WO2020067306A1 - 摺動体の表面評価方法及び摺動体の表面評価装置 - Google Patents

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拓人 福原
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Definitions

  • the present invention relates to a surface evaluation method for observing a sliding portion of a sliding member and a surface evaluating device for the sliding member.
  • a device that rotates such as a crankshaft, a gear and a pulley, and a device that reciprocates such as a piston there are sliding portions where separate members slide and friction occurs.
  • the friction of the sliding portion particularly in the case of a sliding body formed of silicon carbide, the initial sliding causes the friction coefficient of the sliding portion to temporarily increase and then rapidly decrease to stabilize.
  • the so-called “familiar” phenomenon is known.
  • a sliding body such as a rotating seal ring or a stationary seal ring that constitutes a device for sealing a rotating shaft of a fluid machine like a mechanical seal
  • the friction coefficient of the sliding portion is not sufficient due to the “fit-in” phenomenon. If not, the drive performance of the fluid device is adversely affected, and the sealing performance of the mechanical seal cannot be ensured. Therefore, observing the sliding portion is useful in evaluating the performance of the mechanical seal, and various techniques are used for this observation.
  • the observation device of Patent Document 1 includes a holding jig for holding a sliding body serving as a test piece, and a driving unit for rotating a light-permeable sliding body, and sliding between the sliding body and the sliding body.
  • the moving surface is irradiated with light from a light source, and the light reflected from the sliding surface and transmitted through the object to be slid is received by a digital camera to obtain an image of the sliding surface.
  • Patent Document 1 an image of a sliding surface of a rotationally driven sliding body is obtained by using a light-transmitting glass for the sliding body, and the unevenness of the surface of the sliding surface during sliding is obtained.
  • the oil slick can be visually observed.
  • the phenomenon that affects the decrease in the friction coefficient of the sliding part is not limited to the surface shape of the sliding surface and the state of the oil film interposed, but the affected part of the base material that has been deteriorated due to the friction of the sliding part may be affected.
  • the technique disclosed in Patent Document 1 does not intend to observe the temporal change of the deteriorated portion of the sliding portion, nor does it enable such observation.
  • the present invention has been made in view of such problems, and provides a method for evaluating the surface of a sliding body and a device for evaluating the surface of a sliding body that can observe a temporal change of a deteriorated portion in a sliding section of the sliding body.
  • the purpose is to do.
  • the surface evaluation method of the sliding body of the present invention A first step of irradiating a sliding portion of the sliding body that slides on the sliding body with electromagnetic waves; A second step of detecting light emission of the sliding portion irradiated with the electromagnetic wave, A third step of deriving a change in a light emitting state in the sliding portion; Is included.
  • detecting the light emission of the sliding portion and deriving a change in the light emission state it is possible to visualize the altered portion in which the surface of the sliding body is chemically and geometrically altered due to friction. It is possible to observe a temporal change of the deteriorated portion.
  • the first step includes a step of scanning the electromagnetic wave over the entire surface of the sliding portion. According to this, by observing the change in the light emission state over the entire surface of the sliding portion, it is possible to evaluate an area or the like in the sliding portion where the friction is easily reduced.
  • the first step includes a step of irradiating the sliding portion with an electromagnetic wave while rotating and driving the sliding body. According to this, the entire surface of the sliding portion can be easily observed by rotating the sliding body.
  • the first step includes a step of deriving a light emitting area in the sliding portion. According to this, it is possible to observe a process in which the friction coefficient of the sliding portion decreases based on the change in the light emitting area.
  • the third step includes a step of excluding a region having a predetermined luminance or higher from the light emitting region. According to this, it is possible to accurately evaluate the region of the formed substantially altered portion, excluding the influence of the wear powder buried in the pores on the surface of the sliding portion.
  • the first step includes a step of scanning the electromagnetic wave with a confocal scanning microscope.
  • the confocal scanning microscope can detect the light emission of the sliding portion having low luminance, particularly, the light emission of the deteriorated portion.
  • the first step includes a step of finely moving a focal point of the confocal scanning microscope in a depth direction of the sliding portion. According to this, it is possible to three-dimensionally analyze the sliding portion, and to observe, for example, the light emitting area of the altered portion by thickness and depth of the altered portion formed.
  • a sliding body surface evaluation device of the present invention A holding member for holding the sliding body, Driving means for rotating and driving the sliding body, An irradiation device that irradiates the sliding portion of the sliding body with electromagnetic waves, A detection unit that detects light emission of the sliding unit irradiated with the electromagnetic wave, From the light emission detected by the detection unit, an arithmetic device that derives a change in the light emission state in the sliding unit, It has. According to this, by detecting the light emission of the sliding portion and deriving a change in the light emission state, it is possible to visualize the altered portion in which the surface of the sliding body is chemically and geometrically altered by friction. It is possible to observe a temporal change of the deteriorated portion.
  • a second holding member capable of holding a sliding body that slides on the sliding body.
  • the object to be slid transmits the electromagnetic wave and the light emission
  • the irradiation device is disposed at a position where the electromagnetic wave is applied to a sliding portion of the object to be slid through the object to be slid.
  • the electromagnetic wave is applied to the sliding part of the sliding body through the sliding body, and the light emission of the sliding part can be detected by transmitting the sliding body.
  • the sliding with the moving body it is possible to observe the process of the change of the deteriorated portion in the sliding portion.
  • the sliding body is polycrystalline SiC
  • the slidable body is single crystal SiC. According to this, the physical property of the sliding body can be transmitted while allowing the sliding body to transmit the electromagnetic wave and the emitted light, so that the process of changing the deteriorated portion on the surface of the sliding portion can be accurately observed.
  • water is supplied as a lubricant between the sliding body and the slidable body. According to this, by using water having low viscosity as a lubricant for the sliding portion, it is possible to accurately observe the progress of the adaptation phenomenon on the surface of the sliding portion.
  • 1 is a schematic diagram illustrating a surface evaluation device used in a method for evaluating a surface of a sliding body according to a first embodiment of the present invention. It is the expanded sectional view which expanded the opposing end surface of the sliding body.
