JPH0318541B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は金属等の結晶性材料の強化ブロツク材
の製造方法に関する。更に詳しくは従来において
は非結晶又は微細結晶化させることにより繊維状
又は膜状にしか成型出来なかつた金属等の結晶性
材料の強化材を、ブロツク状に成型可能とした金
属等の強化ブロツク材を製造する方法に関する。

〔従来の技術〕 結晶性材料は本来その結晶固有の優れた強度を
保持している筈であるが、実際上これは極めて微
細な範囲においてのみ得られるものであり、その
理想的な強度を如何に拡大するかということが重
要な課題となつている。例えば結晶性高分子は現
用されている金属よりも遥かに大きい強度を持つ
能力を有しながら実用的には約1/100程度の強度
しかない。これを強化するため特定条件の延伸に
よりその分子を配向せしめ、結晶の配列を揃える
ことによりその強度を飛躍的に強化することが行
われている。また、金属の場合にも、結晶粒内の
格子欠陥、転位或いは結晶粒界弱化等の理由によ
り理想強度に程遠い状態にあり、これを理想強度
に近づける方法として、転位を含まない針状結晶
（ウイスカー）としたり、又は結晶を微細化する
か又はほとんど結晶を含まないガラス状金属とす
ることにより、強化する方法が知られている。前
記金属結晶を微細化する方法として一般的に知ら
れている方法としては、溶融金属への結晶微細化
剤の添加、押し出し、鍛造、圧延等によるバルク
材の物理的変形または急冷金属粉末を利用する粉
末治金等の方法がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕 しかし、上記のような、例えば結晶性高分子の
延伸による強化方法は繊維に限られており、これ
をブロツク状に成型する方法は得られていない。
また、金属の場合において、針状結晶（ウイスカ
ー）は非常にコスト高となり大型ブロツク材の場
合には適用出来ない。結晶粒微細化による金属の
強化は、他の強化方法に見られるような延性の低
下を伴わないため優れた強化方法であるといえ
る。しかし、溶融金属への結晶微細化剤の添加は
微細化能力の点で限界があり、又溶融金属の冷却
速度にかなり左右されるものであつた。また、バ
ルク材を物理的に変形することで既に形成された
結晶粒を変形、粉砕する目的で行われる押出し、
圧延、鍛造等の操作は凝固した金属に対して行う
ものであるため、これらの操作には非常に大きな
エネルギーを必要とするためコスト高になるとと
もに変形された結晶粒はそのままでは一様に偏平
な形をとることが多く、強度的にも異方性を示す
場合もあり、そのうえ変形により材料にクラツク
を生じ易く、また金型部材の消耗を早めるもので
あつた。また、粉末治金法においては、実際には
焼結時に再結晶して結晶粒がある程度大きくなつ
てしまうだけでなく、工程が多く非常にコスト高
になり、金属素材としての利用はもとより成型品
への適用についても実用化には熟考が要されるも
のであつた。

本発明は上記のような問題点に鑑み、金属等の
結晶性材料の結晶を微細化することにより強化材
として製造するにおいて、溶融状態の材料を急冷
すると同時に少ない変形エネルギーにより大きな
変形を与えることにより材料の強化を図るととも
にブロツク状に成型可能として製造工程を簡略化
し、製造コストの低減を可能として成型品への適
用を実現しうる金属等の強化ブロツク材の製造方
法を提供せんとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記目的を達成するために、高温で溶
融状態の金属等の結晶性材料を基材上に薄層状に
積層し該基材方向へ放熱させて急速に冷却させな
がら押圧手段により高い圧力と大きな剪断力とを
同時に与えて薄層状に冷却凝固させるとともに、
前記薄層材料の溶融状態又は半凝固状態になる表
層上に更に結晶性材料を薄層状に積層し前記下位
の薄層方向に放熱させて急速に冷却させながら押
圧手段により高い圧力と大きな剪断力とを同時に
与えて該下層の上面に一体に冷却凝固させること
を反復することにより基材上に結晶性材料のブロ
ツク体を形成することを要旨とするものである。

