作成者
DUANJIE LI, PhD
一般にテフロンとして知られるポリテトラフルオロエチレン (PTFE) は、適用される荷重に応じて、非常に低い摩擦係数 (COF) と優れた耐摩耗性を備えたポリマーです。 PTFE は、優れた化学的不活性性、327°C (620°F) の高い融点を示し、低温でも高い強度、靭性、および自己潤滑性を維持します。 PTFE コーティングは優れた耐摩耗性を備えているため、自動車、航空宇宙、医療、特に調理器具などの幅広い産業用途で非常に人気があります。
超低摩擦係数 (COF)、優れた耐摩耗性、および高温での優れた化学的不活性性の組み合わせにより、PTFE は焦げ付き防止パンコーティングとして理想的な選択肢となります。研究開発中の機械プロセスをさらに強化し、品質管理プロセスにおける誤動作防止と安全対策の最適な制御を確実にするには、PTFE コーティングの摩擦機械プロセスを定量的に評価するための信頼できる技術を持つことが重要です。意図した性能を確保するには、コーティングの表面摩擦、磨耗、付着を正確に制御することが不可欠です。
試験方法
摩擦係数 (COF) や耐摩耗性を含む PTFE コーティング サンプルのトライボロジー挙動は、NANOVEA を使用して評価されました。 トライボメータ 直線往復モードで。直径 3 mm (グレード 100) のステンレス鋼 440 ボールチップをコーティングに対して使用しました。 PTFE コーティング摩耗試験中、COF を継続的に監視しました。
摩耗率 K は、式 K=V/(F×s)=A/(F×n) を使用して計算されました。ここで、V は摩耗量、F は垂直荷重、s は滑り距離、A は摩耗痕跡の断面積、n はストローク数です。摩耗痕跡プロファイルは NANOVEA を使用して評価されました。 光学式粗さ計、摩耗跡の形態は光学顕微鏡を使用して検査されました。
| LOAD | 30 N |
| テスト期間 | 5分 |
| スライディングレート | 80rpm |
| トラックの振幅 | 8mm |
| 革命 | 300 |
| ボール径 | 3mm |
| ボール材質 | ステンレス440 |
| ルーブリック | なし |
| 大気 | 空気 |
| 温度 | 230℃（室温） |
| 湿度 | 43% |
試験方法
PTFE引っかき付着力測定はNANOVEAを使用して実施しました。 メカニカルテスター マイクロ スクラッチ テスター モードで 1200 Rockwell C ダイヤモンド スタイラス (半径 200 μm) を使用。
結果の再現性を確保するために、同一のテスト条件下で 3 つのテストが実行されました。
| ロードタイプ | プログレッシブ |
| 初期荷重 | 0.01 mN |
| 最終荷重 | 20 mN |
| 荷重レート | 40mN/分 |
| スクラッチの長さ | 3mm |
| スクラッチ速度、dx/dt | 6.0mm/分 |
| 圧子ジオメトリー | 120o ロックウェル C |
| 圧子材料（先端部） | ダイヤモンド |
| 圧子先端半径 | 200 μm |
その場で記録された COF を図 1 に示します。PTFE の粘着性が低いため、テストサンプルは最初の 130 回転中に約 0.18 の COF を示しました。ただし、コーティングが突き抜けて、その下の基材が露出すると、COF は約 1 まで突然増加しました。直線往復試験の後、NANOVEA を使用して摩耗痕跡プロファイルを測定しました。 非接触光学式粗さ計得られたデータから、対応する摩耗率は約 2.78 × 10-3 mm3/Nm と計算され、摩耗痕跡の深さは 44.94 μm と決定されました。
図1: PTFE コーティング摩耗試験中の COF の変化。
図2: 摩耗痕 PTFE のプロファイル抽出。
| 最大COF | 0.217 |
| Min COF | 0.125 |
| 平均COF | 0.177 |
| 最大COF | 0.217 |
| Min COF | 0.125 |
| 平均COF | 0.177 |
表1: 摩耗試験中の破過前後の COF。
基材への PTFE コーティングの接着力は、200 µm のダイヤモンド スタイラスを使用したスクラッチ テストを使用して測定されます。顕微鏡写真を図 3 と図 4 に示し、COF の変化と浸透深さを図 5 に示します。PTFE コーティングのスクラッチ試験の結果を表 4 にまとめます。ダイヤモンドスタイラスにかかる負荷が増加するにつれて、ダイヤモンドスタイラスは徐々にコーティングに浸透し、 COFの増加につながります。荷重が約 8.5 N に達すると、高圧下でコーティングの突き抜けと基材の露出が発生し、COF が約 0.3 に達しました。表 2 に示す低い St Dev は、NANOVEA 機械試験機を使用して実施した PTFE コーティングのスクラッチ試験の再現性を示しています。
