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個人分類：學術研究

Feb 13 Fri 2009 10:14
DLC成膜技術と工業的応用www.tool-tool.com

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名古屋大学大学院工学研究科　マテリアル理工学専攻　准教授
大竹尚登

　今、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）へのまなざしが熱い。９０年前後の第１次ＤＬＣブームから約２０年を経て本格的な市場の拡大が続いている。数年前から量産自動車部品への応用が本格的に始まったことが大きく、研究開発の刺激にもなっている。ブームは日本だけではない。欧米では以前から自動車への応用がかなり進んでいるし、韓国でもＤＬＣ産業は急成長している。本稿ではＤＬＣの工業的応用についての現状を整理したうえで、我々の進めているセグメント構造ＤＬＣ膜について述べる。さらに今後のＤＬＣ関連技術を展望する。

【「環境」背景に関連産業成長、機械部品の保護膜用が増大】

　最近のＤＬＣ産業の成長のバックグラウンドにあるのは地球環境問題と法規制である。つまり、従来のコーティングや流体潤滑といった役割に代わる環境負荷の小さい材料として白羽の矢が立てられた。ＤＬＣが注目されたのは、たまたまではなく、材料として優れた特性を持つからだ。
　その根底には炭素（Ｃ）というＩＶ族最高位元素が主役の材料だという事実があると筆者は思っている。ＩＶという中庸の位置を占めているからこそ、ダイヤモンドの四面体構造があってそれがＤＬＣの特性にかかわっているし、化学的安定性や生体親和性の高さにもかかわってくる。
　このＤＬＣ技術が環境問題の決め手とまで言うつもりはないが、キーテクノロジーの一つであることは疑う余地がない。世の中のあらゆる動いているものの摩擦係数を０・１下げることが、どれだけのエネルギー損失低減になるかは明らかであろう。
　ＤＬＣ膜とは、ダイヤモンドのｓｐ３結合（炭素原子から手が４本出ている）とグラファイトのｓｐ２結合（炭素原子から手が３本出ている）の両者を骨格構造としたアモルファス炭素膜である。簡単に言えばナノレベルでダイヤモンドと炭が混ざり合ったもので、２０―８０％がダイヤモンドと思えばよい。
　ＤＬＣ膜は高硬度、高耐摩耗性、低摩擦係数、高絶縁性、高化学安定性、高ガスバリアー性、高耐焼き付き性、高生体親和性、高赤外線透過性などの特徴を持ち、表面が平たんで２００度Ｃ程度の低温で合成できる。このことから電気・電子機器（ハードディスク、ビデオテープ、集積回路など）や切削工具（ドリル、エンドミル、カミソリなど）、金型（射出成形など）、光学部品（レンズなど）、ＰＥＴボトルの酸素バリアー膜、衛生機器（水栓）、装飾品など幅広く応用され始めている。
　とりわけ、各種硬質膜の中でも１０ギガパスカル以上の高い硬度による優れた耐摩耗性と低い摩擦係数を持つことから、機械部品の保護膜として需要が加速度的に増大している。
　さらに最近では、自動車用の量産部品としても実用化されている。インジェクターなどでは以前からＤＬＣが用いられていたが、ここ３年間で適用範囲が大幅に拡大している。代表例のひとつは電磁クラッチ板へのコーティングで、油中での摩擦係数がより高くなること、および滑り速度に応じて摩擦係数が増加することを利用した点でユニークな応用である。
　またエンジン部品としては、カムフォロアへの応用がある。ＤＯＨＣエンジンのカムが吸排気バルブを押す極めて重要な摺動（しゅうどう）部であることから、このような個所にＤＬＣが実用化されたことは注目に値する。さらに、ロータリーエンジンの部品にもＤＬＣが採用されている。これらの自動車応用技術は、日本のＤＬＣ合成装置およびＤＬＣコーティングのレベルの高さを物語っていると言えるだろう。

【基材変形による膜への影響、「基盤の目」構造で最小限に】

　ＤＬＣ膜を実際に部材に応用する場合には、膜の内部応力や基材との密着力がしばしば問題となり、必要に応じて対処することが不可欠となっている。例えば、ＤＬＣ膜中に金属元素を添加したり、膜の多層化、傾斜層や中間層の形成といったさまざまな手法が挙げられる。
　最近では、ＤＬＣ膜の需要は工具や金型といった金属材料を基材とする製品にとどまらず、ゴムや樹脂材料など軟質な材料上への需要も増加している。このような基材にＤＬＣ膜をコーティングする場合の問題点として、ＤＬＣ膜が高い内部応力を持つことや基材との密着力が低いことに加え、基材の変形により膜にクラックが生じ、はく離しやすくなることなどが挙げられる。こうした場合には０・１ギガパスカルと非常に低硬度の柔軟なＤＬＣ膜を合成する方法が提案され、応用例としてカメラのＯリングなどに適用されている。
　一方、著者らは特に基材の変形によってクラックが生じるのを抑制するためのコーティング法として、ＤＬＣ膜のセグメント構造化を提案している。そこでセグメント構造ＤＬＣ膜の合成とトライボロジー特性を検討した結果を述べる。
セグメントＤＬＣ膜は、図１左側に示すような連続膜に対し、図１右側に示すような碁盤の目のような構造である。連続膜では、基材が大きい弾性変形または塑性変形を生じた場合にクラックが生ずるが、このセグメントコーティング法は、一部にクラックが入っても他セグメントへの影響が小さく、高信頼性のコーティングが得られる。
　また、潤滑油や摩耗くずをセグメント間に保持することで、アブレシブ摩耗を抑制しながら潤滑油による潤滑効果を持続させることができるため、基材の変形によるコーティング膜のはく離が心配となる部材に広く応用されると期待される。
　セグメントＤＬＣ膜の合成は、プラズマＣＶＤ法により行っている。合成の前処理として、アセトン中で基材の超音波洗浄をした後に、チャンバー内でアルゴンガスを用いてスパッタエッチングを行った。
　ＤＬＣ膜と基材の密着力向上のためにテトラメチルシランガスを用いて中間層を形成し、電源には高電圧直流パルス電源（玉置電子工業製）を、電極には金属メッシュ形状のものを用いた。つまり、金網の上に基板を置いておくと、金網がマスクになってセグメント構造のＤＬＣが形成できる。
　図２は、Ａ１０５０基材に対して連続構造ＤＬＣ上にセグメント構造を形成したコーティング〈ＴｙｐｅＡ〉である。図３は〈ＴｙｐｅＡ〉とセグメント構造上に連続膜を形成したコーティングのボールオンディスク試験結果である。連続膜の場合と比較して安定した摩擦係数を示していることがわかる。
　この際のＤＬＣの摩耗量もセグメント構造〈ＴｙｐｅＡ〉では連続膜の約３分の１と小さく、かつＳＵＪ２ボールに対する相手攻撃性も低い。これは、デブリ（破片）を溝部にトラップする効果によりアブレシブ摩耗が抑制されているためである。
　さらにセグメント構造ＤＬＣは、溝部に第三物質を添加できる特徴を持つ。市販のスプレーを用いてフッ素樹脂を添加すると、摩擦係数がＤＬＣのみの場合と比較して顕著に低く、かつ静的水滴接触角が１００度程度の撥水（はっすいせい）性を持つハイブリッドＤＬＣ膜を簡単に形成することができる。低摩擦係数の状態は、セグメント溝のフッ素樹脂が徐々に界面に供給されてなくなるまで、長時間維持される。
　機能の複合化はＤＬＣの応用展開に際し重要な課題。フッ素樹脂に限らず、ＤＬＣと他材料との組み合わせは無限でさまざまな機能の複合を図れる点がこのセグメント構造ＤＬＣ膜の特徴になっている。

