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碧威-火山-a5dm

 類鑽碳膜具有高硬度及非常低的摩擦係數,耐酸鹼性及化學鈍性等,由於這些優越特性的組合,使得類鑽碳膜處理的應用相當廣泛。本文主要說明如何以非平衡磁控濺射法成長類鑽碳膜,並且探討製程參數與類鑽碳膜性質的關係,以及類鑽碳膜在工模具之應用例。
    一、前言
   所謂的碳膜即以碳為原料,利用物理或化學的方法沈積於基材表面所形成之薄膜材料。由於碳原子能以,及等三種混成軌道存在。隨著此三種混成軌道比例之不 同,碳膜能表現出各種不同的物理及機械性質。依C-C鍵結比例之不同,碳膜共可區分為(1)鑽石膜(diamond films)─C-C形成100%鍵結,(2)類鑽石膜(diamond like)─C-C形成混合鍵結,(3)石墨(Graphite)─C-C形成100%鍵結及,(4)類高分子薄膜(Polymer-like film)─C-C以混合鍵結,屬於非晶質膜。若依碳膜之機械性質區分,則分為“硬質碳膜”及“軟質碳膜”,其中鑽石薄膜及類鑽石薄膜因硬度較高屬於硬質 碳膜,而石墨及類高分子膜因硬度低是屬於“軟質碳膜”。硬質碳膜除了硬度非常高之外,尚具有非常低的摩擦係數及優越的電絕緣性,超高熱傳導性,耐酸鹼性, 化學鈍性,光穿透性,生物相容性,光滑及耐磨耗特性等,由於這些優越特性的組合,使得硬質碳膜在機械,電子、半導體等工業之應用日益廣泛。雖然硬質碳膜具 有相當優越的機械性質及物理性質之組合,但如何將之有效的應用至工業上是許多研究者努力的方向。要使硬質碳膜能應用於工具上,必需要能夠滿足下列幾個條 件:(1)高成長速率,(2)能蒸鍍於複雜的幾何形狀上,(3)與底材具有高附著性,(4)能在低溫下(<500℃)成長鍍膜,(5)高均勻性,(6)能 大面積蒸鍍。如比較硬質碳膜中之鑽石膜及類鑽石碳膜的成長方法,則以類鑽石碳膜最能符合上述條件。因此,在工,模具之應用方面以類鑽碳膜最富發展潛力。本 研究範圍以最能符合工業應用之類鑽石碳膜為主,說明如何以封閉式非平衡磁控濺射法成長類鑽石碳膜,並且探討非平衡磁控濺射法之製程參數與類鑽碳膜之附著性 的關係,以及類鑽石碳膜在工業上之應用例。
    二、類鑽碳膜之蒸鍍法
  鑽石為高溫高壓穩定相,若要在較低的溫度及壓力下合成鑽石薄 膜則需有氫原子的存在,一九七五年後各國使用化學氣相沈積法成長鑽石薄膜者,大都選加上大量的原料。傳統CVD製程有熱裂解法及熱燈絲裂解法,由於CVD 化學反應皆在平衡狀態下進行,故其所生成之薄膜的品質及特性必受到熱力學及反應動力學限制,反應溫度仍然相當高,對一般工業上常使用的高速鋼,工具鋼等基 材均無法應用,因此其應用受相當大的限制。為了突破CVD的困難,電漿輔助化學氣相沈積法(Plasma-enhanced CVD, PECVD or Plasma assisted CVD, PACV)因應而生,PECVD的化學反應是藉電場或磁場將反應物活化或離子化,因此反應不受熱力學平衡的限制,可在較低溫下成長硬質碳膜。一九七八年 Holland及Ojha即以丁烷為原料,用rf-PECVD系統成功地合成類鑽薄膜。從此PECVD便廣受各國研究人員所採用[1],原料多採用含碳之 有機氣體如等,壓力則多在20-300 torr範圍內,基板溫度仍高達600-1000℃。近年來更多的研究[2-4]發現在更低的壓力( torr)之下,利用DC或rf-PECVD成功地在更低的基板溫度(25-300℃)上成長類鑽碳膜,使得類鑽碳膜可以成長在大多數工業應用的基材上, 解決了低溫蒸鍍的問題之後,如何進一步降低鍍膜的內應力,使鍍膜與基材間的附著力能再提昇而應用於工業用途上成為研究者的目標,有些以介在層的方式改善其 附著性。一九八五年Dimigen及Hubsch發表專利[5],在類鑽碳膜中添加少量金屬元素降低鍍膜的內應力增加附著性,使得類鑽碳膜應用於耐磨耗用 途上更為可能,到了一九九三年Teer等人利用非平衡磁控濺射的方法成功的結合多層蒸鍍(介在層)及在類鑽碳膜中加入少量金屬元素的概念,使得類鑽碳膜與 基材間的結合力更進一步的提升。至此,類鑽碳膜在工業上的應用開始大步邁開,其用途也不斷的擴增當中,潛力無限。在英國預估至二○○五年時,類鑽碳膜的市 場將擴增至英磅5269 £M[6]。
    三、以非平衡磁控濺射法(CFUBMS)蒸鍍類鑽石碳膜
  使用CFUBMS系統,DLC的製程如下所示[7]。
    抽真空至mbar
    濺射清潔工件表面
    導入氬氣mbar
    設定偏壓值1000 V
    靶材1:使用Ti靶
    靶材2:使用Ti靶
    設定磁場電流
    穩定保持5 min
    導入氣
    設定基板偏壓值
    設定Optical Emmision M icroscope (OEM)值到55%
    維持一段時間(20-30 min)
    設定OEM值(5%,10%,or 15%)
    維持一段時間(30 min)
   CFUBMS DLC的蒸鍍製程基本上是一種多層蒸鍍,以TiN/TiCN/TiC為介在層最後再成長DLC鍍膜。在成長TiN/TiCN/TiC時與一般非平衡磁控濺 射法相同,在成長DLC過程中逐漸增加的壓力,使得毒化靶材,靶材表面生成TiC,隨著靶材被毒化的程度愈高,鈦的濺射量愈含碳氫相當高的成分。再藉輝光 中Ar離子的作用將碳原子由靶材表面濺射出來至輝光中,碳原子在輝光中受電子的撞擊作用而離子化,最後受基板偏壓的作用而達基材生成類鑽石碳膜。
    四、蒸鍍條件對鍍膜性質的影響
  表1表示在各種不同蒸鍍條件下,製程因素對鍍膜性質的影響。製程因素包括靶材電流、基材偏壓、鈦含量及氮含量,鍍膜的性質則測量鍍膜的沈積速率、硬度、磨擦係數、附著性等。
    五、蒸鍍類鑽碳膜之應用例
   在國外目前類鑽石碳膜被覆技術之應用已趨成熟,應用範圍愈來拗廣泛[6],其應用之例子如:(1)應用於紡織業之纖維裁剪刀,在蒸鍍前每五秒需要再研磨 一次,蒸鍍類鑽碳膜後可使用至一個小時以上不需研磨[8]。(2)直徑300 mm齒輪被覆DLC後使用壽命增加30%[9],其他如成形工具,鋁擠製模,活塞,鋁合金裁切刀具等均有成功的應用[10-11]。
  本中心所開發之類鑽碳膜被覆技術在工、模具上也有不少成功的應用例子,分述如下:
    壓鑄鋁合金製品之裁邊刀具經類鑽碳膜被覆後,使用次數由10000次提升至50000次。
切削不鏽鋼鑽頭經類鑽碳膜被覆後,鑽孔次數由三十二孔增加至九十四孔,使用壽命提升約三倍。
    IC成形模具經類鑽碳膜被覆後,由成形十批次研磨一次增加至五十一批次研磨一次。
    六、結論
  本研究主要探討以非平衡磁控濺鍍法蒸鍍類鑽碳膜及類鑽碳膜在工、模具之應用,獲得以下結論:
    基板偏壓愈高,鍍膜成長速率與摩擦係數愈低。無氮氣時,鍍膜附著力變差。鍍膜中鈦含量增加時,附著力增加,但成長速率下降。
    鍍膜的應用在需求低摩擦及低黏著磨耗的使用場合如鋁合金及銅合金及封裝模具的使用場合可發揮極大的效果。

