JP2008095745A - 摺動部材及び摺動部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 連続して摺動することなく、かつ、摺動面に強制潤滑ができないような箇所であっても、摺動面間に常に油膜が形成されるようにした摺動部材及び摺動部材の製造方法を提供する。
【解決手段】 基材１１の表面に凸部１２が複数形成された摺動部材１０であって、前記凸部１２は、基端から先端に向かって先細になった第一の部分１３と、第一の部分１３の先端に、該先端の断面の径ｄよりも大きい外径Ｄを有した第二の部分１５と、を備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、基材に複数の凸部が形成された摺動部材及び摺動部材の製造方法に関する。

従来から、自動車等において、エンジン、トランスミッションなど様々な機器に摺動部材が用いられており、摺動部材の表面には、耐摩耗性、焼付け性等を考慮して、摺動性に優れた加工が施されている。

例えば、このような摺動部材として、基材の表面に基端から先端に沿って先細になった凸部が複数形成された摺動部材であって、前記凸部が所定の高さをもって規則的に形成された摺動部材が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００５−２４９１５０号公報

ところで、近年、乗用車に対するユーザの要求性能は厳しさを増しており、特に車両に快適性を求める傾向が高まってきている。そこで、衝突事故等による乗員の安全確保・走行時の車体に加わる曲げ、ねじり力を緩和するために、例えば、ステアリング部のインタミシャフトやプロペラシャフト部に中間スライド部を設け、そこにスプライン形状のスライド機構を形成することが行われる。

この種のスライド機構は、車両が停止状態から発進したとき、又は走行状態から停止したときにのみ作動する。つまり、前記スライド機構の摺動部材は、車両の運転時に常時連続しては摺動せず、不規則なタイミングで摺動することになるため、このような摺動部材には、強制潤滑により摺動面に常時潤滑油を給油するよりは、周期的な期間もって摺動面に潤滑油を給油することが一般的である。その結果、この種のスライド機構の摺動部材は、給油時に供給される潤滑油により油膜を形成することができるが、一度摺動部材の摺動が停止すると、停止時間の経過に伴い油膜切れを起す場合がある。

前記油膜切れが顕著になると、摺動時に摺動面の凝着とすべりが繰り返すいわゆるスティックスリップ現象が発生するおそれがある。該現象により、スライド機構に異音、振動が発生し、これらが不快音、ショック感として車両の室内に伝播し、ドライバの運転時における快適性を阻害することがある。

前記特許文献１に記載の摺動部材は、規則性を有した凸部を形成することにより、摺動部材の表面に規則的な凹凸ができるため、摺動部材の表面に油膜を形成することができるが、前記のような不規則に摺動する箇所では、潤滑油を一時的に摺動面に給油したとしても、非摺動時に油膜切れが発生するおそれがあり、場合によっては摺動時にスティックスリップ現象が発生するおそれがある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、連続して摺動することなく、かつ、摺動面に強制潤滑ができないような箇所であっても、摺動面間に常に油膜が形成されるようにした摺動部材及び摺動部材の製造方法を提供することにある。

前記課題を解決すべく、本発明に係る摺動部材は基材の表面に凸部が複数形成された摺動部材であって、前記凸部は、基端から先端に向かって先細になった第一の部分と、該第一の部分の先端に、該先端の断面の径よりも大きい外径を有した球状の第二の部分と、を備えることを特徴とする。

前記のように構成された摺動部材は、凸部先端に球状の第二の部分を設けたことにより、相手部材との摺動性が向上する。また、第二の部分の外径を第一の部分の先端の断面の径よりも大きくしたこと、すなわち凸部を第一の部分と第二の部分との境界でくびれた形状にしたことにより、凸部同士の間の空間が油溜めとなり潤滑油は保持され易くなるため、従来の摺動部材に比べて安定的に摺動面間に油膜を形成することが可能となる。すなわち、摺動部材の摺動面に相手部材が接触していれば、摺動部材の摺動の有無に拘わらず、凸部同士の間の油溜めに保持された潤滑油が摺動面間に給油され易くなり、常時摺動面間に油膜を形成することができる。その結果、摺動面間に常時形成された油膜により、摺動面同士の凝着、かじりなどが回避され、摺動部材の静摩擦係数と動摩擦係数との差が小さくなり、摺動部材のスティックスリップ現象を抑制することが可能となる。また、摺動時には、摺動面間は、流体潤滑領域が確保され易いので、摺動部材同士が直接接触することを防止でき、摺動部材の耐摩耗性が向上する。さらに、摺動面間にコンタミなどの異物が侵入しても、凸部の先端に第二の部分を設けたことにより凸部同士の間に前記異物が溜まりやすく、摺動部材の疲労寿命を向上させることが可能となる。