【生体機能材への応用始まる、電機・電子材料には課題山積】

　ＤＬＣが面白いのは、鉄鋼材料と似て機械的特性の幅が大きいことである。鉄鋼材料では降伏応力で１０倍程度の広がりがあるが、ＤＬＣもまた硬さで１０倍程度の幅がある。鉄鋼材料を設計に応じて選択するように、ＤＬＣも用途に応じて選択する時代に入っている。
　さらには、鉄中への不純物添加（炭素以外でも）によってさまざまな特性が発現するように、ＤＬＣに不純物添加したり表面官能基修飾したりするのは魅力的な考えである。実際ケイ素などさまざまな元素を入れたり、ＤＬＣと他の材料とを組み合わせたりすることが提案されている。
　これらの方向は「マイＤＬＣ」―自分自身の目的とする機能を発現するＤＬＣを設計し、つくってゆくことと言える。結果として製品製造における独自のキー技術に育つもので、目指すべき研究開発の方向だと思う。
　最後にＤＬＣの未来について私見を述べたい（図４参照）。合成法としてはＣＶＤ、ＰＶＤそれぞれが特徴を生かした進化を遂げてゆくものと思われる。ブレークスルー技術としては大気圧成膜が挙げられる。コスト面で従来のメッキと比較したり浸炭と比較したりされるが、現在のＤＬＣ成膜技術ではそこまで低減できていない。ＤＬＣを採用するかどうかは性能との兼ね合いということになろう。社内での環境活動や法規制が動機になることもあり得る。
　評価法としてはＤＬＣの標準化が重要であり、一方では現場でＤＬＣの品質評価をどのように行うかが重要。現在のところはラマン分光、硬さ試験、スクラッチ試験が主な手法となろう。
　ＤＬＣの応用については機械的応用の進展がまず挙げられる。ついで機能のハイブリッド化、すなわちＤＬＣの特性と他の材料の特性をハイブリッド化することが挙げられる。これも「マイＤＬＣ」の流れである。
　さらに、ＤＬＣが生体親和性の高い材料ということもあってガスバリアーや生体応用はすでに立ち上がってきている。微小化学分析システム（マイクロＴＡＳ）などのマイクロ・ナノ技術と融合することで近い将来かなりの勢いを示しそうだ。
　最後は電気・電子素子への応用である。実際に研究してみると水素化アモルファスカーボン（ここではＤＬＣとは呼ばない）の電気・電子的応用は欠陥制御をはじめとして難問だらけで、現状では素子としてすぐに用いるのは難しい。合成技術に立ち戻って欠陥の少ない水素化アモルファスカーボンを合成すること、または一部の半導体のように欠陥が多くてもキャリアが消滅しないような構造を発見することが望まれる。
　炭素系の太陽電池で２０％の効率が出ればノーベル賞も夢ではない。これは旧国研や大学の仕事かもしれないが、２０年後にそんな夢が実現していることを期待したい。

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Feb 13 Fri 2009 09:42
熱処理のやさしいwww.tool-tool.com

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（１）どんな状態で納入されるか

製鋼メーカあるいは鋼材問屋から、素材が納入される場合、どんな状態で納入されるか、知ることは部品に機械加工をしたり、熱処理を行う場合重要なことです。一般的には鋼材に添付されているミルシートによって確認ができますが、その履歴が不明な場合も少なくありません。鋼材と納入時の記号については、一般鋼材は圧延のまま、Ｒの状態で納入されます。これは熱間圧延後空冷をした状態です。空冷だから焼ならしＮと勘違いをしてはいけません。Ｎ品はＲ品を再加熱して空冷を行い、結晶粒を調整したものです。Ｒ処理の段階で冷却速度を調節し、所要の硬さと強さにした鋼を非調質鋼と云い、熱処理を行わないで用いる鋼です。組織はパーライトです。調質を行った同じ強度のものと比較すると、じん性が若干劣ります。

冷間鍛造用鋼やＳＵＪなどは球状化焼なまし（ＨＡＳ）の状態で納入されます。丸棒の場合が多いのでこのまま使用しますが、熱間鍛造や熱間圧延などで板状にした場合は、炭化物が網状になっていることがあり、再度球状化焼なまし行う必要があります。これは焼割れや焼曲がりを防止する目的です。Ａと記されている鋼は焼まなし材です。一般的にはこのまま使用しますが、機械加工や冷間加工などしたものは、応力除去焼なましＳＲすることが必要です。なお、前述した焼ならし材もそのまま使用しても良いが、硬すぎて機械加工が困難な場合には、テンパ（ノル・テン）をして硬さをコントロールすることも大切です。Ｃの鋳造品はそのままの状態で用いますが、拡散焼なましか応力除去焼なましを行って使用した方が安全です。また、Ｆ記号の鍛造品はこのままで用いますが、より安全性を求めるなら、Ｎ又はＡ処理を行った方が望ましいでしょう。

（２）種々な鉄鋼材料とその特性

まず、鉄鋼材料の種類とその特性について、概略な知識を得ておきましょう。

ＪＩＳでは鉄鋼を次にように区別しています。鉄は前述した銑鉄、合金鉄、鋳鉄の３つ、鋼は普通鋼、特殊鋼、鋳鍛鋼です。さらに普通鋼は条鋼、厚板、薄板、鋼管、線材、線のような形状別に、また、特殊鋼は合金鋼、工具鋼、特殊用途鋼などのように性状別に分類されています。このように種々分類されていますが、基本的には前述したＣ量によって鉄、鋼、鋳鉄の３つに分けているに過ぎません。鉄にＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓの５元素が含まれた鋼を炭素鋼又は普通鋼と云います。この普通鋼にＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏなどの特殊元素が添加されて、特殊な性質を示すような鋼を特殊鋼と呼んでいます。特殊鋼の内、焼入れ・高温焼戻し（調質）を行って使用するものを合金鋼、工具に用いるものを工具鋼、特殊用途に使う鋼を特殊用途鋼と云っています。表７は鉄鋼材料を分類したものです。以下各種の鋼材について、その特徴を概略解説しましょう。

普通鋼材

一般構造用圧延鋼材（ＳＳ材）

この鋼はＪＩＳで決められている鋼材の内で、最も多く使用されているものです。特にＳＳ４００の使用量が多く、主要部材を除くほかは、多くの機械及び構造部材として鋼板、平鋼、棒鋼、形鋼などとして用いられています。最近では製鋼の技術レベルアップから品質も安定し、溶接性においてもＳＳ４１０は板厚５０ｍｍ以内ではそれほど問題になることはありません。ただ、溶接性や低温じん性について保証する検査が行われていませんので、粗悪品が混入する危険性があります。ＳＳ５００、５５０は原則として溶接をしない部分に使用するのが安全です。ＳＳ材はＰとＳが規定されているだけで、他の元素は規定されていません。したがって、実際に使用する場合には、次式によって計算をします。

引張り強さ（Ｍｐａ）≒２０＋１００×Ｃ％

また、Ｃ％が低いため浸炭焼入れして使われることが多く、特にＳＰＣＣ（冷間圧延鋼板）は浸炭焼入れして機械部品に用いられています。ＳＳ材はリムド鋼から作られていますので、浸炭焼入れ時に硬さむらや結晶粒の粗大化が生じて、ぜい化することがありますので要注意です。

溶接構造用圧延鋼材（ＳＭ）

ＳＳ材の次に多く用いられている鋼種です。ＳＭ材の特徴は溶接性に優れていることです。そのため、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ％を規定しています。ＢとＣ種は衝撃試験を行って、ある値の低温じん性を保証していますので、心配する必要はありません。しかしながら、ＳＭ５００以上では溶接に十分な注意と熱処理が必要です。

高張力鋼材（ハイテン）

高張力鋼の定義や規格はＪＩＳにはありませんが、引張り強さ６０Ｎ／ｍｍ２以上、降伏点３０Ｎ／ｍｍ２の鋼を対象にしています。現在は６０、１００、１５０Ｍｐａ級のハイテンもあります。ＳＭ材もハイテンの１種です。

