JP2005321048A - 転がり摺動部品およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 摩擦トルクを低減することができるとともに金属損傷の発生を抑制することができる転がり摺動部品を提供する。
【解決手段】 本発明の転がり摺動部品は、相手部材の表面との間で相対的に転がり摺動する転がり摺動面（軌道面）１ａを有している。そして、この転がり摺動面（軌道面）１ａは、その中心線表面粗さ（Ｒａ）を０．０２〜０．２μｍの範囲内に設定した。また、短パルスレーザをパルス幅１〜５ｐｓで照射させることによって凹条溝２ａ、２ｂ、２ｃ…が周期的に形成された緻密な表面構造に形成した。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えば転がり軸受の軌道輪のように相手部材との間で相対的に転がり接触若しくは滑り接触または両接触を含む接触（転がり摺動）をする転がり摺動部品およびその製造方法に関する。

転がり摺動部品の一種である転がり軸受の軌道輪や転動体は、例えば重荷重が作用する環境下や急加速を伴う環境下で使用されると、その接触面に焼き付きやスメアリングといった損傷が発生することがある。このような転がり軸受において、転がり接触する軌道面や転動面における表面接触（潤滑膜を介さないで表面突起同士が直接接触すること。金属表面の場合は金属接触と一般にいう。）を少なくするために、添加剤を含んだ潤滑油を使用することが公然実施されている。ところが、潤滑油による油膜の形成状態によっては、表面損傷を有効に抑制できず、その結果、短寿命になるという問題がある。かかる問題を解決すべく、軌道面や転動面に凹凸を形成する表面処理を施し、良好な潤滑油膜を形成させることが公然実施されている。

また、転がり軸受においては、当該転がり軸受が取り付けられる各種の機器の省エネルギー化等に資すべく、摩擦トルクを減少させることも求められている。一般に、摩擦トルクを減少させるためには、潤滑油の使用量を極力少なくして転がり粘性抵抗を低くするのが良いということが知られている。ところが、このような潤滑油の少ない環境、例えば油膜パラメータΛ（油膜厚さｈと表面粗さσとの比として表されるもの（Λ＝ｈ／σ））が１〜２程度の環境では、表面同士が直接接触する領域が増加し、当該領域が起点となって表面損傷を引き起こしやすいという問題がある。

このようなことから、軌道面や転動面の表面状態を高度に制御することが重要となっているが、転がり軸受自体の安価化が特に要請されている現状では、製造コストが高くつく表面処理方法を採用するのが難しい。このため、製造コストが高くならないように留意しつつ、いかにして、摩擦トルクを低減するとともに表面損傷の発生を抑制するか、が重要となる。

本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、摩擦トルクを低減することができるとともに表面損傷の発生を抑制することができる転がり摺動部品およびその製造方法の提供をその目的とする。

本発明の転がり摺動部品は、相手部材の表面との間で相対的に転がり摺動する転がり摺動面を有する転がり摺動部品であって、前記転がり摺動面は、中心線表面粗さ（Ｒａ）が０．０２〜０．２μｍの範囲内に設定されており、かつ、短パルスレーザをパルス幅１〜５ｐｓで照射させることによって緻密な表面構造に形成されていることを特徴としている。
上記の構成によれば、特定の中心線表面粗さ（以下単に「表面粗さ」ともいう）Ｒａに設定された転がり摺動面であり、しかも短パルスレーザを特定のパルス幅で照射させることによって緻密な表面構造に形成されているので、同程度の表面粗さに設定された転がり摺動面に比べて、油膜形成能力が高く、低い油膜パラメータであっても良好な潤滑油膜を形成することができる。このため、摩擦トルクを低減することができるとともに表面損傷の発生も抑制することができる。また、短パルスレーザを照射すれば、簡単かつ確実に、従来の転がり摺動面の表面構造に比べて緻密な表面構造に形成できるので、製造コストが高くつかず、転がり摺動部品の安価化の要請に応えうるものを提供することができる。

ここで、本発明において「緻密な表面構造」とは、通常の機械的な表面加工処理では形成できない微小な凹凸を有し、その微小な凹凸がナノメートルオーダーで高度に制御されて形成された構造をいう。例えば、凹条溝がナノメートルオーダーのピッチで周期的に形成された表面構造や、微小な凹部や凸部がナノメートルオーダー間隔で適度に分散した表面構造をいう。
また、「短パルスレーザ」とは、フェムト秒レーザのようにパルス幅が非常に小さいレーザの総称であり、レーザ波長と略同じかそれよりも短いピッチで周期構造を形成することができるものをいう。

