JP2014044221A - 腐食疲労損傷の評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 金型の内冷孔といった各種部材に発生する腐食疲労損傷を、試験片を用いて簡便に再現する腐食疲労損傷の評価方法を提供する。
【解決手段】 内部に形成した空間に腐食媒体を導入した試験片の相対する二つの表面に、繰り返し荷重を掛け、該荷重を掛けた後の試験片の内部空間の表面または断面を観察する腐食疲労損傷の評価方法である。
好ましくは、金型の材質からなる素材片に、該金型の内冷孔を模した空間を形成し、この空間に該金型の冷却媒体を模した腐食媒体を導入した試験片を準備して、この試験片の相対する二つの表面に、繰り返し荷重を掛け、該荷重を掛けた後の試験片の空間の表面または断面を観察する腐食疲労損傷の評価方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、腐食環境下で繰り返し荷重を受けて使用される部品について、それに発生する腐食疲労損傷を試験片を用いて簡便に再現して評価する方法に関するものである。そして、特に金型の内冷孔に発生する腐食疲労損傷を評価するのに、最適な該評価方法に関するものである。

従来、一般鋼材等を対象とする耐応力腐食割れ性の評価には、試験片を腐食槽に浸して一定の引張荷重を負荷し、その破断までの時間で該特性を比較評価する定荷重応力腐食割れ試験方法（非特許文献１）や、予亀裂を導入した試験片にボルトやくさびなどで亀裂面を開口させるような荷重（Ｗｅｄｇｅ Ｏｐｅｎｉｎｇ Ｌｏａｄｉｎｇ；ＷＯＬ）を負荷して、その亀裂の進展速度や亀裂が進展しなくなる応力拡大係数の下限値（下限界応力拡大係数）を求めて比較する応力腐食割れ標準試験法（非特許文献２）などが用いられていた。これらの試験方法は、主として海洋構造物やより耐食性を必要とする構造物などに利用される一般鋼材を対象としており、一定荷重状態での試験となっている。

一方、本発明の評価すべき損傷とは、腐食環境下で繰り返し荷重を受けて使用される部品等（以下、疲労部材とも記す）に発生する腐食疲労損傷を想定している。つまり、ダイカスト等の金型分野であれば、その内冷孔に発生する割れ（クラック）部分には、該部が工業用水などの冷却媒体に曝された状態で、金型を使用するサイクル毎に熱応力や型締め力、鋳造圧力などの応力が繰り返し作用して生じる損傷の形態、いわゆる腐食疲労の状況で生じる形態である。従って、本発明の評価する損傷形態が、繰り返し応力の大いに作用する「疲労」という点では、上記非特許文献の試験方法では正確な状態を再現できなかった。

そこで、金型の水冷孔部で発生する損傷を評価する手法としては、内冷孔に通水した試験片を外部から繰り返し加熱・冷却することで、使用中の金型の実状をより正確に再現するような試験方法が提案されている（特許文献１）。この手法は、熱応力を繰り返し発生させることにより、内冷孔に疲労を再現できるという点で優れたものである。

特開２００７−２９８４６７号公報

ＪＩＳハンドブック（鉄鋼Ｉ）「ステンレス鋼の応力腐食割れ試験方法（ＪＩＳ Ｇ０５７６）」、２００８年、ｐ．８８０〜８８２ 「応力腐食割れ標準試験法−日本学術振興会第１２９委員会基準−」、１９８５年７月２５日発行

特許文献１に開示される試験方法は、疲労部材に発生する疲労現象を再現できる点では有利である。しかし、腐食環境下に曝される部位（つまり、内冷孔）に対しては、該部位に発生させる応力は、その内冷孔表面と加熱表面間の温度分布による熱応力のみで担うため、発生させることのできる応力の範囲には限界がある。また、加熱・冷却のサイクルに時間を要するため、加速試験が困難である。つまり、金型の場合だと、その実際に使用されたときの内冷孔から割れが発生するサイクル数は１０の３乗回から１０の５乗回程度であるところ、特許文献１の手法では、この再現試験を短期間で実施できないという課題がある。

