Phho ott orRReepportt ((OOrraall ))...Poster の部につづく いよいよ最後のセッションです。スタッフさんももう一息!アナウンス係 タイムキーパー
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993
連載講座 キ ャ ビ テ ー シ ョ ン 壊 食(13)
X先 進材料 の耐壊食性(そ の2)
岡 田 庸 敬*・ 服 部 修 次 籾
4.焼 結 金 属 の耐 壊 食 性
最近,軸 受メタルや歯車を焼結金属で作ること
が多いが,バ ルクの構造用材料に比べて均一な組
成の材料が得 られる反面,微 小な気孔が多数発生
する,気 孔は軸受や歯車で油溜めになって潤滑性
能を向上させるが,一 方 これらの機械要素は油中
で2面 が急激な接近離反を繰 り返すので,キ ャビ
テーションにさらされたり,ス クイズフィルムの
せん断力の繰返 しによって壊食が発生する,こ の
ような焼結金属の壊食特性 を明 らかにするため
に,海 綿状のヘゲネス鉄粉を加圧成型 した材料を
用いて水中で対向2面 方式の磁歪振動試験を行な
った了).壊 食の進展は焼結鉄 もバルク材(同 成分
のO.09%C鋼)も 同 じ傾向を示すので,耐 壊食
性は定常期の質量減少率で比較 している.
図17は,定 常期の質量減少率と(磁 歪振動面 と
試験面の)す きまとの関係を示 した ものである,
最大質量減少率を示すすきまは軟鋼よりも焼結鉄
の方が大きく,ま た焼結鉄同士では気孔率の大き
140
ミ120
31。 。
80
㎡令60
明剛40
2d
O:焼 結 鉄{V夢=α284)
一ローt焼 結鉄[Vp=o .1fi3)
一●一:O .09%C鋼
い方が大きくなっている.こ れは軟鋼よりも焼結
鉄の方が表面に空げきの数が多 く,そ こにキャビ
テーション気泡が充満 して崩壊 しにくくなる,い
わゆるフィクス ドキャビテーションの状態 になる
ためである.
一般に,粉 末焼結材料の破壊強さは空 げきの多
少に大きく左右される.焼 結鉄で質量減少率 の逆
数(1/w)と 気孔率Vpと の関係を求めると,実 験
的に
かL46姻1吉 C1)
aOO,20.40.60.811.2
す き ま,mm
図17焼 結 鉄 の 質量 減 少 率 と す きま との 関 係
*元 福井大学 工学部 機械工学科
(TsunenoriOkada}料 福井大学 工学部 機械工学科(ShuliHattori)
が得 られ る,Millard$}は 空 げ き に よ る応 力 集 中
を考 慮 して気 孔 率 ろ と引 張 強 さ σBと の 関 係 を
σ召 。。(1一 ろ)/(ら)(2)
の よ う に与 え て い る,式(1),(2)よ り質 量 減 少
率 は,
1ノω 。。σB2。。Hヨ2(3)
とな る が,こ れ ま で に も述 べ た よ う に壊 食 に対 す
る材 料 の抵 抗 は,
1/ω 。。σB21Eあ る い は1ノ ω 。。HB21E
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の よ うな材 料 定 数 と よ い比 例 関 係 に な る こ とが 多
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図18焼 結 鉄 の壊 食 と硬 さ との 関係
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994 機 械 の 研 究 第50巻 第9号(1998)
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→ 一:焼 結Cu・Pb台 金(11p=a.100y
+・ 焼 結C・-Pp台 金{協 ・0・°33}
-o-:ラ イニ ングCu-Pb合 金
スピンドル油中
振幅2aオm
1.8
D
D
0.51
す き ま,mm
1.5
1.4
ロ21.2
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A
図X9銅 一鉛合金の質量減少率 と す きま との関係
い.焼 結金属の弾性係数儒 はi気 孔率y》=0の
場合 の弾性係数 をE。 とす ると,Ep=E。(1-
Vp)で 示 されるので,式(4)は,
1/w。 ・σB/E。(1-Vp}(5)
となる.図18は,焼 結鉄の質量減少tCとHB21
(1-V$)の 関係を示 したものであるが,非 常に良
い直線関係が得 られる.
図19は,焼 結ケルメ ットをライニ ングした銅一鉛合金の質量減少率とすきまhと の関係を示 し
たものである.こ の場合,ラ イニ ング した銅7鉛
合金では樹枝状に介在 した鉛に沿 ってき裂が進展
し,壊 食粉は大 きな塊状にな って脱落す るので,
図17の 傾向 とは全 く異なり焼結材よ りバルク材
の方が壊食量が大き くなる.
