WO2012086393A1 - ボールジョイント - Google Patents

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健太郎 小森
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Definitions

  • the present invention relates to a ball joint that rotatably holds a ball stud having a spherical portion.
  • the ball joint 801 includes a ball stud 810 having a spherical portion 811 and a resin sheet 820 having a curved surface portion 821 having a shape (curvature) along the spherical portion 811.
  • the ball joint 801 having such a configuration allows the spherical surface portion 811 held by the curved surface portion 821 of the resin sheet 820 to freely rotate, and can freely change the angle at which the two materials are joined. Since it is useful, it is widely used for automobile chassis parts, that is, suspensions, arms, tie rods, steering mechanisms, link mechanisms, stabilizers, and the like.
  • Ball joints have been researched and developed for a long time to improve motor performance, ride comfort, steering feel, safety and durability. For example, a technique for forming an Fe 2-3 NC phase by carburizing and nitriding an iron member is widely performed.
  • Patent Documents 1 and 2 a technique for improving a lubricant composition, and as described in Patent Documents 3 and 4, it relates to the material and structure of a sheet (shell).
  • a technique of providing an amorphous hard carbon film (DLC film) on at least one of a dust seal and a shaft member with which the dust seal abuts has been proposed.
  • Non-Patent Document 1 a technique for providing a Fe 3 O 4 iron oxide (magnetite) layer on the spherical surface of a ball stud has been proposed.
  • JP 2003-20492 A Japanese Patent No. 4199109 Special table 2004-538431 gazette JP 2005-535854 A JP 2006-300204 A JP 2005-83400 A
  • Non-Patent Document 1 In the case of the technique of providing a magnetite layer on the spherical surface of the ball stud described in Non-Patent Document 1, good wear resistance and corrosion resistance can be obtained by the magnetite layer, but the sliding behavior of the joint portion is not good. There is a problem that a stick-slip phenomenon is likely to occur, which becomes stable and repeats sliding or sliding due to friction.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a ball joint excellent in wear resistance, corrosion resistance and stability of sliding characteristics.
  • the present invention provides a ball joint having a ball stud having a spherical portion and a resin sheet that rotatably holds the spherical portion, and the surface of the spherical portion has a hardness.
  • An amorphous hard carbon film of 6 to 39 GPa is provided.
  • the hardness of the amorphous hard carbon film is in such a specific range, so the hardness of the amorphous hard carbon film is not excessively high, so the resin sheet is made of the amorphous hard carbon film during sliding. Wear resistance (also called opponent attack) can be suppressed, and wear resistance can be improved. Further, since the hardness of the amorphous hard carbon film is not excessively low, it is possible to suppress the disappearance of the amorphous hard carbon film due to wear. Furthermore, since an amorphous hard carbon film is provided, it is excellent in lubricity and corrosion resistance. As a result, a ball joint having excellent wear resistance, corrosion resistance, and stability of sliding characteristics in the amorphous hard carbon film and the resin sheet can be obtained.
  • the root mean square roughness of the amorphous hard carbon film is 60 nm or less. In this way, since the surface roughness of the amorphous hard carbon film does not become excessively high, the wear resistance, corrosion resistance and lubricity of the amorphous hard carbon film and the resin sheet are made more difficult to be impaired. Can do. Therefore, more stable sliding characteristics can be obtained.
  • the resin sheet is preferably polyacetal, nylon, polyamide, polytetrafluoroethylene, polyetheretherketone, elastomer, or a fiber-reinforced composite material thereof. In this way, it is possible to obtain a more stable and stable sliding characteristic in combination with the elasticity characteristic and the shock absorption characteristic of these resin sheets.
  • the hardness of the amorphous hard carbon film is in a specific range, it is possible to provide a ball joint excellent in wear resistance, corrosion resistance and sliding property stability.
  • the horizontal axis indicates time [second], and the vertical axis indicates torque [Nm]. It is a graph which shows the result of the sliding behavior test using high-viscosity general purpose grease. In the figure, the horizontal axis indicates time [second], and the vertical axis indicates torque [Nm]. It is a partial sectional view explaining the conventional ball joint.
  • the gist of the present invention is to provide an amorphous hard carbon film with a specific hardness on the spherical surface of the ball stud to smoothly stabilize the sliding behavior (torque behavior) during sliding and stabilize the sliding characteristics. It is to let you.
  • a ball joint 1 includes a ball stud 10 having a spherical surface portion 11 and a resin sheet 20 that rotatably holds the spherical surface portion 11.
  • the resin sheet 20 has a curved surface portion 21 having a shape (curvature) along the spherical surface portion 11 of the ball stud 10, and is combined so that the curved surface portion 21 and the spherical surface portion 11 of the ball stud 10 come into contact with each other. ing.
  • the ball stud 10 and the resin sheet 20 combined as described above have the shaft member 12 of the ball stud 10 of the cylindrical housing 30. It is provided so as to protrude from one opening 31.
  • the opening 31 has a bent portion 32 formed by bending inside.
  • the ball stud 10 and the resin sheet 20 inserted from the other opening 33 of the housing 30 stop at the position where the resin sheet 20 hits the inside of the bent portion 32, and the other opening 33 is plugged by the plug 40. It is fixed by closing.
