JP2008284632A - 表面改質材及び表面改質方法 - Google Patents

Abstract

【課題】最適な下地処理形状によって固体潤滑特性を発揮させて耐摩耗特性を向上させることができる表面改質材及び表面改質方法を提供する。
【解決手段】表面改質材１は、下地処理層２ａの表面に固体潤滑材層３が形成されている。下地処理層２ａは、略均一の深さを有する周期的な凹凸形状に形成されており、固体潤滑材層３を摩擦界面に効率よく存在させて、耐摩耗特性を向上させるために形成されている。下地処理層２ａは、ガラスビーズなどの球状のショット材によってショットピーニング処理されて形成されている。下地処理層２ａは、凹凸の平均間隔Smが0.24〜0.38mm、凹凸の中心線平均粗さRaが3μm以上、凹凸の最大高さRmax、凹凸の中心線平均粗さRaであるときに(Rmax-Ra)/Rmaxが0.89以下、又は凹凸の平均間隔Smであるときに表面局部面積Sm*Smが0.05〜0.15μm²であることが好ましい。
【選択図】図１

Description

この発明は、下地処理層の表面に固体潤滑材層が形成された表面改質材及び表面改質方法に関する。

図１４は、鉄道車両が急曲線を通過するときの車輪とレールとの状態を概略的に示す平面図である。図１５は、図１４のXV部分を拡大して示す正面図である。
図１４及び図１５に示すように、矢印方向に鉄道車両が急曲線を通過すると、車輪Ｗのフランジ面Ｗ₂とレールＲの内側頭頂面(レール頭部の軌間内側の頭頂面(ゲージコーナー部))Ｒ₂との間に横圧Ｑが作用してこれらが激しく高面圧で高すべり接触を起こす。このため、フランジ面Ｗ₂及び内側頭頂面Ｒ₂は、摩耗の激しい場所となり、このような摩耗が進行すると車輪Ｗの踏面Ｗ₁及びレールＲの頭頂面Ｒ₁の形状変化や疲労が発生し、乗り心地の悪化や騒音、走行安定性の低下を招く。また、車輪ＷやレールＲは、定期的な削正、交換の必要があり、保守コスト低減も求められている。このように、車輪ＷやレールＲをはじめとする鉄道用部材には、摩耗が原因で機器や部材の安全性、安定性が低下し、交換を余儀なくされているものがある。このため、摩耗を低減させ使用寿命を伸ばし、保守コストを削減することが求められている。例えば、車輪ＷとレールＲとの摩耗を防止する自動レール塗油装置などが提案されている。

従来の自動レール塗油装置は、列車の通過を検出する列車検出部と、油タンク内に圧縮空気を供給する圧縮空気供給部と、油タンク内から油を噴射するノズルと、列車検出部が出力する列車検出信号に基づいて圧縮供給部に圧縮空気を供給させる制御部とを備えている（例えば、特許文献１参照）。このような従来の自動レール塗油装置では、列車の通過が検出されると圧縮空気が供給されて、車輪のフランジ部と接触するレールの頭部側面にノズルから油が噴射される。

特開2002-37068号公報

従来の自動レール塗油装置は、噴射後の油やグリースなどが降雨時に雨水とともに周辺に流出して、土壌汚染や水質汚染を起こすおそれがあり、環境負荷を軽減することができない問題点がある。このため、環境負荷を軽減可能であり、鉄道用部材の各部に必要とされる特性を付与できる摩擦低減法の適用が検討されている。

この発明の課題は、最適な下地処理形状によって固体潤滑特性を発揮させて耐摩耗特性を向上させることができる表面改質材及び表面改質方法を提供することである。

この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、図１、図５及び図６に示すように、下地処理層（２ａ）の表面に固体潤滑材層（３）が形成された表面改質材であって、前記下地処理層は、略均一の深さを有する周期的な凹凸形状に形成されていることを特徴とする表面改質材（１）である。

請求項２の発明は、請求項１に記載の表面改質材において、図１０及び図１１に示すように、前記下地処理層は、凹凸の平均間隔Smが0.24〜0.38mmであることを特徴とする表面改質材である。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の表面改質材において、図１０に示すように、前記下地処理層は、凹凸の中心線平均粗さRaが3μm以上であることを特徴とする表面改質材である。

請求項４の発明は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の表面改質材において、図１３に示すように、前記下地処理層は、凹凸の最大高さRmax、凹凸の中心線平均粗さRaであるときに、(Rmax-Ra)/Rmaxが0.89以下であることを特徴とする表面改質材である。

請求項５の発明は、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の表面改質材において、図１２に示すように、前記下地処理層は、凹凸の平均間隔Smであるときに、表面局部面積Sm*Smが0.05〜0.15μm²であることを特徴とする表面改質材である。

