JP2003136177A

JP2003136177A - 筒状部材の押出成形用金型、その成形方法および成形装置

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Publication number: JP2003136177A
Application number: JP2001329653A
Authority: JP
Inventors: Fumio Nonoyama; 史男野々山; Koji Tanaka; 浩司田中; Nobuhiko Matsumoto; 伸彦松本
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2001-10-26
Filing date: 2001-10-26
Publication date: 2003-05-14

Abstract

(57)【要約】【課題】金属基複合材料からなる優れた特性の筒状部材
を、効率的に製造できる押出成形用金型を提供する。【解決手段】金属マトリックス中に強化材の分散したビ
レットを収容し得る柱状の内部空間を有する収容部と、
該収容部より押出方向前方側にあり所望する筒状部材の
外形状に応じて該収容部の内部空間より縮小した柱状の
内部空間を有する成形部と、該収容部と該成形部との間
に介在し該収容部から該成形部にかけて該内部空間を縮
小させつつ滑らかに接続するダイス部と、少なくとも該
成形部の内部空間の中央で軸方向に延在する柱状のマン
ドレルと、からなることを特徴とする筒状部材の押出成
形用金型。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属基複合材料か
らなる筒状部材の成形に適した押出成形用金型と、その
押出成形用金型を用いた筒状部材の成形方法および成形
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近は、あらゆる装置や部品に軽量コン
パクト化と高性能化との両立が求められている。例え
ば、高速運動するよう部材（例えば、ピストンピン等）
には、その軽量化と共に優れた強度、剛性等が要求され
る。以下では、一例として、そのピストンピンを例にと
り説明する。現在のピストンピンは、その軽量化のため
に、中空状、つまり円筒状に加工されている。また、大
きな爆発力や慣性力を受ける中央部（コンロッドとの結
合位置）は厚肉としつつも、作用する応力が比較的少な
い両端部内周側を薄肉としたテーパ状の加工もなされて
いる。さらには、特開平７−１３９６２９号公報には、
特殊な内側形状をした円筒状ピストンピンも開示されて
いる。

【０００３】しかし、ピストンピンの形状は、ピストン
やコンロッド等との寸法関係のみならず、強度、剛性
（撓み）等を考慮して決定される。このため、従来のＳ
ＣｒやＳＣＭ等の合金鋼を使用している限り、これら以
上の形状変更は難しく、さらなる軽量化を図ることは難
しい。例えば、薄肉化し過ぎると、ピストンピンの撓み
が増し、ピストンピン外周面とピストンのピンボス内周
面との間で接触面圧分布が不均一になって、早期摩耗や
スカッフ等を起し得るからである。そこで、現在では、
従来の合金鋼に替えて金属基複合材料を使用し、ピスト
ンピンを製作することが検討されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】金属基複合材料は、
鉄、アルミ等の金属マトリックス中に、ホウ化物、窒化
物、酸化物等のセラミックス粒子等からなる強化材を分
散させたものである。この金属基複合材料を使用する
と、強化材の種類や分散量等を調整することにより、強
度や剛性の調整が容易となり、従来の合金鋼以上に、強
度や剛性に優れた素材が得られる。

【０００５】しかし、この金属基複合材料は、一般に強
度、剛性等の向上を図り易い反面、延性に乏しい。この
ため、金属基複合材料からなる素材に、従来の方法で鍛
造、押出し等の強加工を施した場合、その表面や内部に
割れ等を発生することも多い。そこで、素材端部にポン
チ等で背圧をかけて鍛造する装置や特開平５−１９５０
１４号公報に開示された装置等も考えられるが、構成が
複雑で実用的なものではない。特に、熱間鍛造、熱間押
出しするようば場合、複雑な機構は好ましくない。さら
に、金属基複合材料は、硬質のセラミックス粒子が金属
マトリックス中に分散しているため、切削加工等も困難
である。従って、歩留り良く、効率的に、簡易に金属基
複合材料を加工できる実用的な手段は従来殆どなかっ
た。特に、金属基複合材料の素材を筒状に形成する場
合、後述するように、単純な鍛造や押出し等では所望の
特性を得ることが困難である。

【０００６】本発明は、このような事情に鑑みて為され
たものであり、金属基複合材料からなる所望の筒状部材
を比較的容易に加工できる押出成形用金型を提供するこ
とを目的とする。また、その押出成形用金型を用いた筒
状部材の成形方法および成形装置を提供することを目的
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者はこの
課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、
成形用金型の外周側に適度な絞りを設けることを思いつ
き本発明を完成するに至った。すなわち、本発明の押出
成形用金型は、金属マトリックス中に強化材の分散した
ビレットを収容し得る柱状の内部空間を有する収容部
と、該収容部より押出方向前方側にあり所望する筒状部
材の外形状に応じて該収容部の内部空間より縮小した柱
状の内部空間を有する成形部と、該収容部と該成形部と
の間に介在し該収容部から該成形部にかけて該内部空間
を縮小させつつ滑らかに接続するダイス部と、少なくと
も該成形部の内部空間の中央で軸方向に延在する柱状の
マンドレルと、からなることを特徴とする。

