6.1緒 言
近 年,溶 射 技 術 や 溶 射 材 料 の 進 歩 に よ っ て 溶 射 皮 膜 の 強 さ は 向 上 し た1)'2)が,皮 膜 と基 材 と の 密 着 性 や,密 着 性 試 験 法 は そ れ ほ ど改 善 され て い る とは い え ず,特 に, 試 験 法 は,溶 射 部 材 が 動 的 荷 重 を受 け る こ と が 多 い に もか か わ らず,静 的 方 法 に 頼 っ
て い る の が 現 状 で あ る3)・4)。
本 章 で は,以 上 の よ うな 現 状 に か ん が み て,基 材 表 面 に ブ ラ ス ト加 工 後,プ ラ ズ マ 溶 射 を 施 し た 溶 射 皮 膜 試 験 片 に 対 して,引 張,こ ろ が り疲 労,曲 げ 疲 労 の 各 動 的 荷 重 試 験 を行 い,溶 射 皮 膜 と基 材 と の密 着 性 を 求 め た 結 果 を ま と め た 。 引 張,こ ろ が り疲 労,曲 げ 疲 労 な ど の 各 荷 重 は,例 え ば,ジ ェ ッ トエ ン ジ ン の ゼ ネ レ ー タ ハ ウ ジ ン グ5) な どで は,常 時,負 荷 され た 状 態 に あ り,こ れ らの 荷 重 の 影 響 を 把 握 す る こ と に よ っ て,溶 射 皮 膜 の 動 的 荷 重 に 対 す る適 切 な 密 着 性 の 評 価 が 可 能 と な る。
6.2実 験 方 法 6.2.1引 張 試 験
本 編,第2章 に 示 した 横 型 の 小 型 引 張 試 験 機 を 用 い て,微 小 な ひ ず み の 増 加 に と も な う溶 射 皮 膜 の 引 張 挙 動 を 観 察 した 。 こ の と き,皮 膜 は は く離 す る が,そ の 程 度 を 超 音 波 検 査 法 お よび 顕 微 鏡 観 察 に よ っ て 評 価 した 。 試 験 片 は,SS400を 基 材 と し,そ の 片 面 に ブ ラ ス ト加 工 し た の ち,溶 射 した もの で,溶 射 材 料 はA1,0,お よ びFe‑13Crと し, 試 験 片 の 形 状 はJISZ2201に 準 拠 した も の で あ る。
6.2.2こ ろ が り疲 労 試 験
こ ろ が り疲 労 試 験 は,図6.1に 示 す よ うな 試 験 機 を 試 作 し,そ れ を 用 い て 行 っ た 。 試 験 片 を保 持 具 に 固 定 し た の ち,ア ー ム に荷 重 を か け て バ ラ ン ス を と り,常 に 一 定 の 応 力 が試 験 片 に か か る よ うに し た 。 応 力 はHertzの 式6)か ら求 め,繰 返 し周 波 数 は16.7 Hzで あ る 。 な お,試 験 環 境 は 乾 式 で あ る。 試 験 片 は,ブ ラ ス ト加 工 し たSS400にAl・0・
を溶 射 し た も の で,そ の 形 状 は 図6.2の とお りで あ る 。
一135一
図6.1こ ろ が り 疲 労 試 験 装 置 図
図6.2こ ろ が り疲 労 試 験 片
6.2.3曲 げ疲 労 試 験
試 験 片 は,SS400お よ びAlを 基 材 と し,こ れ にA1,0、を 溶 射 した も の と し た(以 下,Fe 試 験 片 お よ びAl試 験 片 と 略 称)。 試 験 はJISに 準 拠 す る 方 法 で,基 材,ブ ラ ス ト加 工 の
み 行 っ た 試 験 片,ブ ラ ス ト加 工 後 溶 射 を行 っ た 試 験 片 に っ い て 行 い,Fe試 験 片 に 対 し て そ れ ぞ れFv,FB,Fs試 験 片,Alに 対 し てAv,AB,As試 験 片 と 呼 ぶ こ と に す る 。 な お, 繰 返 し応 力 は 両 振 り曲 げ で,周 波 数 は20Hzで あ る 。
