CN112740019A - 滑动体的表面评价方法以及滑动体的表面评价装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种滑动体的表面评价方法以及滑动体的表面评价装置，能够观察滑动体的滑动部中变质部的经时变化。包括：第1步骤，对相对于被滑动体(4)滑动地形成的滑动体(3)的滑动部(3a)，照射电磁波；第2步骤，检测被照射到电磁波的滑动部(3a)的发光；以及第3步骤，导出滑动部中的发光状态的变化。
Description
技术领域
本发明涉及对滑动体的滑动部进行观察的表面评价方法以及滑动体的表面评价装置。
背景技术
在曲轴、齿轮或滑轮等旋转运动的装置或活塞等往复运动的装置中，存在分体的部件彼此滑动，产生摩擦的滑动部。关于该滑动部的摩擦，已知对于尤其是由碳化硅形成的滑动体，由于初期滑动，滑动部的摩擦系数临时上升之后急剧降低并稳定的现象，即所谓的“磨合”现象。例如，如机械密封那样构成对流体机械的旋转轴进行轴封的装置的旋转密封环或如静止密封环那样的滑动体，如果并没有由于“磨合”现象而处于滑动部的摩擦系数充分降低了的状态，则存在的问题是，除了对流体装置的驱动性能带来不好影响之外，还无法确保机械密封的密封性能。因此，进行滑动部的观察，这在评价机械密封的性能方面是有益的，该观察之中运用了各种手法。
作为滑动部的观察方法，例如有专利文献1所示那样的观察装置。专利文献1的观察装置具备对成为试验片的滑动体进行保持的保持夹具和使透光性的被滑动体旋转的驱动单元，从光源对这些滑动体与被滑动体的滑动面照射光，用数字摄像机获取从滑动面反射并透过被滑动体的光，得到滑动面的图像。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5037444号公报(第7页，图2)。
在专利文献1中，通过使被滑动体采用透光性的玻璃，能够得到被驱动旋转的滑动体的滑动面的图像，从而视觉观察滑动中滑动面的表面凹凸或油膜。另一方面，对滑动部的摩擦系数的降低有影响的事象不限于滑动面的表面形状或油膜的存在状态，已知由于滑动部的摩擦而基材变质了的变质部的影响，但是专利文献1的技术并不意图观察滑动部的变质部的经时变化，无法进行这样的观察。
发明内容
本发明是着眼于这样的问题点而完成的，其目的在于提供一种能够观察滑动体的滑动部的变质部的经时变化的滑动体的表面评价方法以及滑动体的表面评价装置。
为了解决所述课题，本发明的滑动体的表面评价方法，包括：第1步骤，对相对于被滑动体滑动的滑动体的滑动部照射电磁波；第2步骤，检测被照射所述电磁波的所述滑动部的发光；以及第3步骤，导出所述滑动部中的发光状态的变化。
由此，通过检测滑动部的发光，导出发光状态的变化，能够使得滑动体的表面由于摩擦而化学以及几何学变质了的变质部可见化，能够观察该变质部的经时变化。
优选地，所述第1步骤，包括遍布所述滑动部的整个表面扫描所述电磁波的步骤。
由此，通过遍布滑动部的整个表面观察发光状态的变化，能够评价滑动部中易于被低摩擦化的区域等。
优选地，所述第1步骤包括一边驱动所述滑动体旋转一边对所述滑动部照射电磁波的步骤。
由此，通过使滑动体旋转，能够容易观察滑动部的整个表面。
优选地，所述第1步骤包括导出所述滑动部中的发光区域的步骤。
由此，基于发光区域的变化，能够观察滑动部的摩擦系数降低的过程。
优选地，所述第3步骤包括从所述发光区域剔除规定以上亮度的区域的步骤。
由此，能够剔除在滑动部的表面孔之中埋入的摩耗粉末所导致的影响，从而准确地评价形成实质变质部的区域。
优选地，所述第1步骤，包括通过共焦扫描型显微镜扫描所述电磁波的步骤。
由此，共焦扫描型显微镜能够对低亮度的滑动部，尤其是变质部的发光进行检测。
