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November/2005■ 技術講座知りたいトライボロジー講座②「摩擦・摩耗」
機能部品事業

Things to know about Tribology"Friction・Wear"〈キーワード〉真実接触面積・見かけの接触面積・凝着摩擦・凝着摩耗・アブレシブ摩耗・フレッチング

部品事業部／技術一部

横 山 良 彦 Yoshihiko Yokoyama
監修

開発本部／開発二部

渡 辺 孝 一 Kouichi Watanabe知りたいトライボロジー講座②「摩擦・摩耗」

要旨

摩擦から連想するものは何でしょう？ 火を起こす
ためにきりもみする摩擦の発熱や、自転車のブレーキ摩擦など。どれにも共通していえるのは、スムーズな運動ではないということです。火起こしは無理にスムーズさを阻害して摩擦熱を発生させ、火にまで高めてしまうものですし、ブレーキは摩擦があるからこそ、運動を止めることができるものです。
摩擦は、一般に運動に抵抗する現象のことを指1.「真実接触面積」と「見かけの接触面積」

します。運動が意図されたものであれば摩擦は邪魔

接触する2つの物体は一体どれだけの面積で接者ですが、摩擦そのものを意図した場合は摩擦は、触するのでしょう。例えば、片方の手のひらに絵の具必要不可欠なものです。

を塗って、もう片方の手のひらに合わせると、接触し摩擦が繰り返されると一般には摩耗という現象にた面積が分かります。多分、手のひら全面に絵の具変わっていきます。摩耗にも意図したものと意図にがつくことはないと思います。この理由は手のひらが反するものとがあります。

凸凹しているからで、凸の部分だけが触るからです。

ここでは、これらの現象をなるべく数式を使わずに述べていきます。

手のひらに限らず、全ての物体の表面には必ず凸凹があります。このような表面をもった2つの物体を接触させたときに、実際に接触している面積が「真Abstract
What comes to mind when you think of friction? Is it the frictional heat from rubbing twosticks together to make a fire? Is it the friction
from braking an automobile? What we can say
about it is that it is not a smooth motion regardless of the type of friction. Making a fireis to generate frictional heat by hinderingsmooth motion forcibly and to bring the status
to the level of combustion. Braking is possible
because friction can stop motion.
Generally, friction means the phenomenon toresist motion. Friction is unwanted when motion is expected while friction is essential when
friction per se is intended. When friction is repeated, the phenomenon is usually converted
to wear. There are intended wear and unintended wear. Explained here are these phenomena with minimal use of numerical formulas.

実接触面積」と呼ばれるものであり、手のひらの大きさそのもののような投影面積のことを、「見かけの接触面積」と呼びます。
表面に凸凹がある以上、真実接触面積は見かけの接触面積より必ず小さくなります。どれくらいの接触面積になるのでしょう？ 物体の表面は0.001ミリ程度の凸凹の連続であることが知られてます。このような凸凹面同士を接触させると、凸の部分は塑性変形といって、力を取り除いても元の状態には戻らないような変形をしてしまうのです。

図1

1

火きり具

このような変形が一旦始まると、外力がそれ以上つまり、真実の接触面積は接触する物体の硬さ大きくならなくても変形はすすみます。図2に凸凹のと外力とで表せることになります。この特長は摩擦表面を平滑なもので接触させた模式図を示します。の経験則を理解するのにとても重要な考え方で、た微少な凸の表面は塑性変形して接触し、A1、A2…

とえが適切ではないですが、ゴムはベチャッと接触し、が真実の接触面積になります。このとき外力Ｗは、金属は接触面積が小さくなる日常経験を納得させる接触部分に分散していきますが、塑性変形していま式になっています。

すので、どの接触部分も変形量に関係なく、塑性変見かけの接触面積

形を開始する面圧PＹになっているはずです。すると
W＝W1＋W2＋W3＋……

W（A1＋A2＋A3＋……）
＝PＹ・
＝PＹ・A

W1W2

W3

A1A2A3と表せます。これを書き直して
A＝W／PＹ （Aは真実接触面積）
ここでPＹの性格を考えると、表面の塑性変形抵抗を示すものですから、これは硬さに相当します。そこで、改めて硬さＨという記号に書き換えるとW1／A1＝W2／A2＝W3／A3＝……＝PＹ
A1＋A2＋A3……＝真実の接触面積

