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カテゴリー液状トライボロジー

 

トライボメータによる紙やすりの磨耗性能

紙やすりの磨耗性能

トライボメータによる

作成者

DUANJIE LI, PhD

はじめに

紙や布の片面に砥粒を接着したものの粒子にはガーネット、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、ダイヤモンドなど、さまざまな研磨材が使用されます。サンドペーパーは、木材、金属、乾式壁などの特定の表面仕上げを行うためにさまざまな産業分野で広く応用されています。手や電動工具によって加えられる高圧の接触下で作業することが多くなります。

サンドペーパー摩耗性能の評価の重要性

サンドペーパーの効果は多くの場合、さまざまな条件下での摩耗性能によって決定されます。粒度、すなわちサンドペーパーに埋め込まれた研磨粒子の大きさが、研磨する材料の摩耗速度と傷の大きさを決定します。粒度の高いサンドペーパーは粒子が小さいため、研磨速度が遅くなり、表面の仕上がりも細かくなります。また、同じ粒度の紙でも材質が異なると、乾式と湿式で挙動が異なることがあります。製造されたサンドペーパーが意図された研磨挙動を持つことを確認するためには、信頼性の高いトライボロジー評価が必要である。このような評価により、異なる種類のサンドペーパーの摩耗挙動を制御・監視された状態で定量的に比較し、用途に応じた最適な候補を選択することができます。

高荷重空気圧式トライボメーター

測定目的

本研究では、ナノベーストライボメータが乾式および湿式の様々なサンドペーパーサンプルの摩耗性能を定量的に評価する能力を持つことを紹介します。

ナノビア

T2000

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試験方法

2 種類のサンドペーパーの摩擦係数 (COF) と摩耗性能を NANOVEA T100 トライボメーターで評価しました。相手材には 440 ステンレス鋼球を使用しました。 NANOVEA を使用して各摩耗テスト後にボールの摩耗傷跡を検査しました。 3D非接触オプティカルプロファイラー 正確な体積損失測定を保証します。

なお今回は440ステンレスボールを比較対象としていますが、他の固体材料で代用することで異なる適用条件を模擬することができます。

テスト結果および考察

図 1 は、サンドペーパー 1 と 2 の乾燥および湿潤環境下での COF の比較である。サンドペーパー1は、乾燥状態において、試験開始時に0.4のCOFを示し、その後徐々に減少して0.3に安定した。湿潤環境下では、このサンプルの平均COFは0.27と低い値を示している。一方，試料 2 の COF の結果は，ドライ COF が 0.27，ウェット COF が ~0.37 であった。 

なおすべてのCOFプロットのデータで振動が発生しているのは、ボールが粗いサンドペーパー表面を滑ることで発生する振動によるものです。

図1: 摩耗試験中のCOFの進化。

図2は、摩耗痕の解析結果をまとめたものです。摩耗痕は，光学顕微鏡とナノビア3D非接触光学式プロファイラを使用して測定しました。図3および図4は、サンドペーパー1および2（湿式および乾式）での摩耗試験後のSS440ボールの摩耗痕を比較したものです。図 4 に示すようにナノビア・オプティカルプロファイラは、4 つのボールの表面形状とそれぞれの摩耗痕を正確に捉え、それをナノビアマウンテン高度解析ソフトウェアで処理し体積損失と摩耗率を計算しました。ボールの顕微鏡画像とプロファイル画像から、サンドペーパー1（ドライ）テストに使用したボールは、体積損失が0.313で、他のボールに比べて大きな平坦な摩耗痕を示したことが観察されています。 ミリメートル3.一方、サンドペーパー1（ウェット）の体積損失は、0.131でした。 ミリメートル3.サンドペーパー2（乾燥）の体積損失は0.163でした。 ミリメートル3 サンドペーパー2（wet）では、体積損失が0.237に増加しました。 ミリメートル3.

さらに，COFがサンドペーパーの摩耗性能に重要な役割を担っていることも興味深い。サンドペーパー1は、乾燥状態で高いCOFを示し、テストに使用したSS440ボールに対して高い摩耗率をもたらしました。一方、サンドペーパー2は湿潤時のCOFが高く、より高い摩耗量となりました。測定後のサンドペーパーの摩耗痕を図5に示します。

サンドペーパー 1 と 2 は両方とも、乾燥環境でも湿潤環境でも機能すると主張しています。ただし、乾燥状態と湿潤状態では大幅に異なる摩耗性能を示しました。ナノベア トライボメータ 再現性のある摩耗評価を保証する、適切に制御された定量化可能で信頼性の高い摩耗評価機能を提供します。さらに、その場での COF 測定機能により、ユーザーは摩耗プロセスのさまざまな段階を COF の進化と関連付けることができます。これは、サンドペーパーの摩耗メカニズムとトライボロジー特性の基本的な理解を向上させるのに重要です。