51015
試 験時 間,x10min
図20Cry〔 邊基焼結合金の質量減少量曲線
表9C13C2基 焼結材料の組成と機械的性質
2a
A
組成
Cr3C2
$5.0
we M
15.E
B45.Oaa.a15.Q
ス テ ラ イ ト合 金lvv.6-K
Cu+3UCr+4.5W+C
]..SMa+3Fe+1.7C
*]YSIH[5501参 照
密度
9/cm'
b.90
896
硬 さ
Hy5DD
67.3
1ユ83
抗折か
k琶f〆mm2
67.3
85.6
焼結条件
真空中135°C6⑪分間の焼結
同上
(鋳造/鍛造)
5.超 硬 合 金 の耐 破 食 性
超硬合 金 の中 にはCr呂C2,WC,Ticな どの
カーバイ ドをNiやCoの バ インダとともに焼結
したものがある,こ のような超硬合金は耐摩耗性
に優れ,工 具材料や圧延 ロールなどの多 くの場所
で使用されているが,超 音波洗浄機の振動端子の
ような耐壊食性材料としても使用されている.こ
の種の超硬合金の耐壊食性はカーバイ ドの大 きさ
や形状,バ インダの種類や量に左右され る.
図20は,表9のCr3C2基 焼結材料の質量減少
量曲線である9},ス テライ トに比べて耐壊食性が
向上す る.Cr3c2基 合金ではCr3c2/Niの 界面
に多数のき裂が生 じ,Ni相 が選択的には く離脱落
する,そ のために,質 量減少量曲線には潜伏期間
はほとん ど認 め られない.壊 食面形状はCr3C2
のみのA材 とCr3C2とWCと を半 々含んだB材
とで大 き く異なる.Aで は孔食(深 さ76μm)が
発生するが,Bで は平坦な壊食面(深 さ6μm)に
なる.Aで は液相焼結過程で,Cr3C2粒 子が"C"
軸方向に優先成長 して焼結するのに対 し,Bで は
wcがNi相 に微細に分散 し,Cr3c2粒 子の成長
を阻害 し微細な結晶組織を作る.こ の顕微鏡組織
的な脱落機構の相違がA,B材 の耐壊食性の差 と
2
幡
E゚E
i
Cb.・
害r
一●一:Ni基(PオmWC粒 子径)
○.:Co墓12μmWC粒 子 径)
一ロー:Co基(5μmVい 〔}粒子径)
予測
051015202530
コバ ル トまたはニッケル含有量,Wt%
図21バ イ ンダ量 およびWC粒 子 の大 きさの影響
82
岡 田 ・服 部:キ ャ ビテ ー シ ョJ壊 食(13) 995
表10超 硬合金の壊食試験結果
材料W(粒 子径一Co量
{μ皿)(wt%)
z-6
6・6
z-3a
6・30
ビ,yカース硬鳶
30kgf
虻g蜘m2
1640
145D
$1U
740
度
♂
密
μ
14.8
14.7
12.5
12.5
壊 食抵 抗
Re,
X];06s/mm
100
002
/07f
3
7'
ノ0
7
3
「田
乱
丘
-占呂
ノ0
5
なって現われる,
図21は,コ バル トおよびニッケルで焼結 した
WC合 金のlO時 間後の体積減少量 とコバル トま
たはニ ッケルの含有量との関係を示 したものであ
る10).ニ ッケルで焼結 した合金はステライ ト合
金よりもはるかに優れているが,コ バル トで焼結
した合金は幾分低下する,ま たバ インダの量や
WC粒 子の大きさがこのような焼結材の耐壊食性
にかな り影響を与える,Co合 金ではCoが15%
付近 で最大の壊食抵抗を示すのは,含 有率が減少
すると変形 しにくくなって硬さが増加するが,低
すぎるとバインダの広が りが悪 くなり界面でのき
裂が増加 してバインダが簡単に壊食 されるためで
ある.表10もWCを コバル トで焼結 した超硬合
金の壊食試験結果である.WCの 粒子径は2μm .
と6μmで バインダのCo量 が6%と30%の 合
計4種 類である.WCの 粒子径によって壊食抵抗
はそれほど変わ らないが,バ インダが多 くなると
17%も 低下す る.コ バル トが多 くなるとCo相
が選択的に壊食されるためである.
