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エコ・テーラードトライボマテリアル 創製プロセス技術の研究開発 事業概要
「エコ・テーラードトライボマテリアル創製プロセス技術の研究開発」 （事後評価）分科会 資料4-2 エコ・テーラードトライボマテリアル 創製プロセス技術の研究開発 独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 環境規制に対応する耐摩耗性修道部材 エコロジー（Ｅｃｏｌｏｇｙ） ：環境 トライボロジー（Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ） ：相対運動している表面の摩擦・摩耗 ： 等の現象 ：及び機構を調べる学問 １．事業の概要 ２．産総研 詳細 ３．ナノメートルオーダー 詳細 ４．マイクロメートルオーダー 詳細 ５．高次複合構造 詳細 1 事業原簿－p. 事業原簿－p.① p.① 事業概要 環境保全・省エネルギー・省資源に関する社会的要請の高まり に関する社会的要請の高まり 環境保全・省エネルギー・省資源 屋外産業機械や輸送機器のトライボロジー 屋外産業機械や輸送機器のトライボロジーからのアプローチ トライボロジーからのアプローチ トライボロジー関連部品の大幅な性能向上 トライボロジー関連部品の大幅な性能向上を図る。 関連部品の大幅な性能向上を図る。 ↓ 開発に必要なプロセス技術技術 開発に必要なプロセス技術技術の確立 プロセス技術技術の確立 2 事業原簿－p.2 事業原簿－p.2 事業の背景 環境保全・省エネルギー・省資源 に関する社会的要請の高まり ・ＣＯ２排出削減 ・環境汚染物質の排出規制 クリーン環境化 ・輸送用機器などの軽量化 ・輸送用機器などの燃焼の 効率化 省エネルギー 3 事業原簿－p.6 事業原簿－p.6 事業の性格・位置付け 基盤技術的側面が極めて大きい。 基盤技術的側面が極めて大きい。 地域に設置された技術拠点を十分に活用し、 大学、研究所、民間企業等が有している トップレベルの技術を集中する形態の研究体制 である。 産・学・官 連携 4 事業原簿－p.1 事業原簿－p.1 ＮＥＤＯ・産総研の関与の必要性 基盤技術的側面 ・移動機械に必要な部品の性能・耐久性の維持・向上 のために新しい要素技術 のために新しい要素技術の開発 新しい要素技術の開発 ・環境保全・省エネ・省資源に対応する新しい技術や概念の 環境保全・省エネ・省資源に対応する新しい技術や概念の 構築 ・トライボロジー技術は多くの産業 ・トライボロジー技術は多くの産業を支える基盤技術 多くの産業を支える基盤技術 国の主導で、大学、研究所、部品・素材メーカー、等、 産・学・官が一体となり、国のプロジェクトとして推進する ことが必要。 ＮＥＤＯ→プロジェクト推進 産総研→技術の高度化 5 事業の目的・目標 事業原簿－p.6 事業原簿－p.6、 p.6、10 目的 ： 環境保全・省エネ・省資源の観点から、 トライボロジー関連部品の大幅な性能向上 トライボロジー関連部品の大幅な性能向上を図る。 大幅な性能向上を図る。 目標：３つのプロセス技術、適用部材毎に設定（詳細：基本計画の別紙による） （１）「ナノメートルオーダーで制御されたマテリアル創製プロセス技術」の開発 「ナノメートルオーダーで制御されたマテリアル創製プロセス技術」の開発 イオン複合プロセス技術の研究開発 技術の研究開発 イオン複合プロセス カム・シム＆ピストンリング → 耐摩耗性の向上 など （２）「マイクロメートルオーダーで制御されたマテリアル創製プロセス技術」 「マイクロメートルオーダーで制御されたマテリアル創製プロセス技術」の開発 の開発 レーザー複合プロセス技術の研究開発 レーザー複合プロセス技術の研究開発 シリンダー＆バルブシート → 耐摩耗性の向上 