JP6026777B2 - 摺動部材およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面テクスチャを有する摺動面を備えた摺動部材およびその製造方法に関する。

摺動部材は、耐摩耗性等を高め、安定した摺動特性を確保するため、摺動面となる基材表面に種々の表面改質処理がなされる。代表的な表面改質処理として、窒化処理、浸炭処理、非晶質炭素膜（ＤＬＣ膜）の形成等がある。このような表面改質処理に関する提案は多くなされており、関連した記載が下記の文献等にある。

特開平１０−７２６５６号公報 ＷＯ０２／００８６２３号公報 ＷＯ９７／０３６０１８号公報

E.Menthe,Surf. Coat. Technol. 116-119（1999）199-204 D.Nolan,Surf. Coat. Technol. 200 (2006)5698-5705 藤井秀樹ら：新日鉄技報，378（2003）62-67「Ｔｉ合金の耐摩耗表面処理：酸化処理」

従来の表面改質処理は、いずれも基材表面から基材内部へＮ、Ｏ等を拡散させて、基材表面全体を改質するものであった。このような従来の改質層は、表面から内部に向かってＮ濃度やＯ濃度等が急変する濃度傾斜層となっており、その濃度変化に応じて、改質層の最表面部分は非常に硬く、脆いものであった。このような改質層からなる摺動面は、衝撃的な荷重が印加されたり高面圧下で使用されると、フレーキング、スポーリング、ピッチング等の疲労摩耗を生じ得ることがあった。

本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、従来とは形態が全く異なる新たな摺動面を有し、高面圧下でも優れた摺動特性が安定して発揮される摺動部材とその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記の課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、金属基材の表面へ近紫外ナノ秒パルスレーザを部分的に照射して形成した摺動面は、高面圧下でも優れた耐摩耗性を安定して発揮することを発見した。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。

《摺動部材》
（１）本発明の摺動部材は、金属基材の表面に形成された摺動面を有する摺動部材であって、前記摺動面は、窒素または酸素が導入された硬質部と該硬質部に接し該硬質部よりも硬さが小さい靱性部とからなる表面テクスチャを備えることを特徴とする。

（２）本発明の摺動部材は、表面の硬さが異なる硬質部と靱性部が混在した表面テクスチャで構成された摺動面を有し、高面圧下でも摩耗、焼付き、靱性不足によるかじり等を生じ難いという優れた摺動特性を安定的に発揮する。

本発明に係る表面テクスチャの形態は、硬質部と靱性部の形状、大きさ、配置等を変更することにより任意に調整可能である。このため、使用環境に応じた硬さや靱性等をもつ最適な摺動面を備えた摺動部材も、容易に得ることができる。このような点で本発明の摺動部材は、全面的に均質な摺動面を備えてなる従来の摺動部材と大きく異なる。

本発明の摺動部材が優れた摺動特性を安定的に発揮する理由は必ずしも定かではないが、現状では次のように考えられる。本発明に係る摺動面は、耐摩耗性の向上に寄与する硬質部と、それに接する靱性部とにより形成された形態（表面テクスチャ）となっている。このような摺動面は、いわば、背反関係にある硬さと靱性が高次元で両立した状態となっており、全面が低靱性な硬質層で形成された従来の摺動面とは大きく異なっている。こうして本発明の摺動部材は、高面圧下で使用しても、割れ、かけは勿論、疲労摩耗（フレーキング、スポーリング、ピッチング等）も生じ難く、高荷重（高面圧）下で使用しても、優れた摺動特性（耐摩耗性等）を長期的に安定して発揮するようになったと考えられる。

《摺動部材の製造方法》
（１）上述した摺動部材は、例えば、窒素または酸素の少なくとも一方を含む雰囲気中で、金属基材の被処理表面部へ高エネルギービームを相対移動させつつ照射することにより、該被処理表面部でアブレーションを生じさせると共に該被処理表面部の近傍にプラズマを生成させる照射工程を備え、該被処理表面部を硬質部とした上述の摺動部材が得られることを特徴とする本発明の製造方法により得られる。

（２）この製造方法により優れた摺動特性を発揮する摺動面が形成される理由は必ずしも定かではないが、現状では次のように考えられる。高エネルギービームが金属基材の被処理表面部へ適切に照射されると、金属基材の被処理表面部ではアブレーションが生じ得る。このアブレーションにより、被処理表面部にあった金属基材を構成する原子等が、気化、蒸発、蒸散、飛散等して放出される。こうして放出された粒子（適宜「放出粒子」という。）は、原子、分子、イオン、電子、光子、ラジカル、クラスター等の様々な形態をとり得る。このような放出粒子が被処理表面部の近傍にある雰囲気ガス（窒素、酸素、空気等）を活性化させる。そして放出粒子と雰囲気ガスの活性な原子（適宜「プラズマ」という。）との混合状態からなる反応場が、アブレーションを生じた被処理表面部（適宜「アブレーション部」という。）またはその近傍に生成され得る。

高エネルギービームの照射域が金属基材の被処理表面部上を移動することにより、上記の現象が次々とほぼ連続的に生じ、被処理表面部およびその近傍は、反応場を生成する放出粒子およびプラズマが多数存在した状態となる。これら放出粒子とプラズマは、その後、アブレーションを生じた部分に再充填され閉じ込められて、少なくとも微細な結晶粒からなる均質的で比較的深い改質部（硬質部）が形成される。

