JP2004531398A

JP2004531398A - 微細粒構造をもつワークの製造方法

Info

Publication number: JP2004531398A
Application number: JP2002579524A
Authority: JP
Inventors: ドミトリーエヴゲニエヴィッチグルホフ; ヴィタリニコラエヴィッチゴルベフ
Original assignee: ドミトリーエヴゲニエヴィッチグルホフ
Priority date: 2001-04-04
Filing date: 2002-04-02
Publication date: 2004-10-14
Also published as: EP1391255A4; CA2443374A1; AU2002255398A1; EP1391255A2; WO2002081762A3; WO2002081762A2; IL158203A0; US20040112112A1; RU2191652C1

Abstract

【課題】金属使用ファクタを増大でき、市販の装置を使用できるため装置コストを低減でき、かつ変形し難い低塑性合金、粉末金属および複合材料から作られたワークの加工に使用できる方法を提供することにある。
【解決手段】特にサブミクロン結晶構造およびナノ結晶構造をもつ長いビレットを含む金属または合金からなるブランクを、塑性変形を用いて製造する金属成形方法に関する。本発明は、長手方向積層構造を有しかつ内的に強化されたブランクを製造できかつモノリシック物品を得るため粉末金属で作られたブランクを加工することにも使用できる。塑性変形は、金型のプレスチャネル内に配置された異形工具の補助により金型内で成形することにより行なわれる。
【選択図】図１

