JP4959275B2

JP4959275B2 - 摺動面構造

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Publication number: JP4959275B2
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Inventors: 博司沢田
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Publication date: 2012-06-20
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Description

本発明は、摺動面構造に関するものである。

従来には、摺動面構造として、摺動面に微小くぼみ（マイクロピット）を形成することで、摩擦係数の低減を実現したものがある（特許文献１）。

また、従来からエンジニアリングセラミックスである窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）は水中での摺動において、なじみ過程後に極めて低い低摩擦係数を発現することが知られている。これは、トライボケミカル反応が生じるからである。ここで、トライボケミカル反応とは、窒化ケイ素セラミックス等が水と反応して水和物（水和ゲル）となる反応である。

このため、従来には、炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる摺動面にマイクロピットを形成することで、摩擦係数の低減と焼付き荷重の向上を実現しようとしたものがある（非特許文献２）。さらには、動圧効果に最適化したマイクロピットとトライボケミカル反応の促進に最適化したマイクロピットを複合することで、摩擦係数の低減と焼付き荷重の向上を一層図ろうとしたものがある（非特許文献３）。
特開平３−１７２６０８号公報手嶋芳博石山朝彦浦晟油潤滑下における摺動面上の円形気孔の深さと直径による摩擦係数への影響トライボロジスト４４、１０（１９９６）８１６足立幸志大塚克則王暁雷セラミックスの水潤滑特性に及ぼす表面テクスチャの影響砥粒加工学会誌５０、２（２００６）２９４

しかしながら、動圧効果に最適化したマイクロピットとトライボケミカル反応の促進に最適化したマイクロピットを複合したとしても、適用する摺動面において流体潤滑能力が高いといえない場合がある。また、マイクロピットでは、なじみ過程に時間が掛かる欠点もある。

本発明は、上記課題に鑑みて、低摩擦を実現でき、しかもなじみ過程の短縮化を図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、第１部材の摺動面と第２部材の摺動面とが、ＯＨ基を有する潤滑剤下で相対的に摺動する摺動面構造であって、第１部材と第２部材との少なくともいずれか一方を、シリコン系セラミックスにて構成すると共に、他方をこのシリコン系セラミックスと同等乃至それ以上の硬度を有する材質にて構成し、前記シリコン系セラミックスの部材の摺動面に、表面高さが連続的に変化する微小凹部と微小凸部とが交互に所定ピッチで配設されたグレーティング部を設けたものである。

本発明の摺動面構造によれば、第１部材と第２部材との少なくともいずれか一方が、シリコン系セラミックスにて構成し、しかも、他方を、シリコン系セラミックスと同等乃至それ以上の硬度を有する材質にて構成しているので、シリコン系セラミックスの部材の摺動面のグレーティング部の凸部が他方の部材にて削れる。このため、一方の部材の摺動面には新生面が形成され、ＯＨ基を有する潤滑剤とシリコン系セラミックスとがトライボケミカル反応する。

例えば、前記第１部材と第２部材とが相対的に回転する。この場合、前記グレーティング部の凹部が同心円状に形成されていたり、スパイラル状に形成されていたりする。スパイラル状に形成した場合、第１部材と第２部材との相対的な回転によって、潤滑剤を摺動面内径側に引き込むことができる。また、同心円状に形成した場合、凹部内に潤滑剤を蓄えることができ、この潤滑剤によってトライボケミカル反応が促進される。

前記グレーティング部の凹凸ピッチを１０μｍ以下とするのが好ましく、グレーティング部の凹部の深さを１μｍ以下とするのが好ましい。

グレーティング部は、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ラップさせながら走査して、自己組織的に形成されているのが好ましい。

本発明の摺動面構造では、トライボケミカル反応によって、水和潤滑膜を形成することができ、これによって、低摩擦摺動面を形成することができる。また、グレーティング部がスパイラル状であれば、潤滑剤を摺動面内径側に引き込むことができるので、強制的な潤滑剤の供給によってトライボケミカル反応が促進され、低摩擦摺動面の形成を短時間に行うことができる。

