JPH04502731A - チキソトロピック材料の製造方法 - 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】 チキソトロピック材料 本発明は、改良されたチキソトロピック材料の製造に関し、さらにチキントロピ ック材料の鋳造および鍛造のための改良された方法および装置に関する。

液体マトリックス内に変質した（ｄｅｇｅ＋１ｅｒａｔｅ）デンドライトまたは ノジュール状の（ｎ’ｏｄｕｌａｒ　）独立した固体粒子を含み、チキソトロピ ックな性質を有する金属スラリーの形成は、例えば、米国特許第３９４８６５０ 号および第３９５４４５５号、ならびに英国特許第１４００８２４号などからよ く知られている。これら特許は、全て固化途中の溶融物の強力な攪拌によるその 様なスラリーの製造に言及している。しかしながら、溶融物の物理的攪拌は、溶 融物が固化状態に近付くとともに、ますます困難となる。ヨーロッパ公開特許第 ００９０２５３号および第０１３９１６８号には、改良された方法が開示されて いる。すなわち、そこには、部分的に固体で且つ部分的に液体の状態で成形を行 なうための金属組成物の製造方法が開示されている。この方法は、再結晶温度と 固相線温度（ｓｏｌｉｄｕｓ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　）との間で金属組成物 を熱間加工し、熱間加工と同時に或いは熱間加工に引続（独立した工程で、臨界 水準の歪み乃至応力変形を導入するものである。熱間加工および必要な任意の冷 間加工の終了とともに、金属組成物は、固相線温度よりも高く且つ液相線温度よ りも低い成る温度に再加熱される。この様な方法は、それ以前の技術に比べれば 、改善されたものといえるが、やはり数段階の工程を必要とする。本発明の目的 の一つは、部分的に固体で且つ部分的に液体の状態で、すなわちチキソトロピッ クな条件で、成形を行なうために適した組成物を与え得る簡略化された方法を提 供することにある。

本発明によれば、下記の工程からなるチキソトロピック性材料を製造する方法が 得られる： 完全に固化した金属または金属合金材料をその再結晶温度よりも低い温度で変形 する工程、 該材料の微小構造（ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の再結晶を起こすために変 形した材料を加熱する工程、および 該材料の温度をその固相線温度を上回る温度に上昇させることにより、チキソト ロピック的な挙動を呈する液状マトリックス中に独立した粒子を形成させるため に、再結晶構造を部分的に融解させる工程。

液状マトリックス中の独立した固体粒子は、表面張力により、急速に球状化して 、はぼ球形の粒子の分散状態を作り出す。

変形および再結晶工程は、冷間または熱間加工に引続いて行われ、さらにこれに 再結晶化を行なうための加熱工程が続く。本明細書において、“温熱加工”とは 、室温と被加工材料の再結晶温度との間の温度で行なわれる加工を意味する。

製造方法におけるより好ましい出発材料は、当初にデンドライト微小構造を有し ていても或いは有していなくとも良い完全に固化した合金である。出発材料は、 押し出し、圧延、張力引張りまたは圧縮などの何らかの手段により、変形されて いても良い。変形は、低温で行なっても良いが、温度上昇により構造の再結晶化 が生ずる程度まで行なう。

引続く温度上昇工程は、合金の部分的融解を引き起こす。この融解は、当初の鋳 造に際して最後に凝固した最低融点域であって、微小分離が生じている・粒界お よびデンドライトアーム（ｄｅｎｄｒｉｔｅ　ａｒｍ）間の領域から通常始まる 。多くの場合、再結晶プロセスにより導入された高角度粒界（ｈｉｇｈ　ａｎｇ ｌｅ　ｇｒａｉｎ　ｂｏｕｎｄａｒｙ　）も融解して、各グレインをマトリック ス液中の独立した固体粒子として分離させる。粒界が液相（すなわち融解）によ って完全には濡らされない場合にも、液体／固体界面で粒界沿いに溝（ｇｒｏｏ ｖｅ）が形成されるので、表面張力は、局所的にバランスされる。十分に微細な 微小構造の場合には、これらの溝は、固体をマトリックス液体により囲まれた小 さな独立した粒子に分割させる程度に深くなる。

本発明の再結晶化および融解工程は、同一の加熱操作中に連続して生じても良く 、或いは製造時の別個の段階で生じても良い。いずれの場合にも、部分融解によ り形成された独立した粒子は、表面張力により急速に球状化して、融解物中に球 形に近い粒子の分散体を発生させる。

