JPH01215426A - 強靭な構造用金属材料の製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、耐疲労性にすぐれた強靭な構造用金属材料の
製造法に関する。より詳しくは、鋳造金属の溶湯が接す
る鋳型の壁面が、鋳造金属の凝固温度以上に保たれた鋳
型を用いることを特徴とする、鋳塊の加熱鋳型式連続鋳
造法によって、凝固粒界のない単結晶からなる金属鋳塊
を鋳造し、それに加圧方向を変えて繰り返し変形加工を
施し、加工硬化させ、疲労破壊に強い、強靭な構造用金
属材料を製造する方法に関するものである。

一般に純金属は軟らかく、塑性変形をあたえても硬化し
にくく、構造用材料として使用できないために、強度を
増すために、合金元素を添加し合金の形で使用されてき
た０合金元素を添加するのみでは軟らかすぎる場合には
、焼き入れの如き熱処理や時効硬化処理によって、合金
を硬化させ強くして構造用材料として使用されてきた。

たとえば、飛行機の材料は軽くて強いことが必要で、そ
のために比重の小さいＡＩ基の合金が大量に使用されて
きた。純Ａｊは飛行機の構造材料として使用するには軟
らかく、強度が充分でないために、（ｕ、、Ｚｎ、Ｍｇ
などを添加し、析出硬化型の合金をつくり、時効硬化処
理によって強度をあたえて使用されてきた。

このような合金を用いてつくられた飛行機が、しばしば
墜落事故を起こし、その原因が、金属材料の疲労破壊に
基因すると結論づけられることが多かったことは周知の
事実である。飛行機の構造材のように、振動のような繰
り返し応力を長時間うける材料は、疲労破壊を起こしや
すいので、常に、疲労による亀裂の早期発覚のための厳
重な検査を行わなければならなかった。たとえ材料表面
に発生する亀裂は発見できても、材料の内部で発生する
亀裂は、それが表面に伝播するまで発見することができ
ない、そのような材料内部に発生した亀裂は、いつ、材
料表面にまで伝播して、その材料の表面破壊につながる
かわからない、そのため飛行機の乗客は、常にそのよう
な事故発生の不安を感じさせられてきた。そして金属疲
労の起こりにくい飛行機の構造材料の速やかな出現が強
く望まれてきた。

金属疲労による構造材の破壊による事故発生の危険は、
単に飛行機に限ら゛ず、長時間の振動の如き繰り返し応
力をうける機械部品には常に伴うもので、疲労破壊発生
の起源となる因子を取り除き、安心して使える信用度の
高い構造材料の製造法を見出すことは、きわめて重要な
ことである。

鋳塊が多結晶体からなる時は、その凝固時に形成された
結晶と結晶の粒界、すなわち凝固粒界には、不純物が偏
析し、機械的破壊の起点となりやすいことは周知の事実
である。従来一般に鋳塊の鋳造法として用いられてきた
方法は、冷却鋳型に金属溶湯を注湯して、鋳型の抜熱に
よって金属を凝固させて鋳塊を得るものであった。その
ような鋳塊においては、結晶が表面にほぼ垂直に並んで
成長した柱状晶帯が形成され、鋳塊の内部には、しばし
ば等軸晶帯があられれた。

このような鋳塊を冷間で加工する時は、表面の柱状晶の
粒界から亀裂が入りやすく、そのため、冷間加工に先立
って鋳塊はまず加熱して軟化させてから加工して、後の
冷間加工にさいして表面から内部に亀裂の伝播が起こり
にくくなるように、表層の柱状晶をおしつぶしてしまう
ことが必要であった・ このような凝固時に形成される粒界には、ガスや不純物
が偏析しやすく、とくに３個以上の結晶の粒界の交わる
、いわゆる、粒界の三重点は、微細な空孔が形成しやす
いことが知られている。このような凝固粒界は、鋳塊の
組織の中で最も弱い場所であり、そのような凝固粒界が
その鋳塊を加工して作られた機械部品の表面に存在する
時は、そこに応力集中が起こりやす（、機械部品の破壊
の起点となりやすい、鋳塊の鋳造にさいしてこのような
凝固粒界が一旦形成してしまうと、たとえ型性加工や熱
処理を施しても、それは凝固粒界の履歴として最終製品
の中に残ってしまう、そのような不純物の偏析した、結
晶間の結合の不完全な凝固粒界が構造用材料の疲労破壊
に対する弱い場所であることは周知の事実である。

このような疲労破壊に弱い凝固粒界のない材料、すなわ
ち単結晶が、なぜ構造材料として従来用いられなかった
かを考えてみると理由は大きくわけて、二つ存在するよ
うに考えられる。

第１の理由は、従来、単結晶を作るためには、１時間に
数ｌ鵠というような、きわめて遅い凝固速度でなければ
ならなかったために、生産性が低く特殊な機能材料には
使用できても、構造用材料として大量に安く製造するこ
とは、到底不可能と考えられてきたこと。

