TITLE

耐摩耗性

「じん性」


材料の「耐摩耗性」「じん性」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。ここで用いられる試験方法は、 JISなどに材料試験機やその試験方法について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説明します。


   

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。
硬さについて言えば、それが高くなると、耐摩耗性が高くなることは、多くの摩耗実験でもそれが確かめられています。しかし、 耐摩耗性の 試験結果と製品寿命との関係は同じであるとは言えません。あくまで、一つの指標であるにすぎないという程度に考えておいていいでしょう。

耐摩耗性の評価は、何らかの「摩耗試験」で評価されますが、潤滑剤の有無や摩擦材との化学反応性など、様々な要素が関係し、 それらの要素が入ると当然ですが、比較評価が難しくなります。

摩耗試験の方法は、大きく分けて  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(この摩耗を土砂摩耗とかアブレイシブabrasive摩耗という言い方をします)  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(凝着摩耗とか、アドヘッシブadhesive摩耗といわれます)ものに大別された試験が行われています。 もちろん、その他に分類されるものもあります。

例えば、使用条件に近い状況での「寿命試験」なども、摩耗試験と言えるかもしれません。たとえば、刃物であれば、実際の刃物あるいは、 その縮小サイズの刃物で何万枚かの対象物を切ったあとの刃先の状態を調べるという例もあります。しかし、客観評価を得ようとすると大変ですので、 摩耗試験機による比較が広く行われています。
多くの材料メーカーでは(当社もそうですが)、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ものが多いようです。

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、同社の汎用鋼の大越式(おおごししき)迅速摩耗試験機を用いた摩耗試験結果です。
この試験では、SCM415のリングを、67Nで、試験したい熱処理した試験片に押しあてて、摩擦スピード0.76m/sで400m摩擦した時に、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)」を算出した結果です。比摩耗量が小さいと、耐摩耗性が高いと評価されます。

ここでは鋼種間の比較するために、常用硬さを基準に条件を決めているようですが、摩耗試験の目的によって、被試験材の硬さなどの条件を決定するのも簡単ではありません。

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、摩耗減量の計測誤差による結果のばらつきが多くなってしまうなどで、 評価が変わってしまうという問題も内在しています。硬さを一定にしたり、摩擦距離や摩擦スピードが変わると、また、違った結果になるでしょう。

寿命を評価するための摩耗試験には、この大越式のように摩耗減量の多少で耐摩耗性を評価するものも多いのですが、「温度」「潤滑」などの環境条件や 「硬さ」「じん性」などの材料要素が複雑に関係してきますので、試験条件や評価には注意する必要があります。
経験的には、摩耗試験では、結果のばらつきが多いために、化学成分や顕微鏡組織、いろいろな機械的性質、熱処理方法、硬さ・・・ などを含めて試験の工夫や目的にあった結果の評価をする必要があると考えています。


概念的な耐摩耗性

ここで、耐摩耗性について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。しかし、例えば、 非常に薄い鋼板を切る場合の耐摩耗性評価をする場合には、刃先先端に、耐摩耗性が高いと言われる大きな炭化物があれば、刃先が鋭敏にならないので、 評価が変わるなどもあって、一つの試験方法で簡単に評価するのも問題でしょう。

「耐摩耗性」については、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ることになります。

しかし、結局、鋼製品では、耐摩耗性を追い求めると、じん性の低下していきます。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をJISなどにはない「独自鋼種」として販売する・・・という構図で、次々に新しい材料をメーカーでは開発して、それをPRしているのが現状でしょう。


新鋼種の流れ

現在の材料が向かう方向としては、耐摩耗性を追求に対しては、「高炭素+高合金」の方向と「粉末化」に向かっていますし、もう一方の「じん性」に対しては、「特殊溶解」「特殊**」という流れがあります。

均質性を高めるために、真空溶解などの特殊な溶製法をとるものと、「粉末から製造する」といった方法によって作られた、いずれもの高級鋼が多く販売されてくるようになりました。
そのほかの中間的な鋼種にも、高硬度でのじん性を高めるために、炭化物部分を除く素地(マトリックスと呼ばれます)部分の強化する考え方として、ある種の合金成分を高めたものなどもあります。
このように、今後も、レアアースの利用や、さらには新しい製鋼法によって、ますます高級化することは必至でしょう。

しかし、このようになっていくと、いずれにしても高価になりますし、粉末から製造する鋼種の中には、鋼の領域を超えた「超硬合金」などに似た成分のものまで出てきている状況です。
ただ、このように耐摩耗性を追い求めていくと、加工性が良くないというマイナス要素も出てきますので、ほかの要素の対応を検討することも重要になってきます。
・・・といっても、この世に、これだけ多くの鋼種や特徴的な製法で作られた鋼種があっても、依然、すべてに優れる鋼種は存在しません。 これが「鋼」や材料の持つ宿命だという一つの限界はどうにもできないことかも知れませんので、長寿命化には、材料・熱処理以外のヒントを求めなければいけないのかもしれません。


