(57)【要約】【課題】グリーの保持性と再流入性を高めて、グリース潤滑下において長期にわたって低摩擦を維持できる摺動面構造及び摺動面構造の製造方法を提供する。【解決手段】増ちょう剤と油とを含むグリース潤滑下で相対的に摺動する摺動面構造において、少なくとも一方の摺動面に凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造が形成され、グレーティング状凹凸の周期構造が前記増ちょう剤を担持して、グリースの油分離と油分移動性が促進される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
増ちょう剤と油とを含むグリース潤滑下で相対的に摺動する摺動面構造において、少なくとも一方の摺動面に凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造が形成され、このグレーティング状凹凸の周期構造が前記増ちょう剤を担持して、グリースの油分離と油分移動性が促進されることを特徴とする摺動面構造。
【請求項２】
前記グレーティング状凹凸の周期構造が摺動面外に連通し、摺動面外に付着するグリースと当接していることを特徴とする請求項１に記載の摺動面構造。
【請求項３】
前記グレーティング状凹凸の周期構造が摺動方向に沿って配向していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の摺動面構造。
【請求項４】
前記グレーティング状凹凸の周期構造の凹凸が５０ｎｍ以上１０μｍ以下かつ周期ピッチが１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の摺動面構造。
【請求項５】
増ちょう剤と油とを含むグリース潤滑下で相対的に摺動する摺動面構造の製造方法において、少なくとも一方の摺動面に凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造を形成し、このグレーティング状凹凸の周期構造に前記増ちょう剤を担持させて、グリースの油分離と油分移動性が促進されることを特徴とする摺動面構造の製造方法。
【請求項６】
前記グレーティング状凹凸の周期構造は、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ー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５に記載の摺動面構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動面構造及び摺動面構造の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
環境問題への関心が高まり、摺動部の摩擦低減はもちろんのこと、潤滑油の使用量削減が重要な課題となっている。そのため、グリース潤滑の適用拡大が検討されており、グリースの保持効果を高めた摺動面構造が提案されている（特許文献１及び特許文献２）。
【０００３】
特許文献１及び特許文献２のものは、軸受用保持器のポケット内面に凹部を形成し、この凹部をグリース溜りとしている。これにより、ポケット内に配置された転動体が転動（自転）すれば、転動体と保持器のポケット内面とが摺接して、前記凹部にグリースが保持されるとともに、凹部に保持されたグリースが転動体の摺接部に再供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−３１３４４号公報
【特許文献２】特開２０１５−１４８２４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記特許文献１及び特許文献２に記載された凹部は、ポケット内面にグリースを溜めるためのものであって、グリースの油分離と油分移動性の促進作用はない。すなわち、前記前記特許文献１及び特許文献２のものは、凹部に溜められたグリースが転動体と凹部との間を移動して、摺動面構造を延命させるものである。しかしながら、グリースは流動性が低いため、相対運動に伴い一旦摺動面外に排出されると、摺動面では潤滑不足による摩擦増加や焼付きを生じるという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、グリースの保持性と再流入性を高めて、グリース潤滑下において長期にわたって低摩擦を維持できる摺動面構造及び摺動面構造の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の摺動面構造は、増ちょう剤と油とを含むグリース潤滑下で相対的に摺動する摺動面構造において、少なくとも一方の摺動面に凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造が形成され、このグレーティング状凹凸の周期構造が前記増ちょう剤を担持して、グリースの油分離と油分移動性が促進されるものである。
