2015 Fiscal Year Annual Research Report
金属のナノ組織化に基づく摩擦係数制御のための組織因子の解明
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15H04155
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| Research Institution | Toyohashi University of Technology |
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Principal Investigator |
戸高 義一 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50345956)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | トライボロジー / 構造・機能材料 / 組織制御 / 格子欠陥 / 巨大ひずみ加工 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ナノ組織化による摩擦係数μ制御（低μ化・高μ化）は、巨大ひずみ加工で高密度に格子欠陥（結晶粒界, 転位, 空孔（クラスター） 等）を導入することにより、結合フリーな原子（電子の偏り）が試料表面で増加することに起因して可能となると考えられる。この点に着目して、格子欠陥種・密度の異なる鉄鋼材料について調査し、μ制御のための組織因子を明らかにすることで、金属の組織制御に基づいた新たなμ制御の指導原理を提案することを目的とする。
平成２７年度は、ナノ組織と潤滑油との相互作用・反応を活用した摩擦係数μ制御の可能性を検証するため、ナノ組織化した鉄鋼材料（軸受鋼SUJ2, 純Fe）について、以下の項目を調査した。
【a】 強い原子－分子間相互作用（物理吸着）の活用による低μ化
ナノ組織化により金属表面原子と潤滑油分子との 誘起双極子 and/or 永久双極子 による相互作用が強くなることが予想される。そのため、低μ化に及ぼす潤滑油分子のもつ極性の影響を調査した。ナノ組織化した鉄鋼材料では、極性のないポリ‐α‐オレフィン（PAO）系潤滑油と比較して、極性のあるエステル系潤滑油でより低μ化することが分かった。このことから、極性のある潤滑油を用いることで、ナノ組織化による低μ化への影響を顕在化できることが明らかとなった。
【b】 高い反応性（化学吸着）の活用による高μ化
潤滑油中の極圧添加剤が化学吸着膜を金属表面に形成することで、高μ化することが期待できる。化学吸着膜の形成はナノ組織化により促進することが予想されることから、化学吸着膜を形成する極圧添加剤（リン酸トリクレジル, TCP）を配合したPAO系潤滑油を用いて、高μ化に及ぼす影響を調査した。ナノ組織化により、TCP配合PAO系潤滑油下での高μ化への影響が顕在化することが明らかとなった。
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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
平成２７年度は、表層ナノ組織化摩擦加工により作製した表層ナノ組織化軸受鋼SUJ2と、HPT（High-Pressure Torsion）加工により作製したバルクナノ組織化純Feを用いて、摩擦係数μに及ぼすナノ組織の影響を調査した。「研究実績の概要」に記述の通り、平成２７年度の当初の目的である「ナノ組織と潤滑油との相互作用・反応を活用した摩擦係数μ制御の可能性」を明らかにし、順調に進展していると言える。
また、HPT加工と熱処理により、格子欠陥種・密度を制御した試料の作製に成功したことで、摩擦係数μに及ぼす格子欠陥の影響について系統だった調査を進めている。
さらに、走査型プローブ顕微鏡法や反射率法による物理吸着膜の調査や、電子顕微鏡法による化学吸着膜の調査も進めている。これらの調査から、平成２８年度は、ナノ組織化による膜の構造や形成メカニズムの変化などを明らかにする。
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| Strategy for Future Research Activity |
ナノ組織化による摩擦係数μ制御（低μ化・高μ化）は、巨大ひずみ加工で高密度に格子欠陥（結晶粒界, 転位, 空孔（クラスター） 等）を導入することにより、結合フリーな原子（電子の偏り）が試料表面で増加することに起因して可能となると考えられる。この点に着目して、格子欠陥種・密度の異なる鉄鋼材料について調査し、μ制御のための組織因子を明らかにすることで、金属の組織制御に基づいた新たなμ制御の指導原理を提案することを目的とする。
平成２７年度に引き続いて軸受鋼SUJ2, 純Feを供試材とし、加えて平成２８年度は粒界偏析元素（C, P, S 等）を添加した純Feなども用いて、摩擦係数μ制御に及ぼす格子欠陥種・密度, 添加元素の影響について、以下の項目を調査する。
【a】 強い原子－分子間相互作用（物理吸着）の活用による低μ化
ナノ組織化により金属表面原子と潤滑油分子との 誘起双極子 and/or 永久双極子 による相互作用が強くなることが予想される。そのため、無極性の潤滑油（ポリ‐α‐オレフィン（PAO）系潤滑油）と比較しつつ、極性のある潤滑油（エステル系潤滑油）を用いて低μ化に及ぼす格子欠陥種・密度, 添加元素の影響を調査する。低μ化に及ぼす潤滑油の極性の役割（物理吸着膜の厚さへの影響）を、走査型プローブ顕微鏡法や反射率法を用いて調査する。
【b】 高い反応性（化学吸着）の活用による高μ化
潤滑油中の極圧添加剤が化学吸着膜を金属表面に形成することで、高μ化することが期待できる。化学吸着膜を形成する極圧添加剤（リン酸トリクレジル, TCP）を配合したPAO系潤滑油を用いて、高μ化に及ぼす格子欠陥種・密度, 添加元素の影響を調査する。高μ化に及ぼす極圧添加剤の役割（化学吸着膜の形成形態）を、電子顕微鏡法により調査する。
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