JP2000280097A - 塑性流動化による材料成形方法 - Google Patents

塑性流動化による材料成形方法

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JP2000280097A
JP2000280097A JP11089805A JP8980599A JP2000280097A JP 2000280097 A JP2000280097 A JP 2000280097A JP 11089805 A JP11089805 A JP 11089805A JP 8980599 A JP8980599 A JP 8980599A JP 2000280097 A JP2000280097 A JP 2000280097A
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Yoshihisa Kato
喜久 加藤
Takeshi Shinoda
剛 篠田
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Daido Steel Co Ltd
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    • B30B11/22Extrusion presses; Dies therefor
    • B30B11/26Extrusion presses; Dies therefor using press rams
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
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    • B22F3/02Compacting only
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】簡単な設備で加工できるとともに加工の制御・
操作が容易であり、且つ低いエネルギーコストで高密
度,高強度,高延性の成形体の得られる材料成形方法を
提供する。 【解決手段】雌型10の凹所12内に金属の成形材料1
6を装填し、加圧ロッド18を雌型10に対し相対回転
させつつ凹所12内に押し込んで成形材料16を摩擦発
熱により軟化及び塑性流動化させ、塑性流動化した成形
材料16を雌型10の孔14より押し出して孔14に対
応した断面形状に成形し、或いは別途に設けた成形型2
2の成形空洞26内に押し込んで成形空洞26に対応し
た形状に成形する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は機械部品,自動車
及び鉄道車両部品,OA機器部品,航空機部品,船舶用
機器部品,医療機器部品等に適用可能な塑性流動化によ
る金属材料の成形方法に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】金属材
料の成形方法として、従来粉末冶金による方法が広く実
施されている。この粉末冶金による方法は結晶粒を細か
くできる方法であるが、密度の限度が95%程度と完全
に高密度部品ができないし更に吸着ガスの影響でポロシ
ティができ易く、欠陥防止のため成形圧力,成形温度を
高くする必要があり、ひいては金型寿命を著しく短いも
のとしている。
【0003】また粉末冶金法にて得た焼結体は延性,強
度が不足しているため塑性加工のような複雑な加工は困
難であり、更に各種加工,熱処理時の収縮量の予測及び
制御が極めて困難であるなど未だ問題点も多い。
【0004】他方、金属材料の成形方法として熱間押出
しによる方法も行われている。しかしながらこの熱間押
出しによる方法においてはエネルギーコストが高いなど
各種の問題点が内在している。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の成形方法はこの
ような課題を解決するために案出されたものである。而
して請求項1の成形方法は、雌型の凹所内に金属の成形
材料を装填し、加圧ロッドを該雌型に対し相対回転させ
つつ該凹所内に押し込んで該成形材料を摩擦発熱により
軟化及び塑性流動化させ、該塑性流動化した成形材料を
該雌型の孔より押し出して該孔に対応した断面形状に成