その際、金属基材や雰囲気ガスの種類にもよるが、その改質部には放出粒子とプラズマが反応してできた化合物（窒化物、酸化物等）や固溶体が生成されたり、相変態が生じたりする。

また本発明の製造方法のように硬質部の形成にアブレーションを利用すると、その周囲には殆ど熱的影響が及ばない。このため硬質部の周囲には熱的影響を受けない金属基材本来の特性を有する靱性部も自ずと形成される。

さらに本発明では、高エネルギービームを用いて硬質部ひいては表面テクスチャを形成しているため、その形態自由度が非常に大きく、摺動部材の仕様に適した種々の形態を有する表面テクスチャを容易に形成できる。しかも本発明の製造方法によれば、従来の熱処理のように高温環境で長時間処理する必要がないため、金属基材の選定自由度も非常に大きく、種々の金属基材に応じた最適な摺動面を効率的に形成可能である。

（３）本発明でいう「高エネルギービーム」は、光線または電子線であって、金属基材をアブレーションするのに十分なエネルギーと、照射部周辺をプラズマ化させる強電界とを併せもつビームであり、具体的にはレーザ、電子ビーム等である。

照射工程を行う雰囲気は、アブレーションによりプラズマが発生し得る雰囲気であればよい。具体的には、窒素ガス雰囲気、酸素ガス雰囲気、窒素ガスや酸素ガスを含む混合ガス雰囲気（例えば不活性ガスによる希釈雰囲気、大気雰囲気）等がある。雰囲気の気圧や温度は、適宜調整され得るが、本発明の製造方法では、常温大気圧雰囲気中でも硬質部の形成が可能である。

《その他》
（１）本発明に係る硬質部および靱性部の硬さは、表面より断面内部１５μｍ以下までの硬さを測定したマイクロビッカース硬さに基づき、５点平均処理して得られた平均（表面）硬さにより評価した。また摺動表面からの硬さを測定を行う場合には、高エネルギービームを照射した部分において硬質部が形成される。その形成部分には、照射部の色の変化あるいは形状的な外観観察より認識できる。または、表面研磨することで照射部分である硬化部と靭性部とでは金属組織が異なるために容易に分かる。さらには、電子線プローブマイクロ分析（ＥＰＭＡ）により窒素あるいは酸素が検出されることでもわかる。これ以外の表面元素分析手法、例えば、オージェ電子分光分析（ＡＥＳ分析）あるいはＸ線光電子分光分析（ＸＰＳ分析）等でも検出することが可能である。

（２）本発明に係る摺動面は、微細な領域単位で形成された硬質部とその周囲に形成された靱性部とで構成された表面テクスチャからなると好ましい。本明細書では、そのような表面テクスチャを硬質部と靱性部がマイクロ・メゾ領域レベルで混在した表面テクスチャという。ここでいう「マイクロ・メゾ領域レベル」とはマクロとマイクロの中間的な領域と定義している。従来の半導体プロセスによる加工では、サブミクロン以下ナノ加工が中心である。一方、機械加工においては、１ｍｍ以上のマクロ加工を中心とする。今回、ここで定義するマイクロ・メゾ領域とは、１μｍを超え、１ｍｍ未満のサイズを示している。この領域において改質からなる硬質部および靭性部からなる表面テクスチャを形成することで摺動部における耐摩耗性を確保することができる。

この際、各サイズの特定は、光学顕微鏡、レーザ顕微鏡、非接触白色干渉法表面形状測定等によりレーザ照射部である硬質部を、観察検出し識別することができる。光学件顕微鏡の場合には、照射部の色の変化により識別することができる。レーザ顕微鏡あるいは非接触白色干渉法表面形状測定の場合では、表面形態変化により識別することができる。これにより硬質部および靭性部のサイズを特定することができる。また、この方法でも困難な場合には、電子線プローブマイクロ分析（ＥＰＭＡ）により窒素あるいは酸素が検出することで分かる。またマイクロ・メゾ領域の表面テクスチャは、これらの硬質部と靭性部からなる大きさが、１μｍを超え、１ｍｍ未満であることを示す。ただし、マイクロ・メゾ領域は、表面テクスチャの形成サイズのことであり表面テクスチャを施した摺動部材全体の大きさを示すものではない。これらを摺動面全体に施しても所望の機能を発見することができる。

（３）特に断らない限り本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を、新たな下限値または上限値として「ａ〜ｂ」のような範囲を新設し得る。