図3: PTFE のフルスクラッチの顕微鏡写真 (10 倍)。
図4: PTFE のフルスクラッチの顕微鏡写真 (10 倍)。
図5: PTFE の臨界破損点の線を示す摩擦グラフ。
| スクラッチ | 障害点 [N] | 摩擦力[N] | COF |
| 1 | 0.335 | 0.124 | 0.285 |
| 2 | 0.337 | 0.207 | 0.310 |
| 3 | 0.380 | 0.229 | 0.295 |
| 平均 | 8.52 | 2.47 | 0.297 |
| 聖開発者 | 0.17 | 0.16 | 0.012 |
表2: スクラッチ テスト中の臨界荷重、摩擦力、COF の概要。
この研究では、NANOVEA T50 トライボメーターを線形往復モードで使用して、焦げ付き防止パンの PTFE コーティングの摩耗プロセスのシミュレーションを実施しました。 PTFE コーティングは約 0.18 の低い COF を示し、コーティングは約 130 回転でブレークスルーを経験しました。金属基材に対する PTFE コーティングの接着力の定量的評価は、NANOVEA 機械試験機を使用して実行されました。この試験では、コーティング接着力破壊の臨界荷重は約 8.5 N であると測定されました。
NANOVEA トライボメータは、ISO および ASTM 準拠の回転モードおよび線形モードを使用した、正確で再現性のある摩耗および摩擦試験機能を提供します。これらは、高温摩耗、潤滑、摩擦腐食用のオプションのモジュールを提供しており、すべて単一システムに統合されています。この多用途性により、ユーザーは実際のアプリケーション環境をより正確にシミュレートし、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を深く理解できるようになります。
NANOVEA 機械試験機は、Nano、Micro、および Macro モジュールを提供しており、それぞれのモジュールには ISO および ASTM 準拠の押し込み、傷、摩耗試験モードが含まれており、単一システムで利用できる最も広範でユーザーフレンドリーな試験機能を提供します。
ベルトドライブは、2つ以上の回転軸の間で動力を伝達し、相対的な動きを追跡します。ベルトドライブはメンテナンスが最小限で済むシンプルで安価なソリューションとして、バックスソー、製材所、脱穀機、サイロブロワー、コンベアなど様々な用途で広く使用されています。ベルトドライブは過負荷から機械を保護するだけでなく、振動を減衰させ、分離することができます。
ベルト駆動の機械ではベルトの摩擦と摩耗が避けられません。十分な摩擦があればスリップすることなく効果的に動力を伝達できますが、過度の摩擦はベルトを急速に摩耗させる可能性があります。ベルトドライブの運転中は、疲労、摩耗、摩擦などさまざまな種類の摩耗が発生します。ベルトの寿命を延ばし、ベルトの修理や交換にかかる費用と時間を削減するためには、ベルトの摩耗性能を確実に評価することがベルトの寿命、生産効率、アプリケーションの性能を向上させるために重要です。ベルトの摩擦係数や摩耗量を正確に測定することで、ベルトの研究開発や品質管理が容易になります。
測定目的
この研究では、異なる表面テクスチャを持つベルトの摩耗挙動をシミュレーションして比較し、その能力を紹介します。 ナノビア T2000トライボメータは、ベルトの摩耗プロセスを制御・監視しながらシミュレートすることができます。
ナノビア
T2000
表面粗さとテクスチャーの異なる2種類のベルトについて，摩擦係数COFと耐摩耗性を評価したました。 ナノビア 高負荷 トライボメータ 直線往復摩耗モジュールを使用。カウンター材としてスチール 440 ボール (直径 10 mm) を使用しました。統合された測定器を使用して表面粗さと摩耗痕跡を検査しました。 3D非接触表面形状計。摩耗率、 Kの式で評価した。 K=Vl(Fxs)で、ここで V は摩耗量です。 F は法線荷重であり s は滑走距離である。
なお、今回は平滑なスチール440のボールを例としていますが、形状や表面仕上げの異なるあらゆる固体材料をカスタムフィクスチャーを使用して実際のアプリケーション状況をシミュレートして適用することが可能です。
分析した表面プロファイルによるとテクスチャーベルトとスムースベルトの表面粗さRaはそれぞれ33.5と8.7umでした。 ナノビア 3D非接触光学式プロファイラｰ試験した2つのベルトのCOFと摩耗率をそれぞれ10Nと100Nで測定し、異なる荷重でのベルトの摩耗挙動を比較しました。
図1 図1は摩耗試験中のベルトのCOFの変化を示します。異なるテクスチャを持つベルトは実質的に異なる摩耗挙動を示しています。興味深いことに、COFが徐々に増加する慣らし運転期間の後、テクスチャーベルトは10Nと100Nの荷重で行った試験の両方で、〜0.5という低いCOFに達しました。これに対し、10Nの荷重で試験したスムースベルトは、COFが安定すると〜1.4という著しく高いCOFを示し、試験の残りの間はこの値を維持します。100Nの荷重で試験した平滑ベルトは、鋼球440によって急速に摩耗し、大きな摩耗痕が形成されました。そのため試験は220回転で停止しました。