など （３）「高次複合構造マテリアル創製プロセス技術」の開発 「高次複合構造マテリアル創製プロセス技術」の開発 粉末及び高温プロセス技術の研究開発 の研究開発 粉末及び高温プロセス技術 ブレーキ＆軸受け → 耐荷重の向上 など 6 事業原簿－p.14 事業原簿－p.14 事業計画概要 平成１０年度 平成１１年度 平成１２年度 平成１３年度 平成１４年度 エコ・テーラードトライボマテリア 創製プロセス技術 要 素 技 実 用 化 技 （１） ナノメートルオーダーで 制御されたマテリアルの創 イオン複合プロセス制御技術の確立 硬質セラミックス被膜作製技術の開 カム・シム、ピストンリン グへの被膜作製技術 評価試験 （２） マイクロメートルオーダーで 制御されたマテリアルの創 レーザーハイブリッドプロセス技術の確立 準安定構造表面作製技術の開発 シリンダーライナー、バ ルブシート材料作製技術 評価試験 超高温プロセス制御技術の確 複合構造材料作製技術の開発 ブレーキディスク、パッド、 軸受材料作製技術 評価試験 （３） 高次複合構造マテリア の創製 7 事業原簿－p.15 事業原簿－p.15 事業予算（総計３８億円） （単位：百万円） （研究開発項目） H10 H10年度 年度 H11 年度 H12 H12年度 年度 H13 H13年度 年度 H14 H14年度 年度 （研究開発項目） H10 年度 H11年度 H11年度 H12年度 H13年度 H14 ナノメートル 47 173 280 328 328 273 70 253 304 253 173 マイクロメートル 173 産総研 30 30 111 111 111 102 102 102 75 75 75 70 296 348 298 232 高次複合構造 （合計） (753) 53) (217) (833) (1034) (954) (7 8 事業原簿－p.32 事業原簿－p.32 研究開発体制 経済産業省 研究費 産業技術総合研究所 共同研究 研究所 民間 企業 ＮＥＤＯ 委員長：木村東京大学名誉教授 研究実施者、自動車 委員： 関連業界団体 ＮＥＤＯ 全体調整・意志決定 プロジェクトリーダー：産総合研 委員会 民間 補助金 研究開発 推進委員会 ナノメートルオーダー で制御されたマテリアル 創製プロセス技術開発 委託 委員会 マイクロメートルオーダー で制御されたマテリアル 創製プロセス技術開発 イオン工学研究所 レーザー応用工学研究所 再委託 住友電気工業 カム・シム 帝国ﾋﾟｽﾄﾝﾘﾝｸﾞ ピストンリング 川崎重工業 シリンダー 三菱マテリアル バルブシート 大学 香川大学 豊橋技術科学大学 横浜国立大学 委員会 共同研究 高次複合構造マテリアル 創製プロセス技術開発 超高温材料研究所 曙ブレーキ ブレーキ 大同メタル工業 軸受 9 「エコ・テーラードトライボマテリアル創製プロセス技術」基本計画 （社会的背景） ＣＯ２排出削減 ・ 環境汚染物質に対する排出規制 輸送用機器等の軽量化や燃焼の効率化による省エネルギー化。 （輸送機器（自動車）は環境負荷が大きい） （技術的背景） トライボロジーに関する技術的課題がキーテクノロジーの１つ。 トライボロジーの技術的課題のアプローチ方法は、 設計法、潤滑剤、材料選定の３つ。 設計法、潤滑剤、材料選定 材料の観点からのアプローチは開発の余地が大きい。 適用プロセス技術の開発が重要 （目的） トライボロジー関連部品の大幅な性能の向上により、環境 トライボロジー関連部品の大幅な性能の向上により、環境 規制に伴う摩擦摩耗対策、有害な摩耗粉の排出削減、摩 擦によるエネルギーロスの低減、部品の軽量化を図る。 を図る。 擦によるエネルギーロスの低減、部品の軽量化 10 （具体的内容） エンジンのシリンダー、ピストンリング、バルブシート シリンダー、ピストンリング、バルブシート（ＥＧＲ、高圧縮比、代 シリンダー、ピストンリング、バルブシート 替燃料）、動弁系 動弁系（摩擦ロス）、軸受 軸受（高圧縮比、有害物質）、ブレーキ ブレーキ（軽 動弁系 軸受 ブレーキ 量化、有害物質）を選択。