ところで、第１部材と第２部材とが相対的に回転し、しかも、グレーティング部をスパイラル状に形成した場合、相手側に対してグレーティング部が外径から内径に達するものであれば、外径側からグレーティング部に入った潤滑剤が内径側から流出し、また、内径側からグレーティング部に入った潤滑剤が外径側から流出する。このため、動圧効果を得ることができない。これに対して、潤滑剤が外径側から入って、内径側へ流れるようなスパイラルであれば、内径側を開口させないようにしたり、潤滑剤が内径側から入って、外径側へ流れるようなスパイラルであれば、外径側を開口させないようにしたりすることによって、このグレーティング部に入った潤滑剤が外部へ流出せずに、高い圧力が生じることになる。これによって、大きな動圧効果を得ることができる。

また、グレーティング部を同心円状に形成した場合、なじみ過程において、溝（凹部）内に摩耗粉が逃げ込む（入り込む）ことになる。このため、摩耗粉の噛み込みを防止でき、低摩擦面を安定して確保できる。また、２面間の接触により生じた新生面に対して、グレーティング部の溝（凹部）に蓄えられた潤滑剤を速やかに補給することができる。すなわち、グレーティング部を同心円状に形成することによって、摺動面に損傷を生じさせることなく、短時間でなじみ過程を完了することができる。

グレーティング部の凹凸ピッチを１０μｍ以下とした場合、きめ細かく潤滑剤を行き渡らせることができ、グレーティング部の凹部の深さを１μｍ以下とした場合、動圧発生時の浮上量の変動を減少でき、剛性向上に寄与する。

グレーティング部は、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ラップさせながら走査して、自己組織的に形成したものでは、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持つものを容易に形成できる。このため、なじみが早く低摩擦で理想的な摺動面特性が得られる。

以下本発明の実施の形態を図１〜図１６に基づいて説明する。

摺動面構造は、第１部材１の摺動面１ａと第２部材２の摺動面２ａとが、ＯＨ基を有する潤滑剤下で相対的に摺動するものであって、例えば、ポンプの軸受部やメカニカルシール等に使用することができる。この場合、第１部材１をディスク（円盤体）とし、第２部材２をリング体としている。ここで、潤滑剤とは水、アルコール等種々のものを選択でき、この摺動面構造が用いられる用途に応じて変更される。すなわち、水中ポンプにこの摺動面構造が用いられれば、潤滑剤が水となる。なお、水としては、純水、上下道水、雨水、海水、河川水等を使用することができる。

第１部材１及び第２部材２はともに、炭化ケイ素、窒化ケイ素等のシリコン系セラミックスからなる。また、第１部材１の摺動面１ａには、複数の凹凸部からなるグレーティング部３を設けている。この場合、グレーティング部３としては、図５（ａ）に示すような同心円状であっても、図５（ｂ）に示すようなスパラル状であってもよい。このように、グレーティング部３は図４に示すように微小の凹部４と微小の凸部５とが交互に所定ピッチで配設される。なお、図５においては、グレーティング部３の凹部４及び凸部５を実際より大きく誇張して記載しており、実際には、グレーティング部３の凹凸ピッチを１０μｍ以下とし、グレーティング部３の凹部４の深さを１μｍ以下とするのが好ましい。

グレーティング部３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ラップさせながら走査して、自己組織的に形成している。具体的には、図６に示すフェムト秒レーザ表面加工装置を使用する。レーザ発生器１１（チタンサファイアフェムト秒レーザ発生器）で発生したレーザ（例えば、パルス幅：１２０ｆｓ、中心波長８００ｎｍ、繰り返し周波数：１ｋＨｚ、パルスエネルギー：０．２５〜４００μＪ／ｐｕｌｓｅ）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（焦点距離：１５０ｍｍ）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。

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に照射した場合、入射光とワークの表面に沿った散乱光またはプラズマ波の干渉により、波長オーダのピッチと溝深さを持つグレーティング状の周期構造を偏光方向に直交して自己組織的に形成する。このとき、フェムト秒レーザをオーバラップさせながら走査させることで、周期構造を広範囲に拡張することができる。

