機械材料学講義宇宙機器のトライボ要素の固体潤滑材料 Solid Lubricant Materials used in Space Tribo-Elememts 平成25年 11月 28日機械工学専攻表面機能工学研究室フェロー（元教授）野坂正隆 [email protected] 1 講義内容 ©JAXA １. トライボロジーとは２. ロケットエンジンの極低温トライボロジー問題３．極低温液体中での摩擦摩耗現象４. 極低温軸受の自己潤滑保持器材料 LE-7液体水素エンジン５．宇宙機器のトライボロジー問題６．おわりに ■研究者・技術者の心構え LE-7液体水素ターボポンプ 2 参考文献 (1) 野坂正隆，高田仁，吉田誠，“ロケット用ターボポンプの極低温トライボロジーの研究開発”，日本航空宇宙学会誌，58，681 （2010）303-313. (2) M. Nosaka & T. Kato, “Cryogenic Tribology in High-Speed Bearings and Shaft Seals of Rocket Turbopumps”, Tribology - Fundamentals and Advancements, InTech Online Book, ISBN 978-953-51-1135-1, (2013), 109153. (3) 西村允，野坂正隆，“スペーストライボロジー (3) 衛星系”，機械の研究，42，3 （1990）． Download free 3 １．トライボロジー（Tribology)とは？トライボロジー H.チコス著桜井俊男監訳（１９８０） ■ トライボロジーの定義 “相対運動する互いに作用し合う表面の科学と技術” ■ トライボロジーは、相対運動する表面の“物理学、化学、材料化学、機械技術、潤滑技術など”に関連する科学や技術の分野 ■ 機械の寿命は、破壊より摩擦・摩耗のため、精度、機能を損なうことによって定まることが多い ■ 機械要素の摩擦・摩耗は、“組合される相手材料”によって変化する ⇒ 荷重、速度、環境などの“摩擦条件”によってトライボロジー特性は大きく変化する表面工学遠藤吉郎著（１９８３） 4 表面の接触と摩擦・摩耗摩擦力 F = As (s : 凝着部のせん断応力）摩擦係数 μ = F/W = As/Apm = s/pm 接触部凝着部摩耗粉接触部の分布摩耗粉の生成真実接触面積（Real contact are) A = W/pm (W : 荷重，pm : 凸凹部の平均降伏応力） 5 金属表面の状態金属表面の構造 μ = 0.7以上 μ = 0.2 - 0.3 Fe-Cr合金の酸化物層の構造 Fe系材料の速度特性 6 摩擦係数摩擦係数の概略 7 摩耗係数 8 摩耗が少ない金属の組合せ金属間の相互溶解性 9 ２．ロケットエンジンの極低温トライボロジー問題ロケットエンジンの推進剤供給方式液体酸素，液体水素の性状バルブ ■高圧の液体酸素/液体水素を燃焼器に供給する極低温ターボポンプやバルブの開発では、極低温環境下で稼働する部位の「極低温トライボロジー技術」がキイ技術 10 ＬＥ－７エンジンＨ－Ⅱロケット第１段エンジン ■開発期間： 1983（昭和58年）～ 1994（平成6年） ■全重量 1,720 kg ■最大径 2.54 m ■全長 3.24 m ■推力（真空中） 110 t ■比推力 446 s ■燃焼室圧力 12.7 MPa ■エンジンサイクル 2段燃焼サイクル ■ターボポンプ(T/P)回転数液体水素T/P 42,200 rpm 液体酸素T/P 18,100 rpm 11 ＬＥ－７高圧ターボポンプと主な諸元 ©JAXA ©JAXA ■ 液体水素ターボポンプ ■ 液体酸素ターボポンプ吐出圧力 27 MPa タービン圧力 21 MPa 吐出圧力 26 MPa タービン圧力 19 MPa 吐出流量 510 ℓ/s タービン温度 830 K 吐出流量 240 ℓ/s タービン温度 830 K 