JP2007327917A - 金属材料の摩擦係数測定方法及び摩擦係数測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】極めて小さい表面積の金属部材の摩擦係数を測定できる摩擦係数測定方法・装置を提供する。
【解決手段】６０°以下の頂角を有し、金属材料に対して摩擦係数が一定の接触面圧測定用圧子を、所定の荷重と温度下で、対象金属材料に圧入する工程（１００）と、
工程１００の圧痕投影面積を測定する工程（１１０）と、
工程１１０の圧痕投影面積と接触面圧測定用圧子の摩擦係数から、力の釣り合い式（式（ｂ））を用いて対象金属材料の接触面圧を算出する工程（１２０）と、
接触面圧測定用圧子と同一の頂角を有し、所定の降伏強度（式（ａ））を有し、無潤滑で高摩擦係数を有する摩擦係数測定用圧子を、工程１００と同じ荷重と温度の下で、対象金属材料に圧入する工程（１３０）と、
工程１３０の圧痕投影面積を測定する工程（１４０）と、
工程１４０の圧痕投影面積と工程１２０の接触面圧から、式（ｂ）を用いて対象金属材料の摩擦係数を算出する工程（１５０）と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属材料の摩擦係数の測定方法および装置に関する。

特に、従来の金属材料の摩擦係数の測定が、荷重を加えて圧子と対象金属材料とを摺動させることによって測定していたため、ある程度の表面積を有する金属材料に対してのみ有効であったのに対し、本発明は、圧子の圧入により、極めて狭小な表面積を有する金属材料の摩擦係数を測定することができる金属材料の摩擦係数測定方法とその装置に関する。

また、本発明の方法と装置は、上記方法により種々の潤滑状態の金属材料の摩擦係数を測定可能であるため、一面、潤滑油剤の潤滑効果を評価する方法および装置を提供することができる。

従来の摩擦係数測定方法あるいはその装置は、所定の接触面積を有する圧子を所定の圧力で対象材料に押しつけ、前記圧子と対象材料を相対的に摺動させ、その摺動時に受ける抵抗を計測し、前記抵抗と前記押しつける圧力から摩擦係数を算出するものである。

特開２００１−２９６２３９号公報には、ローラーを備えた移動体に移動体本体に対して相対的に水平移動が可能な摺動体を搭載し、摩擦係数測定対象の部材に所定の圧力で前記摺動体を押しつけ、前記移動体をローラーの転がりによって移動させ、その際に摺動体が移動体に対して相対的に移動しようとする力を計測し、その力と摺動体を押しつける力とから摩擦係数を算出する技術が記載されている。

上記従来技術では、摺動体を測定対象の部材に対して押しつけながら所定の距離摺動させなければならないため、測定対象の部材がある程度の表面積を有することが必要である。

また、特開２００１−１８３２８８号公報には、一対の把持用顎部の間に試験片を一定の圧力で挟持し、前記試験片を引抜き装置によって引き抜き、引き抜くときの力を計測し、前記把持用顎部の挟持する力と前記試験片を引き抜く力から、摩擦係数を算出する技術が記載されている。

上記従来技術も、試験片に対して一定の力で把持用顎部を押しつけながら試験片に対して把持用顎部を所定の距離摺動させなければならないため、ある程度の大きさの試験片を必要とする。
特開２００１−１８３２８８号公報 特開２００１−２９６２３９号公報

従来の摩擦係数の測定装置は、圧子に所定の荷重を負荷する機構と、前記圧子を対象部材の接線方向に摺動させてその抵抗を計測する機構が必要不可欠であった。

上記従来技術で見てきたように、従来の摩擦係数の測定方法およびその装置は、圧子を対象部材に押しつけながら相対的に所定の距離摺動させなければならなかったため、対象部材が圧子を摺動させることができる面積を有していなければならなかった。

このように、従来の技術では、狭い表面積しか有していない部材の摩擦係数を測定することは困難であった。

本発明が解決しようとする一つの課題は、きわめて小さい表面積しか有していない金属部材の摩擦係数を測定することができる金属材料の摩擦係数測定方法及び摩擦係数測定装置を提供することにある。