図2

S＝W／H

真実接触面積の概念となります。

2. 摩擦のメカニズム
1）アモントン・クーロンの摩擦法則

クーロンは、接触面の凸凹面を相対すべりすると摩擦は接触しあう2つの物体が相対運動するとききに摩擦が発生すると考えたのです。例えば、図3のには必ず発生するものですが、わたしたちは摩擦のようにＷの荷重が負荷されたθの角度をもった2つの性質が次のようなものであることを日常経験で知っ凸凹面が相対移動する時には、凸凹の山を乗り越ています。

えていく力Ｆが必要になります。

①荷重が大きいほど摩擦は大きい

このＦは荷重ベクトルを描くことで、②接触している「見かけの面積」が大きくても小F＝W・tanθ

※1

さくても摩擦力は変わらない③すべり速度が速くても遅くても摩擦力（動摩擦力）は変わらない

書き直せば tanθ＝F／W＝μと表され、Fを摩擦力、tanθを摩擦係数μと考えたわけです。

④硬いものほど摩擦は小さい

こうように説明することで、経験則はほぼ説明でき※2⑤材料が同じなら摩擦係数はほとんど同じ⑥油が介在すると摩擦は小さいたのですが、理論としては充分ではありませんでした。
W①〜③はアモントン・クーロンの摩擦法則といって経験則です。

運動方向
FW θ

図3 クーロン摩擦の考え方
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知りたいトライボロジー講座②「摩擦・摩耗」

2）凸凹部の凝着と剪断力による摩擦係数

3）凝着摩擦以外の摩擦の発生要素

そこででてきたのが、そもそも凸凹の先端は小さな摩擦力の大きさは凝着だけでは説明がつきません。

面積で力を受けているのだから、塑性変形が当然今日まで分かっているものには、この他「掘り起こし発生しているだろう。ならば、その部分の「凝着（くっによる摩擦」といって硬いものが軟らかいものに沈つこうとする性質）」に逆らう力が摩擦であろうとすんでしまって、そのまま滑るときに軟らかいものの接る考え方です。

触部分を掘り起こしながら移動するときの摩擦など※3

この力は引きずる方向の力なので剪断力と呼ばがあります。

2

この摩擦係数はある程度計算できるのですが、通の剪断力をsとし、真実接触面積をＡとすれば常の機械部品では0.05程度といわれています。これますが、その力Ｆは単位面積、例えば1mm 当たり※4F＝A・sの他に、弾性ヒステリシス損失による摩擦がありますが、と表されることになります。

いずれも凝着による摩擦に較べると小さいので、
あ

一方、真実接触面積Aは材料の硬さHと荷重Wまり問題にされることはありません。の比W／Hとなることがすでに分かっていますので、

4）接触の回避

F＝s・W／H
書き直して、F／W＝s／H＝μとなり、このようにして摩擦係数μが理論化されるよることから生じています。ならば、接触を止めることはうになりました。硬さは材料特有の数値であり、またできないかが当然発想としてでてきます。力で2つの硬さが分母にきていますので、これでほとんどの経物体を押し付け合いながら、どうやって離せるのか験則が説明できるようになったわけです。

ですが、それは油をさすことで解決できます。マクロ

これだけの力（応材料には降伏点応力 Ｙといって、σ的には離れてはいないのですが、微視的にみると力）がかかると塑性変形を開始することを示す材料

接触した領域に油を介在させると、接触する2つの固有の数値があります。

物体を遊離させることができるのです。

σＹであり、同様に鉄鋼材料の場合、ｓはほぼ0.5σＹ程度です。これを代入すれば

硬さＨは2.8F／W＝s／H＝0.5／2.8＝0.178

後ほど潤滑の章で述べることになりますが、油のような液体にはそのような性格があるのです。その結果、摩擦はもう発生しないのかといえば、凝着面

つまり、おおむね、鉄鋼材料の摩擦係数は0.18程度の剪断力は油を介して伝わります。ですから摩擦はの固有値として見積もることができます。
（実際の鉄なくなりません。また、油そのものの剪断抵抗が逆に鋼材料の表面には酸化膜などがあり、0.1〜0.2程度発生してしまいます。ですが、これらを含めても、油で実測されるようです）
この考え方は、現在最も支持が介在することで摩擦抵抗は極端に小さくなり、極されているもので、理論的にも整ったものです。

