JP2009144207A - 金属粉末の連続押出加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】先に押出加工された前方押出材と、引き続いて押出加工された後方押出材との間で良好な接合強度が得られる金属粉末の連続押出加工方法を提供する。
【解決手段】金属粉末連続押出加工方法は、押出開口を有する押出用金型１内に加熱された金属粉末３を粉末状態のままで投入する工程と、金型１内の金属粉末３を押出ツール４によって押出加工する一次押出工程と、一次押出工程に引き続いて、金型１内に圧縮状態で残っている金属粉末の圧縮体５ｂ上に加熱された追加の金属粉末６を粉末状態のままで投入する工程と、金型１内の圧縮体５ｂおよび追加金属粉末６を押出ツール４によって押出加工する二次押出工程とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、金属粉末を出発材料とした押出加工方法に関するものである。

通常、金属粉末を出発材料として押出加工する場合、特開２０００−９６１０８号公報（特許文献１）に記載されているように、まず金属粉末を圧粉固化したビレットを作る。そして、このビレットを加熱して押出用金型内に置き、押出ツールによって熱間で押出加工する。

押出加工された押出材の先端部および末端部は分離して廃棄されるので、材料歩留まりの観点からすると、押出材の長さは長い程良い。

特開平７−２６５９３７号公報（特許文献２）は、長尺の押出材を得るために、押継ぎ用ビレットとして、その前端面に刺し込み式の連結金具を前方突出状態に植設したものを用い、先行ビレットによる押出後、押継ぎ用ビレットをコンテナに装填し、ステムを前進せしめて押継ぎ用ビレットの刺し込み式の連結金具を金型部材側の残留ビレット金属に突き刺し、押継ぎ押出を行なうことを開示している。
特開２０００−９６１０８号公報 特開平７−２６５９３７号公報

特開平７−２６５９３７号公報に開示された押出加工法によれば、連続押出加工によって長尺の押出材が得られるが、継ぎ部に刺し込み式連結金具が残るのでこの部分を切除しなければならず、材料歩留まりは向上しない。

この発明の目的は、先に押出加工された前方押出材と、引き続いて押出加工された後方押出材との間で良好な接合強度が得られる金属粉末の連続押出加工方法を提供することである。

この発明に従った金属粉末の連続押出加工方法は、押出開口を有する押出用金型内に加熱された金属粉末を粉末状態のままで投入する工程と、金型内の金属粉末を押出ツールによって押出加工する一次押出工程と、一次押出工程後に引き続いて、金型内に圧縮状態で残っている金属粉末の圧縮体上に加熱された追加の金属粉末を粉末状態のままで投入する工程と、金型内の圧縮体及び追加金属粉末を押出ツールによって押出加工する二次押出工程とを備える。

上記の押出加工方法によれば、押出用ビレットの作製が不要になるので、製造コストを低下させることができる。また、押出加工−加熱金属粉末の追加投入―押出加工の各工程を繰り返して行なえば、無限に長い押出材の製造が可能となる。

先行押出材と、その後に続く後方押出材との接合部分における強度の弱化または欠陥の発生が懸念されるが、上記の方法によれば強度的に優れた接合面が得られることを確認した。この点については、実験結果を参照して後に詳しく記載する。

上記の連続押出加工方法を行なうのに好ましい金属粉末としては、例えばマグネシウム合金粉末を挙げることができる。金型内に残余したマグネシウム合金粉末の圧縮体表面および追加投入されるマグネシウム合金粉末の表面には酸化膜が形成されるが、マグネシウム酸化膜は脆いので高圧力を受けるとすぐに分断する。従って、表面の酸化膜が、先行する押出材と、その後に続く後方押出材との接合を妨げるようなことはない。

良好な接合強度を維持しながら、良好な表面性状を持つ押出材を得るために、絶対温度で表したマグネシウム合金の融点をＴｍとすると、好ましくは、マグネシウム合金粉末の加熱温度は、０．６Ｔｍ〜０．９Ｔｍの範囲内にある。マグネシウム合金粉末の加熱温度が０．６Ｔｍ未満だと、先行押出材と、その後に続く後方押出材との接合部分における強度が劣るようになる。他方、マグネシウム合金粉末の加熱温度が０．９Ｔｍを超えるようになると、押出材の表面にむしれ（ササクレ）や、亀裂が発生するおそれがある。

