JP6884031B2

JP6884031B2 - 摺動部材

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Publication number: JP6884031B2
Application number: JP2017094110A
Authority: JP
Inventors: 博司沢田
Original assignee: Canon Machinery Inc
Current assignee: Canon Machinery Inc
Priority date: 2017-05-10
Filing date: 2017-05-10
Publication date: 2021-06-09
Anticipated expiration: 2037-05-10
Also published as: JP2018189205A

Description

本発明は、摺動部材に関するものである。

環境対応技術への関心が高まり、摺動部材においては、摺動部の低摩擦化が重要な課題となっている。そのため、潤滑油の少量化や低粘度化が進められている。潤滑油の少量化や低粘度化は流体潤滑領域の低摩擦化には有効であるが、油膜切れが生じやすくなり、焼付きの発生が問題となる。

特許文献１には、ピストンピンの摺動特性を改善するものが記載されている（特許文献１）。特許文献１のものは、ピストンピンに、軸方向及び円周方向と交差する断面矩形の溝を形成するものである。溝に浸入した潤滑剤は溝内を伝わり、溝から流れ出され（かき出され）て接触面に供給される。

特開２０１６−０４４６３７号公報

特許文献１に記載されたような溝は、溝と潤滑剤とのなじみ（濡れ）がよくない場合があり、潤滑剤の溝への引き込み性及び溝内における潤滑剤の濡れ広がり性が高くない。また、溝が矩形であるため、溝から接触面へ潤滑剤が移動しにくく、溝から接触面への潤滑剤の供給能力が高くない。

本発明は、上記課題に鑑みて、潤滑剤の油溝への引き込み性および溝内における潤滑剤の濡れ広がり性が高く、油膜切れの生じにくい摺動部材を提供する。

本発明の第１の摺動部材は、潤滑剤の介在下で相手部材と相対摺動を行う油溝を有し、油溝の中に、油溝の溝幅よりも周期間隔の狭いグレーティング状凹凸の周期構造が設けられた摺動部材であって、一つの油溝の中に、配向方向が異なる複数の周期構造が、油溝の幅方向に並んで設けられており、配向方向が溝の進展方向に沿う周期構造と配向方向が溝の進展方向と異なる周期構造とを有するものである。
本発明の第２の摺動部材は、潤滑剤の介在下で相手部材と相対摺動を行う油溝を有する摺動部材であって、前記油溝に、油溝の溝幅よりも周期間隔の狭いグレーティング状凹凸の周期構造が複数の配向方向で設けられ、かつ、前記グレーティング状凹凸の周期構造が前記油溝の幅方向周縁部外まで連通しているものである。
本発明の第３の摺動部材は、潤滑剤の介在下で相手部材と相対摺動を行う油溝を有する摺動部材であって、前記油溝に、油溝の溝幅よりも周期間隔の狭いグレーティング状凹凸の周期構造が複数の配向方向で設けられ、前記油溝の溝底に、前記油溝の進展方向に沿った方向にグレーティング状凹凸の周期構造が形成されるとともに、溝底に形成されたグレーティング状凹凸の周期構造から油溝の幅方向周縁部まで進展する方向にグレーティング状凹凸の周期構造が形成されるものである。

本発明の摺動部材によれば、油溝に溝幅より周期間隔の狭いグレーティング状凹凸の周期構造が複数の配向方向で設けられていることで、油溝と潤滑剤とのなじみ（濡れ）がよくなるとともに表面積が増加して、濡れ性向上、毛管現象の効果が加わり、油溝の進展方向及び幅方向に潤滑剤を速やかに濡れ広げることができる。すなわち、ある方向に進展する周期構造において、先行して潤滑剤が濡れ広がり、さらに、その周期構造から別の方向に進展する周期構造にわたって潤滑剤が濡れ広がる。その結果、潤滑剤の循環性が向上して摺動面への潤滑剤の供給性が向上し、摺動部材の油膜切れを防止することができる。