合金鋼材

機械構造用炭素鋼材（Ｓ－Ｃ材）

炭素鋼はＳＳ材よりも不純物が少なく、製鋼法にも注意をし、熱処理をして用いることになっています。熱処理には焼ならし、焼入れ・焼戻し（調質）、高周波焼入れ、浸炭焼入れなどがあります。Ｓ－Ｃ材のＣ％は０．０８～０．６１％まで、つまり、Ｓ１０Ｃ～Ｓ５８Ｃまでの鋼です。これより高いＣ％量になるとＳＫ材になります。また、Ｓ９ＣＫ、Ｓ１５ＣＫが浸炭用として規定されていますが、Ｋとは高級（Ｋｏｋｙｕ）のＫです。

構造用合金鋼材（ＳＡ材：Ａ＝Ａｌｌｏｙ）

　この種の鋼は種類も多く、一般的には調質あるいは浸炭、窒化などを施して用います。つまり、熱処理による機械的性質の改善効果は、化学成分や部品の大きさなどによって異なりますので、目的とする性質と大きさなどの点を考慮し、適当な鋼種を選ぶことが大切です。ＣｒやＭｏ、Ｂ（ボロン）を含むものは、焼入性が良いので大型部品用に、また、Ｎｉを含むものはじん性が要求される場合に適しています。なお、この種のグループには焼入性を保証したＨ鋼があります。調質を行って用いるＳＡ材は、単に化学成分のみが指定されているのではなく、焼入性も指定して適材適所に使用しています。Ｈ鋼は所要の焼入硬さが確実に得られる鋼として保証されているのです。また、この種の鋼には非調質鋼と云うのがあります。これは熱処理加工専門メーカにとっては大変な痛手です。熱処理が必要ない鋼なのです。一般的にＳＣ材やＳＡ材は調質を行って用いますので、調質鋼と云いますが、この鋼にＶ、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔｉなど少量添加（これをマイクロアロイと云います）し、圧延の時冷却速度を調整すると所要の強度が得られるのです。調質がいらない鋼と云うことで非調質鋼と呼んでいます。省エネ、コストダウン用材料として自動車、建設機械用部品などに賞用されています。まだＪＩＳ化はされていません。

工具鋼材

工具用炭素鋼材（ＳＫ材）

この種の鋼は機械構造用部材としては殆ど用いられず、多くの場合耐摩耗用部材として使用されています。ＳＫ材はＣ％によってＳＫ１～ＳＫ７まで規定され、Ｃ量が多いほど小さい数字です。一番使いやすいのがＳＫ５です。これは一番焼きが入りやすく、耐摩耗やじん性に優れているからです。いずれの鋼種においても、素材の状態では球状化焼なまし材であり、耐摩耗の場合は焼入れ後低温焼戻し、また、強じん性が必要な場合は高温焼戻しで用います。

合金工具鋼（ＳＫＳ、ＳＫＤ）

ＳＫ材にＷ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖなどの特殊元素を添加した鋼です。添加されている元素の種類と量の相違によって、耐摩耗用、耐衝撃用、耐不変形用、耐熱用などに分けられています。いずれの場合も球状化焼なましの状態で納入され、硬い複炭化物が存在しています。主に金型や工具類に多用されています。

高速度鋼（ＳＫＨ）

Ｗ系（Ｔタイプ）とＭｏ系（Ｍタイプ）の２種類があります。以前はＷ系が主流でしたが、最近では耐摩耗性、耐熱性、強じん性ともに備わったＭｏ系が多く用いられています。焼入温度は鋼種によって若干異なりますが、高いのが欠点です。しかしながら、優れた焼戻し軟化抵抗やじん性が得られるため、高級な金型や工具として広く用いられています。

特殊用途鋼材（ＳＵ材）

ステンレス鋼（ＳＵＳ材）

ステンレス鋼には次の４種類があります。

マルテンサイト系（１３Ｃｒ系）・・・・・・焼入れし硬くして用います。磁性があります。

フェライト系（１８Ｃｒ系）・・・・・・・・・・軟質なステンレス鋼です。磁性があります。

オーステナイト系（１８－８系）・・・・・耐食性用です。磁石に付きません。

析出硬化系（ＰＨ系）・・・・・・・・・・・・析出硬化させて使用します。磁性があります。

マルテンサイト系は、焼入硬化して用いる鋼で、主に耐食性が要求される刃物用工具や機械構造用強力部材に使用します。（ＳＵＳ４４０、ＳＵＳ４２０Ｊ２など）

フェライト系のステンレス鋼は、軟質なため塑性加工に適し、特にＳＵＳ４３０は高温における耐酸化性に優れています、また、熱膨張係数も小さく、耐熱耐食用機械部材として多用されています。

オーステナイト系のステンレス鋼は、耐食性が最も優れています。－１５０℃以下の温度でサブゼロ処理するとマルテンサイトに変態し硬化します。代表的なＳＵＳ３０４は約１０５０℃から水中急冷を行うと、組織がオーステナイトとなりますが、４５０～８５０℃で再加熱すると、耐食性が劣り粒界腐食を起こすようになりますので要注意です。また、本来は非磁性ですが、常温で冷間加工を行うと、磁性を持つようになります。磁性を嫌うような場合は１００～１５０℃で温間加工を行えば大丈夫です。

析出型ステンレス鋼は、１７－４ＰＨ（ＳＵＳ６３０）と１７－７ＰＨ（ＳＵＳ６３１）の２つがあります。いずれも固溶化熱処理（Ｓ処理）後析出硬化処理（Ｈ処理）をして用います。

高Ｃ－高Ｃｒ軸受鋼材（ＳＵＪ材）

球状化炭化物が均一に分布した鋼で、耐摩耗性に優れ各種のベアリングに多用されています。ＳＵＪ２は一般的ですが、ＳＵＪ３はＭｎが含まれているので、厚肉大物に適しています。

ばね鋼材（ＳＵＰ材）

一番良く用いられているのがＳＵＰ６と９です。耐衝撃や耐疲労性に優れています。Ｓｉが若干多めに添加されていますので、残留オーステナイトが生成し易い鋼です。

快削鋼材（ＳＵＭ材）

一般の鋼よりも快削性を向上させた鋼を快削鋼と云います。快削性を上げる元素には種々なものがありますが。快削鋼として用いられているのはＳ、Ｔｅ（テルル）、Ｐｂ（鉛）、Ｓｅ（セシウム）などです。これらを単独にあるいは２種以上を添加して用いています。低Ｃ鋼をベースとしたものが多いため、主に快削性が主体で、強度の高い部材にはあまり使用されていません。

この他鋳鋼、鋳鉄が幾つかありますが省略しました。興味のある方は他の参考書を勉強して下さい。

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Feb 13 Fri 2009 09:33
製作公差www.tool-tool.com