【０００８】
本発明の摺動面構造によれば、少なくとも一方の摺動面に凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造が形成されることにより、油分に対して濡れ性が良好なものとなってグリースの油分離と油分移動性が促進され、摺動面外に排出されたグリースの再流入性が向上する。また、グレーティング状凹凸の周期構造が増ちょう剤を担持することにより、担持された増ちょう剤に油分を伝播させることができ、油分の保持性、移動性を良好にする。さらに、担持された増ちょう剤が相手材に境界膜を形成することができる。
【０００９】
前記構成において、前記グレーティング状凹凸の周期構造が摺動面外に連通し、摺動面外に付着するグリースと当接しているのが好ましい。
【００１０】
前記構成において、前記グレーティング状凹凸の周期構造が摺動方向に沿って配向するのが好ましい。
【００１１】
前記構成において、前記グレーティング状凹凸の周期構造の凹凸が５０ｎｍ以上１０μｍ以下かつ周期ピッチが１０μｍ以下であるのが好ましい。
【００１２】
本発明の摺動面構造の製造方法は、増ちょう剤と油とを含むグリース潤滑下で相対的に摺動する摺動面構造の製造方法において、少なくとも一方の摺動面に凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造を形成し、このグレーティング状凹凸の周期構造に前記増ちょう剤を担持させて、グリースの油分離と油分移動性が促進されるものである。
【００１３】
前記構成において、前記グレーティング状凹凸の周期構造は、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ー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。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の摺動面構造では、グレーティング状凹凸の周期構造によって、グリースの油分離と油分移動性が促進され、摺動面外に排出されたグリースの再流入性が向上するため、潤滑不足による摩擦増加や焼付きを防止することができる。また、グレーティング状凹凸の周期構造が増ちょう剤を担持することにより、油分の保持性、移動性を良好にすることで、潤滑特性を向上することができる。さらに、担持された増ちょう剤が相手材に境界膜を形成することができるため、摩擦・摩耗を低減することができる。
【００１５】
グレーティング状凹凸の周期構造が摺動面外に連通し、摺動面外に付着するグリースと当接することで、摺動面外のグリースから油分離し、その油分を摺動面内に移動させることができる。これにより、潤滑不足による摩擦増加や焼付きを防止することができる。
【００１６】
グレーティング状凹凸の周期構造が摺動方向に沿って配向することにより、摺動面に速やかに油分が移動し、潤滑特性を向上させることができる。また、摺動方向に配向した増ちょう剤の担持性が向上する。
【００１７】
グレーティング状凹凸の周期構造の凹凸が５０ｎｍ以上１０μｍ以下かつ周期ピッチが１０μｍ以下とすることで、油分の保持性、移動性を向上することができる。周期構造の凹凸が５０ｎｍ未満では十分な量の増ちょう剤を担持できず、凹凸及び周期ピッチが１０μｍを超えると増ちょう剤や油分がほとんど流出してしまう。
【００１８】
本発明の摺動面構造の製造方法によれば、グレーティング状凹凸の周期構造によって、グリースの油分離と油分移動性が促進され、摺動面外に排出されたグリースの再流入性が向上するため、潤滑不足による摩擦増加や焼付きを防止することができる。また、グレーティング状凹凸の周期構造が増ちょう剤を担持することにより、担持された増ちょう剤がさらに油分の保持性、移動性を良好にすることで、潤滑特性を向上することができる。さらに、担持された増ちょう剤が相手材に境界膜を形成することができるため、摩擦・摩耗を低減することができる。
【００１９】
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ーラップさせながら走査して、自己組織的に形成することで、機械加工では困難なサブミクロンの周期ピッチと凹凸深さをもつ周期構造を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態を示す摺動面構造の要部拡大断面図である。
