JPH0327836A - 金属材料の強化法およびその装置 - 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〕 この発明は、耐疲労性に優れた強靭な金属材料を作るた
めの強化法およびその方法を実施する装置に関し、特に
詳しく言うと、結晶が鋳造方向に長く伸びた一方向凝固
組織からなる金属鋳塊に捩じり変形を施して加工硬化さ
せる金属材料の強化法およびその装置に関するものであ
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
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
。合金元素を添加するのみでは軟らかすぎる場合には、
焼き入れのような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してきた。

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ＡＭ基の合金が大量に使用されて
いる。純ＡＱ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．Ｚｎ．Ｍｇな
どを添加し、析出硬化型の合金を作り，時効硬化処理に
よって強度を与えた後に使用するようにしている。

〔発明が解決しようとする課題〕

このような合金を用いて作られた飛行機が、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、振動のような繰返
し応力を長時間受ける材料は，疲労破壊を起こし易い。

そのため常に疲労による亀裂の早期発見のための厳重な
検査を行なわなければならなかった。しかしながら、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，何
時材料表面にまで伝播して，その材料の表面破壊につな
がるか判らない。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、長時間の振動のような繰返し応力
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。

一方、金属材料の鋳塊について見ると、鋳塊がその表面
にほぼ垂直に並んだ柱状品や等軸品からなる時は、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、機械的破損の起点となり易い
ことは周知の事実である。従来一般には鋳塊の鋳造法と
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、第４ａ図に
示すように，鋳塊１の表面部には結晶が表面にほぼ垂直
に並んで成長した柱状晶帯２が形成され、鋳塊の内部に
は、しばしば等軸品帯３があらわれた． このような鋳塊を冷間で加工する時は、表面の柱状品の
粒界帯２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，
後の冷間加工に際して表面から内部に亀裂の伝播が起こ
りにくくなるよシに、表層の柱状品をおしつぶしてしま
うことが必要であった。

また、凝固時に形或される粒界には、ガスや不純物が偏
析し易く、微細な空孔が形或され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↑る時は、そこに応力
集中が起こりやすく、機械部品の破壊の起点となりやす
い。鋳塊の鋳造に際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。

本発明者は先に、上述した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或長じた柱状晶帯や等軸
品からなる凝固粒界のない材料、すなわち一方向凝固鋳
塊の鋳造方法を提案し、特許第１０４９１４６号として
特許された。この鋳造方法は、鋳型の内壁温度を鋳造金
属の凝固温度以上の温度に加熱保持することによって、
鋳型内部での側壁に沿う凝固殻の形或を阻止し、鋳型出
口を出ると同時に冷却によって鋳造金属の凝固が開始さ
れるようにして鋳造を行なうものである。第４ｂ図に示
すように、この方法によって作られた鋳塊４は，柱状晶
５が鋳造方向に長く伸びた一方向凝固組織を有する。こ
の方法によりＡＱやＣｕやＮｉなどの金属の連続鋳造鋳
塊を得ることができる。

しかしながら、このようにして作られた鋳塊がなぜ構造
材料として用いられなかったかを考えてみるとその理由
は大きく分けて、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、一般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、そこ
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唆するものである。

そこで本発明の目的は、上述したような新しい方法で鋳
造した一方向凝固組織からなる金属鋳塊に特殊な加工を
施すことにより疲労破損に強い金属材料にするための強
化法およびこの方法を実施する装置を提供することであ
る。

〔課題を解決するための手段〕

この発明の金属材料の強化法は，結晶が鋳造方向に長く
伸びた一方向凝固組織からなる連続鋳造鋳塊に捩じり変
形を与えて硬化させることを特徴とするものである． この発明はまた、連続鋳造鋳塊をその外周面を回転する
ことがないように挾持しながらその長手方向に沿って送
り出すための送り出しロールと、この送り出しロールか
ら長手方向に所定の間隔を置いて位置し、連続鋳造鋳塊
をその外周面を回転不能に挾持し，かつ連続鋳造鋳塊を
送り出し可能に支持しながら連続鋳造鋳塊の長手方向中
心線を支点に回転する回転捩じりロールとを有すること
を特徴とする金属材料の強化装置が提供される。

