繰 り返 し摩耗 におけるな じみ機構 について

素材物性学雑誌 第11 巻 第

号

論 文

繰 り返 し摩耗 におけるな じみ機構 について

谷 谷

神 熊

; . i +

賢 省

池 藤

菊 督

Runnlng‑inBehaviorofRepeatedDryWearomMetals by

KenyaKIKUCHII,OsamuKAMIYA††,YoshinoriSAITOTandKazuoKUMAGAエI†† Abstract

BeginnlngOftherepeatedlywear,severewearconditionofhighwearrate becomes predominate. Thewearratedecreaseswithtimeand thewearcondl‑ tlOnChangestoamildwear. Afterthat,awearbecomeshardlyadvanceand becomesstablecondition. Anoxidefilm formsatawornsurfaceandthesur‑ facegeometrybecomessmooth. Thatcondltioniscalled "runnlng‑in". The transitionmechanism from severeto "running‑1n" isImportantforconstant operation ofthemachinethathasa mobile components contacting among metals.A dryingrepeatedweartestofaplnOndiskwasstudiedunderunlu‑

bricationconditioninthisreport. Also,achangeofarunnlng‑1nprocessin magneticfieldhasbeenstudied. Theresultsarereportedasfollows.

KeyWords:SevereWear,MildWear, Wear

1.^{緒 言}

相対すべ り運動をす る金属同士 は必ず摩耗を生 じる｡

一般 に機械の相対すべ り運動をす る摩擦面では,初期

平成

年

月21 日受付

*秋 田大学大学院鉱山学研究科博士前期課程機械工学専攻

〒010

秋 田市手形学園町1‑

**秋 田大学工学資源学部機械工学科

〒010

秋 田市手形学園町1‑

***秋 田県工業技術 セ ンター

〒010

秋 田市新屋町砂奴寄4‑

TGraduatestudent,GraduateschoolofMechanicaland Englneerlng,MlningCollege,AkitaUnlVerSlty,1‑1 TegataGakuencho,Aklta0

1

TTDepartmentofMechanicalEngineering,Facultyof EngineeringandResourceSclenCeAkitaUnlVerSlty,1‑1 TegataGakuencho,Aklta⁰10,Japan.

††TAkltaPrefecturallndustrlalTechnologyCenter

,

倭, * * 男 * * *

Running‑ln,AdhesiveWear,Abresive

の運転期間中に接触の状態が改善 され,以後の運転 で は摩擦 も低 くなって作動が滑 らかになるなど潤滑性能 が向上す る(1)｡

繰 り返 し摩耗では,最初 は摩耗の進み方が早 く, 時 間 とともに次第 に遅 くなってい く｡摩耗の初期にお い て高 い突起 は,優先的にその先端部か ら除去 されると 同時に,相手面の突起 によって押 しつぶ されて塑性変 形す る｡その結果,高い突起付近 の谷の部分 は,逆 に 塑性変形 によりかな り隆起 して持 ち上 げ られ る｡ この 状態を初期摩耗 とよび激 しく摩耗が進行す るので シビ ア摩耗 とも呼ばれ る｡

次 に,塑性変形 による隆起が摩耗 により次第 に減 っ てきて,摩耗 の進行が遅 くなった状態を定常摩耗 あ る いはマイル ド摩耗 と呼ぶ｡ このように摩耗形態が変 わ る理由は,摩擦 によって表面 に酸化膜が形成 され, そ

12

第 11 巻 第

繰 り返 し摩耗 におけるな じみ機構 について

れが表面 を保護す るためであ る｡定常状態 にな り, 酸 化膜が形成 されたとき表面 はなめ らかにな り, この状 態 は "な じみ" と呼 ばれている｡ この ̀̀な じみ" は, 接触す る可動部 を持っ機械 の運転 で重要な過程である｡