 

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刀具撞星球合併

 

1.はじめに
 食品工場で酸性食品が通るGFRP複合材料のパイプやタンクの破損事故が報告されて、酸環境での複合材料の挙動が問題になっている。
 ここでは、酸環境中で一定負荷を受けるガラス繊維の腐食の様相をSEM観察した。

2.実験方法
  ガラス繊維は直径13μmのEガラスで図に示す腐食槽を用い、3.5%HCl水溶液中での腐食試験を行った。ガラス繊維に40MPaの負荷を与えたものと 無負荷の場合について行った。腐食時間は、24、48、72,96時間である。腐食実験後、ガラス繊維の腐食の様相をSEM観察した。


 図1 実験装置

3.実験結果

 無負荷の状態の腐食状態のSEM写真を図2に示す。腐食の様相は前報の結果と 同様である。ノズルから出たガラス繊維、フィラメント(3~24μm)は、図3のように収束器をを通して、用途に応じて40~4000本のフィラメントを まとめてストランドにし、これを束ねてケーキにし、製品となる。この紡糸過程でガラス繊維にはねじりが作用し、これが残留応力となり、螺旋状のき裂が生ず ると推定している。


(a) 24時間後
(b) 48時間後


(c) 72時間後
(d) 96時間後

図2 無負荷の場合


図3 ガラス繊維の紡糸機構

  40MPa負荷の場合の腐食の様相は様々であった。無負荷の場合に観察された螺旋状のき裂は観察されなかった。図4は40MPa負荷の場合で、24時間 後、軸方向に縦割れの表面き裂が観察され、48,72時間後更にガラス繊維の腐食はすすみ細くなった。96時間後、繊維の一部が欠落した。データが少ない ため、腐食の様相をまとめることができなかった。無負荷の時生じた螺旋状のき裂は繊維表面に生じなかったのは確かである。


(a) 24時間後
(b) 48時間後


(c) 72時間後
(d) 96時間後

図4 40MPa負荷の場合

*この実験は、八戸工業大学エネルギー工学科、鈴木隆幸、千田美樹、菅野一洋君の平成12年度卒業論文の一部です。

トップページ > 材料の強度と破壊>Eガラス繊維の酸環境下における腐食特性

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TaiwanTrade2

引張変形に及ぼす温度の影響

一般の材料と同様、室温ではぜい性的性質を示すAS,PMMA材は60℃では、延性的になり、室温では延性的な性質を示すPC材は、低温ではぜい性的性質を示す。
  AS材の異なる温度における応力-ひずみ曲線を比較すると,曲線の形がかなり変化し,特に,60℃ではPC材と同様な形状であり,延性的に変化してしてい る.この傾向は,0.1%,0.01%の場合も同様である.高温(60℃)おいては,AS材は降伏ピークを示し,破断伸びがかなり大きく,ネッキングを生 じ,延性的な性質に変化する.破断までのガラス短繊維近傍の変形は延性的なPC材と同様な様相を示す.

AS材の温度依存性


Fig.1 60℃におけるAS材の応力-ひずみ曲線

Fig.2 試験温度-76℃におけるAS材の応力-ひずみ曲線


Fig.3 試験温度-192℃におけるAS材の応力-ひずみ曲線

Fig.4 60℃におけるAS材の変形の様相
繊維の破断とダイヤモンドき裂が生ずる。


Fig.5 60℃におけるAS材の引張破面,Wf=1%
ガラス短繊維の引き抜け、剥離が観察される。

Fig.6 試験温度-76℃におけるAS材の引張破面,Wf=1%


Fig.7 試験温度-192℃におけるAS材の引張破面,Wf=1%

(a). 60℃の破壊の様相


(b). -76℃の破壊の様相

(c). -192℃の破壊の様相

低温(-192℃)においては,PC材は降伏ピークを示さなくなり,破断伸びも極端に小さくなり,ぜい性的な性質に変化する.室温で観察されたガラス短繊維の剥離はわずかなものとなり,AS材で観察されたクレイズが,わずかなガラス短繊維数ではあるが,観察された.
 PC材の引張の場合の破壊の様相を図式的にまとめると,(a),(b),(c)のようになる.室温,高温,-76℃ の場合,内部のガラス短繊維に発生したダイヤモンドき裂,剥離箇所が破壊の起点である.-192℃では,表面クレイズが破壊の起点となる.