レーザのスキャンは、レーザを固定して加工材料Ｗを支持するＸＹθステージ１９を移動させてもよいし、ＸＹθステージ１９を固定してレーザを移動させてもよい。あるいは、レーザとＸＹθステージ１９を同時移動させてもよい。なお、図４は、前記フェムト秒レーザ表面加工装置にて形成したグレーティング部３を電子顕微鏡で撮像した図である。

図１に示すように、第１部材１の摺動面１ａと第２部材２の摺動面２ａとが重ね合わされた状態で、第１部材１と第２部材２とが相対的に回転した場合において、図５（ｂ）に示すようなスパイラル状であれば、潤滑剤を外周方向から内周方向へ引き込む形状としたり、逆に潤滑剤を内周方向から外周方向へ引き込む形状としたりできる。

このため、潤滑剤を外周方向から内周方向へ引き込む形状である場合、図７（ａ）に示すように、グレーティング部３をリング体（第２部材２）の外径側に対応させ、潤滑剤を内周方向から外周方向へ引き込む形状である場合に、図７（ｂ）に示すように、グレーティング部３をリング体の内径側に対応させるのが好ましい。

すなわち、グレーティング部３をスパイラル状に形成した場合、リング体（第２部材２）に対してグレーティング部３が外径から内径に達するものであれば、外径側からグレーティング部３に入った潤滑剤が内径側から流出し、また、内径側からグレーティング部３に入った潤滑剤が外径側から流出する。このため、動圧効果を得ることができない。これに対して、潤滑剤が外径側から入って、内径側へ流れるようなスパイラルであれば、グレーティング部３をリング体の外径側に配置することによって、内径側を開口させないようにする。また、潤滑剤が内径側から入って、外径側へ流れるようなスパイラルであれば、グレーティング部３をリング体の内径側に配置することによって、外径側を開口させないようにする。これによって、このグレーティング部３に入った潤滑剤を外部へ流出せずに、高い圧力が生じ、大きな動圧効果を得ることができる。

ところで、第１部材１の摺動面１ａと第２部材２の摺動面２ａとがＯＨ基を有する潤滑剤下で相対的に摺動することになる。この摺動によって、グレーティング部３の凸部５が粉砕等の機械的刺激を受ける。その結果表面では、格子欠落による触媒作用、温度上昇、結合開裂によるダングリングボンドの形成等が起きて化学的活性の高い新生面ができる。それらは雰囲気中の分子や潤滑剤と容易に反応を引き起こすため、摩擦面では複雑な化学現象が誘起される。摩擦により活性化された表面で起きる反応はトライボケミカル反応と呼ばれ、摩擦材料の最表面の性状を変化させ、摩擦特性に大きな影響を与える。

すなわち、摩擦面では、第１部材１を窒化ケイ素にて構成した場合、窒化ケイ素の成分Ｓｉ_３Ｎ_４が潤滑剤の水Ｈ_２Ｏと化学反応を起こし、ＳｉＯ_２とＮＨ_３という物質ができる。すなわち、次の化１で示す化学反応が生成される。

ＮＨ_３は母材（Ｓｉ_３Ｎ_４）と比べて柔らかいため、接触部において固体接触を防ぐとともに、その塑性変形により応力集中を緩和して破壊的な摩耗を減らす働きをする。さらに水と反応することで、より柔らかい水和物（水和ゲル）になる。この水和ゲルが摺動面上に膜状に形成され、潤滑剤として作用して摩擦を下げる働きをなす。

また、第１部材１の摺動面１ａにはグレーティング部３が形成され、このグレーティング部３が動圧発生構造をなす。ところで、荷重が支えたれた状態で固体壁面間に流体潤滑膜を形成するためには、荷重に釣り合うだけの圧力を潤滑膜中に発生させるとともに、摺動面外へ流出する量に見合う分の流体が摺動面へ供給される必要がある。圧力発生要因の主たるものは、相対する摺動面が流体の運動方向に対して負の傾きをもち、摺動面間の隙間が運動方向に狭くなるように形成された軸受構造により、粘性力でくさび状の隙間に引き込まれた流体同士の押し合いが発生するくさび膜効果である。特に、低粘度で負荷の発生が期待できない水潤滑下の摺動面への流体潤滑膜の形成には、摩擦面への効果的な動圧発生構造の付与が不可欠であり、このようなくさび膜効果により水潤滑下での潤滑特性の改善を図ることができ、本発明のグレーティング部３は摩擦面（摺動面）への効果的な動圧発生を図ることができる。