  • the housing 30 is fixed to automobile chassis parts such as a suspension, an arm, a tie rod, a steering mechanism, a link mechanism, and a stabilizer (not shown). Therefore, the ball joint 1 according to the present embodiment includes a housing 30 (resin sheet 20) that is fixed to a vehicle chassis component by sliding the curved surface portion 21 of the resin sheet 20 and the spherical surface portion 11 of the ball stud 10. ) To rotate freely.
  • a flange portion 35 is provided on the outer peripheral surface of the housing 30, and a boot 50 is provided so as to cover from the flange portion 35 to an arbitrary position of the shaft member 12 of the ball stud 10.
  • the boot 50 is formed of an elastomer such as rubber or synthetic rubber so as not to hinder the operation of the ball stud 10, and grease 60 is filled inside the boot 50.
  • a curved surface portion 34 having a curved surface corresponding to the spherical surface portion 11 is formed on the entire circumference of the bent portion 32 with a slight gap that does not directly contact the spherical surface portion 11.
  • the grease 60 is supplied between the spherical portion 11 of the ball stud 10 and the curved portion 21 of the resin sheet 20 from between the spherical portion 11 and the curved portion 34. These sliding operations are performed more smoothly.
  • the grease 60 can be used without particular limitation as long as it is generally used for the ball joint 1.
  • an amorphous hard carbon film (hereinafter, simply referred to as “DLC film”) 13 having a hardness of 6 to 39 GPa is provided on the surface of the spherical portion 11 of the ball stud 10. ing.
  • DLC film 13 having such a hardness, it is possible to suppress the wear aggressiveness of the DLC film 13 to the resin sheet 20 during sliding, and to suppress the disappearance of the DLC film 13 due to wear. Can do. That is, the wear resistance as the ball joint 1 is excellent, and the lubricity and corrosion resistance of the DLC film 13 are not impaired, so that the sliding characteristics can be excellent.
  • the hardness of the DLC film 13 is 6 to 39 GPa.
  • the hardness of the DLC film 13 is preferably 9 to 29 GPa, more preferably 9 to 21 GPa.
  • the hardness of the DLC film 13 has a good correlation with the hydrogen content in the DLC film 13. That is, when the hydrogen content in the DLC film 13 is large, the hardness of the DLC film 13 tends to decrease, and when the hydrogen content in the DLC film 13 is small, the hardness of the DLC film 13 tends to increase.
  • the hardness of the DLC film 13 is in the range of 6 to 39 GPa as described above, the hydrogen in the DLC film 13 varies slightly depending on the film forming conditions such as the raw material, pressure, film forming time, bias voltage, and plasma intensity.
  • the content may be about 17 to 43 at% (atomic%).
  • Examples of raw materials for the DLC film 13 include methane (CH 4 ), acetylene (C 2 H 2 ), toluene (C 7 H 8 ), benzene (C 6 H 6 ), and tetramethylsilane (Si (CH 3 ) 4. Hydrocarbon gas such as TMS).
  • a method for forming the DLC film 13 plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) using these raw materials can be preferably used.
  • the DLC film 13 can be formed by a film forming method other than plasma CVD as long as it has the above-described hardness. The method and conditions for providing the DLC film 13 can be appropriately selected according to the desired hardness.
  • the DLC film 13 may contain Si (silicon), Ti (titanium), W (tungsten), Cr (chromium), or the like. When these elements are contained, the mechanical properties such as hardness and Young's modulus of the DLC film 13 and the nano-level surface structure can be controlled, and additional components such as a wax component contained in the grease 60 can be controlled. Adsorbability can be controlled.
  • the hardness and Young's modulus of the DLC film 13 can be measured by a nanoindentation method (nanoindenter) based on ISO 14577, and can be calculated with high accuracy.
  • the hydrogen content in the DLC film 13 can be measured by, for example, Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS).
  • the surface roughness of the DLC film 13 is preferably 60 nm or less in terms of root mean square roughness (Rq). If the root mean square roughness is 60 nm or less, the roughness of the surface of the DLC film 13 is not excessively high, so that the wear attack of the DLC film 13 on the resin sheet 20 can be more reliably suppressed. Therefore, it is possible to obtain the ball joint 1 having more excellent wear resistance.
  • the root mean square roughness (Rq) of the DLC film 13 is measured using an atomic force microscope (AFM), and can be calculated based on the obtained result in accordance with JIS B0601: 2001.
  • the film physical properties such as hardness, Young's modulus, hydrogen content and surface roughness (root mean square roughness) of the DLC film 13 depend on the combination of apparatus conditions such as the type of source gas used, bias voltage to be applied, and the film formation time. Can be controlled. For example, when CH 4 , C 2 H 2 , C 6 H 6 , C 7 H 8 , TMS, or the like is used as the source gas, the pressure is 0.1 to 9.0 Pa and the bias voltage of the spherical portion 11 is 400 to 2000 V. The plasma output is set to 20 to 200 W and the film formation time is set to 15 to 240 min.
  • the resin sheet 20 can be suitably made of polyacetal, nylon, polyamide, polytetrafluoroethylene, polyetheretherketone, elastomer, or a fiber reinforced composite material thereof. If it is a resin-made sheet made of a material selected from these, it is possible to obtain excellent elasticity characteristics and shock absorption. In addition, the resin-made sheet
  • seat 20 can also use what was produced with resin and fiber reinforced composite materials other than these, if the desired effect of this invention can be show
  • the constituent members such as the ball stud 10, the housing 30, and the plug 40 are preferably steel materials including ordinary steel and special steel, but may be nonferrous metal members or ceramic members.
