JP3647453B2 - 複合金属製品の製造に関する方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は複合金属製品の製造に関連する方法に関する。さらに詳しくは、異なる化学組成を有する少くとも２種のステンレス鋼材からなる複合物品、特にエッチングにより表面上に装飾模様を形成できる、又は形成した複合ステンレス物品の製造法に関する。
発明の背景
複合物製品を実現するために金属合金を互いに接合させる多くの慣用技術がある。これらの技術のうち、２つ以上の加熱された素材を鍛造又は熱間圧延により溶接する鍛接について第１に述べる必要がある。この技術は複合鋼の製造に広く用いられ、例えば複合製品を製造するために、非合金又は低度合金の構造用鋼がステンレス鋼に接合される。しかしながら、異なる化学組成を有する２つ以上のステンレス鋼からなる複合製品に関しては鍛接を用いる可能性は限られている。というのは、異なるタイプのステンレス鋼、例えばマルテンサイト系とオーステナイト系ステンレス鋼を鍛接によって接合させることは技術的理由から困難であるからである。
鉄器時代及び中世時代の古い刀剣の刃およびナイフの刃は、時に鉄の単片のなかに、異なる化学組成を有する装飾模様をあらわすことがある。古代の工芸品は当時用いられた治金方法によって得られた模様をあらわす。いわゆるウーツ（インド製鉄鋼）と呼ばれた鍛造物は超共晶炭素鋼を徐冷して実現される模様を有する。他のタイプのものは、異なる化学組成を有する液体の鋼滴を固化させて鍛造素材を形成する技術により得られる。後になって鍛冶屋は、鍛接によって鋼片を異なる化学組成をもつ層の形に接合する方法を知るようになり、その結果、塑性加工と混練のあとでエッチングすることにより芸術的に高い品質の模様をつくることができるようになった。そのような物品は、象眼細工（ダマスカス:Damascus）鍛造物と一般に呼ばれ、中世時代初期からバイキング時代までの武器産業を支配した。その訳は基本的に、これらの複合材料は、強靭な刃と堅い耐摩耗性の刃先材料とを組合わせることができたからである。この鍛接技術は今なおナイフの刃と刀剣の刃の製造にもっぱら使用されているが、充分な熱間加工性を有し且つ鍛接により互いに接合できるタイプの鋼にしか使用できない。このことは、古典的従来技術によっては象眼細工模様を有するステンレスのナイフの刃や刀剣の刃を製造することが可能でなかったことを意味する。それどころか、エッチング後に充分なコントラストを達成するには、材料の選択は、リン又はニッケルが恐らく添加された低度合金材料に制限されていた。
発明の簡単な開示
本発明の目的は、上述したような制限を有しない複合金属製品の製造法を提案することである。本発明は、ステンレス鋼材のうちの少くとも１つが粉末からなること、その２つのステンレス鋼材を600バールを超える圧力及び1000℃を超える温度でいわゆるHIP−ingと呼ばれる熱間静水圧熱密化により接合して圧密体を形成させるという考え方に基づいている。好適には以下の方法いわゆるアトマイジングにより作られる粉末が用いられる。すなわち、熔融金属の流れを不活性ガスにより液滴に細粒化させ、次いでこの液滴を不活性ガス中で固化させて粉末を形成させる。その後この粉末を最大1mmの粒径にふるい分けする。前記HIP−ingは、従来の熱間静水圧成形により実施することができる。この方法においては、材料のうちの少くとも１つは粉末からなるが、互いに接合させようとする異なる材料を密閉カプセル中に配置し、このカプセルから空気を排出し、その後このカプセルを熱間静水圧成形にかける。カプセルは慣例通りに金属シート、例えば炭素鋼シートからなることができるが、少くともその一部が、最終製品に複合部を形成する可能性のあるステンレス鋼からなることも考えられる。また、例えばガラス、エナメルなどの非金属材料製のカプセルも考えることができる。
考えられる方法は、以下の工程からなるであろう。いわゆるアトマイジングによる粉末の製造。２つ以上の異なる種類の粉末を、好ましくは選択した模様中に、好ましくは金属シートのカプセル中に充填する。熱間静水圧成形により充分な密度に圧密する。得られた圧密体を押出す又は鍛造する。次いで、棒、ストリップ又は板の形状に塑性加工を続ける。さらに装飾効果を出すためエッチングを行う。
