JP2016070454A - 摺動部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ヘルツ接触域の変動に影響されることなく、摺動面同士の高精度の位置合わせを行うことなく、良好な摩擦低減作用を安定して発揮することができる摺動部材および摺動部材の製造方法を提供する。【解決手段】摺動部材は、凸状曲面の摺動面を有する第１部材と、この第１部材の摺動面に対して相対的に摺動する摺動面を有する第２部材とを備える。周期構造形成工程にて、第１部材の摺動面に、凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造を形成する。鏡面仕上工程にて、第２部材の摺動面を、第１部材の摺動面より表面硬度を高く鏡面仕上げする。摩耗工程にて、第１部材の摺動面と第２部材の摺動面とを潤滑下で相対的に摺動させて、周期構造を犠牲層として摩滅させる。【選択図】図１

Description

本発明は、摺動部材および摺動部材の製造方法に関するものである。

転がり軸受では、軌道面やこの軌道面を転動する転動体（ボール）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った。そこで、転動体と軌道面との間に潤滑剤を膜状に介在させて、つまり油膜形成を行って、互いに摺動する二面間の摩擦を低減させるようにしている。

そして、従来には、油膜形成能力を向上させるために、軌道面に、凹条溝を周期的に形成されたものが提案されている（特許文献１）。すなわち、図１４に示すように、転動体としてのボール５０が転動する軌道面５１に、ボール５０の走行方向と直交する方向に沿って、微細な凹条溝を所定ピッチで複数形成することによって、周期構造５２を設けていた。

この場合、ボール５０は軌道面５１の幅方向中央（底部）において、接触楕円５３で示す範囲で接触することになる。そして、ボール５０が軌道面５１に沿って転がり摺動した場合、接触楕円５３が周期構造５２の凹条溝が延びる方向に直交する符号５４で示す領域が、球体５０が軌道面５１に接触しつつ通過する接触通過領域となる。

接触通過領域５４の両側では、転がり摺動するボール５０と軌道面５１の間に滑りが生じ、この滑りによって、転がり摺動方向と直交する方向に延びた凹条溝内の潤滑油に動圧が発生する。そして、潤滑油はその滑りによる動圧の影響を受けて、軌道面の凹条溝相互間の凸条部とボール５０との間に引き込まれる。これにより、接触通過領域５４の両側において、潤滑油を軌道面（詳しくは、凹条溝相互間の凸条部）と球体との間に介在させることができ、油膜を形成することができる。

一方、接触通過領域５４では、球体は純転がりし、球体と軌道面の間に滑りはほとんど生じないため、接触通過領域５４の凹条溝内の潤滑油に、滑りによる動圧は発生しにくい。従って、接触通過領域５４では、凹条溝を形成しても、上記のような滑りによる油膜形成作用を得ることができない。また、接触通過領域では、球体が転がり摺動することにより接触通過領域５４に引き込まれた潤滑油が凹条溝に沿って流出する。これらの理由により、接触通過領域５４においては、凹条溝を形成することによって、摩擦力が増大すると考えられるので、軌道面全体としての摩擦低減作用を効果的に得られない問題があった。

特開２００５−３２１０４８号公報

そこで、従来では、図１５に示すように、接触通過領域５４に周期構造５２を設けないものが提案されている。すなわち、軌道面において、接触通過領域５４以外に周期構造５２が形成されているので、動圧の発生が促進される油膜を形成することができる。しかも、接触通過領域５４には、周期構造５２が形成されていないので、潤滑油の外部への流出を防止でき、油膜形成を維持できる。このため、図１５に示すような構成とすることによって、軌道面全体において良好な摩擦低減作用が発揮される。

このように、接触通過領域（ヘルツ接触域）が一定なものに対しては、極めて優れた摩擦低減作用が発揮することができる。ところが、一般的な摺動部材では、負荷される荷重、摺動部材の材質、又は摺動部材の形状等の摺動条件や摺動部材の取付位置のバラツキ等によって、ヘルツ接触域が変動することになる。このため、摺動条件によっては、摩擦低減作用を発揮することができないおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みて、ヘルツ接触域の変動に影響されることなく、摺動面同士の高精度の位置合わせを行うことなく、良好な摩擦低減作用を安定して発揮することができる摺動部材および摺動部材の製造方法を提供する。

