JPH0625898A - 摺動部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 耐摩耗性および耐焼付性に優れ、かつ相手材
の摩耗の少ないピニオンシャフト等の摺動部材。 【構成】 基材の摺動部表面にＮｉ−ｘＰ（ｘ＝４〜７
％）またはＮｉ−ｘＰ−ｙＣｏ（ｘ＝４〜７％、ｙ＝１
５〜３５％）と、粒径が１μｍ以下のセラミックス粒子
を２〜６％分散させた複合メッキを形成したものであっ
て、複合めっき層の合金層自体が耐摩耗性を有すると共
に、共析した分散粒子によりさらにめっき層の耐摩耗性
が向上し、相手材を摩耗させずに焼付荷重を増大するこ
とができた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は自動車の差動装置に使用
されるピニオンシャフト等の摺動部材に関する。

【０００２】

【従来の技術】車両の差動装置のピニオンギヤは、リン
グギヤに固定されたデフケース内で、ピニオンシャフト
に軸支され、トルクを両側のサイドギヤに伝達している
が、車両が旋回するときは、ピニオンギヤが自転するこ
とにより、左右輪の回転数差を調整する。そのため、ピ
ニオンギヤとピニオンシャフトとは摺動面を有する。

【０００３】従来、この摺動部材であるピニオンシャフ
トには、基材として機械構造用低合金鋼であるＳＣｒ４
１５ＨまたはＳＣＭ４２０Ｈを用い、基材がＳＣｒ４１
５Ｈである場合は、浸炭浸窒処理をし、焼入焼もどしし
た後研磨し、ＳＣＭ４２０Ｈの場合は、浸炭浸窒焼入焼
もどしして研磨した後、さらにタフトライド処理を施す
か、あるいは膜厚１０μｍ前後の無電解Ｎｉ−Ｐめっき
を施し、３３０℃で１時間の時効処理を施していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
膜厚１０μｍ程度の無電解Ｎｉ−Ｐめっき層は、耐摩耗
性が充分でないために、耐久試験を行うと、Ｎｉ−Ｐめ
っき膜が磨滅し、基材が露出する。基材が露出した状態
では基材の耐焼付き性が劣るため、厳しい条件では焼付
きを発生し摩耗量が大となることがある。

【０００５】また、ピニオンシャフトの摺動面は、油膜
厚さを調整するために、摺動面の両端においてめっき膜
厚を薄くすることが好ましいが、無電解Ｎｉ−Ｐめっき
は基材に対して均一膜厚となる特性があり、めっき層の
膜厚をピニオンシャフトの円周方向で調節することが不
可能である。

【０００６】さらに、無電解Ｎｉ−ＰめっきはＰ含有量
が９〜１２％と高く、皮膜が脆い性質となっているた
め、高面圧下の条件で試験をおこなうと、層内破壊を起
こすことがある。

【０００７】本発明は車両の差動装置のピニオンシャフ
ト等の摺動部材の摺動面に施される硬質めっき等の表面
改質層の前記のごとき問題点を解決するためになされた
ものであって、従来のめっき層よりも耐摩耗性および耐
焼付性に優れ、かつ相手材を摩耗させない摺動部材を提
供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】発明者等は無電解Ｎｉ−
ＰめっきがＰ含有量が９〜１２％と高く、皮膜が脆いこ
とに鑑み、めっき層のＰ含有量について検討を重ねた。
また同時にめっき層に耐摩耗性の粒子を共析させる複合
めっき層とすることが有利であると考え、耐摩耗性粒子
の性状についても研究を進めた。その結果、めっき層の
Ｐ含有量を４〜７％低減すると共に平均粒径１μｍ以下
のセラミックス粒子を共析させた複合めっき層とするこ
とにより、著しく耐摩耗性が向上することを見出して本
発明を完成した。

【０００９】本発明の摺動部材は、基材の摺動部表面に
Ｎｉ−ｘＰ（ｘ＝４〜７％）またはＮｉ−ｘＰ−ｙＣｏ
（ｘ＝４〜７％、ｙ＝１５〜３５％）と、粒径が１μｍ
以下のセラミックス粒子を２〜６％分散させた複合メッ
キを形成したことを要旨とする。