上記転がり摺動部品において、前記緻密な表面構造は、凹条溝が周期的に形成されてなる表面構造であるのが好ましい。この場合、潤滑膜（油膜）形成能力が特に高まるため、確実に摩擦トルクを低減することができるとともに表面接触の発生を抑制することができる。
また、上記転がり摺動部品において、前記凹条溝が、転がり摺動方向に対して直交する方向に延びて形成されてなるのが好ましい。この場合、特に転がり摺動方向に対して強い潤滑油膜を形成することができる。このため、より一層、摩擦トルクを低減することができるとともに表面接触の発生を抑制することができる。
さらに、上記転がり摺動部品において、前記緻密な表面構造は、微小な独立した凹部または凸部もしくは両者が混在して形成されてなる表面構造であるのが好ましい。この場合、微小な独立した凹部や凸部が潤滑油の漏れ落ちを抑制するので、より長期にわたって潤滑油膜の保持が可能となる。このため、摩擦トルクを低減することができるとともに表面接触の発生を抑制することができる。

本発明の転がり摺動部品の製造方法は、相手部材の表面との間で相対的に転がり摺動する転がり摺動面を有する転がり摺動部品を製造する方法であって、所定形状に形成され熱処理が完了した中間素材を準備した後、その中間素材に対し、レーザ波長７００〜９００ｎｍ、パルス幅１〜５ｐｓ、フルーエンス２８Ｊ／ｃｍ^２以下の照射条件で短パルスレーザを照射して、中心線表面粗さ（Ｒａ）が０．０２〜０．２μｍの範囲内に設定された緻密な表面構造を有する転がり摺動面を形成する工程を備えたことを特徴としている。
上記の構成によれば、摩擦トルクを低減することができるとともに表面接触の発生を抑制することができる転がり摺動部品を確実かつ簡単に製造することができる。さらに、短パルスレーザを照射すれば、簡単かつ確実に、従来の転がり摺動面の表面構造に比べて緻密な表面構造に形成できるので、良好な潤滑油膜を形成できる転がり摺動部品を安価に提供することが可能となる。

本発明によれば、摩擦トルクを低減することができるとともに表面損傷の発生を抑制することができる転がり摺動部品およびその製造方法を提供することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の転がり摺動部品の第１の実施形態に係る深溝玉軸受の内輪１を模式的に示す断面図である。この内輪１は、軸受鋼（高炭素クロム軸受鋼）であるＪＩＳ ＳＵＪ２を用いて作製したものであり、その相手部材の表面との転がり摺動面である軌道面１ａには、短パルスレーザを照射することにより、表面処理が施されている。

内輪１の軌道面１ａは、その表面粗さ（Ｒａ）が０．０２〜０．２μｍの範囲内に設定されている。０．０２μｍ未満であると、凹凸が少なすぎるために良好な潤滑油膜が形成されず、長期にわたり安定して使用することができないからである。逆に、０．２μｍを超えると、金属接触が起こりやすく、焼き付きや急激な摩耗等が発生して、長期にわたり安定して使用することができないからである。

そして、内輪１の軌道面１ａは、図２に示すように、転がり方向と直交する方向に延びる細長い凹条溝２ａ、２ｂ、２ｃ…が周期的に形成された緻密な表面構造を有する。詳細には、例えば短パルスレーザを直線偏光で照射することにより、底面から上方に向かって広がった凹部が細長く延びた凹条溝が周期的に形成され、その結果、細長い凹条溝２ａ、２ｂ、２ｃ…が周期的に並列して形成されている。この凹条溝２ａ、２ｂ、２ｃ…は、隣り合う凹条溝間の距離Ｌ１が平均で例えばレーザ波長８００ｎｍよりも若干短いか同程度である４００〜８００ｎｍの範囲内で形成されているのが好ましい。凹条溝が近接しすぎたり離れすぎたりすると、潤滑油膜の保持が不充分となるおそれがあるからである。なお、距離Ｌ１はレーザ波長により適宜に調節することができる。

上記内輪１は、例えばつぎのようにして製造することができる。すなわち、まず、図３に示すように、高炭素クロム軸受鋼（ＪＩＳ ＳＵＪ２）からなる環状素材１１（図３（ａ）参照）に旋削加工を施して、軌道面１２ａ、端面１２ｂ、内周面１２ｃ等を所定形状に加工する（図３（ｂ）参照）。ついで、得られた所定形状に形成された中間素材１２に対し、公知の方法に従い、焼入れ処理、焼戻し処理といった熱処理を施す（図３（ｃ）参照）。続いて、熱処理が完了した中間素材１３の軌道面１２ａ、端面１２ｂ、内周面１２ｃ等を、研削、研磨等によって所定精度に仕上げる（図３（ｄ）参照）。ここで、得られた中間素材１３の軌道面１２ａの表面粗さ（Ｒａ）は、０．３μｍ以下に設定されているのが好ましい。レーザ照射前の表面が粗すぎると、緻密な表面構造を形成できないおそれがあるからである。

