JP2009160628A

JP2009160628A - 強加工装置及び強加工方法

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Publication number: JP2009160628A
Application number: JP2008002045A
Authority: JP
Inventors: Naoki Niwa; 直毅丹羽; Kazuo Ichinose; 和夫一之瀬
Original assignee: Tama TLO Co Ltd
Current assignee: Tama TLO Co Ltd
Priority date: 2008-01-09
Filing date: 2008-01-09
Publication date: 2009-07-23
Anticipated expiration: 2028-01-09
Also published as: JP4992064B2

Abstract

【課題】本発明は、金属材料に対し高いひずみを効果的に導入することができる、工業的に実用可能な強加工装置および強加工方法を提供することを目的とする。
【解決手段】互いに異なる開口形状を有する複数の孔型を順次用いて金属材料を複数回にわたって孔型圧延する。その際、上記複数の孔型を、それぞれの開口面積が素材の金属材料の横断面積に等しくなるように構成し、且つ、複数の孔型の開口形状の遷移の態様を、金属材料に対する圧下方向が複数の孔型圧延工程ごとに変化するように設計することによって、加工力を大幅に低減しつつ、金属材料に対し大きな塑性ひずみを均一に付与する。
【選択図】図１

Description

本発明は、強加工装置及び強加工方法に関し、より詳細には、金属材料に対し高いひずみを効果的に導入することができる強加工装置及び強加工方法に関する。

従来、金属材料において二律背反の関係にあると考えられていた強度と靭性は、金属の結晶粒を微細化することによって、その両方が好適に向上することが発見され、これに伴って、近年、金属材料の特性を向上させることを企図して、当該金属材料の結晶粒を微細化するための方法が種々検討されている。金属材料の結晶粒微細化を実現するための方法として、強ひずみ加工法がある。強ひずみ加工法とは、金属材料に対し、大きな塑性ひずみを繰り返し付与することによって、結晶粒をナノサイズまで微細化するというものである。この点につき、非特許文献１は、代表的な強ひずみ加工法である、Equal Channel Angular Pressing法（ＥＣＡＰ法）を開示する。

図６は、ＥＣＡＰ法を概念的に示す図である。図６に示されるように、ＥＣＡＰ法は、９０°屈曲したパスを有する金型５０を通して金属材料５２を押し出すことによって、屈曲部５４において金属材料５２に大きなせん断ひずみを与えるというものである。ＥＣＡＰ法においては、加工によって材料の径が変わらないため、何度でも上記プロセスを繰り返すことができ、金属材料５２をバルク状態に維持したままで、大きなひずみを付与することができる。しかしながら、ＥＣＡＰ法においては、ひずみを与える方向が1方向しかないため、結晶粒の微細化の度合いが不均質になる傾向が否めず、また、非連続的プロセスであるため、長尺物の材料に適用することができないという問題があった。さらにＥＣＡＰ法の最も深刻な問題は、金属材料５２と金型５０のパスの壁面との摩擦力に対抗するために非常に大きな加工力を要することであり、この点が工業的な実用化を妨げていた。

この点につき、非特許文献２は、加熱とねじり変形を組合わせたSevere Torsion Straining Process法（ＳＴＳＰ法）を開示する。図７は、ＳＴＳＰ法を概念的に示す図である。図７に示されるように、ＳＴＳＰ法においては、電流コイル６０の中に円柱状の金属材料６２を通しつつ、電流コイル６０の両端近傍から冷却水６４を放出することによって、金属材料６２に対して局所的な誘導加熱を行なうと同時に、金属材料６２を図中の矢印Ｒ方向に捻ることによって、加熱部分に集中的に塑性ひずみを生じさせる。この状態で金属材料６２を長手方向に順次移動させことによって、金属材料６２全長にわたって塑性ひずみを付与することができる。この方法は、金型を必要としないため、摩擦力に起因する加工力の増大の問題が回避され、また、連続的プロセスであるため、長尺物に対し大きなひずみを連続的に付与することができる点で、工業的な実用性に対し一定の可能性を示すものであった。しかしながら、加熱効果を利用して結晶粒を微細化する上記方法は、熱の影響を受けて再結晶しやすい材料には適用することができないため、適用材料が限定されるという問題があった。
Segal，Ｖ．M．，Reznikov，Ｖ．Ｉ．，Drobyshevsky，A．E．and Kopylov，Ｖ．Ｉ．：Russian Metallurgy，1，p．99（1981） K.Nakamura, K.Neishi,K.Kaneko,M.Nakagakiand Z.Horita：Materials Transactions 45, 12,3338-3342,(2004) " Development of Severe Torsion Straining Process forRapid Continuous Grain Refinement "

