JP2012189223A - 低摩擦摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】潤滑油の存在下で相対的に摺動する、ピストン及びシリンダなどの内燃機関用の摺動部材における、摺動面間に生じる摩擦及び摩耗を低減し得る低摩擦摺動部材を提供する。
【解決手段】潤滑油の存在下で相対的に摺動する内燃機関用の摺動部材の少なくとも一方の摺動部材の摺動面に多数の微細凹部を形成した低摩擦摺動部材であって、前記微細凹部は、多数の第１微細凹部間の摺動面に、摺動方向の幅及び深さが前記第１微細凹部より小さな値の第２微細凹部を形成し、前記第２微細凹部は、前記第１微細凹部間の摺動面を連続的に伸延する溝状に形成したことを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、潤滑油の存在下で相対的に摺動する低摩擦摺動部材に関する。

例えば、ピストンおよびシリンダは、一般的に金属でできているため、高速で摺動することによる摺動面の摩耗や焼付きが問題となる。このような摩耗などを防止するには、摺動面相互間に粘性流体を介在させる方法があるが、摩擦などの低減は、十分でない。

更に摩擦などを低減するために、従来から、摺動面に凹凸面などを形成する方法が行われている。例えば、下記特許文献１では、潤滑油を介して互いに摺動する摺動部材において、潤滑油の油膜厚さを保持するよう、摺動部材の摺動面間の隙間に対する潤滑油の流入量と流出量がバランスするときの摺動面間の最接近距離を、摺動面に形成する凹凸部の最大高さよりも大きくする手段が開示されている。これにより、潤滑油の油膜厚さが確保され、摩擦が低減する。

しかし、上記のような従来の摺動部材においても、摩擦の低減を実現しうるものの、更なる摩擦の低減が要望されている。

特開２００２−２１３６１２号公報（要約、図１参照）

本発明は、潤滑油の存在下で相対的に摺動する内燃機関用の低摩擦摺動部材における、摺動面間に生じる摩擦及び摩耗を低減し得る低摩擦摺動部材を提供することを目的とする。

本発明は、潤滑油の存在下で相対的に摺動する摺動部材の少なくとも一方の摺動部材の摺動面に多数の微細凹部を形成した低摩擦摺動部材であって、前記微細凹部は、多数の第１微細凹部間に、摺動方向の幅及び深さが前記第１微細凹部より小さな値の第２微細凹部を形成し、前記第２微細凹部は、前記第１微細凹部間の摺動面を連続的に伸延する溝状に形成したことを特徴とする低摩擦摺動部材である。

また、本発明は、潤滑油の存在下で相対的に摺動する摺動部材の少なくとも一方の摺動部材の摺動面に多数の微細凹部を形成した低摩擦摺動部材であって、前記微細凹部は、多数の第１微細凹部間に、摺動方向の幅及び深さが前記第１微細凹部より小さな値の第２微細凹部を形成し、前記第２微細凹部は、前記第１微細凹部間の表面粗さ（Ｒｚ）が、０．０３μｍ≦Ｒｚ≦０．２５μｍであり、表面粗さのゆがみ（Ｒｓｋ；ＪＩＳ Ｂ ０６０１記載）の値が負であるランダム溝としたことを特徴とする低摩擦摺動部材である。

本発明の低摩擦摺動部材によれば、潤滑油の存在下で相対的に摺動する摺動部材の摺動面に多数の第１微細凹部を形成し、この第１微細凹部間に第２の微細凹部を形成したので、摺動面上での保油性が向上し、摺動面間に生じる摩擦を低減することができる。また、第２の微細凹部の摺動方向の幅及び深さを第１微細凹部より小さな値とすることにより負荷容量の低下による直接接触を発生させることなく、摩擦を低減することが可能となる。なお、本明細書においては、「微細凹部」とは、ミクロンオーダーの極めて小さな凹部をいう。

本発明の実施形態に係る低摩擦摺動部材が使用されるエンジンの要部を示す概略断面図である。 同低摩擦摺動部材の要部を示す概略斜視図である。 同低摩擦摺動部材の凹部を示す平面図である。 図３の４−４線に沿う端面図である。 第２微細凹部の種々の形状例を示す概略図である。 往復動試験機の要部を示す概略斜視図である。 Ａはピン試験片の平面図、Ｂはピン試験片の側面図である。 Ａは平板試験片の大きさを示す平面図、Ｂは平板試験片の側面図である。 比較例１の断面曲線を示すグラフである。 比較例２の断面曲線を示すグラフである。 実施例１の断面曲線を示すグラフである。

