トライボケミカル反応促進面構造
【課題】小さな粗さを付与することにより容易に摩耗して新生面を生成でき、かつ新生面にきめ細かく摩擦調整剤が供給されるトライボケミカル反応促進構造を提供する。
【解決手段】第１部材１の摺動面１０と第２部材３の摺動面４とが、摩擦調整剤を含有する添加油潤滑下で相対的に摺動するトライボケミカル反応促進面構造である。少なくとも一方の摺動面にサブミクロンオーダーの凹凸高さと間隔を有するグレーティング状の周期構造２を形成した。
【解決手段】第１部材１の摺動面１０と第２部材３の摺動面４とが、摩擦調整剤を含有する添加油潤滑下で相対的に摺動するトライボケミカル反応促進面構造である。少なくとも一方の摺動面にサブミクロンオーダーの凹凸高さと間隔を有するグレーティング状の周期構造２を形成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トライボケミカル反応促進面構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車のエンジン等の摺動部材には、通常の潤滑油に加えて摩擦調整剤（添加剤）が含有されている。この摩擦調整剤は、摺動部材を摩擦させることにより、例えば二硫化モリブデン等の摩擦抵抗の極めて小さい反応生成物である固体潤滑膜を表面に生成する機能を有する。
【０００３】
ところで、摺動面の表面状態によって反応生成物の生成に影響を与えることが従来の研究で判明している（非特許文献１）。すなわち、酸化物等にて被覆された平滑な面同士を摺動させる場合、表面は安定な状態であるため化学反応は起こりにくい。一方、表面粗さを有する凹凸面では、応力集中により新生面が形成されやすくなる。原子間の結合が切られた新生面表面は活性な状態となる。この場合、摺動による摩擦にて発生する熱及びせん断力等の影響で摩擦調整剤自体も活性化され、金属面との反応が促進されて反応生成物が表面に形成される。
【０００４】
このように、平滑な鏡面より表面粗さを与えた面の方が化学反応が起こり易く、反応生成物が生成され易い。そこで、従来では摺動面に表面粗さを付与するために、エメリー紙や機械加工等にて意図的に凹凸を形成していた。
【非特許文献１】松舘心 久保朋生 七尾英孝 南一郎 森誠之 表面形状によるトライボケミカル反応と摩擦特性の制御 トライボロジー会議予稿集 佐賀 ２００７−９,（２００７）５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記のように、エメリー紙や機械加工等で表面粗さを付与すると、図２１に示すように、摺動面１０１には複数の凸部１０２と凹部１０３とからなる加工面が形成される。この凹凸は、幅（凸部１０２の頂点１０４から、隣接する凸部１０２の頂点１０４までの寸法）がａとなり、凹凸高さ（凸部１０２の頂点１０４から凹部１０３の谷底１０５までの寸法）がｂとなる。この場合、幅ａは数十μｍ〜数百μｍとなるとともに、凹凸高さｂは数μｍとなる。すなわち、幅ａと凹凸高さｂとのアスペクト比が極めて小さく、摺動面１０１はゆるやかなカーブとなっていた。
【０００６】
摺動部材の摺動により、摺動面１０１は図２１の矢印に示す方向、すなわち凸部１０２の頂点１０４から奥側に向かって削られて新生面が生成される。この場合、幅ａと高さ寸法ｂとのアスペクト比が極めて小さいため、他方の摺動面（図示省略）との接触点の曲率が大きい。このため、応力集中が生じにくく、新生面が効率的に生成されない。また、曲率が大きいと、他方の摺動面も凸部１０２の形状に沿って弾性変形を行い易くなり、摺動面１０１が他方の摺動面と当接する範囲が大きくなって、単位面積当たりの力が小さくなる。これらの理由から、新生面を生成するためには大きな粗さを付与する必要があった。大きな粗さを付与した場合、新生面の面積比が所定の値に達するまでには大きな摩耗量が必要となり、なじみ過程の長期化や摺動面の寸法変化という問題があった。
【０００７】
さらには、幅ａが大きいため、１つの凸部１０２の幅寸法も大きい。このため、１つの凸部１０２にて形成される新生面の面積が広くなる。これにより、新生面の中央部分（凸部１０２の頂点１０４の近傍）から凹部１０３までの寸法が長くなって、新生面の中央部分には摩擦調整剤が供給されにくく、新生面を生成しても摩擦調整剤が供給されずに化学反応が起こりにくいという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みて、小さな粗さを付与することにより容易に摩耗して新生面を生成でき、かつ新生面にきめ細かく摩擦調整剤が供給されるトライボケミカル反応促進構造を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のトライボケミカル反応促進面構造は、第１部材の摺動面と第２部材の摺動面とが、摩擦調整剤を含有する添加油潤滑下で相対的に摺動するトライボケミカル反応促進面構造であって、少なくとも一方の摺動面にサブミクロンオーダーの凹凸高さと間隔を有するグレーティング状の周期構造を形成したものである。
【００１０】
本発明では、摺動面の表面粗さに着眼するのではなく、接触点の曲率に着眼する。本発明のトライボケミカル反応促進面構造によれば、第１部材の摺動面と第２部材の摺動面のうち少なくとも一方の摺動面にサブミクロンオーダーの凹凸高さと間隔を有するグレーティング構造を形成しているので、従来の表面粗さ付与面と比較して凹凸の高さと間隔とのアスペクト比が大きくなる。これにより、表面粗さは小さいものの凸部の先端部の曲率が小さく（鋭く）なり、凸部の単位面積当たりにかかる力が大となる。また、凸部の先端部から、隣接する凸部の先端部までの間隔が小さいので、１つの凸部にて生成される新生面の面積が狭くなって、新生面全体に十分な量の摩擦調整剤がきめ細かく効率的に供給される。さらに、サブミクロンの摩耗量で十分な新生面の面積が確保される。ここで第１部材や第２部材としては、湿式クラッチ、エンジンのピストン、ギヤ、スプライン、すべり軸受、動弁系部品等の摺動部分を有する機械部品である。
【００１１】
前記グレーティング状の周期構造の方向を摺動方向と直交させることができる。すなわち、他の摺動面が凸部に当接した後、凹部を通過して隣の凸部に当接する。このように、他の摺動面は１間隔毎に新生面の生成と摩擦調整剤の供給とが繰り返されることになる。
【００１２】
一方の摺動面硬度を他方の摺動面硬度と相違させることができる。この場合、グレーティング状の周期構造を低硬度側摺動面に形成したり、グレーティング状の周期構造を高硬度側摺動面に形成したりすることができる。
【００１３】
少なくとも一方の摺動面に前記グレーティング状の周期構造より大きな高さと間隔とを有するうねりを形成し、このうねりに前記グレーティング状の周期構造を形成することができる。摺動面は、凹凸高さ分が削れると平滑な面となり、この場合に本発明の効果の寿命となる。そこで、うねりを形成することによって、摺動面全体に高低差をつけることにより、最も高い位置の凸部の頂点から最も低い位置の凹部の谷底までの寸法を大とすることができる。これにより、摺動面の一部の周期構造が摩滅して平滑化されても、他の低い部分の周期構造にて反応生成物が生成されて摺動面全体にいきわたらせることができ、摺動面全体が平滑化されるまで効果を維持することができる。
【００１４】
前記グレーティング構造部は、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のフェムト秒レーザを照射し、その照射部分をオーバラップさせながら走査して、自己組織的に形成することができる。この方法を用いると円筒面や複雑な形状にもグレーティング構造部を形成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のトライボケミカル反応促進面構造では、凸部の単位面積当たりにかかる力が大となるため、容易に摩耗して新生面が生成され、表面が活性な状態となる。また、新生面に十分な量の摩擦調整剤がきめ細かく効率的に供給されて、トライボケミカル反応が促進され、摩擦抵抗の極めて小さい反応生成物が表面に形成されて低摩擦摺動面を形成することができる。さらに、グレーティング状であるため、柱状構造より摩擦調整剤のリークが少なく、また、間隔が小さいため摩耗量も少ないという利点もある。加えて、なじみ過程において、凹部内に摩耗粉が逃げ込む（入り込む）ため、摩耗粉の噛み込みを防止できて、低摩擦面を安定して確保できる。
【００１６】
前記グレーティング状の周期構造の方向を摺動方向に直交させると、１つの間隔（周期）毎に、新生面の生成と摩擦調整剤の供給が繰り返されることになって、効率的にトライボケミカル反応を促進させることができる。
