2016 Fiscal Year Annual Research Report
Development of wear-resistant aluminum alloy by multilayer coating with gradient hardness at nano-scale thickness
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25420005
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| Research Institution | Ibaraki University |
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Principal Investigator |
中村 雅史 茨城大学, 工学部, 准教授 (60302329)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴木 秀人 茨城大学, 工学部, 名誉教授 (30090369)
崎野 純子 茨城大学, 工学部, 技術職員 (40272116)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 表面改質 / ダイヤモンドライクカーボン / アルミニウム合金 / 疲労信頼性保証 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究ではUBMS装置による成膜工程のみでDLC膜とAl合金の密着性を高度に向上させるナノ表面改質法を開発し，極苛酷環境に耐える革新的なドライ摺動Al合金を創製することを目的に研究を実施した．
まず，Al合金とDLC膜との中間層にAlN膜やAlCrN膜などの硬質膜をナノレベルで硬さの大きさを傾斜的に制御した傾斜構造膜の成膜法について検討した．その結果UBMS装置を使用して、成膜条件（スパッタ電力、バイアス電力）が膜の硬さ，弾性率や成膜速度に及ぼす影響について明らかにした．さらにAl合金上に硬度傾斜AlN膜（以降AlNG膜），硬度傾斜AlCrN膜を膜厚および硬さをナノレベルで段階的に制御して成膜することができた．
次に，中間層に硬度傾斜AlN膜，最表面にDLC膜（DLC/AlNG膜）を成膜したAl合金について摩擦摩耗試験を行なった結果，中間層無しで直接Al合金に成膜したDLC膜と比較して摩耗寿命が70倍向上した．さらにFEM解析からDLC/AlNG膜の膜中の応力およびひずみが低減されること，およびDLC/AlNG膜の摩擦摩耗寿命の向上の要因を明らかにした．
最後に，DLC/AlNG膜を成膜したAl合金について疲労試験を実施して強度信頼性に及ぼす影響について検討した．その結果DLC/AlNG膜を成膜したAl合金の疲労信頼性は高応力側では未処理材と同程度であり低応力側では1.4倍向上することが分かった．さらにSEMによる破面解析から，疲労信頼性向上の理由は疲労き裂発生寿命に起因することが示唆された．すなわち，AlNG膜から発生するき裂を最表面のDLC膜が抑制していることが分かった．
以上から，本研究で検討した成膜方法は，UBMS装置のみで成膜可能であり，Al合金の耐摩擦摩耗を向上させ，さらに疲労強度信頼性も保証される方法であり，ドライ摺動Al合金の開発に有効であると期待される．
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