形することを特徴とする。
【0006】請求項2の成形方法は、雌型の凹所内に金
属の成形材料を装填し、加圧ロッドを該雌型に対し相対
回転させつつ該凹所内に押し込んで該成形材料を摩擦発
熱により軟化及び塑性流動化させ、該塑性流動化した成
形材料を該雌型の孔より別途の成形型の成形空洞内に押
し出して該成形空洞内に充満させ、該成形材料を該成形
空洞に対応した形状に成形することを特徴とする。
【0007】請求項3の成形方法は、雌型の凹所内に金
属の成形材料を装填し、加圧ロッドを該雌型に対し相対
回転させつつ該凹所内に押し込んで該成形材料を摩擦発
熱により軟化及び塑性流動化させて該凹所内に充満さ
せ、該凹所に対応した形状に成形することを特徴とす
る。
【0008】請求項4の成形方法は、請求項1〜3の何
れかに記載の材料成形方法において、前記成形材料が粉
体若しくは粒体又はそれらの圧縮体から成っていること
を特徴とする。ここで粉体としては粉砕粉,切削粉であ
ったり、これらを含むものであっても良い。
【0009】
【作用及び発明の効果】本発明では、雌型の凹所内に金
属の成形材料を装填し、加圧ロッドをその雌型に対し相
対回転させつつ凹所内に押し込んで成形材料を摩擦発熱
させてこれを軟化及び塑性流動化させ、そしてその塑性
流動化した成形材料を雌型の孔より押し出してその孔に
対応した断面形状に成形し(請求項1)、或いは別途の
成形型の成形空洞内に充満させて、その成形空洞に対応
した所定形状に成形する(請求項2)。或いはその雌型
の凹所内に塑性流動化した成形材料を充満及び加圧し、
その凹所に対応した形状に成形する(請求項3)。
【0010】本発明では成形材料を摩擦発熱により塑性
流動させれば良く、従って雌型と加圧ロッドとの相対回
転の手段として雌型を固定、加圧ロッドを回転させても
良いし、或いは逆に加圧ロッドを固定、雌型を回転運動
させても良い。更には両者を互いに逆方向に回転運動さ
せることもできるし、また両者を所定の速度差をもって
互いに同一方向に回転運動させるようにすることもでき
る。
【0011】また成形材料が高融点材料である場合のよ
うに塑性流動に必要な温度を摩擦熱のみで与えられない
場合には、外部熱源を併用して予熱等を行うこともでき
る。
【0012】本発明はアルミニウム,アルミニウム合
金,マグネシウム合金等の低融点金属に特に有効である
が、鋼,ステンレス鋼,銅合金等の高融点材料にも勿論
適用可能である。
【0013】加工の雰囲気は通常大気中で良いが、チタ
ン合金のような活性材料に対してはアルゴン等の不活性
ガス雰囲気や真空等の雰囲気で行うことができ、またや
や活性な銅等の材料では窒素或いは炭酸ガス雰囲気を用
いることもできる。
【0014】本発明によれば、塑性流動により金属組織
が分断・微細化し、所謂ペッチの法則によって成形体の
強度が高強度化する。また必要な製造設備が簡単で、し
かも加工処理の制御・操作も容易である。
【0015】そして請求項1によれば、熱間押出しに比
べて低いエネルギーコストで押出成形を行うことがで
き、また請求項2によれば成形型の成形空洞の形状を適
宜の形状としておくことにより、所望の形状の或いは複
雑な形状の成形体を簡単に得ることができる。或いはま
た請求項3によれば雌型の凹所に対応した成形体が得ら
れる。
【0016】本発明では、成形材料として各種形態のも
のを用いることができるが、本発明は金属の粉体,粒体
又はその圧粉体等の圧縮体を成形材料として用いた場合
に優れた効果を発揮する(請求項4)。
【0017】これらの成形材料を用いて上記方法で成形
を行ったとき、粉末粒子の1つ1つ或いは粒体の1つ1
つが摩擦発熱によりそれぞれ軟化して粒内及び粒間で塑
性流動を生じ、全体として1つの成形体となる。このと
き粒の1つ1つが互いに磨砕或いは破砕されて微細化し
た上で互いに融合融着一体化し高密度化する。
【0018】この方法の場合、焼結による方法と異なっ
て粉体又は粒体の粒と粒との間に存在していた空隙を塑
性変形と加圧力により圧着し封じることができ、高密度
化することができ、また粒同士の融合融着によって成形
体を高密度化することができる。
【0019】尚この場合において主たる粉末粒子に低融
点粉末粒子を混合しておけば局部溶融を生じ易く、より
強固な結合を得ることができる。また場合によって金属