【００１７】
一方の摺動面硬度を他方の摺動面硬度と相違させると、低硬度側に生成される新生面が平滑化されることにより、反応生成物が形成された凹凸の少ない均一な摺動面を形成することができて摩擦抵抗を小とすることができる。
【００１８】
前記グレーティング状の周期構造より大きな高さと間隔とを有するうねりを形成すると、一部の周期構造が摩滅しても、他の周期構造にて摩擦の低い反応生成物が生成されて摺動面全体にいきわたらせることができ、長寿命化を図ることができる。
【００１９】
グレーティング構造部は、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を持つグレーティング構造部をほとんど加工変質することなく平面、円筒面、その他複雑な曲面上にも形成できる。また、フェムト秒レーザを用いてグレーティング構造部を形成する場合、大気中での加工が可能であり、加工装置の簡略化を図ることができる。これに対して、電子ビーム加工であれば、ワークである被加工物を、例えば真空チャンバーなどに収容して、真空雰囲気下、もしくは所定のガス雰囲気下で加工する必要があり、装置のコスト高および大型化を招くことになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下本発明の実施の形態を図１〜図２０に基づいて説明する。
【００２１】
本発明のトライボケミカル反応促進面構造は、第１部材１の摺動面１０と第２部材３の摺動面４とが相対的に摺動するものである。本実施形態では、図１に示すように、第１部材１を平板体とし、第２部材３を先端が球面のピンとしている。第１部材１と第２部材３とは、潤滑油に摩擦調整剤（添加剤）を含有する添加油潤滑下で摺動する。潤滑油としては、タービンオイル、エンジンオイル、ギヤオイル等種々のものが使用できる。摩擦調整剤としては、高級脂肪酸、高級アルコール、脂肪族アミン、アミド、エステル等の油性向上剤、硫黄、りん、塩素、有機金属等の化合物を含む極圧添加剤、二硫化モリブデン、グラファイト、セラミック粉末（ボロン系を含む）、微細金属粉等の固形材料を含む固体潤滑剤等種々のものが使用できる。
【００２２】
第１部材１の材質としては、SUJ2（高炭素クロム軸受鋼鋼材JIS G4805）を使用している。また、第２部材３は、超硬合金を使用している。ここで、超硬合金（ちょうこうごうきん、Cemented Carbide）とは、硬質の金属炭化物の粉末を焼結して作られる合金で、単に超硬とも呼ばれる。一般的には炭化タングステン（WC、タングステン・カーバイド）と結合剤（バインダ）であるコバルト（Co）を混合して焼結したものである。また、材料特性を向上させるために炭化チタン（TiC）や炭化タンタル（TaC）などを加えたものであってもよい。これにより、第１部材１の摺動面硬度が、第２部材３の摺動面硬度よりも低くなっている。すなわち、グレーティング構造部２は、低硬度側摺動面に形成している。これにより、低硬度側である第１部材１が摩耗することになる。
【００２３】
第１部材１の摺動面１０には、図２や図３に示すようなグレーティング構造部２を設けている。グレーティング構造部２は、微小の凹部（凹条）５と微小の凸部（凸条）６とが交互に所定ピッチでほぼ平行に配設され、正弦曲線に近い断面形状となっている。凹凸は、間隔（凸部６の頂点から、隣接する凸部６の頂点までの寸法）がＡであり、凹凸高さ（凸部６の頂点から凹部５の谷底までの寸法）がＢである。この場合、間隔Ａはサブミクロンオーダーの寸法であり、凹凸高さＢもサブミクロンオーダーの寸法としている。本実施形態においては、Ａは０．７μｍであり、Ｂは０．２μｍであり、間隔Ａと凹凸高さＢとのアスペクト比Ｂ／Ａは２／７である。なお、アスペクト比が０．１未満では十分な摩擦調整剤の保持が困難となり、０．５を超えると摩耗量やなじみ過程が増大するため、アスペクト比の最適な範囲としては、０．１〜０．５が好ましい。これにより、従来のグレーティング構造部と本実施形態のグレーティング構造部２とを所定長さ内で比較した場合、従来のグレーティング構造部では凸部の配設ピッチが疎であるのに対し、本実施形態のグレーティング構造部２は凸部６のピッチを密とすることができる。
【００２４】
これにより、通常の表面粗さより高いアスペクト比となるサブミクロンオーダーの凹凸高さＢと間隔Ａをもち、方向が制御された微細周期構造を摺動面１０に形成することができる。すなわち、凸部６の先端部の曲率が小さくなり（鋭くなり）、凸部６の単位面積当たりにかかる力が大となる。また、間隔Ａが小さいので、１つの凸部６にて生成される新生面の面積が狭くなって、新生面全体に十分な量の摩擦調整剤が効率的に供給される。これにより、トライボケミカル反応が促進され、摩擦抵抗の極めて小さい反応生成物が表面に形成される。
【００２５】
第１部材１と第２部材３との摺動は、第２部材３を固定して、第１部材１を図１や図３の矢印に示す方向に往復動させている。すなわち、グレーティング構造部２の方向は摺動方向と直交している。これにより、第２部材３の摺動面４が凸部６に当接した後、凹部５を通過して隣の凸部６に当接することになる。このように、第２部材３摺動面４は１間隔毎に新生面の生成と摩擦調整剤の供給とが繰り返されることになる。
【００２６】
グレーティング構造部２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４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。
【００２７】
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が偏光方向に直交して自己組織的に形成される。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。
【００２８】
レーザの走査は、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。
【００２９】
このように、本発明のトライボケミカル反応促進面構造は、凸部６の単位面積当たりにかかる力が大となるため、摺動開始直後は容易に摩耗して新生面が生成され、表面が活性な状態となる。また、新生面に十分な量の摩擦調整剤がきめ細かく効率的に供給されて、トライボケミカル反応が促進され、摩擦抵抗の極めて小さい反応生成物が表面に形成されて低摩擦摺動面を形成することができる。低摩擦摺動面が形成されると摩耗速度は大きく低下する。さらに、周期構造がグレーティング状であるため、柱状構造より摩擦調整剤のリークが少なく、また、間隔Ａが小さいため摩耗量も少ないという利点もある。加えて、なじみ過程において、凹部５内に摩耗粉が逃げ込む（入り込む）ため、摩耗粉の噛み込みを防止できて、低摩擦面を安定して確保できる。
【００３０】
前記グレーティング状の周期構造の方向を摺動方向に直交させると、１間隔（周期）毎に、新生面の生成と摩擦調整剤の供給が繰り返されることになって、効率的にトライボケミカル反応を促進させることができる。
【００３１】
グレーティング構造部２を、低硬度側摺動面に形成しているため、低硬度側であるグレーティング構造部２の凸部６の頂点が摩耗することになって、プラトー状の均一な摺動面を形成することができて摩擦抵抗を小とすることができる。
【００３２】
グレーティング構造部２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を持つグレーティング構造部をほとんど加工変質することなく平面、円筒面、その他複雑な曲面上にも形成できる。また、フェムト秒レーザを用いてグレーティング構造部を形成する場合、大気中での加工が可能であり、加工装置の簡略化を図ることができる。これに対して、電子ビーム加工であれば、ワークである被加工物を、例えば真空チャンバーなどに収容して、真空雰囲気下、もしくは所定のガス雰囲気下で加工する必要があり、装置のコスト高および大型化を招くことになる。
【００３３】
図５は、本発明の第２実施形態のトライボケミカル反応促進面構造である。この場合、低硬度側の第１部材１の摺動面１０に、グレーティング状の周期構造２より大きな間隔Ｃと高さＤとを有するうねりを形成し、このうねりにグレーティング状の周期構造２を形成している。前記第１実施形態においては、凹凸高さ分が削れると摺動面１０は平滑な面となって、本発明の効果の寿命となる。そこで、摺動面１０にうねりを形成することによって、摺動面全体に高低差をつけることにより、最も高い位置の凸部６の頂点から最も低い位置の凹部５の谷底までの寸法を大とすることができる。これにより、摺動面の一部の周期構造が摩滅して平滑化されても、他の低い部分の周期構造にて反応生成物が生成されて摺動面全体にいきわたらせることができ、摺動面全体が平滑化されるまで効果を維持することができる。