請求項６の発明は、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の表面改質材において、図４に示すように、前記下地処理層は、球状のショット材（２ｂ）によってショットピーニング処理されて形成されていることを特徴とする表面改質材である。

請求項７の発明は、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の表面改質材において、図２に示すように、前記下地処理層は、高面圧下で摺動する摺動部材の表面に形成されていることを特徴とする表面改質材である。

請求項８の発明は、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の表面改質材において、図５及び図６に示すように、前記下地処理層は、鉄道用レール（Ｒ）の内側頭頂面（Ｒ₂）、鉄道用可動レール（Ｒ_T）の先端部（Ｒ₃）又は鉄道用車輪（Ｗ）のフランジ面（Ｗ₂）に形成されていることを特徴とする表面改質材である。

請求項９の発明は、請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の表面改質材において、前記固体潤滑材層は、摩擦係数が0.2以下であることを特徴とする表面改質材である。

請求項１０の発明は、図３及び図４に示すように、下地処理層（２ａ）の表面に固体潤滑材層（３）を形成する表面改質方法であって、略均一の深さを有する周期的な凹凸形状の前記下地処理層を形成する下地処理層形成工程（＃１１０）を含むことを特徴とする表面改質方法（＃１００）である。

請求項１１の発明は、請求項１０に記載の表面改質方法において、図１０及び図１１に示すように、前記下地処理層形成工程は、凹凸の平均間隔Smを0.24〜0.38mmに形成する工程を含むことを特徴とする表面改質方法である。

請求項１２の発明は、請求項１０又は請求項１１に記載の表面改質方法において、図１０に示すように、前記下地処理層形成工程は、凹凸の中心線平均粗さRaを3μm以上に形成する工程を含むことを特徴とする表面改質方法である。

請求項１３の発明は、請求項１０から請求項１２までのいずれか１項に記載の表面改質方法において、図１３に示すように、前記下地処理層形成工程は、凹凸の最大高さRmaxであり、凹凸の中心線平均粗さRaであるときに、(Rmax-Ra)/Rmaxが0.89以下に形成する工程を含むことを特徴とする表面改質方法である。

請求項１４の発明は、請求項１０から請求項１３までのいずれか１項に記載の表面改質方法において、図１２に示すように、前記下地処理層形成工程は、凹凸の平均間隔Smであるときに、表面局部面積Sm*Smを0.05〜0.15μm²に形成する工程を含むことを特徴とする表面改質方法である。

請求項１５の発明は、請求項１０から請求項１４までのいずれか１項に記載の表面改質方法において、図４に示すように、前記下地処理層形成工程は、球状のショット材（２ｂ）によってショットピーニング処理する工程を含むことを特徴としている表面改質方法である。

請求項１６の発明は、請求項１０から請求項１５までのいずれか１項に記載の表面改質方法において、図２に示すように、前記下地処理層形成工程は、高面圧下で摺動する摺動部材の表面に前記下地処理層を形成する工程を含むことを特徴としている表面改質方法である。

請求項１７の発明は、請求項１０から請求項１６までのいずれか１項に記載の表面改質方法において、図５に示すように、前記下地処理層形成工程は、鉄道用レール（Ｒ）の内側頭頂面（Ｒ₂）、鉄道用可動レール（Ｒ_T）の先端部（Ｒ₃）又は鉄道用車輪（Ｗ）のフランジ面（Ｗ₂）に前記下地処理層を形成する工程を含むことを特徴とする表面改質方法である。

請求項１８の発明は、請求項１０から請求項１７までのいずれか１項に記載の表面改質方法において、図３及び図４に示すように、摩擦係数が0.2以下の前記固体潤滑材層を形成する固体潤滑材層形成工程（＃１２０）を含むことを特徴としている表面改質方法である。

この発明によると、最適な下地処理形状によって固体潤滑特性を発揮させて耐摩耗特性を向上させることができる。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して、この発明の第１実施形態について詳しく説明する。
図１は、この発明の第１実施形態に係る表面改質材を模式的に示す断面図である。
図１に示す表面改質材１は、下地処理層２ａの表面に固体潤滑材層３が形成された部材である。表面改質材１は、基材２と固体潤滑材層３とを備えており、基材２の表面の下地処理条件や下地処理層２ａの表面形状パラメータなどを調整することによって耐摩耗特性が向上されている。

基材２は、高面圧下で摺動する摺動部材である。基材２は、例えば、接触面圧が500MPa以上の高面圧下で接触し、接触部と被接触部との間の相対運動によって摩擦抵抗を受ける母材である。基材２は、例えば、一般構造用又は機械構造用の材料として使用される炭素鋼又は合金鋼などの鋼であり、基材２の表面には下地処理層２ａが形成されている。