摺動方向に対して垂直方向へ延在する硬質部を有するストライプ状表面テクスチャを示す模式図である。 摺動方向に対して平行方向へ延在する硬質部を有するストライプ状表面テクスチャを示す模式図である。 ストライプ状表面テクスチャの断面を示す模式図である。 格子状表面テクスチャを示す模式図である。 ドット状表面テクスチャを示す模式図である。 ストライプ状硬質部とドット状硬質部を組み合わせた複合パターンＩからなる表面テクスチャを示す模式図である。 種々の形状の硬質部を組み合わせた複合パターンIIからなる表面テクスチャを示す模式図である。 種々の形状の硬質部を組み合わせた複合パターンIIIからなる表面テクスチャを示す模式図である。 鉄鋼基材へ種々の雰囲気ガス中でレーザ照射して得られた被処理表面部の断面をＥＰＭＡ分析した様子を示す写真である。 鉄鋼基材へ種々の雰囲気ガス中でレーザ照射して得られた被処理表面部（改質部）の平均硬さを示す棒グラフである。 チタン合金基材へ種々の雰囲気ガス中でレーザ照射して得られた被処理表面部（改質部）の平均硬さを示す棒グラフである。 鉄鋼基材へ種々の雰囲気ガス中でレーザ照射して得られた被処理表面部（改質部）のＮ濃度分布またはＯ濃度分布を示すグラフである。 チタン合金基材へ種々の雰囲気ガス中でレーザ照射して得られた被処理表面部（改質部）のＮ濃度分布またはＯ濃度分布を示すグラフである。 鉄鋼基材へ窒素ガス雰囲気中でレーザ照射して得られた種々の摺動面の摩耗深さを示す棒グラフである。 チタン合金基材へ窒素ガス雰囲気中でレーザ照射して得られた種々の摺動面の摩耗深さを示す棒グラフである。 鉄鋼基材へ各雰囲気ガス中でレーザ照射して得られた摺動面の摩耗深さを示す棒グラフである。 チタン合金基材へ各雰囲気ガス中でレーザ照射して得られた摺動面の摩耗深さを示す棒グラフである。

本明細書で説明する内容は、本発明の摺動部材のみならず、その製造方法にも該当し得る。上述した本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を付加し得る。この際、製造方法に関する構成要素は、プロダクトバイプロセスクレームとして理解すれば物に関する構成要素ともなり得る。なお、いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。

《摺動部材》
（１）金属基材
本発明に係る金属基材は、硬化可能で摺動部材に適したものであれば、純金属でも合金でもよく、その種類や成分組成を問わない。金属基材は、例えば、鉄合金、チタン合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金または銅合金等である。この鉄合金は、一般的な炭素鋼でも種々の合金元素を含む特殊鋼（ステンレス鋼、窒化鋼等）でもよい。またチタン合金は、α型チタン合金でも、β型チタン合金でも、α−β型チタン合金でもよい。

なお、本発明の製造方法によれば、高温環境下に曝されることなく所望の表面テクスチャを備えた摺動面が形成される。このため、高温処理に不適であった金属基材や高温処理等で硬化しない金属基材も本発明の対象となる。いずれにしても金属基材の種類に応じた適切な硬化処理がなされると好ましい。例えば、鉄合金、チタン合金、アルミニウム合金等なら窒化処理または酸化処理による硬化が有効であり、マグネシウム合金、銅合金等なら酸化処理による硬化が有効である。

（２）硬質部および靱性部
本発明に係る硬質部は、化合物や固溶体の生成により硬化したものでも、相変態により硬化したものでも、組織微細化による硬化したものでもよい。このような硬質部は、通常、金属基材の表面を局所的に改質処理した改質部として得られる。具体的にいうと、改質部は、例えば、窒化処理がされた窒化部、酸化処理がされた酸化部、熱処理がされた相変態部（特に焼入部）、結晶粒の微細化処理がされた微細化部等である。

逆に靱性部は、通常、そのような改質処理を施さない非改質部として得られる。非改質部は、基本的に硬化処理前の金属基材からなると考えられるが、硬質部より硬さ低い限り、未処理前の金属基材と組織や特性が異なっていてもよい。

本発明では、硬質部や靱性部の具体的な硬さを問わないが、硬質部の硬さが靱性部の硬さの１．２倍以上、１．５倍以上、２倍以上さらには３倍以上であると好ましい。なお、これらの硬さはマイクロビッカース硬さに基づき評価する。

硬質部を窒素（Ｎ）や酸素（Ｏ）等の化合物（窒化物、酸化物等）により硬化させる場合、ＮやＯ等の濃度は０．５原子％（ａｔ％）以上、１．５ａｔ％以上さらには３ａｔ％以上であると好ましい。これらの濃度測定は、ＥＰＭＡ、ＡＥＳ、ＸＰＳにより、マイクロ・メゾ領域レベルの表面テクスチャを有した改質部である硬質部を分析することにより行うことができる。硬質部の大きさは、マイクロメータ以上から１ｍｍ未満であるため、最小の場合には、マイクロメータ領域の分解能が必要となる。硬質部のみを分析する場合には、マイクロメータ領域の局所的な分析が可能なＥＰＭＡ、ＡＥＳ分析が適している。測定方法としては、摺動表面から測定する方法あるいは、硬質部を断面に加工し、断面分析を行い測定することも可能である。この場合は、表面のみでではなく、断面深さ方向の硬質部の状況も理解することができる。また、摺動面の硬質部を分析して得られるＮあるいはＯは、ＥＰＭＡ分析の場合、表面から数μｍ程度の領域を分析していることとなる。さらに摺動部の寿命を考慮して表面内部情報も必要になる場合には、硬質部に断面加工を施し、硬質部の深さ方向の状況を把握する必要が生じる。この場合、断面ＥＰＭＡ分析により深さ１５μｍ、３０μｍ、４５μｍ等の元素濃度を行う。

