高強度金型材料の耐熱クラック性向上に関する研究
首都大学東京 システムデザイン学部 機械システム工学科教授

若山 修一（平成 28 年度 一般研究開発助成 AF-2016030）
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および進展挙動の評価手法の開発を行った。特に、加工の高速化、高応力化に伴い、金型や切削工具等の最も脆性的な破壊挙動を示すセラミックスを研究対象

耐久性・耐磨耗性を向上させるために超硬合金の利用がとし、後述のような著者らが開発したディスクオンロッ

普及しているが、さらに被加工品の表面性状の向上を目

ド試験を改良して、種々の熱応力比のもとでの熱クラッ指し、より表面平滑度の高いサーメット、さらにはセラク発生・進展挙動を評価した。

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(熱疲労試験片原料はアルミナ粉末として大明化学工業（株）破壊)で熱クラックが発生することがある。また、押し製タイミクロン TM－D を使用し、一軸圧縮、冷間等方出し金型を型枠に焼ばめで設置しようとした際に即時加圧(Cold Isostatic Press, CIP)により成形体を製作した。

破断(熱衝撃破壊)を生じる例も知られている。これらのそして成形体を楕円形状に加工後、高温大気炉にて昇温問題を解決するためには、熱応力を十分に考慮した金型

速度 5 ℃/min.で焼結温度 1,500 ℃まで加熱し 2 時間保設計技術や耐熱衝撃性に優れた材料の開発が不可欠で持して焼結体を得た。表面付近の粗大粒子を取り除くたあり、熱クラックの発生および進展、すなわち熱衝撃(疲めに両面を研削し、表面の微視欠陥や傷を取り除くため労)破壊メカニズムの解明および評価法の確立がこれらに両面に鏡面研磨を施した。また試験片内の水分によるの材料および金型等の信頼性を確保するためのキーテ

応力腐食割れによる強度低下を考慮し真空中で 150 ℃、クノロジーといっても過言ではない。

2 時間保持で乾燥した。

従来の熱衝撃破壊試験は、加熱した試験片を水中投下

2.2 ディスクオンロッド試験によって急冷し、その残留応力を測定する方法が用いら

前述のように、熱クラック発生挙動を理解するには、れており、セラミックスの場合は JIS R 1648「ファイ推移する熱応力場と、その下でのミクロ損傷の発生進展

ンセラミックスの熱衝撃試験方法」 に規格化され、サによって生じる熱クラックの発生過程の両方を同時にーメットにも利用されている。しかしながら、子の試験評価する必要がある。著者らは新たな熱衝撃破壊試験方では、評価できるのは臨界温度差のみであり、材料間の法としてディスクオンロッド(Disc-on-Rod)試験法を開耐熱衝撃性の相対的な比較しかできない、などの問題点発してきた(1-3)。図１にディスクオンロッド試験の概要が指摘されている。熱衝撃破壊は、局所的な急冷や急加を示す。本試験では、予加熱したディスク状薄板試験片

熱に起因する熱流束によって形成される温度場によっに低温に保持した金属ロッドを接触させ中央部のみをて生じる遷移的な熱応力の下で、ミクロ損傷が発生・蓄冷却することにより２軸引張熱応力を発生させて熱衝積して巨視き裂(熱クラック)が生成される現象であり、撃を与える。その際、金属ロッド下部に AE センサを取熱衝撃の際の熱応力の評価、およびき裂の発生・進展な付け、金属ロッドを冷却媒体及び導波棒として用いるこどの破壊過程の評価、の 2 つを同時に行うことが不可欠とにより、AE センサを熱から保護すると同時に微視割である。

れなどの損傷に伴う AE 信号を検出し微視破壊過程を評

そこで本研究では、高強度金型における熱クラック発価することが可能である。また、試験中の試験片表面の生防止技術の開発を目的とし、高強度金型に用いられる温度分布を赤外線カメラでモニタリングし、FEM 解析に超硬合金、サーメットおよびセラミックスの熱クラック

よって熱応力場の時間履歴を計測している。なお、試験

実験に先立ち、所望の熱応力比の得られる試験片および冷却ロッドの形状を決定するため、熱応力解析を行っ赤外線加熱炉た。試験片の 1/4 モデル(10 接点アイソパラメトリック四面体要素)を作成し、ディスクオンロッド試験を伝熱

試験片

試験片

解析と構造解析の連成問題として模擬した。
モデルは厚さを 0.6 mm とし、一般的なアルミナの物性値を与えた。所定の初期温度から、全体の表面を室温金属ロッド(25 ℃)に急冷した。その際、ロッドとの接触部以外には空気との熱伝達係数(5 W/m2・K)を与え、接触部の熱伝達係数 h を大きくすることで中央部のみの急冷を再AE センサ
予加熱
図１現した。

急冷
ディスクオンロッド試験の概要

試験片とロッドの寸法のほか、初期加熱温度 T0、接触部の熱伝達係数 h を変えた解析を行い、中心で生じる片の板厚は直径に比べて十分小さいため、板厚方向の応最大熱応力及び熱応力比に着目し、最適な試験条件を検力は無視でき、平面応力としての取り扱いが可能である。

討した。

従来は円形薄板試験片を用いていたため、試験片中央部で得られる最大熱応力は等２軸であったが、本研究では、楕円形試験片とすることで任意の応力比が得られる３．結果および考察
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ように工夫した。