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限界ゲージ方式とハサミゲージの製作公差

　限界ゲージ方式とは、「嵌め合い」の互換性を確保・保障するために考え出された方式です。
　この「嵌め合い」の程度は、ＪＩＳでは、穴と軸についてそれぞれ寸法許容差が公差等級ごとに定められており、それに基づいて穴用ゲージ（栓ゲージ）・軸用ゲージ（リングゲージ・ハサミゲージ）の製作公差が定められています。
　公差の考え方は単純明快で、基準寸法値に対して穴用はプラスに、軸用はマイナスに定めるということで、要するに穴に軸が間違いなく挿入できるように定められています（だから「嵌め合い」と言われています）。
　繰り返し強調しますが、ＪＩＳで定められている限界ゲージ方式は、「嵌め合い」に適用されることを前提としています。
　以上のことが、いわば、教科書で学ぶ「限界ゲージ方式」の要点です。
　ところが、限界ゲージを量産加工品の「互換性」の確保・保障のために採用する場合、つまり、「嵌め合いでの互換性」ではなく純然たる「互換性」の確保・保障のために採用する場合、ＪＩＳの規定の採用は必ずしも適切でない場合が生じます。（教科書では、限界ゲージ方式の説明を通じてＪＩＳ規定を使いこなせるようにする目的からか、この部分の説明はほとんどなされていません。）
　すなわち、ある部品の寸法値を３２±０.５としたい、この寸法範囲内で生産品の寸法値を揃えたい、という場合。
　ＪＩＳの規定（実際にはＪＭＡＳの規定に拠りますが）では、ＩＴ値は「１５」であり、この規格に対応するハサミゲージの製作公差は
　　通り　　基準寸法　３２.５０　　上限：－６７.５μｍ　下限：－９２．５μｍ　
　　止り　　基準寸法　３１.５０　　上限：＋１２.５μｍ　下限：－１２．５μｍ
となります。概ね最小寸法にゲージを仕上げた場合、通り：３２.４０８　止り：３１.４８８となります。
　これは何を意味するかと言えば、寸法許容範囲を絞ったところで合否判定が行われ、例えば、３２.４５という寸法となった製品は、本来なら規格範囲を充足したものであるにもかかわらず、ゲージでは不合格とされることになります。あるいは、例えば、３１.４９という寸法となった製品は、本来なら規格範囲をハミ出しているものであるにもかかわらず、ゲージでは合格とされることになります。
　このような事態をユーザーが正しく認識して許容されているか、という問題があります。
　ユーザーが期待しているのは、３２±０.５という寸法許容差が守られ、かつ、この範囲内にある生産品はもれなく合格となるような検査システムでありましょう。そうであるならば、ゲージの製作公差も例えば以下のものとすべきことになります。
　　通り　　基準寸法　３２.５０　　上限：－５μｍ　下限：－１０μｍ　
　　止り　　基準寸法　３１.５０　　上限：＋５μｍ　下限：－０μｍ
　従って、ゲージの製作公差は、安易にＪＩＳの規定による（規格の流用）のではなく、ゲージが適用される生産品の性格（嵌め合い品かそうでないか、ＪＩＳあるいは業界指針もしくは社内規格による寸法許容差の趣旨、生産精度能力等々）を踏まえて、ユーザー自らが指定・指示されるべきものだと言えます。
　なお、ユーザー側から特にゲージの製作公差の指示がなければ、ＪＩＳ規定に従ってゲージは製作されます。

ハサミゲージの製作公差と実際の製作

　例えば２５ｈ７の外径用板ゲージ（ハサミゲージ）を製作しようとする場合、
　　　基準値　　　通り側（０）　　　　　　　　　止り側（－２１）
　　　製作公差　　通り側　－１.０／－５.０　　　止り側　＋２.０／－２.０
となりますから、通り側を２４.９９９～２４.９９５、止り側を２４.９８１～２４.９７７に仕上げればよいことになります。

　通常よくある発想として、粗めの砥石等で効率よく下仕上げをした後、ラッピング仕上げでその砥石目を消したところがゲージの製作公差内であった、というのが永年にわたる熟練の技であるかのように語られるようです。
　しかしながら、この発想では、予想以上に砥石目が深くて、それを取りきると寸法が大きくなり公差範囲をはみ出してしまった、ということが往々にして起こります。つまり、公差範囲内でうまく仕上がるかどうかはかなり偶然（幸運？）に左右されるものとなりがちです。
　また、公差範囲が非常に厳しい高精度な場合（ＩＴ５やＩＴ／６の場合）、最初から無理だと断念するか、あるいは、多少粗い研磨痕が残ってもやむを得ないとするか、いずれにせよ対応が不充分なものに終始します。

　そうではなくて、私の場合は、上記の例の場合、仕上がり寸法を２４.９９５にすると決めて仕上げの手順と仕上げの方法を選択するようにしています。
　このメリットは、①仕上げ過程において何が効率化のポイントになるかがはっきりとします。②ゲージの製作公差の範囲が厳しいか緩やかであるかに関係なく目標とする寸法値に仕上げることができ、すべてのＩＴ値において同一の技術で対応できます。従って、品質管理が徹底します。③結果として、ゲージ１個あたりの仕上げに要する時間を事前に予測することができ、工程管理を確実なものとすることができます。

　実は、ゲージの製作技術（ハンドラッピング技術）は戦時中をピークとし、戦後の高度成長期にそれぞれの職人が自分なりに改善を加えて今日に至っているわけですが、問題は、工業生産（軍需生産）における基礎技術であり汎用技術であるべきものがそれぞれの改善により属人化された手業に帰してしまい、伝承が非常に困難になってしまっています。また、運良く伝承に成功した場合でも改革改善の方向が見出せず、ひたすら伝承を墨守するに終始している状態であると言っていいかも知れません。
　ＪＩＳにおいても、ゲージの製作で対応できない規格を定めても意味がないためにＩＴ５以上を規格からはずしたりしていますから、ハサミゲージに関しては事態は深刻でしょう。

　さて、私の場合、ゲージの製作公差内において通り・止りとも原則として最小値に仕上げます。
　これは、はめあいのゲージ等で特に明確になることですが、幾分小さく製作された軸（被検物）であってもＪＩＳ公差内のものである限りはゲージで合格させるためです。
　問題になるのは、公差範囲があまりに大きい場合です。この場合はＪＩＳの規定する公差範囲内において、小さく作るか基準値に近づけるか、ユーザーの希望条件を聞くことにしています。これは、ＪＩＳの規定する公差は「工作用」としての公差であるわけですが、実際には「検査用」にも兼ねることを期待するユーザーの意向があるからに他なりません。

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個人分類：學術研究

Feb 13 Fri 2009 09:19
切削表面性状に及ぼすすくい角の影響www.tool-tool.com

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春山繁之^1　松山拓郎^1

Improvement of Cutting Surface of Wood by Rake Angle of Router Bit

Shigeyuki HARUYAMA，Takurou MATUYAMA

　本研究では，木質材料の特徴である異方性や材質のばらつき等を考慮せずに良好な切削加工面性状を得るため，研削加工に用いられる研削砥粒形状のように負の刃先すくい角を有するルータービットを用い，被削面を摩擦し切り取る従来と異なる切削加工法を適用した。その結果，切削あらさと表面光沢度の向上がみられ良好な切削面を得ることができた。

1　はじめに
　家具などに使用される木材や木質材料の切削加工では，木質材料の特徴である異方性や材質のばらつきなどが，加工面性状に大きく影響を与えている。同一条件で切削加工を行っても，各々の被削材で加工面性状が異なる状況がある。そのため，切削加工を行う場合,それぞれの繊維方向に対する切削条件等を変化させ加工を行うことが必要となり，これらに関する研究もこれまでに多くみられる^1-4）。
通常の切削では，切削面に繊維のささくれや微少な凹凸などの発生がある。このため，滑らかな表面品質が得られにくくなり，後工程の研磨作業が必要となっている。また研磨作業は，自動化が遅れ人手による作業がほとんどのため作業者の熟練度により仕上がり状況が変化し品質のばらつきの問題が発生している。
そこで，切削加工後の被削面性状を良好にするため，従来から，工具のすくい角を大きくし（被削面に対して刃面が水平に近い状態），刃先形状を薄く鋭角にして鋭く切る方法や切削刃数を増やすなどの方法が取られてきた。しかし，刃先を鋭くしても切削時の刃先による先割れ等の発生があり十分な表面性状を得ることができないことや刃先の欠け，刃先研磨回数の増加などの問題がある。
これらの問題を解決するため，研削加工に用いられる研削砥粒形状のように負の刃先すくい角を有したルータービットにより，被削面を摩擦し切り取る状態で切削加工を行い，良好な切削面の可能性を検討した。

図-1 特殊ルータビット形状

2 実験
2-1 供試工具と被削材
　供試工具には，切削円直径21mmの市販三面ルータービット(通常の加工方法)と特殊ルータービットを用いた。図-1に特殊ルータービット形状，表-1に供試工具の寸法を示す。

表-1 供試工具寸法

NO
すくい角
逃げ角
リード角
刃数
工具長
備考

1
0°
23°
3°
2
90
市販ルータ

2
-15°
10°
0°
2
75
特殊ルータ

3
-30°
10°
0°
2
75
特殊ルータ

4
-45°
10°
0°
2
75
特殊ルータ

5
-65°
10°
0°
2
75
特殊ルータ

被削材には，比重0.79g/cm³のＭＤＦ（medium density fiberboard）及び平均年輪幅1.77mm，比重0.49g/cm³のカツラ（Cercidiphyllum Japonium）の乾燥材を用いた。なお，カツラは供試材の違いによる影響を少なくするため，厚さ80mm×幅150mm×長さ350mmの柾目取りしたブロック材を厚さ15mmの平板へ切り出して使用した（図-2）。

