かじり

かじりは、摺動面間の凝着によって引き起こされる摩耗の一種です。材料がかじると、接触面とともにその一部が引っ張られます。特に、表面を圧縮する大きな力がある場合に顕著です。^[1]かじりは、表面間の摩擦と凝着の組み合わせによって発生し、その後、表面下の結晶構造が滑り、裂けます。 ^[2]これにより、通常、一部の材料が隣接面にくっついたり、摩擦溶接されたりしますが、かじりついた材料は、表面に材料の塊がくっついて丸まったり裂けたりしてえぐれたように見えることがあります。

かじりは、互いに滑り接触している金属表面で最もよく見られます。特に、表面間の潤滑が不十分な場合によく見られます。ただし、結晶の原子構造により、特定の金属は一般にかじりが発生しやすくなります。たとえば、アルミニウムは非常にかじりやすい金属ですが、焼きなまし (軟化) された鋼はかじりに対してやや耐性があります。完全に硬化された鋼はかじりに対して非常に耐性があります。

かじりは、金属が他の金属と接触して滑るほとんどの用途でよく見られる問題です。これは、金属が同じか異なるかに関係なく発生する可能性があります。真鍮や青銅などの合金は、かじりやその他の機械的摩耗に対する耐性があるため、ベアリング、ブッシング、その他の滑動用途によく選ばれます。

かじりは、金属表面間の横方向の動き（滑り）中に材料が微細に移動することで生じる凝着摩耗です。金属表面が接触して互いに滑り合う場合、特に潤滑が悪い場合に頻繁に発生します。高負荷、低速の用途でよく発生しますが、負荷が非常に小さい高速の用途でも発生することがあります。かじりは、板金成形、エンジンのベアリングとピストン、油圧シリンダー、エアモーター、その他多くの産業工程でよく見られる問題です。かじりは、一方の表面から粘着的に引っ張られ（機械的に剥離され）、隆起した塊（かじり）の形でもう一方の表面に付着した材料の目に見える移動を伴う点で、ガウジングや引っかき傷とは異なります。他の摩耗形式とは異なり、かじりは通常、徐々に進行するのではなく、隆起した塊がかじりをさらに誘発するため、急速に進行します。かじりはネジやボルトでよく発生し、ねじ山が固着して留め具や穴から引きちぎれてしまいます。極端な場合、ボルトはねじ山を削ることなく固着し、締結具、工具、またはその両方の破損につながる可能性があります。アルミニウムやステンレス鋼など、簡単にかじりやすい金属には、硬化鋼のねじ込みインサートがよく使用されます。 ^[3]

かじりには、金属結合による凝集性と可塑性(破損せずに変形する能力) という、ほとんどの金属に共通する 2 つの特性が必要です。材料がかじりやすいかどうかは、材料の延性によって左右されます。通常、硬化した材料はかじりにくく、同じ種類の柔らかい材料はかじりやすくなります。材料がかじりやすいかどうかは、原子の特定の配置によっても左右されます。面心立方(FCC) 格子に配置された結晶は、通常、体心立方 (BCC) 格子よりも材料の移動が大きくなるためです。これは、面心立方では結晶格子に転位が生じやすく、転位は格子のずれ、つまり「クロススリップ」を引き起こす欠陥であり、金属がかじりやすくなるためです。しかし、金属にスタッキング欠陥（原子面間の積層順序の差）が多数ある場合、転位でのクロススリップは起こりにくくなります。したがって、材料の耐かじり性は主にスタッキング欠陥エネルギーによって決まります。アルミニウムやチタンなどのスタッキング欠陥エネルギーの高い材料は、銅、青銅、金などのスタッキング欠陥エネルギーの低い材料よりもかじりが発生しやすくなります。逆に、コバルトベースの合金などの六方最密充填（HCP）構造でc/a比の高い材料は、かじりに対して非常に耐性があります。^[4]