粉末の中に他の材質例えばセラミックス粒子等を混在さ
せ複合材料化させることも可能である。
【0020】
【実施の形態】次に本発明の実施の形態を図面に基づい
て以下に詳しく説明する。図1において、10は断面円
形の凹所12を有する円筒形状の雌型(ダイス)で軸方
向端に凹所12に連通する孔14を有している。16は
金属の成形材料で、18はこれを加圧する加圧ロッドで
ある。加圧ロッド18は断面円形の丸棒から成ってお
り、その外径は凹所12の内径と同一径か若しくはやや
小さくされている。尚孔14の部分には栓15等を設
け、成形材料16を軟化、塑性流動化して均一化するた
めにチャンバー内で加圧できるようにすることもでき
る。
【0021】ここで成形材料16の形態は各種形態が可
能である。例えばこの成形材料16は鋳塊状であっても
焼結体であっても良いし、或いは粉体(粉砕粉,切削粉
等を含む)や粒体若しくはそれらをプレス成形した圧縮
体であっても良い。この点は以下の各実施形態について
も同様である。
【0022】この実施形態では、雌型10の凹所12内
に成形材料16を装填し、そして加圧ロッド18を高速
回転させつつ凹所12内に挿入する。そして加圧ロッド
18の高速回転に基づいて成形材料16を摩擦発熱によ
り軟化及び塑性流動させ、これにより塑性流動した成形
材料16を雌型10の孔14から連続的に押し出す。こ
れにより孔14に対応した断面形状の成形体20を得る
ことができる。
【0023】図2は本発明の他の実施の形態を示したも
ので、ここでは雌型10に連設するようにして内部に成
形空洞26を有する成形型22を設け、加圧ロッド18
の回転により軟化及び塑性流動化した成形材料16を、
雌型10の孔14及び成形型22の導入孔24を通じて
成形空洞26内に充填し、以ってその成形空洞26に対
応した形状の成形体30を得るようにしたものである。
【0024】尚ここでは成形型22に成形空洞26に連
通するガス抜孔28が設けてあるが、成形型22を多孔
質体にて構成しておくことによりこのガス抜孔28を省
略することも可能である。
【0025】この実施形態において、成形材料16の摩
擦発熱だけでは十分な塑性流動が起きない場合、雌型1
0,成形型22等を外部熱源にて適切な温度に予熱して
おいても良い。
【0026】図3は本発明の更に他の実施の形態を示し
たもので、ここでは上記2つの実施の形態のように塑性
流動化した成形材料16を雌型10から押し出さず、雌
型10の凹所12内に装填した成形材料16を加圧ロッ
ド18の回転及び加圧により軟化及び塑性流動化させて
凹所12内に充満させ、そのまま凹所12に対応した形
状に成形するようになしたものである。
【0027】尚この実施形態においても成形材料16と
して各種形態のものを用い得るが、特にこの実施形態に
おいては粉体若しくは粒体から成る成形材料16の成形
に適用して好適である。この場合粉体或いは粒体から成
る成形材料16を塑性流動及び加圧により高圧縮した成
形体32を得ることができる。尚この図3における実施
形態で得た成形体32を、図1及び図2の実施形態にお
ける成形材料16として用いることもできる。
【0028】これら実施形態によれば、塑性流動により
金属組織が分断・微細化し、所謂ペッチの法則によって
成形体20,30,32の強度が高強度化する。また必
要な製造設備が簡単でしかも加工処理の制御・操作も容
易である。
【0029】そして図1,図2の実施形態によれば、熱
間押出しに比べて低いエネルギーコストで押出成形を行
うことができ、また図2の実施形態によれば成形型22
の成形空洞26の形状を適宜の形状としておくことによ
り、所望の形状の或いは複雑な形状の成形体30を簡単
に得ることができる。或いはまた図3の実施形態によれ
ば、雌型10の凹所12に対応した成形体32が得られ
る。
【0030】これら実施形態においては各種形態の成形
材料16を用い得るが特に粉体,粒体若しくはそれらの
圧縮体を用いたとき以下の利点が得られる。即ち粉体又
は粒体の粒の1つ1つが摩擦発熱によりそれぞれ軟化し
て粒内及び粒間で塑性流動を生じ、全体として1つの成
形体20,30,32となり、そしてこのとき粒の1つ
1つが互いに磨砕或いは破砕されて微細化した上で、互
いに融合融着一体化し高密度化する。
【0031】この方法の場合、焼結による方法と異なっ
