JP2019108921A - 摺動面構造 - Google Patents

Abstract

【課題】摩耗粉の成長が生じやすい混合潤滑下または境界潤滑下での面接触摺動または線接触摺動においても、長期にわたって低摩擦・低摩耗を維持することができる摺動面構造を提供する。
【解決手段】摺動面を有する第１部材と、第１部材の摺動面に対して混合潤滑下または境界潤滑下で相対的に摺動する接触部を有する第２部材とを備えた摺動面構造である。第１部材の摺動面と第２部材の接触部との少なくともいずれかに、摺動方向において接触部の最大長さよりも狭い幅を有する溝が設けられるとともに、第１部材の摺動面と第２部材側の接触部との少なくともいずれかに、摺動時において溝に連通するグレーティング状凹凸の周期構造が設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、摺動面構造に関するものである。

例えば回転軸とすべり軸受との摺動において、なじみ性を確保して、低摩擦性を確保するものがある（特許文献１）。特許文献１のものは、すべり軸受の摺動面を、軸受合金層の表面を覆う低摩擦性合成樹脂製のオーバーレイ層とし、このオーバーレイ層の表面に環状溝による凹凸面を形成している。これにより、回転軸による荷重がすべり軸受に加わった際に、凸部を塑性変形させることによって、回転軸とすべり軸受とをなじませ、オーバーレイ層が摩耗することによって、低摩擦性合成樹脂製による低摩擦性を確保するものである。

特開２０１１−１７９５６６号公報

ところで、部材同士が摺動する際、シビア摩耗（すべり距離の増加により摩耗量が増加するような摩耗）からマイルド摩耗（すべり距離が増加しても摩耗量がほとんど増加しない摩耗であって、摩耗率がシビア摩耗の摩耗率よりも一桁以上低い）へ遷移する場合がある。摺動初期において、この遷移が生じれば、結果的に総摩耗量を低減することができる。シビア摩耗からマイルド摩耗に遷移するためには、微細な摩耗粉（マイルド摩耗粉）を生成し、微細な摩耗粉がのしつぶされることによって、一方又は両方の摺動面に強固に固着された移着層を形成することが必要である。

前記特許文献１のものは、摺動面に形成された凸部を塑性変形させることによるなじみ促進を目的とするものであって、摺動面が互いに固体同士で接触するような境界潤滑下では、摩擦上昇を回避するものに過ぎないものとなる。すなわち、特許文献１のものは、移着層の形成能力が低くマイルド摩耗促進効果がないため、特に境界潤滑下においては摩擦低減効果が生じない。

本発明は、上記課題に鑑みて、摩耗粉の成長が生じやすい混合潤滑下または境界潤滑下での面接触摺動または線接触摺動においても、長期にわたって低摩擦・低摩耗を維持することができる摺動面構造を提供する。

本発明の摺動面構造は、摺動面を有する第１部材と、第１部材の摺動面に対して混合潤滑下または境界潤滑下で相対的に摺動する接触部を有する第２部材とを備えた摺動面構造であって、第１部材の摺動面と第２部材の接触部との少なくともいずれかに、摺動方向において前記接触部の最大長さよりも狭い幅を有する溝が設けられるとともに、第１部材の摺動面と第２部材の接触部との少なくともいずれかに、摺動時において前記溝に連通するグレーティング状凹凸の周期構造が設けられるものである。ここで、混合潤滑とは、摺動面と接触部との２面間に僅かな潤滑膜が存在するものの、摺動面と接触部とが固体接触するような状態をいい、境界潤滑とは、２面間に潤滑膜が存在せず、摺動面と接触部とが固体接触するような状態をいう。

本発明の摺動面構造によれば、第１部材側と第２部材側との少なくともいずれかにグレーティング状凹凸の周期構造が設けられていることで、摺動時に微細な摩耗粉を発生しながら、なじみが進行する。この際、周期構造が微細な摩耗粉をトラップすることで、シビア摩耗を引き起こす大型の摩耗粉の生成が抑制され、シビア摩耗を防止することができる。さらに、周期構造にトラップされた微細な摩耗粉が摺動面に固着することで、摩耗率がシビア摩耗の１／１０〜１／１０００となるマイルド摩耗遷移が促進される。

