する。
また、第二工程における焼戻し処理は、第一工程の冷却処理に続いて行われるため、平坦度を良好にすることができる。さらに、焼戻し処理は、素材を加圧させることで歪を矯正しながら残留オーステナイトをマルテンサイトに変態させるため、平坦度をさらに向上させることができる。また、焼戻し処理においては、残留オーステナイトがマルテンサイトに変態するため、摺動部材の表面側の硬度を確保することができる。
上述したクラッチプレートの製造方法によれば、上述した摺動部材の製造方法による効果を奏する。
また、焼戻し工程を行う場合には、窒素化合物層および窒素拡散層に含まれている非磁性である残留オーステナイトを磁性であるマルテンサイトに変態させることができる。これにより、クラッチプレートの透磁率および硬度を上げることができる。
（摺動部材またはクラッチプレートの説明）
本発明の製造方法で製造された摺動部材またはクラッチプレートについて図面を参照して説明する。摺動部材またはクラッチプレートの表面構造について、図１を参照して説明する。摺動部材またはクラッチプレートは、炭素鋼などの鋼材からなる素材の表面に、窒化処理および水蒸気処理を施してなる。なお、当該摺動部材の例としては、電磁クラッチ装置を構成するクラッチプレートの他、ＬＳＤクラッチの鉄系クラッチプレート、ブレーキパッドなどが挙げられる。
本発明の製造方法で製造された摺動部材またはクラッチプレートについて図面を参照して説明する。摺動部材またはクラッチプレートの表面構造について、図１を参照して説明する。摺動部材またはクラッチプレートは、炭素鋼などの鋼材からなる素材の表面に、窒化処理および水蒸気処理を施してなる。なお、当該摺動部材の例としては、電磁クラッチ装置を構成するクラッチプレートの他、ＬＳＤクラッチの鉄系クラッチプレート、ブレーキパッドなどが挙げられる。
図１に示すように、当該摺動部材は、鋼材からなる母材部１１０と、母材部１１０の表面側に５〜５０μｍの厚さに形成される窒素拡散層１２０と、窒素拡散層１２０の表面側に５〜５０μｍの厚さに形成される窒素化合物層１３０と、窒素化合物層１３０の最表面に０．３〜３μｍの厚さに形成される酸化層１４０とを備える。
素材は、炭素含有量が０．１０〜０．２０％の鋼材を用いる。一般的に、低炭素鋼であるほど、安価であるが、表面の高硬度化が容易ではない。しかし、本発明によれば、例えば、S15Cなどの低炭素鋼であっても、後述するように、表面の高硬度化を図ることができる。そして、母材部１１０は、素材と同一である。
窒素拡散層１２０は、窒素が固溶されている。窒素化合物層１３０は、Ｆｅ２Ｎ等の窒素化合物からなる層である。酸化層１４０は、主として四酸化三鉄からなる酸化皮膜である。
（製造方法）
次に、摺動部材またはクラッチプレートの表面の熱処理方法（製造方法）について図２に示すフローチャートを参照して説明する。素材に対して、前酸化処理を行う（Ｓ１；前酸化工程（本発明の第四工程に相当））。この前酸化処理は、窒化処理の前に行う処理である。前酸化処理を行うことにより、素材に対して窒化反応を促進させることができる。前酸化処理は、加熱温度Ｔｅ１である３００〜４５０℃（好ましくは３４０〜４４０℃）の酸化雰囲気にて、素材に対して酸化処理を行う。具体的には、図３に示すように、容積１〜３m3の処理室を加熱温度Ｔｅ１まで昇温する。昇温完了後に時間Ｔｉ１の間維持する。時間Ｔｉ１は、１〜２時間である。
次に、摺動部材またはクラッチプレートの表面の熱処理方法（製造方法）について図２に示すフローチャートを参照して説明する。素材に対して、前酸化処理を行う（Ｓ１；前酸化工程（本発明の第四工程に相当））。この前酸化処理は、窒化処理の前に行う処理である。前酸化処理を行うことにより、素材に対して窒化反応を促進させることができる。前酸化処理は、加熱温度Ｔｅ１である３００〜４５０℃（好ましくは３４０〜４４０℃）の酸化雰囲気にて、素材に対して酸化処理を行う。具体的には、図３に示すように、容積１〜３m3の処理室を加熱温度Ｔｅ１まで昇温する。昇温完了後に時間Ｔｉ１の間維持する。時間Ｔｉ１は、１〜２時間である。
前酸化処理（Ｓ１）に続いて、図２に示すように、加熱処理（Ｓ２、加熱工程）を行う。加熱処理は、加熱温度Ｔｅ２である５７０〜６６０℃（好ましくは６００〜６５０℃）のアンモニア雰囲気（アンモニアを含む雰囲気）にて、素材に対して加熱処理を行う。具体的には、図３に示すように行う。まず、素材を容積１〜３m3の処理室に保持する。このときの処理室内の雰囲気温度は、５００℃以下となる。そして、処理室内の雰囲気温度が、加熱温度Ｔｅ２となるように昇温し始める。そして、昇温している途中において、窒素（N2）ガスを０〜５m3/Hrで供給する。昇温完了後に時間Ｔｉ２の間維持する。時間Ｔｉ２は、０〜１時間である。このとき、処理室内温度が均一化されるとともに、素材が予熱される。
時間Ｔｉ２が経過した後、さらに時間Ｔｉ３の間、雰囲気温度を加熱温度Ｔｅ２の一定温度に保持する。時間Ｔｉ３は、０．５〜１．５時間である。また、時間Ｔｉ３の間、処理室内をアンモニア雰囲気にする。具体的には、アンモニア（NH3）ガスを３〜７m3/Hrで供給すると共に、二酸化炭素（CO2）ガスを０．１〜０．６m3/Hrで供給する。このとき、素材は窒化される。なお、アンモニア雰囲気では、窒素ガスを供給しないでもよい。