本発明に係る金属材料の摩擦係数測定方法は、
６０°以下の頂角を有し、潤滑の有無に関わらず金属材料に対して摩擦係数がほぼ一定になる材料からなる接触面圧測定用圧子を、所定の圧力と所定の温度下で、対象金属材料に圧入する工程と、
前記接触面圧測定用圧子による圧痕の投影面積を測定する工程と、
前記接触面圧測定用圧子による圧痕の投影面積と該接触面圧測定用圧子が金属材料に対して有する摩擦係数から、力の釣り合いの式を用いて前記対象金属材料の接触面圧を算出する工程と、
前記接触面圧測定用圧子とほぼ同一の頂角を有し、対象金属材料の降伏強度に対して下式（ａ）の関係を満たす降伏強度を有し、対象金属材料に対して潤滑状態によって異なる摩擦係数を有する摩擦係数測定用圧子を、前記接触面圧測定用圧子の圧入と同じ荷重と温度の下で、前記対象金属材料に圧入する工程と、
前記摩擦係数測定用圧子による圧痕の投影面積を測定する工程と、
前記摩擦係数測定用圧子による圧痕の投影面積と前記算出された接触面圧から、下式（ｂ）を用いて前記対象金属材料の摩擦係数を算出する工程と、
を有することを特徴とする。
1.1Yi > 2.8Yp ・・・・（ａ）
ここで、Yi：接触面圧測定用圧子の降伏強度
Yp：対象金属材料の降伏強度

本発明に係る金属材料の摩擦係数測定装置は、
６０°以下の頂角を有し、潤滑の有無に関わらず金属材料に対して摩擦係数がほぼ一定になる材料からなる接触面圧測定用圧子と、前記接触面圧測定用圧子とほぼ同一の頂角を有し、対象金属材料の降伏強度に対して下式（ａ）の関係を満たす降伏強度を有し、対象金属材料に対して潤滑状態によって異なる摩擦係数を有する摩擦係数測定用圧子の双方を切り替え可能に把持し、あるいは前記接触面圧測定用圧子と摩擦係数測定用圧子とを取り替え可能に把持する、圧子把持機構と、
前記接触面圧測定用圧子と摩擦係数測定用圧子とを所定の荷重下で前記対象金属材料に圧入する圧入機構と、
前記接触面圧測定用圧子と摩擦係数測定用圧子による圧痕の投影面積を測定する圧痕投影面積測定手段と、
前記接触面圧測定用圧子による圧痕の投影面積と該接触面圧測定用圧子が対象金属材料に対して有する摩擦係数から、力の釣り合いの式を用いて前記対象金属材料の接触面圧を算出する接触面圧算出手段と、
前記摩擦係数測定用圧子による圧痕の投影面積と前記接触面圧算出手段によって算出された接触面圧から、下式（ｂ）を用いて前記対象金属材料の摩擦係数を算出する摩擦係数算出手段と、
を有することを特徴とする。
1.1Yi > 2.8Yp ・・・・（ａ）
ここで、Yi：接触面圧測定用圧子の降伏強度
Yp：対象金属材料の降伏強度

前記接触面圧測定用圧子はダイヤモンドからなるようにすることができる。

前記摩擦係数測定用圧子は焼き入れ鋼、炭化タングステン、ガラス、シリコンを含む材料のうちの一つの材料または表面改質により硬化した材料からなるようにすることができる。

また、硬さが既知の複数の材料に対して前記接触面圧測定用圧子または前記摩擦係数測定用圧子を、接触面圧測定用圧子または前記摩擦係数測定用圧子を対象金属材料に圧入する前記荷重と同じ荷重と温度下で圧入して得られた硬さと圧痕投影面積の関係を示す関係テーブルを有し、前記接触面圧測定用圧子または前記摩擦係数測定用圧子による圧痕投影面積を計測し、対応する前記硬さと圧痕投影面積の関係テーブルと前記圧痕投影面積から、対象金属材料の硬さを同時に算出する硬さ算出手段を有するようにすることができる。