さらに、特許文献１の実施となると、それには上記の試験片以外に、試験片を設置する試験機にこそ特別な仕様のものを用意しなければならない。以上は、疲労をともなう耐応力腐食割れ性の迅速かつ簡便な評価を行う際の課題となり、該特性に斯かる部品の材質的問題を早期解決するにとっては、少なからず障害となる。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、発生させ得る応力の範囲（実際の使用条件の再現性）、試験時間および試験装置の問題を解決することで、実際の金型といった疲労部材に発生する腐食疲労損傷を試験片を用いて簡便に再現できる、腐食疲労損傷の評価方法を提供することである。

本発明者は、実際使用中の疲労部材に発生している繰り返し応力について鋭意検討したところ、それらの応力状況は、総合的には、試験片の表面に“機械的に”荷重を掛けることで再現できるという知見を得た。そして、この知見をもとに、さらなる検討を行ったことで、本発明に到達した。

すなわち本発明は、内部に形成した空間に腐食媒体を導入した試験片の相対する二つの表面に、繰り返し荷重を掛け、該荷重を掛けた後の試験片の内部空間の表面または断面を観察することを特徴とする腐食疲労損傷の評価方法である。

そして好ましくは、上記の方法を、金型分野における腐食疲労損傷の評価に適用したものである。すなわち、金型の材質からなる素材片に、該金型の内冷孔を模した空間を形成し、この空間に該金型の冷却媒体を模した腐食媒体を導入した試験片を準備して、この試験片の相対する二つの表面に、繰り返し荷重を掛け、該荷重を掛けた後の試験片の空間の表面または断面を観察することを特徴とする腐食疲労損傷の評価方法である。

本発明において、好ましくは、前記空間の表面または断面の観察は、亀裂の有無を確認するものである。また、好ましくは、前記繰り返し荷重を掛ける試験片の相対する二つの表面は、前記試験片の外表面であって、前記試験片の肉厚を介して前記内部空間に対向する外表面である。そして、このとき、前記空間が前記試験片の一端面から他端面に直線状に形成されたものであり、前記繰り返し荷重が、前記空間の伸びる方向に対し、直交する方向から掛けられることが、より好ましい。または、このとき、前記試験片の形状が直方体状であることが、より好ましい。

本発明によれば、腐食疲労損傷の評価試験にあたり、その試験片への発生応力範囲の広範化の達成、つまり実際の使用条件の再現性を向上することができる。また、試験時間の短縮および試験装置の制約も飛躍的に達成および解除することができる。よって、疲労部材、好ましくは金型の内冷孔に発生する腐食疲労損傷を、試験片を用いて簡便に再現するために欠くことのできない技術となる。

本発明に用いる試験片の一例を示す模式図である。 本発明に用いる試験方法の一例を示す模式図である。 試験片の空間表面に発生した応力腐食割れを示す拡大写真であって、本発明に斯かる観察の一例を説明するものである。 図３の応力腐食割れの破面を示す走査型電子顕微鏡写真であって、本発明に斯かる観察の一例を説明するものである。

上述したように、本発明の重要な特徴は、実際の疲労部材に発生する応力を、その試験片のレベルであっても表面に機械的に荷重を掛けることで再現できるところにある。そして、この荷重は、本発明にとっては“繰り返し荷重”でなくてはならないところ、これは任意の繰り返し荷重を負荷できる既存の試験機でも与えることが可能であるから、これによる評価方法の迅速、簡便化を達成したところにも特徴がある。以下、本発明の評価方法について、その構成要件毎に説明する。

（１）内部に形成した空間に腐食媒体を導入した試験片とする。
本発明に必要な腐食環境は、従来の「腐食雰囲気中に試験片を設置して形成する（つまり、試験片の表面側に腐食環境を形成する）」ものではなくて、「試験片中に形成した空間に腐食媒体を導入して形成する（つまり、試験片の内部に腐食環境を形成する）」ものである。よって、既存の簡便な疲労試験機を利用して、試験片の表面より繰り返し荷重を掛けることができる。

