JP2011232156A

JP2011232156A - 摩耗試験装置及び摩耗試験方法

Info

Publication number: JP2011232156A
Application number: JP2010102219A
Authority: JP
Inventors: Sumio Kodera; 澄雄小寺; Hideto Nakao; 英人中尾; Hiroyuki Yamamoto; 浩之山本; Tomoo Takayama; 智生高山; Katsunori Sato; 勝紀佐藤; Naotaka Hattori; 直隆服部
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-04-27
Filing date: 2010-04-27
Publication date: 2011-11-17
Anticipated expiration: 2030-04-27
Also published as: JP5327132B2

Abstract

【課題】試験片の材質、表面状態、または試験条件等に影響されず、点接触状態において、常に安定した回転数及び接触位置で摩耗試験を行い、再現性の高い耐摩耗性を評価する装置及び試験方法を提供する。
【解決手段】モータにより回転駆動される第１の回転軸と、前記第１の回転軸と協働して球形部材を着脱可能に挟持する第２の回転軸と、試験片を保持する試験片ホルダと、前記試験片ホルダを前記球形部材に向けて付勢することにより、前記試験片を前記球形部材に対して押圧する試験片ホルダ付勢部と、前記モータを設定された試験時間に応じて駆動する時間制御手段とを備え、前記第１の回転軸と前記第２の回転軸は前記試験片が前記球形部材を押圧する荷重よりも大きな荷重にて前記球形部材を挟持して該球形部材を回転させて前記試験片の表面を摩耗させる。
【選択図】図2

Description

本発明は，摩耗試験装置及び摩耗試験方法を提供するものであり、特に安価な量産品が流通する鋼球を交換部品として用いることが可能であり、かつ、試験装置の操作に熟練を必要とせず再現性の高い摩耗試験を行うことが可能である摩耗試験装置及び摩耗試験方法を提供するものである。

多くの工業製品で、開発段階または製造工程における品質検査のために、摩耗試験が行われている。摩耗試験の接触形態としては、高面圧になりやすい点接触や線接触の試験が多く行われ、例えば、従来技術として潤滑摩耗試験やマイクロアブレシブ摩耗試験等が行われている。

例えば、特許文献１には、潤滑摩耗試験装置として、回転駆動装置に設置された回転軸の先端に固定されているロール状の回転体に、下部から試験片を押付け、回転体を回転させることで試験片の摩耗を検査する摩耗試験装置が記載されている。

また、非特許文献１には、マイクロアブレシブ摩耗試験装置として、図１に示すように、傾斜を持たせて設置された試験片（Specimen）と、回転駆動装置に設置された駆動軸(Drive Shaft)によって鋼球(Rotating sphere)が保持され、それら駆動軸と鋼球の間の摩擦によって、駆動軸の回転が鋼球に伝わり、鋼球を回転させることで、試験片を摩耗させる摩耗試験装置が記載されている。

特開昭58-225342号公報（１頁，図2）

1996年発行の学術雑誌Surface and Coatings Technology79巻に記載のL.Lutherford，I.M.Hutchings著「A micro-abrasive wear test, with particular application to coated systems」（231頁〜239頁，図2）

しかしながら、特許文献１に記載された潤滑摩耗試験装置は、回転体の片側のみが回転軸によって支持される状態であるため、荷重が大きいほど、回転軸がたわみ、接触位置が移動してしまう恐れがある。一方、回転体の表面を平坦にし、線接触とした場合、点接触に比べ、接触面積が増加するため、面圧が低下し、試験が長時間になる可能性がある。また、特許文献１に記載のものは、回転体がリング状の特殊形状を有するため、消耗部品である回転体の製造／調達コストが高いといった問題もある。