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は金属の塑性加工の分野に関し、より詳しくは、コンディショニングされた微細粒構造、特にサブミクロン結晶構造およびナノ結晶構造をもつ長尺ワークの加工を含む塑性変形により金属または合金のワーク（工作物）を製造する方法に関する。本発明の方法は、任意に積層されかつ内的に強化されたワークの製造を可能にし、かつ粉末金属成分から作られたワークを加工して固体物品を得るのに使用できる。
【背景技術】
【０００２】
アンギュラ押出（angular extrusion）により、材料主として金属を変形加工する一方法として、変形加工装置の第一チャネル内に材料を置く段階と、力を加えて材料を第二チャネルに移動させ、両チャネルの交差領域においてアンギュラ押出により材料に変形を伝達する段階と、ワークを取出す段階とからなり、材料が第二チャネルを通るときに付加変形を受けてワークの断面が変化されるように構成された方法がある（下記特許文献１参照）。アンギュラ押出方法は、ワークの連続性を損なうことなく多段押出を行なうことができるが、変形はワークの全断面に亘って不均一になる。
【０００３】
捩りを加えることにより軸対称ワークを加工する他の方法は、容器のキャビティ内にワークを置く段階と、相対軸線方向運動を行いかつ所定のパラメータで回転できるパンチプレスにより軸線方向圧縮力を加える段階とからなるものである。ワークはセクション形容器内で加工され、この方法では、加工時に、ワークの各高さ断面が容器部分のパーティングラインを少なくとも１回通るまでワークが強制的に移動され、かつ容器部分内に配置されたパンチプレスの回転方向に一致する方向に容器部分を回転させることによりワークに捩りが加えられる（下記特許文献２参照）。この方法の重大な欠点は、金属の外側層および内側層が、これらに加えられる捩りを受けて異なる速度で移動するため、塑性変形が不均一になることである。
【０００４】
ワーク（主として長尺ロッド）の他の加工方法は、異なるパターンに従って変形（断面の減少をもたらすものを含む）させる段階を有する。ワークは少なくとも２つのシート（座）上に配置され、断面の減少は、ワークの軸線に対して長手方向および横方向に移動できる工具、例えばロールにより表面を相対ローリングさせることにより達成される（下記特許文献３参照）。この方法によりワークを加工するには専用機を必要とし、このため、この方法の工業的適用コストが増大してしまう。この方法の他の欠点は、加工後のワークの品質が悪く、表面にスケール層が存在することである。これは、ワークがロールの効果を受けて炉内で自由状態で形成され、従って、金属使用ファクタ（metal use factor）を低下させる付加機械加工を必要とするためである。この方法は、タングステン−ニオブ−タンタル合金およびニオブ−ジルコニウム合金のような変形し難くかつ低塑性の金属から作られたワークを加工するには不適当である。
【０００５】
【特許文献１】
２０００年３月２０日付ロシア国特許第２１４６５７１号明細書Ｂ２１Ｃ２５／００
【特許文献２】
１９９４年１０月２４日付ロシア国特許第２０２１０６４号明細書Ｂ２１Ｊ５／００
【特許文献３】
２０００年１１月２０日付ロシア国特許第２１５９１６２号明細書Ｃ２１Ｃ３７／０４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、異なる形状、寸法および微細粒構造をもつワークの熱−機械的加工方法であって、金属使用ファクタを増大でき、市販の装置を使用できるため装置コストを低減でき、かつ変形し難い低塑性合金、粉末金属および複合材料から作られたワークの加工に使用できる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の上記目的は、所定の熱−機械的条件で金属および合金を塑性変形させることからなる微細粒構造をもつワークの製造方法において、前記ワークの塑性変形は、ワークを、押出チャネル内に配置された成形工具に通して押出容器内で押出して、ワークの連続性を損なうことなく、金属の流れを指向させかつアップセット／剪断／捩りが組合された塑性変形を生じさせることを特徴とする方法により達成される。本発明による加工は、アップセット、剪断および捩りを含む種々の塑性変形パターンを形成することにより、加工されるワークの全断面に亘る金属構造の完全な露出を含み、かつ好ましい変形発生方向を変えることができる。本発明の好ましい実施形態によれば、押出は、同方向または逆方向に多数回反復できる。
【０００８】
変形はワークの或る部分に局部化でき、好ましい実施形態では、これは、押出チャネルを局部的に狭小にしかつ押出加工時に合成塑性変形パターンを発生させる幾何学的形状をもつ加工面を備えた少なくとも１つの成形工具を使用することにより行なわれる。ワークには、押出前に成形工具が挿入される凹部を設けることができる。連続性を損なうことなくワークの断面積の完全回復または部分回復を行なうため、ワークは所定背圧で押出され、かつ１対のパンチプレスにより形成される閉空間内に配置される。押出加工では、１対のパンチプレス間に配置されるワークは、容器内に配置された成形工具に対して強制的に移動されるか、１対の固定パンチプレス間に配置されたワークに対し、容器が成形工具と一緒に移動される。
【０００９】
他の好ましい実施形態によれば、閉空間は、押出工程で形状を保持するフレームにより形成されかつワークを収容する。押出容器は、少なくとも１つのパーティングラインをもつセクション形容器で形成できる。
【００１０】
長手方向に積層されたワークを製造するには、ワークを、押出前に、異なる材料からなる１つ以上の層で被覆できる。また、内的に強化されたワークを製造でき、この場合には、予め補強されたワークが使用される。加工されるワークは、所望の構造および機械的特性を得るのに必要な温度で変形させることができる。このため、押出は、炉または誘導加熱チャンバ内で行なわれるか、ワークに電流を通すことにより行なうことができる。ワークを加熱する特定温度の選択は、材料または押出時に得るべき所望のミクロ構造に基いて行なわれる。
【００１１】