  • 6 is a graph showing a behavior of a friction coefficient of a sliding body with respect to a sliding distance. 5 is a graph showing a behavior of an arithmetic mean height (Sa) of a sliding portion of a sliding body with respect to a sliding distance. 6 is a graph showing a behavior of an area of a fluorescent region of a sliding portion of a sliding body with respect to a sliding distance. It is an image which shows the fluorescent region of the sliding part of the sliding body.
  • FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a correspondence between a sliding body and a slidable body according to a third embodiment of the present invention.
  • a phenomenon in which the frictional coefficient of the sliding portion temporarily rises due to the initial sliding and then suddenly decreases and the frictional coefficient stabilizes (see FIG. 3), a so-called “fit-in phenomenon” is known. . It is said that during the adaptation process, shearing force, heat, pressure, etc. act on the sliding part, and the altered part formed by changing the surface chemically and geometrically becomes dominant in reducing friction. I have. As previously known, when observing the sliding parts that exhibited low wear due to the “fit-in phenomenon”, most of them were altered parts where the base material was altered and amorphized, and the remaining parts were unaltered parts. It has been confirmed that it is a wood part.
  • Embodiment 1 A sliding body surface evaluation method and a sliding body surface evaluation apparatus according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • the inventor conducted an experiment for observing the surface of the sliding body.
  • SiC silicon carbide
  • An evaluation device hereinafter, simply referred to as a testing machine 30
  • a test piece and a test machine 30 used in an experiment will be described.
  • the sliding body used as a test piece is formed of an annular sliding body 3 formed of polycrystalline silicon carbide (hereinafter, referred to as polycrystalline SiC) and single-crystal silicon carbide (hereinafter, referred to as single-crystal SiC).
  • An annular slidable body 4 was used.
  • the polycrystalline SiC forming the sliding body 3 is of the same quality as that used for a rotary sealing ring or a stationary sealing ring of a mechanical seal used for sealing a shaft of a fluid device or the like.
  • the sliding member 4 transmits a laser beam 10 as excitation light, which will be described later, so that light is more easily transmitted than the polycrystalline SiC.
  • Crystalline SiC was used.
  • a sliding body 3 having an outer diameter of 18 mm, an inner diameter of 8 mm, and a thickness of 8 mm, and a sliding body 4 having an outer diameter of 16 mm, an inner diameter of 11 mm, and a thickness of 8 mm were used.
  • the tester 30 is provided with a housing 2 rotatably connected to the base 1 and holding the sliding body 3, and a sliding body 4 is arranged above the sliding body 3 so as to be able to contact the sliding body 3. ing.
  • the housing 2 includes a disc-shaped bottom portion 2a having a through hole 2b penetrating in the up-down direction at the shaft center portion, a cylindrical shaft portion 2c provided at the lower surface of the bottom portion 2a, and an outer peripheral edge of the bottom portion 2a. And a cylindrical side surface 2d extending upward.
  • the housing 2 is rotatably connected to the base 1 via a bearing 5 arranged on the outer periphery of the shaft 2c.
  • Water 8 is contained in the housing 2 at a water level at which at least the facing end face of the sliding body 3 and the facing end face of the slidable body 4 are immersed. It functions as a lubricant when sliding relative to the moving body 4.
  • the water 8 supplied between the end faces of the sliding body 3 and the sliding body 4 is purified water at 25 ° C., and is circulated and supplied at 60 ml / min.
  • the sliding body 3 is held in the upper end opening of the through hole 2b of the housing 2 with the end face facing upward.
  • the sliding body 4 is arranged above the sliding body 3 so as to be able to contact the sliding body 3 held in the housing 2.
  • each is held in a state where a load is applied from above the sliding body 3 by a load motor (not shown).
  • This load is measured by a load cell (not shown), and is equivalent to the urging force of an elastic means such as a spring for bringing a rotary seal ring and a stationary seal ring of a mechanical seal used for sealing a shaft of a fluid device or the like close to each other.
  • the slidable body 4 is fixed to an upper end of a rotary shaft 6 inserted through the through hole 2b of the housing 2.
  • the rotary shaft 6 is connected to a rotary drive source 7 such as a motor. It is rotatable by driving. Further, the space between the rotating shaft 6 and the through hole 2b is sealed by an annular seal 11 located on the outer diameter side of the rotating shaft 6.
  • the tester 30 includes the confocal scanning microscope 16 (Olympus).
  • the confocal scanning microscope 16 includes a light source 9 for irradiating a laser beam 10, an objective lens 18, a beam splitter 19, a detector 20, and a pinhole 12 for eliminating scattered light from fluorescence emitted as light incident on the detector 20. Have.
  • the operation of the confocal scanning microscope 16 will be briefly described.
  • the laser light 10 emitted from the light source 9 is reflected by the beam splitter 19, passes through the objective lens 18, further passes through the slidable body 4, and is emitted toward the sliding portion 3 a of the sliding body 3.
  • the sliding portion 3a refers to a sliding portion 3a which is a sliding portion of the sliding member 3 with the sliding member 4, and as shown in FIG. 7, the altered portion 3p and the unaltered base portion 3b
  • the fluorescence 17 of the object to be observed by the laser light 10 and the laser light reflected by the object to be observed are transmitted through the slidable body 4 again and collected by the objective lens 18.
  • the reflected laser light is reflected by the beam splitter 19, and only the fluorescence 17 passes to the detector 20 side.
  • the scattered light of the fluorescent light 17 is eliminated by the pinhole 12 before the detector 20, and the fluorescent light 17 enters the detector 20.
  • the incident fluorescence 17 is amplified.
  • the beam splitter 19 is finely driven by a driving mechanism (not shown) to be able to change its reflection angle and change the irradiation direction of the laser beam 10.
  • the surface of the sliding portion 3a can be scanned in the radial direction.
  • the detector 20 can convert the incident light into digital data and create a three-dimensional image of the observation target.
