表面改質技術Scanning Cyclic Pressによる金属の改質機構の解明

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本研究では、振動するインデンタで低荷重の圧縮負荷を材料表面に走査しながら与えることで表層を改質する技術：Scanning Cyclic Press（SCP）の加工パラメータが金属の表層組織や構造、機械的性質の変化に及ぼす影響を表面改質実験と数値解析に基づいて検討し、本技術による改質機構を明らかにすることを目指している。SCPでは、負荷の大きさやその繰返し数、付与する速さなどを加工パラメータとして設定することができる。これらパラメータのうち、2022年度は負荷の大きさに着目し、以下の検討を行った。表面改質実験では、マグネシウム合金の丸棒試験片に対して、2種類の負荷の大きさでSCPを施し、各試験片の断面組織をSEM/EBSD法で観察した。その結果、試験片表層に微細粒や双晶を含む改質層が形成されたことが確認された。負荷の大きさの違いに着目すると、負荷が大きい方がより表層組織が微細化され、より深くまで改質層が形成されていた。各試験片の断面において、表面から材料内部への硬さ分布をナノインデンテーションで測定した結果、表面の硬さは内部に比べて高かったが、そこから数百μmほど内部に行くに従って徐々に下がる傾向が得られた。硬さ分布についても、負荷の大きさが大きい方が表面の硬さが高く、より内部まで硬くなっていた。改質組織と負荷との関係を検討するため、SCPの負荷過程を「丸棒試験片にインデンタ（球）を1回だけ押し込んで圧縮荷重を負荷し、これを除荷する」と単純化したモデルを作成して有限要素法による弾塑性接触解析を行い、試験片表層に生じる応力分布やひずみを推定した。その結果、圧縮負荷を加えたときにインデンタとの接触部直下が降伏し、除荷後の表層には塑性ひずみが残留することが示された。また、降伏した領域や塑性ひずみが残留する深さは、各試験片断面で観察された改質組織と概ね対応することが示された。