良好な押出加工を実現するために、好ましくは、押出加工の押出比は、３０以上である。さらに、金型内に投入された金属粉末の温度低下を抑制するとともに、良好な押出加工を実現するために、押出用金型の温度を３００℃以上に保つのがよい。

図１は、本発明に従った連続押出加工方法の各工程を図解的に示している。押出装置は、押出開口を有する押出用金型１と、押出ツール４とを備える。押出用金型１は、本体部１ｂと、ダイス部１ｂとを有する。金属粉末加熱工程（ａ）では、容器２内に入れられている金属粉末３を所定の温度に加熱する。金属粉末３としては、マグネシウム合金粉末、銅合金粉末、アルミニウム合金粉末等を使用できるが、その中でも特に好ましいのはマグネシウム合金粉末である。金属粉末の好ましい加熱温度は、絶対温度で表した金属粉末の融点をＴｍとしたとき、０．６Ｔｍ〜０．９Ｔｍの範囲内にある。

金属粉末投入工程（ｂ）では、容器２内の加熱粉末３を押出用金型１内に粉末状態のままで投入する。図示していないが、金属粉末３の最初の投入時には、ダイス部１ａの押出開口を閉塞するプラグ９が配置されている。このプラグ９は、金属粉末３とともに金型１から押し出される。金型１は、好ましくは、３００℃以上の温度に加熱されている。

一次押出工程（ｃ）では、押出ツール４を押下げて、金型１内の金属粉末３を押出加工する。押出加工の好ましい押出比は、３０以上である。一次押出加工終了時には、押出材５は、金型１の押出開口から外部に押し出された棒状部分５ａと、金型１内に金属粉末圧縮体として残るディスカード部５ｂとを有する。一次押出加工をしている間、好ましくは、別の場所で容器２内の追加金属粉末６を所定の温度に加熱しておく。

追加金属粉末投入工程（ｄ）では、押出ツール４を上方に移動させ、容器２内の追加金属粉末６を押出用金型１内に粉末状態のままで投入する。投入された追加金属粉末６は、先行押出材５のディスカード部５ｂ上に堆積する。

二次押出工程（ｅ）では、押出ツール４を押下げて、金型１内の先行押出材５のディスカード部５ｂおよび追加金属粉末６を例えば押出比３０以上で押出加工する。二次押出加工終了時には、金型１内に後方押出材７のディスカード部７ｂが残る。二次押出加工をしている間、好ましくは、別の場所で容器２内の追加金属粉末８を所定の温度に加熱しておく。

追加金属粉末投入工程（ｄ）と二次押出工程（ｅ）とを繰り返して行なえば、非常に長い押出材を得ることができる。

本願発明者らは、以下に記載する実験を通して、追加金属粉末を粉末状態のままで押出用金型内に投入して連続押出加工することの優位性を確認した。比較したのは、金属粉末を圧粉固化したビレットを追加投入した連続押出加工方法である。

［実験条件］
（１）押出条件
押出比 ：３６（φ８０→φ１３．３）
押出速度：５．６ｍ／ｍｉｎ．
（２）使用した金属粉末
ａ）マグネシウム合金粉末
材質 ：ＡＺ３１
形態１ ：粉末状態（フレーク状）のまま
形態２ ：粗い圧粉体（相対密度８０％）
形態３ ：密な圧粉体（相対密度９５％）
加熱温度：４００℃
図２は、使用したマグネシウム合金のフレーク状粉末を示す写真である。

ｂ）アルミニウム合金粉末
材質 ：Ａ６０６３
形態１ ：粉末状態（アトマイズ粉末）のまま
形態２ ：粗い圧粉体（相対密度８０％）
形態３ ：密な圧粉体（相対密度９７％）
加熱温度：４５０℃
図３は、使用したアルミニウム合金粉末を示す写真である。

（３）金型内のディスカード部上に堆積した金属粉末の荷重曲線
図４は、金型内に残った先行押出材のディスカード部上に堆積した金属粉末を押出ツールによって荷重を加えていったときの荷重曲線を示す。時間の経過と共に荷重が高くなり、それに伴って相対密度も高くなってゆく。