本発明による金属材料の摩擦係数測定方法及び摩擦係数測定装置は、接触面圧測定用圧子を、所定の荷重と所定の温度下で対象金属材料に圧入し、前記接触面圧測定用圧子による圧痕の投影面積を測定し、前記圧痕の投影面積と接触面圧測定用圧子が金属材料に対して有する摩擦係数から、対象金属材料の接触面圧を算出する。

次に、本発明による金属材料の摩擦係数測定方法及び摩擦係数測定装置は、摩擦係数測定用圧子を、前記接触面圧測定用圧子の圧入と同じ荷重と温度の下で、対象金属材料に圧入し、前記摩擦係数測定用圧子による圧痕の投影面積を測定し、前記圧痕の投影面積と前記算出された接触面圧から、対象金属材料の摩擦係数を算出する。

このように、本発明の金属材料の摩擦係数測定方法及び摩擦係数測定装置によれば、対象の金属材料の接触面圧と摩擦係数の算出は、機械的な動作としては、圧子を測定対象の金属材料に圧入するだけで足り、後はそれらの圧痕の投影面積の計測と計算によって対象金属材料の摩擦係数を求めることができる。

このため、本発明によれば、測定対象部材に圧子を圧入するのに十分な面積があれば摩擦係数を測定でき、きわめて小さい表面積を有する任意の金属部材に対して摩擦係数を測定することができる。

また、本発明は、上述したように、機械的な動作として圧子を測定対象の金属材料に圧入し、その圧痕投影面積を計測することにより摩擦係数を算出するものであるため、その機械的動作および圧痕投影面積の計測は、既存の硬さ試験の方法および硬さ試験装置と同じである。

したがって、既存の硬さ試験装置を利用し、圧子を本発明で使用する圧子に変えることにより、本発明の摩擦係数測定装置を得られ、経済的で合理的な摩擦係数測定装置を得ることができる。

また、摩擦係数の測定と同じ荷重で、接触面圧測定用圧子または摩擦係数測定用圧子を、硬さが既知の複数の材料に圧入して得られる硬さと圧痕投影面積の関係を示す関係テーブルを備えることにより、一つの操作、すなわち、対象金属材料に接触面圧測定用圧子または摩擦係数測定用圧子を圧入しその圧痕投影面積を測定することにより、摩擦係数と同時に硬さを測定することができる。

すなわち、摩擦係数と硬さを同時に測定することができる測定方法及び測定装置を得ることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態による金属材料の摩擦係数測定方法のフローチャートを示している。

図２は、本実施形態の摩擦係数測定方法を実現する摩擦係数測定装置の概要を示している。

図２に示すように、本実施形態による摩擦係数測定装置１は、接触面圧測定用圧子２と摩擦係数測定用圧子３の双方を切り替え可能に把持し、あるいは接触面圧測定用圧子２と摩擦係数測定用圧子３とを取り替え可能に把持する圧子把持機構４を有している。

摩擦係数測定装置１は、対象金属材料５を把持する機構を有し、接触面圧測定用圧子２と摩擦係数測定用圧子３を所定の荷重下で対象金属材料５に圧入する圧入機構６を有している。

なお、対象金属材料５を把持する機構は、図２のような摩擦係数測定装置１では必要であるが、本発明にとって必須の構成要件ではない。すなわち、本発明は、試験片を切り出さないで既存の構造物の金属部材の摩擦係数を測定することができる装置を構成することができ、その場合は、圧子把持機構４と圧入機構６を本体に組み込み、既存の構造物の金属部分に対して圧子２，３を圧入できるように装置を構成する。

また、上述したことから明らかなように、圧入機構６は、圧子把持機構４と一体に構成することもできるし、図２のように試験片の摩擦係数を測定する装置の場合は、試験片を駆動するように構成することもできる。