【図２】前記摺動面に形成される周期構造の拡大平面図である。
【図３】周期構造の断面プロファイル図である。
【図４】前記摺動面の拡大断面図である。
【図５】油分が増ちょう剤を伝播する状態を示す図であり、（ａ）は周期構造に増ちょう剤を担持した状態であり、（ｂ）は周期構造に増ちょう剤を担持していない状態を示す。
【図６】前記周期構造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７】本発明の実施形態を示す摺動面構造の製造方法の斜視図である。
【図８】各種ＳＵＪ２プレートの摩擦係数を示すグラフ図である。
【図９】各種ＳＵＪ２プレートに摺動させたＳＵＪ２ボールの摺動痕と断面プロファイルを示す図であり、（ａ）は光学鏡面ＳＵＪ２、（ｂ）は周期平行ＳＵＪ２、（ｃ）は周期直交ＳＵＪ２である。
【図１０】摺動試験後のストローク端部に形成されたグリース塊から摺動痕外側への油分拡散状況を示す平面図であり、（ａ）は光学鏡面ＳＵＪ２、（ｂ）は周期平行ＳＵＪ２、（ｃ）は周期直交ＳＵＪ２である。
【図１１】摺動痕を示す図であり、（ａ）は光学鏡面ＳＵＪ２、（ｂ）は周期平行ＳＵＪ２である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下本発明の実施の形態を図１〜図１１に基づいて説明する。
【００２２】
本発明に係る摺動面構造は、図１に示すように、第１部材１の摺動面１ａと第２部材２の摺動面２ａとがグリースＬ下で相対的に摺動するものである。この場合、第１部材１及び第２部材２は、炭素鋼、銅、アルミニウム、白金、超硬合金等であっても、炭化ケイ素や窒化ケイ素等のシリコン系セラミックスであっても、エンジニアプラスチック等であってもよい。また、グリースＬとしては、増ちょう剤と油とを含むものであればよく、増ちょう剤としては、例えば、脂環式ウレア、脂肪族ウレア、テフロン（登録商標）系、等の種々のものであってよい。すなわち、第１・第２部材１、２の材質、使用する環境等に応じて種々のグリースを用いることができる。本実施形態では、第１部材１を図７に示すように球体とし、第２部材２を平板体で構成した。
【００２３】
第２部材２の上面には、図７に示すように一方向に沿った帯状部２０が設けられ、この帯状部２０の上面が摺動面２ａとされる。図１に示すように、第２部材２の摺動面２ａにはグレーティング状凹凸の周期構造３が形成される。また、図１に示すように、第１部材１の下面が摺動面１ａとなる。
【００２４】
周期構造３は図１及び図２に示すように、微小の凹部５と微小の凸部６とが交互に所定ピッチで配設されてなるものである。周期構造３の凹凸の高低差（凹部５の底部から凸部６の頂点までの高さ）が５０ｎｍ以上１０μｍ以下とするのが好ましい。また、周期構造３の周期ピッチを１０μｍ以下とするのが好ましい。図３はこの周期構造３の断面プロファイルを示している。このように、周期構造３は、凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造３である。このような周期構造が形成されることにより、油分に対して濡れ性が良好なものとなってグリースの油分離と油分移動性が促進され、図４の矢印に示すように、摺動面外に排出されたグリースＬ０の再流入性が向上する。
【００２５】
本実施形態では、第２部材２が図７の矢印の方向に往復動し、第１部材１を固定側としているため、グレーティング状凹凸の周期構造３が摺動方向に沿って配向したものとなっている。また、図４に示すように、グレーティング状凹凸の周期構造３が摺動面外に連通し、摺動面外に付着するグリースＬ０と当接している。
【００２６】
グレーティング状凹凸の周期構造３は、図４に示すように増ちょう剤７を担持している。増ちょう剤７は、図５に示すような網目構造を有しており、この増ちょう剤７を油が伝播する。図５（ｂ）に示すように、周期構造３に増ちょう剤７が担持されていないと、油が伝播することができず、摺動面２ａにおいて、油分の保持性、移動性が乏しいものとなる。従って、図５（ａ）に示すように周期構造３に増ちょう剤７が担持されれば、図５（ａ）の矢印に示すように、増ちょう剤７に油分を伝播させることができ、油分の保持性、移動性を良好にすることができる。さらに、担持された増ちょう剤７が相手材（第１部材１）に境界膜を形成することができる。
【００２７】