〔作用〕

本発明による強化金属ブロツク材の製造方法は
上記のとおりであり、基材上に薄層状に形成され
た溶融状態の材料は接触している基材方向へ急速
に放熱しながら該基材に接触している薄層下部か
ら上方に向かつた急速に冷却され、結晶の微細
化、析出層の微細化、固溶限の拡大等を伴つて凍
結凝固するとともに、この凝固しつつある材料に
押圧手段により高い圧力と大きな剪断力とを同時
に与えて強い変形を与えることにより結晶性材料
の結晶粒が分断、微細化されて再結晶が防止さ
れ、微細結晶組織が形成されて強化された強化材
の薄膜が基材上に形成される。前記薄膜の上面に
該薄膜表面が溶融又は半凝固の状態で更に溶融状
態の材料を薄層状に積層することにより、この新
たな薄膜は下位に位置する薄膜方向に急速に放熱
しながら冷却されて凍結凝固するとともに、この
凝固しつつある材料に押圧手段により与えられる
高い圧力と大きな剪断力により強い変形が与えら
れ、下位の薄膜の上に同様の薄膜が形成される。
このとき、上位の薄膜と下位の薄膜とは、下位の
薄膜表面が溶融状態、または半凝固状態において
積層されるため、両層の原子的接合が確実に行わ
れ、かつ下位の薄膜表面に上下両層間の接着を阻
害する酸化膜、ガス吸着膜等が形成されていない
状態で次の溶融状態の材料が積層されるととも
に、押圧手段により与えられる変形は凝固しつつ
ある層のみでなく、その下位に位置する薄層にも
影響を与えて一体化して動作するため、上下両層
は判別しがたい一体のものとして凍結凝固され
る。このように、溶融状態にある金属等の結晶性
材料を薄層状に積層することにより急冷させて凍
結凝固させるとともに凝固しつつある材料に押圧
手段により大きな変形を与えることにより結晶の
微細化を行い、材料の強化を行うとともに、該材
料の表面が溶融状態又は半凝固状態において該表
面に新たに溶融状態の材料を積層して下位の薄層
と同様に新たな強化材の薄膜を一体に形成するこ
とを反復することにより、多層の強化材薄膜がそ
の境界面が判別しがたい一体のブロツク状に成型
されるのである。また、押圧手段による材料への
変形付与は、溶融状態の材料が完全に固形化され
る前の半凝固状態の材料に対して行われるので、
凝固状態のバルク材を変形させるときのような大
きなエネルギーを必要とせず、比較的小さなエネ
ルギーにより材料に対して大きな変形を与えるこ
とが出来るのである。

〔発明の詳説〕

本発明を更に詳細に説明する。

結晶性材料は、そのガラス転位温度を境にして
流体、固体に互いに変化することができる。この
ガラス転位点温度は各種材料に固有ものである
が、その時の条件により変化する範囲を持つてい
る。固体状態にある結晶性材料が流体化するため
にはエネルギーを得なければならず、流体状態に
ある結晶性材料が固化するためにはエネルギーを
放出しなければならない。固化により膨張するも
のは圧力によりこのガラス転位点温度は下がり、
固化により収縮するものは圧力によりこのガラス
転位点温度は上がる。従つて、大きい圧力及び剪
断力は結晶性材料のガラス転位点温度に影響を与
えるのもである。又流体状態にある結晶性材料の
冷却時の温度勾配は結晶化に大きい影響を持ち、
急冷することによりその結晶化は抑制される。結
晶性高分子はガラス状においてその分子はランダ
ム配置をなしているが、冷却されるに従い自由度
を失い、急速に結晶化に向かう。この結晶化に向
かいつつある状態の極めて高粘度の状態において
大きい圧力と大きい剪断力とを同時に与えること
により分子は速やかに剪断力の方向へ配列を揃え
て急冷とともに結晶化してゆく。このときの剪断
力が一次元の線状であればその剪断力の方向に最
大の強度を発揮する線状体の緻密な集合体とな
り、また剪断力が二次元の面方向であれば平面的
に強度を持つ膜状となる。金属は溶融状態におい
て膨大な格子欠陥を有する。この格子欠陥は金属
の凝固に際し互いに融合して消失してゆくが、こ
の凝固が急速に行われたときには、この格子欠陥
を保有したまま凝固される。ガラス状金属はこの
ように急速凝固により格子欠陥を多く保有したも
のであるといえる。特に内部において原子の規則
的配列、即ち結晶の範囲は極めて制限されてお
り、長距離規則性を持たないものとなつている。
極微細結晶組織の金属の場合は、凝固に際し上記
のようなガラス状金属に迄に至らない程度の冷却
速度において多数の結晶核の生成により生ずるも
のである。通常の金属の凝固においては、凝固層
の厚みはそれ程薄くなく、大きい圧力及び剪断力
を与えられることもない。このように厚い凝固層
の場合、結晶核の生成及び成長は部分的に行わ
れ、例えば冷却面においてのみ発生あるいは初期
成長する核はそのまま冷却面に付着し成長するか
或いは冷却面を離れ、溶湯中に拡散して成長する
が、その拡散する範囲が広く、発生する部分が限
定されるためにその量を多くすることが難しい。
また溶湯に対する伝熱面積が小さい為急冷が行わ
れにくく、結晶は粗大化し易い。