図1: 異なる負荷におけるベルトのCOFの進化。
図2は100Nの試験後の3次元摩耗痕画像の比較です。ナノビア3次元非接触プロフィロメータは摩耗痕の詳細な形状を解析するツールを提供し、摩耗メカニズムの基礎的な理解に役立つ情報を提供します。
表1: 摩耗痕の解析結果
図2: 2本のベルトの3Dビュー
100Nでの試験後。
3D摩耗痕プロファイルにより、表1に示すように高度な解析ソフトウェアで計算された摩耗痕の体積を直接かつ正確に決定することができます。220回転の摩耗試験では、スムースベルトの摩耗痕は75.7mm3と非常に大きく深くなっているのに対し、600回転の摩耗試験ではテクスチャーベルトの摩耗痕は14.0mm3となっています。スチールボールに対するスムースベルトの摩擦が非常に大きいため、テクスチャーベルトと比較して15倍の摩耗量となりました。
このようにテクスチャーベルトとスムースベルトのCOFが大きく異なるのは、ベルトと鋼球の接触面積の大きさが関係していると考えられ、それが両者の摩耗性能の違いにもつながっていると考えられます。図3は2つのベルトの摩耗痕を光学顕微鏡で観察したものです。摩耗痕の検査はCOFの変遷に関する観察と一致しています。100Nで行った摩耗試験では、テクスチャーベルトとスムースベルトの両方にかなり大きな摩耗痕ができ、次の段落で述べるように、3Dプロファイルを用いて摩耗率を計算することになります。
図3: 光学顕微鏡による摩耗痕の観察
本研究では、ベルトの摩擦係数と摩耗量を良好に制御し定量的に評価するナノビア T2000トライボメーターの能力を紹介しました。ベルトの摩擦と耐摩耗性には、表面のテクスチャが重要な役割を担っています。テクスチャを施したベルトは摩擦係数が0.5程度と安定しており寿命も長いため、工具の修理や交換にかかる時間やコストを削減することができます。一方、平滑ベルトは鋼球との過度な摩擦によりベルトが急速に摩耗します。更にベルトにかかる負荷は寿命の重要な要素になります。過負荷は非常に高い摩擦を引き起こし、ベルトの摩耗を加速させます。
NANOVEA T2000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、摩擦腐食モジュールを1つのシステムに統合して使用することが可能です。 NANOVEAの 本装置は薄膜や厚膜、軟質や硬質のコーティング、フィルム、基材などのトライボロジー特性をフルレンジで測定できる理想的な装置です。
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
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。
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
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
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
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。
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。
フレッティングとは、"負荷がかかり、振動や何らかの力によって微小な相対運動をする2つの材料の接触部に発生する特殊な摩耗現象 "である。機械が稼働しているとき、ボルトやピンで固定されている接合部、動くことを意図していない部品間、振動するカップリングやベアリングなどでは、必然的に振動が発生する。このような相対的な摺動運動の振幅は、マイクロメートルからミリメートルのオーダーであることが多い。このような低振幅の運動の繰り返しは、表面における深刻な局所的機械摩耗や物質移動を引き起こし、生産効率や機械性能の低下、あるいは機械の破損につながる可能性がある。
フレッチング摩耗には、二体摩耗、凝着、フレッチング疲労摩耗など、接触面で発生するいくつかの複雑な摩耗メカニズムが関与することがよくあります。フレッチング摩耗のメカニズムを理解し、フレッチング摩耗保護に最適な材料を選択するには、信頼性の高い定量的なフレッチング摩耗評価が必要です。フレッチング摩耗挙動は、変位振幅、垂直荷重、腐食、温度、湿度、潤滑などの作業環境に大きく影響されます。多用途な トライボメータ さまざまな現実的な作業条件をシミュレートできるこのツールは、フレッチング摩耗の評価に最適です。
Steven R. Lampman, ASMハンドブック:第19巻：疲労と破壊
http://www.machinerylubrication.com/Read/693/fretting-wear