〔作　　用〕

単結晶のような一方向凝固鋳塊に圧延とか引抜きのよう
な単純な延伸変形加工，いいかえれば断面縮小を伴う塑
性加工を施すのではなくて，単に長手方向に捩じり変形
加工を施すことによって結晶内の転位の増殖を促し、こ
れによって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であると考え、ま
ず加熱鋳型を使用した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金属の単一固溶体からなる鋳
塊を鋳造し，その鋳塊を冷間で長手方向に沿って複数回
捩じりを加えて屈曲方向を変化させながら、捩じり変形
による鍛錬加工を施すことによって耐疲労性の優れた、
硬くて強い金属材料が得られることを見出し本発明を完
成した。

金属材料の強化装置は、一方向凝固組織からなる連続鋳
造鋳塊はその外周面を回転することがないように挾持し
ながらその長手方向に沿って送り出すための送り出しロ
ールによって送り出された後，回転捩じりロールに挾持
される。回転捩じりロールは連続鋳造鋳塊の長手方向中
心線を支点に回転するので，連続鋳造鋳塊を送り出しな
がら、その長手方向に沿って捩じりを加えていく。

このようにして鋳塊に捩じり変形加工を加えることによ
って、内部欠陥のない強靭で耐疲労性に優れた金属材料
を得ることができるので、飛行機や自動車のように、繰
返し応力の付加による疲労破壊が人命にかかわるような
機械装置に対する金属材料の強化法として画期的なもの
であるといえる。

〔実　施　例〕

以下、本発明の金属材料の強化法を実施する装置の構成
例を説明する。各構成例を通して同一ないしは実質的に
同一な構或要件は同一参照番号を付している．まず、第
１図に示す第１構成例を説明すると、強化装置１１はそ
の入口側に，その間に一方向凝固組織を有する連続鋳造
鋳塊１２を挾持しながら送りこむための２組の送り出し
用ピンチロール１３，　１４が配置されている。各ピン
チロール１３，ｌ４の軸方向長さの略中央部には、連続
鋳造鋳塊１２の外周面を挾持するように傾斜面の構威さ
れた溝１５．　１６がそれぞれ形威されている。各送り
出し用ビンチロール１３，　１４は図示しない支持フレ
ームに回転可能に支持されており，ピンチロール】３の
軸１７には歯車１８が取付けられている。この歯車ｌ８
はモータｌ９の駆動軸２ｌに取付けられた邸動歯車２２
に噛合している。

送り出し用ピンチロール１３，　１４から所定の間隔を
置いて、回転捩じり装置２３が設けられている。

この回転捩じり装置２３は、円板状の回転部材２４と，
この回転部材２４の略中央に形成された開口部２５にそ
の軸線が回転部材２４の直径方向に平行に位置するよう
に回転可能に配置され、その間に鋳塊ｌ２を挾持する一
対の回転捩じり用ピンチロール２６，　２７と、回転部
材２４を回転馳動ずるモータ２８とを有している。回転
部材２４の円周面には歯２９が形成され，この歯２９は
モータ２８の駆動軸３１に取付けられた翻動歯車３２に
噛合している。回転部材２４の廓動歯車３２と相対する
位置にはこの馳動歯車３２とともに、回転部材２４を回
転可能に支持するためのアイドラ歯車３３が歯２９と噛
合するように配置されている。

回転部材２４にはまた、その両面を略１２０度のＩ？Ｉ
ｆｆ隔を置いて保持する３つの保持部材３４が配置され
ている。これら各保持部材３４は、２つの先端面３５を
有しそれらの面には回転部材の面と係合するローラ３６
が回転可能にそれぞれ支持されている．駐動歯車３２，
アイドラ歯車３３および３つの保持部材３４は図示しな
い支持フレームに固定支持されている。