次に、前記摺動面構造の製造方法について説明する。周期構造３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ー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６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。なお、フェムト秒レーザはフェムト秒（１０００兆分の１秒）オーダという極端に短い時間単位の中にエネルギーを圧縮した光源である。
【００２８】
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（加工材料）Ｗに照射した場合、入射光と加工材料Ｗ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を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ー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。
【００２９】
レーザのスキャンは、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、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。なお、前記図２は、前記フェムト秒レーザ表面加工装置にて形成した周期構造３を電子顕微鏡で撮像した図である。
【００３０】
このようにして形成された周期構造３に増ちょう剤７を担持させる。その方法としては、グリース潤滑下で第１部材１と第２部材２とを摺動させる方法、増ちょう剤７のみを周期構造３に供給する方法等、種々の方法により行うことができる。
【００３１】
このように、本発明の摺動面構造は、グレーティング状凹凸の周期構造３によって、グリースの油分離と油分移動性が促進され、摺動面外に排出されたグリースＬ０の再流入性が向上するため、潤滑不足による摩擦増加や焼付きを防止することができる。また、グレーティング状凹凸の周期構造３が増ちょう剤７を担持することにより、担持された増ちょう剤７がさらに油分の保持性、移動性を良好にすることで、潤滑特性を向上することができる。さらに、担持された増ちょう剤７が相手材に境界膜を形成することができるため、摩擦・摩耗を低減することができる。
【００３２】
グレーティング状凹凸の周期構造３が摺動面外に連通し、摺動面外に付着するグリースＬ０と当接することで、摺動面外のグリースＬ０から油分離し、その油分を摺動面内に移動させることができる。これにより、潤滑不足による摩擦増加や焼付きを防止することができる。
【００３３】
グレーティング状凹凸の周期構造３が摺動方向に沿って配向することにより、摺動面２ａに速やかに油分が移動し、潤滑特性を向上させることができる。また、摺動方向に配向した増ちょう剤７の担持性が向上する。
【００３４】
グレーティング状凹凸の周期構造３の凹凸が５０ｎｍ以上１０μｍ以下かつ周期ピッチが１０μｍ以下とすることで、油分の保持性、移動性を向上することができる。周期構造３の凹凸が５０ｎｍ未満では十分な量の増ちょう剤７を担持できず、凹凸及び周期ピッチが１０μｍを超えると増ちょう剤７や油分がほとんど流出してしまう。
【００３５】
周期構造３を、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ー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と凹凸深さをもつ周期構造を容易に得ることができる。
【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、前記実施形態では、周期構造３を第１部材１側に形成してもよく、第１部材１及び第２部材２の両側に設けてもよい。また、第１部材１と第２部材２の形状としても、図例のものに限らず、他の種々の形状のものにて構成できる。すなわち、第１部材１は、円筒ころや円すいころ等であってもよく、第１部材１がこのようなころであれば、第２部材２が、ころ軸受の内輪や外輪となる。すなわち、本発明の摺動面構造は、各種の自動車部品、機械部品等の種々の機器に使用可能である。
【００３７】
周期構造３の大きさは、使用する第１・第２部材１，２の大きさ、材質、グリースの種類、摺動速度等に応じて種々変更することができる。第１部材１と第２部材２の相対的な摺動運動は、第１部材１を固定して第２部材２を往復動させるものあっても、逆に第２部材２側を固定して、第１部材１側を摺動させるものであってもよい。すなわち、周期構造３が形成されている方を摺動させても、周期構造３が形成されない方を摺動させてもよい。また、第１部材１と第２部材２の双方を摺動させるものであってもよい。