もし希望するなら、例えば切剤工具の刃先部分の高い硬度と工具全体としてのすぐれた耐蝕性及び靭性とを兼ね備えるといった全くの機能的な効果も本発明により達成できる。また本発明によれば、全くの装飾的な効果も達成できる。この効果は一定の美的価値を有する装飾物品や有用物品、例えば食卓用刃物類、皿、灰皿、及びその他家庭用品、家具材、構造材などの製造に使用できる。さらに本発明により、機能的ならびに装飾的効果、すなわちナイフの刃先の高い硬度とナイフの刃全体のすぐれた耐蝕性及び靭性とを兼ね備え、そして同時に象眼細工のような模様による高い美的価値を実現することが可能である。装飾効果を達成するためには、エッチング後に希望のコントラスト効果が現われるような異なる組成を有する複数のステンレス材料が選ばれる。例えば第１のステンレス鋼はマルテンサイト系の比較的高炭素ステンレス鋼からなることができ、このものは耐蝕性が限られており、そのため酸によって容易にエッチングされて強く暗黒色に着色し、同時に刃先材料として適している。一方、第２のステンレス鋼は、例えばオーステナイト、フェライト又はフェライト−オーステナイト系ステンレス鋼などの、マルテンサイト系高炭素ステンレス鋼よりもエッチングされにくい高耐蝕性の低炭素ステンレス鋼、あるいは恐らく、刃先を形成するのに好ましい前記第１のステンレス鋼よりも実質的にずっと低炭素含量のマルテンサイト系ステンレス鋼からなるのが好適である。本発明によれば、原則として、同じタイプすなわちマルテンサイト系の２つのステンレス鋼グレードも考えることができる。これらの鋼は、一方の鋼が他方の鋼と違って１つ以上の元素との合金であるか又はリンなどのこれら元素を実質的に多量に含むと言うことを除いては、両者とも同じ化学組成を有する。上記元素は、望ましいコントラスト効果を実現するために前記１方の鋼が他方の鋼より実質的により多くエッチングされるという効果を有している。
本発明のさらなる特徴は、添付の請求の範囲および本発明の方法を実施するいくつかの考えられる手段についての以下の説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
本発明方法の幾つかの考えられる実施態様についての以下の説明では添付図面を参照する。ここで
図１ は層になった複合材料の製造の一段階を概略的に説明する斜視図である。
図２ はカプセル内に層を形成するために２つの異なる粉末を装入するのに使用できる道具を下から見た図である。
図３ は同じ道具を図２のIII−IIIラインに沿って見た図を示す。
図４ は前記道具の上方から見た図である。
図５ は図４のＶ−Ｖラインに沿って見た図である。
図６ はHIP−ingとそれに続く、棒形素材を形成するための鍛造によってつくられた圧密体の断面である。
図７ は図６に示した素材を圧延してつくられたストリップの断面を示す。
図８ は図７に示したストリップでつくられたナイフを示す。
実施例１
熔融金属の流れを噴霧化することによりマルテンサイト系ステンレス工具鋼の第１の粉末を製造した。この金属の呼び組成は次のようであった。1.70℃,17Cr,1Mo,3V,0.4Si,0.3Mn,バランス量の鉄ならびに標準量の不純物及び付帯元素。この粉末をふるい分けして最大粒子径を1mmとした。種々のサイズと形状を有するフレークをオーステナイト型の第２のステンレス鋼からつくった。概して、このフレークの厚さは1mm、長さは5mmであった。この第２のオーステナイト系ステンレス鋼の呼び組成は次のようであった。最大0.030C,18.5Cr,9,5Ni,バランス量の鉄ならびに標準量のマンガン、シリコン、不純物及び付帯元素。より詳しくは、この鋼はSS2352（ASTM304L）グレードであった。
前記第１のマルテンサイト系ステンレス工具鋼の粉末と前記第２のオーステナイト系ステンレス材料のフレークとを混合してシートカプセル中に充填し、次いでこのカプセルから空気を排出した。このカプセルを密閉して1000バール、1150℃で１時間熱間静水圧成形を行った。その結果、第１のマルテンサイト系ステンレス鋼からなる粉末が第２のオーステナイト系ステンレス鋼からなるフレークに鍛接され、圧密化した高密体を形成した。このものを熱間加工して直接約20mmの丸棒の形にし、これを鍛造して大きさ25×4mmのナイフの刃にした。研削、エッチング後、その表面に一様でなく変化する模様を得た。