本発明の摺動部材の製造方法は、凸状曲面の摺動面を有する第１部材と、この第１部材の摺動面に対して相対的に摺動する摺動面を有する第２部材とを備えた摺動部材の製造方法であって、前記第１部材の摺動面に、凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造を形成する周期構造形成工程と、前記第２部材の摺動面を、第１部材の摺動面より表面硬度を高く鏡面仕上げする鏡面仕上工程と、第１部材の摺動面と第２部材の摺動面とを潤滑下で相対的に摺動させて、前記周期構造を犠牲層として摩滅させる摩耗工程とを備えたものである。

本発明の摺動部材の製造方法によれば、連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造を第２部材より硬度が低い第１部材に設けているため、摺動時に周期構造先端が選択的に摩耗し、なじみが進行する。この際、第１部材から微細な摩耗粉が発生するが、周期構造によって摩耗粉の噛み込みが防止される。また、周期構造に保持された潤滑剤が速やかに新生面に作用するため、少ない擾乱で摺動痕の周期構造を摩滅することができる。

前記第１部材の摺動面のグレーティング状凹凸の周期構造は摺動痕周縁に残存しており、摺動方向に直交する周期構造残存寸法が摺動方向に直交する摺動痕寸法の２倍以上とするのが好ましい。

前記グレーティング状凹凸の周期構造が摺動方向に直交するものが好ましい。また、前記第１部材の摺動面の曲率半径の絶対値が前記第２部材の摺動面の曲率半径の絶対値以下とすることができる。

前記第１部材の基材表面に形成する周期構造は、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して、自己組織的に形成するのが好ましい。

本発明の摺動部材は、前記摺動部材の製造方法にて製造された摺動部材であって、凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造を有する第１部材の凹凸が５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下かつ周期ピッチが１０μｍ以下であるのが好ましい。

本発明では、負荷される荷重、摺動部材の材質、又は摺動部材の形状等の摺動条件や摺動部材の取付位置のバラツキ等によらずに、ヘルツ接触域周縁部に周期構造を形成することができる。このため、高精度な位置決めを行うことなくヘルツ接触域周縁部に周期構造を配した低摩擦摺動面を形成することができる。すなわち、本発明では、摺動条件に限定されることなく、かつ高精度な位置決めを行うことなく良好な摩擦低減作用を発揮することができるものであって、部分的な固体接触と弾性流体潤滑が混在する部分において低摩擦となる摺動部材を提供できる。

摺動方向に直交する周期構造残存寸法が摺動方向に直交する摺動痕寸法の２倍以上とするものでは、ヘルツ接触域周縁部に残存した周期構造による油膜増加効果を効率的に得ることができる。

第１部材に設けられたグレーティング状凹凸の周期構造が摺動方向に直交するものでは、潤滑剤を保持した凹部が断続的に第２部材の摺動面を通過するため、油膜切れが防止され、少ない擾乱で摺動痕の周期構造を摩滅することができる。

第１部材の曲率半径の絶対値が第２部材の曲率半径の絶対値以下であれば、ヘルツ接触域周縁部に残存した周期構造による油膜増加効果を効率的に得ることができる。なお、第２部材の摺動面形状は平面または凹状曲面であることができる。

加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して、自己組織的に形成することで、機械加工では困難なサブミクロンの周期ピッチと凹凸深さをもつ周期構造を容易に得ることができる。

グレーティング状凹凸の周期構造を有する第1部材の凹凸が５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下かつ周期ピッチが１０μｍ以下とすることで、周期構造による摩耗粉の噛み込み防止および周期構造に保持された潤滑剤が速やかに新生面に作用するため、少ない擾乱で摺動痕の周期構造を摩滅することができる。