6.3実 験 結 果 お よ び 考 察 6.3.1引 張 試 験
超 音 波 検 査 法 に お け る 分 解 能 は,一 般 に,0.1mm程 度 と され,微 小 き 裂 の 検 出 に 使 用 され て い る7)。 し た が っ て,微 小 は く離 に 対 して も,こ の 検 査 法 が 適 用 で き る と考 え
一136一
Fe試 験 片 に 対 して 適 用 して み た 。 こ の 方 法 で 求 め た エ コ ー 高 さ朋 と εの 関 係 を 図6.3 に 示 す 。(a)はAl,0,,(b)はFe‑13Crの 溶 射 皮 膜 の 場 合 で あ る 。 な お,実 験 は,試 験 片 に 加 工 を 施 し て い な い 面 か ら垂 直 探 傷 し,各 ビ ー ム 路 程 ∂(ビ ー ム が 進 ん だ 距 離) に お け る 班 を 測 定 し た 。 両 材 と もa=18,36,54mmで は,ε=0.5%で す で に.朋が 上 昇 し 始 め て お り,は く離 も発 生 し始 め て い る とい え る 。 な お,は く離 が 発 生 す る と研 が 上 昇 す る こ と は す で に 第2編 第2章 で 示 した 。 εが ほ ぼ2.5%以 上 に な る と 朋 が 徐 徐 に減 少 して い る が,こ れ は,超 音 波 探 触 子 と試 験 片 と の接 触 状 態 が 悪 く な る た め で あ る。
こ の 超 音 波 検 査 法 に よ る 研 の 変 化 か ら溶 射 皮 膜 の は く離 を 推 定 す る と,は く 離 は 微 小 ひ ず み の 状 態(ε=0.5%程 度)か ら始 ま り,ε=3%近 傍 で 完 全 に は く離 し て い る も の と推 定 され る 。
以 上 の こ と か ら,目 視 検 査 法 に よ る は く離 の 検 出 は,ひ ず み が 相 当 大 き く な ら な け れ ば で き な い の に 対 して,超 音 波 検 査 法 で は,微 小 な ひ ず み 状 態 で も検 出 が 可 能 とい
え る 。
(b)Fe‑13Cr
図6.3超 音 波 検 査 法 か ら得 ら れ た エ コ ー 高 さ
一137一
6.3.2こ ろ が り疲 労 試 験
皮 膜 の こ ろ が り疲 労 試 験 に お け る 溶 射 皮 膜 の は く離 の 進 行 状 況 の1例 を 図6.4お よ び5に 示 す 。 図6.4は 外 観 写 真 で,図6.5は は く離 の 深 さ を 読 取 り顕 微 鏡(精 度0.01m m)で 測 定 した と き の 断 面 図 で あ る 一 溶 射 皮 膜 は 疲 労 に よ る は ん 点 状 の 微 孔 が 生 じ ピ
ッチ ン グ に よ る は く離 で あ る こ と が わ か る 溶 射 皮 膜 の 初 期 は く 離 は,試 験 片 の 端 部 に 発 生 しや す く,ま た,一 度 は く離 す る と,そ の 箇 所 を 基 点 に して 進 行 し,そ の は く 離 が 基 材 に 到 達 す る と,密 着 して い る 部 分 の 皮 膜 の は く離 が 起 こ っ て,急 激 に進 み,
そ の 後,短 時 間 で 全 面 は く離 す る よ う に な る。
図6.4こ ろ が り疲 労 試 験 片 の は く離 の 様 相
(ALα 溶 射 皮 膜)
図6.5こ ろ が り疲 労 試 験 片 の は く離 部 断 面