実施例２
図１の炭素鋼カプセル１の中に、厚さ2mmのプレート25枚を隣接するプレート間に3mmの間隔をとって設置した。このプレートは、前記の呼び組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼、グレードSS2352（ASTM304L）からなる。実施例１と同じマルテンサイト系ステンレス工具鋼の粉末４を3mm広さの空間に充填した。カプセル１を蓋３で密閉し、空気を排除した。次いで、内容物を有するカプセルを1000バール、1150℃で１時間静水圧成形して、マルテンサイト系ステンレス粉末４とプレート３とが互いに熔接されて50層となった圧密素材を形成した。
実施例３
本実施例では図２〜５に示したタイプの用具６を用いた。これらの図において外径250mmのシリンダーを７とする。円形プレート８をシリンダー内に置く。プレート８から多数のシートチューブが垂直に下方へ延びてチューブの下端がシリンダー７の下端９の下に僅か突き出るようにする。このチューブ10は水平断面内で細長く延びており、したがってこれを“フラットチャンネル”（flat channel）と呼ぶことができる。このチャンネル10は対象面11の両側に対称的に互いに平行に走っている。平行な空間12が平行チャンネル10の間に形成されている。プレート８の上側から２つのプレート13が対称面11に平行かつ一定距離離れて垂直上方に延びている。この２つのプレート13を蓋14で覆い、密閉されたチャンバー15とする。このチャンバー15に供給管17を連結する。
垂直プレート13の間、すなわちチャンバー15の領域内で、プレート８のチャンネル10を覆う場所以外を切り離し、このようにしてチャンバー15の領域を密閉する。したがって、プレート13の間に中央開口部16が形成される。この開口部は用具６の中央部では完全に空いているが、プレート13に隣接してシリンダー７の方向に段々長くなるギャプ12'を形成する。
壁13の反対側、すなわちシリンダー７と壁13の間に弓形のように形成される用具のこれらの部分には、その代わり、チャンネル10の間に細長い空間12"がある。この空間は、切り開かれチャンネル10の上に細長い開口を備えたプレート８により閉じられている。このようにしてむきだしになったチャンネル10の上部に２本の第２の供給管18が開口している。
用具６を円筒形の金属シートカプセル20中に入れる。このカプセルの内径は用具６の外径よりも数mm大きいので、この用具はカプセル20に対してうまくぴったり合うとともに動くことができる。カプセル20は垂直方向に移動できるテーブル21の上に置かれる。
実施例１で使用したマルテンサイト系ステンレス工具鋼と同じタイプの第１の粉末を第１の供給管17を通して供給する。実施例１と同じオーステナイト系ステンレス鋼グレード（SS2352,ASTM304L）の第２の粉末を２本の第２の供給管18を通して供給する。第１の粉末はチャンバー15から中央開口部16を通ってカプセル20中に流下してチャンネル10の間の細長い空間12へと流れ出る。一方、第２の供給管18を通って供給される第２の粉末は、プレート８の細長い開口部を通って細長いチャンネル10中に流下する。用具６を静止させたままカプセル20をのせたテーブル21をゆっくり下げる。この相対的な動きによりカプセル20は、図２に示すチャンネル10と薄層12の模様に相応して、うまく境界が定められた平行の層に前記２つの粉末でゆっくりと充填される。一方、カプセルの中央部は混合していない第１の粉末のみが存在する。
このようにしてカプセル20が、その中央部では第１の粉末で充填され、その他の部分では層となった２つの粉末で充填されたら、カプセルに蓋をして溶接により固定し、それから空気を排出して排出口を閉じた。その後この充填カプセルを1150℃、1000バールで１時間熱間静水圧成形を行った。その結果粉末が圧密化して完全に高密な圧密体となった。この圧密化の間にカプセルの外径は約220mmに減少した。この圧密体を60mm角に鍛造した。この鍛造作業の後、図６に示すように、２つの異なるステンレス鋼が断面内で形成する本来の層状構造に初期ゆがみがみられた。この素材をさらに熱間圧延により加工して直径18mmとした。次いで、この丸棒をその中心軸の周りに40回/m捩り、その後この捩った棒を約4mm厚さに平らに圧延した。