【０００８】本発明の押出成形用金型を用いて押出成形
（または鍛造成形）を行うと、金属基複合材料からなる
ビレットは、例えば、次のようにして筒状部材に加工さ
れる。押圧されたビレットは、収容部からダイス部に至
り、そのダイス部で外周側が絞られる。ビレットの外周
側は、この段階で先ず強加工を施されて、成形部に押出
されていく。次に、成形部の中央にあるマンドレルによ
って、ビレットの中央部が強加工され、筒状に成形され
る。なお、ビレットの外周部と中央部との加工順序は、
マンドレルの先端部の位置により変化する。つまり、中
央部の加工が先になる場合もあれば、両者が同時に加工
される場合もある。

【０００９】このように、本発明の押出成形用金型を用
いて筒状部材を製作すると、筒状部材の内部および外部
に必要な圧縮加工が加えられ、それらに割れ等が発生す
ることが殆どなくなる。また、ビレット内の位置の相違
による変形量差も全体に小さくなり、強化材の分散性に
優れた均質的な筒状部材が得ることも可能となる。この
ようにして得られた筒状部材は、強度、剛性は勿論、靱
性、疲労強度等にも優れた特性を発揮する。しかも、本
発明の押出成形用金型を使用した場合、比較的小さな押
出し比で所望する特性の筒状部材を成形し得ることも明
かとなった。よって、各種特性に優れる筒状部材が、容
易に製作でき、歩留り、生産性または低コスト化等の著
しい向上を図ることが可能となった。

【００１０】（筒状部材の成形方法）本発明は、上記押
出成形用金型に限らず、それを用いた筒状部材の成形方
法としても把握できる。すなわち、本発明は、金属マト
リックス中に強化材の分散したビレットを押出成形用金
型に収容する収容工程と、該収容工程後に該ビレットを
押圧して押出成形する押出工程とを備える筒状部材の成
形方法であって、前記押出成形用金型は、前記ビレット
を収容し得る柱状の内部空間を有する収容部と、該収容
部より押出方向前方側にあり所望する前記筒状部材の外
形状に応じて該収容部の内部空間より縮小した柱状の内
部空間を有する成形部と、該収容部と該成形部との間に
介在し該収容部から該成形部にかけて該内部空間を縮小
させつつ滑らかに接続するダイス部と、少なくとも該成
形部の内部空間の中央で軸方向に延在する柱状のマンド
レルと、からなることを特徴とする筒状部材の成形方法
としても良い。

【００１１】（筒状部材の成形装置）本発明は、さら
に、上記押出成形用金型を用いた筒状部材の成形装置と
しても把握できる。すなわち、本発明は、金属マトリッ
クス中に強化材の分散したビレットを収容する押出成形
用金型と、該押出成形用金型に収容された該ビレットを
押圧して押出成形するラムとを備える筒状部材の成形装
置であって、前記押出成形用金型は、前記ビレットを収
容し得る柱状の内部空間を有する収容部と、該収容部よ
り押出方向前方側にあり所望する前記筒状部材の外形状
に応じて該収容部の内部空間より縮小した柱状の内部空
間を有する成形部と、該収容部と該成形部との間に介在
し該収容部から該成形部にかけて該内部空間を縮小させ
つつ滑らかに接続するダイス部と、少なくとも該成形部
の内部空間の中央で軸方向に延在する柱状のマンドレル
と、からなることを特徴とする筒状部材の成形装置とし
ても良い。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に、実施形態を挙げ、本発明を
より詳しく説明する。なお、以下に説明する内容は、本
発明の押出成形用金型のみならず、筒状部材の成形方法
または成形装置にも適宜妥当することである。（１）押出し比と相当歪み金属マトリックス成分である純鉄（Ｆｅ）中に、強化材
であるホウ化チタン（ＴｉＢ₂）を２０体積％分散させ
た金属基複合材料を例にとり、押出し比と特性（ヤング
率と相対密度）との関係を図１に示した。図１（ａ）の
予混合（Ｐｒｅ−ｍｉｘ）した金属基複合材料は、Ｆｅ
粉末中にＴｉＢ₂粉末を予め混合させてから焼結させた
ものであり、押出し比４また９で軸押出成形した場合を
示した。このとき、焼結条件は１２５０℃×１０時間、
軸押出成形のビレット加熱は１１００℃、金型予熱は４
５０℃とした。同図（ｂ）の反応合成（Ｉｎ−ｓｉｔ
ｕ）した金属基複合材料は、フェロボロン粉末とフェロ
チタン粉末とを所定割合で混合して焼結させてＴｉＢ₂
粒子を反応合成（析出）させたものである。焼結条件、
軸押出成形条件は、予混合の場合と同じである。