［金型内の境界部の観察結果］
（１）上下部のせん断（分離）の有無
図５は、金型内のディスカード部と、その上の追加投入物とを押出ツールによって加圧した後に、両者を手で引き離すようにしたとき、両者がせん断（分離）したか否かを示す図である。

追加投入物がフレーク状のマグネシウム合金（ＡＺ３１）粉末の場合、相対密度が８０％のときにはせん断があったが、８５％以上の相対密度になるとせん断しなかった。

追加投入物がマグネシウム合金の粗圧粉体の場合、１００％の相対密度および最大荷重時にはせん断しなかった。

追加投入物がマグネシウム合金の密圧粉体の場合、相対密度が１００％のときにせん断したが、最大荷重時にはせん断しなかった。

追加投入物がアトマイズ法で製造したアルミニウム合金粉末の場合、相対密度が８０％および９０％のときにせん断があったが、１００％の相対密度および最大荷重時にはせん断しなかった。

追加投入物がアルミニウム合金の粗圧粉体の場合、１００％の相対密度ではせん断したが、最大荷重時にはせん断しなかった。

追加投入物がアルミニウム合金の密圧粉体の場合、最大荷重時でもせん断した。

［金型内で加圧後の上下接合部分の外観写真］
図６は、追加投入物がマグネシウム合金の場合の加圧圧縮体の外観写真であり、図７は、追加投入物がアルミニウム合金の場合の加圧圧縮体の外観写真である。図５を参照しつつこれらの写真を注視すれば、上下の材料の結合状況をよく理解できる。

［実験結果に基づく考察］
上記の実験から、以下のことを導き出すことができる。

（ａ）金型内のディスカード部上に追加投入される粉末の形態として、最も良好な結合強度を示すものは、粉末状態のままである。その次に良いのは粗い圧粉体であり、最も悪いのは密な圧粉体である。

（ｂ）金型内に追加投入される金属の種類として、マグネシウム合金の方が、アルミニウム合金よりも、良好な結合強度を示す。これは、マグネシウム合金の表面に形成されるマグネシウム酸化膜が脆くて、加圧によって分断され易いからと思われる。

（ｃ）金型内に追加投入される金属粉末の形態として、フレーク状粉末のほうが、球状粉末や粒状粉末に比べて、良好な結合強度を示す可能性がある。この点については、さらに実験を重ねて確認する必要がある。

［マグネシウム合金粉末の連続押出加工の境界部のミクロ観察およびマクロ観察］
（１）金型内に残った先行押出材のディスカード部の上面の形状
図８は、マグネシウム合金（ＡＺ３１）粉末の押出材のディスカード部の上面を示す写真である。ディスカード部の上面は、凹凸のない平滑表面となっている。

（２）金型内の境界部の移動
図９は、金型内の境界部が押出加工時にどのように移動するかを示す図（写真）である。つなぎ部上部の相対密度が８０〜１００％のときには、境界部は押出方向と直交する平面に位置しているが、最大荷重時には、境界部は押出開口に向かって円錐状に移動する。

（３）境界部（結合部）のミクロ観察（ｘ４５０）
図１０は、押出加工の進行に伴って、境界部（結合部）の形態がどのように変化するかを示す写真である。観察箇所は、図９において、「結合確認」の文字を併記している四角形部分である。

追加投入物がマグネシウム合金の粉末状態のままの場合、相対密度が８０％では上下の結合ができなかったので、圧縮された追加投入物下面の粉末がそのままの形態で観察されている。相対密度が１００％のとき、境界線が凹凸上に波打っているのを観察できる。

追加投入物が粗い（相対密度が低い）マグネシウム合金圧粉体の場合の相対密度１００％の写真に注目すると、境界線が直線的に延びているのを観察できる。

追加投入物が密な（相対密度が高い）マグネシウム合金圧粉体の場合、相対密度が１００％では上下の部分の結合ができなかったので、上部の圧粉体のみが観察されている。

図１１は、マグネシウム合金粉末を粉末状態のままで追加投入して連続押出加工したときの金型内の材料の断面のマクロ写真およびミクロ写真、並びに押出材の断面のミクロ写真を示している。マクロ写真中に四角形で囲んだ部分に境界線がある。

