JP6920977B2 - Sliding surface structure - Google Patents
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Description
本発明は、摺動面構造に関するものである。 The present invention relates to a sliding surface structure.
例えば回転軸とすべり軸受との摺動において、なじみ性を確保して、低摩擦性を確保するものがある(特許文献1)。特許文献1のものは、すべり軸受の摺動面を、軸受合金層の表面を覆う低摩擦性合成樹脂製のオーバーレイ層とし、このオーバーレイ層の表面に環状溝による凹凸面を形成している。これにより、回転軸による荷重がすべり軸受に加わった際に、凸部を塑性変形させることによって、回転軸とすべり軸受とをなじませ、オーバーレイ層が摩耗することによって、低摩擦性合成樹脂製による低摩擦性を確保するものである。
For example, in sliding between a rotating shaft and a slide bearing, there is one that ensures familiarity and low friction (Patent Document 1). In
ところで、部材同士が摺動する際、シビア摩耗(すべり距離の増加により摩耗量が増加するような摩耗)からマイルド摩耗(すべり距離が増加しても摩耗量がほとんど増加しない摩耗であって、摩耗率がシビア摩耗の摩耗率よりも一桁以上低い)へ遷移する場合がある。摺動初期において、この遷移が生じれば、結果的に総摩耗量を低減することができる。シビア摩耗からマイルド摩耗に遷移するためには、微細な摩耗粉(マイルド摩耗粉)を生成し、微細な摩耗粉がのしつぶされることによって、一方又は両方の摺動面に強固に固着された移着層を形成することが必要である。 By the way, when the members slide with each other, from severe wear (wear in which the amount of wear increases due to an increase in the sliding distance) to mild wear (wear in which the amount of wear hardly increases even if the sliding distance increases). The rate may transition to (more than an order of magnitude lower than the wear rate of severe wear). If this transition occurs at the initial stage of sliding, the total amount of wear can be reduced as a result. In order to transition from severe wear to mild wear, fine wear debris (mild wear debris) is generated, and the fine wear debris is crushed and firmly adhered to one or both sliding surfaces. It is necessary to form a transfer layer.
前記特許文献1のものは、摺動面に形成された凸部を塑性変形させることによるなじみ促進を目的とするものであって、摺動面が互いに固体同士で接触するような境界潤滑下では、摩擦上昇を回避するものに過ぎないものとなる。すなわち、特許文献1のものは、移着層の形成能力が低くマイルド摩耗促進効果がないため、特に境界潤滑下においては摩擦低減効果が生じない。
The object of
本発明は、上記課題に鑑みて、摩耗粉の成長が生じやすい混合潤滑下または境界潤滑下での面接触摺動または線接触摺動においても、長期にわたって低摩擦・低摩耗を維持することができる摺動面構造を提供する。 In view of the above problems, the present invention can maintain low friction and low wear for a long period of time even in surface contact sliding or line contact sliding under mixed lubrication or boundary lubrication where wear powder is likely to grow. Provide a sliding surface structure that can be used.
本発明の摺動面構造は、摺動面を有する第1部材と、第1部材の摺動面に対して混合潤滑下または境界潤滑下で相対的に摺動する接触部を有する第2部材とを備えた摺動面構造であって、第1部材の摺動面と第2部材の接触部との少なくともいずれかに、摺動方向において前記接触部の最大長さよりも狭い幅を有する溝が設けられるとともに、第1部材の摺動面と第2部材の接触部との少なくともいずれかに、摺動時において前記溝に連通するグレーティング状凹凸の周期構造が設けられるものであり、前記溝の深さ及び前記溝が延びる方向の溝幅が、前記グレーティング状凹凸の周期構造の凹凸及び周期ピッチの5倍以上であるものである。 The sliding surface structure of the present invention has a first member having a sliding surface and a second member having a contact portion that slides relative to the sliding surface of the first member under mixed lubrication or boundary lubrication. A groove having a width narrower than the maximum length of the contact portion in the sliding direction at least one of the sliding surface of the first member and the contact portion of the second member. together are provided, on at least one of the sliding surfaces and the contact portion of the second member of the first member, which periodic structure of the grating-like unevenness which communicates with the groove at the time of sliding is provided, said groove The depth of the groove and the width of the groove in the direction in which the groove extends are five times or more the unevenness and the periodic pitch of the periodic structure of the grating-like unevenness .