【００１３】この図１から、予混合させた金属基複合材
料でも、反応合成させた金属基複合材料でも、押出し比
４で２２０ＧＰａ以上のヤング率と、９５％以上の相対
密度が得られている。ちなにみ、合金鋼のヤング率は２
１０ＧＰａ程度である。また、相対密度とは、得られた
金属基複合材料の密度の材料組成から求まる真密度に対
する割合である。

【００１４】次に、図１の押出し比４で軸押出成形した
場合の相当歪分布を、ＦＥＭ（有限要素法）解析により
求めた結果を図２に示す。このときの平均相当歪は約
１．４であったが、図２から判るように、外周側の相当
歪はかなり大きいものの、中央部の相当歪は１．２程度
であった。また、平均相当歪は約１．４であった。そし
て、この押出成形した金属基複合材料は、強度、剛性等
に関して十分な特性を発揮することも本発明者は確認し
ている。

【００１５】このような図１および図２の結果から本発
明者は、強度、剛性、靱性等の特性に優れた金属基複合
材料からなる筒状部材を得るためには、各部の相当歪が
１．２以上であれば良いと考え、さらなる検討を加え
た。なお、相当歪（ε_eq）とは、加工素材に加わる変形
量を指標するものであり、式（１）で表される。（ｄε_eq）²＝２｛（ｄε₁−ｄε₂）²＋（ｄε₂−ｄε₃）² ＋（ｄε₃−ｄε₁）²｝／９（１）なお、ε₁、ε₂、ε₃は３軸方向の歪みである。

【００１６】（２）相当歪と金型の形状次に、本発明者は、Ｆｅ中にＴｉＢ₂粒子（２０体積
％）が分散している中実円柱状の金属基複合材料のビレ
ットから、円筒状部材を成形することを考えた。この検
討で使用したビレットの形状を図３（ａ）に示す。ま
た、そのビレットを鍛造により前後方穿孔加工した後の
形状を同図（ｂ）に示す。さらに、その鍛造品の中間に
ある節を打抜いた円筒部材の形状を同図（ｃ）に示す。
使用した金型は、同図（ｂ）に示す寸法の内径を持つ円
筒状の金型（コンテナ）と、下方から延びる下ポンチ
と、ラム等により押圧される上ポンチからなる。このと
きの押出し比は１．３で、減面率は約３０％である。

【００１７】この鍛造加工をＦＥＭ解析した結果を図４
に示す。この場合、相当歪（つまり、加工度合）が全体
的に低く、円筒部材の外周側で殆ど変形が加えられてい
ないことが判る。従って、筒状部材を鍛造や押出加工等
により製作する場合、図３または図４に示すような単純
形状の金型を用いると、外周側で殆ど変形や緻密化等さ
れることがなく、所望する特性が得られない。

【００１８】現に、この方法で製作した円筒素材は、図
５に示すように、外周面に多数の割れが発生してしまっ
た。なお、図５の円筒素材は、Ｆｅ粉末とＴｉＢ₂粉末
（２０体積％）を予混合して焼結させた後、熱間コイニ
ングで９５％以上に緻密化させたビレットを用いて、前
後方穿孔加工を施したものである。鍛造（前後方穿孔加
工）に際して、ビレットを１２００℃まで３０秒で高周
波誘導加熱し、金型を４５０℃に予熱して行った。な
お、このとき、焼結条件は１２５０℃×１時間、熱間コ
イニングのビレット加熱は１２００℃、金型予熱は４５
０℃とした。

【００１９】本発明者は、これらを踏まえて、筒状部
材の内側のみならずその外側でも適度な変形が加えら
れ、組織の緻密化、強化材の微細均一分散等を図れる金
型の形状をさらに検討した。この検討で使用したビレッ
トの形状を図６（ａ）に、そのビレットを押出加工した
後の形状を同図（ｂ）に、その加工物から端部の鍔部お
よび底部を打抜いた円筒部材の形状を同図（ｃ）に示
す。ここで使用した金型は、同図（ｂ）に示す内寸を持
つ円筒状の金型（コンテナ）と、下方から延びるマンド
レル（下ポンチ）とからなる（図１１参照）。そして、
図上方からビレットがラム等で押圧されて、ビレットは
絞り部（ダイス部）で外周側から変形が加えられ、下ポ
ンチによって中央部の変形が加えられる。ちなみに、こ
の場合の押出し比は２．９で、減面率は約６５％であ
る。

