2019 Fiscal Year Research-status Report
Fundamental research on the tribochemical reaction of PTFE and mechanism of PTFE transfer film formation
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17K06117
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| Research Institution | Toyohashi University of Technology |
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Principal Investigator |
竹市 嘉紀 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40293758)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | PTFE / フッ化金属 / 脆性 / 摩耗 / アルミニウム / アルミナ / 移着膜 / フッ化水素酸 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究を開始する時点で，PTFEのしゅう動相手材料として主に対象としていた金属材料はアルミニウム合金であった．2018年度の研究成果の中で，アルミニウム合金がPTFEとの摩擦で著しい摩耗量を示す原因として，PTFEとの摩擦によってアルミニウム合金表面がフッ化し，形成されるフッ化金属が脆性材料であることが濃厚となり，摩擦中にフッ化金属の形成とその破壊および摩耗が繰り返される機構が提案された．また，比較材料として用いたステンレス鋼と純銅のフッ化物も，フッ化前と比較して脆性であることが明らかとなった．
本年度は，本機構の検証を目的とし，PTFEと摩擦した際の金属側の摩耗量と金属のフッ化のしやすさとの関係調べることを目的とした．各種材料からなるボール試験片をPTFEとしゅう動させ，その摩擦痕をFE-SEMおよびXMAによって観察・分析し，また，XPSによってフッ化の進行状況を調べた．一方，複数の濃度のフッ化水素酸希釈液に各種材料を浸漬させ，重量変化を調べることで，各種材料のフッ化のしやすさの指標とした．
ボール試験片の摩耗量はごく僅かであるため，摩擦痕のSEM観察像の様子を定性的に序列化したものと，フッ酸浸漬した各種材料の重量減少量の序列とを比較したところ，フッ化酸浸漬による重量減少量が多い材料ほどPTFEと擦った際の摩耗量が多い傾向が見られた．このことからPTFEとの摩擦による相手金属の摩耗には，その材料のフッ化のしやすさが強く影響しているという結論が得られた．また，アルミニウム合金（表面に酸化アルミニウムの層を有している）は，PTFEと擦った際の摩耗量が多く，フッ酸浸漬での重量減少量が多いのに対し，アルミナ（全体が酸化アルミニウムの緻密な構造を有する）では両量とも著しく少なくなり，結晶構造に起因する化学的安定性もPTFEとの摩擦におけるフッ化に影響しう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
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
トライボケミカル反応は単なる化学反応場とは異なり，高面圧下での化学反応となる上，そこに化学反応によって形成される物質が機械的に除去され，除去下の未反応物質と相手材料（あるいは環境物質）との次なる化学反応が起こるという特徴的な反応である．従って，PTFEとの摩擦によって単にフッ化物が形成されるというだけではなく，フッ化進行の速度，形成されたフッ化物の機械的特性などが相手材料の摩耗に影響しうることが明確になった．また，第一義的にPTFEに相対する材料のフッ化のしやすさが，フッ化による摩耗量にも影響していることが明らかとなった．ただし，形成されるフッ化物の機械的特性も踏まえた定量的な議論には至っていないため，この点が今後の課題となる．また，PTFEとの摩擦によるフッ化反応とフッ化水素酸との反応によるフッ化を同列に扱うことについては，疑問も残り，この点をPTFEとの摩擦によるフッ化がどのように生じているのかということを考慮した考察実験に落とし込むことが必要となる．
以上の成果については，2019年の秋に開催された国際会議「International Tribology Conference 2019, Sendai」において，口頭発表とポスター発表で合計2件講演を行った．また，2020年の秋に開催される「トライボロジー会議 2020 秋 別府」において学会発表予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
PTFEとしゅう動する相手金属材料のフッ化傾向および形成されたフッ化物の機械的特性が，金属の摩耗促進に影響を及ぼすことが分かり，従って，実用上はPTFEとのしゅう動ではこのような相手材料を避けるという対応が考えられる．話が変わって，PTFEが低摩擦を示す要因として「PTFEが相手金属表面に移着膜を形成することで，PTFE同士の摩擦になる」という機構は広く知られており，多くの研究論文において摩擦面を観察した結果の解釈としてこの機構による解釈が頻繁に見受けられる．アルミニウム合金のように，形成されたフッ化金属が徐々に摩耗するような摩擦系では，PTFE移着膜の形成が阻害されるため，PTFE同士の摩擦という状態になりづらいと考えることができる．一方，良好な潤滑状態を示した摩擦面にPTFEの移着膜が観察されたことを以て「強固に付着したPTFE移着膜の形成が良好な潤滑状態の要因」と結論づける考察を多く見かけるが，では，この強固に付着したPTFE移着膜とは，一体，どのように基材に付着しているのであろうか．しばしば，フッ化がその要因とする論もあるが，多かれ少なかれ，多くの金属はもろい性質があり，ステンレス鋼ですらPTFEとの摩擦で微量ながら摩耗を生じている．フッ化しやすいことは，一方で，移着膜の形成を阻害する要因ともなり，説明が一筋縄ではいかない．最終年度となる本年度は，PTFEの移着膜形成に相手材料のフッ化が及ぼす影響を調べていく必要がある
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