（２）試験片の表面に、繰り返し荷重を掛けるものとする。
本発明の場合、実際の疲労部材に対しては、それに熱応力が発生するような場合であっても、該応力は機械的な荷重を付加することで再現できるので、試験片には熱応力の導入は必ずしも必要としない。よって、疲労試験機には、熱応力を発生させるための加熱機構や、それに伴う冷却機構といった特別な設備も不要である。したがって、既存の疲労試験機を利用することで、発生させ得る応力の制御範囲を広範にし、繰り返し荷重のサイクルタイムも短縮できるので、迅速かつ簡便な評価が行える。

（３）上記の荷重を掛けた後の試験片の内部空間の表面または断面を観察する腐食疲労損傷の評価方法である。
本発明の腐食疲労損傷の評価とは、通常の評価項目に加えては、試験片における亀裂の有無や進展状況、破壊の有無、そのときの荷重の大きさや負荷回数を、腐食環境との対比によって行うこと等、応力腐食割れの評価に関するデータの１種以上の採取をいう。そして、その評価のためには、試験片の内部空間の表面または断面（例えば、亀裂発生面や破面も含む）の観察が必要である。もちろん、試験片の内部空間の表面および断面の両方を観察して評価することもできる。

そして、上記した本発明の評価方法は、それを金型の内冷孔に発生する腐食疲労損傷の評価に適応することで、大きな効果を発揮する。すなわち、金型の内冷孔に生じる腐食疲労損傷を試験片を用いて評価する方法であって、該金型の材質と、該金型の内部に形成される内冷孔と、この内冷孔に導入される冷却媒体および、使用中の該金型の内部に生じる繰り返し応力に対しては、下記の構成要件の通りである。

（４）金型の材質からなる素材片に、該金型の内冷孔を模した空間を形成し、この空間に該金型の冷却媒体を模した腐食媒体を導入した試験片を準備する。
つまり、内部に内冷孔を有した実際の金型を、その腐食環境とともに模した試験片を作成する工程である。よって、試験片の材質は、その実際の金型に倣っては、ＪＩＳに規定される各種工具鋼やその改良鋼に限らず、他の材質であっても当然に適用され得る。そして、腐食媒体についても、その実際の金型に使用される冷却媒体の様態に倣えばよく、試験条件に操作の必要性があれば、種類や濃度等の詳細を変更してもよい。そして、腐食媒体は、水蒸気やミスト、また気体など、液体に限られるものではない。

（５）この試験片の表面に、繰り返し荷重を掛け、該荷重を掛けた後の試験片の空間の表面または断面を観察する。
試験片の表面に荷重を掛ける本発明にとって、その荷重は、好ましくは使用中の金型の内部に生じる繰り返し応力に相当した荷重である。相当した荷重とは、その実際に使用中の金型の内部（つまり内冷孔を含む部位）に発生している応力が、それを模した試験片の空間にも発生し得る表面荷重をいう。そして、この表面荷重の設定値は、実際の金型内部に発生する応力値をそのままに再現できるものである以外には、加速試験等を行うための、操作値であっても勿論よい。

そして、金型を想定した場合であっても、本発明の評価方法は試験片に熱が発生しないようにもできる。この場合、試験片に導入する腐食媒体には、実際の金型では必要な“冷却作用そのもの”は要しない。よって、実際の金型、そして特許文献１の評価方法でも必要である冷却媒体（または腐食媒体）の循環を省略でき、腐食媒体を試験片内に封入することもできる。これは試験片および試験装置の構造をより簡便にし、したがって、既存の疲労試験機を利用することをも可能とする。