【００２０】この押出成形をＦＥＭ解析した結果を図７
に示す。図７から判るように、円筒部材の内周側と外周
側との両側で相当歪が大きく、強加工が加えられてい
る。しかも、両者の中間部でも、相当歪が１．２以上で
あり、全体的に相当歪の差が小さく、緻密化されて、所
望の特性を発揮し得ることが判る。さらにこの場合、押
出し比が３以下であるにも拘らず、図１および図２で示
した押出し比４の中実部材と同等の相当歪が得られてい
ることが判る。すなわち、押出し比を低減させつつも、
特性に優れる筒状部材が得られることが判った。そし
て、押出し比が小さい分、加工に要する荷重も低減で
き、設備や生産性等の観点からも好都合となる。

【００２１】そこで、押出工程後の筒状部材は、少なく
とも中間部の相当歪が１．２以上、さらには２以上であ
ると筒状部材の特性としては一層好ましい。また、押出
し比が２．５〜３．６、減面率が６０〜７５％である
と、得られる筒状部材の特性と生産性との観点から好ま
しい。押出し比が２．５未満では、必要な相当歪みが与
えられず、好ましい特性が得られない。押出し比が３．
６を超えると、加工荷重が高くなり、型寿命が短くな
る。また、歩留りも悪くなり、好ましくない。

【００２２】本発明者は、上記押出成形用金型を用い
て、種々の割合で強化材を含む金属基複合材料につい
て、その加工の良否を調査した。すると、強化材が比較
的少ない場合（例えば、１５体積％以下）なら上記押出
成形用金型をそのまま使用しても問題はないが、強化材
の分散量が多くなると（例えば、２０体積％以上）、ダ
イス部の出口付近で割れ等が新たに発生し得ることを本
発明者は突きとめた。この様子を同様にＦＥＭ解析した
結果を図８に示す。但し、図８では、軸方向応力を示し
てあり、プラス側が引張り、マイナス側が圧縮を示す。
図８から判るように、ダイス部の出口付近に引張応力が
作用している。これは、ダイス部の表面面付近における
材料流れの速さの相違によって生じると思われる。

【００２３】そこで、その引張応力が作用している付近
に、圧縮応力を付与できる新たな金型の形状を本発明者
は考えた。つまり、ダイス部の第１縮小部から押出方向
の前方に、第２縮小部を設けることを思いついた（図１
１参照）。この第１縮小部および第２縮小部を設けた場
合のＦＥＭ解析結果を図９に示す。図９から判るよう
に、極先端部を除いて、ビレットの何れの箇所にも引張
応力が作用していない。従って、この押出成形用金型を
用いると、強化材を多量に分散させた金属基複合材料で
あっても、緻密で特性に優れる筒状部材を製作し得る。

【００２４】この理由は、一応次のように考えられる。
押出成形用金型内で押圧されたビレットは、第２縮小部
によってその先端部が一時的に拘束され、その流れが一
端抑制されるため、第１縮小部に引張応力が作用するこ
とが防止されると思われる。なお、第２縮小部は第１縮
小部よりも僅かに減面しているだけであるため、第２縮
小部に引張応力が生じることはない。

【００２５】この方法で現に製作した円筒素材の外観を
図１０に示す。先端部（図下端部）には、多少割れが存
在するものの、その他の部分に割れ等は存在していな
い。なお、先端部に少し割れが発生しているのは、先端
部が第１縮小部により押出されるとき、第２縮小部には
まだ材料が到達しておらず、それによる効果が得られな
いからである。なお、図１０の円筒素材は、Ｆｅ粉末と
ＴｉＢ₂粉末（２０体積％）を予混合して焼結させた
後、熱間コイニングで９５％以上に緻密化させたビレッ
トを用いて、上記押出加工を施したものである。押出加
工前には、予めビレットを１２００℃×３０秒で高周波
誘導加熱し、金型を４５０℃に予熱しておいた。

【００２６】図１１に示したように、押出成形用金型
は、例えば、円筒状のコンテナとマンドレルからなる。
コンテナは、図上方に内部空間の大きな収容部と、それ
に続いて内部空間を減少させるダイス部と、さらに、ダ
イス部の図下方に続く成形部とからなる。押出方向は、
図１１の上方から下方に至る方向である。成形部の内形
状は、所望する円筒部材（素材）の外形状に合わせてあ
る。また、マンドレルは、円筒部材（素材）の内形状に
合わせてある。マンドレルの先端部の位置は、収容部側
にあるほど、後加工で除去すべき部分が減り、材料歩留
りを向上させることができる。

