(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
潤滑媒体中で２００ＭＰａ超の接触圧力で動作する摩擦部品であって、その表面が、テクスチャされ、テクスチャ前に又はテクスチャ後に、トライボロジー機能のために表面硬化処理にさらされる部品において、
弾性流体潤滑型への移動を促進するために、前記表面が、５から５００μｍの間の長さ及び接触幅の半分未満の周期を有するマイクロメートルのキャビティの周期的なネットワークを有し、前記キャビティの深さが、３μｍ以下であることを特徴とする部品。
【請求項２】
前記マイクロメートルのキャビティが、穴及び／又は溝からなることを特徴とする請求項１に記載の部品。
【請求項３】
前記キャビティの深さが、１μｍ以下であることを特徴とする請求項１及び２の何れかに記載の部品。
【請求項４】
請求項１に記載の部品の製造方法であって、
前記キャビティの周期的なネットワークが、フェムト秒レーザーパルス機械加工法によって得られることを特徴とする部品の製造方法。
【請求項５】
請求項１に記載の部品の製造方法であって、
前記キャビティの周期的なネットワークが、マイクロマシニングによって得られることを特徴とする部品の製造方法。
【請求項６】
請求項１に記載の部品の製造方法であって、
前記キャビティの周期的なネットワークが、前記表面の塑性変形によって得られることを特徴とする部品の製造方法。
【請求項７】
請求項１に記載の部品の製造方法であって、
前記キャビティの周期的なネットワークが、化学的攻撃または電食によって得られることを特徴とする部品の製造方法。
【請求項８】
請求項１に記載の部品の製造方法であって、
前記キャビティの周期的なネットワークが、イオンビーム加工法によって得られることを特徴とする部品の製造方法。
【請求項９】
前記表面硬化処理が、非晶質炭素（ＤＬＣ）の薄層の堆積によって得られることを特徴とする請求項１に記載の部品。
【請求項１０】
自動車分野及び特にエンジン及びギアボックス用における請求項１から３及び９の何れか一項に記載の部品の使用。
【請求項１１】
特にレバー型またはタペット型のロッカー部品における処理を実行するための請求項１０に記載の使用。
【請求項１２】
特に、ギアの歯のタイプの動力伝達部品における処理を実行するための請求項１０に記載の使用。
【請求項１３】
有利には１μｍ未満の深さを有するマイクロキャビティを用いることによって、０．５ＧＰａ超の最大接触圧力までそれらの動作の全体または部分においてさらされた部品における請求項１０から１２の何れか一項に記載の使用。
【請求項１４】
有利には１μｍ未満の深さを有するマイクロキャビティを用いることによって、０．８ＧＰａ超の最大接触圧力までそれらの動作の全体または部分においてさらされた部品における請求項１０から１２の何れか一項に記載の使用。
【請求項１５】
前記マイクロキャビティの深さを前記接触表面間の潤滑油膜の厚さの０．１から１０倍の間に設定することによる請求項１０から１４の何れか一項に記載の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磨耗媒体におけるトライボロジーの技術分野に関する。
【０００２】
より具体的には、本発明は、磨耗を減少させ、接線分力の伝達を最小化させるように設計される被覆及び表面処理に関する。
【背景技術】
【０００３】
機械部品のトライボロジー性能を改善する多くの解決方法が提案されている。一般的な表面硬化処理と、ＰＶＤ（物理蒸着）またはＰＡＣＶＤ（プラズマアシスト化学蒸着）などの様々な手法によって得られる薄くて硬い層の堆積とは、基本的に区別される。
【０００４】
薄くて硬い層の堆積には、遷移金属窒化物（ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＡｌＮなど）の堆積、非晶質炭素（ＤＬＣ）などが言及され得る。機械的な理由に加えて技術的な理由のために、表面被覆のこれらの堆積が一般的に５μｍを超えないと考えられる。この厚さを超えると、この層の脆化及び剥離の危険性が生ずるかもしれない。長い時間にわたって薄層の完全な接着及び強度を得ることも重要である。従って、当業者は、約０．０４μｍの粗さ（Ｒａ）を有する極僅かな表面性状を要求する。
【０００５】
従って、従来技術から、表面処理及び真空堆積のトライボロジー性能が若干の粗さを有する表面を有して保証だけされることが考えられる。
【０００６】
例えば、米国特許第６，８８６，５２１号の教示の言及がなされ、それは、表面粗さパラメータの最大値（Ｒｚ）をＤＬＣ堆積物の硬度及びその厚さの関数として設定する。