下地処理層２ａは、略均一の深さを有する周期的な凹凸形状に形成された層である。下地処理層２ａは、固定潤滑材層３を摩擦界面に効率よく存在させて、耐摩耗特性を向上させるために形成されている。下地処理層２ａは、ガラスビーズなどの球状のショット材によってショットピーニング処理されて形成されている。下地処理層２ａは、凹凸の平均間隔Smが0.24を下回ると摩擦界面に効率よく固体潤滑材層３を存在させておくことができず、凹凸の平均間隔Smが0.38を上回ると固体潤滑材層３がはく離しやすくなるため、凹凸の平均間隔Smが0.24〜0.38mmであることが好ましい。ここで、凹凸の平均間隔Smとは、粗さ曲線からこの粗さ曲線の平均線の方向に基準長さＬだけ抜き取り、この抜き取り部分において一つの山及びこの山と隣り合う一つの谷に対応する平均線の長さの和を求め、この多数の凹凸の間隔の算術平均(mm)である。また、下地処理層２ａは、凹凸の中心線平均粗さRaが3μmを下回ると摩擦界面に効率よく固体潤滑材層３を存在させておくことができないため、凹凸の中心線平均粗さRaが3μm以上であることが好ましい。ここで、凹凸の中心線平均粗さRaとは、粗さ曲線を中心線から折り返し、この粗さ曲線と中心線とによって得られた面積を測定長さＬで割った値(μm)である。また、下地処理層２ａは、凹凸の最大高さRmax、凹凸の中心線平均粗さRaであるときに、(Rmax-Ra)/Rmaxが0.89を超えると潤滑効果が低下するため、(Rmax-Ra)/Rmaxが0.89以下であることが好ましい。ここで、凹凸の最大高さRmaxとは、断面曲線を基準長さＬで抜き取り、この抜き取り部分において最も高い山と最も低い谷との間の距離 (μm)である。さらに、下地処理層２ａは、凹凸の平均間隔Smであるときに、表面局部面積Sm*Smが0.05μm²を下回ると摩擦界面に効率よく固体潤滑材層３を存在させておくことができず、表面局部面積Sm*Smが0.15μm²を上回ると固体潤滑材層３がはく離しやすくなるため、表面局部面積Sm*Smが0.05〜0.15μm²であることが好ましい。

固体潤滑材層３は、固体潤滑材によって形成された層である。固体潤滑材層３は、下地処理層２ａの表面に形成された二硫化モリブデンやグラファイトなどからなる固体潤滑皮膜である。固体潤滑材層３は、摩擦係数が0.2を上回ると潤滑効果が低く摩擦抵抗が高くなり過ぎるため、摩擦係数が0.2以下であることが好ましい。固体潤滑材層３は、耐摩耗性を改善するために形成された軟質系皮膜であり、イオンプレーティング又はスパッタリングなどの真空薄膜被覆法（ドライプロセス）によって形成される金属基薄膜、潤滑性のある粒子を非晶質合金めっき膜に分散させた金属基複合膜などである。

次に、この発明の第１実施形態に係る表面改質材の作用を説明する。
図２は、この発明の第１実施形態に係る表面改質材の作用を説明するための模式図であり、図２（Ａ）はせん断力を受ける前の状態を示し、図２（Ｂ）はせん断力を受けた後の状態を示す模式図である。
図２に示すように、表面改質材１が高面圧ですべり接触してせん断力Ｆを受けると、層状構造を有する固体潤滑材層３の層間がすべりを起こし、低摩擦係数を示す潤滑作用を発揮する。基材２の表面に下地処理層２ａが形成されているため、この下地処理層２ａの表面が固体潤滑材層３を摩擦界面に効率よく存在させ、固体潤滑材層３が基材２からはく離するのを抑え耐摩耗特性が向上する。

次に、この発明の第１実施形態に係る表面改質方法について説明する。
図３は、この発明の第１実施形態にかかる表面改質方法の工程図である。図４は、この発明の第１実施形態に係る表面改質方法を概略的に示す模式図であり、図４（Ａ）は下地処理層形成前の状態を示し、図４（Ｂ）は下地処理層形成後の状態を示し、図４（Ｃ）は固体潤滑材層形成後の状態を示す模式図である。
図３に示す表面改質方法＃１００は、下地処理層２ａの表面に固体潤滑材層３を形成する方法であり、下地処理層形成工程＃１１０と、固体潤滑材層形成工程＃１２０とを含む。下地処理層形成工程＃１１０は、略均一の深さを有する周期的な凹凸形状の下地処理層２ａを形成する工程である。下地処理層形成工程＃１１０は、図４（Ｂ）に示すように、基材２の表面にショット材２ｂを投射してショットピーニング処理面を形成する冷間加工法による表面硬化処理工程である。下地処理層形成工程＃１１０では、球状のガラスビーズなどからなるショット材２ｂを基材２の表面に多数投射し、略均一な深さを有する周期的な凹凸形状の下地処理層２ａを形成する。固体潤滑材層形成工程＃１２０は、下地処理層２ａの表面に固体潤滑材層３を形成する工程である。固体潤滑材層形成工程＃１２０では、図４（Ｃ）に示すように、下地処理層２ａの表面に固体潤滑皮膜を形成する。