前記溝は、前記摺動面と接触部との摺動領域内から摺動領域外に延びるものであってもよい。これにより、周期構造がトラップしきれない大型の摩耗粉や余剰の摩耗粉が摺動領域内から摺動領域外へ排出され、シビア摩耗を一層抑制することができる。

前記溝は、摺動領域を、摺動方向とは異なる方向で延びるものであってもよい。これにより、周期構造がトラップしきれない摩耗粉を摺動領域の両側周縁（摺動領域外）に排出することができる。

前記構成において、前記グレーティング状凹凸の周期構造が摺動方向に沿って延びるように設けられていてもよい。これにより、余剰の摩耗粉を溝に排出することができるとともに、マイルド摩耗の前駆体となる微細な摩耗粉を摺動面内に適度に拘束することでマイルド摩耗遷移が促進される。

前記構成において、前記グレーティング状凹凸の周期構造の凹凸が５０ｎｍ以上１０μｍ以下、かつ周期ピッチが１０μｍ以下であってもよい。これにより、マイルド摩耗の前駆体となる微細な摩耗粉の保持とシビア摩耗を引き起こす大型の摩耗粉の生成抑制が可能となる。

前記構成において、前記溝の深さ及び前記溝が延びる方向の溝幅が、前記グレーティング状凹凸の周期構造の凹凸及び周期ピッチの５倍以上であってもよい。これにより、周期構造がトラップしきれない大型の摩耗粉や余剰の摩耗粉が効率的に摺動領域内から摺動領域外へ排出され、シビア摩耗が抑制される。

前記構成において、前記グレーティング状凹凸の周期構造は、未摺動時において凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化しているものであってもよい。これにより、摺動開始時に小さな曲率半径をもつ周期構造先端が摩耗し、微細な摩耗粉を発生しながら、速やかになじみが進行する。また、凹部の開口が広いため、周期構造が微細な摩耗粉を効率的にトラップすることができる。

前記構成において、前記第１部材側と第２部材側との少なくともいずれかに非晶質炭素膜が形成されているものであってもよい。これにより、低摩擦化の実現に重要な低硬度カーボンを含む微細な摩耗粉がのしつぶされ、強固に固着された低硬度カーボン移着層が形成されるため、長期にわたって摺動特性が向上する。

本発明の摺動部材は、シビア摩耗を引き起こす大型の摩耗粉の成長を抑制することで、摩耗粉の成長が生じやすい混合潤滑下または境界潤滑下での面接触摺動または線接触摺動においても、長期にわたって低摩擦・低摩耗を維持することができる。

本発明の実施形態を示す摺動面構造であり、（ａ）は簡略平面図、（ｂ）は簡略断面図である。 第１部材の摺動面の拡大断面図である。 本発明の他の実施形態を示す摺動面構造の簡略平面図である。 ＳＵＳ４４０Ｃ基板に形成したＤＬＣ成膜後の周期構造であり、（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。 溝ありと溝なしの２種類のプレート試験片の摩擦係数の比較を示すグラフ図である。

以下本発明の実施の形態を図１〜図５に基づいて説明する。

本発明に係る摺動面構造は、図１に示すように、平面状の摺動面１ａを有する第１部材１と、前記第１部材１の摺動面１ａに対して相対的に摺動する接触部２ａを有する第２部材２とを備えたものである。第１部材１と第２部材２とは混合潤滑下または境界潤滑下で相対的に摺動するものである。ここで、混合潤滑とは、摺動面１ａと接触部２ａとの２面間に僅かな潤滑膜が存在するものの、摺動面１ａと接触部２ａとが固体接触するような状態をいい、境界潤滑とは、２面間に潤滑膜が存在せず、摺動面１ａと接触部２ａとが固体接触するような状態をいう。第１部材１側（摺動面１ａ）には、非晶質炭素膜が形成されている。