PC材の温度依存性


Fig.8 試験温度50℃におけるPC材の応力-ひずみ曲線

Fig.9 試験温度-76℃におけるPC材の応力-ひずみ曲線


Fig.10 試験温度-192℃におけるPC材の応力-ひずみ曲線

Fig.11 試験温度50℃における引張破面
試験片角部のガラス短繊維剥離箇所が破壊起点である場合


Fig.12 試験温度-76℃の引張破面写真
破壊起点が試験片側面表面近くのダイヤモンドき裂である場合

Fig.13 試験温度-192℃の引張破面写真,PC材,Wf=1%
表面クレイズから破壊が開始した場合


Fig.14 試験温度-192℃の引張破面写真,PC材,Wf=1%

(a)50℃


(b)-76℃

(c) -192℃

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弊社は各領域に供給できる内容は:

(1)精密HSSエンドミルのR&D

(2)Carbide Cutting tools設計

(3)鎢鋼エンドミル設計

(4)航空エンドミル設計

(5)超高硬度エンドミル

(6)ダイヤモンドエンドミル

(7)医療用品エンドミル設計

(8)自動車部品&材料加工向けエンドミル設計

弊社の製品の供給調達機能は:

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(2)ミクロエンドミル~大型エンドミル供給

(3)小Lot生産~大量発注対応供給

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弊社の全般供給体制及び技術自慢の総合専門製造メーカーに貴方のご体験を御待ちしております。

Bewise Inc. talaşlı imalat sanayinde en fazla kullanılan ve üç eksende (x,y,z) talaş kaldırabilen freze takımlarından olan Parmak Freze imalatçısıdır. Çok geniş ürün yelpazesine sahip olan firmanın başlıca ürünlerini Karbür Parmak Frezeler, Kalıpçı Frezeleri, Kaba Talaş Frezeleri, Konik Alın Frezeler, Köşe Radyüs Frezeler, İki Ağızlı Kısa ve Uzun Küresel Frezeler, İç Bükey Frezeler vb. şeklinde sıralayabiliriz.

BW специализируется в научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих / фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид / быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы, фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано инструменты. Пожалуйста, посетите сайт  www.tool-tool.com  для получения большей информации.

BW is specialized in R&D and sourcing the most advanced carbide material with high-tech coating to supply cutting / milling tool for mould & die, aero space and electronic industry. Our main products include solid carbide / HSS end mills, micro electronic drill, IC card cutter, engraving cutter, shell end mills, cutting saw, reamer, thread reamer, leading drill, involute gear cutter for spur wheel, rack and worm milling cutter, thread milling cutter, form cutters for spline shaft/roller chain sprocket, and special tool, with nano grade. Please visit our web  www.tool-tool.com  for more info.

 

 

 

 

 

 

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poster

 

  AS材,60℃の場合のS-N曲線をFig.1に示す.室温の場合と比較するとかなり寿命は減少している.含有率の影響はほとんど認められない.60℃の 場合,ごく僅かな数のSGFに,60℃,引張の場合に発生したクレイズと同形態のクレイズが発生する(Fig.2).クレイズの長さを引張の場合と比較す ると小さい.発生箇所には60℃,引張の場合ほど長い空隙部は生じない.室温では観察されなかったPC材室温の場合と同様なSGFの剥離が負荷方向と平 行,垂直,傾いたSGFに繰り返しとともに成長するのが観察されるが(Fig.2),剥離長さは非常に小さく,疲労き裂には成長しない.また,AS材の室 温で見られたSGF端部近傍でのクレイズは発生しない.クレイズの発生は試験片両側の縁に沿う一定幅の狭い領域内に存在するSGFに観察され,低応力振幅 ほど領域の幅は小さくなる.すべての応力振幅において,この領域には,負荷方向と垂直な線状の表面クレイズが生ずる.高応力振幅ほどこのクレイズの数は多 い.SGFから成長する2次的な疲労き裂は破面には観察されなかった.


Fig.1 AS材の60℃の場合のS-N曲線
Fig.2 SGFに発生したクレイズ,AS材,60℃,Wf=1%


Fig.3 AS材60℃の場合の疲労破面写真, 
Wf =0.01%,σa=15MPa
Fig.4 破壊起点近傍の拡大写真

PC材の場合

PC 材,室温,50℃,-76℃のS-N曲線をFig.5に示す.PC材室温のS-N曲線は,高応力振幅においてはせん断き裂支配型,低応力振幅においては, 表面クレイズ支配型になる変形機構の相違から,逆S字形を示し,寿命の逆転現象が生ずるが,50℃のS-N曲線は,逆S字形にはならず,ほぼ一本の曲線と なる.室温と比較すると大幅な疲労寿命低下を示している.なお,σa=30MPaにおいては,数回の繰り返しでネッキングが生じ大変形を示し,疲労試験は 続行不可能であった.