また、分解性潤滑油にも対応できるようにする。 （研究開発の目標） 対象部品のトライボマテリアルの被膜厚さや組織・対象部材の材料の構造 の大きさに合せた材料の構造制御を実施するため、組織・構造の制御と生 産性・経済性を考慮して、以下の３種の異なる創製プロセス技術の開発を 実施する。 ①ナノメートルオーダーで制御されたマテリアルの創製プロセスの技術 ①ナノメートルオーダーで制御されたマテリアルの創製プロセスの技術 ②マイクロメートルオーダーで制御されたマテリアル創製プロセス技術 ③高次複合構造マテリアル創製プロセス技術 11 自動車など輸送機械のトライボロジーの課題 トライボロジー対策 さまざまな環境規制の強化 ・省燃費規制(CAFE) ・排出ガス規制 ・有害物質排出規制 ・リユーザブル ・生分解性潤滑油の使用 ・代替フロン ・駆動要素の軽量・低摩擦材料 ・潤滑油の低粘度化に伴う耐焼き付 き性材料 ・ブレーキ材料の脱有害金属化 ・親生分解油性摩擦面材料 ・少量油潤滑性材料 ・代替フロン潤滑材料 駆動系摩擦損失、７％ （トランスミッション, デフギア) 走行抵抗,１７％ タイヤころがり抵抗、空気抵抗 エンジン摩擦 損失 ,41% 加速抵抗, 35% 車体重量、駆動系など重量 ピ ス ト ン リ ン グ の 摩 耗 比 1.0 0.5 0.0 2.6 2.8 3.0 3.2 潤滑油粘度 自動車の燃費向上には、摩擦損失の低減が重要な課題 潤滑油の粘度低下に伴うピストンリングの 摩耗増加の例 12 潤滑 低粘度油潤滑 流体潤滑効果の減少 新しい摩擦調整剤 潤滑油の希釈化 境界潤滑の改善 耐焼きつき性の向上 潤滑油の親和性 直接燃料噴射 固体潤滑 高温潤滑 新表面処理 摩擦熱増大 高PV値化 PV値化 接触面積の減少 部品の小型化 設計の簡素化 省エネルギー コーティング マイルド摩耗 重量減少⇒アルミ化 アルミニウム合金 プロセス技術 コスト セラミックス 鉄鉱材料の代替化 重量減少 設計 トライボ材料 自動車のトライボロジーに関する課題 13 従来の方法 トライボマテリアル 安定相構造 単一プロセスにより合成 限界がある 新しい方法 トランジェント相構造 複合プロセスにより合成 準安定な相 高エントロピー構造 非化学量論的な組成 安定化の課程で内部応力緩和 難固溶元素間の結合 ポテンシャル エントロピー 状態 ナノスケール構造 マイクロスケール構造 ミリスケール構造 イオン注入法 熱拡散法 PVD法 法 合成 トライボロジー プロセス 過程 非熱平衡表面を もつ材料 レーザ法 プラズマ法 非化学量論的組成を もつ材料 難固溶性元素分散 材料 急速加熱法 超高圧法 傾斜組成材料 14 研究開発項目①「ナノメートルオーダーで制御されたマテリアル創製プロセス技術」 １．研究開発の必要性 （１）ピストンリング、動弁系等の部品については省エネルギーのための高圧燃焼、ＥＧＲ等による使用 条件の過酷化に対処しうる材料の開発が必要。また、摩擦 によるエネルギーロスの低減化も必要。 （２）ナノメートルオーダでの複合構造制御と緻密・硬質膜の形成が可能で、有害な廃液や排ガスの発 生の少ない環境調和型のイオンプロセス技術が適切な技術。 ２．達成目標 （目標設定） １～１００μ μｍ厚の範囲にあるトライボマテリアルを対象として、 １～１００ （１）耐久性について、実用エンジン油使用下での評価で現用材料の５倍以上。 （２）生分解性潤滑油使用下では現状の材料と比較して同等以上となること。 （３）密着性については現用で信頼性の大きいクロムメッキ等の被覆材料に比較して同等 以上となることを目標とする 。 （目標設定の理由） （１）環境保全および省エネルギー対策上、ＥＧＲ割合や圧縮比の増加などにより、 ピストンリングあるいはカム・シムは２～５倍程度の摩耗増加が予想されること から、５倍以上の耐久性向上とした。 （２）密着性については、現在使用されている被覆で問題が少ないため、これらと同等 以上の密着強度とした。 （３）生分解性潤滑油は潤滑性能が劣るため、採用するに際しては現行と同等の耐 久性とした。 15 研究開発項目②「マイクロメートルオーダーで制御されたマテリアル創製プロセス技術」 １．研究開発の必要性 （１）シリンダー、バルブシート等の部品については省エネルギーのための軽量化及び石油代替燃料の 燃焼による摩擦・摩耗・潤滑特性に対処できる材料開発が必要。 （２）非化学量論的組成の化合物や非固溶性の元素を混合した準安定相型マテリアルの有用性の示唆。 （３）超高エネルギー密度での加工が可能なレーザー応用技術が適切。また、他のエネル ギーと併用・ 複合が有用。 ２．達成目標 １００～１０００μ μｍ厚の範囲にあるトライボマテリアルを対象として、 （目標設定） １００～１０００ （１）実用エンジン油使用下での評価で現用ディーゼルエンジン用シリンダー材料の３倍以上。 （２）アルミ合金シリンダーに用いられる現用材料の２倍以上。 （３）天然ガス等の代替燃料エンジンのバルブシートにおいては現用材料の５倍以上。 （４）生分解性潤滑油使用下では現状材料と比較して同等以上。 （目標設定の理由） （１）ディーゼルエンジンにおいては高ＥＧＲ採用により現用の鋳鉄シリンダライナーの摩耗量 が約３倍になることから目標を３倍以上とした。 （２）アルミ合金シリンダーにおいては、現在実用されている粒子分散めっきや鋳鉄ライナーと 同等であることを基準として、目標をその２倍以上とした。 （３）代替燃料エンジンのバルブシートにおいては天然ガスをディーゼルエンジンに採用した 場合、その摩耗量が５倍となることから、５倍以上を目標とした。 16 （４）生分解性潤滑油は潤滑性能が劣るため、生分解性潤滑油を採用するに際しては現行と 同等の耐久性とした。 研究開発項目③「高次複合構造マテリアル創製プロセス技術」 １．研究開発の必要性 （１）運動制御系（ブレーキやサスペンション等）の軽量化並びに環境汚染物質排出対策、 及びエンジンの効率化に伴うエンジンのクランク軸受の高面圧化に対処する。 （２）材料の複合化、界面の傾斜組成などの、高次構造制御を行うことでトライボマテリア として必要な新機能が必要。 （３）複合組成材料の焼結や複合材料の作成に適した超高温プロセスが有用。 ２．達成目標 １０００μ （目標設定） １０００μｍ以上厚の範囲にあるトライボマテリアルを対象として、 （１）ブレーキ系においては、厚さが１ｍｍ以上あり、軽量でかつ、銅、アンチモン、鉛等の 有害物質を含まないトライボマテリアルの創製。 （２）軸受系については鉛を含まず、また負荷の増大に対処するため、現状の２倍以上の 高面圧に使用できるトライボマテリアルの創製。 （３）耐久性については、現状のトライボマテリアルと同等以上であること。 （設定目標の理由） （１）ブレーキ材料からの摩耗発生は国内だけで年間約１万トンと言われている。従って、 銅、アンチモン、鉛等の有害物質を含まないことが望まれる。また、ブレーキシステ ムの軽量化は、燃費が向上することにより省エネ対策となる。 （２）エンジン部材のリサイクル時に大気に放出されるため、従来軸受に使用されてきた鉛 は抑制が必要。また、エンジンの小型化や高圧縮比化するため、現状の２倍程度の 17 面圧に耐える軸受が必要となる。 