図2: 異なる条件下でのボールの摩耗痕体積と平均COF

図3: テスト後のボールの装着痕。

図4: ボールの摩耗痕の3Dモルフォロジー。

図5: 異なる条件下でのサンドペーパーの摩耗痕。

まとめ

本研究では，同じ粒数の2種類のサンドペーパーについて，乾式および湿式条件下での摩耗性能を評価した。サンドペーパーの使用条件は，作業性能の効果に重要な役割を果たす。サンドペーパー1は乾燥状態での摩耗挙動が著しく優れており，サンドペーパー2は湿潤状態での摩耗挙動が優れていた。サンドペーパー作業時の摩擦は、研磨性能を評価する上で重要な要素である。NANOVEA Optical Profilerは、ボールの摩耗痕など、あらゆる表面の3次元形状を正確に測定することができ、本研究で使用したサンドペーパーの摩耗性能を確実に評価することができます。ナノベーストライボメータは、摩耗試験中にその場で摩擦係数を測定し、摩耗プロセスのさまざまな段階に関する知見を提供します。また、ISOとASTMに準拠した回転モードとリニアモードによる再現性の高い摩耗・摩擦試験が可能で、オプションで高温摩耗と潤滑のモジュールを1つの統合されたシステムで利用することもできます。この比類なき製品群により、高応力、摩耗、高温など、ボールベアリングのさまざまな過酷な使用環境をシミュレートすることができます。また、高荷重下での優れた耐摩耗材料のトライボロジー挙動を定量的に評価するための理想的なツールでもあります。

さて、次はアプリケーションについてです。

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ピストン磨耗試験

ピストン磨耗試験

トライボメーターの使用

作成者

フランク・リウ（FRANK LIU

はじめに

ディーゼルエンジンの燃料に含まれる全エネルギーのうち、摩擦損失は約10%を占める[1].摩擦損失の40-55%はパワーシリンダーシステムから生じている。この摩擦によるエネルギー損失は、パワーシリンダーシステムで発生するトライボロジー的相互作用をより良く理解することで減少させることができる。

パワーシリンダシステムにおける摩擦損失の大部分は、ピストンスカートとシリンダライナの接触に起因している。実際のエンジンでは、力、温度、速度が常に変化しているため、ピストンスカート、潤滑油、シリンダー界面の相互作用は非常に複雑です。最適なエンジン性能を得るためには、各要因を最適化することが重要です。本研究では、ピストンスカート-潤滑油-シリンダーライナー（P-L-C）界面における摩擦力と摩耗を引き起こすメカニズムを再現することに焦点を当てます。

 パワーシリンダーシステムとピストンスカート-潤滑剤-シリンダーライナーの界面の概略図。

[1] Bai, Dongfang.内燃機関のピストンスカート潤滑のモデリング。Diss.MIT, 2012

トライボメータによるピストン試験の重要性

モーターオイルは、その用途に応じて設計された潤滑油である。ベースオイルに加え、洗浄剤、分散剤、粘度向上剤（VI）、耐摩耗剤・耐摩擦剤、腐食防止剤などの添加剤を加えて性能を高めている。これらの添加剤は、さまざまな運転条件下でのオイルの挙動に影響を与える。オイルの挙動はP-L-C界面に影響を与え、金属と金属の接触による著しい摩耗が発生するか、流体力学的潤滑（摩耗が非常に少ない）が発生するかを決定する。

P-L-Cのインターフェースは、その領域を外部変数から切り離さないと理解することが難しい。実際の用途を代表するような条件でシミュレーションを行う方が現実的です。その ナノビア トライボメータ これには最適です。複数の力センサー、深さセンサー、滴下潤滑剤モジュール、および直線往復ステージを備えた、 ナノビア T2000は、エンジンブロック内で発生する事象を忠実に再現し、P-L-C界面をより深く理解するための貴重なデータを得ることができます。

NANOVEA T2000トライボメータに搭載された液状モジュール

この研究には、ドロップバイドロップモジュールが非常に重要です。ピストンは非常に速い速度で動くため（3000rpm以上）、サンプルを浸して潤滑油の薄い膜を作ることは困難です。この問題を解決するために、滴下式モジュールはピストンスカートの表面に一定量の潤滑油を安定して塗布することができます。