以下、本発明に係る低摩擦摺動面材について、詳細に説明する。

図１は本発明の実施形態に係る低摩擦摺動部材が使用されるエンジンの要部を示す概略断面図、図２は同低摩擦摺動部材の要部を示す概略斜視図、図３は同低摩擦摺動部材の凹部を示す平面図、図４は図３の４−４線に沿う端面図である。

本実施形態に係る低摩擦摺動部材は、例えば、図１に示すようなエンジンのピストン１とシリンダ２、クランクシャフト３とメタル軸受４などのように、潤滑油の存在下で摺動する部分の摩擦を大幅に低減するために使用される。

潤滑油の存在下で、相互に接して摺動する一対の摺動部材においては、一方の摺動部材に形成された摺動方向に平行な方向の凸部の長さが、他方の摺動部材に形成された摺動方向に平行な方向の凹部の長さよりも大きいと、摺動の際、潤滑油を凹部に閉じ込めることができ、摺動部材相互間に一定の油膜厚さを保持でき、低摩擦を実現することができる。しかし、凹部が大きすぎたり深すぎると、負荷容量が低下し直接接触が生じやすくなる。本発明者らは、このような知見に基づき本発明を完成させたものである。つまり、本発明は、負荷容量に与える影響が小さい状態で、潤滑油の保油性を向上させるために、摺動方向または潤滑油の流れ方向に対して小さく、深さが浅い凹部を形成したもので、シリンダ２のボアやメタル軸受４の内周面のような円弧状内面を有する部品側に適用して好適なものである。

さらに詳述する。本実施形態の低摩擦摺動部材は、潤滑油の存在下で、図２に示す矢印の方向に相対的に摺動する第１の摺動部材１０と第２の摺動部材１１とからなり、両摺動部材１０，１１の摺動面１０ａ，１１ａには、大きな多数の第１微細凹部１２と、これら第１微細凹部１２間に形成され、第１微細凹部１２より小さな多数の第２微細凹部１３と、が形成されている。

第１微細凹部１２は、図２〜４に示すように、摺動方向と直交する方向に扁平な凹部で、幅Ｘ１及び深さｈ１の値を有し、第２微細凹部１３は、第１微細凹部１２間の摺動面１０ａ，１１ａに形成され、摺動方向において、第１微細凹部１２の幅Ｘ１及び深さｈ１より小さな値である幅Ｘ２及び深さｈ２を有している。このように第１微細凹部１２の間の平坦部に、油溜りとなる第２微細凹部１３が存在すると、保油性が向上し摩擦の低減と，耐焼付き性の向上を行うことができる。

しかし、保油性の向上と摩擦の低減を図るには、第１微細凹部１２や第２微細凹部１３の大きさが問題で、この大きさは、摺動方向又は油の流れの方向に対して小さく、深さも浅いものとすべきである。本実施形態では、第２微細凹部１３の摺動方向の幅Ｘ２と第１微細凹部１２の摺動方向の幅Ｘ１との比（Ｘ２／Ｘ１）を、１／１５〜２／３とし、第２微細凹部１３の深さｈ２と第１微細凹部１２の深さｈ１との比（ｈ２／ｈ１）を、１／１０〜１／２としている。

第２微細凹部１３が大きすぎると、面積率が大きくなりすぎるため、負荷容量が低下して直接接触が生じやすくなり、深さが深すぎる場合も同様である。したがって、負荷容量に与える影響が小さい状態で、表面の油の保油性を向上させるために、比Ｘ２／Ｘ１やｈ２／ｈ１は、上記の値とすることが好ましいことが実験により確認されている。

負荷容量に与える影響や表面の保油性は、このような比のみでなく、第１微細凹部１２と第２微細凹部１３の摺動部材の摺動面１０ａ，１１ａ全体に対する比率、つまり、面積率（％）、深さ、個々の大きさなども重要な要素なため、これらについても明らかにする。

第１微細凹部１２の面積率（％）は、０．３％〜１０％であることが好ましい。０．３％以下では、油膜を厚くする効果が十分に得られず、また，１０％以上では負荷容量が低下し直接接触が発生しやすくなり、摩擦低減効果を十分に得ることができない。このような面積率は、例えば、表面観察写真を画像処理することにより算出することができる。

