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摩滅(アブレーション)

摩滅(またはすり減り摩耗)は、おそらく最も容易に認識される摩耗の形態です。 たとえば、硬い粒子がより柔らかい表面に押し付けられ、それらの表面に対して動くと、より柔らかい表面が引っ掻かれることは自明です。 ガス状粒子による表面の衝突を伴う、固体粒子の侵食と混同しないでください。摩滅は通常、(土壌、砂、岩などの)中実の粒子の移動に関わる表面、または機械の表面の間に取り込まれた硬質粒子のいずれかに関連します。 前者の場合は、一般に二体摩耗または低応力摩耗として知られています; 後者は、三体摩耗または高応力摩耗として知られています。 高応力摩耗は、研磨性粒子の破壊を誘発する可能性があり、それによって切削作用がある鋭いエッジが確実に存在することになるため、一般により深刻である見なされています。

金属材料の分野では、ミクロ組織に含まれている硬い析出物(たとえば、炭化物)の体積分率が大きい合金は、二体(低応力)摩耗に対して最も高い耐性を示すことがわかっています。 したがって、大きな炭化クロムの析出物を含む高クロム鉄は、多くの土木用途に好まれています。 低応力摩耗に対する耐性をさらに高めるために、鋼と炭化物粒子の混合物を溶接による共蒸着に利用できます。 この場合、鋼は溶接アークで溶融しますが、炭化物粒子は無傷のまま溶接棒から溶融池に移動し、そこで再凝固した鋼によって所定の位置に固定されます。 これらのいわゆる複合材料には通常、炭化タングステンが含まれています。

炭化物または金属間化合物の高体積分率は、耐低応力摩耗性に有益であるかも知れませんが、延性には非常に有害です。 その結果、高クロム鉄と炭化タングステン複合材料のオーバーレイ(肉盛)溶接には、冷却中または使用中の衝突時に割れが入るのが一般的です。 したがって、若干の延性を必要とする条件に対処するために、適度な析出物を含んだ合金が入手可能です。

さまざまなレベルの耐低応力摩耗性を備えた鋳造コバルト合金が入手可能であり、高クロム鉄と同様に、(鋳造およびオーバーレイ溶接の場合は)、炭素含有量が高いほど、一般にこの形態の摩耗に対する耐性が高くなります。 しかしながら、コバルト合金を選択する際に、耐食性と割れのない肉盛りの必要性があるために、耐低応力摩耗性の必要性が低くなることがよくあります。

実験室での材料の耐低応力摩耗性を評価するために、ASTM規格 G65に記載されている乾式砂ゴムホイール摩耗試験が通常使用されます。試験手順では、回転する(直径229 mmの)クロロブチルゴムホイールにサンプルを押し付けながら、明確に定義されたサイズと形状の砂(丸みを帯びた石英粒砂、直径212〜300 μm)をホイール/サンプルの界面に指定された速度で供給します。(ゴムホイールが2000回転したときの)いくつかの鍛造合金のデータを、STELLITE® 6溶接金属の対応する値とともに次のチャートに示します。チャートには、STELLITE® 6合金と組成が類似しているが、より有益な炭化物構造の効力により、低応力摩耗に対してはるかに高い耐性を示す6Bが含まれています。その他の合
金には、工具鋼(D-2)、炭素鋼(1020)、オーステナイト系ステンレス鋼(316L)、2つの低炭素コバルト基の材料(HAYNES® 25およびULTIMET®合金)、および2つのニッケル基材料(625およびC-276合金)が含まれています。合金6と6Bの性能の違いは、摩耗の問題を解決しようとする際に、代替の製品形態を検討することの利点を示しています。

低応力摩耗データ

低応力摩耗状態の比較データ

*TIG (GTA) 溶接で溶接した全溶接金属 200 回転/分で2000 回転
負荷: 13.6 kg
Feed Rate: 390 g/min

次の図に示すように、三体(高応力)摩耗は二体摩耗よりもはるかに深刻な形態の摩耗であるだけでなく、軟質および硬質金属材料に等しく損傷を与えるように見えます。 これらのデータは、ASTM B 611の試験手順を使用して得られました。この試験手順では、密閉されたチャンバー内で、スチールホイールの両側にあるパドルを使用して砂/水スラリー(940 gの水に対して1500 gの212〜300 μmの丸い石英粒砂)を攪拌しながら、(直径165 mmの)回転する高強度スチールのホイールにサンプルを押し付けます。 試験パラメータには、22.7kgの負荷と毎分245回転の回転速度が含まれます。 試験結果は、スチールホイールがちょうど250回転したときのものです。