図１は、本発明の評価方法に供する試験片の一例を示す模式図である。これは、実際のダイカスト金型の内冷孔に発生し得る腐食疲労損傷を再現および評価するためのものである。試験片１は、素材片２の空間３の内部に下記の腐食媒体５を両端の密栓４で封止してなる。素材片２のサイズは外形１５ｍｍ角×６０ｍｍＬで、Ｌ方向に直径約１０ｍｍの貫通孔を１５ｍｍ角の中心に形成させたものである。また、素材片２の材質は、本実施例の想定する実際のダイカスト金型と同様に、ＳＫＤ６１を１０３０℃で焼入処理し、焼戻して４５ＨＲＣに調質したものである。素材片２の空間３は、実際のダイカスト金型の内冷孔に相当するものであり、冷却媒体を模した腐食媒体５として３．５％ＮａＣｌ水溶液を封入した。

そして、図２の模式図に従っては、図示しない油圧サーボ試験機を用いて、２Ｈｚのサイクルスピードで試験片１の相対する二つの表面に荷重を負荷した。その際、亀裂の発生の有無は、負荷試験の途中で定期的に試験片１を試験装置から外して、その空間３の表面をマイクロスコープで観察することで確認した。

図３は、空間３の表面に約８００ＭＰａの引張応力（最大主応力）が作用する負荷試験において、その約６万サイクル（総試験時間８時間程度）経過後の空間表面に発生した亀裂を、その表面より観察した拡大写真である。ここで、空間の表面に発生する応力は、コンピューターを利用した有限要素法での応力解析によって求めた。そして、この亀裂破面を割り出して観察した結果が、図４に示す走査型電子顕微鏡写真である。図４より、亀裂破面は腐食をともなった粒界破壊の形態を呈しており、これは実際の金型で発生する内冷孔割れ（応力腐食割れ）の破面と同じ疲労損傷形態であった。

本発明の評価方法は、上記の実施例に限定されるものではなく、試験片の材質や寸法を任意に変更することが可能であるし、腐食媒体も水道水、地下水、工業用水など任意に選ぶことができる。そして、この腐食媒体は、実施例のように封入することもできれば、図１の密栓４を所定のジョイント（接続子）に変更することで、そこに通水装置を接続すれば、常に流水させたり、断続的に流水・停止を繰り替えしたりしながら、冷却水としても循環させることができる。

また、試験片に発生した亀裂の評価は、その内部空間の表面または断面を目視や顕微鏡等によって観察し、亀裂の有無や大きさ等を測定することに加えては、超音波探傷、透過エックス線、磁気探傷等でも亀裂を検出することができ、これらの１手段以上を併用することもできる。そして、試験後には、発生した亀裂部位を破壊して、直接その大きさを測定することもできる。

１ 試験片
２ 素材片
３ 空間
４ 密栓
５ 腐食媒体

Claims (6)

1. 内部に形成した空間に腐食媒体を導入した試験片の相対する二つの表面に、繰り返し荷重を掛け、該荷重を掛けた後の試験片の内部空間の表面または断面を観察することを特徴とする腐食疲労損傷の評価方法。
2. 金型の材質からなる素材片に、該金型の内冷孔を模した空間を形成し、この空間に該金型の冷却媒体を模した腐食媒体を導入した試験片を準備して、この試験片の相対する二つの表面に、繰り返し荷重を掛け、該荷重を掛けた後の試験片の空間の表面または断面を観察することを特徴とする請求項１に記載の腐食疲労損傷の評価方法。
3. 前記空間の表面または断面の観察は、亀裂の有無を確認するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の腐食疲労損傷の評価方法。
4. 前記繰り返し荷重を掛ける試験片の相対する二つの表面は、前記試験片の外表面であって、前記試験片の肉厚を介して前記内部空間に対向する外表面であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の腐食疲労損傷の評価方法。
5. 前記空間が前記試験片の一端面から他端面に直線状に形成されたものであり、前記繰り返し荷重が、前記空間の伸びる方向に対し、直交する方向から掛けられることを特徴とする請求項４に記載の腐食疲労損傷の評価方法。
6. 前記試験片の形状が直方体状であることを特徴とする請求項４または５に記載の腐食疲労損傷の評価方法。