Fig.5 PC材,50℃のSーN曲線
Fig.6 負荷方向と垂直な表面クレイズ,PC材,50℃,
σa =15MPa,Wf=0.1%


Fig.7 PC材の疲労破面,PC材,50℃, σa =25MPa,Wf=1%
Fig.8 PC材の疲労破面, 50℃,σa=10MPa,Wf=0.1%


Fig.9 PC材,-76℃の破面写真,σa=30MPa,Wf=0.1%
Fig.10 温度50℃の場合における破壊起点の模式図

PC 材,50℃においては,低応力振幅の場合,表面クレイズから疲労き裂が成長し最終破断に至る様相を示す.高応力振幅の場合は,表面クレイズの発生,クレイ ズ端からのせん断帯の発生,せん断帯のき裂化,モードⅠ型き裂の成長となる疲労破壊過程をとる.-76℃の場合は,表面クレイズから疲労き裂が成長し最終 破断に至る疲労破壊過程をとる.室温低応力振幅,その他の温度の場合はいずれも表面クレイズから疲労き裂が成長し最終破断に至る様相を示し,このこと は,S-N曲線においても同一の曲線にのる傾向を示す要因になっている.

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歡迎來到Bewise Inc.的世界,首先恭喜您來到這接受新的資訊讓產業更有競爭力,我們是提供專業刀具製造商,應對客戶高品質的刀具需求,我們可以協助客戶滿足您對產業的不同要求,我們有能力達到非常卓越的客戶需求品質,這是現有相關技術無法比擬的,我們成功的滿足了各行各業的要求,包括:精密HSS DIN切削刀具協助客戶設計刀具流程DIN or JIS 鎢鋼切削刀具設計NAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 航太切削刀具,NAS航太刀具設計超高硬度的切削刀具醫療配件刀具設計複合式再研磨機PCD地板專用企口鑽石組合刀具粉末造粒成型機主機版專用頂級電桿PCD V-Cut捨棄式圓鋸片組粉末成型機主機版專用頂級電汽車業刀具設計電子產業鑽石刀具木工產業鑽石刀具銑刀與切斷複合再研磨機銑刀與鑽頭複合再研磨機銑刀與螺絲攻複合再研磨機等等。我們的產品涵蓋了從民生刀具到工業級的刀具設計;從微細刀具到大型刀具;從小型生產到大型量產;全自動整合;我們的技術可提供您連續生產的效能,我們整體的服務及卓越的技術,恭迎您親自體驗!!

BW Bewise Inc. Willy Chen willy@tool-tool.com bw@tool-tool.com www.tool-tool.com skype:willy_chen_bw mobile:0937-618-190 Head &Administration Office No.13,Shiang Shang 2nd St., West Chiu Taichung,Taiwan 40356 http://www.tool-tool.com / FAX:+886 4 2471 4839 N.Branch 5F,No.460,Fu Shin North Rd.,Taipei,Taiwan S.Branch No.24,Sec.1,Chia Pu East Rd.,Taipao City,Chiayi Hsien,Taiwan

Welcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, its our pleasure to serve for you. BW product including: cutting toolaerospace tool .HSS  DIN Cutting toolCarbide end millsCarbide cutting toolNAS Cutting toolNAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 Cutting Tools,Carbide end milldisc milling cutter,Aerospace cutting toolhss drillФрезерыCarbide drillHigh speed steelCompound SharpenerMilling cutterINDUCTORS FOR PCDCVDD(Chemical Vapor Deposition Diamond )’PCBN (Polycrystalline Cubic Boron Nitride) Core drillTapered end millsCVD Diamond Tools Inserts’PCD Edge-Beveling Cutter(Golden FingerPCD V-CutterPCD Wood toolsPCD Cutting toolsPCD Circular Saw BladePVDD End Millsdiamond tool. INDUCTORS FOR PCD . POWDER FORMING MACHINE Single Crystal Diamond Metric end millsMiniature end millsСпециальные режущие инструменты Пустотелое сверло Pilot reamerFraisesFresas con mango PCD (Polycrystalline diamond) ‘FresePOWDER FORMING MACHINEElectronics cutterStep drillMetal cutting sawDouble margin drillGun barrelAngle milling cutterCarbide burrsCarbide tipped cutterChamfering toolIC card engraving cutterSide cutterStaple CutterPCD diamond cutter specialized in grooving floorsV-Cut PCD Circular Diamond Tipped Saw Blade with Indexable Insert PCD Diamond Tool Saw Blade with Indexable InsertNAS toolDIN or JIS toolSpecial toolMetal slitting sawsShell end millsSide and face milling cuttersSide chip clearance sawsLong end millsend mill grinderdrill grindersharpenerStub roughing end millsDovetail milling cuttersCarbide slot drillsCarbide torus cuttersAngel carbide end millsCarbide torus cuttersCarbide ball-nosed slot drillsMould cutterTool manufacturer.

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dm02

微少量のガラス短繊維を含む 非結晶性高分子材料の変形と破壊


はじめに

  短繊維強化プラスチックは,高い生産性と経済性に加え,軽量かつ高強度という特性を有することから,自動車,住宅機器,船艇などの工業材料として多量に使 用されている.また,その優れた電気絶縁性,電波透過性,耐食性が注目され,近年,核融合炉,リニアモーター車輌などの超伝導マグネットの電気絶縁材料や 支持材料,航空機,宇宙機器の一次構造材料及び低温圧力容器などへの使用が試みられている.しかしながら,き裂伝播速度に対する抵抗が小さく,強度の点で 信頼性に欠ける欠点を有している.また,衝撃荷重を受けた場合に,母材と強化繊維の剥離による内部損傷を生ずる場合が多い.本研究では、母材と強化繊維の 剥離による内部損傷に着目し、引張り変形、疲労変形過程における変形の様相を詳細に観察し機構を明らかにする。また、温度や酸環境下における変形過程の様 相も明らかにする。


研究目的

 従来の研究の多くが,ガラス短繊維(SGF;short glass fiber)含有率と機械的性質,疲労強度,き裂伝播挙動との関係に力点をおいている.この場合,多量の短繊維を含有した実用材料を用いているので,含ま れる繊維が障害となって材料は不透明となり,試験片内部で起こっている事象を連続的に把握できないのが普通である.したがって,この場合,表面観察や,破 壊後に得られる破面のSEM観察などを基に破壊機構を推定することになる.しかし,表面で起こっている現象は,応力状態の違いなどによって内部の現象とは 異なるものと思われるので,表面観察だけでは,変形機構の理解には不十分と考えられる.
 そこで,試験片表面近傍ばかりでなく,内部にあるSGF を観察可能である透明な熱可塑性高分子,アクリロニトリルスチレン(AS),アクリル(PMMA),ポリカーボネイト材(PC)に極微少量のSGFを含ん だ試験片を作成した.含有率が少ない複合材料では,複合則から予想されるように,複合化の効果は少なく,実用的ではない.しかし,透明であるため,試験片 内部にあるSGFおよびその近傍の変形と破壊を連続的に観察できるという利点がある.


