JP2640642B2

JP2640642B2 - 合金材料性質改善の方法及びその加工装置及び製品

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Publication number: JP2640642B2
Application number: JP10773495A
Authority: JP
Inventors: 君山沈
Original assignee: KOKURITSU SEIKA DAIGAKU
Current assignee: KOKURITSU SEIKA DAIGAKU
Priority date: 1995-03-29
Filing date: 1995-03-29
Publication date: 1997-08-13
Anticipated expiration: 2012-08-13
Also published as: JPH08277446A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一種の合金材料性質改
善の方法及びその加工装置及び製品に関する。

【０００２】

【従来の技術】１９７０年代以来、材料の性質を高める
ための多くの研究がなされ、それにはａ．伝統的冶金工
程の改善，ｂ．急速凝固工程の開発，ｃ．機械冶金工程
の開発が含まれる。しかしこれらの研究は却って多くの
技術上のネックとなっている。

【０００３】伝統的冶金工程の方面では、材料性質の改
善はすでに極限に近く、このため常に大量コストを費や
すわりには、性質はわずかしか改善しない。これには、
合金純度を高めたり、或いは加熱機での処理等の方式が
ある。

【０００４】急速凝固工程の方面では、急速凝固により
発生する粉末或いは薄帯は直接運用することはできず、
粉末結合冶金工程により塊状の材料とすることを必要と
し、それに構造上の用途を持たせる。しかし粉末冶金工
程中には多くの複雑なステップを必要とし、また粉末表
面の酸化、汚染等の問題も伴い、材料の性質が低下する
原因となる。この粉末冶金工程中の欠点が、急速凝固材
料を発展させる上でのネックとなっている。

【０００５】機械合金工程方面では、同様に粉末結合冶
金の工程を必要とし、これにより塊状材料とすることが
できる。このため、粉末冶金工程中の欠点が、機械合金
材料を発展させる上でもまたネックとなっている。

【０００６】粉末冶金の工程を除くために、３種類の急
速凝固塊の直接製造方法が開発された。これは、ｄ．噴
霧堆積法，ｅ．気相蒸鍍法，ｆ．片状層積法を包括す
る。噴霧堆積法は、高圧ガスを利用し、金属を溶湯霧化
堆積し、塊状材料とする方法であり、気相蒸鍍法は、電
子ガンを利用し金属を溶湯加熱気化し、一層一層蒸鍍し
て塊状材料とする方法、また片状層積法は、ハンマー技
術を引用し、金属溶湯を滴下し、冷やして薄片とし、一
層一層堆積して塊状材料とする。異常の３種の方法は直
接に急速凝固塊状材料を製造できるとはいえ、工程の条
件を精確に制御する必要があり、そうでなければ容易に
穴を形成し全体の工程の失敗につながった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は主に、合金材
料の機械性質を改善できる方法を提供し、伝統的なイン
ゴットは勿論、急速凝固片或いは粉末も、大幅にその性
質を改善できる方法を提供することを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の方法は、加工
する合金材料の製造、一つの加工装置の提供、及び
該加工装置中での該合金材料の重複縒り揉み、を包括
し、これにより所要の材料性質を得る。重複縒り揉みの
方式は、該加工装置中で交互に異なる方向に該合金材料
に加圧するものである。当然、重複縒り揉みの前には、
該金属材料を適当な軟化温度に加熱してもよい。また、
縒り揉み動作は合金素材を一つの相対する狭い通道を経
させることで達成することができる。このほか、合金材
料は合金インゴット、畳置いた急速凝固合金薄片或いは
交互に堆積した元素片材として得られる。もし合金薄片
とするときには、ハンマ法で急速凝固し、獲得する。

【０００９】本発明による合金材料の性質改善の加工装
置は、一つの押出容器、及び押出装置を包括し、これに
より該容器内の合金材料に異なる方向からの圧力を受け
させる。押出容器は第１端、中部及び相対する第２端を
有する押出筒とすることができ、この押出筒は二つの相
対する押出筒半部により合成するものとしてもよい。