本発明の摺動面構造によれば、第1部材側と第2部材側との少なくともいずれかにグレーティング状凹凸の周期構造が設けられていることで、摺動時に微細な摩耗粉を発生しながら、なじみが進行する。この際、周期構造が微細な摩耗粉をトラップすることで、シビア摩耗を引き起こす大型の摩耗粉の生成が抑制され、シビア摩耗を防止することができる。さらに、周期構造にトラップされた微細な摩耗粉が摺動面に固着することで、摩耗率がシビア摩耗の1/10〜1/1000となるマイルド摩耗遷移が促進される。 According to the sliding surface structure of the present invention, since a periodic structure of grating-like unevenness is provided on at least one of the first member side and the second member side, fine wear powder is generated during sliding. However, familiarity progresses. At this time, since the periodic structure traps fine wear debris, the generation of large wear debris that causes severe wear can be suppressed, and severe wear can be prevented. Further, the fine wear powder trapped in the periodic structure adheres to the sliding surface, which promotes a mild wear transition in which the wear rate becomes 1/10 to 1/1000 of severe wear.
前記溝は、前記摺動面と接触部との摺動領域内から摺動領域外に延びるものであってもよい。これにより、周期構造がトラップしきれない大型の摩耗粉や余剰の摩耗粉が摺動領域内から摺動領域外へ排出され、シビア摩耗を一層抑制することができる。 The groove may extend from the inside of the sliding region between the sliding surface and the contact portion to the outside of the sliding region. As a result, large-sized wear debris and excess wear debris whose periodic structure cannot be completely trapped are discharged from the sliding region to the outside of the sliding region, and severe wear can be further suppressed.
前記溝は、摺動領域を、摺動方向とは異なる方向で延びるものであってもよい。これにより、周期構造がトラップしきれない摩耗粉を摺動領域の両側周縁(摺動領域外)に排出することができる。 The groove may extend the sliding region in a direction different from the sliding direction. As a result, wear debris whose periodic structure cannot be completely trapped can be discharged to both side peripheral edges (outside the sliding region) of the sliding region.
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、微小の凹部と微小の凸部とが交互に交互に所定ピッチで配設され、凹部及び凸部が摺動方向に沿って延びるように設けられていてもよい。これにより、余剰の摩耗粉を溝に排出することができるとともに、マイルド摩耗の前駆体となる微細な摩耗粉を摺動面内に適度に拘束することでマイルド摩耗遷移が促進される。 In the above configuration, in the periodic structure of the grating-like unevenness , minute concave portions and minute convex portions are alternately arranged at a predetermined pitch, and the concave portions and the convex portions are provided so as to extend along the sliding direction. You may be. As a result, excess wear debris can be discharged into the groove, and fine wear debris, which is a precursor of mild wear, is appropriately restrained in the sliding surface to promote the mild wear transition.
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以下であってもよい。これにより、マイルド摩耗の前駆体となる微細な摩耗粉の保持とシビア摩耗を引き起こす大型の摩耗粉の生成抑制が可能となる。 In the above configuration, the unevenness of the periodic structure of the grating-like unevenness may be 50 nm or more and 10 μm or less, and the periodic pitch may be 10 μm or less. This makes it possible to retain fine wear debris that is a precursor of mild wear and suppress the generation of large wear debris that causes severe wear.
