(57)【要約】  【課題】コスト増加を抑制でき、かつ低摩擦特性に優れた摺動部材および摺動機構を提供する。  【解決手段】摺動機構１は、摺動面２０を有する摺動部材２と、軸心回りに回転可能に取り付けられ、摺動部材２の摺動面２０と摺動する相手面３０を有する相手材３と、を備える。摺動部材２は、ベース材４と、ベース材４に埋め込まれた固体潤滑剤５と、を備える。摺動面２０を構成するベース材４の表面４０には、固体潤滑剤５の配置のため複数の挿入孔４１が形成される。固体潤滑剤５は、黒鉛の多孔質体を含み、潤滑油及びイオン液体が含浸される。摺動面２０と相手面３０の合成粗さは、ＰＶ値と摺動部材２および相手材３の材料の組合せとに応じて定まる値以内に収められる。摺動部材２および相手材３にはともに炭素鋼が用いられる。【選択図】図１
2018039935.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相手材と摺動する摺動部材であって、
前記相手材の炭素鋼で形成された相手面と摺動する摺動面と、
一部を前記摺動面に露出させつつ、前記摺動面に埋め込まれた多孔質状の固体潤滑剤と、を有し、
前記摺動面は、
炭素鋼で形成されており、
前記固体潤滑剤は、
黒鉛を含み、かつ潤滑油およびイオン液体が含浸されており、
前記摺動面の表面粗さは、
前記相手面の表面粗さとの合成粗さが、前記摺動面および前記相手面間のＰＶ値と、前記摺動面および前記相手面の材料の組合せと、により定まる値以内に収まるように設定されている
ことを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
請求項１に記載の摺動部材であって、
前記イオン液体は、
ビス（トリフルオロメタンスルホニル）アミドをアニオンとし、炭素数４以上のアルキル基を有するイミダゾリウム系またはアンモニウム系を有機カチオンとするイオン液体である
ことを特徴とする摺動部材。
【請求項３】
請求項２に記載の摺動部材であって、
前記イオン液体は、［ＭＴＯＡ］［ＴＦＳＡ］である
ことを特徴とする摺動部材。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の摺動部材と、
前記摺動部材の前記摺動面と摺動する炭素鋼で形成された相手面を有する相手材と、を備える
ことを特徴とする摺動機構。
【請求項５】
請求項４に記載の摺動機構であって、
前記摺動部材の前記摺動面および前記相手材の前記相手面の一方は、高炭素クロム鋼で形成されている
ことを特徴とする摺動機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、滑り軸受等の摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、新たな材料としてイオン液体が注目されている。イオン液体は、有機カチオンとアニオンとがイオン結合して形成された化合物であり、ＮａＣｌ等のイオン結晶に比べてイオン分子構造が大きく、イオン間距離が長く、かつ電荷密度が小さいため、イオン同士の結合力が弱い。このため、融点が低く、常温下（１００度以下）において、液体状態で存在する。イオン液体は、熱的、化学的、および電気化学的に安定性に優れ、低揮発性、難燃性、高熱伝導性、高通電性等の特徴を備えており、電気二重層キャパシタ、燃料電池等の電解質、リチウムイオン電池等の添加剤、有機および無機合成の反応溶媒、潤滑剤等の様々な用途への適用が期待されている。例えば、特許文献１には、イオン液体を含む潤滑油が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００５／０３５７０２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
