JP6077000B2 - 円錐状金属部材のねじり強ひずみ加工法 - Google Patents

円錐状金属部材のねじり強ひずみ加工法 Download PDF

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Description

本発明は、円錐状金属部材にねじり強ひずみを加える方法に関し、より具体的には、形状を実質的に維持しつつ、円錐状金属部材に圧縮力とねじりを通じたせん断応力を加えて形成されるせん断ひずみを通じて、金属部材の微細組織を超微細結晶粒化またはナノ結晶粒化し、素材の機械的性質を向上することができる強ひずみ加工法に関する。
円錐状金属部材は、弾丸やミサイルのヘッド、航空、自動車のような輸送機器の部品産業、及びキッチンや暖房機器のような多様な分野において活用されている。このような円錐状金属部材は、従来は、メタルスピニング法を通じて所定の形状に加工され、使用されている。
ところで、メタルスピニング法は、素材の形状制御を主な目的とした金属成形技術であるため、微細組織の制御のような素材の物性を向上させることとは関連性が少ない技術である。さらに、メタルスピニング法は、金属工具の強い圧力による変形が金属部材の表面に集中され、加工後の金属部材における内部と外部との物性の差が大きいという問題点がある。
金属材料は、塑性変形を受けると、小臨界角の転位セル構造の形成を開始し、塑性変形量が増加するほど、転位セルの亜結晶粒の結晶粒界角の増加と伴い、結晶粒が徐々に微細化する現象が発生する。これを用いて素材に大きな変形を加えることで結晶粒を超微細結晶粒化またはナノ結晶粒化させると、変形前の金属素材と比べてその機械的性質(強度、硬度、耐磨耗性及び超塑性など)が非常に向上するので、従来の形状成形をメインとした素材の加工法から脱して、新たな超微細/ナノ結晶素材を製造するための加工法の必要性が段々大きくなっている。
このような超微細/ナノ結晶粒の形成には、圧縮、引張、せん断ひずみのような素材に加えられる塑性変形量が重要であるだけでなく、多量の変形量を加えることができる繰り返し工程が可能となるように、工程前後の素材の形状が実質的に同一であるように金型を設計することが非常に重要である。
このような条件を満足する強ひずみ加工法としては、これまで、等通路角圧縮工程(ＥＣＡＰ：Equal Channel Angular Pressing)、高圧ねじり工程(ＨＰＴ：High-Pressure torsion)、繰り返し接着圧延工程(ＡＲＢ：Accumulative Roll Bonding)、等通路角圧延工程(ECAR：Equal Channel Angular Rolling)などが開発されている。
しかしながら、円錐状金属部材の形状に合うように強ひずみ加工を行うことができる方法は未だ開発されていない状態であるため、それの開発が要請されている。
本発明の課題は、円錐状金属部材の形状を実質的に維持して大きな変形加工が可能であり、微細組織を超微細結晶粒またはナノ結晶粒化することができ、円錐状金属部材の機械的性質を大きく向上することができる強ひずみ加工法を提供することである。
上記課題を解決するための手段として、本発明は、円錐状金属部材の内側には、前記円錐状金属部材の内側形状に合わせたパンチを取り付け、前記円錐状金属部材の外側には、前記円錐状金属部材の外側形状に合わせた金型を取り付けた後、前記パンチと金型を介して前記円錐状金属部材に圧縮力を加えながらねじりを加えて得られたせん断ひずみを通じて、円錐状金属部材の微細組織を超微細結晶粒化またはナノ結晶粒化することを特徴とする円錐状金属部材のねじり強ひずみ加工法を提供する。
本発明の実施に当たり、前記せん断ひずみは、前記パンチを金型に対して加圧した後、前記パンチを回転させる方法で得ることができる。また、逆に、金型を加圧回転させるか、若しくはパンチと金型を互いに別の方向(例えば、パンチは時計方向、金型は反時計方向)に回転させる方法でねじりを加えることができる。
また、本発明の実施に当たり、前記せん断ひずみの量は、前記パンチの圧縮力または回転数の調節を通じて制御することができる。若し、金型またはパンチと金型を同時に回転させる場合は、金型の回転数またはパンチと金型の回転数の調節を通じてせん断ひずみの量が調節され得る。
また、本発明の実施に当たり、前記円錐状金属部材の中心部に大きな圧縮力を加えて、前記円錐状金属部材の中心部の微細構造を超微細結晶粒化またはナノ結晶粒化することができる。
また、本発明の実施に当たり、前記強ひずみ加工法の工程前後の円錐状金属部材の形状が実質的に同一であるようにすることが好ましい。これを通じて、同一のパンチ及び金型を用いて、繰り返し的に変形を加えることができるので、大量の変形量を加えることが可能となる。
また、本発明の実施に当たり、前記金型または前記パンチの片側または両側の内部に発熱体が具備されており、工程温度の制御が可能となるようにすることができる。これを通じて、金属部材の材質に合わせた好適な工程温度で加工したり、または微細組織の制御ができるようになり、加工の効率性をより高めることができる。一方、前記発熱体は、金型またはパンチの内部でなく、外部に具備されていてもよい。
また、本発明の実施に当たり、前記パンチの頂点曲率は、円錐状金属部材の頂点曲率よりも大きく維持することができる。これを通じて、円錐状金属部材の高さ方向での厚さを一定に維持することができ、これは、応力の集中を防ぎ、円錐状金属部材が破壊することを防止する。
本発明の強ひずみ加工法によると、円錐の形状を維持して、材料の損失無しに材料に大きなせん断ひずみ及び圧縮変形を加えることができ、これを通じて微細組織の超微細結晶粒化またはナノ結晶粒化が可能となり、材料の機械的物性を画期的に高めることができるため、多様な物性への要求に対応した円錐状金属部材の提供が可能となる。
また、本発明の強ひずみ加工法は、工程前後の素材の形状が円錐状として同一であるため、工程の繰り返しを通じたねじり変形の調節及び機械的性質の調節が可能である。
また、本発明の強ひずみ加工法は、工程中に加えられるパンチ(または金型)の回転数を調節して材料に加えられる変形量を自由自在に調節することができるため、円錐状金属部材の物性強化及び微細組織の調節に容易である。
