金属疲労き裂の治癒技術の開発早稲田大学理工学術院基幹理工学部機械科学・航空学科講師細井厚志 1 開発技術の概要金属のき裂を真空熱処理を施すことで修復させる技術精密加工部品や高価な金属を使用した部品のリサイクルに期待酸化膜疲労き裂導入真空熱処理原子拡散誘起によるき裂治癒 2 従来技術とその問題点既に実用化されている補修方法は、き裂先端に円孔を開け応力集中を低減させる方法、溶接金属でき裂を接合させる方法、熱間等方圧加圧（HIP）法などがあるが円孔は一時的な対処法、短いき裂には不向き溶接によって割れ等の欠陥の発生や引張残留応力を増加させ、補修後の品質保証が困難 HIP法は大掛かりな設備が必要等の問題がある。金属材料においてはき裂表面の酸化物がき裂の再接合を阻害するため、根本的なき裂治癒が困難 3 金属き裂修復の先行技術高密度電流場制御による疲労き裂治癒き裂治癒の原理疲労き裂治癒の実現とき裂進展速度の定量評価 Closely spaced electroad Crack growth rate, da/dN m/cycle -7 Crack High-density electric current field 10 9 8 7 6 5 4 3 2 before after -8 10 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Crack length, a-a0 mm デジタル画像相関法によるき裂閉口効果の定量評価理論的にK値を算出 1.0 x10 -3 0.5 500mm ・高密度電流場制御により疲労き裂治癒に成功・デジタル画像相関法による理論的に K値を算出し，き裂進展における治癒状態を定量評価 0.0 A. Hosoi, K. Tomoya, Y. Ju, Materials, 2013, 6, 4213-4225. A. Hosoi, T. Nagahama, Y. Ju, Mater. Sci. Eng. A, 2012, 533, 38-42. -0.5 0.0 0.5 1.0 x10 -3 1.5 2.0 4 試験方法概要 1. ステンレス鋼試験片に材料表面から疲労き裂（8mm, 5mm）を導入 2. 真空熱処理にてき裂を修復 3. き裂修復効果の確認  走査型電子顕微鏡による表面観察  静的引張試験  疲労試験 5 試験片材料：オーステナイト系ステンレス鋼 SUS316 試験片の化学組成 [wt.%]. C Si Mn P S Ni Cr Mo Fe 0.04 0.65 0.91 0.036 0.001 10.26 16.89 2.07 Balance 試験片加工による残留応力除去のため固溶化処理を施した。 CT試験片 6 疲労予き裂の導入負荷条件応力比 R Sample 2 ΔK =25 MPa・m1/2 Pmax＝3.5 kN 一定一定 0.05 0.05 周波数 f 10 Hz 10 Hz き裂長さ a 8 mm 5 mm 評価方法静的引張試験疲労試験クリップゲージ荷重方向 Sample 1 7 き裂修復熱処理条件 Temperature 真空加熱後急冷 ④ ② ③ ⑤ ① Time 8 新技術の特徴・従来技術との比較 • 真空中で特定の条件で熱処理を行うことにより、金属のき裂表面の酸化皮膜を除去し、き裂を修復することに成功した。 • 酸化皮膜が除去された状態では、き裂面が清浄化されているためき裂面で金属原子が結びつきやすく、原子レベルでき裂が修復される。 • 本技術の適用により、精密加工部品や高価な金属を使用した部品のリサイクルが期待される。 9 想定される用途 • 本技術の特徴を生かすためには、精密機械部品や高価な金属部品のき裂修復に適用することで材料・加工・メンテナンスコスト削減のメリットが大きいと考えられる。 • き裂修復による、構造材料の長寿命化による長期耐久性の向上も期待される。 • また、達成された熱処理技術による金属き裂修復技術に着目すると、社会インフラの保守に展開することも可能と思われる。 10 実用化に向けた課題 • 現在、実験室レベルの試験片によりき裂修復効果を確認。ステンレス鋼において、き裂修復部の静的引張強度は健全部と比べて約70%の強度回復を確認。 • 今後、各種金属材料について実験データを取得し、き裂修復における最適条件を模索する。 • 実用化に向けて、任意のき裂サイズ、き裂部位に合わせた修復技術を確立する必要もある。合わせて、実構造物への応用に向け、持ち運び可能な装置開発が必要。 11 企業様への期待 • 未解決の任意のき裂サイズやき裂部位における修復については、熱処理条件や冷却条件をコントロールすることにより克服できると考えている。 • 熱処理装置の開発技術を持つ、あるいはき裂修復技術に関心の高い企業との共同研究を希望。 • また、熱処理技術を有する企業、機械・構造物等の保守・メンテナンス分野への展開を考えている企業には、本技術の導入が有効と思われる。 12 本技術に関する知的財産権 • 発明の名称：金属部材のき裂修復方法及びき裂修復装置 • 出願番号：特願2014-142623 • 出願人：学校法人早稲田大学 • 発明者：細井厚志、巨陽、浅岡幸靖 13 お問い合わせ先早稲田大学産学官研究推進センターＴＥＬ０３－５２８６－９８６７ＦＡＸ０３－５２８６－８３７４ e-mail [email protected] 14