トライボロジー試験 · リニアモジュール

往復動摩耗試験

往復動摩耗試験は、荷重をかけたボール、ピン、または平板を一定のストロークに沿って試料上で往復させ、摩擦力を連続的に記録したうえで、試験後に摩耗痕を定量化します。ピストンリング、シール、スライド、電気コネクター、人工関節インプラントに見られる振動的な接触を再現でき、ASTM G133で規定された構成です。

NANOVEA T50トライボメーターに取り付けた往復動摩耗モジュール

概要

運動
最大25 mmの調整可能なストロークでの往復すべり。5 mm以下のストロークでは最大60 Hz。ジグザグ状のトラックパターンも可能。
接触
平らな試料に対するボール、ピン、または平板の相手材。円筒形の試料も、ストロークに沿った平らな部分があれば使用可能。
摩擦
連続的に記録。16ビットの外部位置エンコーダーにより、各ストロークでの位置と摩擦の測定値を対応付け。
その場センサー
深さ、アコースティックエミッション、電気接触抵抗。
摩耗の定量
3D非接触プロファイロメトリーによる摩耗痕の体積と比摩耗量。T2000に統合するか、単体のNANOVEAプロファイロメーターで測定。
環境
-150 °C(極低温)〜900 °C、150 °Cまでの加熱液体、湿度制御、不活性ガス、トライボコロージョン。

往復動試験でわかること

この試験は、定めた接触条件のもとで材料の組み合わせについて2つの問いに答えます。すべりにどれだけ抵抗するか(摩擦係数:摩擦力と垂直荷重の比)と、どれだけ速く摩耗するか(比摩耗量)です。相手材が同じ痕の上を何度も通過するため、なじみ、定常状態、そしてコーティングの貫通開始や摩耗メカニズムの変化を通じて、両方の特性がどう変化するかもわかります。

この試験で答えられる典型的な問い:

  • ある相手面に対して、どのコーティング、表面処理、高分子が最も長持ちするか?
  • コーティングはいつ破壊し、その瞬間に摩擦はどうなるか?
  • 潤滑剤、温度、湿度は摩擦と摩耗をどう変えるか?
  • 生産ロットは認定済みの基準品と同じ性能を示すか?

試験の流れ

  1. 試料を往復ステージに固定します。相手材(ボール、ピン、平板)はその上のホルダーに取り付けます。
  2. 制御された垂直荷重を加えます。T50では自重で、T200とT2000では制御されたニューマチック式荷重で加えます。
  3. ステージが選んだストローク長と速度で試料を往復させ、設定したサイクル数またはすべり距離まで続けます。
  4. 摩擦力を試験中ずっと記録し、摩擦係数に換算します。深さ、アコースティックエミッション、電気接触抵抗も同時に記録できます。
  5. 試験後、摩耗痕(および相手材の摩耗痕)を3Dで測定し、摩耗体積と摩耗率を求めます。
ボールオンフラット往復動試験の模式図 左:垂直荷重を受けたボールが平らな試料上をストロークに沿って往復し、摩耗痕を残す。右:摩擦力はストロークの反転ごとに符号が変わり、2サイクルで矩形状の波形になる。 試料(平板) 摩耗痕 垂直荷重 Fₙ ストローク 時間 摩擦力 往路 復路
模式図(測定データではありません):ストロークの両端で、すべり方向とともに摩擦の符号が反転します。

往復運動で試験する理由

実際の接触の多くは回転せず、振動しています。ロッド上のシール、挿入時や振動下のコネクターピン、ガイド上のスライド、歩行中に関節運動するインプラントなどです。往復運動は、摩耗にとって重要な点で一方向すべりと異なります。

  • 反転のたびにすべり速度がゼロを通過するため、ストロークの両端で潤滑・摩擦の状態が一時的に変わります。
  • 半サイクルごとに摩擦の向きが反転するため、コーティングや界面に交番せん断がかかります。
  • 摩耗粉が痕内に残りやすく、第三体として働きます。組み合わせによってはアブレシブに、別の組み合わせでは保護的に作用します。

こうした違いのため、同じ材料の組み合わせでも往復試験と回転試験で摩擦や摩耗率が異なり、材料の順位が入れ替わることさえあります。正しい選択は、用途に合った運動です。NANOVEAのトライボメーターは同じプラットフォームで両方を実行でき、回転試験と往復試験の比較研究はまさにこの問題を扱っています。

