高強度金型の熱クラック防止に関する研究
首都大学東京大学院理工学研究科 機械工学専攻教授 若山 修一（平成 25 年度一般研究開発助成 AF-2013031）
キーワード：高強度金型材料、熱クラック、ディスクオンロッド試験
１．研究の目的と背景発生挙動の評価手法の開発を行った。特に、最も脆性的加工の高速化、高応力化に伴い、金型や切削工具等のな破壊挙動を示すセラミックスを研究対象とし、後述の耐久性・耐磨耗性を向上させるために超硬合金の利用がような著者らが開発したディスクオンロッド試験を改普及しているが、さらに被加工品の表面性状の向上を目良して、種々の熱応力比のもとでの熱クラック発生挙動指し、より表面平滑度の高いサーメット、さらにはセラを評価した。

ミックスの使用が推進あるいは検討されている。
しかしながら、これらの材料は塑性変形能が低い本質的な脆性

２．実験方法材料であり、耐熱衝撃性が低いことが弱点になっている。

2.1 試験片

塑性加工中には、摩擦により金型が局所的に急加熱される場合や、加熱された金型の表面が潤滑油で急冷され試験片には代表的なエンジニアリングセラミックスであるアルミナセラミックスを用いた。

る場合に大きな熱応力が発生し、その繰り返し(熱疲労原料のアルミナ粉末( -Al2O3)には大明化学工業㈱製破壊)で熱クラックが発生することがある。また、押しタイミクロン TM-D を使用し、4 MPa で一軸圧縮後、200出し金型を型枠に焼ばめで設置しようとした際に即時MPa で冷間等方加圧(Cold Isostatic Press, CIP)により成破断(熱衝撃破壊)を生じる例も知られている。
これらの形体を得た。
そして得られた円板状成形体を切削し任意問題を解決するためには、熱応力を十分に考慮した金型の形状に加工した．その後，高温大気炉で焼結温度設計技術や耐熱衝撃性に優れた材料の開発が不可欠で

1,500 ℃、保持時間 2 時間、昇温・降温速度 5 ℃/min.

あり、熱クラックの発生および進展、すなわち熱衝撃(疲で焼結した。

労)破壊メカニズムの解明および評価法の確立がこれら得られた焼結体は両面を鏡面研磨し、厚さの調整と鏡の材料および金型等の信頼性を確保するためのキーテ面処理を施した。さらに、水分による応力腐食割れの影クノロジーといっても過言ではない。

響を除去するため、真空中にて乾燥させ試験片とした。

従来の熱衝撃破壊試験は、加熱した試験片を水中投下

なお、密度および開気孔率の測定は JIS1634 に従い行によって急冷し、その残留応力を測定する方法が用いらった。
鏡面研磨後の試験片をリン酸でエッチング処理しれており、セラミックスの場合は JIS R 1648「ファイSEM により微視構造を観察し、得られた画像から粒径ンセラミックスの熱衝撃試験方法」 に規格化され、サの測定を行った。また、熱伝導率はレーザーフラッシューメットにも利用されている。しかしながら、子の試験法を用いて測定した。

では、評価できるのは臨界温度差のみであり、材料間の2.2 ディスクオンロッド試験

耐熱衝撃性の相対的な比較しかできない、などの問題点

前述のように、熱クラック発生挙動を理解するには、が指摘されている。熱衝撃破壊は、局所的な急冷や急加推移する熱応力場と、その下でのミクロ損傷の発生・進熱に起因する熱流束によって形成される温度場によっ展によって生じる熱クラックの発生過程の両方を同時て生じる遷移的な熱応力の下で、ミクロ損傷が発生・蓄に評価する必要がある。
著者らは新たな熱衝撃破壊試験

積して巨視き裂(熱クラック)が生成される現象であり、方法としてディスクオンロッド(Disc-on-Rod)試験法を熱衝撃の際の熱応力の評価、およびき裂の発生・進展な開発してきた(1-4)。図１にディスクオンロッド試験の概どの破壊過程の評価、の 2 つを同時に行うことが不可欠要を示す。本試験では、予加熱したディスク状薄板試験である。