なお、本発明の製造方法によれば、従来のような表面拡散に依らずにＮやＯを金属基材へ導入できるため、硬質部の深い部分にも相当量のＮ、Ｏ等を導入できる。従って、ＮやＯ等の濃度の上限は、金属基材の組成、結晶構造などにより自ずと理論的な上限値以内なら任意である。

本発明の製造方法によれば、従来のＣＯ_２レーザを用いて得られる（半）溶融後の凝固組織とは明らかに異なり、非常に微細な結晶組織からなる硬質部を得ることができる。具体的にいうと、本発明に係る硬質部の平均結晶粒径は１０μｍ以下、５μｍ以下、１μｍ以下さらには４００ｎｍ以下ともなり得る。平均結晶粒径の下限値は問わないが、生産コストや品質安定化等の点で、例えば、１ｎｍ以上さらには２０ｎｍ以上とするとよい。

本明細書でいう「平均結晶粒径」は次のようにして特定した。先ず、組織の断面を観察し、認められる粒子の断面形状を楕円と仮定して、その長軸と短軸の平均値を一つの結晶粒径とする。次に、観察している組織断面中から無作為に抽出した５点について算出した結晶粒径の単純平均（相加平均）を本明細書でいう平均結晶粒径とした。

（３）表面テクスチャの形態
表面テクスチャは、硬質部と靱性部からなる限り、その形態を問わない。例えば、高エネルギービームの照射域の軌跡を調整すれば、種々の形態の表面テクスチャを容易に得ることができる。

具体的にいうと、表面テクスチャは、硬質部の少なくとも一部がストライプ状（図１Ａ〜図１Ｃ参照）、格子状（図２Ａ参照）またはドット状（図２Ｂ参照）とすることができる。また表面テクスチャは、上述した形態以外に、ストライプ状硬質部とドット状硬質部を組み合わせた複合パターン（図３Ａ）であってもよいし、自由形状の硬質部を規則的または不規則的に組み合わせた複合パターン（図３Ｂ、図３Ｃ）等であってもよい。

さらに本発明の製造方法のように高エネルギービームを用いれば、表面テクスチャのパターンのみならず、硬質部の大きさ、深さ等も自在に調整可能である。例えば、硬質部の幅や径を１０μｍ以下、１μｍ以下さらには０．５μｍ以下ともできるし、その深さを５０μｍ以上さらには１００μｍ以上とすることもできる。

表面テクスチャは、全面積（Ｓ０）に対する硬質部の合計面積（Ｓ１）の割合である面積率（１００×Ｓ１／Ｓ０）が２〜９５％、１０〜７０％さらには３０〜５０％であると好適である。面積率が過小では硬質部が減少し、面積率が過大では靱性部が減少して、いずれの場合も摺動特性が低下し得る。なお、表面テクスチャの全面積（Ｓ０）は、硬質部の合計面積（Ｓ１）と靱性部の合計面積（Ｓ２）の和（Ｓ０＝Ｓ１＋Ｓ２）である。また各面積は、光学顕微鏡、レーザ顕微鏡、非接触白色干渉法表面形状測定法等によりレーザ照射部である硬質部を、観察検出して識別することができる。光学顕微鏡の場合には照射部の色の変化により識別することができる。これらの画像を２値化することで硬質部の面積率を求めることが可能となる。レーザ顕微鏡あるいは非接触白色干渉法表面形状測定の場合、表面形態変化により識別することができる。これらも照射部の表面形状および粗さ変化した部分を２値化することで求めることができる。さらに、ＥＰＭＡ分析により窒素、酸素、を直接検出して所望の窒素、酸素が検出がされる部分を硬化部とすることもできる。これにより硬化部および靭性部の面積率を算出することができる。

さらに表面テクスチャを構成する硬質部の少なくとも一部が摺動方向に対して非平行に延在していると、摺動特性がより改善され得る。この理由は必ずしも定かではないが、全ての硬質部が摺動方向へ平行に延在していると、潤滑油剤が排出される方向となるが、硬質部が非平行に延在していると、微細な油溜まりが被摺動体と硬質部または靱性部との間に形成されるためと考えられる。

表面テクスチャは、金属基材の表面（摺動面）に対応して、平面状でも種々の曲面状でもよい。さらには表面テクスチャは、二次元的な形態に留まらず三次元的な形態（例えば微細な溝状やディンプル状）でもよい。本発明の製造方法によれば、いずれの表面テクスチャでも、高エネルギービームの出力密度、ビーム径、焦点等を調整することにより容易に形成可能である。

《摺動部材の製造方法》
（１）高エネルギービーム
高エネルギービームは、金属基材の被処理表面部でアブレーションを生じさせ、アブレーション部の周囲にある雰囲気ガスからプラズマが生成される限り、その種類を問わない。高エネルギービームは、例えば、パルスレーザ、電子ビーム等である。

アブレーションを発生させるには、金属基材の被処理表面部へ、高いエネルギーを瞬時に付与する必要がある。つまり、アブレーションの閾値を超える高いエネルギー密度（フルエンス）をもつ高エネルギービームを、金属基材の被処理表面部へ照射する必要がある。このような高エネルギービームとして、短パルス幅の高出力パルスレーザが好適である。