第１微細凹部１２の深さに関しては、最大深さが０．５μｍ〜２０μｍであることが好ましい。０．５μｍ以下では、動圧効果が発揮されず、油閉じ込め効果が十分でないため、フリクション低現効果が十分に発現されない。２０μｍを超えると負荷容量の低下を招き、金属接触が発生しやすくなり、十分なフリクション低減が発現できない。このような凹部の深さの測定は、三次元表面構造解析顕微鏡ＮｅｗＶｉｅｗ５０３２（ザイゴ株式会社製）を用い、非接触三次元白色光位相変調干渉方式などにより測定する。

第１微細凹部１２の大きさは、短辺の長さが５０μｍ〜１５０μｍであり、長辺の長さを短辺の２倍以上１０倍以下であることが望ましい。微細な凹部の短辺が５０μｍ以下の場合、油が微細な凹部へ十分に流入せず動圧の効果が十分に得られず、１５０μｍ以上では負荷容量が低下し金属接触が起こりやすくなる虞がある。したがって、この範囲であれば、第１微細凹部１２は、動圧効果を十分に発揮し、油膜を厚くすることでフリクション低減効果を発現できることになる。

一方、第２微細凹部１３の面積率（％）は、０．５％〜２０％であることが好ましい。０．５％以下の場合は、第２微細凹部１３による油溜まりの効果が十分でなくフリクション低減効果が十分発現されず、２０％以上になると負荷容量の低下により，摩擦特性の悪化が生じる。

第２微細凹部１３の深さは、第１微細凹部１２よりも浅く、最大深さが第１微細凹部１２の最大深さの１／２〜１／１０であることが好ましい。第２微細凹部１３の深さが深すぎる場合、負荷容量の低下を招き、金属接触が発生しやすくなる。また、浅すぎる場合にも油を保持する能力がなくなり、金属接触が発生しやすくなる。

第２微細凹部１３の大きさは、摺動方向に対する幅が第１微細凹部１２の幅より小さく、摺動方向に対する幅が第１微細凹部１２の幅の１／１５〜２／３であることが好ましい。第２微細凹部１３が小さすぎる場合には、油の保持効果がなくなり、金属接触が発生しやすくなる。また、大きすぎる場合には、負荷容量が低下し、金属接触が発生しやすくなる。

第１微細凹部１２や第２微細凹部１３の面積率（％）×深さ（μｍ）の値の合計は、３０以下であることが好ましい。これら各凹部１２と１３の面積率（％）×深さ（μｍ）の値が３０を超えると，負荷容量の低下と共に凹部に入り込む油の量が多くなるため，油膜が薄くなり，直接接触が発生しやすくなり、十分なフリクション低減が発現できないからである。

第１微細凹部１２や第２微細凹部１３の形状は、図３では矩形状をしたものであるが、これのみに制限されるものではなく、長方形、楕円、不定形などあらゆる形状が採用されうる。

特に、第２微細凹部１３の形状は、保油性を向上させる油溜まりの役割として形成するため、それぞれが独立して形成されたものであってもよいが、連続した溝状であってもよい。図５Ａ〜Ｅは第２微細凹部の種々の形状例を示す概略図である。

第２微細凹部１３の形状に関しては、例えば、図５Ａに示すように、図３に示すものよりさらに多数のものを第１微細凹部１２間の摺動面１１ａに形成したものであってもよく、図５Ｂに示すように、第１微細凹部１２間の摺動面１１ａで連続的に伸延する溝状であってもよい。溝状の第２微細凹部１３の場合、図５Ｃに示すように、第１微細凹部１２と平行に形成してもよい。場合によっては、第２微細凹部１３は、図５Ｄに示すように、ドット状に形成したものであってもよい。ただし、このような形状の第２微細凹部１３であっても、前述の面積率や深さとすべきである。

さらに、第２微細凹部１３の形状は、図５Ｅに示すように、ランダムに筋状に形成したもの（以下、ランダム溝と称す）であっても油膜を保持する機能が発現できる。

第２微細凹部１３をランダム溝１５とした場合には、第１微細凹部１２間の表面粗さＲｚが、０．０３μｍ≦Ｒｚ≦０．２５μｍであることが好ましい。

表面粗さＲｚが０．０３μｍ以下の場合には、表面が平滑なため油の保持効果が不十分になり、表面粗さＲｚが０．２５μｍ以上の場合には、粗さが大きすぎ、粗さの凸部の増加に起因する直接接触が発生し、十分に摩擦が低減されないことになる。なお、表面粗さＲｚは、例えば、触針式表面形状測定装置ＦｏｒｍＴａｌｙｓｕｒｆ−１２０Ｌ（Ｔａｙｌｏｒ−Ｈｏｂｓｏｎ社製）により測定される。