【００１０】

【作用】本発明は、一種の金属材料の性質を高める技術
であり、特に急速凝固片材或いは粉末の性質を改善する
のに応用される。従来は急速凝固工程で生産する金属或
いは粉末は、金属材料の性質を改善するとはいえ、その
サイズが小さすぎ、構造材料に運用するのに適さず、そ
れを金属塊状材料とする必要があり、それから構造上の
用途を有することができた。しかし塊状に形成する加工
過程は、薄片或いは粉末表面の酸化及び汚染問題及び界
面間の不完全結合問題のために、形成される金属塊状材
料の性質は大幅に低下する。これは急速凝固材料の発展
の上で一大ネックとなっていた。しかるに、本発明の方
法は、簡単に急速凝固片材或いは粉末を塊状材料とし、
優れた性質を表現でき、急速凝固片材或いは粉末の実際
の応用上の技術的問題を解決する。このほか、本発明は
２種以上の材料を直接混練して塊状機械合金材料とし、
機械合金粉末製造及び圧密化のステップを免れる。

【００１１】

【実施例】図１に示されるのは、本発明の合金材料性質
を改善する加工装置であり、内に加工する合金材料２を
収容する押出容器１、及び該合金材料２に異なる方向か
らの施圧を受けさせる押出装置３を包括する。押出容器
１は、左押出筒４、右押出筒５、及びその間の押出ダイ
６を包括する。押出ダイ６の中間には一つ或いは複数の
相対する狭い通道７が設けられ、その形状は、細縫或い
は円形穴とされ得る。押出装置３は、相対方向に往復し
合金材料２に作用する一対の押出桿８、９、及び押出桿
８、９の自由端にそれぞれ固着されるダミーブロック１
０、１１（ｄｕｍｍｙｂｌｏｃｋ）、押出桿８、９に
それぞれ固着される押し棒１２、１３（ｒａｍ）、及び
それぞれ押し棒１２、１３を収容し、推進する油圧シリ
ンダ本体１４、１５を包括する。

【００１２】特定の加工装置をもって以下の実験を行
い、よって本発明の理論をチェックする。左押出筒４及
び右押出筒５の長さを８０ミリメートル、直径を２０ミ
リメートル、押出ダイ６の単一の通道７は６．３ミリメ
ートル直径とし、押出桿８、９の長さ１１０ミリメート
ル、直径２０ミリメートル、最大油圧圧力は毎平方セン
チメートル１００グラムとする。

【００１３】本発明の実験の進行ステップは以下のとお
りである：まず、合金材料２を左押出筒４中に置き、合
金材料２を操作温度まで加熱し、押出桿８で合金材料２
を毎秒１センチの速度（約９０ｋｇ／ｃｍ^２の押出圧力
下）で押出し、押出ダイ６を経た合金材料２に押出桿９
の背圧（約４０ｋｇ／ｃｍ^２）を施すことで圧縮し並び
に膨張させて右押出筒５中を充塞させる。二つの押出桿
８、９の圧力互換の時、合金材料２は右押出筒５から左
押出筒４に押し出され、故に、合金材料２は押出容器１
中で往復し押出しを受ける。以下に挙げた押出回数は、
合金材料２が押出ダイ６を通過する回数である。

