ステンレス鋼の機械的挙動を制御する粒子構造の 1 つの層について洞察を得ることで、利点が得られます。Getty Images
ステンレス鋼とアルミニウム合金の選択は、通常、強度、延性、伸び、硬度を中心に行われます。これらの特性は、金属の構成要素が加えられた荷重にどのように反応するかを示します。これらの特性は、原材料の制約を管理する効果的な指標です。つまり、破損す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あり、費用対効果の高い方法です。ただし、原材料の厚さによって試験サンプルのサイズが制限され始めると、これらの試験は必ずしも信頼性が高くなります。平らな金属製品の引張試験はもちろん依然として有用ですが、その機械的挙動を制御する粒子構造の 1 つの層をより深く観察することで利点が得られます。
金属は、粒子と呼ばれる一連の微細な結晶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。オーステナイト系ステンレス鋼の鉄、クロム、ニッケル、マンガン、シリコン、炭素、窒素、リン、硫黄などの合金元素の原子は、単一粒子の一部です。これらの原子は金属イオンの固溶体を形成し、共有電子を介して結晶格子に結合しています。
合金の化学組成は、結晶構造として知られる粒子内の原子の熱力学的に好ましい配置を決定します。繰り返しの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。同じことが、各相の粒子のサイズと配置にも当てはまります。
ほとんどの人は、水の段階についてよく知っています。液体の水が凍結すると、固体の氷になります。しかし、金属に関しては、固相は 1 つだけではありません。特定の合金族は、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、焼きなまし時に主にオーステナイトから構成されます。一方、400 シリーズ合金は、430 ステンレス鋼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で構成されます。
同じことがチタン合金にも当てはまります。各合金グループの名前は、室温での主相、つまりアルファ、ベータ、または両方の混合物を示します。アルファ、ニアアルファ、アルファベータ、ベータ、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、寒い日の暖かい池の表面にある氷の結晶のように、界面で起こります。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一方向に成長します。結晶構造の向きが異なるため、不一致な格子の交点に粒界が形成されます。異なるサイズのルービック キューブをたくさん置く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、それらは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一連の粒子で構成されています。
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、転位と呼ば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越える移動は、金属の延性の基礎となります。
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。均一で等軸の場合、光学顕微鏡で観察される微細構造はジグソーパズルのように見えます。実際には粒子は 3 次元であり、各粒子の断面はワークピースの断面の向きによって異なります。
結晶構造がすべての原子で満たされている場合、原子結合が伸びる以外に動く余地はありません。
原子の列の半分を除去すると、別の原子の列がその位置に滑り込む機会が生まれ、転位が効果的に移動します。ワークピースに力が加えられると、微細構造内の転位の集合運動により、破損したり壊れたりすることなく、曲げたり、伸ばしたり、圧縮したりすることができます。
金属合金に力が作用すると、システムのエネルギーが増加します。塑性変形を引き起こすのに十分なエネルギーが追加されると、格子が変形し、新しい転位が形成されます。より多くの空間が解放され、より多くの転位運動の可能性が生じるため、これにより延性が増加するはずであると論理的に思われます。しかし、転位が衝突すると、転位は互い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、より多くの転位が一緒に固定され、延性が低下します。最終的には、非常に多くの転位が現れ、冷間成形が不可能になります。既存のピンニング転位はもはや移動できないため、格子内の原子結合は破断または破損するまで伸びます。これが、金属合金の加工硬化の理由であり、金属が破損する前に耐えることができる塑性変形の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しすると、基本的に微細構造がリセットされ、延性が回復します。焼きなましプロセス中、結晶粒は次の 3 つのステップで変形します。
混雑した電車の中を歩いている人を想像してみてください。格子のズレのように、列の間に隙間を空けることでのみ混雑を抑えることができます。進むにつれて、後ろの人々が空けた隙間を埋め、前方に新しいスペースを生み出しました。車両の反対側の端に到達すると、乗客の配置が変わります。一度に通過しようとする人数が多すぎると、移動するスペースを確保しようとする乗客が互いに衝突し、車両の壁にぶつかり、全員が所定の位置に固定されることになります。脱臼が発生すると、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ために必要な最小レベルの変形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を持たない場合、再結晶は起こらず、結晶粒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、結晶粒の成長を制御することで調整できます。結晶粒界は本質的に転位の壁であり、移動を妨げます。
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。これらの小さな粒子は、粒子構造の観点からはより微細であると考えられます。より多くの粒界は、転位の動きが少なく、より高い強度を意味します。
結晶粒成長が制限されない場合、結晶粒構造は粗大になり、結晶粒は大きくなり、境界が少なくなり、強度が低下します。
粒子サイズは、多くの場合、5 ～ 15 の間の単位のない数値で表されます。これは相対的な比率であり、平均粒子直径に関係します。数値が大きいほど、粒度は細かくなります。
ASTM E112 は、粒子サイズの測定および評価方法の概要を示しています。これには、特定の領域内の粒子の量を数えることが含まれます。これは、通常、原材料の断面を切断し、研削および研磨し、次に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。計数は顕微鏡下で行われ、倍率によって粒子の適切なサンプリングが可能になります。ASTM 粒子サイズ番号の割り当ては、粒子の形状と直径の均一性が妥当なレベルであることを示します。粒子サイズの変動を 2 つに制限することも有利な場合があります。または 3 つのポイントでワークピース全体で一貫したパフォーマンスを確保します。
