JP3738750B2

JP3738750B2 - 耐摩耗性摺動部材

Info

Publication number: JP3738750B2
Application number: JP2002124506A
Authority: JP
Inventors: 敏夫勇田; 生哉西村; 大次郎家納; 剛斉藤; 富太鈴木; 守田中
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1993-03-05
Filing date: 2002-04-25
Publication date: 2006-01-25
Anticipated expiration: 2021-01-25
Also published as: JP2003004043A

Description

【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は摺動接触する部材の摺動面に耐摩耗，低摩擦抵抗処理を施した摺動部材に関する。特に本発明は一般の相対摺動接触する機械部品の他、真空中で使用されるすべり軸受，ころがり軸受の内外輪レース面，グルーブ軸受のスラスト受部あるいは人工関節等の摺動接触部に適用して有用な耐摩耗性摺動部材の摺動面構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
相対摺動接触する部材の摺動面に耐摩耗処理を施したものとして、例えば特開昭６０−１３５５６４号公報に示された金属摺動部材がある。これは、互いに摺動接触する金属部材の少なくとも一方の部材の摺動面に、耐摩耗硬質材と固体潤滑剤とを区分けしてスパッタ蒸着し、これによって硬質材料蒸着部および固体潤滑材料蒸着部によるまだら状又はディンプル状パターン（以下まだら状パターンと称する）の蒸着面を形成したものである。この構成により、摺動接触する硬質材料部分で負荷荷重を受け、その周囲の固体潤滑材料が相手部材との摺動接触で掘り起されて硬質材料部分へ潤滑剤として供給され、耐摩耗性と摩擦力の軽減が同時にもたらされる。
【０００３】
また他の例としては、摺動部材の母材の表面に凹凸面を形成し、この凹凸面上に直接固体潤滑膜を形成するか、あるいは該凹凸面にその凹凸形状を維持できる範囲で硬質材料層を設けた後、凹凸面全体を覆うように最上層に固体潤滑膜を形成し、これによって摺動時のせん断応力による固体潤滑膜の剥離を防止するとともに、耐摩耗性および充分な潤滑性を発揮できるようにした耐摩耗性摺動部材が提案されている（特開平２−７６９２５号公報）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の金属摺動部材あるいは耐摩耗性摺動部材はいずれも、摺動に伴なって固体潤滑面からの潤滑剤がそのまわりの耐摩耗硬質材あるいは母材の摺動面凸部へ供給されるので高い潤滑性が得られ、しかも耐摩耗硬質材あるいは凹凸パターンの凸部の部分で荷重を受けるので、負荷容量および寸法精度を向上させ得る効果がある。しかし前述の特開昭６０−１３５５６４号公報記載のものは、摺動面の硬質材料部と固体潤滑材料部によるまだら状パターンの両材料部の面積比率については各々の部材の使用条件によって適宜実験的に定めるとするのみで、具体的に特定されていない。特開平２−７６９２５号公報においても円筒または円柱状の各々の凹部または凸部の直径は例示されているものの、それらの個数あるいは分布状況即ち摺動面全体に占める凹部または凸部の面積比率については示されていない。
【０００５】
前述のように凹凸パターンの形成されている摺動部材においては、凸部で荷重を受け凹部の部分から潤滑剤を供給することになるので、凸部の面積が少ないと耐荷重性能が低下し、逆に凸部全体の面積が大即ち凹部が少ないと潤滑剤の供給能が低下する。凹部の深さについても凹部溝深さが大であると該凹部からの潤滑剤が凸部へ流出しずらくなり、凹部が浅すぎると潤滑剤の保持が有効になされない。このように摺動部材の低摩擦抵抗および耐摩耗性を最大限に発揮するようにするには凹凸パターンの凹部と凸部の面積比率および凹部の溝深さを最適な値に定める必要がある。
