高温高圧水中摩擦摩耗試験機

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トライボロジスト第 60 巻第 11 号（2015）
〝トライボロジスト〟第 60 巻　第 11 号（2015）　738～740
原稿受付 2015 年 5 月 1 日
技術資料
トライボツール開発記―ブレイクスルーへの挑戦―
高温高圧水中摩擦摩耗試験機
内　舘　道　正＊
表 1 実験装置の仕様
◆試験装置の特長◆
✓ 12℃から 80℃の水中で試験ができる．
✓最大 20 MPa の水圧下での試験ができる．
✓水中の溶存酸素濃度を 0.01 ppm から 8 ppm
Temperature
12～80℃
Water Pressure
0.1～20 MPa
Dissolved Oxygen
0.1～ 8 ppm
Load
まで制御できる．
11～58 N
（Dead Weight Loading）
Sliding Speed
0.5 ms（500 rpm）
◆測定・評価の範囲◆
Ball Specimen
ϕ 9.5 mm（38 inch）×3
【対象材料】金属材料から高分子材料まで様々
Disk Specimen
ϕ 50×10 mm
な材料を試験可能．
【計測項目】摩擦トルク，摩耗量，
（電気化学測
₂．装置の構成
定）
図 1 に示すように，タンクと摩擦試験部（ボー
【雰囲気】
水潤滑下，高温・高圧水中
ルオンディスク型）の間で，ポンプを用いて水
（約 20 L）を循環させる仕組みである．20 MPa
₁．開発の背景
（200 気圧）の水圧を発生させるため，定量ポン
プ（図 1 中の Pre-pump，流量 1 Lmin.）に加え
て高圧ポンプ（プランジャー式，最大吐出圧力
本装置は，平成 14 年度から平成 18 年度にかけ
て行われた NEDO（New Energy and Industrial
Technology Development Organization，新エネ
20 MPa，流量 20 mLh）も用いた．水中の DO
ルギー・産業技術総合開発機構）のプロジェクト
（Dissolved Oxygen，溶存酸素）は，DO 計によっ
﹁低摩擦損失・高効率駆動機器のための材料表面
て測定され，測定結果のフィードバック制御によ
制御技術の開発（プロジェクトリーダー：岩手大
ってエアレーション（曝気）のための N2 と N2+O2
学工学部岩渕明教授）
﹂において，金属をベー
ガスの弁を開閉することで DO を制御した．水
スとした水潤滑の研究の一環として開発された．
の温度は，オートクレーブ（SUS316L 製，容量
当時想定していた水を作動流体としたポンプ，バ
1.5 L）のまわりにウォータジャケットを取り付
ルブ，シリンダでは，しゅう動部が高温高圧にさ
け，恒温水槽からの水を循環させることで調節し
らされる可能性があり，その際の摩擦材料【具体
た．オートクレーブからの水は，冷却器で室温に
的には，DLC（Diamond-Like Carbon）と鉄系お
よび銅系材料の組合せ】のしゅう動特性を把握す
降温してからタンクに戻される．オートクレーブ，
ることが目的であった．装置の仕様は，表 1 に示
るため，手動油圧ポンプに接続された油圧シリン
す通りである．
ダで昇降させた．
および，ウォータジャケットはかなりの重量があ
図 21）に示すように，下部のホルダに三つのボ
ールを固定し，上からディスク試験片を錘による
岩手大学工学部（〒 020-8551　岩手県盛岡市上田 4 丁目 3-5）
Michimasa UCHIDATE　Faculty of Engineering, Iwate University（3-5, Ueda 4-chome, Morioka-shi, Iwate 020-8551）
＊
Corresponding author : E-mail: [email protected]
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内舘：高温高圧水中摩擦摩耗試験機
①
図 1 試験機のシステム図
Weight
Autoclave
Water
Water for
temp.
control
Weight
Disk Specimen
（Working Electrode）
Disk
specimen
Ball-Specimen Holder
Counter Electrode （Pt）
Reference Electrode
O-Ring
Ball
specimens
to
P.S.
Water
Thermocouple
to the
potentio-stat (P.S.)
