岩石トライボロジー：ナノベアトライボメータを用いた岩石の摩耗性試験

作成者

DUANJIE LI, PhD

測定目的

この研究では、2種類の岩石のトライボロジー特性をシミュレートし、比較した。 NANOVEA T50 トライボメータ 制御および監視された方法で岩石の摩擦係数と摩耗率を測定します。

ナノビア T50コンパクト
フリーウエイト・トライボメータ

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THE SAMPLES

結果・考察

図 1 では、NANOVEA 機械試験機のマイクロ インデンテーション モジュールを使用して、石灰石と大理石のサンプルの硬度 (H) と弾性率 (E) を比較しています。石灰岩サンプルは、H 値 1.07、E 値 49.6 GPa を記録した大理石とは対照的に、H 値と E 値が低く、それぞれ 0.53 GPa と 25.9 GPa でした。石灰岩サンプルは、粒状で多孔質な特性に起因する表面の不均一性が大きいことが原因と考えられます。

2 つの岩石サンプルの摩耗試験中の COF の変化を図 2 に示します。石灰石では、摩耗試験の開始時に COF が約 0.8 まで急速に増加し、試験期間中この値が維持されます。この COF の急激な変化は、摩耗痕跡内の接触面で起こる急速な摩耗と粗化プロセスに起因する、Al2O3 ボールの岩石サンプルへの侵入に起因すると考えられます。対照的に、大理石サンプルは、約 5 メートルの滑走距離後に COF がより高い値に顕著に増加しており、石灰石と比較した場合にその優れた耐摩耗性を示しています。

図1: 石灰岩と大理石の硬度とヤング率の比較。.

図2: 摩耗試験中の石灰石および大理石サンプルの摩擦係数 (COF) の変化。

図 3 は摩耗試験後の石灰石と大理石のサンプルの断面プロファイルを比較し、表 1 は摩耗跡分析の結果をまとめています。図 4 は、光学顕微鏡で観察したサンプルの摩耗跡を示しています。摩耗軌跡の評価は COF の変化の観察と一致しています。大理石のサンプルは、長期間にわたって低い COF を維持し、石灰石の 0.0353 mm3/N m と比較して、0.0046 mm3/N m という低い摩耗率を示します。大理石の優れた機械的特性により、石灰石よりも優れた耐摩耗性が得られます。

図3: 摩耗痕跡の断面プロファイル。

表1: 摩耗跡解析の結果概要。

図4: 光学顕微鏡による摩耗痕の観察

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工業用コーティング

トライボメータによる傷や摩耗の評価

作成者

DUANJIE LI, PhD & ANDREA HERRMANN

測定目的

この研究では、NANOVEA を紹介します。 トライボメータ と メカニカルテスター 工業用コーティングの評価と品質管理に最適です。

トップコートの異なるアクリルウレタン床用塗料の摩耗プロセスをナノビアトライボメータを用いて制御・監視しながらシミュレートしています。マイクロスクラッチ試験により、塗膜の凝集破壊や接着破壊を引き起こすのに必要な荷重を測定します。

ナノビア T100

コンパクトな空気圧式トライボメータ

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ナノビア PB1000

大型プラットフォーム・メカニカルテスター

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試験方法

この研究では，耐久性を向上させる目的で，同じ下塗り剤（ベースコート）と同じ処方の上塗り剤を持つ市販の4つの水性アクリル床用塗料を評価しました。これらの4つの塗料は，試料A，B，C，Dとします。

図1: 塗料サンプルの3Dモルフォロジーとラフネス

図2: ピンオンディスクテスト時のCOF

図3: 塗料の違いによる摩耗速度の変化

図4: ピンオンディスク試験中の摩耗痕の推移

スクラッチテスト結果

図5は例としてサンプルAのスクラッチ長さの関数として法線力、摩擦力、真の深さをプロットしたものです。オプションのアコースティックエミッションモジュールを取り付けることで、より詳細な情報を得ることができます。法線荷重が直線的に増加するにつれて、圧痕の先端は徐々に試験サンプルに沈み込み、真の深さが徐々に増加することが反映されています。摩擦力と真の深さの曲線の傾きの変化は、コーティングの破壊が起こり始めることを示唆するものの一つとして使用することができます。

図5: 試料Aのスクラッチ試験における法線力，摩擦力および真の深さのスクラッチ長さ依存性。 試料Aの最大荷重5Nのスクラッチ試験における法線力，摩擦力，真深さの関数。

図6と図7は、それぞれ最大荷重5Nと35Nで試験した4つの塗料サンプルのフルスクラッチを示しています。サンプルDは、プライマーを剥離させるために50Nという高い荷重を必要としました。最終荷重5 Nのスクラッチ試験（図6）は上塗り塗料の凝集／接着破壊を評価し、35 Nのもの（図7）はプライマーの剥離を評価しています。顕微鏡写真中の矢印は、上塗り塗料または下塗り塗料がプライマーまたは下地から完全に剥離し始める時点を示しています。この時の荷重、いわゆる臨界荷重Lcは、表1にまとめたように、塗料の凝集性や接着性を比較するために使用されます。

 

塗料サンプルDが最も界面密着性が高く、塗料剥離で4.04N、プライマー剥離で36.61Nという最高のLc値を示していることがわかります。サンプルBは2番目に優れた耐傷性を示しています。スクラッチ分析から、塗料の配合の最適化が、アクリル系床用塗料の機械的挙動、より具体的には耐スクラッチ性と接着性に重要であることが示された。

表1: 重要な負荷のまとめ

図6: 最大荷重5Nのフルスクラッチの顕微鏡写真

図7: 最大荷重35Nのフルスクラッチの顕微鏡写真

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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

測定目的

本研究では、NANOVEA T2000高負荷空気式トライボメーターが、各種サンドペーパー試料の乾式および湿式条件下における摩耗性能を定量的に評価する能力を実証する。.

