JP2009233731A - 金属管の結晶粒微細化装置及び金属管の結晶粒微細化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属管に大きな寸法変化を残すことなく、高速かつ連続的に結晶粒を微細化することができる金属管の結晶粒微細化装置及び金属管の結晶粒微細化方法を提供すること。
【解決手段】金属管Ｐの結晶粒微細化装置１は、金属管Ｐの一部を加熱する高周波加熱コイル（加熱部）２と、金属管Ｐを中心軸線ＣＬ回りに回転させる回転部３と、金属管Ｐの加熱された部位ＡＲを曲げる第一軸受部５（曲げ部）及び第二軸受部６（曲げ部）と、高周波加熱コイル２の近傍に配されて金属管Ｐを冷却する冷却コイル（冷却部）７と、高周波加熱コイル２、第一軸受部５、第二軸受部６、及び冷却コイル７に対して金属管Ｐを中心軸線ＣＬ方向に移動させる押し出し部８と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属管の結晶粒微細化装置及び金属管の結晶粒微細化方法に関する。

金属材料の結晶粒を微細化する方法として代表的なものの一つに、屈曲した通路に金属材料を押し込みながら通過させて強せん断変形を繰り返し付与するＥＣＡＥ（Ｅｑｕａｌ−Ｃｈａｎｎｅｌ Ａｎｇｕｌａｒ Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）法が知られている。この方法によれば、金属材料にバルク状態のままで大きな加工ひずみを繰り返し与えることによって、微細化を図ることができる。また、せん断変形のみならず、ねじりを加えた方法も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００７−１２５５８７号公報

しかしながら、上記従来の方法は棒材を対象としたものであり、金属管のような中空部材に適用するための方法が明示されていない。また、金属管の場合には、管の形状を大きく変形させないように加工しなければならず、工程が複雑になってしまう。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、金属管に大きな寸法変化を残すことなく、高速かつ連続的に結晶粒を微細化することができる金属管の結晶粒微細化装置及び金属管の結晶粒微細化方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係る金属管の結晶粒微細化装置は、金属管の一部を加熱する加熱部と、前記金属管を中心軸線回りに回転させる回転部と、前記金属管の加熱された部位を曲げる曲げ部と、を備えていることを特徴とする。

この発明は、金属管を回転曲げさせることができ、金属管の曲げられた部位に伸縮を繰り返し付与して、強ひずみを好適に蓄積させることができる。

また、本発明に係る金属管の結晶粒微細化装置は、前記金属管の結晶粒微細化装置であって、前記加熱部及び前記曲げ部が、前記金属管に対して移動可能に配され、前記加熱部及び前記曲げ部に対して前記金属管を前記中心軸線方向に移動させる押し出し部を備えていることを特徴とする。

この発明は、金属管の回転曲げされる部位を中心軸線に沿って漸次切り替えることができ、所定長さの金属管全体にわたって強ひずみを好適に蓄積させることができる。

また、本発明に係る金属管の結晶粒微細化装置は、前記金属管の結晶粒微細化装置であって、前記加熱部の近傍に配されて前記金属管を冷却する冷却部を備えていることを特徴とする。

この発明は、加熱部により金属管に加えられた熱が熱伝導によって周囲に拡散してしまうのを抑えることができ、変形部位を特定することができる。

また、本発明に係る金属管の結晶粒微細化装置は、前記金属管の結晶粒微細化装置であって、前記加熱部及び前記曲げ部が、複数配されていることを特徴とする。

この発明は、金属管の複数箇所に同時に回転曲げを加えることができる。したがって、金属管が長尺であっても、全体を短時間で連続的に微細化することができる。

また、本発明に係る金属管の結晶粒微細化装置は、前記金属管の結晶粒微細化装置であって、前記回転部とは別の回転速度で前記中心軸線回りに前記金属管を回転させる補助回転部を備えていることを特徴とする。

この発明は、金属管の同一箇所に回転曲げとともにねじりを加えることができ、金属管をより好適に強せん断変形させることができる。

本発明に係る金属管の結晶粒微細化方法は、金属管の一部を加熱する加熱ステップと、前記金属管を中心軸線回りに回転させながら、前記加熱された部位を曲げる回転曲げステップと、を備えていることを特徴とする。