本発明の摺動面構造では、トライボケミカル反応によって、水和潤滑膜を形成することができ、これによって、低摩擦摺動面を形成することができる。また、グレーティング部がスパイラル状であれば、潤滑剤を摺動面内径側に引き込むことができるので、強制的な潤滑剤の供給によってトライボケミカル反応が促進され、低摩擦摺動面の形成を短時間に行うことができる。このように、グレーティング部３による動圧発生構造と、トライボケミカル反応とによって、水循環化での潤滑特性の大幅な改善を図ることができる。

また、グレーティング部３を同心円状に形成した場合、なじみ過程において、溝（凹部）内に摩耗粉が逃げ込む（入り込む）ことになる。このため、摩耗粉の噛み込みを防止でき、低摩擦面を安定して確保できる。また、２面間の接触により生じた新生面に対して、グレーティング部３の溝（凹部）に蓄えられた潤滑剤を速やかに補給することができる。すなわち、グレーティング部３を同心円状に形成することによって、摺動面に損傷を生じさせることなく、短時間でなじみ過程を完了することができる。

グレーティング部３の凹凸ピッチを１０μｍ以下とした場合、きめ細かく潤滑剤を行き渡らせることができ、グレーティング部３の凹部４の深さを１μｍ以下とした場合、動圧発生時の浮上量の変動を減少でき、剛性向上に寄与する。

グレーティング部３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ラップさせながら走査して、自己組織的に形成したものでは、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持つものを容易に形成できる。このため、なじみが早く低摩擦で理想的な摺動面特性が得られる。

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、グレーティング部３をディスク（円盤体）である第１部材１に形成したが、リング体である第２部材２に形成してもよい。また、第１部材１がリング体であってもよい。すなわち、第１部材１と第２部材２とがともにリング体であってもディスクであってもよい。グレーティング部３が構成される側の部材としては、炭化ケイ素、窒化ケイ素等のシリコン系セラミックスから構成する必要があるが、他方の部材として、このようなシリコン系セラミックスに限るものではなく、このシリコン系セラミックスと同等又はこれ以上の硬度を有するものであればよい。

また、第１部材１と第２部材２の相対的な回転には、第１部材１を固定して、第２部材２を回転させても、逆に、第２部材２を固定して、第１部材１を回転させてよく、さらには、第１部材１と第２部材の両方を回転させてもよい。第１部材１の摺動面１ａと第２部材２の摺動面２ａとの相対的な摺動には、回転に限るものではなく、直線運動であってもよい。このため、第１部材１と第２部材２の形状は、リング体や円盤体に限るものではない。また、第１部材１と第２部材２とが相対的に回転する場合、第１部材１を軸部材とし、第２部材２をこの第１部材１に外嵌される円筒体であってもよい。

グレーティング部３としては、図５（ａ）に示す同心円状のものと、図５（ｂ）に示すスパイラル状のものとを組合せてもよい。この場合、外径側から入った潤滑剤が内径側から流出するスパイラル状のグレーティング部３をリング体の外周側に配置し、同心円状のものを内周側に配置する。また、内径側から入った潤滑剤が外径側から流出するスパイラル状のグレーティング部３をリング体の内周側に配置し、同心円状のものを外周側に配置する。これによって、スパイラル状のものの特性と、同心円状のものの特性とを兼ね備えた摺動面構造を形成することができる。

また、この摺動面構造として、シリコン系セラミックスを使用できる環境下において用いることができる種々の機器の摺動部に配置することができる。

図８に示すような実験装置を用いた実験を行った。この実験装置は、固定側ディスク試験片２１を収納する収納体３０と、この収納体３０の軸部３１を支持する軸受３２と、この軸受３２を支持する脚体３３と、収納体３０に押圧力を付与するシリンダ３４と、固定側ディスク試験片２１上に載置される回転側リング試験片２２に回転力を付与する回転体３５とを備える。