本発明の実施形態を示す摺動部材の製造方法の工程を示す簡略ブロック図である。 本発明の実施形態を示す摺動部材の製造方法の斜視図である。 第１部材の摺動面を示し、（ａ）は周期構造の拡大平面図であり、（ｂ）は周期構造の断面プロファイル図である。 摺動部材の製造方法に用いるレーザ表面加工装置の簡略図である。 算術平均粗さの定義を説明するためのグラフ図である。 周期構造とヘルツ接触域との関係を示し、（ａ）は全面に周期構造が存在する場合の簡略図であり、（ｂ）及び（ｃ）は摺動痕周縁に周期構造が残存する場合の簡略図である。 第１部材と第２部材との関係を示し、（ａ）は第２部材の摺動面の曲率半径が無限大であるときの簡略図であり、（ｂ）は第１部材の摺動面の曲率半径の絶対値が第２部材の摺動面の曲率半径の絶対値よりも小さいときの簡略図であり、（ｃ）は第１部材の摺動面の曲率半径の絶対値が第２部材の摺動面の曲率半径の絶対値よりも小さいときの簡略図であり、（ｄ）は第１部材の摺動面の曲率半径の絶対値と第２部材の摺動面の曲率半径の絶対値とが同一であるときの簡略図である。 第２部材の鏡面仕上げした摺動面に対して第１部材の周期構造を往復動させた際の往復動回数と摩擦係数との関係を示すグラフ図である。 第２部材の鏡面仕上げした摺動面に対して第１部材を１００００往復動させた際の第１部材（ボール）の摺動痕を示し、（ａ）は未加工ボールの写真図であり、（ｂ）は周期構造が形成されたボールを周期構造と直交方向に摺動させたときの写真図であり、（ｃ）は周期構造が形成されたボールを周期構造と平行方向に摺動させたときの写真図である。 第２部材の鏡面仕上げした摺動面に対してボールを周期構造と平行方向に１００００往復動させた際の第１部材（ボール）の摺動面の３Ｄ画像図である。 第２部材の鏡面仕上げした摺動面に対してボールを周期構造と平行方向に１００００往復動させた際の第１部材（ボール）の摺動面のプロファイル図である。 第２部材の鏡面仕上げした摺動面に対してボールを１００００往復動させた際の第２部材の摺動面を示し、（ａ）は未加工ボールを摺動させた際の摺動面のプロファイル図であり、（ｂ）は周期構造が形成されたボールを周期構造と直交方向に摺動させたときの摺動面のプロファイル図であり、（ｃ）は周期構造が形成されたボールを周期構造と平行方向に摺動させたときのプロファイル図である。 サテライト状油膜と摺動痕との関係を示し、（ａ）及び（ｂ）は油膜厚さ分布図であり、（ｃ）は周期構造が形成されたボールを周期構造と平行方向に摺動させたときの写真図である。 従来の転がり軸受を示し、（ａ）はボールと軌道面との関係を示す要部簡略断面図であり、（ｂ）は軌道面に形成される周期構造とボールとの関係を示す簡略展開図である。 接触通過領域に周期構造を設けていない軌道面とボールとの関係を示す簡略展開図である。

以下本発明の実施の形態を図１〜図１３に基づいて説明する。

図１は本発明に係る摺動部材の製造方法を示すブロック図を示し、この製造方法は、周期構造形成工程Ｐ１と鏡面仕上工程Ｐ２と摩耗工程Ｐ３とを備える。周期構造形成工程Ｐ１は、図３に示すように、第１部材１の摺動面１ａにグレーティング状凹凸の周期構造３を形成するものであり、鏡面仕上工程Ｐ２は第２部材２の摺動面２ａを鏡面仕上げする工程であり、摩耗工程Ｐ３は、第１部材１の摺動面１ａと第２部材２の摺動面２ａとを相対的に摺動させて、周期構造３を犠牲層として摩滅させるものである。

図２は、往復式ボールオンプレート試験機の模式図を示し、この図例では、第１部材１は球体で構成し、第２部材２としては平板体で構成した。また、第１部材１は、ＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼鋼材）等の金属製であり、第２部材２は、ＳＵＳ４４０Ｃ（マルテンサイト系ステンレス）等の金属製である。