エコ・テーラードトライボマテリアル創製プロセス技術 複合イオンプロセス イオン ビーム レーザ複合プロセス レーザ ビーム 超高温プロセス 加圧 材料 基材 カム 粒子 基材 ライナー バルブシート 環境への負荷低減 モールド ピストン リング ベアリング ブレーキ 燃費の向上 = CO 2 削減 有害物質の排出の低減 18 トライボマテリアル創製プロセス nmサイズから nmサイズから + イオンビーム + + + µm mmまで mmまで + コーティング面 基板面 ナノメートル オーダー 超多層被膜 微細複合膜 プラズマガン レーザービーム イオン注入 数１００層 硬質分散相 コーティング層 反応層 基板層 磁場 マイクロ波 超高温 レーザーアシストプラズマ溶射 表面：粒子傾斜分散による トライボ特性改善 マイクロメートル オーダー 超硬質表面、高耐環境性表面の形成 超硬質表面、高耐環境性表面の形成 表面改質 コーティング （ナノメートルオーダーのデザイン） （マイクロメートルオーダーの デザイン） イオン工学研究所 プラズマ 超高圧 + + レーザー応用工学研究所 基材：粒子均一分散による 複合強化 高次複合構造 （ミリメートルオーダーのデザイン） 超高温材料研究所 19 重要地域技術研究開発 エコ・テーラードトライボマテリアル創製プロセス技術 １．ナノメートルオーダーで制御されたマテリアル創製プロセス技術 膜厚： １～１００μｍ プロセス： ＰＶＤ 対象部材：カム・シム、ピストンリング ２．マイクロメートルオーダーで制御されたマテリアル創製プロセス技術 膜厚： １００～１０００μｍ プロセス： レーザープロセス 対象部材：シリンダー内面、バルブシート ３．高次複合構造マテリアル創製プロセス技術 膜厚： １０００μｍ以上 プロセス： 焼結プロセス 対象部材：ブレーキ、軸受 20 開発結果 ◎トライボマテリアルとして （１）全ての部材で基本計画の目標値をクリアーした。 （２）基本計画で設定しなかった自主目標もほぼクリアー できた。 ◎プロセス技術として （１）イオンプロセスは部材に最適なプロセスの選択がで きた。 （２）レーザプロセスは極めて有効であることが判明した。 （３）超高温プロセスは部材への適用技術が確立できた。 （４）製造コストの低減には更なる努力が必要であるが、 実用化の目処がたった。 21 具体的成果のまとめ（基準試験機評価） ◎カム/シム：チタン含有ＤＬＣ膜において、 ◎カム シム：チタン含有ＤＬＣ膜において、 摩擦係数１/２以下、摩耗量１ ２以下、摩耗量１/１００００ ・・・・ （比較材：侵炭ＳＣＭ） １００００ ・・・・ （比較材：侵炭ＳＣＭ） 摩擦係数１ ２以下、摩耗量１ ◎ピストンリング：ＣｒＮ/ＷＮ被膜において、 ◎ピストンリング：ＣｒＮ ＷＮ被膜において、 摩耗量１/１０以下、耐焼付き性２倍以上 ・・・・ （比較材：Ｃｒメッキ） 摩耗量１ １０以下、耐焼付き性２倍以上 ・・・・ （比較材：Ｃｒメッキ） ◎シリンダー内面：ＦｅｰＭｏ溶射被膜において、 摩耗量１/３以下、耐焼付き性８倍以上 ・・・・ （比較材：耐摩耗鋳鉄） 摩耗量１ ３以下、耐焼付き性８倍以上 ・・・・ （比較材：耐摩耗鋳鉄） ◎バルブシート：Ｆｅ3Ａｌにおいて、 ◎バルブシート：Ｆｅ Ａｌにおいて、 摩耗量１/５以下 ・・・・ （比較材：鉄系焼結材） 摩耗量１ ５以下 ・・・・ （比較材：鉄系焼結材） ◎軸受：オーバーレイＡｇｰＧｒａｐｈｉｔｅ、軸受合金ＣｕーＳｎーＮｉ（Ｍｏ）で 鉛及びアンチモンを含まず（耐荷重性：現状材に比べ２倍） ◎ブレーキパット：ＭｇＯｰＧｒａｐｈｉｔｅ系で 銅、アンチモン含まず（耐摩耗性：現状材と同等） 22 ◎プロジェクト全体のまとめ 成果 １．基本概念に沿った形態での研究開発はほぼ成功した。 ２．基本計画の目標を越える開発成果が得られた。 ３．実用化・事業化についての目処がたった。 ４．個々の部材に対して実機対応の試験方法がほぼ確立された。 ◎今後の課題 １．新たなトライボマテリアル創製複合プロセスの開拓 ２．新たな概念によるシステム（設計、潤滑剤、材料）の構築 ３．環境対策を念頭においた新潤滑油の開発 ４．トライボシステムのシミュレーション及び評価技術の確立 23