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
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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。