イオン液体は、潤滑油に比べて非常に高価である。このため、イオン液体を潤滑剤として単体で使用したり、あるいは潤滑油にイオン液体を多量に含ませたりすると、その分コストが高くなる。したがって、イオン液体は、潤滑油に少量含ませることが好ましい。しかし、イオン液体は、油との親和性が低く、潤滑油に溶解（混合）しない。このため、摺動面に少量のイオン液体を含んだ潤滑油を塗布した場合、潤滑油から分離したイオン液体が摺動面上に一様に分布しないか、あるいは存在しない場合が生じ、イオン液体の効果を十分に発揮させることができない。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、コスト増加を抑制でき、かつ低摩擦特性に優れた摺動部材および摺動機構を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、黒鉛を含む多孔質状の固体潤滑剤に潤滑油およびイオン液体を含浸させることにより、固体潤滑剤から摺動部材の摺動面上に滲み出た潤滑油中にイオン液体を保持した多孔質状の黒鉛を分散させた場合において、摺動部材の摺動面と相手材の摺動面との合成粗さがＰＶ値（荷重圧力Ｐ×すべり速度Ｖ）と摺動部材および相手材の材料の組合せとに応じて定まる値以内に収まるように、摺動部材の摺動面の粗さを設定することにより、所望の摩擦係数を得られることを見出した。さらに、摺動部材および相手材をともに炭素鋼とすることにより、その他の材料の組合せに比べて低摩擦化できることを見出した。これにより、潤滑油の使用量に比べて少量のイオン液体であっても、摺動部材の低摩擦化を実現できた。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、黒鉛を含む多孔質状の固体潤滑剤に潤滑油およびイオン液体を含浸させるとともに、摺動部材の摺動面と相手材の摺動面との合成粗さをＰＶ値と摺動部材および相手材の材料の組合せとに応じて定まる値以内に収め、さらに、摺動部材および相手材をともに炭素鋼とすることにより、潤滑油の量に比べて少量のイオン液体であっても、低摩擦特性を実現できた。したがって、イオン液体の使用量を抑え、かつ、摺動部材の材料として一般的な高力黄銅合金に比べて比較的安価な炭素鋼を用いることにより、コスト増加を抑制でき、かつ低摩擦特性に優れた摺動部材および摺動機構を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態に係る摺動機構１の概略構成図である。
【図２】図２は、表１に示す条件にて、相手材３の相手面３０の表面粗さを変化させることにより、摺動部材２の摺動面２０と相手材３の相手面３０の合成粗さを変化させた場合における摺動部材２の摺動面２０と相手部材３の対向面３０との摩擦係数の測定結果を示す図である。
【図３】図３は、表１に示す条件にて、摺動部材２の摺動面２０の表面粗さを変化させることにより、摺動部材２の摺動面２０と相手材３の相手面３０の合成粗さを変化させた場合における摺動部材２の摺動面２０と相手部材３の対向面３０との摩擦係数の測定結果を示す図である。
【図４】図４は、図２および図３に示す測定結果の滑り距離１０００ｍまでの平均摩擦係数を示す図である。
【図５】図５は、表３に示す組合せ各々について、表２に示す条件にて行った摺動部材２の摺動面２０と相手部材３の対向面３０との摩擦係数の測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１０】
図１は、本実施の形態に係る摺動機構１の概略構成図である。
【００１１】
図示するように、本実施の形態に係る摺動機構１は、摺動面２０を有する板状の摺動部材２と、摺動部材２の摺動面２０と摺動する相手面３０を有する筒状の相手材３と、を備えている。
【００１２】
摺動部材２は、炭素鋼で形成されたベース材４と、ベース材４に埋め込まれた円柱形状の固体潤滑剤５と、を備えている。摺動部材２の摺動面２０を構成するベース材４の表面４０には、円柱形状の固体潤滑剤５を配置するための複数の挿入孔４１が相手部材３の相手面３０との摺接位置に等間隔で形成されている。
【００１３】
固体潤滑剤５は、一方の端面５０がベース材４の表面４０に露出するように、ベース材４の表面４０に形成された挿入孔４１に挿入されている。また、固体潤滑剤５は、円柱状に形成された黒鉛の多孔質体であり、潤滑油およびイオン液体が含浸されている。
【００１４】