优选地，所述第1步骤包括沿着所述滑动部的深度方向细微移动所述共焦扫描型显微镜的焦点的步骤。
由此，能够三维解析滑动部，对例如形成的变质部的厚度或深度不同的变质部的发光面积进行观察。
为了解决所述课题，本发明的滑动体的表面评价装置，具备：保持滑动体的保持部件；驱动所述滑动体旋转的驱动单元；对所述滑动体的滑动部照射电磁波的照射装置；检测被照射所述电磁波的所述滑动部的发光的检测部；以及根据由所述检测部检测到的所述发光，导出所述滑动部中的发光状态的变化的运算装置。
由此，通过检测滑动部的发光，导出发光状态的变化，能够使得滑动体的表面由于摩擦而化学以及几何学地变质的变质部可见化，能够观察该变质部的经时变化。
优选地，具备能够保持相对于所述滑动体滑动的被滑动体的第2保持部件，所述被滑动体透过所述电磁波以及所述发光，所述照射装置配置在通过所述被滑动体对所述滑动体的滑动部照射所述电磁波的位置。
由此，能够透过被滑动体，对滑动体的滑动部照射电磁波，并且使滑动部的发光透过被滑动体来加以检测，因此能够在滑动体与被滑动体的滑动中，观察滑动部中的变质部的变化过程。
优选地，所述滑动体是多晶SiC，所述被滑动体是单晶SiC。
由此，通过能够使被滑动体透过电磁波和发光，同时与滑动体的物理特性近似，能够高精度地观察滑动部的表面的变质部的变化过程。
优选地，对所述滑动体与所述被滑动体之间供给水，作为润滑剂。
由此，通过利用粘性低的水，作为滑动部的润滑剂，能够高精度地观察滑动部的表面磨合现象的推进状况。
附图说明
图1是表示在本发明的实施例1的滑动体的表面评价方法中利用的表面评价装置的概要图。
图2是放大滑动体的对向端面的放大截面图。
图3是表示滑动体的摩擦系数相对于滑动距离的举动的线条图。
图4是表示滑动体的滑动部的数学平均高度(Sa)相对于滑动距离的举动的线条图。
图5是表示滑动体的滑动部的荧光区域的面积相对于滑动距离的举动的线条图。
图6是表示滑动体的滑动部的荧光区域的图像。
图7是表示使共焦扫描型显微镜的焦点在滑动部的深度方向细微移动的样子的图片。
图8是表示本发明的实施例2中的滑动体与被滑动体的对应关系的概要图。
图9是表示本发明的实施例3中的滑动体与被滑动体的对应关系的概要图。
具体实施方式
已知滑动体由于初期滑动而滑动部的摩擦系数临时上升之后摩擦系数急剧地降低并稳定的现象(参照图3)，即所谓的“磨合现象”。在磨合过程中，对滑动部作用剪切力、热、压力等，其表面发生化学以及几何学的变化而形成的变质部对低摩擦化起到支配作用。
如之前所知的那样，在观察通过“磨合现象”发现了低摩耗的滑动部时，确认到，大部分是基材变质了非晶化了的变质部，剩余部分是未变质的基材部。另外，还确认到，局部存在填埋了摩耗粉末的微细凹部即细孔。发明人通过利用共焦显微镜，成功地捕获到变质部自身的发光，同时，发现滑动初期的变质部的生成状况与磨合过程中摩擦系数的变化或表面粗糙度的变化是一致的。通过利用该现象，能够准确把握滑动体的滑动部尤其是变质部的状态，以下作为实施例，进行说明。
实施例1
针对本发明的实施例1所涉及的滑动体的表面评价方法和滑动体的表面评价装置，参照图1至图7，来进行说明。
发明人进行了观察滑动体表面的实验。在实验中，为了进行作为陶瓷的碳化硅(SiC)端面彼此的滑动摩擦试验，如图1所示那样，利用了能够进行温度控制的环上环(ringon ring)型推力摩擦摩耗试验机即表面评价装置(以下，仅称为试验机30)。首先，针对实验中利用的试验片或试验机30，进行说明。