【００２７】そこで、前記マンドレルの押出方向後方側
の先端部は、前記ダイス部または前記収容部まで延び、
該マンドレルの先端部と該ダイス部または該収容部と
が、環状の押出し出口を形成していると、好ましい。ま
た、図１１では、収容部とダイス部と成形部とが一体と
なったコンテナを形成している場合を示したが、これら
は分割式または組立て式であっても良い。本発明の押出
成形用金型は、上述したように、さらに、ダイス部に第
１縮小部と第２縮小部とを有すると、強化材の多い金属
基複合材料の成形にも対応できる。すなわち、前記ダイ
ス部は、第１縮小部と、該第１縮小部の押出方向前方側
に配設され第１縮小部よりさらに内部空間を縮小させる
第２縮小部とからなると、好適である。

【００２８】なお、本発明者が種々検討した結果、第２
縮小部の第１縮小部に対する形状は、減面率が５〜２５
％（押出し比：１．０５〜１．３３）、さらには第２縮
小部の幅（軸方向の長さ）はダイス径の１０〜２０％と
なるようにすると良い。また、第２縮小部は径が連続的
に変化する、つまりテーパ形状としても良い。この場
合、減面率は５〜２５％、傾斜角は５〜３０°が望まし
い。これより減面率が小さくなると、第２縮小部の効果
が薄い。また、それより減面率が大きかったり、第２縮
小部の幅が狭かったり、傾斜角が大きい場合には、第２
縮小部に引張応力が生じ易くなる。

【００２９】（３）金属基複合材料またはビレット金属基複合材料中の金属マトリックスは、Ｆｅ、Ａ
ｌ、Ｍｇ、Ｔｉ等を主成分とする純金属または合金であ
るが、その種類や組成割合等は問わない。また、強化材
は、ＴｉＢ₂等のホウ化物、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ
₂、ＭｇＯ等の酸化物などのセラミックス粒子の他、Ｓ
ｉ₃Ｎ₄、ＴｉＮ、ＡｌＮ等の窒化物、Ｍｇ₂Ｓｉ、Ａｌ₃
Ｔｉ、ＴｉＡｌ、Ｔｉ₃Ａｌ、Ｆｅ₃Ａｌ、Ｎｉ₃Ａｌ、
Ａｌ₃Ｎｉ等の金属間化合物粒子であっても良い。

【００３０】また、金属基複合材料は、焼結材でも溶
製材でも良い。また、強化材は、予め混合されたもので
も、焼結時またはその後の熱処理等により反応合成され
または析出したものでも良い。すなわち、前記ビレット
は、金属マトリックスと強化材とを構成する元素を含む
少なくとも一種以上の原料粉末を焼結させた焼結材であ
っても良し、金属マトリックスと強化材とを構成する元
素を含む溶湯を凝固させた溶製材であっても良い。ま
た、ビレット中の強化材は、予混合粒子でも、反応合成
粒子でも良い。

【００３１】ビレットや金型を予め加熱して熱間加工
を行うと、筒状部材の成形を容易に行える。また、この
工程中に、強化材を均一分散させることも可能である。
従って、押出工程前に、ビレットを加熱するビレット加
熱工程および／または前記押出成形用金型を加熱する金
型加熱工程を加えることが好ましい。また、ビレット
は、熱間加工により相対密度９５％以上に緻密化された
ものであると、割れ等を抑制、防止でき好ましい。な
お、この緻密化は、押出成形と共に行うことも可能であ
るが、収容工程前に行っておく方が材料歩留りが良い。

【００３２】（４）用途本発明の押出成形用金型を用いて得られる筒状部材は、
ピストンピンの他、各種筒状ケース、自動車や工作機械
などの中空シャフト類等に適する。特に、大きな力が作
用する高速往復運動部材のように、強度、剛性、軽量化
等に関して厳しい要求がなされる筒状部材に好適であ
る。

【００３３】なお、ピストンピン等を製作する場合、本
発明の成形後に余分な部分の除去加工を行い、さらに、
研削、研磨等の加工を加える必要がある。従って、本明
細書でいう筒状部材とは、完成品のみならず、その中間
品（例えば、ピストンピン素材）等をも意味する。これ
までは単一の筒状部材を主に加工する場合を説明した
が、これに限らず、連続体（例えば、パイプ）等でも良
い。勿論、その連続体を適当に切断して、筒状部材とし
ても良い。