レーザ発振装置の出力や発振周波数等が一定なら、パルス幅が短いほど、フルエンスの高いレーザ光を被処理表面部へ照射できる。またパルス幅が短いと、その照射域外への熱拡散が抑制され、アブレーションの促進と共に金属基材への熱的影響の抑制を図れる。具体的にいうと、パルスレーザのパルス幅は、例えば、１０ｐｓ〜１００ｎｓさらには１〜５０ｎｓであると好ましい。パルス幅が過大ではアブレーションに必要なフルエンスが得難くなり、パルス幅が過小（例えば多光子吸収が生じる１５０ｆｓ程度）ではレーザ光によるエネルギーの付与形態が変化して、本発明に係る硬化に必要な反応場が形成されない可能性がある。

パルスレーザの出力密度（適宜「レーザフルエンス」または単に「フルエンス」という。）でいえば、例えば、０．３ＭＷ／ｃｍ^２〜１００ＴＷ／ｃｍ^２、１ＭＷ／ｃｍ^２〜３０ＧＷ／ｃｍ^２さらには３ＭＷ／ｃｍ^２〜３ＧＷ／ｃｍ^２であると好ましい。フルエンスは硬質部深さ（厚さ）に影響し、フルエンスが過小では十分な厚みの硬質部が得難くなり、フルエンスが過大では金属基材への熱的影響が大きくなる。ちなみに、フルエンスはレーザ出力をレーザスポット面積で除して求まる。

またパルスレーザは波長が短いほど、金属基材によるレーザ光の吸収率が高くなり、アブレーションの促進と非アブレーション部（靱性部）の変質抑制等が図られる。またパルスレーザの波長を適切に調整することにより、十分な深さをもつ硬質部の形成が容易となる。このようなパルスレーザの波長は、赤外域より短く、さらには可視域よりも短い紫外域（近紫外域を含む）内にあると好ましい。具体的にいうと、パルスレーザの波長は、７００ｎｍ以下、５５０ｎｍ以下さらには３８０ｎｍ以下であると好ましい。またパルスレーザの波長は、１９０ｎｍ以上さらには３２０ｎｍ以上であると好ましい。パルスレーザの波長が過小では、雰囲気ガスによるレーザの吸収が発生して好ましくない。

このようなパルスレーザの具体例として、例えば、Ｆ_２（波長１５７ｎｍ）、ＡｒＦ（波長１９３ｎｍ）、ＫｒＦ（波長２４８ｎｍ）、ＸｅＣｌ（波長３０８ｎｍ）、ＸｅＦ（波長３５１ｎｍ）等のエキシマ（励起二量体）を利用したエキシマレーザ、短波長を発振できるＹＡＧレーザなどがある。

（２）照射工程
照射工程は、所望する表面テクスチャの形態ひいては硬質部の形態に応じて、高エネルギービームを金属基材の表面部へ照射しつつ、その照射域を移動させる工程である。

高エネルギービームとしてパルスレーザを用いる場合、隣接して発振する各パルス光の照射域を部分的に重畳（オーバーラップ）させると、連続した硬質部が安定的に形成され易くなる。パルス波の照射域を重畳させる割合（パルスラップ率）は、パルスレーザの発振周波数、被処理表面部に対する相対移動速度（適宜「走査速度」という。）、被処理表面部の最表面における照射域の大きさ（またはパルスレーザの焦点位置）等により調整される。パルスラップ率は、パルスレーザの特性により異なるため画一的に特定し難いが、例えば１０〜９９．９％、２０〜９５％さらには５０〜９０％であると好ましい。パルスラップ率が過小では硬質部の形成が困難となり除去加工となり易い。パルスラップ率が過大では表面テクスチャの形成効率やテクスチャ組織の均質化を図り難い。

このパルスラップ率は、（ｒ／ｄ）×１００（％）（ｄ：ビーム径、ｒ：隣接するパルス波の重なり径）により算出される。ここでビーム径（ｄ）は、レーザ軸に対する直交面上で測定される、ビーム強度がピーク強度値の１／ｅ^２レベルとなるときの幅（直径）である。また隣接するパルス波の重なり径（ｒ）は、ｄ−Ｒ（Ｒ：隣接するビーム間の中心間距離）である。

パルスラップ率に基づいて発振周波数、走査速度、焦点位置等は調整されるが、一例をあげると次の通りである。発振周波数は、例えば、１〜１００ｋＨｚさらには１０〜５０ｋＨｚであると好ましい。発振周波数が過小では走査速度も低くせざるを得ず、効率的な表面テクスチャの形成が困難となる。発振周波数が過大になると、一般的にレーザフルエンスが低下し、均質的な硬質部の形成が困難となる。

走査速度は、例えば、０．１〜１００ｍｍ／ｓさらには１〜１０ｍｍ／ｓであると好ましい。走査速度が過小では効率的な表面テクスチャの形成が困難となり、走査速度が過大になると、相関する発振周波数が過大な場合と同様に、均質的な硬質部の形成が困難となる。