【００３４】
このように、本発明の第２実施形態のトライボケミカル反応促進面構造では、前記グレーティング状の周期構造より大きな間隔Ｃと高さＤとを有するうねりを形成すると、一部の周期構造が摩滅しても、他の周期構造にて摩擦の低い反応生成物が生成されて摺動面全体にいきわたらせることができ、長寿命化を図ることができる。なお、なお、図５に示すトライボケミカル反応促進面構造において、図１と同様の構成については、図１と同一符号を付してその説明を省略する。
【００３５】
前記各実施形態では、第１部材１の摺動面硬度が、第２部材３の摺動面硬度よりも低いものであったが、第１部材１の摺動面硬度が第２部材３の摺動面硬度よりも高いものであってもよい。また、グレーティング構造部２を、高硬度側摺動面に形成してもよい。また、SUJ2や超硬合金の他にも、SUS440C（マルテンサイト系ステンレス）等種々の材質を使用することができる。
【００３６】
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、グレーティング構造部２の間隔Ａや凹凸高さＢとしては、０．７μｍや０．２μｍでなくてもよく、サブミクロンオーダーであればこれに限られるものではない。グレーティング構造部２を第２部材３の摺動面４に形成してもよい。
【００３７】
第１部材１と第２部材３の摺動としては、第１部材１を固定して、第２部材３を往復動させてもよく、両者を往復動させてもよい。また、摺動時に往復動させることなく、往動又は復動のみにおいて摺動させるようにしてもよい。一方の部材が回転するものであってもよい。第１部材１や第２部材３の形状としては、実施形態のものに限られず、平板同士であっても円板同士であってもよく、筒状体の部材に他方の部材を摺動させるものであってもよい。第１部材１及び第２部材３としては、例えば、湿式クラッチ、エンジンのピストン、ギヤ、スプライン、すべり軸受、動弁系部品等に使用することができる。摺動ストロークや摺動時における押圧荷重等は、グレーティング構造部２の周期ピッチや摺動速度等に応じて任意に設定することができる。
【００３８】
摺動方向としては、実施形態のように、グレーティング方向と略直交とするのが好ましいが、グレーティング方向と略平行するものであっても、グレーティング方向に対して所定角（例えば４５度）に傾斜するものであってもよい。
【００３９】
グレーティング構造部２を形成する場合、フェムト秒レーザを使用することなく、電子ビーム加工機等の他の工具を使用してもよい。
【実施例】
【００４０】
図１に示すように、周期構造（グレーティング構造部２）を形成したプレート１に対し、相手部材であるピン（円柱体）３を押し当て往復摺動させた。プレート１及びピン３の材質は、それぞれ超硬合金、SUJ2、SUS440Cの３種類とした。プレート１はバフ研磨によりＲａ０．０５μｍ、に仕上げ、グレーティング構造部２はプレート１のみに形成した。周期構造形成後の表面粗さは、Ｒａ０．１３μｍとなった。グレーティング構造部２の方向は摺動方向に対して直交および平行の２種類とした。ピン３の先端形状は、半径５ｍｍの半球形とした。摺動面にはタービンオイル（VG３２）を供給し、添加剤にはジアルキルジチオカルバミン酸モリブデン（Mo-DTC）を使用した。添加剤濃度は９５０ｐｐｍとした。摺動速度１０ｍｍ／ｓ、摺動ストロークは１０ｍｍ、垂直荷重は５Ｎで１０００往復させ、その間の摺動抵抗をロードセルによりサンプリング周波数５Ｈｚで測定した。摩擦係数は、ストローク端点を除いた平均測定値から算出した。
【００４１】
鏡面及びグレーティング方向が摺動方向に対して平行（略平行）する周期構造（平行周期構造）を形成した超硬合金プレート上で、SUJ2ピン（SUJ2にて形成された円柱体）を摺動させた際の摩擦係数の変化を図６に示す。図６（ａ）は、摩擦調整剤を含まない場合を示し、図６（ｂ）は、摩擦調整剤を含む場合を示す。摩擦調整剤を含まないタービンオイル潤滑下では、図６（ａ）に示すように、周期構造の有無にかかわらず摩擦係数はほぼ一定となった。これに対して、摩擦調整剤を含むタービンオイル潤滑下では、図６（ｂ）に示すように、平行周期構造プレートの摩擦係数は大きく低減されることがわかった。
【００４２】
鏡面および平行周期構造、グレーティング方向が摺動方向に対して直交する直交周期構造を形成した超硬合金プレートに対し、各種ピンを２０ｍ摺動させた際の摩擦係数を図７に示す。ハッチングは、鏡面プレートであり、ドットは平行周期構造プレートであり、白色は直交周期構造プレートを示す。SUJ2ピンの摩擦係数は周期構造の方向に依存することなく、平行周期構造プレートおよび直交周期構造プレートに対し、０．０７〜０．０８となり、鏡面プレートよりも大きく低減された。また、SUS440Cピン（SUS440Cにて形成された円柱体）の摩擦係数は周期構造の方向に強い依存性を示した。平行周期構造プレートでは鏡面プレートより高い摩擦係数を示したのに対し、直交周期構造プレートでは０．０８まで摩擦係数が低減された。同一材同士の摺動となる超硬合金ピンの摩擦係数は、周期構造の方向によらず鏡面プレートよりも高い値となった。
【００４３】
また、超硬合金プレートによりピンの平滑化が見られた。２０ｍ摺動後のSUJ2ピンの摺動面写真及び断面プロファイル図を図８〜図１０に示し、図８（ａ）は鏡面プレートに対し摺動させたSUJ2ピンの摺動面写真、図８（ｂ）は図８（ａ）の断面プロファイル図であり、図９（ａ）は平行周期構造プレートに対し摺動させたSUJ2ピンの摺動面写真、図９（ｂ）は図９（ａ）の断面プロファイル図であり、図１０（ａ）は直交周期構造プレートに対し摺動させたSUJ2ピンの摺動面写真、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の断面プロファイル図である。鏡面プレートに摺動させたSUJ2ピンには変色領域が見られるが、目だった摩耗は見られない。一方、周期構造に摺動させたSUJ2ピンの摺動面は平滑化されており、平行周期構造プレート上で摺動させたピンは直交周期構造プレート上で摺動させたピンより広範囲に平滑化された新生面が生成されていることがわかる。平行周期構造プレート及び直交周期構造プレートに対するピンの低摩擦化は、摩擦調整剤とのトライボケミカル反応の促進とピンの平滑化が主要因である。
【００４４】
さらに、超硬合金プレートに対して２０ｍ摺動後のSUS440Cピンの摺動面写真及び断面プロファイル図を図１１〜図１３に示し、図１１（ａ）は鏡面プレートに対し摺動させたSUS440Cピンの摺動面写真、図１１（ｂ）は図１１（ａ）の断面プロファイル図であり、図１２（ａ）は平行周期構造プレートに対し摺動させたSUS440Cピンの摺動面写真、図１２（ｂ）は図１２（ａ）の断面プロファイル図であり、図１３（ａ）は直交周期構造プレートに対し摺動させたSUS440Cピンの摺動面写真、図１３（ｂ）は図１３（ａ）の断面プロファイル図である。鏡面プレートに摺動させたSUS440Cピンでは目立った摩耗は見られないが、周期構造プレートに摺動させたSUS440Cピンの摺動面は平滑化されており、平行周期構造プレート上で摺動させたピンは、直交周期構造プレート上で摺動させたピンより広範囲に平滑化された新生面が生成されている。しかしながら、図７に示すように、平行周期構造プレートでは低摩擦化が起こらず、直交周期構造プレートのみで低摩擦化が生じている。これは、直交周期構造が平行周期構造よりも高いトライボケミカル反応促進機能を有することに起因するためである。すなわち、直交周期構造では、１つの間隔（周期）毎に、新生面の形成と添加剤の供給が繰り返されることになって、効率的にトライボケミカル反応を促進させることができる一方、平行周期構造では、新生面への摩擦調整剤供給の機会が減少するためである。
【００４５】
次に、鏡面および平行周期構造、直交周期構造を形成したSUJ2プレートに対し、各種ピンを２０ｍ摺動させた際の摩擦係数を図１４に示す。ハッチングは、鏡面プレートであり、ドットは平行周期構造プレートであり、白色は直交周期構造プレートを示す。SUJ2ピン及びSUS440Cピンの摩擦係数はSUJ2プレートに周期構造を形成することにより上昇したのに対し、超硬合金ピンの摩擦係数は大きく低減された。
【００４６】
SUJ2プレートに対する超硬合金ピンの摩擦係数の変化を図１５に示す。超硬合金ピンの鏡面プレートに対する摩擦係数は、摺動直後に０．１を下回ったが、摺動距離４ｍ以降は０．１１程度で安定した。一方、平行周期構造プレート及び直交周期構造プレートでは、摺動距離１０ｍ付近まで摩擦係数が低下傾向を示し、その後０．０７程度で安定した。