また、摩擦係数測定装置１は、接触面圧測定用圧子と摩擦係数測定用圧子による圧痕の投影面積を測定する圧痕投影面積測定手段７を有している。

圧痕投影面積測定手段７は、圧痕の投影面積を測定できるように指向され、好ましくはレーザー顕微鏡を使用することができる。

圧痕投影面積測定手段７は、摩擦係数測定装置１に組み込まれたものに限られず、摩擦係数測定装置１とは物理的に分離した装置になっていてもよい。

さらに、摩擦係数測定装置１は、接触面圧測定用圧子２による圧痕の投影面積と接触面圧測定用圧子２が対象金属材料５に対して有する摩擦係数から、力の釣り合いの式を用いて、対象金属材料の接触面圧を算出する接触面圧算出手段８を有している。

また、摩擦係数測定装置１は、摩擦係数測定用圧子３による圧痕の投影面積と接触面圧算出手段８によって算出された接触面圧から、対象金属材料５の摩擦係数を算出する摩擦係数算出手段９を有している。摩擦係数算出手段９による摩擦係数の算出の方法は後述する。

接触面圧算出手段８と摩擦係数算出手段９は、摩擦係数測定装置１と一体に構成された専用のデータ処理手段であってもよいし、摩擦係数測定装置１とは物理的に分離された接触面圧と摩擦係数の計算を行うようにプログラムによって制御されたコンピューターであってもよい。

次に、本発明による摩擦係数測定の方法について以下に説明する。

本発明の接触面圧測定用圧子２と摩擦係数測定用圧子３は、６０°以下の同じ頂角を有する。

図３は、接触面圧測定用圧子２と摩擦係数測定用圧子３を対象金属材料５に圧入するときに作用する力を示している。

図３において、Ｗは圧子を圧入するときの荷重、αは圧子の頂角、ｐは接触面圧、μは摩擦係数、Ａは圧痕の投影面積を示す。

力の釣り合いから、次式（１）が導かれる。

接触面圧ｐは、本来圧子の形状に依存しないが、材料は硬化するため、押し込む圧子の形状によって塑性ひずみの大きさが異なる。このため、接触面圧ｐは、圧子の形状に依存する。

圧子は鋭角であるほど平均接触圧力が上昇する。

図４は、圧子の頂角αと接触面圧ｐの関係を示している。

図４は、式（１）から得られる接触面圧ｐを、摩擦が無いときの接触面圧ｐ_０で除した無次元接触面圧ｐ／ｐ_０を縦軸、頂角αを横軸に、頂角αと無次元接触面圧ｐ／ｐ_０の関係を示している。

図４から明らかなように、一般に圧子の頂角αが小さいほど平均接触圧力が大きい。また、頂角αが６０°以下であれば、接触面圧ｐが摩擦が無いときの接触面圧ｐ_０に比して有意に大きいことが分かる。

したがって、本発明においては、接触面圧測定用圧子２と摩擦係数測定用圧子３の頂角は６０°以下とし、好ましくは４５°以下とする。

本発明は、最初に接触面圧測定用圧子２を対象金属材料５に圧入する（図１，ステップ１００）。

接触面圧測定用圧子２は、摩擦係数測定用圧子３と同じの６０°以下の頂角を有し、潤滑の有無に関わらず多くの金属材料に対して摩擦係数がほぼ一定の材料からなる。

言葉を変えると、接触面圧測定用圧子２は、摩擦係数測定用圧子３と同じの６０°以下の頂角を有し、対象金属材料５に対して無潤滑の状態でも摩擦係数が低い材料からなる。

具体的には、ダイヤモンドは、多くの金属材料に対して摩擦係数が０．１〜０．１５という狭い範囲内の値を示すため、接触面圧測定用圧子２は好ましくはダイヤモンドによって形成する。

