2017 Fiscal Year Research-status Report
レーザー改質による耐久性と潤滑性を両立させる接触表面の創成
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17K06120
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
藤井 正浩 岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (80209014)
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2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 機械要素 / トライボロジー / 表面改質 / ピーニング / レーザー / 転がり疲れ / テクスチャー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究ではレーザーを援用した表面改質により，耐久性と潤滑性の向上を両立する表面創成技術の開発を行う．具体的には，ショットレスでトライボ機素表面に圧縮残留応力の付与ならびに表面硬度の向上を実現するレーザーピーニングを利用し，ピーニングと同時に表面形状を制御することで潤滑性に優れた表面を創成することを目的とする．レーザーピーニングは高出力レーザーを水中の被加工物表面に照射し，発生する高圧の金属プラズマによってピーニング効果を得るものであり，新規購入の電動ステージとピーニング用特殊水槽により，YAG レーザー発振器を用いたレーザーピーニング装置を製作した．光学系の調整，ならびにレーザー発振とステージ移動の同期制御を行い，ピーニング効率の向上を図った．調質したS45C製の試験片表面に各種条件でピーニングを施し，表面硬度，表面残留応力および表面粗さの観点からレーザーピーニングの最適条件を系統的に探求した．その結果，試料表面に保護層を設けることで効果的にピーニングでき，試料表面にはレーザー強度分布に応じた形状のディンプルの生成が可能であり，また，ディンプル生成に伴って生じる試料表面の盛り上がりも抑制できた．このことは，一般のショットピーニングで問題とされる表面粗さの増大がレーザーピーニングで抑制できることを示しており，硬度上昇と圧縮残留応力の付与による転動疲労の向上と同時に，最適なディンプル付与による銃かつ効果の向上による摩擦の低減も可能であることを示している．本研究の成果は，機械システムの小型化・省力化のために重要なトライボ機素の表面耐久性の格段の向上と動力損失の低減を実現する基礎となるものである．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
新規購入のロボシリンダー（電動ステージ）と新規製作のピーニング用特殊水槽により，YAG レーザー発振器を用いたレーザーピーニング装置を製作し，光学系の調整，ならびにレーザー発振とステージ移動の同期制御を行い，ピーニング効率の向上を図った．このピーニング装置を用いて，約HV400の硬度に調質したS45C製の試験片表面に各種条件でピーニングを施し，表面硬度，表面残留応力および表面粗さの観点からレーザーピーニングの最適条件を探求した．その結果，試料表面に保護層を設けることで効果的にピーニングできた．一方，ピーニングにより破壊された数十~数百µmの大きさの保護層の破片が水槽内に飛散することも確認でき，この破片の効率的な除去方法の検討も必要となった．
表面硬度向上ならびに表面圧縮残留応力付与の観点から抽出したピーニング条件で転動疲労試験片にレーザーピーニングを施し，ボールオンディスク型の転動疲労試験に供した．その結果，レーザーピーニングによる寿命の向上が確認できた．更なる寿命向上を目指して，ピーニング効果付与のメカニズムの究明が必要であり，この観点からの検討を進める．
ピーニングにより試料表面にはレーザー強度分布に応じた形状のディンプルが生成でき，またディンプル周辺の表面の盛り上がりがないことが確認できた．この表面の摩擦特性を滑り転がり接触条件で調べるため，新たに二円筒試験を計画し,ピーニング冶具を設計した．
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| Strategy for Future Research Activity |
転動疲労と摩擦低減（潤滑性向上）のそれぞれの観点から，レーザーピーニングの最適条件の探求をさらに進める．試料表面に保護層を設けることにより効果的にレーザーピーニングできる一方，ピーニングにより水槽内に保護層の破片が飛散する．このため，効率的なピーニングを実施するために水中の破片の効率的な除去方法を検討する必要があり，装置の改良を実施する．
高強度歯車の歯面への応用を念頭おいて，浸炭硬化した肌焼鋼にレーザーピーニングを施し，転動疲労試験によりレーザーピーニングの有用性を究明する．その結果を調質したS45C製の試験片の結果と比較し，ピーニング効果に及ぼす試験片硬度および材質の影響を検討し，ピーニング効果付与のメカニズムと最適ピーニング条件を究明する．
レーザーピーニングにより得られる表面形状の観点から，ピーニングで創成された表面のキャラクタライゼーションの測定・解析を行うとともに，二円筒試験により滑り転がり条件での摩擦特性および潤滑性能の評価を行う．とくに突起高さを押さえつつ，ディンプルの形成が可能な条件を検討し，ディンプルの大きさや密度などと摩擦特性の関係を評価する．
表面コーティングとの複合処理や粘弾性材料等との組み合わせなど，レーザーピーニングの更なる応用範囲も期待でき，これらの一部についても並行して検討を進める．
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| Causes of Carryover |
本年度の試験結果に基づいた特殊水槽の改良および新規のピーニング冶具の製作を次年度に実施するため，一部を翌年度の物品費と合算して使用することとした．このことによる研究遂行に遅れは生じることはない．
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Research Products
(3 results)