【００４７】
超硬合金ピンによるSUJ2プレートの摺動面写真及び断面プロファイル図を図１６及び図１７に示す。図１６（ａ）は鏡面プレートの摺動面写真、図１６（ｂ）は断面プロファイル図であり、図１７（ａ）は直交周期構造プレートの摺動面写真、図１７（ｂ）は断面プロファイル図である。図１６より、鏡面プレートの場合、摺動痕の表面粗さが非摺動部より大きくなっていることがわかる。一方、図１７より、直交周期構造プレートの場合、摺動痕の表面粗さは鏡面プレートより小さくなっている。図１７（ａ）のＩ（高接触面圧部）における周期構造のＳＥＭ像を図１８（ａ）に示し、ＩＩ（低接触面圧部）における周期構造のＳＥＭ像を図１８（ｂ）に示す。Ｉでは、周期構造の摩耗が認められるが、なお周期構造の溝は残存している。ＩＩでは、周期構造は凸部先端にわずかな摩耗が認められるが、ほぼ形態を留めている。超硬合金のピンによる摺動実験後の周期構造の断面プロファイルを図１９に示す。周期構造の凸部先端が平滑化され、高さの極めて揃ったプラトー状の形態となっている。硬度の高い超硬合金ピンを摺動させると、突出した周期構造の凸部先端は容易に摩耗する。このとき、摩耗粉は溝部に排出されるため、摩耗粉の凝着が抑制される。この結果、全体の高さが極めて揃ったプラトー状の形態になる。この際に生じる新生面に対し、周期構造部からきめ細かく摩擦調整剤が供給されることでトライボケミカル反応が活発に生じる。低摩擦化した超硬合金ピンからは、Mo-DTCのトライボケミカル反応生成物である二硫化モリブデンが検出された。したがって、SUJ2周期構造プレートに対する超硬合金ピンの低摩擦化はトライボケミカル反応の促進とプレートのプラトー化が主要因である。プラトー化が進むと、接触面圧は低下するため摩耗速度が小さくなり、安定した低摩擦摺動面が得られる。SUJ2ピンおよびSUS440Cピンの場合、SUJ2プレートと硬度差が小さく、双方に同程度の摩耗が生じる。したがって、ピンまたはプレートを基準とした平滑面が得られないことから低摩擦化が生じなかった。
【００４８】
次に、鏡面プレート、平行周期プレート、直交周期プレートを形成したSUS440Cプレートに対し、各種ピンを２０ｍ摺動させた際の摩擦係数を図２０に示す。ハッチングは、鏡面プレートであり、ドットは平行周期構造プレートであり、白色は直交周期構造を示す。SUJ2ピン及びSUS440Cピンの摩擦係数はSUS440Cプレートに周期構造を形成しても、ほとんど変化は見られなかった。超硬合金ピンの摩擦係数は直交周期構造プレートでのみ低減された。摩擦係数の低減傾向は本実施例で用いた3種類のプレートで最も小さくなった。これは、SUS440Cの活性が低く、摩擦調整剤との反応が起こりにくいためである。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１実施形態を示すトライボケミカル反応促進面構造の簡略斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態を示すトライボケミカル反応促進面構造の要部拡大簡略断面図である。
【図３】前記図１のトライボケミカル反応促進面構造の拡大斜視図である。
【図４】グレーティング構造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。
【図５】本発明の第２実施形態を示すトライボケミカル反応促進面構造の要部拡大簡略断面図である。
【図６】鏡面および平行周期構造を形成した超硬合金プレートにSUJ2ピンを摺動させた際の摩擦係数の変化を示し、（ａ）は摩擦調整剤を含まない場合のグラフ図であり、（ｂ）は摩擦調整剤を含む場合のグラフ図である。
【図７】鏡面および平行周期構造、直交周期構造を形成した超硬合金プレートに対し、超硬合金、SUJ2、SUS440Cのピンを２０ｍ摺動させた際の摩擦係数を示すグラフ図である。
【図８】鏡面の超硬合金プレートに対し２０ｍ摺動後のSUJ2ピンを示し、（ａ）はSUJ2ピンの摺動面写真、（ｂ）はその断面プロファイル図である。
【図９】平行周期構造を形成した超硬合金プレートに対し２０ｍ摺動後のSUJ2ピンを示し、（ａ）はSUJ2ピンの摺動面写真、（ｂ）はその断面プロファイル図である。
【図１０】直交周期構造を形成した超硬合金プレートに対し２０ｍ摺動後のSUJ2ピンを示し、（ａ）はSUJ2ピンの摺動面写真、（ｂ）はその断面プロファイル図である。
【図１１】鏡面の超硬合金プレートに対し２０ｍ摺動後のSUS440Cピンを示し、（ａ）はSUS440Cピンの摺動面写真、（ｂ）はその断面プロファイル図である。
【図１２】平行周期構造を形成した超硬合金プレートに対し２０ｍ摺動後のSUS440Cピンを示し、（ａ）はSUS440Cピンの摺動面写真、（ｂ）はその断面プロファイル図である。
【図１３】直交周期構造を形成した超硬合金プレートに対し２０ｍ摺動後のSUS440Cピンを示し、（ａ）はSUS440Cピンの摺動面写真、（ｂ）はその断面プロファイル図である。
【図１４】鏡面および平行周期構造、直交周期構造を形成したSUJ2プレートに対し、超硬合金、SUJ2、SUS440Cのピンを２０ｍ摺動させた際の摩擦係数を示すグラフ図である。
【図１５】SUJ2プレートに対する超硬合金ピンの摩擦係数の変化を示すグラフ図である。
【図１６】超硬合金ピンによるSUJ2プレートの摺動面を示し、（ａ）は鏡面プレートの摺動面写真、（ｂ）はその断面プロファイル図である。
【図１７】超硬合金ピンによるSUJ2プレートの摺動面を示し、（ａ）は直交周期構造プレートの摺動面、（ｂ）はその断面プロファイル図である。
【図１８】前記図１７（ａ）の詳細を示し、（ａ）は高接触面圧部におけるＳＥＭ像、（ｂ）は低接触面圧部におけるＳＥＭ像である。
【図１９】SUJ2プレートに形成された周期構造の超硬合金ピンによる摺動実験後の断面プロファイル図である。
【図２０】鏡面および平行周期構造、直交周期構造を形成したSUS440Cプレートに対し、超硬合金、SUJ2、SUS440Cのピンを２０ｍ摺動させた際の摩擦係数を示すグラフ図である。
【図２１】従来のトライボケミカル反応促進面構造の要部拡大簡略断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 第１部材
２ 周期構造
３ 第２部材
４、１０ 摺動面
５ 凹部
６ 凸部
Ａ 間隔
Ｂ 凹凸高さ
Ｃ 間隔
Ｄ 高さ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トライボケミカル反応促進面構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車のエンジン等の摺動部材には、通常の潤滑油に加えて摩擦調整剤（添加剤）が含有されている。この摩擦調整剤は、摺動部材を摩擦させることにより、例えば二硫化モリブデン等の摩擦抵抗の極めて小さい反応生成物である固体潤滑膜を表面に生成する機能を有する。
【０００３】
ところで、摺動面の表面状態によって反応生成物の生成に影響を与えることが従来の研究で判明している（非特許文献１）。すなわち、酸化物等にて被覆された平滑な面同士を摺動させる場合、表面は安定な状態であるため化学反応は起こりにくい。一方、表面粗さを有する凹凸面では、応力集中により新生面が形成されやすくなる。原子間の結合が切られた新生面表面は活性な状態となる。この場合、摺動による摩擦にて発生する熱及びせん断力等の影響で摩擦調整剤自体も活性化され、金属面との反応が促進されて反応生成物が表面に形成される。
【０００４】
このように、平滑な鏡面より表面粗さを与えた面の方が化学反応が起こり易く、反応生成物が生成され易い。そこで、従来では摺動面に表面粗さを付与するために、エメリー紙や機械加工等にて意図的に凹凸を形成していた。
【非特許文献１】松舘心 久保朋生 七尾英孝 南一郎 森誠之 表面形状によるトライボケミカル反応と摩擦特性の制御 トライボロジー会議予稿集 佐賀 ２００７−９,（２００７）５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記のように、エメリー紙や機械加工等で表面粗さを付与すると、図２１に示すように、摺動面１０１には複数の凸部１０２と凹部１０３とからなる加工面が形成される。この凹凸は、幅（凸部１０２の頂点１０４から、隣接する凸部１０２の頂点１０４までの寸法）がａとなり、凹凸高さ（凸部１０２の頂点１０４から凹部１０３の谷底１０５までの寸法）がｂとなる。この場合、幅ａは数十μｍ〜数百μｍとなるとともに、凹凸高さｂは数μｍとなる。すなわち、幅ａと凹凸高さｂとのアスペクト比が極めて小さく、摺動面１０１はゆるやかなカーブとなっていた。