  • the testing machine 30 is provided with housing rotation control means 23 for rotating and stopping the housing at a constant pitch.
  • a servo motor 24 is used as the housing rotation control means 23.
  • Gear teeth are provided on the outer periphery of the housing 2
  • a ratchet mechanism is provided on the base 1 side, and the teeth and the ratchet are engaged. It may be.
  • the image detected by the detector 20 is arithmetically analyzed by an arithmetic unit such as a personal computer (not shown), and the fluorescent area of the sliding portion 3a, the ratio of the area to the entire surface of the sliding portion 3a, and the luminance distribution are evaluated. be able to.
  • a sliding friction test was performed between the end faces of the sliding body 3 and the sliding body 4 in water.
  • the frictional force is converted from a frictional torque applied to a test piece jig supported by the bearing.
  • the load of the load motor for applying a load between the sliding body 3 and the sliding body 4 was set to 32N, 53N, and 212N.
  • the rotation speed of the housing was 142 rpm, 284 rpm, 1420 rpm, and 2840 rpm.
  • the surface roughness (hereinafter referred to as Ra) of the sliding body 3 in the initial stage before sliding was prepared for Ra ⁇ 0.1 and Ra ⁇ 0.01.
  • the initial Ra before the sliding of the body 4 to be slid was Ra ⁇ 0.01.
  • the behavior of the friction coefficient of the sliding body 3 (Ra ⁇ 0.1) when the sliding body 3 and the sliding body 4 are slid under the above conditions while using the test machine 30 is as shown in FIG. Was.
  • the friction coefficient of the sliding body 3 (Ra ⁇ 0.1) maintained a friction coefficient of 0.05 or less with a sharp decrease in the friction coefficient after showing a relatively high friction in the initial stage. .
  • FIG. 4 shows the result of the arithmetic mean height (Sa) of the sliding portion 3a of the sliding body 3, in which a smooth sliding surface is rapidly formed in the running-in process and the sliding distance is maintained even after the low friction is developed. It was confirmed that an ultra-smooth slip surface was formed by continuously changing on the order of meters.
  • the inventors have found that the altered part in which the SiC has been chemically changed, such as amorphization, exhibits fluorescence, and it has been found that observing and evaluating the altered part by a fluorescence phenomenon can elucidate the familiar process, so the details are described below. explain.
  • FIG. 6 (a) is an image of the surface of the sliding portion 3a having a slip distance of 98 m taken by the confocal scanning microscope 16, and the white portion indicates the fluorescent region.
  • FIG. 6B similarly shows a fluorescent region having a slip distance of 200 m. The fluorescent region is the altered portion 3p, and the black portion indicates the unaltered base portion 3b. From FIGS. 6 and 5, particularly from 98 m to 200 m where the friction coefficient increased, both Sa and the fluorescent region showed remarkable changes, and a remarkable increase in the fluorescent region was confirmed.
  • the chemical change of SiC due to frictional energy is a trigger, and while the SiC surface wears smoothly, the wear powder generated from the deteriorated SiC is geometrically stabilized by the action of filling the pores, and It was found that a low friction interface was formed when the chemical change was stable.
  • a step of excluding a region having a predetermined luminance or more from the light emission area is performed in the calculation analysis of the sliding portion 3a by the calculation device. This makes it possible to reliably evaluate the area of the formed altered portion, excluding the influence of the wear powder buried in the pores on the surface of the sliding portion 3a.
  • the method for evaluating the surface of the sliding body includes a first step of irradiating the laser beam 10 to the sliding portion 3a of the sliding body 3 between the sliding body 3 formed of SiC and the sliding body 4,
  • the method includes a second step of detecting fluorescence that is emitted from the altered portion 3p irradiated with the laser beam 10, and a third step of deriving a change in the emission state of the sliding portion 3a.
  • Water is supplied between the sliding body 3 and the sliding body 4 as a lubricant. According to this, by using water having low viscosity as a lubricant for the sliding portion, it is possible to accurately observe the progress of the adaptation phenomenon on the surface of the sliding portion 3a.
  • the tester 30 may include a driving device (not shown) that can finely move the height position of the objective lens 18 of the confocal scanning microscope 16 in the vertical (Z-axis) direction.
  • a driving device not shown
  • the tester 30 may include a driving device (not shown) that can finely move the height position of the objective lens 18 of the confocal scanning microscope 16 in the vertical (Z-axis) direction.
  • the sliding portion 3a is three-dimensionally analyzed and formed.
  • the thickness of the altered portion 3p can be observed.
  • the fluorescent region at each depth it is possible to observe the generation region of the altered portion 3p at each depth.
  • these observations are significant because the altered portion 3p of the sliding portion 3a is approximately several ⁇ m thick.
  • a test piece to be observed by the confocal scanning microscope 16 is arranged on the lower side as the sliding body 3, and a test piece arranged on the upper side as the sliding partner is referred to as the sliding body 3.
  • the observation object is not distinguished by the words of the sliding object and the sliding object, and the observation object may be a sliding portion of the sliding object arranged on the upper side.
  • a rod-shaped member 33 is used in place of the cylindrical member for the sliding body.
  • the sliding portion of the body 4 to be slid is an object to be observed.
  • the slidable body 40 is formed in a cylindrical shape from polycrystalline SiC through which laser light is hardly transmitted.
  • the sliding body 40 is removed, and the sliding section of the sliding body 3 is measured using the confocal scanning microscope 16 of the tester 30. Observe 3a.
  • the sliding body 3 and the slidable body 40 are made of the same material as the rotating seal ring and the stationary seal ring of the mechanical seal actually used, and accurate observation results of the sliding portion are obtained. Can be.
  • FIG. 9B is a modification of FIG. 9A, in which the slidable body 41 is a rod-shaped member instead of a cylinder.
  • the sliding portion 3a of the sliding body 3 is observed using the confocal scanning microscope 16 at a position where the sliding body 3 and the sliding body 41 do not overlap without removing the sliding body 41. be able to.
