機械産業におけるナノダイヤモンド

(1) ナノダイヤモンドパウダー複合コーティング

ナノダイヤモンド複合コーティング技術は、製品製造における重要な技術のひとつである。 表面コーティングは、組成と組織を制御した保護膜を提供し、製品の耐用年数と信頼性を大幅に向上させる。 例えば、過酷な環境で使用される海洋プラットフォーム、大規模な露天掘り鉱山、冶金および石油化学生産設備に長期間の複合材保護を使用すると、5~10年の使用で内部錆が発生することがある。機械産業で広く使用されている工具、金型、ポンプ、軸、およびバルブは、表面強化後に耐用年数を3~5倍に延ばすことができる。

ナノダイヤモンド複合コーティング技術は、品質、効率、エネルギーと材料の節約、環境保護、経済効率に効果的なツールです。 統計によると、機械製造に使用されるエネルギーの約1/3が直接または間接的に消耗によって消費され、世界の鉄鋼生産量の1/10が錆などの腐食によって消費されている。 イギリスやアメリカでの調査によると、国民経済の総生産の2％から4％が腐食によって失われており、中国での腐食による損失は少なくとも年間400億元に上る。 中国27省・市の機械工業企業約400社を対象にした調査によると、腐食による年間損失は116億元に上る。 世界の金属腐食の年間損失は約1500億ドル、国内の年間損失は1500億人民元であり、金属メッキはこの技術的問題を解決する方法の一つである。

近年、複合コーティングの高硬度と耐食性のためにダイヤモンド粉末を使用することへの関心が高まっている。 しかし、ダイヤモンド粉末の粒子は一般的にミクロンまたはサブミクロンと粗いため、精密機器、高い表面仕上げ、微細加工、高い耐摩耗性などの要求を満たすコーティングを得ることは難しい。 ナノダイヤモンド粉末製造技術の急速な発展、特に2～12nmのダイヤモンド粉末の出現により、複合コーティングの形成にナノダイヤモンド粉末を使用することは、この欠点を補うものと期待されている。 エレクトロブラッシング技術は、電気メッキ技術をベースに近年開発された新しい表面改質技術であり、他の技術では解決が困難な機械部品補修の問題を解決することができる。 中国科学院蘭州化学物理研究所の固体潤滑開放研究室は、蘭州大学材料学部と共同で、ナノダイヤモンド粉末を含む複合ニッケルブラシコーティングのトライボロジー特性を調査した。 その結果、このコーティングは優れた摩擦・摩耗低減特性を有し、試験範囲内でナノダイヤモンド粉末の黒色粉末含有量が増加するにつれて摩擦・摩耗低減特性が向上することがわかった。

効果的な保護により、腐食による損失を少なくとも15～35％、摩耗による損失を約1/3に減らすことができる。 さらに、表面コーティングが薄いため、表面コーティングや表面改質は非常に少ない材料で実施できることが多く、耐食性や耐摩耗性を大幅に向上させることが可能で、貴重な材料の節約や製造コストの削減という点で、明らかな経済的メリットがある。 例えば、磨耗した金型、クランクシャフト、ガイドレール、シリンダーライナー、ハウジング、シャフト、ベアリングシート、バケットの歯、ライニングプレート、および無限軌道車両部品の通常のメンテナンスは、ブラシメッキ技術を使って実施され、大きな経済的利益をもたらしている。

ナノダイヤモンド粉末を添加した複合クロムメッキ層のトライボロジー特性を調べたところ、複合メッキ層にナノダイヤモンド粉末を添加することで、均質で緻密な複合メッキ層が得られることがわかった。 ナノダイヤモンド粉末の添加により、メッキ層の粒径が微細化され、無差別に補強されるため、複合クロムメッキ層の硬度が向上する。 油潤滑条件下では、ナノダイヤモンド粉末の添加はメッキ層の耐摩耗性を著しく向上させ、純クロムメッキの12倍である27μmの層厚で最も効果的であった。

ナノ複合メッキは、ナノダイヤモンド粉末の不溶性固体粒子をメッキ液に添加して均一な懸濁液を形成し、固体粒子を金属イオンと共析させて複合層を得るメッキ技術である。 懸濁技術を使用してナノ粒子を分散させることにより、高い耐摩耗性や摩擦低減などの優れた特性を持つナノダイヤモンド粉末の複合層が得られる。 ナノダイヤモンド複合層の硬度はHV700～1100に達し、Cr15、通常のニッケルメッキ、ミクロンダイヤモンド複合層よりも耐摩耗性に優れている。 摩擦係数は通常のコーティングの3分の1しかない。 独自の自己潤滑効果により、摩耗寿命は2～5倍に延びる。 クロムメッキやニッケルメッキに代わって、様々な産業の精密摩耗部品の表面処理に広く使用されています。 適用結果は表1～3を参照

表1 ナノスケールダイヤモンド粉末を含むクロムメッキドリルビットの実験結果

 表2 クロムダイヤモンドコーティングプレス金型の実験結果

窒化、浸炭、クロムメッキ、特殊鋼を使用した工具と比較した相対的寿命。

表3 クロムダイヤモンドコーティングスタンピングツール 、（ネガダイ、ポジダイ）

プレートスタンピングの実験結果