な じみ過程 における表面粗 さ,酸化膜形成,表面 硬度 などが,焼 き付 き性や摩耗 に影響 を及 ぼす ことが知 ら れて いる(2ト 〔3).摩耗 にお けるな じみに関 して い くつか 報告 されているが(4)〜(7),どのよ うなメカニ ズムで な じ み過程 にな るか はまだ十分 には報告 されていない｡

川根 らば 8),磁場 の存在 によ って,摩耗粉が きわ めて 微細 な黒色酸化摩耗粉 に変化 し, これ らが摩擦面間 に 吸着介在す ることよって,摩擦 の ごく初期 において シ ビア摩耗か らマイル ド摩耗 に遷移 し,結果的に摩耗量 が減少 した と説明 してい る｡ この ことを利用 して, 短 い摩擦距離でな じみ過程 に遷移 させ ることができれば, 金属同士 の摩耗 において,摩耗量 の低減 につなが る と 考え られ る｡

そ こで本研究 で は,無潤滑条件下で ピン対 デ ィス ク の乾燥繰 り返 し摩耗実験 を行 い,任意 の時点 において 走査型電子顕微鏡 (以下SEMと略す) と三 次元 表面 測定装置を用 いて,な じみ過程 を解明す ることを 目的 とした｡ また,磁場 をか けたときのな じみ過程 につ い て も検討 した｡

摩耗 機構 の種 類

摩耗機構 には多 くの種類 があるが, ここで代表的 な 例をあげ簡単 に説明をす る｡

(1) 凝着摩耗 (adhesivewear)

真実接触面で凝着が生 じた とき,表面問の接線方 向 への相対移動があると凝着部分 の付近で破断が発生 し て相手面 に移着す る｡ これが繰 り返 され ると移着物 は 成長す る｡そ して,最後 には接触面か ら排 出 され摩耗 粉 とな る｡ このよ うな摩耗 をい う｡

(2)アプ レシブ摩耗 (abresivewear)

これ は,摩擦面の一方が硬 くて凹凸の激 しい場合 に 生ず る摩耗や,二面問 に硬 い固体粒子が入 った ときに 生ず る摩耗である｡

(3)腐食摩耗 (corrosivewear)

雰囲気中に水分,酸 などの腐食性物質が存在すると, 固形異物が無 くて も著 しい摩耗が生ず る｡ これを腐食 摩耗 とい う｡

本研究 に関連す る摩耗機構 として は,主 に(1)凝着 摩

13

耗 と(2)アプレシブ摩耗である｡

2. 実験 方法 2.1実験装置

Fig.1は, ピン ･デ ィスク型摩耗試験装置の概 略 で あ る｡回転す るデ ィスクに ピンを所定 の荷重で押 し付 けることによ り摩耗 させ る｡

ピンは磁化 コイルの中央 に挿入 されてお り, コイル に種 々の強 さの電流 を流す ことによ り磁化す ることが 可能 である｡

デ ィスクと ピンの摩耗量 は,摩耗前後 の質量 を精度 が0.1mgの精密 自動天秤 に よ り計 測 し,質量 の減量 か ら計算 した｡

実験 は, ピンに与え る荷重 をP‑1Nと し, 摩擦速 度 はⅤ‑500mm/S,摩擦距離 はL‑3000m,磁 束密 度 はB‑20mTと した｡

2.2試験片

実験 は,NiピンとS45Cデ ィスク, お よびS45Cピ ンとS45Cデ ィスク,NiピンとNiデ ィス クの組 み合 わせである｡(以後,それぞれ の ピ ンとデ ィス クの組 み合わせ は,Ni/S45C,S45C/S45C,Ni/Niと表 記す ることにす る｡)

加工 ひずみ を除去 し, 磁気 特性 を改善 す るため に 1173KX1200Sの真空焼 きなま しを行 った,直径2mm, 長 さ約30mmのNiとS45Cの ピンを使用 した｡ デ ィ

スクは,S45C (99.55% Fe,0.45% C)の丸棒 を素材 と して外形約45mm,厚 さ約6mmに削 り出 した もの で,熱処理 は施 していない｡Niデ ィス クは市 販 され ているニ ラコ社製￠50×5mm (99.7%)を使用 した｡

