JP4788874B2 - 金属材料の強加工法と強加工法に用いる金型 - Google Patents

Description

この出願の発明は、金属材料、特に自動車や航空機等に用いられる構造用金属材料を押出成形して所定のせん断ひずみを負荷することにより結晶粒組織を微小化し機械的強度を向上するとともに引張り伸び等の延性をも改善する構造用金属材料の新しい強加工法とこれに用いるせん断ひずみを付与する金型に関する。

ねじりダイスを用いて金属材料を押出し成形する方法は従来から知られている。しかしながら、従来から知られているねじりダイスを用いる金属材料の押出成形方法は、ねじり形状が付与された成形品を成形するために用いられるものであり積極的に素材にせん断ひずみを導入して素材の特性を改善するためのものではない（特許文献１〜５）。

もちろん、金属材料をねじりダイスを用いて押出し成形する場合は成形品にある程度のせん断ひずみが負荷されるため金属材料の特性は改善されることになる。しかしながら、ねじりダイスを用いてねじり形状が負荷された成形品を成形する際には、単一方向へのねじり加工となり負荷されるせん断ひずみ量は、ねじりダイスの先端部の形状だけで決まるためトータルで負荷されるせん断ひずみには限界がある。

このように、ねじり成形品を成形するためにねじりダイスを用いるのではなく金属材料を曲り孔を有するダイスを用いて積極的にせん断ひずみを導入することにより金属材料の特性を改善する方法も本出願前に知られている（非特許文献２）。

たとえば、金属材料に積極的にせん断ひずみを導入して金属材料の特性を改善する方法として、本出願前にＥＣＡＰ（Equal Channel Angular Pressing）法と称される方法が知られているが、このＥＣＡＰ法は入口と出口の形状が等しくて中央部に曲り部が設けられた孔を有する金型の一方から金属材料を押し込み他方から取り出すことで金属材料に大きなせん断変形を負荷する加工法であり、ホールペッチ則に基づき高強度材となるとともに加工前後で材料形状の変化がないのが特徴である。このＥＣＡＰ法は金型内で金属素材の断面積がほとんど変化しないため繰り返しひずみを導入させることが可能となるだけでなく１回の押出しで大きなひずみを負荷することができるため従来達成できなかった領域まで結晶組織を微細化することが可能である。

しかしながら、このＥＣＡＰ法はバッチ式（回分式）であり、操作に手間がかかるだけでなく１回での処理量が少ないため生産性が低く研究室レベルでは利用されているが実用的には利用されていない。

その他、中実円形断面材料に直接ねじりを付与することにより、せん断ひずみを付与する手段が提案されているが、ねじりと戻しを組み合わせていないために断面形状が円形に限られる点（非特許文献３および４）と型による周方向の拘束が無いことによる寸法精度の点で問題がある（非特許文献１および３）。
特開２００２−２４８５１８号公報 特開平０９−１０９９２０号公報 特開平０９−１０４９０５号公報 特開平０６−０９９２１５号公報 特開平０５−１３１２１３号公報 穴田、田中、古井、佐治、「ねじり戻し加工によるアルミニウム合金棒の原形回復現象と変形特性」、軽金属、第３３巻（２００３）２０−２６． 向井敏司、東健司「ＥＣＡＥプロセスによる軽量金属材料の結晶粒微細化と機械的性質の改善」―高強度・高延性化のトレードオフ・バランシング―、金属、Ｖｏｌ．１７０（２０００）Ｎｏ．１１、ｐ７１−７７． 東野、宮原、根石、中村、金子、中垣、堀田、「強ひずみ高速連続加工プロセス"ＳＴＳＰ"によるＡｌ-Ｍｇ合金の微細粒解析と機械的性質の改善」、第５５回塑性加工連合講演会概要集、（２００４）ｐｐ．３９５-３９６． 水沼、「ねじり押出し加工を受けたアルミニウムの変形状態と内部組織」、第５５回塑性加工連合講演会概要集、（２００４）ｐｐ．３８９-３９０．

そこで上記の通りの事情に鑑み、この出願の発明は大きな負担を要することなく、金属材料、特に構造用金属材料にせん断ひずみを一工程で効率よく導入することができるとともに強加工された金属材料を長尺体や中空体の形状で成形する方法とこれに用いるせん断ひずみを付与する金型を提供するものである。

この出願の発明は上記の課題を解決するものとして、第１には、金属材料を同じ横断面を有する孔が螺旋状に設けられているねじりダイスと同じ横断面の孔が直進方向に設けられている戻しダイスを交互に組み合わせた金型を用いて押出成形して金属材料にせん断ひずみを連続的に負荷する金属材料の強加工法を提供する。

第２には、ねじりダイスのねじり方向が戻しダイスの前後で同じ方向である金型を用いる上記の金属材料の強加工法を提供する。

第３には、ねじりダイスのねじり方向が戻しダイスの前後で逆の方向になっている金型を用いる上記の金属材料の強加工法を提供する。

第４には、戻しダイスの材料の入り側の端部にマンドレルが設けられている金型を用いる上記の金属材料の強加工法を提供する。

第５には、上記の金属材料の強加工法に用いる金型であって、同じ横断面の孔が螺旋状に設けられているねじりダイスと同じ横断面の孔が直進方向に設けられている戻しダイスが交互に設けられている金型を提供する。