【０００６】
摺動部材の摺動により、摺動面１０１は図２１の矢印に示す方向、すなわち凸部１０２の頂点１０４から奥側に向かって削られて新生面が生成される。この場合、幅ａと高さ寸法ｂとのアスペクト比が極めて小さいため、他方の摺動面（図示省略）との接触点の曲率が大きい。このため、応力集中が生じにくく、新生面が効率的に生成されない。また、曲率が大きいと、他方の摺動面も凸部１０２の形状に沿って弾性変形を行い易くなり、摺動面１０１が他方の摺動面と当接する範囲が大きくなって、単位面積当たりの力が小さくなる。これらの理由から、新生面を生成するためには大きな粗さを付与する必要があった。大きな粗さを付与した場合、新生面の面積比が所定の値に達するまでには大きな摩耗量が必要となり、なじみ過程の長期化や摺動面の寸法変化という問題があった。
【０００７】
さらには、幅ａが大きいため、１つの凸部１０２の幅寸法も大きい。このため、１つの凸部１０２にて形成される新生面の面積が広くなる。これにより、新生面の中央部分（凸部１０２の頂点１０４の近傍）から凹部１０３までの寸法が長くなって、新生面の中央部分には摩擦調整剤が供給されにくく、新生面を生成しても摩擦調整剤が供給されずに化学反応が起こりにくいという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みて、小さな粗さを付与することにより容易に摩耗して新生面を生成でき、かつ新生面にきめ細かく摩擦調整剤が供給されるトライボケミカル反応促進構造を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のトライボケミカル反応促進面構造は、第１部材の摺動面と第２部材の摺動面とが、摩擦調整剤を含有する添加油潤滑下で相対的に摺動するトライボケミカル反応促進面構造であって、少なくとも一方の摺動面にサブミクロンオーダーの凹凸高さと間隔を有するグレーティング状の周期構造を形成したものである。
【００１０】
本発明では、摺動面の表面粗さに着眼するのではなく、接触点の曲率に着眼する。本発明のトライボケミカル反応促進面構造によれば、第１部材の摺動面と第２部材の摺動面のうち少なくとも一方の摺動面にサブミクロンオーダーの凹凸高さと間隔を有するグレーティング構造を形成しているので、従来の表面粗さ付与面と比較して凹凸の高さと間隔とのアスペクト比が大きくなる。これにより、表面粗さは小さいものの凸部の先端部の曲率が小さく（鋭く）なり、凸部の単位面積当たりにかかる力が大となる。また、凸部の先端部から、隣接する凸部の先端部までの間隔が小さいので、１つの凸部にて生成される新生面の面積が狭くなって、新生面全体に十分な量の摩擦調整剤がきめ細かく効率的に供給される。さらに、サブミクロンの摩耗量で十分な新生面の面積が確保される。ここで第１部材や第２部材としては、湿式クラッチ、エンジンのピストン、ギヤ、スプライン、すべり軸受、動弁系部品等の摺動部分を有する機械部品である。
【００１１】
前記グレーティング状の周期構造の方向を摺動方向と直交させることができる。すなわち、他の摺動面が凸部に当接した後、凹部を通過して隣の凸部に当接する。このように、他の摺動面は１間隔毎に新生面の生成と摩擦調整剤の供給とが繰り返されることになる。
【００１２】
一方の摺動面硬度を他方の摺動面硬度と相違させることができる。この場合、グレーティング状の周期構造を低硬度側摺動面に形成したり、グレーティング状の周期構造を高硬度側摺動面に形成したりすることができる。
【００１３】
少なくとも一方の摺動面に前記グレーティング状の周期構造より大きな高さと間隔とを有するうねりを形成し、このうねりに前記グレーティング状の周期構造を形成することができる。摺動面は、凹凸高さ分が削れると平滑な面となり、この場合に本発明の効果の寿命となる。そこで、うねりを形成することによって、摺動面全体に高低差をつけることにより、最も高い位置の凸部の頂点から最も低い位置の凹部の谷底までの寸法を大とすることができる。これにより、摺動面の一部の周期構造が摩滅して平滑化されても、他の低い部分の周期構造にて反応生成物が生成されて摺動面全体にいきわたらせることができ、摺動面全体が平滑化されるまで効果を維持することができる。
【００１４】
前記グレーティング構造部は、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のフェムト秒レーザを照射し、その照射部分をオーバラップさせながら走査して、自己組織的に形成することができる。この方法を用いると円筒面や複雑な形状にもグレーティング構造部を形成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のトライボケミカル反応促進面構造では、凸部の単位面積当たりにかかる力が大となるため、容易に摩耗して新生面が生成され、表面が活性な状態となる。また、新生面に十分な量の摩擦調整剤がきめ細かく効率的に供給されて、トライボケミカル反応が促進され、摩擦抵抗の極めて小さい反応生成物が表面に形成されて低摩擦摺動面を形成することができる。さらに、グレーティング状であるため、柱状構造より摩擦調整剤のリークが少なく、また、間隔が小さいため摩耗量も少ないという利点もある。加えて、なじみ過程において、凹部内に摩耗粉が逃げ込む（入り込む）ため、摩耗粉の噛み込みを防止できて、低摩擦面を安定して確保できる。
【００１６】
前記グレーティング状の周期構造の方向を摺動方向に直交させると、１つの間隔（周期）毎に、新生面の生成と摩擦調整剤の供給が繰り返されることになって、効率的にトライボケミカル反応を促進させることができる。
【００１７】
一方の摺動面硬度を他方の摺動面硬度と相違させると、低硬度側に生成される新生面が平滑化されることにより、反応生成物が形成された凹凸の少ない均一な摺動面を形成することができて摩擦抵抗を小とすることができる。
【００１８】
前記グレーティング状の周期構造より大きな高さと間隔とを有するうねりを形成すると、一部の周期構造が摩滅しても、他の周期構造にて摩擦の低い反応生成物が生成されて摺動面全体にいきわたらせることができ、長寿命化を図ることができる。
【００１９】
グレーティング構造部は、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を持つグレーティング構造部をほとんど加工変質することなく平面、円筒面、その他複雑な曲面上にも形成できる。また、フェムト秒レーザを用いてグレーティング構造部を形成する場合、大気中での加工が可能であり、加工装置の簡略化を図ることができる。これに対して、電子ビーム加工であれば、ワークである被加工物を、例えば真空チャンバーなどに収容して、真空雰囲気下、もしくは所定のガス雰囲気下で加工する必要があり、装置のコスト高および大型化を招くことになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下本発明の実施の形態を図１〜図２０に基づいて説明する。
【００２１】
本発明のトライボケミカル反応促進面構造は、第１部材１の摺動面１０と第２部材３の摺動面４とが相対的に摺動するものである。本実施形態では、図１に示すように、第１部材１を平板体とし、第２部材３を先端が球面のピンとしている。第１部材１と第２部材３とは、潤滑油に摩擦調整剤（添加剤）を含有する添加油潤滑下で摺動する。潤滑油としては、タービンオイル、エンジンオイル、ギヤオイル等種々のものが使用できる。摩擦調整剤としては、高級脂肪酸、高級アルコール、脂肪族アミン、アミド、エステル等の油性向上剤、硫黄、りん、塩素、有機金属等の化合物を含む極圧添加剤、二硫化モリブデン、グラファイト、セラミック粉末（ボロン系を含む）、微細金属粉等の固形材料を含む固体潤滑剤等種々のものが使用できる。
【００２２】
第１部材１の材質としては、SUJ2（高炭素クロム軸受鋼鋼材JIS G4805）を使用している。また、第２部材３は、超硬合金を使用している。ここで、超硬合金（ちょうこうごうきん、Cemented Carbide）とは、硬質の金属炭化物の粉末を焼結して作られる合金で、単に超硬とも呼ばれる。一般的には炭化タングステン（WC、タングステン・カーバイド）と結合剤（バインダ）であるコバルト（Co）を混合して焼結したものである。また、材料特性を向上させるために炭化チタン（TiC）や炭化タンタル（TaC）などを加えたものであってもよい。これにより、第１部材１の摺動面硬度が、第２部材３の摺動面硬度よりも低くなっている。すなわち、グレーティング構造部２は、低硬度側摺動面に形成している。これにより、低硬度側である第１部材１が摩耗することになる。