本実施形態では、第１部材１を例えば平板体とし、第２部材２を例えば直方体形状のブロック体としている。第１部材１の平面状の上面が前記摺動面１ａとなり、第２部材２の一面（本実施形態では下面）が前記接触部２ａとなる。第２部材２は、第１部材１を矢印Ａの方向に摺動し、第２部材２の接触部２ａが第１部材１の摺動面１ａと接触しうる領域を摺動領域（図１（ａ）の範囲Ｈ）という。

第１部材１の摺動面１ａには、摺動方向Ａにおいて接触部２ａの最大長さＬ（図１（ａ）参照）よりも狭い幅を有する溝３が設けられている。図１における図示例では溝３の数は３つであるが、実際は、摺動領域Ｈにおいて、さらに多数の溝３が設けられている。溝３は、摺動面１ａと接触部２ａとの摺動領域Ｈ内から摺動領域Ｈ外に延びるものである。また、溝３は、摺動領域Ｈを、摺動方向Ａとは異なる方向で延びるものであり、本実施形態では、溝３は摺動方向Ａとほぼ直交する方向に延びている。溝の深さＤ（図１（ｂ）参照）及び溝３が延びる方向の溝幅Ｗ（図１（ａ）参照）は、後述するグレーティング状凹凸の周期構造４の凹凸及び周期ピッチの５倍以上となっている。

第１部材１の摺動面１ａには、摺動時において溝３に連通するグレーティング状凹凸の周期構造４が設けられている。すなわち、溝３と、隣合う溝３との間の夫々に周期構造４が形成されている。図２に示すように、周期構造４は、溝３の溝幅Ｗよりも周期間隔の狭いピッチで微小の凹部５と微小の凸部６とが交互に所定ピッチで配設されてなるものであり、摺動方向Ａに沿って延びるように設けられている。凸部６の頂点は、非平坦面となって連続的に高さが変化している。また、周期構造４の凹凸は、５０ｎｍ以上１０μｍ以下、かつ周期ピッチが１０μｍ以下とするのが好ましい。

このような第１部材１と第２部材２とを備えた摺動面構造において、第２部材２が第１部材１に対して無潤滑（境界潤滑下）で相対的に摺動すると、周期構造４が設けられていることで、摺動時に微細な摩耗粉を発生しながら、なじみが進行する。この際、周期構造４が微細な摩耗粉をトラップすることで、シビア摩耗を引き起こす大型の摩耗粉の生成が抑制され、シビア摩耗を防止することができる。さらに、周期構造４にトラップされた微細な摩耗粉が摺動面１ａまたは接触部２ａに固着することで、摩耗率がシビア摩耗の１／１０〜１／１０００となるマイルド摩耗遷移が促進される。このように、本発明では、シビア摩耗を引き起こす大型の摩耗粉の成長を抑制することで、摩耗粉の成長が生じやすい境界潤滑下での面接触摺動においても、長期にわたって低摩擦・低摩耗を維持することができる。

しかも、溝３は、摺動面１ａと接触部２ａとの摺動領域Ｈ内から摺動領域Ｈ外に延び、摺動領域Ｈを、摺動方向Ａとは異なる方向（本実施形態では、摺動方向Ａとほぼ直交する方向）で延び、溝３の深さＤ及び溝が延びる方向の溝幅Ｗが周期構造４の凹凸及び周期ピッチの各々の５倍以上としているため、周期構造４がトラップしきれない大型の摩耗粉や余剰の摩耗粉が摺動領域Ｈ内から摺動領域Ｈ外へ排出され、シビア摩耗を一層抑制することができる。