本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、金属材料に対し高いひずみを効果的に導入することができる、工業的に実用可能な強加工装置および強加工方法を提供することを目的とする。

本発明者は、金属材料に対し高いひずみを効果的に導入することができる、工業的に実用可能な強加工装置につき検討した結果、金属材料に対する圧下方向が変化するように形成された複数の異なる開口形状を有する孔型を用いて孔型圧延を行ない、且つ、その開口面積が素材の金属材料の横断面積と等しくなるように形成された複数の孔型を用いて孔型圧延を行なうことによって、加工力を大幅に低減しつつ、金属材料に対し大きな塑性ひずみを均一に付与することができることを見出し、本発明に至ったのである。

すなわち、本発明によれば、金属材料の強加工装置であって、ロール胴長方向に複数の孔型が並設された孔型圧延ロールを備え、前記複数の孔型は、互いに異なる開口形状を有し、且つ、その開口面積が前記金属材料の横断面積に等しいことを特徴とする、強加工装置が提供される。また、本発明によれば、金属材料の強加工装置であって、加工軸方向に縦列的に配置された複数の孔型圧延ロールを備え、前記複数の孔型圧延ロールに形成された複数の孔型は、その開口面積が前記金属材料の横断面積に等しく、且つ、隣接する孔型圧延ロールに形成された孔型は、互いに異なる開口形状を有することを特徴とする、強加工装置が提供される。本発明の強加工装置は、前記金属材料に対し、加工軸方向の引き抜き力および／または押し込み力を付与する手段をさらに備えることができ、また、前記孔型の内壁面を粗面とすることができる。また、本発明の別の構成によれば、金属材料を強加工する方法であって、互いに異なる開口形状を有する複数の孔型を順次用いて前記金属材料を孔型圧延する複数の孔型圧延工程を含み、前記複数の孔型は、その開口面積が前記金属材料の横断面積に等しいことを特徴とする方法が提供される。本発明においては、前記複数の孔型を、加工軸方向に縦列的に配置された複数の孔型圧延ロールのそれぞれに形成された孔型とすることができる。

上述したように、本発明によれば、金属材料に対し高いひずみを効果的に導入することができる、工業的に実用可能な強加工装置および強加工方法が提供される。

以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。

図１は、本実施形態の強加工装置１０の正面図である。強加工装置１０は、２つの孔型圧延ロール１２ａ,１２ｂを含んで構成されており、孔型圧延ロール１２ａには、その外周面に５つの凹部１３〜１７が形成されており、孔型圧延ロール１２ｂには、その外周面に５つの凹部１８〜２２が形成されている。孔型圧延ロール１２ａと孔型圧延ロール１２ｂとは、両者の外周面が隣接した状態で位置決めされ、それぞれが、軸体２４ａ,２４ｂを回転軸として図中の矢印方向に回転自在に構成されている。孔型圧延ロール１２ａの外周面と孔型圧延ロール１２ｂの外周面が接する頂点において、孔型圧延ロール１２ａの凹部の内壁面と孔型圧延ロール１２ｂの凹部の内壁面によって、孔型圧延ロール１２ａ,１２ｂのロール胴長方向に金属材料を挿入するための５つの孔型２８〜３２が並んで形成されている。本実施形態においては、孔型２８〜３２は、それぞれの開口形状が異なるように構成され、且つ、全ての孔型の開口面積が導入される金属材料の横断面積と等しくなるように構成されている。なお、本実施形態において、横断面とは、金属材料の長手方向（加工軸方向）に垂直な断面をいい、横断面積とは、その面積をいう。具体的には、凹部１７と凹部２２によって正八角形の孔型３２が、凹部１６と凹部２１によって扁平した八角形の孔型３１が、凹部１５と凹部２０によってより扁平した八角形の孔型３０が、凹部１４と凹部１９によって正方形の孔型２９が、凹部１３と凹部１８によって正円形の孔型２８がそれぞれ形成されている。なお、上述した実施形態は、２つの孔型圧延ロールの凹部が互いに対称な形状を備えており、孔型の開口形状が線対称形状である構成について示したが、本発明における孔型圧延ロールの孔型の開口形状は、線対称形状に限定されるものではなく、加工対象材料のひずみ分布に鑑みて、非線対称形状を採用することもでき、２つの孔型圧延ロールに対し、互いに非対称な形状の凹部を形成することもできる。