平均値だけでなく、ストローク全体の摩擦

サイクルごとの平均摩擦係数だけでは、重要な点が隠れることがあります。統合された16ビットの外部位置エンコーダーにより、各摩擦測定値が痕上の位置と対応付けられるため、任意の往復についてストロークに沿った摩擦をプロットできます。これにより次のことがわかります。

  • 欠陥、コーティングの薄化、摩耗粉の蓄積による局所的な高摩擦域
  • ストローク反転時の摩擦ピーク
  • スティックスリップ挙動
  • コーティングが貫通した往復回数と、その痕上の位置

アコースティックエミッションや深さの信号と組み合わせれば、位置分解データにより、1点で起きた事象と痕全体の緩やかな変化を区別できます。

摩耗痕から摩耗率へ

摩耗は、ASTM G133やG99などの規格が基準とする摩耗体積で報告します。体積を荷重とすべり距離で正規化すると比摩耗量になります。

K = V / (F × s) = A / (F × n)

ここでVは摩耗体積、Fは垂直荷重、sは総すべり距離、Aは摩耗痕の断面積、nはストローク数です。Kは通常mm³/(N·m)で表します。

NANOVEAは、白色光共焦点(クロマティック)方式の3D非接触プロファイロメトリーで摩耗痕を測定します。透明面や高反射面を含め、金属、セラミックス、高分子、コーティングに対応します。T2000ではプロファイラーをトライボメーターに統合できるため、試料を取り外さずに痕を測定できます。それ以外の場合は単体のNANOVEAプロファイロメーターで測定します。3Dマップから摩耗体積、痕の深さと幅、縁の盛り上がりが得られ、摩耗メカニズムの特定に役立つ痕の形態もわかります。

フレッティング:小振幅の往復すべり

フレッティングは、本来固定されている部品がごくわずかな相対運動を受ける箇所で起こります。ボルト・ピン締結部、圧入部、電気接点、振動を受ける軸受座などです。接触部で凝着、二元アブレシブ摩耗、疲労が組み合わさり、振幅、周波数、温度に非常に敏感です。

リニアモジュールは、荷重、速度、温度を制御した短ストロークの往復試験でフレッティングを再現します。NANOVEAのSS304ステンレス鋼のフレッティング研究では、往復速度を100から1000 rpmに上げると摩耗率がほぼ9倍になり、200 °Cでの試験ではさらに上昇しました。このような感度の高さが、フレッティングを使用時に近い条件で評価すべき理由です。

試験条件の選び方

試験条件が用途に近い場合にのみ、結果は材料を意味のある形で順位付けします。主な選択項目は次のとおりです。

  • 相手材の材質とサイズ。 可能であれば実際の相手面の材料を選びます。ボール径は、ある荷重での初期接触圧力を決めます。
  • 垂直荷重と接触圧力。 接触応力の状態を決めます。T50は最大60 Nの自重を加え、T200(最大200 N)とT2000(最大2000 N)はニューマチック式で荷重を制御します。
  • ストローク長と速度。 すべり速度と、各サイクルで反転付近に費やす割合を決めます。ストロークは最大25 mm、周波数は5 mm以下のストロークで最大60 Hzです。短いストロークはフレッティング条件に近づきます。
  • 試験時間。 なじみを過ぎて定常摩耗に達するまで、またはコーティングの貫通など定めた破壊が起こるまで続けます。
  • 環境。 温度、潤滑剤、湿度、電解液は、荷重以上に摩擦と摩耗を変えることが多いため、重要な場合は使用条件に合わせます。

ASTM G133などの規格はこれらの条件を固定し、試験機関の間で結果を比較できるようにしています。特定の製品を再現するには、独自の条件のほうが適しています。各条件を繰り返すことでばらつきがわかり、材料間の差が本物かどうかを判断できます。

