チタンやステンレス鋼の粒子構造は部品の成形にどのような影響を与えますか?

ステンレス鋼の機械的挙動を支配する粒子構造を一層深く観察することで利点が得られます。 ゲッティイメージズ

ステンレス鋼とアルミニウム合金の選択は、多くの場合、強度、延性、伸び、硬度を中心に行われます。 これらの特性は、加えられた荷重に応じて金属の構成要素がどのように動作するかを示します。 これらは、原材料の限界を管理するための効果的な指標です。 つまり、壊れる前にどれだけ曲がるかということです。 原材料は、破損することなく成形プロセスに耐えることができなければなりません。

破壊的な引張試験と硬度試験は、機械的特性を決定するための信頼性が高く、コスト効率の高い方法となります。 ただし、原材料の厚さが試験片の寸法に制約を与え始めると、これらの試験は必ずしも信頼できるわけではありません。 平らな金属製品の引張試験は確かに依然として有用ですが、その機械的挙動を支配する粒子構造を一層深く観察することで利点が得られます。

金属は、粒子と呼ばれる微細な結晶の配列で構成されています。 それらは金属全体にランダムに分布しています。 鉄、クロム、ニッケル、マンガン、シリコン、炭素、窒素、リン、オーステナイト系ステンレス鋼の場合は硫黄などの合金元素の原子は、個々の粒子の構成要素です。 これらの原子は、共有電子によって格子に結合した金属イオンの固溶体を形成します。

合金の化学組成は、結晶構造と呼ばれる、粒子の熱力学的に好ましい原子の繰り返し配置を決定します。 1 つの繰り返し結晶構造を含む金属の均質な部分は、相と呼ばれる 1 つまたは複数の粒子を形成します。 合金の機械的特性は、合金内の結晶構造の関数です。 各相の粒子のサイズと配置も考慮されます。

粒子はどのように形成されるのでしょうか?

水の相はほとんどの人にとって馴染みのあるものです。 液体の水が凍ると固体の氷になります。 ただし、金属に関しては、固相は 1 つだけではありません。 特定の合金ファミリーは、その相にちなんで命名されています。 ステンレス鋼の中で、オーステナイト系 300 シリーズ合金は、焼きなましされると主にオーステナイトから構成されます。 ただし、400 シリーズ合金は、430 ステンレス鋼合金のフェライトまたは 410 および 420 ステンレス鋼合金のマルテンサイトのいずれかで構成されます。

チタン合金も同様です。 各合金グループの名前は、室温での主相 (アルファ、ベータ、または両方の混合) を示します。 アルファ合金、ニアアルファ合金、アルファベータ合金、ベータ合金、およびニアベータ合金があります。

液体金属が凝固すると、圧力、温度、化学組成が許す限り、熱力学的に好ましい相の固体粒子が沈殿します。 これは通常、寒い日に暖かい池の表面に氷の結晶ができるように、界面で発生します。 粒子が核生成すると、結晶構造は別の粒子に遭遇するまで 1 つの方向に成長します。 結晶構造の配向が異なるため、不整合な格子の交点に粒界が形成されます。 さまざまなサイズのルービック キューブの束を箱に入れることを想像してください。 各立方体は正方形の格子状に配置されていますが、すべて異なるランダムな方向に配置されます。 完全に凝固した金属加工物は、一見ランダムに配向した粒子の配列で構成されます。

粒子が形成されるたびに、線欠陥が発生する可能性があります。 これらの欠陥は、転位として知られる結晶構造の欠落部分です。 これらの転位とその後の粒子全体および粒子境界を横切る移動は、金属の延性の基礎です。

ワークピースの断面を取り付け、研削、研磨、エッチングして粒子構造を観察します。 均一かつ等軸である場合、光学顕微鏡で観察した微細構造は、ジグソーパズルのように見えます。 実際の粒子は立体的であり、ワーク断面の向きによって粒子の断面の見え方が異なります。

結晶構造がすべての原子で満たされている場合、伸びている原子結合を超えて動く余地はありません。

原子列の半分を除去すると、別の原子列がその場所に滑り込む機会が生まれ、効果的に転位が移動します。 ワークピースに力が作用すると、微細構造内の転位の集合体運動により、破損したり破断したりすることなく、曲げたり、伸ばしたり、圧縮したりすることができます。

力が金属合金に作用すると、システムにエネルギーが追加されます。 塑性変形を引き起こすのに十分なエネルギーが加えられると、結晶格子が歪み、新しい転位が形成されます。 これにより、より多くのスペースが解放され、転位の可能性がさらに高まるため、延性が向上するはずであることは論理的に思われるかもしれません。 しかし、転位が衝突すると、お互いを所定の位置に固定する可能性があります。

