ステンレス鋼の機械的挙動を制御する結晶粒構造の1層を理解することで、様々な利点が得られる。Getty Images
ステンレス鋼やアルミニウム合金の選定は、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。これらは、原材料の制約、つまり、破損する前にどれだけ曲がるかを管理する上で効果的な指標となります。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。
破壊的な引張試験および硬度試験は、機械的特性を決定するための信頼性が高く費用対効果の高い方法です。しかし、原材料の厚みが試験サンプルのサイズを制限し始めると、これらの試験は必ずしも信頼性が高いとは限りません。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、機械的挙動を制御する結晶粒構造の1つの層をより詳細に調べることで、メリットが得られます。
金属は、結晶粒と呼ばれる微細な結晶の集合体で構成されています。これらの結晶粒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に含まれる鉄、クロム、ニッケル、マンガン、ケイ素、炭素、窒素、リン、硫黄などの合金元素の原子は、単一の結晶粒の一部です。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。
合金の化学組成によって、結晶粒内の原子の熱力学的に好ましい配列、すなわち結晶構造が決定されます。繰り返し結晶構造を持つ金属の均質な部分は、相と呼ばれる1つ以上の結晶粒を形成します。合金の機械的特性は、合金中の結晶構造に依存します。各相の結晶粒の大きさや配列についても同様です。
ほとんどの人は水の状態変化についてよく知っています。液体の水が凍ると、固体の氷になります。しかし、金属の場合は、固体相は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は、オーステナイト系の300系合金は、焼きなましをすると主にオーステナイトになります。一方、400系合金は、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になります。
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、室温での主要な相（アルファ相、ベータ相、またはその両方の混合物）を示しています。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、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析出します。これは通常、寒い日に暖かい池の表面にできる氷の結晶のように、界面で起こります。結晶粒が核生成すると、別の結晶粒に遭遇するまで結晶構造は一方向に成長します。結晶構造の異なる方向のために、格子が一致しない交差点で結晶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に入れることを想像してみてください。各キューブ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品は、一見ランダムな方向に向いている一連の結晶粒で構成されています。
結晶粒が形成される際には、必ず線欠陥が生じる可能性があります。これらの欠陥は、結晶構造の一部が欠落した状態であり、転位と呼ばれます。これらの転位とその後の結晶粒内および結晶粒界を越えた移動は、金属の延性にとって極めて重要です。
加工物の断面をマウントし、研削、研磨、エッチング処理を施して結晶粒構造を観察します。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、結晶粒は三次元であり、各結晶粒の断面は加工物の断面の向きによって変化します。
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る。
原子列の半分を取り除くと、別の原子列がその位置に滑り込む機会が生まれ、結果として転位が移動します。加工物に力が加わると、微細構造内の転位の集合的な動きにより、破壊したり破損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。
金属合金に力が加わると、系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わると、格子が変形し、新しい転位が形成されます。これにより、より多くの空間が解放され、より多くの転位の移動の可能性が生まれるため、延性が向上するのは当然のように思えます。しかし、転位が衝突すると、互いに固定されることがあります。
転位の数と密度が増加するにつれて、ますます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、冷間成形が不可能になります。既存の固定転位はもはや移動できないため、格子内の原子結合が伸びて切断されるか、破壊されます。これが金属合金が加工硬化する理由であり、金属が破壊される前に耐えられる塑性変形の量に限界がある理由です。
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、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では、結晶粒は3つの段階を経て変化します。
人が混雑した電車の中を歩いているところを想像してみてください。群衆は、格子のずれのように列の間に隙間を空けることによってのみ押し込められます。人が進むにつれて、後ろの人が彼らが残した隙間を埋め、前に新しいスペースが作られます。車両の反対側に着くと、乗客の配置が変わります。あまりにも多くの人が同時に通ろうとすると、移動のためにスペースを空けようとする乗客同士が衝突し、電車の壁にぶつかり、全員がその場に閉じ込められてしまいます。ずれが多くなればなるほど、同時に移動するのが難しくなります。
再結晶化を引き起こすために必要な最小限の変形レベルを理解することが重要です。しかし、加熱前に金属に十分な変形エネルギーがない場合、再結晶化は起こらず、結晶粒は元のサイズを超えて成長し続けます。
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。結晶粒界は基本的に転位の壁であり、動きを妨げます。
結晶粒の成長が抑制されると、より多くの小さな結晶粒が生成されます。これらの小さな結晶粒は、結晶粒構造の観点からより微細であると考えられます。結晶粒界が多いということは、転位の動きが少なくなり、強度が高くなります。
結晶粒の成長が抑制されない場合、結晶粒構造は粗くなり、結晶粒は大きくなり、粒界は少なくなり、強度は低下する。
粒度は、5から15の間の無次元数で表されることが多い。これは相対的な比率であり、平均粒径に関係している。数値が大きいほど、粒度が細かい。
ASTM E112は、結晶粒度の測定および評価方法を規定しています。これは、特定の領域内の結晶粒の量を数えることを含みます。通常、これは原材料の断面を切り出し、研磨して磨き、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、倍率によって結晶粒を適切にサンプリングできます。ASTM結晶粒度番号を割り当てることで、結晶粒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。ワークピース全体で一貫した性能を確保するために、結晶粒度のばらつきを2～3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、強度と延性は反比例の関係にあります。ASTM結晶粒径と強度の関係は正の相関が強く、一般的に伸びはASTM結晶粒径に反比例します。しかし、過度の結晶粒成長は、「非常に軟らかい」材料が効果的に加工硬化しなくなる原因となることがあります。
