JP2007139476A - 鍛造性試験方法及び試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】材料の機械的性質、及びその加工性を正確に把握し、各種の形状の鍛造製品を製造する際に割れを発生させないようにする鍛造性試験方法及びその際使用する試験型を実現する。
【解決手段】断面円形の縦空洞７と横空洞８が交叉して形成される十字型空洞９を備えた試験型１の縦空洞７内に円柱形の試験片１０を挿入し、縦空洞７の両端から試験片１０に圧力Ｐ１、Ｐ２を加えるとともに、横空洞８の両端から試験片１０に背圧を加え、また試験型１を加熱し、試験片１０の横空洞からの側方押し出しを発生させて、側方への押出しの部分１６の割れの発生状況を観察することにより割れ発生に及ぼす加工因子の影響を評価する。
【選択図】図４

Description

本発明は、材料の割れ発生に影響する延性等の鍛造性を評価する試験方法及び試験装置に関する。

例えば、ピストンシリンダー等のアルミニウム合金の鍛造製品では、材料の硬度を補うために珪素（Ｓｉ）を加えることが多い。しかし、珪素を加えると、素材の硬度は向上するが、脆性が高まり鍛造性が悪くなり、割れの原因となる。

そこで、このような材料を鍛造する際には、温度を上げて延性を高める、或いは鍛造圧（静水圧）を調整する等の加工条件を、材料の機械的性質に応じて適宜設定する必要がある。そのために、材料の機械的性質、及びその加工性を正確に把握する必要があり、そのための正確な試験方法、試験装置が望まれていた。

ところで、従来、行われていた材料の機械的性質を調べるための試験方法としては、次のような手段がある。
（１）引張試験をして、絞りを測定する。引張試験をしてひずみと割れとの相関を測定する。
（２）据込み試験をして表面割れと据込み率との相関を測定する（例．特許文献１参照）。
（３）自由押出しをして、割れが生じる断面減少率を測定する。
特開平９−２４８６４７号公報

割れの発生はひずみ、ひずみ速度、温度、静水圧などに影響される。割れの発生条件は、これらの値の組み合わせ状態において評価する必要がある。しかし、従来法には次のような欠点があり、延性を正しく評価しているとは言えない。
（１）引張試験では高い静水圧を与えられない。
（２）据込み試験ではひずみ分布が複雑でひずみ値が正確に把握できず、また、静水圧を変更できない。
（３）自由押出しでは、ひずみが小さく、また、高い静水圧を付与できない。

本発明は、上記従来の問題のない、材料の機械的性質、及びその加工性を正確に把握する試験方法及び試験装置を実現することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するために、断面円形の縦空洞と横空洞が交叉して形成される十字型空洞を備えた試験型の前記縦空洞内に円柱形の試験片を挿入し、縦空洞の両端から前記試験片に圧力を加え、前記試験片の横空洞からの側方押し出しを発生させて、該側方押し出しの部分の割れの発生状況を観察することにより割れ発生に及ぼす加工因子の影響を評価することを特徴とする鍛造性試験方法を提供する。

前記鍛造性試験方法では前記試験型を加熱するようにしてもよい。

前記鍛造性試験方法では、前記横空洞の両端から前記試験片に背圧を加えるようにしてもよい。

本発明は上記課題を解決するために、断面円形の縦空洞と横空洞が交叉して形成される十字型空洞を備えており、前記縦空洞内に円柱形の試験片が挿入され、縦空洞の両端から前記試験片に圧力を加えられることが可能な構成であって、前記圧力によって、前記試験片の横空洞からの側方押し出しを発生させて、該側方押し出しの部分の割れの発生状況を観察し割れ発生に及ぼす加工因子の影響を評価する鍛造性試験に使用されることを特徴とする鍛造性試験用試験型を提供する。

前記十字型空洞は、互いの当接面に十字型の断面半円形の溝が形成されている一対の上下の型が組み合わされて構成されていることが好ましい。

前記横空洞は、その両端から、前記試験片の側方押し出し部に対して背圧を与えることができる構成とすることが好ましい。

以上のような構成から成る本発明によれば、次のような効果が生じる。即ち、例えば、珪素の加えられたアルミニウム合金等のもろい材料を鍛造する際、昇温するか、静水圧を高めるか、どの程度高めれば延性が確保できるか、正確に判別可能となり、また、鍛造可能な材料を創製する場合の、材料特性の評価法として有効な鍛造性試験方法を提供することができる。

本発明に係る鍛造性試験方法及び試験型の実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して、以下に説明する。

図１は、本発明に係る鍛造性試験方法に使用する試験型１の斜視図である。この試験型１は、ＳＫＨ等の鋼材で形成された上下一対の半割型である上型２及び下型３から成る。上下の型２、３は、互いに組み合わされて当接する内面に縦溝４と横溝５から成る十字型の溝６が形成されている。