端に抑えることができるのです。

このようにして、摩擦とは微少な接触面積の凝着に抗する剪断力として理解されるようになりました。

3

これまで述べた問題は2つの物体が接触してい3. 転がり軸受の摩擦係数解明された摩擦現象を、産業に最も利用している分野が、転がり軸受です。

今日ではこれらの分類された項目の摩擦値は計算できるようになりましたが、このうちの速度項に相NACHIでは、昭和14年から転がり軸受の製造を行ない、これらの成果を応用しています。転がり軸当する潤滑剤の抵抗が最もよく議論されるようです。

受は英語でAnti-Fricion-Bearingと呼ばれ、転がり

1）潤滑剤の摩擦抵抗のメカニズム運動を採用することで、すべりという相対運動を極自動車を運転していて、道路にたまった浅い水た力小さくしたものです。それでも微視的にみれば、すまりに入った途端に急に減速してしまったという経べり運動は発生しています。

験をされたことはないでしょうか？ それはタイヤの回転動体にボールを使用した玉軸受で摩擦発生部転抵抗が急に増加するからなのです。

位を分類すると、次のようになります。荷重にかかわ水たまりに突入した途端にどうして回転抵抗が増るものを荷重項、潤滑剤にかかわるものを速度項とえてしまうのでしょうか？ 何が起きているのでしょうか？

して分類されることが多いようです。

タイヤはその柔らかさのために、接地した面では簡単に水膜ができてしまうことは前回でも述べました。こ

転がり接触面の差動すべりによるもの
ボールのスピン運動によるもの

外力支持部位の水膜は、膜の内部の力でタイヤを持ち上げるよう荷重項

イヤの中心線よりもやや移動側にずれた位置にやっ

ボールの弾性変形によるもの
保持器とボールの摺動によるもの

摺動面部位

油膜の剪断および
攪拌抵抗潤滑剤（油）の剪断に作用するのですが、この力の分布の中心線は、タてきてしまうのです。
このずれた量eと、タイヤ荷重Fを乗じたモーメント

速度項

保持器がボールから受ける力はわずかですので、保持器とボールとの摩擦はあまり問題にされませんが、eFが、タイヤが駆動される方向とは反対方向に作用してしまうので、回転抵抗が大きくなってしまうのです。
eの数値は、荷重Fの大きさにはあまり影響を受けませんが、回転の速さに大きく比例して速ければ速いほど大きくなることが計算で分かっています。

ボールの接触部分の摩擦は接触部位の設計方法

高速で走れば走るほど抵抗は大きくなりますし、に大きく左右されます。差動すべりは、講座開設の左右のタイヤの回転差があれば、抵抗の差も大きく章ですでに示しました。スピン運動というのは、ボーなるので、雨の日のコーナリングのスリップ事故はこルがコマのように廻る回転成分のことです。
（ただし、のようなメカニズムにも起因していると考えられます。

回転成分を持つだけで、コマのようにボールが廻る

この原理は、転がり軸受の転動体と軌道輪の間のわけではありません。）

接触状態についても適用できることが分かってます。
外輪

摩擦発生部位（転動体接触）玉（転動体）

このように、潤滑油が介在することで発生する摩擦を、速度項と呼びます。

内輪e

保持器

摩擦発生部位（保持器接触）図4

単列深溝玉軸受の構造

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図5

F
回転体の潤滑下での回転抵抗

4知りたいトライボロジー講座②「摩擦・摩耗」

2）転がり軸受の摩擦抵抗
では、差動すべりやスピンすべりによる摩擦など

発生摩擦の荷重項は、潤滑油の影響は受けないのでしょうか？
影響があるのだと明確に記された論文はまだ見たこ
すべりという計算には、摩擦係数というものを設定して数値化する場面が大体出てくるのですが、
この※5

