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材料の「耐摩耗性」とその試験方法

工具鋼鋼材などの優劣は、しばしば、「耐摩耗性」「じん性」の2つの指標によって評価されることが多いようです。

しかし、特に、硬さの高い鋼では、この2つの指標を試験するのは、簡単ではありません。

工具鋼では、高い硬さの試験片を用いる試験になるので、試験方法は、JISなどの材料試験機やその試験方法に規定されていないものもあります。

ここでは、日立金属(株)のカタログにある図表を参考に、試験や検査方法についての内容や注意すべき点などについて紹介します。
   

耐摩耗性

一般的には、耐摩耗性の優劣は「寿命」に直接結びつくものと考えられています。

硬さと耐摩耗性は相関関係があることは、多くの摩耗実験でもそれが確かめられていますので、鋼の場合は、硬さが高いと耐摩耗性も高くなるので、まず、標準的な熱処理で同じ程度の硬さで試験をした結果を比較すればいいことになります。

しかしそれでも、潤滑の有無や負荷の大きさ、試験環境などの、いろいろな試験要素が結果に影響をおよぼすこともあって、耐摩耗性の試験結果と製品寿命との関係は同じにはなりにくいことから、摩耗試験は、あくまで、鋼材を評価するための指標の1つと捉える程度でいいかもしれません。

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一般的には、耐摩耗性の評価は、摩耗試験機を用いて、一般的には、摩擦させる相手材を一定の鋼材にして、無潤滑で試験をして、鋼種間の比較をしている場合が多いようです。

摩耗試験機を使わずに、実際に、工具を使って、寿命試験が行われることもあるのですが、時間も、費用もかかりますし、その結果が実際の使用する工具に反映しているかというと、やはり、汎用性のある試験結果ではないことになるので、一部の鋼種の特徴をPRするなどの場合以外は、実機の寿命試験の例は、ほとんど見かけません。

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土砂摩耗や凝着摩耗を調べる摩耗試験機が多い

摩耗試験や試験法は決まった方法はないのですが、
①砂などの鉱物と試料をこすって、その損耗量を比較するもの
②金属を押しつけて摺り合わして、試料または相手材の損耗状態を測定するもの

・・・ が多いようです。

①は土砂摩耗とかアブレイシブabrasive摩耗という言い方をされるもので、その原理は、回転する砂や小石にの中に試料を一定時間入れて、その損耗量を測定したり、サンドペーパーに品物を圧着して、一定時間の損耗量を見るなどのものです。 日立金属の鋼種で見ると、西原式摩耗試験機というものを使った試験データがいくつかあります。

②は、軟鋼などに試料をこすりつけて、その損耗状態を見るものです。 この摩耗形態は、凝着摩耗とか、アドヘッシブadhesive摩耗といわれるもの摩耗による損耗度を見るものです。 大越式摩耗試験機を使う例が多くなっていて、これは、簡単に摩擦速度を変えて試験ができるので、各社、この試験機を用いたデータが多いようです。

後で説明しますが、鋼の摩耗量は、成分値、組成、硬さなどの影響が大きく、特に、結果を見る場合は、成分、熱処理条件や硬さにも注目するようにしましょう。

その他の摩耗試験もあります。 しかし、いろいろな試験機で試験をしても、実際に工具として使用する場合の寿命を反映しにくいことは否めません。

また、一定の試験方法が決められないほど、試験条件によって結果の数値が変化しますし、試験機の構造や試験方法によっても、大きく結果が変わります。

つまり、極端に言えば、同じ試験機を用いて行った結果でも、条件が一致していなければ、同材質の試験であっても、違う試験機での試験データは、互換性はないといえますから、別々のメーカーのデータでは、同じように扱うことにも無理があります。

私が勤務していたときに、各メーカーの鋼材を使用していましたので、大阪の工技研さんの大越式試験機を丸1日借りて、独自に鋼材の比較試験をしていたのですが、その試験機も、オリジナルのものを、等荷重が付加できるように改良されていましたので、結果の数値は、鋼材メーカーのデータとは異なった数値になるために、鋼種比較をする場合は、毎回、標準的な鋼種の試料を準備して、それを含めて比較試験をしていたのですが、正直なところ、かなり試験結果がばらつくので、明確な評価は難しいものでした。

そうは言うものの、摩耗試験機を用いた比較は客観性があるので、鋼材メーカー各社も、摩耗試験値の比較で材料評価をするという流れから、多くの鋼材メーカーは、比較的に試験が簡単な、大越式(おおごししき)迅速摩耗試験機を使用する場合が多くなってきているようです。

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日立金属耐摩耗性データ

これは、日立金属(株)のカタログ技術資料から引用したものです。

この試験条件は、表の下に書いているように、SCM415のリングを、荷重が67Nを加えて、熱処理した試験片に押しあてて回転させ、摩擦スピード0.76m/sで400mの距離を摩擦した時にできる、試験片の摩耗痕の大きさから摩耗減量を測定して 「比摩耗量(単位条件あたりの摩耗程度)」を算出した結果が示されています。