この発明は、金属管の加熱した部位を回転曲げするので、当該部位を繰り返し伸縮させることができ、強ひずみを好適に蓄積させることができる。

また、本発明に係る金属管の結晶粒微細化方法は、前記金属管の結晶粒微細化方法であって、前記金属管を前記中心軸線方向に移動する押し出しステップを備えていることを特徴とする。

この発明は、金属管の回転曲げされる部位を中心軸線に沿って漸次替えることができ、所定長さの金属管全体を短時間に連続的に微細化することができる。

また、本発明に係る金属管の結晶粒微細化方法は、前記金属管の結晶粒微細化方法であって、前記金属管を加熱した部位の近傍を冷却する冷却ステップを備えていることを特徴とする。

この発明は、加熱ステップにて金属管に加えられた熱を熱伝導によって周囲に拡散させてしまうのを抑えることができ、金属管の変形部位を特定することができる。

また、本発明に係る金属管の結晶粒微細化方法は、前記金属管の結晶粒微細化方法であって、前記金属管の回転曲げされた部位にねじりを加えるねじりステップを備えていることを特徴とする。

この発明は、金属管の同一箇所に回転曲げとねじりとを加えることができ、金属管をより好適に強せん断変形させることができる。

本発明によれば、金属管に大きな寸法変化を残すことなく、高速かつ連続的に結晶粒を微細化することができる。

本発明に係る第１の実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。
本実施形態に係る金属管Ｐの結晶粒微細化装置１は、金属管Ｐの一部を加熱する高周波加熱コイル（加熱部）２と、金属管Ｐを中心軸線ＣＬ回りに回転させる回転部３と、金属管Ｐの加熱された部位ＡＲを曲げる第一軸受部５（曲げ部）及び第二軸受部６（曲げ部）と、高周波加熱コイル２の近傍に配されて金属管Ｐを冷却する冷却コイル（冷却部）７と、高周波加熱コイル２、第一軸受部５、第二軸受部６、及び冷却コイル７に対して金属管Ｐを中心軸線ＣＬ方向に移動させる押し出し部８と、を備えている。

高周波加熱コイル２は、金属管Ｐの中心軸線ＣＬに沿って所定長さで金属管Ｐに巻回され、該コイルに電力を供給する電力供給部１０と接続されている。そして、電力供給部１０から電力を供給されて、金属管Ｐを覆う部位ＡＲ内を局部的に加熱する。

回転部３は、金属管Ｐを中心軸線ＣＬ回りに回転させる駆動力を供給する回転駆動力供給源１１と、金属管Ｐの一部を回転自在に覆って配され、回転駆動力供給源１１と接続されて回転駆動力供給源１１からの回転力を金属管Ｐに伝達するチャック１２と、を備えている。

第一軸受部５及び第二軸受部６は、互いに離間して高周波加熱コイル２を間に挟み、かつ、中心軸線ＣＬ方向に摺動可能に配されている。第一軸受部５及び第二軸受部６は、金属管Ｐを曲げるために、中心軸線ＣＬと交差する方向に作用する力やモーメント等を供給する曲げ力供給源１３に接続されて、曲げ力供給源１３から曲げ力を金属管Ｐに伝達する。

冷却コイル７は、高周波加熱コイル２を間に挟んで金属管Ｐに巻回され、冷媒を供給する冷媒供給部１５と接続されている。そして、冷媒供給部１５から冷媒が供給されて、高周波加熱コイル２によって加熱した部位ＡＲの周囲を局所的に冷却する。なお、押し出し部８による押し出しを行う際には、金属管Ｐの押し出し方向上流側は加熱前の状態となっている。そのため、金属管Ｐの熱特性や押し出し部８の押し出し速度によっては、押し出し方向上流側の冷却コイル７は不要としてもよい。