ナノビア T2000 高負荷
空気圧式トライボメーター

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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。

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ガラスコート湿度

トライボメータによる摩耗試験

作成者

DUANJIE LI博士号取得

測定目的

この研究で、私たちは以下のことを示しました。 ナノビア 湿度コントローラを搭載したT100トライボメータは、異なる湿度環境におけるセルフクリーニングガラスコーティングの耐摩耗性を調査するための理想的なツールです。

ナノビア

T100

ソーダライムガラスの顕微鏡スライドに、2種類の処理レシピでセルフクリーンガラスコーティングを施した。この2つのコーティングは、コーティング1およびコーティング2として識別されます。比較のため、コーティングされていない裸のスライドガラスもテストされています。

ナノビア トライボメータ 湿度制御モジュールを備えたシステムは、セルフクリーンガラスコーティングの摩擦係数、COF、耐摩耗性などのトライボロジー挙動を評価するために使用されました。 WC ボールチップ (直径 6 mm) を試験サンプルに当てました。 COF はその場で記録されました。トライボチャンバーに取り付けられた湿度コントローラーは、相対湿度 (RH) 値を ±1 % の範囲で正確に制御しました。摩耗試験後、摩耗痕の形態を光学顕微鏡で検査しました。

最大荷重 40 mN

コーティングされたガラスとコーティングされていないガラスで、異なる湿度条件でのピンオンディスク摩耗試験を行いました
の試料を用いた。に示すように，摩耗試験中にCOFをその場で記録した。 図1 で、平均COFは以下のようにまとめられている。 図2. 図4 は、摩耗試験後の摩耗痕を比較します。

に示すように 図130% RHでは，非コーティングガラスのCOFが0.45と高く，300回転の摩耗試験終了時には0.6まで上昇する．これに対し
コーティングされたガラス試料 Coating 1 と Coating 2 は，試験開始時に 0.2 を下回る低い COF を示している。また、COF
のCOFは0.25で安定するが、Coating 1は0.25で急激に増加する。
~250回転でCOFは~0.5となる。60% RHで摩耗試験を実施すると
非コーティングのガラスは、摩耗試験中、依然として0.45程度の高いCOFを示した。コーティング 1 と 2 は、それぞれ 0.27 と 0.22 の COF 値を示しました。90% RHでは、非コーティングガラスは摩耗試験終了時に〜0.5という高いCOFを有しています。コーティング1と2は，摩耗試験開始時に同程度のCOF（〜0.1）を示している。コーティング1は比較的安定したCOF〜0.15を維持している。しかし、コーティング2は、約100回転で破損し、その後、摩耗試験終了時にCOFが約0.5まで大幅に増加しました。

セルフクリーンガラスコーティングの低摩擦は、表面エネルギーの低さに起因しています。非常に高い静電気を発生させる
の水接触角と低いロールオフ角を持つ。の顕微鏡で示すように、90% RHのコーティング表面に小さな水滴を形成することになる。 図3.また、RH値が30%から90%に上昇すると、Coating 2の平均COFは〜0.23から〜0.15に減少した。

図1: 相対湿度を変化させた場合のピンオンディスク試験時の摩擦係数。

図2: 相対湿度を変化させた場合のピンオンディスクテストにおける平均COF。

図3: コーティングされたガラス表面に小さな水滴が形成される。

図4 は，異なる湿度での摩耗試験後のガラス表面の摩耗痕を比較したものである。コーティング1は，30%と60%のRHで摩耗試験を行った後，軽度の摩耗の兆候を示している。90%のRHでは大きな摩耗痕が見られ，摩耗試験中のCOFの大幅な上昇と一致している。コーティング2は，乾湿両環境での摩耗試験でほとんど摩耗が見られず，また，異なる湿度での摩耗試験で一定の低いCOFを示した。優れたトライボロジー特性と低い表面エネルギーの組み合わせにより、Coating 2は過酷な環境下でのセルフクリーニングガラスコーティング用途に適していることが分かります。一方、コーティングされていないガラスは、異なる湿度環境下でより大きな摩耗痕とより高いCOFを示し、セルフクリーニングコーティング技術の必要性を示している。

図4: 相対湿度を変化させたピンオンディスク試験後の摩耗痕（200倍拡大）。

まとめ

ナノビア T100トライボメータは、異なる湿度環境下でのセルフクリーニングガラスコーティングの評価と品質管理に最適なツールです。また、COF をその場で測定できるため、摩耗の様々な段階と COF の変化を関連付けることができ、ガラス被膜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深める上で非常に重要である。異なる湿度環境で試験したセルフクリーニングガラスコーティングの包括的なトライボロジー分析に基づき、コーティング2は乾燥および湿潤環境の両方で一定の低いCOFと優れた耐摩耗性を有することを示し、異なる天候にさらされるセルフクリーニングガラスコーティング用途に適した候補であることが分かった。

ナノビア トライボメータは、ISOやASTMに準拠した回転・直動モードによる精密で再現性の高い摩耗・摩擦試験と、オプションで高温摩耗・潤滑・トライボコロージョンを1つのシステムに統合して提供します。オプションの3D非接触プロファイラを使用すれば、高精度な摩擦試験も可能です。
粗さなどの他の表面測定に加えて、摩耗痕の分解能の高い3Dイメージングを行います。 