本発明の要点の一つは、金属等の結晶結晶性材
料を固化する際に、凝固しつつある材料に対して
押圧手段により比較的小さなエネルギーで大きな
変形を与えることにより、その内部にある分子、
原子等の配列を自然の任意に任せることなく人工
的に制御することにあり、この分子、原子等の配
列の制御が製品の特性を支配する。そして本発明
のもうひとつの要点としては、薄層状に積層した
強化材料が、各層の境界面において判別しがたい
状態で一体化されることにより、全体として強化
ブロツク材として得られることである。

本発明においては、高温で溶融状態にある結晶
性材料を薄層状として急冷を可能とするととも
に、半凝固状態において比較的小さなエネルギー
で高い圧力と剪断力とを同時に与え、材料に対し
て大きな変形を与えることにより、結晶粒の成長
を阻害し微細結晶組織を生成させるものである。
このときの圧力はアルミニウム珪素合金の場合に
は珪素の析出を防止し、過冷却を助けるものと思
われる。従つて圧力が開放されたときは急速に多
数の微細珪素結晶を析出し合金全体の結晶微細化
を助長する。この際の冷却温度の勾配が大きくな
るに従つて結晶化は抑制されガラス状金属に近づ
く。また、過飽和に固溶された金属は時効効果に
より微小析出をなし、材料を強化することができ
る。また鉄合金等の場合、固溶状態において大き
い圧力と剪断変形を与えることにより、多数の転
位と格子欠陥を発生させて強化することも可能で
ある。通常これは二次工程で行われるものである
が、本発明においてはこれは固化直後の上層の積
層時に行われるため、二次工程で行う必要はな
い。

上記の如く、本発明においては、高温で溶融状
態の材料は基材に薄層状に積層されることによ
り、基材側に急速に放熱しながら該基材に接して
いる部分から急速に薄層内の上方へ向かつて順次
冷却されてそのガラス転位点温度付近の温度にお
いて大きな人工的分子配列或いは原子配列を与え
られながら固形化してゆく。この薄層における上
表層が完全に凍結凝固する以前の半凝固状態にお
いて、又は凍結凝固の完了した薄層の極めて表面
のみに熱的影響を与える加熱により再溶解された
状態において該薄層上に新たに溶融材料を積層す
ると同時に押圧手段により大きい圧力と剪断力と
を同時に与えることにより、この新たに積層され
た溶融材料は急速に凝固しながらそのガラス転位
点温度付近の温度で半凝固状態において大きな人
工的分子配列或いは原子配列を与えられながら固
形化してゆく。この際、押圧手段により与えられ
る圧力、剪断力は、凝固しつつある薄層だけでな
く、その下位に位置する基材又は薄層にも影響を
与え、多数の転位或いは格子欠陥を発生させ、ま
た人工的分子配列、原子配列を助長するものとな
る。このように、新たに積層される薄層は下位の
薄層と一体化して動作するために、上下両層間に
おける境界面は判別しがたいものとなり、上層の
積層操作を繰り返すことにより、ブロツク状の成
型体を形成することができるのである。