また、ランダム溝１５は、表面粗さのゆがみ（Ｒｓｋ；ＪＩＳ Ｂ ０６０１記載）の値が負であることが好ましい。表面粗さのゆがみのＲｓｋ値を負とすれば、粗さ成分の表面から窪んだ部分の分布が増え、保油性に優れたものとなり、好ましい。

（実施例１）
図６は試験片を往復動させる試験機の要部を示す概略斜視図、図７Ａはピン試験片の平面図、図７Ｂはピン試験片の側面図、図８Ａは平板試験片の大きさを示す平面図、図８Ｂは平板試験片の側面図である。

実験は、図６に示すように、平坦な面に様々な凹形状を形成した平板試験片２０上で、ピン試験片２１に垂直荷重Ｗを掛けた状態で、両矢印方向に往復摺動させることにより行った。平板試験片２０の大きさは、厚さ７ｍｍ、長さ６０ｍｍ、幅４０ｍｍであるが、摺動面は、表面に第１微細凹部１２と第２微細凹部１３を形成した。ピン試験片２１の大きさは、厚さ８ｍｍ、長さ４０ｍｍ、高さ１１．５ｍｍで、先端面は、曲率半径Ｒを有しているが、ＣＶＤ法を用いて、硬質炭素薄膜であるＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）をコーティングした。

ピン試験片２１に対する垂直荷重Ｗは、２５ｋｇｆ、速度は、６００ｒｐｍ、潤滑油は、５Ｗ３０の油（油温度８０℃）を０．８ｃｃ／ｍｉｎで滴下し、摩擦係数を測定し、後述の比較例１の場合の摩擦係数を「１」とし、これと比較した。

ここに、比較例１は、研磨加工により平滑な鏡面にした後に、その表面に第１微細凹部１２のみを形成したもので、平坦部の表面粗さは、Ｒｚ＝０．３μｍ、第１微細凹部１２は、矩形状で、大きさが８０μｍ×３２０μｍ、深さが３μｍ、面積率１％とした。

比較例２は、平坦部に第１微細凹部１２を形成せず、平坦部の表面粗さをＲｚ＝３μｍのクロスハッチ目で加工したものである。

実施例１は、平坦部の表面粗さをＲｚ＝０．３μｍとし、第１微細凹部１２は、矩形状で、大きさが８０μｍ×３２０μｍ、深さが３μｍ、面積率１％とし、さらに第２の微細凹部１３は、クロスハッチ状の溝で、摺動方向の長さＸ２が２０μｍ、深さが１μｍ、面積率１０％とした。

図９，１０，１１は、比較例１，２と実施例１の断面曲線を示すグラフであり、縦軸には表面粗さ、横軸に位置を示している。図９と図１１には要部を拡大して示す図を併記しているが、この要部拡大図は、縦軸の表面粗さを１μｍ単位で示し、横軸の位置を２００μｍ単位で示している。この図９〜１１より明らかなように、比較例１の表面は極めて平滑な面であり、比較例２の表面は粗く、実施例１の表面は極めて平滑な面と粗い部分が併存している。

実施例としては、実施例１の他に実施例２〜７があるが、これら実施例２〜７は、実施例１と第２の微細凹部１３が、下記のように相違している。つまり、実施例２〜７は、実施例１と同様、平坦部の表面粗さをＲｚ＝０．３μｍに加工し、第１微細凹部１２が、矩形状で、大きさが８０μｍ×３２０μｍ、深さが３μｍ、面積率１％のものを形成し、さらに第２の微細凹部１３をクロスハッチ状の溝としているが、実施例２〜７においては、第２の微細凹部１３が、表１にも示しているが、下記の点で相違している。

