Tribologically-based Machine Design 東北大学大学院工学研究科 機械システムデザイン工学専攻 足立研究室 問合せ先 Phone: 022-795-6956 E-mail: [email protected] http://www.tribo.mech.tohoku.ac.jp/ セラミックスの水潤滑システムの研究開発 －環境にやさしい機械を目指して－ Water Water Lubrication Lubrication セラミックスの水潤滑による低摩擦の発現 Saving energy resources Environmentally friendly Virtually unlimited Annual disposal car newspaper 0.03 0.5 Friction coefficient µ Friction coefficient µ 0.6 0.4 0.3 Pin 摩耗面 0.2 µ< 0.01 平滑面形成 0.1 steel can tire PET bottle 0 1 2 3 4 5 The amount of annual disposal x106 t Mechanical wear 6 Friction coefficient µ Intergranular fracture Net-like agglomerate of wear particles Film delamination Tribochemical wear Transition 15 機械的摩耗から化学摩耗への遷移 0.5 10 5 0 0 0 200 400 600 800 1000 0.8 0.6 µ> 0 0.4 0.2 0 0.5 1.0 ηN/pm , x 10-7 1.5 1200 Sliding distance L, m Tribochemical reaction Si3N4 + 6H2O → 3SiO2 + 4NH3 SiO2 +2H2O → Si(OH)4 .03 µ< 15 Pa ,M 0.0 0. 3 Sl 2 0 id in .4 g ve 0.6 lo 0. ci ty 8 1 V, .0 m /s 0 M n ea 5 c a nt co Pm 10 ure s es r tp 表面テクスチャリングにより 耐荷重性が大幅に向上する 1.0000 0.010 Friction coefficient µ 摩耗面の平滑化 Friction coefficient µ Mean contact pressure Pm, MPa 1.0 20 5000 水は，従来の潤滑剤（油）と比較し粘度が低いため 耐焼き付き性（耐荷重性）の向上が実用化の鍵を握る. SiC/SiC In water 1.0 0 30 25 2000 3000 4000 Sliding distance L, m 技術：耐焼き付き性向上のための表面テクスチャリング 科学：低摩擦発現機構の解明 Transgranular fracture 0.01 水 は，セラミックスに対し極めて低い摩擦を与え得る潤滑剤である． aluminum can 0 1000 µ = 0.001 0.02 0 0 ・油は環境負荷の大きい 潤滑剤である ・オイルフリーの機械が 強く要求されている No Notexture texture RSP Texture 1 CLP Texture 2 CLRSP Texture 3 0.008 Rotational speed: 800rpm Lubricant: Refined water Supply rate: 60ml/min Temperature: 14-20℃ Friction coefficient µ lubricating oil Ceramics / Ceramics in Water 0.006 0.004 0.002 LENNING, 1960 Cast Iron/Steel / Oil 0.1000 KANAS, 1984 C/WC/Water 0.0100 BRIX, 1962 PB/Steel/Oil WANG et al, 2000 SiC/SiC/Water 0.0010 WANG et al, 2000 SiC/Textured SiC/Water 0 なじみ過程における摩耗面の平滑化機構の解明 定常状態における潤滑機構の解明 Doing 低摩擦発現のための設計指針の構築 0 1000 2000 3000 Load W, N 4000 5000 0.0001 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 Duty parameter G (= ηUB / W) 最適表面テクスチャリングの研究開発 Doing 表面テクスチャリング形成法の開発 表面テクスチャリングの設計指針の構築 Tribologically-based Design for Water pump Conventional water pump New water pump SiC Ceramics セラミックス（炭化ケイ素）を シール材料として導入することにより 排出すべき水そのものを潤滑剤として使 用可能となる． その結果，従来ポンプの1/5のサイズ 縮小と低騒音化が実現されている. （荏原製作所） ・水を潤滑材に油潤滑以上の過酷な環境下での低摩擦を実現します． ・次世代の機械は，油ではなく水で潤滑します． セラミックスの水潤滑で環境にやさしい機械を創成する 10-4
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