作为试验片利用的滑动体利用了以多晶碳化硅(以下，称为多晶SiC)形成并呈圆环状滑动体3和以单晶碳化硅(以下，称为单晶SiC)形成并呈圆环状的被滑动体4。形成滑动体3的多晶SiC与用于流体机器轴封等的机械密封的旋转密封环或用于静止密封环是同质的。被滑动体4的硬度摩擦系数的特性与多晶SiC相同，同时为了使后述的作为励起光的激光10透过，而与多晶SiC相比，利用了易于透光的单晶SiC。作为滑动体3使用外径18mm、内径8mm、厚度8mm的滑动体，作为被滑动体4使用外形16mm、内径11mm、厚度8mm的滑动体。
试验机30设有能够与基盘1旋转地连结并且保持滑动体3的外壳2，在滑动体3的上方，被滑动体4与滑动体3可接触地配置。
外壳2构成为，具有在上下方向贯通的贯通孔2b设于轴心部的圆盘状底面部2a、在底面部2a的下表面设置的圆筒状轴部2c以及设于底面部2a的外周缘向上方延伸的圆筒状侧面部2d。外壳2经由在轴部2c的外周配置的轴承5与基盘1可旋转地连结。
另外，在外壳2的内部，以至少侵入滑动体3的对向端面和被滑动体4的对向端面的水位，来收纳水8，浸入这些端面之间的水在滑动体3和被滑动体4相对旋转滑动时，作为润滑剂发挥功能。此外，尽管未图示，但是供给滑动体3与被滑动体4的端面间的水8是25℃的精制水，并且以60ml/min循环供给。
滑动体3以使端面朝向上方的状态，保持在外壳2的贯通孔2b的上端开口部。被滑动体4以能够相对于在外壳2上保持的状态的滑动体3接触的方式，配置在滑动体3的上方。
另外，在滑动体3与被滑动体4之间，以通过未图示的载重用马达从滑动体3的上方施加载重的状态下分别保持。该载重由未图示的载重机计测，等于与使用于流体机器轴封等机械密封的旋转密封环和静止密封环接近的弹簧等弹性单元的施力。
另外，被滑动体4固定在插通在外壳2的贯通孔2b的旋转轴6的上端部，旋转轴6与马达等旋转驱动源7连结，能够被旋转驱动源7驱动而旋转。另外，通过位于旋转轴6的外径侧的环状密封11，来对旋转轴6与贯通孔2b之间进行轴封。
试验机30具备共焦扫描型显微镜16(奥林巴斯公司制造)。共焦扫描型显微镜16具有照射激光10的光源9、对物透镜18、分光镜19、检测器20、从射入检测器20的作为发光的荧光排除散射光的针孔12。
针对共焦扫描型显微镜16的动作简单地进行说明。从光源9照射的激光10被分光镜19反射，通过对物透镜18，并且透过被滑动体4朝向滑动体3的滑动部3a照射。滑动部3a是指滑动体3中与被滑动体4的滑动部位即滑动部3a，如图7所示，是指包括变质部3p和未变质的基材部3b的滑动体3的表层部。基于激光10的观察对象的荧光17和被观察对象反射的激光，再次透过被滑动体4，由对物透镜18收集。被收集的光内反射掉的激光被分光镜19反射，仅荧光17通过检测器20侧。荧光17在检测器20的跟前被针孔12排除掉散射光，入射检测器20。射入检测器20的荧光17被放大。尽管未图示，但是优选在分光镜19与针孔12之间，设置对基材部3b发出的荧光的波长进行遮挡的滤光器。
另外，分光镜19通过未图示的驱动机构，能够被微旋转驱动而改变其反射角，能够改变激光10的照射方向，能够通过激光10，在径向扫描滑动体3的滑动部3a的表面。在检测器20，将入射光变换成数字数据，创建观察对象的三维图像。
另外，在试验机30上，设置使外壳以一定间距旋转以及停止的外壳旋转控制单元23。作为外壳旋转控制单元23，具体而言，使用了伺服电机24，但是亦可以在外壳2的外周设置齿轮齿，在基盘1侧设置机架机构，啮合该齿与机架。能够对合外壳2基于该外壳旋转控制单元23的旋转和激光10基于分光镜19的反射角的驱动而沿着径向的扫描，共焦扫描型显微镜16扫描滑动部3a的整个表面。由检测器20检测到的图像利用未图示的电脑等运算装置运算解析，能够评价滑动部3a的荧光区域和相对于滑动部3a的整个表面相对于荧光区域的面积的比率，进而评价亮度分布。
