界面損傷力学による鍛造用硬質被膜工具の工具母材－被膜界面挙動に対する有限要素解析

摘要

鍛造用工具においては，摩耗，焼付きや塑性変形による破損を防ぐために，TiNやTiCなどの硬質被膜を施した工具が多く使用され，また多くの研究がなされているしかし，実際の被膜工具の使用状況下では，被膜のはく離や被膜自身の破壊等の問題がある．特に被膜と工具との材料特性の違いに起因する界面の非適合な変形により硬質被膜の界面はく離が生じやすい．被膜工具のさらなる発展には，このような界面挙動の把握やはく離強度あるいは寿命の実験的ならびに解析的側面からの評価が重要であり，研究が進められている．特に解析的には，工具－被膜をモデル化した有限要素解析がこれまでに多く行われている．それらの多くは，スクラッチ試験などのような平板上の被膜を対象にしている．しかし，実際の鍛造における被膜工具と素材の変形の関係は，スクラッチ試験や押込み試験におけるそれとは逆になっている．さらに，従来の解析では，界面は損傷·はく離のない完全に密着した状態を仮定しており，界面の力学的負荷による劣化を考慮に入れた解析例は少ない．近年，複合材料の異種材料界面のはく離挙動評価に界面損傷力学(Interface Damage Mechanics)が適用されさまざまな界面はく離挙動に適用され成果を挙げている．本論文では，鍛造用工具の硬質被膜の界面挙動を実際の鍛造工程により近い条件下で評価するため，界面損傷力学を硬質被膜界面に適用し，有限要素解析を行う．はじめに，界面はく離挙動の解明のための半球状の被膜工具の押込みモデルを提案する．つづいて，工具－硬質被膜界面の挙動を界面損傷力学的に記述する．さらに，Ma ＆ Kishimotoによる非線形界面ばねモデルを用いて押込みモデルの有限要素解析を行い界面の変形·損傷挙動を調べる．その結果から，界面はく離の様相を明らかにする．