アプリケーションノート | すべり摩耗試験
ブロックオンリングすべり摩耗評価（ASTM G77）
NANOVEAブロックオンリングモジュールによる鋼の組み合わせの乾燥・潤滑すべり摩耗
研究・試験
Duanjie Li, Jonathan Thomas & Pierre Leroux
デザイン・編集
Andrew Shore
はじめに
すべり摩耗は、2つの材料が荷重下の接触部で互いにすべることで生じる材料の漸進的な損失です。自動車、航空宇宙、石油・ガスなど、機械やエンジンが稼働する多くの産業で避けられません。こうしたすべり運動は表面に深刻な機械的摩耗と材料移着を引き起こし、生産効率や機械性能の低下、さらには機械の損傷につながることがあります。
ブロックオンリング摩耗評価が重要な理由
すべり摩耗では、凝着摩耗、二元アブレシブ摩耗、三元アブレシブ摩耗、疲労摩耗など、接触面で複雑な摩耗メカニズムが起こることが多くあります。材料の摩耗挙動は、垂直荷重、速度、腐食、潤滑といった使用環境に大きく左右されます。さまざまな実使用条件を再現できる汎用性の高いトライボメーターが、摩耗評価には理想的です。
ブロックオンリング（ASTM G77）試験は、さまざまな模擬条件下で材料のすべり摩耗挙動を評価する広く使われている手法で、特定のトライボロジー用途に向けた材料の組み合わせを信頼性高く順位付けできます。
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測定の目的
本研究では、乾燥環境と潤滑環境におけるH-30ブロックとS-10リングのすべり摩耗挙動を評価します。NANOVEAのブロックオンリングモジュールが、金属の組み合わせについて制御された再現性のあるすべり摩耗シミュレーションを行えることを示します。
NANOVEA T2000 High Load
ニューマチック式トライボメーター
試験手順
NANOVEAのトライボメーターとブロックオンリングモジュールで、H-30ブロックとS-10リングのすべり摩耗挙動を評価しました。H-30ブロックは硬さ30HRCの01工具鋼、S-10リングは表面硬さ58〜63 HRC、リング直径約34.98 mmの4620鋼です。摩耗挙動への影響を調べるため、ブロックオンリング試験を乾燥環境と潤滑環境で行いました。潤滑試験はUSP重質鉱物油中で行いました。摩耗痕はNANOVEAの3D非接触プロファイロメーターで観察しました。試験条件を表1にまとめます。摩耗率Kは式K = V/(F × s)で求めました。ここでVは摩耗体積、Fは垂直荷重、sはすべり距離です。
| パラメータ | 値 |
|---|---|
| 試料 | H-30ブロック vs. S-10リング |
| 垂直荷重 | 134 N |
| 回転数 | 乾燥摩耗：200、潤滑摩耗：500,000 |
| 速度（rpm） | 乾燥摩耗：72、潤滑摩耗：197 |
| 温度 | 室温（RT） |
表1：ブロックオンリング試験の試験条件
結果と考察
図2は、乾燥環境と潤滑環境でのブロックオンリング試験の摩擦係数（COF）を比較したものです。ブロックの摩擦は、潤滑環境より乾燥環境のほうが大幅に大きくなります。COFは最初の50回転のなじみ期間に変動し、200回転の摩耗試験の残りでは約0.8の一定値になります。これに対し、USP重質鉱物油で潤滑したブロックオンリング試験では、500,000回転の摩耗試験を通じて0.09という一定の低いCOFを示します。潤滑剤により、面間のCOFは約90分の1に大きく低下します。
図3と図4は、乾燥・潤滑摩耗試験後のブロックの摩耗痕の光学像と断面2Dプロファイルです。摩耗痕の体積と摩耗率を表2に示します。72 rpmの低い回転速度で200回転の乾燥摩耗試験を行った鋼ブロックには、9.45 mm³という大きな摩耗痕体積が見られます。これに対し、鉱物油潤滑中で197 rpmの高速で500,000回転行った摩耗試験では、摩耗痕体積は0.03 mm³と大幅に小さくなります。
図3の画像から、潤滑摩耗試験での軽度の摩耗に比べ、乾燥条件では激しい摩耗が起きていることがわかります。乾燥摩耗試験中に発生する高熱と強い振動が金属摩耗粉の酸化を促し、激しい三元アブレシブ摩耗をもたらします。潤滑試験では、鉱物油が摩擦を下げて接触面を冷却するとともに、摩耗中に生じたアブレシブな摩耗粉を運び去ります。これにより摩耗率は約8×105分の1に大幅に低下します。環境によって耐摩耗性がこれほど大きく異なることは、実使用条件に即した適切なすべり摩耗シミュレーションの重要性を示しています。