この様な半固体／半液体のスラリーは、チキソトロピックな材料としての挙動を 示し、任意の所定の形状に成形、鋳造若しくは鍛造され得る。もし必要ならば、 この材料は、冷却され、次いでその固相線温度と液相線温度との間の温度に再加 熱されて、そのチキソトロピックな性質を回復する。

その固相線温度と液相線温度との間でチキソトロピックな性質を発揮する材料の 利点は、より低い荷重下に成形、例えば鋳込み或いは鍛造出来ることである。

例えば、前記の米国特許第３９４８６５０号および第３９５４’４５５号は、成 形操作におけるチキソトロピックな金属スラリーの使用に言及している。特に、 これらは、密閉されたダイによる鍛造（ｃｌｏｓｅｄ　ｄｉｅ　ｆｏｒｇｉｎｇ ）に言及しており、この方法は、伝統的に非常に高い鍛造圧力（１００ＭＰａ） を使用して合金製のダイス間で熱い固体金属に対して行なわれている。公知のダ イ鍛造においては、ダイスは、製造費が極めて高く、摩耗および変形により急速 にその形状および寸法が失われる。このため、鍛造品の寸法安定性が低下する。

固化時の攪拌の如き方法および本発明方法（再結晶とそれに続く部分融解）によ り得られるチキソトロピック性金属スラリーが、極めて低い剪断応力（代表的に は、１．５ＭＰａまで程度）により流動するという事実は、この様な材料の密閉 したダイによる鍛造の間に、ダイ自体は、比較的低い圧力をうけるのみであるこ とを意味する。

従って、本発明の他の利点として、通常使用されているものよりは機械的に弱い ダイ材料からなるチキソトロピック性材料の成形用ダイ、特に容易且つ安価に製 造可能な非金属性材料からなる成形用のダイを提供する。使用可能な材料として は、グラファイト、パイロフィライトの様な成型セラミックおよび機械加工セラ ミックが例示される。これらの材料は、金属性のダイスよりも低い熱拡散性（ま たはより良好な熱絶縁性）を有しているという利点をも備えているので、チキソ トロピックなスラリーは、あまり急速には固化せず、硬くなり過ぎて流動しなく なる前にダイに対応する形状をとることが可能となる。その結果、製品の精度が より改善される。

本発明によるダイスは、本発明方法により得られたチキソトロピック材料ととも に、或いは他のチキソトロピック材料とともに使用され得る。かくして、本発明 は、下記の工程からなる金属または金属合金製品の改良された製造方法をも包含 する： （ａ）その固相線を上回る領域でチキソトロピック的に挙動する材料を形成する 工程；および （ｂ）非金属製材料の本体を有するダイを使用して、その固相線を上回る領域で チキソトロピック材料を鋳造、鍛造または押出しする工程。

上記の工程（ａ）は、例えば、下記の段階により構成することが出来る： （Ｃ）完全に凝固した金属または金属合金材料をその再結晶温度を下回る温度で 変形し、 （ｄ）変形した材料を加熱して、材料の微小構造の再結晶化を行なわせ、そして （ｅ）材料の温度を固相線温度よりも高くして、再結晶した構造を部分的に融解 させ、チキソトロピック的な挙動を示す液体マトリックス中に独立した粒子を形 成させる。

チキソ鍛造（ｔｈｉｘｏｆｏｒｇｉｎｇ）およびチキン押出しくｔｈｉｘｏｅｘ ｔｒｕｄｉｎｇ）において、荷重条件は、公知の鍛造方法に比して、著るしく軽 減される。

工程（ｂ）は、材料がその高温加熱状態に保持されている間に行なっても良く、 或いは材料のチキントロピック状態は、引続く加熱によっても回復できる。

図面の簡単な説明 以下に添付の図面を参照しつつ、実施例により本発明をより詳細に説明する。図 面において：第１Ａ図は、常法に従って鋳造され且つ押出しされたＡＱ−６重量 ％Ｓｉの顕微鏡写真（８０倍）である；第１Ｂ図は、第１Ａ図に示す鋳造および 押出し材をエツチングして、再結晶前の粒界を示す顕微鏡写真（２５０倍）であ る； 第２図は、第１図に示す材料を本発明に従って再結晶化し、次いで部分的に融解 した場合の顕微鏡写真（８０倍）である； 第３図は、本発明に従って再結晶化し、次いで部分的に融解した材料の最終構造 の顕微鏡写真（８０倍）である； 第４図は、第３図の構造の３００倍顕微鏡写真である；第５図は、クエンチング に先立って２７９ｓ−’で攪拌された公知のレオキャスト（ｒｈｅｏｃａｓｔ） 　Ａ　Ｑ　７６重量％Ｓｉの顕微鏡写真（８０倍）である； 第６図は、本発明に従って押出され、再結晶化され、部分融解されたＡｌ５Ｉグ レード４４０ｃステンレススチールの顕微鏡写真（８０倍）である。デンドライ ト性の一次粒子が存在しないことを示している；第７図は、本発明に従ってグラ ファイト製のダイ内にチキン鍛造されたＡＱ−６重量％Ｓｉの鍛造物を示す写真 である； 第８図は、本発明による各工程を示す図式的な時間一温度履歴である。