【００３４】

【実施例】次に、実施例を挙げて、本発明をより具体的
に説明する。（１）試料の製造図１１に示した押出成形用金型を用いて、種々の原料粉
末からなるピストンピン素材（円筒部材）を製作した。
用意した原料粉末は、Ｆｅ−Ｃｒ系ステンレス鋼微粉末
（ＳＵＳ４３０相当、＃３３０以下）、純Ｆｅ微粉末
（＃３３０以下）、純Ｆｅ粉末（＃１００以下）、フェ
ロボロン粉末（＃３３０以下、Ｆｅ−２０ｗｔ％Ｂ）、
フェロチタン粉末（＃３３０以下、Ｆｅ−４６ｗｔ％Ｔ
ｉ）およびＴｉＢ₂粉末（平均粒径４μｍ）である。い
ずれも市販粉末である。

【００３５】試料１上記Ｆｅ−Ｃｒ系ステンレス鋼微粉末とフェロチタン粉
末とフェロボロン粉末とをアトライタおよびＶ型混合機
を用いて均一に混合した（混合工程）。混合割合は、金
属マトリックス中に２０体積％（全体を１００体積％と
して）のＴｉＢ ₂粒子が分散する割合とした。得られた
混合粉末を冷間静水圧プレス（４００ＭＰａ）して、φ
４３×４０ｍｍの円柱状の成形体を得た（成形工程）。
この成形体を真空焼結炉中にて、１２７０℃×２時間の
焼結を行った（焼結工程）。なお、ＴｉＢ₂粒子の合成
はこの焼結工程で行った（ｉｎ−ｓｉｔｕ法）。得られ
た焼結体を１２００℃で熱間コイニング（金型予熱４５
０℃）して、相対密度が９５％以上となるように緻密化
した（緻密化工程）。この熱間コイニング後に得られた
ビレットの形状は図６（ａ）に示したものである。

【００３６】次に、そのビレットを図１１に示した押出
成形用金型を用いて、押出し比２．８で熱間押出した
（押出工程）。このとき、金型を４５０℃に予熱し、ビ
レットを１２００℃まで３０秒で高周波誘導加熱して、
２５０トンナックルジョイントプレスにより押出成形し
た。加工荷重は、５０〜６０トンであった。こうして得
られた押出材の形状は、図６（ｂ）に示したものであ
る。この押出し材の後端部（図６の上方部）の鍔部と底
部とを、予め製作しておいた専用の金型を用いて打抜き
加工により除去した。こうして得られたピストンピン素
材の形状は、図６（ｃ）に示したものである。さらに、
このピストンピン素材の外周面および内周面からスケー
ル等を除去し、研削加工等により、φ２７×φ１７×６
０ｍｍの円筒部材を製作した。

【００３７】なお、この円筒部材を実際にピストンピン
とするには、さらに、外周面を所定の面精度まで研磨等
し、端部の面取等を行う必要がある。なお、本発明の押
出成形用金型を用いて押出成形した場合、ビレットの押
出開始箇所である端部にクラック等が僅かに生じること
もある。その場合、その部分を除去して、ピストンピン
素材の中間部を使用すれば良い。もっとも、ピストンピ
ンの場合、その中央部に大きな力が作用し、両端部に作
用する力は比較的小さい。従って、割れ等がないように
する必要はあるとしても、端部の密度（緻密度）、強
度、剛性等はさほど問題とはならない。

【００３８】試料２試料１の上記Ｆｅ−Ｃｒ系ステンレス鋼微粉末に替え
て、上記純Ｆｅ微粉末を使用して試料１と同様に円筒部
材を製作した。

【００３９】試料３試料１の上記Ｆｅ−Ｃｒ系ステンレス鋼微粉末に替え
て、上記純Ｆｅ粉末（＃１００以下）を使用して試料１
と同様に円筒部材を製作した。

【００４０】試料４試料１のＦｅ−Ｃｒ系ステンレス鋼微粉末、フェロチタ
ン粉末およびフェロボロン粉末に替えて、純Ｆｅ粉末
（＃１００以下）とＴｉＢ₂粉末とからなる混合粉末を
用いて、円筒部材を製作した。この場合の円筒部材は、
ＴｉＢ₂粒子を予混合（Ｐｒｅ−ｍｉｘ）させて、金属
マトリックス中に分散させた金属基複合材料からなるも
のである。

【００４１】（２）疲労試験上記試料１〜４の各円筒部材の中央部付近から、図１２
に示すような環状の試験片（φ１７×φ２７×５ｍｍ）
を切出して圧環試験を行った。圧環試験は、各試験片を
ベース鋼板で上下方向から挟み込み、周期的な繰返し荷
重（０〜σ_max）を印可するものである。こうして得ら
れた各試験片の疲労特性を図１３に示す（実線部分）。
また、前記Ｆｅ−Ｃｒ系ステンレス鋼微粉末を用いてＴ
ｉＢ₂粒子を反応合成した材料よりなる軸押出成形材
（押出し比９）から切出して製作した環状の試験片につ
いて、同様に圧環試験を行った結果を参考として図１３
に示した（波線部分）。