ただし、今後の材料技術の発展に鑑み、本発明はダイヤモンドに限られず、多くの金属材料に対して摩擦係数がほぼ一定となる任意の材料を使用することができる。

上記接触面圧測定用圧子２は、たとえば図２の圧入機構６によって対象金属材料５の表面に圧入され、対象金属材料５の表面に圧痕を形成する。

圧入は荷重Ｗ、所定の温度Ｔ（後に摩擦係数測定用圧子３を圧入するときと同じ温度）の下で行われる。

次に、本発明の金属材料の摩擦係数測定方法は、前記接触面圧測定用圧子２による圧痕の投影面積を測定する（図１，ステップ１１０）。

接触面圧測定用圧子２による圧痕の投影面積の測定は、図２の圧痕投影面積測定手段７によって行われ、たとえばレーザー顕微鏡を使用することができる。

接触面圧測定用圧子２による圧痕の投影面積は図３の符号Ａが示すものである。

次に、本発明の金属材料の摩擦係数測定方法は、ステップ１１０で測定された接触面圧測定用圧子２による圧痕投影面積と、接触面圧測定用圧子２が金属材料に対して有する摩擦係数（ダイヤモンドの場合は０．１〜０．１５のいずれかの固定値）を用いて、式（１）から対象金属材料５の接触面圧ｐ_ｓを算出する（図１，ステップ１２０）。

次に、本発明の金属材料の摩擦係数測定方法は、摩擦係数測定用圧子３を対象金属材料５に圧入する（図１，ステップ１３０）。

摩擦係数測定用圧子３は、接触面圧測定用圧子２と同一の頂角αを有するが、圧入過程で塑性変形を生じず、且つ、対象金属材料５に対して潤滑状態によって異なる摩擦係数、言い換えれば無潤滑状態で高い摩擦係数を有する材料からなる。

圧入過程で塑性変形を生じないようにするために、摩擦係数測定用圧子３は、対象金属材料５の降伏強度に対して下式（２）の関係を満たす降伏強度を有する材料からなる。
1.1Yi > 2.8Yp ・・・・（２）
ここで、Yi：接触面圧測定用圧子の降伏強度
Yp：対象金属材料の降伏強度

上記降伏強度を有し、且つ、対象金属材料５に対して無潤滑状態で高い摩擦係数を有する材料として、焼き入れ鋼、炭化タングステン、ガラス、シリコンを含む材料のうちの一つの材料または表面改質により硬化した材料が考えられる。

したがって、摩擦係数測定用圧子３は、具体的には、焼き入れ鋼、炭化タングステン、ガラス、シリコンを含む材料のうちの一つの材料または表面改質により硬化した材料からなり、接触面圧測定用圧子２と同一の６０°以下の頂角αを有する。

摩擦係数測定用圧子３の圧入は、ステップ１００で行われた接触面圧測定用圧子２の圧入と同一の荷重Ｗ、温度Ｔの下で行われる。

次に、本発明の金属材料の摩擦係数測定方法は、前記摩擦係数測定用圧子３による圧痕の投影面積を測定する（図１，ステップ１４０）。

圧痕の投影面積の測定は、ステップ１１０と同様に、図２の圧痕投影面積測定手段７によって行われ、たとえばレーザー顕微鏡を使用することができる。

摩擦係数測定用圧子３による圧痕の投影面積は図３の符号Ａが示すものである。

最後に、本発明の金属材料の摩擦係数測定方法は、摩擦係数測定用圧子３による圧痕の投影面積と、接触面圧測定用圧子２の圧入から算出された接触面圧から、力の釣り合いの式（１）を用いて対象金属材料５の摩擦係数を算出する（図１，ステップ１５０）。

具体的には、ステップ１４０で測定した摩擦係数測定用圧子３による圧痕投影面積と、ステップ１２０で求めた接触面圧ｐ_ｓとを、それぞれ式（１）の圧痕投影面積Ａと、接触面圧ｐに代入し、既知の荷重Ｗと頂角αを用いて摩擦係数μを算出する。

ステップ１２０で求めた接触面圧ｐ_ｓを代入して摩擦係数μを算出できるのは、接触圧力は、潤滑の有無に関わらず同一の材料については、ほぼ一定値となるからである。

すなわち、本発明は、ダイヤモンド等からなる接触面圧測定用圧子が、潤滑の有無に関わらず摩擦係数がほぼ一定になることを利用して対象金属材料の接触面圧を算出し、次に、潤滑の有無に関わらず金属材料の接触面圧が一定になるという性質を利用し、摩擦係数と圧痕投影面積が対応する材料からなる摩擦係数測定用圧子を用いて、摩擦係数測定用圧子の圧痕の投影面積を測定して摩擦係数を求めるものである。