  • the testing machine used for the method for evaluating the surface of a sliding body is not limited to the configuration of the testing machine 30 described above.
  • the sliding body may be made of another material that transmits light, such as glass, instead of single crystal SiC. At this time, those having physical properties close to those of the sliding body are preferable.
  • the light source for irradiating the sliding portion 3a with electromagnetic waves may be a lamp other than a laser light source, for example, a lamp, and is not limited to visible light, but may be electromagnetic waves of invisible light such as ultraviolet light and infrared light.
  • a microscope other than the confocal scanning microscope described above may be used.
  • the altered part may be any site where the material properties have been altered due to chemical, mechanical, thermal, etc.
  • the altered part may be any site where the material properties have been altered due to chemical, mechanical, thermal, etc.
  • the sliding body 3 may be made of a material other than ceramics, but is preferably made of ceramics such as SiC and Al 2 O 3 .
  • the lubricant supplied between the end surfaces of the sliding body 3 and the sliding body 4 is not limited to water, and may be, for example, a gas, a solvent, or an oil.
  • the water stored in the housing 2 is disposed only on the outer diameter side of the sliding body 3 and the sliding body 4, but is not limited to this, and the water is not limited to this. It may be arranged on the inner diameter side of the moving body 4 or on both the outer diameter side and the inner diameter side. Note that different types of lubricant may be disposed on the outer diameter side and the inner diameter side.
  • the change in the light emitting state may be one or both of the light emitting area and the luminance, and may be a light emitting state other than the light emitting area and the luminance.

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Abstract

摺動体の摺動部における変質部の時間的な変化を観察できる摺動体の表面評価方法及び摺動体の表面評価装置を提供すること。　被摺動体４に対し摺動する形成された摺動体３の摺動部３ａに電磁波を照射する第１ステップと、電磁波が照射された摺動部３ａの発光を検出する第２ステップと、摺動部における発光状態の変化を導出する第３ステップと、を含む。

Description

摺動体の表面評価方法及び摺動体の表面評価装置
　本発明は、摺動体の摺動部を観察する表面評価方法及び摺動体の表面評価装置に関する。
　クランク軸、歯車、プーリ等の回転運動する装置や、ピストン等の往復運動する装置においては、別体の部材同士が摺動し、摩擦が発生する摺動部が存在する。この摺動部の摩擦に関して、特に炭化ケイ素により形成された摺動体にあっては、初期の摺動によって、摺動部の摩擦係数が一時的に上昇した後に急激に低下して安定する現象、いわゆる「なじみ」現象が知られている。例えば、メカニカルシールのように流体機械の回転軸を軸封する装置を構成する回転密封環や静止密封環のような摺動体にあっては、「なじみ」現象により摺動部の摩擦係数が十分に低下した状態となっていないと、流体装置の駆動性能への悪影響に加え、メカニカルシールのシール性能を確保できないという問題がある。そのため、摺動部の観察を行うことは、メカニカルシールの性能を評価する上で有益であり、この観察には種々の手法が用いられている。
　摺動部の観察方法として、例えば、特許文献１に示されるような観察装置がある。特許文献１の観察装置は、試験片となる摺動体を保持する保持治具と、光透過性の被摺動体を回転させる駆動手段と、を備えるとともに、これら摺動体と被摺動体との摺動面に対して光源から光を照射し、摺動面から反射し被摺動体を透過した光をデジタルカメラで受け取り、摺動面の画像を得るものである。
