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

(4}

の よ うな材 料 定 数 と よ い比 例 関 係 に な る こ とが 多

4ハ　ロ

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41

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水道水中

h冨O.4mm

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ロ 　 　 む ヨ 　ロ ココ 　　

H82ノ(1-vρ)

図18焼 結 鉄 の壊 食 と硬 さ との 関係

s1

994 機 械 の 研 究 第50巻 第9号(1998)

250

Boa

言E150

蒔

翼10a咽

50

→ 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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0

0

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C

口

0

日

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.

r80

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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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

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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)

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＼1ノ

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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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28°

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PM法

oYf=0°IQ

Ovt=5%

・Uf=.f6°lo

HPI法

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OVt=22°la

◆uf.=32°lo

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2

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

ミ

OE

.樹亀鰹咽圃判噛

40

3D

zo

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o:PM法

く〉:HPI法

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、 ㌔ 、、㌦102030

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

84一

岡 田 ・服 部:キ ャ ビテ ー シ ョ ン壊 食(13) 997

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A=5Gμm

h=1mm

イオン交 換 水

25°C

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23456G° 。1234

時間,h時 間,h

(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

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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}

・(H.T}

A150μm

h=1mm

イオ ン交 換水

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

100

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NB

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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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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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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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一86一