相手材３の相手面３０は、相手材３の一方の端面３１に形成される。また、相手材３は、炭素鋼で形成され、軸心Ｏ回りに回転可能に取り付けられている。これにより、相手材３は、相手面３０を摺動部材２の摺動面２０に接触させながら、摺動部材２に対して相対的に回転可能に配置される。
【００１５】
本発明者は、以下の表１に示す条件において、軸心Ｏ方向の荷重Ｎを相手材３の他方の端面３２に加えて、相手材３の相手面３０を摺動部材２の摺動面２０に押し当てながら、軸心Ｏ回りの回転方向Ｒに相手材３を回転させ、そのときの摺動部材２の回転方向Ｒにおけるトルクを、図示していないロードセルで検出し、この検出トルクから、摺動面２０および対向面３０間の摩擦係数を測定する試験を、摺動部材２の摺動面２０および相手材３の相手面３０の合成粗さを変化させて行った。
【００１６】
【表１】
2018039935.tif 000003
【００１７】
なお、摺動部材２の摺動面２０は、フライス加工後、ハンドラッピングによる研磨仕上げとし、相手材３の相手面３０は、研削加工後、ハンドラッピングによる研磨仕上げとした。また、固体潤滑剤５に含浸させる潤滑油として、工業用潤滑油を用い、固体潤滑剤５に含浸させるイオン液体として、［ＭＴＯＡ］［ＴＦＳＡ］を用いた。
【００１８】
ここで、［ＭＴＯＡ］［ＴＦＳＡ］は、炭素数４以上のアルキル基を有するアンモニウム系のメチルトリオクチルアンモニウムを有機カチオンとし、ビス（トリフルオロメタンスルホニル）アミドをアニオンとするイオン液体であり、以下の化１に示す構造を有する。
【００１９】
【化１】
2018039935.tif 000004
【００２０】
摺動部材２の摺動面２０および相手材３の相手面３０の合成粗さは、つぎの２通りの方法で変化させた。
［方法１］摺動部材２の摺動面２０の表面粗さＲａをおよそ０．０５μｍに調整し、その後、相手材３の相手面３０の表面粗さを変化させることにより、両者の合成粗さを変化させる。
［方法２］相手材３の相手面３０の表面粗さＲａをおよそ０．１μｍに調整し、その後、摺動部材２の摺動面２０の表面粗さを変化させることにより、両者の合成粗さを変化させる。
【００２１】
なお、摺動部材２の摺動面２０の二乗平均平方根粗さＲｑをσ１、相手材３の相手面３０の二乗平均平方根粗さＲｑをσ２とした場合、両者の合成粗さσは、以下の数１により表される。
【００２２】
【数１】
2018039935.tif 000005
【００２３】
図２は、表１に示す条件にて、方法１により摺動部材２の摺動面２０と相手材３の相手面３０の合成粗さを変化させた場合における摺動部材２の摺動面２０と相手部材３の対向面３０との摩擦係数の測定結果を示している。
【００２４】
ここで、グラフ６０１は合成粗さσ＝０．３３８μｍの測定結果を示しており、グラフ６０２は合成粗さσ＝０．３１４μｍの測定結果を示しており、グラフ６０３は合成粗さσ＝０．２６１μｍの測定結果を示しており、グラフ６０４は合成粗さσ＝０．２３７μｍの測定結果を示しており、グラフ６０５は合成粗さσ＝０．１８５μｍの測定結果を示しており、グラフ６０６は合成粗さσ＝０．１５６μｍの測定結果を示しており、そして、グラフ６０７は合成粗さσ＝０．０９６μｍの測定結果を示している。
【００２５】
図示するように、合成粗さσ＝０．１５６〜０．３１４μｍにおいては、滑り距離１０００ｍ頃まで滑り距離が増加するにつれて摩擦係数μが低下し、滑り距離１０００ｍまでにはいずれも摩擦係数μ＝０．００５以下の非常に低い値となって安定した（グラフ６０２〜６０７）。また、σ＝０．０９６μｍでは、滑り距離に係らず、摩擦係数μ＝０．００５以下の非常に低い値となった。一方、合成粗さσ＝０．３３８μｍでは、滑り距離に係らず、摩擦係数μ＝０．１程度であった。
【００２６】
図３は、表１に示す条件にて、方法２により摺動部材２の摺動面２０と相手材３の相手面３０の合成粗さを変化させた場合における摺動部材２の摺動面２０と相手部材３の対向面３０との摩擦係数の測定結果を示している。
【００２７】
ここで、グラフ６１１は合成粗さσ＝０．３０８μｍの測定結果を示しており、グラフ６１２は合成粗さσ＝０．２８９μｍの測定結果を示しており、グラフ６１３は合成粗さσ＝０．２７５μｍの測定結果を示しており、グラフ６１４は合成粗さσ＝０．２５６μｍの測定結果を示しており、グラフ６１５は合成粗さσ＝０．２４１μｍの測定結果を示しており、グラフ６１６は合成粗さσ＝０．１６６μｍの測定結果を示しており、そして、グラフ６１７は合成粗さσ＝０．１５８μｍの測定結果を示している。