この発明の第１実施形態に係る表面改質材及び表面改質方法には、以下に記載するような効果がある。
(1) この第１実施形態では、略均一の深さを有する周期的な凹凸形状に下地処理層２ａが形成されている。このため、下地処理層２ａの上面と固体潤滑材層３の下面との間の密着力が向上し、固体潤滑材層３がせん断力Ｆを受けても下地処理層２ａの表面に固体潤滑材層３を留めておくことができる。その結果、固体潤滑皮膜の寿命が延びて、固体潤滑皮膜の潤滑特性を最大限に引き出すことができるとともに、耐摩耗特性を向上させることができる。

(2) この第１実施形態では、球状のショット材２ｂによってショットピーニング処理されて下地処理層２ａが形成されている。このため、既存のブラスト装置などを利用して、基材２の表面に下地処理層２ａを簡単に安価で形成することができる。また、球状のショット材２ｂを投射することによって略周期的な凹凸形状を簡単に形成することができる。

(3) この第１実施形態では、高面圧下で摺動する摺動部材の表面に下地処理層２ａが形成されている。このため、高面圧下で固体潤滑材層３がすべり接触を起こしても、摩擦界面に固体潤滑材を効率よく存在させることができる。

(4) この実施形態では、固体潤滑材層３が軟質系被膜によって形成されている。例えば、硬質金属皮膜からなる固体潤滑材層を下地処理層２ａの表面に形成したときには、下地処理層２ａの表面粗さが高いとこの下地処理層２ａの表面に形成される硬質金属皮膜の表面粗さも高くなる。このため、硬質金属皮膜自体が低摩擦であっても、硬質金属皮膜の表面が摩擦接触を受けると、硬質金属皮膜の凸部が引っ掛かり硬質金属皮膜が下地処理層２ａからはく離するおそれがある。一方、硬質金属皮膜の表面の凹凸を小さくするためには、下地処理層２ａの表面粗さを低下させる手間のかかる下地処理作業が必要になる。また、硬質金属皮膜を下地処理層２ａの表面に形成した場合には、高面圧で基材２が変形すると硬質金属皮膜が破壊するおそれがある。この実施形態では、固体潤滑材層３が軟質系被膜によって形成されているため膜内の剛性が低く追従性があり、下地処理層２ａの表面粗さが大きくても基材２の変形に追従して、固体潤滑材層３が下地処理層２ａを覆うように移動し、潤滑作用を発揮させることができる。

（第２実施形態）
図５は、この発明の第２実施形態に係る表面改質材を模式的に示す断面図である。以下では、図１及び図２に示す部分と同一の部分については、同一の番号を付して詳細な説明を省略する。
図５に示す車輪Ｗは、レールＲと回転接触する鉄道用車輪であり、例えば炭素鋼を材料とする圧延車輪などである。車輪Ｗは、レールＲの頭頂面Ｒ₁と接触して摩擦抵抗を受ける踏面Ｗ₁と、鉄道車両が急曲線を通過するときに外軌側(曲線の外側)のレールＲの内側頭頂面(レール頭部の軌間内側の頭頂面(ゲージコーナー部))Ｒ₂と回転接触して摩擦抵抗を受けるフランジ面Ｗ₂などを備えている。フランジ面Ｗ₂には、下地処理層２ａが形成されており、この下地処理層２ａの表面には固体潤滑材層３が形成されている。

この発明の第２実施形態に係る表面改質材及び表面改質方法には、第１実施形態の効果に加えて、以下に記載するような効果がある。
この第２実施形態では、車輪Ｗのフランジ面Ｗ₂に下地処理層２ａが形成されている。このため、内側頭頂面Ｒ₂とフランジ面Ｗ₂との間の摩擦抵抗を減少させ高面圧、高滑り条件下における摩耗を低減し、きしみ割れを防止することができる。特に、鉄道車両が急曲線を通過するときにフランジ面Ｗ₂と内側頭頂面Ｒ₂とが激しく接触しても、フランジ面Ｗ₂に摩耗や傷が発生するのを可能な限り防止することができる。その結果、車輪Ｗを定期的に削正して車輪Ｗの形状を整える大規模な作業が不要になり、安全性を図りながら保守コストを低減することができる。また、フランジ面Ｗ₂に潤滑油を噴射する装置などが不要になり低コスト化を図ることができるとともに、フランジ面Ｗ₂に噴射した潤滑油が踏面Ｗ₁に付着して、車輪Ｗの空転や滑走が発生するのを抑制することができる。