  • Common steel includes rolled steel for general structure (SS material), rolled steel for welded structure (SM material), boiler and pressure vessel steel (SB material), and high-pressure gas container.
  • SS material rolled steel for general structure
  • SM material rolled steel for welded structure
  • SB material boiler and pressure vessel steel
  • high-pressure gas container steel plate and steel strip
  • SG material hot rolled steel material and steel strip
  • SPHT material hot rolled carbon steel strip for steel pipes
  • SAPH material automotive structural hot rolled steel plate and steel strip
  • SPC materials cold rolled steel sheets and steel strips
  • high carbon chrome bearing steel (SUJ2 material), chrome steel (SCr material), chrome molybdenum steel material (SCM material) and nickel chrome molybdenum steel (SNCM) are preferable.
  • SC material carbon tool steel material
  • SK material alloy tool steel material for cutting tool
  • SKD material alloy tool steel material for cold die
  • SKT material high-speed tool steel
  • SUS material stainless steel
  • SUS material heat-resistant steel
  • SLA materials carbon steel materials for containers
  • SLA materials magnetic core steels and magnet steels
  • SF materials forged steel products
  • SC materials cast steel products
  • FC materials cast iron products
  • non-ferrous metal examples include aluminum, magnesium, titanium, or an alloy mainly composed of any one selected from these.
  • Al—Si—Cu—Mg—Ni Al—Si alloy 4000 series
  • Al—Mg alloy 5000 series
  • Al—Mg—Si alloy 6000 series
  • Al—Zn—Mg— Cu Al—Zn—Mg alloy
  • Al—Cu alloy AC1A
  • Al—Cu—Mg alloy AC1B
  • Al—Cu—Mg—Ni alloy AC5A
  • Al—Si alloy AC3A
  • ADC1 Al—Cu—Si alloys (AC2A, AC2B), Al—Si—Cu alloys (AC4B, ADC10, ADC12), Al—Si—Mg alloys (AC4C, AC4C) , ADC3)
  • Al-Si-Cu-Mg-Ni alloy AC8A, AC8B
  • magnesium or magnesium alloy examples include 1 to 7 types specified by JIS.
  • examples of titanium or titanium alloy examples include 1 to 4 types specified by JIS.
  • the ball stud 10, the housing 30, and the plug 40 may be formed by appropriately selecting from the materials described above according to the application. That is, the ball stud 10, the housing 30, and the plug 40 may be formed of the same material selected from the above, or may be formed of different materials.
  • DLC films were formed on the surface of a ball member made of SUJ2 and having a diameter of ⁇ 6 mm under the conditions shown in Table 1, and Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 4 were produced. In Comparative Example 1, no DLC film was formed.
  • Table 1 C 2 H 2 represents acetylene, C 6 H 6 represents benzene, C 7 H 8 represents toluene, and TMS represents tetramethylsilane.
  • the ball-on-disk friction and wear test shown in FIG. 2 was performed. As shown in FIG. 2, in the ball-on-disk friction and wear test, grease is applied to the surface of a disc material 201 made of polyacetal, the load on the ball material 202 having a diameter of 6 mm: 5 N, the sliding speed: 1 mm / second, and the temperature: The test was performed at 25 ° C. and 5000 cycles.
  • the hydrogen content shown in Table 2 was measured by Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS).
  • RBS Rutherford Backscattering Spectrometry
  • the sample was irradiated with helium (He) ions, and particularly the hydrogen content was calculated from the results of detecting hydrogen recoiled and scattered forward.
  • the root mean square roughness was calculated based on JIS B0601: 2001 from the results obtained by measuring a region having a side of 20 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less using an atomic force microscope (AFM). Young's modulus and hardness were measured using a nanoindenter according to ISO 14577.
  • the wear ratio was determined by measuring the depth of sliding scratches formed in the ball-on-disk friction wear test on the surface of the disk material 201 (see FIG. 2) with a surface roughness meter. The ratio in this case was shown as the wear ratio. Further, the surface of the ball member 202 (see FIG. 2) was observed with an optical microscope, and it was confirmed that the
  • sliding behavior was measured using a ball stud having a DLC film formed on the spherical surface under the conditions of Examples 1 to 8.
  • ball studs in which a DLC film is formed on the spherical surface under the conditions of Examples 1 to 8 are referred to as Examples 1 to 8.
  • the housing 530 of the manufactured ball joint 501 for the sliding behavior test is sandwiched and fixed between a plate material 570 illustrated by a broken line and a plate material 580 illustrated by a solid line.
  • the plate member 570 indicated by the broken line is provided with a hole (not shown) through which the shaft member 512 of the ball stud 501 protrudes, and the shaft member 512 of the ball stud 501 is protruded from this hole portion.
  • a torque wrench 590 was attached to the shaft member 512 protruding from the plate member 570, and the torque behavior was measured by rotating the torque wrench 590. The measurement was performed at an ambient temperature of 25 ° C. with a rotational speed of the torque wrench 590 of 5 degrees / second and rotated for 25 to 30 seconds.