本発明に係る摺動部材の第二の部分は、カール状に屈曲していることがより好ましい。本発明の摺動部材によれば、凸部先端をカール状に屈曲させることにより、第二の部分を容易に球状にすることができる。

本発明に係る摺動部材の前記第二の部分の外径は、凸部の間に潤滑油を確保することができ、摺動時に第二の部分が欠損しないような大きさであれば特に限定されるものではないが、より好ましくは、前記第二の部分の外径は、０．５〜２μｍの範囲にある。本発明に係る摺動部材によれば、前記大きさの範囲となるように第二の部分を設けることにより、さらに、摺動面間に油膜を安定的に形成することができる。すなわち、第二の部分の外径が０．５μｍよりも小さい場合には、凸部の間に潤滑油を保持することが難しく、２μｍよりも大きい場合には、摺動時に第二の部分が第一の部分から欠損し易くなり、その結果欠損した第二の部分が摩耗粉となり、該摩耗粉により摺動部材の表面の摩耗がさらに促進されてしまう。

本発明に係る摺動部材の基材の材質は、例えば非鉄金属材料または樹脂材料などが挙げられ、凸部が摩滅し難いことおよび凸部先端をカール状に屈曲し易いことの条件を満たすものであれば、特に限定されるものではないが、より好ましくは、本発明に係る摺動部材の基材は、金、銀、銅、又はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなる。

本発明に係る摺動部材は、前記基材は鋼材であり、前記基材の表面の硬さはＨｖ２００〜８００の範囲にあることがより好ましい。すなわち、表面硬さがＨｖ２００よりも小さい場合には、鋼材に表面に形成された凸部がすぐに摩滅してしまい、Ｈｖ８００よりも大きい場合には、凸部先端をカール状に屈曲させることが難しい。

また、本発明に係る摺動部材は、摺動を行う前の初期状態として、前記複数の凸部の間には、潤滑油が充填されていることがより好ましい。このように予め潤滑油を充填しておくことにより、摺動時における初期摩耗を抑制することができ、摺動部材の長寿命化を図ることができる。

さらに、本発明として、前記摺動部材を製造するに好適な製造方法をも以下に開示する。本発明に係る摺動部材の製造方法は、基材の表面に凸部を形成する工程を少なくとも含む摺動部材の製造方法であって、該製造方法は、基端から先端に向かって先細になった第一の部分と、前記凸部の先端をカール状に屈曲させて、前記第一の部分の先端に該第一の部分先端の断面の径よりも大きい外径を有した球状の第二の部分と、を形成する工程をさらに含むことを特徴とする。このように、凸部の先端を、カール状に塑性変形させることにより、第一の部分と第二の部分が一体となった凸部を形成することができる。

本発明でいう「先端の断面の径」とは、第一の部分の先端の断面の形状が円形であれば、その直径を表し、楕円形であればその長軸を表し、他の形状である場合は、該形状を外接する円の直径を表している。また、本発明でいう「球状の第二部」とは、外観が球状または略球状の形状をした部分であり、断面が必ずしも円形である必要はない。

また、本発明に係る摺動部材の製造方法は、前記凸部を形成する工程において、前記基材の表面粗さを中心線平均粗さＲａ０．０５〜５μｍの範囲となるように前記凸部を形成し、前記第二の部分を形成する工程において、前記第二の部分の外径が、０．５〜２μｍの範囲となるように前記凸部先端の屈曲を行うことが好ましい。このように、凸部を形成する工程において、前記表面粗さの範囲となるように凸部を形成するので、耐摩耗性を有し、かつ、部材表面に潤滑油を保持し易い前記外径範囲にある第二の部分を形成し易くなる。