成形工具は、押出加工中に必要に応じて冷却することができる。長尺ワークを押出す場合には、ワークの一部のみを局部加熱して、加熱された部分の材料の熱軟化により変形を局部化できる。ワークまたは押出容器が強い酸化性をもつ金属からなる場合には、押出は遮蔽雰囲気または真空内で行なうことができる。
【００１２】
フレームを使用してワークを高温押出するには、フレームおよびワークの材料が異なる熱膨張係数を有することが好ましい。
変形し難い耐熱合金からワークを押出す場合には、押出方向の短時間反転を行なうことが推奨される。
幾つかの塑性変形パターンの同時使用により、得られる構造は全断面に亘ってより均一になり、また必要に応じて高度の蓄積変形が形成されて、粒子が大幅に低減されかつ材料の微細粒状態に一致する物理−機械的特性が得られる。押出時に、ワークの断面積は、材料の連続性を損なうことなく完全にまたは部分的に回復される。粉末材料または複合材料からのワークが加工されると、大きい変形速度がワークの成分の酸化物層を破壊しかつ拡散加工を強化し、これにより材料の連続性および均質性が改善される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明をより完全に理解できるようにするため、添付図面に関連して述べる好ましい実施形態についての以下の説明を参照されたい。
図１は、本発明による微細粒構造をもつワーク３を製造する方法を実施する装置を示し、該装置は断面変化チャネルを備えた押出容器４と、前記チャネル内に収容される成形工具５とを有している。成形工具５の幾何学的形状に一致する予成形凹部を備えたワーク３が、容器４のチャネル内に置かれる。押出容器４の外側には誘導炉のような加熱装置８が配置される。ワーク３は２つのパンチプレス１、２間でクランプされ、かつ成形工具５を通る押出作用を受ける。
【００１４】
好ましい実施形態では、押出は、同方向または逆方向に多数回反復される。
図５には本発明の方法を実施する装置が示されており、該装置は、ワークをクランプする１対のパンチプレスと、該パンチプレスに対して移動できる押出容器４とを有している。容器が固定パンチプレスに対して移動すると、ワークは成形工具により変形を受ける。
図６に示す装置では、ワーク３はフレーム６内に配置される。フレームは、工具５が内部に配置された押出容器４内に、ワークと一緒に入れられる。パンチプレス１は、ワークと一緒にフレームを、強制的に押出チャネルを通して移動させる。
【００１５】
図８には、パイプ形ワーク３の加工装置が示されており、この装置では、ワークがパンチプレスの効果により押出チャネルを通って強制的に移動されるときにワークの端部を保持するための端ディスクを備えた円筒状コアのような補助装置が使用される。ワークは次のような態様で加工される。
【００１６】
図１に示すように、成形工具５が、工具鋼で作られかつ成形工具５の幾何学的形状に一致する凹部を備えたロッド状ワーク内に挿入され、組立てられたユニットがセクション形押出容器４内に入れられ、８３０℃の相変態温度に加熱され、パンチプレス１、２間でクランプされ、かつ０．８・１０^-3ｓ^-1の変形速度で強制的に成形工具５を通って移動される間に押出される。下方位置に到達すると、パンチプレスが押出チャネルから取外されかつ容器が反転されて、押出が反復される。押出方向を反転させてワークを１２回加工すると、ワーク体積の全体に亘ってカーバイドが均一に分散された微細粒構造が得られ、カーバイド不均質の厳格性（severity）は、標準スケールに従ってクラス４Ａからクラス２Ａへと変化した。
【００１７】
図６に示すように、成形工具５の幾何学的形状に一致する凹部を備えたロッド形アルミニウムワーク３が、フレーム６内に置かれる。２つの半部からなる成形工具５がワーク凹部内に挿入され、かつ組立てられたユニットが押出容器４内に置かれる。ワークを備えたフレームは、パンチプレス１により、工具５に対して押出チャネルを通って強制的に移動される。下方位置に到達すると、パンチプレスが押出チャネルから取外されかつ容器が反転されて、押出工程が反復される。押出を２０回反復すると、０．８〜１．０μｍの粒径をもつナノ結晶構造が得られた。
【００１８】
図８には、管状ワークの塑性変形方法を実施する装置が示されている。鋳造耐熱合金で作られかつ成形工具の幾何学的形状に一致する凹部を備えたパイプ形ワーク３が、閉空間を形成する部分７内に挿入され、かつ成形工具６により押出容器４内に配置される。次に、組立体が炉内で１０７５℃の温度に加熱される。所望温度に到達したならば、ワークは、１０^-3ｃ^-1の変形速度で押出を受ける。この工程は、押出方向を反転させて９回反復される。この結果、２〜５μｍの粒径をもつ２相混合形（micro-duplex type）の平衡微細粒構造が得られた。
【００１９】
本発明による方法は、ワークの長さに基いて垂直プレスまたは水平プレスのような市販の装置を使用できるため、従来の方法に比べてワーク加工費用を低減できる。また、本発明の方法は、ワーク金属の使用ファクタを増大できるので、変形し難い高酸化性かつ低塑性の合金、粉末金属および複合材料から作られたワークの加工に非常に適している。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】局部加熱を用いて変化断面チャネル内でワークを加工する装置を示す図面である。
【図２】塑性変形を加えるべきワークの一実施形態を示す図面である。
【図３】塑性変形を加えるべきワークの他の実施形態を示す図面である。
【図４】背圧Ｐを発生するパンチプレスが固定押出容器に対して移動する構成の本発明の方法によるワーク加工装置を示す図面である。
【図５】ワークおよび背圧Ｐを発生するパンチプレスに対して容器が移動する構成の本発明の方法によるワーク加工装置の他の実施形態を示す図面である。
【図６】フレームを使用する、ワーク加工装置を示す図面である。
【図７】図６に示した方法を実施するフレームを示す図面である。
【図８】閉空間内でパイプ形ワークを加工する装置を示す図面である。
【図９】図８に示したパイプを加工する閉空間を形成する部分を示す図面である。
【符号の説明】
【００２１】
１パンチプレス
２パンチプレス
３ワーク
４押出容器
５成形工具
６フレーム
７閉空間を形成する部分
８加熱装置