前記油溝は、幅方向周縁部において斜面又は曲面を有し、前記斜面又は曲面の斜度が４５°以下であるのが好ましい。ここで、斜度とは、油溝の幅方向周縁部が斜面である場合は、摺動面に対する斜面の傾斜角度であり、油溝の幅方向周縁部が曲面である場合は、摺動面に対する曲面（油溝の幅方向周縁部）の接線角度をいう。これにより、斜面又は曲面を介して油溝から摺動面への潤滑剤の供給性が向上し、摺動部材の油膜切れを防止することができる。

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少なくとも１つの配向方向と前記油溝の進展方向のなす角度が４５°未満であってもよい。これにより、油溝の進展方向に潤滑剤を速やかに濡れ広げることができる。また、前記グレーティング状凹凸の周期構造の少なくとも１つの配向方向と前記油溝の進展方向のなす角度が４５°以上であってもよい。これにより、油溝の進展方向に潤滑剤を速やかに濡れ広げることができるとともに、摺動面への潤滑剤の供給性を向上することができる。

前記第２の摺動部材によれば、油溝から摺動面への潤滑剤の供給性を向上することができる。

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、凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化するものであってもよい。これにより、開口部が広くなり、潤滑剤の引き込み性及び摺動面への潤滑剤の供給性を向上することができる。

前記グレーティング状凹凸の周期構造の周期ピッチが、１０μｍ以下であってもよい。これにより、毛管現象の効果が顕著となり、潤滑剤を速やかに濡れ広げることができる。

前記第３の摺動部材によれば、油溝の進展方向に沿った方向のグレーティング状凹凸の周期構造によって、油溝の中に速やかに潤滑剤を濡れ広げるとともに、これと直交する方向の周期構造によって、油溝から摺動面へ潤滑剤を供給することができる。このため、溝内における潤滑剤の濡れ広がり性を向上させるとともに、摺動面への潤滑剤の供給性を一層向上させることができる。

本発明の摺動部材は、潤滑油の引き込み性および保持性が高く、油膜切れの生じにくいものとなる。

本発明の実施形態を示す摺動部材の簡略斜視図である。前記図１の摺動部材に形成された油溝の簡略断面図であり、（ａ）は摺動面が平面かつ油溝の幅方向周縁部が斜面であり、（ｂ）は摺動面が平面かつ油溝の幅方向周縁部が曲面であり、（ｃ）は摺動面が曲面かつ油溝の幅方向周縁部が斜面であり、（ｄ）は摺動面が曲面かつ油溝の幅方向周縁部が曲面である。前記油溝に形成されたグレーティング状凹凸の周期構造を示す斜視図である。実施例の潤滑油引き込み評価に使用した試験片を示し、（ａ）は周期構造の拡大図であり、（ｂ）は周期構造が形成されたプレート試験片（直交プレート）の平面図であり、（ｃ）は周期構造が形成されたプレート試験片（平行プレート）の平面図であり、（ｄ）は周期構造が形成されたプレート試験片（複合プレート）の平面図である。潤滑油の浸漬６０分後の持ち上げの推移を示し、（ａ）は直交プレートの正面図であり、（ｂ）は平行プレートの正面図であり、（ｃ）は複合プレートの正面図である。プレート試験片を潤滑油に浸漬した際の潤滑油持ち上げ高さの推移を示すグラフ図である。実施例の濡れ広がり評価に使用したプレートを示し、（ａ）は周期構造を形成しない未加工プレートの平面図であり、（ｂ）は１方向配向プレートの平面図であり、（ｃ）は２方向配向プレートの平面図であり、（ｄ）は溝付きプレートの平面図である。１μｌのＰＡＯ２を点着後６０分経過時の油滴の濡れ広がりの様子を示し、（ａ）は周期構造を形成しない未加工プレートの平面図であり、（ｂ）は１方向配向プレートの平面図であり、（ｃ）は２方向配向プレートの平面図であり、（ｄ）は溝付きプレートの平面図である。

以下本発明の実施の形態を図１〜図８に基づいて説明する。

本発明に係る摺動部材は、図示省略の相手部材と潤滑下で相対的に摺動するものであり、例えばエンジン部品に適用することができる。摺動部材および相手部材は、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、潤滑剤としても、水やアルコールであっても、さらにはエンジンオイル等の潤滑油等であってもよい。すなわち、摺動部材や相手部材の材質は、使用する環境等に応じて種々の潤滑剤を用いることができる。