【００２８】
図示するように、合成粗さσ＝０．２４１〜０．２８９μｍにおいては、滑り距離１０００ｍ頃まで滑り距離が増加するにつれて摩擦係数μが低下し、滑り距離１０００ｍまでにはいずれも摩擦係数μ＝０．００５以下の非常に低い値となって安定した（グラフ６１２〜６１５）。また、σ＝０．１６６μｍ以下では、滑り距離に係らず、摩擦係数μ＝０．００５以下の非常に低い値となった。一方、合成粗さσ＝０．３０８μｍでは、滑り距離に係らず、摩擦係数μ＝０．１１程度であった。
【００２９】
図４は、図２および図３に示す測定結果の滑り距離１０００ｍまでの平均摩擦係数を示す図である。
【００３０】
ここで、グラフ６２１は方法１により摺動部材２の摺動面２０と相手材３の相手面３０の合成粗さを変化させた場合（図２に示す測定結果）における平均摩擦係数を示しており、グラフ６２２は方法２により摺動部材２の摺動面２０と相手材３の相手面３０の合成粗さを変化させた場合（図３に示す測定結果）における平均摩擦係数を示している。
【００３１】
図示するように、合成粗さσが０．２４μｍより小さい場合、方法１および方法２のいずれにおいても、滑り距離１０００ｍまでの平均摩擦係数が０．００５以下の非常に低い値となり、摩擦開始の初期から低摩擦係数を示した（以下、低摩擦化領域と呼ぶ）。また、合成粗さσが０．２４μｍ〜０．３０μｍの場合、方法１および方法２のいずれにおいても、滑り距離１０００ｍまでの平均摩擦係数は合成粗さσに比例して増加した（以下、遷移領域と呼ぶ）。しかしながら、図２および図３に示したように、滑り距離１０００ｍ以降において、いずれも摩擦係数μ＝０．００５以下の非常に低い値を示した。一方、合成粗さσが０．３０μｍより大きい場合、方法１および方法２のいずれにおいても、滑り距離１０００ｍまでの平均摩擦係数が０．１程度の高い値を示した（以下、高摩擦領域と呼ぶ）。
【００３２】
以上の結果から、黒鉛を含む多孔質状の固体潤滑剤５に潤滑油およびイオン液体を含浸させることにより、イオン液体を保持した多孔質状の黒鉛を固体潤滑剤５から摺動部材２の摺動面２０上に滲み出た潤滑油中に分散させた場合において、摺動部材２の摺動面２０と相手材３の摺動面３０との合成粗さσが所定値以内に収まるように摺動部材２の摺動面２０の表面粗さを設定することにより、所望の摩擦係数を得られることが分かった。例えば、合成粗さσが０．２４μｍより小さくなるように摺動部材２の摺動面２０の表面粗さを設定することにより、摩擦係数を０．００５以下の低摩擦化領域にすることができた。
【００３３】
ただし、所望の摩擦係数に抑えるために要求される合成粗さσは、ＰＶ値（荷重圧力Ｐ×すべり速度Ｖ）と摺動部材２および相手材５の材料の組合せとに応じて変化するものと考えられる。したがって、摺動部材２の摺動面２０の表面粗さは、摺動部材２の摺動面２０と相手材３の摺動面３０との合成粗さσがＰＶ値（荷重圧力Ｐ×すべり速度Ｖ）と摺動部材２および相手材５の材料の組合せとに応じて定まる値以内に収まるように設定することが好ましい。
【００３４】
本発明者は、以下の表２に示す条件において、軸心Ｏ方向の荷重Ｎを相手材３の他方の端面３２に加えて、相手材３の相手面３０を摺動部材２の摺動面２０に押し当てながら、軸心Ｏ回りの回転方向Ｒに相手材３を回転させ、そのときの摺動部材２の回転方向Ｒにおけるトルクを、図示していないロードセルで検出し、この検出トルクから、摺動面２０および対向面３０間の摩擦係数を測定する試験を、ベース材４および相手材３の材料の組合せを変えて行った。
【００３５】
【表２】
2018039935.tif 000006
【００３６】
ベース材４および相手材３の材料の組合せは、以下の表３に示すとおりである。ここで、ＳＫ３、ＳＵＪ２、ＳＵＳ４２０Ｊ２は、Ｓ４５Ｃと同様、炭素鋼に分類される鋼材である。
【００３７】
【表３】
2018039935.tif 000007
【００３８】