加熱処理（Ｓ２）に続いて、図２に示すように、冷却処理（Ｓ３、冷却工程）を行う。本実施形態において冷却処理は、油冷である。具体的には、図３に示すように、窒素雰囲気で６０〜８０℃の油温Ｔｅ３の焼入れ油に素材を入れる。このとき、素材が酸化されないようにする。なお、この冷却処理においては、マルテンサイト変態の進行が比較的鈍いため、残留オーステナイトが残存する。なお、上述した加熱工程および冷却工程は、本発明の第一工程に相当する。
冷却処理（Ｓ３）にて素材の温度が冷却処理の油温Ｔｅ３に達すると、続いて、図２に示すように、焼戻し処理（Ｓ４、焼戻し工程（本発明の第二工程に相当））を行う。具体的には、焼戻し処理は、図３に示すように、素材の表面側を加圧しながら、窒素雰囲気で２００〜４７０℃（好ましくは３００〜４５０℃）である炉温Ｔｅ４の容積１〜３m3の加熱炉に素材を入れて、時間Ｔｉ４の間維持する。時間Ｔｉ４は、２〜５時間である。この焼戻し処理をプレステンパとも称される。このとき、残留オーステナイトがマルテンサイトに変態する。
焼戻し処理（Ｓ４）に続いて、図２に示すように、水蒸気処理（Ｓ５、水蒸気処理工程（本発明の第三工程に相当））を行う。水蒸気処理は、処理温度Ｔｅ５である３５０〜５００℃（好ましくは３９０〜４８０℃）の水蒸気雰囲気にて、素材に対して水蒸気処理を行う。具体的には、図３に示すように、まず、素材を容積１〜３m3の処理室に保持する。処理室内の雰囲気温度が、処理温度Ｔｅ５となるように昇温し始める。そして、昇温している途中において、窒素（N2）ガスを１〜８m3/Hrで供給する。昇温完了後に時間Ｔｉ５の間維持する。この時間Ｔｉ５は、０．５〜１時間である。このとき、処理室内温度が均一化されるとともに、素材が予熱される。
時間Ｔｉ５が経過した後、さらに時間Ｔｉ６の間、雰囲気温度を処理温度Ｔｅ５の一定温度に保持する。時間Ｔｉ６は、２〜４時間である。また、時間Ｔｉ６の間、処理室内を水蒸気雰囲気にする。具体的には、水蒸気（スチーム）を８０〜１００m3/Hrで供給する。このとき、素材に四酸化三鉄からなる酸化被膜が形成される。なお、この水蒸気処理は、ホモ処理とも称される。
以上の処理により、図１に示したように、素材の表面に酸化層１４０、窒素化合物層１３０および窒素拡散層１２０を形成する。
以上の処理により、図１に示したように、素材の表面に酸化層１４０、窒素化合物層１３０および窒素拡散層１２０を形成する。
なお、酸化層１４０を形成する場合において、上述した水蒸気処理に代えて、次の処理を行うようにしても良い。例えば、Laux法により金属鉄を酸化させても良い。Laux法によれば、塩化鉄を触媒としてニトロベンゼンを金属鉄と反応させてアニリンとする際に、四酸化三鉄を生成する。また、例えば、水酸化鉄(II)のような鉄(II)塩に対して、ｐＨを制御しながら曝気処理をすることで、四酸化三鉄を生成するようにしても良い。さらに、三酸化二鉄を水素または一酸化炭素により還元することにより四酸化三鉄を生成するようにしても良い。
また、上述した製造方法において、前酸化処理工程を省略しても良い。
また、上述した製造方法において、前酸化処理工程を省略しても良い。
（比較実験）
次に、本実施形態の製造方法により得られた部材の平坦度（歪変化量）、および、この部材をクラッチプレートに適用した場合の実機耐久摩擦試験後における摩耗量について評価する。
次に、本実施形態の製造方法により得られた部材の平坦度（歪変化量）、および、この部材をクラッチプレートに適用した場合の実機耐久摩擦試験後における摩耗量について評価する。
（実施例）本実施形態の実施例は、図２および図３に示す製造方法を適用したものである。実施例では、素材として炭素鋼(JIS G4051(2009改正):S12C)を用い、処理室の容積を２m3とし、前酸化工程において、加熱温度Ｔｅ１を４２０℃、時間Ｔｉ１を１時間とする。
加熱工程において、加熱温度Ｔｅ２を６４０℃、時間Ｔｉ２を６０分とし、窒素ガスを０．６m3/Hrで供給する。また、時間Ｔｉ３を６５分とし、アンモニアガスを５m3/Hr、二酸化炭素ガスを０．３m3/Hrで供給する。
冷却工程における油温Ｔｅ３は、７０℃とする。冷却工程に用いる冷却油（焼入油）は、パラフィン系基油としたJIS１種２号に相当する真空熱処理用の高性能ハイスピードクエンチ油（動粘度：１６±２．５mm2/s（４０℃），引火点（COC）：１７８℃，冷却性能特性温度：６２０℃，商品名：特殊焼入油V-1700S（日本グリース株式会社製））を用いる。
焼戻し工程において、炉温Ｔｅ４を４５０℃、時間Ｔｉ４を３時間とし、窒素ガスを２m3/Hrで供給する。
水蒸気処理工程において、処理温度Ｔｅ５を４５０℃、時間Ｔｉ５を３０分、時間Ｔｉ６を２．５時間とする。また、窒素ガスを７m3/Hr、水蒸気を９０m3/Hrで供給する。
加熱工程において、加熱温度Ｔｅ２を６４０℃、時間Ｔｉ２を６０分とし、窒素ガスを０．６m3/Hrで供給する。また、時間Ｔｉ３を６５分とし、アンモニアガスを５m3/Hr、二酸化炭素ガスを０．３m3/Hrで供給する。