パルスレーザの焦点位置により、各パルス光の照射範囲が変化する。焦点位置は、金属基材の被処理表面部の最表面にあっても、その最表面からずれたところにあってもよい。もっとも、焦点位置がパルスレーザの照射部（被処理表面部の最表面部）から外れるほど、照射部におけるフルエンスは低下し、十分な厚みの硬質部を安定形成することが困難となる。この傾向は、レーザを集光させて照射部に微細なスポット径を形成している場合ほど顕著である。

（３）雰囲気
照射工程を行う雰囲気は、既述したように、高エネルギービームを照射した際に、アブレーションによりプラズマが発生し得る雰囲気であればよい。このような雰囲気は、金属基材の組成、硬質部の仕様、高エネルギービームの種類等に応じて適宜選択されるが、例えば、窒素、酸素、不活性ガス、それら二種以上の混合ガス（空気を含む）等からなる。

照射工程は、チャンバー等の密閉雰囲気内で行っても、開放雰囲気内で行ってもよい。高エネルギービームとしてレーザを用いれば、開放雰囲気である常温常圧の大気雰囲気中でも可能である。もっとも、不純物の介在等を回避するために、被処理表面部へ特定ガスを噴流等させつつ行うと好ましい。例えば、被処理表面部の上方または側方から窒素ガス等を吹き付けるとよい。ガスの吹付方向を調整することにより、アブレーションに伴い生じるデブリの抑制等も図られ得る。例えば、その吹付方向を高エネルギービームの光軸と同軸とすることにより、雰囲気の制御性が増し、硬質部の均質性が向上し得る。

《用途》
本発明の摺動部材は、耐摩耗性が要求される部材であれば、その用途を問わない。例えば本発明の摺動部材は、自動車の各摺動部品（エンジン部品や駆動系部品）、各種機械部品、ポンプ部品、金型、工具等に好適である。

《試料の製造》
（１）金属基材
金属基材として、一般的な炭素鋼（ＪＩＳ Ｓ４５Ｃ）からなる鉄鋼基材と、市販されている代表的なα−β型チタン合金（Ｔｉ−６質量％Ａｌ−４質量％Ｖ）からなるチタン合金基材を用意した。各基材サイズは、供試材の用途により適宜変更した。

（２）高エネルギービーム
高エネルギービームとして、近紫外線領域（１９０〜４００ｎｍ特に３２０〜４００ｎｍ）の波長をもち、パルス幅がナノ秒レベルのパルスレーザ（このレーザを単に「近紫外ナノ」レーザという。）を準備した。

（３）照射工程
各基材の被処理表面部へ、近紫外ナノレーザを所定の軌跡に沿って移動させつつ照射した。この照射は、常温大気中で、種々の雰囲気ガス（総流量：５Ｌ／ｍｉｎ）を近紫外ナノレーザの光軸に沿って上方向から吹き付けつつ行った。特に断らない限り、近紫外ナノレーザの軌跡は、所定の間隔（ピッチ）をもつ平行な直線として、ストライプ状の表面テクスチャ（図１Ａまたは図１Ｂ参照）を各基材表面上に形成した。

具体的なレーザの特性（波長、パルス幅、発振周波数、出力および出力密度（レーザフルエンス））、レーザの被処理表面部に対する相対移動速度（走査速度）およびレーザの焦点位置（焦点はずし距離：０μｍ）は表１にまとめて示した。また近紫外ナノレーザのパルスラップ率は８５％とした。

《基礎試験》
上記の方法に沿って表２に示すように、雰囲気ガスを種々変更した試料を製造した。各試料を用いて、近紫外ナノレーザを照射した部分（改質部または硬質部）の特性を以降のように測定および分析した。

（１）改質部の形成
試料Ａ１１〜Ａ１４の断面を電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）で観察した様子を図４に示した。図４から、近紫外ナノレーザを照射する際の雰囲気ガス組成により、形成された改質部に含まれる各元素の濃度（組成）は異なることがわかる。例えば、Ｎに着目すると、雰囲気ガスの窒素ガス濃度（体積％）が大きいほど、改質部中のＮ濃度も大きくなっている。もっとも、反射電子像（ＢＥＩ）を観ればわかるように、いずれの試料でも、幅５μｍぐらいの均質的な改質部が表面から８０μｍぐらいの深さまで形成されていることがわかる。

（２）硬さ
各試料の改質部に係る平均（表面）硬さを求めた。この結果を表２と図５Ａおよび図５Ｂ（両図を併せて「図５」という。）に併せて示した。この平均硬さは、既述したように、各改質部の最表面近傍について測定した（マイクロ）ビッカース硬さを、相加平均したものである。なお、一例である上述した鉄鋼基材（未処理／Ｓ４５Ｃ）の硬さは２１０ＨＶであり、上述したチタン合金基材（未処理／Ｔｉ−６％Ａｌ−４％Ｖ合金）の硬さは３３０ＨＶである。

鉄鋼基材の場合、雰囲気ガス組成に拘わらず、改質部は十分な平均硬さを有することがわかった。例えば、試料Ａ１１のように窒素ガス中で形成された改質部は、平均硬さが十分に大きくなった。これは改質部に窒化物が形成されたためと考えられる。なお、窒化物の形成はＸ線回折により確認されている。