【００３８】
ところで、前記実施形態では、周期構造３を形成する際に、パルスレーザであるフェムト秒レーザを用いたが、フェムト秒レーザ以外のピコ秒レーザやナノ秒レーザといったパルスレーザを使用することもできる。
【実施例】
【００３９】
往復式ボールオンプレート試験機を用いた試験を行った。往復式ボールオンプレート試験機は、図７に示すように、往復試験片である第２部材２と固定側試験片である第１部材１とを備えている。第１部材１は、直径６．３５ｍｍのＳＵＪ２ボール（Ｒａ８ｎｍ）からなるボール試験片であり、第２部材２は、光学研磨したＳＵＳ４４０Ｃ基板（Ｒａ２ｎｍ）からなるプレート試験片である。
【００４０】
第２部材２であるプレート試験片にはフェムト秒レーザを加工閾値近傍のエネルギー密度で照射し、グレーティング状の周期構造（ピッチ約７００ｎｍ、深さ約２００ｎｍ）を幅１ｍｍの帯状領域に形成した。周期構造の配向方向は、摺動方向に対して直交（周期直交ＳＵＪ２という）および平行（周期平行ＳＵＪ２という）の２方向とした。比較のため、未加工のプレート試験片（光学鏡面ＳＵＪ２という）も用いた。
【００４１】
摺動条件は、荷重５Ｎ、ストローク４ｍｍ、往復周波数０．５Ｈｚとし、摺動抵抗をロードセルにより測定した。潤滑剤には、脂環式ウレアグリース（増ちょう剤量１６％、基油ＰＡＯ６、ちょう度２５０）を使用した。
【００４２】
脂環式ウレアグリース潤滑下での各種ＳＵＪ２プレートの摩擦係数を図８に示す。３０００往復における周期平行ＳＵＪ２の摩擦係数は、光学鏡面ＳＵＪ２に対して２８％低下し、顕著な摩擦低減効果が認められた。また、周期直交ＳＵＪ２の摩擦係数も光学鏡面ＳＵＪ２に対して１７％の摩擦低減効果が認められた。
【００４３】
図９に各種ＳＵＪ２プレートに摺動させたＳＵＪ２ボールの摺動痕写真と断面プロファイルを示す。光学鏡面ＳＵＪ２に摺動させたＳＵＪ２ボールの摺動痕は摩耗量が多く、表面粗さ及び接触面積が最大となった。また、金属光沢があり、増ちょう剤の付着や堆積は認められなかった。一方、周期平行ＳＵＪ２と周期直交ＳＵＪ２に摺動させたＳＵＪ２ボールの摺動痕には増ちょう剤由来の境界膜が形成され、摩耗が抑制されていた。特に、周期平行ＳＵＪ２に摺動させたＳＵＪ２ボールでは、摺動痕全面に境界膜が形成されており、ほとんど摩耗が生じなかった。
【００４４】
摺動試験後のストローク端部に形成されたグリース塊から摺動痕外側への油分拡散状況を図１０に示す。なお、図１０（ｂ）（ｃ）において、白色部は周期構造を形成していない光学鏡面部（幅３４０μｍ）である。図１０（ａ）に示す光学鏡面ＳＵＪ２では、プレートへの油分拡散は認められなかった。一方、図１０（ｂ）（ｃ）に示す周期平行ＳＵＪ２と周期直交ＳＵＪ２では周期構造を形成した帯状領域に沿って油分が拡散し、周期構造形成領域の色が顕微鏡下で茶褐色から黒色へ変化した。帯状領域の長軸方向に周期構造が配向する周期平行ＳＵＪ２プレート端面まで油分が拡散したのに対し、帯状領域の短軸方向に周期構造が配向する周期直交ＳＵＪ２では油分移動が限定的であった。また、光学鏡面部（幅３４０μｍ）では油分が拡散しないため、図１０（ｂ）においてグリース塊が接触していない周期構造は黒色に変化せず茶褐色のまま維持された。この結果から、周期構造によりグリースの油分離が促進され、周期構造の配向方向に沿って油分移動が促進されることが確認できる。
【００４５】
図１１に光学鏡面ＳＵＪ２と周期平行ＳＵＪ２の摺動痕を示す。光学鏡面ＳＵＪ２では多数の傷が発生しているが、周期平行ＳＵＪ２では油分が多く画像が不明瞭ではあるが、傷の発生は認められない。周期平行ＳＵＪ２の摺動部では周期構造に増ちょう剤が保持されるため、油分の保持性及び移動性が良好となり、図１１（ｂ）に示した摺動痕外側より油分が潤沢に存在するものと考えられる。
【００４６】
周期平行ＳＵＪ２の摩擦、摩耗が低減した要因として、周期構造により油分離、油分移動が促進されること、及び周期構造に保持された増ちょう剤がさらに油分の保持性、移動性を良好にするとともに、ＳＵＪ２ボール側にも増ちょう剤由来の境界膜を形成することが挙げられる。
【符号の説明】
【００４７】
１ａ   摺動面
２ａ   摺動面
３     周期構造
５     凹部
６     凸部
７     増ちょう剤
Ｌ     グリース
Ｌ０   摺動面外に付着するグリース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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