周期構造形成工程Ｐ１は、図４に示すように、レーザ発生器１１と光学系１０とを備え
たレーザ表面加工装置を使用して形成する。このレーザ表面加工装置では、レーザ発生器
１１は、ミラー１２により加工材料Ｗに向けて折り返され、メカニカルシャッタ１３に導
かれる。レーザ照射時はメカニカルシャッタ１３を開放し、レーザ照射強度は１／２波長
板１４と偏光ビームスプリッタ１６によって調整可能とし、１／２波長板１５によって偏
光方向を調整し、集光レンズ１７によって、ＸＹθステージ１９上の加工材料Ｗ表面に集
光照射することになる。

周期構造形成工程Ｐ１では、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して、自己組織的に形成している。すなわち、アブレーション閾値近傍のフルエンスで直線偏光のレーザをワーク（加工材料）Ｗに照射した場合、入射光と加工材料Ｗの表面に沿った散乱光またはプラズマ波の干渉により、レーザ波長と同程度の周期間隔で、エネルギー分布にわずかな粗密が生じる。一般的な加工方法ではレーザ照射面全体が加工されるが、加工閾値近傍のエネルギー密度でレーザ照射することで、高エネルギー部分を選択的に加工することができる。その結果、１光軸のレーザ照射でありながら、グレーティング状の周期構造が形成される。このとき、加工に用いるレーザのパルス幅が長くなるほど熱影響や加工蒸散物との相互作用によるレーザの散乱によって周期構造に乱れが生じることになる。

この実施形態では、前記第２部材２の表面に、成膜工程にて非晶質炭素膜（ＤＬＣ膜）が形成され、この表面が摺動面２ａを構成する。成膜工程は、例えば、プラズマイオン注入法を採用することができる。プラズマイオン注入法は、高真空中でのプラズマプロセスであるイオン化蒸着により成膜する方法である。すなわち、真空チャンバ中にトルエンガスや他の炭化水素ガスが導入され直流アーク放電プラズマ中で炭化水素イオンが励起されたラジカルが生成される。このため、炭化水素イオンは直流の負電圧にバイアスされた基板（コーティングされる部材）にバイアス電圧に応じたエネルギーで衝突し固体化し成膜する。成膜工程にて形成された非晶質炭素膜（ＤＬＣ膜）の厚さとしては、例えば、１μｍ程度とする。これによって、第２部材２の摺動面２ａを、第１部材１の摺動面１ａより表面硬度を高くする。

鏡面仕上工程Ｐ２の鏡面仕上げとしては、光に対して、表面の散乱、局部屈折のバラツキが少なく、光学的に機能する面に仕上げる研磨（光学研磨）を行うことになる。この場合、算術平均粗さＲａが１０ｎｍ以下となるのが好ましい。この鏡面仕上工程Ｐ２は研磨工程であって、この研磨工程は、公知公用の既存の研磨装置にて行うことができ、第２部材２の使用する材質、形状、及び目標とする算術平均粗さＲａに応じて種々の研磨装置を選択することができる。

算術平均粗さＲａは、図５に示すように、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さだけを抜き取り、この抜取り部分の平均線ｍの方向にＸ軸を、縦倍率の方向にＹ軸を取り、粗さ曲線をｙ=ｆ（ｘ）で表したときに、次の数１の式によって求められる値をマイクロメートル（μｍ）またはナノメートル（ｎｍ）で表したものをいう。

グレーティング状凹凸の周期構造３は、図３（ｂ）に示すように、連続的に高さが変化するものである。周期構造３の凹凸の高低差、つまり、凹部５（図３（ａ）参照）の底部から凸部６（図３（ａ）参照）の頂点までの高さが５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とするのが好ましい。また、周期構造３の周期ピッチを１０μｍ以下とするのが好ましい。