冷却工程における油温Ｔｅ３は、７０℃とする。冷却工程に用いる冷却油（焼入油）は、パラフィン系基油としたJIS１種２号に相当する真空熱処理用の高性能ハイスピードクエンチ油（動粘度：１６±２．５mm2/s（４０℃），引火点（COC）：１７８℃，冷却性能特性温度：６２０℃，商品名：特殊焼入油V-1700S（日本グリース株式会社製））を用いる。
焼戻し工程において、炉温Ｔｅ４を４５０℃、時間Ｔｉ４を３時間とし、窒素ガスを２m3/Hrで供給する。
水蒸気処理工程において、処理温度Ｔｅ５を４５０℃、時間Ｔｉ５を３０分、時間Ｔｉ６を２．５時間とする。また、窒素ガスを７m3/Hr、水蒸気を９０m3/Hrで供給する。
（比較例１）比較例１は、図４に示すフローチャートおよび図５に示す熱処理工程を適用した場合とする。この場合の素材は、実施例と同一の炭素鋼を用いる。具体的には、焼鈍し工程（Ｓ１１）→前酸化工程（Ｓ１２）→加熱工程（Ｓ１３）→冷却工程（Ｓ１４）→水蒸気処理工程（Ｓ１５）→焼戻し工程（Ｓ１６）を行う。焼鈍し工程（Ｓ１１）以外の各工程は、上述した実施例における各工程と同様の工程である。すなわち、本比較例１においては、上述した実施例に対して、焼鈍し工程（Ｓ１１）を追加した点、水蒸気処理工程（Ｓ１５）と焼戻し工程（Ｓ１６）との順序が逆である点が異なっている。
焼鈍し工程（Ｓ１１）は、加熱温度Ｔｅ６である６００〜７００℃（好ましくは６２０〜６８０℃）の窒素雰囲気にて行う。具体的には、図５に示すように、素材の表面側を加圧しながら、容積２m3の処理室を加熱温度Ｔｅ６まで昇温する。昇温完了後に時間Ｔｉ７の間維持する。時間Ｔｉ７は、３〜５時間である。これにより、素材に対するプレス成型時の残留応力が除去され、この工程以降の工程における歪が抑制される。なお、この焼鈍し工程は、ホットプレスとも称される。比較例１においては、加熱温度Ｔｅ６を６５０℃、時間Ｔｉ７を３．５時間とする。
（比較例２）比較例２は、図６に示すフローチャートを適用した場合とする。この場合の素材は、実施例と同一の炭素鋼を用いる。具体的には、焼鈍し工程（Ｓ２１）→前酸化工程（Ｓ２２）→加熱工程（Ｓ２３）→冷却工程（Ｓ２４）→焼戻し工程（Ｓ２５）を行う。各工程は、上述した実施例、比較例１における各工程と同様の工程である。比較例２においては、上述した比較例１に対して、水蒸気処理工程を行わない点が異なっている。
（平坦度）
実施例および比較例１の部材に対して、平坦度の平均値μおよび標準偏差σを比較する。評価数はｎ＝２５とした。図７に示すように、実施例の平均値μが７４．０μｍ、標準偏差σが１１．２であるのに対し、比較例１の平均値μが７８．４μｍ、標準偏差σが２２．９である。比較例１が焼鈍し処理をしているにも関わらず、比較例１の平坦度より実施例の平坦度の方が良好である。これは、比較例１において、冷却工程後に水蒸気処理工程が行われる場合、水蒸気処理工程において、素材が加圧されない状態において残留オーステナイトがマルテンサイト変態することにより、後の焼戻し工程において、素材が組織変態をともなわないため、加圧による平坦度の矯正効果が低くなることが要因であると考えられる。
実施例および比較例１の部材に対して、平坦度の平均値μおよび標準偏差σを比較する。評価数はｎ＝２５とした。図７に示すように、実施例の平均値μが７４．０μｍ、標準偏差σが１１．２であるのに対し、比較例１の平均値μが７８．４μｍ、標準偏差σが２２．９である。比較例１が焼鈍し処理をしているにも関わらず、比較例１の平坦度より実施例の平坦度の方が良好である。これは、比較例１において、冷却工程後に水蒸気処理工程が行われる場合、水蒸気処理工程において、素材が加圧されない状態において残留オーステナイトがマルテンサイト変態することにより、後の焼戻し工程において、素材が組織変態をともなわないため、加圧による平坦度の矯正効果が低くなることが要因であると考えられる。
（実機耐久摩擦試験）
実施例、比較例１および比較例２の部材に対する実機耐久摩擦試験を行った。当該試験には、駆動力伝達装置を構成する電磁クラッチを適用した。具体的には、上記実施例および比較例の各表面処理を、当該電磁クラッチを構成し且つ複数の同心円の環状溝を有するアウタパイロットクラッチプレート４４ｂ（図９、図１０に示す）に施す。アウタパイロットクラッチプレート４４ｂの相手材であって、複数の交差する溝を有するインナパイロットクラッチプレート４４ａ（図９、図１１に示す）は、ダイヤモンドライクカーボン（DLC）膜をコーティングした。試験条件は、電磁クラッチ部の面圧０．２MPa、すべり速度０．０２m/s、カップリングフルード（動粘度４０℃、２３mm2/s）潤滑下、カップリング表面温度９０〜１００℃、耐久時間４８０ｈ連続スリップ、３８０Ｗのエネルギーのもと、耐久試験を行った。