収納体３０は、有底短円筒体からなる収納本体３６と、この収納本体３６の底壁３６ａから垂下される前記軸部３１とからなり、この収納本体３６に固定側ディスク試験片２１が収納された状態で、純水が充填される。このため、回転側リング試験片２２の摺動面（下面）と固定側ディスク試験片２１の摺動面（上面）とが純水に浸漬される。また、収納本体３６にはゴムパッド（防振ゴム）３７が敷設され、このゴムパッド３７上に固定側ディスク試験片２１が載置される。

回転体３５は、回転円盤３８と、この回転円盤３８から上方に延びる軸部３９とを備え、この軸部３９が駆動手段であるモータの出力軸に連結される。また、シリンダ３４のピストンロッド３４ａの先端に、荷重を検出するロードセル４０が付設され、このロードセル４０を介して収納体３０の軸部３１を押圧する。このため、ロードセル４０によって、この押圧荷重を検出することができる。

さらに、この装置が載置固定される基台４１には支柱４２が立設され、この支柱４２にロードセル４４が付設され、収納体３０に付設されたカンチレバー４３を介してこのロードセル４４にて摺動トルクを検出することができる。

回転側リング試験片２２と固定側ディスク試験片２１とは、ともにＳｉＣ（炭化ケイ素）を用い、表面粗さＲａ０．０２以下、平面度０．１μｍ以下に仕上げた。また、回転側リング試験片２２には、図３に示すように、その反摺動面に一対の径方向溝４５を形成し、固定側ディスク試験片２１には、図２に示すように、その外径面に一対の切欠面４６が形成されている。回転側リング試験片２２は外径を１６ｍｍとし、内径を１０ｍｍとし、固定側ディスク試験片２１は直径を２０ｍｍとし、２面幅（切欠面間寸法）を１８ｍｍとしている。

また、固定側ディスク試験片２１にグレーティング部３を形成するが、この場合、図５（ａ）に示す同心円状のものと、図５（ｂ）に示すスパイラル状のものと、図９に示すように、凹凸部が放射状に延びるものの３種類とした。各グレーティング部（周期構造）３は、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザ（パルス幅１２０ｆｓ，中心波長８００ｎｍ，繰返し周波数１ｋＨｚ）を用いて形成した。

スパイラル状の周期構造は、内径を１３ｍｍとし、リング試験片２２の外周部にのみこのグレーティング部３を対応させた。また、スパイラルの傾斜角度は、接線に対して４５度とし、リング試験片２２の回転により、外周部から純水を引き込む方向に形成した。

４種類の試験片（前記３種の試験片と、周期構造を有さない鏡面の試験片）に対して、なじみ処理を行わず摺動試験を行った。荷重は５０．５Ｎで一定とし、摺動速度を１．２ｍ／ｓ〜０．１４ｍ／ｓまで５分毎に段階的に減速させ、サンプリング周波数１Ｈｚで摩擦係数の変化を調べた。その結果を図１０のグラフで示した。

鏡面の試験片では図１０（ａ）で示すように、動圧効果が生じないため、摺動開始直後からやや不安定な摩擦係数を示した。その後、摺動開始２０分（摺動速度０．５４ｍ／ｓ）で急激に摩擦係数が大きくなり、高摩擦の状態を約１５分間持続した後、摩擦係数が急速に低下した。この間になじみが進行したと思われるが、摺動試験後の摺動面には摺動痕や変色した領域が多数確認された。

放射状の周期構造のものでは、図１０（ｂ）に示すように、多少の動圧効果が期待されるが、摺動直後より高摩擦を示し、なじみの傾向もほとんど現われなかった。摺動試験後の摺動面には摺動痕や変色した領域が多数確認された。

同心円状の周期構造のものでは、図１０（ｃ）に示すように、動圧効果は生じないが、摺動速度を低下させる度になじみ現象を示し、摩擦係数が０．２を越えることはなかった。その結果、摺動試験後の摺動面に目立った損傷は認められなかった。