【００４２】なお、図１３中に併せて示した複数のマー
クは、鍛造条件を変更したものの試験結果である。総体
的に観れば、使用材料による多少のバラツキはあるもの
の、本発明の押出成形用金型を用いる限り、鍛造条件の
相違による影響は小さいことが分る。そして、いずれの
複合材料であっても、本実施例に係る各試験片（実線部
分）は、軸押出成形材（波線部分）と同等の疲労特性を
発揮することが明かとなった。なお、同図中、矢印を付
してあるマークは、１０⁷回繰返しても試験片が破断し
なかったものを示す。

【００４３】（３）その他上記実施例の各試料では、押出成形前にビレットに予
め熱間加工（熱間コイニング等）を加えて緻密化させて
いるが、これは押出成形と併せて行っても良い。もっと
も、押出成形前に行っておくと、割れ等の発生防止に有
効であり、材料歩留りを著しく向上させることができ
る。

【００４４】上記実施例の各試料では、純鉄または合
金鋼を金属マトリックスとし、ＴｉＢ ₂を強化材とする
鉄基複合材料場合について説明したが、いずれも、それ
らに限られるものではない。例えば、アルミニウム合金
に窒化アルミニウム等を分散させたアルミニウム合金基
複合材料であっても良い。本発明者が検証したアルミニ
ウム合金基複合材料の一例を次に述べる。

【００４５】金属マトリックスであるアルミニウム合金
粉末（Ａ２０２４、＃１００以下（１４９μｍ以下））
を相対密度約５０％に成形した。得られた圧粉体（圧縮
成形体）を、窒素雰囲気中で加熱して（５４０℃×２時
間）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を反応合成させた
（焼結工程）。この焼結工程で、圧粉体は焼結すると共
に、収縮し、相対密度８０％以上、ＡｌＮ粒子の体積率
２０％以上のアルミニウム合金基複合材料からなるビレ
ットが得られる。

【００４６】このビレットを図１１に示した押出成形用
金型で押出成形したところ、このアルミニウム合金基複
合材料の軸押出材（押出し比９）と同程度の強度特性が
得られた。なお、ビレットの加熱温度は４５０℃、金型
の予熱温度は２００℃とした。従来、それと同等の特性
を得ようとすると、ＡｌＮを微細に均一分散させたアル
ミニウム合金基複合材料を、押出し比４以上で押出成形
する必要があった。にも拘らず、本発明を用いると、押
出成形時にＡｌＮが微細に分散して優れた特性を発揮す
る筒状部材が、より小さい押出し比（例えば、２．８）
で効率的に得られることが明かとなった。

【００４７】

【発明の効果】本発明によれば、金属基複合材料からな
る筒状部材であっても、優れた特性のものが簡易に得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】強化材を予混合または反応合成した金属基複合
材料に関する、軸押出し材料の押出し比とヤング率また
は密度との関係を示す棒グラフである。

【図２】押出し比４で金属基複合材料を軸押出成形した
場合の相当歪を示すＦＥＭ解析図である。

【図３】本発明を完成させる際に検討したビレット（同
図（ａ））、そのビレットの前後方穿孔加工材（同図
（ｂ））、筒状部材である節抜き加工材（同図（ｃ））
の諸元を示す模式図である。

【図４】図３のビレットを鍛造（前後方穿孔）した場合
の相当歪を示すＦＥＭ解析図である。

【図５】図３のビレットから実際に得られた鍛造品の外
観図である。

【図６】本発明の検証に使用したビレット（同図
（ａ））、そのビレットの前方絞り穿孔加工材（同図
（ｂ））、筒状部材である鍔部および底部打抜き加工材
（同図（ｃ））の諸元を示す模式図である。