実施例、比較例１および比較例２の部材に対する実機耐久摩擦試験を行った。当該試験には、駆動力伝達装置を構成する電磁クラッチを適用した。具体的には、上記実施例および比較例の各表面処理を、当該電磁クラッチを構成し且つ複数の同心円の環状溝を有するアウタパイロットクラッチプレート４４ｂ（図９、図１０に示す）に施す。アウタパイロットクラッチプレート４４ｂの相手材であって、複数の交差する溝を有するインナパイロットクラッチプレート４４ａ（図９、図１１に示す）は、ダイヤモンドライクカーボン（DLC）膜をコーティングした。試験条件は、電磁クラッチ部の面圧０．２MPa、すべり速度０．０２m/s、カップリングフルード（動粘度４０℃、２３mm2/s）潤滑下、カップリング表面温度９０〜１００℃、耐久時間４８０ｈ連続スリップ、３８０Ｗのエネルギーのもと、耐久試験を行った。
そして、実施例、比較例１および比較例２の摩擦試験後の摩耗量について測定した。ここで、上記摩擦試験を行うことで、各プレート４４ａ，４４ｂの表面の摩耗量が少ないほど、耐久性能が高いとして評価される。
図８に示すように、インナパイロットクラッチプレート４４ａにおいて、水蒸気処理が行われた実施例および比較例１の摩耗量は、０．３８μｍおよび０．６０μｍであるのに対し、水蒸気処理が行われていない比較例２の摩耗量は、１．０８μｍであった。また、アウタパイロットクラッチプレート４４ｂにおいて、実施例および比較例１の摩耗量は、１．８７μｍおよび１．２８μｍであるのに対し、比較例２の摩耗量は、２．３５μｍであった。実施例および比較例１は、水蒸気処理により形成された酸化層１４０が形成されているため、酸化層１４０が形成されていない比較例２に対して摩耗量が少なくなっていると考えられる。
（まとめ）
本実施形態によれば、摺動部材の製造方法は、鋼材からなる母材部１１０と、母材部１１０の表面側に形成される窒素拡散層１２０と、窒素拡散層１２０の表面側に形成される窒素化合物層１３０と、窒素化合物層１３０の最表面に形成される酸化層１４０と、を備える摺動部材の製造方法において、鋼材からなる素材に対して５７０〜６６０℃のアンモニアを含む雰囲気にて加熱処理を行う加熱工程と、加熱工程を行った後に冷却処理を行う冷却工程と、冷却工程に続いて、表面側を加圧しながら焼戻し処理を行う焼戻し工程と、焼戻し工程に続いて、水蒸気雰囲気にて加熱する水蒸気処理を行う水蒸気処理工程と、を行うことにより、窒素拡散層１２０、窒素化合物層１３０および酸化層１４０を形成する。
また、摺動部材は、鋼材からなる母材部１１０と、母材部１１０の表面側に５〜５０μｍの厚さに形成される窒素拡散層１２０と、窒素拡散層１２０の表面側に５〜５０μｍの厚さに形成される窒素化合物層１３０と、窒素化合物層１３０の最表面に０．３〜３μｍの厚さに形成される酸化層１４０と、を備え、鋼材からなる素材に対してアンモニアを含む雰囲気にて加熱処理を行う加熱工程と、加熱工程を行った後に冷却処理を行う冷却工程と、冷却工程に続いて素材に対して、表面側を加圧しながら焼戻し処理を行う焼戻し工程と、焼戻し工程に続いて素材に対して、水蒸気雰囲気にて加熱する水蒸気処理を行う水蒸気処理工程と、を行うことにより、窒素拡散層１２０、窒素化合物層１３０および酸化層１４０を形成する。
本実施形態によれば、摺動部材の製造方法は、鋼材からなる母材部１１０と、母材部１１０の表面側に形成される窒素拡散層１２０と、窒素拡散層１２０の表面側に形成される窒素化合物層１３０と、窒素化合物層１３０の最表面に形成される酸化層１４０と、を備える摺動部材の製造方法において、鋼材からなる素材に対して５７０〜６６０℃のアンモニアを含む雰囲気にて加熱処理を行う加熱工程と、加熱工程を行った後に冷却処理を行う冷却工程と、冷却工程に続いて、表面側を加圧しながら焼戻し処理を行う焼戻し工程と、焼戻し工程に続いて、水蒸気雰囲気にて加熱する水蒸気処理を行う水蒸気処理工程と、を行うことにより、窒素拡散層１２０、窒素化合物層１３０および酸化層１４０を形成する。
また、摺動部材は、鋼材からなる母材部１１０と、母材部１１０の表面側に５〜５０μｍの厚さに形成される窒素拡散層１２０と、窒素拡散層１２０の表面側に５〜５０μｍの厚さに形成される窒素化合物層１３０と、窒素化合物層１３０の最表面に０．３〜３μｍの厚さに形成される酸化層１４０と、を備え、鋼材からなる素材に対してアンモニアを含む雰囲気にて加熱処理を行う加熱工程と、加熱工程を行った後に冷却処理を行う冷却工程と、冷却工程に続いて素材に対して、表面側を加圧しながら焼戻し処理を行う焼戻し工程と、焼戻し工程に続いて素材に対して、水蒸気雰囲気にて加熱する水蒸気処理を行う水蒸気処理工程と、を行うことにより、窒素拡散層１２０、窒素化合物層１３０および酸化層１４０を形成する。
これによれば、水蒸気処理工程にて水蒸気処理を行っているため、窒素化合物層１３０の最表面に四酸化三鉄からなる緻密な酸化層１４０を形成することができる。これにより、凝着摩耗を抑制することができるため、摺動部材の耐摩耗性を向上させることができる。
さらに、水蒸気処理工程は、焼戻し処理を行う焼戻し工程に続いて行うため、比較的高い平坦度を確保することができるとともに、平坦度のばらつきを抑制することができる。仮に、冷却工程に続いて（焼戻し工程でなく）水蒸気処理工程を行った場合、水蒸気処理工程において素材が加圧されない状態にて残留オーステナイトがマルテンサイトに変態し、加熱工程および冷却工程で生じた素材の歪が矯正されないまま素材が硬化してしまう。よって、これに続いて素材を加圧した状態で焼戻し処理を行っても最終的な摺動部材の平坦度が低下する。
