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ロックトライボロジー

ロックトライボロジー

NANOVEA トライボメーターの使用

作成者

DUANJIE LI, PhD

はじめに

岩石は鉱物の粒子から構成されています。これらの鉱物の種類と存在量、および鉱物粒子間の化学結合の強さが、岩石の機械的および摩擦学的特性を決定します。地質岩石サイクルに応じて、岩石は変態を受ける可能性があり、通常、火成岩、堆積岩、変成岩の 3 つの主要なタイプに分類されます。これらの岩石は、さまざまな鉱物組成、化学組成、浸透性、粒子サイズを示し、そのような特性がさまざまな耐摩耗性に寄与しています。岩石トライボロジーでは、さまざまな地質学的および環境条件における岩石の摩耗および摩擦挙動を調査します。

岩石トライボロジーの重要性

摩耗や摩擦など、岩石に対するさまざまな種類の摩耗は、井戸の掘削プロセス中に発生し、ドリルビットや切削工具の修理や交換に起因する重大な直接的および結果的な損失につながります。したがって、石油、ガス、鉱業では、岩石の穿孔性、穿孔性、切断性、摩耗性の研究が重要です。岩石のトライボロジー研究は、最も効率的で費用対効果の高い掘削戦略の選択において極めて重要な役割を果たし、それによって全体の効率が向上し、材料、エネルギー、環境の保全に貢献します。さらに、表面摩擦を最小限に抑えることは、穴あけビットと岩石の間の相互作用を軽減する上で非常に有利であり、その結果、工具の摩耗が減少し、穴あけ/切断効率が向上します。

測定目的

この研究では、NANOVEA T50 の能力を実証するために、2 種類の岩石のトライボロジー特性をシミュレーションおよび比較しました。 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

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THE SAMPLES

試験方法

2 つの岩石サンプルの摩擦係数、COF、および耐摩耗性は、ピンオンディスク摩耗モジュールを使用する NANOVEA T50 トライボメーターによって評価されました。相手材にはAl2O3ボール(直径6mm)を使用しました。試験後、NANOVEA 非接触粗面計を使用して摩耗痕跡を検査しました。テストパラメータを以下にまとめます。 

摩耗率 K は、式 K=V/(F×s)=A/(F×n) を使用して評価されました。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 は回転数です。表面粗さと摩耗痕跡プロファイルは NANOVEA 光学粗面計で評価され、摩耗痕跡形態は光学顕微鏡を使用して検査されました。 

この研究では、カウンター材料として Al2O3 ボールを例として使用したことに注意してください。カスタム治具を使用して、さまざまな形状の固体材料を適用し、実際の適用状況をシミュレートできます。

テストパラメーター

スチール表面

石灰岩、大理石

ウェアリング半径 5mm
ノーマルフォース 10 N
テスト期間 10分
スピード 100rpm

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: 石灰石と大理石のサンプル間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。

渓谷エリア 谷の深さ 摩耗率
石灰岩 35.3±5.9×104 μm2 229±24μm 0.0353mm3/Nm
大理石 4.6±1.2×104 μm2 61±15μm 0.0046mm3/Nm

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

まとめ

この研究では、大理石と石灰石という 2 つの岩石サンプルの摩擦係数と耐摩耗性を、制御および監視された方法で評価する NANOVEA トライボメーターの能力を紹介しました。大理石の優れた機械的特性は、その卓越した耐摩耗性に貢献します。この特性により、石油およびガス産業での穴あけや切断が困難になります。逆に、床タイルなどの高品質の建築材料として使用すると、寿命が大幅に延長されます。

NANOVEA トライボメーターは、回転モードと直線モードの両方で ISO および ASTM 規格に準拠した、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。さらに、高温摩耗、潤滑、摩擦腐食用のオプションのモジュールも提供されており、すべてが 1 つのシステムにシームレスに統合されています。 NANOVEA の比類のない製品ラインナップは、薄いか厚いか、柔らかいか硬いコーティング、フィルム、基材、岩石のトライボロジーのあらゆる範囲のトライボロジー特性を決定するための理想的なソリューションです。

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