回転捩じり用ピンチロール２６，　２７は、第２図に詳
細に示すように，各軸線方向略中火には２つの傾斜面３
５．　３６により構威された溝３７が設けられている。

鋳塊１２はその外周面が４つの傾斜面３５．　３６に線
接触して円周方向には回転しないように挾持される。こ
の鋳塊ｌ２の挾持方法は，上述した送り出し用ピンチロ
ール１３，　１４の溝１５．　１６においても同じであ
る。これら各溝の傾斜面には鋳塊１２がその円周方向に
回転しないように強固に保持させるため例えば各傾斜面
にローレソトを形成してもよい． したがって、まずモータ１９を翻動して、送り出し用ピ
ンチロールｌ３を回転させるとともに、モータ２８を馳
動して回転部材２４も回転させておく。ピンチロールｌ
３の回転は、このピンチロール１３の円周面にその円周
面が接触しているピンチロールｌ４も回転させることに
なる。回転する送り出し用ピンチロール１３，　１４の
溝１５，　１６内に錫塊ｌ２を差し込めば、鋳塊１２は
回転捩じり装置２３方向に送り出されていく。鋳塊１２
の先端が回転部材２４内の回転捩じり用ピンチロール２
６，　２７の溝３７に挿入されると、回転部材２４の回
転によって鋳塊１２に捩じりが加えられる。すなわち、
ピンチロール１３，　１４および２６，２７は鋳塊ｌ２
をその長手方向に送るように回転しているが、鋳魂ｌ２
がその円周方向へは回転しないようにそれぞれ保持して
おり、実質的に胸塊ｌ２は送り出し用ピンチロール１３
，　１４と回転捩じり用ピンチロール２６，　２７間が
円周方向に固定されているので、回転部材２４の回転に
伴って回転捩じりロール２６．　２７により鋳塊ｌ２に
捩じりが加えられることになる。捩じり回数は，単位時
間当りの送り出し用ピンチロール１３，　１４による送
り速度と回転部材２４の回転数により設定できる。

第３図に示す第２構成例における強化装置４１は、鋳塊
ｌ２に対する捩じれを３つの鋳塊挾持用ピンチロール４
２，　４３．　４４により行なっている。すむわち，各
鋳塊挾持用ピンチロール４２，　４３．　４４はそれら
の軸線が鋳塊１２の長平方向に略平行に回転可能に配置
され、外側には各鋳塊挾持用ピンチロール４２，４３，
　４４の円周面とそれらの円周面が圧接するように位置
固定用のアイドラロール４５，　４６．　４７が配置さ
れている。鋳塊挾持用ピンチロール４４に圧接する位置
固定用アイドラロール４７の軸方向一端には歯車４８が
同軸上に取付けられており、この歯車４８はモータ４９
の馳動軸４ｌに取付けられた翻動＠　Ｉｇ４２と噛合し
ている。

鋳塊挾持用ピンチロール４２，　４３．　４４はその外
周面で鋳魂ｌ２を挾持するように配置されているので、
これらピンチロール４２，　４３，　４４が停止してい
る時には鋳塊１２はその円周方向には回転できないが、
モータ４９の邪動により鋳塊挾持用ビンチロール４４が
回転すると，鋳塊ｌ２には円周方向に回転力が加えられ
て回転し，その回転は残りのピンチロール４２，　４３
も回転して，ｆ４塊ｌ２の円周方向の回転を補佐する。

しかしながら、これらロール４２，　４３．　４４が回
転すると鋳塊１２との接触点が移動することになりその
時に加えられている力．この場合は送り出し用ピンチロ
ール１３，　１４により加えられる鋳塊ｌ２の送り出し
力によって、鋳塊１２はこれらロール４２，　４３．　
４４間を通過することはできる。したがって、鋳塊１２
には連続的に捩じりを加えることができる。この構或例
の場合，鋳塊挾持用ビンチロール４２，　４３．　４４
の各間隔を変えられるように適当な支持フレームに取付
けることにより、鋳塊１２の径の大きさに合わせて任意
に調整でき、種々の径の鋳塊にも捩じりを加えることが
できる。

加熱鋳型を使用した連続鋳造法で得られた鋳塊の結晶組
織は単結晶に限らず、鋳造方向に長く伸びた一方向凝固
組織からなるため，屈曲変形させることによって横割れ
の発生源となるような鋳造方向に垂直な凝固粒界がない
。したがって、このような捩じり変形を複数回施しても
局部的な歪を発生することなく、均一に捩じりが施され
て強靭な金属材料にすることができる． このような，冷間の捩じり変形加工によって、より一層
強化した構造材料を得るためには、純金属では軟らかす
ぎるので、第２相を晶出しない程度の他元素を含む合金
を用いることが必要である。

この場合において合金元素の添加によって、凝固組織に
脆弱な第２層が板状に晶出する時は、それが繰返し加工
に際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の晶出でなく．鋳塊が一旦溶
質過飽和の単一同相体を形成することは，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、加熱鋳型を用いた連続鋳造法に
よって、合金を急冷凝固せしめることによって得ること
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、材料表面に凝固粒界や、化合物の如き第２相の晶
出物などを常に有していた。

本発明の強化方法によって，このような表面欠陥はもと
より、材料内部に横方向の亀裂発生の起点となるような
凝固粒界や第２相品出物の存在しない、きわめて信頼性
の高い、金属材料を提供することができる。

