高温固体潤滑剤の開発と高効率鍛造プロセスへの適用に関する研究
産業技術総合研究所 先進製造プロセス研究部門グループ長 北 英紀
（平成 16 年度研究開発助成 AF-2004011）
キーワード：固体潤滑剤，鍛造，セラミックス

１．研究の目的と背景
持続発展可能な社会の実現に向け，製造の各分野におでの最適の温度での後方押し出しを行い，本技術の有効性を実証する．

いても省エネルギー化，そして廃棄物の低減等，環境負荷を小さくすることのできる技術開発は急務となっている．
また近年，多くの製造分野についてアジア諸国の台頭は目覚しく，一部では空洞化や競争力低下が懸念されている．
今後こうした実態を考慮した技術開発に取り組んでいく必要がある．

２．実験方法2・1

リン酸塩処理した黒鉛粉末の作製と評価（高温固体潤滑剤の開発）
黒鉛粉末には，平均粒径100μmの人造黒鉛粉末（8020S，オリエンタル産業製）を用いた．リン酸マグネシウム及び鍛造は鋳造とならんで，わが国のものづくりの基幹プロ

リン酸アルミニウムの原料として，リン酸二水素マグネシセスのひとつとである．型材としては従来，金属が用いらウム（米山化学製）及び第一リン酸アルミニウム（多木化

れるが，低温域では潤滑油を使用することが前提となり，学製）をそれぞれ用いた．また，リン酸ランタンについてまた高温下では,さらに型寿命が短く，また焼きつきが生は，硝酸ランタン（関東化学製）及びリン酸（アルドリッじやすいなど，効率や精度向上，あるいは環境負荷低減とチ製）を用いた．に向けた課題の解決に対する制約事項は多い．一部でセラリン酸マグネシウム及びリン酸アルミニウム溶液は以ミックスの適用も検討されているが1)2)，強度や潤滑特性下のように調製した．リン酸二水素マグネシウム（米山化の点でさらなる改良が必要と思われた.

学製）または第一リン酸アルミニウム（多木化学製）を純

そこで本研究では，高強度と自己潤滑性を付与した窒化水に溶解させ，1,5,10,20および30wt%の水溶液を調製した

ケイ素セラミックスやその周辺技術を開発し,その型材へ後，これらの水溶液に黒鉛粉末：リン酸塩水溶液との重量の適合性についての検討を行うこととした．自己潤滑性セ比が3：7となるように，黒鉛粉末を添加し，室温で24時間

ラミックス型は，潤滑油フリー化，高効率かつ高精度，そ撹拌した．

して金型の長寿命化が期待できる．主な研究内容は以下の通りである．

また，リン酸ランタン溶液は以下のように調製した．リン酸を純水に添加し，リン酸ランタンとして1,5,10,20お(a) 高温固体潤滑剤の開発

よび30wt%となるように，リン酸水溶液を調製した．この

室温から高温(500℃程度)までの温度域で，小さな固体リン酸水溶液に，黒鉛粉末：リン酸塩水溶液との重量比が摩擦係数を有する固体潤滑剤を開発し，その潤滑特性を明3：7となるように，黒鉛粉末を添加し，室温で2時間撹拌

らかにする．固体潤滑剤開発のアプローチの具体例としてした後，硝酸ランタンを添加し，さらに室温で22時間撹拌

例えば，層状構造をもつ物質について，ゾルゲル法によるした．

基底面端部の原子への修飾処理により，耐酸化性を向上さ得られた溶液を110oC，24時間，大気中で乾燥後，解砕せるとともに層間力の制御により性能を向上させるといし，800oC，3h，N2中で熱処理した．熱処理後，乳鉢で解った方法が考えられる．

砕してリン酸塩被覆黒鉛粉末を得た．

(b) 自己潤滑性セラミックス金型の開発
まず鍛造加工時の耐摩耗，耐焼付き性に優れたセラミッ
クス材料の選定および組成の最適化を行う．次に自己潤滑得られたリン酸塩被覆黒鉛粉末の耐酸化特性は，大気雰囲気下にて室温から1200oCまで5oC/minの昇温速度で熱重量− 示差熱分析（TG-DTA）により評価した．