図１に示すように、本実施形態では摺動部材を例えば平板体とし、表面（本実施形態では上面）が、相手部材と接触する摺動面１となる。摺動面１には、一方向に進展し、潤滑剤の流路となる油溝２が設けられている。この油溝２は、図２に示すように、幅方向周縁部３ａ、３ｂ（つまり、油溝の進展方向と直交する方向における油溝２の端部であって、摺動面１と油溝２との境界となる部分）において斜面４（図２（ａ）（ｃ）参照）又は曲面５（図２（ｂ）（ｄ）参照）を有する。本実施形態では、幅方向周縁部３ａ、３ｂは曲面５となっている。ここで、溝幅とは、油溝２の一方の幅方向周縁部３ａから他方の幅方向周縁部３ｂまでの長さをいう。また、斜面４とは、摺動面１（本実施形態では水平方向）に対して傾斜した面をいう。

曲面５の斜度θは４５°以下としている。斜度θとは、図２（ａ）のように摺動面１が平面であって油溝２の幅方向周縁部３ａ（３ｂ）が斜面４である場合は、摺動面１に対する斜面４の傾斜角度θ１であり、図２（ｂ）のように摺動面１が平面であって油溝２の幅方向周縁部３ａ（３ｂ）が曲面５である場合は、摺動面１に対する曲面５（油溝２の幅方向周縁部３ａ（３ｂ））の接線角度θ２をいう。図２（ｃ）のように、摺動面１が曲面であって油溝２の幅方向周縁部３ａ（３ｂ）が斜面４である場合は、幅方向周縁部３ａ（３ｂ）における摺動面１の接線方向を基準とした斜面４の傾斜角度θ１であり、図２（ｄ）のように摺動面１が曲面であって油溝２の幅方向周縁部３ａ（３ｂ）が曲面５である場合は、幅方向周縁部３ａ（３ｂ）における摺動面１の接線方向を基準とした曲面５（油溝２の幅方向周縁部３）の接線角度θ２をいう。なお、油溝２の底部は、図２（ａ）のような曲面や、図２（ｂ）のような平面等、どのような形状であってもよい。

油溝２には、図３に示すようなグレーティング状凹凸の周期構造６が形成されている。周期構造６は、油溝２の溝幅よりも周期間隔の狭いピッチで微小の凹部９と微小の凸部１０とが交互に所定ピッチで配設されてなるものである。凸部１０の頂点は、非平坦面となって連続的に高さが変化している。また、周期構造６の凹凸ピッチは１０μｍ以下とするのが好ましい。なお、周期構造は多少の乱れがあっても問題はない。

周期構造６は、図１に示すように複数の配向方向で設けられている。すなわち、図１の矢印Ａのように、第１の方向に進展する周期構造６ａは、油溝２の溝底に形成されており、油溝２の進展方向に沿って進展している。図１の矢印Ｂのように、第２の方向に進展する周期構造６ｂは、油溝２の曲面５に形成されており、油溝２の進展方向（第１の方向）と直交する方向に沿って進展する。すなわち、第２の方向に延びる周期構造６ｂは、２箇所において形成されており、一方の周期構造６ｂ１は、第１の方向に延びる周期構造６ａから、油溝２の一方の幅方向周縁部３ａにわたって曲面５に形成され、他方の周期構造６ｂ２は、第１の方向に延びる周期構造６ａから、油溝２の他方の幅方向周縁部３ｂにわたって曲面５に形成されている。曲面５に形成された周期構造６ｂ１、６ｂ２は、油溝２の幅方向周縁部外まで連通している。図１では、周期構造６ｂ１、６ｂ２は、摺動面１の平面にまで連続して形成されている。