【０００７】
トライボロジーの分野では、流体潤滑型（レジーム）の設定において接触表面のトポグラフィーの影響について多くの調査が行われている。そのため、改善された潤滑油支持力によって表面の分離を促進するためにベアリングまたはスラストベアリングのテクスチャを実行することが提案されている。例えば文献ＵＳ５，９５２，０８０及びＷＯ２００４／０６３５３３の教示の言及がなされる。
【０００８】
しかしながら、この解決法が、厳しい接触条件に適合せず、また高負荷の摩擦部品の場合に適合せず、すなわち、この接触圧力が、流体弾性力学型（レジーム）と呼ばれる条件での動作を引き起こすように、表面トポグラフィーの寸法合わせは、単純な問題ではない。相応しくないテクスチャが油膜の圧力の低下を不可避的に引き起こし、表面に不可避的に損傷を与え、それが所望の対象に対して不利に働くように、実際、このテクスチャは、接触表面におけるエッチングパターンに等しいが、ベアリング表面積における大幅な減少を引き起こす。
【０００９】
表面テクスチャの原理は、潤滑媒体の若干の負荷の摩擦部品の場合を除いて当業者によって適用されないという結果になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第６，８８６，５２１号明細書
【特許文献２】米国特許第５，９５２，０８０号明細書
【特許文献３】国際公開第２００４／０６３５３３号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
この従来技術の解析に基づいて、本発明が解決しようとする課題の１つは、潤滑油が差される摩擦部品と、高負荷の摩擦媒体、すなわち、例えば２００ＭＰａ超の接触圧力下で動作する摩擦媒体との間の弾性流体潤滑型の存在を延長するために、摩擦表面のテクスチャの原理を適用することができることである。
【００１２】
実際、所定の接触圧力閾値を超えると、潤滑油の粘度の指数関数的な増加（数桁の大きさ）が、その物理挙動を急速に変化させる。次いで、この潤滑油は、状態を変化させ、流体よりも固体の様式に近い様式で挙動する。次いで、接触表面の完全な分離は、極端に粘着性になる潤滑油の動作の下、対向する表面の弾性変形によって可能にされる。これは、弾性流体型と呼ばれる状況を生成する。弾性流体型（レジーム）と根本的に異なる潤滑油及び対向表面の物理的挙動は、それによって、接触における表面テクスチャの最適化が他の潤滑化された界面の場合と大きく異なった方法で生じる理由を説明する。
【００１３】
従って、本発明の独創性は、摩擦及び磨耗における、弾性流体型において少なくとも部分的に動作する接触における表面テクスチャの成功的な最適化からなる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この課題を解決するために、前記表面は、所定の形状及び大きさを有するマイクロメートルのキャビティの周期的なネットワークを生成する動作にさらされ、その周期が、弾性流体潤滑型への移動（passage）を促進するために前記接触表面の幅に適合する。
【００１５】
他の特徴によれば、前記マイクロメートルのキャビティは、限定的ではないが有利には穴及び／又は溝からなる。前記キャビティの深さは、１０μｍ以下であり、有利には３μｍ以下であり、さらに有利には１μｍ以下である。これらのキャビティの主要な長さは、５から５００μｍである。
【００１６】
本発明の特徴によるテクスチャ表面を得るための課題を解決するために、前記キャビティの周期的なネットワークは、特にフェムト秒レーザーパルス機械加工法によって、イオンビーム加工法によって、マイクロマシニングによって、塑性変形によって、化学的攻撃によって、または電食によって得られる。
【００１７】
有利には、その表面がテクスチャされた摩擦部品は、テクスチャ前またはテクスチャ後に、トライボロジー機能を有する表面硬化処理にさらされる。この処理は、弾性流体潤滑への高負荷の摩擦部品の移動の前に表面の損傷を制限し、摩擦係数を低下させるために、有利には非晶質炭素（ＤＬＣ）の薄層の堆積によって得られる。
【００１８】
上述のように、摩擦表面のテクスチャは、様々な方法で得ることができる。フェムト秒レーザーパルスは、マイクロ構造を大幅に変化させることなく昇華によって物体を除去する働きをする。しかしながら、マイクロマシニング技術（リソグラフィ、マイクロエロージョン）、表面塑性変形（刻み付け（ナーリング）、マイクロパーカッション）、電気化学技術（化学的攻撃、電食）が同様の結果を得る働きをすることに留意すべきである。
