微 細粒鋼材 のマイ クロせん断特性

3.1緒 言

せ ん 断 加 工 は 塑 性 加 工 を 代 表 す る 加 工 技 術 の1つ で あ り,こ れ ま で に 数 々 の 研 究 か ら 多 く の 工 業 製 品 が 実 用 化 され て き て い る.加 工 サ イ ズ が 小 さ く な り,せ ん 断 加 工 し た 切 り 口 面 を0.001mm単 位 で 管 理 す る マ イ ク ロ せ ん 断 加 工 の 分 野 で は,時 計 部 品 を 始 め リ ー ド フ レ ー ム,ガ ソ リ ン 燃 料 用 オ リ フ ィ ス プ レ ー ト[1]等 の 実 用 化 が 進 め ら れ て き た(Fig.1‑12).今 後 発 展 が 期 待 さ れ る マ イ ク ロ 加 工 分 野 に は, MEMS(MicroElectroMechanicalSystems)加 工 技 術 の 開 発 に よ るIoT(InternetofThings)化 の 促 進,医 療 技 術 の 高 度 化 を 支 え る 分 析 デ バ イ ス や 内 視 鏡 処 置 具 等 の 開 発 が 望 ま れ て い る.

一 般 に マ ク ロ 加 工 か ら マ イ ク ロ加 工 に 加 工 サ イ ズ が 小 さ く な る と

,加 工 サ イ ズ に 対 し て 結 晶 粒 の 影 響 が 大 き く な る 寸 法 効 果 が 起 こ る こ と が 知 られ て い る[2〜5](Fig.1‑14).切 り 口面 の 長 さ を マ イ ク ロ メ ー ト ル 単 位 で 管 理 す る マ イ ク ロ せ ん 断 加 工 に お い て も,結 晶 粒 の 大 き さ の 影 響 が 考 え ら れ る.こ れ ま で に 真 鍮 を 用 い た マ イ ク ロ せ ん 断 加 工 に お い て,結 晶 粒 径 と ク リア ラ ン ス を 同 一 に 整 え る こ と で,板 厚100μm

と200μmの 材 料 を せ ん 断 す る 際 の 最 大 せ ん 断 荷 重 が 最 小 と な る 寸 法 効 果[6](Fig.1‑24)が 報 告 さ れ て い る.

オ ー ス テ ナ イ ト系 ス テ ン レ スSUS304で は 結 晶 粒 の 微 細 化 技 術 の 開 発 が 進 め ら れ[7〜12],結 晶 粒 径 が 一 般 的 な9.1μmか ら 最 小 で0.5μmま で 結 晶 を 微 細 化 し た,微 細 粒 鋼 が 開 発 さ れ て き た[12](Table1‑2,Fig.

1‑16).

結 晶 粒 の 微 細 化 は 結 晶 粒 の 変 形 形 態 を 変 化 させ る と考 え ら れ る(Fig.3‑1).一 般 的 な 大 き な 結 晶 粒 を 持 つ 材 料 で は,微 細 粒 材 に 対 し て 粒 界 の 長 さ は 少 な く,結 晶 粒 内 の 結 晶 相 や 変 態,結 晶 配 向 や 双 晶 な ど の 変 形 抵 抗 要 素 の 影 響 度 が 高 い.こ れ に 対 し て 微 細 粒 材 で は,結 晶 粒 径 と粒 界 の 影 響 が 増 す 反 面,結 晶 粒 の 配

向 や 双 晶 な ど の 影 響 度 は 下 が る と 考 え ら れ る.

要素 影響度

分類

^{一 般 材}

微細粒材

結晶粒径

7.5〜9.1μm 0.5〜5.6μm

結晶粒変形 影響要素

粒界

少 な い 多 い

結晶相お よび変態

高 い 高 い

結晶配向

高 い 低 い

双晶

高 い 低 い

Fig.3‑1Differenceofdeformationcharacteristicsbetweengeneralgrainsizeandfine‑grainedgrainsize