本実施形態では、グレーティング状凹凸の周期構造の少なくとも１つの配向方向（本実施形態では、周期構造６ａの配向方向）と油溝２の進展方向のなす角度が４５°未満である。本実施形態では、周期構造６ａの配向方向は油溝２の進展方向とほぼ同じであるため、０°である。また、グレーティング状凹凸の周期構造の少なくとも１つの配向方向（本実施形態では、周期構造６ｂ１、６ｂ２の配向方向）と油溝２の進展方向のなす角度が４５°以上である。本実施形態では、周期構造６ｂの配向方向は油溝２の進展方向と直交する方向とほぼ同じであるため、９０°である。

このように本発明では、油溝２に、溝幅より周期間隔の狭いグレーティング状凹凸の周期構造６ａ、６ｂ１、６ｂ２が複数の配向方向で設けられていることで、油溝２と潤滑剤とのなじみ（濡れ）がよくなるとともに表面積が増加して、濡れ性向上、毛管現象の効果が加わり、油溝２の進展方向及び幅方向に潤滑剤を速やかに濡れ広げることができる。すなわち、油溝２の進展方向に沿って進展する周期構造６ａにおいて、先行して潤滑剤が濡れ広がる。さらに、周期構造６ａから周期構造６ｂ１、６ｂ２にわたって潤滑剤が濡れ広がる。その結果、潤滑剤の循環性が向上して摺動面１への潤滑剤の供給性が向上し、摺動部材の油膜切れを防止することができる。

また、油溝２は、幅方向周縁部３ａ、３ｂにおいて曲面５を有し、曲面５の斜度を４５°以下としている。これにより、曲面５を介して油溝２から摺動面１への潤滑剤の供給性が向上し、摺動部材の油膜切れを防止することができる。

周期構造６ａの配向方向と油溝２の進展方向のなす角度を４５°未満とすることにより、油溝２の進展方向に潤滑剤を速やかに濡れ広げることができる。また、周期構造６ｂ１、６ｂ２の配向方向と油溝２の進展方向のなす角度を４５°以上とすることにより、油溝２の進展方向に潤滑剤を速やかに濡れ広げることができるとともに、摺動面１への潤滑剤の供給性を向上することができる。

グレーティング状凹凸の周期構造６ｂ１、６ｂ２が油溝２の幅方向周縁部外まで連通しているため、油溝２から摺動面１への潤滑剤の供給性を向上することができる。また、グレーティング状凹凸の周期構造６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ものであるため、開口部が広くなり、潤滑剤の引き込み性及び摺動面への潤滑剤の供給性を向上することができる。さらには、グレーティング状凹凸の周期構造６の周期ピッチを１０μｍ以下としているため、毛管現象の効果が顕著となり、潤滑剤を速やかに濡れ広げることができる。

油溝２の溝底に、油溝２の進展方向に沿った方向にグレーティング状凹凸の周期構造６ａが形成されるとともに、周期構造６ａから油溝２の幅方向周縁部３ａ、３ｂまで進展する方向にグレーティング状凹凸の周期構造６ｂ１、６ｂ２が形成されているので、周期構造６ａによって、油溝２の中に速やかに潤滑剤を濡れ広げるとともに、周期構造６ｂ１、６ｂ２によって、油溝２から摺動面１へ潤滑剤を供給することができる。このため、溝内における潤滑剤の濡れ広がり性を向上させるとともに、摺動面１への潤滑剤の供給性を一層向上させることができる。

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、摺動部材の摺動面１としては、平面ではなく円筒面（筒体の内径面や外径面、中実体の外径面）等であってもよい。また、摺動部材と相手部材との摺動は、面接触、線接触、および点接触のいずれであってもよい。摺動部材の摺動方法としては、摺動部材側を固定して相手部材を摺動部材に対して摺動させても、逆に、相手部材側を固定して摺動部材を相手部材に対して摺動させても、摺動部材と相手部材とを摺動させてもよい。