  • Examples 1, 2, 5, 7, and 8 having different DLC film hardnesses were selected, and high viscosity general-purpose grease was used in the same manner as the sliding behavior test using low-viscosity general-purpose grease.
  • the sliding behavior test using was performed. The result is shown in FIG.
  • a general-purpose grease having a high viscosity Lipanoc Deluxe 2 manufactured by Nippon Oil Corporation was used.
  • FIG. 7 the torque behavior of Examples 1, 2, 5, 7, and 8 in which the hardness of the DLC film was in the range of 6 to 39 GPa was stable throughout the sliding test.
  • an amorphous material having a hardness of 6 to 39 GPa on the surface of the spherical portion.
  • the ball joint has excellent corrosion resistance, low wear ratio, and excellent sliding behavior (torque behavior), that is, excellent wear resistance and sliding property stability. It was found that a ball joint can be realized. Further, it was found that if the root mean square roughness of the amorphous hard carbon film is 60 nm or less, the above-described ball joint excellent in wear resistance, corrosion resistance and stability of sliding characteristics can be realized more reliably.
  • a disk material made of polyacetal is used as the resin sheet, but it is equivalent to that made of polyacetal, and is generally used under the same conditions as nylon, polyamide, polytetrafluoroethylene, poly It is strongly suggested that a sheet made of ether ether ketone, an elastomer, or a fiber reinforced composite material thereof has substantially the same effect.
  • Ball Joint 10 Ball Stud 11 Spherical Surface 12 Shaft Material 13 Amorphous Hard Carbon Film (DLC Film) 20 resin sheet 21 curved surface portion 30 housing 31 opening portion 32 bent portion 33 opening portion 34 curved surface portion 35 flange portion 40 plug 50 boot 60 grease

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Abstract

耐摩耗性、耐食性と摺動特性の安定性に優れたボールジョイントを提供する。本発明に係るボールジョイント1は、球面部11を有するボールスタッド10と、前記球面部11を回動自在に保持する樹脂製シート20と、を有するボールジョイントにおいて、前記球面部11の表面に、硬さが6~39GPaの非晶質硬質炭素膜を設けたことを特徴とする。また、本発明に係るボールジョイント1は、前記非晶質硬質炭素膜(DLC膜)12の二乗平均平方根粗さが60nm以下であるのが好ましく、前記樹脂製シート20が、ポリアセタール、ナイロン、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、エラストマーまたはこれらの繊維強化複合材であるのが好ましい。

Description

ボールジョイント
 本発明は、球面部を有するボールスタッドを回動自在に保持するボールジョイントに関する。
 図8に示すように、ボールジョイント801は、球面部811を有するボールスタッド810と、この球面部811に沿った形状(曲率)の曲面部821を有する樹脂製シート820と、を有して構成されている。かかる構成のボールジョイント801は、樹脂製シート820の曲面部821に保持される球面部811が自在に回動し、二つの材の接合する角度を自由に変化させることが可能であり、非常に有用であるため、自動車のシャシー部品、すなわち、サスペンション、アーム、タイロッド、ステアリング機構、リンク機構、スタビライザーなどに広く用いられている。