<<タイトルへ>>


「じん性」

「じん性」は強靭性や「ネバさ」を表す指標です。引張試験の伸び・絞り、曲げ試験のタワミなどでもその評価ができますが、一般的には、 衝撃試験によって示す場合が多いようです。

JISに規定された鉄鋼の衝撃試験には、試験片を破壊したときの吸収エネルギーを測定するシャルピー衝撃試験やアイゾット衝撃試験が一般的ですが、 曲げ試験、ねじり試験など、その他の測定原理の違う試験やそれの試験片、試験方法などもいろいろ工夫されて、独自の方法でそれを評価される場合もあります。また、近年では、既存の試験機に、電気的な信号をとらえて破壊現象を考察するなどの、いろいろな技術が加わって評価されるようになってきています。

高い硬さでじん性の鋼種間比較をする必要が多い工具鋼メーカー各社では、近年は日立金属(株)の10Rシャルピー値の比較が多くみられますが、 反対に、メーカー独自の試験方法やPR効果をねらった試験もあって、客観的な評価方法が統一されていない状況です。言い換えれば、材料特性が多岐にわたっていて、 簡単な評価がしにい指標と言えるのかもしれません。ここでは、高い硬さのじん性について取り上げます。


(1)衝撃試験による方法

JISにも規定されて広く行われているのは、衝撃試験機によって試験片を破壊する時の吸収エネルギーの大きさを測定する方法で、そのひとつに、 シャルピー衝撃試験機を用いる試験があります。

低硬さの熱処理品の評価方法では、JIS3号試験片を用いた方法がよく行われています。これは、機械構造用鋼など、比較的に低い硬さで、 熱処理後の機械的な性質を評価するために用いられる方法で、熱処理した鋼材から10mm角(長さ60mm程度)のJIS3号試験片をつくって、 ハンマーでその中心を叩いて、試験片を折った時に失われたエネルギー(吸収エネルギー)を測定する方法などです。

しかし、高硬度(おおむね45HRC以上で用いられる工具など)の試験では、測定値が小さくなりすぎて結果もばらつきが大きくなって不向きなために、 大同特殊鋼(株)の前身の特殊製鋼(株)では、12Rノッチの試験評価が行われていましたし、近年では、日立金属(株)の、 JISには規定の無い10Rのノッチ形状で試験に沿って比較するものが多いようです。 (10Rシャルピー衝撃試験と呼ばれています)

日立金属10Rシャルピー値

日立金属(株)がこれを採用している理由は、広い硬さ範囲で試験値を比較できることや、測定結果のバラツキが少なくなるためですが、この試験でも、 硬さが高い場合や脆い材料では結果のバラツキが多くなるのは否めません。

当社でも、最低3本の試験の平均値で評価する方法をとることで評価するようにしていますが、55HRC以上の試験では、首を傾げたくなる数値のバラツキが出るのは通例で、 どうしようもないのですが、それでもやはり、これで評価することが多いようです。

この衝撃試験においては、一般的な傾向では、図のように、硬さが高くなると、じん性値は低くなる傾向があります。そして、その値は、試験片やノッチの形状や仕上げ程度で数値(吸収エネルギー値)は大きく変わります。
そのため、 日立金属の10Rシャルピー試験に合わせて比較評価しようという動きと、そうではなく、独自に評価しようとする動きがあります。例えば、 ノッチをつけない試験片での評価を標準にしているメーカーや、硬い材料であってもJIS3号のシャルピー試験片で比較評価する場合などがあります。

試験方法が変わると、何の相関もないのですが、一部の人のあいだで、試験方法や試験片形状の違いを簡易的に換算して比較して説明されていることも耳にします。 しかし、じん性値は非常にデリケートですので、性能などの比較をしたい場合は、同一試験条件で行うべきでしょう。

当社の刃物材などのように、高硬度、高じん性が要求される鋼種に対するシャルピー試験については、JISに一般的な試験方法が規定されていても、現実的には、結果の評価が難しく、試験自体にも危険が伴いますので、簡単なものではありません。


一般的なじん性の傾向

上図にも見られるように、一般的には、硬さと衝撃値については相関があり、硬さが高くなると衝撃値は低くなる傾向があります。①硬さの低いほうが、②炭化物が少なく、③炭化物径の小さいほうがじん性値が高くなる傾向があります。

また、工具鋼の高い硬さのシャルピー試験では、試験片の断面形状や切欠きR形状が大きいほうがじん性値が高くなります。
無ノッチにすると、Rの加工精度などの影響を避けることができて良さそうですが、非常に値がばらつきますので、これも問題です。しかし、 無ノッチを採用して試験データを公開するメーカーもありますので、今後、これらの高硬度鋼についての試験方法が統一されていくかどうかも不透明です。

