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201812実務で役立つトライボロジー活用術抜粋

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株式会社テックザイン様主催の講習会で、「機械エンジニアのための実務で役立つトライボロジー活用術~摩擦・摩耗・潤滑の基礎、摩擦摩耗特性の評価・解析法、実用化・課題解決事例,個別相談付~」と題して、トライボロジー講習会(応用編)の講師をつとめました。その際に使用した資料の一部抜粋になります。

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201812実務で役立つトライボロジー活用術抜粋

  1. 1. 機械エンジニアのための 実務で役立つトライボロジー活用術 ~摩擦・摩耗・潤滑の基礎,摩擦摩耗特性の評価・解析法, 実用化・課題解決事例,個別相談付~ 安藤技術士事務所 所長 安藤 克己 博士(工学),技術士(機械部門,金属部門,総合技術監理部門) テックデザイン講習会 2018年12月10日 1
  2. 2. プログラム 表面→接触 摩擦 摩耗 潤滑 材料技術 表面技術 Ⅰ. はじめに Ⅱ. 摩擦のメカニズム Ⅲ. 摩耗のメカニズム Ⅳ. 潤滑のメカニズム Ⅴ. 材料技術と表面技術 Ⅵ. 摩擦摩耗試験と評価・解析方法 Ⅶ. 実用化事例・課題解決事例 質疑応答,個別相談 2
  3. 3. 材料技術・表面技術とトライボロジー 表面→接触 摩擦 摩耗 潤滑 材料技術 表面技術 トライボロジー (摩擦,摩耗,潤滑,表面・接触) 材料技術(材料を利用する技術) 鉄鋼材料,非鉄金属,セラミックス,高分子材料 表面技術(表面に機能を付加する技術) 熱処理,溶射,肉盛,めっき,薄膜コーティング 製鉄機械設備(製銑,製鋼,圧延~表面処理) 自動車,産業機械,その他摺動部品・材料,表面処理 3
  4. 4. Ⅰ はじめに 1. トライボロジーとは 2. トライボロジーの歴史 3. 表面と接触 4. 表面性状 5. 固体の接触 4
  5. 5. Ⅰ-1 トライボロジーとは 「相対運動を行いながら相互作用を及ぼしあう表面およびそれに関する 実際問題の科学と技術」 摩擦,摩耗,潤滑,軸受設計などをその対象とし,これら問題における物理学,化学, 材料科学,応用力学などを含む. Tribology (1966 H. P. Jostによる造語) *経済効果,GDPの3% (トライボロジー) ×トライポロジー Lubrication → Tribology ラテン語 ギリシャ語 Luburicus [すべる] Tribos [摩擦する]+Technology [技術] トライボロジー: 性能劣化,損傷,寿命の原因→接触面の摩擦摩耗が75% →省資源,省エネ,地球温暖化 5
  6. 6. Ⅰ-3 表面と接触(1) 表面→接触 摩擦 摩耗 潤滑 材料技術 表面技術 6 1. 表面と接触 2. 表面性状 3. 固体の接触
  7. 7. Ⅰ-5 固体の接触(6) mm p W p Wi AriAr    H W真実接触面積 ~ pm : 塑性流動圧力(降伏圧力), pm = 3Y ≒ H (Y = σs) H : 押込硬さ 一般にHV [問題2] 硬さHV=200の材料表面100mm2に,荷重1000Nが加わる時のおおよその真実接触面積を求めよ. [答] 荷重W = 1000 (N),塑性流動圧力pm≒ HV = 200 (kgf/mm2) ≒ 2000 (N/mm2 ) 真実接触面積Ar = 1000/ 2000 = 0.5 (mm2) 7
  8. 8. Ⅱ 摩擦のメカニズム 1. 摩擦の法則 2. 摩擦の機構 3. 凝着部の成長 4. 表面膜の影響 5. 摩擦(摩耗)試験と摩擦係数 表面→接触 摩擦 摩耗 潤滑 材料技術 表面技術 8
  9. 9. Ⅱ-1 摩擦の法則(1) Amontons (1699) – Coulomb (1785) の法則 <乾燥摩擦> [経験則] ○ (1) 摩擦力は接触面に加えられる垂直荷重に比例する. ○ (2) 摩擦力は見かけの接触面積には無関係である. △ (3) 摩擦力は滑り速度には無関係である. △ (4) 静摩擦力は動摩擦力より大きい. W F 摩擦係数(Coefficient of friction) μ F: 摩擦力,W:垂直荷重 W F  μs = tanα 9
  10. 10. Ⅲ 摩耗のメカニズム 表面損傷 (surface damage),トライボ損傷 (toribofailure) 摩耗,塑性流動,転がり疲労,焼付き,その他(熱割れなど) 摩耗 (wear) 摩擦にともない表面から物質が徐々に失われる現象 ×磨耗 表面→接触 摩擦 摩耗 潤滑 材料技術 表面技術 1. 摩耗の分類 2. 凝着摩耗 3. アブレシブ摩耗 4. 比摩耗量 5. 摩耗形態図 6. エロージョン 7. 焼付き 8. 転がり疲労 9. 摩擦摩耗試験結果例 10