摩耗工程Ｐ３において、第１部材１の摺動面１ａと第２部材２の摺動面２ａとを相対的に摺動させれば、連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造３を第１部材１に設けているため、摺動時に周期構造先端が選択的に摩耗し、なじみが進行する。この際、第１部材１から微細な摩耗粉が発生するが、周期構造３によって摩耗粉の噛み込みが防止される。また、周期構造３に保持された潤滑剤が速やかに新生面に作用するため、少ない擾乱で摺動痕の周期構造３を摩滅することができる。すなわち、本発明では、摺動条件に限定されることなく、かつ高精度な位置決めを行うことなく良好な摩擦低減作用を発揮することができるものであって、部分的な固体接触と弾性流体潤滑が混在する部分において低摩擦となる摺動部材を提供できる。

弾性流体潤滑（ＥＨＬ）下において、ボール試験片のヘルツ接触域に鏡面部を残し、ヘルツ接触域周縁部に周期構造を配置することで油膜厚さが増加することが報告されているが、本発明の摺動部材の製造方法では、高精度な位置決めをすることなくヘルツ接触域周縁部に周期構造を配置した低摩擦摺動面を自己形成することができる。

ところで、摩耗工程Ｐ３を行うことによって、第１部材１の周期構造３は、図６（ａ）に示すように、ヘルツ接触部２０により摺動痕部（ヘルツ接触域）２１が形成される。第１部材１が回転しない場合、図６（ｂ）に示すように、摺動痕部の周期構造は摩滅し、摺動痕周縁には周期構造３が残存する。また、第１部材１が軸心廻りに回転する場合、図６（ｃ）に示すように、摺動痕周縁に周期構造が残存する。このとき、摺動方向に直交する周期構造残存寸法が摺動方向に直交する摺動痕寸法の２倍以上とするのが好ましい。このように、摺動方向に直交する周期構造残存寸法が摺動方向に直交する摺動痕寸法の２倍以上とするものでは、ヘルツ接触域周縁部に残存した周期構造３による油膜増加効果を効率的に得ることができる。摺動方向に直交する周期構造残存寸法が摺動方向に直交する摺動痕寸法の２倍未満では、ヘルツ接触域周縁部に残存した周期構造３による油膜増加効果による摩耗低減作用を効果的に得ることができない。

また、前記摩耗工程Ｐ３において、摺動方向としては、周期構造３と直交する方向であっても、周期構造３と平行する方向であってもよい。なお、周期構造３と直交する方向とは、周期構造３の各凹部５の長手方向に直交する方向であり、周期構造３と平行する方向とは、周期構造３の各凹部５の長手方向に平行する方向である。

摺動方向としては、周期構造３と直交する方向であれば、潤滑剤を保持した凹部５が断続的に第２部材２の摺動面２ａを通過するため、油膜切れが防止され、少ない擾乱で摺動痕の周期構造３を摩滅することができる。

また、前記実施形態では、第１部材１を球体（ボール）にて構成し、第２部材２として平板体にて構成していた。このため、図７（ａ）に示すように第２部材２の曲率半径は無限大（∞）となっていた。しかしながら、図７（ｂ）（ｃ）に示すように、第１部材１の摺動面１ａの曲率半径ｒ１の絶対値が第２部材２の摺動面２ａの曲率半径ｒ２の絶対値よりも小さくても、図７（ｄ）に示すように、曲率半径ｒ１の絶対値と第２部材２の曲率半径ｒ２の絶対値とが同一であってもよい。なお、図７（ｂ）では、第２部材２の摺動面２ａが凸曲面であり、図７（ｃ）では、第２部材２の摺動面２ａが凹曲面である。このため、図７（ｂ）では、曲率半径ｒ２が＋となり、図７（ｃ）では、曲率半径ｒ２が−となる。また、図７（ｃ）に示すように、２部材２の摺動面２ａが凹曲面である場合、曲率半径ｒ１の絶対値と第２部材２の曲率半径ｒ２の絶対値とが同一となれば、摺動面同士が密着して、相対的は摺動ができず、好ましくない。

第１部材１の摺動面１ａの曲率半径の絶対値が第２部材２の摺動面２ａの曲率半径の絶対値以下であれば、ヘルツ接触域周縁部に残存した周期構造による油膜増加効果を効率的に得ることができる。