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その場磨耗測定 高温時

トライボメータを用いた

作成者

Duanjie Li, PhD

測定目的

本研究では、高温下における材料の摩耗過程の変化をその場で観察できるNANOVEA T50トライボメーターの能力を紹介したいと思います。

アルミナシリケートセラミックスの異なる温度での摩耗過程を、制御・監視しながらシミュレートしています。

ナノビア

T50

テストパラメーター

ピンオンディスク測定の

図1. 各温度におけるピンオンディスク試験時の摩擦係数

図2. アルミナシリケートセラミック板の各温度における摩耗痕深さの変化

を用いて、アルミナシリケートセラミック板の各温度における平均摩耗量と摩耗痕深さを測定した。 ナノビア にまとめたオプティカルプロファイラー。 図3.摩耗痕の深さは、LVDTを用いて記録したものと一致している。アルミナシリケートセラミックプレートは、400℃以下の温度では0.2mm3/N以下の摩耗率であるのに対し、800℃では〜0.5mm3/Nと大幅に増加した。アルミナシリケートセラミックプレートは、短時間の加熱処理では機械的/トライボロジー的特性が著しく向上せず、熱処理前と後で同等の摩耗率を有していることがわかった。

アルミナシリケートセラミックは、溶岩や不思議石とも呼ばれ、加熱処理前は軟らかく、機械加工が可能です。1093℃までの高温で長時間焼成することで、硬度と強度が大幅に向上し、その後、ダイヤモンド加工が必要となります。このようなユニークな特性を持つアルミナシリケートセラミックは、彫刻に最適な素材といえます。

本研究では、焼成に必要な温度よりも低い温度で短時間の熱処理（800℃ vs 1093℃）を行っても、アルミナシリケートセラミックスの機械的およびトライボロジー特性が向上しないことを示し、この材料にとって、実際の用途に使用する前の適切な焼成が不可欠なプロセスであることを示した。

 

図3. 各温度における試料の摩耗量と摩耗痕深さ

ナノベーストライボメータは、ISO および ASTM に準拠した回転モードとリニアモードによる精密で再現性の高い摩耗・摩擦試験を提供し、オプションで高温摩耗、潤滑、トライボコロージョンを 1 つの統合済みシステムで利用することができます。ナノベアの比類なき製品群は、薄手または厚手、軟質または硬質のコーティング、フィルム、基材のあらゆるトライボロジー特性を測定するための理想的なソリューションです。

オプションの3D非接触プロファイラを使用すると、粗さなどの他の表面測定に加えて、摩耗痕の高解像度3Dイメージングが可能です。

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はじめに

ボールベアリングはボールを使用して回転摩擦を軽減し、ラジアル荷重とアキシアル荷重を支えます。ベアリング レースの間でボールが転動することにより、2 つの平らな表面が互いに滑り合う場合に比べて、はるかに低い摩擦係数 (COF) が生成されます。ボールベアリングは、多くの場合、高い接触応力レベル、摩耗、高温などの極端な環境条件にさらされます。したがって、高負荷や極端な環境条件下でのボールの耐摩耗性は、ボール ベアリングの寿命を延ばし、修理や交換のコストと時間を削減するために重要です。
ボールベアリングは、可動部品を伴うほぼすべての用途に使用されています。これらは航空宇宙や自動車などの輸送産業やハンドスピナーやスケートボードなどの玩具産業でよく使用されています。

高負荷時のボールベアリングの摩耗評価

ボール ベアリングは、幅広い材料リストから作成できます。一般的に使用される材料は、ステンレス鋼やクロム鋼などの金属、または炭化タングステン (WC) や窒化ケイ素 (Si3n4) などのセラミックまで多岐にわたります。製造されたボール ベアリングが、特定の用途の条件に最適な必要な耐摩耗性を確実に備えていることを確認するには、高荷重下での信頼できるトライボロジー評価が必要です。トライボロジー試験は、制御および監視された方法でさまざまなボール ベアリングの摩耗挙動を定量化および対比し、対象用途に最適な候補を選択するのに役立ちます。

測定目的

この研究では、Nanovea を紹介します。 トライボメータ 高荷重下でのさまざまなボールベアリングの耐摩耗性を比較するための理想的なツールです。

図 1: 軸受試験のセットアップ。

試験手順

異なる材質のボールベアリングの摩擦係数、COF、耐摩耗性をNanoveaトライボメーターで評価しました。カウンター材としてＰ１００グリットのサンドペーパーを使用した。ボールベアリングの摩耗痕を検査しました。 ナノベーア 摩耗テスト終了後の 3D 非接触プロファイラー。テストパラメータを表 1 にまとめます。摩耗率、 Kの式で評価した。 K=V/(F×s)で、ここで V は摩耗量です。 F は法線荷重であり s 滑る距離です。ボール摩耗傷は次の方法で評価されました。 ナノベーア 3D 非接触プロファイラーにより、正確な摩耗量測定を実現します。
自動化された電動ラジアル位置決め機能により、トライボメータはテスト中に摩耗トラックの半径を減少させることができます。このテスト モードはスパイラル テストと呼ばれ、ボール ベアリングが常にサンドペーパーの新しい表面上で滑ることを確認します (図 2)。ボールの耐摩耗性テストの再現性が大幅に向上します。内部速度制御用の高度な 20 ビット エンコーダと外部位置制御用の 16 ビット エンコーダは、正確なリアルタイムの速度と位置情報を提供し、回転速度を継続的に調整して接触部での一定の線形スライド速度を実現します。
この研究では、さまざまなボール素材間の摩耗挙動を簡略化するために P100 グリットのサンドペーパーが使用されており、他の素材の表面で置き換えることができることに注意してください。液体や潤滑剤などの実際の用途条件下で、さまざまな材料カップリングの性能をシミュレートするために、任意の固体材料を置き換えることができます。