  11. 11. Ⅲ-1 摩耗の分類(1) 摩耗形式による分類 摩耗形態による分類 摩耗程度による分類 摩擦面による分類 凝着摩耗 マイルド(軽)摩耗 凝着摩耗 滑り摩耗 adhesive wear mild wear 溶融摩耗(welding) sliding wear アブレシブ摩耗 シビア(重)摩耗 焼付き(scuffing/seizure) abrasive wear severe wear 酸化摩耗 (異状摩耗) ざらつき摩耗(abrasive wear) 転がり摩耗 疲労摩耗 ピッチング(pitting) rolling wear fatigue wear フレーキング(flaking) スポーリング(spallinng) 酸化摩耗 フレッチング摩耗 oxidative wear 酸化摩耗 fretting wear fretting corrosion 腐食摩耗 腐食摩耗 corrosive wear エロージョン キャビテーション・エロージョン erosion cavitation erosion アブレシブ・エロージョン abrasive erosion エロージョン・コロージョン <流れ加速型腐食> erosion corrosion 11
  12. 12. Ⅳ 潤滑のメカニズム 1. 流体潤滑 2. 流体潤滑理論 3. 弾性流体潤滑 4. 境界潤滑 表面→接触 摩擦 摩耗 潤滑 材料技術 表面技術 5. 潤滑剤 6. 潤滑油 7. グリース 8. 固体潤滑剤 12
  13. 13. Ⅳ-4 境界潤滑(1) 境界潤滑(Boundary lubrication) : 潤滑状態のうち,油膜による負荷能力が十分でなく,金属間接触が生じていて,摩擦係数が,荷重,滑り速度, 潤滑流体の粘度に依存しない状態. 境界(潤滑)膜: 境界潤滑状態のときの潤滑面に存在し潤滑に有効に作用する境界膜.油膜,金属間接触部, 金属表面の吸着分子膜,無機被膜など. 境界摩擦: 境界潤滑状態における摩擦. *乾燥摩擦,流体摩擦 混合潤滑: 境界潤滑と流体潤滑が混在している 潤滑状態.力学的作用による粘性抵抗を考慮. 摩擦力 F = A{αSm+ (1-α) Sf )} A: 真実接触面積,α:金属間が直接接触している割合, Sm: 金属接触部のせん断強さ,Sf : 境界膜のせん断強さ 13
  14. 14. Ⅴ 材料技術と表面技術 1. 耐摩耗表面設計 2. 金属材料 3. 熱処理,拡散処理 4. セラミックス 5. 高分子材料 6. 表面被覆 7. 薄膜被覆 表面→接触 摩擦 摩耗 潤滑 材料技術 表面技術 14
  15. 15. Ⅴ-1 耐摩耗表面設計 表面処理(surface treatment) 表面硬化(hard facing)法,軟質被膜の形成法 熱処理: 高周波焼入れ 拡散処理: 浸炭,窒化 *浸炭焼入れ,窒化,軟窒化などが多い 表面被覆: 肉盛溶接,溶射,めっき 薄膜被覆: CVD,PVD,イオンプレーティング 耐摩耗対策 相手材との接触により起こる界面での摩耗機構に対処した表面設計 凝着摩耗,アブレシブ摩耗,疲労摩耗 肉盛 溶射 表面処理法の表面硬化層厚みと硬さ 摩耗機構に対処した表面被膜の組成 (出典) 機械工学便覧 β2編 材料学・工業材料 耐摩耗性向上表面処理 232-234 15
  16. 16. Ⅵ 摩擦摩耗試験と評価・解析方法 トライボロジー 試験 各種試験機器 トライボロジー 調査・解析 三次元表面性状解析,他 トライボロジー 研究支援 研究用試験機試作,他 表面→接触 摩擦 摩耗 潤滑 材料技術 表面技術 トライボロジーの三本柱 1. 各種摩擦摩耗試験 2. 調査・解析,表面性状解析 3. 試験機試作 16
  17. 17. Ⅶ 実用化事例・課題解決事例 トライボロジーの三要素 1. 耐摩耗技術(セラミックス) 2. 耐摩耗技術(製銑~製鋼) 3. 高摩擦・耐摩耗技術 (溶射ロール) 4. 高摩擦・耐摩耗技術 (圧延~表面処理) 17
  18. 18. Ⅶ-1 耐摩耗技術(セラミックス)(1) 高炉 18
  19. 19. Ⅶ-3 高摩擦・耐摩耗技術(溶射ロール)(2) 粗面化ロールの摩擦特性 粗面化ロールの摩耗特性 ロール摩擦面のその場計測 Crめっきロール,WC溶射ロール (表面粗さ Ra=2~8mm) 高摩擦溶射ロール 鋼板搬送ロールの表面テクスチャ 19
  20. 20. まとめ 表面→接触 摩擦 摩耗 潤滑 材料技術 表面技術 Ⅰ. はじめに Ⅱ. 摩擦のメカニズム Ⅲ. 摩耗のメカニズム Ⅳ. 潤滑のメカニズム Ⅴ.材料技術と表面技術 Ⅵ. 摩擦摩耗試験と評価・解析方法 Ⅶ. 実用化事例・課題解決事例 質疑応答,個別相談 トライボロジーの常識 LuDeMa (←Dr. Ludema) 潤滑 Lubrication 設計 Design 材料 Material 20

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