つまり、式（１）について、最初は摩擦係数μを既知として接触面圧測定用圧子２の圧痕投影面積Ａから接触面圧ｐを求め、次に、同じ式（１）において接触面圧ｐを既知として摩擦係数測定用圧子３の圧痕投影面積Ａから摩擦係数μを求めることにより、圧子の圧入と圧痕投影面積の測定によって摩擦係数μを計算によって求めることができるのである。

以上の実施形態の説明から明らかなように、本発明の金属材料の摩擦係数測定方法及び摩擦係数測定装置は、対象の金属材料の表面に、きわめて小さい圧子を圧入するだけで摩擦係数を測定できるため、きわめて小さい表面積を有する任意の金属部材に対して摩擦係数を測定することができる。

また、本発明によれば、圧子を対象金属材料に圧入し、その圧痕投影面積を測定するだけで摩擦係数を測定することができるため、対象金属材料から試験片を切り出す必要が無く、かつ、圧痕がきわめて小さいため、非破壊的に金属部材の摩擦係数を測定することができる。

さらに、本発明は、機械的な動作として圧子を測定対象の金属材料に圧入し、その圧痕投影面積を測定することにより摩擦係数を算出するものであるため、その機械的動作および圧痕投影面積の測定は、通常の硬さ試験装置と同じである。

したがって、既存の硬さ試験装置を利用し、圧子を本発明で使用する圧子に変えることにより、経済的に合理的な摩擦係数測定装置を得ることができる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。

図５は本実施形態による金属材料の摩擦係数測定方法のフローチャート、図６は本実施形態による金属材料の摩擦係数測定装置の構成を示している。

図５のフローチャートは、図１に対してステップ２００〜２３０を追加的に有する他は図１による処理と同じである。このため、図５において図１と同一の処理は同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図６の摩擦係数測定装置１０は、硬さ算出手段１１と、硬さと圧痕投影面積の関係を示す関係テーブル１２を有する他は、図２の摩擦係数測定装置１と同じである。このため、図６において図２と同一の部分については同一の符号を付して重複する説明を省略する。

本実施形態は、一回の圧子の圧入と圧痕投影面積の測定により、摩擦係数のための計算とともに、硬さを同時に算出するものである。

このため、本実施形態の摩擦係数測定装置１０は、接触面圧を測定するためあるいは摩擦係数を測定するために圧子を圧入する条件（荷重と温度等）と同じ条件で、硬さが既知の複数の材料に対して接触面圧測定用圧子２または前記摩擦係数測定用圧子３を圧入して得られる硬さと圧痕投影面積の関係を示す関係テーブル１２を有している。

硬さと圧痕投影面積の関係を示す関係テーブル１２は、接触面圧測定用圧子２を用いた場合の硬さと圧痕投影面積の関係、あるいは、摩擦係数測定用圧子３を用いた場合の硬さと圧痕投影面積の関係のいずれか一方またはその双方を有するようにすることができる。

硬さと圧痕投影面積の関係を示す関係テーブル１２は、データベースの形式でも、ファイル形式でもよく、硬さ算出手段１１が参照可能に記憶手段に記憶されているのが好ましい。

また、摩擦係数測定装置１０は、圧痕投影面積を入力し、硬さと圧痕投影面積の関係を示す関係テーブル１２を参照することにより、硬さを算出することができる硬さ算出手段１１を有している。

硬さ算出手段１１は、接触面圧算出手段８や摩擦係数算出手段９と同様に、摩擦係数測定装置１０と一体に構成された専用のデータ処理手段であってもよいし、摩擦係数測定装置１０とは物理的に分離された硬さの計算を行うようにプログラムによって制御されたコンピューターであってもよい。