デ ィスクの摩擦面 の仕上 げは,研摩紙 (九 本工業研

Fig.1 Pinondisktypeweartestapparatus

14

菊池賢靖 ･神谷 修 ･窯藤省律 ･熊谷一男

摩紙 #80,♯180,♯320,♯400)を使 い,手動で磨 き 上 げた｡ また, ピンの摩擦面 の仕上 げ は研 摩紙 #400 を使用 した｡

本実験で は,デ ィスクの初期 の表面状態 (#80,#

400仕上 げ)を変化 させて摩耗実験 を行 った｡

各試験片 は,超音波洗浄機 を用 いてアセ トン洗浄 し, さ らに加工 による磁化 の可能性があるので,その影 響 を除去す る目的で大型 コイルに挿入 す る ことによ り, 磁気 モーメ ン トが小 さ くな るように交流消磁 して使用

し た ｡

3. 実 験結 果

3.1 N

l

0

この ころか ら,な じみ状態 にな った と考 え られ る｡ 摩 擦表面 には摩耗粉が付着 して黒 くな ってい るのが観察

された｡

B‑20mTとした場合 は,摩耗量 はB‑OmTの と き に見 られ る急激 に摩耗す る部分が存在 していない こと がわか る｡Raの変化 において も, シ ビア摩耗 によ り 粗 さの上昇す る部分が存在 していない ことが わか り, ゆ るやかに増加 していることが見て取 れ る｡

Fig.2 Relationshipbetweenwearamount, ReandslidingdistanceofNi/S45C

B uJ ‑N

Ou J

S IIdlng dISlance L.m

Fig.3 Relationshipbetweenwearamount, ReandslidingdistanceofNi/S45C Fig.3に,同 じ条件で初 期 の表面粗 さ (Ra)を大 きくした場合 の結果を示す｡摩耗量 は,初 期Raが小 さい ときよ りも少 ない ことがわか る｡ これは,摩耗粉 が初期表面 の凹凸間 に堆積 したため と考え られ る｡ ま た,Raが安定す るのに時間がかか って い るの も見受 け られ る｡

3.2 S45C/S45Cの組み合わせ にお ける摩耗挙動 Flg.4にP‑1N,B‑OmTの摩 擦距離 と摩 耗 量 , Raの関係を示す｡摩耗量 は直線的 に増加 し非常 に大

きくな っていることがわか る｡初期Raが大 きい場 合 は,約500mまで摩耗量が少 な く,Raの変 化 も安定 していることがわか る｡ これ は,摩耗 の初期 には接触

0 10 00

S liding d ista nce L.m

2 0 00

Fig.4 Relationshipbetweenwearamount

,

第 11巻 第

号

繰 り返 し摩耗 にお け るな じみ機構 につ いて

3000

0 1000 2000

SHdlng dfStanCe L.m

Fig.5 Relationshipbetweenwearamount, ReandslidlngdistanceofS45C/S45C

面積が小 さ く,凝着摩耗 とそれ にともな う掘 り起 こ し が起 こりに くいためにこのよ うになると推測 され る｡

Fig.5にP‑1N,B‑20mTの摩 擦距 離 と摩耗量 , Raの関係 を示す｡摩耗量 は磁場 な しの ときの1/100 程度 にな っていることがわか る｡ また,初期Raが大

きい場合 はデ ィスクの摩耗量が微量であることがわか る｡磁場 の存在 に関わ らず,初期Raが大 きい ときは 摩耗量が少 ない｡

これ らの ことよ り磁場 をか けることによ り,同材質 の場合で も摩耗量が少 な くなることがわか る｡

3.3 Nl/Nlの組 み合わせにおける摩事毛挙動 摩擦距離 と摩耗量,Raの関係 は, 同 じ材 質 の組 み 合わせ とい うことか ら,S45C/S45Cの ときと同様に, 摩耗量 は直線的 に増加 して非常 に大 き くな った｡ こ こ で はグラフは省略す る｡