図２は、本実施形態の強加工装置１０の孔型に対して、金属材料３４を導入する態様を示す斜視図である。図２に示されるように、紙面右側から強加工装置１０に形成された正八角形の孔型３２に対し、正円形の横断面を有する金属材料３４を導入すると、金属材料３４は、その先端から図中の矢印方向に回転する孔型圧延ロール１２ａ,１２ｂに噛み込まれ、孔型圧延ロール１２ａと孔型圧延ロール１２ｂからの押圧の作用で圧延されながら紙面左側に送り出される。金属材料３４は、紙面左側に送り出される際、孔型圧延ロール１２ａと孔型圧延ロール１２ｂの押圧の作用を受けて複雑な３次元変形をするが、その際、両ロールの外周面が接する頂点において、孔型３２の内壁面に拘束されるため、その横断面は正円形から孔型３２の開口形状と同じ正八角形に塑性変形し、この変形に伴って、金属材料３４の内部にせん断ひずみが生じる。なお、実際の加工においては、導入時の噛み込みをスムースにするために金属材料３４の先端を略テーパ状にしておくことが好ましい。また、本実施形態においては、金属材料３４に対し、矢印Ａで示す加工軸方向の引き抜き力および／または押し込み力を付与するための機構を設けることができ、引き抜き力および／または押し込み力を調整することによって加工を容易にすることができる。また、孔型圧延ロール１２ａ,１２ｂによる噛み込みの容易性に鑑みて、孔型圧延ロール１２ａ,１２ｂに形成された孔型２８〜３２の内壁面を粗面にするなどして、孔型２８〜３２の内壁面の摩擦係数を適宜制御することが好ましい。

上述した手順で送り出された正八角形の横断面を有する金属材料３４は、元の材料に比べてその内部にひずみが発生している。本実施形態においては、上述したように、孔型３２の開口面積は、導入される金属材料３４の正円形の横断面の面積と等しくなるように構成されているため、矢印Ａで示す加工軸方向のひずみは低減され、圧力の多くは横断面方向のひずみに転換するので、全体の加工力が好適に低減される。また、本実施形態における加工の際の摩擦力は、孔型３２の内壁面と金属材料３４の外周面との接線においてしか発生しないので、金型の内壁面全長にわたって摩擦力が発生する従来のＥＣＡＰ法に比べてその加工力が格段に低減される。

しかしながら、金属材料３４が孔型圧延ロール１２ａ,１２ｂの外周面が接する頂点において圧延される際の、金属材料３４に対する圧延圧力およびその圧延率は横断面方向で一様ではないため、１回のパスで発生したそのひずみは均質ではない。この点につき、本実施形態においては、開口面積が等しく、且つ、互いに開口形状が異なる複数の孔型に対して、順次金属材料３４を導入し圧延することによってひずみの均一化を図る。この強ひずみ加工のスケジュールについて、図３〜図５を参照しながら説明する。

最初に図３を参照して、正円形の横断面を有する棒状の金属材料３４に対する強ひずみ加工のスケジュールについて説明する。図３は、図１に示した強加工装置１０の各圧延工程における上面図を、符号（１）〜（６）の順に時系列的に示しており、併せて、各上面図の上側に、金属材料３４の加工前の横断面を、下側に加工後の横断面をそれぞれ示している（以下、図４においても同様）。

符号（１）に示す第１工程において、正円形の横断面を有する金属材料３４は、正八角形の孔型３２に対し、図中の矢印方向に導入され圧延されることによって、正八角形の横断面を有する金属材料３４となって送出される。送出された正八角形の横断面を有する金属材料３４は、符号（２）に示す第２工程において、扁平した八角形の孔型３１に対し、図中の矢印方向に導入され圧延されることによって、扁平した八角形の横断面を有する金属材料３４となって送出される。送出された扁平した八角形の横断面を有する金属材料３４は、符号（３）に示す第３工程において、より扁平した八角形の孔型３０に対し、図中の矢印方向に導入され圧延されることによって、より扁平した八角形の横断面を有する金属材料３４となって送出される。送出されたより扁平した八角形の横断面を有する金属材料３４は、符号（４）に示す第４工程において、その向きを加工軸まわりに９０°回転させられた後、扁平した八角形の孔型３１に対し、図中の矢印方向に導入され圧延されることによって、扁平した八角形の横断面を有する金属材料３４となって送出される。送出された扁平した八角形の横断面を有する金属材料３４は、符号（５）に示す第５工程において、その向きを加工軸まわりに９０°回転させられた後、正八角形の孔型３２に対し、図中の矢印方向に導入され圧延される結果、正八角形の横断面を有する金属材料３４となって送出される。最後に、送出された正八角形の横断面を有する金属材料３４は、符号（６）に示す第６工程において、正円形の孔型２８に対し、図中の矢印方向に導入され圧延される結果、最終的に、再び正円形の横断面を有する金属材料３４となって送出される。第１工程〜第６工程の間、金属材料３４の横断面は、その都度、形状を変えるものの、その面積は変化しない。上述したように、本実施形態においては、金属材料３４の横断面を八角形にした状態で、孔型圧延ロール１２から送出された金属材料３４を加工軸回りに９０°もしくは４５°回転させたのち、再び孔型圧延ロール１２に導入して圧延するという工程を繰り返すことによって、金属材料３４に対し、より均一なひずみを与えることができる。