特許第５０３７４４４号公報（第７頁、第２図）
　特許文献１にあっては、被摺動体を光透過性のガラスとすることで、回転駆動された摺動体の摺動面の画像を得て、摺動中の摺動面の表面の凹凸や油膜を視覚的に観察することができる。一方で、摺動部の摩擦係数の低下に影響する事象は、摺動面の表面形状や油膜の介在状態に限らず、摺動部の摩擦により基材が変質した変質部が影響することが知られているが、特許文献１の技術は摺動部の変質部の時間的な変化の観察を意図するものでもなく、そのような観察ができるものでもない。
　本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、摺動体の摺動部における変質部の時間的な変化を観察できる摺動体の表面評価方法及び摺動体の表面評価装置を提供することを目的とする。
　前記課題を解決するために、本発明の摺動体の表面評価方法は、
　被摺動体に対し摺動する摺動体の摺動部に電磁波を照射する第１ステップと、
　前記電磁波が照射された前記摺動部の発光を検出する第２ステップと、
　前記摺動部における発光状態の変化を導出する第３ステップと、
を含むものである。
　これによれば、摺動部の発光を検出し、発光状態の変化を導出することで、摺動体の表面が摩擦により化学的および幾何学的に変質した変質部を可視化することができ、この変質部の時間的な変化を観察することができる。
　好適には、前記第１ステップは、前記摺動部の全表面に亘って前記電磁波を走査するステップを含む。
　これによれば、摺動部の全表面に亘って発光状態の変化を観察することで、摺動部における低摩擦化されやすい領域等を評価することができる。
　好適には、前記第１ステップは、前記摺動体を回転駆動しながら前記摺動部に電磁波を照射するステップを含む。
　これによれば、摺動体を回転させることで、摺動部の全表面を容易に観察することができる。
　好適には、前記第１ステップは、前記摺動部における発光領域を導出するステップを含む。
　これによれば、発光領域の変化に基づき、摺動部の摩擦係数が低下する過程を観察できる。
　好適には、前記第３ステップは、所定以上の輝度の領域を前記発光領域から除外するステップを含む。
　これによれば、摺動部の表面のポアに埋まった摩耗紛による影響を除外して、形成された実質的な変質部の領域を正確に評価できる。
　好適には、前記第１ステップは、共焦点走査型顕微鏡により前記電磁波を走査するステップを含む。
　これによれば、共焦点走査型顕微鏡は、低い輝度である摺動部、特に変質部の発光を検出できる。
　好適には、前記第１ステップは、前記共焦点走査型顕微鏡の焦点を前記摺動部の深さ方向に微移動させるステップを含む。
　これによれば、摺動部を３次元的に解析し、例えば形成された変質部の厚みや深さ別の変質部の発光面積を観察することができる。
　前記課題を解決するために、本発明の摺動体の表面評価装置は、
　摺動体を保持する保持部材と、
　前記摺動体を回転駆動させる駆動手段と、
　前記摺動体の摺動部に電磁波を照射する照射装置と、
　前記電磁波が照射された前記摺動部の発光を検出する検出部と、
　前記検出部により検出された前記発光から、前記摺動部における発光状態の変化を導出する演算装置と、
　を備えている。
　これによれば、摺動部の発光を検出し、発光状態の変化を導出することで、摺動体の表面が摩擦により化学的および幾何学的に変質した変質部を可視化することができ、この変質部の時間的な変化を観察することができる。
　好適には、前記摺動体に対し摺動する被摺動体を保持可能な第２保持部材を備え、
　前記被摺動体は前記電磁波及び前記発光を透過するものであり、前記照射装置は、前記被摺動体を通して前記摺動体の摺動部に前記電磁波を照射する位置に配置されている。
　これによれば、被摺動体を透過して摺動体の摺動部に電磁波を照射し、さらに摺動部の発光を被摺動体を透過させて検出することができるため、摺動体と被摺動体との摺動中において、摺動部における変質部の変化の過程を観察することができる。
　好適には、前記摺動体は多結晶ＳｉＣであり、前記被摺動体は単結晶ＳｉＣである。
　これによれば、被摺動体を電磁波と発光とを透過可能にしながら、摺動体との物理特性を近似させることで、摺動部の表面の変質部の変化の過程を精度よく観察できる。
　好適には、前記摺動体と前記被摺動体との間には潤滑剤として水が供給されている。
　これによれば、粘性が低い水を摺動部の潤滑剤として利用することで、摺動部の表面のなじみ現象の進行状況を精度よく観察できる。
本発明の実施例１における摺動体の表面評価方法に用いられる表面評価装置を示す概略図である。 摺動体の対向端面を拡大した拡大断面図である。 摺動距離に対する摺動体の摩擦係数の挙動を示すグラフである。 摺動距離に対する摺動体の摺動部の算術平均高さ（Ｓａ）の挙動を示すグラフである。 摺動距離に対する摺動体の摺動部の蛍光領域の面積の挙動を示すグラフである。 摺動体の摺動部の蛍光領域を示す画像である。 共焦点走査型顕微鏡の焦点を摺動部の深さ方向に微移動させる様子を示すイメージ図である。 本発明の実施例２における摺動体と被摺動体の対応関係を示す概略図である。 本発明の実施例３における摺動体と被摺動体の対応関係を示す概略図である。
　摺動体は初期の摺動によって、摺動部の摩擦係数が一時的に上昇した後、急激に摩擦係数が低下して安定する現象（図３参照）、いわゆる「なじみ現象」が知られている。なじみ過程において、摺動部にはせん断力、熱、圧力等が作用して、その表面が化学的及び幾何学的に変化して形成された変質部が低摩擦化に支配的となるといわれている。
　従前より知られるように、「なじみ現象」により低摩耗を発現した摺動部を観察したところ、大部分は基材が変質しアモルファル化した変質部であり、残りの部分は変質していない基材部であることが確認されている。また、摩耗紛が埋められた微細凹部であるポアが局所的に存在していることも確認されている。発明者らは、共焦点顕微鏡を用いることで、変質部自体の発光を捉えることに成功し、摺動初期の変質部の生成状況がなじみ過程における摩擦係数の変化や表面粗さの変化に合致していることを見出した。この現象を利用することで摺動体の摺動部、特に変質部の状態を正確に把握することが可能となるので以下実施例として説明する。
　本発明の実施例１に係る摺動体の表面評価方法と摺動体の表面評価装置につき、図１から図７を参照して説明する。