図 2: サンドペーパー上のボール ベアリングのスパイラル パスの図。

表 1: 摩耗測定のテストパラメータ。

結果・考察

摩耗率はボール ベアリングの耐用年数を決定する重要な要素ですが、ベアリングの性能と効率を向上させるには COF が低いことが望ましいです。図 3 は、テスト中のさまざまなボール ベアリングの COF の変化をサンドペーパーと比較したものです。 SS440 および Al2O3 ボール ベアリングの COF が ~0.32 および ~0.28 であるのに対し、Cr 鋼ボールは摩耗テスト中に COF が ~0.4 増加しました。一方、WC ボールは摩耗テスト全体を通じて約 0.2 の一定の COF を示します。各テストを通じて観察可能な COF の変動が見られますが、これは粗いサンドペーパーの表面に対するボール ベアリングの滑り運動によって引き起こされる振動に起因すると考えられます。

図 3: 摩耗テスト中の COF の変化。

図 4 と図 5 は、それぞれ光学顕微鏡と Nanovea 非接触光学プロファイラーで測定された後のボール ベアリングの摩耗痕を比較しています。表 2 は摩耗痕跡分析の結果をまとめています。 Nanovea 3D プロファイラーはボール ベアリングの摩耗量を正確に測定し、さまざまなボール ベアリングの摩耗率を計算して比較することができます。摩耗試験後、Cr 鋼および SS440 ボールは、セラミック ボール、つまり Al2O3 および WC と比較して、はるかに大きな平らな摩耗傷を示すことが観察できます。 Cr 鋼ボールと SS440 ボールの摩耗率は、それぞれ 3.7×10-3 および 3.2×10-3 m3/N m です。比較すると、Al2O3 ボールは耐摩耗性が向上し、摩耗率は 7.2×10-4 m3/N・m です。 WC ボールは、浅い摩耗トラック領域に小さな傷をほとんど示さず、その結果、摩耗率が 3.3×10-6 mm3/N・m と大幅に減少しました。

図4: 試験後のボールベアリングの摩耗痕。

図 5: ボール ベアリングの摩耗痕の 3D 形態。

表 2: ボールベアリングの摩耗痕分析。

図 6 は、4 つのボール ベアリングによってサンドペーパー上に生じた摩耗跡の顕微鏡画像を示しています。 WC ボールが最も激しい摩耗軌跡を生成し (その経路にあるほとんどすべての砂粒子が除去された)、最高の耐摩耗性を備えていることは明らかです。比較すると、Cr スチールと SS440 のボールでは、サンドペーパーの摩耗跡に大量の金属の破片が残りました。
これらの観察は、スパイラル テストの利点の重要性をさらに示しています。これにより、ボール ベアリングが常にサンドペーパーの新しい表面上で滑ることが保証され、耐摩耗性テストの再現性が大幅に向上します。

図 6: サンドペーパー上のさまざまなボール ベアリングに対する摩耗跡。

まとめ

高圧下でのボール ベアリングの耐摩耗性は、そのサービス性能に重要な役割を果たします。セラミックボールベアリングは、高応力条件下での耐摩耗性が大幅に向上し、ベアリングの修理や交換にかかる時間とコストを削減します。この研究では、WC ボール ベアリングはスチール ベアリングと比較して大幅に高い耐摩耗性を示し、激しい摩耗が発生するベアリング用途の理想的な候補となっています。
Nanovea トライボメーターは、最大 2000 N の負荷に対応する高トルク機能と、0.01 ～ 15,000 rpm の回転速度に対応する正確に制御されたモーターを備えて設計されています。 ISO および ASTM に準拠した回転モードおよび直線モードを使用した反復可能な摩耗および摩擦試験を提供し、オプションの高温摩耗および潤滑モジュールを 1 つの事前統合システムで利用できます。この比類のない範囲により、ユーザーは高応力、摩耗、高温などのボール ベアリングのさまざまな過酷な作業環境をシミュレートできます。また、高荷重下での優れた耐摩耗性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としても機能します。
Nanovea 3D 非接触プロファイラーは、正確な摩耗量測定を提供し、摩耗跡の詳細な形態を分析するツールとして機能し、摩耗メカニズムの基本的な理解にさらなる洞察を提供します。

作成者
Duanjie Li 博士、ジョナサン・トーマス、ピエール・ルルー

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はじめに

摩耗は、事実上すべての産業分野で発生しており、GDPの0.75%に相当するコストがかかっています1。トライボロジーの研究は、生産効率の向上、アプリケーションの性能向上、材料、エネルギー、環境の保護に不可欠です。トライボロジーの応用分野では、振動や揺れが避けられない。過度な外部振動は摩耗を促進し、機械部品の壊滅的な故障につながるサービス性能を低下させます。

従来の死荷重式トライボメータは、質量分銅で通常の荷重をかけます。このような負荷方法では、負荷の選択肢が一定に制限されるだけでなく、高負荷や高速度での激しい非制御振動が発生し、摩耗挙動の評価が制限され一貫性を欠くことになります。材料の摩耗挙動に及ぼす制御された振動の影響を確実に評価することは、さまざまな産業用途における研究開発や品質管理にとって望ましいことです。