【００１０】Ｎｉ−Ｐ複合めっき層あるいはＮｉ−Ｃｏ
−Ｐ複合めっき層は、化学めっきまたは電気めっきのい
ずれで形成しても良い。形成された複合めっき層は３３
０〜３５０℃で１時間程度の時効処理を施し、ＭＨＶ９
００以上の硬さとすることが必要である。複合めっき層
の厚さは特に制約はないが、必要な耐摩耗性を確保する
ためには、２〜２０μｍとすることが好ましい。

【００１１】セラミックスとしては、耐摩耗性のある硬
質なものであれば良いが、例えば炭化珪素、窒化珪素、
サイアロン、ジルコニア、ＣＢＮ、ＴｉＣ等を用いるこ
とができる。セラミックス粒子の粒径は１μｍ以下であ
って、形状は角部の曲率半径が０．１５μｍ以上あるこ
とが好ましい。

【００１２】

【作用】本発明の摺動部材は、基材の摺動部表面にＮｉ
−ｘＰ（ｘ＝４〜７％）またはＮｉ−ｘＰ−ｙＣｏ（ｘ
＝４〜７％、ｙ＝１５〜３５％）と、粒径が１μｍ以下
のセラミックス粒子を２〜６％分散させた複合メッキを
形成したので、複合めっき層の合金層自体が耐摩耗性を
有すると共に、共析した分散粒子によりさらにめっき層
の耐摩耗性が向上し、相手材を摩耗させずに焼付荷重を
増大する。

【００１３】本発明において、複合めっき層のＰ含有量
を４〜７％に限定したのは、Ｐは時効処理によってＮｉ
₃Ｐ、Ｃｏ₃Ｐの形に結晶化し硬さを向上して耐摩耗性が
得られるが、Ｐ含有量が４％未満であると硬さがＭＨＶ
９００を下回ることになり必要な耐摩耗性が得られなく
なるからである。Ｐ含有量が７％を越えると、硬さおよ
び耐摩耗性はより良好となるが、皮膜が脆い性質となる
ために、高面圧での試験で層内破壊を起こす。これによ
る皮膜からの脱落粒子がアブレシブ作用を伴い皮膜をつ
ぎつぎに破壊・摩耗させるため結果として摩耗大とな
る。

【００１４】また、セラミック粒子の分散量を２〜６％
にしたのは、セラミック粒子の分散によって耐摩耗性が
向上しているわけで、分散量が２％未満であると充分な
耐摩耗性向上の効果が得られないからであり、分散量が
６％を越えると耐摩耗性向上の効果は大きくなるが、皮
膜内におけるセラミック粒子間距離が著しく短くなるた
めに、高面圧での試験で層内破壊を起こし前記と同様の
不具合が生ずるからである。

【００１５】セラミック粒子の粒径を１μｍ以下とした
のは、粒径が１μｍを越えると耐摩耗性は向上するが、
アブレシブ作用により相手材の摩耗を増大させるからで
ある。また、膜厚に対し粒径が比較的大きいために、皮
膜の表面あらさが大きくなる。表面あらさが大きいと、
油膜を破断する割合が大きいために、焼付荷重は低下す
ることとなる。また、粒子の角部の曲率半径が０．１５
μｍ以下になると、相手攻撃性が増し、相手材の摩耗が
大きくなるため、角部の曲率半径を０．１５μｍとする
ことが好ましい。

【００１６】また、本発明において複合めっき層をＮｉ
ベースの皮膜としたのは、Ｆｅベースでは相手材（ピニ
オンギヤ）との同種材同志の組み合わせとなるために、
耐焼付性が劣るからであり、他にＣｏベースがあるが、
Ｃｏは産出量も少なく入手不安があり、耐焼付性もＮｉ
ベースよりは劣ると共に耐摩耗性もＮｉベースよりも劣
るので好ましくないからである。ＮｉベースにＣｏを１
５〜３０％添加すると、Ｎｉ₃ＰとＣｏ₃Ｐの適度な複合
組織となるため、より一層耐焼付性が高くなる。

【００１７】膜厚を２〜２０μｍとしたのは、膜厚が２
μｍより下回ると耐摩耗性は優れていてもその膜厚で寿
命を全うすることはできず、磨滅することになるので、
耐久性が不足する。また、膜厚が２０μｍを越えると、
表面あらさが大きくなり油膜破断が起きて耐焼付性が低
下する。