加工硬化の場合、強度と延性は反比例の関係にあります。ASTM 粒径と強度の関係は正で強い傾向があり、一般に伸びは ASTM 粒径に反比例します。ただし、過度の粒成長により、「非常に柔らかい」材料が効果的に加工硬化できなくなる可能性があります。
粒子サイズは、5 ～ 15 の間の単位のない数値で表されることがよくあります。これは相対的な比率であり、平均粒子直径に関連しています。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。
焼きなましされた材料の粒径は、時間、温度、冷却速度によって変化します。焼きなましは、通常、再結晶温度と合金の融点の間で行われます。オーステナイト系ステンレス鋼合金 301 の推奨焼きなまし温度範囲は、華氏 1,900 ～ 2,050 度です。華氏 2,550 度付近で溶け始めます。対照的に、商業的に純粋なグレード 1 チタンは、1,292 度で焼きなましする必要があります。華氏約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。再結晶率は温度によって変化します。再結晶が完了すると、結晶粒の成長が始まります。1,900°Fで1時間焼鈍した301ステンレス鋼のワークピースは、2,000°Fで同時に焼鈍した同じワークピースよりも微細な結晶粒構造になります。
材料が適切な焼鈍範囲に十分長く保持されない場合、結果として古い結晶粒と新しい結晶粒が組み合わされた構造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、焼鈍プロセスは均一な等軸結晶粒構造を達成することを目指す必要があります。均一とは、すべての結晶粒がほぼ同じサイズであることを意味し、等軸とは、それら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得るには、各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。これは必ずしも簡単ではなく、バッチ焼きなましでは可能であるわけではないため、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計算することが重要です。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。
粒子サイズと強度に関連性があり、強度が既知である場合、なぜ粒子を計算する必要がありますか?すべての破壊試験にはばらつきがあります。引張試験、特に薄い厚さでの引張試験は、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していない引張強度の結果は、早期破損につながる可能性があります。
ワークピース全体の特性が均一でない場合、一方の端から引張試験片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。サンプルの準備と試験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試験が可能で、何方向で実行可能ですか?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です。
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。強度に加えて、異方性は結晶粒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、すべての方向で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では特に重要です。ブランクを金型に引き込むときに、異方性材料が均一に流れず、イヤリングと呼ばれる欠陥が発生する可能性があります。イヤリングは、カップの上部が波状のシルエットを形成する場所で発生します。粒子構造を検査すると、ワークピースの不均一性の位置が明らかになり、根本原因の診断に役立ちます。
等方性を達成するには適切な焼鈍が重要ですが、焼鈍前に変形の程度を理解することも重要です。材料が塑性変形すると、結晶粒が変形し始めます。冷間圧延の場合、厚さを長さに換算すると、結晶粒は圧延方向に伸びます。結晶粒のアスペクト比が変化すると、等方性と全体的な機械的特性も変化します。大きく変形したワークピースの場合、焼鈍後もある程度の配向が保持される場合があります。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、摩耗を避けるために最終焼きなましの前に変形量を制限する必要がある場合があります。
オレンジピール。金型に関連する深絞り欠陥はピックアップ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引き抜くときに発生します。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、オレンジピール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状構造です。
テレビ画面のピクセルと同じように、きめの細かい構造では、各粒子間の違いが目立ちにくくなり、効果的に解像度が向上します。機械的特性を指定するだけでは、オレンジ ピール効果を防ぐのに十分な細かい粒子サイズを確保するのに十分ではない可能性があります。ワークピース サイズの変化が粒子直径の 10 倍未満の場合、個々の粒子の特性が成形動作を制御します。変形は多数の粒子にわたって均等に変形するわけではなく、各粒子の特定のサイズと方向を反映します。これは、壁のオレンジ ピール効果からわかります。描かれたカップ。
ASTM 粒度 8 の場合、平均粒径は 885 μインチです。これは、0.00885 インチ以下の厚さの減少が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。
粗い粒子は深絞りの問題を引き起こす可能性がありますが、インプリントには推奨される場合があります。スタンピングは、ジョージ ワシントンの顔の輪郭の 4 分の 1 など、目的の表面トポグラフィーを与えるためにブランクを圧縮する変形プロセスです。線引きとは異なり、スタンピングでは通常、大量の材料の流れが必要ありませんが、大量の力が必要であり、ブランクの表面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流動応力を最小限に抑えると、適切なモールド充填に必要な力を軽減することができます。これは、表面結晶粒上の転位が結晶粒界に蓄積するのではなく自由に流れることができるフリーダイインプリンティ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、特定のセクションには当てはまらない可能性があります。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、原材料の粒子サイズを測定および標準化することの利点を強調しました。
精密金属プレス機や部品を成形するための金属の深絞り加工のメーカーは、技術的に資格のある精密リローラーを使用する冶金学者と協力して、材料を粒子レベルまで最適化するのに役立ちます。関係の両側の冶金専門家と工学専門家が 1 つのチームに統合されると、変革的な影響を及ぼし、より前向きな結果を生み出すことができます。
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