Nanoveaの画期的な高負荷 トライボメータ 動的荷重制御システムにより、最大耐荷重は 2000 N です。高度な空気圧圧縮空気負荷システムにより、ユーザーは摩耗プロセス中に発生する望ましくない振動を減衰するという利点を利用して、高い垂直荷重下での材料のトライボロジー挙動を評価できます。したがって、古い設計で使用されていた緩衝スプリングを必要とせず、荷重が直接測定されます。並列電磁石振動負荷モジュールは、最大 20 N の所望の振幅と最大 150 Hz の周波数の適切に制御された振動を適用します。

上部ホルダーにかかる横力から直接摩擦を高精度に測定します。変位はその場で監視され、テストサンプルの摩耗挙動の変化についての洞察が得られます。制御された振動荷重下での摩耗試験は、腐食、高温、多湿、および潤滑環境で実行して、トライボロジー用途の実際の作業条件をシミュレートすることもできます。統合された高速 非接触表面形状計 摩耗トラックの形態と摩耗量を数秒で自動的に測定します。

測定目的

この研究では、制御された振動負荷条件下で、さまざまなコーティングと金属サンプルのトライボロジー挙動を研究するNanovea T2000動的負荷トライボメーターの能力を紹介します。

 

試験方法

300μm厚の耐摩耗性コーティングのトライボロジー挙動、例えば摩擦係数、COF、耐摩耗性を評価し、ASTM G992に準拠したピン・オン・ディスクセットアップを用いた従来の死荷重トライボメータとナノベアT2000トライボメータで比較しました。

制御された振動下で、Cu および TiN でコーティングされた別々のサンプルを 6 mm Al2O3 ボールに対して、Nanovea T2000 トライボメーターの動的負荷トライボロジー モードによって評価しました。

試験パラメータを表1にまとめた。

ラインセンサーを搭載した内蔵の3Dプロフィロメーターが試験後に自動的に摩耗痕をスキャンし、最も正確な摩耗量を数秒で測定します。

結果および考察

 

空気圧負荷方式と死荷重方式の比較

 

ナノベアT2000トライボメータを用いた耐摩耗性皮膜のトライボロジー挙動を、従来のデッドロード（DL）トライボメータと比較した。図2は、コーティングのCOFの変化を示しています。摩耗試験中、コーティングは0.6程度のCOFを示すことが分かります。しかし、図3に示した摩耗痕の異なる20箇所の断面プロファイルから、死荷重方式ではコーティングがより激しく摩耗していることがわかります。

デッドロードシステムは、高荷重・高速回転での摩耗により、激しい振動が発生します。接触面に集中する大きな圧力と高速の摺動により、大きな重量振動と構造振動が発生し、摩耗を加速させる。従来の死荷重式トライボメータは、質量分銅を用いて荷重を加える。しかし、高荷重・高速回転の過酷な摩耗条件下では、大きな振動によりウエイトが何度もバウンドし、摩耗痕が不均一になるため、信頼性の低いトライボロジー評価となります。算出された摩耗量は 8.0±2.4×10-4 mm3/N m であり，高い摩耗量と大きな標準偏差を示した。

ナノベアT2000トライボメータは、振動を減衰させるための動的制御負荷システムで設計されています。通常の荷重を圧縮空気で加えることにより、摩耗プロセスで発生する望ましくない振動を最小限に抑えます。さらに、アクティブな閉ループ負荷制御により、摩耗試験の間、一定の負荷がかかり、スタイラスは摩耗痕の深さの変化に追従します。図3aに示すように、より一貫した摩耗痕のプロファイルが測定され、3.4±0.5 x 10-4 mm3/N mという低い摩耗率を実現しました。

図 4 に示す摩耗痕の分析から、ナノベアトライボメーターの空気圧圧縮空気負荷システムによる摩耗試験では、従来のデッドロードトライボメーターと比較して、より滑らかで一貫した摩耗痕が形成されることが確認できます。さらに、Nanovea T2000 トライボメータは、摩耗プロセス中のスタイラスの変位を測定し、摩耗挙動の進行状況をその場でさらに把握することができます。

 

 

Cu試料の摩耗に伴う制御された発振の様子

ナノベア T2000 トライボメーターの平行振動負荷電磁石モジュールでは、制御された振幅と周波数の振動が材料の摩耗挙動に及ぼす影響を調査することができます。図6に示すように、CuサンプルのCOFをその場で記録しています。Cu 試料は、最初の 330 回転の測定では、約 0.3 の一定の COF を示し、界面に安定した接触が形成され、比較的滑らかな摩耗痕が形成されていることがわかる。これは，界面に安定した接触が形成され，比較的滑らかな摩耗痕が形成されていることを示す。摩耗試験を継続すると，COFの変動は摩耗メカニズムの変化を示すようになる。一方，50N で 5N の振幅制御振動を与えた摩耗試験では，摩耗の初期に COF が急激に増加し，摩耗試験中に大きな変動を示すなど，異なる摩耗挙動を示すことが分かる。このようなCOFの挙動は，常用荷重の振動が接触部の不安定な摺動状態に関与していることを示唆している。

図 7 は，一体型非接触光学式プロフィロメータで測定した摩耗痕の形態 を比較したものである。5Nの振幅で制御された銅試料では、無振動時の5.03×108μm3に対して、1.35×109μm3と非常に大きな摩耗痕が観察されます。振動を制御することで摩耗速度が約2.7倍加速され、振動が摩耗挙動に決定的な影響を与えることが示された。

 