前記溝の深さ及び前記溝が延びる方向の溝幅が、前記グレーティング状凹凸の周期構造の凹凸及び周期ピッチの5倍以上とすることにより、周期構造がトラップしきれない大型の摩耗粉や余剰の摩耗粉が効率的に摺動領域内から摺動領域外へ排出され、シビア摩耗が抑制される。 Groove width in the direction depth and the groove of the groove extends is, by more than five times the irregularities and the period pitch of the periodic structure of the grating-like unevenness, large abrasion powder and surplus periodic structure not be trapped Wear powder is efficiently discharged from the sliding region to the outside of the sliding region, and severe wear is suppressed.
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、未摺動時において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ものであってもよい。これにより、摺動開始時に小さな曲率半径をもつ周期構造先端が摩耗し、微細な摩耗粉を発生しながら、速やかになじみが進行する。また、凹部の開口が広いため、周期構造が微細な摩耗粉を効率的にトラップすることができる。 In the above configuration, the periodic structure of the grating-like unevenness may be such that the apex of the convex portion becomes a non-flat surface and the height changes continuously when not sliding. As a result, the tip of the periodic structure having a small radius of curvature wears at the start of sliding, and the familiarization progresses quickly while generating fine wear powder. Further, since the opening of the recess is wide, it is possible to efficiently trap abrasion powder having a fine periodic structure.
前記構成において、前記第1部材側と第2部材側との少なくともいずれかに非晶質炭素膜が形成されているものであってもよい。これにより、低摩擦化の実現に重要な低硬度カーボンを含む微細な摩耗粉がのしつぶされ、強固に固着された低硬度カーボン移着層が形成されるため、長期にわたって摺動特性が向上する。 In the above configuration, an amorphous carbon film may be formed on at least one of the first member side and the second member side. As a result, fine wear powder containing low-hardness carbon, which is important for achieving low friction, is crushed and a firmly fixed low-hardness carbon transfer layer is formed, so that the sliding characteristics are improved over a long period of time. do.
本発明の摺動部材は、シビア摩耗を引き起こす大型の摩耗粉の成長を抑制することで、摩耗粉の成長が生じやすい混合潤滑下または境界潤滑下での面接触摺動または線接触摺動においても、長期にわたって低摩擦・低摩耗を維持することができる。 The sliding member of the present invention suppresses the growth of large wear debris that causes severe wear, so that in surface contact sliding or line contact sliding under mixed lubrication or boundary lubrication where wear debris tends to grow. However, low friction and low wear can be maintained for a long period of time.
以下本発明の実施の形態を図1〜図5に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5.
本発明に係る摺動面構造は、図1に示すように、平面状の摺動面1aを有する第1部材1と、前記第1部材1の摺動面1aに対して相対的に摺動する接触部2aを有する第2部材2とを備えたものである。第1部材1と第2部材2とは混合潤滑下または境界潤滑下で相対的に摺動するものである。ここで、混合潤滑とは、摺動面1aと接触部2aとの2面間に僅かな潤滑膜が存在するものの、摺動面1aと接触部2aとが固体接触するような状態をいい、境界潤滑とは、2面間に潤滑膜が存在せず、摺動面1aと接触部2aとが固体接触するような状態をいう。第1部材1側(摺動面1a)には、非晶質炭素膜が形成されている。
As shown in FIG. 1, the sliding surface structure according to the present invention slides relative to the