本発明による強ひずみ加工法に用いられたパンチ、金型及び各工程の段階を概略的に示した図である。 本発明の実施例において用いた金型、パンチ及び試片の断面図である。 (イ)は、強ひずみ加工前の円錐状金属部材を撮影した写真であり、(ロ)は、本発明の実施例による強ひずみ加工後の円錐状金属部材を撮影した写真である。 本発明の実施例による強ひずみ加工前後の円錐状金属部材の硬度を測定した結果を示した図である。
図１は、本発明による強ひずみ加工法に用いられたパンチ、金型及び各工程の段階を概略的に示した図であり、図２は、本発明の実施例において用いた金型、パンチ及び試片の断面図であり、図３(イ)は、強ひずみ加工前の円錐状金属部材を撮影した写真であり、図３(ロ)は、本発明の実施例による強ひずみ加工後の円錐状金属部材を撮影した写真である。
添付の図面を参考して、本発明の具体的な製造工程について記述する。
先ず、本発明による強ひずみ加工法は、大きく、円錐状金属部材の金型に取り付ける段階(第１段階)と、金型とパンチを用いて加圧する段階(第２段階)と、円錐状金属部材にねじりを加える段階(第３段階)とに区分することができる。
前記第１段階では、図１及び２に示されたように、円錐状金属部材の内側形状に合わせて製作されたパンチを円錐状金属部材の内側に取り付けて、パンチが取り付けられた円錐状金属部材を、円錐状金属部材の外側形状に合わせて製作された金型の内部に取り付ける方法であって、円錐状金属部材を金型に取り付ける段階である。このとき、前記パンチと金型の取付順は、金型の設計状態に応じて異なるようにしてもよい。すなわち、円錐状金属部材を金型に先に取り付けた後、パンチを円錐状金属部材の内側に配置することもできる。一方、前記金型の内部には、電気抵抗で発熱する発熱体を具備し、円錐状金属部材の加工条件に合わせた熱を加えることができるようになっている。
前記第２段階では、金型に取り付けられた円錐状金属部材にパンチを加圧する方式で所定の圧縮力を加える段階である。このとき、圧縮力は、試片の摺動が生じない圧縮力であり、試片の最終の厚さを考慮して選定することができる。また、円錐状金属部材に圧縮力を加える方式は、上述したようにパンチを移動させて加圧する方式の以外にも、パンチを固定して金型を移動させるか、或いは両方をいずれも移動させる方式も用いることができる。
前記第３段階は、円錐状金属部材に、圧縮力が一定に維持される状態でパンチを回転させて、円錐状金属部材にねじりを加える段階である。このようにねじり工程が完了すると、圧縮力を解消して試片を金型から脱去する。
これを通じて、本発明による強ひずみ加工法は、圧縮力を通じて材料に非常に大きな静水圧を加え、円錐状金属部材とパンチとの間の境界面の摩擦が非常に強くなった固着状態を形成した状態でねじりを加えることができるようになり、摺動現象無しに円錐状金属部材に完全にせん断ひずみを加えることが可能となる。そして、加えられた静水圧とせん断ひずみは、円錐状金属部材の微細組織を先に説明したメカニズムを通じて微細化することにより、超微細結晶粒化またはナノ結晶粒化ができるようにする。
また、本発明による強ひずみ加工工程時、円錐状金属部材に加えられる圧縮力と回転数を用いて、円錐状金属部材の微細組織と機械的性質を所望の形態に調節することができるようになる。
以下、本発明の好ましい実施例に基づいて、本発明をより詳細に説明する。
図２は、本発明の実施例に用いられた円錐状金属部材試片、金型及びパンチの断面図である。試片の大きさ及び材料は、使用目的に応じて多様に変形することができ、金型及びパンチは、試片の形状に合わせて製作される。
本発明の実施例においては、パンチの頂点部分が試片の頂点部分に比べて尖っていないように曲率を調節したが(すなわち、パンチの頂点の曲率が試片の頂点の曲率より大きくなるようにする)、これは、強ひずみ加工工程の過程において試片の頂点部分に応力が集中し、試片の頂点部分で破壊が発生することを防止するためのものである。
本発明の実施例による強ひずみ加工工程は、純銅で作られて、かつ図２に示された形状に加工された試片を、加工工程の前に600℃で２時間熱処理を行った後、加熱炉で徐冷したものを用いた。強ひずみ加工は、常温で施されており、80トンの加圧力を加えた状態で、１rpmの速度でパンチを１回回転させる方法で行われた。
図３は、本発明の実施例による強ひずみ加工工程前後の試片の様子を撮影した写真である。このうち、図３(イ)は、工程前の初期状態の試片であり、図３(ロ)は、強ひずみ工程を行った後の試片の様子であるが、強ひずみ加工工程前後の両試片の形状が実質的に同一であることが分かる。ただし、強い圧縮力の影響で、試片の厚さは1.2ｍｍであったものが、工程後には0.96ｍｍと少し減少した。一方、強ひずみ加工工程後の試片の厚さは、圧縮力とパンチ回転数を用いて調節することができる。
図４は、本発明の実施例による強ひずみ加工工程前後の材料の機械的性質の差を確認するための硬度試験の結果を示した図である。
図面上の‘初期状態'は、熱処理が終わった初期状態の試片の外側壁で端から中心軸方向に測定した硬度値であり、‘外側'は、図４(ａ)に示されたように、強ひずみ加工工程後の試片で‘初期状態'と同一の方式で測定した硬度値であり、‘内部'は、図４(ｂ)に示されたように、試片の断面で測定した硬度値である。このときの硬度の測定方向は、図４(ａ、ｂ)に表示されたとおりであり、測定間隔は１ｍｍとした。
図４から確認されるように、強ひずみ加工工程後の試片の硬度値は、初期状態の試片の平均ビッカース硬度(Hv)値である53より大きく上昇し、１回の強ひずみ加工工程を経た後の最大硬度値は140まで向上した。また、試片の外部と内部とにおいて硬度の差が大きくないため、試片全体が均一に強化されたことが分かる。
このような硬度値のムラ無い上昇現象は、試片の強度、耐磨耗性のような機械的性質の向上につながり得る。したがって、本発明の実施例による強ひずみ加工工程は、円錐状金属部材の形状を維持したまま、簡易な方法を通じて、その機械的性質を著しく向上することができるので、弾丸やミサイルのような高度の物性が要求される部品に好適に用いることができる。