回転数 42,000 rpm 軸出力 19,700 kW 回転数 18,000 rpm 軸出力 4,700 kW 軸受内径 35/40 mm 重さ 200 kg 軸受内径 32/45 mm 重さ 160 kg ■ 小型（軽量）・高性能化（高圧化）を追求 ⇒ 潤滑性が乏しい液体水素 (沸点20K、密度0.07 g/cm3)、液体酸素 (90 K、1.14 g/cm3)の極低温流体中で高速回転 ■極低温トライボロジー問題 12 ＬＥ－７エンジン開発における爆発事故（1990） [ビデオ紹介（1分36秒）] 13 極低温トライボロジー問題 (1/2) ① 極低温推進剤の低粘度とガス化 ■粘度が非常に小さく、わずかな摩擦熱でガス化しやすい ⇒油のような「流体潤滑効果」が期待できない・液体酸素(沸点90K)の粘度(0.19cP) ・・・水の約1/5 ・液体水素(20K)の粘度(0.013cP) ・・・ほぼ常温の空気 ② 液体水素の強い還元性と凝着摩耗 ■水素の還元作用により清浄摩擦面を形成（表面を保護する酸化膜の還元除去） ⇒摩擦係数は高く、凝着（シビア）摩耗、焼付き状態になりやすい ■ 蒸発潜熱が小さいため、容易にガス化して、摩擦雰囲気は沸騰状態になりやすい ⇒液体水素温度（20Ｋ）では、材料の比熱や熱伝導率が急激（1/10 - 1/100のオーダ）に減少、摩擦部は局部的に高温化 14 極低温トライボロジー問題 (2/2) ③ 液体酸素の強い酸化性と酸化摩耗 ■酸化により摩擦面に酸化膜が形成 ⇒摩擦係数は小さく、酸化（マイルド）摩耗が多くなる ■金属同士が高速で過度に接触した場合、爆発的に燃焼する危険性がある(Lox Compatibilityの評価) ⇒遷移沸騰状態（核沸騰⇒膜沸騰）での熱伝達の急激な低下 ⇒液体窒素中、融点882℃のAg-10%Cu合金ピンが溶融するバーンアウト摩耗が発生 ④ 極低温液体中での軸受や軸シールの摩擦面 ■「極低温と高温」が共存する温度状態 ⇒酸化・還元・不活性（GHe)雰囲気でのトライボロジー「適切な固体潤滑と強制的冷却」がキーポイント ⇒静的・動的なトライボロジー要素の管理（組付け状態を含む）「接触する二面間のトライボロジー評価」が重要 ⑤ 極低温下での「特異なトライボロジー現象」の把握が重要 15 低温での熱膨張・液体窒素温度（77Ｋ）から、熱収縮の増加は緩和・Fe-Ni系のアンバーは、36%Nｉで熱膨張が非常に小さい(ガラスと同程度） 16 金属の低温下での強度変化体心立方型金属：温度低下とともに急激に強度増加面心立方型金属：温度に対する強度増加は小さい（Ni） 17 低温での比熱の変化・常温から液体窒素温度（77K)までは、比熱の温度変化は小さい・液体窒素温度（77K)付近から、急激に低下 18 低温での熱伝導率・熱伝導率は、液体窒素温度（77Ｋ）付近までは常温値とほほ等しい・液体窒素温度付近から、熱伝達率が急激に低下（純金属は、反対に増加）・液体水素温度（20Ｋ）では、熱伝導率がかなり低下・液体水素温度では、摩擦部は、材料の比熱低下とともに、局部的加熱状態になりやすい 19 １. 層状構造物質グラファイト、二硫化モリブテン、窒化ボロンなど２. 軟質金属金、銀、鉛、亜鉛、錫、インジウムなど３. 高分子材料ナイロン、ＰＴＦＥ（テフロン）、ポリエチレン、ポリイミドなど４. その他 (ａ) 酸化物：酸化鉛、酸化アンチモンなど (ｂ) ふっ化物：フッ化バリウム、フッ化カルシウムなど (ｃ) 有機物：メラミンシアヌクレート、有機モリブテンなど松永・津谷：固体潤滑ハンドブック（2000）幸書房固体潤滑剤の種類 20 ＰＴＦＥ（四フッ化エチレン樹脂）の自己潤滑性 ■PTFEふっ素樹脂は、ふっ素樹脂のなかで摩擦係数は一番低く、自己潤滑性（Self-ｌubrication )に優れるため、油が使用できない機器の可動部の固体潤滑剤（Solid lubrication )として用いられる・・・PTFEのバンド構造 ■液体酸素（沸点90K）や液体水素（20K）の極低温液体中でも、 PTFEの機械的強度や熱的特性は安定しており、優れたトライボロジー（摩擦・摩耗・潤滑)特性を示す ⇒油潤滑できないため、極低温下で優れたトライボロジー特性を有するPTFE樹脂保持器で自己潤滑する ⇒宇宙の真空環境での駆動部でも、PTFE樹脂を活用 21 PTFEの結晶構造と低摩擦特性分子構造： (－CF2－)n [出典] 日本潤滑学会：新材料のトライボロジー，養賢堂（1991)． ■バンド構造：結晶層と非晶質層が交互に並んだ構造 ■摩擦面での結晶薄片のすべりにより優れた潤滑性を示す ⇒ 摩耗が比較的大きいので、ガラス繊維やカーボン繊維などの充填材により、耐摩耗性を向上させる 22 静的・動的トライボロジー要素ケーシング系の組付け状態回転系の組付け状態 ■ ターボポンプのトライボロジー要素と使用された固体潤滑剤例 23 23 3．極低温液体中での摩擦摩耗現象 ■極低温液体中での金属同士の摩擦係数は、室温の摩擦係数とほぼ等しい ■雰囲気（還元性、酸化性、不活性）により、トライボロジー特性は大きく変化極低温液体中でのSUS440Cの摩擦摩耗液体水素（還元性）、液体窒素（不活性）、液体酸素（酸化性） 24 各種ファインセラミックスの液体酸素・液体窒素中での摩擦摩耗 25 Si3N4玉の熱衝撃試験ハイブリッドセラミック軸受 (1) 高い引張り強度を有する玉 (A)・・・熱衝撃のため細かく粉砕 (2) 低い引張り強度と高い熱伝導性を有する玉(C)・・・サーマルクラックは発生しなかったが摩耗は大きい (3) 高い破壊じん性値を有する玉(B)・・・軽微なサーマルクラックが発生，軸受試験ではサーマルクラックの進展や二次的破壊は軽微繰返し荷重下でのサーマルクラックの二次的破壊 26 液体窒素中でバーンアウト熱損傷した軸受 ■ 液体窒素中、表面層が高熱のため軟化して流動（内径２５mm 回転数 21,000 rpm） ■発生原因バランスピストンの流体荷重調整不良⇒過大なスラスト荷重が軸受に負荷⇒バーンアウト現象発生（核沸騰から膜沸騰への遷移時の熱伝達率の急減による異常加熱） 27 バーンアウト摩耗核沸騰から膜沸騰に移るときの熱伝達の急激な低下による熱損傷（バーンアウト現象）のため、摩擦面が溶ける摩耗状態バーンアウト加熱度 ■液体水素（－253℃）： 300℃ ■液体窒素（－196℃）： 1400℃ 28 ■円板： Ti合金（液体水素ポンプ） 29 Ag-10%Cuピンのバーンアウト摩耗 Agピン/TiN コーティング+ Ti合金円板ピン硬さＨｖ (0.98 N) 融点（℃） (a) Ag 81 961 (b) Ag – 7.5%Cu 157 900 (c) Ag – 10%Cu 160 882 (d) Cu 131 1 083 ■Ti合金円板 ■液体窒素摩擦試験ピン径 3mm すべり速度 1m/s 摩擦荷重 98 N 30 ４．極低温軸受の自己潤滑保持器材料 ■自己潤滑軸受低温ですぐれた自己潤滑性を示すPTFE （テフロン）複合材保持器から供給される PTFE潤滑膜で自己潤滑 ■高速回転時の摩擦発熱 ⇒ 極低温ポンプ流体で冷却 ■PTFE複合材保持器極低温下での耐摩耗性や低い熱収縮率を得るため ⇒ ガラス短繊維やカーボン短繊維で強化 ⇒ ガラス織布で積層強化 ■ PTFE複合材保持器ポケット面と玉が接触保持器ポケット自己潤滑軸受の潤滑機構 ■ 玉/内輪・外輪に PTFR潤滑膜が移着 31 短繊維強化PTFE複合材の低温強度－９０℃：PTFEの二次ガラス転移温度 ■低温下での非晶質領域での分子配列の緩み出典：テフロンジャーナル，24 （１９６８）1. 