かじりは、まず顕微鏡的スケールの個々の粒子から物質が移動することで発生し、隣接する表面に付着したり、拡散溶接されたりします。一方または両方の金属が、アルミニウムやステンレス鋼に見られるような、摩擦係数の高い硬い酸化物の薄い層を形成すると、この移動が促進されます。塊が成長するにつれて、隣接する材料を押して分離させ、摩擦熱エネルギーのほとんどを非常に狭い領域に集中させます。これにより、さらに付着と物質の蓄積が発生します。局所的な熱によってかじり表面の可塑性が高まり、金属が変形して塊が表面を突き破り、かじり表面から大量の物質をはがし始めます。かじりを防ぐ方法には、グリースやオイルなどの潤滑剤、低摩擦コーティング、二硫化モリブデンや窒化チタンなどの薄膜堆積物の使用、および表面硬化や高周波焼入れなどのプロセスを使用して金属の表面硬度を高めることなどがあります。

工学科学やその他の技術的側面では、かじりという用語が広く使用されています。材料間の接触領域における加速度の影響は数学的に説明されており、かじり現象の実験的観察中にトラックに見られる摩擦メカニズムと相関しています。以前の矛盾した定義とテスト方法の問題により、関連する摩擦メカニズムの理解を深めながら、測定方法を改善することで、かじりという用語を標準化または再定義して、より一般的な使用を可能にする試みが行われました。ASTM International は、かじり現象の技術的側面について、ASTM G40 規格で共通の定義を策定し、確立しました。「かじりは、滑り固体間で発生する表面損傷の一種であり、通常は局所的な、微細な荒れと、元の表面からの突起 (塊など) の形成によって区別されます。」^[5]

2 つの金属表面が互いに押し付けられると、最初の相互作用と接合点は、各表面にある突起、つまり高点になります。接触が収束し、相対的に動くと、突起が反対側の表面を貫通することがあります。表面間の接触により、摩擦または塑性変形が開始され、接触領域と呼ばれる小さな領域に圧力とエネルギーが発生します。

圧力の上昇により、変形領域内のエネルギー密度と熱レベルが増加します。これにより、表面間の密着性が高まり、材料の移動、かじりの蓄積、塊の成長、元の表面からの突起の形成が始まります。

塊（または片面に移された材料の突起）が数マイクロメートルの高さに成長すると、反対側の表面の酸化層を貫通し、下層の材料に損傷を与える可能性があります。塊の周囲の変形体積に見られる塑性流動は、バルク材料の損傷が前提条件です。塊の形状と速度によって、流動する材料が塊の周りをどのように輸送、加速、減速するかが決まります。この材料の流れは、滑り中の接触圧力、エネルギー密度、および発生する温度を定義するときに重要です。流動する材料の加速と減速を表す数学関数は、塊の表面輪郭によって推定または与えられる幾何学的制約によって定義されます。

塊の幾何学的制約などの適切な条件が満たされると、エネルギーの蓄積によって材料の接触と塑性挙動に明らかな変化が生じ、接着とさらなる動きに必要な摩擦力が増大します。

滑り摩擦では、圧縮応力の増加は、接触領域内の位置エネルギーと温度の上昇に比例します。滑り中のエネルギー蓄積により、表面境界の表面積が小さいため熱伝導率が低くなり、接触領域からのエネルギー損失を減らすことができます。もう 1 つの理由は、加速と圧力の産物であるエネルギーが金属に継続的に押し込まれることです。これらのメカニズムが連携して、一定のエネルギー蓄積が可能になり、滑り中の接触領域でのエネルギー密度と温度が増加します。

冷間溶接は実際には冷間ではなく、接触領域に加えられた圧力と塑性変形によって溶融点の温度とエネルギー密度が上昇するため、プロセスと接触は冷間溶接または摩擦溶接に例えることができます。

かじりは、直接接触して相対運動が起こった金属表面間でよく見られます。板金成形、ねじ製造、その他の工業工程では、ステンレス鋼、アルミニウム、チタンなどの金属でできた可動部品や接触面が含まれることがあります。これらの金属は、不動態化による外部酸化層の自然な発達により耐食性が向上しますが、かじりに対して特に敏感になります。^[6]

切削 (主に旋削とフライス加工) を伴う金属加工では、かじりは軟質金属を切削する際に発生する摩耗現象を表すためによく使用されます。加工材料はカッターに転送され、「塊」を形成します。形成された塊により、2 つの表面間の接触挙動が変化し、通常は接着力と切削抵抗が増加します。また、振動が発生するため、独特の音として聞こえます。