また、新しい潤滑油を使用することで、外れた摩耗粉が潤滑油の特性に影響を与える心配もありません。

高荷重空気圧式トライボメーター

NANOVEA T2000

高荷重トライボメータ

測定目的

本報告では，ピストンスカート-潤滑油-シリンダライナーの界面について検討する．この界面は、潤滑油の滴下による直線往復摩耗試験で再現される。

潤滑剤を室温と加温状態で塗布し、コールドスタートと最適な運転条件を比較する予定です。COFと摩耗率を観察し、実際の用途における界面の挙動をより深く理解します。

テストパラメーター

ピストンのトライボロジー試験用

LOAD 100 N

テスト期間 ............................30分

スピード ............................2000 rpm

アンプリチュード ............................10mm

トータルディスタンス 1200 m

スカートのコーティング ............................ポリグラファイト

ピン素材 ............................アルミニウム合金 5052

ピン径 ............................10mm

ルーブリック ............................モーターオイル (10W-30)

APPROX.フローレート ............................60 mL/min

温度 室温および90

直線往復運動の試験結果

今回の実験では、対向材としてA5052を使用しました。エンジンブロックは通常A356などの鋳造アルミニウムで作られていますが、A5052は今回の模擬実験ではA356と同様の機械的特性を有しています[2]。

試験条件下では、著しい摩耗が
室温でのピストンスカートの観察
は，90℃のときと比較してサンプルに見られる深い傷は、静止材料とピストンスカートの接触が試験中頻繁に起こっていることを示唆している。室温では粘度が高いため、オイルが界面の隙間を完全に埋めることができず、金属と金属が接触している可能性がある。高温になるとオイルは薄くなり、ピストンとピストンの間を流れるようになる。その結果、高温での摩耗が大幅に減少することが確認された。図5では、摩耗痕の片側がもう片側よりも著しく摩耗していることがわかる。これは、オイルの出口の位置によるものと思われる。潤滑油の膜厚が片方で厚くなり、偏摩耗が発生したのである。

 

 

[2] "5052アルミニウム対356.0アルミニウム".MakeItFrom.com, makeitfrom.com/compare/5052-O-Aluminum/A356.0-SG70B-A13560-Cast-Aluminum

直線往復運動のトライボロジー試験のCOFは、ハイパスとローパスに分けることができます。ハイパスとは、試料が正方向に動くこと、ローパスとは、試料が逆方向に動くことを指す。RTオイルの平均COFは、両方向とも0.1未満であることが確認された。パス間の平均COFは、0.072と0.080であった。90℃オイルの平均COFは、パス間で異なることが確認された。平均 COF 値は 0.167 と 0.09 が観測された。このCOFの差は、オイルがピンの片側しか適切に濡らすことができなかったことをさらに証明するものである。ピンとピストンスカートの間に厚い膜が形成され、流体力学的な潤滑が発生した場合、高いCOFが得られた。一方、混合潤滑が発生している場合は、COFが低くなることが確認された。動圧潤滑と混合潤滑の詳細については、アプリケーションノートをご覧ください。 ストリベックカーブ.

表1: ピストンの潤滑式摩耗試験結果。

図1: 常温油膜摩耗試験におけるCOFグラフ A生プロファイル Bハイパス Cローパス

図2: 90℃摩耗油テストのCOFグラフ A raw profile B high pass C low pass.

図3: RTモーターオイルの摩耗試験による摩耗痕の光学画像。

図4: RTモーターオイルの摩耗試験による摩耗痕の穴埋め解析の巻。

図5: RTモーターオイルの摩耗試験による摩耗痕のプロフィロメトリースキャン。

図6: 90℃モーターオイル摩耗試験による摩耗痕の光学像

図7: 90℃モーターオイル摩耗試験による摩耗痕の穴埋め解析のボリューム。

図8: 90℃のモーターオイル摩耗試験による摩耗痕のプロフィロメトリースキャン。

まとめ

ピストンでの潤滑直線往復運動摩耗試験を実施し，実機で発生する事象を模擬した。
実稼働しているエンジンピストンスカート-潤滑油-シリンダライナーの界面は、エンジンの運転に極めて重要な役割を担っています。ピストンスカートとシリンダーライナー間の摩擦や摩耗によるエネルギー損失は、この界面における潤滑油の厚みに起因している。エンジンを最適化するためには、ピストンスカートとシリンダーライナーを接触させることなく、できるだけ薄い膜厚にする必要がある。しかし、温度、速度、力の変化がP-L-C界面にどのような影響を与えるかが課題である。

NANOVEA T2000トライボメータは、幅広い荷重範囲（最大2000N）と回転数（最大15000rpm）を備えており、エンジン内で起こりうるさまざまな状況をシミュレートすることができます。将来的には、一定負荷、振動負荷、潤滑油温度、回転数、潤滑油の塗布方法などを変えた場合にP-L-Cインターフェースがどのような挙動を示すかを研究することも可能です。これらのパラメータは、NANOVEA T2000トライボメータで簡単に調整でき、ピストンスカート-潤滑油-シリンダライナーの界面のメカニズムについて完全に理解することができます。

さて、次はアプリケーションについてです。

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ピンオンディスク型トライボメータによるストリベックカーブの連続測定