性を有し，型として使用していく上で十分な強度及び信頼性もつセラミックスとするために必要な自己潤滑相粒子

2・2

Mo分散窒化ケイ素焼結体の作製と評価の形状や寸法ならびに連続相となるセラミックス相の粒

前項に述べた耐酸化性を向上させた黒鉛粉末を直接窒子形状等に関する構造制御を可能とするプロセス技術を化ケイ素への複合を試みたが,焼結性が阻害され緻密な焼開発する．さらに材料開発で得られた知見をふまえて高温結体を得ることが出来なかった。そこで焼結性を損なうこ鍛造用型を製作する． また得られた自己潤滑性セラミッとなく複合が可能な自己潤滑性物質の検討を行い，熱膨張クス型を用いてアルミニウム合金について，冷間から高温係数が比較的窒化ケイ素に近く，また高融点金属であるモMoS2を塗布する形で行った．鍛造する試料は直径27.5mm，リブデン系材料が有望と考え，その作製を試みた．
出発原料として，α-Si3N4（宇部興産製，SN-E10），Y2O3（フローラ製），Al2O3（昭和電工製，AL160SG4）および高さ20mmのA6061（展伸用合金SS400相当合金）及びA390（高Siアルミ合金，耐摩網，耐熱合金）材を用いた．

Mo微粉末（日本新金属製，平均粒径2.85μm）を用いた．配合組成の異なる試料を3種類（TAN-M1,M3,M5）作製した．
その配合比を表1に示す．各粉末を所定量秤量した後，ポリエチレン製ポット，窒化ケイ素製ボールを用いて，エタノールを溶媒としてボールミルにより24h混合した．得られたスラリーの溶媒を乾燥除去後，目開き150μmのふるいを通して均一な混合粉末とした．この混合粉末を，カーボンダイスに充填して0.98MPaの窒素雰囲気下，焼成温度1750℃，保持時間4h，圧力40MPaの条件でホットプレス焼結した．得られた焼結体は，試験面を後述する所定形状に加工した後，大気炉中で温度700℃，保持時間10hの条件でセラミックス熱処理して表面のモリブデン相を酸化し，試料とした．
得られた焼結体および酸化処理後の焼結体の生成相をＸ線回折により同定した．また，焼結体，酸化処理した焼結体，後述するしゅう動試験を施した試料各々を，走査型４５Ｃ電子顕微鏡（SEM）を用いて微構造を観察するとともに，エネルギー分散型分光器（EDS）を用いて生成相の元素分析を行った．焼結体から厚さ3mm，幅4mm，長さ40mmの試験片を切り出し，JIS R1601に準じた試験法により室温での図 1 セラミック型の構造４点曲げ強度を測定した．
得られた焼結体を，6×9.5×20mmの試験片に切り出した
後，表面をラップ仕上げし鏡面研磨を行った．鏡面研磨後の試験片を往復動型の摺動試験機によって，無潤滑時の摩擦係数の測定を行った．摺動試験の条件は，荷重4.9N，振幅10mm，周波数1Hz，大気中，室温及び600℃で行った．なお，相手材は市販のベアリンググレード鋼球（SUJ2，φ10mm）を用いた．

表1codeTAN - M1
TAN - M3
TAN - M52・3

Mo分散Si3N4焼結体の原料の配合比(単位：g)
主成分
SN
宇部
E10Al2O3Y2O3
昭和電工 ﾌﾛｰﾗ
AL160SG4460
104501044010

助剤成分
Mo
日本新金属
2.85ミクロン
25525152525

total000000500500500

Mo分散窒化ケイ素型とした鍛造試験

Mo分散Si3N4を用いたセラミック型を作製した．セラミック型の構造を図1に示す．外径Φ37mm，内径Φ27.6mm，

図 2 鍛造部のセラミックス型及びパンチ高さ27mmとなるよう，前述のセラミックスをスリーブ形状に加工し，その外周にS45Cリングを焼きばめにより嵌合わせた．
作製したMo分散Si3N4を用いてセラミック型を用いて，3.