B‑20mTとした場合 も先 に述 べたように,S45C/

S45Cと同様 に直線的 に変化 した ので ここで は グ ラフ は省略す る｡

3.4摩擦表面形態の変化

3.4.1 Nl/S45Cの組み合わせ にお ける摩擦表面 今 回の実験 で得 られた結果 の うち,な じみ評価 につ いて有用であ ると考 え られ る代表的なものを紹介する｡

Fig.6にNi/S45C,P‑1N,B‑OmT,初 期Ra‑

0.4〟mのデ ィスクの三次元摩擦表面 を示 す｡50mの ときは表面が粗 く,摩擦距離 の増加 にともな って表面 形態 は変化 し,3000mの ときはなだ らか にな っている

L=4001¶

15

L=3000yTl

Fig.6 Shapeof3‑dim ensionalsurfaceofS45C disk (Ni/S45C,P‑ 1N ,B‑Om

T)

L=130Ch L=3000m Fig.7 Shapeof3‑dimensionalsurfaceofS45C

disk(Ni/S45C,P‑1N,B‑20mT)

ことがわか る｡ この ときは既 にな じみ状態 にな って い ると推測 され る｡

B‑20mT,P‑1N,初期Ra‑

0

3.4.2 S45C/S45C組み合わせにおける摩擦表面 Fig.8にP‑1N,B‑OmT,初期Ra‑

0

L=900 m

菊池賢靖 ･神谷 修 ･碧藤省律 ･芳賀谷一男

しこ1300m

Fig.8 Shapeof3‑dimenslOnalsurfaceofS45C disk (S45C/S45C,P‑1N,B‑OmT)

S45Cの結果 と類似 した形態で変化 した｡

3.5 摩擦表面 のEDSX線分析

摩擦表面 が どのよ うに変化 してな じみにな るのかを 検討す るために,摩擦表面 に付着 している摩耗粉 の質 量含有率 を調べ るため,EDSX線分析 を行 った｡以 下 にその結果 を示す｡

Fig.10に摩擦距離 と付着摩耗 粉 中 の質量 含有 率 と の関係 を示す｡デ ィスク摩耗表面上 にお け る Feの質 量含有率 は,初期摩耗領域か ら遷移領域 に移 るに従い, 急激 に質量含有率が減少 しているのに対 し, ピン摩耗 表面上 におけるNiはそれ ほど大 きな変 化 はみ られ な い｡ また,定常摩耗領域 に遷 移 す る とデ ィス クで は, デ ィスクの材質であるFeが, ピンで は ピ ンの材質 で あるNiが,40%前後 に落 ち着 いていることがわか る｡

ピンにおけるNl質量含有率 は,定常 摩耗 領域 に遷 移す る際 の減少 の割合がデ ィスクのそれ に比べ急激で ある｡ これ は,Feに比べNiの方が軟 らかいため破 砕 した摩耗粉 のか どが とれやす く, ほかの物質 と混合 し やす いためだ と考 え られ る｡また,デ ィスク摩耗 表面 上 においてNiは徐 々に遷移領域 まで増 加 し, 定常 摩 耗領域 にいた るまで数値 は安定 している｡

これに対 し酸素質量含有率 は初期摩耗領域で はほと ん ど存在 しないが,遷移領域 に達す るとともに急激 に 増加 し,定常摩耗領域 まで少 しずづ増加 していること がわか る｡

ピン摩耗表面上 におけるFe質量含有率 は,初 期 摩

L=900r n L=3000n 1 80

Flg･9 Shapeof3‑dimensionalsurfaceofS45C disk (S45C/S45C,P‑1N,ち ‑20mT)

速 く,表面 は凝着 にともな う激 しい掘 り起 こしにより, 凹凸が大 きくな ってい る｡摩擦距離が増加 して も,磨 擦表面 の状態 はN

i

いと考え られ る｡

Fig.9にP‑1N,B‑20mT,初 期Ra‑

0

i

と同様 に凝着 にともな う掘 り起 こしの後 は特 にはみ ら れない｡そのため,摩擦距離が増加 して も表面 はなだ

らか にな ってい ることがわか る｡

なお,Ni/Nlの組 み合 わせ も摩擦表面 はS45C/

%ss

e

■

O d Lu

E

Eula

1000 2000 3000

S llding distance L.m

Fig.

