ステンレス鋼の機械的挙動を制御する結晶構造の1つの層を理解することで、メリットが得られます。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、一般的に、強度、延性、伸び、硬度を中心に行われます。これらの特性は、金属の構成要素が適用された荷重にどのように反応するかを示します。これらは、原材料の制約、つまり破損する前にどの程度曲がるかを管理する効果的な指標です。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、費用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ると、これらの試験は必ずしも信頼できるとは限りません。平らな金属製品の引張試験は今でももちろん有用ですが、機械的挙動を制御する粒状構造の 1 つの層をより深く調べることで、メリットが得られます。
金属は、粒子と呼ばれる一連の微細結晶で構成されています。粒子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、単一の粒子の一部です。これらの原子は、共有電子を介して結晶格子に結合され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。繰り返される結晶構造を含む金属の均質な部分は、相と呼ばれる 1 つ以上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についても同様です。
ほとんどの人は、水の状態をよく知っています。液体の水が凍ると、固体の氷になります。しかし、金属に関しては、固体の相は 1 つだけではありません。特定の合金ファミリーは、その相にちなんで名付けられています。ステンレス鋼の中で、オーステナイト系の 300 シリーズ合金は、焼きなまし処理すると主にオーステナイトで構成されます。ただし、400 シリーズ合金は、430 ステンレス鋼ではフェライト、410 および 420 ステンレス鋼合金ではマルテンサイトで構成されます。
チタン合金についても同様です。各合金グループの名前は、室温での主要相（アルファ、ベータ、または両方の混合）を示しています。アルファ、ニアアルファ、アルファベータ、ベータ、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、寒い日に温かい池の表面に生じる氷の結晶のように、界面で発生します。粒子が核形成すると、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。結晶構造の方向が異なるため、不一致の格子の交差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を箱の中にたくさん入れることを想像してください。各キューブは正方格子状に配置されていますが、それらはすべてさまざまなランダムな方向に並べられています。完全に凝固した金属ワークピースは、一見ランダムな方向を向いた一連の粒子で構成されています。
結晶粒が形成されるときはいつでも、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した部分です。これらの転位と、その後の結晶粒全体および結晶粒界を越えたそれらの動きは、金属の延性にとって基本となります。
ワークピースの断面を取り付け、研磨、研削、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方向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ると、原子結合の伸縮以外の動きの余地はなくなります。
原子列の半分を除去すると、別の原子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されます。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的な動きにより、ワークピースが破損したり壊れたりすることなく、曲げたり、伸ばしたり、圧縮したりできるようになります。
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加えられると、格子が変形し、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、より多くの転位運動の可能性が生まれるため、延性が向上するのは理にかなっていると思われます。ただし、転位が衝突すると、転位は互いに固定される可能性があります。
転位の数と集中度が増加すると、より多くの転位が固定され、延性が低下します。最終的には、冷間成形が不可能になるほど多くの転位が発生します。既存の固定転位は移動できないため、格子内の原子結合は切断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、金属が破損する前に耐えられる塑性変形の量に限界がある理由です。
粒子は焼きなましにおいても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、本質的には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、粒子は次の 3 つの段階で変化します。
混雑した電車の車内を歩いている人を想像してください。人混みを詰めるには、列と列の間に隙間を空けるしかありません。これは、格子のずれのようなものです。人が進むにつれて、後ろの人は自分が空けた隙間を埋め、前に新しいスペースを作ります。車両の反対側に到達すると、乗客の配置が変わります。あまりに多くの人が一度に通過しようとすると、スペースを作ろうとする乗客は互いに衝突し、車両の壁にぶつかり、全員がその場に釘付けになります。ずれが多くなればなるほど、同時に移動することが難しくなります。
再結晶化を誘発するために必要な最小変形レベルを理解することが重要です。ただし、加熱前に金属に十分な変形エネルギーがない場合、再結晶化は発生せず、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、結晶粒の成長を制御することによって調整できます。結晶粒界は、本質的には転位の壁です。転位は動きを妨げます。
粒成長が制限されると、より多くの小さな粒が生成されます。これらの小さな粒は、粒構造の観点からはより微細であると考えられます。粒界が増えると、転位の動きが少なくなり、強度が高くなります。
粒成長が制限されない場合、粒構造は粗くなり、粒子は大きくなり、境界は少なくなり、強度は低くなります。
粒度は、5 から 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、平均粒径に関連しています。数値が大きいほど、粒度は細かくなります。
ASTM E112 は、粒度の測定および評価方法を概説しています。この方法では、特定の領域内の粒の量を数えます。これは通常、原材料の断面を切断し、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。計数は顕微鏡下で行われ、拡大することで適切な粒度のサンプルを採取できます。ASTM 粒度番号を割り当てると、粒の形と直径の均一性が妥当なレベルにあることを示します。ワークピース全体で一貫したパフォーマンスを確保するには、粒度の変動を 2 つまたは 3 つのポイント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します。ASTM 粒度と強度の関係は正で強い傾向があり、一般的に伸びは ASTM 粒度と反比例します。ただし、過度の粒成長により、「完全に柔らかい」材料が効果的に加工硬化しなくなる可能性があります。