図-２　カツラ供試材

2-2　切削試験
　切削試験装置には，平安コーポレーション社製５軸制御工作機械　NCFF-151MC-1508用いた。切削条件は，主軸回転数 15000rpm，送り速度300mm/min，１刃当たりの切削量を0.01mm，切り込み深さ0.2mmとし，カツラのみ各繊維方向に対する表面あらさを評価するため，繊維と平行な方向を基準とし0゜，30゜，60゜，90゜，120゜，150゜，180゜の７方向について切削試験を行った。
2-3　測定方法
2-3-1 切削表面あらさ
　表面あらさ測定には，東京精密社製サーフコム1400Ａ－3ＤＦ－12触針式測定器（図－3）を用い，工具の進行方向とあらさの測定方向を同一にし，加工溝の端面より1.0mmの部分を測定位置とし，算術平均あらさＲa⁵⁾で評価した(図－4)。

図－3　表面あらさ測定装置

図－4 表面あらさ測定方法

2-3-2　切削面光沢度
　光沢度測定には，堀場製作所製グロスチェッカIG-320を用いた。ＭＤＦについては，工具送り方向と測定方向を同一にした。カツラについては，繊維と平行な方向で切削試験を行い，工具進行方向及び垂直方向についてそれぞれ測定を行った。
2-3-3　切削抵抗
　カツラを用いて，２次元切削実験を行い切削抵抗の測定を行った。実験では，切り込み量を0.2mmとし工具を固定した状態で被削材を送り込み，切削した。

3　結果および考察
3-1 すくい角と表面あらさ
　各すくい角における表面あらさの変化を図－5，繊維方向の違いによる変化を図－6に示す。すくい角0゜を基準とすると，-15゜，-30°の範囲では表面あらさが小さくなる傾向が認められた。一方，-45°以下では徐々に表面あらさが大きくなった。なお，表面粗さはｕp-cut，down-cutで大きな差異は認められなかった。
各繊維方向に対する表面あらさの変化については，すくい角0゜，-45°では，繊維方向の変化による影響が大きくみられたが，-15゜，-30°では影響が小さくなっていた。以上のことから，負すくい角に表面あらさを小さくする範囲があると推定される。

図－5 すくい角と表面あらさの関係（ＭＤＦ）

図－6　すくい角と表面あらさの関係（カツラ）

3-2 すくい角と表面光沢度
　ＭＤＦによる，各すくい角の表面光沢度の変化を図－７に示す。ＭＤＦにおける表面光沢の変化は，すくい角0゜，-30゜，-45゜では，ほとんどみられなかったが，-15゜のみ高くなっていた。また，up-cut，down-cutによる明確な差は認められなかった。
　カツラによる，各すくい角の表面光沢度の変化を図－8，9に示す。
　カツラにおいては，繊維と直角方向，繊維と平行方向ともにすくい角0゜より全て光沢度が高くなっていた。これは，切削時に刃先表面が切削面を押しつけながら切削する状態になっていることに起因すると推測される。
3-3 すくい角と切削抵抗
　各すくい角における切削抵抗の変化を図―10，図－11に示す。主分力は，-15゜と-30゜を境に切削抵抗が増加した。一方，背分力は，0゜と -15゜を境にマイナスからプラスへ力の変化が起こった。これは，すくい角の変化に伴い被削面を圧縮する方向へ切削力が発生しているためである。この切削力の違いが，表面あらさや光沢度に影響を与えている一因と推測される。

図－7　すくい角と表面光沢度の関係（MDF）

図－8すくい角と表面光沢の関係1（カツラ）

図－9すくい角と表面光沢の関係2（カツラ）

図－10　すくい角と切削抵抗の関係（主分力）

図－11　すくい角と切削抵抗の関係（背分力）

4 結言
　本研究では，負の刃先すくい角を有したルータービットによる被削面性状を調べることを目的に，各すくい角による表面あらさなどの項目について検討し，以下の結論を得た。
１）　表面あらさは，すくい角0゜を基準とすると，-15゜，-30°の範囲では表面あらさが小さくなる傾向がある。一方，-45°以下では徐々に表面あらさが大きくなる。なお，up-cut，down-cutで大きな差異は認められない。
２）　各繊維方向に対する表面あらさの変化は，すくい角0゜，-45°では，繊維方向の変化による影響が大きくなるが，-15゜，-30°では，繊維方向の変化による表面あらさの差が小さくなる。
３）　ＭＤＦにおける表面光沢の変化はあまりみられないが，カツラにおいては，繊維と直角方向，平行方向ともにすくい角0゜より光沢度が高くなる。
４）　各すくい角における切削抵抗の変化は，-15゜と-30゜を境に主分力の切削抵抗が増加する。背分力は，0゜と-15゜を境にマイナス方向であった抵抗がプラス方向へ変化していることから，切削面に対して刃先を引っ張る方向から押す方向へ切削抵抗の変化が起こる。
　以上のように，負の刃先すくい角を有したルータービットでは，良好な被削面性状を得ることができるすくい角の範囲が存在することが分かった。

５　参考文献
１）吉松孝夫，木下直治：木材のＮＣルータ切削に関する研究（第１報）　加工条件の設定方法の相違による加工的欠陥，木材学会誌，27(7)，572-578(1981)。
２）小松正行：ルータービットにおける外周切刃の刃角条件と切削性能（第１報）　切削力と加工面粗さに及ぼす半径方向すくい角の影響，木材学会誌，39(6)，628-635(1993)。
３）小松正行：ルータービットにおける外周切刃の刃角条件と切削性能（第２報）　切削力と加工面粗さに及ぼすねじれ角の影響，木材学会誌，40(2)，134-141(1994)。
４）清水：家具の３次元設計／加工システムの開発－木材加工面粗さに及ぼす切削方向と速度の影響－，平成８年度福岡県工業技術センター研究報告，pp.117-121(1997)。
５）日本規格協会：JIS　B0601(1994改正)