試験型１は、これらの上下の型２、３の溝６が合わさり（図２参照）、縦空洞７及び横空洞８（図３参照）から成る十字型の空洞９（図４参照）を形成するように構成されている。

本発明に係る鍛造性試験方法は次のとおりである。図２に示すように、下型３の縦溝４内に、試験片１０として円柱形素材を置き上型２を重ねて閉じる。そして、図３に示すように、試験型１の周面にヒータ１１を装着し、必要に応じてヒータ１１の温度を調整して加熱する。ヒータは矩形の環状加熱部１２及び固定端部１３を有し、固定端部１３は電源供給線（図示せず。）の接続用端子として機能する。

ヒータ１１は試験型１を加熱するものであるが、より均等に加熱するために、図３に示すように、試験型１の４つのコーナ部近くに挿入孔１４を形成し、筒状電熱ヒータ１５を挿入して装着する構成としてもよい。なお、試験型１を加熱するヒータは、試験型１を均等に加熱する構造であれば、試験型１内に埋め込んだ構造でもよい。或いは、ヒータとして、試験型１を装入可能な加温室としてもよい。

試験型１の縦空洞７の両端開口から一対の加圧用のパンチ（図示せず）を挿入する。この一対のパンチは、油圧等により試験片１０の両端から圧力を付与（加圧）できる構成となっている。図４は、試験型１内の試験片１０の状態を示すために、上型２をはずした状態を仮定した図である。

一対のパンチで、試験片１０を両側から縦方向に圧力Ｐ１、Ｐ２をかけると、図４（ａ）に示すように、中央部にはせん断すべりによる変形が生じ、横空洞８から左右側方への押出し部分１６が生じ、側方への押出し加工された状態となる。

図５は２つの剛体部分がそれぞれV1及びV2の速度で流入し、２つの剛体部分がV3及びV4の速度で流出すると仮定したときの、V1及びV2が等しい場合の、変形エネルギーが最少になる境界面を示し、速度場と呼ばれる。図５は、側方への押出し加工の速度の分布図であり、試験片１０を縦方向に加圧した際に生じる側方への押出し（「側方押出し」という。）の原因である試験片１０中央部の速度不連続面はX字型であることを示している。

図４及び図５に示すように、縦空洞７部及び横空洞８部の交叉する部分における試験片１０の中央部では、縦方向については中心に向かう力が加わり材料が流入し、流入した材料は中央部において向きを変えて横空洞に流出するしかなく、向きを変える部署においてせん断すべり変形が生じ、せん断すべり面は材料内部を貫通している。

このようなせん断すべり変形によって、横方向の空洞内への試験片１０の側方への押し出しが生じると、これに起因し、試験片１０に、後述する図６（ａ）に示すような割れ（クラック）が生じる場合がある。

本発明の試験方法では、上記一対のパンチにより付与する圧力Ｐ１、Ｐ２及びヒータ１１による加熱温度ｔを任意に設定し、せん断変形によって生じる試験片１０の割れを目視で観察し、上記設定した圧力、加熱温度等により、当該材料についての、この割れ発生に及ぼす加工因子の影響が評価できるとともに、試験片１０の材料特性（機械特性）を評価することができる。

また、本発明の試験方法では、側方押出しに対して、横空洞８の両端から別の一対のパンチ（図示せず）により試験片１０に圧力（この場合は「背圧」という。）を付与し、割れの発生状況を観察することで、上記同様の評価を行ってもよい。この場合は、縦空洞７を通して試験片１０に縦方向に加えられる静水圧Ｐ１、Ｐ２と、背圧Ｐ３、Ｐ４を適宜変えることにより、試験片に付与する全体的な加圧条件（静水圧）を変えることができる。

以上説明した本発明に係る鍛造性試験方法によれば、（変形が生じる部署の）ひずみは試験片１０の断面を貫通して一様であり、背圧の大きさを変えれば、全体の加圧条件（静水圧）を変更でき、試験型１の加熱温度を変えて温度の影響を考慮して加工できる特徴がある。

そして、割れ性の判別をする試験法として、割れ発生に影響するひずみ、ひずみ速度、温度、圧力（静水圧）を同時に、鍛造条件に近い値の状態を実現して試験することが、正確なデータを得ることになり、よって、本発明の試験方法は、鍛造性試験方法としてきわめて有効な方法である。

なお、ひずみ速度の割れに及ぼす影響は、縦空洞７に置かれた試験片１０の両端面の加圧速度を変えて、ひずみ速度を制御して試験して実施できる。

（試験例）
本発明者らは、試験型１を設計製作し、低炭素鋼（S10C）、アルミニウム合金（A6061、A390）の試験片１０を用いた側方押出し試験をして、割れに及ぼす加工条件の影響を測定した。側方押出加工はせん断変形が生じることを、上界法に用いた速度場（図５）、試験片１０の格子線変形模様（図８）、マクロ組織図（図示せず）、硬さ分布（図９）により確認した。

