JPH01242762A - 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】 〔産業上の利用分野〕 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、一方向凝固Ｍｉ織からなる金属鋳塊を鋳
造し、それに繰り返し屈曲変形を施し、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。

〔従来の技術〕

一般に純金属は軟らかく、塑性変形を与えても硬化しに
＜＜、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
。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Ａ１基の合金が大量に使用されて
きた。純ＡＩ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、Ｃｕ　％　Ｚ　ｎ　
％　Ｍ　ｇ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与えて使用されてきた。

〔本発明が解決しようとする問題点〕

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見のための厳
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（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。

鋳塊がその表面にほぼ垂直に並んだ柱状晶や等軸晶から
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、たとえ塑性加工や熱
処理を施しても、それは凝固粒界のｆｆ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鋳塊の表面にほぼ垂直に並ん
で結晶の成長した柱状晶帯や等軸晶からなる凝固粒界の
ない材料、すなわち一方向凝固鋳塊が、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、一方向凝固鋳塊を作るためには、
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、巨大結晶は軟らかくて加工しても硬化し
にくいために、強い材料は微細な結晶体でなければなら
ないと、−Ｓ的に信じられてきたためと考えられる。

一般に、多結晶体からなる鋳塊に塑性加工を施゛すと、
結晶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
が大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。

〔発明の目的〕

本発明は、鋳塊表面に割れ発生の起源となる結晶粒界、
すなわち、鋳塊表面にほぼ垂直に並んで成長した柱状晶
や、等軸品の存在しない、一方向凝固＆ｌＩｗ＆鋳塊を
変形方向を変化させて繰り返し屈曲し鍛錬することによ
って硬化させ強靭な構造用金属材料を製造する方法を提
供するものである。

〔発明の構成〕

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
、ＡｊやＣｕやＮｉなどの一方向凝固鋳塊が容易に製造
できることを見出した。

本発明者は、単結晶の如き一方向凝固鋳塊に圧延とか引
き抜きの如き単純な望性加工を施すのでな（て、屈曲方
向を変えて繰り返し屈曲変形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
に絡ませ、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、まず加熱鋳型式連続鋳造法によって、亀
裂発生の原因となる凝固粒界のないＡρ基の単一固溶体
からなる鋳塊を鋳造し、その鋳塊を冷間で屈曲方向を変
化させつつ、繰り返し屈曲変形による鍛錬を施すことに
よって耐疲労性に優れた、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。

本発明を以下に図を用いて実施例によって説明する。

第１図は本発明の実施のための装置の例を示す縦断面正
面図である。第１図において一方向凝固鋳塊織を有する
連続鋳造鋳塊■は送り込み用ピンチロール■によって金
属製ガイド■を通り、上下にわかれた複数の屈曲用ロー
ル０間を繰り返し屈曲しつつ硬化し引き出し用ピンチロ
ール■によって連続的に矢印の方向に移動し製品となる
ようになっている。引き出された鋳塊を加圧方向を変え
て再び■のピンチロールに挿入することもできる。

ロール■は鋳塊に向かって上下に移動し、屈曲の程度を
変化させることができる。鋳塊の屈曲が垂直方向、水平
方向及び斜め方向になるようにロール■を直列に設置す
ることによって、鋳塊はロール間を通過する間に、垂直
方向、水平方向及び斜“め方向に繰り返し屈曲変形をう
けることによって、鋳塊内部の転位を互いに絡ませ、鋳
塊を一様に硬化させることができる。このように鋳塊に
対するロールの配置方向を変えて設置することによって
、鋳塊はロール間を単に通過するのみで、複雑な屈曲変
形加工を常に、連続的に繰り返しうけることになり、鋳
塊の硬度は常に全体にわたって均一に分布させることが
できる。

鋳塊に繰り返し屈曲変形を与える時は、鋳塊の温度が上
昇するので、鋳塊が繰り返し変形中に再結晶軟化を起こ
さないように、水冷スプレーの如き冷却装置■によって
鋳塊が冷却できるようになっている。

本発明の実施例を以下に示す。

、ｌ−４％Ｃｕ合金の径６ＩＩＩＩの単結晶鋳塊を、加
熱鋳型式連続鋳造法によって鋳造し、その鋳塊を径１２
＋ＩＩＩｍの回転ロールからなる第１図の如き装置によ
って繰り返し変形加工を、ロール■に対する鋳塊の挿入
方向を変化させて繰り返し屈曲変形させた。その結果ビ
ッカース硬度１３０という硬度が得られた。同一組成の
合金の多結晶鋳塊がビッカース硬度７０で既に亀裂を生
じたのに比べ、きわめて強靭で、本発明の方法が強靭な
構造用金属材料の製造法としてきわめてすぐれているこ
とを示した。

加熱鋳型式連続鋳造法で得られた鋳塊は単結晶に躍らず
、一方向凝固組織からなるため、横割れの発生源となる
凝固粒界がないので、このような屈曲変形を繰り返し施
すことによって強靭な金属材料にすることができる。

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＆ＩＩ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合金鋳塊は、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、材料内部に
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。

本発明の構造材料のための製造方法は単にＡＩＩ！やＮ
ｉやＣｕを用いた材料に限らず、Ｆｅｂ　Ｃｏ５Ｍｇ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。

〔発明の硬化〕

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、亀裂の発生の起源となりやすい凝固粒界の
ない一方向凝固鋳塊をつくり、それに方向を変えて繰り
返し屈曲変形加工を施して硬化させ、必要な強度を与え
、信頼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。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施のための装置の例を示す縦断面正
面図である。 １、鋳塊 ２．５　ピンチロール ３、ガイド ４、屈曲用ロール ６、冷却装置 ＋１１η

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一方向凝固組織からなる連続鋳造鋳塊を、移動させ
   つつ、複数のロールを用いて、連続的に繰り返し屈曲変
   形を与え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、前記ロールが回転ロールであることを特徴とする、
   請求項１記載の強靭な構造用金属材料の製造法。 ３、鋳塊が水平方向、垂直方向及び斜め方向に屈曲変形
   できるようにロールが設置されていることを特徴とする
   、請求項１記載の強靭な構造用金属材料の製造法。 ４、鋳塊を異なる方向から屈曲変形のできる複数のロー
   ルが直列に設置されていることを特徴とする、請求項１
   記載の強靭な構造用金属材料の製造法。 ５、鋳塊を冷却しつつ、繰り返し屈曲変形を与えること
   を特徴とする、請求項１記載の強靭な構造用金属材料の
   製造法。 ６、ロールの入口、ロール間及び出口に鋳塊の通過のた
   めのガイドが設置されていることを特徴とする、請求項
   １記載の強靭な構造用金属材料の製造法。 ７、鋳塊が単結晶からなることを特徴とする、請求項１
   記載の強靭な構造用金属材料の製造法。 ８、鋳塊が単一固溶体合金であることを特徴とする、請
   求項１記載の強靭な構造用金属材料の製造法。