第１図乃至第４図において、本発明による再結晶化および部分融解法によりどの 様にしてチキソトロピック性の金属スラリーが得られるかの一例が、シリコン６ 重量％を含むアルミニウム合金により示されている。出発材料は、直径７３ｍｍ の円筒状インゴットとして鋳造され、再結晶温度未満の３００℃で直径３２關と なるまで押出され、歪みは１．６５であり、第１Ａ図および第１Ｂ図に示す通り の構造、すなわち、これに対し及ぼされた仕事によるグレインの変形を示してい る。第１Ａ図および特に第１Ｂ図の観察から、押出しプロセスの間にグレインの 再結晶が実質的に生じていないことが明らかである。

次いで、合金を約６００℃の温度（共晶温度５７７℃の少し上）で約６分間加熱 する。加熱の過程において、３００℃以上で再結晶が起こって、当初の変形した グレインに代わって構造全体に新しい小さなグレインが形成される。次いで、共 晶温度以上での部分融解により、共晶領域に融液が形成され、−次アルミニウム 相の粒界に浸透し、グレインを分断して、液相中に存在する小さな独立した球状 固体粒子を形成させる。新しいグレインの形成を伴う材料の実際の構造は、第２ 図乃至第４図から明らかである。第２図は、融解の当初段階での微小構造を示し 、第３図および第４図は、当初の融解の約１分後に得られる球状粒子の最終部分 融解微小構造を示す。最終微小構造は、良好なチキソトロピック特性を発揮して 、そのままチキソ鋳造またはチキン鍛造に供することが出来る。

再結晶は、加工された材料の加熱とともに起こるプロセスであり、再結晶が起き るに先立っては、臨界歪み（合金系により定まり、この場合には約０．０５）が 必要である。この値を上回る歪みを増大させると、再結晶化したグレイン寸法お よび最終スラリー中の粒子寸法が減少する。本実施例においては、１．６５の歪 みにより、粒子径３０μｍが得られ、２０〜３０μｍの範囲内の微細粒子寸法も 容易に得られる。この値は、公知の攪拌キャストレオキャスティング（ｓｔｉｒ 　ｃａｓｔ　ｒｈｅｏｃａｓｔｉｎｇ　）プロセスにより一般に達成されている もの（第５図において約１３０μｍで、その粒子も本発明に比して丸みが奢るし く劣っている）よりも、著るしく小さい。第３図および第４図に示す粒子は、粒 度分布におけるバラツキがより少ない。

本発明の方法により達成される微細な粒子寸法は、熱処理および鍛造製品の機械 的性質に大きな影響を及ぼし得る。微細な構造により、非平衡二次相析出物（ｎ ｏｎｅｑｕｉｌｌｂｒｉｕｍ　５ｅｃｏｎｄ　ｐｈａｓｅ　ｐｒｅｃｉｐｉｔａ ｔｅｓ　）がマトリックスに溶解すること（固溶化）を可能ならしめ、且つマト リックスのホモジナイゼイションがより完全に達成される。引続く合金のエイジ ングにより、微細な均一に分布する析出物の形成が誘発され、これらの微小構造 は、良好な機械的性質を有するものと期待されている。

粒子寸法は、初期の融解が開始されるまでは、グレイン寸法の関数である。グレ イン寸法は、再結晶に先立、つ合金の不十分な変形のためか、或いはグレインの 成長があまりにも急激なので、大きなグレインが形成されるかのいずれかのため に、粗大であることがある。確かに理想的な状況およびそれ故に微細な粒子のス ラリーを製造するためにより好ましい方法は、再結晶後に、即ち、予め冷間で又 は温間で変形された材料の急速な再加熱後に、出来るだけ急速に最初の融解が生 じることである。

第６図は、４４０Ｃステンレススチールに適用された本発明の結果を示す。グレ イン寸法がより粗い点を除けば、第３図に示す結果に類似していることが明らか である。

本発明による方法は、第８図に図式的に示されたプロセスのプロフィルにより明 らかにされている。この場合の材料は、温熱押出しにより変形されている。この 図面から、本発明プロセスでは、再結晶温度未満での変形、および再結晶温度を 経て固相線の直ぐ上の温度までの引続く加熱が必要とされるのみで、その結果所 望のチキソトロピック性材料が得られている。