 ボールジョイントは、自動車の運動性能、乗り心地性能、ステアリングフィール、安全性や耐久性の向上を目的として古くからさまざまな技術が研究、開発されている。
 例えば、鉄部材への浸炭処理と窒化処理によりFe2-3NC相を形成させる技術は広く一般的に行われている。
 近年では、例えば、特許文献1、2に記載されているように、潤滑剤組成物を改良する技術や、特許文献3、4に記載されているように、シート(シェル)の材質や構造に関する技術や、特許文献5、6に記載されているように、ダストシールおよび当該ダストシールの当接する軸部材の少なくとも一方に非晶質硬質炭素膜(DLC膜)を設ける技術などが提案されている。
 また、非特許文献1に記載されているように、ボールスタッドの球面部にFe34酸化鉄(マグネタイト)層を設ける技術が提案されている。
特開2003-20492号公報 特許第4199109号公報 特表2004-538431号公報 特表2005-535854号公報 特開2006-300204号公報 特開2005-83400号公報
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 しかしながら、一般に行われているFe2-3NC相を形成させる技術や、特許文献1~6のように、ボールスタッドの球面部に保護皮膜を形成しない技術の場合、ボールジョイントに求められる耐摩耗性、耐食性と摺動挙動(例えば、トルク挙動)の安定性は、主にグリースが担っている。グリースは、使用される環境温度に敏感であり、また、使用する機構系内からの流出や経年劣化に対して耐用性が乏しいため、実働環境下における耐摩耗性、耐食性およびトルク挙動の安定性が低いという問題がある。
 また、非特許文献1に記載されているボールスタッドの球面部にマグネタイト層を設ける技術の場合、マグネタイト層によって良好な耐摩耗性、耐食性を得ることができるが、継手部分の摺動挙動が不安定となり、摩擦によって止まったり、すべったりを繰り返すスティックスリップ現象が発生しやすくなるという問題がある。
 本発明は前記問題に鑑みてなされたものであり、耐摩耗性、耐食性と摺動特性の安定性に優れたボールジョイントを提供することを課題とする。
 前記課題を解決するため、本発明は、球面部を有するボールスタッドと、前記球面部を回動自在に保持する樹脂製シートと、を有するボールジョイントにおいて、前記球面部の表面に、硬さが6~39GPaの非晶質硬質炭素膜を設けたことを特徴としている。
 非晶質硬質炭素膜の硬さをこのような特定の範囲とすれば、非晶質硬質炭素膜の硬さが過度に高くないので摺動時の非晶質硬質炭素膜による樹脂製シートへの摩耗攻撃性(相手攻撃性ともいう。)を抑制し、耐摩耗性を向上させることができる。また、非晶質硬質炭素膜の硬さが過度に低くないので摩耗により非晶質硬質炭素膜が消失するのを抑制することが可能である。さらに、非晶質硬質炭素膜を設けているので潤滑性と耐食性に優れる。結果として、非晶質硬質炭素膜と樹脂製シートにおける耐摩耗性、耐食性および摺動特性の安定性に優れたボールジョイントとすることができる。
 本発明においては、前記非晶質硬質炭素膜の二乗平均平方根粗さが60nm以下であるのが好ましい。このようにすれば、非晶質硬質炭素膜の表面の粗さが過度に高くならないので、非晶質硬質炭素膜と樹脂製シートにおける耐摩耗性、耐食性および潤滑性をより損なわれにくくすることができる。そのため、より安定した摺動特性を得ることができる。
 本発明においては、前記樹脂製シートが、ポリアセタール、ナイロン、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、エラストマーまたはこれらの繊維強化複合材であるのが好ましい。このようにすれば、これらの樹脂製シートの弾力特性および衝撃吸収性とも相俟って、より確実に安定した摺動特性を得ることができる。
 本発明によれば、非晶質硬質炭素膜の硬さを特定の範囲としているので、耐摩耗性、耐食性と摺動特性の安定性に優れたボールジョイントを提供することができる。
本発明の一実施形態に係るボールジョイントを説明する一部断面図である。 ボールオンディスク摩擦摩耗試験の様子を説明する説明図である。 表2に示した実施例1~8および比較例1~4の摩耗比率を示した棒グラフである。同図中の縦軸は摩耗比率を示す。 表2に示した実施例1~8および比較例1~4の硬さと摩耗比率の関係をプロットしたグラフである。同図中の横軸は硬さ[GPa]を示し、縦軸は摩耗比率を示す。 摺動挙動(トルク挙動)試験の様子を説明する説明図である。 低粘度の汎用グリースを用いた摺動挙動試験の結果を示すグラフである。同図中の横軸は時間[秒]を示し、縦軸はトルク[Nm]を示す。 高粘度の汎用グリースを用いた摺動挙動試験の結果を示すグラフである。同図中の横軸は時間[秒]を示し、縦軸はトルク[Nm]を示す。 従来のボールジョイントを説明する一部断面図である。
 本発明の主旨は、ボールスタッドの球面部に特定の硬さの非晶質硬質炭素膜を設けることにより摺動時の摺動挙動(トルク挙動)を滑らかに安定させ、摺動特性を安定化させたことにある。
 以下、適宜図面を参照して本発明に係るボールジョイントを実施するための形態について詳細に説明する。
 図1に示すように、本発明の一実施形態に係るボールジョイント1は、球面部11を有するボールスタッド10と、この球面部11を回動自在に保持する樹脂製シート20と、を有している。つまり、樹脂製シート20は、ボールスタッド10の球面部11に沿った形状(曲率)の曲面部21を有し、当該曲面部21とボールスタッド10の球面部11とが当接するように組み合わされている。
 一実施形態として説明する図1に示すボールスタッド10の例では、前記したようにして組み合わされたボールスタッド10および樹脂製シート20は、ボールスタッド10の軸材12が、円筒状のハウジング30の一方の開口部31から突出するように設けられている。この開口部31は、内側に曲折させて形成した曲折部32を有している。ハウジング30の他方の開口部33から挿入されたボールスタッド10および樹脂製シート20は、樹脂製シート20が当該曲折部32の内側に突き当たった位置で止まり、当該他方の開口部33をプラグ40で閉止することにより固定される。