【００１８】複合めっき層の膜厚は、図２に示すように
摺動部の両端部で薄くすることが好ましいが、その理由
はピニオンシャフトとピニオンギヤとは、リングギヤに
よりかきあげられたギヤ油がピニオンシャフトの中央に
付着し、これが遠心力で両端に向かって流れ、２面幅の
部分から入り込むギヤ油により自然給油され潤滑してい
る。従って、ギヤ油が摺動面間にうまく入り込んでくれ
るか否かは入口部の形状いかんにかかっており、摺動部
の両端部で薄くすることにより好ましい結果が得られる
からである。なお、複合めっき層を摺動部の両端部で薄
く形成するには、摺動部に電気めっきする際の電極の大
きさを適度に調整することによって容易に得られる。

【００１９】

【実施例】本発明の実施例を比較例および従来例と比較
して説明し、本発明の効果を明らかにする。 （実施例１）基材としてＳＣＭ４２０Ｈを用い試験片を
調製し、浸炭焼入れした後５２０℃×１時間の高温焼も
どしを行い、試験片の表面に表１〜表３に示す組成のＮ
ｉ基合金に表１〜表３に示す種類、粒径、共析量のセラ
ミック粒子を分散させた膜厚６μｍの複合めっき被膜を
電気めっき法により形成した。複合めっき層に対して
は、それぞれ３３０℃で１時間の時効硬化処理を施し
た。

【００２０】なお、表１〜表３において、番号１〜２０
は本発明の実施例であるが、番号２１〜３４は比較例で
あって、番号２１および２７はセラミック粒子の角部の
曲率半径が１．５μｍ以下の比較例、番号２２、３３お
よび３４はＮｉ合金中のＰ含有量が４％以下である比較
例、番号２３および３１はセラミック粒子の共析量が２
％以下である比較例、番号２５、２６、２８および２９
はセラミック粒子の粒径が１μｍ以上である比較例、番
号２５および３０はセラミック粒子の共析量が６％以上
である比較例、番号３２はＮｉ合金中のＰ含有量が７％
以上である比較例、番号２４はセラミック粒子がアルミ
ナである比較例である。

【００２１】また，番号３５〜３６は従来例であって、
番号３５は基材としてＳＣｒ１５を用い浸炭焼入れした
もの、番号３６は無電解Ｎｉ−Ｐめっき後３５０℃で１
時間時効処理したものである。

【００２２】これら実施例、比較例および従来例の試験
片について、焼付荷重、摩擦係数、摩耗深さおよび相手
材摩耗量、表面硬さおよびめっき表面あらさについて測
定した。焼付荷重および摩擦係数は、機械試験所型摩擦
摩耗試験機を用い、上側円筒試験片はＳＣｒ４１５Ｈ浸
炭焼入れしたものとし、下側平板試験片は表１〜３の各
材料とし、供試油ＡＴＦ滴下潤滑、すべり速度１．２ｍ
／ｓｅｃで、２分毎に２５ｋｇ（ｐ＝２５ｋｇ／ｃ
ｍ²）づつ増大させていった時の摩擦係数μ＝０．１５
になった時の焼付荷重（ｎ＝２以上の平均値）および荷
重１５０ｋｇでの摩擦係数（ｎ＝２以上の平均値）を測
定したものである。

【００２３】摩耗深さ（μｍ）および相手材の摩耗（ｍ
ｇ）は、ＬＦＷ−１摩耗試験機を用い、下側リング試験
片をＳＵＪ２焼入れ焼もどしＨｖ７２０一定とし、上側
ブロック試験片は表１〜表３の各材料とし、下側リング
試験片をすべり速度０．３ｍ／ｓｅｃで、供試油ＡＦＴ
に油浴した状態で回転させ、これに上側ブロック試験片
を荷重６０ｋｇおよび１８０ｋｇにて６０分押し付けた
時に、ブロック試験片に形成される円弧状摩耗痕の深さ
（μｍ）およびリング試験片の摩耗重量（ｍｇ）を測定
したものである。得られた結果は表１〜表３にまとめて
示した。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【表２】

【００２６】

【表３】

【００２７】表３の結果より、番号３５および番号３６
の従来例は、焼付荷重が１５０ｋｇおよび２２５ｋｇと
最も低く、摩耗深さも荷重６０ｋｇで１０〜１１ｍｇ、
荷重１８０ｋｇで１８〜２０ｍｇと深く、摩擦係数も
０．０９０〜０．１０５と高かった。