また、非特許文献１に記載されたマイクロアブレシブ摩耗試験装置は、消耗部品として鋼球を利用可能であるが、鋼球を傾斜を持たせて設置された試験片に載せているだけであるため、鋼球と駆動軸または鋼球と試験片との摩擦によって鋼球の回転数が変動しやすい。例えば、試験片の摩耗中に試験片と鋼球との摩擦係数が変動することによって、鋼球の回転数が変動することが考えられ、試験装置の操作に熟練したものであっても、再現性の高い摩耗試験を行うことが困難であった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、試験片の材質、表面状態、または試験条件等に影響されず、点接触状態において、常に安定した回転数及び接触位置で摩耗試験を行い、再現性の高い耐摩耗性評価が可能な摩耗試験装置及び摩耗試験方法を提供する。また、操作が簡易であり、交換部品に安価な鋼球を用いることが可能である摩耗試験装置及び摩耗試験方法を得ることを目的とする。

本発明による摩耗試験装置は、モータにより回転駆動される第１の回転軸と、前記第１の回転軸と協働して球形部材を着脱可能に挟持する第２の回転軸と、試験片を保持する試験片ホルダと、前記試験片ホルダを前記球形部材に向けて付勢することにより、前記試験片を前記球形部材に対して押圧する試験片ホルダ付勢部と、前記モータを設定された試験時間に応じて駆動する時間制御手段とを備え、前記第１の回転軸と前記第２の回転軸は前記試験片が前記球形部材を押圧する荷重よりも大きな荷重にて前記球形部材を挟持して該球形部材を回転させて前記試験片の表面を摩耗させる。

本発明による摩耗試験装置は、試験片の材質、表面状態、または試験条件等に影響され難く、安定した回転数及び接触位置で摺動し、再現性の高い摩耗試験を行うことができる。

従来のマイクロアブレシブ摩耗試験の模式図である。（K.L.Lutherford，I.M.Hutchings，「A micro-abrasive wear test, with particular application to coated systems」，Surface and Coatings Technology，第79巻，1996年，231頁〜239頁，図2）本発明の実施の形態1による摩耗試験装置を示す断面図である。本発明による実施の形態2による摩耗試験装置の要部を示す断面図である。本発明による実施の形態3による摩耗試験装置の要部を示す断面図である。

実施の形態１．
図２は本発明の実施の形態１による摩耗試験装置の断面図である。本実施の形態における摩耗試験装置では、球形部材である鋼球９を第１の回転軸１１及び第２の回転軸１２により着脱可能に挟持し、回転中の鋼球９に試験片１を押し当てて、試験片表面に円形の摩耗痕を生じさせることにより、試験片１の耐摩耗性を評価する。

図２に示した摩耗試験装置の構成について説明する。試験片１は試験片ホルダ２にて保持され、試験片ホルダ２の下部には、試験片１と鋼球９との間の荷重を計測するためのロードセル３が設けられる。ロードセル３はロードセル受け４により保持され、ロードセル受け４の下側端部は外筒６の貫通穴内に挿入される。当該貫通穴の上側開口部からは、ロードセル受け４の下側端部が挿入され、下側開口部は雌ねじ部となっており，ねじ５が挿入され，ナット８により外筒６に固定される。外筒６の貫通穴の内部において、ロードセル受け４とねじ５との間には、コイルばね７（試験片ホルダ付勢部）が圧縮された状態で挿入され、コイルばね７の反発力によって、ロードセル受け４が上方、即ち、鋼球９に向かって付勢される。試験片ホルダ２は、ロードセル３を介してロードセル受け４により上方へ付勢され、試験片ホルダ２上に載置された試験片１を鋼球９に対して押し付ける。

鋼球９は試験片１の上部に配置され、第１の回転軸１１及び第２の回転軸１２により着脱可能に挟持される。更に詳しくは、第１の回転軸１１と第２の回転軸のそれぞれの対向する端部には、鋼球９と同等の曲率を有し鋼球９と勘合する凹部が鋼球９の受け皿として形成されており、鋼球９はこれら回転軸１１と回転軸１２の受け皿により、それら回転軸の軸芯を合わせた状態で挟み込まれる。回転軸１１はモータ１０により回転され、回転軸１２は鋼球９を介して回転軸１１から伝わる回転力により、回転軸１１と同様に回転する。回転軸１１と回転軸１２は、軸受１４と軸受１５によってそれぞれ支承される。