 ハウジング30は、図示しないサスペンション、アーム、タイロッド、ステアリング機構、リンク機構、スタビライザーなどの自動車のシャシー部品に固定されている。そのため、本実施形態に係るボールジョイント1は、樹脂製シート20の曲面部21とボールスタッド10の球面部11とが摺動することで自動車のシャシー部品に固定されたハウジング30(樹脂製シート20)を基点として回動自在に動作する。
 また、図1に示す例では、ハウジング30の外周面にフランジ部35が設けられており、このフランジ部35からボールスタッド10の軸材12の任意の位置までを覆うようにブーツ50が設けられている。ブーツ50は、ボールスタッド10の動作の妨げとならないよう、ゴムや合成ゴムなどのエラストマーで形成されており、その内側にはグリース60が充填されている。ここで、前記した曲折部32には、球面部11に直接接しない程度の若干の隙間をもって、球面部11に対応する曲面を有する曲面部34が全周的に形成されている。そのため、ボールスタッド10の回動にともなって、球面部11と曲面部34の間から、グリース60がボールスタッド10の球面部11と、樹脂製シート20の曲面部21と、の間に供給され、これらの摺動がより滑らかに行われるようになっている。なお、グリース60は、ボールジョイント1に対して一般的に使用されるものであれば特に限定されることなく用いることができる。
 かかる構成のボールジョイント1において、本発明では、ボールスタッド10の球面部11の表面に、硬さが6~39GPaの非晶質硬質炭素膜(以下、単に「DLC膜」という。)13を設けている。
 このような硬さのDLC膜13を設けることにより、摺動時のDLC膜13による樹脂製シート20への摩耗攻撃性を抑制することができるとともに、摩耗によるDLC膜13の消失を抑制することができる。つまり、ボールジョイント1としての耐摩耗性に優れるとともに、DLC膜13の潤滑性と耐食性が損なわれないので、摺動特性に優れたものとすることができる。
 DLC膜13の硬さが6GPa未満であると、DLC膜13の硬さが低すぎるため、樹脂製シート20の曲面部21と摺動することによってDLC膜13が摩耗し、消失してしまう。
 一方で、DLC膜13の硬さが39GPaを超えると、DLC膜13の硬さが高すぎるため摩耗攻撃性が高くなり、相手材となる樹脂製シート20の摩耗量が増大する。
 よって、DLC膜13の硬さは6~39GPaとする。DLC膜13の硬さは9~29GPaとするのが好ましく、9~21GPaとするのがより好ましい。
 DLC膜13の硬さは、DLC膜13中の水素含有量とよい相関性がある。つまり、DLC膜13中の水素含有量が多いとDLC膜13の硬さは低くなる傾向があり、DLC膜13中の水素含有量が少ないとDLC膜13の硬さが高くなる傾向がある。DLC膜13の硬さが前記したように6~39GPaの範囲である場合、原料、圧力、成膜時間、バイアス電圧、プラズマ強度などの成膜条件によっても若干異なるが、DLC膜13中の水素含有量は17~43at%(原子%)程度とすればよい。
 DLC膜13の原料としては、例えば、メタン(CH4)、アセチレン(C22)、トルエン(C78)、ベンゼン(C66)、テトラメチルシラン(Si(CH3)4;TMS)などの炭化水素ガスを挙げることができる。また、DLC膜13の成膜方法としては、これらの原料を用いたプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)を好適に用いることができる。なお、DLC膜13は、前記した硬さを有する限り、プラズマCVD以外の成膜方法で成膜可能であることはいうまでもない。どのような手法および条件によってDLC膜13を設けるかは、所望する硬さに応じて適宜に選択することができる。DLC膜13には、Si(シリコン)、Ti(チタン)、W(タングステン)、Cr(クロム)などが含有されていてもよい。これらの元素が含有されているとDLC膜13の硬さやヤング率などの機械的特性やナノレベルの表面構造を制御することができるとともに、グリース60中に含有されるワックス成分等の添加成分の吸着性を制御することができる。
 なお、DLC膜13の硬さやヤング率は、ISO 14577に準拠したナノインデンテーション法(ナノインデンテンター)で測定することができ、精度よく算出することができる。
 また、DLC膜13中の水素含有量は、例えば、ラザフォード後方散乱分光法(Rutherford Backscattering Spectrometry;RBS)で測定することができる。
 DLC膜13の表面粗さは、二乗平均平方根粗さ(Rq)で60nm以下とするのが好ましい。二乗平均平方根粗さが60nm以下であれば、DLC膜13の表面の粗さが過度に高くないので、DLC膜13による樹脂製シート20への摩耗攻撃性をより確実に抑制することができる。そのため、より確実に耐摩耗性に優れたボールジョイント1を得ることができる。
 DLC膜13の二乗平均平方根粗さ(Rq)は、原子間力顕微鏡(AFM)を用いて測定し、得られた結果からJIS B0601:2001に準拠して算出することができる。
 DLC膜13の硬さ、ヤング率、水素含有量や表面粗さ(二乗平均平方根粗さ)などの膜物性は、用いる原料ガス種や印加するバイアス電圧などの装置条件や成膜時間の組み合わせにより制御することができる。例えば、原料ガスとしてCH4、C22、C66、C78、TMSなどを用いた場合、圧力を0.1~9.0Pa、球面部11のバイアス電圧を400~2000V、プラズマ出力を20~200W、成膜時間を15~240minとすることで前記した範囲で任意に調整することができる。