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個人分類：學術研究

Feb 13 Fri 2009 09:07
ＣＢＮ切削工具による焼入された軸受鋼の精密切削www.tool-tool.com

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佐本芳正＊
Precision Machining of Hardened Bearing Steel Using
Boron Nitride Cutting Tool
by Yoshimasa SAMOTO
［要旨］
CBN切削工具を用い，ロックウェル硬さ63HRCの高炭素クロム軸受鋼SUJ2を精密切削した．その工
具摩耗，及び加工物の加工精度について調べた．その結果，次のことが明かになった．(1) CBN切
削工具の逃げ面摩耗部には，切削方向に細長い溝状の条痕が数多く観察された．また，切削工具の
チャンファ－の位置には，クレ－タ摩耗が大きく成長していた．それら摩耗部には，加工物SUJ2の成
分であるFeとSiが凝着していた．(2) 今回の切削によって，加工物の焼入変形を削り取り，その焼入
変形を修正できた．また，切削距離が増大して工具摩耗が進行するにつれて，加工物の表面粗さと真
円度は悪化したり好転した．
１．はじめに
CBN（立方晶窒化ホウ素）切削工具の使用による高硬
度金属の切削をより一層実用化するには，研削加工と
同等の表面品位を得る必要がある．
本研究では，焼入れ焼戻しされた高炭素クロム軸受
鋼をCBN切削工具により精密切削し，その工具の摩耗形
態と摩耗機構を調べた．また，切削距離の増加による
加工物の加工精度の変化について，切削工具摩耗の観
察結果に基づいて考察した．
２．実験方法
切削実験に用いる加工物は，球状化焼なましされた
熱間圧延丸鋼を，サ－メット切削工具により粗切削し
てφ80mm×150mmの寸法とした．加工物の材質は転がり
軸受に使用される高炭素クロム軸受鋼SUJ2（ JIS G
4805）である．加工物を硬化させるために，バッチ式
の雰囲気炉で加工物の表面光輝状態を保持できる油焼
入れ焼戻しを，850℃からの急冷と160℃の再加熱によ
り行なった．この熱処理によってロックウェル硬さ63
HRCに硬化した加工物を，切削速度127m/min.，切込み
＊機械電子グループ
0.1mm，送り0.2mm/rev.，乾式切削により，CBN切削工
具と普通旋盤（大隈鐵工所，LS450×550）を用いて切
削した．今回の実験は，逃げ面摩耗が急速に増加する
切削時間の初期と終期は対象とせず，主に逃げ面摩耗
が比較的ゆるやかに増加する定常摩耗の期間において
実施した．加工物の加工精度は表面粗さ測定機（ミツ
トヨ，SV-424）と真円度測定機（小坂研究所，EC-4 )
により，逃げ面摩耗幅は工場顕微鏡（日本光学工業，
20）により測定し，工具摩耗の観察と写真撮影は走査
型電子顕微鏡（エリオニクス，ESA-2000）により行な
った．
３．実験結果と考察
３．１ C B N 切削工具の摩耗形態，摩耗機構
切削工具の摩耗形態は，切削工具逃げ面が加工物仕
上げ面と激しく摩擦することによって生じる逃げ面摩
耗，そして切削工具すくい面が切りくずと激しく摩擦
することによって生じるすくい面摩耗とに大別される．
写真１に，切削工具摩耗のSEM写真を示す．CBN切削
工具のスロ－アウェイチップは，切刃傾き角-5°，横
すくい角-5°，前逃げ角5°，横逃げ角5°，前切れ刃
角5°，横切れ刃角-5°，コ－ナ半径0.8mm，ネガラン
ド角度-25°，ネガランド幅0.15mmを持つ．切削の切込
みが0.1mmであるため横切れ刃は切削に関与せず，前切
れ刃のコ－ナのみで切削が行なわれた．
切削距離2.5 km
逃げ面摩耗幅0.127 mm
写真１ CBN切削工具摩耗のSEM写真
切削工具逃げ面が工作物仕上げ面と接触しないよう
前逃げ角5°がつけられているが，工作物の弾性変形や
切れ刃の丸みなどにより，実際は接触を起こし摩擦が
生じる．切削中の切削工具逃げ面は，工作物仕上げ面
と高温，高圧の状況下で摩擦するため，切削距離の増
加とともに切削工具逃げ面の摩耗が進行した．逃げ面
摩耗幅は，切削距離が3kmまでは比較的ゆるやかに増加
した．切削距離が3kmから3.5kmにかけては，逃げ面摩
耗幅が0.144mmから0.353mmへ大きく増加し，切削工具
の寿命が近づいたと考えられる． SEM写真から，切削
工具にチッピングや欠損が含まれない摩耗だけで構成
される正常摩耗であることがわかる．逃げ面摩耗部に
は，大きな凝着物は認められず，切削方向に細長い溝
状の条痕が数多く観察された．一方，すくい面摩耗は
切削工具のチャンファ－の位置に発生し，噴火口に似
たくぼみがみられクレ－タ摩耗が大きく成長していた．
また，前切れ刃逃げ面の切削部と非切削部との境界に，
大きな温度勾配，圧力勾配などが原因となって生じる
細長い溝状の境界摩耗が観察された．横切れ刃逃げ面
の切削部と非切削部との境界には，境界摩耗は観察さ
れなかった．
今回の切削において，切りくずは長い流れ形切りく
ず（連続形切りくず）を生じ，切削距離が1.0kmの切り
くずの厚さは138μmであった．切削実験における工具近
辺の切りくずの色は，切削距離が1.5kmまでは赤くなか
ったが，切削距離が2.0kmを越えるころから少し暗赤色
を呈してきた．切削距離が3.5kmでは，切りくずの色は
さらに暗赤色を呈していた．切削距離が大きくなると，
工具近辺の切りくずの色が次第に暗赤色になり，切削
温度が上昇したと考えられる．
図１に，X線回折装置によるCBN焼結体の成分分析結
果を示す．CBN焼結体は硬質主成分であるCBN粒子とセ
ラミックス系結合材であるTiN，TiB２，AlN，Al２O３か
ら構成されている．
図１ CBN焼結体のX線回折パターン
切削工具逃げ面摩耗部をエネルギ－分散型X線分析装
置（EDX分析装置）により面分析して化学成分を調べた．
面分析は，摩耗部の30μm平方を３箇所について行い，
それらの平均値をとった．切削距離0.0kmつまり未使用
のCBN切削工具においては，重量濃度でAlが13%，Tiが
77%，Wが10%検出された．AlとTiはCBN粒子の結合材成
分であり，Wは切削工具の製造工程で付着したものであ
る．CBN焼結体は，超硬合金のベ－ス上にろう付により
固定されており，そのCBN焼結体をダイヤモンド砥石で
刃付研磨するとき，超硬合金の主成分であるWCがCBN焼
結体に付着したものと思われる．切削距離が1.0kmから
3.0kmでは，CBN焼結体成分のTi，Al以外にFe，Siが切
削工具の逃げ面摩耗部に検出された．その重量濃度は
10%以下であった．加工物SUJ2の化学成分はFe，C，Si，
Mn，P，S，Cr，Ni，Cu，Moと非金属介在物である．こ
のことより，加工物SUJ2の成分であるFeとSiが切削工
具の摩耗部に凝着していることがわかった．
切削工具クレ－タ摩耗部をEDX分析したところ，工具
逃げ面摩耗部と同様に，Al，Ti，W，Fe，Siが検出され
た．加工物SUJ2の主成分であるFeが，切削距離2.0kmで
は重量濃度55%と多量に凝着していた．
図２に，切削工具の摩耗機構の模式図を示す．切削
工具の摩耗機構は，機械的要因に基づくもの，熱的要
因に基づくものに分類される．その摩耗機構は，逃げ
面摩耗とすくい面摩耗とでは異なる．そこで，以上の
実験結果を念頭に置き，ホーリングと中山の文献１）２）
を参考にして，切削工具の摩耗機構について次のよう
に考えた．
図２切削工具の摩耗機構
逃げ面摩耗は熱の影響が比較的少なく，機械的な摩
擦により少しづつ逃げ面が削り取られ，畑をすきで引
っ掻いたような細長い溝状の条痕が切削方向に生じる．
加工物に含まれる非金属介在物や析出物のなかには，
硬質物質が存在する．これらは，Al２0３，Si0２などの
酸化物，SiC，Fe３ Cなどの炭化物であり，一種の硬いセ
ラミックスである．図２(a)に示すように，それら加工
工中の硬質物質が加工物と切削工具の２表面間に存在
して研磨剤的な役割を果たし，逃げ面を削り取ること
によって細長い溝状の逃げ面摩耗が生じる．また図２
(b)に示すように，加工物仕上げ面と切削工具逃げ面の
２表面が摩擦するとき，表面の突起は塑性的に変形し
表面は互いに凝着する．次いで，その凝着物は剪断力
によって脱落する．そして，再び新たな２表面が凝着
と脱落を繰り返すことによって，逃げ面摩耗が進行す
る．
すくい面摩耗は機械的要因に基づくものよりも，溶
着や拡散といった熱的要因に基づいて生じる．切削工
具のすくい面は切削工具刃部のなかで最も切削温度が
高くなり，600℃を越えることもめずらしくない．図２
(b)，(c)に示すように，切削工具すくい面の一部が熱
的要因によって切りくずに凝着し，そのすくい面の一
部が切りくずとともにつぎつぎと持ち去られることに
より，すくい面摩耗が進行していく．
３．２加工物の加工精度
加工物の焼入れ前の表面粗さは5μmRy，真円度は9μm
である．加工物の焼入れ焼戻し後の表面粗さは6μmRy，
真円度は18μmである．焼入れ焼戻しによる加工物の表
面粗さの低下はみられなかった．それは，雰囲気炉を
用いて加工物の表面光輝状態が保持できる油焼入れ焼
戻しを行なったからである．しかし，焼入れ焼戻しに
より加工物は9μmの焼入変形を生じた．
図３に，CBN切削工具により加工物を切削したときの，
切削距離の増加に対する加工物の表面粗さと真円度の
値の変化を示す．切削距離が0.0kmでの真円度の値は1
8.0μmであり，切削距離が0.5kmでの真円度の値は2.5
μmである．このことは，CBN切削工具による焼入鋼切削
により加工物の焼入変形を削り取り，その焼入変形を
修正できたことを示している．切削距離が1.5kmから
3.0kmへ増加するとともに，表面粗さRyは4.3μmから
2.0μmへ減少した．このような現象がみられた第一の理
由は，切削工具先端が摩耗することによってコ－ナ半
径が増大したためと考えられる．第二の理由は，切削
工具前切れ刃の逃げ面と加工物とのバニシング作用に
よって表面粗さが向上したと考えられる．なお，切削
距離が0.5kmより大きい範囲において，加工物の真円度
の値は加工物の表面粗さの値に比べて大きい傾向がみ
られた．それは，工作機械主軸の回転振れと工作機械
刃物台の剛性不足によると考えられる．
図３加工物の加工精度
実際の切削では，切削工具に切刃傾き角-5°，横す
くい角-5°が設定されている．そこで，切削工具と加
工物との位置関係を実切削と同一に保ち，工場顕微鏡
により切削工具のコ－ナの輪郭を測定した．その測定
結果より，加工物仕上げ面の理論粗さは，3.5μmRyとな
る．この理論粗さに対し，実際に切削加工された加工
物仕上げ面の送り方向の表面粗さは，切削距離が0.5
kmから3.5kmの範囲において2.0～6.1μmRyであった．
４．まとめ
CBN切削工具を用い，焼入れ焼戻しによってロックウ
ェル硬さ63HRCに硬化した高炭素クロム軸受鋼SUJ2を精
密切削した．その工具摩耗及び加工物の加工精度につ
いて調べた．その結果，次のことが明かになった．
(1) CBN切削工具の逃げ面摩耗部には，切削方向に細
長い溝状の条痕が数多く観察された．また，切削
工具のチャンファ－の位置には，クレ－タ摩耗が
大きく成長していた．それら逃げ面摩耗部とクレ
－タ摩耗部をEDX分析したところ，加工物SUJ2の成
分であるFeとSiが凝着していた．
(2) CBN切削工具を用いた精密切削を行ことによって，
加工物の焼入変形を削り取り，その焼入変形を修
正できた．また，切削距離が増大して工具摩耗が
進行するにつれて，加工物の表面粗さと真円度は
悪化したり好転した。
本研究は平成１０年度高等研究機関派遣事業として
行われた．
謝辞
本研究の遂行にあたり，御指導を賜りました三重大
学工学部機械工学科の五十君清司教授，鈴木実平助教
授，中西栄徳助手，並びに，実験実施に御援助をいた
だきました中川浩希技官，そして，実験実施に協力を
いただきました学部生の武馬立人君に深く感謝致しま
す．
参考文献
1）Ｊ．ホ－リング：“トライボロジ”．近代科学社
p.91(1984)
2）中山一雄：“切削加工論”．コロナ社．p.159
(1978)