【０００６】
本発明は、凹凸パターンを形成した摺動面の凹凸部の面積比率および凹部の深さ、並びに凹凸部の配列ピッチを最適な範囲に定め、さらに摺動面上に硬質層を設けて該硬質層の表面に凹凸部できるようにし、この凹部に固体潤滑剤を満たすことにより、摺動面の潤滑性，耐摩耗性，耐焼付性を長期間にわたり確保できる摺動部材を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、すべり軸受、転がり軸受の内外輪レース面、グルーブ軸受のスラスト受部あるいは人工関節の接触部に適用して回転または揺動する物体を支持する摺動部材において、母材の摺動面に複数の円柱状凹部を設けることで凹凸パターンを形成し、前記凹部の配列ピッチを０．８〜１．６ｍｍにするとともに前記凹部の面積比率を摺動面全体の３０〜７０％、深さを１μｍ以上１０μｍ以下とし、さらに前記母材の凹凸パターンの形成とともに、ＴｉＮ，ＴｉＣ，ＴｉＢ₂等の硬質膜あるいはイオン注入による硬質膜を、前記凹凸パターンの凹凸面を維持できる厚みで設け、この硬質膜表面の凹部に固体潤滑膜を満たし、前記凹凸パターンの円柱状凹部の直径が０．３〜０．７ｍｍとなるように形成した耐摩耗性摺動部材が提供される。
【０００８】
本発明の一形態によれば、前記凹凸パターンとして円柱状凹部を有する凹パターンが人工股関節の相対摺動面（人工骨頭または臼蓋ソケット）の一方または双方に形成され、これらの円柱状凹部の直径が略０．５ｍｍ、ピッチが略１．２ｍｍに形成された人工股関節構造が提供される。
【０００９】
【作用】
摺動部材の母材表面に凹部の面積比率が３０〜７０％、凹部の深さが１ｍｍ以下または加工時間を短縮するため好ましくは１０μｍ以下の凹凸面を形成した摺動部材は、潤滑剤が下地の凹凸面に拘束され、かつ凹部が潤滑剤を供給する役割を果たすとともに凸部で荷重を受けるため、摺動面の潤滑性を長期間にわたり保持できる。
また凹凸面を維持できる範囲で表面に硬質材料層を設け、該硬質層上面の凹部に固体潤滑剤を満たすことにより、硬質材料層が摩耗バリアの役目を果たし、より高い耐摩耗性，耐焼付性が得られる。
さらに、摺動部において摩耗が発生したとしても、摩耗粉を凹部に逃がすことができ、アブレシブによる急速な摩耗を防止することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施例による耐摩耗性摺動部材の摺動面の部分的な斜視図である。母材１は鉄，炭素鋼，ステンレス鋼などの鉄鋼類をはじめ、銅，アルミニウムその他の非鉄金属、あるいはセラミックス，超高分子量ポリエチレン等の非金属類等、種々の工業材料が使用される。
【００１１】
図１の例では直径Ｄの円柱状の凹部３が複数個等間隔に規則的に母材１の摺動面上に形成され、これらの凹部３以外の部分が摺動面における凸部２となっている。図１の例においては凹部３全体の摺動面に対する面積比率は３０〜７０％である。
【００１２】
凹凸パターンとしては必ずしも上述のような円柱状や円筒状のものに限定されるものでなく、矩形その他多角形状の凹凸部、あるいは凹部と凸部が層状に区分けされて配置されたもの等でもよい。いずれも規則的に摺動面全面に配列され、全体の凹部の面積比率は全摺動面に対し３０〜７０％である。
【００１３】