転位の数と濃度が増加すると、より多くの転位が互いに固定され、延性が低下します。 最終的には転位が非常に多くなり、これ以上冷間加工ができなくなります。 既存のピン留めされた転位はもはや動くことができないため、格子内の原子結合は、切断または破壊されるまで伸び続けます。 これが、金属合金が加工硬化する理由であり、金属が破壊するまでに受けることができる塑性変形量に制限がある理由です。

結晶粒も焼きなましにおいて重要な役割を果たします。 加工硬化した材料を焼きなますと、本質的に微細構造がリセットされ、延性が回復できるようになります。 アニーリング中、粒子は次の 3 つのステップで変態します。

満員電車の車内を移動する人を想像してみてください。 群衆をかき分けて進むことは、結晶格子の転位のように、人々の列の間に隙間を作ることによってのみ可能です。 彼らが前進するにつれて、後ろの人々は彼らが残したギャップを埋め、前方に新しいスペースを生み出します。 車両の反対側の端に到着すると、乗客の配置が変わります。 一度に押し通そうとする人が多すぎると、移動に合わせてスペースを作ろうとする乗客同士がぶつかったり、車両の壁にぶつかったりして、全員が所定の位置に固定されてしまいます。 転位が多くなると、それらを同時に動かすことが難しくなります。

再結晶を引き起こすには最小限の変形が必要であることを理解することが重要です。 ただし、金属が加熱される前に十分な変形エネルギーが蓄積されていない場合、再結晶化は起こらず、粒子は元のサイズを超えて成長し続けるだけです。

機械的特性は、粒子の成長を制御することで調整できます。 粒界は本質的に転位の壁です。 それらは動きを妨げます。

粒子の成長が制限されると、より多くの小さな粒子が生成されます。 粒子構造の観点からは、これらの小さな粒子はより微細であると考えられます。 粒界が多いほど転位の動きが少なくなり、強度が高くなります。

粒子成長の制限が少ない場合、粒子構造は粗くなり、粒子が大きくなり、境界が少なくなり、強度が低くなります。

粒子サイズは、約 5 ～ 15 の単位のない数値として参照されることがよくあります。これは、平均粒子直径に関連する相対的なスケールです。 数値が大きいほど粒子サイズが細かくなります。

粒子サイズを測定および評価する方法は、ASTM E112 に概説されています。 これには、特定の領域内の穀物の数を数えることが含まれます。 これは、多くの場合、原材料の断面を切断し、研削および研磨し、酸でエッチングして粒子を露出させることによって行われます。 計数は、穀物の適切なサンプリングを可能にする倍率の下で顕微鏡で実行されます。 ASTM 粒子サイズ番号を割り当てると、粒子の形状と直径の均一性が妥当なレベルであることがわかります。 ワークピース全体にわたって一貫した特性を確保するには、粒度の変動を 2 つまたは 3 つの点に制限することが有利な場合もあります。

加工硬化の場合、強度と延性は逆相関の関係にあります。 ASTM 粒径と強度の関係は多くの場合正で強いものであり、一般に伸び率と ASTM 粒径は逆相関の関係にあります。 ただし、過度の粒子成長により、効果的に加工硬化できなくなる「非常に柔らかい」材料が生成される可能性があります。

粒子サイズは、約 5 ～ 15 の単位のない数値として参照されることがよくあります。これは、平均粒子直径に関連する相対的なスケールです。 ASTM 粒子サイズの値が大きいほど、単位面積あたりの粒子の数が多くなります。

アニールされた材料の粒径は、温度と冷却速度の時間とともに変化します。 アニーリングは通常、合金の再結晶温度と融点の間で実行されます。 オーステナイト系ステンレス鋼合金 301 の推奨焼き鈍し範囲は 1,900 ～ 2,050 度です。約 2,550 度で溶け始めます。対照的に、商業的に純粋なグレード 1 チタンは 1,292 度で焼き鈍し、約 3,000 度で溶けます。 。

焼鈍中、再結晶粒がすべての変形粒を消費するまで、回復プロセスと再結晶プロセスが互いに競合します。 再結晶速度は温度に応じて変化します。 再結晶化が完了すると、結晶粒の成長が始まります。 1,900 °F で 1 時間焼きなましされた 301 ステンレス鋼のワークピースは、2,000 °F で同じ時間焼きなまされた同じワークピースよりも微細な粒子構造になります。

材料が適切な焼鈍範囲内に十分に長く保持されない場合、結果として生じる組織は古い粒子と新しい粒子が組み合わされたものになる可能性があります。 金属全体で均一な特性が必要な場合、アニーリングプロセスは均一で等軸の結晶粒構造を達成することを目的とすべきです。 均一とは、すべての粒子がほぼ同じサイズであることを意味し、等軸とは、すべての粒子がほぼ同じ形状であることを意味します。