さ らに 結 晶 粒 の 微 細 化 に よ っ て 機 械 的 特 性 は 大 き く変 化 し,Hall‑Pecth則[13〜15]に した が っ て,耐 力 が 増 し て 伸 び が減 少 す る.耐 力 の 増 加 は せ ん 断 荷 重 の 増 加 を招 き,工 具 で あ るパ ン チ や ダ イ の 摩 耗 を促 進 させ る 要 素 と な る.伸 び の 低 下 は,切 り 口面 の だ れ や せ ん 断 面 長 さの 低 下 を 起 こ し,破 断 面 長 さを 増 加 さ せ る.こ の た め,一 般 的 な 結 晶粒 径 を持 つ 材 料 か ら微 細 粒 材 に 変 更 す る場 合 に は,工 具 摩 耗 に 対 す る対 策 や,切 り 口面 長 さの 変 化 に 対 す る ク リア ラ ンス の 再 設 定 な ど,せ ん 断 加 工 に お け る プ ロセ ス 条 件 の 再 設 定 が 必 要 とな る.SUS304材 の 塑 性変 形 で は,加 工 中 に加 工誘 起 マ ル テ ン サ イ ト変 態 を 伴 う[16〜20].加 工 誘 起 マ ル テ ン サ イ ト変 態 は無 拡 散 の 変 態 機 構 で あ るた め,結 晶 粒 単 位 で 変 態 を 起 こす.し た が っ て,せ ん 断 変 形 中 に加 工誘 起 マ ル テ ン サ イ ト変 態 が,せ ん 断 変 形 や,結 晶 配 向 な ど様 々 な 条 件 に よ っ て 起 こ る た め,結 晶 粒 の変 形 は 複 雑 化 し,切 り 口面 の 安 定 化 に 影 響 す る こ と が考 え られ る.

これ ま で にSUS304微 細 粒 材 の せ ん 断 加 工 で は,小 松 ら が斜 め 穴 のせ ん 断 加 工 を行 い,連 続 加 工 に お い て 結 晶 微 細 化 材 は だ れ 量 が 安 定 す る[21,22]こ と を 見 出 した.ガ ソ リン燃 料 噴 射 用 オ リフ ィ ス プ レー トへ の展 開 時 に は,流 量 ば らつ き を1/4に 抑 え る[22]製 品機 能 へ の 貢 献 が 報 告 され て い る.SUS304結 晶 微 細 化 材 の 工 具 摩 耗 特 性 と して は,小 林 ら[23,24]が10000シ ョ ッ トの斜 め 穴 連 続 加 工 か ら,パ ンチ の 移 着 量 が 増 加 す る傾 向 が あ る こ と を報 告 して い る(Fig.1‑18)が,1条 件 の み で の 傾 向 を 報 告 して い る に留 ま り, 最 適 な加 工 条 件 の 抽 出 と工 具 摩 耗 特 性 の 把 握 に は 至 っ て い な い.

以 上 の よ うに,こ れ ま で のSUS304材 の マ イ ク ロせ ん 断 加 工 で は,結 晶 微 細 化 材 の 採 用 に よ る切 り 口面 の安 定 化 に 向 け た試 み が 開 始 され て い る.し か しな が ら,切 り 口面 安 定 性 に及 ぼす 結 晶 粒 径 が マ イ ク ロ せ ん 断 加 工 安 定 性 お よび 工 具 摩 耗 に 及 ぼ す 影 響 に つ い て,充 分 に検 証 が 行 わ れ て き て い な い 状 況 に あ る.

そ こ で,本 章 で はSUS304材 の マ イ ク ロせ ん 断 加 工 に お い て,結 晶 粒 径 が 連 続 せ ん 断 加 工 時 の 切 り 口面 の安 定 に 及 ぼ す 影 響 を,切 り 口面 長 さ と工 具 摩 耗 お よび 凝 着 の 調 査 か ら実 験 的 に 明 らか に した(Fig.3‑1).

マイク ロぜん 断加工影 響因子

太字=切 り日 面安定 化 主要影 響因子

相位性晶方特結晶的結械機

工具 精度 位 置 合わせ 精度 工具秘種

夘薩 「一 騨

^{切 りロ 面長さ工 具摩 耗凝 着断何}

目由 表面

Fig.3‑11nfluencefactorsofmicropunching

3.2実 験 条 件

3.2.1実 験 材 料

被 加 工 材 は 特 殊 金 属 エ ク セ ル 社 製 の 幅20mm,板 厚100μmの オ ー ス テ ナ イ ト系 ス テ ン レ スSUS304材 を 用 い た.材 料 は 化 学 成 分 の 影 響 を な く す た め,母 材 を 統 一 し た.化 学 組 成 をTable3‑1に 示 す.

Table3‑1ChemicalcompositionofSUS304sheetused (maSS%)

CSiMnP SNiCrFe

0.050.391.100.0300.0048.0318.OlBal.