上述したような硬さ算出手段１１と硬さと圧痕投影面積の関係を示す関係テーブル１２とを備えることにより、図５に示すように、ステップ１００で接触面圧測定用圧子２を対象金属材料５に圧入し、ステップ１１０で接触面圧測定用圧子２による圧痕投影面積を測定すると、該接触面圧測定用圧子２による圧痕投影面積を入力として、接触面圧測定用圧子２の硬さと圧痕投影面積の関係を示す関係テーブル１２を参照し（ステップ２００）、硬さ算出手段１１によって対象金属材料５の硬さを算出することができる（ステップ２１０）。

あるいは、図５のステップ２２０に示すように、ステップ１３０で摩擦係数測定用圧子３を対象金属材料５に圧入し、ステップ１４０で摩擦係数測定用圧子３による圧痕投影面積を測定すると、該摩擦係数測定用圧子３による圧痕投影面積を入力として、摩擦係数測定用圧子３の硬さと圧痕投影面積の関係を示す関係テーブル１２を参照し（ステップ２２０）、硬さ算出手段１１によって対象金属材料５の硬さを算出することができる（ステップ２３０）。

本実施形態によれば、摩擦係数の測定の過程で（ステップ２００，２１０の場合）、あるいは、摩擦係数を算出したときに（ステップ２２０，２３０の場合）、摩擦係数の測定のための圧子の圧入という機械的な動作と圧痕投影面積の測定を利用して、同時に硬さを測定することができる。

装置として見れば、既存の硬さ試験装置を利用して、金属材料の摩擦係数測定装置とともに硬さ試験装置を一つの装置で実現することができる。

なお、狭小な面積の金属材料で摩擦係数を測定することができる、非破壊的に摩擦係数を測定することができる、既存の硬さ試験装置を利用できるなどの摩擦係数測定装置１の効果は、本実施形態も奏することができる。

本発明の一実施形態による摩擦係数測定方法の処理の流れを示すフローチャート。 本発明の一実施形態による摩擦係数測定装置の構成を示す構成図。 圧子を対象金属材料に圧入するときに作用する力を示した説明図。 圧子の頂角αと接触面圧ｐの関係を示すグラフ。 本発明の他の実施形態による摩擦係数測定方法の処理の流れを示すフローチャート。 本発明の他の実施形態による摩擦係数測定装置の構成を示す構成図。

符号の説明

１ 摩擦係数測定装置
２ 接触面圧測定用圧子
３ 摩擦係数測定用圧子
４ 圧子把持機構
５ 対象金属材料
６ 圧入機構
７ 圧痕投影面積測定手段
８ 接触面圧算出手段
９ 摩擦係数算出手段
１０ 摩擦係数測定装置
１１ 硬さ算出手段
１２ 硬さと圧痕投影面積の関係を示す関係テーブル

Claims (8)

1. ６０°以下の頂角を有し、潤滑の有無に関わらず金属材料に対して摩擦係数がほぼ一定になる材料からなる接触面圧測定用圧子を、所定の荷重と所定の温度下で、対象金属材料に圧入する工程と、
   前記接触面圧測定用圧子による圧痕の投影面積を測定する工程と、
   前記接触面圧測定用圧子による圧痕の投影面積と該接触面圧測定用圧子が金属材料に対して有する摩擦係数から、力の釣り合いの式を用いて前記対象金属材料の接触面圧を算出する工程と、
   前記接触面圧測定用圧子とほぼ同一の頂角を有し、対象金属材料の降伏強度に対して下式（ａ）の関係を満たす降伏強度を有し、対象金属材料に対して潤滑状態によって異なる摩擦係数を有する摩擦係数測定用圧子を、前記接触面圧測定用圧子の圧入と同じ荷重と温度の下で、前記対象金属材料に圧入する工程と、
   前記摩擦係数測定用圧子による圧痕の投影面積を測定する工程と、
   前記摩擦係数測定用圧子による圧痕の投影面積と前記算出された接触面圧から、下式（ｂ）を用いて前記対象金属材料の摩擦係数を算出する工程と、
   を有することを特徴とする金属材料の摩擦係数測定方法。
   1.1Yi > 2.8Yp ・・・・（ａ）
   ここで、Yi：接触面圧測定用圧子の降伏強度
   Yp：対象金属材料の降伏強度
   