【００２３】
第１部材１の摺動面１０には、図２や図３に示すようなグレーティング構造部２を設けている。グレーティング構造部２は、微小の凹部（凹条）５と微小の凸部（凸条）６とが交互に所定ピッチでほぼ平行に配設され、正弦曲線に近い断面形状となっている。凹凸は、間隔（凸部６の頂点から、隣接する凸部６の頂点までの寸法）がＡであり、凹凸高さ（凸部６の頂点から凹部５の谷底までの寸法）がＢである。この場合、間隔Ａはサブミクロンオーダーの寸法であり、凹凸高さＢもサブミクロンオーダーの寸法としている。本実施形態においては、Ａは０．７μｍであり、Ｂは０．２μｍであり、間隔Ａと凹凸高さＢとのアスペクト比Ｂ／Ａは２／７である。なお、アスペクト比が０．１未満では十分な摩擦調整剤の保持が困難となり、０．５を超えると摩耗量やなじみ過程が増大するため、アスペクト比の最適な範囲としては、０．１〜０．５が好ましい。これにより、従来のグレーティング構造部と本実施形態のグレーティング構造部２とを所定長さ内で比較した場合、従来のグレーティング構造部では凸部の配設ピッチが疎であるのに対し、本実施形態のグレーティング構造部２は凸部６のピッチを密とすることができる。
【００２４】
これにより、通常の表面粗さより高いアスペクト比となるサブミクロンオーダーの凹凸高さＢと間隔Ａをもち、方向が制御された微細周期構造を摺動面１０に形成することができる。すなわち、凸部６の先端部の曲率が小さくなり（鋭くなり）、凸部６の単位面積当たりにかかる力が大となる。また、間隔Ａが小さいので、１つの凸部６にて生成される新生面の面積が狭くなって、新生面全体に十分な量の摩擦調整剤が効率的に供給される。これにより、トライボケミカル反応が促進され、摩擦抵抗の極めて小さい反応生成物が表面に形成される。
【００２５】
第１部材１と第２部材３との摺動は、第２部材３を固定して、第１部材１を図１や図３の矢印に示す方向に往復動させている。すなわち、グレーティング構造部２の方向は摺動方向と直交している。これにより、第２部材３の摺動面４が凸部６に当接した後、凹部５を通過して隣の凸部６に当接することになる。このように、第２部材３摺動面４は１間隔毎に新生面の生成と摩擦調整剤の供給とが繰り返されることになる。
【００２６】
グレーティング構造部２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４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。
【００２７】
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が偏光方向に直交して自己組織的に形成される。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。
【００２８】
レーザの走査は、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。
【００２９】
このように、本発明のトライボケミカル反応促進面構造は、凸部６の単位面積当たりにかかる力が大となるため、摺動開始直後は容易に摩耗して新生面が生成され、表面が活性な状態となる。また、新生面に十分な量の摩擦調整剤がきめ細かく効率的に供給されて、トライボケミカル反応が促進され、摩擦抵抗の極めて小さい反応生成物が表面に形成されて低摩擦摺動面を形成することができる。低摩擦摺動面が形成されると摩耗速度は大きく低下する。さらに、周期構造がグレーティング状であるため、柱状構造より摩擦調整剤のリークが少なく、また、間隔Ａが小さいため摩耗量も少ないという利点もある。加えて、なじみ過程において、凹部５内に摩耗粉が逃げ込む（入り込む）ため、摩耗粉の噛み込みを防止できて、低摩擦面を安定して確保できる。
【００３０】
前記グレーティング状の周期構造の方向を摺動方向に直交させると、１間隔（周期）毎に、新生面の生成と摩擦調整剤の供給が繰り返されることになって、効率的にトライボケミカル反応を促進させることができる。
【００３１】
グレーティング構造部２を、低硬度側摺動面に形成しているため、低硬度側であるグレーティング構造部２の凸部６の頂点が摩耗することになって、プラトー状の均一な摺動面を形成することができて摩擦抵抗を小とすることができる。
【００３２】
グレーティング構造部２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を持つグレーティング構造部をほとんど加工変質することなく平面、円筒面、その他複雑な曲面上にも形成できる。また、フェムト秒レーザを用いてグレーティング構造部を形成する場合、大気中での加工が可能であり、加工装置の簡略化を図ることができる。これに対して、電子ビーム加工であれば、ワークである被加工物を、例えば真空チャンバーなどに収容して、真空雰囲気下、もしくは所定のガス雰囲気下で加工する必要があり、装置のコスト高および大型化を招くことになる。
【００３３】
図５は、本発明の第２実施形態のトライボケミカル反応促進面構造である。この場合、低硬度側の第１部材１の摺動面１０に、グレーティング状の周期構造２より大きな間隔Ｃと高さＤとを有するうねりを形成し、このうねりにグレーティング状の周期構造２を形成している。前記第１実施形態においては、凹凸高さ分が削れると摺動面１０は平滑な面となって、本発明の効果の寿命となる。そこで、摺動面１０にうねりを形成することによって、摺動面全体に高低差をつけることにより、最も高い位置の凸部６の頂点から最も低い位置の凹部５の谷底までの寸法を大とすることができる。これにより、摺動面の一部の周期構造が摩滅して平滑化されても、他の低い部分の周期構造にて反応生成物が生成されて摺動面全体にいきわたらせることができ、摺動面全体が平滑化されるまで効果を維持することができる。
【００３４】
このように、本発明の第２実施形態のトライボケミカル反応促進面構造では、前記グレーティング状の周期構造より大きな間隔Ｃと高さＤとを有するうねりを形成すると、一部の周期構造が摩滅しても、他の周期構造にて摩擦の低い反応生成物が生成されて摺動面全体にいきわたらせることができ、長寿命化を図ることができる。なお、なお、図５に示すトライボケミカル反応促進面構造において、図１と同様の構成については、図１と同一符号を付してその説明を省略する。
【００３５】
前記各実施形態では、第１部材１の摺動面硬度が、第２部材３の摺動面硬度よりも低いものであったが、第１部材１の摺動面硬度が第２部材３の摺動面硬度よりも高いものであってもよい。また、グレーティング構造部２を、高硬度側摺動面に形成してもよい。また、SUJ2や超硬合金の他にも、SUS440C（マルテンサイト系ステンレス）等種々の材質を使用することができる。
【００３６】
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、グレーティング構造部２の間隔Ａや凹凸高さＢとしては、０．７μｍや０．２μｍでなくてもよく、サブミクロンオーダーであればこれに限られるものではない。グレーティング構造部２を第２部材３の摺動面４に形成してもよい。
【００３７】
第１部材１と第２部材３の摺動としては、第１部材１を固定して、第２部材３を往復動させてもよく、両者を往復動させてもよい。また、摺動時に往復動させることなく、往動又は復動のみにおいて摺動させるようにしてもよい。一方の部材が回転するものであってもよい。第１部材１や第２部材３の形状としては、実施形態のものに限られず、平板同士であっても円板同士であってもよく、筒状体の部材に他方の部材を摺動させるものであってもよい。第１部材１及び第２部材３としては、例えば、湿式クラッチ、エンジンのピストン、ギヤ、スプライン、すべり軸受、動弁系部品等に使用することができる。摺動ストロークや摺動時における押圧荷重等は、グレーティング構造部２の周期ピッチや摺動速度等に応じて任意に設定することができる。
【００３８】
摺動方向としては、実施形態のように、グレーティング方向と略直交とするのが好ましいが、グレーティング方向と略平行するものであっても、グレーティング方向に対して所定角（例えば４５度）に傾斜するものであってもよい。
【００３９】
グレーティング構造部２を形成する場合、フェムト秒レーザを使用することなく、電子ビーム加工機等の他の工具を使用してもよい。
【実施例】
【００４０】