その後、この中間素材１３の軌道面１２ｃに対し、短パルスレーザ１４を照射する（図３（ｅ）参照）。詳細には、レーザ波長７００〜９００ｎｍ、パルス幅１〜５ｐｓ（ピコ秒）、フルーエンス２８Ｊ／ｃｍ^２以下の照射条件で短パルスレーザを軌道面１２ａに対して照射する。これにより、照射された部分がアブレーションされて、加工跡である凹部を形成することができる。この凹部は、非熱的過程で形成されているので、アブレーションによる熱影響が小さく、高精度である。なお、本実施形態では、転がり方向に直交する方向に延びる凹条溝を周期的に形成するので、一定波長の直線偏光が用いられる。また、凸条と凸条との間の凹条溝を所望の深さにして特定の表面粗さ（Ｒａ）に設定するため、複数回レーザを走査させてもよい。こうして、特定の表面粗さ（Ｒａ）で、かつ、レーザ波長よりも短いか同程度の周期で凹条溝が形成された緻密な表面構造を有する軌道面１ａを有する内輪１を製造することができる。

上記のようにして製造された本実施形態に係る内輪１は、特定の表面粗さ（Ｒａ）に設定された転がり摺動面を有しており、かつ、短パルスレーザによってナノメートルオーダーで高度に制御された緻密な表面構造を有しているので、潤滑油の良好な保持が可能となり、その結果として、良好な潤滑油膜を形成することができる。詳細には、本実施形態に係る内輪１は、相手部材である玉（転動体）と転がり接触すると、転がり接触面の凸条に摩耗により新生面が出現する。この新生面は、酸化されておらず、非常に表面エネルギーが大きいことから、潤滑油が吸着しやすいという性質を有している。このため、潤滑油（特に、極圧添加剤）とのなじみが良く、同程度の表面粗さ（Ｒａ）を有する転がり接触面であっても、潤滑膜（油膜）形成能力が高くなる。よって、油膜パラメータが小さくても良好な潤滑油膜を形成することができる。その結果、本実施形態に係る内輪１は、摩擦トルクを低減することができるとともに表面接触も抑制することができる。また、潤滑油の使用量を減らすことができるという利点も有する。さらに、このような内輪１は、これを用いた深溝玉軸受が用いられる各種の機器の省エネルギー化にも寄与することができる。また、短パルスレーザの照射により簡単に緻密な表面構造に形成できるので、コスト安価であるという利点も有する。

図４は、本発明の転がり摺動部品の第２の実施形態に係る深溝玉軸受の内輪の軌道面（転がり接触面）２１ａを示す拡大図である。この内輪は、その軌道面２１ａが、第１の実施形態と比較して、転がり方向と直交する方向に延びる凸条ではなく、複数の微小な独立した凸部５が適度に分散した緻密な表面構造に形成されている点で異なる。このような緻密な表面構造を備えたことにより、潤滑油の漏れ落ちが少なくなって、より長期にわたり安定して潤滑油膜を保持できるという利点がある。上記の軌道面２１ａは、例えばパルスレーザを照射する光を円偏光や楕円偏光にするなどして、凸部となる部分の周りをアブレーション加工することにより、簡単に形成することができる。ここで、隣り合う微小凸部５間の距離Ｌ２は、平均で例えばレーザ波長８００ｎｍよりも若干短いか同程度である４００〜８００ｎｍの範囲内に設定されているのが好ましい。

図５は、本発明の転がり摺動部品の第３の実施形態に係る深溝玉軸受の内輪の軌道面（転がり接触面）３１ａを示す拡大図である。この内輪は、その軌道面３１ａが、第２の実施形態と比較して、複数の微小な独立した凸部５が適度に分散した緻密な表面構造ではなく、複数の微小な独立した凹部６が適度に分散した緻密な表面構造に形成されている点で異なる。すなわち、第２の実施形態では、いわば山状の凸部５が分散した表面構造に形成されているが、本実施形態では、スポット状（くぼみ状）の凹部６が分散した表面構造に形成されている点で異なる。このような緻密な表面構造を備えたことにより、凹部６が良好な油溜まりとなって、良好な潤滑油膜を形成することができる。上記の軌道面３１ａは、例えば短パルスレーザを所望の部分に照射して、凹部６となる部分をアブレーション加工することにより、簡単に形成することができる。ここで、隣り合う微小凹部６間の距離Ｌ３は、平均で例えばレーザ波長８００ｎｍよりも若干短いか同程度である４００〜８００ｎｍの範囲内に設定されているのが好ましい。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、内輪１に限らず、外輪の軌道面や転動体の転動面に短パルスレーザで表面処理を行ってもよい。また、本発明は、他の玉軸受やころ軸受といった各種の転がり軸受、直動軸受、ボールネジ等の転動面や軌道面（転がり接触面）にも適用可能である。さらに、すべり軸受、カムフォロアローラ端面、一方向クラッチカム面（滑り接触面）にも適用可能である。また、カムフォロアローラ転動面、ころ軸受のころ端面（転がり接触と滑り接触の両接触をする面）にも適用可能である。