続いて、図４を参照して、正方形の横断面を有する棒状の金属材料３５に対する強ひずみ加工のスケジュールについて説明する。符号（１）に示す第１工程において、正方形の横断面を有する金属材料３５は、正八角形の孔型３２に対し、図中の矢印方向に導入され圧延される結果、正八角形の横断面を有する金属材料３５となって送出される。以下、第２工程〜第５工程は、図３について上述したのと同様である。最後に、第６工程において、第５工程で送出された正八角形の横断面を有する金属材料３５は、正方形の孔型２９に対し、図中の矢印方向に導入され圧延される結果、最終的に、元の正方形の横断面を有する金属材料３５となって送出される。第１工程〜第６工程の間、金属材料３５の横断面は、その都度、形状を変えるものの、その面積は変化しない。

以上、図３および図４を参照して説明したように、本実施形態においては、金属材料を、開口面積が等しく、且つ、開口形状が異なる複数の孔型に対して順次導入することによって、圧下方向を複数回にわたり変化させて圧延する。この手順によって、金属材料の内部に対し、異なる方向のせん断ひずみが重層的に付与・蓄積され、その結果、金属材料の素材形状を保持した状態で内部に大きなひずみが均一に発生する。また、本実施形態においては、加工工程の途中で加工軸方向が変わらないため、長尺物の金属材料に対しても、好適に強ひずみ加工を施すことができる。

なお、図３および図４に示した実施形態においては、５つの孔型を用いた６工程からなる加工について説明したが、本発明は、孔型の開口形状および圧延の工程数を限定するものではない。本発明において、用いる孔型の開口形状および当該開口形状の遷移の態様、ならびにその工程数は、加工硬化、結晶系、集合組織など、加工対象材料の変形特性を考慮した上で、高いひずみを均一に付与することができるように最適化することが好ましい。また、図３および図４においては、金属材料の加工前の横断面の形状と最終加工後の横断面の形状が等しい態様を示したが、本発明においては、加工後の横断面の最終形状については適宜決定することができ、最終工程における孔型の開口形状を加工前の金属材料の横断面の形状と異なるものにすることによって、素材形状と加工後の最終形状を異ならしめることもできる。

図１〜図４について上述した実施形態は、複数の孔型２８〜３２が幅方向に並設された孔型圧延ロール１２を用い、各孔型に対し、間欠的に金属材料を導入する非連続的プロセスについて説明してきたが、本発明によれば、強ひずみ加工を連続プロセスとして行なうことができる。以下、図５を参照して、本発明の強ひずみ加工を連続的に行なうプロセスについて説明する。図５は、強ひずみ加工を連続プロセスとして行なうことのできる強加工装置４０の側面図を示す。なお、図５においては、加工前および加工後の金属材料３４の横断面を破線で囲んで示している。強加工装置４０は、孔型圧延ロール４２〜４７を含んで構成されており、６つの孔型圧延ロール４２〜４７は、図中の矢印が示す加工軸方向に縦列的に配置されている。本実施形態においては、各孔型圧延ロールに形成された孔型は、隣接する孔型圧延ロールのそれと異なるように構成されている。図５においては、各孔型圧延ロールの下に、それぞれが備える孔型の開口形状を示している。