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建
癬6°
彊
盟 ・。
振 幅60βm
1イ オン交 換水
2工 業用 水(A)
3工 業用 水(B)
4,5,6HNO3溶 液
7,8rgNaOH溶 液
lO,門,12食 塩 水
5
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O
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2r8
1g-'冒 柘'盲 一'一 畠00
71
イォン交換水中の質量減少率6.2mg/h
〆
51fl#520
固 溶 コバル トイオ ン,ppm/h
図23Coイ オ ンの溶出 と質 量減少率 との関係
ミ
O巳
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50
」O
O
振幅60μm-:イ オ ン交 換 水
一 一:工 業用 水(A)
一・一:工 業 用 水(B)
sus304 ノが
\1ノ
J/"
しノ
ノ'漉
距 ≡一
WC-Co合 金(A)
\ 一/ドメ ノ リ
ノ'二 一 ・一 二ひ
i 23
試験時間sh
4 5
図22WC-Co合 金のエ業用水中での質量減少量曲線
また一方で,超 硬合金 は一種の複合材料 であ
り,液 中では異種金属電池を形成 して腐食を促進
させることも考え られる.腐 食環境下では粒子径
が大 き く,Co量 が少 ない方がWC間 の コバル ト
が腐食溶解 して消失 しやすいので,そ のために耐
壊食性は悪 くなる,同 様な腐食性の影響 は図22
の85%WC-15%Co合 金 の工業用水 中の壊食
試験12〕 で も明 らかである.ア ルカリ性の工業用
水 中ではステンレス鋼 はほとん ど影響 されない
が,WC-Ca合 金では壊食量を相当増加 させる.
図23は 図22な どの磁歪振動試験中に溶出 した
Coイ オ ンと質量減少率 との関係 である12〕.Co
相の腐食溶解量に比例 して壊食量は増加する.し
か し,食 塩水 中ではC。 イオ ンが増加 しても質量
減少率は変わらないが,そ の原因は不明である,
6,ウ ィ ス 力 強 化Al合 金
セラミックスや金属などの短繊維で強化された
AI合 金は,比 強度,比 弾性率,耐 摩耗 性に優れた
性質を示すだけでな く,キ ャビテーション壊食の
ように表面から塊状 に壊食粒子が脱落するような
場合 でも強化材の拘束効果が現われて耐 キャビ
テーション壊食性は飛躍的に向上 させる.
図24は,2024高 力Al合 金のマ トリックスに
直径0.3~0,6,um,長 さ0.5~15μm,ア スペク
ト比10~40のSicウ ィスカを体積含有率Vfで
83
996 機 械 の 研 究 第50巻 第9号(1998)
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PM法
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OVt=22°la
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1 2345
時間,h
6
図24ウ ィスカ強化2024A1合 金の質 量減少率曲線
5-一一35混 合 させた ものを粉末焼結法(PM法)
と高圧浸透法(HPI法)で 成形 した材料の質量減
少量曲線である13J.マ トリックスのAl合 金単体
に対 してPM法,HPI法 で作 られた繊維強化型
A正合金の耐壊食性は向上す る.特 に,HPI法 で強
化 した場合は効果はかなり大きい.
脱落粉を回収 してSEM観 察すると,HPI法 の
マ トリックス材(巧=0)で は,非 常に小さい粒
子か ら30μm程 度の大きい粒子 まで広範囲に分
布 しているが,含 有Vf=32%材 では比較的
球形に近い小さい粒子が揃っていて,ウ ィスカが
引き抜けたよ うな壊食粉はほとんど見当た らな
い.一 方,PM法 のマ トリックス材(Vf=0)は
明瞭な粒界は見当たらないが,焼 結前の形状 と推
測される線上に沿 って介在物が存在 し,き 裂の成
長によって大きい壊食粉が脱落する,ウ ィスカを
加えると脱落粉の大きさは小さくなり耐壊食性は
向上する.だ たしVf=16%は,製 作時の技術
的な トラブルで ウィスカが密集 しているところ
と,ほ とんどない部分に分かれて壊食 も局所的に
進展 したために,マ トリックスに近い質量減少量
曲線を示 している.