つぎに、本発明の実施例について比較例と併せて説明する。
（実施例）
まず、高炭素クロム軸受鋼（ＪＩＳ ＳＵＪ２）からなる環状素材に旋削加工を施して、所定形状に加工した。ついで、得られた所定形状に形成された中間素材に対し、公知の方法に従い、焼入れ処理、焼戻し処理といった熱処理を施した。続いて、熱処理が完了した中間素材の端面を、研削、研磨等によって所定精度に仕上げた。なお、中間素材の端面の表面粗さ（Ｒａ）は、０．２５μｍであった。その後、転がり摺動面である端面に対し、レーザ波長８００ｎｍ、パルス幅３ｐｓ、フルーエンス２８Ｊ／ｃｍ^２の条件で短パルスレーザを直線偏光で照射することで端面に凹条溝を形成し表面粗さ（Ｒａ）が０．０７μｍに設定された環状試片を得た。なお、端面の表面構造は、走査型顕微鏡による観察により、周期的な凹条溝が平均６００ｎｍの間隔で形成された緻密な表面構造であった。この表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で観察した結果を図６（ａ）及び（ｂ）に示す。
（比較例）
短パルスレーザで表面処理を行わなかった他は、実施例と同様にして環状試片を得た。

こうして得られた実施例および比較例の試片を用い、この試片の端面に対し、鋼製の相手部材（ＳＣＭ４１５平面材を普通焼入れして表面粗さＲａ０．０２μｍに仕上げたもの）を摺動させ、経時的に摩擦係数μを測定した。その結果を図７に示す。なお、試片以外の条件、例えば潤滑油はエンジンオイルを使用して油浴条件下とし、測定条件は同じとした。
図７の結果から明らかなように、短パルスレーザで表面処理を行った端面は、短パルスレーザで表面処理を行わなかった端面に比べ、摩擦係数が約２０％以上も低減しており、低摩擦効果が得られたことが確認された。
なお、測定後の実施例および比較例の試片の端面をそれぞれ観察したところ、比較例の試片の端面に比べ、実施例の試片の端面の表面損傷が抑制されていたことも確認している。

本発明の転がり摺動部品の第１の実施形態に係る深溝玉軸受の内輪を示す断面図である。 図１に示す内輪の軌道面を示す拡大図である。 本発明の転がり摺動部品の第１の実施形態に係る深溝玉軸受の内輪の製造工程を示す工程図である。 本発明の転がり摺動部品の第２の実施形態に係る深溝玉軸受の内輪の軌道面を示す拡大図である。 本発明の転がり摺動部品の第３の実施形態に係る深溝玉軸受の内輪の軌道面を示す拡大図である。 （ａ）は実施例の試片端面のＡＦＭ像であり、（ｂ）はその一部を拡大した像（スケール１μｍ）である。 実施例および比較例の試片を用いて運転時間に対する摩擦係数を測定した結果を示すグラフ図である。

符号の説明

１ 内輪（転がり摺動部品）
１ａ 軌道面（転がり摺動面）
２ａ、２ｂ、２ｃ 凹条溝
Ｌ１ 凹条溝間の間隔

Claims (5)

1. 相手部材の表面との間で相対的に転がり摺動する転がり摺動面を有する転がり摺動部品であって、
   前記転がり摺動面は、中心線表面粗さ（Ｒａ）が０．０２〜０．２μｍの範囲内に設定されており、かつ、短パルスレーザをパルス幅１〜５ｐｓで照射させることによって緻密な表面構造に形成されていることを特徴とする転がり摺動部品。
2. 前記緻密な表面構造は、凹条溝が周期的に形成されてなる表面構造である請求項１記載の転がり摺動部品。
3. 前記凹条溝が、転がり摺動方向に対して直交する方向に延びて形成されてなる請求項２記載の転がり摺動部品。
4. 前記緻密な表面構造は、微小な独立した凹部または凸部もしくは両者が混在して形成されてなる表面構造である請求項１記載の転がり摺動部品。
5. 相手部材の表面との間で相対的に転がり摺動する転がり摺動面を有する転がり摺動部品を製造する方法であって、所定形状に形成され熱処理が完了した中間素材を準備した後、その中間素材に対し、レーザ波長７００〜９００ｎｍ、パルス幅１〜５ｐｓ、フルーエンス２８Ｊ／ｃｍ^２以下の照射条件で短パルスレーザを照射して、中心線表面粗さ（Ｒａ）が０．０２〜０．２μｍの範囲内に設定された緻密な表面構造を有する転がり摺動面を形成する工程を備えたことを特徴とする転がり摺動部品の製造方法。

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