ピンオンディスク試験JISで知る摩耗評価と材料選定の実践

ピンオンディスク試験JISで正しく理解する摩耗評価の全体像

同種金属の組み合わせで試験すると、摩耗量が異種金属の組み合わせより最大10倍以上になることがあります。

ピンオンディスク試験の基本原理とJIS規格の位置づけ

ピンオンディスク試験（Pin-on-Disk試験）は、回転するディスク状の試験片の表面にピン状の試験片を一定荷重で押し付けて摺動させ、その際の摩擦係数と摩耗量を測定する方法です。金属加工の現場では「部品がどれくらい摩耗するか」を事前に定量評価したいという場面が多く、この試験はそのスクリーニングに広く使われています。

試験の構成はシンプルで、下部にセットしたディスクを回転させ、上部から固定したピンを押し当てる形が基本です。回転数・荷重・試験時間を設定し、試験前後の質量差から摩耗量を算出します。試験中はロードセルなどで摩擦力をリアルタイムに計測し、摩擦係数を記録します。

この試験に関連するJIS規格として特に重要なのが「JIS T 0303:2000（人工関節用材料のピンオンディスク法による摩耗試験方法）」です。名称に「人工関節」とありますが、ピンオンディスク法の標準的な手順がまとまっており、金属材料全般の耐摩耗性評価の参考規格として現場でも引用されています。規格では摩擦面圧力2.5MPa以上、摺動速度約20mm/s、摺動距離約10⁸mmなどの試験条件が規定されており、潤滑液として生理食塩水や血清含有水溶液を37±2℃で使用する前提となっています。

金属材料のしゅう動摩耗評価に直接対応するのが「日本機械学会基準 JSME S013（摩耗の標準試験法）」です。これはJISではなく学会基準ですが、ピン・オン・ディスク摩耗試験、スラストシリンダ摩耗試験、ブロック・オン・リング摩耗試験の3方式を規定し、試験装置・試験片・試験方法・試験結果の表し方を網羅しています。つまり規格です。金属加工従事者がピンオンディスク試験を行う際には、この2つの規格を目的に応じて参照することが実務上の基本となります。

摩擦係数は動作中にリアルタイムで変動するため、「平均値」と「最大値」の両方を記録することが推奨されます。試験開始直後の馴らし期間（ランイン期間）は摩擦係数が不安定になりやすく、この段階のデータを最終評価値に含めるかどうかが結果の解釈に影響します。試験開始から終了まで通しで記録し、グラフで変化の挙動を確認する習慣が重要です。

参考：JIS T 0303:2000（人工関節用材料のピンオンディスク法による摩耗試験方法）の全文はこちらで確認できます。

JIS T 0303:2000 ピンオンディスク法による摩耗試験方法（kikakurui.com）

ピンオンディスク試験で測定する比摩耗量の計算と注意点

ピンオンディスク試験の核心的な評価指標が「比摩耗量（Specific Wear Amount）」です。これは摩耗体積を荷重と摺動距離の積で除した値で、材料の耐摩耗性を定量的に示します。数式で表すと次のとおりです。

$$w_s = \frac{V}{W \times L}$$

ここでVは摩耗体積（mm³）、Wは荷重（N）、Lは摺動距離（m）です。単位はmm³/N·mが国際的に一般的ですが、国内では過去にmm²/Nも使われてきました。この2つの単位の換算関係は1 mm²/N＝10³ mm³/N·mであり、単位を確認せずにデータを読むと評価値が1,000倍ずれます。意外ですね。論文や社内報告書を参照する際は単位の確認が必須です。

摩耗体積は試験前後の質量差から算出します。式は次のとおりです。

$$V = \frac{W_1 - W_2}{\rho}$$

W₁が試験前の質量（g）、W₂が試験後の質量（g）、ρが材料密度（g/mm³）です。密度の値がずれると体積計算も狂うため、JIS Z 8807に準拠した密度測定を行うことが前提です。鋼材であれば密度7.8 g/cm³（=7.8×10⁻³ g/mm³）が一般的に使われます。