【００１９】
テクスチャ表面上に用意される周期的なパターンは、以下の４つの必須パラメータに従って定義することができるキャビティを構成する。
−表面の平面における形状（円形、楕円形、正方形、三角形、溝など）；
−材料の厚さにおけるプロファイル（円筒、半球、錐体など）；
−寸法（直径、幅、深さなど）；
−あらゆる方向において考慮され、表面摩擦方向に関する周期。
【００２０】
キャビティの深さは、多かれ少なかれ２５０ｎｍの深さを有する約５００ｎｍのパターンで観察される最適な結果を有して、薄層に対する損傷を制限し、潤滑型のそれらの影響を最大化するために、有利には３μｍ未満である。本発明のテクスチャされた部品が、一般的な熱化学処理（接合、浸炭窒化及び他の拡散または変換処理）、または、ＰＶＤ（物理気相堆積）またはＰＡＣＶＤ（プラズマアシスト化学蒸着）によって得られる真空堆積によって、遷移金属の窒化物及び炭化物または非晶質炭素（ＤＬＣ）の堆積物などをテクスチャする前に又はテクスチャする後に処理することができることが見られる。
【００２１】
パターンのこれらの様々な寸法及び幾何学的配置は、接触表面の寸法、滑りの方向及び速度、接触圧力及び処理される部品の曲率によって、処理される部品に適合する。例えば、自動車分野におけるロッカー部品（ロッカーコンポーネント）などの、非常に高い接触圧力にさらされる機械的部品において、約５００ｎｍの浅いパターン深さを提供するために必要である。
【００２２】
硬質層の追加が、上述のように、被覆されていないテクスチャ表面に関して、特に長時間にわたってパターンへの損傷を大幅に減少し、その結果、テクスチャ表面のトライボロジー性能を維持するように働くことに留意すべきである。潤滑型における影響に加えて、テクスチャも、意外に堆積物の局所的な分離から由来するクラックの伝播を防止するように働く。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】テクスチャ表面のパターンによって提供される利得を示す図である。
【図２】穴のネットワークによるテクスチャ表面の一例を示す図である。
【図３】最大接触圧力が２．４ＧＰａに一定に維持された場合に得られる摩擦測定結果を示す図である。
【図４】摩擦レベルにおけるマイクロテクスチャの影響を示す３つの摩擦曲線を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明は、ここに添付される図面と組み合わせて以下に詳細に検討されるだろう。
【００２５】
以下に実施例番号１の処理が参照される。
【００２６】
処理される部品は、摩擦仕上げされたＸ８５ＷＣｒＭｏＶ６−５−４−２鋼から作られる、直径５０ｍｍの球面ベアリング表面を有するローラーである。これらの部品は、２μｍの厚さのＤＬＣ堆積物を用いて被覆され、穴（円形のマイクロキャビティ）がフェムト秒レーザーパルスによって用意されている。その表面は、図２に示されるように、１２５μｍの間隔を有して直径７９μｍ、深さ４００ｍｍの穴のネットワークによってテクスチャされる。このネットワークは、ローラー摩擦トラックの中心に配置された１ｍｍの幅のストリップ上における７及び８のオフセットホールの一連の列からなる。
【００２７】
これらのローラーは、高い接触圧力（１から３．２ＧＰａの最大接触圧力）、０．２から２ｍ／ｓの滑り速度、及び、接触における低い潤滑エントレイメント速度（滑り速度の１０％）の下で、“アムスラー”マシン（当業者による参照トライボロジー試験）における摩擦試験で使用される。各々のテクスチャされた部品は、潤滑化された型（１０Ｗ４０ エンジンオイル）の摩擦係数におけるテクスチャの影響を観察し、様々な接触圧力における被覆の耐用挙動を調査するために、被覆されておらずテクスチャされていないローラーに対して試験される。参照例として機能させ、接触性能において試験されたテクスチャの影響を正確に特定するために、ＤＬＣで被覆されているがテクスチャされていないローラーも、被覆されておらずテクスチャされていないローラーに対して試験された。
【００２８】
マイクロテクスチャによって得られる利得を定量化するために、一定の負荷を印加した状態で、油膜を破壊するために滑り速度を徐々に低下させることによって摩擦試験が行われた。
【００２９】
被覆された平滑な表面上での試験における性能は、ＤＬＣ堆積物を有しない同一の表面に関して摩擦係数の利得を既にもたらし、２ＧＰａの接触圧力下においてこのパターンを有するＤＬＣを用いて被覆された表面は、摩擦係数における大幅な利得を明らかにした。