　発明者は、摺動体の表面の観察を行う実験をおこなった。実験では、セラミックスである炭化ケイ素（ＳｉＣ）の端面同士のすべり摩擦試験を行うために、図１に示されるような、温度制御が可能であるリングオンリング型のスラスト摩擦摩耗試験機である表面評価装置（以下、単に試験機３０という。）を用いた。まず、実験に用いられる試験片や試験機３０について説明する。
　試験片として用いる摺動体は、多結晶の炭化ケイ素（以下、多結晶ＳｉＣという。）で形成され円環状の摺動体３と、単結晶の炭化ケイ素（以下、単結晶ＳｉＣという。）で形成され円環状の被摺動体４と、を用いた。摺動体３を形成する多結晶ＳｉＣは、流体機器の軸封等に用いられるメカニカルシールの回転密封環または静止密封環に用いられるものと同質である。被摺動体４には、硬度や摩擦係数の特性が多結晶ＳｉＣと同等でありながら、後述する励起光としてのレーザ光１０を透過させるために、多結晶ＳｉＣに比べて光が透過し易い単結晶ＳｉＣを用いた。摺動体３として外径１８ｍｍ、内径８ｍｍ、厚さ８ｍｍ、被摺動体４として外形１６ｍｍ、内径１１ｍｍ、厚さ８ｍｍのものを使用した。
　試験機３０は、基盤１に回転可能に連結されるとともに摺動体３を保持するハウジング２が設けられており、摺動体３の上方に、被摺動体４が摺動体３と接触可能に配置されている。
　ハウジング２は、上下方向に貫通する貫通孔２ｂが軸心部に設けられた円盤状の底面部２ａと、底面部２ａの下面に設けられる円筒状の軸部２ｃと、底面部２ａの外周縁に設けられ上方に延びる円筒状の側面部２ｄと、を有して構成されている。ハウジング２は軸部２ｃの外周に配置したベアリング５を介して基盤１に回転可能に連結されている。
　また、ハウジング２の内部には少なくとも摺動体３の対向端面と被摺動体４の対向端面が浸かる水位で水８が収容されており、これら端面の間に浸入した水が摺動体３と被摺動体４との相対回転の摺動時における潤滑剤として機能する。なお、図示しないが、摺動体３と被摺動体４との端面間に供給される水８は、２５℃の精製水であり、かつ６０ｍｌ／ｍｉｎで循環供給される。
　摺動体３は、端面を上方へ向けた状態でハウジング２の貫通孔２ｂの上端開口部に保持されている。被摺動体４は、ハウジング２に保持された状態の摺動体３に対して接触可能となるよう摺動体３の上方に配置されている。
　また、摺動体３と被摺動体４との間には、図示しない荷重用のモータによって摺動体３の上方から荷重が与えられた状態でそれぞれ保持される。この荷重は、図示しないロードセルによって計測されて、流体機器の軸封等に用いられるメカニカルシールの回転密封環と静止密封環とを近接せしめるバネ等の弾性手段の付勢力と同等となっている。
　また、被摺動体４は、ハウジング２の貫通孔２ｂに挿通された回転軸６の上端部に固定されており、回転軸６はモータ等の回転駆動源７に連結され、回転駆動源７の駆動によって回転可能となっている。また、回転軸６の外径側に位置する環状のシール１１により、回転軸６と貫通孔２ｂとの間が軸封されている。
　試験機３０は、共焦点走査型顕微鏡１６（オリンパス社製）を備えている。共焦点走査型顕微鏡１６は、レーザ光１０を照射する光源９、対物レンズ１８、ビームスプリッタ１９、検出器２０、検出器２０に入射した発光としての蛍光から散乱光を排除するピンホール１２、を有している。
　共焦点走査型顕微鏡１６の動作について簡単に説明する。光源９から照射されたレーザ光１０は、ビームスプリッタ１９により反射され、対物レンズ１８を通過し、さらに被摺動体４を透過して摺動体３の摺動部３ａに向けて照射される。摺動部３ａとは、摺動体３における被摺動体４との摺動箇所である摺動部３ａを指し、図7に示されるように、変質部３ｐと変質していない基材部３ｂとを含む摺動体３の表層部を意味する。レーザ光１０による観察対象の蛍光１７と観察対象で反射されたレーザ光とは、再度、被摺動体４を透過して対物レンズ１８で集められる。集められた光の内、反射されたレーザ光は、ビームスプリッタ１９によって反射され、蛍光１７のみが検出器２０側に通過する。蛍光１７は、検出器２０の手前でピンホール１２により散乱光が排除され、検出器２０に入射する。検出器２０では入射された蛍光１７が増幅される。図示しないが、ビームスプリッタ１９とピンホール１２との間に基材部３ｂが発する蛍光の波長を遮断するフィルタを設けておくことが好ましい。
　また、ビームスプリッタ１９は図示しない駆動機構により、微回動駆動されその反射角を変更可能となっており、レーザ光１０の照射方向を変化できるようになっており、レーザ光１０により摺動体３の摺動部３ａの表面を径方向に走査することができる。検出器２０では、入射した光をデジタルデータに変換し、観察対象の三次元画像を作成できる。
　また、試験機３０には、ハウジングを一定ピッチで回転および停止させるハウジング回転制御手段２３が設けられている。ハウジング回転制御手段２３としては具体的には、サーボモータ２４が使用されるが、ハウジング２の外周に歯車の歯を設け、基盤１側にラチェット機構を設け、この歯とラチェットとを噛み合わせることにしてもよい。このハウジング回転制御手段２３によるハウジング２の回転と、ビームスプリッタ１９の反射角の駆動によるレーザ光１０の径方向への走査と、を合わせて、共焦点走査型顕微鏡１６は摺動部３ａの全表面を走査することができる。検出器２０により検出された画像は、図示しないパソコン等の演算装置にて演算解析され、摺動部３ａの蛍光領域と、その面積の摺動部３ａ全表面に対する比率、さらに輝度分布を評価することができる。
　上記した試験片と試験機３０とを使用して、試験片である摺動体３の摺動部３ａの観察を行う実験について説明する。
　水中における摺動体３と被摺動体４との端面同士のすべり摩擦試験を行った。摩擦力は軸受によって支持された試験片冶具に付加される摩擦トルクより換算される。実験では、摺動体３と被摺動体４との間に荷重を与える荷重モータの荷重は、３２Ｎ，５３Ｎ，２１２Ｎとした。また、ハウジングの回転速度は１４２ｒｐｍ，２８４ｒｐｍ，１４２０ｒｐｍ，２８４０ｒｐｍとした。
　摺動体３の摺動以前の初期における表面粗さ（以後Ｒａという）は、Ｒａ＜０．１とＲａ＜０．０１のものを用意した。被摺動体４の摺動以前の初期におけるＲａは、Ｒａ＜０．０１のものを用意した。