また本発明においては、先に積層された下位の
薄層とその上に積層される薄層との接合部分にお
いては、両層の接合に悪影響を与える汚染層、例
えば酸化膜、ガス吸着膜等の存在はできる限り除
去するように薄層の積層操作は高真空の密閉空間
中、不活性ガス中、又は溶湯浸漬中において行
い、供給される材料も充分に脱ガスされたものを
使用し、また固化に際し発生するガス等は速やか
に排除されることが望ましく、更には新たに生成
した固化層の上に重ねる溶融状態の材料は出来る
限り速やかに供給し、積層を反復することが望ま
しい。

本発明においては、薄膜状に形成した強化材の
上に該薄膜表面が溶融状態又は半凝固状態におい
て新たに強化材の薄膜を一体に形成する操作を反
復して強化材をブロツク状に成長させることによ
り、微細結晶組織を有するブロツク状の強化材を
製造するものであるが、この上層の積層に際して
下層表面が溶融、又は半凝固状態にある場合とし
ては、前述した如く、次の二つの場合がある。

即ち、一つの場合としては、先に形成される下
層の強化材の薄膜がその下方に位置する基材又は
薄層方向に放熱して凍結凝固するときに、該基材
又は下層に接している部分から薄層内を上方に向
かつて順次冷却されて凍結凝固される際に、該薄
層における表面即ち上面部分迄が完全に冷却され
て凍結凝固する以前に未だ溶融状態、又は半凝固
状態にある薄層の表面に新たに溶融状態の材料を
供給する方法と、他の一つの方法としては供給さ
れた溶融状態の材料が完全に凍結凝固して固化状
態の薄膜が形成された後、該薄膜表面を適宜加熱
手段にて溶融し、この溶解又は半凝固状態の薄膜
表面に新たに溶融の材料を供給して次の薄層を形
成する方法である。この既に凍結凝固して固形化
の完了した下位の薄層上に新たに薄層を積層する
に際して、下位の薄層表面を再溶解する手段とし
ては、高速に進行する押圧手段による摩擦熱の発
生により一旦凍結凝固された薄層表面を溶解した
り、また冷却速度をそれ程大きくしない場合に
は、凝固した薄層上に供給される溶融材料による
加熱による溶解も可能である。更には、大型の部
材を製造する場合等においては、高温度のプラズ
マ・レーザー等を使用する加熱によることも可能
である。また上記の各溶解方法を組み合わせても
よい。しかし、何れの場合においてもその加熱は
出来るだけ下位の薄層表面に止めかつ速やかな加
熱である必要がある。そうでなければ、制御され
た配列を持つ基材の配列が破壊されて効果は減少
する。また上層との積層において、その原子的接
合を行うのは極めて薄い層のみであるから内部を
加熱するのは無意味なことである。

本発明に係る強化ブロツク材の製造方法は上述
したとおりのものであるが、次に添付図面に基づ
いて本発明において強化ブロツク材が成長する過
程を説明する。

本発明においては、第１図、又は第２図に示す
如く、金属等の結晶性材料１を予め溶融状態イと
し、これを材料供給路４より基材２上に連続的に
供給し、基材２方向へ急速に放熱しながら凝固し
つつある半凝固状態ロの材料１に押圧手段として
の押圧部材３により高い圧力と大きな剪断力を与
えて該材料１に大きな変形を与え、薄膜状に積層
することにより基材２上に強化材の薄膜５が形成
される。この薄層５上に、更に溶融状態の材料を
供給して同様に薄膜５を形成して一体に積層する
ことを反復することにより、多層の強化材薄膜５
…が一体に形成され、ブロツク材として形成され
るのである。