Claims (8)

  1. 円錐状金属部材の内側には、前記円錐状金属部材の内側形状に合わせたパンチを取り付け、前記円錐状金属部材の外側には、前記円錐状金属部材の外側形状に合わせた金型を取り付けた後、前記パンチと金型を介して前記円錐状金属部材に圧縮とねじりを加えて得られたせん断ひずみを通じて、前記円錐状金属部材の微細組織を超微細結晶粒化またはナノ結晶粒化し、
    前記パンチの頂点はラウンド形状であり、
    前記パンチの頂点曲率は、前記円錐状金属部材の頂点曲率よりも大きく、
    前記金型の内側の頂点曲率と前記パンチの頂点曲率とが同一であり、
    前記円錐状金属部材の頂点部はクローズされていることを特徴とする円錐状金属部材のねじり強ひずみ加工法。
  2. 前記せん断ひずみは、前記パンチを金型に対して加圧した後、前記パンチを回転させる方法で得られることを特徴とする請求項１に記載の円錐状金属部材のねじり強ひずみ加工法。
  3. 前記せん断ひずみの量は、前記パンチの圧縮力または回転させる回数の調節を通じて制御されることを特徴とする請求項２に記載の円錐状金属部材のねじり強ひずみ加工法。
  4. 前記円錐状金属部材の中心部に大きな圧縮力を加えて、前記円錐状金属部材の中心部の微細構造を超微細結晶粒化またはナノ結晶粒化することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の円錐状金属部材のねじり強ひずみ加工法。
  5. 前記強ひずみ加工法の工程前後の円錐状金属部材の形状が、厚さを除いては実質的に同一であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の円錐状金属部材のねじり強ひずみ加工法。
  6. 前記金型には発熱体が具備されており、工程温度の制御が可能であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の円錐状金属部材のねじり強ひずみ加工法。
  7. 前記パンチには発熱体が具備されており、工程温度の制御が可能であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の円錐状金属部材のねじり強ひずみ加工法。
  8. 前記金型が回転可能であり、金型単独で或いはパンチとともに回転が可能であることを特徴とする請求項１に記載の円錐状金属部材のねじり強ひずみ加工法。
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