図１２は、相対密度９５％のマグネシウム合金の密圧粉体を追加投入して連続押出加工したときの金型内の材料の断面のマクロ写真およびミクロ写真、並びに押出材の断面のミクロ写真を示している。

［アルミニウム合金粉末の連続押出加工の境界部のミクロ観察およびマクロ観察］
（１）金型内に残った先行押出材のディスカード部の上面の形状
図１３は、アルミニウム合金（Ａ６０６３）粉末の押出材のディスカード部の上面を示す写真である。ディスカード部の上面は、凹凸のない平滑表面となっている。

（２）境界部（結合部）のミクロ観察（ｘ４５０）
図１４は、押出加工の進行に伴って、境界部（結合部）の形態がどのように変化するかを示す写真である。

追加投入物がアルミニウム合金の粉末状態のままの場合、相対密度が８０％および９０％では上下の部分の結合ができなかった。相対密度が１００％のときおよび最大荷重時には上下の部分の結合ができた。また、結合分の境界線が凹凸上に波打っているのを観察できる。

追加投入物が粗い（相対密度が低い）アルミニウム合金圧粉体の場合、相対密度が１００％では上下の部分の結合ができず、最大荷重時に上下部分の結合ができた。結合部分の境界線の凹凸はあまり見られない。

追加投入物が密な（相対密度が高い）アルミニウム合金圧粉体の場合、相対密度が１００％のとき、および最大荷重時でも、上下部分の結合ができなかった。

［金型内の上下部分の結合のメカニズムに関する考察］
上記の実験結果から、押出用金型内における上下部分の結合のメカニズムに関して、本願発明者らは次のように考える。

（１）追加投入金属粉末が粉末状態のままの場合
図１５は、金型内に残った先行押出材のディスカード部上に投入される金属粉末が粉末状態のままの場合の結合メカニズムを説明するための図解図である。

図１５（ａ）に示すように、ディスカード部１０の上面は平滑な平面であり、その上に金属粉末の粒子１１が載っている。各粉末粒子１１は粒子特有の形状、すなわち所々に尖った部分を持つ凹凸形状を有しているので、隣接する粉末粒子間に大きな隙間が形成されるし、粉末粒子１１とディスカード部１０の上面との間にも大きな隙間が形成される。

図１５（ｂ）は、加圧途中の状態を示している。粉末粒子１１に加圧力が加わると、粉末粒子１１とディスカード部１０の上面との接触面積が小さいことから、両者の接触部分に大きな面圧が作用し、粉末粒子自体が塑性変形すると同時に、ディスカード部１０の上面も粉末粒子１１の先端に押されて少しずつ塑性変形する。

図１５（ｃ）は、さらに加圧力が大きくなった途中状態を示している。各粉末粒子１１が塑性変形して粒子間の隙間が無くなっていく過程でも、ディスカード部１０の上面の塑性変形は連続的に起こり、粉末粒子１１とディスカード部上面との接触面積が増加していく。

図１５（ｄ）に示すように、最大荷重時には粉末粒子１１の塑性変形が最大となって各部の隙間が無くなり、粉末とディスカード部１０の上面との結合面積が最大となる。図１０および図１１に示したように、追加投入された粉末とディスカード部上面との接合面は、凹凸形状となっている。

以上のことを整理すると、加熱した金属粉末を粉末状態のままで追加投入する場合の作用を次のように要約できる。
ａ）金属粉末粒子間の隙間、および粉末とディスカード部上面との間の隙間が大きいので、粉末の塑性流動量が大きい。
ｂ）金属粉末を粉末状態のままで直接加熱しているので、各粉末粒子が塑性流動を起こすときの変形抵抗が小さい。
ｃ）加圧初期段階では各粉末粒子とディスカード部上面との接触面積が小さいことから、粉末とディスカード部上面との面圧が大きくなり、ディスカード部上面が塑性変形する。
ｄ）粉末粒子およびディスカード部上面が塑性変形を起こし、最終的に両者の結合部の面積が大きくなるので、両者間の結合強度が高くなる。