図１に示すように、周期構造（グレーティング構造部２）を形成したプレート１に対し、相手部材であるピン（円柱体）３を押し当て往復摺動させた。プレート１及びピン３の材質は、それぞれ超硬合金、SUJ2、SUS440Cの３種類とした。プレート１はバフ研磨によりＲａ０．０５μｍ、に仕上げ、グレーティング構造部２はプレート１のみに形成した。周期構造形成後の表面粗さは、Ｒａ０．１３μｍとなった。グレーティング構造部２の方向は摺動方向に対して直交および平行の２種類とした。ピン３の先端形状は、半径５ｍｍの半球形とした。摺動面にはタービンオイル（VG３２）を供給し、添加剤にはジアルキルジチオカルバミン酸モリブデン（Mo-DTC）を使用した。添加剤濃度は９５０ｐｐｍとした。摺動速度１０ｍｍ／ｓ、摺動ストロークは１０ｍｍ、垂直荷重は５Ｎで１０００往復させ、その間の摺動抵抗をロードセルによりサンプリング周波数５Ｈｚで測定した。摩擦係数は、ストローク端点を除いた平均測定値から算出した。
【００４１】
鏡面及びグレーティング方向が摺動方向に対して平行（略平行）する周期構造（平行周期構造）を形成した超硬合金プレート上で、SUJ2ピン（SUJ2にて形成された円柱体）を摺動させた際の摩擦係数の変化を図６に示す。図６（ａ）は、摩擦調整剤を含まない場合を示し、図６（ｂ）は、摩擦調整剤を含む場合を示す。摩擦調整剤を含まないタービンオイル潤滑下では、図６（ａ）に示すように、周期構造の有無にかかわらず摩擦係数はほぼ一定となった。これに対して、摩擦調整剤を含むタービンオイル潤滑下では、図６（ｂ）に示すように、平行周期構造プレートの摩擦係数は大きく低減されることがわかった。
【００４２】
鏡面および平行周期構造、グレーティング方向が摺動方向に対して直交する直交周期構造を形成した超硬合金プレートに対し、各種ピンを２０ｍ摺動させた際の摩擦係数を図７に示す。ハッチングは、鏡面プレートであり、ドットは平行周期構造プレートであり、白色は直交周期構造プレートを示す。SUJ2ピンの摩擦係数は周期構造の方向に依存することなく、平行周期構造プレートおよび直交周期構造プレートに対し、０．０７〜０．０８となり、鏡面プレートよりも大きく低減された。また、SUS440Cピン（SUS440Cにて形成された円柱体）の摩擦係数は周期構造の方向に強い依存性を示した。平行周期構造プレートでは鏡面プレートより高い摩擦係数を示したのに対し、直交周期構造プレートでは０．０８まで摩擦係数が低減された。同一材同士の摺動となる超硬合金ピンの摩擦係数は、周期構造の方向によらず鏡面プレートよりも高い値となった。
【００４３】
また、超硬合金プレートによりピンの平滑化が見られた。２０ｍ摺動後のSUJ2ピンの摺動面写真及び断面プロファイル図を図８〜図１０に示し、図８（ａ）は鏡面プレートに対し摺動させたSUJ2ピンの摺動面写真、図８（ｂ）は図８（ａ）の断面プロファイル図であり、図９（ａ）は平行周期構造プレートに対し摺動させたSUJ2ピンの摺動面写真、図９（ｂ）は図９（ａ）の断面プロファイル図であり、図１０（ａ）は直交周期構造プレートに対し摺動させたSUJ2ピンの摺動面写真、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の断面プロファイル図である。鏡面プレートに摺動させたSUJ2ピンには変色領域が見られるが、目だった摩耗は見られない。一方、周期構造に摺動させたSUJ2ピンの摺動面は平滑化されており、平行周期構造プレート上で摺動させたピンは直交周期構造プレート上で摺動させたピンより広範囲に平滑化された新生面が生成されていることがわかる。平行周期構造プレート及び直交周期構造プレートに対するピンの低摩擦化は、摩擦調整剤とのトライボケミカル反応の促進とピンの平滑化が主要因である。
【００４４】
さらに、超硬合金プレートに対して２０ｍ摺動後のSUS440Cピンの摺動面写真及び断面プロファイル図を図１１〜図１３に示し、図１１（ａ）は鏡面プレートに対し摺動させたSUS440Cピンの摺動面写真、図１１（ｂ）は図１１（ａ）の断面プロファイル図であり、図１２（ａ）は平行周期構造プレートに対し摺動させたSUS440Cピンの摺動面写真、図１２（ｂ）は図１２（ａ）の断面プロファイル図であり、図１３（ａ）は直交周期構造プレートに対し摺動させたSUS440Cピンの摺動面写真、図１３（ｂ）は図１３（ａ）の断面プロファイル図である。鏡面プレートに摺動させたSUS440Cピンでは目立った摩耗は見られないが、周期構造プレートに摺動させたSUS440Cピンの摺動面は平滑化されており、平行周期構造プレート上で摺動させたピンは、直交周期構造プレート上で摺動させたピンより広範囲に平滑化された新生面が生成されている。しかしながら、図７に示すように、平行周期構造プレートでは低摩擦化が起こらず、直交周期構造プレートのみで低摩擦化が生じている。これは、直交周期構造が平行周期構造よりも高いトライボケミカル反応促進機能を有することに起因するためである。すなわち、直交周期構造では、１つの間隔（周期）毎に、新生面の形成と添加剤の供給が繰り返されることになって、効率的にトライボケミカル反応を促進させることができる一方、平行周期構造では、新生面への摩擦調整剤供給の機会が減少するためである。
【００４５】
次に、鏡面および平行周期構造、直交周期構造を形成したSUJ2プレートに対し、各種ピンを２０ｍ摺動させた際の摩擦係数を図１４に示す。ハッチングは、鏡面プレートであり、ドットは平行周期構造プレートであり、白色は直交周期構造プレートを示す。SUJ2ピン及びSUS440Cピンの摩擦係数はSUJ2プレートに周期構造を形成することにより上昇したのに対し、超硬合金ピンの摩擦係数は大きく低減された。
【００４６】
SUJ2プレートに対する超硬合金ピンの摩擦係数の変化を図１５に示す。超硬合金ピンの鏡面プレートに対する摩擦係数は、摺動直後に０．１を下回ったが、摺動距離４ｍ以降は０．１１程度で安定した。一方、平行周期構造プレート及び直交周期構造プレートでは、摺動距離１０ｍ付近まで摩擦係数が低下傾向を示し、その後０．０７程度で安定した。
【００４７】
超硬合金ピンによるSUJ2プレートの摺動面写真及び断面プロファイル図を図１６及び図１７に示す。図１６（ａ）は鏡面プレートの摺動面写真、図１６（ｂ）は断面プロファイル図であり、図１７（ａ）は直交周期構造プレートの摺動面写真、図１７（ｂ）は断面プロファイル図である。図１６より、鏡面プレートの場合、摺動痕の表面粗さが非摺動部より大きくなっていることがわかる。一方、図１７より、直交周期構造プレートの場合、摺動痕の表面粗さは鏡面プレートより小さくなっている。図１７（ａ）のＩ（高接触面圧部）における周期構造のＳＥＭ像を図１８（ａ）に示し、ＩＩ（低接触面圧部）における周期構造のＳＥＭ像を図１８（ｂ）に示す。Ｉでは、周期構造の摩耗が認められるが、なお周期構造の溝は残存している。ＩＩでは、周期構造は凸部先端にわずかな摩耗が認められるが、ほぼ形態を留めている。超硬合金のピンによる摺動実験後の周期構造の断面プロファイルを図１９に示す。周期構造の凸部先端が平滑化され、高さの極めて揃ったプラトー状の形態となっている。硬度の高い超硬合金ピンを摺動させると、突出した周期構造の凸部先端は容易に摩耗する。このとき、摩耗粉は溝部に排出されるため、摩耗粉の凝着が抑制される。この結果、全体の高さが極めて揃ったプラトー状の形態になる。この際に生じる新生面に対し、周期構造部からきめ細かく摩擦調整剤が供給されることでトライボケミカル反応が活発に生じる。低摩擦化した超硬合金ピンからは、Mo-DTCのトライボケミカル反応生成物である二硫化モリブデンが検出された。したがって、SUJ2周期構造プレートに対する超硬合金ピンの低摩擦化はトライボケミカル反応の促進とプレートのプラトー化が主要因である。プラトー化が進むと、接触面圧は低下するため摩耗速度が小さくなり、安定した低摩擦摺動面が得られる。SUJ2ピンおよびSUS440Cピンの場合、SUJ2プレートと硬度差が小さく、双方に同程度の摩耗が生じる。したがって、ピンまたはプレートを基準とした平滑面が得られないことから低摩擦化が生じなかった。
【００４８】
次に、鏡面プレート、平行周期プレート、直交周期プレートを形成したSUS440Cプレートに対し、各種ピンを２０ｍ摺動させた際の摩擦係数を図２０に示す。ハッチングは、鏡面プレートであり、ドットは平行周期構造プレートであり、白色は直交周期構造を示す。SUJ2ピン及びSUS440Cピンの摩擦係数はSUS440Cプレートに周期構造を形成しても、ほとんど変化は見られなかった。超硬合金ピンの摩擦係数は直交周期構造プレートでのみ低減された。摩擦係数の低減傾向は本実施例で用いた3種類のプレートで最も小さくなった。これは、SUS440Cの活性が低く、摩擦調整剤との反応が起こりにくいためである。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１実施形態を示すトライボケミカル反応促進面構造の簡略斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態を示すトライボケミカル反応促進面構造の要部拡大簡略断面図である。