第６には、ねじりダイスに設けられる孔の横断面が円形、楕円形、方形、歯車形のいずれかである上記の金型を提供する。

第７には、ねじりダイスの回転軸が断面形状の中心部以外に設けられている上記の金型を提供する。

第８には、ねじりダイスに材料供給孔が複数設けられている上記の金型を提供する。

上記第１の金属材料の強加工法の発明によれば、金属材料を同じ横断面を有する孔が螺旋状に設けられているねじりダイスと同じ横断面の孔が直進方向に設けられている戻しダイスが交互に組み合わされた金型を用いて押出成形することにより結晶粒組織が微小化して強加工された金属材料を連続的に得ることができる。

上記第２の強加工法の発明によれば、ねじりダイスのねじり方向が戻しダイスの前後で同じ方向である金型を用いることにより、集合組織がさらに強化された金属材料を得ることができる。

上記第３の強加工法の発明によれば、ねじりダイスのねじり方向が戻しダイスの前後で逆の方向になっている金型を用いることにより、比較的ランダムな集合組織が形成された金属材料を得ることができる。

上記第４の強加工法の発明によれば、強加工された金属材料の長尺体や中空体を得ることができる。

上記第５の金型の発明によれば、機械的強度や延性が改善された金属材料の長尺体や中空体を連続して成形できる金型が得られる。

上記第６の金型の発明によれば、金属材料の物性に応じて最適の条件で成形できる金型を選択することができる。

上記第７の金型の発明によれば、任意の断面をした金属材料の成形体に、せん断ひずみを比較的同等に負荷することができる金型が得られる。

上記第８の強加工法の発明によれば、金属材料の強加工法を同時に複数行なうことができる金型が得られる。

この出願の発明の金属材料の強加工法を従来から知られている方法と比較しながら説明すると、図６は従来から知られているＥＣＡＰ（Equal Channel Angular Pressing）法を模式的に示したものである。このＥＣＡＰ法は同じ横断面積の曲り部を有する孔が設けられた金型（ｃ）に金属材料（ｂ）を入れて上方から荷重（ａ）をかけることにより孔の曲り部において金属材料にせん断ひずみ（ｅ）を付与して結晶粒組織を微小化する。そして結晶粒組織が微小化することにより強加工された金属材料を出口（ｄ）から取り出すことにより金属材料を強加工する方法である。しかしながら、このＥＣＡＰ法はバッチ式（回分式）であり、生産性が低いだけでなく長尺体の成形ができず、しかもこのＥＣＡＰ法は金型（ｃ）内に設けられた孔の曲り部の内角と外角とでは金属材料に負荷されるせん断ひずみの量が異なるため結晶粒組織の均質な微小化ができないという問題がある。

本願発明は従来の孔の曲り部を利用して金属材料にせん断ひずみを導入する方法とは違って、金属材料をねじりダイスを用いて押出成形し、ねじりによるせん断ひずみを負荷し、ねじり変形後、戻しダイスを用いて元の形状に戻すことにより金属材料にせん断ひずみを導入する強加工法である。この出願の発明は、ねじりダイスと戻しダイスを組み合わせた金型を用いて金属材料を押出成形して、ねじり・戻しを繰り返すことにより無限にひずみを負荷することを特徴とするものである。そしてこの出願の発明では断面積の大きなものや複雑形状の長尺材料を成形することが可能であり金属材料の大型化にも対応することが可能となる。