材 料 はJISG4305に 準 拠 し て 加 工 を 行 っ た 通 常 鋼1種 類 と,加 工 誘 起 マ ル テ ン サ イ ト相 の 逆 変 態 を 利 用 し た 微 細 化 技 術[11,12]を 用 い て 結 晶 を 微 細 化 し た,結 晶 粒 径 が 異 な る2種 類 の 微 細 粒 鋼 を 用 い た.

材 料 特 性 は 引 張 試 験,硬 さ試 験 と 結 晶 粒 径 評 価 を 行 っ た.引 張 試 験 は 島 津 製 作 所 製AGS‑10KNXを 用 い,引 張 速 度5mm/minで 引 張 強 さ,0.2%耐 力,伸 び,加 工 硬 化 指 数(n値)を 求 め た.硬 さ試 験 はAKASHI 社 製MVK‑G2に よ っ て,49.03mN(=5gf)の 荷 重 と10sの 加 圧 時 間 で,ビ ッ カ ー ス 硬 さ を 測 定 し た.結 晶 粒 径 はEDAX社DigiViewIVに てEBSD(ElectronBack‑ScatterDiffraction)を 用 い,材 料 圧 延 方 向(RD)に 対 し て 直 角 な,板 幅 方 向(TD)で 材 料 を 切 断 し,板 厚 方 向(ND)70μm,TD方 向70μm範 囲 を,0.1μmピ ッ チ で 測 定 し 算 出 し た(Fig.3‑2).材 料 特 性 調 査 結 果 をTable3‑2に 示 す.

Fig.3‑21PFmapか ら結 晶 粒 の 大 き さ の 違 い を 理 解 で き る.結 晶 粒 内 部 の 配 向 が 色 分 け さ れ,結 晶 粒 の 内 部 に 双 晶 に よ っ て 結 晶 粒 の 配 向 が 変 化 し て い る 部 分 を 確 認 で き る.結 晶 粒 の 大 き さ は 全 て が 同 じ で は な く,平 均 結 晶 粒 径 が 大 き い7.5μm材 で は,結 晶 粒 の ば らつ き も 結 晶 粒 が 微 細 化 し た 他 の2材 料 に 対 し て 大 き く な る こ と か ら,せ ん 断 加 工 時 の 結 晶 粒 の 変 形 が 不 均 質 化 し や す い と 考 え られ る.Intensitymapか

ら は,各 結 晶 粒 径 で 結 晶 粒 は 多 く が 〈lll>方 向 を 示 す 集 合 組 織 と な っ て い る こ と が わ か る.SUS304材 で は,単 結 晶 の 引 張 試 験 結 果 か ら 結 晶 粒 の 配 向 に よ る 公 称 応 カ ー公 称 ひ ず み 線 図 が 報 告 さ れ て い る[25](Fig.

3‑3).こ の 結 果 か ら 〈lll>方 向 に 配 向 し た 結 晶 粒 は 公 称 応 力 が600MPa程 度 で 伸 び が70%程 度 で あ る が, 図 中4で 示 し た 方 向 で は,公 称 応 力 が500MPa程 度 で 伸 び が180%程 度 と な り,結 晶 粒 の 配 向 に よ っ て 機 械 的 特 性 が 変 化 す る こ と が わ か る.結 晶 粒 の せ ん 断 や 破 断 が 結 晶 粒 の 配 向 の 影 響 を 受 け る こ と を 理 解 で き る.

さ ら に,Table3‑1に 示 す よ う に 各 結 晶 粒 の 変 形 に よ っ て 材 料 の 機 械 的 特 性 も 変 化 す る.SUS304材 の せ ん 断 加 工 で は,各 結 晶 粒 に よ っ て,結 晶 粒 径 や 結 晶 配 向,双 晶 や 加 工 誘 起 マ ル テ ン サ イ ト変 態 な ど の 影 響 が 複 数 関 連 し合 い,せ ん 断 変 形 が 進 む と 考 え ら れ る.