実験方法


実験材料

 三種類の熱可塑性非結晶性ガラス状高分子材料であり,ぜい性的性質を示す材料のアセチルニトリルスチレン(AS),ポリメチルメタクリレイト(PMMA,アクリル)および延性的性質を示す材料のポリカーボネイト(PC)にSGFを僅か混ぜたものである.

試験材料と機械的性質

材 料
引張強さ(MPa)
破断ひずみ(%)
弾性率(GPa)

アセチルニトリルスチレン(AS)
70~82
3.5
3

アクリル(PMMA)
70
5
3.3

ポリカーボネイト(PC)
63~80
110~140
2.15~2.40

Eガラス繊維
3400
4.8
76

* 1 kgf/mm2= 9.8 MPa  Eガラス繊維は1mm2当たり、約350kgfの重量に耐える強さがある。


(a). Wf=0.01%
(b). Wf=0.1%


(c). Wf=1%
(d). Wf=2%

Fig.1 PC材の光学顕微鏡写真 偏光フィルター、透過光

Fig.2 GF長さの度数分布

 SGFはAS材,PC材については直径11μm,PMMA材については10μmのEガラス*で,カップリング剤としてアミノシランが表面塗布されている.
  射出成形した試験片に含まれる繊維長さを調べるために,供試材を電気炉に入れ,500℃にて3時間燃焼させ,残ったSGFを光学顕微鏡に取り付けたビデオ カメラで撮影し,モニター上でGFの長さを測定し長さの度数分布を求めた.これをFig.2に示す.材料によって幾分相違するが,20~900μmの範囲 にあり,平均は,ほぼ200μm,平均アスペクト比(GF長さ/GF直径)は約18である.


試験片の形状と寸法
 単調引張試験,引張疲労試験,酸環境の影響の試験に用いた試験片はいずれも板厚3mmのダンベル型の試験片で,形状と寸法をFig.3に示す.


Fig.3


単調引張試験
  引張試験は,容量98kNのネジ式引張試験機(オリエンテック製:UCT-10)を用い,すべて伸び制御のもとで行った.引張り速度は,比較的,破断まで の伸びが小さいAS,PMMA材については,0.5mm/min(ひずみ速度は,約0.00781/min), 伸びが大きいPC材については,2mm/min(ひずみ速度は,約0.0313/min)にて行った.


疲労試験

  引張疲労試験は,容量±49kNの電気油圧サーボ式疲労試験機(島津製作所社製,サーボパルサーEHF-5)を使用し,片振りの荷重制御のもとで行なっ た.なお,応力比R(=最小応力/最大応力)はおよそ0.1である.応力振幅σaは,AS材,PMMA材の場合は,σa=15,20,25,30MPaで あり,PC材の場合は,σa=10,15,20,25,30 MPaである.繰り返し速度は,1~2Hzで,荷重波形は正弦波である.

[解 説] 高分子材料は金属と違い粘弾性的性質を有し、つまり、金属の場合は、荷重を与えたとき、フックの法則に従い瞬間的に伸びが生ずるが、高分子材料は、 変形を与えたとき伸びが飽和するまで時間遅がかかる。そのため、上記の試験片では、繰り返し速度は,1~2Hzが適切で、これ以上の大きな繰り返し速度 (例えば10Hz)では、変形が試験片の中央まで伝わらず、ほとんどの場合、試験片固定部やR部から破断する。高分子材料の疲労試験の場合は、固定方法な ど注意が必要。


変形の様相の観察
光学顕微鏡の観察に際しては,Fig.4に示すように,透過光,反射光及び側面光を用いたが,特に側面光の場合は,変形の形状を立体的把握することができる.側面光はフレッキシブルな光ファイバーを利用したライティング装置により試験片側面から光を当てる。

(a). 透過光          (b). 反射光          (c).側面光
  Fig.4 光学顕微鏡による観察に用いたライティング方法


側面光によるライティング
透過光によるライティング

Fig.5 ガラス繊維の周りに生じたらせん状の疲労損傷の観察の場合


試験温度 

  温度の影響を調べるために,実験を-192℃,-76℃,0℃,50℃および60℃でも行った.試験温度については,-192℃の場合には,液体窒素を入 れた恒温槽内で,-76℃の場合はドライアイスを入れた恒温槽内で行った.0℃の温度は,氷と水の混合によって得た.ドライアイス,液体窒素は弱いクレイ ズ発生剤であることが知られている.50℃と60℃の温度は,温度制御装置付き試験片巻き付け型の電気ヒーター(±1℃)によって得た.