また、焼戻し工程における焼戻し処理は、冷却工程に続いて行われるため、平坦度を良好にすることができる。さらに、焼戻し工程における焼戻し処理は、素材を加圧させることで歪を矯正しながら残留オーステナイトをマルテンサイトに変態させるため、平坦度をさらに向上させることができる。また、焼戻し工程においては、残留オーステナイトがマルテンサイトに変態するため、摺動部材の表面側の硬度を確保することができる。
また、加熱工程において、アンモニアを含む雰囲気での加熱処理を行っている。つまり、加熱工程にて素材に対して窒化されている。この加熱工程における温度は、５７０〜６６０℃である。５７０℃以上で加熱することで、窒素化合物層１３０および窒素拡散層１２０の厚みを確実に、それぞれ５〜５０μｍ確保することができる。また、加熱工程における温度を６６０℃以下とすることで、窒化化合物の拡散（消失）を抑制することができる。よって、摺動部材の表面側の硬度を確保することができる。さらに、加熱工程の雰囲気温度をＦｅ−ＮのＡ１変態点である５９０℃以上とした場合においては、窒素化合物層１３０および窒素拡散層１２０の厚みをより確実に、それぞれ５〜５０μｍ確保することができる。
また、窒素化合物層１３０および窒素拡散層１２０の厚みがそれぞれ５〜５０μｍ確保されているため、摺動部材の表面側の硬度を高い硬度とすることができる。酸化層１４０の厚みは、０．３〜３μｍ確保されているため、耐摩耗性を確実に確保することができる。なお、冷却工程において、冷却液には油を用い、水を用いていない。これにより、摺動部材の表面に錆が発生することを抑制できる。
また、本実施形態によれば、焼戻し工程は、２００〜４７０℃の温度にて焼戻し処理を行う。これによれば、焼戻し処理が２００〜４７０℃にて行われているため、残留オーステナイトがマルテンサイトに変態することによって窒化層（窒素化合物層１３０および窒素拡散層１２０）を安定させることができる。よって、摺動部材の表面側の硬度を確実に確保することができる。
また、本実施形態によれば、水蒸気処理工程は、３５０〜５００℃にて水蒸気処理を行う。これによれば、水蒸気処理が３５０〜５００℃にて行われるため、四酸化三鉄からなる緻密な酸化層１４０を確実に形成することができる。また、酸化層１４０の厚みを確実に、０．３〜３μｍ確保することができる。
また、本実施形態によれば、焼鈍し処理が行われていない素材に対して各工程の処理を行う。摺動部材の製造方法または摺動部材は、上述したように、冷却工程の冷却処理、焼戻し工程の焼戻し処理および水蒸気処理工程の水蒸気処理の順に行われるため、各工程の前に焼鈍しを行わない場合においても高い平坦度を確保することができる。よって、焼鈍し処理を行わないことにより、低コストにて摺動部材を製造することができる。
また、本実施形態によれば、加熱工程の直前において３００〜４５０℃の酸化雰囲気にて加熱する前酸化処理を行う加熱工程をさらに備えている。これによれば、加熱工程の加熱処理において素材を窒化させる前に前酸化工程の前酸化処理を行うため、加熱工程において窒化反応を促進させることができる。これにより、窒素化合物層１３０および窒素拡散層１２０の厚みをそれぞれ５〜５０μｍ確実に確保することができる。
また、本実施形態によれば、クラッチプレートの製造方法は、電磁クラッチを構成するクラッチプレートの製造方法であって、上述した摺動部材の製造方法を用いる。
さらに、本実施形態によれば、クラッチプレートは、電磁クラッチを構成するクラッチプレートであって、上述した摺動部材を用いる。
さらに、本実施形態によれば、クラッチプレートは、電磁クラッチを構成するクラッチプレートであって、上述した摺動部材を用いる。
本実施形態の電磁クラッチ装置のクラッチプレートの製造方法またはクラッチプレートによれば、上述した摺動部材の製造方法または摺動部材による効果を奏する。ここで、窒素化合物層１３０および窒素拡散層１２０の厚みをそれぞれ５０μｍ以下としている。仮に、５０μｍより厚くすると、透磁率が低下するため、クラッチプレートの磁束密度が低下して、クラッチプレート間の摩擦係合力が低下することになる。そのため、５０μｍ以下としている。
さらに、本クラッチプレートによれば、高い耐摩耗性を有しているため、長時間使用したとしても、クラッチプレートの摩耗量を抑制することができる。よって、クラッチプレートの摩耗によるクラッチプレート同士の接触面積が大きく変化しない。従って、使用前と長時間使用後における伝達トルクの変化率を小さくできる。
また、焼戻し工程を行う場合には、窒素化合物層１３０および窒素拡散層１２０に含まれている非磁性である残留オーステナイトを磁性であるマルテンサイトに変態させることができる。これにより、クラッチプレートの透磁率および硬度を上げることができる。
（電磁クラッチ装置を適用した駆動力伝達装置）