回転軸１２は、軸周りにコイルばね１３が巻かれており、このコイルばね１３による軸方向のばね荷重を利用して鋼球９を回転軸１１に押し付ける。このとき、コイルばね１３によるばね荷重は、試験片１が鋼球９を押し付けるときの荷重よりも大きな荷重としている。これにより、試験片１の材質及び摩耗の進行による表面状態の変化により、試験片１と鋼球９の摩擦係数が変化した場合でも、回転軸１１，１２の鋼球９に対する保持力が試験片１と鋼球９との間の摩擦力よりも大きいため、変動する摩擦力に影響されることなく、常に安定した回転数での摩耗試験が可能となる。

鋼球９に比べ、試験片１の表面の硬度が高く、鋼球９と試験片１の硬度差が大きい場合は、試験片１の表面が摩耗し難いため、試験片１と鋼球９の摺動面に研磨剤１８を塗布することで、試験片１の摩耗を早めることができる。

ロードセル３が計測した荷重は不図示の表示装置に表示される。試験装置の操作者は、この計測値に基づいて、ねじ５の外筒６の貫通穴への挿入量を調整することにより、試験片１が鋼球９を押し付ける荷重を調整することができる。また、モータ１０は回転数制御装置１６、時間制御装置１７によってその回転数および回転時間が制御される。モータ１０の目標回転数および目標回転時間は不図示の入力装置を用いて操作者が回転数制御装置１６、時間制御装置１７に対して入力する。

次に図２に示した摩耗試験装置を用いた摩耗試験方法について説明する。まず、コイルばね１３を有する回転軸１２をばね荷重に逆らう方向（図２の紙面右方）へ引くことで、２本の回転軸１１と回転軸１２との間隔を広げる。次に、モータ１０の回転中心に軸芯を合わせた状態で回転軸１１と回転軸１２との間に鋼球９を挿入することで、回転軸１１及び回転軸１２で鋼球９を挟持する。次に、研磨剤１８を鋼球９に塗布すると共に、試験片１を試験片ホルダ２に固定し、ねじ５によって試験片ホルダ２を押し上げ、試験片１を鋼球９の下部に任意の荷重で押付け、ナット８を用いてねじ５を固定する。このときの荷重はロードセル３によって測定される。

このように試験片１と鋼球９を接触させた状態で、モータに接続された回転数制御装置１６と時間制御装置１７を用いて、鋼球９の回転数と試験時間を任意の条件に設定し、試験を開始する。試験後、試験片１の表面に生じた円形の摩耗痕の大きさを測定することで、試験片１の耐摩耗性を定量的に評価することができる。

評価対象の試験片１としては、本発明に係る評価方法を適用できるのであれば特別の制限はないが、例えば、家電製品の部品、自動車等の車輌の部品、車輌以外の機械の部品、成形用金型等の成形型、切削工具、冶具等の部品や、耐摩耗性評価において係る部品に相当し得る供試品を挙げることができる。これら試験片１の材料としては、浸炭焼入鋼、高速度工具鋼及びダイス鋼等を挙げることができる。

また、試験片１は表面の少なくとも一部に被膜を形成していても、本発明に係る評価方法を適用できるものであれば特別の制限はない。例えば、膜厚さ１〜３μｍ程度で、基材の耐摩耗性を向上させる耐摩耗性膜として基材よりも高硬度な膜が施されていてもよい。耐摩耗性膜としては、例えば、チタン、クロム、アルミニウム、タングステンを含んだ炭化物、窒化物及び炭窒化物や、硬質炭素膜（DLC膜：Diamond-Like-Carbon膜）を挙げることができる。

前記炭化物としては、炭化チタン（TiC）、炭化タングステン（WC）を挙げることができる。前記窒化物としては、窒化チタン（TiN）、窒化アルミニウム（AlN）、窒化クロム（CrN）を挙げることができる。炭窒化物の具体例としては炭窒化チタン（TiCN）を挙げることができる。また、これら炭化物、窒化物及び炭窒化物を2以上重ねた被膜であってもよい。多層膜の具体例として、TiC/TiN、AlN/CrN、TiCN/TiCなど、硬質膜を組み合わせたものを挙げることができる。