チキソトロピック性材料材料の流動特性は、より弱いダイ用材料の使用が可能で あることが見出されたことを意味する。例えば、クラファイト製のダイか機械加 工により製造され、また“ショウ”プロセスと称される成形方法により成るパタ ーンからセラミック製のダイか作られた。チキソトロピック性のスラリーがまだ 流動状態にある間に発生したフープ応力を支持するために、両方のダイか金属キ ャスティング内に組み込まれた。グラファイト製のダイス内でアルミニウム合金 のチキソトロピック性スラリーおよび高速度工具鋼のチキソトロピック性スラリ ーから得られた鍛造品は、優れた再現性を示し、また成形セラミック製のダイ内 へのアルミニウムスラリーのチキン鍛造も、成功した。

比較的弱い非金属製のダイスの使用は、伝統的な技術からの大きな進歩である。

何故ならば、広く知られた方法とは言い難いチキソ鍛造についての全ての研究に は、５０トンを超える荷重を発生させ得る公知の水圧鍛造プレスにおいて公知の 金型ｍ（非常に高価である）が使用されてきたからである。鍛造時に発生する圧 力は、常法による鍛造におけると同様に１００ＭＰａ程度またはそれ以上であり 、この様な条件下には機械的に強いダイスが恐らく必須であろう。しかしながら 、金属製のダイスの場合には、ダイス内への完全な充填（および早すぎる凝固を 防止）を達成するために、ダイスを予備加熱しなければならない。

チキソトロピック性金属スラリーをダイ内に流入させるためには、その様な高圧 を必要としないとの初めての観察の結果、本発明者は、最大荷重が僅か２．５ト ンであり、本発明者の使用する試料に対して最終圧力１０ＭＰａを発生させ得る 空気プレスを使用することにした。

しかしながら、金属製のダイ内てのスラリーの早すぎる“凍結’　（ｆｒｅｅｚ ｉｎｇ）のために、完全な充填および良好な表面の複製が困難であった。そこで 、本発明者は、公知の鍛造技術からさらに離れて、非金属製のダイスを使用する ことにした。これは、非金属製のダイの場合には、チキソトロピック性スラリー からの熱移動がより緩やかとなり、ダイへの充填がより良好となるからである。

従って、空気プレス装置の採用に伴う低い圧力の故に、機械的にはより弱いが、 絶縁性により優れたダイスの使用が可能となった。

本発明によりダイ内でスラリーをチキン鍛造して得られたチキソ鍛造品の一例を 第７図に示す。このものは、再結晶化され且つ部分融解されたアルミニウム−６ ％シリコン合金のスラリーを使用して、最終圧力１２ＭＰａでグラファイト製の ダイ内へ鋳造することにより、形成された。ダイへの充填および複製品の品質が 、極めて良好であることが明らかである。

本発明によるチキンキャスティングの利点を公知のダイ　キャスティングと比較 して示せば、例えば以下の通りである： １、ダイ　キャスティングのための準備に際し、レオキャスト　ビレットの形態 の合金を所定重量の“スラグに分割することが出来るので、材料の無駄を回避す ることができる； ２、再加熱を行なって柔らかなチキソトロピック状態とした場合にも、スラグを 固体として取り扱うことが出来る； ３、ダイ　キャスティング中のチキソトロピック性スラリーの高い粘性の故に、 乱流が発生せず、従って、製品中の粗大なボイドとしての空気巻込みが防止され る。その結果、キャスティングの不良率が低下する。さらに、キャスト製品は、 歪み乃至変形を伴なうこと無く、固溶化熱処理することが出来るので、熱処理を 行うことにより、従来法によるダイキャスト製品に比して、機械的性質を改善す ることができる； ４、ダイ内での固化のために除去すべき熱量が減少するので、生産効率が改善さ れる； ５、ダイに対する熱衝撃が低下するので、ダイの寿命が延長され、またアルミニ ウムブロンズ、ステンレススチール、工具鋼などの高融点合金をダイ　キャステ ィングに使用することが可能となった。

６、せき（ｗｅｉｒｓ　）或いはオーバーフローが不要となり、また流動システ ムが短縮されるなどの点で、ダイスのデザインが簡略化されるので、材料の無駄 が減少する；７、加熱費用が３０％削減されるものと予測される。

かくして、本発明方法によれば、無駄の減少およびエネルギー必要量の低下によ り、より安価な製品が得られる。さらに、チキソキャスティング製品の内部には 欠陥が少ないので、不合格品が減少し、若し熱処理プログラムが行なわれるなら ば、機械的性質も改善される。