また、前記凸部を形成する方法、および第二の部分を形成する方法としては、研削、切削、レーザ加工、または、転造などが挙げられ、最終的に第一の部分先端に第二の部分が形成することができるのであれば、特にその方法は限定されるものではないが、より好ましくは、前記基材の表面に基材の表面よりも硬質な表面を有する第一の硬質部材を直線状に摺動させることにより前記凸部を形成し、前記第一の硬質部材の摺動方向に対して交叉するように、前記基材の表面の表面粗さよりも粗さが小さく、かつ、前記基材の表面よりも硬質な表面を有する第二の硬質部材を、前記基材の表面に摺動させることにより前記第二の部分を形成する。

本発明の製造方法によれば、基材表面に凸部を形成する第一の硬質部材の直線状の摺動方向に対して交叉するように第二の硬質部材を摺動させた、いわゆるクロスハッチにより第二の部分を形成したので、凸部先端に第二の部分がより形成されやすくなる。

また、本発明に係る摺動部材は、前記基材が鋼材である場合には、前記第二の部分を形成する工程において、前記第二の硬質部材の表面と前記基材の表面との間に、少なくとも亜鉛系及び硫黄―リン系の極圧添加剤を含む潤滑油を供給しながら、前記凸部先端の屈曲を行うことが好ましい。

また、前記第二の部分を形成する工程において、第二の硬質部材は、前記基材の表面に対して０．１〜１０ＭＰａの範囲の面圧を負荷し、基材に対して１０〜１００ｍｍ／ｓｅｃの摺動速度で摺動させることが好ましく、潤滑油は２５℃から１００℃の温度範囲となるようにすることが好ましい。これらの条件を満足することにより、凸部先端がカール状に塑性変形し易くなり、第二の部分が形成され易い。

本発明によれば、連続して摺動することなく、また摺動面に強制潤滑ができないような箇所であっても、摺動面間に常に油膜が形成することができる。

以下に、本発明を実施例により説明する。

（実施例）
＜摺動部材の製作＞
本実施例の摺動部材として、以下に示すようにプレート試験片を製作した。まず、摺動部材の基材１１として、長さ５８ｍｍ×幅３８ｍｍ×厚さ２．５ｍｍ、表面硬さＨｖ２６０〜３２０の範囲にある機械構造用炭素鋼（ＪＩＳ規格Ｓ３０Ｃ相当）を準備した。そして、図１（Ａ）に示すように、記基材の表面に基材の表面よりも硬質な表面を有する第一の硬質部材２０を摺動方向Ｌに沿って直線状に摺動させて、基材の中心線平均粗さＲａ０．８〜１．１μｍの範囲となるように、図１（Ａ）のａの模式図の如き基材表面の基端から先端に向かって先細になった凸部１２を形成した。

次に、図１（Ｂ）に示すように、基材の表面の表面粗さよりも粗さが小さく、かつ、前記基材の表面よりも硬質な表面を有する第二の硬質部材３０として、基材１１と略同程度の大きさで、表面粗さが中心線平均粗さＲａ０．０４〜０．０６μｍの範囲にあり、表面硬さＨｖ５００〜７５０の範囲となるクロム鋼（ＪＩＳ規格ＳＣｒ４４０相当）を準備した。そして、第二の硬質部材３０の表面と基材１１の表面との間に、亜鉛系及び硫黄‐リン系の極圧添加剤を含む潤滑油を供給しながら、面圧０．９ＭＰａとし、振幅５ｍｍ、１Ｈｚの条件で、１０分間、第一の硬質部材２０の摺動方向Ｌに対して直交（交叉）する方向Ｓに沿って、第二の硬質部材３０を前記基材１１の表面に摺動させることにより、図１（Ｂ）のｂ〜ｃの模式図に示すように時間経過に伴って、凸部１２の先端をカール状に屈曲させた。

