最終回　トライボロジー課題解決事例

　第1 回から第4 回で、表面・接触、摩擦、摩耗、潤滑の基礎的事項のうち実用的に重要と思われるポイントを述べ、第5 回では、トライボロジー課題解決のために必要な評価・解析手法を述べた。最終回では、トライボロジー課題解決事例を、主に材料技術・表面技術の視点から紹介する。

　高硬度のセラミックスは、耐アブレシブ摩耗性には優れているが、金属に比べ靱性が劣るため、耐摩耗ライニング材として、従来材の高クロム鋳鉄などに比べ、材質やメーカー・品種による耐摩耗性の差が極めて大きく、材料選定指針の確立が課題であった。

　製銑工程（原料、焼結、高炉）において、原料が落下衝突する耐摩耗ライニング材などを対象として、各種セラミックスのエロージョン特性を評価した。エロージョン試験は、粒子の衝撃力が加わるので、アブレシブ摩耗試験より過酷な試験となる。表11）に試験に供したセラミックス試験片（試験片寸法50×50×t5～10 mm）を示す。セラミックスの材質はアルミナ、窒化珪素、サイアロンとし、耐摩耗材として市販されている33種類を入手し評価した。破壊靱性はインデンテーション法で測定した。摩耗粒子は、図11）に示す、高炉原料の焼結鉱（粒径5～100 mm程度）を破砕、ふるい分けし、平均粒径0.8 mmとした粒子（HV＝10.4 GPa＝1060）を用いた。焼結鉱は、粉状の鉄鉱石と石灰石、粉コークスなどを混合、焼結機内で焼結反応を進行させることにより製造され、角張った形状で、相手材を摩耗させやすい。セラミックス試験片と焼結鉱粒子の硬さ比は、ほぼ1.25以上であり、第3回の図6から、ほとんど摩耗しない領域にある。

　図21）に示すエロージョン試験機（衝突速度150 m/s、衝突角度45°）を製作し、試験を行った。図31）にエロージョン試験結果を示す。耐摩耗性は、摩耗率w（mm3/kg）＝摩耗体積／摩耗粒子総重量で評価した。図3から、摩耗率は0.1～1.0 mm3/kgの範囲にあるセラミックスが多く、耐摩耗性が優れていることがわかる。解析結果から、セラミックスの耐エロージョン性は、破壊靱性と硬さで予測でき、KIC≧5.0 MPa・m1/2 かつHV≧15 GPaの条件を満足するセラミックス（窒化珪素、サイアロン各1種類）が優れた耐エロージョン性を示すことが表された。

　この結果をもとに実用化されたセラミックライニングブロワー翼を図42）に示す。材料コストは、窒化珪素（サイアロン）＞アルミナであることから、吸引粉体による摩耗の激しい翼入口部は窒化珪素（サイアロン）とし、羽根部はアルミナ接着とした。設計面から、セラミックスと金属の接着と接合技術は実用化の要であり、多種多様な技術が開発されている。