【００１４】前述の加工装置実験を経る合金材料は、
０．３ｍｍ厚さの純鉛及び純錫を交互に堆畳した薄片、
Ｐｂ５０体積％のＳｎインゴット、急速凝固（ハンマ
法）Ａｌが１２重量％のＳｉ薄片（シリコンの重量％の
は１２％のとする）、伝統的な鋳造Ａｌが１２重量％の
Ｓｉインゴット、急速凝固Ａｌが２０重量％のＳｉ薄
片、及びＡｌが２０重量％のＳｉインゴットを有する。
結果から以下の結論が示される：１）本発明の方法は純鉛及び錫の交互堆畳片を完全に圧
密化（ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｅ）及び縒り揉みによりＰ
ｂが５０体積％のＳｎ合金となし、並びに２相間を細か
く均一に分布させる。２）本発明の方法は、Ｐｂが５０体積％のＳｎ合金イン
ゴットを縒り揉みし、並びに極めて同類の堆積片の微細
な構造を得る。３）本発明の方法ままたハンマ法により製造したＡｌが
１２重量％のＳｉ及びＡｌが２０重量％のＳｉ薄片を完
全に圧密化及び縒り揉みでき、その界面を熔合し、Ｓｉ
粒子もまた均一に分布させる。４）本発明の方法はまたＡｌが１２重量％のＳｉ及びＡ
ｌが２０重量％のＳｉ合金インゴット、片状共結晶Ｓｉ
顆粒及び比較的大きなＳｉ初結晶顆粒をそれぞれ縒り揉
みし、いずれもある程度細化し、その機械性質もまた改
善されて極限まで達する。５）同様に本発明の方法により、微細構造及び機械性質
上、急速凝固Ａｌ−Ｓｉ合金は合金インゴットにおいて
優れ、これは急速凝固合金中のＳｉ粒子の比較的細かい
分布によるものである。

【００１５】以下、図を参照して説明する：図２は、純
鉛及び錫畳片の鉛及び錫の特性幅度と押出回数の関数図
である。この図は、幅度が始めの数回の押出の時に激降
し、１０回の押出の後では、鉛と錫はそれぞれ３．８及
び３．５μｍの値を得る。図３は、鉛錫インゴットの鉛
と錫の特性幅度と押出回数の関数図である。この図は鉛
（錫）の幅度を示し、最初の押出の４．６（４．５）μ
ｍから細化して５回目の押出後の平均は約３．６（３．
５）μｍとなる。

【００１６】図４及び図５に示すように、押出回数が増
加すると、所有する急速凝固Ａｌが１２重量％のＳｉ合
金の機械性質はいずれも改善される。これは４回と１１
回の押出で、引張りひずみ及び伸長率はそれぞれ９３％
及び１２３％の改善が認められた。降伏強さ及び最終引
張り強さはそれぞれ６％から３６％増加した。延性の改
善は、層間界面の消除及びＳｉ顆粒の均一な分布に起因
する。界面はもともと酸化膜及び穴から構成され、層間
の結合を阻止し、故に極差延性を導く。重複押出しを行
うと、酸化膜が破裂し、並びに容易に溶合する新鮮金属
に露出される。このほか、穴は高圧下で、また閉合す
る。故に溶合発生の後、延性は高い標準に回復する可能
性がある。あきらかに、回復程度は溶合の完成度を決定
し、重複押出し回数の増加に従い、溶合完全度も増加
し、延性も増加し、Ｓｉ顆粒の均一な分布はまた良好な
延性の重要な要囚であり、でなければ裂け目がＳｉ顆粒
の密度が高い区域に発生する。

【００１７】図６及び図７には押出し回数の増加に従
い、ＡＬが１２重量％のＳｉインゴッット合金の機械性
質が皆改善されたことを示す。第１回の押出しで最も顕
著な改善がみられるが、その後の押出しでも改善があ
る。第１回と第１１回目の押出しでは、それぞれ引張り
ひずみ及び伸長率はそれぞれ１５％及び１４％改善さ
れ、降伏及び最終強度は全て２％改善される。最初の押
出しの顕著な改善は、片状Ｓｉ顆粒長さの大幅な縮小に
起因する。その後の小幅の改善は、その微細構造が表示
するように、Ｓｉ粒子の小幅の細化に起因する。