次に、上述した電磁クラッチ装置のクラッチプレートを適用する駆動力伝達装置１について、図９を参照して説明する。駆動力伝達装置１は、例えば、４輪駆動車において車両の走行状態に応じて駆動力が伝達される補助駆動輪側への駆動力伝達系に適用される。より詳細には、４輪駆動車において、駆動力伝達装置１は、例えば、エンジンの駆動力が伝達されるプロペラシャフトと、リアディファレンシャルとの間に連結されている。駆動力伝達装置１は、プロペラシャフトから伝達される駆動力を、伝達割合を可変にしながら、リアディファレンシャルに伝達している。この駆動力伝達装置１は、例えば、前輪と後輪との回転差が生じた場合に、回転差を低減するように作用する。
次に、上述した電磁クラッチ装置のクラッチプレートを適用する駆動力伝達装置１について、図９を参照して説明する。駆動力伝達装置１は、例えば、４輪駆動車において車両の走行状態に応じて駆動力が伝達される補助駆動輪側への駆動力伝達系に適用される。より詳細には、４輪駆動車において、駆動力伝達装置１は、例えば、エンジンの駆動力が伝達されるプロペラシャフトと、リアディファレンシャルとの間に連結されている。駆動力伝達装置１は、プロペラシャフトから伝達される駆動力を、伝達割合を可変にしながら、リアディファレンシャルに伝達している。この駆動力伝達装置１は、例えば、前輪と後輪との回転差が生じた場合に、回転差を低減するように作用する。
駆動力伝達装置１は、いわゆる電子制御カップリングからなる。この駆動力伝達装置１は、図９に示すように、外側回転部材としてのアウタケース１０と、内側回転部材としてのインナシャフト２０と、メインクラッチ３０と、パイロットクラッチ機構を構成する電磁クラッチ装置４０と、カム機構５０とを備えている。
アウタケース１０は、円筒形状のホールカバー（図示せず）の内周側に、当該ホールカバーに対して回転可能に支持されている。このアウタケース１０は、全体として円筒形状に形成されており、車両前側に配置されるフロントハウジング１１と車両後側に配置されるリヤハウジング１２とにより形成されている。
フロントハウジング１１は、例えばアルミニウムを主成分とする非磁性材料のアルミニウム合金により形成され、有底筒状に形成されている。フロントハウジング１１の円筒部の外周面が、ホールカバーの内周面に軸受を介して回転可能に支持されている。さらに、フロントハウジング１１の底部が、プロペラシャフト（図示せず）の車両後端側に連結されている。つまり、フロントハウジング１１の有底筒状の開口側が車両後側を向くように配置されている。そして、フロントハウジング１１の内周面のうち軸方向中央部には、雌スプライン１１ａが形成されており、当該内周面の開口付近には、雌ねじが形成されている。
リヤハウジング１２は、円環状に形成されており、フロントハウジング１１の開口側の径方向内側に、フロントハウジング１１と一体的に配置されている。リヤハウジング１２の車両後方側には、全周に亘って環状溝が形成されている。このリヤハウジング１２の環状溝底の一部分には、非磁性材料としての例えばステンレス鋼により形成された環状部材１２ａを備えている。リヤハウジング１２のうち環状部材１２ａ以外の部位は、磁気回路を形成するために磁性材料である鉄を主成分とする材料（以下、「鉄系材料」と称する）により形成されている。リヤハウジング１２の外周面には、雄ねじが形成されており、当該雄ねじはフロントハウジング１１の雌ねじにねじ締めされる。なお、フロントハウジング１１の雌ねじをリヤハウジングの雄ねじに締め付け、フロントハウジング１１の開口側端面をリヤハウジングの段部の端面に当接することにより、フロントハウジング１１とリヤハウジング１２とを固定する。
インナシャフト２０は、外周面の軸方向中央部に雄スプライン２０ａを備える軸状に形成されている。このインナシャフト２０は、リヤハウジング１２の中央の貫通孔を液密的に貫通して、アウタケース１０内に相対回転可能に同軸上に配置されている。そして、インナシャフト２０は、フロントハウジング１１およびリヤハウジング１２に対して軸方向位置を規制された状態で、フロントハウジング１１及びリヤハウジング１２に軸受を介して回転可能に支持されている。さらに、インナシャフト２０の車両後端側（図９の右側）は、ディファレンシャルギヤ（図示せず）に連結されている。なお、アウタケース１０とインナシャフト２０とにより液密的に区画される空間内には、所定の充填率で潤滑油が充填されている。
メインクラッチ３０は、アウタケース１０とインナシャフト２０との間でトルクを伝達する。このメインクラッチ３０は、鉄系材料により形成された湿式多板式の摩擦クラッチである。メインクラッチ３０は、フロントハウジング１１の円筒部内周面とインナシャフト２０の外周面との間に配置されている。メインクラッチ３０は、フロントハウジング１１の底部とリヤハウジング１２の車両前方端面との間に配置されている。このメインクラッチ３０は、インナメインクラッチプレート３２とアウタメインクラッチプレート３１とにより構成され、軸方向に交互に配置されている。インナメインクラッチプレート３２は、内周側に雌スプライン３２ａが形成されており、インナシャフト２０の雄スプライン２０ａに嵌合されている。アウタメインクラッチプレート３１は、外周側に雄スプライン３１ａが形成されており、フロントハウジング１１の雌スプライン１１ａに嵌合されている。