上記工程において、半凝固状態にある材料１を
薄層状に形成し、これに高い圧力と大きな剪断力
を与える方法は、図示した如く、押圧部材３に設
けた材料供給路４にから溶融状態イの材料１を連
続的に供給するとともに押圧部材３を基材２上で
該基材２との間に間隙を保つて進行方向Ａへ移動
させれば、供給路４から連続的に供給される溶融
材料１が基材２上に薄層状に積層されるとともに
基材２へ急速に放熱しながら凝固に向かう。この
凝固しつつある材料１は、押圧部材３の移動に伴
い進行方向Ａから後下方へ向かつてテーパー状又
は湾曲して形成された押圧面８に圧入されること
により、該押圧面８により高い圧力とともに押圧
部材３の移動により剪断力を受けることになるの
である。

また、本発明においては、上下に隣接する両薄
膜５，５を互いに密着させて一体化するために、
下層に位置する薄膜表面５ａが溶融又は半凝固状
態において該薄膜表面５ａ上に新たに材料を供給
し薄層状に積層して上層の薄膜５を形成すること
により上下に隣接する両層５，５を一体化したす
るのである。この薄膜積層時における下層に位置
する薄膜表面５ａの状態としては、次に二通りの
場合がある。即ち、下層の薄膜表面５ａが溶融状
態又は半凝固状態になる場合とは、ひとつには下
層の薄膜表面５ａが完全に凝固する前に該表面５
ａ上に薄膜を形成するか、又は凝固の完了した下
層の薄膜表面５ａを再加熱するすることにより該
表面５ａを溶融又は半溶解状態としてその上に次
の新たな薄膜５を形成する場合である。前者の場
合は、第１図に示した如く、基材２上に供給さ
れ、該基材２方向へ急速に放熱しながら凝固しつ
つある状態において押圧部材３によつて大きな圧
力と剪断力を与えられて大きな変形を受け、強化
材の薄膜５として形成されつつある材料１の表面
５ａが完全に凝固する以前に、該半凝固状態ロの
薄膜表面５ａ上に新たに溶融状態の材料１を供給
して薄膜状に形成することにより下層の薄膜５と
その表面５ａ上に形成される薄膜５とが一体に積
層されるのである。後者の方法としては、第２図
に示した如く、基材２上に積層されて該基材２方
向へ放熱しながら押圧部材３による大きな圧力と
大きな剪断力による大きな変形を受け、冷却凝固
して強化材として形成された薄膜５の上面５ａ
を、例えば図示した如く押圧部材３における材料
供給空間６の前側位置に設けた摩擦部８ａによ
り、既に状態にある薄膜表面５ａを押圧部材３の
移動に伴つて摩擦し、摩擦の際に発生する摩擦熱
により下層の薄膜表面５ａを再び溶解、又は半溶
解状態ニとし、この溶解又は半溶解状態ニの薄膜
表面５ａ上に新たに溶融材料１を供給して薄層状
に形成することにより、上下に隣接する両薄膜
５，５を一体に形成する方法である。上記の凝固
状態ハの薄膜表面５ａを溶解にあたつては、上記
のような摩擦熱を利用する方法の他、前記８ａの
位置に設けたプラズマ・レーザー等の加熱手段
（図示せず）により薄膜表面５ａを溶解、又は半
溶解状態ニとしてもよい。

上述した、第１図、第２図におけるｃ，ｄの工
程を連続して繰り返し、基材２上に多層の強化材
薄膜５…を一体に形成してゆくことにより、金属
等の結晶性材料がブロツク状に成長してゆくので
ある。

上記第１図、又は第２図に示した工程は、溶融
状態の材料を一層ずつ薄層状に、一体化して行く
場合を説明したが、次にこれを連続して行う場合
について、第３図及び第４図に基づいて説明す
る。