（第３実施形態）
図６は、この発明の第３実施形態に係る表面改質材を模式的に示す断面図である。
図６に示すレールＲは、車輪Ｗを案内する鉄道用レールであり、例えば高炭素鋼を材料とする圧延レールなどである。レールＲは、車輪Ｗの踏面Ｗ₁と接触して摩擦抵抗を受ける頭頂面Ｒ₁と、この頭頂面Ｒ₁と連続して形成されており急曲線でフランジ面Ｗ₂と接触して摩擦抵抗を受ける内側頭頂面Ｒ₂とを備えている。内側頭頂面Ｒ₂には、下地処理層２ａが形成されており、この下地処理層２ａの表面には固体潤滑材層３が形成されている。

この発明の第３実施形態に係る表面改質材及び表面改質方法には、第１実施形態の効果に加えて、以下に記載するような効果がある。
この第３実施形態では、レールＲの内側頭頂面Ｒ₂に下地処理層２ａが形成されている。このため、内側頭頂面Ｒ₂とフランジ面Ｗ₂との間の摩擦抵抗を減少させ高面圧、高滑り条件下における摩耗を低減し、きしみ割れを防止することができる。特に、鉄道車両が急曲線を通過するときに内側頭頂面Ｒ₂とフランジ面Ｗ₂とが激しく接触しても、内側頭頂面Ｒ₂に摩耗や傷が発生するのを可能な限り防止することができる。その結果、レールＲを定期的に削正してレール頭部の形状を整える大規模な作業を簡略化することができる。また、内側頭頂面Ｒ₂に潤滑油を噴射する装置などが不要になり低コスト化を図ることができるとともに、内側頭頂面Ｒ₂に噴射した潤滑油が頭頂面Ｒ₁に付着して、車輪Ｗの空転や滑走が発生するのを抑制することができる。

（第４実施形態）
図７は、この発明の第４実施形態に係る表面改質材を模式的に示す断面図である。
図７に示す基本レールＲ_Sは、トングレールＲ_Tの先端部Ｒ₃が密着及び分離する固定レールであり、図５及び図６に示すレールＲと同一構造である。トングレールＲ_Tは、先端部Ｒ₃を尖らせた転換可能な可動レールであり、一つの軌道を二つ以上の軌道に分ける分岐器のポイント部に基本レールＲ_Sとともに使用される。トングレールＲ_Tは、図示しない転てつ機が発生する転換力によって矢印方向に転換可能である。トングレールＲ_Tは、図７に示すように、トングレールＲ_Tが基本レールＲ_Sと密着したときに車輪Ｗのフランジ面Ｗ₂と接触して摩擦抵抗を受ける内側頭頂面(レール頭部の軌間内側の頭頂面(ゲージコーナー部))Ｒ₄と、基本レールＲ_Sの内側頭側面と密着及び分離する外側頭側面Ｒ₅とを備えている。内側頭頂面Ｒ₄には、下地処理層２ａが形成されており、この下地処理層２ａの表面には固体潤滑材層３が形成されている。

この発明の第４実施形態に係る表面改質材及び表面改質方法には、第１実施形態の効果に加えて、以下に記載するような効果がある。
この第４実施形態では、トングレールＲ_Tの先端部Ｒ₃に下地処理層２ａが形成されている。このため、内側頭頂面Ｒ₄とフランジ面Ｗ₂との間の摩擦抵抗を減少させ高面圧、高滑り条件下における摩耗を低減し、きしみ割れを防止することができる。特に、鉄道車両が分岐器を通過するときに内側頭頂面Ｒ₄フランジ面Ｗ₂とが激しく接触しても、内側頭頂面Ｒ₄に摩耗や傷が発生するのを可能な限り防止することができる。

次に、この発明の実施例について説明する。
（試験片の作製）
下地の表面性状が固体潤滑皮膜の潤滑効果に与える影響を調べ、潤滑効果を向上させるための指針となる表面形状パラメータや下地処理条件を基礎的試験により検討した。車輪踏面から切り出した小型車輪試験片（30φ×8mm）に、財団法人鉄道総合技術研究所内にある表面改質装置を用いて、試験片表面に下地処理としてショットピーニング処理を施した。下地の表面粗さを測定後、二硫化モリブデンやグラファイトなどからなる固体潤滑皮膜を付与し、室温で十分に乾燥させた。

（下地処理に用いたショット材と噴射条件）
下地処理に用いたショット材と噴射条件を以下の表１に示す。

ショット材には、いずれも市販品を使用し、試験片表面に様々な表面性状を与えられるように、グリッド形状のアルミナ粒子及び球状のガラスビーズを選択した。噴射圧は、0.3〜0.9MPaとし、噴射時間は60〜90secとした。