電磁クラッチ装置４０は、磁力によりアーマチュア４３をヨーク４１側に引き寄せることでパイロットクラッチ４４同士を係合させる。つまり、電磁クラッチ装置４０は、アウタケース１０のトルクを、カム機構５０を構成する支持カム部材５１に伝達する。この電磁クラッチ装置４０は、ヨーク４１と、電磁コイル４２と、アーマチュア４３と、パイロットクラッチ４４とにより構成されている。
ヨーク４１は、環状に形成されており、リヤハウジング１２に対して相対回転可能となるように隙間を介してリヤハウジング１２の環状溝に収容されている。ヨーク４１は、ホールカバーに固定されている。また、ヨーク４１の内周側が、リヤハウジング１２に軸受を介して回転可能に支持されている。電磁コイル４２は、巻線を巻回することにより円環状に形成され、ヨーク４１に固定されている。
アーマチュア４３は、鉄系材料により形成されている。外周側に雄スプラインを備える円環状に形成されている。アーマチュア４３は、メインクラッチ３０とリヤハウジング１２との軸方向間に配置されている。そして、アーマチュア４３の外周側が、フロントハウジング１１の雌スプライン１１ａに嵌合されている。アーマチュア４３は、電磁コイル４２に電流が供給されると、ヨーク４１側に引き寄せられるように作用する。
パイロットクラッチ４４は、アウタケース１０と支持カム部材５１との間でトルクを伝達する。このパイロットクラッチ４４は、鉄系材料により形成されている。パイロットクラッチ４４は、フロントハウジング１１の円筒部内周面と支持カム部材５１の外周面との間に配置されている。さらに、パイロットクラッチ４４は、アーマチュア４３とリヤハウジング１２の車両前方端面との間に配置されている。このパイロットクラッチ４４は、インナパイロットクラッチプレート４４ａ（図９、図１１に示す）とアウタパイロットクラッチプレート４４ｂ（図９、図１０に示す）とにより構成され、軸方向に交互に配置されている。インナパイロットクラッチプレート４４ａは、内周側に雌スプラインが形成されており、支持カム部材５１の雄スプラインに嵌合されている。アウタパイロットクラッチプレート４４ｂは、外周側に雄スプラインが形成されており、フロントハウジング１１の雌スプライン１１ａに嵌合されている。
そして、電磁コイル４２に電流が供給されると、図９の矢印にて示すように、ヨーク４１、リヤハウジング１２の外周側、パイロットクラッチ４４、アーマチュア４３、パイロットクラッチ４４、リヤハウジング１２の内周側、ヨーク４１を通過する磁気回路が形成される。そうすると、アーマチュア４３がヨーク４１側に引き寄せられて、インナパイロットクラッチプレート４４ａとアウタパイロットクラッチプレート４４ｂとが摩擦係合する。そして、アウタケース１０のトルクを支持カム部材５１に伝達する。一方、電磁コイル４２への電流供給を遮断すると、アーマチュア４３に対する吸引力がなくなり、インナパイロットクラッチプレート４４ａとアウタパイロットクラッチプレート４４ｂとの摩擦係合力が解除される。
カム機構５０は、メインクラッチ３０とパイロットクラッチ４４との間に設けられ、パイロットクラッチ４４を介して伝達されるアウタケース１０とインナシャフト２０との回転差に基づくトルクを軸方向の押圧力に変換してメインクラッチ３０を押圧する。このカム機構５０は、支持カム部材５１と、移動カム部材５２と、カムフォロア５３とから構成されている。
支持カム部材５１は、外周側に雄スプラインを備えた円環状に形成されている。この支持カム部材５１の車両前方端面には、カム溝が形成されている。支持カム部材５１は、インナシャフト２０の外周面に対して隙間を介して設けられ、リヤハウジング１２の車両前方端面にスラスト軸受６０を介して支持されている。従って、支持カム部材５１の車両後方端面は、スラスト軸受６０の軌道板にシム６１を介して当接している。つまり、支持カム部材５１は、インナシャフト２０およびリヤハウジング１２に対して相対回転可能であり、軸方向に対して規制されて設けられている。さらに、支持カム部材５１の雄スプラインは、インナパイロットクラッチプレート４４ａの雌スプラインに嵌合している。
移動カム部材５２は、大部分を鉄系材料により形成され、内周側に雌スプラインを備える円環状に形成されている。移動カム部材５２は、支持カム部材５１の車両前方に配置されている。移動カム部材５２の車両後方端面には、支持カム部材５１のカム溝に対して軸方向に対向するように、カム溝が形成されている。移動カム部材５２の雌スプラインが、インナシャフト２０の雄スプライン２０ａに嵌合している。従って、移動カム部材５２は、インナシャフト２０と共に回転する。さらに、移動カム部材５２の車両前方端面は、メインクラッチ３０のうち最も車両後方に配置されるインナメインクラッチプレート３２に当接し得る状態となっている。移動カム部材５２は、車両前方に移動すると、当該インナメインクラッチプレート３２に対して車両前方へ押し付ける。