1

Sitioninadhesionwearparticlesand slidlngdistance

第 11 巻 第

号

繰 り返 し摩耗におけるな じみ機構 について

耗領域 において多少減少 し,遷移領域以降は増加 は し ているものの30%付近 で安定 して い る｡酸素質量含 有率 は摩擦距離の増加 とともに増 し,定常摩耗領域 に は30%程度 に増加 している｡また,定常摩耗領域 にお いてデ ィスクではNiと酸素が ほぼ同 じ質量 を 占めて お り, ピンで はFeが酸素 とほぼ同 じ質量 を 占めて い ることがわか る｡

4.

考 察

4.1異種金属同志の組み合わせにおける摩耗挙動 前述の結果か ら,異種金属組み合 わせでは,摩擦距 離の増加 にともない摩擦表面 には摩耗粉が付着 し,酸 化す るということがわか った｡

また,磁場 により摩耗粉が摩耗 の初期 に微細化 し, 表面同士の凝着が起 こりに くくな り摩耗量が減少 し表 面 も安定 に保つ ことがで きる｡磁場 をか けた場 合 は, 表面同士の凝着があまり起 こらず に摩耗す るというこ

とがいえ る｡

初期表面粗 さを大 きくした場合 は,発生 した摩耗粉 が,摩擦表面 の初期表面の凹凸の問 に入 り込んで堆積 し, トラックか ら排出され る摩耗粉が少ないため摩耗 量が減少 しているように見えると考 え られ る｡ また, な じみになるのに時間がかか っているように見えるの は,摩耗の初期 に接触面積が小 さいために,ある程度 の大 きさの接触面積 になるまでに時間がかか り, シ ビ ア摩耗 になるのが遅れ,その後マイル ド摩耗 に遷移 す るためにこのようになると考え られ る｡

4.2 同材質の組み合わせにおける摩耗挙動 S45C/S45C,Ni/Niの結果か ら,同種金属同士 の 組み合わせでは,摩耗量およびRaは摩擦距離 の増加 とともに増加す ることがわか った｡ このような摩耗形 態 になるのは,同材質の組み合わせでは凝着が起 こり やす く,それに伴 う掘 り起 こしが大 きくなるためと考 え られ る｡摩擦表面 は酸化す るが,す ぐに凝着 によ る 掘 り起 こしのために,酸化皮膜 は摩耗 して排除 され る ため,な じみにはな らないと考え られる｡

S45C/S45Cの場合 は,初期Raを大 き くす ること で摩耗量 は減少 しているように見え るが, これは摩擦 表面が全面一様接触 になるまで摩耗量が少ないだけで あって,一様 に接触す るようになるとき, つ ま り500 m付近か らは激 しい凝着摩耗 が起 こって いることが わかる｡ したが って初期Raを大 きくした場合 は,潔

17

着摩耗 による激 しい掘 り起 こしを遅 くす る作用がある と考え られる｡

また,同材質の組み合わせにおいて も,磁場 によ る 酸化促進作用 により摩耗粉が微細化 し,それが摩擦面 問に介在す ることにより表面同士の凝着を防いでいる ためと考え られ る｡

4.3摩擦表面の酸化

摩擦表面の摩耗粉 は,初期摩耗領域 において破砕直 後 に ｢か ど｣があり,遷移領域 に移 るに従 い ｢か ど｣

が とれ,そのか けらが1〃mにもみたない細か い摩耗 粉 となりその摩耗粉が酸化 され,丸みを帯 びて,大 き な摩耗粉 に付着す ることによって,酸素質量含有率 が 増加す ると考え られる｡