また試料Ａ１６のように空気中で形成された改質部は、平均硬さが非常に大きくなった。これは鉄鋼基材が酸窒化されて、酸化物および窒化物を含む改質部が形成されたためと考えられる。

逆に、試料Ａ１４のようにＯやＮを含まないＡｒガス中で形成された改質部も、十分に大きな平均硬さをもつことがわかった。これは試料Ａ１４に係る改質部が、フェライト組織（α相）から微細なマルテンサイト組織へ相変態したためと考えられる。

チタン合金基材の場合も、雰囲気ガスにＡｒガスを用いた場合を除き、十分に大きな平均硬さをもつ改質部が形成された。このように金属基材自体よりも十分に大きな硬さをもつ改質部または硬質部が形成されることが確認された。なお、その改質部または硬質部以外の金属基材部分が、本発明でいう非改質部または靱性部に相当する。

（３）Ｎ濃度またはＯ濃度
各試料の改質部をＥＰＭＡ分析して得られた定量分析結果から、改質部中に含まれるＮまたはＯの濃度分布を測定した。その一例を図６Ａと図６Ｂ（両図を併せて「図６」という。）に示した。

また各試料の改質部の最表面から１５μｍ、２０μｍおよび３５μｍの深さ位置におけるＮ濃度またはＯ濃度を相加平均して求めた平均濃度を表２に併せて示した。

図６Ａからわかるように、鉄鋼基材の場合、Ｎ濃度もＯ濃度も表面から深さ方向に向かって減少する傾向を示した。もっとも、Ｎは少なくとも６０μｍ以上の深さまで、Ｏは少なくとも３０μｍ以上の深さまで含まれていることもわかる。

一方、図６Ｂからわかるように、チタン合金基材の場合、Ｎ濃度は少なくとも５０μｍ以上の深さまでほぼ均一的な分布となることもわかった。またＯ濃度は少なくとも１０μｍ以上の深さまでほぼ均一的な分布となることもわかった。条件を適正に選択すれば、ガス種によらず内部までＯ濃度やＮ濃度を適切に分布させることも可能である。

（４）組織
各試料に係る改質部の断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察し、改質部の組織を構成する平均結晶粒径を求めた。この結果を表２に併せて示した。なお、各平均結晶粒径は、既述した通り、ＴＥＭ像の視野内に現れた各結晶粒の長軸と単軸を相加平均して求めた値である。

いずれの試料に係る平均結晶粒径も３００ｎｍ前後であり、各改質部が非常に微細な組織からなることもわかった。

《摺動試験》

（１）試料の製造
先ず、雰囲気ガスを窒素ガスとして、表３に示すように、延在方向やピッチが異なる改質部からなる表面テクスチャを摺動面にもつブロック状の試験片（摺動部材）を上記の方法に沿って製造した。改質部の延在方向は、摺動方向に対して垂直方向または平行方向のいずれかとした。改質部のピッチは、近紫外ナノレーザを照射する直線状の予定軌跡の間隔である。表３に示した面積率は、表面テクスチャの全面積に対する改質部の合計面積の割合である。具体的には、摺動面を光学顕微鏡に観察し、色変化が認められたところを硬質部として、画像解析による２値化処理を実施することにより硬質部の面積率を求めた。硬質部の形状、例えば、幅については、レーザスポット径、照射条件、材質により変化する。よって、これらの照射条件により形状を観察し、それを連続的に改質加工することで表面テクスチャが得られる。これらの条件により得られた形状と幾何学的な算出を実施することから整合性の高い表面テクスチャが可能となる。

次に、表４に示すように、雰囲気ガスを種々変更して、摺動方向に対して垂直方向に延びるピッチ２０μｍ（面積率：４６％）の改質部からなる表面テクスチャを有する試験片（摺動部材）を製造した。

なお、鉄鋼基材の場合、雰囲気ガスを窒素ガスとしたときの改質部のＮ濃度は６ａｔ％、雰囲気ガスを酸素ガスとしたときの改質部のＯ濃度は３ａｔ％であった。チタン合金基材の場合、雰囲気ガスを窒素ガスとしたときの改質部のＮ濃度は５ａｔ％、雰囲気ガスを酸素ガスとしたときの改質部のＯ濃度は３ａｔ％であった。雰囲気ガスがアルゴンガスである場合のＮ濃度およびＯ濃度は、いずれも０ａｔ％であった。

（２）耐摩耗性の評価
各試料に係る試験片（１５．７ｍｍ×６．５ｍｍ×１０ｍｍ）をブロックオンリング試験に供した。ブロックオンリング試験は、各試験片の摺動面（１５．７ｍｍ×６．５ｍｍ）を、回転するリング（直径３５ｍｍ×幅６．３ｍｍ、材質：ＳＡＥ４６２０鋼材）の円筒状外周面へ押し付けて、試験片の摩耗具合を評価する試験方法である（ＡＳＴＭ規格Ｇ７７−０５参照）。具体的には、非Ｍｏ系エンジンオイルの潤滑下で、油温：８０℃、摺動速度：０．３ｍ（リングの回転数：１６４ｒ.ｐ.ｍ.） 、押し付け荷重：４４Ｎ（鉄鋼基材からなる試験片のヘルツ面圧：１２０ＭＰａ、チタン合金基材からなる試験片のヘルツ面圧：８０ＭＰａ）、試験時間：３０分として行った。この試験後に各試験片の摺動面における摩耗深さを測定した。