粒度は、多くの場合、5 から 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、平均粒径に関連しています。ASTM 粒度値が高いほど、単位面積あたりの粒子数が多くなります。
焼きなましされた材料の粒径は、時間、温度、冷却速度によって異なります。焼きなましは通常、合金の再結晶温度と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、1,900 ～ 2,050 度です。約 2,550 度で溶解が始まります。一方、商業的に純粋なグレード 1 チタンは、1,292 度で焼きなましされ、約 3,000 度で溶解します。
焼鈍処理中、回復プロセスと再結晶プロセスは、再結晶した粒子が変形した粒子をすべて消費するまで、互いに競合します。再結晶率は温度によって異なります。再結晶が完了すると、粒子の成長が引き継がれます。1,900°F で 1 時間焼鈍された 301 ステンレス鋼のワークピースは、2,000°F で同じ時間焼鈍された同じワークピースよりも細かい粒子構造になります。
材料が適切な焼鈍範囲に十分長く保持されない場合、結果として得られる構造は古い粒子と新しい粒子の組み合わせになる可能性があります。金属全体で均一な特性が求められる場合、焼鈍プロセスでは均一な等軸粒子構造の実現を目指す必要があります。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得るには、各ワークピースを同じ時間、同じ量の熱にさらし、同じ速度で冷却する必要があります。これはバッチ焼鈍では必ずしも容易または可能ではないため、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、ソーク時間を計算することが重要です。ソーク時間が長く温度が高いほど、粒度構造が粗くなり、材料が柔らかくなり、逆の場合も同様です。
粒径と強度が関連しており、強度がわかっているのであれば、なぜ粒径を計算するのでしょうか? すべての破壊試験にはばらつきがあります。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。実際の材料特性を反映しない引張強度の結果では、早期に破損が発生する可能性があります。
特性がワークピース全体で均一でない場合、片方の端から引張試験片またはサンプルを採取しても、全体像が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ります。特定の金属に対して、いくつのテストが可能でしょうか。また、いくつの方向でテストが実行可能でしょうか。結晶粒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。強度に加えて、結晶構造を調べることで異方性をよりよく理解できます。
均一で等軸の結晶構造は等方性である必要があり、これはすべての方向に同じ特性があることを意味します。等方性は、同心度が重要となる深絞り工程で特に重要です。ブランクを金型に引き込むと、異方性の材料が均一に流れず、耳鳴りと呼ばれる欠陥につながる可能性があります。耳鳴りは、カップの上部が波状のシルエットを形成する場合に発生します。結晶構造を検査すると、ワークピースの不均一性の場所が明らかになり、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不可欠ですが、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、厚さを長さに変換すると、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、焼鈍後も一部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。深絞り材料の場合、摩耗を避けるために、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。
オレンジピール。ダイ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、粒子が粗すぎる原材料が絞り加工されたときに発生します。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のある外観になります。テクスチャは、カップ壁の表面に現れる粒状の構造です。
テレビ画面のピクセルのように、細粒構造にすると、各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。機械的特性のみを指定すると、オレンジピール効果を防ぐのに十分な細粒度を確保できない場合があります。ワークピースのサイズの変化が粒径の10倍未満の場合、個々の粒子の特性が成形挙動を左右します。多くの粒子が均等に変形するのではなく、各粒子の特定のサイズと方向が反映されます。これは、絞りカップの壁のオレンジピール効果から見ることができます。
ASTM 粒度が 8 の場合、平均粒径は 885 µin です。つまり、0.00885 インチ以下の厚さの減少は、このマイクロ成形効果によって影響を受ける可能性があります。
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、刻印には推奨されることもあります。スタンピングは、ブランクを圧縮して、ジョージ・ワシントンの顔の輪郭の 4 分の 1 のような目的の表面地形を与える変形プロセスです。伸線加工とは異なり、スタンピングでは通常、大量の材料が流れることはありませんが、大きな力が必要となり、ブランクの表面が変形してしまうことがあります。
このため、粗い粒子構造を使用して表面流動応力を最小限に抑えると、適切な金型充填に必要な力を軽減するのに役立ちます。これは、表面粒子上の転位が粒界に蓄積され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トの場合に特に当てはまります。
ここで説明した傾向は一般化されており、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ときに、一般的な落とし穴を回避し、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して標準化することの利点を強調しました。
精密金属スタンピングマシンや金属深絞り加工で部品を成形するメーカーは、技術的に資格のある精密リローラーの冶金学者と連携することで、粒子レベルまで材料を最適化できるようになります。関係の両側の冶金およびエンジニアリングの専門家が 1 つのチームに統合されると、変革をもたらし、より肯定的な結果を生み出すことができます。
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