（２）追加投入金属粉末が圧粉体の場合
図１６は、金型内に残った先行押出材のディスカード部上に投入される金属粉末が圧粉体の場合の結合メカニズムを説明するための図解図である。

図１６（ａ）に示すように、冷間で圧粉固化された圧粉体の場合、粉末粒子１１間の隙間は小さく、粉末粒子１１とディスカード部１０の上面との隙間も小さい。また、加圧前の段階から、各粉末粒子１１とディスカード部上面との接触面積も大きい。

図１６（ｂ）に示すように、圧粉体を加圧すると、各粉末粒子１１は隙間を埋めるように塑性流動するが、ディスカード部１０の上面との接触面積が大きいので粉末粒子１１からディスカード部上面に加わる面圧が小さく、ディスカード部上面はほとんど塑性変形しない。そのため、追加投入圧粉体と先行押出材のディスカード部との結合強度が弱い。

［押出材中における接合部分（つなぎ目部分）のミクロ観察］
（１）ミクロ観察した部位
本願発明者らは、先行押出材と、その後に続く後方押出材との結合部分（境界部）が、連続押出材中にどのように現れるのかをミクロ観察した。

図１７は、押出加工を３回続けて行なった押出材の図解図である。押出材の外表面にダイス跡が現れるが、そのダイス跡の後方１００ｍｍの長さの範囲内（Ａ部、およびＢ部）に、先行する押出材と、その後に続く後方押出材との結合部分（境界部）が位置する。

（２）マグネシウム合金の場合
ａ）追加投入するマグネシウム合金
材質 ：ＡＺ３１
形態１：加熱温度が４００℃の粉末（フレーク状）のまま
形態２：加熱温度が２００℃の粉末（フレーク状）のまま
形態３：粗い圧粉体（相対密度８０％）
形態４：密な圧粉体（相対密度９５％）
ｂ）結合部分のミクロ観察
図１８は、Ａ部およびＢ部の押出材の縦断面のミクロ写真である。写真中、「○」は境界跡が観察されなかったことを意味し、「×」は境界跡が観察されたことを意味している。追加投入するものが２００℃の粉末の場合、粗圧粉体の場合、および密圧粉体の場合には、境界跡が現れているが、４００℃の粉末を追加投入したものには、境界跡が現れていない。

（３）アルミニウム合金の場合
ａ）追加投入するアルミニウム合金
材質 ：Ａ６０６３
形態１：加熱温度が４５０℃の粉末（１５０μｍ）のまま
形態２：加熱温度が３００℃の粉末（１５０μｍ）のまま
形態３：粗い圧粉体（相対密度８０％）
形態４：密な圧粉体（相対密度９７％）
ｂ）結合部分のミクロ観察
図１９は、Ａ部およびＢ部の押出材の縦断面のミクロ写真である。写真中、「×」は境界跡が観察されたことを意味している。アルミニウム合金の場合、上記の４形態のいずれにおいても、境界跡が観察された。

（４）評価
図１８および図１９のミクロ写真観察の結果から、以下のように考えることができる。
ａ）圧粉体を追加投入すると押出材中に結合部分の境界跡が鮮明に現れるが、加熱した金属粉末を粉末状態のままで追加投入すると押出材中の境界跡が目立たなくなる。
ｂ）金属粉末を粉末状態のままで追加投入する場合、加熱温度が低いと押出材中に鮮明な境界跡が残る。本願発明者らの行なった実験によれば、マグネシウム合金粉末を粉末状態のままで追加投入する場合、絶対温度で表したマグネシウム合金の融点をＴｍとすると、好ましいマグネシウム合金粉末の加熱温度は、０．６Ｔｍ〜０．９Ｔｍの範囲内にある。
ｃ）押出金型内のディスカード部と、追加投入物との結合力が高い（せん断なし）方が、押出材中においても境界跡が現れず境界部の結合力が高い。
ｄ）マグネシウム合金とアルミニウム合金とを対比すると、マグネシウム合金の方が、押出材中の結合部の境界跡が目立たなくなる。