て粒と粒との間に存在していた空隙が塑性変形と加圧力
とにより圧着され、封じられるとともに粒同士の融合融
着によって成形体20,30,32が高密度化する。
【0032】
【実施例】次に本発明の実施例を以下に説明する。図2
の方法に従い、以下の加圧ロッド18,雌型10,成形
型22を用いて下記の条件で成形材料16の成形を行っ
た。 (イ)加圧ロッド18 材質:粉末高速度工具鋼(1.3C−4Cr−5Mo−
6.5W−3V−8Co−FeBal.) 外径:φ62mm (ロ)雌型10 材質:SKD61 凹所12内径:φ62mm (ハ)成形型22 材質:SKD61 (ニ)成形材料16 材質:Al−13Si共晶合金(AC8A相当) 形態:粉末の圧粉体(プレス成形体) 粉末粒度:25〜200Mesh 圧粉体外径:φ60mm 圧粉体高さ:15mm
【0033】<成形操作>雌型10及び成形材料16を
固定状態として加圧ロッド18を1500rpmで高速
回転させつつ凹所12内に挿入して成形材料16を雌型
10に対し回転運動させ、摩擦発熱によってこれを融点
直下(この例では650℃)の温度まで昇温させて軟化
させ、その後荷重2tをかけて加圧ロッド18を0.2
mm/secの速度で押し込み、塑性流動化した成形材
料16を成形型22の成形空洞26内に充填し、成形体
30(外径22mm,高さ16mmの袋ナット)を得
た。尚成形型22は予め300℃に予熱しておいた。こ
の結果形状が良好で高密度,高強度且つ高延性の袋ナッ
トを得ることができた。
【0034】以上本発明の具体例を詳述したがこれらは
あくまで一例示であり、本発明はその主旨を逸脱しない
範囲において種々変更を加えた態様で実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態の説明図である。
【図2】本発明の他の実施形態の説明図である。
【図3】本発明の更に他の実施形態の説明図である。
【符号の説明】
10 雌型(ダイス) 12 凹所 14 孔 16 成形材料 18 加圧ロッド 20,30,32 成形体 22 成形型 26 成形空洞

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 雌型の凹所内に金属の成形材料を装填
    し、加圧ロッドを該雌型に対し相対回転させつつ該凹所
    内に押し込んで該成形材料を摩擦発熱により軟化及び塑
    性流動化させ、該塑性流動化した成形材料を該雌型の孔
    より押し出して該孔に対応した断面形状に成形すること
    を特徴とする塑性流動化による材料成形方法。
  2. 【請求項2】 雌型の凹所内に金属の成形材料を装填
    し、加圧ロッドを該雌型に対し相対回転させつつ該凹所
    内に押し込んで該成形材料を摩擦発熱により軟化及び塑
    性流動化させ、該塑性流動化した成形材料を該雌型の孔
    より別途の成形型の成形空洞内に押し出して該成形空洞
    内に充満させ、該成形材料を該成形空洞に対応した形状
    に成形することを特徴とする塑性流動化による材料成形
    方法。
  3. 【請求項3】 雌型の凹所内に金属の成形材料を装填
    し、加圧ロッドを該雌型に対し相対回転させつつ該凹所
    内に押し込んで該成形材料を摩擦発熱により軟化及び塑
    性流動化させて該凹所内に充満させ、該凹所に対応した
    形状に成形することを特徴とする塑性流動化による材料
    成形方法。
  4. 【請求項4】 請求項1〜3の何れかに記載の材料成形
    方法において、前記成形材料が粉体若しくは粒体又はそ
    れらの圧縮体から成っていることを特徴とする塑性流動
    化による材料成形方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013082965A (ja) * 2011-10-07 2013-05-09 Gunma Univ ポーラスメタルの製造方法、ポーラスメタル
CN111151760A (zh) * 2020-01-20 2020-05-15 哈尔滨工业大学 一种形变驱动固相挤压装置及用该装置一步法制备合金棒材的方法

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