Claims

所定の熱−機械的条件で金属および合金を塑性変形させることからなる微細粒構造をもつワークの製造方法において、前記ワークの塑性変形は、ワークを、押出チャネル内に配置された成形工具に通して押出容器内で押出して、ワークの連続性を損なうことなく、金属の流れを指向させかつアップセット／剪断／捩りが組合された塑性変形を生じさせることを特徴とする方法。
前記押出は、同方向または逆方向に多数回行なわれることを特徴とする請求項１記載の方法。
少なくとも１つの成形工具を使用し、該成形工具は、押出チャネルを局部的に細くしかつワークの金属の流れを指向させる幾何学的形状をもつ加工面を備えていることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記ワークは凹部を有し、前記成形工具は押出前に凹部内に挿入されることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記ワークの押出は所定の背圧で行なわれることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記ワークの押出は閉空間内で行なわれることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記閉空間は１対のパンチプレスにより形成され、ワークはパンチプレスの間に配置され、パンチプレスおよびワークがチャネル内で押出容器に対して強制的に移動されるか、内部に成形工具が配置された押出容器がパンチプレスおよびワークに対して強制的に移動されることを特徴とする請求項６記載の方法。
前記閉空間は、押出工程で形状を保持するフレームにより形成されかつワークを収容することを特徴とする請求項６記載の方法。
前記押出容器は、少なくとも１つのパーティングラインをもつセクション形容器であることを特徴とする請求項１記載の方法。
長手方向に積層されたワークを製造するため、ワークが異なる材料からなる１つ以上の層で被覆されかつ押出結合されることを特徴とする請求項１記載の方法。
内的に強化されたワークを製造するため、予め補強されたワークが使用されることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記押出は、炉または誘導加熱チャンバ内で行なわれるか、ワークに電流を通すことにより行なわれることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記成形工具は押出加工中に冷却されることを特徴とする請求項１２記載の方法。
強い酸化性をもつ金属からなるワークまたは容器が使用される場合には、押出が遮蔽雰囲気または真空内で行なわれることを特徴とする請求項１２記載の方法。
長尺ワークは、断面が変化する押出チャネル内で押出されかつ局部加熱されることを特徴とする請求項１記載の方法。
ワークの高温押出では、異なる熱膨張係数をもつ材料がワークおよびフレームに使用されることを特徴とする請求項８記載の方法。
変形し難い耐熱合金のワークは、押出方向を短時間反転させて押出されることを特徴とする請求項１記載の方法。