S45Cデ ィスクに付着 したNiとFeの摩耗粉でNi が酸化 していると述べたが, これについて考えてみる｡

なお,S45C摩耗粉をFe摩耗粉 と呼ぶ ことにす る.先 に述べたS45C/S45Cなどの同種金属の組み合わせ の 場合 は,親和力が大 きく,凝着 が起 こりやす いために 摩耗量が増大す る｡Ni/S45Cの組み合わせで考 え る と,摩耗 の初期 にはシビア摩耗 とな り,摩耗量 は増大 している｡ このときの表面の摩耗粉 は,NiとFeが凝 着 しているものであると予想がっ く｡それが摩擦距離 の増加にともな って,摩擦表面 に付着 または摺込 まれ てい く｡ また, シビア摩耗のときは,摩擦距離 の増加 にともなって摩擦表面の温度 は上が り,その後,摩擦 表面 は酸化す る｡FeがFeにこす られ ると,凝若 しや す くな り温度の上昇 も大 きいはずである｡ この ことか ら,デ ィスクに付着 したNi摩耗粉 はNiピンに こす られ,それによりFeの部分 よりも温度上昇 が高か っ たために酸化 したので はないか と考 え られ る｡Niピ ンに付着 したFe摩耗粉 もこれ と同 じよ うに考 えて, S45Cディスクと摩擦す ることによ り酸化 したので は

ないか と考える｡

5.同材質 の組 み合 わせでの摩耗 の改善

乾燥繰 り返 し摩耗 中で は, 同材質 の組 み合 わせ の 場合 には摩耗量 が非常 に大 き くな るとい う こ とが, S45C/S45CおよびNi/Niの結果か ら得 られた｡ こ れを何 らかの方法で,な じみ状態にす ることがで きな いか と検討 した｡Ni/S45Cで は,摩擦表面 に酸化摩 耗粉が付着す ることでな じみに遷移す ることがわか っ たので,摩耗の初期 にある種の粉末を添加す るとな じ

菊池賢靖 ･神谷 修 ･賓藤省律 ･熊谷一男

みになるのではないか と考えた｡粉末の種類 によって は摩耗 に大 きな影響を及ぼす ことがわか ったので以下 にその結果を報告す る｡

5.1 S45C/S45Cの組み合わせでの摩耗の改善 摩擦表面問に金属粉を介在 させ ることにより,摩擦 面同士の凝着を防 ぐ金属粉があるのではないか と考え た｡そ こで,S45C/S45Cの組み合わせで50m摩耗 さ せた後 に,摩擦表面 に以下 に示す金属粉および酸化金 属粉を添加 して摩耗 した｡摩耗 にほとん ど影響を及 ぼ さない粉体 は,A1203(約25〟m),酸化鉄 (Fe203(約 l〟m),Fe304(約l〟m)),純Ni(約10〃mう,NiO (約5〟m)であ り, これ らを添加 したときは,粉体 を 添加 しない ときの50mまで の摩耗形態 と変 わ らず, 掘 り起 こしの激 しいシビア摩耗のままであった｡ しか

し,純Fe粉 (約25〟m)を添加 した ときだ けが,瞬 時に してシ ビア摩耗の激 しい掘 り起 こ しの苦 が消 え, マイル ド摩耗時のような摩擦音 に変化 した｡マイル ド 摩耗状態 は,Fe粉 1回 の添加 でお よそ250‑350m続 いた｡1回の添加量 は50mgである｡

Fig.11に50m摩耗 してか ら純Fe粉 を添加 して, その後3.3m摩耗 した ときのデ ィスクお よび ピ ンの sEM写真を示す｡摩擦距離が50mときのデ ィスク表 面 は,凝着 による掘 り起 こしのために凹凸の激 しい こ

とがわか る｡摩擦距離 が53.3mの摩擦面 は,50mの ときと変わ りないよ うに見 え るが,50m摩耗 してで きた摩耗粉 にFe粉が付着 していることがわか る｡ ピ ン表面 にはデ ィスクよりも小 さなFe粉 が付着 して い る｡