また、グレーティング状凹凸の周期構造３を有する第1部材１の凹凸が５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下かつ周期ピッチが１０μｍ以下とすることで、周期構造３による摩耗粉の噛み込み防止および周期構造３に保持された潤滑剤が速やかに新生面に作用するため、少ない擾乱で摺動痕の周期構造３を摩滅することができる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば、前記実施形態では、第１部材１を球体にて構成したが、周期構造３は形成される摺動面１ａが凸曲面状であればよく、円柱状、円錐体乃至円錐台状等であってもよい。また、第１部材１が回転しない、または、カムのようにその軸心廻りに第２部材２の摺動面２ａに摺動するように回転するものであってもよい。

周期構造形成工程に使用するレーザとしては、フェムト秒レーザ、ピコ秒レーザ、及びナノ秒レーザといったパルスレーザを使用することができる。また、摩耗工程Ｐ３において、第１部材１側を固定して第２部材２を第１部材１に対して摺動させても、逆に、第２部材２側を固定して第１部材１を第２部材２に対して摺動させても、第１部材１と第２部材２とを摺動させてもよい。

また、摺動方向として、周期構造３の配向方向に対して、平行方向であっても、直交方向であっても、さらには、所定角度（例えば、４５度程度）に傾斜したものであってもよい。また、摺動方向として直線状ではなく、円形や楕円形状であってもよい。摺動時の荷重、摺動ストローク、往復周波数等も任意に設定できる。

ところで、ＤＬＣコーティングの処理には、化学蒸着（ＣＶＤ、Chemical Vapor Deposition）法および物理蒸着（ＰＶＤ、Physical Vapor Deposition）法によるプラズマ技術等がある。このため、本発明では、プラズマＣＶＤ法、イオン化蒸着法、スパッタ法、アークイオンプレーティング法の従来からある種々の方法で、非晶質炭素膜を形成することができる。

また、前記実施形態では、第２部材２として、ＤＬＣ層を設けたていたが、このように被膜を設けないものであってもよい。すなわち、連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造３を第２部材２の摺動面２ａより硬度が低く、周期構造３が形成された摺動面１ａを、第２部材２の摺動面２ａに対して相対的に摺動させた際に、周期構造先端が選択的に摩耗し、なじみが進行するものであればよい。

第１部材１としてのボール試験片の広範囲に周期構造３を形成し、固体接触により周期構造３を摩滅させることで、ヘルツ接触域周縁部に周期構造３を配置した摺動面１ａを自己形成するとともに、その摩擦特性を調査した。

前記図２はこの実施例に用いた往復式ボールオンプレート試験機の模式図である。光学研磨したＳＵＳ４４０ｃ基板（Ｒａ２ｎｍ）にプラズマイオン注入法でａ―Ｃ：ＨのＤＬＣ膜を成膜したものをプレート試験片（第２部材２）とし、ＤＬＣの膜厚は１μｍとした。ボール試験片は直径６．３５ｍｍのＳＵＪ２ボール（Ｒａ８ｎｍ）とした。ボール試験片（第１部材１）にはフェムト秒レーザを加工閾値近傍のエネルギー密度で照射し、グレーティング状の周期構造（ピッチ約７００ｎｍ、深さ約２００ｎｍ）３を形成した。摺動方向は、周期構造３の配向方向に対して直交（周期直交ＳＵＪ２）および平行（周期平行ＳＵＪ２）の２方向とした。比較のため、未加工のボール試験片（未加工ＳＵＪ２）も用いた。摺動条件は荷重５Ｎ、ストローク２０ｍｍ、往復周波数０．５Ｈｚとし、１００００往復までの摺動抵抗をロードセルにより測定した。なお、潤滑剤にはＰＡＯ６を使用した。

ＰＡＯ６潤滑下での各種ＳＵＪ２ボールの摩擦係数を図８に示す。全てのＳＵＪ２ボールで安定した摩擦係数となったが、周期直交ＳＵＪ２が最も低摩擦となった。図９に光学鏡面ＤＬＣに１００００往復させた各種ＳＵＪ２ボールの摺動痕写真を示す。この図９から分かるように、未加工ＳＵＪ２は摺動痕が最も大きく、接触部が平坦化していた。一方、周期直交ＳＵＪ２と周期平行ＳＵＪ２の摺動痕内には、摩耗の少ない３つの島状領域（図９（ｂ）及び図９（ｃ）の摺動痕内暗部）が形成された。

