| 研究課題/領域番号 |
19K04110
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| 研究機関 | 山陽小野田市立山口東京理科大学 |
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研究代表者 |
吉村 敏彦 山陽小野田市立山口東京理科大学, 工学部, 教授 (20353310)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 超高温高圧キャビテーション / 機能性キャビテーション / ピーニング人工時効 / ピーニング自然時効 / ソノスミネッセンス / アルミニウム合金 / 時効硬化 / 耐食性 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、我々が世界に先駆けて開発した新しい超高温高圧キャビテーション(UTPC)の温度、圧力を制御し、従来にないアルミニウム合金のピーニング時効処理技術を確立する。アルミニウム合金が使用されている自動車等輸送機械の部品製造ラインにおける時効処理時間の短縮化、既存の輸送機械アルミニウム部品の疲労強度の向上および部品の薄肉化と省エネ化を目指す。
アルミニム合金（AC4CH）を用い、T6処理後の試料にUTPC処理による上乗せ時効処理による高強度化を行った。UTPC加工の方が低温低圧キャビテーション(LTPC)加工より高い強度が得られるが、長時間加工ではほぼ同一の強度になることが分かった。
UTPCによるT4処理（溶体化処理(535℃×8h)後自然時効）の再現するため、UTPC（WJ圧力：35MPa、超音波出力：800W）条件で、表面の温度を溶体化温度まで高めて溶体化ピーニング処理を行い、室温で放置し自然時効を行った。さらに、低温低圧キャビテーション（LTPC）によるピーニング人工時効処理を行い、ピーニング自然時効とピーニング人工時効の経時変化について比較検討した。超高温高圧キャビテーション加工(UTPC)加工により、AC4CHアルミニウム合金を適切な時間で加工すると、圧縮残留応力が付与されるとともに、自然時効が起こることが分かった。また、圧縮残留応力、表面硬度の高いピーニング自然時効処理のUTPC加工条件を明らかにすることができた。短時間加工ではUTPCによるピーニング自然時効もLTPCによるピーニング人工時効も起きないことが分かった。
ピーニング自然時効を行うための、ウォータージェト圧力と超音波出力、施工時間との関係を明らかにすることができた。UTPCによるT4処理を再現し、加工条件を確立した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
ウォータージェト(WJ)圧力と超音波出力、施工時間に対する熱処理による時効条件（温度、時間）との関係を明らかにすることができた。UTPCによるT6処理（溶体化処理(535℃×8h)後、人工時効(155℃×6h)）の再現し確立した。また、UTPC加工（溶体化模擬）後、超音波の出力とWJ圧力を下げて保持する（時効処理模擬）。これにより、圧縮残留応力、耐食性及びクラックレス層を付与できた。
WJC圧力と超音波出力、施工時間に対する気泡温度（発光強度）との関係を明らかにすることができた。気泡より発生する光子の波長と強度を計測し、Planckの黒体放射法と発光強度の関係を用いて、様々なタイプのキャビテーションの気泡内の温度を推定できた。発光強度は大きい方から、UTPC(4,600K)>MFC(4400 K)>UC(4,000K:UC基準)>SFN-WJC(3,750K)>WJC(3,700K)の順であった。キャビテーション処理後の圧縮残留応力は大きい方から、UTPC>MFC>UC>SFN-WJC>WJCの順であり、材料硬度は同じ順序になった。発光強度と温度が最も高いUTPC処理は、表面粗さやそのバラツキが最も小さく、耐食性を示す腐食電位が最も高かった。
超高温高圧キャビテーション（UTPC）加工によりアルミニム合金（AC4CH）に溶体化ピーニング処理を行いピーニング自然時効について検討した。UTPC加工により、AC4CHアルミニウム合金を適切な時間で加工すると、圧縮残留応力が付与されるとともに、自然時効が起こることが分かった。また、圧縮残留応力、表面硬度の高いピーニング自然時効処理のUTPC加工条件を明らかにすることができた。ピーニング自然時効を行うための、ウォータージェト圧力と超音波出力、施工時間との関係を明らかにすることができ、UTPCによるT4処理を再現し、加工条件を確立した。
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| 今後の研究の推進方策 |
2020度までの成果をもとに、今後以下の研究を推進する予定である。
2021年度はUTPCによるT5処理（溶体化処理しないで人工時効）再現し確立する。ピーニング人工時効を直接実施するため、キャビテーション気泡内温度を支配する超音波出力を100Wから800Wの間で変化させて適正な出力を決定する。キャビテーション気泡内圧力を支配するウォータージェットWJ吐出圧力を20MPaから35MPaの間で変化させて適正な圧力を決定する。R1～R2年度の研究成果により、アルミニウム合金を500℃以上まで表面を加熱する溶体化処理するには、WJ圧力を35MPa、超音波出力を800W、加工時間20minが適切であることが明らかになっているため、150℃程度の時効処理にはWJ圧力と超音波出力を下げた低温低圧キャビテーション（LTPC）が最も高い圧縮残留応力を付与できると考えられる。さらに、耐食性を向上させる加工条件について明らかにする。また、クラックレス層、靭性層を付与する条件についても検討し、ピーニング人工時効した部品を構造部材として活用する場合に必要とされる疲労強度の向上についても検討する。疲労試験片にT5処理再現したピーニング人工時効処理を行い、疲労試験片は平板とし、曲げ疲労試験により疲労強度、疲労限疲および疲労き裂発生箇所を求める。未処理材や従来のショットピーニングによる表面高強度化によって作製した疲労試験片よりも、疲労寿命を延長し、疲労強度および疲労限が向上するピーニング人工時効条件を確立する。
本研究の成果により、自動車等輸送機械の部品製造ラインにおける時効処理時間の短縮化、既存の輸送機械アルミニウム部品の疲労強度の向上および部品の薄肉化と省エネ化を実現するための生産技術として普及すると期待される。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
[理由] 物品費の購入品が当初計画と一部変更になり、残額が生じた。
[使用計画] R3年度の使用計画内で、R2年度の残額を調整する予定である。
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