(Al,0,溶射 皮 膜)
そ こ で,こ ろ が り 繰 返 し 数 η'に 対 す る 試 験 片 の 半 径 減 少Rげ(元 の 半 径 一 こ ろ が り 疲 労 後 の 半 径)お よ び は く 離 率M(は く 離 し た 面 積/全 面 積)×100%)を 求 め,図6.6 お よ び7に 示 す .図6.6はRゴ の,図6.7は.Vfの 結 果 で あ る,な お,応 力(o)は66.6MPa
と112.7MPaで あ る1Mま,o=66.6MPaの 場 合,こ ろ が り 疲 労 の 初 期 の 方 が 増 加 の 割
一138一
u
O25005006750010000
繰 返 し 数 〆(回)
図6.6半 径 減 少 摺 と 繰 返 し 数 η'と の 関 係(Al、0,溶 射 皮 膜)
̲「 一 一 一
u
O25005000750010000
繰 返 し 数 η'(回)
図6.7は く 離 率Mと 繰 返 し数 ガ と の 関 係(Al、0,溶 射 皮 膜)
合 が 大 き くな っ て い る。 こ れ は,負 荷 に よ っ て 溶 射 皮 膜 内 部 の 空 げ き 部 が 押 しっ ぶ さ れ た こ と に よ る た め と 思 わ れ る 。 そ の 後,溶 射 皮 膜 は 均 一 に 圧 縮 さ れ,ガ の 増 加 と
と も に,緩 や か に 増 加 した の ち,全 面 は く離 に 至 っ て い る。 こ れ に 対 して,σ=112.7 MPaの 場 合 は,わ ず か の η'で,Roは 急 激 に 増 加 し,全 面 は く離 に 至 っ て い る 。 な お,
ニ ップ 幅8)は 約0.08mmで あ っ た 。 ま た,MもR姥 ほ ぼ 同 様 な 傾 向 を 示 して い る 。 こ れ ら の こ と か ら,ガ の 増 加 に と も な っ て,は く離 は 深 さ方 向 に 進 行 す る と と も に,は く 離 面 積 も増 加 し,そ の 割 合 は ほ ぼ 同 じに な る と い え る 。
っ ぎ に 各 試 験 片 に,さ ま ざ ま な σ を 負 荷 させ て こ ろ が り疲 労 試 験 を 行 っ た と き の σ と,皮 膜 が 全 面 は く離 し た と き の ガ との 関係 を プ ロ ッ ト した も の を 図6.8に 示 す 。 σ
=44 .1MPa以 下 で は は く離 して い な い の が わ か る。
こ の よ うに,皮 膜 の こ ろ が り疲 労 試 験 に お い て も,は く離 状 態 に 対 して 応 カ ー繰 返
一139一
黙 認
σ一441認a十 … 10z46810424石810・2繰 返 し 数 ノゲ ×105(回)
図6.8皮 膜 の こ ろ が り疲 労 試 験 片 の3‑N線 図(Al,0,溶 射 皮 膜)
し 数(5一 ノV)線 図 を 描 く こ と が で き る 。 図 中,領 域A,B,Cは,そ れ ぞ れ は く 離 領 域,半 は く 離 領 域,は く 離 し な い 領 域 で あ り,こ の 方 法 に よ っ て,こ ろ が り 疲 労 荷 重 下 で の 皮 膜 の 密 着 性 を 評 価 す る こ と が で き る と い え る 。 ま た,あ ら か じ め 作 成 し た5
‑N線 図 に 応 力 値 を 与 え る こ と に よ り
,皮 膜 の こ ろ が り 疲 労 に お け る は く 離 の 有 無 を 推 定 す る こ と が 可 能 と な る 。
6.3.3曲 げ 疲 労 試 験