スパイラルの周期構造のものでは、図１０（ｄ）に示すように、摺動速度が０．３ｍ／ｓ以上の条件で流体潤滑となり、摩擦係数は０．０１以下まで低減された。わずか２００ｎｍの深さしかない周期構造でも非常に大きな動圧効果が生じた。さらに摺動速度を低下させた場合、２面間の接触が生じるが素早く摩擦係数が減少した。摺動試験後の摺動面に損傷は認められなかった。

次に、鏡面の試験片および周期構造を形成した試験片に対し、荷重５０．５Ｎ、摺動速度０．２４ｍ／ｓで１時間のなじみ処理を行い、その間の摩擦係数変化をサンプリング周波数１Ｈｚで測定した。試験後に試験片を取り出し、翌日に再セットを行い、同条件で１時間の連続運転中の摩擦係数を測定し、なじみ効果の継続性を調べた。

図１１は３種類の試験片における初回のなじみ過程の摩擦係数を比較したものである。放射状の周期構造はなじみ傾向を示さないので除外した。鏡面の試験片では摩擦係数が０．１を超える状態が１０分以上続いた後、摺動開始後１５分でほぼ一定の摩擦係数を示した。同心円状の周期構造を形成した試験片では鏡面の試験片より摩擦係数の収束が早く、摺動後７分程度でほぼ一定の摩擦係数を示した。スパイラルの周期構造を形成した試験片ではさらに摩擦係数の収束が早く、摺動後３分でほぼ一定の摩擦係数を示した。

図１２は上記なじみ過程を経た試験片を再セット後、２回目のなじみ過程における摩擦係数を比較したものである。鏡面の試験片では摩擦係数が０．１を超える状態は大きく短縮されたが、一定の摩擦係数を示すまでには１０分程度必要であった。図示しないが、３回目のなじみ過程においても最大摩擦係数の低減傾向は見られたが、摩擦係数の収束時間は２回目同様に摺動後１０分程度必要であった。

同心円状の周期構造を形成した試験片ではなじみ効果の継続性が高く、最大摩擦係数は０．０４に低減されており、摺動後２分程度でほぼ一定の摩擦係数を示した。スパイラルの周期構造を形成した試験片では摺動直後から流体潤滑状態となり、０．０１を下回る低摩擦係数を示した。いずれの試験片も最大摩擦係数は低減し、一定の摩擦係数を示すまでの収束時間も短縮しており、なじみ効果の継続性が認められるが、周期構造を形成した試験片で特に継続性が顕著である。収束後の摩擦係数はスパイラルが最も低く、鏡面、同心円の順に高くなった。

２回のなじみ過程後、鏡面の試験片では非摺動部の表面粗さがＲａ１０．８ｎｍであったのに対し、摺動部はＲａ７．６ｎｍとなっており、水和潤滑に不可欠な摩擦面の平滑化が認められた。同心円状の周期構造を形成した試験片では図１３に示すように、なじみ過程前と比較して、なじみ過程後は周期構造の凸部の高さが揃っていることが確認された。一方、スパイラルの周期構造を形成した試験片では動圧効果が大きく、流体潤滑が支配的であることから、リング内周部と正対して摺動する鏡面部分の表面粗さは、なじみ過程前（Ｒａ１０．４ｎｍ）となじみ過程後（Ｒａ９．８ｎｍ）で大差なく、顕著な平滑化は認められなかった。

次に、荷重５０．５Ｎ、摺動速度０．２４ｍ／ｓで１時間のなじみ処理を２回行った試験片を用いて、起動−停止を各３ｓ間隔で行った際の摩擦係数をサンプリング周波数６Ｈｚで測定した。なお、スパイラルの周期構造を形成した試験片は流体潤滑領域が広く、上記条件では十分ななじみ処理が行えなかったため、荷重５０．５Ｎ、摺動速度０．０４ｍ／ｓで１時間のなじみ処理を行った試験片でも実験を行った。