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A.平均フェライト結晶粒径17μm

B.平均フェライト結晶粒径44μm


C.平均フェライト結晶粒径62μm

D.平均フェライト結晶粒径144μm

熱処理条件

 試験片
熱処理

フェライト結晶粒大きさ

ASTM No.
D mm

A
 950℃で2時間保持後、炉冷
8.9
0.017

B
 1000℃で5時間保持後、炉冷
6.0
0.044

C
 1000℃で5時間保持後、6.5℃/hrで冷却
5.0
0.062

D
 1100℃で65時間保持後、6.5℃/hrで冷却
3.3
0.144

受入れ材
 熱処理無し
9.1
0.016

S15Cの機械的性質

降伏応力(MPa)
引張強さ(MPa)
伸び(%)
断面収縮率(%)

268
422
30.2
63.1

  鉄と炭素0.15%の合金,炭素鋼S15Cの顕微鏡組織写真です。試料をサンドペーパーで磨き,アルミナ研磨剤を用いバフ研磨で鏡面仕上げした後,3%硝 酸アルコールで腐食させ,金属顕微鏡に一眼レフカメラを取り付け,ミニコピーフィルムで撮影。私にとって,フィルム現像,暗室で印画紙現像の手順で撮影し た初めての写真です。昭和45年頃のものです。結晶粒の大きさが,疲労特性にどのように影響するかを調べた実験に用いました。材料の強度実験の場合,試験 片が準備できると大方の実験は終わったと思うくらい,試験片の準備に時間がかかります。

 A-Dの組織写真は,白い部分がフェライト結晶粒,黒い部分はパーライト組織で,拡大写真を右の写真に示します。白い部分は,炭素を0.02%しか含まない,比較的柔らかいフェライト組織,黒い部分は,鉄と炭素の化合物セメンタイトFe3Cで,強靱な強さを持っています。柔らかい材料と強靱な組織との層状組織がパーライト組織です。A~Dの組織写真ではコントラストの関係でパーライト組織は黒くつぶれてしまっています。
  炭素量が増すとパーライト組織の部分が多くなり強度は増しますが,伸びは小さくなります。炭素量0.8%で,全組織がパーライト組織となり,この時の鋼が 共析鋼で,強く,工具などの材料として使用されます。伸びの大きなフェライトと硬く,強度が高いセメンタイトが層状を成し,複合材のような構造を成してい ます。

パーライト組織

 結晶粒の大きさを変えるのは電気炉による熱処理をすることによって行います。炭素鋼の状態図でA3線以上の温度Tに加熱し,H時間保持後,冷却速度Vで冷却する操作を行い,H,TとVを変えて熱処理を行い,いろいろなサイズのフェライト結晶粒大きさを得ます。Dの結晶粒はかなりの時間(約2週間)をかけて結晶を大きくしています。

金属材料の組織観
  金属の組織を観察するためには右記の①~④の研磨作業を行い,金属顕微鏡で観察することにより可能となります。現在は,自動研磨機などありますが,材料試 験の前に,金属の組織を把握しておくことは絶対必要です。以下,この作業を解説します。私達の大学院時代は,このような作業の技術を習得することから実験 が始まりました。材料の強さを研究する場合には,試験片の組織を観察する技術は欠かせない技術です。今まで調べた破壊事故の原因調査で、材料中の不純物や 介在物の密集している箇所から疲労き裂が発生している場合が数多くありました。このような欠陥材料で強度実験をしても意味がありません。
 金属材料の組織観察のための研磨の手順


カッター,金鋸等による試料の切り出し,小さい場合は樹脂で固定


エメリーペーパー(サンドペーパー)で研磨


バフ研磨 ,鏡面仕上げ


エッチング 腐食現象を利用し,金属の組織に応じた凹凸を表面に作る。

*エメリーペーパーとサンドペーパーは砥粒の材質が異なります。

  エメリーペーパー(サンドペーパー)は大きさの異なる砥粒,研磨粒子をペーパーに貼り付けたもので,番数が大きいほど,粒子の大きさは細かいペーパーとな る。このペーパーの上で試料を一定方向に往復運動させると表面は平均すると平滑になるが,砥粒によって削られ、動かした方向と平行に線状痕が残ることにな る。従って,細かい砥粒のペーパーほど,線状痕の深さは浅くなる。

*手首をうまく使い、均一に力を加えて片よって研磨しないように注意しないと焦点が合う範囲が狭くなります。

粗いペーパー

細かいペーパー

試料の研磨表面 

  例えば,#320番程度のエメリーペーパーで,カッター,金鋸等による試料の切り出し時に付いた傷を図のA方向に往復運動させて消す。研磨面には,A方向 に平行な線状痕ができる。試料は水平に保つことが重要で,傾くと顕微鏡で観察するときに焦点が合う範囲が少なくなる。切り出し時の傷が完全に消えたら,次 に細かい#400のエメリーペーパーの研磨に移る。
 #400のエメリーペーパーでの研磨は,#320のエメリーペーパーの線状痕に対して垂直方向(図でB方向)に研磨する。
  #320の線状痕は下図のように,次第に消えてゆき,研磨面がすべて#400の線状痕になるまで研磨を繰り返し,その後,次に細かいペーパーに移り,研磨 方向を90度変えて,同じ操作を繰り返し,#1000かあるいは,さらに細かいエメリーペーパーまで研磨する。試料の切断面の状況、硬さ等で用意する研磨 紙の種類は異なる。S15Cの場合は6/0までペーパーで仕上げ、その後仕上げ研磨を行った。純鉄の場合は更に細かい耐水ペーパーまで研磨した。

  以前(20数年前)使用していたエメリーペーパーは、1F、1M、0、2/0、3/0、4/0、5/0、6/0の記号が記されていました。#〇〇〇との粒 度の対応表がありましたが紛失しました。6/0まで研磨し、その後仕上げ研磨しました。純鉄などの柔らかい素材はそれ以上の細かい耐水ペー パー(#1000か#2000)まで研磨しました。柔らかい素材ほど研磨は難しく、時間のかかる作業になります。


①#320 の線状痕,④#400 の線状痕


バフ研磨 ,鏡面仕上げ

 仕上げ研磨は,回転円盤の上にバフ布(羅紗布)を張った研磨装置を使う。研磨剤として微粒子のアルミナを含む研磨液をバフ布に滴下させて,研磨面を回転円盤の上に軽く載せる。最後のエメリーペーパーの線状痕が回転方向と直角になるように置く。
  バフ研磨はアルミナなどの研磨剤により,線状痕の山の部分,凸の部分を削り取り,全く傷のない表面を得ることにある。結果的に鏡面となる。傷がないとき, 光は反射してくるが,傷があるときは図のように光は別の方向に反射し,鏡のように像を結ばない。傷が無く,表面が平面であれば金属の場合は鏡面となる。
 慣れてくれば、研磨をはじめて、30分程度で鏡面に仕上げることが可能である。