Grainsize [μm]

IPFmap NDdirection

111

∠

001101

Intensity mapof NDdirection

(a)1.5

25Fm

TDJ

111

001 101

(b)3.0 (c)7.5

111

001 101

111

001 101

Fig.3‑2EBSDIPFMAPfordifferentgrainsizesofSUS304used

Table3‑1Characteristicsofmaterialused

MaterialNo. Gsl.5μm Gs3.0μm Gs7.5μm

GrainSize[pm]

1.5 3.0 7.5

TensileStrength[MPa]

875 845 803

0.2%ProofStress[MPa]

599 504 433

Elongation[%]

45.8 49.5 56.6

nValue 0.31 0.37 0.43

VickersHardness[HV]

261 227 191

SU鼠3"si吼9iecry血t293K 700

￡6。。

邑 伽 韮 薯4。o量

3。。

置200 100

0

0501001昌0200

Nomin量1訓L「 ■i髄{%) a)Measuredincrystals1,2and4

700

舘5。。

邑5。。

羅 薯 姻

誓300 z200

100 0

Su8304且in島5● ￠ry訓 国1 293K

050100150200

No皿i囮als吐 開io(%}

b)Measuredincrystals3and5

3.2.2実 験 機 器 と金 型 条 件

プ レ ス 装 置 は サ ー ボ 式 ス ク リ ュ ー プ レ ス(微 細 加 工 研 究 所 製DT‑J311,30kN)を 用 い た(Fig.3‑4).金 型 は ピ エ ゾ 式X‑yス テ ー ジ が 取 り付 け ら れ て い な い,従 来 の 金 型 を 用 い た.

Datalo99ingunit

Monitor

Servopress

Die

Fig.3‑4Pressmachineandmonitoringunit

板 厚100μmに 対 して パ ンチ 径 を φ80μmに 設 定 し,パ ン チ 径 が 板 厚 よ りも小 さい 小 せ ん 断加 工 を実 施 した.パ ン チ の 材 料 は 極 微 粒 子 超 硬 材 を 用 い,ダ イ は超 微 粒 子 超 硬 材 を 用 い て 直 径 を φ86μmと し,板 厚 に対 す る ク リア ラ ン ス を3%に 設 定 した.加 工 油 は 鉱 物 油 に 添 加 材 を 加 え た も の[21]を 塗 油 し,パ ン チ は 1,000シ ョ ッ ト毎 に 炭 化 水 素 系 洗 浄 剤 で 洗 浄 を した.パ ン チ 直 上 に は ロー ドセ ル(共 和 電 業 社 製LMA‑A‑

50N)を 設 置 して せ ん 断 時 の荷 重 を計 測 した.プ レ ス機 の 変 位 は サ ン プ リン グ の 間 隔 を20μsと して,レ ー ザ ー 変 位 計(KEYENCE社LKG‑30)で 計 測 した.デ ー タ はKEYENCE社NR‑600で 収 集 した.

実 験 は 以 上 の材 料 と実 験 装 置 に よ る5,000シ ョ ッ トの せ ん 断 加 工 を 行 っ た.せ ん 断加 工 後 の 穴 に 形 成 さ れ る だ れ とせ ん 断 面,破 断 面 の 切 り 口面 占有 率 の 違 い は 製 品 の 品 質 に影 響 を与 え る た め,加 工 開 始 時 か ら1,000シ ョ ッ ト毎 に 穴 断 面 の切 り 口面 長 さ と ば らつ き を調 べ,安 定 性 を調 査 した.せ ん 断 加 工 時 に抜 き 落 と され た 材 料 は,金 型 か ら任 意 に 抜 き 出 して5ヶ の サ ン プ ル を 表 面観 察 した.パ ン チ は加 工 前 にパ ン チ 先 端Rを 全 焦 点3D表 面 形 状 測 定 装 置(alicona社 製INFINITEFORCUS)で 測 定 した.パ ン チ の 側 面 は せ ん 断 時 の 往 復 加 工 時 に,材 料 と繰 り返 し摩 擦 して 移 着 が 発 生 す る.材 料 の パ ン チ へ の 移 着 量 や 摩 耗 量 を 調 査 す る た め,超 高 精 度 形 状 測 定 機(Panasonic社 製UA3P‑L400S)で パ ン チ の 形 状 測 定 をせ ん 断 加 工 の 前 後 で 実 施 し,パ ンチ 形 状 の 変 化 量 を 調 査 した.

3.3実 験 結 果 と 考 察 3.3.1せ ん 断 荷 重 の 変 化

各 材 料 の 加 工 開 始 時 と5,000シ ョ ッ ト加 工 終 了 後 の せ ん 断 荷 重 と パ ン チ ス ト ロ ー ク の 関 係 を,Fig.3‑5 に 荷 重 一ス トロ ー ク 線 図 と し て 示 す.

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ドキュメント内 勲δ38。 (ページ 62-68)