油溝２の溝幅の大きさ、底部までの深さ、断面形状、平面形状、数、位置は種々のものとすることができ、必要性に応じて適宜決定することができる。周期構造６の配向方向は３方向以上でもよい。実施形態では、周期構造６ａの進展方向と周期構造６ｂ１、６ｂ２の進展方向とのなす角度は約９０°であったが、周期構造が複数の配向方向で設けられていれば、それらのなす角度は問わない。また、図１において、周期構造６ａと周期構造６ｂの配向方向を入れ替える等、油溝２のどの位置に、どの方向の周期構造を配置してもよい。油溝２の幅方向周縁部の一方側３ａと他方側３ｂとで、周期構造の進展方向を同一にする必要はなく、例えば、幅方向周縁部の一方側３ａの周期構造は、油溝２の進展方向に沿った方向に形成し、幅方向周縁部の他方側３ｂの周期構造は、油溝２の進展方向と直交する方向に形成する、等であってもよい。周期構造は、油溝２の全面に設けるのが望ましいが、油溝２の一部において周期構造が設けられない箇所があってもよい。

周期構造形成には、フェムト秒レーザ、ピコ秒レーザ、およびナノ秒レーザといったパルスレーザを使用することができる。

まず、潤滑油引き込み評価を行った。図４に、周期構造を形成したプレート試験片を示す。ＳＵＳ３０４基板に超短パルスレーザを加工しきい値近傍のエネルギー密度で照射し、図４（ａ）に示すようなグレーティング状の周期構造（ピッチ約９００ｎｍ、深さ約２５０ｎｍ）を帯状領域（幅３ｍｍ、長さ１５ｍｍ）に形成した。周期構造の配向方向は長軸方向に対して直交（直交プレート、図４（ｂ）参照）、平行（平行プレート、図４（ｃ）参照）、および直交と平行の組み合わせ（複合プレート、図４（ｄ）参照）とした。複合プレートは、帯状領域中央部を長軸方向に対して平行の周期構造とし、その両サイドに直交の周期構造を配置した。

周期構造の潤滑油に対する引き込み性を評価するため、ディップ試験装置を用いて、周期構造を形成した帯状領域端部を潤滑油に浸漬し、潤滑油の持ち上げ高さを測定した。潤滑油にはＰＡＯ２[６．５ｃＰ（２５℃）]を使用した。

図５（ａ）に直交プレート、図５（ｂ）に平行プレート、図５（ｃ）に複合プレートを潤滑油に浸漬した際の潤滑油持ち上げの様子を示す。また、プレート試験片を潤滑油に浸漬した際の潤滑油持ち上げ高さの推移を図６に示す。図６において実線が直交プレート、点線が平行プレート、一点鎖線が複合プレートを示している。全てのプレート試験片で潤滑油を持ち上げることが可能であった。図５における三角印が潤滑油の持ち上げ高さを示しており、図５及び図６に示すように、平行プレート及び複合プレートの潤滑油持ち上げ高さは、直交プレートの２倍となった。なお、図示省略するが、未加工部では潤滑油の持ち上げは認められなかった。

原子間力顕微鏡の測定結果から、周期構造の表面積は未加工部に対して１．７８倍であった。表面積倍率ｒである粗面の見かけの接触角θ_Wと平滑面の接触角θ_eの関係は、凹部まで液体が入り込むＷｅｎｚｅｌモデルの場合、ｃｏｓθ_W＝ｒｃｏｓθ_eで表される。ｒ＝１．７８の場合、平滑面の接触角θ_eが５６°以下の液体は、見かけの接触角θ_Wが０°となり、拡張濡れに移行する。

本実施例において使用したＰＡＯ２の平滑面の接触角は５６°以下であるため、直交プレート、平行プレートともに拡張濡れに移行し、潤滑油を持ち上げることとなった。平行プレートは、周期構造の配向方向と潤滑油の持ち上げ方向が合致するため、毛管現象の効果が加わり、潤滑油の引き込み性が向上したと考えられる。複合プレートは、中央部に形成した長軸方向に平行の周期構造が潤滑油の持ち上げを先導する形となり、平行プレートと同等以上の潤滑油引き込み効果となった。