バフ研磨

 アルミナの研磨液も砥粒のサイズが異なるものが発売されている。

 仕上げ研磨の時、線状痕が消えたかどうか判断するのは、初めのうちは大変ですが、研磨面に天井の蛍光灯を写して、試料を傾けると判断しやすい。


破線より下の部分を研磨剤で削り取る
*2~3秒強く押しつけ、右下の図のように、傷底ぎりぎりまで一気に削る。その後は載せる程度の弱い力で研磨する。このようにして、山の部分を一気に研磨する。強く押しつける時間と力の大きさは、試料の材質にもよるので、経験を積むしかない。

鏡面 傷がある面の反射
光の反射

破線まで一気に研磨

エッチング
 金属は腐食する。結晶の成長は液体状態から,核が発生し,核から結晶格子が成長して結晶粒ができる。(b)のように,結晶境界には,不純物が残りやすい。
 金属の腐食は,金属表面に局部電池を形成することから生ずるが,形成する要因は,不純物、異相,表面が接している環境や湿度が場所によって異なる等である。結晶境界の不純物により,最初に,電池の極が形成されて,腐食液にさらされたときに電流が流れ,金属が溶け出す。
 腐食液は,金属によって異なる。この各部の腐食の度合いと腐食速度の相違をうまく利用して,金属の組織を凹凸として表す操作をエッチングという。ステンレスなどは電解研磨を行うのが一般的ですが、写真の程度でも良ければ王水でも可能です。
*王水 (濃塩酸と濃硝酸とを3:1の体積比で混合してできる液体)

(a)結晶の核の成長  (b) 結晶の成長

(c) 結晶粒
多結晶材料の場合の結晶の成長
エッチング溶液  
その他のエッチング液 文献1)

  エッチングは,腐食液(表)の中に数秒漬けて,取り出し,水で腐食液を流して腐食の進行を止める。アルコールに浸して乾燥機で乾燥させる。金属顕微鏡での ぞいて腐食程度を確認し,不足ならばまた数秒腐食させる。長時間,腐食液につけると全面がひどく腐食されてしまい,組織は判別できなくなる。適度な腐食時 間と腐食液の濃度が存在する。A~Dの写真の例では,3%硝酸アルコールで15秒程度である。
 この作業は,腐食現象を利用している。普通金属の 表面は,金属と酸素との化合物,酸化被膜に覆われて,空気中の湿分からある程度守られている。仕上げ研磨によりこの酸化被膜が取り除かれ,新しい面が露出 しており,通常より腐食されやすい状況にある。この面に水滴を載せ,顕微鏡でのぞいていると錆が広がってゆくのがわかるくらい腐食速度は速い。バフ研磨の 途中で,試料が濡れた状態で放置し,トイレから帰ってきたら赤さびになっていたこともある。錆や傷の無いきれいな鏡面を得るには新生面の腐食速度はかなり 早いことを認識する必要がある。

ステンレス鋼,王水でエッチング
*この写真はステンレス鋼の腐食試験のとき、初期状態の表面がどのようになっているか確認したときの写真です。

シャーレにエッチング液

  不定形、あるいは小型で磨きにくい試料は、図のような円筒形のガラス容器をガラス板に乗せ、樹脂を流し硬化させて、埋め込み、研磨する。以前は二液性のエ ポキシ系樹脂であったが、最近は、温度が上がらない、導電性があり走査型電子顕微鏡にそのまま使える等の埋め込み樹脂が発売されている。ガラス面にはワセ リンなどの離形剤をあらかじめ塗布する。小型の試料は研磨面が大きくなり、平行面が得やすくなる。

金属顕微鏡による組織観察
  金属顕微鏡は,投光器から発せられた光をレンズを通し,金属の表面に当て,反射された光をレンズを通して接眼レンズに導く。光線に対して垂直な面では,光 は反射して接眼レンズに入り,ライトの光の色(白色)になる。凹凸がある場合は,図のように反射光はレンズに入らず,接眼レンズに到達せず,黒く見える。 金属顕微鏡で観察する場合は,鏡面と光線に対して垂直な面と組織に対応する凹凸があることが必要となる。鏡面仕上げとエッチングがこれに対応する。

光が接眼レンズに到達しないと黒くなる。
反射型光学顕微鏡

  生物顕微鏡などは試料に光を透過させる。細胞壁など光が通らない箇所やひずんで屈折率が変わる箇所は黒く見えることになる。光を電子に変えたものが電子顕 微鏡で,電子の反射が原理となる走査型電子顕微鏡(SEM: Scanning Electron Microscope)で,電子を透過させる原理の透過型電子顕微鏡(TEM: Transemission Electron Microscope)である。
走査型電子顕微鏡SEMの場合は,表面の凹凸を観察することになり,表面が導電性であればそのまま観察できる。プラスチックなど導電性でない場合は,金の薄膜で表面を蒸着して観察する。
 透過型電子顕微鏡TEMの場合は,電子が透過する厚さまで試験片を化学研磨する必要があるが,材料の内部や転位などを観察することができる。

      光が到達しないと黒くなる。
         透過型光学顕微鏡

  ディジタルカメラが出現する前は,一眼レフカメラを金属顕微鏡に取り付け,カメラの絞りは焦点深度を深くするために絞り,投光器のライトの明るさを調整 し,シャッタースピードはレリーズを使い、数秒解放で撮影した。最近はディジタルカメラから直接パソコンに取り込み画像をキャプチャーするので簡単になっ た。倍率は,1mmを100等分したマイクロスケールを撮影し,この長さを得たい倍率の長さに合わせて印画紙に焼き付けて実倍率を知った。
 写真は,当時,フィルム現像から暗室での印画紙焼き付けで、現在と比べるとかなり時間がかかったが,電子顕微鏡などの写真では,ディジタルでは得られない素晴らしい立体感のある画像を得ることが出来る。CDの音とレコードの音の差と同様である。

平均フェライト結晶粒径の測定
 実際の倍率がわかっている写真の上に線を引く。線の上に乗っているフェライト結晶粒の個数を数える。線の両端の結晶は1/2に数える。
 図の場合は,4+1/2+1/2=5,線の長さLが60μmの場合,
    平均結晶粒径d=L/n=60/5=12μm
 最近は、ディジタルカメラやビデオカメラを顕微鏡に付け、モニターに写してこの計測ができるので便利になった。マイクロスケールをモニターに写し、透明なOHP用紙をディスプレイに乗せて、60μmの線を引き、これを結晶の画像に重ねて個数を数えればよい。

1) ギュンター・ベツォー著、松村源太郎訳、「金属エッチング技術」、アグネ.