Fig.12にS45C/S45C,P‑1N,L‑3000m (50m 摩耗後,約200m間隔で純Fe粉 を添加 す る) の摩擦 距離 と摩耗量,Raの関係を示す｡ ピンの摩耗量 は50 mのときか らはば変化 はな く,微量 づっ摩耗 して い

る｡ディスクには,添加 した純Fe粉 が付着 して い る と考 え られ,摩耗量 は減少 して い ることが わ か る｡

1000m付近か らデ ィス クの摩耗量 の変化 ははば一定 となってお り,またRaの変化 も一定 になってい るこ とか ら, この ころか らな じみになったと考え られ る｡

以上の ことか ら,純Fe粉添加 によ り瞬時 にマイル ド摩耗状態 にな り,摩擦表面 はなだ らかになるとい う ことがわか る｡ また,純Fe粉を摩擦面 に添加 した と きは,磁場をかけたときと同様 に摩耗量軽減の効果 が あると考えることがで きる｡

(a)L三50m.S45C

デ ィスク

(b)L=533m,S

45

デ ィスク

(C)L=53.3m,S45Cビン

Fig･ll Scanningelectronmicrographshowlng wornsurfaceofS45Cdュsk

(S45C/S45C,P‑1N,Fepowderisadded after50m wear)

0

Slidlngdistance L.m

Fig･12 Relationsbipbetweenwearamount,Ra andslidingdistanceofS45C/S45C (Fepowderisaddedinabout200m inter‑ Valsafter50m wear)

第 11巻 第

号

繰 り返 し摩耗 にお け るな じみ機構 につ いて

5 2 Nl/ Nlの組み合わせでの摩耗の改善

S45C/S45Cのときと同様 に,50m摩耗 した後,摩 擦表面 に金属粉 を添加 したところ, この場合 も純Fe 粉を添加 したときだけが,瞬時にマイル ド摩耗 に変化

した｡マイル ド摩耗状態 は,純Fe粉 を 1回 の添加 で およそ220‑300m続 いた｡

50m摩耗 してか ら純Fe粉 を添加 して, その後100 m摩耗 したときのSEM写真 をFig.13に示 す｡50m 摩耗 したときの写真 より,デ ィスク表面 はピンとの凝 着 による激 しい掘 り起 こしの様子がわかり,表面は荒々 しくなっている｡150mのデ ィスクに は,表面 の凸部 付近 に純Fe粉が付着 しているのがわか る｡ デ ィス ク にはおよそ20〟mの大 きさの純Fe粉 が付着 してお り, ピンにはディスクよりも細かいお よそ5〝mの純 Fe粉が付着 している｡

以上の ことより,Ni/Niの場合 も純Fe粉 を添加 す ることで ピンとディスクの凝着を防 ぐことで,瞬時 にマイル ド摩耗 に遷移す ると考え られ る｡

Fig.14にNi/Ni,P‑1N,L‑3000m (50m摩耗 後,約200m間隔で純Fe粉を添加す る) の摩擦距離 と摩耗量,Raの関係を示す｡摩擦表面 は摩擦距離 の 増加 にともな って小 さな凹凸が とれていることが分か る｡S45C/S45Cの組み合わせ と同様 に, 摩擦距離 の 増加 とともにデ ィス クには 純Fe粉 が付着 して い る と考え られ,摩耗量 は減少 して い る部分 が見 られ る｡

ディスクが1500m付近か ら摩耗量 が少 し増加 して い るが,Raに変化がみ られないところか ら, これ は表 面 に付着 しているFe粉が摩耗 した もので はないか と 考え られる｡