実施例２では、第２の微細凹部１３が、摺動方向の長さＸ２が２０μｍ、深さが１μｍ、面積率２５％である。

実施例３では、第２の微細凹部１３が、摺動方向の長さＸ２が２０μｍ、深さが１μｍ、面積率０．５％である。

実施例４では、第２の微細凹部１３が、摺動方向の長さＸ２が２０μｍ、深さが０．２μｍ、面積率１０％である。

実施例５では、第２の微細凹部１３が、摺動方向の長さＸ２が２０μｍ、深さが２μｍ、面積率２０％である。

実施例６では、第２の微細凹部１３が、摺動方向の長さＸ２が６０μｍ、深さが１μｍ、面積率１０％である。

実施例７では、第２の微細凹部１３が、摺動方向の長さＸ２が１０μｍ、深さが１μｍ、面積率１０％である。

実施例８，９は、第１微細凹部１２の平坦部の表面粗さをＲｚ＝０．３μｍに加工し、第１微細凹部１２として、矩形状のもので、大きさが８０μｍ×３２０μｍ、深さが３μｍ、とした点は、前記実施例と同様であるが、第１微細凹部１２の面積率を５％とし、さらに第２の微細凹部１３をクロスハッチ状の溝として形成している。ただし、実施例８は、第２の微細凹部１３の面積率を２０％とし、実施例９は、第２の微細凹部１３の面積率を１０％としている。

これら実施例および比較例における、第１微細凹部１２と第２の微細凹部１３の大きさ、深さ、面積率、深さと面積率の積をまとめるとともに実験結果を示すと、表１のようになる。

表１から明らかなように、研磨加工により鏡面にした表面に、比較的大きな第１微細凹部１２を形成した比較例１や、細かなクロスハッチ目のみを有する比較例２よりも、本発明を適用した実施例の方が、大部分のものにおいて摩擦抵抗が減少していることがわかる。本発明を適用した実施例は、平滑な面に、比較的大きな第１微細凹部１２と、クロスハッチ状の溝などからなる第２の微細凹部１３とを形成したものであるが、第１微細凹部１２自体の油溜りとしての機能に、第１微細凹部１２の間の平坦部に形成した小さな第２微細凹部１３による油溜りとしての機能が加わり、微細凹部全体としての保油性が大幅に向上し、摩擦低減効果が発揮されたものである。特に、第２微細凹部１３が多数あるいは連続的に存在することにより、これが第１微細凹部１２の保油性を、摺動面全体的にわたり補うことになり、摩擦抵抗の低減に大きく寄与することになっている。

このような本発明の低摩擦摺動部材を、潤滑油の存在下で摺動する内燃機関用の摺動部材、例えば、シリンダ、メタル軸受などの、円弧状内面を形成するものに適用すると、第１微細凹部１２や第２微細凹部１３が、保油性を向上させる油溜まりの役割を発揮し、これら凹部に入り込む油の量が多くなり、負荷容量の低下や油膜が薄くなる事態を防止し、金属同士の直接接触が発生せず、摩擦抵抗が低減する好ましい内燃機関になる。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。例えば、上述した実施形態では、平坦な低摩擦摺動部材に第１微細凹部１２や第２微細凹部１３を形成したものであるが、これのみでなく、他の種々の形状を有するもの、例えば、ある程度湾曲したものあるいは円弧状の面を有するもの、又は球面のものなどにも適用することもできる。

本発明は、潤滑油の存在下で摺動する摺動部材の摺動摩擦を低減した内燃機関用部品、特に、ピストンやシリンダあるいは軸受部材に利用することができる。

１０，１１…摺動部材、
１０ａ，１１ａ…摺動面、
１２…第１微細凹部、
１３…第２微細凹部。

Claims (2)

1. 潤滑油の存在下で相対的に摺動する摺動部材の少なくとも一方の摺動部材の摺動面に多数の微細凹部を形成した低摩擦摺動部材であって、
   前記微細凹部は、多数の第１微細凹部間に、摺動方向の幅及び深さが前記第１微細凹部より小さな値の第２微細凹部を形成し、
   前記第２微細凹部は、前記第１微細凹部間の摺動面を連続的に伸延する溝状に形成したことを特徴とする低摩擦摺動部材。
2. 潤滑油の存在下で相対的に摺動する摺動部材の少なくとも一方の摺動部材の摺動面に多数の微細凹部を形成した低摩擦摺動部材であって、
   前記微細凹部は、多数の第１微細凹部間に、摺動方向の幅及び深さが前記第１微細凹部より小さな値の第２微細凹部を形成し、
   前記第２微細凹部は、前記第１微細凹部間の表面粗さ（Ｒｚ）が、
   ０．０３μｍ≦Ｒｚ≦０．２５μｍ
   であり、表面粗さのゆがみ（Ｒｓｋ；ＪＩＳ Ｂ ０６０１記載）の値が負であるランダム溝としたことを特徴とする低摩擦摺動部材。