JPH06313430A - 耐摩耗性摺動部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】凹凸パターンを施した摺動面の潤滑性，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。 【構成】他部材に摺動接触する母材の摺動面に凹凸パタ
ーンを形成し、この凹凸パターンの凹部に固体潤滑剤を
満たし、この凹部の面積比率を３０〜７０％、凹部の深
さを１０μｍ以下とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】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６０−１３５５
６４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、最上層の凹部に固体
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を最適な範囲に定
めることにより、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】本発明の耐摩耗性摺動部
材は、他部材に摺動接触する母材の摺動面に凹凸パター
ンを形成するとともに該凹凸パターンの凹部に固体潤滑
剤を満たし、該凹部の面積比率を摺動面全体の３０〜７
０％、深さを１ｍｍ以下好ましくは１０μｍ以下とした
ものである。

【０００８】本発明の一形態によれば、前記凹凸パター
ンとして円柱状凸部を有する凸パターンあるいは円柱状
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、これらの円柱状凸部または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
設けることにより、潤滑剤がなくなっても硬質材料層が
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】

【実施例】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および図２はそれぞれ本発明の各種実
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の例では母材１の摺動面に複数個の円
柱状の凸部２が等間隔に規則的に形成され、凸部２以外
の部分は凹部３となっており、摺動面はこれらの凸部２
と凹部３による凹凸パターンで構成される。凸部２の直
径をＤとし、個数をＮとすれば、摺動面全体の凸部２の
摺動接触面積はπＮＤ² ／４であり、この面積の残余の
面積が摺動面全体に対して３０〜７０％の比率となって
凹部を形成している。

【００１２】図２の場合は直径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２の例においても凹部３全体の摺動面に対す
る面積比率は３０〜７０％である。

【００１３】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。

【００１４】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３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１
０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４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。

【００１５】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。図１のよう
な円柱状凸部２による凸パターンを形成した摺動面にお
いて、凹部３全体の摺動面に対する面積比率を変え、該
凹部３に固体潤滑膜としてＭｏＳ₂ スパッタ膜をコーテ
ィングした試料の被膜寿命の試験データを表１に示す。
なお、凹部の深さはいずれも１０μｍとした。

【００１６】

【表１】

【００１７】ここで回転軸４の回転数；１０００ｒｐ
ｍ，接触子の押付荷重；０．２３ｋｇｆ，すべり速度；
０．４ｍ／ｓとした。凹部３の面積比率１４％では潤滑
不足で２時間後にトルクの急激な上昇がみられ、８０％
を超えると凸部２のくずれが生じ荷重を受けられなくな
る。パターン種別「なし」は凹凸部のない場合である。

【００１８】図２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。この例でも
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。

【００１９】

【表２】

【００２０】被膜寿命は凹凸パターンの凹部の深さにも
関係する。図３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。

【００２１】表３は図２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。

【００２２】

【表３】

【００２３】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。

【００２４】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１０
μｍ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。

【００２５】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３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５に示す。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。

【００２６】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６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。

【００２７】図７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また
は図２に拡大して示すような円柱状凸部２または円柱状
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、個々の凸部２または凹部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。

【００２８】図８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９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凹部の直径Ｄが０．
５ｍｍ、ピッチｐ（図２）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。
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。

【００２９】なお、上述の説明で凹部の深さを１．０ｍ
ｍ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。

【００３０】

【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１．０
ｍｍ以下または加工時間を短縮するため好ましくは１０
μｍ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、ＴｉＮ，ＴｉＣ，ＴｉＢ
₂ 等の硬質膜やイオン注入による硬質層を設けることに
より、潤滑剤がなくなっても硬質層が摩耗を防ぎ、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。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凸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】本発明の他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３】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４】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５】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６】生理食塩水中にて超高分子量ポリエチレンとＴ
ｉＮ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７】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８】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９】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

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ１０Ｍ 103:06 Ｚ 9159−4Ｈ 107:04） Ｃ１０Ｎ 20:04 30:06 40:02 50:08 (72)発明者 斉藤 剛 神奈川県藤沢市鵠沼神明１−５−50日本精 工株式会社藤沢工場内 (72)発明者 鈴木 富太 神奈川県藤沢市鵠沼神明１−５−50日本精 工株式会社藤沢工場内 (72)発明者 田中 守 神奈川県横浜市金沢区六浦町1287の６

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】他部材に摺動接触する母材の摺動面に凹凸
   パターンを形成するとともに該凹凸パターンの凹部に固
   体潤滑剤を満たし、前記凹部の面積比率を摺動面全体の
   ３０〜７０％、深さを１０μｍ以下とすることを特徴と
   する耐摩耗性摺動部材。