比摩耗量の評価基準として参考になる目安があります。無潤滑条件でのすべり摩耗（凝着摩耗）では比摩耗量が10⁻⁷～10⁻³ mm³/N·m程度の範囲に収まります。このうち比摩耗量が10⁻⁶ mm³/N·m以下となれば「低摩耗（マイルド摩耗）」と評価されます。一方、10⁻⁵～10⁻³ mm³/N·mの範囲は「シビア摩耗」と呼ばれ、表面の荒れが激しく金属片状の大きな摩耗粉が発生します。これが原則です。

重要な落とし穴として、「摩擦係数と比摩耗量は必ずしも相関しない」という点があります。摩擦係数が低くても比摩耗量が大きいケースや、逆に摩擦係数が高くても摩耗量が極めて少ないケースは実際に報告されています。例えば、シリコロイを用いた試験では、摩擦係数の平均値が0.5～0.7台の範囲で総合比摩耗量が100倍以上異なる組み合わせが観察されています。摩擦と摩耗は独立した現象です。この点を現場で見落とすと「摩擦係数が低いから大丈夫」という誤判断につながるため注意が必要です。

参考：比摩耗量の概念や摩耗理論の詳細、摩擦摩耗試験における留意点は以下の解説記事が参考になります。

第3回 摩耗｜工場マガジンラック（日刊工業新聞社）— 比摩耗量の理論的背景とピンオンディスク試験の実例を図解で解説

ピンオンディスク試験の条件設定とJIS規格が定める試験回数・試験片サイズ

試験条件の設定は、ピンオンディスク試験で最もつまずきやすいポイントです。荷重・回転数・試験時間・試験片サイズのいずれかが実態とかけ離れていると、結果が現場の実機挙動とまったく一致しない、というケースが頻繁に起こります。これは使えそうです。

JSME S013（改訂版）では、ピン・オン・ディスク試験のディスク試験片の外径について、初版では40～60mmとしていたものを改訂版では「外径20mm以上60mm以下」に変更しました。この背景には、国内の研究論文では1インチ（25.4mm）程度のディスク試験片が多く使われているという実態があります。つまり「外径40mm以上でないとダメ」という固定観念は古い情報です。現場での試験片加工コストを考えると、20～30mm径のディスクを選択できることはコスト面でも時間面でもメリットがあります。

試験回数についても注目すべき改訂があります。初版では「最低5回」とされていた試験回数が、改訂版では「少なくとも3回（ばらつきが大きいときは5回以上）」に変更されました。摩耗試験は1回の試験時間が数時間に及ぶことも多く、試験回数と試験条件の点数設定はトレードオフの関係にあります。限られた設備・時間のなかで最大の情報を得るには、まず3回の試験でデータのばらつきを確認し、必要に応じて回数を増やす判断が合理的です。

試験片の表面粗さも、結果に大きく影響します。JIS T 0303では標準試験片について「ステンレス鋼SUS316L側の摩擦面粗さRaが0.05μm以下」と規定しています。表面粗さが粗い状態で試験を行うと、初期のランイン期間が長くなり、なかなか安定した摩擦係数が得られなくなります。現場では試験片の仕上げ方法（研削・ラッピング・電解研磨など）を統一しておくことが、再現性の高いデータを得る条件です。

試験前の試験片洗浄手順も見落とせません。JIS T 0303では超音波洗浄をA3グレードの水で5分以上行い、その後エタノール（99.5）で約5分間脱水することが規定されています。油分やごみが残った状態で試験を行うと、摩耗量の測定誤差が0.1mgオーダーの試験では致命的な影響を与えます。天秤の精度は0.1mg以上（必要に応じて10μg精度のものを使用）が求められており、計量環境の温湿度を試験前後で均一に保つことも重要です。