次に、濡れ広がり評価を行った。試験片は、図７（ａ）に示すように、ＳＵＳ３０４基板に周期構造を形成しない比較材としての未加工プレートと、図７（ｂ）に示すように、ＳＵＳ３０４基板に縦２１ｍｍ、横２５ｍｍの領域に縦方向に配向する周期構造を形成した１方向配向（１Ｄ）プレートと、図７（ｃ）に示すように、１方向配向プレート中央部の帯状領域（幅３ｍｍ）に横方向に配向する周期構造を形成した２方向配向（２Ｄ）プレートと、図７（ｄ）に示すように、プレート中央部の帯状領域（幅３ｍｍ）を深さ１０μｍの溝（図７（ｄ）における濃色部分）とし、溝内には前記複合プレート（図４（ｄ）参照）と同様に、溝中央部に長軸方向に対して平行の周期構造を形成し、その両サイドに直交の周期構造を形成した溝付き（２Ｄ−groove）プレートとした。なお、溝付きプレートは、周期構造を溝の幅方向周縁部外まで連通させた。

潤滑油の濡れ広がりを評価するため、プレート試験片中央部に１μｌのＰＡＯ２を点着し、油滴の濡れ広がりの様子を観察した。

１μｌのＰＡＯ２を点着後６０分経過時の油滴の濡れ広がりの様子を図８に示す。図（ａ）の比較材の未加工プレートに対し、周期構造を形成したプレートは潤滑剤が大きく広がった。油滴は周期構造の配向方向に広がりやすいため、図８（ｂ）に示すように、１Ｄプレートでは楕円形の形状となった。図８（ｃ）に示すように、２Ｄプレートでは、帯状領域で横方向に広がった潤滑油が縦方向に広がるため、１Ｄプレートより広い領域に濡れ広がることが確認された。また、図８（ｄ）に示すように、油溝を想定した２Ｄ−grooveプレートは、２Ｄプレートより横方向に素早く広がり、最も広い領域に濡れ広がった。

以上より、溝に平行に形成された溝中央部の周期構造が潤滑油の溝方向の流れを先導し、溝に直交に形成された溝の両サイドの周期構造が溝外部への潤滑剤供給に寄与したものと考えられる。また、周期構造が油溝の幅方向周縁部外まで連通していることで、油溝から摺動面となる溝外部への潤滑剤の供給性が向上していることが確認された。

２油溝
３幅方向周縁部
４斜面
５曲面
６周期構造

Claims

潤滑剤の介在下で相手部材と相対摺動を行う油溝を有し、油溝の中に、油溝の溝幅よりも周期間隔の狭いグレーティング状凹凸の周期構造が設けられた摺動部材であって、
一つの油溝の中に、配向方向が異なる複数の周期構造が、油溝の幅方向に並んで設けられており、配向方向が溝の進展方向に沿う周期構造と配向方向が溝の進展方向と異なる周期構造とを有することを特徴とする摺動部材。
潤滑剤の介在下で相手部材と相対摺動を行う油溝を有する摺動部材であって、
前記油溝に、油溝の溝幅よりも周期間隔の狭いグレーティング状凹凸の周期構造が複数の配向方向で設けられ、かつ、前記グレーティング状凹凸の周期構造が前記油溝の幅方向周縁部外まで連通していることを特徴とする摺動部材。
潤滑剤の介在下で相手部材と相対摺動を行う油溝を有する摺動部材であって、
前記油溝に、油溝の溝幅よりも周期間隔の狭いグレーティング状凹凸の周期構造が複数の配向方向で設けられ、前記油溝の溝底に、前記油溝の進展方向に沿った方向にグレーティング状凹凸の周期構造が形成されるとともに、溝底に形成されたグレーティング状凹凸の周期構造から油溝の幅方向周縁部まで進展する方向にグレーティング状凹凸の周期構造が形成されることを特徴とする摺動部材。
前記油溝は、幅方向周縁部において斜面又は曲面を有し、前記斜面又は曲面の斜度が４５°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項に記載の摺動部材。
前記グレーティング状凹凸の周期構造の少なくとも１つの配向方向と前記油溝の進展方向のなす角度が４５°未満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項に記載の摺動部材。
前記グレーティング状凹凸の周期構造の少なくとも１つの配向方向と前記油溝の進展方向のなす角度が４５°以上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項に記載の摺動部材。
前記グレーティング状凹凸の周期構造は、凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化していることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の摺動部材。
前記グレーティング状凹凸の周期構造の周期ピッチが、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の摺動部材。