*機械工学科時代の金属材料の実験テキストと研究室の卒業研究のための実験方法資料から抜粋したものです。

トップページ > 材料の強度と破壊>金属の組織観察

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Bewise Inc. talaşlı imalat sanayinde en fazla kullanılan ve üç eksende (x,y,z) talaş kaldırabilen freze takımlarından olan Parmak Freze imalatçısıdır. Çok geniş ürün yelpazesine sahip olan firmanın başlıca ürünlerini Karbür Parmak Frezeler, Kalıpçı Frezeleri, Kaba Talaş Frezeleri, Konik Alın Frezeler, Köşe Radyüs Frezeler, İki Ağızlı Kısa ve Uzun Küresel Frezeler, İç Bükey Frezeler vb. şeklinde sıralayabiliriz.

BW специализируется в научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих / фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид / быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы, фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано инструменты. Пожалуйста, посетите сайт  www.tool-tool.com  для получения большей информации.

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金属切削刀具切削部分的结构要素、几何角度与斧头等刀具有许多共同的特征。如图1,各种多齿刀具或复杂刀具,就其一个刀齿而言,都相当于一把斧头的刀头。现以熟悉的车刀为例说明刀具主要几何角度。


1

1  刀具的切削部分

1.车刀切削部分的组成

车刀切削部分由前刀面、主后刀面、副后刀面、主切削刃、副切削刃和刀尖组成(如图2)。


1

图2   硬质合金外园车刀

(1) 前刀面  刀具上切屑流过的表面。

(2) 主后刀面  刀具上与工件上的加工表面相对着并且相互作用的表面,称为主后刀面。

(3) 副后刀面  刀具上与工件上的已加工表面相对着并且相互作用的表面,称为副后刀面。

(4) 主切削刃  刀具上前刀面与主后刀面的交线称为主切削刃。

(5) 副切削刃  刀具上前刀面与副后刀面的交线称为副切削刃。

(6)刀尖  主切削刃与副切削刃的交点称为刀尖。刀尖实际是一小段曲线或直线,称修圆刀尖和倒角刀尖。

2.车刀切削部分的主要角度

(1)测量车刀切削角度的辅助平面


11

图3   测量车刀的辅助平面

为了确定和测量车刀的几何角度,需要选取三个辅助平面作为基准,这三个辅助平面是切削平面、基面和正交平面,如图3所示。

1)切削平面Ps  切削平面是切于主切削刃某一选定点并垂直于刀杆底平面的平面。

2)基面Pr 基面是过主切削刃某一选定点并平行于刀杆底面的平面。

3)正交平面P0 主剖面是垂直于切削平面又垂直于基面的平面。

可见这三个坐标平面相互垂直,构成一个空间直角坐标系。

1

图4 车刀的主要角度

(2) 车刀的主要几何及其选择 

1)前角zt:刀具主要几何角度及选择前角zt:刀具主要几何角度及选择在正交平面内测量的前刀面与基面间的夹角。前角的正负方向按图示规定表示,即刀具前刀面在基面之下时为正前角,刀具前刀面在基面之上时为负前角。前角一般在-5°~ 25°之间选取。

前角选择的原则:前角的大小主要解决刀头的坚固性与锋利性的矛盾。因此首先要根据加工材料的硬度来选择前角。加工材料的硬度高,前角取小值,反之取大值。其次要根据加工性质来考虑前角的大小,粗加工时前角要取小值,精加工时前角应取大值。

2)后角zt:刀具主要几何角度及选择在正交平面内测量的主后刀面与切削平面间的夹角。后角不能为零度或负值,一般在6°~12°之间选取。

后角选择的原则:首先考虑加工性质。精加工时,后角取大值,粗加工时,后角取小值。其次考虑加工材料的硬度,加工材料硬度高,主后角取小值,以增强刀头的坚固性;反之,后角应取小值。

1

1

3)主偏角zt:刀具主要几何角度及选择在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角。主偏角一般在30°~ 90°之间选取。

主 偏角的选用原则:首先考虑车床、夹具和刀具组成的车工工艺系统的刚性,如车工工艺系统刚性好,主偏角应取小值,这样有利于提高车刀使用寿命和改善散热条件 及表面粗造度。其次要考虑加工工件的几何形状,当加工台阶时,主偏角应取90°,加工中间切入的工件,主偏角一般取60 °。


1

图5  刃倾角的符号

4)副偏角zt:刀具主要几何角度及选择在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角。副偏角一般为正值。

副偏角的选择原则:首先考虑车刀、工件和夹具有足够的刚性,才能减小副偏角;反之,应取大值;其次,考虑加工性质,粗加工时,副偏角可取10°~15°,粗加工时,副偏角可取5°左右。

5)刃倾角λs 在切削平面内测量的主切削刃与基面间的夹角。当主切削刃呈水平时,λs =0°;刀尖为主切刃上最高点时,λs>0°;刀尖为主切削刃上最低点时,λs<0°(如图5所示)。刃倾角一般在-10°~5°之间选取。

刃倾角的选择原则:主要看加工性质,粗加工时,工件对车刀冲击大,λs ≥0°,精加工时,工件对车刀冲击力小,λs ≤0°,一般取λs =0°。

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