参考：JSME S013の改訂内容と試験条件設定の詳細は以下で詳しく解説されています。

摩耗の標準試験法（JSME S013改訂版）の概要解説｜ジュンツウネット21 — 試験片サイズ変更・試験回数改訂の背景を詳細に解説

ピンオンディスク試験から見えるJIS規格外の注意点：同種金属の摩耗リスク

ピンオンディスク試験で組み合わせを検討する際、「同じ材料同士なら安全だろう」という判断をしがちです。しかしこれは大きな落とし穴です。

シリコロイ材料を使った実測データでは、同種金属（例：シリコロイA2ピン対シリコロイA2ディスク）の総合比摩耗量が、異種金属（シリコロイA2ピン対SUS440Cディスク）と比較して約29倍に達するケースが報告されています。さらにSUS304同士の組み合わせでは比摩耗量が71.99×10⁻¹⁴ m²/Nと非常に高く、SUS420J2同士でも73.76×10⁻¹⁴ m²/Nという値が得られています。同種金属の組み合わせが引き起こす摩耗加速は、凝着摩耗の典型的なメカニズムによるものです。

凝着摩耗は、金属同士の真実接触部で微視的な溶着（凝着）が起き、滑り動作でその溶着部が破断することで摩耗粉が生じる現象です。同種金属ではこの凝着が発生しやすく、摩耗粉が蓄積してさらに三体摩耗（アブレシブ成分）も加わります。SUS304を使った試験では、ディスク摩耗痕に局部的な加工硬化（HV420～600）が観察され、いびつな形状や凝着摩耗の状態が確認されています。厳しいところですね。

この知見は、摺動部品の設計や材料選定に直接活かせます。例えば、軸とブッシュの材質を意図的に変えることで摩耗を抑制するという設計上の対策は、この試験データが理論的な根拠となります。異種金属の組み合わせのなかで特に優秀だったのは、SUS440C（マルテンサイト系ステンレス）をディスクとした場合にシリコロイXVIピンを使う組み合わせで、総合比摩耗量がほぼゼロに近い結果が得られています。

もう一つ覚えておきたいのが「硬さ比（Hm/Hp）」の考え方です。アブレシブ摩耗では材料の硬さHmが粉体や砥粒の硬さHpの1.25倍以上（Hm＞1.25Hp）になると、摩耗量が急激に減少します。これをRabcnowiczの実験式といい、粉体を扱う加工ラインでの耐摩耗材料選定で有用な指針となります。つまり、材料硬さを粉体硬さの1.25倍以上に高める設計を目指すことが基本です。

ピンオンディスク試験の結果を材料選定・表面処理に活かす実践的アプローチ

ピンオンディスク試験のデータを「数値を眺めるだけ」で終わらせている現場は多いです。せっかく計測した比摩耗量と摩擦係数を、具体的な材料選定や表面処理の意思決定に結びつけることができれば、試験のコストと時間に見合ったリターンが得られます。

表面改質の効果については、試験データが非常に明確な差を示します。シリコロイA2に特殊浸炭処理を施した材料（シリコロイA2(C)）同士の組み合わせでは総合比摩耗量がほぼゼロという結果が得られており、無処理の同種金属組み合わせ（総合比摩耗量183.86×10⁻¹⁴ m²/N）と比べると劇的な改善です。約183倍の差があることになります。これは使えそうです。低温ガス窒化処理も有効で、シリコロイXVI(N)の場合は表面硬度がHV1293に達し、耐摩耗性の向上に寄与しています。

一般的なコーティング材料として注目されるAlCrNコーティングでは、SUSピン対AlCrNコーティングディスクの組み合わせで、SUSピン対超硬ディスクと比較してピンの摩耗減量が10分の1以下になる報告があります。窒化物系のPVDコーティングは硬度が2,000HV以上に達するものもあり、素材硬度が500HV前後のステンレス鋼と組み合わせると硬さ比の面でも有利です。

