2018 Fiscal Year Annual Research Report
導電性と強度が飛躍的に高いナノファイバー過時効組織を持つ耐疲労性銅合金の創生
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18H01340
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| Research Institution | Oita University |
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Principal Investigator |
後藤 真宏 大分大学, 理工学部, 教授 (30170468)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
薬師寺 輝敏 大分工業高等専門学校, 機械工学科, 教授 (90210228)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 銅合金 / 不連続析出 / 疲労 / 組織 / 強変形加工 / 微細化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，銅合金の「強度と導電性」の相反関係を打ち破るため，機械的性質に害を及ぼすため利用されないが良好な導電性を持つ不連続析出相（過時効組織）を，一方向ナノファイバー組織に改変し，強度と導電性の二律背反関係を打破ること，および組織構造に注目して耐疲労特性の向上を図ることである．そのため，① 通常時効組織，② 過時効組織（不連続析出相），③ ナノファイバー過時効組織，それぞれの創生手法，組織構造，強度特性に関する研究を行った．初年度得た成果を項目ごとに示す．
①疲労き裂の発生個所が粒界である可能性は指摘されていた銅合金を対象に，光学顕微鏡による連続観察と電子顕微鏡による組織解析を組合わせた観察から，粒界からのき裂発を直接的に示し，その原因が粒界に析出した粗大Ni2Siに誘起された析出物枯渇領域の形成であることを解明した．このことは，耐疲労性銅合金を開発する際の重要な知見となる．
②Cu-6Ni-1.5Si合金を時効すると，最高強度が得られる時効時間において，母相中に数～数十ミクロン程度の孤島状の不連続析出相が発生した．不連続析出相が疲労強度に及ぼす影響を調べ，疲労き裂発生に無害であることとその物理的背景を明らかにした．これまで，疲労強度に及ぼす不連続析出相の影響に関する知見は皆無であり，このことは①の成果と共に耐疲労特性を持つ材料を開発する際に有益である．
③不連続析出相をナノファイバー化し導電性と強度が優れた素材を創生するには，ナノファイバー化前に組織全体が不連続析出相で占められた材料を創生する必要がある．合金組成と時効条件を変え試行錯誤の結果，含有量が5.5Ni, 1.28Siより多ければ全体に不連続析出相が創生され（時効時間: 6h），6Ni, 1.5Siでは時効時間0.5hで良好な組織が得られた．これは本研究目的を達成するための根拠を得た意味で重要である．
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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
研究目的達成のため，① 通常時効組織（連続析出相），② 過時効組織（不連続析出相）および③ ナノファイバー過時効組織，それぞれについて創生手法，組織構造，強度特性に関する研究を行った．現在までの進捗状況を下記の通り項目ごとに示す．
①Cu-6Ni-1.5Si合金に冷間圧延(80%)，溶体化処理および時効（500℃）を行い，光学顕微鏡による連続観察と電子顕微鏡による組織解析を組合わせた観察により，粒界からき裂発が発生することを直接的に示し発生メカニズムを解明した．また，破面解析によりき裂進展と組織との関連を明らかにした．項目①に関しては概ね計画通り進んでいると言える．
②母相中に数～数十ミクロン程度の孤島状の不連続析出相が発生した銅合金を用いて．不連続析出相が疲労強度に及ぼす影響に関する物理的背景を明らかにした．研究計画は予定通り進んでいる．また，研究を進める上で，組織全体が不連続析出相で占められた合金が必要であるが，項目③で示す通り必要な組織を有する合金が得られたため，現時点で問題は見当たらず研究は概ね計画通り進んでいる．
③合金組成と時効条件を変え試行錯誤を重ねた結果，含有量が5.5Ni, 1.28Siより多ければ全体に不連続析出相が創生され（時効時間: 6h），6Ni, 1.5Siでは時効時間0.5hで良好な組織が得られることが明らかになった．試行錯誤にかなり時間を要したため，強変形加工によりナノファイバー化する着手する時期が多少（3ヶ月）遅れたが，この程度の遅れは当初予想できていたため，今後取り戻せると思われる．したがって，研究は概ね計画通り進んでいると判断した．
以上を総合した結果「おおむね順調に進展している」と結論した．
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| Strategy for Future Research Activity |
研究目的達成のため，① 通常時効組織（連続析出相），② 過時効組織（不連続析出相）および③ ナノファイバー過時効組織，それぞれについて創生手法，組織構造，強度特性に関する研究を進める．今後の推進方策を下記の通り項目ごとに示す．
①初年度の研究から，特定の条件の熱加工処理にて作成した銅合金のき裂発生機構が明らかになったが，多様な組成と熱加工条件の組合せが考えられる銅合金の一般的疲労特性を明らかにするのは時間的に困難である．そこで，初年度に疲労特性を明らかにした銅合金を基本とし，熱加工処理条件（特に溶体化処理前の圧延の有無および圧延温度の差）の違いに注目して，それが組織構造と疲労機構に及ぼす影響を明らかにする．また，微小表面き裂の進展挙動に関する実験を行い，き裂進展経路と組織の関係を調べる．
②本年度は，初年度に作成した組織全体に不連続析出相を有する銅合金の疲労き裂は発生について，光学顕微鏡観察と電子顕微鏡解析を融合させた研究を行う．すなわち，き裂発生個所を特定しき裂発生挙動に及ぼす不連続析出組織の影響を明らかにする．き裂発生個所の特定において，母相粒界と不連続析出相境界の区別が困難となる可能性が考えられる．このような事態が発生した場合は，部分切欠により発生個所を特定しこの部分に自然き裂を発生させ，かつ時効前後の組織をミクロンオーダーでスキャンし時効後の組織から母相粒界を特定する手法を使うことを考えている．
③本年度は組織全体に過時効組織（不連続析出相）が一様に生じる熱加工処理条件で作成した不連続析出材を強変形加工により一方向ナノファイバー化する研究を行う．まずは線材としての応用を考えて引き抜き加工によりナノファイバー化を達成する．
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