起動摩擦とはありませんが、NACHIではあると考えています。

①＋②の合成係数が潤滑剤の影響を受けて、回転数の増加につ②速度項れ小さくなっていくと考えています。これを転がり軸①荷重項

受の回転数と摩擦の線図で表わすと、図6のような傾向になります。少なくとも円すいころ軸受という軸回転数

図6

転がり軸受の摩擦と回転数の一般的な関係

受については、このことは理論的にも実験的にも検証されていて、この考え方をほかの軸受にも適用していくと、摩擦についての事実を説明しやすくなることが分かっています。
このようにして、転がり軸受の摩擦係数は、今日ではほぼ計算できるようになってきました。

4. 摩耗のメカニズム
摩擦がゼロになることはありえないということがここ①凝着摩耗（adhesive wear）まで読んでいただくと理解できると思います。摩擦が②アブレシブ摩耗（abrasive wear）

ゼロではないということは、摩耗が必ず発生するとい

③腐食摩耗

※6

（corrosive wear）※7

うことです。ただ、摩擦の大きさと摩耗の大きさには（fatigue wear）

必ずしも関係はありません。例えば鉛筆で書き物をフレッチングとかピッチングとか呼ばれる摩耗は、摩するときは、鉛筆の芯が摩耗しています。消しゴムを耗のタイプによる分類で、原因別に分けた上記の摩使っているときもそうです。この場合の摩耗は材料耗形態が絡みあって発生していることが多いようです。の硬さに関係があるものです。
摩耗の主原因はタイプにより異なることが多く、次のように原因別に分けて論じられることが多いようです。

5④疲れ摩耗

ここでは代表的な、①凝着摩耗と②アブレシブ摩耗、そして、代表的な摩耗タイプとして、フレッチングをとり上げてみます。

1）凝着摩耗

2）アブレシブ摩耗

真実接触面では、接触している凸凹の先端が塑剥がれた摩耗粉が酸素と結びつくと、全てが良性変形していることをいいました。そのような塑性しい摩耗になるわけではありません。一般に金属原子た微小の凸凹は接触を繰り返すうちに、剥がれて母は酸素と結びつくと硬く変化します。酸素と結合し体からとり除かれてしまいます。これが凝着摩耗とた摩耗粉は、通常はそのまわりにある潤滑油で接触いわれてる現象です。

面から取り除かれてしまうのですが、それが接触面凝着摩耗が生じると、取れた摩耗粉はどうなるのでしょう？ またもとの母体にくっついたりあるいは相に残留したまま硬い異物となって母体を傷つけてしまうのが、アブレシブ摩耗と呼ばれるものです。

手方にくっついたりします。さらには、取れたり剥が硬いものが柔らかいものを傷つけるときも、この摩れたりを繰り返すこともあります。ここで、私たちが常耗形態です。ですから、砂などが鉄鋼表面を削って識にしている空気の存在は、この現象の良し悪しにしまうのもこの摩耗です。
（砂にはSiO 2という鉄より大きい影響をもたらします。

も硬い酸化物が含まれています。）

つまり、剥がれた摩耗粉は金属原子面がむき出

この摩耗は摩耗率といって、摩耗する速さや強さしになっているので、何かにくっつきたいという性格を示す尺度が大きいため、物の加工などでは積極を持っているのです。普段私たちが経験する摩耗的に利用しますが、生じては困るところでは大変なでは、剥がれた摩耗粉は空気中の酸素と結合して害になるので、研究の対象になることが多いようです。

安定した粉に変わります。このときは摩耗面にはとくに大きな害は発生しません。これが良い摩耗です。

3）フレッチング

ところが、宇宙のような酸素の無い環境だったらどフレッチングとは、金属同志が小さな振動下で、接うでしょう？ 取れた摩耗粉は母体などにくっつくしか触を繰り返し受けるときに発生する摩耗形態のことで、ありません。くっついても微小だからすぐ剥がれます

微動摩耗とも呼ばれているものです。接触面がマクし、いつまでたってもつきたての餅のような性質をもロ的に移動せず、常に特定の同じ箇所だけが振動ちつづけます。摩耗粉同志が集まって大きな塊にな接触するときに発生します。生じているメカニズムはることもあります。このような摩耗が悪い摩耗です。