| 試験 | 摩耗痕幅（mm） | 摩耗体積（mm³） | 摩耗率（mm³/N·m） |
|---|---|---|---|
| 乾燥試験 | 6.8 ± 0.2 | 9.45 | 3.2×10−3 |
| 潤滑試験 | 1.0 ± 0.1 | 0.03 | 4.1×10−9 |
表2：異なる試験条件で測定した摩耗痕の結果のまとめ
摩耗挙動は、試験条件のわずかな変化で大きく変わることがあります。NANOVEAトライボメーターは汎用性が高く、高温、潤滑、トライボコロージョンの条件で摩耗を測定できます。高性能モーターによる正確な速度・位置制御で0.001〜5000 rpmの速度範囲の摩耗試験が可能で、さまざまなトライボロジー条件の摩耗を調べる研究・試験機関に最適なツールです。
試料の表面状態はNANOVEAの非接触光学式プロファイロメーターで観察しました。図5は摩耗試験後のリングの表面形態です。すべり摩耗で生じた表面形態と粗さをわかりやすく示すため、円筒形状を除去しています。200回転の乾燥摩耗試験では、三元アブレシブ摩耗によって表面が大きく粗くなりました。乾燥摩耗試験後のブロックとリングの粗さRaはそれぞれ14.1と18.1 µmで、高速で500,000回転の長時間潤滑摩耗試験の5.7と9.1 µmと対照的です。この試験は、ピストンリングとシリンダーの接触部を適切に潤滑することの重要性を示しています。潤滑がないと激しい摩耗で接触面がすぐに損傷し、使用品質の不可逆的な劣化やエンジンの破損にまでつながります。
結論
本研究では、NANOVEAトライボメーターとブロックオンリングモジュールを用い、ASTM G77規格に従って鋼の組み合わせのすべり摩耗挙動を評価する方法を示しました。潤滑剤は材料の組み合わせの摩耗特性に決定的な役割を果たします。鉱物油によりH-30ブロックの摩耗率は約8×105分の1に、COFは約90分の1に低下しました。汎用性の高いNANOVEAトライボメーターは、さまざまな潤滑、高温、トライボコロージョン条件での摩耗挙動の測定に最適なツールです。
NANOVEAトライボメーターは、ISOおよびASTMに準拠した回転・往復モードで精密かつ再現性のある摩耗・摩擦試験を行い、高温摩耗、潤滑、トライボコロージョンのオプションモジュールを1台の統合システムで利用できます。NANOVEAの比類ないラインアップは、薄いものから厚いもの、軟らかいものから硬いものまで、コーティング、膜、基材のトライボロジー特性を幅広く求めるのに理想的なソリューションです。
ブロックオンリング摩耗試験に関するよくある質問
ブロックオンリング摩耗試験とは何ですか？
ブロックオンリング（ASTM G77）は、模擬条件下で材料のすべり摩耗挙動を評価する広く使われている手法です。回転するリングにブロックを押し付けることで、特定のトライボロジー用途に向けた材料の組み合わせを信頼性高く順位付けできます。
なぜすべり摩耗を評価するのですか？
すべり摩耗は、2つの面が荷重下ですべるときに生じる材料の漸進的な損失です。自動車、航空宇宙、石油・ガスなど、機械やエンジンが稼働するあらゆる場所で発生し、生産効率や機械性能を低下させ、機械を損傷させることさえあります。
ブロックオンリング試験はどのように行いましたか？
01工具鋼（30 HRC）のH-30ブロックを、4620鋼（58〜63 HRC、直径約34.98 mm）のS-10リングに対して134 Nで試験しました。乾燥条件では72 rpmで200回転、USP重質鉱物油中では197 rpmで500,000回転です。
潤滑で摩耗はどのくらい減りましたか？
乾燥試験では9.45 mm³（3.2×10⁻³ mm³/N·m）の摩耗痕が生じたのに対し、鉱物油中では0.03 mm³（4.1×10⁻⁹ mm³/N·m）で、摩耗率は約8×10⁵分の1に減少しました。COFは乾燥時の約0.8から潤滑時の0.09に低下しました。
乾燥すべり摩耗はなぜこれほど激しいのですか？
乾燥試験で生じる高熱と強い振動が金属摩耗粉の酸化を促し、激しい三元アブレシブ摩耗を引き起こします。鉱物油は摩擦を下げ、接触部を冷却し、摩耗粉を運び去るため、表面もより平滑に保たれました（Ra 5.7と9.1 µm、乾燥時は14.1と18.1 µm）。
ブロックオンリング試験を行えるNANOVEA装置は？
ブロックオンリングモジュールを備えたNANOVEAトライボメーターです。速度は0.001〜5000 rpmで、高温、潤滑、トライボコロージョンの各オプションモジュールがあり、摩耗体積は3D非接触プロファイロメーターで測定します。