片に低温に保持した金属ロッドを接触させ中央部のみ

そこで本研究では、高強度金型における熱クラック発を冷却することにより２軸引張熱応力を発生させて熱生防止技術の開発を目的とし、高強度金型に用いられる衝撃を与える。その際、金属ロッド下部に AE センサを超硬合金、サーメットおよびセラミックスの熱クラック取付け、金属ロッドを冷却媒体及び導波棒として用いる

赤外線加熱炉

試験片

試験片

金属ロッド

AE センサ
急冷予加熱
図１ ディスクオンロッド試験の概要

図２ ディスクオンロッド試験システム

ことにより、AE センサを保護すると同時に微視割れな約 60 fps で計測した。またビデオカメラによりき裂の発どの損傷に伴う AE 信号を検出し微視破壊過程を評価す生を録画した。
微視損傷の発生蓄積過程を明らかにするることが可能である。また、試験中の試験片表面の温度ために、銅ロッド下部に取り付けられた AE センサを用分布を赤外線カメラでモニタリングし、FEM 解析によっいて AE 計測を行った。AE センサには、共振周波数て熱応力場の時間履歴を計測している。なお、試験片の180kHz のアンプ内蔵の高感度センサを使用した。ゲイ板厚は直径に比べて十分小さいため、板厚方向の応力はン 55 dB、しきい値 6.9 dB、計測周波数範囲 25~2000 kHz

無視でき、平面応力としての取り扱いが可能である。とした。

従来は円形薄板試験片を用いていたため、試験片中央2.4 試験条件の決定(熱応力場の FEM 解析)部で得られる最大熱応力は等２軸であったが、本研究で実験に先立ち、所望の熱応力比の得られる試験片およは、楕円形試験片とすることで任意の応力比が得られる

び冷却ロッドの形状を決定するため、熱応力解析を行っように工夫した。

た。試験片の 1/4 モデル(10 接点アイソパラメトリック

2.3 ディスクオンロッド試験システム四面体要素)を作成し、ディスクオンロッド試験を伝熱図２にディスクオンロッド試験システムの模式図を解析と構造解析の連成問題として模擬した。

示す。
円板もしくは楕円板試験片を IR ランプで加熱し、モデルは厚さを 0.6 mm とし、一般的なアルミナの物ホルダごと回転・降下させて、冷却ロッドと接触させた。

性値を与えた。所定の初期温度から、全体の表面を室温

その際、降下速度をエアダンパで制御し、接触による(25 ℃)に急冷した。その際、ロッドとの接触部以外にAE 信号を抑制している。

は空気との熱伝達係数(5 W/m2・K)を与え、接触部の熱試験中、IR カメラを用いて試験片表面の温度分布を伝達係数 h を大きくすることで中央部のみの急冷を再図３ 熱応力解析結果た。図は、初期加熱温度 T0 = 850℃、接触部の熱伝達係数 h = 2500 W/m2・K の場合の試験片中心部の長径方向の最大熱応力(第 1 主応力) 1 と熱応力比 R の推移を示す

R=1が、e = 7 mm とした場合が最も大きな熱応力が発生するものの、熱応力比は e = 5 mm の場合が最も安定して一定の値を取ることが理解される。結局、本研究では、熱応力比 R = 1 の場合は a = 35 mm、b = 35 mm、e = 5.5mm、R = 0.5 では a = 27 mm、b = 35 mm、e = 5 mm、R =0.25 では a = 21 mm、b = 35 mm、e = 5 mm とした。
上述のように決定した条件に従って作成した寸法のR=0.5

R=0.25試験片を図４に示す。いずれも厚さは 0.6 mm で統一した。
得られた平均粒径は 2.5 m、見かけ密度は 3.93 g/cm3、

図４ 作製した試験片

開気孔率は 0.32 %、熱伝導率は 35.3 W/(m・K)、比熱は0.76 J/(g・K)であった。

現した。
試験片とロッドの寸法のほか、初期加熱温度 T0、接3.2 ディスクオンロッド試験

中心で生じる触部の熱伝達係数 h を変えた解析を行い、作成した試験片に対して、ディスクオンロッド試験を最大熱応力及び熱応力比に着目し、最適な試験条件を検行った。図５に、円板試験片、すなわち熱応力比 R = 1、討した。