凸部２または凹部３の比率を上述のようにした根拠を具体的な摩耗摩擦試験を示して説明する。まず本発明において採用した摩擦摩耗試験装置を図２に示す。空気軸受５により垂直に軸支された回転軸４の下端にその軸芯から偏心して球面状の接触子６が固着され、この接触子６に、試料取付台７に取り付けられた試料８が接触している。なお回転軸４と試料取付台７は軸方向に荷重がかけられ、これによって接触子６と試料８の圧接力が調整可能となっている。試料取付台７はスラスト方向およびラジアル方向に空気軸受９で支えられている。試料取付台７の外側部は固定設置したロードセル１０に連結されており、図示しない可変速モータで回転軸４を軸線まわりに回転駆動することで接触子６と試料８との間の摩擦力による試料取付台７の回転方向荷重がロードセル１０で検出され、接触子６と試料８間の摩擦力の経時変化が観察される。なお、この方法で得られた時間−トルク特性図は一般に図３のようになり、急激にトルク変化が増大（Ｅ点）し始めるまでの時間をもって寿命と判定する。
【００１４】
既に説明したように凹凸パターンの形成されている摺動部材においては、凸部で荷重を受けることになり、凹部から潤滑剤を供給することになる。凸部が少なくなれば耐荷重性能が低下し、凹部が少なくなると潤滑剤の供給能力が低下する。したがって、１つの摺動面において凸部と凹部の最適な面積比率が存在する。また凹部の深さが大きすぎると潤滑剤が摺動面へ流出しずらくなり、浅すぎると潤滑不足が生じる。したがって凹部の深さｈについても最適な値が存在する。
【００１５】
図１のような円筒状凹部３による凹凸パターンを摺動面に形成し、凹部３の面積比率を変え、その上に固体潤滑膜としてＭｏＳ₂スパッタ膜をコーティングしたときの被膜寿命の試験データを表２に示す。なお、凹部の深さはいずれも１０μｍとした。ここで回転軸４の回転数；１０００ｒｐｍ、接触子の押付荷重；０．２３ｋｇｆ、すべり速度；０．４ｍ／ｓとした。この例では凹部の面積比が１４％で潤滑不足となり、８０％で負荷容量が低下する。凹凸パターンがなく単にＭｏＳ₂膜をスパッタしただけの試料（表中「なし」で示した）は負荷容量が小さく、被膜寿命は１時間であった。
【００１６】
【表１】
【００１７】
被膜寿命は凹凸パターンの凹部の深さにも関係する。図２の装置を用いた摩耗試験において、粗さ計により摺動面の摩耗状況を観測した場合、表面に超高分子量ポリエチレンを被覆した摺動面に対して、凹凸パターンの有無による摩耗差は顕著である。凹凸パターンを付与しない場合の粗さ計の結果にみられる大きな傷跡は、摩耗粉により摺動面が深く削られたものと考えられる。つまり摩耗粉自体が新たな摩耗をひき起す。しかし凹凸パターンを施した摺動面においては、凹部からの潤滑剤の供給に加えて凹部への摩耗粉の逃げがもたらされ、摺動面の凸部へ摩耗粉が入り込まない。
【００１８】
表２は図１のような凹凸パターンを施した摺動面で凹部３の面積比率を摺動面全体に対し７０％とし、凹部３の溝深さｈを変え、その上に固体潤滑膜としてＭｏＳ₂スパッタ膜をコーティングしたときの被膜寿命の試験データを示す。
【００１９】
【表２】
【００２０】
このデータから溝深さｈが１５μｍを超えると潤滑剤が凹部３の底にたまり、凸部２へ潤滑剤が流出しなくなり、被膜寿命は著しく低下する。
【００２１】
本発明による摺動面構造は、凹凸パターンの凹部の面積比率を３０〜７０％、凹部の溝深さを１０μｍ以下１μｍ以上とするものであるが、この範囲の凹凸パターンをもつ摺動面は上述の実験結果からも低摩擦抵抗，耐摩耗性を最大限に発揮することが分る。
【００２２】