この出願の発明を図１〜図５に従って詳細に説明すると、図１はこの出願の発明のせん断ひずみを付与する金型分解した図面であり、所定のねじりが付与されたねじりダイス（１）と戻しダイス（２）から構成されている。なお、このねじりダイス（１）の断面形状は任意に設定することが可能であるが、ねじりダイス（１）の横断面は金属材料が押出されるどの部位においても同じ形状にする必要がある。図２の（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は、本願発明で用いるねじりダイスの断面形状を示したものであるが、図２に示されているようにねじりダイスは長方形（Ａ）だけでなく、楕円形断面（Ｂ）や周溝付き円形断面（Ｃ）等の形状のものが用いることができる。なお、図２では典型的なねじりダイスを示
したものであり、この他にも様々な形状が考慮されることは言うまでもない。図２における矢印は、ねじりダイスにおけるねじり方向を示したものであり金属材料はこの方向に沿って押出される。図３の（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は、断面形状の中心とは異なる位置にねじりの回転軸を設けることにより任意の断面にせん断ひずみを同等に付与することが可能なねじりダイスを示したものである。また、図３における矢印の方向は、ねじりダイスのねじり方向を、矢印の数は、ねじりダイスに供給する材料供給孔の数を示したものである。図３の（Ｂ）および（Ｃ）では複数の矢印が図示されているが、このように材料供給口を複数設けることにより、複数の金属材料にせん断ひずみを同時に負荷することが可能となる。図４はねじりダイス（１）と戻しダイス（２）を組み合わせた本願発明の典型的なせん断ひずみ金型を模式的に示したものであり、図５はねじりダイス（１）と戻しダイス（２）を組み合わせた本願発明のせん断ひずみ付与金型の他の態様を示したものである。図４の形態と図５の形態を比較すると、図４で示されている金型のねじりダイス（１）は、戻しダイス（２）の前後においてねじり方向が同じであるのに対し、図５で示されている金型のねじりダイス（１）は、戻しダイス（２）の前後においてねじりダイス（１）のねじり方向が逆になっている点で異なっている。そしてこの出願の発明では、ねじりダイスと戻しダイスを選択して組み合わせることにより成形体の特性を制御することも可能になる。たとえば、ねじりダイス（１）と戻しダイス（２）を図４に示したように組み合わせることにより、ねじり変形により変化する集合組織を強くすることができるのに対し、ねじりダイス（１）と戻しダイス（２）を図５のように組み合わせることにより比較的ランダムな集合組織が形成することが可能となる。また、成形される金属材料の形状においても、図３の（Ｃ）の戻しダイスにマンドレル等を設けることにより、角形などの断面形状を有するパイプの成形が可能になる。このように、この出願の発明は、ねじりダイス（１）と戻しダイス（２）を適宜組み合わせることにより種々の形態の強加工された金属材料の長尺体を成形することが可能となる。なお、この出願の発明では押出し過程における加熱処理の温度範囲は使用する金属材料の種類によって異なるが、たとえば純マグネシウムを用いた場合は、９０〜１５０℃程度が好ましい。

マグネシウム合金ＡＺ３１（Ｍｇ-３ｗｔ.％Ａｌ-１ｗｔ.％Ｚｎ-０．２ｗｔ.％Ｍｎ）について、図１に示す正方形断面のねじりダイス・戻しダイスを用いて、押出しを行なった。ダイス穴の正方形の一辺の長さを１２ｍｍのものとし、ねじりダイスにより１８０度ねじりせん断を付与した後に、戻しダイスによりねじり戻しを行なった。押出温度は２２０℃とした。押出しの結果を組織観察したところ、平均結晶粒径２０μｍであった初期組織から、平均結晶粒径３μｍ程度まで微細化が可能であった。また、引張試験の結果、初期材料と比較して約１．５倍の引っ張り伸び値の改善がみられた。

構造用金属材料を始めとする機械的強度が大きく、しかも延性等の優れた加工性が要求される自動車や航空機の様々な分野への利用が期待できる。

ねじりダイスと戻しダイスを模式的に示したものである。 典型的なねじりダイスの断面形状を示したものであり、（Ａ）は長方形断面ダイス、（Ｂ）は楕円形断面ダイス、（Ｃ）は周溝付き円形断面ダイスである。 断面形状の中心とは異なる位置にねじりダイスの回転軸が設けられたねじりダイスの断面とねじり方向を示したものであり、（Ａ）は１個の原料供給口、（Ｂ）は２個の原料供給口、（Ｃ）は４個の原料供給口を示している。 ねじり方向が同一方向のねじりダイスを組み合わせたねじり金型である。 ねじり方向が逆方向のねじりダイスを組み合わせたねじり金型である。 従来例のＥＣＡＰ法の断面を示した概略図である。

符号の説明

ａ： 荷重
ｂ： 金属材料
ｃ： 金型
ｄ： 出口
ｅ： 微細化した結晶組織

Claims (8)

1. 金属材料を同じ横断面を有する孔が螺旋状に設けられているねじりダイスと同じ横断面の孔が直進方向に設けられている戻しダイスが交互に組み合わされた金型を用いて押出成形することを特徴とする金属材料の強加工法。
   
2. ねじりダイスのねじり方向が戻しダイスの前後で同じ方向の金型を用いたことを特徴とする請求項１に記載された金属材料の強加工法。
3. ねじりダイスのねじり方向が戻しダイスの前後で逆の方向の金型を用いたことを特徴とする請求項１に記載された金属材料の強加工法。
4. 戻しダイスの材料の入り側の端部にマンドレルが設けられた金型を用いたことを特徴とする請求項１ないし３いずれかに記載された金属材料の強加工法。
   
5. 同じ横断面を有する孔が螺旋状に設けられているねじりダイスと同じ横断面の孔が直進方向に設けられている戻しダイスが交互に組み合わされていることを特徴とするせん断ひずみ付与金型。
6. ねじりダイスに設けられた孔の横断面が円形、楕円形、方形、歯車形のいずれかの１つであることを特徴とする請求項５に記載された金型。
7. ねじりダイスの孔の回転軸がねじりダイス孔の中心部以外に設けられていることを特徴とする請求項５または６に記載された金型。
8. ねじりダイスに材料供給孔が複数設けられていることを特徴とする請求項５ないし７のいずれかに記載された金型。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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