KR20140129317A

KR20140129317A - 단조 방법 및 단조용 금형

Info

Publication number: KR20140129317A
Application number: KR1020147027162A
Authority: KR
Inventors: 히로미 미우라; 나오쿠니 무라마츠
Original assignee: 엔지케이 인슐레이터 엘티디; 국립대학법인 전기통신대학
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2013-03-14
Publication date: 2014-11-06
Also published as: CN104245180A; US9586256B2; JP6108558B2; US20140366604A1; EP2832470A1; CN104245180B; KR101650263B1; JPWO2013146309A1; WO2013146309A1; EP2832470A4; EP2832470B1

Abstract

본 발명의 단조 방법은, 직사각형의 개구부를 가지며, 직사각형 형상의 평면인 벽부에 의해 형성되고, 공작물을 넣는 공작물 공간(45)이 형성된 단조용 금형(20)의 상기 공작물 공간(45)에, 직사각형 형상의 6면체인 제1 형상의 공작물(W)을 배치하는 배치 공정과, 배치된 공작물(W)을 직사각형 형상의 6면체인 제2 형상으로 변형시킴으로써 공작물에 소성 스트레인을 가하는 가공 공정을 포함하고, 배치 공정과 가공 공정을 2회 이상 행하는 것을 특징으로 한다. 예컨대, 단조용 금형의 공작물 공간에서 공작물을 가압 변형시키기 때문에, 형상 안정성을 보다 확보할 수 있다. 또한, 단조용 금형(20)은, 복수의 금형 부품이 외부 금형의 내주에 끼워진 구조를 갖기 때문에, 예컨대, 공작물(W)의 가압시에 내부 금형(50)에 가해지는 응력을 복수의 금형 부품에 의해 외주측으로 보다 균등하게 분산시킬 수 있어, 금형의 파괴 등을 보다 억제할 수 있다.

Description

단조 방법 및 단조용 금형{FORGING METHOD AND MOLD FOR FORGING}

본 발명은, 단조 방법 및 단조용 금형에 관한 것이다.

종래, 단조 방법으로서는, 구리 베릴륨 합금으로 이루어지는 직육면체의 벌크체를, 서로 직교하는 X, Y, Z축으로부터 가압 변형시켜, 소성 스트레인을 가하는 것이 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조). 이 방법에 따르면, 소성 스트레인을 가함으로써, 표면으로부터 내부까지 균일한 경도를 유지하여, 가공 스트레인이 발생하기 어려운 벌크체를 제공할 수 있다.

특허문헌 1: WO2009/119237호 공보

그러나, 이 특허문헌 1에 기재된 단조 방법에서는, X, Y, Z축으로부터 가압 변형시키는 공정을 반복해서 행하기 때문에, 예컨대, 생산 효율을 고려하여 가공 속도를 올리는 등의 경우에, 이 반복되는 동안에, 벌크체의 직육면체의 형상이 변형해 버린다고 하는 과제가 있었다. 이와 같이, 공작물의 단조 처리를 보다 효율적으로 실행하는 것이 요구되고 있었다.

본 발명은, 이러한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 공작물의 단조 처리를 보다 효율적으로 실행할 수 있는 단조 방법 및 단조용 금형을 제공하는 것을 주목적으로 한다.

즉, 본 발명의 단조 방법은,

직사각형의 개구부를 갖고 직사각형 형상의 평면인 벽부에 의해 형성되고, 공작물을 넣는 공작물 공간이 형성된 단조용 금형의 상기 공작물 공간에, 직사각형 형상의 6면체인 제1 형상의 공작물을 배치하는 배치 공정과,

상기 배치된 공작물을 직사각형 형상의 6면체인 제2 형상으로 변형시킴으로써 상기 공작물에 소성 스트레인을 가하는 가공 공정을 포함하고,

상기 배치 공정과 상기 가공 공정을 2회 이상 행하는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명의 단조용 금형은,

직사각형 형상의 6면체인 제1 형상의 공작물로부터 직사각형 형상의 6면체인 제2 형상의 공작물로 변형시킴으로써 상기 공작물에 소성 스트레인을 가하는 단조 방법에 이용되는 단조용 금형으로서,

원형의 개구부를 가지며 이 원의 내주면이 형성된 외부 금형과,

조합된 복수의 금형 부품이 상기 외부 금형의 내주에 끼워진 상태에서, 직사각형의 개구부를 가지며 직사각형 형상의 평면인 벽부에 의해, 상기 공작물을 넣는 공작물 공간이 형성되는 내부 금형을 구비한 것이다.