针对使用上述试验片和试验机30，进行作为试验片的滑动体3的滑动部3a的观察的实验，进行说明。
在水中进行滑动体3与被滑动体4的端面彼此的滑动摩擦试验。摩擦力通过对施加到被轴承支撑的试验片夹具的摩擦转矩换算而成。在实验中，对滑动体3与被滑动体4之间施加载重的载重马达的载重为32N、53N、212N。另外，外壳的旋转速度为142rpm、284rpm、1420rpm、2840rpm。
针对滑动体3滑动以前的初期的表面粗糙度(以后称为“Ra”)，准备了Ra<0.1和Ra<0.01。针对被滑动体4滑动以前的初期Ra，准备了Ra<0.01。
利用试验机30，并且在以上述条件滑动滑动体3和被滑动体4情况下的滑动体3(Ra<0.1)的摩擦系数的举动如图3所示。从图3可知，滑动体3(Ra<0.1)的摩擦系数在初期表示出比较高的摩擦之后，伴随着陡峭的摩擦系数的降低，摩擦系数维持在了0.05以下。
图4是表示滑动体3的滑动部3a的数学平均高度(Sa)的结果，确认到，在磨合过程急剧地形成平滑滑动面，低摩擦发现后，也与滑动距离一起持续纳米级别的变化，形成超平滑的滑动面。
发明人他们发现了，非晶化等SiC化学变化了的变质部展现出了荧光，通过利用荧光现象来观察和评价变质部，能够判明磨合过程，下面详细说明。
通过共焦扫描型显微镜16观察滑动部3a时，发现了低摩擦的滑动面，尽管被摩耗粉末填埋的细孔仅在局部存在，但是确认到，大部分是变质部。
在磨合过程中，考虑到产生了伴随SiC变质的摩耗和摩耗粉填埋细孔这两个作用。从而，在磨合过程中急剧地形成平滑滑动面从而Sa降低时(参照图4)，确认到荧光区域增加了(参照图5)。即，从滑动距离100m到400m，Sa从0.05骤减到0.01，另一方面，确认到荧光区域从20％陡增到80％。这样，就判明了，Sa降低时，发生化学变化，发现低摩擦的变质部陡增。
图6的(a)是利用共焦扫描型显微镜16拍摄滑动距离98m的滑动部3a的表面而得到的，泛白的部分表示荧光区域。图6的(b)同样地，滑动距离表示200m的荧光区域。荧光区域是变质部3p，黑色部表示未变质的基材部3b。从该图6和图5确认到，尤其是，摩擦系数上升了的98m到200m，Sa和荧光区域均表现出了显著变化，荧光区域显著增加。另外，在磨合初期(98m)或摩擦系数0.05以下的低摩擦发现后的区域，也确认到荧光区域的放大，尽管只有稍许，比较明显的是化学变化从摩擦初期到低摩擦发现后持续产生。即，因为发现了低摩擦的滑动面的大部分是变质部，所以可以得到启示，能够根据荧光观察高灵敏度地捕获变质部的化学变化。
以上可以，基于摩擦能量的SiC的化学变化是一个触发，SiC表面一边平滑摩耗，一边由于从变质的SiC产生的摩耗粉填埋细孔的作用而几何学稳定，即便变质部的化学变化稳定时，也会形成低摩擦界面。
另外，可知，在细孔中填埋的摩耗粉末比变质部的发光亮度高，因此在基于运算装置对滑动部3a的运算解析中，通过进行从发光面积剔除规定以上亮度的区域的步骤，能够剔除在滑动部3a的表面细孔中埋入的摩耗粉末所造成的影响，从而可靠地评价形成的变质部面积。
另外，针对在变质部产生的化学变化，通过TEM观察以及分光分析确认到细节。通过该TEM观察，即便发现了低摩擦，也不一会儿就在滑动面(例如滑动距离为519m的滑动面)和在低摩擦发现后充分滑动后的滑动面(例如滑动距离为10km的滑动面)，均形成了与基材SiC不同，变质部占据大部分的厚度为数nm的纳米界面。考虑到从滑动距离为519m到10km，摩耗深度变深了约30nm，能够推定数nm的纳米界面反复进行了摩耗和生成。
在以上的实验中，得到以下的结论。