周期構造４が摺動方向Ａに沿って延びるように設けられていることで、余剰の摩耗粉を溝３に排出することができるとともに、マイルド摩耗の前駆体となる微細な摩耗粉を摺動面内に適度に拘束することでマイルド摩耗遷移が促進される。また、周期構造４の凹凸を５０ｎｍ以上１０μｍ以下、かつ周期ピッチが１０μｍ以下としているため、マイルド摩耗の前駆体となる微細な摩耗粉の保持とシビア摩耗を引き起こす大型の摩耗粉の生成抑制が可能となる。さらに、周期構造４は、未摺動時において凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化しているものとしているため、摺動開始時に小さな曲率半径をもつ周期構造先端が摩耗し、微細な摩耗粉を発生しながら、速やかになじみが進行する。また、凹部５の開口が広いため、周期構造４が微細な摩耗粉を効率的にトラップすることができる。

第１部材１側に非晶質炭素膜が形成されているため、低摩擦化の実現に重要な低硬度カーボンを含む微細な摩耗粉がのしつぶされ、強固に固着された低硬度カーボン移着層が形成されるため、長期にわたって摺動特性が向上する。

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、摺動部材（第１部材１及び第２部材２）の形状はどのようなものであってもよく、摺動方向は直線状ではなく、円弧状等であってもよい。例えば、図３（ａ）に示すように、第１部材１の摺動面１ａが円形などの曲面を有しており、第２部材２が回転運動するものであってもよい。第２部材２の接触部２ａの形状も、矩形、円形、多角形、規則性の無いもの等、種々のものとすることができ、第１部材１と第２部材２との摺動は、面接触、線接触のいずれであってもよい。摺動部材の摺動方法としては、実施形態のように第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よく、第１部材１と第２部材２とを摺動させてもよい。

溝３の幅、深さ、断面形状、平面形状、数、位置は種々のものとすることができ、必要性に応じて適宜決定することができる。例えば、実施形態における溝３は、摺動領域Ｈ内から摺動領域Ｈ外に延びるものであったが、図３（ｂ）のように、摺動領域Ｈ内で延びるもの（つまり、摺動領域Ｈ外まで延びないもの）であってもよい。また、図３（ｃ）のように、溝３が摺動方向Ａと直交する方向以外の方向に延びるものであってもよい。溝３の配設ピッチは等間隔であっても不等間隔であってもよく、全ての溝３の大きさや形状を一致させる必要はなく、種々の形状や大きさの溝３が混在していてもよい。

周期構造４の延びる方向は、図３（ｄ）に示すように、摺動方向Ａに沿っていなくてもよい。全ての周期構造４の延びる方向を同一にする必要はない。

溝３及び周期構造４は、第２部材２側に形成されていてもよいし、第１部材１側と第２部材２側（接触部２ａ）との両方に形成されていてもよい。また、一方の部材側に溝３を形成し、他方の部材側に周期構造４が形成されていてもよい。第２部材２側（接触部２ａ）に非晶質炭素膜が形成されていてもよく、第１部材１側と第２部材２側との両方に非晶質炭素膜が形成されていてもよい。

第１部材１及び第２部材２は、炭素鋼、銅、アルミニウム、白金、超硬合金等であっても、炭化ケイ素や窒化ケイ素等のシリコン系セラミックスであっても、エンジニアプラスチック等であってもよい。また、混合潤滑下での摺動の場合、潤滑剤として、水やアルコールであっても、さらにはエンジンオイル等の潤滑油等であってもよい。すなわち、第１・第２部材１、２の材質、使用する環境等に応じて種々の潤滑剤を用いることができる。

周期構造４の形成には、フェムト秒レーザ、ピコ秒レーザ、およ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。

摺動領域内から摺動領域外に延びる溝と、溝に連通するグレーティング状凹凸の周期構造を有するＤＬＣ膜の作成およびその摺動特性を評価し、グレーティング状凹凸の周期構造と溝との複合化による摩擦低減について検証した。