본 발명에서는, 공작물의 단조 처리를 보다 효율적으로 실행할 수 있다. 이 이유는, 예컨대, 단조용 금형의 공작물 공간에서 공작물을 가압 변형시키기 때문에, 형상 안정성을 보다 확보할 수 있기 때문이다. 또한, 단조용 금형은, 복수의 금형 부품이 외부 금형의 내주에 끼워진 구조를 갖기 때문에, 예컨대, 공작물의 가압시에 내부 금형에 가해지는 응력을 복수의 금형 부품에 의해 외주측으로 보다 균등하게 분산시킬 수 있어, 금형의 파괴 등을 보다 억제할 수 있다. 이 때문에, 예컨대, 금형의 교환 등을 보다 억제 가능하고, 나아가서는, 공작물의 단조 처리를 보다 효율적으로 실행할 수 있는 것이다.

도 1은 단조용 금형(20)의 일례를 도시하는 분해 사시도이다.
도 2는 단조용 금형(20)의 평면도 및 단면도이다.
도 3은 단조용 금형(20)의 사시도 및 금형 유닛(40)의 분해 사시도이다.
도 4는 단조 방법의 일례를 도시하는 설명도이다.
도 5는 공작물 공간(45)과 공작물(W) 간의 체적비의 설명도이다.
도 6은 단조 방법에 의한 공작물 조직의 변화의 설명도이다.
도 7은 단조용 금형(20B)의 평면도 및 단면도이다.
도 8은 단조용 금형(20B)의 사시도이다.
도 9는 단조용 금형(20C)의 평면도 및 단면도이다.
도 10은 단조용 금형(20C)의 사시도이다.
도 11은 단조용 금형(20D)의 평면도 및 단면도이다.
도 12는 부상 기구(60)를 구비한 단조용 금형(20E)의 설명도이다.
도 13은 부상 기구(70)를 구비한 단조용 금형(20F)의 설명도이다.
도 14는 구리 합금 벌크체의 조직의 확대 사진이다.
도 15는 구리 합금 벌크체의 초음파 심상 시험의 측정 결과이다.
도 16은 자유 단조를 행한 샘플의 외관 사진이다.
도 17은 단조용 금형을 이용한 샘플의 외관 사진이다.

다음으로, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 한편, 이하의 도면의 기재에서는, 동일 또는 유사한 부분에는 동일 또는 유사한 부호를 붙이고 있다. 또한, 이하에 나타내는 실시형태는, 본 발명의 기술적 사상을 구체화하기 위한 장치나 방법을 예시하는 것이며, 본 발명의 기술적 사상은, 구성 부품의 구조, 배치 등을 하기의 것에 한정하는 것은 아니다. 먼저, 본 발명의 단조 방법에 이용하는 단조용 금형(20)부터 설명한다. 도 1은, 단조용 금형(20)의 일례를 도시하는 분해 사시도이고, 도 2는, 단조용 금형(20)의 평면도 및 단면도이며, 도 3은, 단조용 금형(20)의 사시도 및 금형 유닛(40)의 분해 사시도이다. 단조용 금형(20)은, 직사각형 형상의 6면체인 제1 형상의 공작물로부터 직사각형 형상의 6면체인 제2 형상의 공작물로 변형시킴으로써 상기 공작물에 소성 스트레인을 가하는 단조 방법에 이용되는 것이다. 이 단조용 금형(20)은, 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 공작물(W)을 상방으로부터 가압 변형시키는 상부 금형(21)과, 직육면체의 공간인 공작물 공간(45)에 공작물(W)을 격납하는 하부 금형(30)을 구비하고 있다.

상부 금형(21)은, 도시하지 않은 냉간 단조용 프레스 장치의 슬라이드 녹아웃 빔(slide knock-out beam)에 고정되고 상하 방향으로 이동하여 하부 금형(30)에 배치된 공작물(W)을 상형 압자(壓子; indenter)(22)에 의해 압박하는 부재이다. 이 상부 금형(21)은 원반 형상의 부재의 하면에 공작물(W)을 가압 변형시키는 상형 압자(22)가 설치되어 있다. 이 상형 압자(22)는, 선단이 직사각형 형상의 평면을 갖는 각기둥 형상으로 형성되어 있다.

위치맞춤 지그(28)는 상형 압자(22)와 공작물 공간(45)의 위치맞춤에 이용되는 지그이다. 이 위치맞춤 지그(28)는 금형 유닛(40)의 상부에 배치하여 사용된다.

하부 금형(30)은 원반 형상의 부재이며, 도시하지 않은 냉간 단조용 프레스 장치의 보텀 녹아웃 빔(bottom knock-out beam)에 고정되는 부재이다. 이 하부 금형(30)은, 대좌(臺座)가 되는 제1 하부 금형(31)과, 제1 하부 금형(31)의 상방에 고정되는 제2 하부 금형(36)과, 공작물 공간(45)의 저면을 형성하는 슬라이드 가능한 슬라이드 대좌(35)와, 공작물 공간(45)이 형성되며 제1 하부 금형(31)과 제2 하부 금형(36) 사이에 끼워져 하부 금형(30) 내에 고정되는 금형 유닛(40)을 구비하고 있다.