本発明の応用例として人工関節の相対摺動部の表面改質が挙げられる。人工関節においては互いに嵌合する人工骨頭および臼蓋ソケットが、金属あるいはセラミックスと超高分子量ポリエチレンの組み合せから成るのが一般的である。図２の摩耗摩擦試験装置で接触子を平面仕上げした超高分子量ポリエチレンとし、試料にステンレス材に生体適合性に優れたＴｉＮをコーティングしたものを用いて試験した。この場合の摩擦力の変化を図４に示す。凹凸パターンを付加しない試料を使用した場合、摩擦力の変動が大きく、かつ不安定である。一方、凹凸パターンを付加した試料を使用した場合、その変動は小さく、安定しているのが分る。試験後の観察で試料のＴｉＮの表面においてはパターンの有無による摩耗の差を判断することは難しいが、固体潤滑剤としての超高分子量ポリエチレンに関しては、パターンを付加していない場合の方が、パターンを付加したものと比べて摩耗が著しく起きているのが観測される。またパターンを付加しない場合の粗さを測定したところ、大きな傷跡が見られたが、この傷跡は摩耗片により深く削られたものと考えられる。パターンを付加している場合は凹部に摩耗片が取り込まれ、摺動面に出ないので大きな摩耗が防止される。
【００２３】
また同様に、摺動面に凹凸パターンを形成した試料に、生体適合性に優れたＴｉＮをコーティングし、相手材として超高分子量ポリエチレンを用い、生理食塩水中にて摩擦試験を行ったときの摩擦力の時間的推移を図５に示す。比較のため凹凸パターンの無い試料を同一条件下で試験した場合を同図に併せて示した。この図からも明らかに凹凸パターンをもつ摺動面の優位性が顕著である。
【００２４】
図６は本発明の耐摩耗性摺動面構造を用いた人工股関節の分解側面図である。ステム１１の先端にボール（人工骨頭）１２が装着され、このボール１２に相手部材である臼蓋ソケット１３の凹球面１３ａが相対摺動可能に嵌合されるようになっている。ボール１２およびソケット１３の摺動面の一方または双方に図１に拡大して示すような円柱状凹部３による凹凸パターンが形成される。凹凸パターンの凹部３の面積比率および深さは上述した範囲のものが採用されてよいが、個々の凹部３の直径およびピッチについても人工股関節として使用する場合の最適な値が存在する。
【００２５】
図７は凹凸パターンの円柱状凹部の直径（ｍｍ）に対する人工股関節部の摺動面特性の実験結果を示した図である。摺動面には超高分子量ポリエチレンを用いた。図中にプロットした白丸は凹部直径に対する摩擦力の減少率（％）の値であり、黒丸は超高分子量ポリエチレンの摩耗量（ｍｍ）を示している。図８は、同様に超高分子量ポリエチレンの摺動面において、円柱状凹部のピッチ（ｍｍ）に対する摩擦力の減少率（白丸）及び摩耗量（黒丸）についての実験結果を示したものである。これらの図から分かるように、円柱状凹部の直径Ｄが０．３ｍｍの場合、摩擦力の減少率は約１３％、摩耗量は１０ｍｍ、凹部直径Ｄが０．７ｍｍの場合、摩擦力の減少率は７〜８％、摩耗量は１２ｍｍであり、この範囲Ｄ＝０．３〜０．７ｍｍで摩擦力の減少率、摩耗量とも良好な結果を示し、特に凹部の直径Ｄが０．５ｍｍ、ピッチｐ（図１）が１．２ｍｍのときに摩擦力の減少率は最も大きく、超高分子量ポリエチレンの摩耗量は最も小さくなる。以上から凹凸パターンを施した人工股関節の場合、パターンの直径０．５ｍｍ、ピッチ１．２ｍｍが潤滑特性を最も向上させる最適値となる。以上の解明結果に基づき、本発明は、上述した凹部の配列ピッチを０．８〜１．６ｍｍ、凹部の面積比率を３０〜７０％、凹部深さを１〜１０μｍとした凹凸パターンを有する摺動面構造で前記凹部の直径を０．３〜０．７ｍｍとしたものである。従来のように人工関節の摩擦や摩耗の防止手段として材質の改良のみでは充分な効果が得られなかったが、本発明のような摺動面構造とすることにより、人工関節摺動面の潤滑特性を改善でき人工関節の寿命を大幅に延ばすことが可能となる。
【００２６】