本発明における強化ブロツク材を製造を連続的
に行うには、押圧手段としての押圧部材３とし
て、例えば図示した如く、材料供給源（図示せ
ず）にて予め溶融状態イとした結晶性材料１を連
続的に供給するための材料供給路４に連通して材
料供給空間６を形成し、該供給空間６における前
記供給路４開口面の対面側を押圧部材の進行方向
Ａに対して後下方へ湾曲又はテーパー状に形成し
て押圧面８としてなる単位押圧部を横方向に多数
並設して構成している。上記のような押圧部材３
を用いて基材２上に結晶性材料の強化ブロツク材
を形成するには、材料供給源にて予め溶融状態イ
とした材料１を各供給路４から押圧部材３の各材
料供給空間６へ連続的に供給するとともに、押圧
部材３を進行方向Ａへ向かつて移動させる。この
押圧部材３の移動と同時に基材２を下方（図中矢
印Ｂ方向）へ下降させることにより、供給空間６
に連続して供給された溶融状態イの材料１が基材
２上に傾斜した多層の薄膜５…として形成されて
いく。この多層の薄膜５は、形成されると同時に
基材２方向へ急速に放熱して凝固へ向かうととも
に、各押圧部材３の押圧面８により与えられる高
い圧力と大きな剪断力により大きな変形を受ける
ことにより、強化材薄膜として形成されるのであ
る。この各薄膜５…は第３図の如く各押圧部に対
して進行方向Ａ前方に位置する薄膜表面５ａが基
材２方向に放熱して完全に凝固する前に隣接する
後方の押圧部における供給空間６へ新たに溶融状
態イの材料１が供給、積層されるように押圧部材
３の移動速度、材料１の供給速度及び基材３の下
降速度を調整することにより、この新たに供給さ
れる材料１は、隣接する薄膜５の半凝固状態ロに
ある表面５ａへ積層されることにより、隣接して
形成される両薄膜５，５同士が判別しがたい一体
のものとして形成され、ブロツク状に成長してゆ
くのである（第３図ｄ）。また、第４図の如く、
各薄膜５に対して押圧部材３の進行方向Ａに前側
に位置する薄膜５が完全に凝固ハされた後にその
後方に位置する押圧部の供給空間６へ新たに供給
された溶融材料１が積層されるときには、前側に
位置する押圧部の後端下部８ａが凝固した薄膜表
面５ａを摩擦することにより発生する摩擦熱によ
り該薄膜表面５ａが再び溶融又は半溶融状態ニと
なり、この溶融又は半溶融状態ニにある薄膜表面
５ａに、隣接する押圧部の供給空間６に供給され
た溶融材料１が積層されることになり、隣接する
各薄膜５…が一体に形成されてゆき、これを連続
して行うことにより、基材２上に多層の強化材の
薄膜が一体化されて、ブロツク状に成長するので
ある（第４図ｄ）。

上記の第１図〜第４図の工程において、押圧部
材３としてはセラミツク等の熱不良導体にて作成
することにより、材料供給源から供給路４を経て
供給される溶融状態イの材料１は基材２、又は下
層に位置する薄膜５の凝固部分ハへ向けて放熱し
て薄膜における下部から上部に向かつて凝固して
ゆき、また押圧面８に接触している半凝固状態ロ
の材料１は、凝固部分ハ又は基材２に急速に放熱
するとともに押圧面８からは熱の補給をうけない
ため高い冷却速度を維持することができるのであ
る。また、第３図、第４図に示した例においては
押圧部材３を進行方向Ａへ移動させるとともに、
基材２を下方Ｂへ下降させることにより、基材２
と押圧部材３との間の空間に強化薄膜を形成して
いるが、この場合、基材２と押圧部材３とは相対
的に移動させることにより両部材の間で強化ブロ
ツク材を形成、成長させてゆけばよいのであり、
基材２を固定しておき、押圧部材３を進行方向Ａ
とともに上方へ向かつて移動させるようにしても
よい。上記の工程においては、凝固部分ハは押圧
面８の前側で半凝固状態ロで変形を受けている部
分でクラツクやポアが発生しないように、また押
圧面８と半凝固部分ロとの間で滑りが生じないよ
うに半凝固部分ロが一定の内圧を維持しうるよう
に一種の栓の機能も兼ねるものである。また、凝
固部分ハを外部より冷却すれば、押圧部材３の押
圧面８での熱伝導による吸熱能力が一定に保た
れ、より好ましいのである。更に、供給源から溶
融状態イで供給される材料１は、凝固点前後の温
度で押圧面８へ供給されることが好ましい。ま
た、上記の製造工程においては、単位時間当たり
に供給される溶融材料１の供給量を多くするに従
つて生産能力は向上するが、その反面、半凝固部
分ロでの平均残留熱量が上昇して冷却速度が低下
し、形成される強化材の結晶粒の成長が促進さ
れ、強化ブロツク材の強度の低下を招く結果とな
るため、材料の供給速度を低く押え、単位薄膜５
における膜厚を薄く設定することが材料強化とい
う点では有利なものであり、好ましい薄膜の下限
としては50〜100μで、上限は200〜500μ程度であ
る。