摩耗試験の結果と実機の挙動を対応させる際には、「比摩耗量がラボ試験で1桁以上改善すれば、実機でも耐摩耗性は向上した」という経験則が参考になります。ただしラボ試験は乾燥摩擦（無潤滑）での評価が多く、実機では境界潤滑や流体潤滑が介在します。潤滑下では比摩耗量が無潤滑の場合より3桁以上小さくなることもあります。ラボ試験データは「相対比較」のツールとして使う、という位置づけが現実的です。

コーティング・表面処理の選択に迷う場合、まず摩耗形態を特定することが先決です。摩耗面の外観（顕微鏡観察）と比摩耗量のオーダーを照合し、凝着摩耗なのかアブレシブ摩耗なのかを判断します。凝着摩耗が支配的ならば異種材料の組み合わせや固体潤滑皮膜の導入が有効です。アブレシブ摩耗が主因ならば材料硬度を上げるか、硬質コーティングを選択します。この分類を誤ると、最適な対策が実施できなくなります。比摩耗量と摩耗形態の対応関係が判断の鍵です。

参考：ピンオンディスク試験を使った各種金属・表面改質の比較データはこちらを参照ください。

ピンオンディスクまとめ（シリコロイ ラボ）— 同種金属・異種金属・表面改質の組み合わせによる比摩耗量・摩擦係数の詳細比較データ掲載

トライボロジー試験（摩擦・摩耗試験）｜日鉄テクノロジー — 回転摺動試験の試験仕様や対応範囲の参考情報として活用可能

ピンオンディスク試験の受託試験活用と試験結果の報告書に含めるべき情報

ピンオンディスク試験を社内で実施する環境がない場合、外部機関への受託試験が現実的な選択肢です。公設試験研究機関（例：ORIST＝大阪産業技術研究所）や鉄鋼メーカー系の試験センター（例：日鉄テクノロジー）が受託試験に対応しており、試験条件を指定してデータを取得できます。

受託試験を依頼する際に事前に整理しておくべき情報があります。試験片の材質・熱処理条件・表面粗さ・形状寸法（ピン径・長さ、ディスク外径・厚さ）、想定する荷重・回転数・試験時間・潤滑条件、そして試験環境（室温か高温か、乾燥か液中か）です。これらを明確にして依頼することで、試験コストの無駄と再試験リスクを減らせます。

JIS T 0303に基づく試験報告書には含めるべき事項が定められています。組み合わせる2試験片の材質、摩耗試験機の形式と仕様（駆動方法・荷重方式・摺動距離検出方法・潤滑液温度制御方法）、試験条件（荷重・摩擦面圧力・摺動速度・潤滑液の組成と温度）、試験片の試験前の寸法・密度・質量・表面仕上げ方法と表面粗さ、試験後の質量・摩耗量・摩耗体積・比摩耗量、そして試験状況の特記事項です。結論は報告書をこの形式で揃えることです。

比摩耗量の最終値は、同一条件での3回以上の試験の算術平均値を用います。ばらつきが大きい場合は5回以上に増やして判断します。ばらつきの大きさは摩耗試験の本質的な特性で、引張強度試験のような高い再現性は期待できません。これは摩耗現象が材料の硬さや組成だけでなく、摩耗粉の挙動・表面温度・接触形態など複数の因子が複雑に絡み合うためです。比摩耗量の評価は「1桁のオーダーで比較する」という前提で行うことが業界の共通認識となっています。

受託試験機関を活用する際の具体的な行動は一つです。まず試験条件を記入したシートを作成し、試験片の図面と合わせて問い合わせフォームから送付するだけで見積もりが取れます。試験結果を受け取ったら単位（mm³/N·mかmm²/Nか）を確認してから社内資料に転記するのが鉄則です。

参考：受託試験の仕様例や試験機の詳細はこちらが参考になります。

摩擦摩耗試験機（ピン・オン・ディスク型）技術シート｜大阪産業技術研究所（ORIST）— 受託試験の仕様・測定例・装置概要を掲載