規格

規格適用範囲
ASTM G133ボールオンフラットの往復すべり摩耗

このモジュールの基準となる方法:ボールオンフラット形状で、摩耗をボールと平板の体積損失として報告。

ASTM F732人工関節に使用される高分子材料の摩耗試験

インプラント用高分子のピンオンフラット往復摩耗。通常は液体中で実施。

ASTM G171ダイヤモンド圧子による材料のスクラッチ硬さ

ダイヤモンド圧子による1回の直線走査。スクラッチ硬さは残留スクラッチ幅から算出。

ASTM G132ピンアブレシブ試験

重ならない経路に沿って新しい研磨材上をすべるピンの二元アブレシブ摩耗。

装置のパラメータ範囲は、各規格で規定された範囲と異なる場合があります。どの構成でどのパラメータに対応できるかはお問い合わせください。

試験環境

この試験に対応する装置

すべての装置は受注生産です。サンプルをお送りいただければ、まず当社ラボで試験を行い、その結果に合わせて装置を構成します。

公開済みの結果

自社ラボで、自社で設計・製造した装置を使って測定し、すべての試験条件とともに公開しています。

トライボロジーのアプリケーションノート一覧 →

第三者による発表論文

世界中の大学や企業の研究者による往復動すべり摩耗に関する27件の論文で、NANOVEAの装置が使われています。

全27件の論文 →

NANOVEA材料試験ラボ

トライボメーターをまだお持ちでないですか?試料をお送りください。

当アプリケーションラボでは、自社で製造する装置で往復動、回転、ブロックオンリング、環境制御の各試験を行い、摩擦、摩耗痕プロファイル、摩耗率をすべての試験条件とともに報告します。

装置を設計する技術者がサンプルを試験するため、測定値だけでなく試験方法についてのアドバイスも得られます。

摩擦・摩耗の受託試験

よくある質問

往復動摩耗試験とは何ですか?

荷重をかけた相手材(通常はボール、場合によりピンや平板)を、平らな試料上で一定のストロークに沿って往復させるトライボロジー試験です。すべり中に摩擦力を記録し、試験後に試料と相手材の摩耗を、通常は摩耗体積として測定します。ボールオンフラット方式ではASTM G133が最も広く使われる規格です。

往復動試験はピンオンディスクとどう違いますか?

ピンオンディスク(ASTM G99)では試料が回転するため、相手材は常に一方向に一定速度ですべります。往復試験ではストロークの両端で運動が反転し、すべり速度がゼロを通過し、摩擦の向きが変わり、摩耗粉が痕内に残りやすくなります。そのため、往復試験は振動的な接触の再現に、ピンオンディスクは連続すべりの再現に適しています。両者で材料の順位が変わることがあるため、試験は使用時の運動に合わせるべきです。

摩耗率はどのように計算しますか?

比摩耗量はK = V / (F × s)で、Vは摩耗体積、Fは垂直荷重、sは総すべり距離です。通常mm³/(N·m)で表します。断面が一定の往復摩耗痕では、K = A / (F × n)に簡略化されます。Aは摩耗痕の断面積、nはストローク数です。NANOVEAは摩耗痕の3D非接触プロファイロメトリーでVまたはAを測定します。

なぜ質量損失ではなくプロファイロメトリーで摩耗を測定するのですか?

硬質コーティングなど摩耗の少ない材料は、天秤で確実に分解できるほど質量が減らず、高分子は吸湿して秤量が狂うことがあります。摩耗痕の3Dプロファイルなら、摩耗体積を直接求められるうえ、痕の深さ、幅、形態もわかります。

ストロークの特定の位置で摩擦を解析できますか?

はい。16ビットの外部位置エンコーダーが各摩擦測定値の位置を記録するため、任意の往復の任意の位置での摩擦を表示できます。痕に沿った摩擦の変化、ストローク反転時の摩擦、試験の進行に伴う変化がわかり、単一の平均値では見えない情報が得られます。

リニアモジュールはフレッティング試験に使えますか?

はい。フレッティングは、振動を受ける継手や圧入部に見られる小振幅の往復すべりです。NANOVEAが公開したSS304のフレッティング研究では、往復速度を100から1000 rpmに上げると摩耗率がほぼ9倍に上昇し、200 °Cではさらに上昇しました。

どのような試料形状と相手材を使えますか?

あらゆる材料の平らな試料のほか、すべり方向に十分な長さの平らな部分があれば円筒形などの形状も使えます。標準の相手材は3、6、10、25 mmのボール、ピン、平板で、材質は鋼、WC、セラミックス、ダイヤモンド、ゴムなどです。実際の接触に合わせてカスタム形状を取り付けることもできます。

往復試験は高温、低温、潤滑下、腐食環境で行えますか?

はい、環境モジュールで対応します。900 °Cまでの炉、-40 °Cまでの冷却または-150 °Cまでの極低温アダプター、150 °Cまでの加熱液体カップまたは滴下潤滑、湿度・不活性ガス制御、往復試験で最大40 Nのトライボコロージョンセルがあります。

NANOVEAは往復動試験を受託していますか?

はい。NANOVEAのラボでは、お客様の試料について、規格または独自の条件での往復動試験を含む摩擦・摩耗試験を行い、摩擦曲線、摩耗痕プロファイル、摩耗率を報告します。