結果

3・1

リン酸塩処理した黒鉛粉末の耐酸化特性

冷間鍛造試験を行った．冷間鍛造試験は，シングルクラン

図3〜5に，リン酸マグネシウム，リン酸アルミニウムおクプレス機を用いて行った．本装置の使用は最大プレス圧

よびリン酸ランタン処理した黒鉛粉末の室温〜1200oCま力100tf，毎分ストローク数80spm，ストローク75mmのものでのTG曲線を示す．比較のため，それぞれの図に，未処理を使用した．図2に鍛造部のセラミックス型及びパンチのの黒鉛粉末のTG曲線を示す．未処理の黒鉛粉末は，酸化開写真を示す．後方押し出しパンチにはΦ19.5mmおよびΦ始温度及び酸化終了温度がそれぞれ600oC及び995oCであ23.5mmの径のものを用い，鍛造時にはパンチの方にのみった．リン酸塩処理を施した黒鉛粉末の酸化開始温度及び酸化終了温度は，未処理の黒鉛粉末よりも50℃〜100℃高い値となり，耐酸化性が向上していることがわかる．また，どのリン酸塩処理した黒鉛粉末についても，1wt%のリン酸

Friction coefficient (room temperature)
1塩処理で，耐酸化性が向上しており，酸化開始温度及び酸らかとなった．特にリン酸ランタン処理した黒鉛粉末は，他のリン酸塩処理した黒鉛粉末よりも高い酸化開始温度及び酸化終了温度を示した．リン酸塩が，単に黒鉛粉末上0.8
Friction coefficient

化終了温度はリン酸塩溶液の濃度に依存しないことが明に被覆されている，あるいは黒鉛粉末の周囲に存在してい0.60.40.2

Normal SNTAN1TAN3
TAN5るのであれば，黒鉛の耐酸化温度は，リン酸塩の濃度に依0存すると考えられる．しかし，本研究において，酸化開始05001000Time /s

15002000

温度及び酸化終了温度がリン酸塩の濃度に依存せず，1wt%の濃度で50℃〜100℃向上することから，単にリン酸塩が黒鉛粉末上に被覆しているのではなく，炭素の基底面部にFriction coefficient (600C)
1

リン酸塩で修飾されていることが考えられる．今後，リン光学的手法を用いて明らかにしたいと考えている．

Normal SN
TAN1
TAN3
TAN50.8
Friction coefficient

酸塩が黒鉛粉末に対してどのように存在しているかを，分0.60.4

0.200500

1000
Time /s

15002000

図 6 Si3N4及びMo分散Si3N4の室温及び高温（600℃）での摩擦係数の時間による変化

図 3 リン酸マグネシウム処理した黒鉛粉末の TG 曲線

3・2

Mo分散窒化ケイ素焼結体の室温及び600oCでの摩擦試験
図 6 に室温及び高温での摩擦係数の時間による変化を示す．明らかに，各材料によってその摩擦係数の変化挙動が異なることが確認された．室温において通常の窒化ケイ素セラミックスは初期の摩擦係数は非常に低い値を示している．窒化ケイ素セラミックスの場合，摺動初期においては，その表面に生じているSiO2と大気中の水分との反応で，非常に良好な潤滑膜が無潤滑とはいえ生じている．しかしながら，本潤滑膜は，厳しい摺動条件では維持するこ
図 4 リン酸アルミニウム処理した黒鉛粉末の TG 曲線とが困難で，破壊を伴う摩耗に移行していくため摩擦係数は上昇する傾向を示しているものと考えられる．また，摺動時間が経過することでその摩擦係数がまた低下傾向を示している．これは，初期摺動時の面圧非常に大きいことに対して，ボール表面が摩耗していくことでその面圧が低下し，結果として摺動条件時間の経過とともに摩擦係数が低下していっているものと考えられる．一方で、酸化モリブデンを 1%分散した場合，初期の面圧が高い状態からの，その面圧を保持できるだけの潤滑性を備えており，その摩擦係数は 0.5 程度で一定の値をとることが確認された．しかしながら，酸化モリブデンを 3%，5%添加した材料にお図 5 リン酸ランタン処理した黒鉛粉末の TG 曲線