【００１８】図８及び図９には押出し回数の増加に従
い、ＡＬが２０重量％のＳｉ合金の機械性質が皆改善さ
れたことを示す。これは４回と１１回の押出で比較する
と、引張りひずみ及び伸長率はそれぞれ６３％及び１１
４％の改善が認められた。これは層間界面の溶合に起因
するものである。微細構造の観察より、１１回押出し
後、界面は全数消除される。押出し回数が増加すると、
引張り及び降伏強さも２５％及び２７％改善される。

【００１９】図１０及び図１１に示されるように、押出
し回数が増加すると、ＡＬが２０重量％のＳｉインゴッ
ト合金の機械性質も皆改善される。最初の押出しの後、
降伏強さは顕著に増加し、その他の性質もわずかに改善
される。その強化は共有結晶Ｓｉ相の大幅な細化による
もので、最初の結晶Ｓｉ相の粒径は大きく、故にその延
性、引張り歪み及び最終引張り強さはいずれも未だ明ら
かに増加していない。最初の押出しの後、降伏強さは未
だ改善されていないが、その他の３つの性質は徐々に増
加する。第１から第１１回の押出しで、引張りひずみ及
び伸長率は６１．８％及び３７．５％の改善があり、最
終引張り強さは７％増加する。これは合理的であり、最
初の押出しの後、共有結晶Ｓｉ粒子はいまだ顕著に細化
されていないが、最初のＳｉ結晶は砕かれて小さい粒子
となっており、延性の増加に大きな助けとなる。

【００２０】お分かりのように、本文中のいわゆる‘合
金’は、僅かに例示であり、これに限るものではない。
例えば、本発明は、高分子、セラミックス、及び／或い
はプラスチック・・・等の混練に用いても、単一或いは
合成べース材質の製品を得ることができる。

【００２１】実施例：加工装置：押出筒長さ２４０ミリメートル、内径４０ミ
リメートル；押出筒中部の押出ダイは単一穴とし、該穴
内径は１１ミリメートル；押出桿の一対はその長さをい
ずれも１４０ミリメートル、直径を４０ミリメートル、
最大油圧圧力は毎平方センチメートル当たり１５０グラ
ムとする。加工材料：７０７５アルミニウム合金インゴット、直径
４０ミリメートル、長さ１００ミリメートル。加工ステップ：上述の加工材料皮を電熱箱型炉中に放置
し、４６０℃まで加熱し、その後押出筒の中に装入し、
押出桿を毎秒１センチメートルの速度で戻して押出し押
出ダイの穴を２０回通過して止め、押出後の加工材料を
取り出し、４６０℃の箱型炉中で３０分間固溶処理を行
い、その後、水焼入れを行い、さらに油浴炉に入れ１２
０℃で時効処理を２４時間行う。結果試験：上述の加工ステップにより改善した合金を、
引張り試験機でその機械性質を測定する、結果は以下の
表１に示す。

【表１】実施例の結果は７０７５アルミニウム合金は、本発明の
方法及び装置で処理の後、その強度及び延性がいずれも
顕著に改善された。

【００２２】

【発明の効果】本発明の方法は、簡単に急速凝固片材或
いは粉末を塊状材料とし、優れた性質を表現でき、急速
凝固片材或いは粉末の実際の応用上の技術的問題を解決
する。このほか、本発明は２種以上の材料を直接混練し
て塊状機械合金材料とし、機械合金粉末製造及び圧密化
のステップを免れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の加工装置の良い実施例の部分断面図で
ある。

