プラスチック摩耗：その原因と回避方法

摩擦などのプラスチックの摩耗は複雑な現象です。 それは2つの表面として起こります 互いにスライドまたはロールすると、相対運動の力によって徐々に材料が除去されます。 2つの一般的な摩耗メカニズムは、接着と摩耗です。接着摩耗は、合わせ面が互いにスライドし、一方の表面の破片が剥がれてもう一方の表面に接着するときに発生します。潤滑された材料では、結果として生じる破片が合わせ面に微粉末を形成します。これは、摩擦接触における熱可塑性プラスチックの主要な摩耗メカニズムです。

一方、アブレシブ摩耗は、硬い表面が相手をこすったり磨耗させたりしたときに発生します。このタイプの摩耗は、部品の表面に切り込まれた溝またはガウジが特徴です。ガラス繊維などの脱落した粒子が表面間を転がり、ひどい摩耗を引き起こす可能性があります。固有の靭性を備えたポリマーは、アブレシブ摩耗を減らすのに役立ちます。

塑性摩耗は、望ましくない動きの自由または精度の低下、あるいはその両方につながる可能性があります。比較的少量の材料の損失でさえ、システム障害を引き起こす可能性があります。適切に設計されたトライボロジーシステムでさえ、材料の除去を完全に排除することはできませんが、摩耗をわずかなレベルにまで減らすことができます。

潤滑性のある熱可塑性プラスチックの摩耗品質は大きく異なります。プラスチックオンメタルを採用した設計が最高のパフォーマンスを発揮します。ただし、プラスチックオンプラスチックを必要とする設計は、PTFEなどの1つまたは複数の耐摩耗性添加剤を含む異種ポリマーを使用することで良好に機能するように作成できます。

プラスチック摩耗の設計

システム設計が整ったら、エンジニアは「重大な摩耗」が発生する可能性があるかどうかを判断する必要があります。その場合、摩耗率を「許容可能な」レベルに調整する必要があります。

システムの摩耗率は、主に制御可能な変数の相互作用によって決定されます。たとえば、構造変数には、相対運動する材料とその表面仕上げ、および潤滑剤や研磨粒子などの界面材料が含まれます。もう1つの要因は、運動のタイプです。つまり、コンポーネント間の往復運動と連続運動または幾何学的運動（つまり、スライド、ローリング）です。速度、負荷、温度などの動作条件も影響を与える可能性があります。

多くの場合、ベアリング、ブッシング、シール、およびギアの材料の選択は、耐摩耗性とはほとんどまたはまったく関係のない要因に依存します。コスト、重量、耐薬品性、熱的および機械的特性などの属性がこれらの設計を推進する可能性があります。それでも、材料の選択肢が限られていても、良好な摩擦と摩耗の品質を得ることができます。

熱可塑性コンパウンドが適切に機能しない場合、エンジニアは添加剤レベルの変更または新しいレベルの導入を検討する場合があります。また、別の耐摩耗性プラスチックを選択したり、合わせ面の材質を変更したり、あるいはその両方を行ってパフォーマンスを向上させることもできます。

実際の摩耗コストは、コンパウンドの購入価格ではなく、そもそも正しい熱可塑性プラスチックを使用しないことによる隠れたコストです。 ASTM D-3702などの標準化されたテストは、相対的な摩耗率を示します。摩耗が懸念される場合は常に、プロトタイプを作成するか、実際のアプリケーションテストを行うことが重要です。

摩耗率の計算

摩耗は、特定の摩耗率として定量的に測定できます。これは、単位時間にわたる材料の体積損失です。摩耗は、試験片にかかる荷重に試験片が移動する距離を掛けたものに比例します。摩耗係数は次の関係から生じます：

W =K•F•V•T

ここで、k =摩耗係数（in.3 min / ft / lb / hr）10-10、W =摩耗量（in.3）、F =力（lb）、 V =速度（ft / min）、T =経過時間（hr）。 Kが低いほど、プラスチックの耐摩耗性が高くなります。ただし、Kは、熱可塑性プラスチックの代替品を比較する際の相対的なパフォーマンス指標としてのみ使用する必要があります。

接触圧力（P）とスライド速度（V）の両方が、材料の摩耗率に大きく影響します。軸受材料のPV能力は、PとVの積として表されます。各材料にはPV制限があります。この制限を超えると、材料は破損します。ただし、PV制限は、実際よりも概念的なものです。より高いPV値は、より重い負荷とより速い表面速度の下で動作する能力を示します。圧力を上げると摩耗率が上がり、摩擦が減りますが、スライド速度が上がると摩耗と摩擦の両方が増えます。

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