均一で等軸の微細構造を実現するには、すべてのワークピースを同じ量の熱に同じ時間さらし、同じ速度で冷却する必要があります。 バッチ焼きなましの場合、これは必ずしも容易ではない、または可能であるとは限らないため、少なくともワークピース全体が適切な温度で飽和するまで待ってから、浸漬時間を数えることが重要です。 浸漬時間が長くなり、温度が高くなると、粒子構造が粗くなり材料が柔らかくなり、その逆も同様です。

粒子のサイズと強度に関連性があり、強度がすでにわかっている場合、なぜわざわざ粒子を数える必要があるのでしょうか? すべての破壊的テストにはばらつきがあります。 引張試験、特に薄い厚さの試験は、サンプルの準備に大きく依存します。 実際の材料特性を表さない引張強度の結果では、早期破壊が発生する可能性があります。

ワークピース全体で特性が均一でない場合、一方の端から引張クーポンまたはサンプルを採取しても、全体を把握できない可能性があります。 サンプルの準備とテストにも時間がかかる場合があります。 特定の金属に対して、何回のテストを何方向で実行することが可能ですか? 粒子構造を評価することは、予期せぬ事態に対する追加の保険となります。

異方性、等方性。異方性とは、機械的特性の方向性を指します。 強度以外にも、異方性は粒子構造を調べることでよりよく理解できます。

均一で等軸の粒子構造は等方性である必要があります。これは、どの方向でも同じ特性を持つことを意味します。 等方性は、同心性が重要な深絞り加工において特に重要です。 ブランクが金型に引き込まれると、異方性材料が均一に流れなくなり、イヤーリングと呼ばれる欠陥が発生する可能性があります。 イヤーリングは、カップの上部が波状の輪郭を形成する場所で発生します。 粒子構造を検査すると、ワークピースのどこに不均一性があるかが明らかになり、根本原因の診断に役立ちます。

等方性を実現するには適切なアニーリングが不可欠ですが、アニーリングの前に変形のレベルを理解することも重要です。 材料が塑性変形すると、粒子が歪み始めます。 冷間圧延の場合、厚さが長さに換算されるため、結晶粒は圧延方向に伸びます。 粒子のアスペクト比が変化すると、等方性とバルク機械的特性も変化します。 著しく変形したワークの場合、焼鈍後も方向性が一部残る場合があります。 これにより異方性が生じます。 深絞り加工された材料の場合、耳つきを避けるために最終焼鈍前に変形量を制限する必要がある場合があります。

オレンジの皮。穀物関連の深絞り欠陥は耳つきだけではありません。 オレンジピールは、粒子が粗すぎる原料を描画すると発生する可能性があります。 各粒子は独立して、その結晶方位の関数として変形します。 隣接する粒子間の変形の違いにより、オレンジの皮に似たテクスチャーのある外観が得られます。 テクスチャーとは、カップ壁の表面に現れる粒子構造のことです。

テレビ画面のピクセルと同じように、細かい粒子構造を使用すると、個々の粒子の違いが目立たなくなり、解像度が効果的に向上します。 機械的特性を指定するだけでは、オレンジの皮の影響を防ぐのに十分な細かい粒子サイズを確保するには不十分な場合があります。 ワークピースの寸法の変化が粒子直径の 10 倍未満である場合、個々の粒子の特性が成形挙動を動かします。 変形は多くの粒子にわたって平均化されるのではなく、個々の粒子の特定のサイズと方向を反映します。 これは、絞り加工されたカップの壁のオレンジの皮の効果によって確認できます。

ASTM 粒度 8 の場合、平均粒径は 885 μインチです。 これは、厚さが 0.00885 インチ以下に減少すると、この微細成形効果の影響を受ける可能性があることを意味します。

粗い粒子は深絞り加工に問題を引き起こす可能性がありますが、コイニング加工には推奨される場合があります。 コイニングは、ブランクを圧縮して、ジョージ ワシントンの顔の 4 分の 1 の輪郭など、望ましい表面形状を与える変形プロセスです。 絞りとは異なり、コイニングでは通常、大量の材料の流れが必要ありませんが、多大な力が必要となるため、ブランクの表面のみが変形する可能性があります。

このため、より粗い結晶粒構造を使用して表面の流動応力を最小限に抑えると、適切なダイ充填に必要な力を軽減することができます。 これは、表面粒子上の転位が粒界に蓄積するのではなく、自由に流れることができるオープンダイコイニングの場合に特に当てはまります。

ここで説明する傾向は一般化したものであり、特定の部分には当てはまらない場合があります。 ただし、新しい部品を設計する際によくある落とし穴を回避し、成形パラメータを最適化するために、原材料の粒度を測定および標準化することの利点を強調しています。

部品を形成するために金属の深絞り操作を行う精密金属スタンパーや製造業者は、材料を粒子レベルまで最適化するのに役立つ、技術的に有能な精密リローラーの冶金学者と提携することが有益です。 関係の両側の冶金と工学の専門家が単一のチームに統合すると、変革的な効果が得られ、より前向きな結果がもたらされる可能性があります。