なぜ摩擦表面 に純Fe粉を添加す ると摩耗量 が減少 す るのかを考えてみる｡A120｡やFe20｡,Fe｡0｡,NiO などの酸化物 は表面 には移著 し難 く,かえ って表面 に くいこみ,砥粒 の役 目を してアプレシブ粒子 となって いると考え られ る｡そのため,摩耗す ることで アプ レ シブ摩耗が起 こり,それまでの摩耗形態 と変 わ らず, 掘 り起 こしの激 しい摩耗が起 きていたのではないか と 考える｡純Niは表面への移着力が弱 いため に,潤滑 剤の役 目はで きなか ったので はないか と考 え る｡純 Feはある程度表面 に移著 しやす く, また, とれやす いとい うことが摩耗を減少 させ る原因 となったのでは ないか と考え る｡また,大気中の摩耗なので酸素 と接 す る面積が大 きいため酸化 しやす く,摩耗 している間

19

(a)L=

5 0r n,Ni ディ

(b)L=150m.Niディスク

(C)L=150m.Nlビン

Fig･13 Scanningelectronmicrographshowing wornsurfaceofNidisk

(Ni/Ni,P‑1N,FepowderlSaddedafter 50m wear)

6LU

▲ P三

Nt ∈

0 1000 2000

Slidlngdistance

L

3000

Fig.14 Relationshipbetweenwearamount,Ra andslidingdistanceofNi/Ni

(Fepowderisaddedinabout200m inter‑ valsafter50m wear)

菊池賢靖 ･神谷 修 ･奈藤省律 ･熊谷一男

に微細化 して表面問に介在 し,凝着を防 ぐのではな い か とも考え られる｡

固体潤滑剤の代表的な ものは,二硫化 モ リブデ ン, 二硫化 タングステ ンなどがある｡ これ らが固体潤滑剤

としてつかわれる条件 としては,表面 に移着 しやす く, 容易 にせん断 されるとい うことである(9)｡ この条件 を 純Fe粉が満足 しているために,摩擦表面 に添加 す る ことで瞬時 にマイル ド摩耗 に変化す るのではないか と 考える｡

以上のことより,同材質の組み合 わせ に純Fe粉 を 添加す ることで,瞬時にマイル ド摩耗 に変化 させ,磨 擦面同士の凝着を防 ぎ,摩耗量を軽減で きるとい うこ

とがわか った｡

6.

結 言

無潤滑下で ピン対 ディスクの乾燥繰 り返 し摩耗実験 を行 い,シビア摩耗か らマイル ド摩耗 に遷移 し,な じ み機構 になるまでを検討 した結果,以下のようなこと が明 らかになった｡

(1) 乾燥繰 り返 し摩耗で は,異種金属同士の組み合 わ せだけがな じみになる｡

(2)ディスク表面 にはピンか ら発生 した摩耗粉が付着 して,また,ピン表面 にはデ ィスクか ら発生 した摩耗 粉が付着 して,それが摩擦距離の増加 に伴 って酸化 し て,な じみになると考え られ る｡

(3)磁場をかけることにより,デ ィスクの初期の摩擦 面が維持 され摩耗す る｡

(4)同種金属同士 の組み合わせでは,純Fe粉 を摩擦 表面 に添加す ることで瞬時にマイル ド摩耗に遷移 した｡

これにより,摩擦距離を増加 したときで も,磁場 をか けたときと同 じような効果が得 られ,摩耗量が軽減 で きた｡

参 考 文 献

(1) 佐藤博紀 ･京極啓史 ･中原網光 :潤滑,31,2 (1986),102.

(2)山本雄二 ･橋本正明 :潤滑,27,(1981),697. (3)久門輝正 ･築添正 :潤滑,21,4(1975),228.

( 4)

,ll

(1986),813.

(5)鏡重次郎 ･畑沢鉄三 ･川 口尊久 ･山田国男 :潤滑, 33,12(1988)900.

(6)久門輝正 ･須田博 :トライポロジス ト,42,2 (1997),135.

(7) 貴志強 ･相原了 ･梅津栄記 ･松本克之 :トライポ ロジス ト,42,3(1997),233.

(8)川根秀明 :真空中の摩耗 における磁気効果,秋 田 大学大学院鉱山学研究科 機械工学専攻修士論文, (1990).

(9) 日本機械学会編,新材料の トライボロジー,養賢 堂,(1991).