カムフォロア５３は、ボール状からなり、支持カム部材５１と移動カム部材５２の互いに対向するカム溝に介在している。つまり、カムフォロア５３およびそれぞれのカム溝の作用により、支持カム部材５１と移動カム部材５２に回転差が生じた際には、移動カム部材５２が支持カム部材５１に対して軸方向に離間する方向（車両前方）へ移動する。支持カム部材５１に対する移動カム部材５２の軸方向離間量は、支持カム部材５１と移動カム部材５２とのねじれ角度が大きいほど大きくなる。
（駆動力伝達装置の基本的な動作）
次に、上述した構成からなる駆動力伝達装置１の基本的な動作について説明する。アウタケース１０とインナシャフト２０とが回転差を生じている場合について説明する。電磁クラッチ装置４０の電磁コイル４２に電流が供給されると、電磁コイル４２を基点としてヨーク４１、リヤハウジング１２、アーマチュア４３を循環するループ状の磁気回路が形成される。
次に、上述した構成からなる駆動力伝達装置１の基本的な動作について説明する。アウタケース１０とインナシャフト２０とが回転差を生じている場合について説明する。電磁クラッチ装置４０の電磁コイル４２に電流が供給されると、電磁コイル４２を基点としてヨーク４１、リヤハウジング１２、アーマチュア４３を循環するループ状の磁気回路が形成される。
このように、磁気回路が形成されることで、アーマチュア４３がヨーク４１側、すなわち軸方向後方に向かって引き寄せられる。その結果、アーマチュア４３は、パイロットクラッチ４４を押圧して、インナパイロットクラッチプレート４４ａとアウタパイロットクラッチプレート４４ｂとが摩擦係合する。そうすると、アウタケース１０の回転トルクが、パイロットクラッチ４４を介して支持カム部材５１へ伝達されて、支持カム部材５１が回転する。
ここで、移動カム部材５２はインナシャフト２０とスプライン嵌合しているため、インナシャフト２０と共に回転する。従って、支持カム部材５１と移動カム部材５２とに回転差が生じる。そうすると、カムフォロア５３およびそれぞれのカム溝の作用により、支持カム部材５１に対して移動カム部材５２が軸方向（車両前側）に移動する。移動カム部材５２がメインクラッチ３０を車両前側へ押圧することになる。
その結果、インナメインクラッチプレート３２とアウタメインクラッチプレート３１とが相互に当接して摩擦係合状態となる。そうすると、アウタケース１０との回転トルクが、メインクラッチ３０を介してインナシャフト２０に伝達される。そうすると、アウタケース１０とインナシャフト２０との回転差を低減することができる。なお、電磁コイル４２へ供給する電流量を制御することで、メインクラッチ３０の摩擦係合力を制御できる。つまり、電磁コイル４２へ供給する電流量を制御することで、アウタケース１０とインナシャフト２０との間で伝達されるトルクを制御できる。
１１０…母材部、１２０…窒素拡散層、１３０…窒素化合物層、１４０…酸化層、３１，３２，４４ａ，４４ｂ…クラッチプレート。
Claims (9)
- 鋼材からなる母材部と、前記母材部の表面側に形成される窒素拡散層と、前記窒素拡散層の表面側に形成される窒素化合物層と、前記窒素化合物層の最表面に形成される酸化層と、を備える摺動部材の製造方法において、
鋼材からなる素材に対してアンモニアを含む雰囲気にて加熱処理を行った後に冷却処理を行う第一工程と、
前記第一工程に続いて、前記表面側を加圧しながら焼戻し処理を行う第二工程と、
前記第二工程に続いて、前記素材を保持する処理室内に窒素ガスを供給しながら前記処理室内の雰囲気温度を所定温度まで昇温し、前記雰囲気温度が前記所定温度まで昇温した状態を一定の間維持した後に、前記雰囲気温度が前記所定温度に維持された前記処理室内で前記素材を水蒸気雰囲気にて加熱する水蒸気処理を行う第三工程と、
を行うことにより、前記窒素拡散層、前記窒素化合物層および前記酸化層を形成する摺動部材の製造方法。 - 前記第二工程は、２００〜４７０℃の温度にて前記焼戻し処理を行う請求項１の摺動部材の製造方法。
- 前記第三工程は、３５０〜５００℃の温度にて前記水蒸気処理を行う請求項１の摺動部材の製造方法。
- 前記第一工程は、焼鈍し処理が行われていない前記素材に対して前記加熱処理を行った後に前記冷却処理を行う請求項１〜３の何れか一項の摺動部材の製造方法。
- 前記第一工程の直前において３００〜４５０℃の酸化雰囲気にて加熱する前酸化処理を行う第四工程をさらに備えている請求項１〜３の何れか一項の摺動部材の製造方法。
- 前記第四工程は、焼鈍し処理が行われていない前記素材に対して前記前酸化処理を行う請求項５の摺動部材の製造方法。
- 前記第一工程は、５７０〜６６０℃の温度にて前記加熱処理を行う請求項１〜６の何れか一項の摺動部材の製造方法。
- 前記窒素拡散層は、５〜５０μｍの厚さに形成され、
前記窒素化合物層は、５〜５０μｍの厚さに形成され、
前記酸化層は、０．３〜３μｍの厚さに形成される、請求項１〜７の何れか一項の摺動部材の製造方法。 - 電磁クラッチを構成するクラッチプレートの製造方法であって、
請求項１〜８の何れか一項の摺動部材の製造方法を用いるクラッチプレートの製造方法。
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