2015 Fiscal Year Annual Research Report
高温微粒子ピーニングによる構造用鋼の多機能化と効果発現メカニズム
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15H03894
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
小茂鳥 潤 慶應義塾大学, 理工学部, 教授 (30225586)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
亀山 雄高 東京都市大学, 工学部, 准教授 (20398639)
大宮 正毅 慶應義塾大学, 理工学部, 准教授 (30302938)
曙 紘之 広島大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (50447215)
清水 一道 室蘭工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60206191)
森田 辰郎 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 准教授 (90239658)
菊池 将一 神戸大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (80581579)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 表面改質 / 微粒子ピーニング / 耐食性 / 疲労特性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
1．処理システムの改良：初年度はまず，砂時計型の疲労試験片にも適用可能になるよう，チャンバーと治具の設計と製作を行った．
2．メカニカルミリングによる投射粒子の作製：投射粒子として初年度はまず，Ni/Al MM粒子を，遊星型ボールミル（フリッチュ製； P-6）により作製した．具体的には，ポット内に所定の量のNi粒子とAl粒子（Ni:Al=1:4）に加えて粒子の混練させる目的でジルコニアボールを，また，凝集して粗大化することを抑制する目的として，界面活性剤のイソプロパノールを同時に混入して，メカニカルミリングを行った．その際ミルポットは，ステンレス製の雰囲気置換用容器に挿入し，容器内をAr雰囲気に置換した状態で装置を稼働した．運転条件は，公転回転数200rpm，自転公転数360rpmとし，5分の稼働と15分の休止を1サイクルとし，これを72回繰返すことにより，投射に適した粒子の作製が可能になることが明らかとなった．
3．被処理面の諸特性評価：被処理面に対しては，マクロ観察，SEM観察を行う．また，断面の表面近傍をEDXにより分析し，投射粒子元素の分布状況を詳細に調べた．さらにXRDによる分析を実施し，形成された化合物の状態を明確にした．また，同じ箇所のビッカース硬さ分析を行い，化合物の分布状況などについても検討を加えた．
4．高周波誘導加熱窒素ガスブローによるTiN化合物層の創成：チタン合金表面に，Ti-N系の化合物層を創成することにチャレンジした．具体的には，真空置換型AIH-FPP処理システムを用いて窒素雰囲気に置換したチャンバー内で，チタンおよびチタン合金を700℃～900℃に加熱した状態で窒素ガスをブローし，それによりチタン表面をTiNなどの化合物が形成されることを明らかとした．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
メカニカルミリングによる投射粒子の作製に関しては，試行錯誤に時間を費やしたが，目標通り達成することができた．また，そこで得た知見は，今後，新しい金属間化合物創製に向けても有益なものとなる．したがって，この点に関しては順調に進捗していると評価できる．
被処理面の特性評価に関しても，ノウハウの蓄積も含めて順調に実施できている．被処理材が構造用鋼の場合には問題なく金属間化合物の創製が達成できたが，素材をチタンに変更して同じ条件で処理を施すと，空洞が多数形成されるなどの問題点が浮き上がった．しかしこの点に関しては，投射粒子の成分の工夫や熱履歴の変更により解決可能であることを実験結果に基づき示した．
当初予定していた，措置の改良に関してはほぼ終了しているが，コイルの設計に手間取ったこともあり，実際の処理の実施に関しては次年度に持ち越しとすることとした．
別途，高周波誘導加熱窒素ガスブローによるTiN化合物層の創成にも取り組み，同じ処理装置を利用し簡便なプロセスにより表面改質が実現できることを明らかとしている．この点に関しては，多くの論文発表も行っている．
金属間化合物創成メカニズムに関しては，提案した仮説の検証を実施している段階であり，次年度も継続して実施する予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度はまず，金属間化合物種の拡大を試みる．その中に，『高周波誘導加熱窒素ガスブローによるTiN化合物層の創成』も含めて検討を行う．被処理面の評価に関しては下記の通り計画している．
(1) 密着性評価：そもそもAIH-FPP処理により創成された表面改質層は，基材と明瞭な界面を持たないことがひとつの重要なアドバンテージとして上げられている．したがってここでは，界面の存在の有無をまず評価し，つづいて，密着性評価試験を実施する．
(2) 耐酸化性および耐食性の評価： 600℃～900℃の大気中に所定の時間暴露し，質量変化を測定することにより，耐酸化性を評価する．同時に，表面近傍の断面を詳細に分析し，AIH-FPP処理による金属間化合物の創成状態と耐酸化性との関連を明確にする．また，電気化学試験を行い，分極曲線を得ることにより，基本的な耐食性を評価する．その際電解液としては3％NaCl溶液を，対極には飽和カロメロ電極を用いる．不導体保持電流密度や孔食電位を評価することにより，被処理面の耐食性を比較する．
(3) 摺動特性と耐摩耗性の評価：往復摺動型トライボステーションを用いた試験を実施し，摩擦係数の測定やスクラッチ痕の観察を行うことにより，被処理面の耐摩耗性を評価する．次に高温下における摺動試験の実施する．具体的には実機での使用環境を想定して，400℃～800℃程度の加熱した試験片に対して，摺動試験を実施する．
(4) 疲労特性の評価：回転曲げ疲労試験を行い，S-N曲線を得ることにより疲労強度特性を調べる．表面改質材の場合には，試験片内部から疲労破壊が発生する場合がある．ここでは，破面観察を実施し，疲労破壊起点を明確にする．また，別途引張圧縮負荷のもので疲労試験も実施し，疲労き裂の発生と進展挙動を詳細に調べる．
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