(1)荧光观察能够高灵敏度地检测低摩擦产生时变质部的微小化学变化，将SiC变质的区域作为荧光区域，进行定量评价。
(2)通过伴随基材SiC的变质的摩耗和摩耗粉填埋表面凹部这两个作用，急剧形成平滑的滑动面，在数学平均高度Sa降低的磨合过程中，变质部所展示的荧光区域增加。
这样，滑动体的表面评价方法具备在以SiC形成的滑动体3与被滑动体4之间，对滑动体3的滑动部3a照射激光10的第1步骤、对被照射激光10的变质部3p的发光的荧光进行检测的第2步骤以及导出滑动部3a的发光状态的变化第3步骤。由此，根据形成SiC停滞部的发光状态的变化，能够评价磨合现象的推进状况，能够可靠地评价摩擦系数的降低。
另外，通过激光10遍布滑动部3a的整个表面地进行扫描，遍布滑动部3a的整个表面地运算发光面积，能够评价滑动部3a中易于低摩擦化的区域等。例如，能够评价在径向的特定区域，“磨合现象”显著等。
另外，通过在观察滑动部3a的过程中利用共焦扫描型显微镜，能够可靠地检测低亮度的滑动部3a的发光。
另外，对滑动体3与被滑动体4之间供给水作为润滑剂。由此，通过将粘性低的水作为滑动部的润滑剂而加以利用，能够高精度地观察滑动部3a的表面磨合现象的推进状况。
此外，试验机30也可以具备驱动装置(图示省略)，能够在上下(Z轴)方向细细微移动共焦扫描型显微镜16的对物透镜18的高度位置。由此，如图7所示那样，通过使共焦扫描型显微镜16的焦点在滑动部3a的深度方向细微移动，能够三维地解析滑动部3a，观察形成变质部3p的厚度。并且，通过观察每个深度的荧光区域，能够观察每个深度的变质部3p的生成区域。在此，滑动部3a的变质部3p是大概数μm的厚度，因此这些观察是有意义的。
此外，在所述实施例中，为了便于说明，以作为由共焦扫描型显微镜16观察的试验片，采用在下侧配置的试验片作为滑动体3，作为其滑动对象采用在上侧配置的滑动体作为被滑动体进行了说明，但是并不是以滑动体和被滑动体这样的语言来区分观察对象的，而是观察对象也可以为在上侧配置的被滑动体的滑动部。
实施例2
下面，针对实施例2所涉及的滑动体的表面评价方法以及滑动体的表面评价装置，参照图8来进行说明。此外，省略与所述实施例相同构成而重复的构成的说明。
在图8中，作为滑动体，采用的不是圆筒的部件而是棒状的部件33。该情况下，被滑动体4的滑动部成为观察对象。
实施例3
下面，针对实施例3所涉及的滑动体的表面评价方法以及滑动体的表面评价装置，参照图9来进行说明。此外，省略与所述实施例相同构成而重复的构成的说明。
在图9的(a)中，被滑动体40通过难以透过激光的多晶SiC圆筒状地形成。该情况下，进行了滑动体3与被滑动体40的滑动摩擦实验之后，卸下被滑动体40，利用试验机30的共焦扫描型显微镜16，来观察滑动体3的滑动部3a。根据该构成，以与实际利用的机械密封的旋转密封环和静止密封环情况同样的材料，形成滑动体3和被滑动体40，能够得到准确滑动部的观察结果。
另外，图9的(b)是图9的(a)的变形例，作为被滑动体41，采用的不是圆筒状而是棒状的部件。该情况下，在滑动体3和被滑动体41不重合位置，利用共焦扫描型显微镜16，不卸下被滑动体41也能够观察滑动体3的滑动部3a。
以上，基于附图对本发明的实施例进行了说明，但是具体构成不限于这些实施例，不脱离本发明主旨范围中的变更或添加，即便有也包括在本发明中。
例如，在滑动体的表面评价方法中利用的试验机，不限于上述试验机30的构成。
另外，被滑动体也可以取代单晶SiC而以玻璃等透光的其他材料作成。此时，优选与滑动体的物理特性相近。
另外，对滑动部3a照射电磁波的光源，也可以是激光源以外，例如灯，不限于可见光，也可以是紫外线或红外线等不可见光的电磁波。