尚、上記１〜４図においては、薄層５内の状態
を説明するため、押圧部材３に対して薄層５の厚
みが大きく描かれているが、実際上は薄層５の厚
みは押圧部材３の大きさに比べて相当薄いものと
なる。

上記のようにして形成される強化ブロツク材
は、材料供給源から供給路４を経て押圧部材３の
供給空間６へ供給される溶融状態イの材料１が極
めて薄い薄膜５状に形成されることにより急冷さ
れて結晶の微細化、析出層の微細化、固溶限の拡
大等の効果を受けるとともに、押圧部材３の押圧
面８により半凝固状態ロで大きな変形を受けるこ
とにより結晶粒が分断、微細化されて際結晶が防
止され、また、一般の鋳造においてみられるよう
な組織の不均一化や引け巣、微小ポア等の発生も
防止されて良好な強化材として形成されるととも
に、各薄膜積層時には、薄膜表面５ａが溶融又は
半溶融状態（イ、ニ）で新たな溶融材料１が表面
に該薄膜表面５ａに積層されるため、隣接する各
薄膜５，５同士が判別しがたいものとして一体か
されて強化ブロツク材として成長、形成されるの
である。

更に押圧部材３として、第５図に示した如く、
押圧面８に対面した位置に設けた材料供給口４ａ
の他に、余分な供給材料を供給空間６から排出す
るための排出口９ａ及び排出路９を設けておくこ
とにより、薄膜形成に使用される材料１の量を一
定にするとともに、溶融材料内に含まれていたガ
ス、または溶融材料が凝固する際に発生するガス
等が余分な材料とともに排出口９ａから排出路９
を経て供給空間６から外部へ排出され、、強化ブ
ロツク材内にガスにより巣が発生するのを更に確
実に防止しうるのである。しかし、ガス発生を伴
わない材料の場合には、上記のようなガス排出用
の排出口９ａ及び排出路９は必ずしも必要ではな
く、薄膜形成に必要なだけの材料１を供給路４か
ら供給空間６へ供給すればよいのである。

