2020 Fiscal Year Research-status Report
過酷なしゅう動条件下で摩擦低減をもたらす物理的かつ化学的な表面テクスチャの創製
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18K03917
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| Research Institution | Tokyo City University |
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Principal Investigator |
亀山 雄高 東京都市大学, 理工学部, 准教授 (20398639)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
伊東 明美 東京都市大学, 理工学部, 准教授 (40574041)
市川 裕士 東北大学, 工学研究科, 准教授 (80451540)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | テクスチャリング / 摩擦低減 / 潤滑 / 微視的接合 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，微粒子ピーニング（以下FPP）を用いた物理的テクスチャリング（微細凹凸構造の創製）および化学的テクスチャリング（粒子の成分を母材へ付加）を行うことを通して，摩擦低減を図るための方法論を模索している．2020年度は，とくに化学的テクスチャリングにおいて，母材へ粒子が付加される基礎的なメカニズムと，付加した成分を積極的に活用して摩擦・摩耗特性の改善を図る実験に取り組んだ．
まず，市販のFPP用鋼粒子に適切な時間の酸洗いを施すことにより，粒子表面に付着している酸化スケールの量を有意に減少できることを明らかにした．この酸化スケールを除去した粒子で工業用純アルミ材へFPPを施し，その試験片断面におけるアルミ・鉄の分布状態を定量的に評価した結果，アルミ表面に移着・混合される鉄成分の量は，粒子へ酸処理を行うことで多くなっている可能性を明らかにした．
一方，化学的テクスチャリングの応用として，鋳造アルミ合金へ鉄・硫黄を移着させ，これらの成分の作用によって潤滑油の効果を増進させることを試みた．鉄を移着させたアルミ合金表面に対し摩擦試験を行った場合，摩耗が著しく抑制される場合があり，その摩耗面では，移着させた鉄の残存と，耐摩耗性を発揮するリン酸系化合物が潤滑油添加成分に由来して形成（トライボフィルム）されていたことが示唆された．一方，同じ表面に対し，同条件で摩擦試験を行った場合でも摩耗が進行してしまうこともあったが，その場合摩耗面には鉄が残存しておらず，リン酸系トライボフィルムの形成を示唆する結果も得られなかった．つまり，摩耗面に鉄が残存している場合に，耐摩耗性に富むトライボフィルムが形成されていた可能性が明らかになった．また，硫黄を移着させたアルミ合金表面では，硫黄を移着させていない表面と比較して，低い摩擦係数が長期にわたって維持されることが明らかになった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
コロナ禍の影響を受け，一部の研究計画は遂行に支障が出てしまったのと，研究が順調に進展している部分についても，当初より遅れが出てしまっていることから，「やや遅れている」との判断をした．ただし，本研究で明らかにすべき課題の本質に迫る知見は得られつつあり，意義のある成果は得られている．
物理的テクスチャリング(うね構造形成)に関する研究では，2020年度はコロナ禍の影響をうけて摩擦試験の実施が行えなかったため，形成されるうね状テクスチャの形状的特徴に及ぼす加工条件の影響に関する追加検討を行うにとどまった．
化学的テクスチャリングについての内容は，若干実験に遅れが生じているが，研究代表者が本研究において立てた仮説を裏付ける知見を得ることができ，一定の成果は挙がっている．また，移着物と母材との接合強度評価についても，実験方法の工夫により，新たな試験片の作製を行うことができ，また，試験片の評価方法にも新たなアイディアを導入することで，比較対象となる試験片との差異を定量化することができ，2021年度に計画している強度評価へとつながる成果を得られた．
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度は以下に挙げる項目について研究を進める．
・物理的テクスチャリングを利用した潤滑性の改善を通した摩擦低減： 2019年度中に行った摩擦試験のデータ数を追加し，データの再現性・信頼性を高めつつ，詳細な検証を行う．潤滑特性改善に有用なテクスチャの寸法要件を明らかにするとともに，摩擦面のその場観察を通して，微細な凹凸が潤滑状態に対して及ぼすメカニズムについての検討を加える．
・FPPによる化学的テクスチャリングによって母材へ付加された移着物の微視的接合強度評価： 2020年度に確立した試験片作製方法では，FPP用粒子の表面状態の差異に起因して母材への粒子の移着挙動を変化させることができた．この試験片に対して，移着物・母材間の微小引張試験を行うことによって，粒子表面状態が微視的接合強度に及ぼす影響について検討し，接合の本質的メカニズムについても考察を加える．
・化学的テクスチャリングを利用したトライボフィルム形成挙動の改善： 2020年度の結果では，鉄を移着させた表面に対する摩擦摩耗試験の結果，摩耗が抑制されるケースと抑制されないケースがあった．同じ構造の表面で摩耗の進展に差異が現れる理由は十分明らかに出来ていないので，それについて検討を加える．また，硫黄移着面における低摩擦化効果について，トライボフィルムの詳細な分析を行うことによって，メカニズムを明らかにする．仮説としては，移着させた硫黄が潤滑油材中の成分と反応することによって潤滑作用を呈する二硫化モリブデンが形成されるというシナリオを想定しているので，これを検証することを目指す．
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| Causes of Carryover |
コロナ禍による実験の進捗遅れに伴って必要な物品購入の量が減少したこと，本研究に関わる出張が取りやめとなったことから執行できなかった予算が発生した．期間延長となる2021年度は，研究の一層の促進を図るため，摩擦試験や化学的テクスチャリングに関する元素分析の効率化・高度化を図ることが可能な機器設備の導入にこの予算を充当することで，研究の促進を図る．
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Research Products
(3 results)