図25は,SiCウ ィスカの体積含有率 巧 と最大
質量減少率との関係を示 している].3].PM法 の材
料では,わ ずか5%ウ ィスカを含有すると壊食率
は1/2に 減少するが,そ れ以上ウィスカの量を増
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o:PM法
く〉:HPI法
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ウィスカ の含 有率vf,%
40
図25ウ ィスカの体積含有率と最大質量減少率との
関係
しても壊食率 は若干増加するだけである.HPI法
で製作 した材料で も同 じで 巧=17%で はマ ト
リックスに比べて1/9に 減少するが,そ れ以上 に
ウィスカを増 しても若干減少する程度である.
図26は,pureAlとA6061,A2Q24,A7075
の熱処理型アル ミニウム合金を母材にしてSiCウ
ィスカを19~22%含 有す るよ うにHPI法 で製
造 した材料 の質量減少量:および質量減少率曲線で
ある瑚,各 材料で壊食量に大きな差があるので
縦軸のスケールが異なっている.マ トリックスの
Al合 金では軟質 な合金 ほど質量減少率曲線に鋭
い ピーク値を示すがrす ぐに減衰する.し か し,
これ らの材料をマ トリックスに した強化材 では
ピーク値 は緩やかになり,ピ ーク値を比較 して も
母材の1/10程 度 になる.材 料の耐壊食性の評価
として,壊 食試験を始めてから10mg壊 食するま
での時間とマ トリックスの硬 さとの関係を求める
と図27の ようになる.ウ ィスカによる強化の効
果は軟質な金属ほど大き く,マ トリックスが硬 く
なるほどその割合は減少する.
一方 ,熱 処理型のAl合 金は,溶 体化処理後時効
処理 を施す と著 しく強度が上昇す る.図28は
2024Al合 金の母材 と22%ウ ィスカを含有 した
強化材 を495℃,1.5hの 溶体化処理後185℃ で
9h時 効処理を施 した場合の質量減少量曲線であ
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岡 田 ・服 部:キ ャ ビテ ー シ ョ ン壊 食(13) 997
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(c)A2024(d)A7075
図26各 種の ウィスカ強化Al合 金 の質量減少量 および質量減少率 曲線
50
40.c
嚇
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σ
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10°zoaosa80toO
マ トリックスの硬 さH日(lO/50ω
図27マ トリックスの硬 さと質量減少率 また は壊食
時間 との関係
る14),母 材では熱処理の効果が現われて耐壊食
性は非常に改善されるが,強 化材ではほとんど差
がない.
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強化 材o{F}
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A150μm
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25℃
1 234
時間,h
5 fi
図282024A1合 金 の母材,ウ ィス カ強化材 の質量
減少量曲線(F:未 処理材,H.T熱 処理材)
図29は,図28と 同 じ材料を溶体化処理 したの
ち時効時間を変化させたときの最大質量減少率お
よびブリネル硬さの変化を示 している14],母 材
では時効処理時間が10時 間を過ぎると未処理材
一85
998 機 械 の 研 究 第50巻 第9号(1998)
114
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各8。E
噺6。
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o
母材 強化材oo
㊥ ●
NB
Q
A=50pm
h=1mm
イオン交 換水
25℃
最大質量減少率
D.5{Q152fl25
時 効 時 間,h
図29時 効時間に伴うA2024の 母材および強化材の
硬さと最大質量減少率の変化(溶体化処理温度495℃,時 効処理温度185℃)
の硬さと同程度にな り,最 大質量減少率 も未処理
材の値に近づき,い わゆる過時効の影響が現われ
る,強 化材ではブリネル硬さは母材 と同じような
変化の傾向を示 しても壊食率は全 く変化 しない.
ウィスカ端末にできている欠陥は熱処理 によって
も変化 しないことと,ウ ィスカの含有 によって強
化材の時効硬化が弱まるためである.
参考文献
7)遠 藤 吉 郎 ・岡 田庸 敬 ・中 島政 明:日 本 機 械 学 会 論 文 集(A
編 〕,35,275(1969)p,1397.
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12)岡 田庸 敬 ・前 川 紀 英:材 料,28,311(1979]p.752.
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編),58,550(1992)P.909.
14)季 燈 晶 ・岡 田 庸 敬:日 本 機 械 学 会 論 文 集(A編),6Q,
577{1994}p.2Q34.
(X終 わ り,以 下 次 号)
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(例)雑_塾
8)養 賢太 郎:日 本機械学会論 文集(C編),巻C,
号数(1997)冒 頭頁数
9)T.YakenandK.Dikawa:ASLETans.巻 数,
号数(1997)冒 頭頁数
0
10)養 賢 太 郎 ・養 賢二 郎:機 械 設 計 法,養 賢 堂
(1997)冒 頭頁数.
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