【００３０】
ここに添付された図１のグラフは、油浴中の対向部品の滑り速度の関数として摩擦係数（テクスチャなしの同一の試験と比較して）におけるこの特定のパターンによって得られる利得の変化を示す。２ＧＰａの接触圧力において、摩擦係数は、テクスチャされていない表面と比較してこのパターンによって３０％減少することができる。尚、テクスチャされていないＤＬＣ堆積物の用意は、処理されていない研磨鋼表面と比較して１５％摩擦係数を低下させるように機能する。
【００３１】
この正確な配置において、テクスチャされた堆積物の適用は、３０Ｗの摩擦により電力消費の低下をもたらし、その表面とオイルの過熱を低下させるように働き、それは、部品の耐久性を高める。
【００３２】
（処理番号２の実施例）
処理実施例１に対するのと同一の手順、または、試験ローラー摩擦トラックの被覆またはテクスチャの何れかにおいて、アムスラーマシンにおける試験の実行と同一の手順に厳格に従うことによって、第２のシリーズの摩擦試験が様々な接触圧力において行われた。
【００３３】
図３は、最大接触圧力が２．４ＧＰａで一定に維持された場合に、与えられた様々な滑り速度において得られる摩擦測定結果を示す。
【００３４】
球形ベアリング表面を有する第１ローラーは、ＤＬＣを用いて被覆され、次いで、処理実施例番号１に記載のような円形マイクロキャビティのネットワークに従うことによってテクスチャされた。マイクロキャビティの深さは、５μｍまで増加し、この値は、当業者によって一般的に使用される値を示す例である。通常与えられる接触力を印加した試験を開始した後、ＤＬＣ堆積物の層間剥離及び表面の焼付けによって対向する表面の破壊がほんの２５秒後に起こった。従って、通常行われるような表面テクスチャは、この弾性流体接触において不適切である。
【００３５】
２．４ＧＰａのこの接触圧力で続いて行われた３つの他の試験が図３に示される。このように得られた摩擦曲線は、寸法の最適化、特に、有利には８００ｎｍ、さらに有利には４５０ｎｍに設定された値におけるマイクロキャビティの深さ“ｄ”の最適化を明らかに示し、接触部において生成した摩擦の大幅な低下を得るように働く。
【００３６】
この目的は、弾性流体潤滑の理論の一般的な分析的な式によって計算される、接触表面間の油膜の厚さを関数としてマイクロキャビティの深さの寸法を測ることであった。この深さは、有利には、理論的に計算される潤滑膜の厚さの０．１から１０倍である。
【００３７】
意外に、従って、図３は、４５０ｎｍに設定されたキャビティの深さの選択が、摩擦によって分散されるエネルギーを体系的に減少する働きをし、マイクロテクスチャがない同一表面と比較して１５％から３５％の範囲であることを示す。
【００３８】
テクスチャされていないＤＬＣで被覆された表面を有するローラーと、４５０ｎｍの深さのテクスチャを有するＤＬＣで被覆された表面を有するローラーとの間の比較試験は、次いで最大接触圧力をより高い値、すなわち、２．６ＧＰａ、２．８ＧＰａ、３ＧＰａ及び３．２ＧＰａに設定することによって続けられた。
【００３９】
２．６ＧＰａに一定に維持された圧力下での最初の試験中に、被覆されているがテクスチャされていない参照ローラーの表面は、ＤＬＣ堆積の層間剥離と、それに続く対向表面の焼付けによって直ぐに破壊される。従って、２．６ＧＰａの値は、テクスチャなしの参照表面によって耐えることができる最大接触圧力限界として保持される。
【００４０】
対照的に、被覆された表面を有し、４５０ｎｍの深さのテクスチャを有して厳格に同一条件で行われた試験は、損傷無しに完了した。
【００４１】
同様に、次いで、この試験は、４５０ｎｍの深さまで加工されたこのローラーを用いて、さらに接触圧力を、１回目で２．８ＧＰａに一定にし、２回目で３．０ＧＰａに一定にし、３回目で３．２ＧＰａに一定にすることによって３回繰り返された。
【００４２】
意外に、最も有利なテクスチャを有するこのローラーの摩擦表面は、この一連の試験の後に損傷しておらず、従って、本発明による最適化されたテクスチャは、それに印加される接触圧力に耐えるための表面の能力をかなり増加させる働きをすると結論付けることができる。
【００４３】
驚くことに、摩擦によって分散されたエネルギーを低下させることに加えて、本発明は、それによって表面の良好な負荷抵抗と比較する働きをし、それによってその耐用寿命を実質的に増加させる。
【００４４】
（処理番号３の実施例）