なお、本発明の方法において一方向凝固組織を有する連
続鋳造鋳塊の捩じり変形加工を施すに際しては、材料の
断面減少を伴わないことを原則とするが、捩じり変形に
際して多少の断面減少を伴うことがあっても、本発明の
効果を損なうものでない限り差し支えない。

また本発明の金属材料の強化法は、単にＡＱやＣｕやＮ
ｉを用いた材料に限らず、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｇなど，溶解
鋳造および加工硬化のできるあらゆる金属材科に応用す
ることができる。

次に本発明と従来例との兵体的な比較例について説明す
る。

９９．９％の純アルミニウムを、上述した特許第１０４
９１４６号に基づく加熱鋳型を使用した連続ｇ造法によ
って鋳造し、直径６−の線状の単結晶からなる一方向凝
固鋳塊を得た。

この時の線状単結晶鋳塊のビッカース硬度は２２であり
，引張強さは４ｋｇ／ａ＋＋”であった。この線状単結
晶鋳塊に対しその長さ１０ａｎ当り２．５回の捩じりを
加えたところ、ビッカース硬度は４０にそして引張強さ
は１３ｋｇ／ｍ”というように強度が増加した。

上述の実験結果より、従来は強度材すなわち構造材料と
して使用されなかったような合金を，単に鋳造法をかえ
，加工に弱い凝固粒界のない、方向凝固鋳塊を得て、そ
れを捩じり加工によって硬化させる本発明の強化法によ
って、強さを著しく増大させることができることは明白
であろう。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明の金属材料の強化法は，鋳造方向
に結晶が長く伸びた一方向凝固組織を有する連続鋳造鋳
塊を、従来のように複雑な熱処理工程を施すことなく単
に捩じりを加えるだけの単純な操作によって金属材料を
強化するものであり、これにより内部欠陥のない強靭で
耐疲労性に優れた金属材料を得ることができる。したが
って、飛行機や自動車のように繰返し応力付加による疲
労破壊が人命にかかわるような機械装置の金属材料の強
化法として画期的なものである。

さらに、この強化法を実施する装置は、連続鋳造鋳塊を
その外周面を回転することがないように挾持しながらそ
の長手方向に沿って送り出すための送り出しロールと、
この送り出しロールから送り出し方向に所定の間隔を置
いて位置し、連続鋳造鋳塊をその外周面を回転不能に挾
持し、かつ連続鋳造鋳魂を送り出し可能に支持しながら
その長手方向中心線を支点に回転する回転捩じりロール
とを設けるという極めて簡単な構戒でよいので、安価に
提供することができる．

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の金属材料強化法を実施するための装
置の一例を概略的に示す斜視図，第２図は第１図におけ
る回転捩じりロール部を示す平面図，第３図はこの発明
の金属材料強化法を実施するための装置の他の例を概略
的に示す斜視図、第４ａ図は従来の鋳造法により鋳造さ
れた鋳塊のマクロｍ織を概轄的に示す図，第４ｂ図はこ
の発明において使用する鋳造法により鋳造された鋳塊の
マクロ組織を概略的に示す図である。 図面において、１１．　４１は強化装置、１２は連ｖｔ
鋳造鋳塊、１３．　１４は送り出し用ピンチロール，１
５，１６．　３７は溝．　１９，　２８．　４９はモー
タ，２３は回転捩じり装置，２４は回転部材、２５は開
口部、２６，　２７は回転捩じり用ピンチロール、４２
，　４３．　４４は鋳塊挾持ピンチロールである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）結晶が鋳造方向に長く伸びた一方向凝固組織から
   なる連続鋳造鋳塊に捩じり変形を与えて硬化させること
   を特徴とする金属材料の強化法。
2. （２）結晶が鋳造方向に長く伸びた一方向凝固組織から
   なる連続鋳造鋳塊をその外周面を回転することがないよ
   うに挾持しながらその長手方向に沿って送り出すための
   送り出しロールと、この、送り出しロールから前記長手
   方向に所定の間隔を置いて位置し、前記連続鋳造鋳塊を
   その外周面を回転不能に挾持し、かつ前記連続鋳造鋳塊
   を送り出し可能に支持しながら前記連続鋳造鋳塊の長手
   方向中心線を支点に回転する回転捩じりロールとを有す
   ることを特徴とする金属材料の強化装置。