【００２８】また、表２および表３より、番号２２、３
３および３４のＮｉ合金中のＰ含有量が４％以下である
比較例は、焼付荷重が２５０〜２７５ｋｇと低く、摩耗
深さも荷重６０ｋｇで８〜１０μｍ、荷重１８０ｋｇで
１７〜１８μｍと深く、摩擦係数も０．１００〜０．１
０２と高かった。また、番号３２のＮｉ合金中のＰ含有
量が７％以上である比較例は、高荷重において層内破壊
を起こし、荷重１８０ｋｇで摩耗深さが一気に２５μｍ
に達し、焼付荷重も２５０ｋｇと低かった。

【００２９】番号２３および３１のセラミック粒子の共
析量が２％以下である比較例は、焼付荷重が２５０〜２
７５ｋｇと低く、摩耗深さも荷重６０ｋｇで８μｍ、荷
重１８０ｋｇで１５μｍと深く、耐摩耗性に劣った。番
号２５および３０のセラミック粒子の共析量が７％以上
である比較例は、焼付荷重は３００ｋｇとやや高くなっ
たものの、高荷重において層内破壊を起こし、荷重１８
０ｋｇで摩耗深さが一気に２０μｍに達し、相手材の摩
耗量も３〜３．９ｍｇと高かった。

【００３０】番号２５、２６、２８および２９はセラミ
ック粒子の粒径が１μｍ以上である比較例であるが、い
ずれも焼付荷重が２２５〜３００ｋｇと好ましくなく、
相手攻撃性も３〜４ｍｇと高かった。また、番号２１お
よび２７のセラミック粒子の角部の曲率半径が１．５μ
ｍ以下の比較例は、同様に相手攻撃性が高く、相手材の
摩耗量が３〜６ｍｇであった。なお、番号２４のセラミ
ック粒子がアルミナである比較例は焼付荷重が３００ｋ
ｇと低く、摩耗深さも荷重６０ｋｇで５ｍｇ、荷重１８
０ｋｇで１１μｍと深く、耐焼付性および耐摩耗性に劣
った。

【００３１】これに対して本発明例である番号１〜２０
は、焼付荷重が４１２．５〜５００ｋｇであり、摩擦係
数も０．０３０〜０．０４７であって、耐焼付性に優
れ、摩耗深さも荷重６０ｋｇで０．８〜２．３μｍ、荷
重１８０ｋｇで１．６〜５．０μｍであって耐摩耗性に
優り、相手材の摩耗量も０．２〜０．７ｍｇであって相
手攻撃性が低いことが判明し、本発明の効果が確認でき
た。

【００３２】（実施例２）図１の側面図と、図２の図１
のＡ−Ａ線における断面図に示すピニオンシャフトの摺
動面ａ１、ａ２、ａ３、ａ４面に、図３の膜厚模式図に
示すように皮膜厚さを両端部で薄くして膜厚１０μｍの
複合めっき皮膜を形成した。なお、形成した複合めっき
皮膜の合金成分は、Ｎｉ−２５％Ｃｏ−６％Ｐであっ
て、セラミック粒子として粒径０．５μｍの窒化珪素３
％を共析させた。

【００３３】膜厚は電気めっきの場合、電流密度の大き
さに比例するため、図３の膜厚模式図に示すように皮膜
厚さを両端部で薄くするために、図４のピニオンシャフ
トに電気めっき中の平面図および図５の側面図に示すよ
うに、ピニオンシャフト１の摺動面ａ１〜ａ４に対して
電極２の大きさを適度に調節した。

【００３４】なお、比較のために比較例として、図１お
よび図２と同じピニオンシャフトの摺動面ａ１〜ａ４
に、同じ組成の複合めっき皮膜を１０μｍの厚さで均一
に形成した。また、従来例として同じピニオンシャフト
の摺動面ａ１〜ａ４に、Ｎｉ−Ｐ無電解めっき皮膜を均
一に２０μｍの厚さで形成した。