Fv,FB,Fsの 各 試 験 片 に 生 じ た き 裂 長 さ 乙 と 曲 げ 繰 返 し 数 η と の 関 係 を 図6.9に 示 す 。 η の 増 加 に と も な っ て ∂ は 上 昇 し て い る 。 ま た,そ の 傾 向 は 各 試 験 片 と も 類 似 し て
C:は く 離 し な い 領 域
門幽 」,A
繰 返 し 数 η ×105(回)
図6.9き 裂 長 さLと 繰 返 し 数 刀 と の 関 係(F、:Al,0,溶 射 皮 膜)
一140一
い る が,き 裂 の 発 生 時 期 と 破 壊 ま で の η は,両 者 と もFs<Fv<FBの 順 に な っ て い る 。 な お,き 裂 は 試 験 片 の 両 端 か ら 発 生 し,試 験 片 中 央 部 に 向 か っ て 成 長 し て い た 。
超 音 波 検 査 法 で は く 離 の 評 価 を 行 う た め に,Fs試 験 片 に っ い て 珊 とnと の 関 係 を 求 め,そ の 結 果 を 図6.10に 示 す 。 検 査 方 法 は 引 張 試 験 の 揚 合 と 同 様 で あ る 。 な お,参 考 の た め,図 中 に 五 とnと の 関 係(図6。9)も あ わ せ て 示 し た 。 動 は,η が あ る 値 に 達 す る と,上 昇 し 始 め,こ の あ た り か ら は く 離 の 発 生 が 始 ま る と 考 え ら れ る 。 ま た,η が0.6×105〜2.3×105回 ま で は 朋 が 上 昇 し,3.0×10̀回 で 完 全 破 壊 し,全 寿 命Nに 達
し て い る 。 す な わ ち,Nの20〜70%が は く 離 の 進 行 期 間 と い え る 。 な お,Nの80%近 傍 か ら 、朋 が 低 下 す る の は 探 触 子 と 試 験 片 と の 接 触 状 態 が 悪 く な る た め で あ る 。
こ の こ と か ら 基 材 と 溶 射 皮 膜 の は く 離 は,顕 微 鏡 に よ る 目 視 観 察 に よ っ て き 裂 が 確 認 さ れ る ま で に 発 生 し て い る こ と が わ か る 。
図6.9か ら 得 ら れ た き 裂 進 展 速 度 ゴL/ゴ η と,応 力 拡 大 係 数 範 囲 △ κ と の 関 係 を 図6.
11に 示 す 。 な お ム κ は 便 宜 的 に 引 張 応 力 の 場 合 の 式(6.1)9)を 用 い て 算 出 し た 。 式 中, ム κ は 応 力 拡 大 係 数 範 囲,σ は 応 力,ζ=五/鍬,五 は き 裂 長 さ,π は 板 幅 で あ る 。F.
試 験 片 の ゴ〃 ゴnは 試 験 片 中,も っ と も 速 く,△ κ=20MPa属 一に お い て 他 の 試 験 片 よ り 約2.5倍 も 大 き な 値 を 示 し て い る 。 こ れ は,ブ ラ ス ト加 工 な ら び に 溶 射 加 工 に よ っ て,ゴL/伽 はF。 試 験 片 で は 大 き く な り,F。 試 験 片 で は 小 さ く な っ た も の と 考 え ら れ
る 。 ま た,Fv試 験 片 お よ びF。 試 験 片 は 接 近 し て い る 。
∠三1(=σ ・(πL)1/2。F(ζ)(6.1)
F(ζ)=(1.122‑0.561ζ 一〇.205ζ2+0.471ζ3‑0.190ζ4)/
(1一 ζ)1/2
(ζ ≦0.5)
F〈 ζ)=(1+0.122cos4π ζ/2)・(2/π ζtanπ ζ/2)1/2 (ξ>0.5)
一 方 ,き 裂 進 展 速 度 ゴ五/ゴnと 応 力 拡 大 係 数 範 囲 ム κ と の 関 係 は 式(6.2)で 表 せ る9)。