測定目的
本研究では，ステンレス鋼SS304のフレッティング摩耗挙動を異なる振動速度と温度で評価し，その能力を明らかにした。 ナノベア T50 トライボメータは、金属のフレッティング摩耗プロセスを適切に制御・監視してシミュレートすることができます。
ナノビア
T50
ステンレス鋼SS304サンプルの耐フレッティング摩耗性を、以下の方法で評価した。 ナノビア 直線往復運動式摩耗モジュールを使用したトライボメータ。対向材としてWC（直径6mm）ボールを使用しました。を使用して摩耗痕を調べた。 ナノビア 3D非接触プロファイラー。
フレッティングテストは、室温（RT）、200 °Cで行い，SS304試料の耐フレッティング摩耗性に及ぼす高温の影響を検討した。試料ステージに設置した加熱板により、フレッティング試験中の試料を200℃に加熱した。 °C.摩耗率のことです。 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 は滑走距離である。
なお、今回の研究では、カウンター材としてWCボールを例として使用した。形状や表面仕上げの異なるあらゆる固体材料を、カスタムフィクスチャを使用して実際の適用状況をシミュレートすることができます。
によって算出された摩耗痕の体積損失を、3D摩耗痕プロファイルによって直接かつ正確に把握することができます。 ナノビア 山地解析ソフト。
低速100rpm、室温での往復摩耗試験では、0.014mmという小さな摩耗痕を示した³.一方、1000rpmの高速回転で行ったフレッティング摩耗試験では、0.12mmというかなり大きな摩耗痕が形成されています。³.このような加速摩耗は，フレッティング摩耗試験で発生する高熱と激しい振動が金属片の酸化を促進し，激しい3体摩耗をもたらすことに起因すると考えられる。200℃の高温環境下でのフレッティング摩耗試験で，金属破片の酸化が促進され，3体摩耗が激しくなった。 °Cは0.27mmと大きめの摩耗痕を形成する³.
1000rpmでのフレッティング摩耗試験で、摩耗量は1.5×10-4 ミリメートル³/Nmとなり，100rpmでの往復摩耗試験と比較して約9倍となった。また，高温でのフレッチング摩耗試験では，摩耗速度がさらに加速され，3.4×10-4 ミリメートル³/Nmとなりました。異なる速度と温度で測定された耐摩耗性にこのような大きな差があることは、現実的なアプリケーションのためのフレッティング摩耗の適切なシミュレーションの重要性を示しています。
トライボシステムにわずかな試験条件の変更を加えると、摩耗挙動が大きく変化することがあります。の汎用性 ナノビア トライボメータは、高温、潤滑、腐食など、さまざまな条件下での摩耗を測定することができます。また、モーターによる正確な速度・位置制御により、0.001～5000rpmの範囲で摩耗試験を行うことができ、研究・試験室において、さまざまなトライボロジー条件下でのフレッティング摩耗を調査するための理想的なツールとなっています。
この研究では、その能力を披露した。 ナノビア ステンレス鋼SS304試料のフレッティング摩耗挙動を良好に制御し、定量的に評価するためのトライボメータ。
試験速度と温度は、材料の耐フレッティング摩耗性に重要な役割を果たします。フレッティング中の高熱と激しい振動により、SS304サンプルの摩耗は9倍近くまで大幅に加速されました。200℃の高温 °Cでさらに磨耗率が3.4×10-4 ミリメートル3/Nmです。
の多用途性 ナノビア トライボメータは、高温、潤滑、腐食など様々な条件下でのフレッティング摩耗の測定に最適なツールです。
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することが可能です。当社の比類なき製品群は、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するための理想的なソリューションです。
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。
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。
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。
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。
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 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 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。
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