雰囲気ガスを窒素ガスとして製造した試験片の摩耗深さを表３、図７Ａおよび図７Ｂ（両図を併せて「図７」という。）に示した。また、種々の雰囲気ガス下で製造した試験片の摩耗深さを表４、図８Ａおよび図８Ｂ（両図を併せて「図８」という。）に示した。ちなみに、未処理の鉄鋼基材からなる試験片の摩耗深さは３４μｍであり、未処理のチタン合金基材からなる試験片の摩耗深さは３１０μｍであった。

（３）評価
先ず、鉄鋼基材からなる試験片では、改質部の延在方向、ピッチ、雰囲気ガスの種類等に拘わらず、いずれも摩耗深さが小さく、優れた耐摩耗性が発揮されることがわかった。中でも、改質部の延在方向が摺動方向に垂直であり、改質部のピッチが過大でなく、雰囲気ガスが窒素ガスであるときに、試験片の摩耗深さがより小さくなった。

次に、チタン合金基材からなる試験片でも、全体的に摩耗深さが小さく、優れた耐摩耗性が発揮されることがわかった。但し、鉄鋼基材の場合と異なり、改質部のピッチが過大になると摩耗深さが大きくなり、耐摩耗性が低下することがわかった。このような相違は、上記のブロックオンリング試験で印加した荷重に対して、チタン合金基材の剛性（縦弾性係数）が鉄鋼基材の剛性よりも相対的に小さく、ヘルツ接触面積が拡大することに起因していると考えられる。

逆にいえば、摺動時の面圧（上記の押し付け荷重）、基材の剛性およびピッチの整合を図れば、優れた耐摩耗性を安定して得ることができる。この際の指標として改質部（硬質部）の面積率を用いることができ、摺動時の面圧や金属基材の種類に応じた適切な面積率を確保すると好ましい。例えば、上記のような高面圧下で摺動させる場合、高剛性な鉄鋼基材に対しては面積率を２％以上さらには５％以上とし、相対的に剛性が低いチタン合金基材に対しては面積率を１０％以上さらには１２％以上とするとよい。

また雰囲気ガスをＡｒガスとして処理したチタン合金基材からなる試験片（試料Ｃ２２）の場合、摩耗深さが大きくなり、耐摩耗性の大幅な向上が図れなかった。これはチタン合金基材からなる試験片の場合、鉄鋼基材からなる試験片と異なり、相変態による硬化を生じなかったためと考えられる。但し、この場合でも、未処理の場合よりは摩耗深さが小さくなっており、耐摩耗性の向上は観られる。この理由は、上記の照射工程により改質部の金属組織が微細化したためと考えられる。

さらに、図５と図８の対比から、摺動面における摩耗深さは、改質部の平均硬さと相関していることが明らかである。従って、硬さが金属基材自体よりも大きな改質部が適切に配置された表面テクスチャを摺動面に設けることにより、優れた耐摩耗性を安定的に発揮する摺動部材が得られることがわかる。

Claims (10)

1. 金属基材の表面に形成された摺動面を有する摺動部材であって、
   前記摺動面は、窒素または酸素が導入された硬質部と該硬質部に接し該硬質部よりも硬さが小さい靱性部とからなる表面テクスチャを備えることを特徴とする摺動部材。
2. 前記表面テクスチャは、前記硬質部と前記靱性部がマイクロ・メゾ領域レベルで混在してなる請求項１に記載の摺動部材。
3. 前記表面テクスチャは、前記硬質部の少なくとも一部がストライプ状、格子状またはドット状となっている請求項１または２に記載の摺動部材。
4. 前記表面テクスチャは、前記硬質部の少なくとも一部が摺動方向に対して非平行に延在している請求項１または３に記載の摺動部材。
5. 前記表面テクスチャは、全面積（Ｓ０）に対する前記硬質部の合計面積（Ｓ１）の割合である面積率（１００×Ｓ１／Ｓ０）が２〜９５％である請求項１〜４のいずれかに記載の摺動部材。
6. 前記金属基材は、鉄合金、チタン合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金または銅合金のいずれかからなる請求項１に記載の摺動部材。
7. 窒素または酸素の少なくとも一方を含む雰囲気中で、金属基材の被処理表面部へ高エネルギービームを相対移動させつつ照射することにより、該被処理表面部でアブレーションを生じさせると共に該被処理表面部の近傍にプラズマを生成させる照射工程を備え、
   該被処理表面部を硬質部とした請求項１に記載の摺動部材が得られることを特徴とする摺動部材の製造方法。
8. 前記高エネルギービームは、７００ｎｍ以下の波長をもつパルスレーザである請求項７に記載の摺動部材の製造方法。
9. 前記照射工程は、照射域を部分的に重畳させつつ、前記被処理表面部へ前記パルスレーザを照射する工程である請求項７または８に記載の摺動部材の製造方法。
10. 前記照射工程は、前記照射域が重畳する割合であるパルスラップ率が１０〜９０％である請求項９に記載の摺動部材の製造方法。