（評価方法）
曲線用レールから小型レール試験片（30φ×8mm）を切り出し、この小型レール試験片の表面に凹凸の中心線平均粗さRa0.2μm程度の研削処理をした。作製した小型車輪試験片と小型レール試験片とを用いて、２円筒転がり摩耗試験を行った。試験条件は、鉄道車両の急曲線走行時の車輪/レール接触を想定し、接触面圧900MP、試験片回転数816rpm、すべり率を9%とした。皮膜の効果がなくなるまでの総回転数（以下、効果回数という）及び摩擦係数を測定し、固体潤滑皮膜の潤滑効果向上の観点から、下地処理時に形成された表面形状と測定結果との相関を種々のパラメータを用い評価した。

（下地処理が方面粗さに与える影響）
図８は、試験片表面の粗さ曲線を示すグラフであり、図８（Ａ）は球状のショット材によって処理したときの粗さ曲線を示すグラフであり、図８（Ｂ）はグリッド状のショット材によって処理したときの粗さ曲線を示すグラフである。図９は、図８に示す粗さ曲線をFET解析した結果を示すグラフである。図１０は、表１に示すショット材を用いて下地処理したときの凹凸の平均間隔Smと凹凸の中心線平均粗さRaとの関係を示すグラフである。
図８に示す縦軸は、深さ(mm)であり、横軸は測定長さ(mm)である。図９に示す縦軸はパワースペクトルであり、横軸は波長(mm)である。図１０に示す縦軸は、凹凸の中心線平均粗さRa(μm)であり、横軸は凹凸の平均間隔Sm(mm)である。

先ず、車輪試験片にショットピーニング処理を行って、表面粗さに与える影響を調べた。図８に示す粗さ曲線は、球状のショット材(G#40材)とグリッド状のショット材(A#60材)により、凹凸の最大高さRmaxが同程度になるように処理した試験片表面の粗さ曲線である。図８に示すように、突起形状や間隔の違いが見られ、ショット材の形状がよく反映されていることが確認された。図９に示すように、球状のショット材(G#40材)及びグリッド状のショット材(A#60材)のいずれも、波長0.35mm付近でパワースペクトルのピークが見られるが、同じ凹凸の最大高さRmax値であっても球状のショット材で処理した方がピーク値は高い。このため、ショット材の形状としてはグリッド状よりも球状の方が、表面に周期的な形状を付与できることが確認された。また、図１０に示すように、凹凸の平均間隔Smと凹凸の中心線平均粗さRaとの関係には、表１に示すショット材の種類、形状及び処理条件に依存した特性が確認された。さらに、図１０に示すように、球状のショット材を使用したときの最適な下地処理形状は、凹凸の中心線平均粗さRaが3μm以上であることが確認された。

（表面形状が効果回数に与える影響）
図１１は、凹凸の平均間隔Smと効果回数との関係を示すグラフである。図１２は、表面局部面積Sm*Smと効果回数との関係を示すグラフである。図１３は、(Rmax-Ra)/Rmaxと効果回数との関係を示すグラフである。
図１１〜図１３に示す縦軸は、効果回数(回)であり、図１１に示す横軸は凹凸の平均間隔Sm(mm)であり、図１２に示す横軸は表面局部面積Sm*Sm(μm²)であり、図１３に示す横軸は(Rmax-Ra)/Rmaxである。

効果回数は、図１１に示すように、凹凸の平均間隔Sm値の増大とともに増加し、その後減少している。このため、球状のショット材(G#40材)の場合には、皮膜の潤滑効果を効果的に得られる最適な凹凸の平均間隔Sm値の範囲は、0.24〜0.38mmであることが確認された。図１０に示すように、下地処理形状はショット材の形状に大きく依存するものの、凹凸の平均間隔Sm値はショット材の種類や形状等によらず最適な下地処理条件を探索する上で効果的なパラメータになることが確認された。また、球状のショット材(G#40材)の場合には、凹凸の平均間隔Sm値が0.33程度で最大の効果回数を得られることが確認された。図９に示すFFT解析は、同じ球状のショット材(G#40材)のものであり、最大ピーク値を示した付近の波長0.35mmと、最大の効果回数を得られる凹凸の平均間隔Sm値0.33とがほぼ一致した。このため、凹凸の平均間隔Sm値は、図１０に示すように、表面形状の周期性を示す波長を評価できるパラメータになり得ることが確認された。図１１に示す凹凸の平均間隔Smは線の評価であるが、実際の接触面は平面になるため、図１２に示す表面局部面積Sm*Sm（凹凸の平均間隔Smの自乗）によって面の評価をした。その結果、図１２に示すように、球状のショット材を使用したときの最適な下地処理形状は、表面局部面積Sm*Smが0.05〜0.15μm²であることが確認された。