凝着摩耗とアブレシブ摩耗の複合がほとんどです。

つきたての餅のような性格の摩耗粉に｢キナコ」したがって、原理が分かっているので、フレッチングのように振舞っていたのが酸素なのです。この現象は、この学説を唱えた笹田直の名をとって「笹田キナコ」と呼ばれています。
ですが、酸素があればいつも良い摩耗が生じるわけではありません。摩耗の進行が早いと、酸素とくっは適切な手法で防止することができます。
フレッチングが生じると、金属のこすり面には、剥がれた凝着摩耗粉が酸化し、茶色の粉となってでてきます。酸化した粉は、今度はアブレシブ摩耗を引き起こします。このような繰り返しが生じるわけです。

つく前に次の摩耗が生じることもあり、悪い摩耗にこれを防止するには、接触面に油をゆきわたらせ移行していくこともあります。高速回転する軸受などることです。
しかし、接触面が、油が入るほど移動しの潤滑状態が悪いと、すぐに焼き付いてしまうのはてくれないので、わずかなすきまに浸潤してくれるよ

このことが大きな原因の一つです。

うな油が必要になります。

このように、凝着摩耗では摩耗の結果に環境条件が大きく左右すると考えられています。

潤滑剤にグリースを使う場合は、軟らかいグリースを使うことで浸潤性が良くなり、解決することが多いようです。接合部品を多く持つ自動車ではフレッチングを防止するため、このようなグリースが多く使用されています。

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5. おわりに個体と個体の接触面に油膜が介在したときに、摩擦係数がどのように変化していくのかを評価した

2つの接触面が非常に大きい力を支持しても、形成された油膜が切れないようにするためなのです。

ものに、1990年代初頭にでたストライベック（Stribeck）

このように、摩擦・摩耗は潤滑とは密接な関係に線図というのがあります。
（図7）接触する2物体に発あります。次回は、潤滑について述べますので、もう生する摩擦の度合いを概念的に表したものとして、一度この欄に振り返って頂くと理解が深まると思いあまりにも有名な線図なのですが、潤滑の項で説明ます。

することして、ここでは割愛しました。
摩擦・摩耗を小さくするには、2物体を遊離させれ境界潤滑 混合潤滑ばいいのですが、油の粘っこさ（これを粘度といいま粗さが充分でなく接触している領域す）や接触面に油が移動する速さにより、遊離する流体潤滑
完全に遊離している領域

量は変わって行くのです。但し0.001ミリといった目いほど遊離する量は大きくなっていきます。逆に外力が大きいほど、遊離する量は減少していきます。こ摩擦係数には見えない単位です。これらの粘度も速さも、大きの遊離量は大変に小さい量ですので、接触面の粗さによりせっかく離れた量を活かすとか活かせないということがあるので、物体の面粗さがとても重要な因子になってくるのです。
一般に、工業製品がピカピカの面になっていてど粘度×速度／荷重

ろどろした粘っこい油が使われていることが多いのは、

図7 ストライベック線図

用語解説

関連記事

※1 摩擦力
外力と直角方向に物体を移動させるときに発生する運動方向とは、逆向きの抵抗力のこと。

1）渡辺孝一：知りたいトライボロジー講座①「トライボロジー入門」
NACHI-BUSINESS news Vol.7 D1、May／2005※2 摩擦係数
摩擦力をそのときの外力で除したもの。摩擦力と外力は直角方向で評価する。
※3 剪断力物体の運動方向に接触面がずれようとする力。
※4 弾性ヒステリシス損失
固体の接触における弾性変形が大きく、その変形と回復がくり返される場合に、エネルギー損失が発生する。
※5 起動摩擦
物体が動き始める瞬間の摩擦力であり、静摩擦とも呼ばれる。この反対語に動摩擦があり、動摩擦力は一般に静摩擦力の約1／2になる。
※6 腐食摩耗雰囲気あるいは潤滑剤による腐食作用と摩擦による機械的作用とが併起的にあるいはくり返し的におこる場合の摩耗。
※7 疲れ摩耗
摩擦時の応力のくり返しによっておこる表面の疲れ損傷。

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〈発行〉 2005年11月20日
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