TiNコーティングの摩耗に及ぼす制御された揺らぎ

図8にTiNコーティング試料のCOFと摩耗痕を示す。TiNコーティングは，試験中のCOFの変化で示されるように，振動下で著しく異なる摩耗挙動を示す．このように，TiNコーティングは，TiNコーティングとAl₂O₃ボールとの界面での安定した摺動接触により，摩耗試験開始時のランイン期間に続いて〜0.3の一定のCOFを示す．しかし、TiNコーティングが破壊し始めると、Al₂O₃ボールはコーティングを貫通し、その下の新鮮なスチール基材と摺動するようになります。同時に摩耗痕に硬いTiNコーティングの破片が大量に発生し、安定した2体摺動摩耗が3体摩耗摩耗に変化します。このような材料カップルの特性の変化は，COFの変化のバラツキを増大させる．5Nと10Nの振動が加わることで、TiNコーティングの破損が400回転から100回転以下まで加速される。振動を制御した摩耗試験後のTiNコーティング試料の摩耗痕が大きくなっていることは、このようなCOFの変化と一致している。

結論

ナノベアトライボメータT2000の高度な空圧負荷システムは、従来のデッドロードシステムと比較して、自然に素早く振動を減衰させるという本来の優位性を持っています。この空気圧システムの技術的優位性は、サーボモーターとスプリングの組み合わせで荷重をかける荷重制御システムと比較しても明らかです。この技術により、本研究で実証されたように、高荷重における信頼性の高い、より制御性の高い摩耗評価が保証されます。さらに、アクティブな閉ループ負荷システムは、ブレーキシステムで見られる実際のアプリケーションをシミュレートするために、摩耗試験中に通常の負荷を所望の値に変更することができます。

試験中に制御されていない振動条件の影響を受ける代わりに、ナノベア T2000 動的負荷トライボメータを使用すれば、さまざまな制御振動条件下での材料のトライボロジー挙動を定量的に評価できることを示しました。振動は、金属やセラミックコーティングの試料の摩耗挙動に大きな役割を果たします。

平行電磁石振動負荷モジュールは、設定された振幅と周波数で精密に制御された振動を提供し、環境振動が重要な要素となりがちな実環境での摩耗プロセスをシミュレートすることを可能にします。摩耗中に振動が加わると、CuとTiNコーティングの両サンプルは摩耗率が大幅に増加します。摩擦係数の変化と触針の変位をその場で測定することは、トライボロジー応用における材料の性能を示す重要な指標となります。統合型3D非接触プロフィロメーターは、摩耗量を正確に測定し、摩耗痕の詳細な形態を数秒で解析するツールを提供し、摩耗メカニズムの基本的な理解により多くの洞察を与えます。

T2000は、セルフチューニングされた高品質・高トルクのモーターを搭載し、20ビットの内部速度と16ビットの外部位置エンコーダを備えています。これにより、トライボメータは0.01～5000rpmの範囲で、ステップ状にジャンプしたり連続的に変化する比類ない回転速度を提供することができます。ナノベーストライボメータは、下部にトルクセンサーを配置したシステムとは異なり、上部に高精度ロードセルを配置し、摩擦力を正確かつ個別に測定しています。

ナノベーストライボメータは、ISOおよびASTMに準拠した回転および直線モード（4ボール、スラストワッシャー、ブロックオンリング試験を含む）による精密で再現性の高い摩耗・摩擦試験と、オプションで高温摩耗、潤滑、トライボコロージョンを1つの統合済みシステムで行うことができます。ナノベア T2000 は、薄手・厚手、軟質・硬質のコーティング、フィルム、基材など、あらゆる種類のトライボロジー特性を測定できる理想的なソリューションです。

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DLCの湿度下での摩耗評価の重要性

ダイヤモンド ライク カーボン (DLC) コーティングは、強化された摩擦特性、つまり優れた耐摩耗性と非常に低い摩擦係数 (COF) を備えています。 DLC コーティングは、さまざまな材料上に蒸着されるとダイヤモンドの特性を与えます。有利な摩擦機械特性により、DLC コーティングは航空宇宙部品、かみそりの刃、金属切削工具、ベアリング、オートバイのエンジン、医療用インプラントなどのさまざまな産業用途に適しています。

DLC コーティングは、高真空および乾燥条件下で鋼球に対して非常に低い COF (0.1 未満) を示します。¹².しかし、DLCコーティングは環境条件の変化、特に相対湿度（RH）に敏感である。³.湿度や酸素濃度が高い環境では、COFが大幅に増加する可能性があります。⁴。制御された湿度での信頼性の高い摩耗評価により、トライボロジー用途における DLC コーティングの現実的な環境条件がシミュレートされます。ユーザーは適切な比較を行い、対象用途に最適なDLCコーティングを選択します。
さまざまな湿度にさらされたDLCの摩耗挙動の変化。

測定目的

この研究では Nanovea を紹介します トライボメータ 湿度コントローラーを備えたこのツールは、さまざまな相対湿度における DLC コーティングの摩耗挙動を調査するのに最適なツールです。

 

 

試験方法

DLC コーティングの耐摩擦性と耐摩耗性は、Nanovea Tribometer によって評価されました。テストパラメータを表 1 にまとめます。トライボチャンバーに取り付けられた湿度コントローラは、±1% の精度で相対湿度 (RH) を正確に制御しました。試験後、DLC コーティングの摩耗痕跡と SiN ボールの摩耗痕を光学顕微鏡を使用して検査しました。