図１０に周期平行ＳＵＪ２摺動痕の３Ｄ画像を示す。摺動痕中央部の周期構造は消滅していたが、ほぼ球面を維持しており、島状領域間には幅１０μｍ程度の溝が認められた。この溝深さは周期直交ＳＵＪ２で約３５０ｎｍ、周期平行ＳＵＪ２で約６００ｎｍであった。ＤＬＣ層側にはほとんどダメージがなかったため、ボールの摺動痕形状は弾性変形形状を反映していると考えられる。

周期構造を有するボールを使用した固体接触を伴わないＥＨＬ試験では、油膜厚さの増加や通常の馬蹄形のＥＨＬ油膜を挟み込むようにサテライト状の油膜が形成されることが報告されている。図１１に示すように、サテライト状油膜と周期構造を有するＳＵＪ２ボールの摺動痕はよく似た形状になっている。摺動痕における摩耗の少ない３つの島状領域は、馬蹄形内のＥＨＬ油膜とサテライト状の油膜によって形成された可能性が高い。島状領域間の溝は、往復摺動時に馬蹄形薄膜部が接触することによって形成されたものと推察できる。周期直交ＳＵＪ２の低摩擦化はＥＨＬ油膜厚さの増加効果と接触部のなじみを含む摩擦低減効果が主要因であると考えられる。

１ 第１部材
１ａ 摺動面
２ 第２部材
２ａ 摺動面
３ 周期構造
Ｐ１ 周期構造形成工程
Ｐ２ 鏡面仕上工程
Ｐ３ 摩耗工程

本発明は、摺動部材の製造方法に関する。

本発明は、上記課題に鑑みて、ヘルツ接触域の変動に影響されることなく、摺動面同士の高精度の位置合わせを行うことなく、良好な摩擦低減作用を安定して発揮することができる摺動部材の製造方法を提供する。

また、凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造を有する第１部材のこの周期構造の凹凸高低差を５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とし、かつこの周期構造の周期ピッチを１０μｍ以下とするのが好ましい。

グレーティング状凹凸の周期構造を有する第1部材のこの周期構造の凹凸高低差を５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とし、かつこの周期構造の周期ピッチが１０μｍ以下とすることで、周期構造による摩耗粉の噛み込み防止および周期構造に保持された潤滑剤が速やかに新生面に作用するため、少ない擾乱で摺動痕の周期構造を摩滅することができる。

Claims (6)

1. 凸状曲面の摺動面を有する第１部材と、この第１部材の摺動面に対して相対的に摺動する摺動面を有する第２部材とを備えた摺動部材の製造方法であって、前記第１部材の摺動面に、凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造を形成する周期構造形成工程と、前記第２部材の摺動面を、第１部材の摺動面より表面硬度を高く鏡面仕上げする鏡面仕上工程と、第１部材の摺動面と第２部材の摺動面とを潤滑下で相対的に摺動させて、前記周期構造を犠牲層として摩滅させる摩耗工程とを備えたことを特徴とする摺動部材の製造方法。
2. 前記第１部材の摺動面のグレーティング状凹凸の周期構造は摺動痕周縁に残存しており、摺動方向に直交する周期構造残存寸法が摺動方向に直交する摺動痕寸法の２倍以上とすることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材の製造方法。
3. 前記グレーティング状凹凸の周期構造が摺動方向に直交することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の摺動部材の製造方法。
4. 前記第１部材の摺動面の曲率半径の絶対値が前記第２部材の摺動面の曲率半径の絶対値以下とすることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の摺動部材の製造方法。
5. 前記第１部材の基材表面に形成する周期構造は、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して、自己組織的に形成することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の摺動部材の製造方法。
6. 前記請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の摺動部材の製造方法を用いて製造された摺動部材であって、凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造を有する第１部材の凹凸が５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下かつ周期ピッチが１０μｍ以下であることを特徴とする摺動部材。