なお、上述の説明で凹部の深さを１．０ｍｍ以下好ましくは１０μｍとしたが、例えば人工股関節などに用いる摺動面には摩耗粉を封じ込める必要がある場合は深くし、固体潤滑剤を凹部に満たす場合は浅くすることが望ましく、使用箇所により深さは適宜前記の範囲で選択する。ただ加工上からは、特に凹凸パターンを微細加工技術で形成する必要がある場合は浅く、好ましくは１０μｍ以下にするのがよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、他部材に摺動接触する母材の表面に凹凸パターンを形成し、凹部の面積比を３０〜７０％、凹部の深さを１．０ｍｍ以下または加工時間を短縮するため好ましくは１０μｍ以下とすることにより、固体潤滑条件下あるいは生理食塩水等の液体中において、凹部からの潤滑剤の供給、凹部への摩耗粉の逃げによるアブレシブ摩耗の防止により、耐摩耗性および耐焼付性が向上する。また母材の凹凸パターンの形成と共に、この凹凸パターンの凹凸形状を維持できるようにＴｉＮ，ＴｉＣ，ＴｉＢ₂等の硬質膜やイオン注入による硬質層を設け、硬質層表面の凹部に固体潤滑剤を満たすことで、この凹部から流出した潤滑剤が硬質層の凸部を潤滑し、これによって硬質層の摩耗が防止されるとともに、硬質層の凸部で荷重を受けることになるので、充分な耐荷重性能が得られ、一層高い耐摩耗性，耐焼付性および負荷容量の向上が達成される。また、このような形態の硬質層は、浸炭焼入れや浸ボロン処理による浸炭層や浸ボロン層と異なり硬化処理後の表面加工が不要である。本発明を人工関節に適用することにより、関節摺動面の特性改善、特に摩擦、摩耗を飛躍的に減少させることができ、人工関節の寿命の延長に多大な効果が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による凹パターンをもつ耐摩耗性摺動部材の部分的な斜視図である。
【図２】本発明に係る摩耗摩擦試験装置の概略的な縦断面図である。
【図３】摩耗摩擦試験で得られる時間−トルク特性を示した図である。
【図４】超高分子量ポリエチレンとＴｉＮ被覆材との摩擦力試験における摩擦力の経時変化を示した図である。
【図５】生理食塩水中にて超高分子量ポリエチレンとＴｉＮ被覆材との摩擦試験を行った場合の摩擦力の経時変化を示した図である。
【図６】本発明の適用例による人工股関節の分解側面図である。
【図７】本発明による摺動面の凹凸パターンの凹部直径に対する人工股関節の摺動面特性を示した図である。
【図８】本発明による摺動面の凹凸パターンの凹部ピッチに対する人工股関節の摺動面特性を示した図である。
【符号の説明】
１母材
２凸部
３凹部
４回転軸
５，９空気軸受
６接触子
７試料取付台
８試料
１０ロードセル
１２ボール
１３ソケット

Claims

すべり軸受、転がり軸受の内外輪レース面、グルーブ軸受のスラスト受部あるいは人工関節の接触部に適用して回転または揺動する物体を支持する摺動部材において、母材の摺動面に複数の円柱状凹部を設けることで凹凸パターンを形成し、前記凹部の配列ピッチを０．８〜１．６ｍｍにするとともに前記凹部の面積比率を摺動面全体の３０〜７０％、深さを１μｍ以上１０μｍ以下とし、さらに前記母材の凹凸パターンの形成とともに、ＴｉＮ，ＴｉＣ，ＴｉＢ₂等の硬質膜あるいはイオン注入による硬質膜を、前記凹凸パターンの凹凸面を維持できる厚みで設け、この硬質膜表面の凹部に固体潤滑膜を満たし、前記凹凸パターンの円柱状凹部の直径が０．３〜０．７ｍｍとなるように形成することを特徴とする耐摩耗性摺動部材。
互いに嵌合して摺動接触する人工骨頭および臼蓋ソケットを有する人工関節における摺動接触面構造において、前記人工骨頭または前記臼蓋ソケットの一方または双方の相対摺動面に、複数の円柱状凹部を設けることで凹凸パターンを形成し、前記凹部の配列ピッチを０．８〜１．６ｍｍにするとともに前記凹部の面積比率を摺動面全体の３０〜７０％、深さを１μｍ以上１０μｍ以下とし、さらに前記母材の凹凸パターンの形成とともに、ＴｉＮ，ＴｉＣ，ＴｉＢ ₂ 等の硬質膜あるいはイオン注入による硬質膜を、前記凹凸パターンの凹凸面を維持できる厚みで設け、この硬質膜表面の凹部に生理食塩水による液体潤滑剤を満たし、前記凹凸パターンの円柱状凹部の直径が０．３〜０．７ｍｍとなるように形成することを特徴とする人工関節における摺動接触面構造。