擬平面ひずみ変形加工により発現した結晶方位の熱的安定性と高温変形特性に関する研究

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K04719
• Research Institution: Japan Coast Guard Academy (Center for Research in International Marine Policy)
• Principal Investigator: 兼子 毅 海上保安大学校(国際海洋政策研究センター), 国際海洋政策研究センター, 准教授 (30403140)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 圧延加工 / 塑性加工 / 変形特性 / 有限要素法解析

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では，塑性変形を受けた結晶粒の長さ/幅の比率を自在に変化できるような擬平面ひずみ変形圧延加工法を開発し，その圧延加工法を用いて加工された金属材料の結晶方向(結晶方位)や結晶粒の形状，その後の熱処理による結晶方位変化や高温中の変形挙動について調査することで，新加工プロセスの妥当性検証を行うことを目的としている．研究2年度は，初年度（2021年度）に実施した擬平面ひずみ変形圧延加工用ロールの開発指針を再検討の上，以下の研究項目を設定した．
1．部分圧延を利用した擬平面ひずみ変形圧延加工時の有限要素法解析を行い，再検討した圧延ロール形状や加工回数などのプロセス因子による材料流動や応力・ひずみ分布などの変形特性を明らかにしたのちに，最適な材料流動が期待できる圧延ロールを設計・製作する．
2．上記の解析で設計・製作した圧延ロールを用いて，純アルミニウム焼鈍板とAl-Mg系アルミニウム合金焼鈍板を用いた圧延実験を実施する．
3．得られた圧延板について光学顕微鏡微視組織観察，圧延方向断面と板幅方向断面について光学微視組織観察とSEM/EBSD測定を行い，有限要素法解析によるひずみ分布との対応を調査する．また，平板状高温引張試験片用つかみ具を設計・製作を行う
擬平面ひずみ変形圧延加工時の材料流動や応力・ひずみ分布を3次元有限要素法により解析した結果，ロール断面形状を次の3形状に決定し圧延実験を行った．（1）ロール等胴長方向に三角形溝を連続配置したロール，（2）同一半径の円形凸部が連続配置されたロール（3）異なる半径の円形凸部が連続配置された溝ロール．これら3種について製作を行い，部分圧延と平坦化圧延実験を実施した．その結果，三角形溝ロールよりも円形凸部ロールの方が幅広がりが得られることが分かった．しかしながら，その幅広がり率は最大3％程度にとどまる結果となった．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

研究初年度に実施した擬平面ひずみ変形圧延加工用ロールの開発指針を再検討の上，ロール形状を変更して有限要素法解析を再度実施した結果，部分圧延用ロール断面形状を次の3形状に決定しロール製作を行い，圧延実験を行った．
（1）ロール胴長方向に三角形溝（溝高さ2mm，溝幅2mmの直角三角形状溝）を連続配置した溝ロール，（2）同一半径3mmの円形凸部連続配置溝ロール（3）ロール胴部中央から線対称に異なる半径（半径2mmから4mmまで0.5mm刻み）の円形凸部が連続配置溝ロール．また，平坦化圧延に使用する樽状形状のテーパーロールも合わせて製作した．圧延実験には純アルミニウムおよびAl-Mg系合金焼鈍板を用いた．圧延条件は1パス目の圧下率40％，2パス目の平坦化パスでは圧下率33％，最終パスの3パス目では圧下率50％となるようにロールギャップ設定を行った．
断面形状（1）では圧延実験では部分圧延領域が狭く，未圧延部分が溝部内部へのメタルフローが有限要素法解析と比較して小さくなり，上下平ロールによる平坦化圧延ではほとんど板幅方向へのメタルフローが生じなかった．断面形状（2）および（3）では1パス圧下率40％の部分圧延で未圧延部分がロール溝部分に充満し，圧延板長手方向の延伸を抑える変形を示した．その際の板幅広がり率は約1％程度であるが，続く2パスの平坦化圧延後に最終幅広がり率約3％を示した．
なお，テーパーロールを用いる平坦化パスではロール出口側にガイドシューを設けなかったため，圧延中に圧延板が蛇行する現象が生じた．現時点では平坦化圧延では上下平ロールを使用している．比較のため同一全圧下率の平圧延加工材の組織観察準備を進めつつあるが，これらの諸問題を解決し，安定的な平坦化圧延を行う対策が必要となったため，当初予定であった圧延板の微視組織および結晶方位測定が未実施にあり，研究進捗がやや遅れている．

Strategy for Future Research Activity

研究3年度は，研究2年度にて製作したロール形状を持つ圧延ロールを用いてAl-Mg系合金焼鈍板（A5052-OおよびA5083-O，初期寸法：板厚1.5mm×板幅30mm×長さ200mm）について全圧下率50％の擬平面ひずみ変形圧延加工実験を実施し，引き続き変形特性や加工組織を評価する．現在までの進捗状況に記述したように，得られる最終幅広がり率が約3%であることから，擬平面ひずみ変形圧延加工を圧延板の表裏に施すなどの加工パターンを変化させることや，研究計画調書にも記載したテーパーロールによる平坦化圧延での幅広がり効果の検証などを実施する．得られた圧延材について圧延方向断面と板幅方向断面について光学微視組織観察とSEM/EBSD測定による結晶方位評価を行い，有限要素法解析によるひずみ分布との対応を調査する．Al-Mg系合金圧延材は室温引張試験の他に，引張温度573Kを軸に初期ひずみ速度0.0001から0.1の条件にて高温引張試験を実施して高温変形構成式の同定などの機械的性質の評価を行い，高温引張試験後の微視組織観察と結晶方位測定を行うこととする．随時，データが得られ次第学会口頭発表などで研究成果の公表を行う．
また，研究計画書に掲げたAl-Zn-Mg系合金（A7075など）については板厚1.5mm前後の市販材入手性の困難さから，他の熱処理型アルミニウム合金であるAl-Mg-Si系合金（A6061など）を出発材として擬平面ひずみ変形圧延加工を行い，Al-Mg系合金との機械的性質と微視組織．結晶方位変化について比較し，本研究の総括を行う．

Causes of Carryover

研究計画の変更により，今年度は擬平面ひずみ変形圧延加工用ロールの製作および板状試験片用高温引張つかみ具作製，実験消耗品や有限要素法解析ソフトウェア保守契約費に支出した．研究計画調書では，研究2年度には現有のアムスラー型万能材料試験機を流用した高温引張試験のため，赤外線ゴールドイメージ炉や温度制御調節器等購入予算を計上していたが，所属機関にて高温引張試験加熱炉を備えた精密材料試験機が導入されたため，上記の通り使用用途を変更した．研究3年度には実験消耗品等の購入，研究成果発表のための出張旅費等に充当する予定である．