本実施形態では、第1部材1を例えば平板体とし、第2部材2を例えば直方体形状のブロック体としている。第1部材1の平面状の上面が前記摺動面1aとなり、第2部材2の一面(本実施形態では下面)が前記接触部2aとなる。第2部材2は、第1部材1を矢印Aの方向に摺動し、第2部材2の接触部2aが第1部材1の摺動面1aと接触しうる領域を摺動領域(図1(a)の範囲H)という。
In the present embodiment, the
第1部材1の摺動面1aには、摺動方向Aにおいて接触部2aの最大長さL(図1(a)参照)よりも狭い幅を有する溝3が設けられている。図1における図示例では溝3の数は3つであるが、実際は、摺動領域Hにおいて、さらに多数の溝3が設けられている。溝3は、摺動面1aと接触部2aとの摺動領域H内から摺動領域H外に延びるものである。また、溝3は、摺動領域Hを、摺動方向Aとは異なる方向で延びるものであり、本実施形態では、溝3は摺動方向Aとほぼ直交する方向に延びている。溝の深さD(図1(b)参照)及び溝3が延びる方向の溝幅W(図1(a)参照)は、後述するグレーティング状凹凸の周期構造4の凹凸及び周期ピッチの5倍以上となっている。
The sliding surface 1a of the
第1部材1の摺動面1aには、摺動時において溝3に連通するグレーティング状凹凸の周期構造4が設けられている。すなわち、溝3と、隣合う溝3との間の夫々に周期構造4が形成されている。図2に示すように、周期構造4は、溝3の溝幅Wよりも周期間隔の狭いピッチで微小の凹部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り、摺動方向Aに沿って延びるように設けられている。凸部6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4の凹凸は、50nm以上10μm以下、かつ周期ピッチが10μm以下とするのが好ましい。
The sliding surface 1a of the
このような第1部材1と第2部材2とを備えた摺動面構造において、第2部材2が第1部材1に対して無潤滑(境界潤滑下)で相対的に摺動すると、周期構造4が設けられていることで、摺動時に微細な摩耗粉を発生しながら、なじみが進行する。この際、周期構造4が微細な摩耗粉をトラップすることで、シビア摩耗を引き起こす大型の摩耗粉の生成が抑制され、シビア摩耗を防止することができる。さらに、周期構造4にトラップされた微細な摩耗粉が摺動面1aまたは接触部2aに固着することで、摩耗率がシビア摩耗の1/10〜1/1000となるマイルド摩耗遷移が促進される。このように、本発明では、シビア摩耗を引き起こす大型の摩耗粉の成長を抑制することで、摩耗粉の成長が生じやすい境界潤滑下での面接触摺動においても、長期にわたって低摩擦・低摩耗を維持することができる。
In such a sliding surface structure including the
しかも、溝3は、摺動面1aと接触部2aとの摺動領域H内から摺動領域H外に延び、摺動領域Hを、摺動方向Aとは異なる方向(本実施形態では、摺動方向Aとほぼ直交する方向)で延び、溝3の深さD及び溝が延びる方向の溝幅Wが周期構造4の凹凸及び周期ピッチの各々の5倍以上としているため、周期構造4がトラップしきれない大型の摩耗粉や余剰の摩耗粉が摺動領域H内から摺動領域H外へ排出され、シビア摩耗を一層抑制することができる。
Moreover, the
周期構造4が摺動方向Aに沿って延びるように設けられていることで、余剰の摩耗粉を溝3に排出することができるとともに、マイルド摩耗の前駆体となる微細な摩耗粉を摺動面内に適度に拘束することでマイルド摩耗遷移が促進される。また、周期構造4の凹凸を50nm以上10μm以下、かつ周期ピッチが10μm以下としているため、マイルド摩耗の前駆体となる微細な摩耗粉の保持とシビア摩耗を引き起こす大型の摩耗粉の生成抑制が可能となる。さらに、周期構造4は、未摺動時において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ものとしているため、摺動開始時に小さな曲率半径をもつ周期構造先端が摩耗し、微細な摩耗粉を発生しながら、速やかになじみが進行する。また、凹部5の開口が広いため、周期構造4が微細な摩耗粉を効率的にトラップすることができる。
Since the
第1部材1側に非晶質炭素膜が形成されているため、低摩擦化の実現に重要な低硬度カーボンを含む微細な摩耗粉がのしつぶされ、強固に固着された低硬度カーボン移着層が形成されるため、長期にわたって摺動特性が向上する。
Since the amorphous carbon film is formed on the
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(第1部材1及び第2部材2)の形状はどのようなものであってもよく、摺動方向は直線状ではなく、円弧状等であってもよい。例えば、図3(a)に示すように、第1部材1の摺動面1aが円形などの曲面を有しており、第2部材2が回転運動するものであってもよい。第2部材2の接触部2aの形状も、矩形、円形、多角形、規則性の無いもの等、種々のものとすることができ、第1部材1と第2部材2との摺動は、面接触、線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、実施形態のように第1部材1側を固定して第2部材2を第1部材1に対して摺動させても、逆に、第2部材2側を固定して第1部材1を第2部材2に対して摺動させてもよく、第1部材1と第2部材2とを摺動させてもよい。
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made. For example, the shape of the sliding member (
溝3の幅、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。例えば、実施形態における溝3は、摺動領域H内から摺動領域H外に延びるものであったが、図3(b)のように、摺動領域H内で延びるもの(つまり、摺動領域H外まで延びないもの)であってもよい。また、図3(c)のように、溝3が摺動方向Aと直交する方向以外の方向に延びるものであってもよい。溝3の配設ピッチは等間隔であっても不等間隔であってもよく、全ての溝3の大きさや形状を一致させる必要はなく、種々の形状や大きさの溝3が混在していてもよい。