32 低温酸素ガス中でのPTFEの摩擦摩耗 (a) SUS440Cの酸化処理なし (b) 623Kで加熱酸化処理 ■二次ガラス転移温度・・・非晶質領域での分子配列の緩みを発生 ■酸化度（Cr2O3に対するFe2O3の割合)の影響を大きく受ける ⇒ 冷却不足で軸受鋼が酸化するとPTFE潤滑膜が摩耗 33 CaO （15wt%) 添加したPTFEの摩耗進行停止 ■添加剤入りPTFEピン/SUS440C円板摩擦試験低温酸素ガス中（123K) 摩擦荷重 9.8N すべり速度 10m/s ピン直径 3mm CaO MgO Mo ■Ca/Mg（アルカリ土類金属）はPTFEのＦと化学的に反応しやすい CaO/MgO ⇒ CaF2/MgF2潤滑膜を形成 (トライボケミカル反応） 34 低温窒素ガス中でのガラス繊維強化PTFEの摩擦係数の変化 35 各種PTFE複合材の高荷重での摩擦摩耗 36 ガラス繊維強化PTFEピンの摩耗の相違 (a) 10 wt% ガラス繊維 (b) 24 wt% ガラス繊維荷重： 265 N 摩擦速度： 10 m/s 液体窒素中 SUS440C 円板直径3mmピン 37 二硫化モリブデン膜の雰囲気の影響 ■MoS2は酸素雰囲気ではMoO3に変化して潤滑性が劣化 38 液体窒素中でのスパッタ膜の摩擦特性 39 液体水素中でのPTFE膜やMoS2膜をコーティングした軸受の耐久性 ■液体水素温度上昇から推定した軸受発熱量 (回転数 50,000 rpm, スラスト荷重 784 N) (a) PTFEスパッタ膜 170 – 250 W (b) MoS2スパッタ膜 250 – 330 W 40 液体水素軸受の玉の表面組成分析（XPS分析) ■エンジン試験時間 34.4分/20回の起動停止した軸受エッチング深さ 30nm (Si02換算) 液体水素ターボポンプ軸受(C)の玉 CaF2 FeF2 ■水素還元雰囲気でのトライボケミカル反応 ⇒ CaF2膜/FeF2層の形成により摩耗減少 ■ＦｅＦ２層を予め形成させた軸受（高温フッ素ガス中で処理） ⇒ 冷却不足状態で優れた耐摩耗性 41 液体酸素軸受の玉の表面組成分析（XPS分析) ■エンジン試験時間 34.5分/23回の起動停止した軸受エッチング深さ 30nm (Si02換算) (CaF2) 酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３） ■ノズルを用いたジェットで軸受を強制冷却 ■軸受の冷却不足状態 ⇒Fe2O3酸化層を形成、酸化摩耗が増加 ■ジェット冷却で十分冷却した液体酸素軸受 ⇒下地に厚いCr2O3層を形成、耐摩耗性が向上 ■内径25mm軸受 ⇒ 50,000rpm 240N 11.7時間試験で摩耗なし 42 Comparison of Tribo-chemical Films in LH2, LO2 and LN2 Bearing (25 mm, 50,000 rpm) under Jet Cooling LH2 reduction power Thick CaF2 / FeF2 composite film (4.5 nm) Good self-lubrication and load capacity with good adhesion to FeF2 film LO2 oxidization power Thin CaF2 film (1.5 nm) Good self-lubrication and load capacity with good adhesion to Cr2O3 film Barrier FeF2 film (due to fluorine passivation without native oxide film) to prevent metal-tometal adhesion SUS 440C (a) In LH2 Without tribochemical films of CaF2 / FeF2 / Cr2O3 due to inert LN2 Thick barrier Cr2O3 film (3 nm) (due to oxidization except Fe2O3) to prevent metal-to-metal adhesion SUS 440C (b) In LO2 Thin PTFE film (0.8 nm) Poor self-lubrication and load capacity with poor adhesion to native oxide film Thin native oxide film (Cr2O3/FeO; 1.5 nm) with poor resistance to metal-to-metal adhesion SUS 440C (c) In LN2 43 ５．