荷重５０．５Ｎ、摺動速度０．２４ｍ／ｓで１時間のなじみ処理を２回行った試験片における摩擦係数の変化を図１４に示す。図１４（ａ）に示すように、鏡面の試験片では再セッティングに伴い摩擦係数の収束に１０分程度要するため、実験初期では摩擦係数が不安定になっている。鏡面の試験片の摩擦係数は摺動速度の依存性が高く、摺動速度の低下とともに摩擦係数は大きく減少し、低速時にはスパイラルの周期構造を形成した試験片に近い低摩擦係数を示した。

図１４（ｂ）に示すように、同心円状の周期構造を形成した試験片は実験開始直後にわずかな摩擦係数の変動が見られるが、比較的安定した摩擦係数を示した。摩擦係数の速度依存性が見られ、摺動速度の低下とともに摩擦係数の減少が見られた。しかし、鏡面の試験片と比較すると速度依存性は小さく、低速時鏡面の試験片より高摩擦係数となった。

図１４（ｃ）に示すように、流体潤滑が支配的なスパイラルの周期構造を形成した試験片は実験開始直後から全体を通じて０．０１以下の低摩擦係数を示した。摺動速度の低下にともない、わずかな摩擦係数低下傾向が見られたが、他の試験片と比較して摩擦係数の摺動速度依存性は極めて低いものであった。

荷重５０．５Ｎ、摺動速０．２４ｍ／ｓで１時間のなじみ処理を２回行った試験片における起動−停止運転時の摩擦係数を図１５に示す。図１５（ａ）（ｂ）に示すように、上記なじみ処理条件で摺動面の平滑化が起こる鏡面の試験片と周期構造の凸部の高さが揃う同心円状の周期構造を形成した試験片では、起動トルクと定常回転トルクの差が小さく、トライボケミカル反応が生じた摺動面は静止摩擦係数や起動直後の極低速時の摩擦係数が小さいことがわかる。

一方、動圧効果が高く、上記なじみ処理条件では、図１５（ｃ）に示すように、摺動面の平滑化が認められなかったスパイラルの周期構造を形成した試験片は起動時の摩擦係数が０．１を超え、定常回転時の１０倍以上となった。そこで、摺動速度を下げ、荷重５０．５Ｎ、摺動速度０．０４ｍ／ｓで１時間なじみ処理を行い、スパイラルの周期構造を形成した試験片にもトライボケミカル反応を生じさせると、図１６に示すように起動トルク、定常回転トルクともに極めて低い摺動面が形成された。

このように、放射状の周期構造を形成した試験片では動圧効果が期待されるが、常に高摩擦を示し、なじみの傾向が見られない。その要因は、リング試験片の内外周に流体圧力が解放されるため、荷重に対して流体潤滑を生じさせるに十分な負荷能力が発生しなかったためだと思われる。さらに、周期構造の方向が摺動方向と直交するため、相手材への攻撃性により高摩擦を示したと思われる。

また、鏡面および同心円状、スパイラルの周期構造を形成した試験片では、なじみ過程により一定の摩擦係数に収束するが、周期構造形成により摩擦係数の収束時間が大きく短縮されている。その要因は以下のように考える。

鏡面の試験片では動圧効果は期待できず、また２面間への水の供給機能もないため、トライボケミカル反応がなかなか進まず、摩擦係数が安定するには相応の時間が必要である。これに対し、同心円状の周期構造を形成した試験片では、動圧効果は期待できないものの、サブミクロンの間隔で存在する周期構造の溝部から２面間の接触により生じた新生面にきめ細かく水が供給されるためトライボケミカル反応が促進される。さらに、摺動方向と周期構造の方向が一致するため、相手材への攻撃性が低く、摩耗粉が溝部に入り込むことで噛み込みが防止されたこともなじみ過程の短縮化に寄与しているものと思われる。一方、スパイラルの周期構造を形成した試験片では動圧効果が大きく、流体潤滑が支配的であるうえに、周期構造が流体をリング試験片の内周部に引き込むため、２面間の接触が生じた際も新生面に積極的に水が供給される。そのためトライボケミカル反応が促進され、短時間で低摩擦状態に収束したと考えられる。