押し出し部８は、金属管Ｐの端部に配され、金属管Ｐを中心軸線ＣＬに沿って押圧する押し出し力源１６からの押し出し力を金属管Ｐに伝達する。

次に、本実施形態に係る金属管Ｐの結晶粒微細化方法について、結晶粒微細化装置１の作用を含めて説明する。

この結晶粒微細化方法は、第一軸受部５と第二軸受部６との間の金属管Ｐの部位ＡＲを加熱する加熱ステップ（Ｓ０１）と、金属管Ｐを加熱した部位の近傍を冷却する冷却ステップ（Ｓ０２）と、金属管Ｐを中心軸線ＣＬ回りに回転させながら、加熱された部位ＡＲを曲げる回転曲げステップ(Ｓ０３)と、金属管Ｐを中心軸線ＣＬ方向に移動する押し出しステップ(Ｓ０４)と、を備えている。

加熱ステップ（Ｓ０１）では、電力供給部１０から高周波加熱コイル２に給電し、一定温度にて金属管Ｐの部位ＡＲを局所加熱する。

冷却ステップ（Ｓ０２）では、局所加熱をした状態で冷媒供給部１５から冷媒を供給して、部位ＡＲの周辺を所定温度以下に冷却する。これによって、熱を部位ＡＲ内に閉じ込める。

回転曲げステップ（Ｓ０３）では、局所加熱及びその周囲の冷却をした状態で、回転駆動力供給源１１を駆動して、チャック１２を介して金属管Ｐに回転力を伝達して、所定の回転速度で金属管Ｐを中心軸線ＣＬ回りに回転させる。また、曲げ力供給源１３を駆動して、部位ＡＲが所定の曲げ角度となるように第一軸受部５及び第二軸受部６を図１において上方に相対移動する。このとき、金属管Ｐの部位ＡＲは、所定の角度で曲げられた状態で回転する。こうして、部位ＡＲの管壁では伸びと圧縮とが繰り返されて強ひずみが蓄積され、金属管Ｐの部位ＡＲの結晶粒が微細化される。

金属管Ｐの部位ＡＲのみならず、金属管Ｐの所定の範囲を微細化する場合には、さらに押し出しステップ（Ｓ０４）に移行する。

押し出しステップ(Ｓ０４)では、上述した加熱ステップ（Ｓ０１）、冷却ステップ（Ｓ０２）、及び回転曲げステップ（Ｓ０３）を実施した状態で、押し出し部８を駆動して、中心軸線ＣＬに沿って金属管Ｐを第一軸受部５及び第二軸受部６に対して所定の押し出し速度で移動する。そして、微細化された部位ＡＲに隣接する新たな部位を第一軸受部５及び第二軸受部６間に配置する。こうして、金属管Ｐの所定の長さにわたって結晶粒の微細化が行われる。最後に直管の状態に戻す場合には、曲げ力供給源１３を駆動して、部位ＡＲが再び直管状態となるように第一軸受部５及び第二軸受部６を移動し、金属管Ｐの回転を停止する。

この結晶粒微細化装置１及び結晶粒微細化方法によれば、高周波加熱コイル２による加熱ステップ（Ｓ０１）と、回転部３、第一軸受部５及び第二軸受部６による回転曲げステップ（Ｓ０２）と、において、金属管Ｐを回転曲げさせることができ、金属管Ｐの曲げられた部位ＡＲに伸縮を繰り返し付与して、強ひずみを好適に蓄積させることができる。したがって、金属管Ｐに大きな寸法変化を与えることなく、高速かつ連続的に結晶粒を微細化することができる。

特に、高周波加熱コイル２の近傍に配された冷却コイル７による冷却ステップ（Ｓ０３）により、高周波加熱コイル２から金属管Ｐに加えられた熱が熱伝導によって周囲に拡散してしまうのを抑えることができ、変形部位ＡＲを特定することができる。

また、押し出し部８による押し出しステップ（Ｓ０４）により、回転曲げされる部位ＡＲを別の部位に漸次切り替えることができ、金属管Ｐの所定長さ全体にわたって強ひずみを好適に蓄積させることができる。

次に、第２の実施形態について図３及び図４を参照しながら説明する。
なお、上述した第１の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。