   
2. 前記接触面圧測定用圧子はダイヤモンドからなることを特徴とする請求項１記載の金属材料の摩擦係数測定方法。
3. 前記摩擦係数測定用圧子は焼き入れ鋼、炭化タングステン、ガラス、シリコンを含む材料のうちの一つの材料または表面改質により硬化した材料からなることを特徴とする請求項１記載の金属材料の摩擦係数測定方法。
4. 硬さが既知の複数の材料に対して前記接触面圧測定用圧子または前記摩擦係数測定用圧子を、接触面圧測定用圧子または前記摩擦係数測定用圧子を対象金属材料に圧入する前記荷重と同じ荷重と温度下で圧入して得られた硬さと圧痕投影面積の関係を示す関係テーブルを有し、前記接触面圧測定用圧子または前記摩擦係数測定用圧子による圧痕投影面積を計測し、対応する前記硬さと圧痕投影面積の関係テーブルと前記圧痕投影面積から、対象金属材料の硬さを同時に算出することを特徴とする請求項１記載の金属材料の摩擦係数測定方法。
5. ６０°以下の頂角を有し、潤滑の有無に関わらず金属材料に対して摩擦係数がほぼ一定になる材料からなる接触面圧測定用圧子と、前記接触面圧測定用圧子とほぼ同一の頂角を有し、対象金属材料の降伏強度に対して下式（ａ）の関係を満たす降伏強度を有し、対象金属材料に対して潤滑状態によって異なる摩擦係数を有する摩擦係数測定用圧子の双方を切り替え可能に把持し、あるいは前記接触面圧測定用圧子と摩擦係数測定用圧子とを取り替え可能に把持する、圧子把持機構と、
   前記接触面圧測定用圧子と摩擦係数測定用圧子とを所定の荷重下で前記対象金属材料に圧入する圧入機構と、
   前記接触面圧測定用圧子と摩擦係数測定用圧子による圧痕の投影面積を測定する圧痕投影面積測定手段と、
   前記接触面圧測定用圧子による圧痕の投影面積と該接触面圧測定用圧子が対象金属材料に対して有する摩擦係数から、力の釣り合いの式を用いて前記対象金属材料の接触面圧を算出する接触面圧算出手段と、
   前記摩擦係数測定用圧子による圧痕の投影面積と前記接触面圧算出手段によって算出された接触面圧から、下式（ｂ）を用いて前記対象金属材料の摩擦係数を算出する摩擦係数算出手段と、
   を有することを特徴とする金属材料の摩擦係数測定装置。
   1.1Yi > 2.8Yp ・・・・（ａ）
   ここで、Yi：接触面圧測定用圧子の降伏強度
   Yp：対象金属材料の降伏強度
   

   
6. 前記接触面圧測定用圧子はダイヤモンドからなることを特徴とする請求項５記載の金属材料の摩擦係数測定装置。
7. 前記摩擦係数測定用圧子は焼き入れ鋼、炭化タングステン、ガラス、シリコンを含む材料のうちの一つの材料または表面改質により硬化した材料からなることを特徴とする請求項５記載の金属材料の摩擦係数測定装置。
8. 硬さが既知の複数の材料に対して前記接触面圧測定用圧子または前記摩擦係数測定用圧子を、接触面圧測定用圧子または前記摩擦係数測定用圧子を対象金属材料に圧入する前記荷重と同じ荷重で圧入して得られた硬さと圧痕投影面積の関係を示す関係テーブルを有し、前記接触面圧測定用圧子または前記摩擦係数測定用圧子による圧痕投影面積を計測し、対応する前記硬さと圧痕投影面積の関係テーブルと前記圧痕投影面積から、対象金属材料の硬さを同時に算出する硬さ算出手段を有することを特徴とする請求項５記載の金属材料の摩擦係数測定装置。

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