次に、なじみ過程前後の摩擦係数に着目すると、スパイラルの周期構造を形成した試験片では流体潤滑が支配的であることから、ほとんど変化がないが、鏡面および同心円状の周期構造を形成した試験片では大きな違いが見られ、なじみ過程を経ることで大きく摩擦係数が低減されている。なじみ過程後の鏡面および同心円状の周期構造を形成分析した試験片をＸ線光電子分光分析装置（ＸＰＳ）で分析したところ、ＳｉＣのピーク（１００．４ｅＶ）の他にＳｉＯＸに該当するピーク（１０２．２ｅＶ）が検出されたことから、なじみ過程後の鏡面および同心円状の周期構造を形成した試験片はトライボケミカル反応による水和潤滑が支配的であると思われる。

この水和潤滑の摩擦係数は速度依存症が大きく、高速時にはスパイラルの流体潤滑に対して数倍の摩擦係数を示すが、低速時には流体潤滑と同等の低摩擦を示す。トライボケミカル反応により生成される水和潤滑膜の膜厚は極薄く、流体潤滑膜のように摺動速度や荷重に大きく依存することはなく、ほぼ一定の厚さと考えられるため、高速摺動時には比較的高い摩擦係数が生じ、低速摺動時や高荷重時には低摩擦係数を示すものと推察する。水和潤滑膜は２４時間の停止後の起動特性にも全く変化がないことを確認しており、動圧効果が生じない極低速時や静止時にも破断が起こりにくい。したがって、動圧効果の高いスパイラルの周期構造を形成した試験片になじみ過程を導入することで、広い速度領域で優れた特性を持つ摺動面が形成できる。

本発明の実施形態を示す摺動面構造の簡略図である。前記摺動面構造の第１部材の平面図である。前記摺動面構造の第２部材の斜視図である。前記摺動面構造のグレーティング部の電子顕微鏡写真である。前記摺動面構造の第１部材を示し、（ａ）はグレーティング部が同心円状である簡略図であり、（ｂ）はグレーティング部がスパイラル状である簡略図である。前記摺動面構造のグレーティング部を形成するためのレーザ表面加工装置の簡略図である。摺動面構造の第１部材と第２部材との関係を示し、（ａ）はグレーティング部をリング体に対して外周側に配置した簡略図であり、（ｂ）はグレーティング部をリング体に対して内周側に配置した簡略図である。実施例に使用した摺動試験装置の簡略断面図である。固定側ディスクの比較例を示す簡略図である。試験片の摩擦係数の変化を示すグラフ図である。初回のなじみ過程の摩擦係数を示すグラフ図である。２回目のなじみ過程の摩擦係数を示すグラフ図である。表面粗さを示すグラフ図である。なじみ処理を行った後の摩擦係数を示すグラフ図である。０．２４ｍ／Ｓでなじみ処理を行った後の試験片における起動−停止運転時の摩擦係数を示すグラフ図である。０．０４ｍ／Ｓでなじみ処理を行った後のスパイラル試験片における起動−停止運転時の摩擦係数を示すグラフ図である。

符号の説明

１第１部材
１ａ摺動面
２第２部材
２ａ摺動面
３グレーティング部
４凹部
５凸部

Claims

第１部材の摺動面と第２部材の摺動面とが、ＯＨ基を有する潤滑剤下で相対的に摺動する摺動面構造であって、第１部材と第２部材との少なくともいずれか一方を、シリコン系セラミックスにて構成すると共に、他方をこのシリコン系セラミックスと同等乃至それ以上の硬度を有する材質にて構成し、前記シリコン系セラミックスの部材の摺動面に、表面高さが連続的に変化する微小凹部と微小凸部とが交互に所定ピッチで配設されたグレーティング部を設けたことを特徴とする摺動面構造。
前記第１部材と第２部材とが相対的に回転することを特徴とする請求項１の摺動面構造。
前記グレーティング部の凹部が同心円状に形成されていることを特徴とする請求項２の摺動面構造。
前記グレーティング部の凹部がスパイラル状に形成されていることを特徴とする請求項２の摺動面構造。
前記グレーティング部の凹凸ピッチが１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかの摺動面構造。
前記グレーティング部の凹部の深さが１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかの摺動面構造。
前記グレーティング部は、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ラップさせながら走査して、自己組織的に形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかの摺動面構造。