レーザ援用による摺動部材の境界潤滑性能の改善と低燃費化技術の開発研究

2009 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20510081
• Research Institution: 仙台高等専門学校
• Principal Investigator: 柴田 公博 仙台高等専門学校, 専攻科, 教授 (80413722)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 鈴木 勝彦 仙台高等専門学校, 専攻科, 教授 (80187715) ; 熊谷 進 仙台高等専門学校, マテリアル環境工学科, 准教授 (30390389)
• Keywords: Q-スイッチNd:YAGレーザ / エンジン主要金属材料 / ディンプル形状 / 光学顕微鏡 / 電子顕微鏡 / レーザ顕微鏡 / ひずみゲージ / 衝撃波

Research Abstract

本研究はナノセコンドパルスのレーザを用いて、極表面部のみを部分溶融させることによって、摺動部表面に微細な溝を形成すると同時に、材料表面に発生する衝撃波を利用し、潤滑性能の優れる硫化物や耐摩耗性能の優れる珪素化物を材料表面に打ち込むことにより、摺動性能に優れる新しい特性の表面を形成する技術を開発することである。昨年度の実験結果より、アルミニウム合金がディンプル形成性に優れることが明らかとなった。本年度はアルミニウム合金を供試材に用い、プラズマ圧力の測定、二硫化モリブデン粉末の埋め込み実験を行い、以下の結果を得た。なお、パルスレーザは、平均出力20W,波長532nm,ビーム径400μmのQ-switch Nd:YAGパルスレーザ(THALES LASER製SAGA)を使用した。
1)レーザ照射部の裏側にひずみゲージを貼ったアルミニウム薄板(10mm×60mm×0.2mmt)試料を水中に設置し、レーザを照射することにより試料表面に発生するプラズマの圧力を、反力として歪ゲージにより測定を行った。その結果、発生するプラズマ反力は、照射するレーザのパワー密度と共に増加し、レーザパワー密度10GW/cm2で最大になり、約3.7GPaに達する。また、レーザパワー密度10GW/cm2以上では、その圧力が飽和し、ほぼ一定になることがわかった。この圧力は、5000系アルミニウム合金の一般的な降伏応力である200MPaをはるかに超えるものであった。
2)微粉末のMoS2を100μmの厚さで塗布したアルミニウム合金試料を水中に置き、直接レーザを照射したところ、粉末が飛散し、当初構想したどおりには埋め込むことができなかった。そこで、粉末の飛散を防ぐため、板厚100μmのステンレス板を保護フィルムとして貼りレーザ照射した。パワー密度を10GW/cm^2は固定し、照射回数および照射位置を様々に変え、照射した。レーザ照射後の試料表面をSEMで観察、EDSによる元素分析、レーザ顕微鏡による形状観察を行った。
3)レーザ照射により形成された微細なディンプルには二硫化モリブデンが埋め込まれていることが確認され、本研究の着想の具体的結果の一部が明らかとなった。