鋼球９の材質としては、試験片１の耐摩耗性評価が行えるもの（代表的には金属材料）であればよく、具体的には例としてＳＵＪ２（高炭素クロム鋼）の軸受鋼球を挙げることができる。軸受鋼球は直径、等級等がＪＩＳによって定められているため、精度の高い軸受鋼球を使用することで、軸受鋼球による摩耗支援のバラつきを抑制することができる。例えば、６０等級より精度の高い軸受鋼球を使用することが好ましい。また、鋼球の直径に対しても特別の制限はないが、同じ摺動距離で試験を行う際、直径が小さいほど鋼球の摺動面の摩耗が速く進むので、直径は大きい方が好ましい。

試験片１の鋼球９への押し付け荷重、鋼球９の回転数及び試験時間は試験片１の表面に被膜を形成させてなければ、特別の制限はない。一方、被膜を形成させ、被膜の耐摩耗性を評価する場合、基材まで摩耗しないよう、条件を設定する必要がある。
試験片１と鋼球９の摺動面に塗布する研磨剤１８については本発明に係る評価方法を適用できるのであれば特別の制限はないが、例えば、ダイアモンドペーストや、ダイアモンド、立方晶窒化ホウ素及び炭化珪素の粒子を含んだスラリーを挙げることができる。これらの粒径としては、試験片１の耐摩耗性評価に適用できるのであれば特別な制限はないが、例えば、粒径が小さいほど安価で入手できる１μｍ、３μｍを挙げることができる。また、研磨剤１８を塗布する場所は、１ヶ所でも、複数ヶ所でもよい。摺動面に一定間隔で複数ヶ所研磨剤１８を塗布すると、研磨剤１８が摺動面全体に広がりやすくなる。

以上のように、本実施の形態における摩耗試験装置では、モータ１０に設置され、端部に受け皿を有する回転軸１１と、回転軸１１と同様の受け皿を有し、コイルばね１３を巻き付けてある回転軸１２を軸受で支承し、それら回転軸１１、１２を用いて、モータ１０の回転中心に軸芯を合わせつつ、コイルばね１３による試験荷重よりも大きいばね荷重を利用して挟むことによって固定されている鋼球９に、試験片１を押付けつつ、鋼球９を予め定めた回転数で回転させて試験片１表面の１点をすべり摩耗させる。このため、安価な量産品が流通する鋼球９を交換部品として用いることが可能であり、かつ、試験装置の操作に熟練を必要とせずに再現性の高い摩耗試験を行うことが可能である。

特に、この構成により、鋼球９の回転数は、試験片１の材質や、摩耗の進行による表面状態の変化によって、試験片１と鋼球９との摩擦係数が変化した場合でも、回転軸１１，１２による鋼球９を保持する力が試験片１と鋼球９の間の摩擦力よりも大きくなるため、試験片１と鋼球９の摩擦係数の変化に影響されることなく、常に安定した回転数での摩耗試験を行うことが可能となる。さらに、鋼球９は両端で支持されているため、回転軸の曲げ剛性が強くなり、試験中に試験片１と鋼球９の接触位置がずれることなく、安定した接触位置での摩耗試験が可能となる。このように、安定した回転数及び接触位置で摩耗試験を行うことができるため、再現性の高い摩耗評価が可能となる。

また、本実施の形態における摩耗試験装置では、モータ１０の回転時間を制御する時間制御装置１７を備え、予め設定した時間試験を行うと自動的にモータ１０が止まるので、試験時間を正確に制御できるため、試験時間による摩耗試験の結果のばらつきが抑制され、より再現性の高い摩耗評価を行うことが可能となる。

また、本実施の形態における摩耗試験方法においては、コイルばね１３を有した回転軸１２を引くことで、２本の回転軸１１，１２の間隔を広げ、モータ１０の回転中心に軸芯を合わせた状態で、回転軸１１と１２の間に鋼球９を挿入し、コイルばね１３のばね荷重によって鋼球９を回転軸１１と１２で挟み込むことで、鋼球９を回転軸１１，１２に対して固定する。そのため、比較的に簡易な操作で、摩耗した鋼球９の交換が可能となる。