【図３】前記図１のトライボケミカル反応促進面構造の拡大斜視図である。
【図４】グレーティング構造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。
【図５】本発明の第２実施形態を示すトライボケミカル反応促進面構造の要部拡大簡略断面図である。
【図６】鏡面および平行周期構造を形成した超硬合金プレートにSUJ2ピンを摺動させた際の摩擦係数の変化を示し、（ａ）は摩擦調整剤を含まない場合のグラフ図であり、（ｂ）は摩擦調整剤を含む場合のグラフ図である。
【図７】鏡面および平行周期構造、直交周期構造を形成した超硬合金プレートに対し、超硬合金、SUJ2、SUS440Cのピンを２０ｍ摺動させた際の摩擦係数を示すグラフ図である。
【図８】鏡面の超硬合金プレートに対し２０ｍ摺動後のSUJ2ピンを示し、（ａ）はSUJ2ピンの摺動面写真、（ｂ）はその断面プロファイル図である。
【図９】平行周期構造を形成した超硬合金プレートに対し２０ｍ摺動後のSUJ2ピンを示し、（ａ）はSUJ2ピンの摺動面写真、（ｂ）はその断面プロファイル図である。
【図１０】直交周期構造を形成した超硬合金プレートに対し２０ｍ摺動後のSUJ2ピンを示し、（ａ）はSUJ2ピンの摺動面写真、（ｂ）はその断面プロファイル図である。
【図１１】鏡面の超硬合金プレートに対し２０ｍ摺動後のSUS440Cピンを示し、（ａ）はSUS440Cピンの摺動面写真、（ｂ）はその断面プロファイル図である。
【図１２】平行周期構造を形成した超硬合金プレートに対し２０ｍ摺動後のSUS440Cピンを示し、（ａ）はSUS440Cピンの摺動面写真、（ｂ）はその断面プロファイル図である。
【図１３】直交周期構造を形成した超硬合金プレートに対し２０ｍ摺動後のSUS440Cピンを示し、（ａ）はSUS440Cピンの摺動面写真、（ｂ）はその断面プロファイル図である。
【図１４】鏡面および平行周期構造、直交周期構造を形成したSUJ2プレートに対し、超硬合金、SUJ2、SUS440Cのピンを２０ｍ摺動させた際の摩擦係数を示すグラフ図である。
【図１５】SUJ2プレートに対する超硬合金ピンの摩擦係数の変化を示すグラフ図である。
【図１６】超硬合金ピンによるSUJ2プレートの摺動面を示し、（ａ）は鏡面プレートの摺動面写真、（ｂ）はその断面プロファイル図である。
【図１７】超硬合金ピンによるSUJ2プレートの摺動面を示し、（ａ）は直交周期構造プレートの摺動面、（ｂ）はその断面プロファイル図である。
【図１８】前記図１７（ａ）の詳細を示し、（ａ）は高接触面圧部におけるＳＥＭ像、（ｂ）は低接触面圧部におけるＳＥＭ像である。
【図１９】SUJ2プレートに形成された周期構造の超硬合金ピンによる摺動実験後の断面プロファイル図である。
【図２０】鏡面および平行周期構造、直交周期構造を形成したSUS440Cプレートに対し、超硬合金、SUJ2、SUS440Cのピンを２０ｍ摺動させた際の摩擦係数を示すグラフ図である。
【図２１】従来のトライボケミカル反応促進面構造の要部拡大簡略断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 第１部材
２ 周期構造
３ 第２部材
４、１０ 摺動面
５ 凹部
６ 凸部
Ａ 間隔
Ｂ 凹凸高さ
Ｃ 間隔
Ｄ 高さ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１部材の摺動面と第２部材の摺動面とが、摩擦調整剤を含有する添加油潤滑下で相対的に摺動するトライボケミカル反応促進面構造であって、
少なくとも一方の摺動面にサブミクロンオーダーの凹凸高さと間隔を有するグレーティング状の周期構造を形成したことを特徴とするトライボケミカル反応促進面構造。
【請求項２】
前記グレーティング状の周期構造の方向を摺動方向と直交させたことを特徴とする請求項１のトライボケミカル反応促進面構造。
【請求項３】
一方の摺動面硬度を他方の摺動面硬度と相違させたことを特徴とする請求項１又は請求項２のトライボケミカル反応促進面構造。
【請求項４】
前記グレーティング状の周期構造を低硬度側摺動面に形成したことを特徴とする請求項３のトライボケミカル反応促進面構造。
【請求項５】
前記グレーティング状の周期構造を高硬度側摺動面に形成したことを特徴とする請求項３のトライボケミカル反応促進面構造。
【請求項６】
少なくとも一方の摺動面に前記グレーティング状の周期構造より大きな高さと間隔とを有するうねりを形成し、このうねりに前記グレーティング状の周期構造を形成したことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項のトライボケミカル反応促進面構造。
【請求項７】
前記グレーティング構造部は、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のフェムト秒レーザを照射し、その照射部分をオーバラップさせながら走査して、自己組織的に形成することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項のトライボケミカル反応促進面構造。
【請求項１】
第１部材の摺動面と第２部材の摺動面とが、摩擦調整剤を含有する添加油潤滑下で相対的に摺動するトライボケミカル反応促進面構造であって、
少なくとも一方の摺動面にサブミクロンオーダーの凹凸高さと間隔を有するグレーティング状の周期構造を形成したことを特徴とするトライボケミカル反応促進面構造。
【請求項２】
前記グレーティング状の周期構造の方向を摺動方向と直交させたことを特徴とする請求項１のトライボケミカル反応促進面構造。
【請求項３】
一方の摺動面硬度を他方の摺動面硬度と相違させたことを特徴とする請求項１又は請求項２のトライボケミカル反応促進面構造。
【請求項４】
前記グレーティング状の周期構造を低硬度側摺動面に形成したことを特徴とする請求項３のトライボケミカル反応促進面構造。
【請求項５】
前記グレーティング状の周期構造を高硬度側摺動面に形成したことを特徴とする請求項３のトライボケミカル反応促進面構造。
【請求項６】
少なくとも一方の摺動面に前記グレーティング状の周期構造より大きな高さと間隔とを有するうねりを形成し、このうねりに前記グレーティング状の周期構造を形成したことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項のトライボケミカル反応促進面構造。
【請求項７】
前記グレーティング構造部は、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のフェムト秒レーザを照射し、その照射部分をオーバラップさせながら走査して、自己組織的に形成することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項のトライボケミカル反応促進面構造。
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１４】
【図１５】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図３】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１４】
【図１５】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図３】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２００９−２９３６８４（Ｐ２００９−２９３６８４Ａ）
【公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１４６８８８（Ｐ２００８−１４６８８８）
【出願日】平成２０年６月４日（２００８．６．４）
【出願人】（０００１１０８５９）キヤノンマシナリー株式会社 (179)
【出願人】（５０４１６５５９１）国立大学法人岩手大学 (222)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月４日（２００８．６．４）
【出願人】（０００１１０８５９）キヤノンマシナリー株式会社 (179)
【出願人】（５０４１６５５９１）国立大学法人岩手大学 (222)
【Ｆターム（参考）】
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