一方、図１３に示す深さ方向の形状評価パラメータは、凹凸の最大高さRmaxに対する凹凸の中心線平均粗さRaの割合であり、凹凸の中心線平均粗さRaの値が凹凸の最大高さRmaxに近づくほど、均一な深さを有する形状が大きくなることを示す。図１３に示すように、多少のばらつきは見られるものの、全体としてショット材の種類や形状等によらず、(Rmax-Ra)/Rmax値が小さくなるほど効果回数が増大する傾向を示し、最適な下地処理形状は(Rmax-Ra)/Rmax値が0.89以下であることが確認された。その結果、より均一な深さを有する周期的な形状を大きくすることによって、高面圧、高すべり条件下で潤滑効果の高い皮膜を得られることが確認された。また、(Rmax-Ra)/Rmax値は、凹凸の平均間隔Sm値と同様に、効果的な下地処理条件の評価パラメータになり得ることが確認された。なお、この試験において検討した固体潤滑皮膜の摩擦係数は、おおよそ0.2以下の範囲であった。

以上の試験結果から、下地形状は周期的な形状を有している方が固体潤滑皮膜の持続効果が高いことが確認された。また、凹凸の平均間隔Sm値及び(Rmax-Ra)/Rmax値は、表面形状の評価パラメータの中でも皮膜効果に対する相関をよく示しており、耐摩耗特性を向上するための表面形状設計に有効であることが確認された。さらに、使用するショット材の形状は、グリッド状よりも球状の方が周期性を有した表面形状を付与することができ、最適な凹凸の平均間隔Sm値を確保するのに適していることが確認された。

（他の実施形態）
この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
(1) この実施形態では、固体潤滑材層３として二硫化モリブデン、グラファイト及びバインダの混合材を例に挙げて説明したが、このような混合材に限定するものではない。また、この第２実施形態及び第３実施形態では、基材２として車輪Ｗ及びレールＲなどの鉄道用部材を例に挙げて説明したが、相対運動によって摩擦抵抗を受けるパンタグラフのピン及びピンブッシュなどの他の鉄道用部材についてもこの発明を適用することができる。さらに、この第２実施形態及び第３実施形態では、車輪Ｗ又はレールＲのいずれか一方を表面改質した場合を例に挙げて説明したが、これらの両方を表面改質することもできる。

(2) この第２実施形態及び第３実施形態では、車輪Ｗのフランジ面Ｗ₂又はレールＲの内側頭頂面Ｒ₂に下地処理層２ａを形成する場合を例に挙げて説明したが、これらの箇所とは別に又はこれらの箇所とともに踏面Ｗ₁又は頭頂面Ｒ₁に下地処理層２ａを形成することもできる。また、この第４実施形態では、可動レールとして分岐器のトングレールＲ_Tを例に挙げて説明したが、トングレールＲ_Tに限定するものではない。例えば、ノーズレールが可動式のノーズ可動クロッシング、ウィングレールが可動式のウィング可動クロッシング、又は可動部分のある可動Ｋ字クロッシングなどに使用される可動レールについてもこの発明を適用することができる。

この発明の第１実施形態に係る表面改質材を模式的に示す断面図である。 この発明の第１実施形態に係る表面改質材の作用を説明するための模式図であり、（Ａ）はせん断力を受ける前の状態を示し、（Ｂ）はせん断力を受けた後の状態を示す模式図である。 この発明の第１実施形態にかかる表面改質方法の工程図である。 この発明の第１実施形態に係る表面改質方法を概略的に示す模式図であり、（Ａ）は下地処理層形成前の状態を示し、（Ｂ）は下地処理層形成後の状態を示し、（Ｃ）は固体潤滑材層形成後の状態を示す模式図である。 この発明の第２実施形態に係る表面改質材を模式的に示す断面図である。 この発明の第３実施形態に係る表面改質材を模式的に示す断面図である。 この発明の第４実施形態に係る表面改質材を模式的に示す断面図である。 試験片表面の粗さ曲線を示すグラフであり、（Ａ）は球状のショット材によって処理したときの粗さ曲線を示すグラフであり、（Ｂ）はグリッド状のショット材によって処理したときの粗さ曲線を示すグラフである。 図８に示す粗さ曲線をFET解析した結果を示すグラフである。 表１に示すショット材を用いて下地処理したときの凹凸の平均間隔Smと凹凸の中心線平均粗さRaとの関係を示すグラフである。 凹凸の平均間隔Smと効果回数との関係を示すグラフである。 表面局部面積Sm*Smと効果回数との関係を示すグラフである。 (Rmax-Ra)/Rmaxと効果回数との関係を示すグラフである。 鉄道車両が急曲線を通過するときの車輪とレールとの状態を概略的に示す平面図である。 図１４のXV部分を拡大して示す正面図である。