このようにして得られたストリップを研削し、酸中でエッチングした。このようにして現われた模様の形を図７に示す。次に、このストリップをその中心線に沿って切断し、各半片からナイフの刃を切り出した。切断前のストリップの中心部を形成する部分を刃先の材料として使用した。この部分は、前記圧密体中において、当初非混合の芯を形成したマルテンサイト系ステンレス工具鋼のみからなっていた。一方、刃の他の部分はオーステナイト系ステンレス鋼と交互するマルテンサイト系工具鋼からなっていた。この結果、焼入れ後のナイフの刃は、ナイフ全体としての良好な靭性と高耐蝕性とともに、非常に堅くて耐摩耗性の刃先を有し、さらに極めて自由にデザイン可能で高い美的価値をもつ象眼細工模様が得られた。

Claims (18)

1. 異なる化学組成を有する２つ以上のステンレス鋼材料からなる複合金属製品の製造に関する方法であって、
   これらの材料を600バールを超える圧力及び1000℃を超える温度での圧密化処理により互いに接合させる工程を 有し、
   該圧密化前の該２つ以上のステンレス鋼材料のうちの少なくとも１つが粉末であり、該２つ以上のステンレス鋼材料をカプセル（１、20）内に配置し、該カプセルから空気を排出し、その後カプセルを密閉し、前記圧密化処 理を行って圧密体を形成する前記方法であって、
   前記２つ以上のステンレス鋼材料を前記圧密化処理前にカプセル中において異なる層に配置すること、
   前記圧密体を鍛造及び／又は熱間圧延による塑性加工を 行って断面が縮小した素材を得ること、
   前記の層状構造の層間に存在するすべての実質的に平面 の平行をゆがめるために前記素材を塑性変形により変形 させ、その後、該ゆがんだ層状構造を有する素材を鍛造 及び／又は熱間圧延により最終寸法までさらに塑性加工 することを特徴とする、複合金属製品の製造に関する方法。
2. 最終寸法にする前記最終加工前の素材中の層状構造の前記ゆがみを、該素材をその薄層が端部にて とどまるように加工することにより、及び／又は該素材をらせん状に捩ることにより達成することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記素材をストリップの形に圧延することを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 第１のステンレス鋼の粉末のみをカプセル中心線周囲の空間へ供給し、該空間の外側領域の少なくとも若干の部分へ、第２のステンレス鋼の粉末の層と交互する層状に前記第１のステンレス鋼の粉末を供給し、それにより、カプセルの内容物の圧密化後、第１のステンレス鋼からなる均質な芯と、第１のステンレス鋼の層と第２のステンレス鋼の層が交互する多数の細長い層からなる該芯の外側領域とを有する圧密体が得られ、その結果、該領域の圧密体が２つの異なるステンレス材料からなる層状構造を示すことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 異なる化学組成を有する２つ以上のステン レス鋼材料からなる複合金属製品の製造に関する方法で あって、
   これらの材料を600バールを超える圧力及び1000℃を超 える温度での圧密化処理により互いに接合させる工程を 有し、
   該圧密化前の該２つ以上のステンレス鋼材料のうちの少 なくとも１つが粉末であり、該２つ以上のステンレス鋼 材料をカプセル（１、20）内に配置し、該カプセルから 空気を排出し、その後カプセルを密閉し、前記圧密化処 理を行って圧密体を形成する前記方法であって、
   前記２つ以上のステンレス鋼材料を前記圧密化処理前に カプセル中において異なる層に配置すること、
   第１のステンレス鋼の粉末のみをカプセル中心線周囲の 空間へ供給し、該空間の外側領域の少なくとも若干の部 分へ、第２のステンレス鋼の粉末の層と交互する層状に 前記第１のステンレス鋼の粉末を供給し、それにより、 カプセルの内容物の圧密化後、第１のステンレス鋼から なる均質な芯と、第１のステンレス鋼の層と第２のステ ンレス鋼の層が交互する多数の細長い層からなる該芯の 外側領域とを有する圧密体が得られ、その結果、該領域 の圧密体が２つの異なるステンレス材料からなる層状構 造を示すことを特徴とする、複合金属製品の製造に関す る方法。