初期温度 T0 = 550 ℃の場合のディスクオンロッド試験結果を示す。試験片中心部に最大熱応力 1 が発生し、３．結果および考察単調に増加して最終破断に至っている。また、試験片終身部の熱応力比 R はほぼ 1 で一定に推移しており、等 2

3.1 熱応力解析による試験片・ロッドの形状の決定および試験片の作製

軸熱応力のもとで熱クラックが発生し破断に至ったこ

種々の条件で熱応力解析を行った結果、試験片中心部とが理解される。図右に破断後の試験片を示すが、最大の熱応力比の挙動は試験片とロッドの形状に強く依存

熱応力の発生した試験片中心部から放射状に直線的なし、熱伝達係数や初期温度は熱応力比にはほとんど影響熱クラックが進展している。AE 発生挙動を見ると、試しないことが示された。

験初期から小振幅の AE が検出され、最終破断時に大振図３に熱応力解析結果の一例を示す。
図右にあるよう幅の AE が検出された。以上の結果から、急冷直後からに、ロッドの形状は、試験片の短径 a および長径 b から最大熱応力の発生する試験片中心部にミクロ損傷が発一定のクリアランス e を差し引いた寸法の楕円の場合生・蓄積し、熱クラックが発生と同時に不安定進展してが最も安定した応力比の挙動が得られることがわかっ破断に至ったことが推察される。

図５ ディスクオンロッド試験結果（R=1、T0 = 550 ℃））

図６ ディスクオンロッド試験結果（R=0.5、T0 = 650））
一方、図６は、楕円板試験片を用いたディスクオンロ熱クラック発生挙動の評価技術の開発を行った。
著者ら

初期温度 T0 = 650
ッド試験、すなわち熱応力比 R=0.5、が開発したディスクオンロッド試験を改良し、試験片との場合の試験結果である。この場合、試験片とロッドのロッドの形状を円形から楕円形にし、それらの寸法を最接触が不均一(いわゆる片当たり)となり、最大熱応力は適化することで、任意の熱応力比のもとでの熱クラック試験片中心から長軸方向にややずれた箇所で発生し、そ発生過程の評価が可能となった。

こを起点として熱クラックが発生して最終破断に至っ一方で、試験片とロッドの接触が付近位置になる課題た。そこで、図には試験片中心部と最終破断位置(=最大が残っており、今後は試験片ホルダやロッドのアライメ熱応力発生位置)の両方の熱応力(第 1 主応力) 1 と熱応ントの調整が容易な試験システムの開発を進める予定

力比 R の推移を示す。図より、最終破断位置では中心である。また、種々の機械的応力のもとでの破壊過程の部より常に大きな熱応力が発生している。また、接触は評価も行い、例えば高強度金型材料の新規設計などによ不均一であったものの、最終破断位置および試験片中心る熱クラック防止のための基礎的知見を明らかにして部のいずれでも熱応力比は目標とした値 0.5 付近で推移いく所存である。

した。図右に破断後の試験片を示すが、最大熱応力発生点から発生した熱クラックは、湾曲と枝分かれを伴いな謝辞がら進展し破断に至っていることが理解される。また、本研究の遂行に対し、公益財団法人 天田財団から一試験開始の直後に大振幅の AE 信号が検出され、その後般研究開発助成金によってご支援いただいたことを記

停滞した後、再び大振幅 AE 信号が検出されて最終破断し、心より謝意を表します。に至っている。以上から、最大熱応力発生点で生成した熱クラックは一旦停止し、湾曲と枝分かれしながら進展して最終破断に至ったと推察される。
以上のように、試験片とロッドの形状を最適化することで任意の熱応力の下での熱クラック発生・進展過程の評価が可能になったことが示される。

参考文献
1）S. Wakayama, S. Kobayashi and T. Wada, Journal of
Acoustic Emission, Vol.23, pp. 150-155 (2005)
2) T. Sakai, S. Wakayama, G. Kametani, K.Yoshida and T.
Akatsu, Bulletin of JSME Mechanical Engineering
Journal, Vol. 1, No. 1, pp. 1-10 (2014)

４．結び
本研究では、高強度金型材料の熱クラック発生を防止することを最終目標として、種々の熱応力比のもとでの3) T. Akatsu, H. Takashima, Y. Shinoda, F. Wakai and S.
Wakayama, Int. J. Appl. Ceram. Technol., 1–9 (2016)