比摩耗量が小さいほうが、耐摩耗性が高いということです。

この摩耗試験機の特徴は、簡単に摩耗条件(摩擦圧力、摩擦速度、摩擦距離など)を変えて試験ができることから、多くの鋼材メーカーでも用いられているものですが、摩擦速度や荷重のかけ方によって摩耗形態が変わることや、摩耗減量の計測が難しく、それも含めて、結果のばらつきが多くなってしまうという問題も内在しています。

しかし、鋼材メーカーでは、長年の経験があるので、それなりのデータの取り方をされているので、かなり信頼度が高い数値ですが、それでも、上の図のように、硬さの違いがあれば、この数値の数字だけで、耐摩耗性の優劣を決めてはいけないということになります。

この図は、示された鋼種の標準的に使用される硬さにおける耐摩耗性の比較としてみるといいでしょう。

私自身は、耐摩耗性(つまり寿命)は、化学成分(特に、炭素量と炭化物量)や顕微鏡組織(結晶粒度や炭化物)、機械的性質(硬さとじん性値の関係)、熱処理方法(特に焼戻し温度)、硬さ・・・ などを含めて評価をするのがいい・・・と考えており、摩耗試験では、試験中に大きな異常がでないか、極端な発熱や焼付きなどの特徴はないか、・・・など、極端な状況が起こっていないことを確認する程度に考えていました。これは実際に試験をしてみると、簡単ではない問題がたくさん出てくるためで、それでも、感覚的に、耐摩耗性の優劣はわかります。

それらを含めて、耐摩耗性については、下のような概念的傾向があることを知っておいたうえで、メーカーの試験結果を見ていくのがいいと思います。


概念的な耐摩耗性評価について

ここで、耐摩耗性についての鉄鋼の場合の概念的な考え方を紹介します。
 1)硬さの高いほうが耐摩耗性は高い。
 2)炭化物量が多いほうが耐摩耗性は高い。
 3)炭化物の大きさが大きいほうが耐摩耗性は高い。
 4)炭化物の硬さが高いもののほうが耐摩耗性は高い。

この概念は、当社の扱う金属せん断用の刃物材料では、大越式での低速度の摩耗試験結果とおおよその傾向が合致しています。

だから、「耐摩耗性」を高めたいのなら、 ①硬さを高くする ②硬さの高い炭化物を多くする ③摩耗特性を考える(例えば、耐熱要素の有無や結晶構造の類似性から成分系を配慮する・・・) というように、鋼材成分と熱処理の両面から対応を考えればいいということになります。

しかし、鋼製品では、耐摩耗性を追い求めると、じん性が低下するという傾向は避けられません。

そのために、それを抑えるために、材料メーカーでは、じん性の低下を抑える対策を取った材料で、JISなどにはない「独自鋼種」として販売する・・・という構図になって、次々に新しい材料が開発されていくことになるのでしょう。

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硬さが高いと耐摩耗性は上がるのか?

一般的に、「硬さが高くなるにつれて耐摩耗性が高くなり、寿命が延びる」というのが定説です。

ただ、下のグラフを見ると解るのですが、経験的にも、硬さをあげすぎないようにすることは重要で、金属せん断刃物では、硬さが高いと、使用初期の正常な刃先形状を形成する段階で、微小チッピングがおきて、トータル寿命を短くさせます。

TSと硬さの関係 日立金属資料

「強さ」は硬さと相関があります。引張強さを見ると、硬さが高いと引張強さが高くなります。(日立金属の技術資料)

しかし、この図の上限の状態を見るとわかるように、つよさ(=引張強さ)は、硬さが高いほうがいいというのではありません。

下の図は、ベアリング鋼(SUJ2)の焼戻し温度を機械的性質の図です。(山陽特殊鋼の資料)

SUJ2の焼戻し温度と機械的性質

低温で焼戻しする低合金の鋼種では、おおむねこのような傾向があるのですが、200℃前後に焼戻ししたときに、引張強さの最高値が出るので、一般的には、この温度に焼戻しするのがもっとも強い状態にできるのですが、小さな軽負荷用のベアリングは、150℃程度の焼戻しをして、高い圧縮強さを優先しています。しかし、少し大きな重荷重用のベアリングになると、180-200℃で焼戻しした状態にします。

これらのベアリングを使用するときの特性を考えた熱処理が行われているのですが、このように、鋼種には機械的性質の特性があって、硬さが高いと耐摩耗性が高いということはなく、これらの変化を知って製品の仕様を決めるようにするといいのです。 つまり、「ピンピンに焼を入れて固くする」ことを希望するのは、一考を要する・・・ということです。

ある硬さ以上では、急激に引張強さが低下することを知ることも重要です。

次のページでの「耐衝撃性」についても同じですが、無理な硬さを出すような熱処理はしてはいけないということなのですが、たとえば、カミソリなどの鋭利な刃物では、できるだけ硬さを上げるのがよさそうに思いますが、 硬さを高くすれば「もろく」なって、小さな欠けが発生して、急激に寿命が短くなることも多いのです。


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