The width, depth, cross-sectional shape, planar shape, number, and position of the
周期構造4の延びる方向は、図3(d)に示すように、摺動方向Aに沿っていなくてもよい。全ての周期構造4の延びる方向を同一にする必要はない。
As shown in FIG. 3D, the extending direction of the
溝3及び周期構造4は、第2部材2側に形成されていてもよいし、第1部材1側と第2部材2側(接触部2a)との両方に形成されていてもよい。また、一方の部材側に溝3を形成し、他方の部材側に周期構造4が形成されていてもよい。第2部材2側(接触部2a)に非晶質炭素膜が形成されていてもよく、第1部材1側と第2部材2側との両方に非晶質炭素膜が形成されていてもよい。
The
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、混合潤滑下での摺動の場合、潤滑剤として、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、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潤滑剤を用いることができる。
The
周期構造4の形成には、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。
A pulsed laser such as a femtosecond laser, a picosecond laser, and a nanosecond laser can be used to form the
摺動領域内から摺動領域外に延びる溝と、溝に連通するグレーティング状凹凸の周期構造を有するDLC膜の作成およびその摺動特性を評価し、グレーティング状凹凸の周期構造と溝との複合化による摩擦低減について検証した。 The formation of a DLC film having a groove extending from the inside of the sliding region to the outside of the sliding region and a periodic structure of grating-like unevenness communicating with the groove and its sliding characteristics were evaluated, and a composite of the periodic structure of the grating-like unevenness and the groove was evaluated. We verified the reduction of friction due to the conversion.
SUS440C基板にフェムト秒レーザを加工しきい値近傍のエネルギー密度で照射し、グレーティング状凹凸の周期構造(ピッチ約700nm、深さ約200nm)を形成した後、プラズマイオン注入法でa―C:HのDLC膜を成膜した。原料ガスにはトルエン(C7H8)を用い、中間層としてSi/C傾斜層を設けた。中間層の膜厚は250nm、中間層を含むDLCの膜厚は1μmとした。成膜後のDLC表面のAFM像および断面プロファイルを図4(a)(b)に示す。DLC表面には深さ50nm前後の周期構造形状が認められる。周期構造形成後にDLCを成膜しているため、図4に示す周期構造DLCはレーザ未照射基板に成膜したものと形態が異なるだけで組成的には同一である。 The SUS440C substrate is irradiated with a femtosecond laser at an energy density near the processing threshold to form a periodic structure of grating-like irregularities (pitch of about 700 nm, depth of about 200 nm), and then a-C: H by plasma ion implantation method. DLC film was formed. Toluene (C 7 H 8 ) was used as the raw material gas, and a Si / C inclined layer was provided as an intermediate layer. The film thickness of the intermediate layer was 250 nm, and the film thickness of the DLC including the intermediate layer was 1 μm. The AFM image and the cross-sectional profile of the DLC surface after the film formation are shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b). A periodic structure with a depth of about 50 nm is observed on the DLC surface. Since the DLC is formed after the periodic structure is formed, the periodic structure DLC shown in FIG. 4 is the same in composition as the one formed on the laser-unirradiated substrate, except that the form is different.