【図２】鉛錫畳層の鉛錫相の特性幅度と押出回数の関数
図である。

【図３】鉛錫インゴットの鉛錫相の特性幅度と押出回数
の関数図である。

【図４】Ａｌが１２重量％のＳｉ急速凝固合金の強度と
押出回数の関数図である。

【図５】Ａｌが１２重量％のＳｉ急速凝固合金の延性と
押出回数の関数図である。

【図６】Ａｌが１２重量％のＳｉインゴット合金の強度
と押出回数の関数図である。

【図７】Ａｌが１２重量％のＳｉインゴット合金の延性
と押出回数の関数図である。

【図８】Ａｌが２０重量％のＳｉ急速凝固合金の強度と
押出回数の関数図である。

【図９】Ａｌが２０重量％のＳｉ急速凝固合金の延性と
押出回数の関数図である。

【図１０】Ａｌが２０重量％のＳｉインゴット合金の強
度と押出回数の関数図である。

【図１１】Ａｌが２０重量％のＳｉインゴット合金の延
性と押出回数の関数図である。

【符号の説明】

１・・・合金材料３・・・押出装置４・・・左押出
筒５・・・右押出筒６・・・押出ダイ７・・・通道
８、９・・・押出桿１０、１１・・・ダミーブロック１２、１３・・・押
し棒１４、１５・・・油圧シリンダ本体

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】１．加工する合金素材を一つの加工装置
内に置く２．該合金材料の軟化温度は低くとも１０００℃であ
り、並びに加熱して軟化温度とする３．該加工装置中で該合金素材に交互に異なる方向に圧
力をかけ、並びに合金材料を一つ或いは複数の相対する
狭い通道を通過させ、もって該合金材料を縒り揉みし、
及び４．縒り揉み動作を合金微細構造が細化し且つ平均に分
布するまで重複する、以上のステップを含む、合金材料
性質改善の方法。
【請求項２】加工する合金素材は合金インゴットとす
る、請求項１に記載の合金材料性質改善の方法。
【請求項３】加工する合金素材は合金薄片堆畳物とす
る、請求項１に記載の合金材料性質改善の方法。
【請求項４】合金薄片は急速凝固工程で製造する、請
求項３に記載の合金材料性質改善の方法。
【請求項５】加工する合金素材を内に収容し、第１
端、中部及び相対する第２端を有する一つの押出筒とす
る、一つの押出容器と、該合金素材に異なる方向からの
加圧を受けさせ、一対の押出桿でそれぞれ押出容器内で
ことなる方向に往復し合金素材に作用し、第１端及び第
２相対端を有するものを包括する、一つの押出装置と、
を包括する、合金材料性質改善の加工装置。
【請求項６】前記押出筒は二つの相対する押出筒半部
を合成してなる、請求項５に記載の合金材料性質改善の
加工装置。
【請求項７】押出容器はさらに、中部に少なくとも一
つの相対する狭い通道装置を有する一つの押出ダイを包
括する、請求項５に記載の合金材料性質改善の加工装
置。
【請求項８】前記相対する狭い通道の形状は細縫或い
は円形穴とする、請求項７に記載の合金材料性質改善の
加工装置。
【請求項９】さらに、それぞれ押出桿の第１端に固着
されて合金素材と接触することができる二つのダミーブ
ロックとそれぞれこれら押出桿の第２端に固着される二
つの押し棒と、及び、それぞれ該二つの押し棒を収容する二つの油圧シリンダ
本体と、を包括する、請求項５に記載の合金材料性質改
善の加工装置。
【請求項１０】１．加工する合金素材を一つの加工装
置内に置く２．該合金材料の軟化温度は低くとも１０００℃であ
り、並びに加熱して軟化温度とする３．該加工装置中で該合金素材に交互に異なる方向に圧
力をかけ、並びに合金材料を一つ或いは複数の相対する
狭い通道を通過させ、もって該合金材料を縒り揉みし、
及び４．縒り揉み動作を合金微細構造が細化し且つ平均に分
布するまで重複する、以上のステップにより製造され
る、合金。
【請求項１１】加工する合金素材は合金インゴットと
する、請求項１０に記載の合金。
【請求項１２】合金素材は急速凝固工程で製造する急
速凝固合金薄片とする、請求項１０に記載の合金。
【請求項１３】合金素材は交互に堆畳した二つ或いは
それ以上の純元素片材とする、請求項１０に記載の合
金。
【請求項１４】合金素材は粉末圧密のインゴットとす
る、請求項１０に記載の合金。