【００３５】得られた発明例、比較例および従来例のピ
ニオンシャフトを用い、ピニオンギヤとピニオンシャフ
トとのクリアランスを４０μｍとした場合の焼付発生時
のリングギヤトルク（ｋｇｆ−ｍ）およびピニオンシャ
フトの摩耗深さ（μｍ）を測定し、得られた結果を表４
にまとめて示した。なお、焼付発生時のリングギヤトル
クは、実車試験（２０００ｃｃ級ターボ付ガソリン車）
で１０００ｒｐｍ程度の差動を与えた走行条件におい
て、リングギヤトルクを５ｋｇｆ−ｍづつ増大させてい
った時の焼付発生時のリングギヤトルクを測定したもの
である。

【００３６】

【表４】

【００３７】表４に示したように、ピニオンシャフトの
摺動部の両端部で複合めっき皮膜の膜厚を薄くした発明
例は、焼付発生時のリングギヤトルクが最も高く、また
耐久試験後の摩耗量も低く、優れた結果の得られること
が確認された。

【００３８】（実施例３）次に、ピニオンシャフトの摺
動部に施す複合めっきの最適膜厚を確認するため、実施
例２で用いたと同じ形状のピニオンシャフトの摺動面ａ
１〜ａ４に、実施例２と同様に、合金成分がＮｉ−２５
％Ｃｏ−６％Ｐであって、セラミック粒子として粒径
０．５μｍの窒化珪素３％を共析させた複合めっき層を
１０μｍ、２０μｍおよび２３μｍの厚さでそれぞれ形
成した。

【００３９】得られたピニオンシャフトを用い、実施例
２と同一方法により、ピニオンギヤとピニオンシャフト
とのクリアランスを４０μｍとした場合の焼付発生時の
リングギヤトルク（ｋｇｆ−ｍ）およびピニオンシャフ
トの摩耗深さ（μｍ）を測定し、得られた結果を表５に
まとめて示した。

【００４０】

【表５】

【００４１】表５に示したように、複合めっき皮膜が１
０μｍおよび２０μｍであるものは、焼付発生時のリン
グギヤトルクが１３５ｋｇ−ｍであり、また耐久試験後
の摩耗量も６〜７μｍで、満足すべき結果が得られた。
これに対して複合めっき皮膜が２３μｍのものは、めっ
き皮膜内に最大応力点が発生し、層内破壊が発生したた
め、焼付発生時のリングギヤトルクが８０ｋｇ−ｍと低
下し、また耐久試験後の摩耗量も１５μｍに達した。な
お、複合めっき皮膜が１μｍのものについても同様の試
験を行ったが、初期なじみ過程で母材の露出が起こり、
リングギヤトルクが１００ｋｇ−ｍ程度で焼付が発生し
た。その結果、ピニオンシャフトの摺動面に形成する複
合めっき皮膜の膜厚は２〜２０μｍとすることが好まし
いことが確認された。

【００４２】

【発明の効果】本発明の摺動部材は以上詳述したよう
に、基材の摺動部表面にＮｉ−ｘＰ（ｘ＝４〜７％）ま
たはＮｉ−ｘＰ−ｙＣｏ（ｘ＝４〜７％、ｙ＝１５〜３
５％）と、粒径が１μｍ以下のセラミックス粒子を２〜
６％分散させた複合メッキを形成したものであって、複
合めっき層の合金層自体が耐摩耗性を有すると共に、共
析した分散粒子によりさらにめっき層の耐摩耗性が向上
し、相手材を摩耗させずに焼付荷重を増大することがで
きた。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例で用いたピニオンシャフトの側面図であ
る。

【図２】図１のＡ−Ａ線における断面図である。

【図３】摺動面の円周と膜厚の関係を模式的に示す図で
ある。

【図４】ピニオンシャフトに電気めっき中の平面図であ
る。

【図５】ピニオンシャフトに電気めっき中の側面図であ
る。

【符号の説明】

１ ピニオンシャフト ２ 電極 ａ１〜ａ４ 摺動面

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基材の摺動部表面にＮｉ−ｘＰ（ｘ＝４
   〜７％）と、粒径が１μｍ以下のセラミック粒子を２〜
   ６％分散させた複合メッキを形成したことを特徴とする
   摺動部材。
2. 【請求項２】 基材の摺動部表面にＮｉ−ｘＰ−ｙＣｏ
   （ｘ＝４〜７％、ｙ＝１５〜３５％）と、粒径が１μｍ
   以下のセラミック粒子を２〜６％分散させた複合めっき
   を形成したことを特徴とする摺動部材。