另外，作为观察滑动部3a的显微镜，也可以利用上述共焦扫描型显微镜以外的显微镜。
另外，作为基材变质了的变质部31p，结晶构造以从基材变质了的非晶为例进行了说明，但是变质部是由于化学、机械、热等而材料特性发生了变质的部位即可，例如也可以举出由于氧化而变质了的变质部。
另外，滑动体3可以由陶瓷以外的材料构成，但是优选SiC，Al2O3等陶瓷。
另外，供给滑动体3与被滑动体4的端面之间的润滑剂不限于水，例如也可以是气体、溶剂或油。
另外，在所述实施例的图1中，在外壳2中收纳的水仅配置在滑动体3被滑动体4的外径侧，但是不限于此，也可以配置在滑动体3和被滑动体4的内径侧、或外径侧和内径侧这两侧。此外，也可以在外径侧和内径侧配置不同种类的润滑剂。
另外，发光状态的变化可以是发光面积和亮度中的一方或两方，并且也可以是发光面积和亮度以外的发光状态。
符号说明
1、基盘；2、外壳；2a、底面部；2b、贯通孔；2c、轴部；2d、侧面部；
3、滑动体；3a、滑动部；3b、基材部；3p、变质部；4、被滑动体；5、轴承；
6、旋转轴；7、旋转驱动源；8、水；9、光源；10、激光；11、密封；12、针
孔；16、共焦扫描型显微镜；17、荧光；18、对物透镜；19、分光镜；20、检
测器；23、外壳旋转控制单元；24、伺服电机；30、试验机。
Claims (11)
1.一种滑动体的表面评价方法，其特征在于，包括
第1步骤，对相对于被滑动体滑动的滑动体的滑动部照射电磁波；
第2步骤，检测被照射所述电磁波的所述滑动部的发光；以及
第3步骤，导出所述滑动部中的发光状态的变化。
2.根据权利要求1所述的滑动体的表面评价方法，其特征在于，
所述第1步骤包括遍布所述滑动部的整个表面地扫描所述电磁波的步骤。
3.根据权利要求2所述的滑动体的表面评价方法，其特征在于，
所述第1步骤包括一边驱动所述滑动体旋转一边对所述滑动部照射电磁波的步骤。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的滑动体的表面评价方法，其特征在于，
所述第1步骤包括导出所述滑动部中的发光区域的步骤。
5.根据权利要求4所述的滑动体的表面评价方法，其特征在于，
所述第3步骤包括从所述发光区域剔除规定以上亮度的区域的步骤。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的滑动体的表面评价方法，其特征在于，
所述第1步骤包括通过共焦扫描型显微镜扫描所述电磁波的步骤。
7.根据权利要求6所述的滑动体的表面评价方法，其特征在于，
所述第1步骤包括使所述共焦扫描型显微镜的焦点沿着所述滑动部的深度方向细微移动的步骤。
8.一种滑动体的表面评价装置，其特征在于，具备：
保持滑动体的保持部件；
驱动所述滑动体旋转的驱动单元；
对所述滑动体的滑动部照射电磁波的照射装置；
检测被照射所述电磁波的所述滑动部的发光的检测部；以及
从由所述检测部检测到的所述发光，导出所述滑动部中的发光状态的变化的运算装置。
9.根据权利要求8所述的滑动体的表面评价装置，其特征在于，
具备能够对相对于所述滑动体滑动的被滑动体进行保持的第2保持部件，
所述被滑动体透过所述电磁波以及所述发光，所述照射装置被配置在通过所述被滑动体对所述滑动体的滑动部照射所述电磁波的位置。
10.根据权利要求9所述的滑动体的表面评价装置，其特征在于，
所述滑动体是多晶SiC，所述被滑动体是单晶SiC。
11.根据权利要求9或10所述的滑动体的表面评价装置，其特征在于，
对所述滑动体与所述被滑动体之间供给水，作为润滑剂。
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