銅線の摩耗・傷評価の重要性
銅は、電磁石や電信機の発明以来、電気配線に使用されてきた長い歴史があります。銅線は、耐食性、はんだ付け性、150℃までの高温での特性から、パネル、メーター、コンピューター、事務機、家電製品など、幅広い電子機器に使用されています。採掘される銅の約半分は、電線・ケーブルの導体製造に使用されています。
銅線の表面品質は、アプリケーションの性能と寿命にとって非常に重要です。ワイヤの微細な欠陥は、過度の摩耗、亀裂の発生と伝播、導電性の低下、不十分なはんだ付け性などにつながる可能性があります。銅線の適切な表面処理は伸線時に発生する表面欠陥を取り除き、耐腐食性、耐傷性、耐摩耗性を向上させます。銅線を使った多くの航空宇宙用途では、予期せぬ機器の故障を防ぐため、その挙動を制御する必要がありま す。銅線表面の耐摩耗性や耐傷性を正しく評価するためには、定量的で信頼性の高い測定が必要です。
測定目的
このアプリケーションでは、異なる銅線の表面処理を制御した摩耗プロセスをシミュレートしています。 スクラッチテスト 処理された表面層に破損を引き起こすのに必要な荷重を測定します。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 電線の評価・品質管理に最適なツールです。
試験方法と手順
銅線 (ワイヤ A およびワイヤ B) の 2 つの異なる表面処理の摩擦係数 (COF) と耐摩耗性は、線形往復摩耗モジュールを使用する Nanovea トライボメータによって評価されました。 Al₂O₃ ボール (直径 6 mm) が、この用途で使用される相手材です。 Nanovea の摩耗痕跡を調査しました。 3D非接触表面形状計。テストパラメータを表 1 にまとめます。
本研究では、カウンター材料として滑らかなAl₂O₃球を例として使用した。形状や表面仕上げが異なる任意の固体材料は、実際の適用状況をシミュレートするために、カスタムフィクスチャを使用して適用することができます。
結果および考察
銅線の磨耗。
図 2 は，摩耗試験中の銅線の COF の変化を示している。A線は摩耗試験中、COFが〜0.4と安定しているのに対し、B線は最初の100回転でCOFが〜0.35となり、徐々に〜0.4まで増加した。
図3は、試験後の銅線の摩耗痕を比較したものです。ナノベアの3D非接触プロフィロメータは、摩耗痕の詳細な形態について優れた分析を提供しました。摩耗のメカニズムを根本的に理解することで、摩耗痕の体積を直接かつ正確に把握することができます。ワイヤーBの表面は、600回転の摩耗試験後に摩耗痕が顕著に損傷しています。プロフィロメーターの3D表示では、ワイヤーBの表面処理層が完全に除去され、摩耗プロセスが大幅に加速されたことが分かります。このため、ワイヤーBの銅基板が露出している部分には、平坦な摩耗痕が残っています。この結果、ワイヤBを使用する電気機器の寿命が著しく短くなる可能性があります。一方、ワイヤーAは比較的摩耗が少なく、浅い摩耗痕が残っています。また，ワイヤAの表面処理層は，ワイヤBの表面処理層のように同じ条件下で剥離することはなかった。
銅線表面の傷つきにくさ。
図4は、試験後のワイヤのスクラッチ痕を示したものである。ワイヤーAの保護層は非常に優れた耐傷性を示し、〜12.6Nの荷重で剥離した。これに対し、ワイヤBの保護層は荷重～1.0Nで剥離した。このようにワイヤの耐傷性に大きな差があることから、ワイヤAは耐摩耗性が大幅に向上していることがわかる。図5に示すように、スクラッチ試験中の法線力、COF、深さの変化から、試験中の皮膜破壊についてより深く理解することができる。
結論
この対照研究では、表面処理された銅線の耐摩耗性を定量的に評価するナノベア社のトライボメータと、銅線の耐傷性を確実に評価するナノベア社のメカニカルテスターを紹介しました。ワイヤの表面処理は、その寿命期間中のトライボメカニカル特性に重要な役割を果たします。ワイヤーAの適切な表面処理により、耐摩耗性と耐傷性が大幅に向上し、過酷な環境下での電線の性能と寿命に重要な役割を果たしました。
ナノベアのトライボメータは、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、オプションの高温摩耗、潤滑、トライボ腐食モジュールを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、薄型・厚型、軟質・硬質コーティング、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。
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。
ナノベーストライボメータとラボサービスについての詳細はこちら
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
はじめに