なお、摺動部材２の摺動面２０は、フライス加工後、ハンドラッピングによる研磨仕上げとし、相手材３の相手面３０は、研削加工後、ハンドラッピングによる研磨仕上げとした。また、固体潤滑剤５に含浸させる潤滑油として、工業用潤滑油を用い、固体潤滑剤５に含浸させるイオン液体として、［ＭＴＯＡ］［ＴＦＳＡ］を用いた。
【００３９】
図５は、表３に示す組合せ各々について、表２に示す条件にて行った摺動部材２の摺動面２０と相手部材３の対向面３０との摩擦係数の測定結果を示す図である。
【００４０】
ここで、グラフ６３１は表３の組合せＡの測定結果を示しており、グラフ６３２は表３の組合せＢの測定結果を示しており、グラフ６３３は表３の組合せＣの測定結果を示しており、グラフ６３４は表３の組合せＤの測定結果を示しており、そして、グラフ６３５は表３の組合せＥの測定結果を示している。なお、表３の組合せＦの測定では、測定開始後すぐに焼き付きが生じたため、データを得ることができなかった。
【００４１】
図示するように、摺動部材２および相手部材３の一方のみに炭素鋼を用いた組合せＥでは、滑り距離１０００ｍ以降の摩擦係数が０．００２以上であるのに対し（グラフ６３５）、摺動部材２および相手部材３ともに炭素鋼を用いた組合せＡ〜Ｄでは、滑り距離１０００ｍ以降の摩擦係数が０．００２未満となり（グラフ６３１〜６３４）、摺動部材２および相手部材３の一方のみに炭素鋼を用いた組合せＥよりも低い摩擦係数を示した。また、上述したように、摺動部材２および相手部材３ともに炭素鋼以外の金属を用いた組合せＦでは、すぐに焼き付きが生じた。
【００４２】
以上の結果から、摺動部材２および相手材３をともに炭素鋼とすることにより、その他の材料の組合せに比べて低摩擦化できることが分かった。
【００４３】
以上、本発明の一実施の形態を説明した。
【００４４】
本実施の形態によれば、黒鉛を含む固体潤滑剤５に、黒鉛を含む多孔質状の固体潤滑剤５に潤滑油およびイオン液体を含浸させるとともに、摺動部材２の摺動面２０と相手材３の相手面３０との合成粗さをＰＶ値と摺動部材２および相手材３の材料の組合せとに応じて定まる値以内に収め、さらに、摺動部材２および相手材３をともに炭素鋼とすることにより、潤滑油の量に比べて少量のイオン液体であっても、低摩擦特性を実現できた。したがって、イオン液体の使用量を抑え、かつ、摺動部材２の材料として一般的な高力黄銅合金に比べて比較的安価な炭素鋼を用いることにより、コスト増加を抑制でき、かつ低摩擦特性に優れた摺動部材および摺動機構を提供することができる。
【００４５】
なお、上記の実施の形態では、潤滑油とともに固体潤滑剤５に含浸するイオン液体として［ＭＴＯＡ］［ＴＦＳＡ］を用いているが、本発明はこれに限定されない。ビス（トリフルオロメタンスルホニル）アミドをアニオンとし、炭素数４以上のアルキル基を有するイミダゾリウム系またはアンモニウム系を有機カチオンとするイオン液体であればよい。例えば、［Ｂｍｉｍ］［ＴＦＳＡ］、［Ｏｍｉｍ］［ＴＦＳＡ］、［Ｃ１０ｍｉｍ］［ＴＦＳＡ］、［ＢＭＰＹ］［ＴＦＳＡ］を用いてもよい。本発明者は、これらのイオン液体においても、潤滑油に比べて少量のイオン液体で、低摩擦特性を実現できることを見出している。
【００４６】
また、上記の実施の形態では、筒状の相手材３の相手面３０を、板状の摺動部材２の摺動面２０で支持する構造を採用しているが、本発明はこれに限定されない。本発明は、滑り軸受等の摺動面を有する摺動部材と、この摺動面と摺動する対向面を有する相手部材と、を備える様々な摺動機構に適用可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１：摺動機構、  ２：摺動部材、３：相手材、４：ベース材、５：固体潤滑剤、２０：摺動面、  ３０：相手面、  ３１：相手部材３の一方の端面、  ３２：相手部材３の他方の端面、  ４０：ベース材４の表面、  ４１：挿入孔、  ５０：固体潤滑剤５の端面
【図１】
2018039935.tif 000008
【図２】
2018039935.tif 000009
【図３】
2018039935.tif 000010
【図４】
2018039935.tif 000011
【図５】
2018039935.tif 000012