シャルピー試験値は試料の影響を受けやすく、一般的に材料メーカーでは、鍛錬(圧延)方向については、通常は、圧延方向を直角に折るような方向(これを「L方向」といい、 その反対を「T方向」と表現されます)の材料取りをします。また、試験片を作るときの鍛錬比を高くとって試験されることが多いので、通常の製品の一部から試験片を取って衝撃試験をすると、 メーカー値に比べて、非常に小さな値になるのが普通ですので、この点にも注意しておく必要があります。


(2)抗折試験による方法

じん性値を評価する他の方法として、60HRC以上のものではシャルピー衝撃試験値が低くなり、また、ばらつきが大きくなる傾向があるので、日立金属(株)では、 抗折(曲げ)試験による吸収エネルギーの値で比較される場合が多いようです。

日立金属抗折値比較 左に、日立金属(株)の鋼種比較の例を示しますが、同社では、熱処理した丸棒の抗折試験をして、その時の荷重とたわみの大きさの積を 「吸収エネルギー」の値として表現する方法を取っており、高硬度鋼に対しては、5mm程度の丸棒を用いて、20-50mm程度の部分についての曲げ試験などが行われています。

この方法は、逆に、55HRC以下の硬さのものでは、材料がねばくなって折れないので、低い硬さのものの抗折試験は不向きになります。通常は、 高硬度が要求される高速度工具鋼などでの評価にこれが用いられます。

一般的な傾向として、これらの試験ができる硬さ範囲では、硬さが高くなると抗折じん性値は低くなりますが、これは、シャルピー値も同様で、言い換えると、 じん性と耐摩耗性は相反する性質だということが言えます。
この状況においてじん性値を高くするための鋼材における対策としては、ESR溶解や真空溶解などで鋼材の清浄度を上げたり均質化する方法、 鍛錬方法を工夫する方法、粉末化などが実施されています。


(3)その他の方法

ねばさ≒じん性として評価される場合もあります。その方法として、ねじり衝撃試験や引張試験などがありますが、それによって比較評価する例は少なくなっており、 材料メーカーのカタログ等を見ると、シャルピーが主流のようです。


(4)硬さとじん性の関係

金属組織、硬さからおよそのじん性の傾向が判別できます。逆に、じん性値から、金属組織などの適否を予想できる場合もあります。

シャルピー試験を例にとると、結晶が均一に分布しており、その粒度が小さく、硬さが低いと、じん性値は高く、その反対に、結晶粒が不揃いで、 粒度が荒く、硬さが高くなると、じん性値は低くなります。また、炭化物の量や分布傾向が悪ければそれが低下しますし、 焼入れ温度や焼入冷却の違いでも、その値が変化します。これらは、絶対的なものではありませんが、品物評価に役に立ちます。

しかしここで注意すべき点は、鋼材の製造履歴(工程)や試験片の採取条件によって、このじん性値は簡単に変化してしまいます。上記の日立金属の例でも、 定められた試験方法によって試験された結果ですが、あくまでも試験用の条件ですので、実体の品物から試験片を採取する場合とは、当然、同様の結果が得られず、 ほとんどは、かなり低い値になります。

このように、衝撃試験によって製品の適否を判断しようとした場合は、独自の基本データーを持っていないと、正しい判断ができませんので、結果の数値だけをみて、 短絡的に評価するのは考えものといえますが、しかしここにある図表は、非常に有用な試験データです。


(5)材料の方向性とじん性値

高硬さ品のシャルピー試験は、非常にデリケートで、たとえば、硬さ以外に、材料の方向によって大きく変わります。通常、鋼材は製造工程中に、圧延などで伸延されて製造されますが、 伸ばされた方向に対して直角に力を加える場合はシャルピー値は反対方向から取ったものよりも高い値を示しますので、通常は、その方向(L方向)で試験します。

この圧延方向と平行に試験片を切り出す材料取りの方向を「L方向」にたいして、圧延方向に直角の方向を「T方向」と称されます。 断りがなければ、L方向の試験をするのが通例です。

そして、鋼材のじん性値は、鍛錬比で変化しますので、一般的には、高度に圧延した試験片のほうが高い値が出ます。また、 通常の市販品では、 T方向に比べてL方向の衝撃値は1/2程度まで低下するのも通例です。
この差を改善するために、各メーカーでは、鍛錬方法に工夫を凝らせたり、粉末技術を利用したり、ESRや真空溶解などの特殊溶解や 脱ガス技術などを利用することによって、不要な元素を除去したり、 介在物などを減少する改善対策が取られています。しかし、この方向性をうまく利用するのも一つの考え方でしょう。

余談ですが、材料の方向の違いは、熱処理後の変寸量の差にも大きく表れます。 変寸量もじん性値も、材料取りの方向の影響が大きいということを覚えておいてください。

ページのトップへ戻る

Valid XHTML 1.0 Transitional