この結果、図２の模式図に示すような、基材１１の表面に基端から先端に向かって先細になった第一の部分１３と、第一の部分１３の先端において、カール状に屈曲し、かつ、該第一の部分１３先端の軸径ｄよりも大きい０．５〜２μｍの範囲にある外径Ｄを有した球状の第二の部分１５と、を備えた、複数の凸部１２を複数備えたプレート試験片１０を得た。

一方、前記プレート試験片の相手部材として、直径１２ｍｍ×高さ４．０ｍｍ、中心線平均粗さＲａ０．０４〜０．０６μｍ、表面硬さＨｖ５００〜７５０の範囲となるクロム鋼（ＪＩＳ規格ＳＣｒ４４０相当）からなるディスク試験片を製作した。

＜摩擦試験＞
実施例に係るプレート試験片とディスク試験片とを用いて摩擦試験を行った。具体的には、図３に示すように、プレート試験片（摺動部材）１０の上にディスク試験片４０を配置すると共に、基油粘度が４０℃で１５ｍｍ／ｓｅｃ、かつ、亜鉛系及び硫黄‐リン系の極圧添加剤を含むグリース７０を給脂し、ディスク試験片４０に５０Ｎ荷重（面圧で４ＭＰａ）を加え、振幅が５ｍｍ、周波数が１Ｈｚの条件で１０分間馴染み運転を行ってから、１０分ごとに０．５Ｈｚ刻みで周波数を上げ、２．５Ｈｚまでディスク試験片４０を摺動させた。そして、摺動時に、ディスク試験片４０の摺動抵抗を測定し、静摩擦係数と動摩擦係数を測定した。この結果を図４（ａ）に示す。なお、図４（ａ）は、周波数が１．０Ｈｚにおける摩擦係数を測定した図である。また、各周波数における動摩擦係数の平均値を図５に示す。

＜摩耗試験＞
前記摩擦試験後のプレート試験片の摺動面の摩耗深さを測定した。この結果を図６に示す。

（比較例）
実施例と同じように、プレート試験片及びディスク試験片を製作した。実施例と相違する点は、プレート試験片に対して図１（ｂ）に示すような第二の部分を形成させていない点である。比較例のプレート試験片及びディスク試験片に対しても、実施例と同様の条件で摩擦試験および摩耗試験を行った。この結果を、図４（ｂ），図５，図６に示す。

（結果１）
図４（ａ），（ｂ）に示すように、比較例に比べ実施例の方が、静摩擦係数と動摩擦係数との差が小さかった。
（結果２）
図５に示すように、比較例の動摩擦係数に比べて実施例の方が、周波数の変化にかかわらず、低い値となった。
（結果３）
図６に示すように、比較例に比べて実施例の方が、摩耗深さが小さかった。

（評価１）
結果１に示したように、実施例の方が静摩擦係数と動摩擦係数との差が小さかったので、実施例に係るプレート試験片を摺動部材として用いれば、比較例に比べて、スティックスリップ現象が抑制されると考えられる。また、結果２に示すように、実施例の方が摺動部材の周波数の変化にかかわらず、動摩擦係数が低いので、このことからも、実施例に係るプレート試験片を摺動部材として用いれば、比較例に比べて、スティックスリップ現象が抑制されると考えられる。

このように実施例に係るプレート試験片（摺動部材）の静摩擦係数と動摩擦係数との差を小さくすることができた理由を以下に考察する。図７に示すように、実施例に係るプレート試験片１０は、凸部同士の間の油溜めの空間Ｓに潤滑油Ｌを保持することができる。そして、摺動状態にかかわらず、ディスク試験片４０からプレート試験片１０の表面にわずかな荷重が負荷されたときに（ディスク試験片とプレート試験片がわずかに接触したときに）、第二の部分１５は、凸部１２先端側から凸部１２の基端側（図中白抜き矢印方向）に変形して、凸部の間に形成された油溜めの空間Ｓが小さくなり、該空間Ｓから潤滑油Ｌが図中矢印に示すように摺動面間に供給される。この潤滑油Ｌの供給により、摺動面間に油膜ｆを安定的に形成することができ、プレート試験片とディスク試験片との間の油膜切れは発生しにくい。この結果、摺動面間に安定して形成された油膜により、部材の静摩擦係数と動摩擦係数との差が小さくなったと考えられ、スティックスリップ現象も抑制できると考えられる。