　試験機３０を用いるとともに、上記の条件で摺動体３と被摺動体４とを摺動させた場合の、摺動体３（Ｒａ＜０．１）の摩擦係数の挙動は図３のようになった。図３から分かるように、摺動体３（Ｒａ＜０．１）の摩擦係数は、初期に比較的高い摩擦を示した後、急峻な摩擦係数の低下を伴い摩擦係数０．０５以下を維持した。
　図４は、摺動体３の摺動部３ａの算術平均高さ（Ｓａ）の結果を示すものであり、なじみ過程において急激に平滑なすべり面が形成され、低摩擦発現後もすべり距離と共にナノメートルオーダの変化を続けて超平滑なすべり面が形成されることが確認された。
　発明者らは、アモルファス化などＳｉＣが化学的に変化した変質部が蛍光を示すことを見出し、変質部を蛍光現象により観察・評価することで、なじみ過程を解明できることが判明したので以下詳細に説明する。
　共焦点走査型顕微鏡１６により摺動部３ａを観察すると、低摩擦を発現したすべり面は、摩耗紛によって埋められたポアが局所的に存在するものの、大部分が変質部であることが確認された。
　なじみ過程では、ＳｉＣの変質を伴う摩耗と摩耗粉がポアを埋める２つの作用が生じていると考えられる。そして、なじみ過程で急激に平滑なすべり面を形成してＳａが低下する時（図４参照）、蛍光領域は増加することが確認された（図５参照）。すなわち、すべり距離１００ｍから４００ｍにかけて、Ｓａは０．０５から０．０１に急減する一方、蛍光領域は２０％から８０％に急増することが確認された。このことから、Ｓａが低下する時、化学的に変化して低摩擦を発現する変質部が急増することが判明した。
　図６（ａ）は、すべり距離が９８ｍの摺動部３ａの表面を共焦点走査型顕微鏡１６で撮像したものであり、白抜きの部分が蛍光領域を示す。図６（ｂ）は、同様にすべり距離が２００ｍの蛍光領域を示す。蛍光領域は変質部３ｐであり、黒色部は変質していない基材部３ｂを示す。この図６と図５から、特に摩擦係数が上昇した９８ｍから２００ｍにおいてＳａと蛍光領域が共に顕著な変化を示し、蛍光領域の著しい増加が確認できた。また、なじみ初期（９８ｍ）や摩擦係数０．０５以下の低摩擦発現後の領域においても、僅かではあるが蛍光領域の拡大が確認でき、化学的変化は摩擦初期から低摩擦発現後も継続して生じていたことが明らかになった。つまり、低摩擦を発現したすべり面の大部分が変質部であることから、蛍光観察によって変質部の化学的変化を高感度に捉えることができる可能性が示唆された。
　以上より、摩擦エネルギーによるＳｉＣの化学的変化がトリガーとなって、ＳｉＣ表面が平滑に摩耗しながら、変質したＳｉＣから生じた摩耗粉がポアを埋める作用で幾何学的に安定し、変質部の化学的変化も安定した時に低摩擦界面が形成されることが分かった。
　また、ポアに埋まった摩耗紛は、変質部の発光輝度より高くなることが分かったため、演算装置による摺動部３ａの演算解析において、所定以上の輝度の領域を発光面積から除外するステップを行うことで、摺動部３ａの表面のポアに埋まった摩耗紛による影響を除外して、形成された変質部の面積を確実に評価できる。
　また、変質部で生じた化学変化について、ＴＥＭ観察および分光分析によって詳細を確認した。このＴＥＭ観察により、低摩擦を発現して間もないすべり面（例えばすべり距離５１９ｍのすべり面）と、低摩擦発現後に十分滑らせたすべり面（例えばすべり距離１０ｋｍのすべり面）とでは、いずれも基材のＳｉＣとは異なり変質部が大部分を占める厚さ数ｎｍのナノ界面が形成されていた。すべり距離５１９ｍから１０ｋｍまでに摩耗深さが約３０ｎｍ深くなったことを考慮すると、数ｎｍのナノ界面は摩耗と生成を繰り返していることが推定できる。
　以上の実験では、以下の結論を得た。
（１）蛍光観察は、低摩擦発生時の変質部の微小な化学的変化を高感度に検出し、ＳｉＣが変質した領域を蛍光領域として定量的に評価することが可能である。
（２）基材ＳｉＣの変質を伴う摩耗と摩耗粉が表面凹部を埋める２つの作用により、急激に平滑なすべり面を形成し、算術平均高さＳａが低下するなじみ過程において変質部が示す蛍光領域が増加する。
　このように、摺動体の表面評価方法は、ＳｉＣで形成された摺動体３と被摺動体４との間において、摺動体３の摺動部３ａにレーザ光１０を照射する第１ステップと、レーザ光１０が照射された変質部３ｐの発光である蛍光を検出する第２ステップと、摺動部３ａにおける発光状態の変化を導出する第３ステップと、を備えている。これによれば、ＳｉＣプラトー部が形成された発光状態の変化から、なじみ現象の進行状況を評価することができ、摩擦係数の低下を確実に評価することができる。
　また、レーザ光１０により摺動部３ａの全表面に亘って走査し、摺動部３ａの全表面に亘って発光面積を演算することで、摺動部３ａにおける低摩擦化されやすい領域等を評価することができる。例えば、径方向の特定の領域において「なじみ現象」が顕著であること等を評価できる。
　また、摺動部３ａの観察に共焦点走査型顕微鏡を用いることで、低い輝度である摺動部３ａの発光を確実に検出できる。
　また、摺動体３と被摺動体４との間には潤滑剤として水が供給されるようにした。これによれば、粘性が低い水を摺動部の潤滑剤として利用することで、摺動部３ａの表面のなじみ現象の進行状況を精度よく観察できる。
　なお、試験機３０は、共焦点走査型顕微鏡１６の対物レンズ１８の高さ位置を上下（Ｚ軸）方向に微移動可能な駆動装置（図示略）を備えてもよい。これによれば、図７に示されるように、共焦点走査型顕微鏡１６の焦点を摺動部３ａの深さ方向に微移動させることで、摺動部３ａを３次元的に解析し、形成された変質部３ｐの厚みを観察することができる。さらに、深さ毎の蛍光領域を観察することで、深さ毎の変質部３ｐの生成領域を観察することができる。ここで、摺動部３ａの変質部３ｐは概ね数μｍの厚さであるからこれらの観察は有意である。
　なお、前記実施例では、説明の便宜上、共焦点走査型顕微鏡１６にて観察される試験片として下側に配置されるものを摺動体３とし、その摺動相手として上側に配置されるものを被摺動体として説明したが、摺動体と被摺動体という言葉で観察対象が区別されるものではなく、観察対象は上側に配置される被摺動体の摺動部であってもよい。
　次に、実施例２に係る摺動体の表面評価方法及び摺動体の表面評価装置につき、図８を参照して説明する。尚、前記実施例と同一構成で重複する構成の説明を省略する。
　図８では、摺動体を円筒の部材に代えて棒状の部材３３とした。この場合には、被摺動体４の摺動部が観察対象となる。
　次に、実施例３に係る摺動体の表面評価方法及び摺動体の表面評価装置につき、図９を参照して説明する。尚、前記実施例と同一構成で重複する構成の説明を省略する。