注: 潤滑剤や高温などの環境条件下で、さまざまな材料のカップリングの性能をシミュレートするために、任意の固体ボール材料を適用できます。

結果および考察

DLCコーティングは、低摩擦で耐摩耗性に優れているため、トライボロジー用途に最適です。DLCコーティングの摩擦は、図2に示すような湿度依存性の挙動を示しています。比較的乾燥した条件下（10% RH）では、DLCコーティングは摩耗試験中、約0.05という非常に低いCOFを示しました。RHが30%まで上昇すると、DLCコーティングは、試験中、〜0.1の一定のCOFを示しました。COFの初期段階は、RHが50%以上に上昇した最初の2000回転で観察されます。DLCコーティングは、RHが50、70、90%のときにそれぞれ〜0.20、〜0.26、〜0.33という最大COFを示す。慣らし運転後、DLCコーティングのCOFは、RH50、70、90%でそれぞれ〜0.11、0.13、0.20と一定に保たれる。

 

図3はSiNボールの摩耗痕、図4は摩耗試験後のDLCコーティングの摩耗痕を比較したものである。湿度の低い環境にさらされたDLCコーティングの方が、摩耗痕の直径が小さくなっていることがわかる。接触面において繰り返し摺動することで，SiN ボール表面に転写 DLC 層が蓄積される。この段階で，DLC 被膜は自身の転写膜と摺動し，効率的な潤滑剤として相対運動を促進し，せん断変形によるさらなる質量減少を抑制していることがわかる。低RH環境（10%や30%など）では，SiNボールの摩耗痕に転写膜が観察され，ボールの摩耗過程が減速される．この摩耗過程は、図4に示すようにDLCコーティングの摩耗痕の形態に反映される。これは，接触界面に安定したDLC膜が形成され，摩擦と摩耗速度が大幅に低減されたためである。

 

結論

湿度は、DLC コーティングの摩擦学的性能に重要な役割を果たします。 DLC コーティングは、摺動相手 (この研究では SiN ボール) に転写された安定した黒鉛層の形成により、乾燥状態で大幅に強化された耐摩耗性と優れた低摩擦を備えています。 DLC コーティングは、それ自身の転写層に対して滑ります。この転写層は効率的な潤滑剤として機能し、相対運動を促進し、せん断変形によって引き起こされるさらなる質量損失を抑制します。相対湿度が上昇すると、SiN ボール上に膜が観察されなくなり、SiN ボールと DLC コーティングの摩耗率が増加します。

Nanovea トライボメーターは、ISO および ASTM 準拠の回転モードおよび直線モードを使用した反復可能な摩耗および摩擦試験を提供し、1 つの事前統合システムで利用可能なオプションの湿度モジュールを備えています。これにより、ユーザーはさまざまな湿度での作業環境をシミュレートでき、さまざまな作業条件下での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をユーザーに提供できます。

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1 C. Donnet, Surf.Coat.Technol.100-101 (1998) 180.

2 三好和彦, B. Pohlchuck, K.W. Street, J.S. Zabinski, J.H. Sanders, A.A. Voevodin, R.L.C. Wu, Wear 225-229 (1999) 65.

3 R. Gilmore, R. Hauert, Surf.Coat.Technol.133-134 (2000) 437.

4 R. Memming, H.J. Tolle, P.E. Wierenga, Thin Solid Coatings 143 (1986) 31

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低速域での摩擦評価の重要性

摩擦とは、固体表面同士を滑らせて相対運動に抵抗させる力のことである。この2つの接触面の相対運動が起こると、界面での摩擦により運動エネルギーが熱に変換される。また、このようなプロセスは、材料の摩耗、ひいては使用中の部品の性能劣化につながる可能性がある。
ゴムは伸び率が大きく、弾力性に富み、防水性や耐摩耗性にも優れているため、自動車のタイヤやワイパーブレード、靴底など、摩擦が重要な役割を果たすさまざまな用途や製品に幅広く使用されている。これらの用途の性質や要求に応じて、異なる材料に対して高い摩擦と低い摩擦のどちらかが望まれる。そのため、さまざまな表面に対するゴムの摩擦を制御し、信頼性の高い方法で測定することが重要になります。

測定目的

さまざまな材料に対するゴムの摩擦係数 (COF) は、Nanovea を使用して制御および監視された方法で測定されます。 トライボメータ。この研究では、極低速でさまざまな材料の COF を測定する Nanovea トライボメーターの能力を紹介したいと思います。

結果および考察

3種類の材料（Stainless steel SS 316, Cu 110, optional Acrylic）に対するゴム球（φ6mm, RubberMill）の摩擦係数（COF）をNanovea Tribometerで評価した．試験した金属サンプルは、測定前に機械的に研磨し、鏡面仕上げとした。法線荷重を加えた際のゴム球のわずかな変形によって面積接触が生じ、COF測定に対する試料表面のアスペリティや不均一性の影響を軽減することもできます。試験パラメータを表 1 に示す。

 

4種類の速度で異なる素材に対してゴム球を衝突させたときのCOFを図2に示す。2 に、ソフトウェアによって自動的に計算された平均 COF をまとめ、図 3 で比較した。興味深いことに、金属試料（SS 316 と Cu 110）は、回転速度が 0.01 rpm という非常に低い値から 5 rpm まで上昇すると、COF が著しく増加することがわかります。この結果は、いくつかの研究室から報告されている結果と一致している。Groschが提案したように⁴ ゴムの摩擦は、主に（1）ゴムと他の材料の接着、（2）表面の凹凸によるゴムの変形によるエネルギー損失の2つのメカニズムで決定される。シャラマッハ⁵ 軟質ゴム球と硬質表面との界面において，ゴムが相手材から剥離する波が観察された。ゴムが基材表面から剥離する力と剥離の波の速度から、試験中の異なる速度での摩擦の違いを説明することができる。