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Feb 13 Fri 2009 08:54
降伏 Yielding --局部的なせん断破壊www.tool-tool.com

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　降伏は、せん断応力により、原子の結合が切れ、すべりが生ずるのであるから、局部的なせん断破壊である。設計時の強度計算の際、変形したら部品の精度が保たれない場合は、材料の強度として、引張強さの代わりに、降伏応力を採用するのであるが、この意味はこの辺にも理由がある。

3.1
炭素鋼における降伏点の特徴

　鉄および軟鋼などにおける降伏点は次の特徴的性質をもつ。

(1)
ある応力（上降伏点ないし降伏開始点）で塑性変形(すべり変形)が急激におこり，その応力またはそれより小さな応力（下降伏点）で塑性変形が進んでゆく。A点において、試験片R部の応力集中箇所から45°方向に最初のすべりが生ずる。

　　　図3.1　降伏現象　　　　　　　　　　図3.2　すべり変形

(2)
図3.1で、C点を超える伸びを受け塑性変形した試験片に，荷重除去後ただちに再荷重すると降伏点は表われない。

(3)
降伏点を越えて塑性変形を受けた試験片を荷重除去後、時間をおくか、低温焼鈍させた後、再荷重すると再び降伏点を示す。これをひずみ時効（strainageing）という。材料を強化する方法の一つである。図3.3(a)と(b)を比較すると降伏応力が上昇し、強度が上がっている。しかし、伸びは減少する。ひずみ時効の後に表われる降伏点に対して，塑性変形を与えていない処女試片に最初に応力を加えたときに表れる降伏を初期降伏（initial yielding）という。

(a) 徐荷後、直ちに再負荷　　　　　　　　 (b) 徐荷後焼鈍、再負荷
図3.3

(4)
降伏点に達すると，Luders帯(すべり線の集合体)が表われ，下降伏点においてこれが進行する。この進行は図3.1の水平部分(A'-C)に相当するほとんど一定応力（下降伏応力）にておこなわれ，試験片平行部全表面にLuders帯がひろがった後、はじめて，その帯内の歪がおこり，そのとき応力－ひずみ曲線はひずみ硬化(Strain hardening)によつて上向きの形をとりはじめる(図3.1　C点以降)。

(5)
上述の降伏現象および歪時効は炭素または窒素を含む場合にのみ表われる。多結晶鉄の降伏では，炭素または窒素を含む場合に表われることが明かにされ，単結晶鉄の降伏については，炭素を含む場合に表われることが示されている。

(6)
鉄鋼以外の他の金属でも固溶体にある不純物元素ないし添加元素を含むときに降伏点が表われる。これは（5）と同様に，多くの研究によつてわかつてきたことである。

3.2
降伏現象のメカニズム------ コットレルの転位のくぎ付けからの解放

(1)
コットレル雰囲気---- 炭素鋼が粘り強い理由
　転位線の真下の中心は原子面が抜けたため、結晶の格子がゆがんだ状態にあり、エネルギーの不安定な状態(転位が容易に移動できる原因)であり、この箇所に，CやNのような小さな溶質原子が侵入しやすい状況にある(コットレル雰囲気)，転位の真下の引き伸ばされた原子間に、CやNのような小さな溶質原子が入り込み、転位のポテンシャルエネルギーを下げる(格子のゆがみを解消させる方向)。結果として、転位は移動しにくくなる(コットレルの転位のクギ付け作用)。材料は強化される。

図3.4 転位のクギ付け作用

(2)
コットレルの転位のクギ付け作用からの脱出　上降伏点　Upper Yield Point
　転位は移動しにくくなり、材料は強くなるが、この強度の値にも限界があり、ある応力(上降伏応力)で、クギ付け作用から一気に解放される。いったん解放されると、転位の移動により、転位の増殖→転位の集積→応力集中→他の箇所でのクギ付け作用からの解放が繰り返され、転位は、本来の低いせん断応力(下降伏応力)で容易に移動できるようになる。試験片全体にすべりが広がる。

　図3.5　降伏現象における各部の応力の意味

(3)
ひずみ時効の現象 Strain aging
　降伏点をこえて塑性変形を受けた試験片に，荷重除去後ただちに再荷重した場合は、降伏点は表われない。荷重除去後、時間をおくか、低温焼鈍させた後、再荷重すると再び降伏点を示す。このことは、コットレルの転位のクギ付け作用から解放された転位の箇所に、再び、熱エネルギーを得てCやNのような小さな溶質原子が侵入し、転位をクギ付けし、材料は一層強化される。ひずみ時効は材料の強化法の一つである。

3.3
降伏現象の依存性

(1)
温度依存性
　降伏開始点は常温以下においてとくに著しい温度敏感性を示すことが多くの実験で明かにされている（図 3.6）。温度の効き方が激しく、たとえば液体空気温度(－192℃)では常温の約４倍である。