処理された部品は、Ｘ８５ＷＣｒＭｏＶ６−５−４−２鋼から作られた、３０ｍｍ×１８ｍｍで８ｍｍの厚さの長方形の平板である。これらの部品は、２μｍの厚さのＤＬＣ堆積物で被覆され、穴（円形のマイクロキャビティ）がフェムト秒レーザーパルスによって形成された。この表面は、図２に示されるような、１２５μｍの間隔を有する直径７９μｍの穴のネットワークによってテクスチャされた。このネットワークは、連続するオフセットホールの列からなり、摩擦表面全体を覆う。２つのプレートがこの記載に従ってテクスチャされ、一方は、１２００ｎｍの深さのマイクロキャビティを有し、他方は、６００ｎｍの深さのマイクロキャビティを有する。３つの参照プレートは、厳密に同一のＤＬＣ堆積物で被覆されたが、テクスチャされなかった。従って、接点特性に関して実行された２つの表面テクスチャの影響は、被覆された平坦なプレートと比較して分離することができる。
【００４５】
次いで、これらのプレートは、“シリンダー／プレーン”マシンにおいて摩擦試験で使用された。この装置は、前のパラグラフで定義されるプレートを用いて、３５ｍｍの直径及び８ｍｍの幅の外部摩擦トラックを有するＸ８５ＷＣｒＭｏＶ６−５−４−２鋼から作られるシリンダーと接触するように働く。このシリンダーは、それ自体の軸に対して回転する。このプレートは、主要な次元の方向において水平方向に前後移動をそれに受けさせる切削装置に固定される。従って、シリンダーの外表面とプレートの表面との間に作られる接触ラインは、処理された平坦な表面に丸いラウンドトリップを形成する。空気圧シリンダーは、プレートを支持する切削装置に標準的な負荷を印加する働きをし、それによってプレートと動いているシリンダーとの間に高い接触抵抗を生成する。接触中の２つの固体は、１０Ｗ４０エンジンオイルで満たされたタンクに閉じ込められ、加熱され、温度制御される。
【００４６】
記載された試験は、連続した増加分で１０００ｒｐｍから１００ｒｐｍまでシリンダーの回転速度（２ｍ／ｓから０．２ｍ／ｓの間のそれぞれの滑り速度を与える）を低下させることによって、接触部に印加される様々な一定の力、すなわち、４０ｄａＮ、８０ｄａＮ、１２０ｄａＮ、次いで、１６０ｄａＮの力において引き続き行われる。従って、この速度低下は、対向表面間の油膜の厚さを減少させ、弾性流体潤滑型と混合型との間の転移を促進するように働く。
【００４７】
１６０ｄａＮに一定に維持された試験された標準的な負荷（７００ＭＰａの最大接触圧力を生成する）において、得られた摩擦測定結果は、図４にプロットされる。
【００４８】
意外に、図４の３つの摩擦曲線と比較すると、我々の発明により、及び有利には６００ｎｍの深さ“ｄ”を有する最適化されたテクスチャは、ここで、測定される摩擦係数を体系的に減少させるように働く。潤滑条件が最も厳しい場合に、摩擦によって分散されるエネルギーのこの低下は、ここでは３０％まで達する。
【００４９】
ここに提供される本発明による表面テクスチャの適用は、弾性流体潤滑型と混合型との間の転移をより厳しい動作条件に向かって移動するように働く。
【００５０】
摩擦におけるこの減少は、この寸法、特に、マイクロキャビティ“ｄ”の深さを調整することによって再び得られ、それは、有利には潤滑膜の厚さの０．１から１０倍の間でなければならない。
【００５１】
これらの３つの実施例によって示される本発明の利点は、詳細な説明から明らかに現れ、特に、以下が強調され、思い起こされる。
−それは、弾性流体潤滑型への転移に有利に働くことによって明確に定められた動作条件において摩擦係数に大幅な低下をもたらす。
−それは、その破壊前に、処理された表面によって許容される最大接触圧力を増加させる。
−それは、用意されたパターンの２つの期間の間の破片の精製、及び、キャビティ内の磨耗した粒子の除去による堆積物への損傷を制限する。
−それは、それらの磨耗を制限することによって、機械部品の耐久性を増加させる。
【００５２】
本発明は、特に自動車分野において、さらには、特にレジャー自動車またはレーシング自動車の分野におけるレバーまたはタペットなどのロッカーのエンジン部品を製造することにおいて、高負荷の摩擦部品（０．２ＭＰａ、０．５ＭＰａ、０．８ＭＰａを超える接触圧力）の弾性流体潤滑レジームの潤滑と関連する、特に有利な用途を見出す。
【００５３】
本発明は、特にレジャー自動車またはレーシング自動車用のギアボックスにおいて使用されるギアの歯の処理における、電力伝達の高負荷摩擦部品の弾性流体潤滑型の潤滑と関連する有利な用途も見出す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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