いては，入れた酸化モリブデンが摺動面における欠陥として作用し，その摩擦係数は高くなるとともに表面損傷が多くなることから，その摩擦係数は，変動が激しいものにな

4. 結言っていると考えられる．一方，600℃における摩擦係数は高温鍛造プロセスに必要な，高温固体潤滑材や自己潤滑

従来の窒化ケイ素は室温と同様に初期に低い摩擦係数を性を付与した窒化ケイ素セラミックス，及びその型材への示しているが，その後すぐに変動が大きくなっていること適合性についての検討を行い，以下の結果を得た．

が確認された．また，窒化ケイ素の場合，その変動が激し

1) 黒鉛粉末にリン酸ランタン処理を施すことにより，高いために，試験を中止した．一方，酸化モリブデンを添加

い酸化開始温度及び酸化終了温度を示すことを明らかにした場合，室温の場合と異なり，いずれの試料の摩擦係数した．

も安定していた．中でも，モリブデンを 5wt%添加した試2) モリブデンを 5wt%添加した窒化ケイ素は摩擦係数が摺料は摩擦係数が摺動試験初期から 0.35 程度で大きな変動

動試験初期から 0.35 程度で大きな変動もなく，安定したもなく，安定した値を維持し続けていることが確認された．

値を維持し続けていることが確認された．また強度は

これは，固体潤滑剤としての酸化モリブデンは室温よりも1000 メガパスカル程度と良好な特性を示した．

高温での固体潤滑性に優れていることに起因している．つ3) 上記セラミックスを使って鍛造型を作製し, パンチ径

まり室温ではモリブデンを 5wt%添加した場合，その固体23.5mm で鍛造した場合，A6061 材は非常になめらかな表面潤滑性が有効に発現されずに，入れたモリブデンの部分がを有した試料の作製が可能であった．一方,A390 材の場合，欠陥として働くのに対して，高温においては酸化モリブデ室温では鍛造が困難であった．

ンが有効に固体潤滑成分として働くとともに，有効に作用する酸化モリブデンの固体潤滑相が，摺動によって消費さこれらを通じて，高温鍛造プロセスの確立に不可欠と考えれた場合においても，内部に存在するモリブデンが再び酸た,自己潤滑セラミックスや高温固体潤滑材等の可能性を化され，新たな固体潤滑成分を表面に生成するため，その見出すことが出来た．

低摩擦性が維持されているものと考えられる．また強度は1000 メガパスカル程度と良好な特性を有していることを確認している．

謝辞

本研究は，平成 16 年度天田金属加工機械技術振興財団研究開発助成において実施いたしました．助成いただいた

3・3

Mo含有窒化ケイ素を型とした鍛造試験

同財団に対しまして，ここに謝意を表します．

図7に各試料の鍛造後の概観写真を示す．パンチ径19.5mm，膜厚4mmで鍛造した場合，どちらの試料において参考文献も無理なく鍛造可能であった．一方，パンチ径23.5mmで鍛

1)玉置賢次・片岡征二・後藤賢一・皆本綱輝：平成 17 年

造した場合，A6061材は非常になめらかな表面を有した試度塑性加工春季講演会予稿集,47-48(2005)料の作製が可能であった．しかし,A390材の場合，室温で2)片岡征二:プレス技術,28-32 (2004),42,13は鍛造が困難であった．

図7

鍛造前後の試料の概観写真