粒度は、5から15の間の無次元数で表されることが多い。これは相対的な比率であり、平均粒径に関係している。ASTM粒度値が高いほど、単位面積あたりの粒の数が多くなる。
焼きなましされた材料の結晶粒径は、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、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、華氏1,900～2,050度です。華氏2,550度付近で溶融が始まります。一方、市販の純チタン（グレード1）は、華氏1,292度で焼きなましを行い、華氏3,000度付近で溶融します。
焼きなまし中、回復と再結晶のプロセスが互いに競合し、再結晶した結晶粒が変形した結晶粒をすべて消費するまで続きます。再結晶速度は温度によって変化します。再結晶が完了すると、結晶粒の成長が優勢になります。1,900°Fで1時間焼きなましした301ステンレス鋼のワークピースは、同じワークピースを2,000°Fで同じ時間焼きなましした場合よりも、より細かい結晶粒構造になります。
材料を適切な焼きなまし温度範囲に十分な時間保持しないと、結果として得られる構造は古い結晶粒と新しい結晶粒が混在したものになる可能性があります。金属全体にわたって均一な特性が必要な場合は、焼きなましプロセスで均一な等軸結晶粒構造を実現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、結晶粒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。バッチ焼鈍では、これは必ずしも容易または可能ではないため、保持時間を計算する前に、ワークピース全体が適切な温度で飽和するまで待つことが重要です。保持時間が長く、温度が高いほど、結晶粒構造が粗くなり、材料が柔らかくなります。その逆もまた然りです。
粒径と強度が関連していて、強度がわかっているなら、なぜ粒径を計算する必要があるのでしょうか？すべての破壊試験にはばらつきがあります。引張試験、特に薄い厚さの場合、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ていない引張強度の結果は、早期に破壊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、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種類のテストが可能で、何方向で実行可能でしょうか？結晶構造を評価することは、予期せぬ事態を防ぐための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、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。
均一で等軸の結晶粒構造は等方性であるべきであり、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、同心度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、異方性材料は均一に流れず、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箇所で発生します。結晶粒構造を調べることで、ワークピース内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。
適切な焼きなましは等方性を得るために不可欠ですが、焼きなましの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。結晶粒の縦横比が変化すると、等方性や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、焼きなまし後でもある程度の配向が残ることがあります。これが異方性の原因となります。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。
オレンジの皮。ピックアップは、ダイに関連する深絞り加工の欠陥の唯一のものではありません。オレンジの皮は、粒子が粗すぎる原材料を絞り加工したときに発生します。各粒子は、結晶方位に応じて独立して変形します。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質感のある外観になります。質感は、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、微細な構造では、各粒子間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、オレンジの皮効果を防ぐのに十分な微細な粒径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決定づけます。多くの粒子にわたって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効果から見ることができます。
ASTM粒径8の場合、平均粒径は885μインチです。つまり、0.00885インチ以下の厚さ減少は、このマイクロフォーミング効果の影響を受ける可能性があります。
粗粒は深絞り加工で問題を引き起こす可能性がありますが、刻印加工には推奨される場合もあります。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など、目的の表面形状を与える変形プロセスです。ワイヤードローイングとは異なり、スタンピングでは通常、大量の材料の流れは伴いませんが、大きな力が必要となるため、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用いることで表面流動応力を最小限に抑えることは、適切な金型充填に必要な力を緩和するのに役立ちます。これは特に、表面結晶粒上の転位が結晶粒界に蓄積するのではなく、自由に流動できる自由金型成形において顕著です。
ここで議論した傾向は一般的なものであり、特定の分野には当てはまらない可能性があります。しかし、これらの傾向は、一般的な欠陥を回避し、成形パラメータを最適化するために、新しい部品を設計する際に原材料の粒度を測定し標準化することの利点を強調しています。
精密金属プレス加工機や深絞り加工機を用いて部品を成形するメーカーは、材料を結晶粒レベルまで最適化できる、技術的に熟練した精密再圧延業者の冶金専門家と協力することで、より良い成果を上げることができます。関係する双方の冶金専門家とエンジニアリング専門家が1つのチームに統合されると、変革的な影響をもたらし、より良い結果を生み出すことができます。
STAMPING Journalは、金属プレス加工市場のニーズに応えることに特化した唯一の業界誌です。1989年の創刊以来、プレス加工の専門家がより効率的に事業を運営できるよう、最先端技術、業界動向、ベストプラクティス、ニュースなどを網羅的に取り上げてきました。
『The FABRICATOR』のデジタル版にフルアクセスできるようになったことで、貴重な業界リソースに簡単にアクセスできるようになりました。
『チューブ＆パイプ・ジャーナル』のデジタル版が完全に利用可能になり、貴重な業界リソースに簡単にアクセスできるようになりました。
STAMPING Journalのデジタル版にフルアクセスして、金属プレス加工市場における最新の技術進歩、ベストプラクティス、業界ニュースをお楽しみください。
『The Fabricator en Español』のデジタル版にフルアクセスできるようになったことで、貴重な業界リソースに簡単にアクセスできるようになりました。