はじめに

可動面の摩耗/摩擦を低減するために潤滑を施す場合、界面の潤滑接触は、境界潤滑、混合潤滑、流体力学的潤滑など、いくつかのレジームから移行することができます。このとき、流体膜の厚さが大きな役割を果たしますが、これは主に流体粘度、界面に加わる荷重、2つの面の相対速度によって決まります。潤滑体制がどのように摩擦に反応するかは、Stribeck [1-4]曲線と呼ばれるもので示されます。

この研究では、連続的なストライベック曲線を測定できることを初めて実証しました。ナノベアを使用する トライボメータ 15000 rpm から 0.01 rpm までの高度な無段階速度制御により、10 分以内にソフトウェアが完全なストライベック曲線を直接提供します。シンプルな初期設定では、従来のストライベック曲線測定でデータをつなぎ合わせる必要があった複数のテストを実行したり、さまざまな速度で段階的な手順をプログラムしたりする必要がなく、指数関数的ランプ モードを選択し、初期速度と最終速度を入力するだけで済みます。この進歩により、潤滑剤レジーム評価全体にわたって正確なデータが提供され、時間とコストが大幅に削減されます。このテストは、さまざまな産業工学用途で使用できる大きな可能性を示しています。

 

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ナノビアトライボメータT50による潤滑目薬の比較検討

点眼薬テストの重要性

目薬は、さまざまな目の疾患によって引き起こされる症状を緩和するために使用されます。例えば、軽い目の炎症（乾燥や充血など）の治療、緑内障の発症を遅らせること、感染症の治療などに使用されます。市販の目薬は、主に乾燥の治療に使用されます。目の潤滑に対する効果は、摩擦係数試験で比較・測定することができます。
 
ドライアイは、コンピュータによる眼精疲労や厳しい天候の屋外での活動など、さまざまな要因で引き起こされることがあります。優れた潤滑性のある目薬は、目の外側の表面の水分を維持し補うのを助けます。これにより、ドライアイに伴う不快感、ほてり、炎症、充血を緩和することができます。目薬の摩擦係数（COF）を測定することで、その潤滑効果や他の点眼剤との比較を行うことができます。

測定目的

本研究では，Nanovea T50トライボメーターのピンオンディスク装置を用いて，3種類の目薬用潤滑液の摩擦係数（COF）を測定した．

試験方法と手順

直径6mmのアルミナ製球状ピンをスライドグラスに貼り付け、各目薬液を両表面間の潤滑油として作用させた。すべての実験に使用した試験パラメータは、以下の表1にまとめた。

結果および考察

試験した3種類の点眼液の摩擦係数の最大値、最小値、平均値を以下の表2に示す。また、各目薬のCOF v. Revolutionsグラフを図2〜4に示す。各試験におけるCOFは、全試験時間のほとんどにおいて、比較的一定であった。サンプルAは、最も低い平均COFを示し、最も優れた潤滑特性を有していることが示された。

 

結論

本研究では、Nanovea T50トライボメーターを用いて、3種類の点眼液の摩擦係数を測定し、その機能を紹介します。その結果、サンプルAは他の2つのサンプルと比較して、摩擦係数が低く、潤滑性に優れていることがわかりました。

ナノベーア トライボメータ は、ISO および ASTM に準拠した回転モジュールおよび直線モジュールを使用して、正確で再現性のある摩耗および摩擦試験を提供します。また、オプションの高温摩耗、潤滑、摩擦腐食モジュールも 1 つの事前統合システムで利用できます。このような多用途性により、ユーザーは実際のアプリケーション環境をより適切にシミュレートし、さまざまな材料の摩耗メカニズムやトライボロジー特性の基本的な理解を向上させることができます。

さて、次はアプリケーションについてです。

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トライボメータによるブラシ毛の硬さ性能の評価

ブラシは、世界で最も基本的で広く使われている道具の一つです。歯ブラシ、考古学用ブラシ、ベンチグラインダーブラシ）、材料を塗る（絵筆、化粧ブラシ、金箔ブラシ）、フィラメントを梳く、模様を付けるなどの用途に使われます。ブラシには機械的な力や研磨力がかかるため、適度に使用した後は常に交換が必要です。例えば、歯ブラシのヘッドは、繰り返し使用することでほつれが生じるため、3～4カ月ごとに交換する必要があります。歯ブラシの繊維のフィラメントを硬くしすぎると、柔らかい歯垢ではなく、実際の歯をすり減らしてしまう危険性があります。歯ブラシの繊維を柔らかくしすぎると、ブラシの形が崩れるのが早くなります。ブラシの曲がりの変化や、さまざまな荷重条件下でのフィラメントの摩耗や全体的な形状の変化を理解することは、より用途に合ったブラシを設計するために必要なことです。

トライボメータによるブラシ毛の硬さ性能の評価

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