【図７】図６のビレットを本発明の押出成形用金型で押
出成形した場合の相当歪を示すＦＥＭ解析図である。

【図８】図６のビレットを本発明の押出成形用金型で押
出成形した場合の軸方向応力を示すＦＥＭ解析図であ
る。

【図９】図６のビレットを、第２縮小部を有する本発明
の押出成形用金型で押出成形した場合の軸方向応力を示
すＦＥＭ解析図である。

【図１０】図６のビレットから本発明の押出成形用金型
を用いて実際に得られた鍛造品の外観図である。

【図１１】本発明の押出成形用金型の全体図である。

【図１２】各種鉄基複合材料から切出した環状試験片形
状と、圧環試験の様子を示す模式図である。

【図１３】各種鉄基複合材料からなる筒状部材の疲労強
度を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｂ２１Ｊ 1/06 Ｂ２１Ｊ 1/06 Ｂ 5/00 5/00 ＡＺ 5/06 5/06 ＢＢ２１Ｋ 21/06 Ｂ２１Ｋ 21/06 Ａ (72)発明者松本伸彦愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内Ｆターム(参考） 4E029 AA07 CA00 MB01 4E087 BA02 BA23 CA23 CB01 DB15 EC17 HB02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属マトリックス中に強化材の分散したビ
レットを収容し得る柱状の内部空間を有する収容部と、該収容部より押出方向前方側にあり所望する筒状部材の
外形状に応じて該収容部の内部空間より縮小した柱状の
内部空間を有する成形部と、該収容部と該成形部との間に介在し該収容部から該成形
部にかけて該内部空間を縮小させつつ滑らかに接続する
ダイス部と、少なくとも該成形部の内部空間の中央で軸方向に延在す
る柱状のマンドレルと、からなることを特徴とする筒状部材の押出成形用金型。
【請求項２】前記マンドレルの押出方向後方側の先端部
は、前記ダイス部または前記収容部まで延び、該マンドレルの先端部と該ダイス部または該収容部と
が、環状の押出し出口を形成している請求項１記載の筒
状部材の押出成形用金型。
【請求項３】前記収容部と前記ダイス部と前記成形部と
は、一体となってコンテナを形成している請求項１記載
の筒状部材の押出成形用金型。
【請求項４】前記ダイス部は、第１縮小部と、該第１縮
小部の押出方向前方側に配設され第１縮小部よりさらに
内部空間を縮小させる第２縮小部とからなる請求項１記
載の筒状部材の押出成形用金型。
【請求項５】金属マトリックス中に強化材の分散したビ
レットを押出成形用金型に収容する収容工程と、該収容工程後に該ビレットを押圧して押出成形する押出
工程とを備える筒状部材の成形方法であって、前記押出成形用金型は、前記ビレットを収容し得る柱状
の内部空間を有する収容部と、該収容部より押出方向前
方側にあり所望する前記筒状部材の外形状に応じて該収
容部の内部空間より縮小した柱状の内部空間を有する成
形部と、該収容部と該成形部との間に介在し該収容部か
ら該成形部にかけて該内部空間を縮小させつつ滑らかに
接続するダイス部と、少なくとも該成形部の内部空間の
中央で軸方向に延在する柱状のマンドレルと、からなる
ことを特徴とする筒状部材の成形方法。
【請求項６】さらに、前記押出工程前に、前記ビレット
を加熱するビレット加熱工程および／または前記押出成
形用金型を加熱する金型加熱工程を備える請求項５記載
の筒状部材の成形方法。
【請求項７】前記ビレットは、熱間加工により相対密度
９５％以上に緻密化されたものである請求項５記載の筒
状部材の成形方法。
【請求項８】前記ビレットは、前記金属マトリックスと
前記強化材とを構成する元素を含む少なくとも一種以上
の原料粉末を焼結させた焼結材である請求項５記載の筒
状部材の成形方法。
【請求項９】前記ビレットは、前記金属マトリックスと
前記強化材とを構成する元素を含む溶湯を凝固させた溶
製材である請求項５記載の筒状部材の成形方法。
【請求項１０】前記ビレット中の強化材は、予混合粒子
または反応合成粒子である請求項５記載の筒状部材の成
形方法。
【請求項１１】前記押出工程後の筒状部材は、平均相当
歪みが少なくとも１以上である請求項５記載の筒状部材
の成形方法。
【請求項１２】前記筒状部材は、ピストンピン素材であ
る請求項５記載の筒状部材の成形方法。
【請求項１３】金属マトリックス中に強化材の分散した
ビレットを収容する押出成形用金型と、該押出成形用金型に収容された該ビレットを押圧して押
出成形するラムとを備える筒状部材の成形装置であっ
て、前記押出成形用金型は、前記ビレットを収容し得る柱状
の内部空間を有する収容部と、該収容部より押出方向前
方側にあり所望する前記筒状部材の外形状に応じて該収
容部の内部空間より縮小した柱状の内部空間を有する成
形部と、該収容部と該成形部との間に介在し該収容部か
ら該成形部にかけて該内部空間を縮小させつつ滑らかに
接続するダイス部と、少なくとも該成形部の内部空間の
中央で軸方向に延在する柱状のマンドレルと、からなる
ことを特徴とする筒状部材の成形装置。