 樹脂製シート20は、ポリアセタール、ナイロン、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、エラストマーまたはこれらの繊維強化複合材で作製されたものを好適に用いることができる。これらから選択される材料で作製された樹脂製シートであれば、優れた弾力特性と衝撃吸収性を得ることができる。なお、樹脂製シート20は、本発明の所望の効果を奏することができればこれら以外の樹脂や繊維強化複合材で作製されたものを用いることもできる。
 ボールスタッド10、ハウジング30、プラグ40といった構成部材は、普通鋼および特殊鋼を含む鉄鋼製材であるのが好ましいが、非鉄金属製の部材またはセラミック製の部材などであってもよい。
 普通鋼としては、日本工業規格(JIS)で規格されている一般構造用圧延鋼材(SS材)、溶接構造用圧延鋼材(SM材)、ボイラーおよび圧力容器用鋼材(SB材)、高圧ガス容器用鋼板および鋼帯(SG材)、熱間圧延鋼材および鋼帯(SPH材)、鋼管用熱間圧延炭素鋼鋼帯(SPHT材)、自動車構造用熱間圧延鋼板および鋼帯(SAPH材)、冷間圧延鋼板および鋼帯(SPC材)などを挙げることができる。
 また、特殊鋼としては、高炭素クロム軸受鋼(SUJ2材)、クロム鋼(SCr材)、クロムモリブデン鋼鋼材(SCM材)、ニッケルクロムモリブデン鋼(SNCM)が好ましいが、機械構造用炭素鋼(S-C材)、炭素工具鋼鋼材(SK材)、切削工具用合金工具鋼鋼材(SKS材)、冷間ダイス用合金工具鋼鋼材(SKD材)、熱間金型用合金工具鋼鋼材(SKT材)、高速度工具鋼鋼材(SKH材)、炭素クロム軸受鋼鋼材(SUJ材)、ばね鋼鋼材(SUP材)、ステンレス鋼鋼材(SUS材)、耐熱鋼鋼材(SUH材)、定温圧力容器用炭素鋼鋼材(SLA材)、磁心鋼や磁石鋼、鍛鋼品(SF材)、鋳鋼品(SC材)、鋳鉄品(FC材)などを挙げることができる。
 非鉄金属としては、アルミニウム、マグネシウム、チタンまたはこれらから選択されるいずれか一つを主成分とする合金を挙げることができる。
 アルミニウムまたはアルミニウム合金としては、JISで規格されている純Al(1000系)、Al-Cu,Al-Cu-Mg系合金(2000系)、Al-Mn,Al-Mn-Mg系合金(3000系)、Al-Si-Cu-Mg-Ni,Al-Si系合金(4000系)、Al-Mg系合金(5000系)、Al-Mg-Si系合金(6000系)、Al-Zn-Mg-Cu,Al-Zn-Mg系合金(7000系)、Al-Cu合金(AC1A)、Al-Cu-Mg合金(AC1B)、Al-Cu-Mg-Ni合金(AC5A)、Al-Si合金(AC3A、ADC1)、Al-Cu-Si合金(AC2A、AC2B)、Al-Si-Cu合金(AC4B、ADC10、ADC12)、Al-Si-Mg合金(AC4C、AC4CH、ADC3)Al-Si-Cu-Mg-Ni合金(AC8A、AC8B、AC8C、AC9A、AC9B、ADC14)、Al-Mg合金(AC7A、ADC5、ADC6)などを挙げることができる。
 マグネシウムまたはマグネシウム合金としては、JISで規格されている1~7種を挙げることができる。
 チタンまたはチタン合金としては、JISで規格されている1~4種を挙げることができる。
 ボールスタッド10、ハウジング30、プラグ40は、前記した材料の中から用途に応じて適宜選択して形成されたものであればよい。つまり、ボールスタッド10、ハウジング30、プラグ40は、前記の中から選択される同じ材料で形成されていてもよく、また、異なる材料で形成されていてもよい。
 次に、本発明の効果を確認した実施例について説明する。
 まず、SUJ2材からなる直径φ6mmのボール材の表面に、表1に示す条件でDLC膜を成膜し、実施例1~8および比較例1~4を作製した。なお、比較例1にはDLC膜を成膜しなかった。表1中のC22はアセチレン、C66はベンゼン、C78はトルエン、TMSはテトラメチルシランをそれぞれ表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 表1に示す実施例1~8および比較例1~4に係るボール材と、ポリアセタールで作製した円形のディスク材と、を用いて、図2に示すボールオンディスク摩擦摩耗試験を行った。
 図2に示すように、ボールオンディスク摩擦摩耗試験は、ポリアセタール製のディスク材201の表面にグリースを塗布し、φ6mmのボール材202への荷重:5N、摺動速度:1mm/秒、温度:25℃、5000サイクルという条件で行った。
 試験終了後、ディスク材201およびボール材202の表面をそれぞれ観察し、ディスク材201の摩耗比率と、ボール材202表面のDLC膜の状態と、を調べた。また、成膜したDLC膜の水素含有量[at%]、二乗平均平方根粗さ[nm]、ヤング率[GPa]および硬さ[GPa]を測定したので、併せて表2に示す。なお、表2中の「―」は測定対象であるDLC膜が存在しないので測定しなかったことを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 表2に示す水素含有量は、ラザフォード後方散乱分光法(Rutherford Backscattering Spectrometry;RBS)により測定した。RBSでは、試料にヘリウム(He)イオンを照射して、特に水素含有量については、反跳して前方に散乱した水素を検出した結果より算出した。
 二乗平均平方根粗さは、原子間力顕微鏡(AFM)を用いて、一辺が20μm以上50μm以下の領域を測定し、得られた結果からJIS B0601:2001に準拠して算出した。
 ヤング率および硬さは、ISO 14577に準拠したナノインデンターを用いて測定した。
 摩耗比率は、表面粗さ計でディスク材201(図2参照)の表面におけるボールオンディスク摩擦摩耗試験で形成された摺動傷の深さを測り、比較例1の摩耗量を1.00とした場合における比率を摩耗比率として示した。また、ボール材202(図2参照)の表面を光学顕微鏡で観察し、DLC膜が摩耗により消失していないか確認した。