［押出材の引張試験結果］
本願発明者らは、連続押出加工をした後の押出材の健全部位（図１７のＡ部およびＢ部に入らない領域）を取出し、引張試験を行なった。試験を行なったのは以下の３種のマグネシウム合金（ＡＺ３１）であり、それぞれの引張強度も併せて記す。

（ａ）追加投入物が４００℃に加熱されたフレーク状粉末
引張強度ＴＳ（ＭＰａ）：２９５．６
（ｂ）追加投入物が粗い圧粉体（相対密度８０％）
引張強度ＴＳ（ＭＰａ）：３０１．０
（ｃ）追加投入物が密な圧粉体（相対密度９５％）
引張強度ＴＳ（ＭＰａ）：３００．０
上記の引張試験の結果から、上記の３種類に関して、健全部位の引張強度は同等であることが認められる。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

本発明は、製造効率の優れた金属粉末連続押出加工方法として有利に利用され得る。

本発明に従った連続押出加工方法の各工程を図解的に示す図である。 実験で使用したマグネシウム合金のフレーク状粉末を示す写真である。 実験で使用したアルミニウム合金粉末を示す写真である。 金型内に残った先行押出材のディスカード部上に堆積した金属粉末を押出ツールによって荷重を加えていったときの荷重曲線を示す図である。 金型内のディスカード部と、その上の追加投入物とがせん断（分離）したか否かを示す図である。 追加投入物がマグネシウム合金の場合の加圧圧縮体の外観写真である。 追加投入物がアルミニウム合金の場合の加圧圧縮体の外観写真である。 マグネシウム合金粉末の押出材のディスカード部の上面を示す写真である。 金型内の境界部が押出加工時にどのように移動するかを示す図（写真）である。 押出加工の進行に伴って、境界部（結合部）の形態がどのように変化するかを示す写真である。 マグネシウム合金粉末を粉末状態のままで追加投入して連続押出加工したときの金型内の材料の断面のマクロ写真およびミクロ写真、並びに押出材の断面のミクロ写真である。 相対密度９５％のマグネシウム合金の密圧粉体を追加投入して連続押出加工したときの金型内の材料の断面のマクロ写真およびミクロ写真、並びに押出材の断面のミクロ写真である。 アルミニウム合金粉末の押出材のディスカード部の上面を示す写真である。 押出加工の進行に伴って、境界部（結合部）の形態がどのように変化するかを示す写真である。 金型内に残った先行押出材のディスカード部上に投入される金属粉末が粉末状態のままの場合の結合メカニズムを説明するための図解図である。 金型内に残った先行押出材のディスカード部上に投入される金属粉末が圧粉体の場合の結合メカニズムを説明するための図解図である。 押出加工を３回続けて行なった押出材の図解図である。 図１７のＡ部およびＢ部の押出材の縦断面のミクロ写真である。 図１７のＡ部およびＢ部の押出材の縦断面のミクロ写真である。

符号の説明

１ 押出用金型、２ 容器、３ 金属粉末、４ 押出ツール、５ 先行押出材、６ 金属粉末、７ 後方押出材、８ 金属粉末、１０ ディスカード部、１１ 粉末粒子。

Claims (4)

1. 押出開口を有する押出用金型内に加熱された金属粉末を粉末状態のままで投入する工程と、
   前記金型内の金属粉末を押出ツールによって押出加工する一次押出工程と、
   前記一次押出工程後に引き続いて、前記金型内に圧縮状態で残っている前記金属粉末の圧縮体上に加熱された追加の金属粉末を粉末状態のままで投入する工程と、
   前記金型内の圧縮体及び前記追加金属粉末を押出ツールによって押出加工する二次押出工程とを備える、金属粉末の連続押出加工方法。
2. 前記金属粉末はマグネシウム合金粉末であり、
   絶対温度で表した前記マグネシウム合金の融点をＴｍとすると、前記マグネシウム合金粉末の加熱温度は、０．６Ｔｍ〜０．９Ｔｍの範囲内にある、請求項１に記載の金属粉末の連続押出加工方法。
3. 前記押出加工の押出比は、３０以上である、請求項１または２に記載の金属粉末の連続押出加工方法。
4. 前記押出用金型の温度を３００℃以上に保つ工程をさらに備える、請求項１〜３のいずれかに記載の連続押出加工方法。