アルミニウム化合物ではかじりが発生することが多く、工具の故障の一般的な原因となります。アルミニウムは延性金属であるため、比較的容易に塑性流動する能力があり、比較的一定した大きな塑性領域を前提としています。

摩擦熱は貫通物体周囲の塑性領域の構造と密接に関連しているため、高い延性と流動性のある材料は、過剰な材料移動やかじりの一般的な前提条件と考えることができます。

かじりは、比較的低い荷重と速度でも発生する可能性があります。これは、システム内の実際のエネルギー密度が相転移を引き起こし、多くの場合、物質の移動が増加し、摩擦が大きくなるためです。

一般的に、凝着摩耗やかじりには、固体表面接触と潤滑接触という 2 つの主要な摩擦システムが影響します。防止の観点から見ると、これらは異なる方法で作用し、材料に使用される表面構造、合金、結晶マトリックスに異なる要求を課します。

固体表面接触または潤滑されていない状態では、最初の接触は、凹凸間の相互作用と 2 種類の異なる引力の発現によって特徴付けられます。凝集表面エネルギーまたは分子が 2 つの表面を接続して接着します。特に、測定可能な距離が離れている場合でもそうです。直接接触と塑性変形により、流動材料による塑性領域の構成を通じて別の種類の引力が生成され、誘導エネルギー、圧力、温度によって凝集表面エネルギーよりもはるかに大きな規模で表面間の結合が可能になります。

金属化合物および板金成形では、通常、凹凸は酸化物であり、塑性変形は主に脆性破壊で構成され、非常に小さな塑性領域を前提としています。破壊メカニズムの不連続性のため、エネルギーと温度の蓄積は低いです。ただし、最初の凹凸同士の接触中に、摩耗粉や凹凸の破片が反対側の表面に付着し、元の表面より上に、通常は局所的な微細な荒れや突起（実質的には塊）の形成を引き起こします。転移した摩耗粉や塊は反対側の酸化物表面層を貫通し、下にあるバルク材料に損傷を与え、それを前方に押し出します。これにより、連続的な塑性変形、塑性流動、およびエネルギーと温度の蓄積が可能になります。付着性材料の転移の防止は、以下または同様のアプローチによって実現されます。

• コルスタライジングなどの低温浸炭処理は、表面硬度を最大1200 HV0.05まで高めることでオーステナイト系ステンレス鋼の焼き付きを解消することができます（基材と表面状態によって異なります）。^[7]
• 表面の原子または分子間の凝集力または化学的な引力が低い。
• 板金成形 (SMF) における対象材料上の厚い酸化物層などによる連続的な塑性変形と塑性流動を回避します。
• SMF 作業ツールに堆積された化学蒸着(CVD) や物理蒸着(PVD)、窒化チタン (TiN) やダイヤモンド状炭素コーティングなどのコーティングは、対象材料の保護酸化物層が破壊され、摩擦接触が連続的な塑性変形と塑性流動によって特徴付けられる高エネルギー摩擦接触でも化学反応性が低くなります。

潤滑接触は、関係する材料の表面構造に別の要求を課します。主な問題は、保護潤滑厚さを維持し、塑性変形を回避することです。塑性変形により、オイルまたは潤滑流体の温度が上昇し、粘度が変化するため、これは重要です。最終的に材料が移動したり、元の表面上に突起物ができたりすると、保護潤滑厚さを維持する能力も低下します。適切な保護潤滑厚さは、次の方法で維持または支援できます。

• 表面の空洞または小さな穴は、接触領域でオイルが保護潤滑層の厚さを保持するのに好ましい幾何学的状況を作り出すことができます。
• 表面の凝集力により、表面と潤滑剤間の化学的引力が高まり、潤滑剤の厚さが増します。
• オイル添加剤は、かじりや凝着摩耗の傾向を軽減する可能性があります。

• トライボロジー – 相対運動する表面の相互作用に関する科学と工学
• レオロジー – 主に流体状態における物質の流れの研究
• 表面工学 – 固体表面の特性を変える
• ピンオンディスク摩擦計 – 表面間の摩擦と摩耗を測定する機器リダイレクト先の簡単な説明を表示するページ