特に、上述の手順で評価を行うことによって、常に安定した回転数及び接触位置で、予め定めた距離を正確にすべり摩耗させることができため、同条件で作製した異なる試験片で、良好な感度が求められる場合に対しても、耐摩耗性の評価を行うことが可能となる。また、試験片１と鋼球９の摺動面に塗布される研磨剤１８により、試験片１の硬度が鋼球９よりも高い場合でも、短時間での評価が可能となる。

実施の形態２．
図３は本発明の実施の形態２による摩耗試験装置の部分断面図である。本実施の形態における摩耗試験装置では、鋼球９と回転軸１２の間にゴム１９を介在させており、その他の点は実施の形態１と同様である。

図２の回転軸１１及び１２による鋼球９の保持力は、試験荷重よりも大きいため、鋼球９の回転数は試験片１と鋼球９の間の摩擦力の影響を受けにくくなっている。図３のように回転軸１２と鋼球９の間にゴム１９を介在させることで、鋼球９と回転軸１１、１２との間の摩擦力がより大きくなるため、鋼球９の保持力が大きくなり、より試験片１と鋼球９の間の摩擦力に影響されなくなる。

実施の形態３．
図４は本発明の実施の形態３による摩耗試験装置の部分断面図である。本実施の形態における摩耗試験装置では、実施の形態１において試験片１と鋼球９との摺動部に塗布した研磨剤１８を塗布していない。評価対象の試験片１の硬度が鋼球９と同等程度，もしくは同等以下であれば、時間は要するが研磨剤１８を塗布しなくとも試験片１を摩耗させ、摩耗試験をすることが可能である。

１試験片、２試験片ホルダ、３ロードセル、４ロードセル受け、５ねじ、６外筒、７コイルばね、８ナット、９鋼球、１０モータ、１１回転軸、１２回転軸、１３コイルばね、１４軸受、１５軸受、１６回転数制御装置、１７時間制御装置、１８研磨剤、１９ゴム。

Claims

モータにより回転駆動される第１の回転軸と、
前記第１の回転軸と協働して球形部材を着脱可能に挟持する第２の回転軸と、
試験片を保持する試験片ホルダと、
前記試験片ホルダを前記球形部材に向けて付勢することにより、前記試験片を前記球形部材に対して押圧する試験片ホルダ付勢部と、
前記モータを設定された試験時間に応じて駆動する時間制御手段とを備え、
前記第１の回転軸と前記第２の回転軸は前記試験片が前記球形部材を押圧する荷重よりも大きな荷重にて前記球形部材を挟持して該球形部材を回転させて前記試験片の表面を摩耗させることを特徴とする摩耗試験装置。
前記第２の回転軸は、前記第１の回転軸に対して球形部材を付勢することにより、前記第１の回転軸と協働して前記球形部材を着脱可能に挟持することを特徴とする請求項１に記載の摩耗試験装置。
前記球形部材はJIS規格により直径及び等級が定められた軸受鋼球であることを特徴とする請求項１又は２に記載の摩耗試験装置。
前記試験片の表面は前記球形部材よりも硬度が大きい耐摩耗性膜が施され、前記球形部材は研磨剤が塗布されることを特徴とする請求項1〜３のいずれか１項に記載の摩耗試験装置。
前記第１または前記第２の回転軸は、前記球形部材側の端部に、前記球形部材と勘合する凹部を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の摩耗試験装置。
前記第２の回転軸の前記凹部と前記球形部材との間に、ゴムを介在させることを特徴とする請求項５に記載の摩耗試験装置。
モータにより回転駆動される第１の回転軸と前記第１の回転軸と協働して球形部材を着脱可能に挟持する第２の回転軸との間に球形部材を挟持するとともに、試験片ホルダに試験片ホルダを保持し、前記試験片ホルダを試験片ホルダ付勢部により前記球形部材に向けて付勢することにより、前記試験片を前記球形部材に対して押圧し、前記モータを設定された試験時間に応じて駆動する摩耗試験方法であって、前記第１の回転軸と前記第２の回転軸は前記試験片が前記球形部材を押圧する荷重よりも大きな荷重にて前記球形部材を挟持して該球形部材を回転させて前記試験片の表面を摩耗させることを特徴とする摩耗試験方法。