本実施形態においては、正円形の横断面を有する棒状の金属材料３４は、最初に正八角形の孔型を備える孔型圧延ロール４２に導入され圧延されたのち、縦列的に配置された複数の孔型圧延ロール４３〜４７に対し連続的に導入される。具体的には、正円形の横断面を有する棒状の金属材料３４は、正八角形の孔型３２を備える孔型圧延ロール４２に導入され、横断面が正八角形に圧延されたのち、隣接する、扁平した八角形の孔型３１を備える孔型圧延ロール４３に連続的に導入され、横断面が扁平した八角形に圧延される。次に、扁平した八角形の横断面を有する棒状の金属材料３４は、隣接する、より扁平した八角形の孔型３０を備える孔型圧延ロール４４に連続的に導入され、横断面がより扁平した八角形に圧延される。次に、より扁平した八角形の横断面を有する棒状の金属材料３４は、隣接する、扁平した八角形の孔型３１を備える孔型圧延ロール４５に連続的に導入され、横断面が扁平した八角形に圧延される。ここで、孔型圧延ロール４５は、先の孔型圧延ロール４３と同じ孔型３１を有するロールであるが、金属材料３４の噛み込みの容易性に鑑みて、孔型圧延ロール４４および後述する孔型圧延ロール４６に対し、図中の矢印が示す加工軸まわりに９０°回転させた状態に位置決めされている。次に、扁平した八角形の横断面を有する棒状の金属材料３４は、隣接する、正八角形の孔型３２を備える孔型圧延ロール４６に連続的に導入され、横断面が正八角形に圧延されたのち、隣接する、正円形の孔型２８を備える孔型圧延ロール４７に連続的に導入され、圧延される。その結果、金属材料３４の横断面は、最終的に、元の正円形となって送出される。金属材料３４の横断面は、６つの孔型圧延ロール４２〜４７を通過する間、その都度、形状を変えるものの、その面積は変化しない。上述した連続プロセスによって、図３について上述した非連続プロセスと同じ内容の加工が実施されることを理解されたい。以上、説明したように、本実施形態によれば、長尺物の金属材料に対して、連続的に強ひずみ加工を施すことが可能になり、作業のスループットが格段に向上する。

以上、説明したように、本発明によれば、金属材料に対し高いひずみを効果的に導入することができる強加工装置および強加工方法が提供される。本発明によって、金属材料の内部構造や微細組織を制御してその特性を極限まで向上させることのできる強ひずみ加工の工業化への道が開かれ、資源制約のある合金元素の依存度が低減された新しい産業構造が構築されることが期待される。

強加工装置の正面図。強加工装置の孔型に対して、金属材料を導入する態様を示す斜視図。正円形の横断面を有する棒状の金属材料を強ひずみ加工するスケジュールを示す図。正方形の横断面を有する棒状の金属材料を強ひずみ加工するスケジュールを示す図。強ひずみ加工を連続プロセスとして行なうことのできる強加工装置の側面図。ＥＣＡＰ法を概念的に示す図。ＳＴＳＰ法を概念的に示す図。

符号の説明

１０…強加工装置、１２…孔型圧延ロール、１３〜１７…凹部、１８〜２２…凹部、２４…軸体、２８〜３２…孔型、３４…金属材料、３５…金属材料、４０…強加工装置、４２〜４７…孔型圧延ロール、５０…金型、５２…金属材料、５４…屈曲部、６０…電流コイル、６２…金属材料、６４…冷却水

Claims

金属材料の強加工装置であって、
ロール胴長方向に複数の孔型が並設された孔型圧延ロールを備え、
前記複数の孔型は、互いに異なる開口形状を有し、且つ、その開口面積が前記金属材料の横断面積に等しいことを特徴とする、
強加工装置。
金属材料の強加工装置であって、
加工軸方向に縦列的に配置された複数の孔型圧延ロールを備え、
前記複数の孔型圧延ロールに形成された複数の孔型は、その開口面積が前記金属材料の横断面積に等しく、且つ、隣接する孔型圧延ロールに形成された孔型は、互いに異なる開口形状を有することを特徴とする、
強加工装置。
前記金属材料に対し、加工軸方向の引き抜き力および／または押し込み力を付与する手段をさらに備える、請求項１または２に記載の強加工装置。
前記孔型の内壁面が粗面である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の強加工装置。
金属材料を強加工する方法であって、
互いに異なる開口形状を有する複数の孔型を順次用いて前記金属材料を孔型圧延する複数の孔型圧延工程を含み、
前記複数の孔型は、その開口面積が前記金属材料の横断面積に等しいことを特徴とする、方法。
前記複数の孔型は、加工軸方向に縦列的に配置された複数の孔型圧延ロールのそれぞれに形成された孔型である、請求項５に記載の方法。