　図3.6　温度依存性　　　　　　　　図3.7　ひずみ速度依存性

(2)
ひずみ速度依存性
　上，下降点（以下とくにことわらないときは降伏開始点ないし上降伏点を降伏点と呼ぶことにする）はまた荷重速度ないしひずみ速度に著しく依存し，速度の増加とともに増していくことが多数の研究者によつて詳細にしらべられている（図3.7）。　

(3)
降伏遅れ
　静的降伏点，すなわち，いわゆる普通の引張り試験で観察される降伏点よりもわずかに低い一定の応力を加えておくと，数秒ないし数時間後に突然降伏がおごることが観察される。また，ClarkおよびWoodたちは，静的降伏点以上の一定応力を急に負荷してから降伏開始までの時間おくれを測定し，著しい降伏点を示す鉄鋼にかぎつておくれ時間が存在することおよびその時間が加えた応力および温度によつて著しく異なることを見出している（図3.8）。

　図3.8　降伏遅れ

(4)
フェライト結晶粒大きさの影響
　下降伏点に対しては，組織的なものとして常温におけるHallたちの実験結果（式(1)）、液体窒素温度におけるPetchの実験があり，これから下降伏点σ_y は、実験的にフェライト結晶粒平均直径dに対して、次式にて表わされる。この式を、Hall-Petchの式と呼び、金属組織と機械的性質との関係を表す重要な式である。
　Hallたちの実験では，σ_oは単結晶の降伏点に大体等しい。大部分フェライト組織のものでは炭素含有量に無関係に結晶粒の大きさだけによつて決まってくる。

Hall-Petchの式
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1)
　σy : 下降伏応力,σ_o : 単結晶の下降伏応力,　
　　k : 材料定数, d : フェライト結晶粒平均直径

　図3.9　結晶粒大きさの影響、常温 0.15%C炭素鋼
σ_y= 90.0 + 21.6d^-1/2 文献

　(a) 低炭素鋼の組織　　　　　　　　　(b)パーライトの拡大写真　　　　
　図3.10 0.15%C炭素鋼の顕微鏡組織

3.4
金属を強化する基本的な２つの考え方

(1)
転位のような欠陥を完全になくす
　金属中に存在する転位のような欠陥を完全になくすと理想的な強度になるが、現実的には困難である。しかし、実際の材料では、転位は1～10μm に1個存在する程度であるので、材料を1～10μm程度に細くすると転位が入らない確率が高くなり，理論的な材料の強さに近づく可能性がある。ウイスカー(whisker)、" ひげ結晶"が作られ、理論強度に近いことが分かったが、数mm程度の長さで実用的な研究がなされている。これに近いものとして、ボロンなどの金属繊維、炭素繊維，ガラス繊維(直径は10μm程度)などあり、ガラス繊維の引張強さ 3400 MPa ( 炭素鋼　400MPa)程度あり、複合材などに実用化されている。

(2)
転位を動きにくくする方法
　転位は小さな力で移動し、増殖するのであるから、転位を動きにくくする方法として、合金や加工硬化等の方法が実用化されている。

◆
母体の金属原子と大きさが異なる原子を合金
　結晶格子のゆがみが生じ、転位の移動の際大きなエネルギーが必要であり、転位の移動に対する抵抗となり，結果として強化される

　図3.11 合金による格子の変形

◆
コットレルの転位のくぎ付け理論
　転位の周辺はエネルギーの不安定な状態(コットレル雰囲気)が転位が容易に移動できる原因となっている。この箇所に，CやNのような小さな溶質原子が侵入し，エネルギーを下げる。結果として、転位が動きにくくなる．つまり、金属が強化される(コットレルのくぎ付け作用)。

◆
異種金属同士の合金
　異種原子間同士の結合は強く、結合を切るためのエネルギー大であり、転位が移動しにくくなる

3.5
点欠陥による強化

◆
転位の移動に対する障害物　点欠陥及びその集合
　温度が高くなると欠陥は指数関数的に増加することを応用する。純金属を高温から急冷すると焼き入れされたことになり、相変化の過程で原子が移動するとき、その途中で点欠陥が生成される。完全な相変化が完了せず、多くの欠陥が閉じこめられる。冷却速度が大きいほど閉じこめられる欠陥の数は多い。転位が分散している空孔を通るときに転位線に食い違いを生じ、これが多数あると転位は運動に大きな抵抗を受ける。

3.6
加工による強化

転位密度ρと塑性変形に必要な応力σの関係は次式のように求められている

　　　(2)

(1)
第１段階
　容易すべり範囲，都合の良いすべり面上を転位が最初にを移動する。転位の増殖の開始

(2)
第２段階
　他の応力の小さかったすべり面の転位も移動開始し、転位同士の交差，もつれ，転位の集積が生じ、それらが障害物となり、障害物が極端に多くなる。加工硬化が激しくなる。

　図3.12単結晶の応力ーひずみ曲線

(3)
第３段階
　転位が別のすべり面に逃げる交差すべりが発生する。

　金属を変形させ(加工)、転位密度を高くすると転位同士の交差，もつれ，転位の集積が生じ、それらが障害物となり、障害物が極端に多くなる。転位を移動させるには大きなせん断力が必要となり、結果として強化される。

3.7
結晶粒微細化による強化
　前節の説明のように，すべりが生ずる結晶面が決まっている。各々の結晶粒のすべり面と方向は異なる。これらが転位の移動に対して抵抗となる。材料力学の知識から、引張荷重を受けるときは、せん断応力の最大値は引張荷重に対して45ﾟの面に生ずる。せん断応力の最大値が転位の移動に必要なせん断力を超え、この面と結晶粒のすべり面が等しい結晶粒からすべりが開始する。図では矢印ですべり面を示した。ハッチングをした結晶粒からすべりが開始する。

(a)最大せん断応力と一致した
　すべり面からすべり開始　
(b)単結晶
　(c)多結晶

　図3.13　微細化するほどすべりに対する抵抗となる結晶が増大する。

　図3.2では単結晶の場合は比較的すべりは単純に表現できるが多結晶では各結晶粒のすべり面は異なるので実際は複雑なすべりとなる。
　結晶粒を小さくするとすべりに対して抵抗となる箇所(すべり面が異なる)が増加し，結果として強度が上昇する。また，結晶粒を小さいと、結晶内のすべり線の長さが短くなり、集積する転位の個数が少なく，集積による応力集中が小さくなる(2.8参照)。
　ホール・ペッチの実験式

　は、結晶粒が小さいほど降伏応力は高くなることを示している。

■
純鉄の結晶の変形と再結晶
　純鉄に0.5～2.2程度の塑性ひずみを引張試験機で与えた場合に図3.14のように結晶が変形する。変形前のフェライト結晶粒の平均粒径は60μmに熱処理により調整した。

小　← 変形　→　大
図3.14　純鉄の塑性変形の様相荷重は水平方向

(a) 熱処理前　破面近傍
(b) 650℃で3時間保持の熱処理

図3.15　再結晶現象を利用した細粒化

　図3.15(a)は図3.14と同じ純鉄に大きな塑性変形を与えた後の写真である。その後、電気炉で650℃で3時間保持の熱処理をした場合、図3.15(b)のように再結晶により小さな結晶粒となり材料は強化される。
　温度を上げると加工によって、格子欠陥、転位などの形で結晶内部に蓄えられたひずみエネルギーが解放され、転位が消滅してゆく(回復)。つまり、内部ひずみの少ない亜結晶が転位密度の高い部分を吸収して成長し、ひずみの少ない結晶粒に成長する。これを再結晶現象という。熱処理前の加工が大きいほど小さな再結晶粒が形成される。
　材料の強度試験を行うとき、母材から切り出し、加工した試験片は旋盤や研削盤などの加工により、表面近傍は強度に変形を受けた状態にある。この影響を避けるため、試験前に必ず試験片のひずみ取り熱処理を行う。この回復、再結晶現象を利用している。

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