第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る結晶粒微細化装置２０の高周波加熱コイル２、第一軸受部５、第二軸受部６、及び冷却コイル７が、金属管Ｐの中心軸線ＣＬ方向に所定間隔で離間して複数配されているとした点である。

結晶粒微細化装置２０は、第一軸受部５及び第二軸受部６に対して中心軸線ＣＬ方向に押し出すだけでなく、回転部３の代わりに、金属管Ｐを中心軸線ＣＬ回りに回転させる押し出し回転部２１を備えている。押し出し回転部２１は、中心軸線ＣＬ上に投影した際に交差する方向に延びる複数のローラー２２と、これらのローラー２２と接続されて駆動する不図示の駆動系と、を備えている。

本実施形態に係る金属管Ｐの結晶粒微細化装置２０及び結晶粒微細化方法は、加熱ステップ（Ｓ２１）、冷却ステップ（Ｓ２２）、回転曲げステップ(Ｓ２３)、及び押し出しステップ(Ｓ２４)、を備えている。

加熱ステップ（Ｓ２１）では、第１の実施形態と同様に金属管Ｐの部位ＡＲを局所加熱する。冷却ステップ（Ｓ２２）では、第１の実施形態と同様に部位ＡＲの周辺を所定温度以下に冷却する。

次に、回転曲げステップ（Ｓ２３）及び押し出しステップ（Ｓ２４）を同時に行う。すなわち、不図示の駆動系を作動してローラー２２を回転させ、金属管Ｐを中心軸線ＣＬ回りに回転させながら、中心軸線ＣＬ方向に押し出す。そして、第１の実施形態と同様に、部位ＡＲが所定の曲げ角度となるように第一軸受部５及び第二軸受部６を移動する。なお、第一軸受部５及び第二軸受部６間であっても高周波加熱コイル２が配されていないところでは直管状態が維持される。

回転曲げステップ（Ｓ２３）及び押し出しステップ（Ｓ２４）を実施する間、上述した加熱ステップ（Ｓ２１）及び冷却ステップ（Ｓ２２）を実施した状態で行う。こうして、金属管Ｐの全長にわたって結晶粒の微細化が行われる。最後に直管の状態に戻す場合には、部位ＡＲが再び直管状態となるように第一軸受部５及び第二軸受部６を移動し、金属管Ｐの回転を停止する。

この結晶粒微細化装置２０及び結晶粒微細化方法によれば、第１の実施形態と同様の作用・効果を奏することができる。特に、高周波加熱コイル２、冷却コイル７、第一軸受部５、及び第二軸受部６が、それぞれ複数配されているので、金属管Ｐの複数箇所に同時に回転曲げを加えることができる。したがって、金属管Ｐが長尺であっても全体を短時間で連続的に微細化することができる。

次に、第３の実施形態について図５及び図６を参照しながら説明する。
なお、上述した他の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。

第３の実施形態と第２の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る結晶粒微細化装置３０が、押し出し回転部２１とは別の回転速度で中心軸線ＣＬ回りに金属管Ｐを回転させる補助回転部３１を備えているとした点である。

金属管Ｐの直管部位を挟んで隣接する第一軸受部５及び第二軸受部６は、第一軸受部５及び第二軸受部６とともに中心軸線ＣＬに沿って移動可能、かつ第一軸受部５及び第二軸受部６の中央にて金属管Ｐに直交する回転軸線を回転中心として、第一軸受部５及び第二軸受部６とともに回動可能とされた箱体３３に覆われている。

補助回転部３１は、金属管Ｐの周囲に配された複数のローラー部３５を備えて、箱体３３間の所定の位置に１つ又は複数配されている。なお、補助回転部３１は、押し出し回転部２１と同一の回転速度で、押し出し回転部２１とともに金属管Ｐへ回転力を付加してもよい。

次に、本実施形態に係る金属管Ｐの結晶粒微細化方法について、結晶粒微細化装置３０の作用を含めて説明する。

この結晶粒微細化方法は、第２の実施形態と同様の加熱ステップ（Ｓ３１）と、冷却ステップ（Ｓ３２）と、回転曲げステップ(Ｓ３３)と、押し出しステップ(Ｓ３４)と、金属管Ｐの回転曲げされた部位ＡＲにねじりを加えるねじりステップ（Ｓ３５）と、を備えている。

