2016 Fiscal Year Research-status Report
ハイブリッドポリマー軸受の摩擦化学反応による自己潤滑膜の生成メカニズムの解明
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16K06042
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| Research Institution | Kyushu Sangyo University |
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Principal Investigator |
古池 仁暢 九州産業大学, 理工学部, 技能員 (40603329)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
木田 勝之 富山大学, 大学院理工学研究部(工学), 教授 (00271031)
溝部 浩志郎 富山大学, 大学院理工学研究部(工学), 助教 (70727718)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 樹脂軸受 / 転がり疲労 / 自己潤滑膜 / 高機能樹脂 / 摩擦化学 / 機械要素 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究ではPEEK／PTFE複合材などのプラスチック材料で構成されるベアリングの自己潤滑膜生成の機構を明らかにすることを目的としている．腐食や錆びを促進させる蒸気ガス環境や特殊薬液中の製造ライン，クリーン工程や非磁性が要求される搬送機器等では潤滑油や金属製摺動部品を用いることが困難である．このような特殊環境下で使用する機械要素部品の寿命リスクの低減を目指し，深溝玉軸受を模擬したハイブリッドポリマーベアリング試験体を全機械加工により製作して転がり疲労テストを実施した．
ベアリング試験体の材料にはPEEK／PTFE複合材のほかPPS／PTFE複合材およびセラミック球を用いた．ハイブリッドベアリング試験体の強度（回転数100万回の繰返し圧縮荷重に耐える限界ラジアル荷重）・寿命及び摩耗の状態・運転温度等のデータを計測した．さらにテスト後のPEEK 樹脂軌道輪から表層部を切り出し，精密研磨により分析観察用薄片を作製した．PEEK 樹脂軌道輪とセラミック球の界面に生じた自己潤滑膜生成状況をX線分析やフーリエ変換赤外分光分析により分析し，軌道輪の損傷状態および表面性状をレーザ顕微鏡により計測，また軌道輪表層部および表層直下の断面観察を実施した．
自己潤滑膜がPEEK軌道輪に生じたときの周速および負荷応力条件では運転中に内輪温度がガラス転位点(Tg= 124℃)を超えることなく40℃前後で安定した．内輪軌道輪とセラミック球の間でヘルツ接触すると仮定した場合，初期の自己潤滑膜生成は差動すべりが起こり易い接触楕円縁近傍で発生することが明らかとなった．また膜は繰返し数に伴って軌道輪全周にわたって徐々に成長することが分かり，膜が軌道面に繰返し再生することで耐焼付き性や摺動性も向上した．その結果として，自己潤滑膜の効果により強度（限界ラジアル荷重）向上，疲労寿命延び，摩耗量の低減が出来た．
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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
主に以下の３項目に関して研究を推進した．
１，＜ハイブリッドポリマーベアリングの試作品設計および製作＞ ラジアル型およびスラスト型の深溝玉軸受を模擬したハイブリッドベアリング試作品を全機械加工にて製作した． ベアリングの軌道輪形状の検討および転がり疲労試験機による繰返し荷重下での耐久テストを通じて，ハイブリッドポリマーベアリングの強度，寿命および磨耗損失量等の評価を行なった（継続実施中）．実験条件を選定し効率的に実施できたので，概ね計画に沿って進んでいる．
２，＜自己潤滑膜および表面損傷状況の観察＞ ベアリング軌道輪の摩擦面に於ける自己潤滑膜の生成および損傷については継続調査中である．テスト後のPEEK 樹脂軌道輪の表層部および断面部を切り出し，精密研磨機により分析観察用薄片を作製した．自己潤滑膜および表面損傷状態をレーザ顕微鏡や電子顕微鏡を用いて観察した．レーザ顕微鏡による軌道面観察データ分析から自己潤滑膜の初期生成箇所の特定まで達成した．また並行して，水を潤滑材とした場合の内輪のはく離損傷に関して内部断面観察を行い損傷の起点およびせん断き裂進展の状況を調査した．さらに内部せん断き裂の進展状況を新たに考案した断面観察法により詳細に調査中である．今後，新観察方式を確立させ横展開を図る．
３，＜自己潤滑膜の分析＞ テスト後の軌道輪表面に生成した自己潤滑膜についてFTIR－ATR分析を実施中である．さらにX線分析（EPMA）を行い接触面の成分分析を進行中である．信頼性評価の観点から今後データ数を増やして分析を進める．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の推進方策として，次の３項目を軸に推進する予定である．
１，＜軌道面観察および内部観察＞ ハイブリッドポリマーベアリングを「全機械加工」により作製し，特殊環境下を模擬した環境での摩擦・転動疲労試験を実施する．ベアリングのテスト後品および中断品のカット観察を行い，分析機器を併用して組織や劣化・修復の程度を調べる．２，＜X線装置等を用いた成分分析＞ Ｘ線装置およびFT‐IR等の分析機器を用いて，定量化したベアリング内輪軌道輪データを基に自己潤滑膜の組織の分析を行なう．潤滑膜の成分や官能基の変化を調べ，軌道面の損傷や劣化および膜の生成が，疲労テスト影響によりどのように進んでいるのかを明らかにする．３，＜軌道断面部の加工および研磨によるき裂進展＞ 軸受の軌道輪直下で内部き裂が円弧を描いて表面に向かってカーブするメカニズムにつながる観察データの蓄積を進める．せん断応力の作用により，ある長さまでは内部き裂が平行に伸びていくことは明らかにされているが，その後，引張り応力がどう作用しているのか明らかにするためレーザ顕微鏡などを用いてマクロ破断面観察データ取得を進める．
研究を遂行する上での課題として，現行試験片では特殊環境試験の条件を長時間維持させ評価することが難しい状況である．このため試験体をバーとボールに単純化させたモデルおよび試験システムを試み，損傷プロセスおよび自己潤滑膜の生成プロセスについて詳細に効率よく調べる．
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| Causes of Carryover |
実験とりまとめに工数を要し，論文の執筆および学会での発表が次年度以降に持ち越しになった．このために論文投稿料および学会参加旅費等が未使用となり次年度使用額が生じた．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
論文の投稿および学会での発表を次年度下半期に計画中である．
旅費は国際学会発表および展示会参加のため使用する．物品費は計測機器類の消耗品に使用する．
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Research Products
(5 results)