 表2および図3に示すとおり、比較例3、4は、DLC膜の硬さが高すぎるため、ディスク材201の摩耗量が増大し、比較例1と比較して摩耗比率(つまり、摩耗量)が5倍以上となった。
 表2および図4を参照するとわかるように、DLC膜の硬さ40~50GPa(つまり、比較例3、4)を境界として摩耗比率が急激に増大することがわかる。
 比較例2は、ディスク材201の摩耗比率が比較例1と同程度であり良好であったが、DLC膜の硬さが低すぎるため、ボールオンディスク摩擦摩耗試験によりボール材202の表面に成膜したDLC膜が消失した。
 これに対し、実施例1~8はいずれも摩耗比率が良好であった。また、ボールオンディスク摩擦摩耗試験によるボール材202表面のDLC膜の消失もなかった。
 実施例1~8および比較例2~4の結果から、DLC膜の硬さが本発明の要件である6~39GPaとする必要があることがわかった。
 また、実施例4から、DLC膜の二乗平均平方根粗さが60nm程度以下であれば良好な摩耗比率を確実に得ることができることがわかった。
 次に、実施例1~8の条件で球面部にDLC膜を成膜したボールスタッドを用いて摺動挙動(トルク挙動)の測定を行った。なお、以下の説明では、実施例1~8の条件で球面部にDLC膜を成膜したボールスタッドを実施例1~8と呼ぶ。
 まず、低粘度の汎用グリースを用いた際の摺動挙動の測定を行った。かかる測定は、SCM材で作製したボールスタッドの球面部に、表1の実施例1~8に示した条件でDLC膜を成膜した。DLC膜を成膜したボールスタッドの球面部に低粘度の汎用グリースとして新日本石油株式会社製クラノックコンパウンドFLを塗布し、ポリアセタール製シートを当接させてハウジング内に組み込み、摺動挙動試験用のボールジョイントを作製した。
 そして、図5に示すように、作製した摺動挙動試験用のボールジョイント501のハウジング530を、同図中の破線で図示した板材570と実線で図示した板材580との間に挟んで固定した。なお、破線で示した板材570にはボールスタッド501の軸材512を突出させる穴部(図示せず)が設けられており、この穴部からボールスタッド501の軸材512を突出させている。
 板材570から突出している軸材512にトルクレンチ590を取り付け、トルクレンチ590を回転させてトルク挙動を測定した。なお、測定は、25℃の環境温度下、トルクレンチ590の回転速度を5度/秒とし、25~30秒間回転させた。
 なお、比較のために、球面部(図8の符号811参照)に厚さ約2μmのマグネタイト層を設けた比較例5に係るボールスタッドを作製し、前記実施例1~8と同様にしてボールジョイント501を作製した。また、前記と同様、二枚の板材570、580を用いて固定し、トルクレンチ590にて前記と同じ条件でトルク挙動を測定した。
 その結果、図6に示すように、実施例1~8は終始トルク挙動が安定していたのに対し、比較例5はトルク挙動が激しく上下し、不安定であった。
 実施例の中から、DLC膜の硬さが異なる実施例1、2、5、7、8を選択し、低粘度の汎用グリースを用いた摺動挙動試験と同様にして、高粘度の汎用グリースを用いた摺動挙動試験を行った。その結果を図7に示す。なお、高粘度の汎用グリースとして新日本石油株式会社製リパノックデラックス2を用いた。
 図7に示すように、DLC膜の硬さが6~39GPaの範囲にある実施例1、2、5、7、8はいずれも摺動試験の間、終始トルク挙動が安定していた。
 以上に説明したように、球面部を有するボールスタッドと、球面部を回動自在に保持する樹脂製シートと、を有するボールジョイントにおいて、球面部の表面に、硬さが6~39GPaの非晶質硬質炭素膜を設けることで、耐食性に優れ、摩耗比率が少なく、かつ摺動挙動(トルク挙動)の安定性に優れたボールジョイント、つまり、耐摩耗性と摺動特性の安定性に優れたボールジョイントを具現できることがわかった。
 また、非晶質硬質炭素膜の二乗平均平方根粗さが60nm以下であれば前記した耐摩耗性、耐食性と摺動特性の安定性に優れたボールジョイントをより確実に具現できることがわかった。
 さらに、前記した実施例では樹脂製シートとしてポリアセタール製のディスク材を使用したが、ポリアセタール製のものと同等品であり、一般に同様の条件で使用されているナイロン、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、エラストマーまたはこれらの繊維強化複合材で作製されたシートについても、略同じ効果を奏することが強く示唆される。
 1   ボールジョイント
 10  ボールスタッド
 11  球面部
 12  軸材
 13  非晶質硬質炭素膜(DLC膜)
 20  樹脂製シート
 21  曲面部
 30  ハウジング
 31  開口部
 32  曲折部
 33  開口部
 34  曲面部
 35  フランジ部
 40  プラグ
 50  ブーツ
 60  グリース

Claims (3)

  1.  球面部を有するボールスタッドと、前記球面部を回動自在に保持する樹脂製シートと、を有するボールジョイントにおいて、
     前記球面部の表面に、硬さが6~39GPaの非晶質硬質炭素膜を設けた
     ことを特徴とするボールジョイント。
  2.  前記非晶質硬質炭素膜の二乗平均平方根粗さが60nm以下であることを特徴とする請求の範囲第1項に記載のボールジョイント。
  3.  前記樹脂製シートが、ポリアセタール、ナイロン、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、エラストマーまたはこれらの繊維強化複合材である
     ことを特徴とする請求の範囲第1項または請求の範囲第2項に記載のボールジョイント。
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