6. 前記圧密体からなる素材をストリップの形 に圧延し、前記ストリップをその中心線に沿って２つの半片に切断し、この切断ストリップをナイフの刃の製造に使用し、その際にその刃先は該ストリップの切断線に隣接する材料でつくり、該材料は、焼入れ可能なマルテンサイト系ステンレス鋼からなる前記第１のステンレス鋼材料の前記均質な芯の材料からなることを特徴とする、請求項４又は５に記載の方法。
7. 前記２つ以上のステンレス鋼材料の少なくとも１つが均質であり且つ１つ以上のストリップ又はプレートの形を有し、これをカプセル内に配列するか又はカプセルの１つ以上の壁とし、また、前記少なくとも１つ粉状材料をカプセル内の該少なくとも１つの均質なステンレス鋼材料と接触させ、カプセルを密閉する前にカプセルから空気を排出し、そのあと圧密体を実現するために前記圧密化処理を行うことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記ステンレス鋼材料の１つが好ましくはマルテンサイト系ステンレス鋼であって粉状の形状を有し、これを、前記カプセル内に供給されているか又はカプセルの１つ以上の壁を形成している他のステンレス鋼材料のプレート又はストリップの間に供給することを特徴とする、請求項１〜３、７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記ステンレス鋼材料の１つが、前記少なくとも１つの粉末状ステンレス鋼材料の粒子よりも実質的に大きいチップ、フレーク、削り屑、又は類似の不規則な形の粒子からなり、該大きな不規則に形成された粒子が、少なくとも１つの粉末状ステンレス材料内へ、圧密体への前記圧密化前に組み込まれることを特徴とする、請求項１〜３、７、８のいずれか１項に記載の方法。
10. 異なる組成を有するステンレス鋼の粉末をカプセル中の異なるゾーンに導入し、それぞれの粉末用のチャンネル又は空間を通してカプセル内部断面上に分配し、該チャンネル及び／又は空間は断面内で細長く延びて交互しており、これによって異なるタイプの粉末がカプセル中で異種粉末の多数の細長い層を形成し、該層が圧密化後に圧密体中に層状構造を形成することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
11. ２つのステンレス鋼が、そのうちの一方の鋼をエッチングにより他の鋼よりも実質的により強く暗黒色に着色できるように異なる組成を有することを特徴とする、請求項１〜10のいずれかに記載の方法。
12. 前記の材料を熱間静水圧圧密化により互いに接合させることを特徴とする、請求項１〜11のいず れかに記載の方法。
13. 前記材料のうちの１つが焼入れ可能なマルテンサイト系ステンレス鋼からなることを特徴とする、請求項１〜12のいずれか１項に記載の方法。
14. 第１の材料が焼入れ可能なマルテンサイ ト系ステンレスからなり、第２の材料がオーステナイト系、フェライト系又はフェライト−オーステナイト系ステンレス鋼からなるか、あるいは前記の焼入れ可能なマルテンサイト系ステンレス鋼よりも実質的に低炭素含量であるマルテンサイト系ステンレス鋼からなることを特徴とする、請求項13に記載の方法。
15. 前記の焼き入れ可能なマルテンサイト系ステンレス鋼が、0.5C,最大1.0Si,最大1.0Mn,11〜18Cr,最大5Mo,合計で最大５のV,Nb,W,バランス量相当の鉄、及び不純物を含むことを特徴とする、請求項13又は14に記載の方法。
16. 前記のマルテンサイト系ステンレス鋼が0.6〜1.3Cを含むことを特徴とする、請求項15に記載の方法。
17. エッチングによって異なる鋼グレード間に明瞭なコントラスト効果が得られるように、前記カプセル中において、マルテンサイト系ステンレス鋼を、当 該ステンレス鋼と実質的に異なる組成を有する異なるステンレス鋼の層間の少なくとも１層を形成するように供給することを特徴とする、請求項１〜16のいずれか１項に記載の方法。
18. カプセル内で異なる組成を有するステンレス鋼の層間に供給するマルテンサイト系ステンレス鋼が粉末形状を有することを特徴とする、請求項17に記載の方法。

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