　図９（ａ）では、被摺動体４０は、レーザ光が透過しにくい多結晶ＳｉＣにより円筒状に形成されている。この場合には、摺動体３と被摺動体４０とのすべり摩擦実験を行った後、被摺動体４０を取り外し、試験機３０の共焦点走査型顕微鏡１６を用いて摺動体３の摺動部３ａを観察する。この構成によれば、摺動体３と被摺動体４０とを、実際に用いられるメカニカルシールの回転密封環と静止密封環と場合と同様の素材にし、正確な摺動部の観察結果を得ることができる。
　また、図９（ｂ）は、図９（ａ）の変形例であり、被摺動体４１を円筒状に代えて棒状の部材とした。この場合には、摺動体３と被摺動体４１とが重ならない位置にて、共焦点走査型顕微鏡１６を用いて、被摺動体４１を取り外さずとも摺動体３の摺動部３ａを観察することができる。
　以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。
　例えば、摺動体の表面評価方法に利用される試験機は、上記した試験機３０の構成に限定されるものではない。
　また、被摺動体は単結晶ＳｉＣに代えて、ガラス等の光を透過する別の素材から作成されてもよい。このとき、摺動体との物理特性が近いものが好ましい。
　また、摺動部３ａに電磁波を照射す光源は、レーザ光源以外、例えばランプであってもよく、可視光に限らず、紫外線や赤外線等の不可視光の電磁波であってよい。
　また、摺動部３ａを観察する顕微鏡としては、上記した共焦点走査型顕微鏡以外のものを用いてもよい。
　また、基材が変質した変質部３１ｐとして結晶構造が基材から変質したアモルファスを例に説明したが、変質部は化学的、機械的、熱的等により材料特性が変質した部位であればよく、例えば酸化により変質した変質部が挙げられる。
　また、摺動体３は、セラミックス以外の素材から構成されていてもよいが、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３等のセラミックスが好ましい。
　また、摺動体３と被摺動体４との端面間に供給される潤滑剤としては水に限らず、例えば気体、溶媒、油であってもよい。
　また、前記実施例における図１では、ハウジング２に収容された水は、摺動体３と被摺動体４の外径側にのみ配置されているが、これに限らず、摺動体３と被摺動体４の内径側や、外径側と内径側の両側に配置されてもよい。なお、外径側と内径側に異なる種類の潤滑剤を配置してもよい。
　また、発光状態の変化は、発光面積と輝度の一方でも両方であってもよく、さらに発光面積と輝度以外の発光状態であってもよい。
１　　　　　　　　基盤
２　　　　　　　　ハウジング
２ａ　　　　　　　底面部
２ｂ　　　　　　　貫通孔
２ｃ　　　　　　　軸部
２ｄ　　　　　　　側面部
３　　　　　　　　摺動体
３ａ　　　　　　　摺動部
３ｂ　　　　　　　基材部
３ｐ　　　　　　　変質部
４　　　　　　　　被摺動体
５　　　　　　　　ベアリング
６　　　　　　　　回転軸
７　　　　　　　　回転駆動源
８　　　　　　　　水
９　　　　　　　　光源
１０　　　　　　　レーザ光
１１　　　　　　　シール
１２　　　　　　　ピンホール
１６　　　　　　　共焦点走査型顕微鏡
１７　　　　　　　蛍光
１８　　　　　　　対物レンズ
１９　　　　　　　ビームスプリッタ
２０　　　　　　　検出器
２３　　　　　　　ハウジング回転制御手段
２４　　　　　　　サーボモータ
３０　　　　　　　試験機

Claims (11)

  1. 　被摺動体に対し摺動する摺動体の摺動部に電磁波を照射する第１ステップと、
    　前記電磁波が照射された前記摺動部の発光を検出する第２ステップと、
    　前記摺動部における発光状態の変化を導出する第３ステップと、
    を含むことを特徴とする摺動体の表面評価方法。
  2. 　前記第１ステップは、前記摺動部の全表面に亘って前記電磁波を走査するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の摺動体の表面評価方法。
  3. 　前記第１ステップは、前記摺動体を回転駆動しながら前記摺動部に電磁波を照射するステップを含むことを特徴とする請求項２に記載の摺動体の表面評価方法。
  4. 　前記第１ステップは、前記摺動部における発光領域を導出するステップを含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の摺動体の表面評価方法。
  5. 　前記第３ステップは、所定以上の輝度の領域を前記発光領域から除外するステップを含むことを特徴とする請求項４に記載の摺動体の表面評価方法。
  6. 　前記第１ステップは、共焦点走査型顕微鏡により前記電磁波を走査するステップを含むことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の摺動体の表面評価方法。
  7. 　前記第１ステップは、前記共焦点走査型顕微鏡の焦点を前記摺動部の深さ方向に微移動させるステップを含むことを特徴とする請求項６に記載の摺動体の表面評価方法。
  8. 　摺動体を保持する保持部材と、
    　前記摺動体を回転駆動させる駆動手段と、
    　前記摺動体の摺動部に電磁波を照射する照射装置と、
    　前記電磁波が照射された前記摺動部の発光を検出する検出部と、
    　前記検出部により検出された前記発光から、前記摺動部における発光状態の変化を導出する演算装置と、
    　を備えることを特徴とする摺動体の表面評価装置。
  9. 　前記摺動体に対し摺動する被摺動体を保持可能な第２保持部材を備え、
    　前記被摺動体は前記電磁波及び前記発光を透過するものであり、前記照射装置は、前記被摺動体を通して前記摺動体の摺動部に前記電磁波を照射する位置に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の摺動体の表面評価装置。
  10. 　前記摺動体は多結晶ＳｉＣであり、前記被摺動体は単結晶ＳｉＣであることを特徴とする請求項９に記載の摺動体の表面評価装置。
  11. 　前記摺動体と前記被摺動体との間には潤滑剤として水が供給されることを特徴とする請求項９または１０に記載の摺動体の表面評価装置。
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