式 中,ゴ 五/ゴ η は き 裂 進 展 速 度,ム κ は 応 力 拡 大 係 数 範 囲,Cお よ びmは 定 数 で あ る 。
げ五 =C(∠hκ)皿(6 .2)
ゴn
一141一
繰 返 し 数 η ×105(回)(cycle)
図6.10エ コ ー 高 さ 研 と 繰 返 し 数 刀と の 関 係 (F,:A1203溶 射 皮 膜)
応 力 拡 大 係 数 範 囲 △K(MPa癒 ・) 図6.11き 裂 伝 ぽ 速 度dL/ゴ η と 応 力
拡 大 係 数 範 囲 ムKと の 関 係 (Fs:Al203溶 射 皮 膜)
表6.1は,式(6.2)に お い て 求 め ら れ たCお よ びmを 示 し た も の で あ る 。mの 値 は,F・
試 験 片 でm=2.30,F。 試 験 片 でm=1.87,F,試 験 片 でm=1.85で あ り 最 も 大 き い 。
表6.1各 試 験 片 のCとm
F・試 験 片 のmの 値 が
一 Fv試 験 片 FB・ 試 験 片 Fs試 験 片
C 1.87 2.30 1.85
配 1。47×10‑6 1.11×10‑6 1,00×10‑6
一142一
以 上 の こ と か ら,は く離 を遅 らせ る た め に は,η を 増 大 させ る 必 要 が あ る こ と が わ か っ た 。 そ こ で,刀 に お よ ぼ す ブ ラ ス ト加 工 お よび 溶 射 の 影 響 を 検 討 す る た め に 疲 労 強 度 を 求 め た 。
Fe試 験 片 に 対 して 得 られ た5一 八線 図 を 図6.12に 示 す 。 各 試 験 片 と も,σ の 減 少 に と も な っ てnが 増 加 し て い る 。 ま た,FB試 験 片 の 疲 労 限 度(n=107回 で の 応 力)が, も っ と も 大 き く,他 の 試 験 片 の 約1.4倍 に 達 し て い る 。 ま た,Fvお よ びFs試 験 片 の 疲 労 限 度 は ほ と ん ど 同 じ と な っ て い る 。 こ の よ うな 結 果 が 得 られ た 理 由 は,第1編 第3 章 で 示 し た よ うにFB試 験 片 の 場 合,ブ ラ ス ト加 工 に よ っ て,基 材 の 表 面 に 圧 縮 の 残 留 応 力 が 生 じ,こ の 圧 縮 応 力 が,繰 返 し荷 重 に よ る 引 張 応 力 を 相 殺 す る た め に,疲 労 き 裂 が 発 生 せ ず11),疲 労 限 度 が 大 き く な っ た も の と考 え られ る 。 これ に 対 し,F。 試 験 片 の 疲 労 限 度 が 低 く な る の は,ブ ラ ス ト加 工 に よ る圧 縮 応 力 が,溶 射 に よ る 加 熱 に よ っ て 除 去 さ れ た た め で あ る 。
ま た,η=5×105回 に お け る 時 間 強 度 は,F。 試 験 片 が も っ と も大 き く,F。>Fv>F,の 順 に な っ て い る 。Fs試 験 片 の 時 間 強 度 が 小 さ い 理 由 は,き 裂 進 展 速 度 が 遅 い(図6.11)
に も か か わ ら ず,き 裂 の 発 生 は 非 常 に 早 い(図6.9)こ と に 基 づ く も の と 思 わ れ る 。Fv 試 験 片 を 基 準 とす る と,F。 試 験 片 の 時 間 強 度 は 約10%大 き く な り,F。 試 験 片 で は 逆 に 約10%小 さ くな っ て い る 。
繰 返 し 数 η(回)
図6.12Fe試 験 片 のS‑A1線 図(F、:Al,0,溶 射 皮 膜)
一143一