物理学理科

5分でわかる「アブレシブ摩耗」!トライボロジーの基礎から理系大学院卒ライターがわかりやすく解説

よぉ、桜木建二だ。機械製品の主な故障の原因は知っているか。機械の故障や寿命の原因の多くは、摺動の摩擦や摩耗なんだ。

なぜなら、一番稼働する場所だからだ!車の車軸で考えると1分間で何千回も回転しているだろ。それだけ、摩擦や摩耗をしているということだ。

つまり、摩擦や摩耗が制御できれば機械の寿命を大幅に伸ばすことも可能になる。そこで今回は摩耗の形態の一つであるアブレシブ摩耗をトライボロジーの観点を踏まえながら、理系大学院卒ライターこーじと一緒に解説していくぞ。

解説/桜木建二

「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。

ライター/こーじ

元理系大学院卒。小さい頃から機械いじりが好きで、機械系を仕事にしたいと大学で工学部を専攻した。卒業後はメーカーで研究開発職に従事。物理が苦手な人に、答案の答えではわからないおもしろさを伝える。

トライボロジーとは?3つの要素とは?

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トライボロジーとは、潤滑、摩擦、摩耗、焼付き、軸受設計といった「相対運動しながら互いに影響を及ぼしあう二つの表面の間におこるすべての現象を対象とする科学と技術」になります。

この言葉は、1965年にイギリスのピータージョストにより報告された『ジョスト報告書』で初めて使われた造語です。また、トライボロジーの技術者・研究者をトライボロジストといいます。彼らは、摩擦・摩耗・潤滑のスペシャリストです。

トライボロジーの適用範囲は多岐にわたります。工業的な例を挙げると、自転車のチェーンに油をさすこと、タイヤのスタッドレス、車のフロントガラスの撥水加工です。身近なものでは、しゃもじの凹凸や、私たちの指紋があげられます。

トライボロジーの基礎となる三つの要素は、摩擦・摩耗・潤滑です。では次に、これらについて解説していきます。

摩擦

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摩擦とは、互いに接触する2固体の表面が相互運動を行う時の抵抗です。その時に生じる抵抗力を「摩擦力」と呼びます。摩擦力は、動かそうとした方向と逆向きです。

摩擦力は、物体の垂直抗力(荷重)に摩擦係数を乗じた値になります。止まっている物体が動き始める際の摩擦係数は静止摩擦係数、動きているときに生じる摩擦係数は動摩擦係数です。
一般的に静止摩擦係数>動摩擦係数の関係になります。

摩擦力の強さ一般式は、アモントン=クーロンの法則で表す。また、滑り速度にも依存しません。摩擦力は、荷重の影響しか受けないことを表しています。

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潤滑

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潤滑は大きく分けて固体潤滑と、流体潤滑の2種類あります。

固体潤滑の1例は、グリスや材料表面へのコーティングです。例えば、ミニ四駆の軸にグリスを塗ったりダイヤモンドライクカーボン(DLC)などの硬質薄膜があげられます。
流体潤滑の1例は、潤滑油や空気です。例えば、しゃもじにつける水、エアホッケーでディスクを浮かばせている空気があげられます。これら潤滑の役目は摺動面の摩擦係数を下げることです。これにより金属やセラミックス材料の表面が傷つくことを防いだり、自転車のチェーンのように油膜を形成させ滑りやすくしています。

摩耗

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Arc1977投稿者自身による作品, CC 表示-継承 3.0, リンクによる

摩耗とは、摩擦によって摺動面が削れることです。一般的に、材質が固いものと柔らかいものを摩擦させた場合、柔らかいもののほうがよく摩耗します。このことを利用し、新幹線はメンテナンス性を考え車輪のほうが柔らかくレールのほうが固い材質です。

また、消しゴムを使い削れることや靴の底がすり減ることも摩耗になります。このように実は摩耗も身近な現象なのです。

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