本発明によるチキソ鍛造の利点を公知の密封形式のダイによる鍛造と比較して示 せば、例えば以下の通りである： １、密封形式のダイによる鍛造は、最終製品を製造するための一連の鍛造操作に おいて極めて高い圧力で作動するプレスの使用を伴なうのに対し、本発明による チキン鍛造は、低い圧力で且つ単一の操作で行なわれる。従って、生産効率は、 非常に高く、資本コストは、低い；２、本発明において可能となった低作業圧力 は、高価なダイスへの損傷を減少させて、その寿命を延長させるか、またはより 安価な材料が使用できることを意味する。さらに、鍛造がより正確となり、寸法 精度がより改善され、その結果、仕上げコスト（機械加工コスト）が減少し若し くは不要となることを意味する； ３、過去において鍛造成いは押出し不可能であった合金（ある種のステンレスス チールおよび高速度工具Ｍ）も、密封したダイス間でのチキソ鍛造（およびチキ ン押出し）に供し得る。

従って、本発明により得られるチキソトロピック性材料をチキン鍛造する場合の 低い圧力は、資本コストを軽減し、またチキン鍛造品の改善された寸法精度は、 仕上げコストを減少させる。

ＦＩＧ、　ＩＡ。

ＦＩＧ、ＩＢ。

ＦＩＧ、２゜ ＦＩＧ、７ 娶 ＡＭＮＥＸ　Ｔｏ　よＫＥ　ＩＮＴＥＲＮＡＴ工０ＮＡＬ　５ＥＡＲＣＨＲＥＰ ＯＲＴ　ＯＮ！ＮＴＥＲＮＡＴ！０ＮＡＬＡｊ’ＰＬＺＣＡＴＩＯＮＮＯ，ＰＣ Ｔ／ＧＢ８７１００３２１（ＳＡ　１７１２４）

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．完全に固化した金属または金属合金材料をその再結晶温度未満の温度で変形 する工程、該材料の微小構造の再結晶を起こさせるために変形材料を加熱する工 程、および該材料の温度をその固相線温度を上回る温度に上昇させることにより チキントロピック的な挙動を呈する液状マトリックス中に独立した粒子を形成さ せるために、再結晶構造を部分的に融解させる工程を備えたことを特徴とするチ キントロピック性材料を製造する方法。
2. ２．変形工程が、冷間または温熱加工である請求の範囲第１項に記載の方法。
3. ３．加工が、押出しまたは圧延である請求の範囲第２項に記載の方法。
4. ４．再結晶化工程および部分融解工程が、同一の加熱操作において連続的に起こ る請求の範囲第１項乃至第３項のいずれかに記載の方法。
5. ５．完全に凝固した材料が再結晶化に必要な歪みを与えるために押出し加工され ；変形された材料がその再結晶温度を上回る温度に加熱されて新たな小さなグレ ーンが形成され；加熱が固相線の直ぐ上まで継続されて部分融解が起こり、その 結果、液相中で固体グレーンが断片化されて球体となり、チキントロピック性材 料が得られる請求の範囲第１項に記載の方法。
6. ６．非金属材料製の本体からなるチキントロピック性材料成形用ダイ。
7. ７．本体が、機械的により強度の高いシェル内に組込まれたライナーからなる請 求の範囲第６項に記載のダイ。
8. ８．本体の材料が、グラファイト、成形セラミック材料および機械加工可能なセ ラミック材料から選択される請求の範囲第６項または第７項に記載のダイ。
9. ９．金属製品または金属合金製品の製造方法であって、（ａ）その固相線以上で チキントロピック的に挙動する材料を製造する工程；および （ｂ）非金属材料製の本体からなるダイを使用して、その固相線以上でキャステ ィング、鍛造または押出しを行う工程 を備えたことを特徴とする方法。
10. １０．工程（ａ）が、 （ｃ）完全に凝固した金属または金属合金材料をその再結晶温度を下回る温度で 変形し、 （ｄ）変形した材料を加熱して、材料の微小構造の再結晶化を行なわせ、そして （ｅ）材料の温度を固相線温度よりも高くして、再結晶した構造を部分的に融解 させ、チキントロピック的な挙動を示す液体マトリックス中に独立した粒子を形 成させる 工程からなる請求の範囲第９項に記載の方法。
11. １１．工程（ｂ）が、材料がその加熱温度に保持されている間に行なわれる請求 の範囲第９項または第１０項に記載の方法。
12. １２．材料が、１０乃至１２ＭＰａのオーダーの最終圧力を与える低い荷重下に 成形される請求の範囲第９項、第１０項または第１１項に記載の方法。