種々の条件で熱応力解析を行った結果、試験片中心部

2.3 ディスクオンロッド試験システム
図２にディスクオンロッド試験システムの模式図をの熱応力比の挙動は試験片とロッドの形状に強く依存示す。円板もしくは楕円板試験片を IR ランプで加熱し、し、熱伝達係数や初期温度は熱応力比にはほとんど影響ホルダごと回転・降下させて、冷却ロッドと接触させた。

しないことが示された。

その際、降下速度をエアダンパで制御し、接触による本研究では、試験片の長径を 25 mm で固定し、試験片の短径、ロッドの長径および短径を変更し有限要素解AE 信号を抑制している。
試験中、IR カメラを用いて試験片表面の温度分布を析を行った．試験片中心部での目標応力比が最適となる

約 60 fps で計測した。またビデオカメラによりき裂の発ように決定した試験片およびロッド寸法を図３に示す。

生を録画した。微視損傷の発生蓄積過程を明らかにする

また、図４に作製した試験片の写真を示すが、測定したために、銅ロッド下部に取り付けられた AE センサを用

見掛密度、かさ密度および開気孔率はそれぞれ 3.98いて AE 計測を行った。AE センサには、共振周波数g/cm3、3.96 g/cm3、0.46 %であった。開気孔率は 1％未180kHz のアンプ内蔵の高感度センサを使用した。ゲイ満であり十分ち密な試験片が得られた。また試験片の平ン 55 dB、しきい値 17.8 dB、計測周波数範囲 25~2000 kHz

均粒径は 4.37 μm であった。
3.2 ディスクオンロッド試験とした。
2.4 試験条件の決定(熱応力場の FEM 解析)

図２作製した試験片に対して、ディスクオンロッド試験をディスクオンロッド試験システム

図３

試験片および冷却ロッドの寸法
験片中心部および最大応力点の熱応力はほぼ等価であり、応力比は両方とも目標値の 0.5 でほとんど変動せずR=1.0に制御できていることが理解される。
この試験の場合、試験片とロッドの接触後 1.48 秒後に 210MPa で破断し、累積 AE エネルギの急増点が確認さ
R=0.50R=0.25れた。AE 発生挙動を見ると、試験初期から小振幅 AEが検出され、最終破断時に大振幅 AE が検出され AE 累積エネルギの急増が認められた。以上の結果から、急冷直後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生・蓄積し、それらの進展・合体で熱クラックが発生すると同時に不安定進展して破断に至ったことが図４推察される。

作成した試験片の外観

一方、熱応力比 R=0.25 のディスクオンロッド試験結行った。図５に、熱応力比 R=0.50 のディスクオンロッ果を図６に示す。この場合、R=0.50 の試験に比べて、ド試験結果を示す。図の左上に、破壊直前の試験片の温最大応力点の位置や熱応力の試験片中心部との際はや度分布および第１主応力分布、破断後試験片の写真を示や大きいが、熱応力比は目標の R=0.25 付近によく制御す。また、左下に試験片中心部および最大応力点の第１されている。また、試験片は、ロッド接触後 1.11 秒後主応力、応力比、累計 AE エネルギの時間に対する挙動に 260MPa で破断した。R=0.50 の場合と同様に、最終破をプロットした。第１主応力分布から分かるように最大断時に AE 累積エネルギの急増点が認められ、主き裂の応力点は試験片中心部とわずかに異なった。しかし、試形成後ただちに最終破断に至ったものと考えられる。

図５

ディスクオンロッド試験結果（R=0.50）

図６

ディスクオンロッド試験結果（R=0.25）

図５および図６の右側に有限要素解析から得られた

従前は、試験片とロッドの接触が不均一になり、試験破断時の第一主応力のベクトル図とき裂経路を重ねた片中心部から離れた位置で破断が生じていたが、本研究図を示す。図より、最大応力点で最大主応力に垂直な方

では試験片ホルダやロッドのアライメントの調整機構向に主き裂が形成されたことが理解される。破断後の試を付与できたため、再現性の高い試験が可能になった。

験片からき裂進展経路は破壊の起点から枝分かれして今後は、熱クラック発生に加え進展のクライテリオンをいることが確認された。これは、よく知られているよう検討し、同時に、種々の機械的応力のもとでの破壊過程に、高速き裂進展の影響によるものであり、高速き裂進の評価も進めることで、例えば高強度金型材料の新規設展によって発生した応力波とき裂先端での応力場の重計などによる熱クラック防止のための基礎的知見を明

畳で周方向応力がき裂面に対して斜めの対称的な位置らかにしていく所存である。

で最大となるためである。

謝以上のように、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。

辞本研究の遂行に対し、公益社団法人 天田財団から研究助成金によってご支援いただいたことを記し、心より謝意を表します。

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参考文献
1）S. Wakayama, S. Kobayashi and T. Wada, Journal ofAcoustic Emission, Vol.23, pp. 150-155 (2005)

熱クラック発生挙動の評価技術の開発を行った。著者ら

2) T. Sakai, S. Wakayama, G. Kametani, K.Yoshida and T.

が開発したディスクオンロッド試験を改良し、試験片とAkatsu, Bulletin of JSME Mechanical Engineering

ロッドの形状を円形から楕円形にし、それらの寸法を最適化することで、任意の熱応力比のもとでの熱クラック発生過程の評価が可能となった。

Journal, Vol. 1, No. 1, pp. 1-10 (2014)3) T. Akatsu, H. Takashima, Y. Shinoda, F. Wakai and S.
Wakayama, Int. J. Appl. Ceram. Technol., 1–9 (2016)