符号の説明

１ 表面改質材
２ 基材
２ａ 下地処理層
２ｂ ショット材
３ 固体潤滑材層
Ｆ せん断力
Ｗ 車輪（鉄道用車輪(基材))
Ｗ₁ 踏面
Ｗ₂ フランジ面
Ｒ レール（鉄道用レール(基材))
Ｒ_S 基本レール
Ｒ_T トングレール（鉄道用可動レール(基材))
Ｒ₁ 頭頂面
Ｒ₂ 内側頭頂面
Ｒ₃ 先端部
Ｒ₄ 内側頭頂面
Ｒ₅ 外側頭側面
Ra 凹凸の中心線平均粗さ
Rmax 凹凸の最大高さ
Sm 凹凸の平均間隔
Sm*Sm 表面局部面積

Claims (18)

1. 下地処理層の表面に固体潤滑材層が形成された表面改質材であって、
   前記下地処理層は、略均一の深さを有する周期的な凹凸形状に形成されていること、
   を特徴とする表面改質材。
2. 請求項１に記載の表面改質材において、
   前記下地処理層は、凹凸の平均間隔Smが0.24〜0.38mmであること、
   を特徴とする表面改質材。
3. 請求項１又は請求項２に記載の表面改質材において、
   前記下地処理層は、凹凸の中心線平均粗さRaが3μm以上であること、
   を特徴とする表面改質材。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の表面改質材において、
   前記下地処理層は、凹凸の最大高さRmax、凹凸の中心線平均粗さRaであるときに、(Rmax-Ra)/Rmaxが0.89以下であること、
   を特徴とする表面改質材。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の表面改質材において、
   前記下地処理層は、凹凸の平均間隔Smであるときに、表面局部面積Sm*Smが0.05〜0.15μm²であること、
   を特徴とする表面改質材。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の表面改質材において、
   前記下地処理層は、球状のショット材によってショットピーニング処理されて形成されていること、
   を特徴とする表面改質材。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の表面改質材において、
   前記下地処理層は、高面圧下で摺動する摺動部材の表面に形成されていること、
   を特徴とする表面改質材。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の表面改質材において、
   前記下地処理層は、鉄道用レールの内側頭頂面、鉄道用可動レールの先端部又は鉄道用車輪のフランジ面に形成されていること、
   を特徴とする表面改質材。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の表面改質材において、
   前記固体潤滑材層は、摩擦係数が0.2以下であること、
   を特徴とする表面改質材。
10. 下地処理層の表面に固体潤滑材層を形成する表面改質方法であって、
    略均一の深さを有する周期的な凹凸形状の前記下地処理層を形成する下地処理層形成工程を含むこと、
    を特徴とする表面改質方法。
11. 請求項１０に記載の表面改質方法において、
    前記下地処理層形成工程は、凹凸の平均間隔Smを0.24〜0.38mmに形成する工程を含むこと、
    を特徴とする表面改質方法。
12. 請求項１０又は請求項１１に記載の表面改質方法において、
    前記下地処理層形成工程は、凹凸の中心線平均粗さRaを3μm以上に形成する工程を含むこと、
    を特徴とする表面改質方法。
13. 請求項１０から請求項１２までのいずれか１項に記載の表面改質方法において、
    前記下地処理層形成工程は、凹凸の最大高さRmaxであり、凹凸の中心線平均粗さRaであるときに、(Rmax-Ra)/Rmaxが0.89以下に形成する工程を含むこと、
    を特徴とする表面改質方法。
14. 請求項１０から請求項１３までのいずれか１項に記載の表面改質方法において、
    前記下地処理層形成工程は、凹凸の平均間隔Smであるときに、表面局部面積Sm*Smを0.05〜0.15μm²に形成する工程を含むこと、
    を特徴とする表面改質方法。
15. 請求項１０から請求項１４までのいずれか１項に記載の表面改質方法において、
    前記下地処理層形成工程は、球状のショット材によってショットピーニング処理する工程を含むこと、
    を特徴とする表面改質方法。
16. 請求項１０から請求項１５までのいずれか１項に記載の表面改質方法において、
    前記下地処理層形成工程は、高面圧下で摺動する摺動部材の表面に前記下地処理層を形成する工程を含むこと、
    を特徴とする表面改質方法。
17. 請求項１０から請求項１６までのいずれか１項に記載の表面改質方法において、
    前記下地処理層形成工程は、鉄道用レールの内側頭頂面、鉄道用可動レールの先端部又は鉄道用車輪のフランジ面に前記下地処理層を形成する工程を含むこと、
    を特徴とする表面改質方法。
18. 請求項１０から請求項１７までのいずれか１項に記載の表面改質方法において、
    摩擦係数が0.2以下の前記固体潤滑材層を形成する固体潤滑材層形成工程を含むこと、
    を特徴とする表面改質方法。

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