図６は、試験片１０としてアルミニウム合金A390を用いて、本発明の試験方法で試験を行った試験片の状態を示す写真である。図６（ａ）は、常温下で試験した際に生じる割れを示している。図６（ｂ）は、背圧は付与せず、同じ試験片を３００℃で加熱して試験した場合の試験片を示しているが、この例では、試験片を加熱することで延性が高まり、割れが生じない健全な加工が行われることが分かる。図６（ｃ）は背圧を１５０ＭＰａ付与し常温下で行ったものであり、この場合も割れが生じない健全な加工が行われることが分かる。

図７は、試験片としてアルミニウム合金A6061、A390の２種類の試験片を用いて本発明の試験方法で試験を行ったもので、割れに及ぼす加工因子（圧力と温度）の影響を示すグラフである。

このグラフの示す試験片１０の変形に対する加工因子の影響から見ると、２種類の試験片ともに、健全（Sound）な結果は、温度が高いか高い圧力において得られている。よって、割れを防止する加工条件として、試験片の温度を上げるか、圧力を高めるという加工条件を選択すればよいことが分かる。

図８は、アルミニウム試験片の表面に罫書き線を付しておき、この試験片を本発明の試験型１を利用して試験を実施した結果得られた格子線変形模様を示す写真である。この試験片の表面に付された罫書き線（格子線）は、中央部で、ほぼ４５°の傾斜面で方向を変えており、せん断すべりによる変形が生じていることが推定できる。

図９は、炭素鋼の試験片の硬さ分布の一例を示す図である。これらの図から明らかなとおり、試験片の中央部では、硬さ１８０〜２０９ＨＶは、ほぼ直線上にあり、せん断変形が図５に示す速度場に沿って生じることが確認できる。

以上の試験例の結果からも明らかなとおり、本発明は、背圧条件、温度条件を適宜設定し、試験片を側方に押出し加工をして、試験片に生じる割れを観察すれば、割れ発生に及ぼす加工因子の影響を評価できる。

但し、試験片の側方押出しの「ひずみは１」で、他のひずみにおける影響を測定するためには、他の型を用意する必要がある。しかし、「ひずみ１」は実際の鍛造のひずみに比較的近く、「ひずみ１」の条件を採用しても十分実用的な加工条件が得られると考えられる。

以上、本発明に係る鍛造性試験方法の最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内で、いろいろな実施例があることは言うまでもない。

本発明に係る鍛造性試験方法及び試験型によれば、材料の機械的性質、及びその加工性を正確に把握することができるから、各種の形状の鍛造製品を製造する際に割れを発生させないために、その材料の加工性を簡単に把握する試験法として適している。

本発明の試験型を説明する図である。 本発明の試験方法を説明する図である。 本発明の試験型にヒータを装着した状態を示す図である。 本発明の試験方法を説明する図である。 本発明の試験片の速度場を説明する図である。 本発明の試験例を示す写真である。 本発明の試験例の結果を示すグラフである。 本発明の試験例の格子線変形模様を示す図である。 本発明の試験例の硬度試験の結果を示す図である。

符号の説明

１ 試験型

２ 上型

３ 下型

４ 縦溝

５ 横溝

６ 十字型の溝

７ 縦空洞

８ 横空洞

９ 十字型の空洞

１０ 円柱形の試験片

１１ ヒータ

１２ 環状加熱部

１３ ヒータの固定端部

１４ 試験型のヒータ用挿入孔

１５ 円筒状ヒータ

１６ 側方への押出し部分

Claims (6)

1. 断面円形の縦空洞と横空洞が交叉して形成される十字型空洞を備えた試験型の前記縦空洞内に円柱形の試験片を挿入し、縦空洞の両端から前記試験片に圧力を加え、前記試験片の横空洞からの側方押し出しを発生させて、該側方押し出しの部分の割れの発生状況を観察することにより割れ発生に及ぼす加工因子の影響を評価することを特徴とする鍛造性試験方法。
2. 前記試験型を加熱することを特徴とする請求項１記載の鍛造性試験方法。
3. 前記横空洞の両端から前記試験片に背圧を加えることを特徴とする請求項１又は２記載の鍛造性試験方法。
4. 断面円形の縦空洞と横空洞が交叉して形成される十字型空洞を備えており、前記縦空洞内に円柱形の試験片が挿入され、縦空洞の両端から前記試験片に圧力を加えられることが可能な構成であって、前記圧力によって、前記試験片の横空洞からの側方押し出しを発生させて、該側方押し出しの部分の割れの発生状況を観察し割れ発生に及ぼす加工因子の影響を評価する鍛造性試験に使用されることを特徴とする鍛造性試験用試験型。
5. 前記十字型空洞は、互いの当接面に十字型の断面半円形の溝が形成されている一対の上下の型が組み合わされて構成されていることを特徴とする鍛造性試験用試験型。
6. 前記横空洞は、その両端から、前記試験片の側方押し出し部に対して背圧を与えられる構成であることを特徴とする請求項４記載の鍛造性試験用試験型。