第２の実施形態と同様に、本実施形態に係る加熱ステップ（Ｓ３１）と、冷却ステップ（Ｓ３２）と、回転曲げステップ(Ｓ３３)と、押し出しステップ(Ｓ３４)と、を実施する。そして、各ステップを繰り返すことによって、長尺の金属管の結晶粒を微細化する。

さらに強ひずみを付与する場合には、押し出しステップ(Ｓ３４)までを継続しながらねじりステップ（Ｓ３５）に移行する。ねじりステップ（Ｓ３５）では、回転曲げステップ(Ｓ３３)にて金属管Ｐを回転させている押し出し回転部２１と異なる回転速度（停止状態も含む）で補助回転部３１のローラー部３５を回転駆動する。これによって、回転曲げされた部位ＡＲに曲げとともにねじりを加える。

この結晶粒微細化装置３０及び結晶粒微細化方法によれば、第１の実施形態と同様の作用・効果を奏することができる。
特に、補助回転部３１によるねじりステップ（Ｓ３５）により、金属管の同一箇所に回転曲げとともにねじりを加えることができ、金属管をより好適に強せん断変形させることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、高周波加熱コイルにより加熱しているが、レーザを照射して加熱しても構わない。

本発明の第１の実施形態に係る結晶粒微細化装置を示す概要図である。 本発明の第１の実施形態に係る結晶粒微細化方法を示すフロー図である。 本発明の第２の実施形態に係る結晶粒微細化装置を示す概要図である。 本発明の第２の実施形態に係る結晶粒微細化方法を示すフロー図である。 本発明の第３の実施形態に係る結晶粒微細化装置を示す概要図である。 本発明の第３の実施形態に係る結晶粒微細化方法を示すフロー図である。

符号の説明

１，２０，３０ 結晶粒微細化装置
２ 高周波加熱コイル（加熱部）
３ 回転部
５ 第一軸受部（曲げ部）
６ 第二軸受部（曲げ部）
７ 冷却コイル（冷却部）
８ 押し出し部
２１ 押し出し回転部（回転部、押し出し部）
３１ 補助回転部
ＣＬ 中心軸線

Claims (9)

1. 金属管の一部を加熱する加熱部と、
   前記金属管を中心軸線回りに回転させる回転部と、
   前記金属管の加熱された部位を曲げる曲げ部と、
   を備えていることを特徴とする金属管の結晶粒微細化装置。
2. 前記加熱部及び前記曲げ部が、前記金属管に対して移動可能に配され、
   前記加熱部及び前記曲げ部に対して前記金属管を前記中心軸線方向に移動させる押し出し部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の金属管の結晶粒微細化装置。
3. 前記加熱部の近傍に配されて前記金属管を冷却する冷却部を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属管の結晶粒微細化装置。
4. 前記加熱部及び前記曲げ部が、複数配されていることを特徴とする請求項１から３の何れか一つに記載の金属管の結晶粒微細化装置。
5. 前記回転部とは別の回転速度で前記中心軸線回りに前記金属管を回転させる補助回転部を備えていることを特徴とする請求項１から４の何れか一つに記載の金属管の結晶粒微細化装置。
6. 金属管の一部を加熱する加熱ステップと、
   前記金属管を中心軸線回りに回転させながら、前記加熱された部位を曲げる回転曲げステップと、
   を備えていることを特徴とする金属管の結晶粒微細化方法。
7. 前記金属管を前記中心軸線方向に移動する押し出しステップを備えていることを特徴とする請求項６に記載の金属管の結晶粒微細化方法。
8. 前記金属管を加熱した部位の近傍を冷却する冷却ステップを備えていることを特徴とする請求項６又は７に記載の金属管の結晶粒微細化方法。
9. 前記金属管の回転曲げされた部位にねじりを加えるねじりステップを備えていることを特徴とする請求項６から８の何れか一つに記載の金属管の結晶粒微細化方法。
   

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