2013 Fiscal Year Annual Research Report
粉粒体利用ヘテロ組織ネット構造制御による機械構造用焼結合金鋼の超強靭化
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24246123
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
三浦 秀士 九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30117254)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
津守 不二夫 九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10343237)
長田 稔子 九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (90452812)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | MIM / ヘテロ組織 / ネット構造 / 転造 / 超強靭化 |
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| Research Abstract |
精密複雑な形状製品をネットシェイプで得られる金属粉末射出成形(MIM : Metal Injection Molding)技術を基礎に、分散相などによる機能性の付与と伴に添加成分粉末の焼結時に生成する不均一相を積極的に利用して、焼結低合金鋼部材の超強靭化のためのマイクロレベルのヘテロ組織の形態と形成過程の解析を行った。
すなわち、前年度までの研究にて厳選された組成系の回転曲げ疲労試験片を作製し、それらの動的破壊挙動についての詳細な解析を行った。動的破壊特性に関しては、組織との関連性も大きいことから、レーザ顕微鏡やSEM、画像解析装置などの新規設備を用いた組織観察や元素分析ならびに相の同定とともに、予想される不均質組成の分散状況とき裂進展との関係についても定量的評価を試み、超強靭な特性発現の原因を追究した。また、組織観察はあくまでも2次元的なものであるから、3次元の立体化をシミュレーションにより画像化し力学的特性も計算に加味して、超強靭的な特性を発現するためのネット構造制御とともに指導原理の構築を試みた。なお、金属粉末の焼結拡散理論ならびに力学等のシミュレーションに関して、世界的に著名なサンディエゴ州立大学のGerman教授よりMIMプロセスによるヘテロ組織構造体の寸法精度に及ぼす焼結収縮挙動にならびに強度シミュレーションに関する協力を得た。
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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
これまでのNi粉末粒径およびNi添加量がヘテロ組織と機械的性質の両特性に及ぼす影響について検討を加えるため、本年度ではヘテロ微細組織を２次元にてモデル化し、有限要素法による数値解析を用いて組織の最適化を試みた。数値解析の結果、Niリッチ相を配置しない均質なモデル（不均質度0％）に比べ、Niリッチ相を配置した不均質なモデルが高い強度および伸びを示した。一方、Ni拡散相が少なく不均質度の高いものより、Ni拡散相が大きく不均質度40％のもので、高い強度および伸びを示すことがわかった。これは、Ni粉末粒径＜10umでNi添加量6％の場合に、EPMAで微細で比較的濃度の低いNiリッチ相とNi拡散相がネットワーク状に分散していることと、引張試験結果から強度および伸びが優れていたことと同じ傾向であった。今後,さらにモデルや材料定数を改善し、できれば3次元のネットワーク構造をも考慮したモデルを構築し、超強靭な特性を示すメカニズムを解明する必要がある。
なお、超強靭な特性が得られたFe-6Ni-0.4C材では、引張強度2GPa、伸び8％であるのに対し、回転曲げ疲労強度は600MPaと通常の焼結低合金鋼（300～400MPa）よりは高いものの、予想よりはかなり低い値を呈しており、射出成形部材中に欠陥が生じていたことからも、その改善に努める必要があり、次年度の計画に考慮中である。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度までの智見を基に、ヘテロ組織ネット構造制御という新しい指導原理に基づいて、企業（具体的には住友電気工業（㈱）材料技術研究開発本部・徳岡輝和主査に内諾済み）も参画して、P/Mの主流である金型プレス成形材への応用展開、具体的には転造による焼結合金鋼歯車を対象に以下のような実験を計画している。すなわち、Ni濃度の異なるFe-Ni粉を用いて最適化された組成（Fe-6Ni-0.4C）のものについて、7.2Mg/m3以上の高密度焼結合金鋼歯車を作製する。ついで、現有の交差式転造装置により工具押し込み量を変化させ（表面緻密化層の厚さ変化）、やはり最適化された熱処理を施し、歯車として実用的に最重要な面圧疲労強度および歯元曲げ疲労強度について、き裂進展挙動と合わせて現有機器にて詳細な調査、検討を行い、溶製材と同等もしくは上廻る特性を得ることができれば、本研究で提案する「粉粒体利用ヘテロ組織ネット構造制御による機械構造用焼結合金鋼の超強靭化」の実証、かつ応用展開に大いにつながるものと思われる。
なお、転造は表層部のみ緻密化することで、面圧や歯元曲げ疲労強度を向上させることができるが、本研究では、その緻密化した基地に加えて、さらにヘテロ組織のネット構造制御による超強靭化を加味することを特徴としている。しかしながら、緻密化領域は表面から1mm深さ程度までであることから、ヘテロ組織の効果が十分に現れないことも予想される。その場合は、侵炭焼入も加味した熱処理を施すことで焼結合金鋼歯車の超強靭化に寄与させたいと考えている。
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