これに対し、ゴムとアクリルのカップルは、異なる回転数で高いCOFを示しました。回転速度が0.01 rpmから5 rpmまで上昇すると、COF値は1.02から1.09までわずかに上昇した。このような高いCOFは、おそらく試験中に形成された接触面の局所的な化学結合が強くなったことに起因しています。

 

 

 

 

結論

本研究では、ゴムが極低速で、硬い表面に対する摩擦が相対運動の速度が上がるにつれて大きくなるという特異な摩擦挙動を示すことを示した。ゴムは、異なる材料の上を滑るとき、異なる摩擦を示します。ナノベーストライボメータは、異なる速度で制御・監視された方法で材料の摩擦特性を評価することができ、ユーザーは材料の摩擦メカニズムの基本的な理解を深め、目標とするトライボロジー工学アプリケーションに最適な材料カップルを選択することが可能です。

ナノベーストライボメータは、ISOおよびASTMに準拠した回転モードとリニアモードによる精密で再現性の高い摩耗・摩擦試験と、オプションで高温摩耗、潤滑、トライボコロージョンを1つの統合されたシステムで利用することが可能です。0.01 rpmまでの極めて低い速度で回転ステージを制御し、摩擦の変化をその場でモニターすることが可能です。ナノベアの比類なき製品群は、薄いまたは厚い、柔らかいまたは硬いコーティング、フィルム、および基材のトライボロジー特性をフルレンジで測定するための理想的なソリューションとなります。

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はじめに

高分子はさまざまな用途に幅広く利用され、日常生活に欠かせないものとなっている。琥珀、絹、天然ゴムなどの天然高分子は、人類の歴史において不可欠な役割を担ってきた。合成高分子の製造プロセスを最適化することで、強靭性、粘弾性、自己潤滑性など、ユニークな物理的特性を実現することができる。

高分子の摩耗と摩擦の重要性

ポリマーは、タイヤ、ベアリング、コンベヤーベルトなどのトライボロジー用途によく使われている。
ポリマーの機械的特性、接触条件、摩耗過程で形成される破片や転写膜の特性によって、さまざまな摩耗メカニズムが発生します。ポリマーが使用条件下で十分な耐摩耗性を有することを確認するためには、信頼性が高く定量的なトライボロジー評価が必要である。トライボロジー評価により、異なるポリマーの摩耗挙動を制御・監視しながら定量的に比較し、目的とする用途に適した材料候補を選択することができます。

ナノベーストライボメータは、ISOとASTMに準拠した回転・直線モードによる再現性の高い摩耗・摩擦試験と、オプションで高温摩耗・潤滑モジュールを1つの統合済みシステムで利用できます。この比類のないラインナップにより、ユーザーは、集中応力、摩耗、高温など、ポリマーのさまざまな作業環境をシミュレートすることができます。

測定目的

この研究では、Nanovea が トライボメータ は、さまざまなポリマーの摩擦抵抗と耐摩耗性を、適切に制御された定量的な方法で比較するための理想的なツールです。

試験方法

さまざまな一般的なポリマーの摩擦係数 (COF) と耐摩耗性は、Nanovea Tribometer によって評価されました。 Al2O3 ボールをカウンター材 (ピン、静止サンプル) として使用しました。ポリマー（動的回転サンプル）の摩耗痕跡は、 非接触3D表面形状計 テスト終了後の光学顕微鏡。オプションとして、非接触内視鏡センサーを使用して、摩耗試験中に動的サンプルにピンが貫通する深さを測定できることに注意してください。試験パラメータを表 1 にまとめます。摩耗率 K は、式 K=Vl(Fxs) を使用して評価しました。ここで、V は摩耗量、F は垂直荷重、s は滑り距離です。

なお，本研究ではAl2O3ボールを対向材として使用した。実際の適用条件下での2つの試料の性能をより詳細にシミュレートするために、任意の固体材料に置き換えることができます。

結果および考察

摩擦はトライボロジー応用において重要な役割を果たす一方、摩耗速度は材料の寿命を決定する重要な要因です。図2はAl2O3ボールに対する各種ポリマーの摩耗試験におけるCOFの推移を比較したものである。COFは、いつ故障が発生し、摩耗が新しい段階に入るかを示す指標として機能します。試験したポリマーのうち、HDPEは摩耗試験中、COFが最も低く、0.15程度に保たれています。COFが滑らかであることは、安定したトライボコンタクトが形成されていることを示唆しています。

図3と図4は、試験後のポリマーサンプルの摩耗軌跡を光学顕微鏡で測定した結果を比較したものです。In-situ非接触三次元形状測定機は、ポリマー試料の摩耗量を正確に測定し、それぞれ0.0029、0.0020、0.0032m3/N mの摩耗量を正確に計算することが可能です。一方、CPVCの摩耗痕には深い平行摩耗痕が認められ、0.1121m3/N mという最も高い摩耗量を示した。

まとめ

高分子の耐摩耗性は、そのサービス性能に重要な役割を果たします。この研究では、ナノベーストライボメータが、様々なポリマーの摩擦係数と摩耗率を、1つの試験片で評価することを紹介しました。
をよく制御し、定量的な方法で行った。HDPEは試験したポリマーの中で最も低いCOFを示し、約0.15であった。HDPE、ナイロン66、ポリプロピレンはそれぞれ0.0029、0.0020、0.0032 m3/N mという低い摩耗率を有しています。低摩擦と優れた耐摩耗性の組み合わせにより、HDPEはポリマートライボロジー用途に適した材料といえます。

In-situ 非接触型3次元形状測定器は、精密な摩耗量測定を可能にし、摩耗痕の詳細な形態を解析するツールを提供することで、摩耗メカニズムの基本的な理解への洞察を深めます

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