次に、上記のような連続的な強化ブロツク材の
成型を具体的に行うための装置としては、例えば
第６図の如く、円筒状基体ｆ内に、上面を円板状
とし下方へ下降移動可能に基材２を設け、該基材
２の上部には駆動手段１２に関係付けて基体ｆ内
で回転可能とした押圧部材３を設けるととにも、
材料供給源１１にて予め溶融状態とした材料１
を、前記押圧部材３上へ導入し、該押圧部材３に
設けた材料供給路４から基材２上へ連続的に供給
しながら押圧部材３を回転運動させると同時に基
材３を下降させることにより、基材２上に薄膜が
螺旋状に積層、一体化された強化ブロツク材ｂを
基板２上に連続的に成型することができるのであ
る。このように、成型されるブロツク材ｂの形状
は基材２の形状によるものであり、基材の形状を
方形、円形又は環状として該基材２上に押圧部材
３により、直方体、円柱状又は管状の各形状のブ
ロツク材ｂを得ることができる。例えば、第６図
で円板状の基材２の上に成型される強化ブロツク
材ｂの形状は円柱形状となり、また第７図のよう
な装置を用いた場合には直方体状の強化ブロツク
材ｂが得られる。この第７図の装置においては、
下面に矩形状の開口１３を設けてなる材料溶解層
１４の前記開口１３に、倒円柱形状で、押圧面と
しての外周面に材料供給空間としての凹部１６を
形成してなる押圧部材３の一部を嵌合した状態で
回転軸１５を中心に回転可能に設置するととも
に、該押圧部材３の開口１３に臨む外周下面には
上面形状を前記押圧部材３の外周面に当接しうる
形状に凹陥させ、下方へ下降移動可能に設けた基
材２を設けて構成する。このような装置により強
化ブロツク材ｂが成型される過程を第８図により
説明すれば、前記溶解槽１４内にて溶解した溶融
材料１を押圧部材３を回転させることにより、押
圧部材３と基材３上面の凹陥部との間に形成され
る間隙に該押圧部材３外周面に設けた供給空間と
しての凹部１６にて導入して材料１を基材３上面
へ薄層状に積層すると同時に押圧部材３の外周面
により大きな圧力と大きな剪断力を与えて基材３
方向へ放熱して凝固しつつある材料１に半凝固状
で大きな変形を与えることにより強化材の薄膜５
を形成し、この薄膜表面５ａが完全凝固するまで
に基材２を下降させるとともに押圧部材３の回転
により該薄膜表面５ａ上に新たな薄膜を形成する
か、又は一旦完全に凝固して強化薄膜として形成
された薄膜表面５ａを押圧部材３の回転運動によ
る該押圧部材３の外周面との摩擦に際して発生す
る摩擦熱により、又は押圧部材３の外周面に設け
た適宜加熱手段（図示せず）により再溶解して溶
融状態または半溶融状態にある薄膜表面５ａに新
たに薄膜をその下層に位置する薄膜５と一体に形
成する工程を繰り返すことにより、基材３上に平
面視矩形の強化ブロツク材ｂが連続的に形成され
るのである。上記第７図のような装置において
は、例えば第９図及び第１０図に示した如く、押
圧部材３の外周面に設けた材料供給空間としての
凹部１６を外周面に沿つて螺旋状に設けることに
より、押圧部材３の回転により凹部１６にて基材
３表面に供給される材料１中に含有されているガ
スが押圧部材３における一側から他側（図中矢印
Ｃ）へと移動して供給空間としての凹部１６から
溶解槽１４内へと排出され、成型材中に巣が発生
するのを防止することができるのである。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、金属等の結晶
性材料の結晶を微細化することにより強化材とし
て製造するにおいて、溶融状態の材料を急冷する
と同時にこの材料が半凝固状態において比較的小
さな変形エネルギーにより大きな変形を与えるこ
とにより材料の強化を図るとともにブロツク状に
成型可能として製造工程を簡略化し、製造コスト
の低減を可能として成型品への適用を実現しうる
金属等の強化ブロツク材の製造方法を提供しうる
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明に係る金属等の強化ブ
ロツク材の製造方法において強化ブロツク材が形
成される過程を説明するための工程説明図、第３
図、第４図は前記製造方法を連続的に行う場合の
強化ブロツク材の形成過程を説明するための工程
説明図、第５図は第３図又は第４図における押圧
部の一実施例の要部を示す拡大説明図、第６図は
本発明に係る製造方法を実施するための具体的装
置の一実施例を示す側断面説明図、第７図は他の
装置の実施例を示す部分断面斜視図、第８図は第
７図の装置における強化ブロツク材の製造過程を
説明するための工程説明図、第９図及び第１０図
は第７図における押圧部材の実施例を示す斜視図
及び側断面図である。 １：結晶性材料、２：基材、３：押圧部材、
４：材料供給路、５：薄膜、６：材料供給空間、
８：押圧面、９：排出口。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 高温で溶融状態の金属等の結晶性材料を基材
   上に薄層状に積層し該基材方向へ放熱させて急速
   に冷却させながらこの凝固しつつある材料に押圧
   手段により高い圧力と大きな剪断力とを同時に与
   えて薄層状に冷却凝固させるとともに、前記薄層
   の溶融状態又は半凝固状態にある表層上に更に結
   晶性材料を薄層状に積層し前記下位の薄層方向に
   放熱させて急速に冷却させながら押圧手段により
   高い圧力と大きな剪断力とを同時に与えて前記下
   位の薄層の上面に上位の薄層を一体に冷却凝固さ
   せることを反復することにより、基材上に結晶性
   材料のブロツク体を形成してなる金属等の強化ブ
   ロツク材の製造方法。