高応力摩耗状態の比較データ

低応力摩耗と高応力摩耗では、材料のランク付けがかなり異なることが明らかです。たとえば、低応力摩耗条件下で極めて良好に機能する2つの材料(硬化させたD-2工具鋼と合金6B)は、高応力条件下では平凡です。明らかに、三体摩耗の性能は、材料の硬度や、金属材料のミクロ組織内の硬い析出物の存在とは関係ありません。

耐摩耗性に及ぼす温度の影響については、三体条件下で得られたデータが Berns and Fischer, 1993 から提供されており、彼らの研究には、サイズが63〜100 μmで平均値が80 μmのフリントの研磨性粒子が含まれています。 これらの研究者が使用した装置は、リングオンディスク構成で、外輪と内輪の直径はそれぞれ24.9 mmと18 mmでした。 (直径30 mmで中央に直径5 mmの穴がある)ディスクを28 mm/sで回転させました。 試験荷重は0.82 MPaに制限されていたため、研磨性粒子は界面に供給され、界面内を流れました。 リングとディスクの両方が試験する合金から作られ、両方の重量損失は、表面積、密度、および摩耗経路の長さを考慮して、無次元の摩耗率を決定するために使用されました。 試験は、これらの研究者によって、アルゴン雰囲気中で550℃〜1050℃の温度、および室温で実施されました。

これらの研究者によって、二つのタイプの金属材料、具体的にはミクロ組織内に(5〜15 μmの)大きな粒子がある場合と無い場合の材料が試験されました。 2番目のグループ(析出物が無い、あるいは1 μm未満のサイズの析出物がある)に関連する結果の幾つかを、次の図にプロットします。 最初に、選択された(鍛造)材料、すなわちULTIMET®合金(低炭素Co-Cr-Mo)、NIMONIC® 80A(Ni-Cr)、316L(オーステナイト系ステンレス鋼)、および410(マルテンサイト系ステンレス鋼)の室温での結果を検討します。 結果は、三体摩耗条件下で、合金間に有意差が存在することを示しています。 これは、このような条件下では多くの金属材料が狭い性能帯域内に入ると推測される前述の高応力摩耗の結
果とは対照的です。

高応力摩耗に対する温度の影響

高応力摩耗に対する温度の影響

室温摩耗率の違いは、試験荷重がフリント粒子の大規模な破壊を引き起こすには不十分であり、したがって摩耗プロセスが、通常の三体摩耗に関連する高応力カテゴリではなく、疑似低応力摩耗カテゴリに入ると考えると説明できます。 試験された他の材料の中には、硬化させたD-2工具鋼と(鋳造形態の)合金6がありました。 室温でのこれらの材料の摩耗率は、ULTIMET®合金の0.45と比較して、約0.2と0.3でした。 少なくとも順位付けに関しては、これらの値は、乾式砂/ゴムホイール試験装置を使用して得られた低応力摩耗数とよく相関しています。 皮肉なことに、この試験装置は、二体条件をシミュレートするために使用される三体システムです。

驚いたことに、Berns and Fischer, 1993 のすべての試験材料の摩耗率は、550℃では室温よりも著しく低いものでした。 また、臨界温度があり、それを超えると劣化速度が大きくなります。 これらの研究者は、臨界温度までの摩耗率は、固溶体の強度と加工硬化率によって大きく制御されると結論付けました。 臨界温度は、表面の動的再結晶が加工硬化に替わる(摩擦加熱によって増大する)温度であると考えられています。特に、コバルト合金は、高温での高い強度と加工硬化率に見合った比較的低い摩耗率を示し、臨界温度は比較的高い温度を示しました。

要約すると、二つのタイプの摩耗が確認されていますが、それらの間の境界線はややぼやけており、おそらく研磨種の正確な性質と関与する力に依存しています。 いわゆる二体または低応力条件下で、周囲温度に近い温度では、研磨粒子はほとんど無傷のままであり、(炭化物などの)硬いミクロ組織の露頭が存在する場合は、それらに乗り上げることができます。 その結果、大量の硬いミクロ組織の析出物を含む材料は、そのような条件に耐性があります。 (鉱業および建設業界で一般的に遭遇するような)中実の研磨性媒体を通って移動する表面は、この形態の劣化を引き起こします。 高温では、固溶体(マトリックス)の強度と加工硬化特性が、金属材料の耐摩耗性にとって重要であるように思われます。

三体または高応力摩耗は、相対運動で表面間に閉じ込められた研磨性粒子に関連しています。 周囲温度に近い温度では、金属材料は、そのミクロ組織や硬度に関係なく、(耐摩耗)性能は狭いバンド幅内にあるように見えます。

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