図 3 しゅう動部付近の写真
測定に適しているとされる対極接地型を用いた．
Motor
₃．工夫した点と課題
図 2 摩擦試験部周辺の図〔出典：文献 1）〕
本装置は装置メーカーへの特注品であり，メー
死荷重とともに押し付けた．下部のホルダはシャ
カーの技術者の工夫による部分がほとんどである
フトに取り付けた DC モータによって回転させ，
が，以下に工夫されている点と使ってみて感じて
トルク計を取り付けることで摩擦トルクを測定し
いる課題を述べる．
た．なお，回転部分のシールの問題をなくすため，まず，昇温に関しては，最高温度を 80 ℃と設
DC モータの回転は外部から磁力によってシャフ
定したため，前述のようにウォータジャケットを
トに伝達する仕組みとなっている．
用いている．電磁ヒータに較べると最高温度が低
本装置には，腐食摩耗挙動を測定・制御するた
いが，結果として，電磁ノイズ低減に有効であっ
めの三電極式電気化学測定の電極が取り付けられ
た（研究室で同様な装置で電気ヒータを使ってい
ている（ディスクが作用電極，白金が対極，圧力
るが，ロードセルの出力に重畳するノイズに悩ま
2）
平衡型電極が参照電極．図 2 と図 3 参照）
．ポテ
されている）．ウォータジャケット部分に水の代
ンショスタットとしては，オートクレーブ内での
わりにシリコーンオイルを流すことでさらに高温
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トライボロジスト第 60 巻第 11 号（2015）
0.35
せている．
0.30
Coefficient of friction
も可能と考えられるが，安全面から実施は見合わ
試験片の回転のために，マグネットカップリング
（図 1 の①）を用いることで，シールの問題が解決
されている．しかし，試験片間の摩擦力が非常に
大きくなった時はマグネットの保持力不足のため
に空転することがあるので，注意を要する（DLC
と鉄系・銅系の材料では起こらなかったが，アル
Quasi-tap water （80℃）
0.25
0.20
Pure water （80℃）
Pure water （20℃）
0.15
0.10
0.05
Quasi-tap water （20℃）
0.00
ミナボールと鉄系ディスクの組合せでは空転が起
10
100
1000
Sliding distance, m
こった）．なお，オートクレーブ全体を揺動させ
ることで往復しゅう動を与える装置が，徐ら3）や
八木ら4）よって開発されており，300℃程度までの
窒化ケイ素や DLC の摩耗挙動が報告されている．
図 5 純水中および模擬水道水（Quasi-tap water）中で
DLC と SUS630 をしゅう動させたときの摩擦係数
の変化（溶存酸素濃度 7 ～ 8 ppm，水圧 0.1 MPa）
〔出典：文献 1）〕
電気化学測定に関しては，主な実験の対象が電
気を通しにくい DLC ディスクであったことと，
文　献
オートクレーブが導体（SUS316L）であったため
1 ） M. UCHIDATE, H. LIU, A. IWABUCHI & K. YAMAMOTO：
Effects of Water Environment on Tribological
Properties of DLC Rubbed against Stainless Steel,
Wear, 263（2007）1335-1340.
2 ）砂場・藤井・橘：圧力平衡型外部照合電極による高温水
溶液中の電位測定と熱拡散電位の評価，材料と環境，56
（2007）70-75．
3 ）徐・加藤：高温高圧水中における窒化ケイ素の滑り摩耗
機構，トライボロジスト，39，9（1994）808-813.
4 ）八木・野老山・M. RODY・梅原・佐々木・稲吉：高温高
圧水中における DLC 膜の摩耗メカニズムの解明，トラ
イボロジー会議 2013 秋福岡予稿集（2013）B11.
か，良好なデータはあまり得られなかった．オー
トクレーブ内でのトライボ現象の電気化学測定に
は，まだまだ課題があるものと思われる．
₄．計測・評価事例
SUS630 としゅう動した際の DLC 摩耗痕の例
を図 4 に，摩擦係数の変動を図 5 に示す1）．図 5
の模擬水道水（Quasi-tap water）は，東京の水
道水と同程度の溶存成分になるように，試薬等を
用いて調製された水である．DLC の摩擦挙動は
＜本試験機を使用した研究成果＞
水中の溶存成分，および，水温に影響されること
がわかる．
●M. UCHIDATE, H. LIU, A. IWABUCHI & K. YAMAMOTO：
Effects of Water Environment on Tribological Properties
of DLC Rubbed against Brass, Wear, 267（2009）15891594.
●M. UCHIDATE, H. LIU, K. YAMAMOTO & A. IWABUCHI：
Effects of Hard Water on Tribological Properties of DLC
Rubbed against Stainless Steel and Brass, Wear, 308,
1-2（2013）79-85.
著者プロフィール
内舘　道正　1975 年生まれ．宇都宮大学工学部機械
システム工学科卒業（指導教員：鏡重次郞・川口尊久）．
岩手大学にて博士（工学）取得（指導教員：岩渕明・清
水友治）．日本学術振興会特別研究員，産学連携研究員
を経て，現在，岩手大学工学部助教．主として表面微細
凹凸の解析手法開発と水道水環境下での腐食摩耗研究に
従事．他に日本機械学会等に所属．
500 μm
図 4 DLC 摩耗痕の SEM 写真の例〔出典：文献 1）〕
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