第２の理由は、単結晶は軟らかくて加工しても硬化しに
くいために、強い材料は多結晶体でなければならないと
、−数的に信じられてきたためと考えられる。

本発明者は、さきに鋳型の内壁の温度を鋳造金属の凝固
温度以上に加熱する加熱鋳型式連続鋳造法（特許第１０
４９１４６号）を発明した。そして、その方法によって
、ＡＩやＣｕＪＰＮｉなどの単結晶鋳塊が容易に製造で
きることを見出した。

そして加熱鋳型式連続鋳造法で鋳造した、凝固粒界のな
いＡｊ基の単一固溶体からなる鋳塊を、冷間で加圧方向
を変化させつつ、繰り返し鍛錬加工することによって、
耐疲労性のすぐれた、硬くて強い材料が得られることを
見出し本発明を完成した。

多結晶体からなる鋳塊に塑性加工を施すと、結島内に生
成した転位が移動することによって変形する。そして、
この転位が移動して結晶粒界に集まると、ここで移動は
停止し、結晶は硬化し、ついには粒界から破壊する。し
たがって、結晶粒は微細なほど金属材料は加工硬化しや
すいといわれてきた。いいかえれば、結晶粒達人きいほ
ど金属材料は軟らかくて硬化しにくいといわれてきた。

このことは、結晶粒界のない単結晶の場合は、塑性加工
によって生成される転位は、移動して結晶の外に出てし
まい、生成される転位の移動を阻止して、材料を硬化せ
しめるものが存在しないために、単結晶を加工硬化させ
るためには、結晶内の転位の移動を阻止するに有効な手
段を見出す必要のあることを示すものである。

本発明者は、単結晶に圧延とか引き抜きの如き単純な塑
性加工を施すのでなくて、加圧方向を変えて繰り返し塑
性加工を施すことによって、結晶内における転位の増殖
を促し、生成した転位を互いにからませ、転位の自由な
移動を阻止し、硬化させる方法が有効と考え・、Ａｊ−
１％Ｓｉ合金の多結晶体からなる鋳塊と単結晶鋳塊を用
い、変形に必要な空隙を有する拘束枠内で、加圧方向を
変えながら繰り返し圧縮加工を行った。その結果、多結
晶体がピンカース硬度５０ですでに破壊したのに対し、
単結晶体はビッカース硬度７０になっても破壊すること
なく、軟らかい単結晶鋳塊がきわめて強靭な構造材料に
変わる事実を見出した。

また、同様の加工硬化は単結晶鋳塊の繰り返し曲げ加工
によっても得られ、多結晶体より硬（て破断しにくい材
料が得られることを知った。

このような、冷間加工によって強化した構造材料をうる
ためには、純金属は軟らかすぎるので、第２相を晶出し
ない程度の他元素を含む合金であることが必要である０
合金元素の添加によって、凝固組織に脆弱な第２相が板
、状に晶出する時は、それが繰り返し加工にさいする亀
裂発生の起点になってしまう、しかしながら、第２相が
液相からの凝固時の晶出でなく、鋳塊が一旦溶質過飽和
の単一固相体を形成した後、時効析出した微細な析出粒
子として結晶内に点在することは、鋳塊の硬化にとって
むしろ好ましいことである。

このような溶質過飽和の固溶体台金鋳塊は、加熱鋳型式
連続鋳造法によって、合金を急冷凝固せしめることによ
ってうろことが可能である。

従来の構造材料はすべて合金であり、それらは曲げ応力
による破壊や疲労破壊の起点となるべき表面欠陥、すな
わち、凝固粒界や、化合物の如き第２相の晶出物などを
常に有していた。

本発明は、このような表面欠陥はもとより、材料内部と
も、亀裂発生の起点となるような凝固粒界や第２相晶出
物の存在しない、きわめて信頼性の高い構造材料を製造
する方法を提供するものである。

本発明の構造用材料のための製造方法は、単にＡｊやＮ
ｉ’ｔ’Ｃｕを用いた材料に限らず、Ｆａ。

Ｑｏ、Ｍｇなど、溶解鋳造及び加工硬化のできるあらゆ
る金属に応用することができる。

本発明は、単に鋳塊の凝固法を変え、加熱鋳型式連続鋳
造法を用い、凝固粒界のない単結晶鋳塊をつくり、それ
に加圧方向を変えて繰り返し冷間加工を施して硬化させ
、必要な強度をあたえ、信頌性の大きな構造用材料の製
造を可能にするもので、飛行機や自動車の如く人命にか
かわる機械器具の構造用材料の製法として画期的と考え
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、単結晶鋳塊に、繰り返し鍛錬加工を施して硬化させ
   ることを特徴とする、強靭な構造 用金属材料の製造法。 ２、前記単結晶鋳塊が、鋳型の内壁面を鋳造金属の凝固
   温度以上に加熱する、加熱鋳型式 連続鋳造法によって得られることを特徴と する、特許請求の範囲第１項記載の、強靭 な構造用金属材料の製造法。 ３、前記単結晶鋳塊が、単一固溶体合金であることを特
   徴とする、特許請求の範囲第１項 記載の強靭な構造用金属材料の製造法。