宇宙機器のトライボロジー問題宇宙・真空環境の特殊性（１）振動・衝撃・保持解放機構での火工品の切断（～2000G）・打上げ時の推進薬燃焼、音響振動（２）真空：超高真空・極高真空・周回衛星（高度200～800km): 10-4～10-8Pa ・静止衛星（136,000km): 10-8～10-10Pa ・衛星内部は、吸着ガスの脱離、アウトガスのため 1～2桁高いと推定・高空ほど、水素やヘリウム（軽い気体）が主成分（３）無重力：微小重力（ 1/104～1/106 ） 44 （３）無重力：微小重力（ 1/104～1/106 ）（４）放射線：宇宙空間（太陽、バンアレン帯など）から、α ・β ・γ 線、陽子、中性子などが飛来（５）温度：－100～＋150℃程度の温度変化・熱制御フィルムにより、－30～＋60℃程度（６）紫外線：強い紫外線による劣化作用（７）原子状酸素・紫外線による酸素分子が解離、原子状酸素になる・200～600kmでは、原子状酸素が主成分、高分子に対して酸化や腐食発生 45 宇宙環境－雰囲気ガスの成分－ 46 人工衛星のトライボロジー要素人工衛星の駆動機構 47 人工衛星のトライボ要素の作動条件 ●通常の衛星では50個以上の転がり軸受を使用，そのうち90％以上が固体潤滑 ●被膜：Au，Ag，Pbイオンプレート膜，MoS2スパッタ膜 ●高分子複合材：PTFE複合材（ガラス繊維，カーボン繊維，金属粉末などを充填） 48 ハイゲインアンテナに関する不具合ガリレオ探査機（米国、打上げ1989年）・打上げ1年半後のHGA展開に失敗・18本中４本のリブが展開せず収納状態と正常展開テレメトリデータに基づいて推定された宇宙空間での HGAの展開形状 49 固着の発生部位リブ４本で凝着発生テレメトリデータに基づいて推定された宇宙空間でのHGAの展開形状ピン（Ti-6Al-4V）と受け（インコネル718)で凝着発生 50 ハイゲインアンテナ展開不良の原因 ●リブ中央のピンと受けとが固着した可能性大［原因］ (1) ピンと受けとの過大な接触圧で，受け面のMoS2固体潤滑剤が損 (2) 米大陸２往復に及ぶ地上輸送での振動により，固体潤滑剤が損 (3) 打上げ時，軌道変更時の真空中振動で凝着衛星アポジエンジンのバルブ不具合バネの固着 (1) きく6号打上げ失敗: アポジエンジンのヒドラジン弁の固着（1994） (2) 火星探査衛星（のぞみ）推進系のバルブ(1999)、小惑星探査機（はやぶさ）推進系のバルブ(2004)、金星探査衛星(あかつき）推進系のバルブ(2010)のトラブル発生 51 ６．おわりに ■高性能ロケットエンジンのターボポンプの開発において、極低温推進剤中で高速回転する軸系を支える軸受や軸シールなどの「極低温トライボロジー技術」は、エンジンの性能や信頼性を支える重要な基盤技術。 ■ロケットエンジンや宇宙機器の極限環境下におけるトライボロジー技術は、信頼性向上や性能向上に向けて、宿命と言うべき限りない挑戦が期待される。 ■液体水素利用技術は、地球温暖化対策として期待される、化石燃料に替わる液体水素エネルギー技術分野の発展への貢献が期待できる。 52 研究者・技術者の心構えトラブル原因の追究・対策から学び育てるものは・・・知識でなく知恵(技術センス)の向上トラブル原因の追究・対策から学ぶ高度技術組織・技術力の向上社会・人類への貢献度の向上小さな工夫の積み重ねと弛まない努力それが世界を驚かす 53