（評価２）
さらに、結果３に示すように、実施例に係るプレート試験片１０の摩耗深さが小さい(摩耗がし難い)理由としては、上述したように摺動面間に油膜切れが発生し難い点に加え、凸部１２の先端に球状の第二の部分１５を設けたことにより、プレート試験片１０の表面の摺動性が向上したからであると考えられる。さらに、摺動面間に摩耗粉を含むコンタミなどの異物Ｃが侵入しても、異物Ｃを凸部１２，１２の間に捕獲することができるので、プレート試験片１０及びディスク試験片４０の寿命を向上させることが可能となると考えられる。

本発明に係る摺動部材は、連続して摺動することなく、さらに摺動面に常時強制潤滑ができないような箇所に特に好適である。

実施例の摺動部材の製造工程を説明する図であり、（Ａ）は、凸部を形成する工程を説明するための図であり、（Ｂ）は、球状の第二の部分を形成する工程を説明するための図。 実施例の摺動部材の表面を示した模式図。 実施例及び比較例における摩擦試験を説明するための図。 実施例及び比較例の静摩擦係数と動摩擦係数と関係を示した図。 実施例及び比較例における摺動時の周波数と動摩擦係数との関係を示した図。 実施例及び比較例のプレート試験片の摩耗深さを示した図。 実施例の摺動状態を説明するための図。

符号の説明

１０：プレート試験片（摺動部材），１１：基材，１２：凸部，１３：第一の部分，１５：第二の部分

Claims (10)

1. 基材の表面に凸部が複数形成された摺動部材であって、
   前記凸部は、基端から先端に向かって先細になった第一の部分と、該第一の部分の先端に、該先端の断面の径よりも大きい外径を有した球状の第二の部分と、を備えることを特徴とする摺動部材。
2. 前記第二の部分は、カール状に屈曲していることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
3. 前記第二の部分の外径は、０．５〜２μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。
4. 前記基材は、金、銀、銅、又はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の摺動部材。
5. 前記基材は鋼材であり、前記基材の表面の硬さはＨｖ２００〜８００の範囲にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の摺動部材。
6. 前記複数の凸部の間には、潤滑油が充填されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の摺動部材。
7. 基材の表面に凸部を形成する工程を少なくとも含む摺動部材の製造方法であって、
   該製造方法は、基端から先端に向かって先細になった第一の部分と、前記凸部の先端をカール状に屈曲させて、前記第一の部分の先端に該第一の部分先端の断面の径よりも大きい外径を有した球状の第二の部分と、を形成する工程をさらに含むことを特徴とする摺動部材の製造方法。
8. 前記凸部を形成する工程において、前記基材の表面粗さを中心線平均粗さＲａ０．０５〜５μｍの範囲となるように前記凸部を形成し、
   前記第二の部分を形成する工程において、前記第二の部分の外径が、０．５〜２μｍの範囲となるように前記凸部先端の屈曲を行うことを特徴とする請求項７に記載の摺動部材の製造方法。
9. 前記凸部を形成する工程において、前記基材の表面に該基材表面よりも硬質な表面を有する第一の硬質部材を直線状に摺動させることにより前記凸部を形成し、
   前記第二の部分を形成する工程において、前記第一の硬質部材の摺動方向に対して交叉するように、前記基材の表面の表面粗さよりも粗さが小さく、かつ、前記基材の表面よりも硬質な表面を有する第二の硬質部材を、前記基材の表面に摺動させることにより前記第二の部分を形成することを特徴とする請求項７または８に記載の摺動部材の製造方法。
10. 前記基材が鋼材である場合には、前記第二の部分を形成する工程において、前記第二の硬質部材の表面と前記基材の表面との間に、少なくとも亜鉛系及び硫黄―リン系の極圧添加剤を含む潤滑油を供給しながら、前記凸部先端の屈曲を行うことを特徴とする請求項９に記載の摺動部材の製造方法。

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