ＳＵＳ４４０Ｃ基板にフェムト秒レーザを加工しきい値近傍のエネルギー密度で照射し、グレーティング状凹凸の周期構造（ピッチ約７００ｎｍ、深さ約２００ｎｍ）を形成した後、プラズマイオン注入法でａ―Ｃ：ＨのＤＬＣ膜を成膜した。原料ガスにはトルエン（Ｃ₇Ｈ₈）を用い、中間層としてＳｉ／Ｃ傾斜層を設けた。中間層の膜厚は２５０ｎｍ、中間層を含むＤＬＣの膜厚は１μｍとした。成膜後のＤＬＣ表面のＡＦＭ像および断面プロファイルを図４（ａ）（ｂ）に示す。ＤＬＣ表面には深さ５０ｎｍ前後の周期構造形状が認められる。周期構造形成後にＤＬＣを成膜しているため、図４に示す周期構造ＤＬＣはレーザ未照射基板に成膜したものと形態が異なるだけで組成的には同一である。

次に、往復式摺動試験機を用いて摩擦評価を実施した。プレート試験片は周期構造ＤＬＣ（溝なし）および摺動領域を横切るように溝を設けた周期構造ＤＬＣ（溝あり）とした。溝深さはＤＬＣ表面の周期構造深さより十分深く、溝ピッチは８００μｍ、溝幅は４０μｍとした。周期構造の方向はスライダー試験片の摺動方向に平行とした。したがって、溝ありの場合、周期構造は溝に連通することとなる。スライダー試験片の材質はＳＵＪ２とした。摺動条件は面圧４０ＭＰａ、ストローク２０ｍｍ、往復周波数０．５Ｈｚとし、１０００往復までの摺動抵抗をロードセルにより測定した。

２種類のプレート試験片の摩擦係数の比較を図５に示す。溝を設けることで早期に摩擦が低減し、溝なしに対して１５〜２０％程度の摩擦低減効果が得られた。これにより、摩耗粉の成長が生じやすい面接触の境界潤滑下においても、摺動領域を横切る溝と、溝に連通する周期構造を併せて設けることで、周期構造がトラップしきれない大型の摩耗粉や余剰の摩耗粉が溝により摺動領域内から摺動領域外へ排出され、低摩擦・低摩耗を維持できることが確認された。

１ 第１部材
１ａ 摺動面
２ 第２部材
２ａ 接触部
３ 溝
４ 周期構造
６ 凸部
Ａ 摺動方向
Ｈ 摺動領域
Ｄ 溝の深さ
Ｗ 溝幅

Claims (8)

1. 摺動面を有する第１部材と、第１部材の摺動面に対して混合潤滑下または境界潤滑下で相対的に摺動する接触部を有する第２部材とを備えた摺動面構造であって、
   第１部材の摺動面と第２部材の接触部との少なくともいずれかに、摺動方向において前記接触部の最大長さよりも狭い幅を有する溝が設けられるとともに、第１部材の摺動面と第２部材の接触部との少なくともいずれかに、摺動時において前記溝に連通するグレーティング状凹凸の周期構造が設けられることを特徴とする摺動面構造。
2. 前記溝は、前記摺動面と接触部との摺動領域内から摺動領域外に延びるものであることを特徴とする請求項１に記載の摺動面構造。
3. 前記溝は、摺動領域を、摺動方向とは異なる方向で延びるものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の摺動面構造。
4. 前記グレーティング状凹凸の周期構造が摺動方向に沿って延びるように設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の摺動面構造。
5. 前記グレーティング状凹凸の周期構造の凹凸が５０ｎｍ以上１０μｍ以下、かつ周期ピッチが１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の摺動面構造。
6. 前記溝の深さ及び前記溝が延びる方向の溝幅が、前記グレーティング状凹凸の周期構造の凹凸及び周期ピッチの５倍以上であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の摺動面構造。
7. 前記グレーティング状凹凸の周期構造は、未摺動時において凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化していることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の摺動面構造。
8. 前記第１部材側と第２部材側との少なくともいずれかに非晶質炭素膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の摺動面構造。