次に、往復式摺動試験機を用いて摩擦評価を実施した。プレート試験片は周期構造DLC(溝なし)および摺動領域を横切るように溝を設けた周期構造DLC(溝あり)とした。溝深さはDLC表面の周期構造深さより十分深く、溝ピッチは800μm、溝幅は40μmとした。周期構造の方向はスライダー試験片の摺動方向に平行とした。したがって、溝ありの場合、周期構造は溝に連通することとなる。スライダー試験片の材質はSUJ2とした。摺動条件は面圧40MPa、ストローク20mm、往復周波数0.5Hzとし、1000往復までの摺動抵抗をロードセルにより測定した。 Next, a friction evaluation was carried out using a reciprocating sliding tester. The plate test piece was a periodic structure DLC (without groove) and a periodic structure DLC (with groove) provided with a groove so as to cross the sliding region. The groove depth was sufficiently deeper than the periodic structure depth of the DLC surface, the groove pitch was 800 μm, and the groove width was 40 μm. The direction of the periodic structure was parallel to the sliding direction of the slider test piece. Therefore, when there is a groove, the periodic structure communicates with the groove. The material of the slider test piece was SUJ2. The sliding conditions were a surface pressure of 40 MPa, a stroke of 20 mm, and a reciprocating frequency of 0.5 Hz, and sliding resistance up to 1000 reciprocations was measured with a load cell.
2種類のプレート試験片の摩擦係数の比較を図5に示す。溝を設けることで早期に摩擦が低減し、溝なしに対して15〜20%程度の摩擦低減効果が得られた。これにより、摩耗粉の成長が生じやすい面接触の境界潤滑下においても、摺動領域を横切る溝と、溝に連通する周期構造を併せて設けることで、周期構造がトラップしきれない大型の摩耗粉や余剰の摩耗粉が溝により摺動領域内から摺動領域外へ排出され、低摩擦・低摩耗を維持できることが確認された。 A comparison of the friction coefficients of the two types of plate test pieces is shown in FIG. By providing the groove, the friction was reduced at an early stage, and the friction reduction effect of about 15 to 20% was obtained as compared with the case without the groove. As a result, even under the boundary lubrication of surface contact where wear debris is likely to grow, a groove that crosses the sliding region and a periodic structure that communicates with the groove are provided together, so that the periodic structure cannot be completely trapped. It was confirmed that powder and excess wear powder were discharged from the inside of the sliding region to the outside of the sliding region by the groove, and low friction and low wear could be maintained.
1 第1部材
1a 摺動面
2 第2部材
2a 接触部
3 溝
4 周期構造
6 凸部
A 摺動方向
H 摺動領域
D 溝の深さ
W 溝幅
1 1st member
Claims (7)
第1部材の摺動面と第2部材の接触部との少なくともいずれかに、摺動方向において前記接触部の最大長さよりも狭い幅を有する溝が設けられるとともに、第1部材の摺動面と第2部材の接触部との少なくともいずれかに、摺動時において前記溝に連通するグレーティング状凹凸の周期構造が設けられるものであり、前記溝の深さ及び前記溝が延びる方向の溝幅が、前記グレーティング状凹凸の周期構造の凹凸及び周期ピッチの5倍以上であることを特徴とする摺動面構造。 A sliding surface structure including a first member having a sliding surface and a second member having a contact portion that slides relative to the sliding surface of the first member under mixed lubrication or boundary lubrication. There,
At least one of the sliding surface of the first member and the contact portion of the second member is provided with a groove having a width narrower than the maximum length of the contact portion in the sliding direction, and the sliding surface of the first member. At least one of the contact portion between the surface and the contact portion of the second member is provided with a periodic structure of grating-like unevenness communicating with the groove during sliding , and the depth of the groove and the groove width in the direction in which the groove extends. However, the sliding surface structure is characterized in that the unevenness of the periodic structure of the grating-like unevenness and the periodic pitch are 5 times or more.
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