ファブリックの形態と機能は、その品質と耐久性によって決まります。生地は日々使用されることにより、毛羽立ち、毛玉、変色などの磨耗や劣化が生じます。衣料品に使用される生地の品質が悪いと、消費者の不満やブランド毀損につながることが多い。
繊維の機械的特性を定量化しようとすると、多くの課題が生じます。糸の構造、さらには生産された工場によって、試験結果の再現性が低くなることがあります。そのため、異なる試験所での試験結果を比較することは困難です。繊維の摩耗性能の測定は、繊維生産チェーンのメーカー、流通業者、小売業者にとって非常に重要です。十分に管理され、再現性のある耐摩耗性測定は、布地の信頼できる品質管理を保証するために極めて重要です。
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摩耗とは、反対側の表面の機械的作用の結果として、表面上の材料が除去および変形するプロセスです。一方向の滑り、回転、速度、温度など、さまざまな要因の影響を受けます。摩耗、トライボロジーの研究は、物理学、化学から機械工学、材料科学に至るまで、多くの分野に及びます。摩耗の複雑な性質には、凝着摩耗、摩耗摩耗、表面疲労、フレッティング摩耗、エローシブ摩耗などの特定の摩耗メカニズムまたはプロセスに向けた個別の研究が必要です。ただし、「産業摩耗」には通常、複数の摩耗メカニズムが相乗して発生します。
直線往復摩耗試験と回転 (ピンオンディスク) 摩耗試験は、材料の滑り摩耗挙動を測定するために広く使用されている ASTM 準拠のセットアップです。摩耗試験方法の摩耗率の値は、材料の組み合わせの相対的な順位を予測するためによく使用されるため、さまざまな試験設定を使用して測定された摩耗率の再現性を確認することが非常に重要です。これにより、ユーザーは文献で報告されている摩耗率の値を注意深く検討することができます。これは材料の摩擦学的特性を理解する上で重要です。
ブレークパッドの性能を評価することの重要性
ブレーキパッドは、複数の材料からなる複合材料であり、多くの安全要求を満足させることが必要です。理想的なブレーキパッドは、高い摩擦係数（COF）、低い摩耗率、最小限の騒音、そして様々な環境下で信頼性を維持することです。ブレーキパッドの品質がその要求を満たすことができるようにするために、トライボロジー試験は重要な仕様を特定するために使用することができます。
ブレーキパッドの信頼性の重要性は非常に高く、乗員の安全性を無視することは許されません。そのため、運転状態を再現し、故障の可能性がある箇所を特定することが重要です。
ナノベアを使うと トライボメータ、ピン、ボール、またはフラットと、常に移動する相手材との間に一定の荷重がかかります。 2 つの材料間の摩擦は硬いロードセルで収集されるため、さまざまな荷重と速度での材料特性の収集が可能になり、高温、腐食性、または液体環境でのテストが可能になります。
測定目的
本研究では，室温から700℃まで連続的に温度上昇する環境下で，ブレーキパッドの摩擦係数を調査した。環境温度は、ブレーキパッドの顕著な破損が観察されるまでその場で上昇させた。摺動界面付近の温度を測定するために、ピンの裏側に熱電対を取り付けた。
試験方法と手順
結果および考察
この研究では、主にブレーキパッドが破損し始める温度に焦点を当てています。ピンの材質がブレーキローターと異なるため、得られたCOFは現実の値を表していない。また、収集した温度データはピンの温度であり、摺動界面温度ではないことに注意が必要である。
試験開始時（室温）、SS440CピンとブレーキパッドのCOFは約0.2の安定した値を示した。温度が上昇するにつれ、COFは着実に増加し、350℃付近で0.26の値でピークに達した。390℃を超えると、COFは急速に減少し始める。COFは450℃で0.2まで回復し始めたが、その直後に0.05まで減少し始めた。
ブレーキパッドが常に破損する温度は、500℃以上であることが確認された。この温度を過ぎると、COFはもはや出発時のCOFである0.2を維持することができなくなった。
結論
このブレーキパッドは、500℃を超える温度で一貫して破損を示しました。0.2だったCOFは0.26までゆっくりと上昇し、試験終了時（580℃）には0.05まで低下しています。0.05と0.2の差は4倍。つまり、同じ制動力を得るためには、580℃では常温の4倍もの法線力が必要なのです
この研究には含まれていませんが、ナノベーストライボメータは、ブレーキパッドのもう一つの重要な特性である摩耗速度を観察するための試験も行うことが可能です。当社の3D非接触型プロフィロメータを利用することで、摩耗痕の体積を取得し、サンプルの摩耗速度を算出することができます。ナノベーストライボメータは、さまざまな試験条件や環境下で摩耗試験を行うことができ、使用条件を最もよく再現することができます。
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