제1 하부 금형(31)은 원반 형상의 부재이며, 그 상면에는 판 형상의 슬라이드 대좌(35)를 슬라이드 가능하게 삽입하는 슬라이드홈(32)이 원반의 중앙부로부터 외주까지 형성되어 있다. 또한, 원반의 중앙에는, 금형 유닛(40)에 형성된 공작물 공간(45)에 연통(連通)되는 연통 공간(33)이 형성되어 있다. 즉, 이 하부 금형(30)에서는, 슬라이드 대좌(35)를 슬라이드시키면, 공작물 공간(45)과 연통 공간(33)이 연통되고, 공작물 공간(45)이 외부로 연통되도록 구성되어 있다. 따라서, 하부 금형(30)에서는, 슬라이드 대좌(35)를 슬라이드시키면, 공작물 공간(45)으로부터 공작물(W)을 이 연통 공간(33)으로 이동시킬 수 있다. 슬라이드 대좌(35)는 공작물 공간(45)의 저면을 형성하고 공작물(W)이 배치되는 부재이다. 이 슬라이드 대좌(35)는 공작물(W)에 대한 단조 처리에서의 압박력에 견딜 수 있는 강도를 갖고 있다. 제2 하부 금형(36)은 제1 하부 금형(31)과 동일한 직경을 갖는 원반 형상의 부재이며, 그 중앙에는 원형의 개구를 갖고 금형 유닛(40)을 장착하는 장착 공간(37)이 형성되어 있다. 제1 하부 금형(31)과 제2 하부 금형(36)은 도시하지 않은 볼트에 의해 강고히 고정된다. 한편, 제1 하부 금형(31)에는 연통 공간(33)과 외부와 연통되는 관통 구멍(34)이 형성되어 있다(도 2 참조).

금형 유닛(40)은, 도 3에 도시하는 바와 같이, 원형의 개구부를 가지며 이 원의 내주면(42)이 형성된 외부 금형(41)과, 조합된 복수의 금형 부품이 외부 금형(41)의 내주에 끼워진 상태에서 공작물 공간(45)이 형성되는 내부 금형(50)을 구비하고 있다. 이 금형 유닛(40)에서는, 가열한 외부 금형(41)의 내주에 내부 금형(50)을 세팅하고 냉각함으로써, 내부 금형(50)이 외부 금형(41)의 내측에 수축 끼워맞춤(shrinkage fit)되어 있다. 외부 금형(41)은 내주면(42)이 형성된 링 형상의 부재이고 그 내부에 내부 금형(50)이 끼워진다. 외부 금형(41)은 그 외주에 단차가 형성되어 있고, 이 단차가 제2 하부 금형(36)의 내주에 걸림으로써, 장착 공간(37)에서 고정된다. 내부 금형(50)은 외형이 단차가 있는 원반 형상의 외형을 가지며, 공작물 공간(45)의 2면에 의해 형성되는 모서리부(46)에서 각각이 분리되는 복수의 부재를 구비하고, 그 중심에 직사각형의 개구부를 갖는 공작물 공간(45)이 형성된 부재이다. 이 내부 금형(50)은, 2개의 제1 금형 부재(51)와, 2개의 제2 금형 부재(55)에 의해 구성되어 있다. 제1 금형 부재(51)는 내부 금형(50)의 중심측에 직사각형 형상의 평면인 벽부(54)를 가지며, 그 양단에 볼록부(52)가 형성되어 있고 측면인 접속면(53)에서 제2 금형 부재(55)와 접속한다. 제2 금형 부재(55)는 그 중앙측에 2개의 오목부(56)가 형성되어 있고, 오목부(56)로 구획된 외측이 제1 금형 부재(51)와 접촉하는 접속면(57)이며 내측이 직사각형 형상의 평면인 벽부(58)로 되어 있다. 이 내부 금형(50)에서는, 볼록부(52)와 오목부(56)가 끼워짐으로써, 원반 형상의 부재가 되며, 제1 금형 부재(51) 및 제2 금형 부재(55)의 이동이 규제된다. 또한, 내부 금형(50)에서는, 접속면(53)에 직교하는 직사각형 형상의 평면인 제1 금형 부재(51)의 벽부(54)와, 접속면(57)과 평행한 직사각형 형상의 평면인 제2 금형 부재(55)의 벽부(58)에 의해 공작물 공간(45)이 형성되어 있다. 또한, 이 내부 금형(50)은, 복수의 제1 금형 부재(51) 및 제2 금형 부재(55)를 접속면(53)와 접속면(57)에서 조합하면, 공작물 공간(45)의 모서리부(46)가 형성되도록 구성되어 있다.

공작물(W)은, 예컨대, 구리 합금으로 할 수 있다. 공작물(W)에는, Be 및 Cu를 포함하는 합금 외에, 이와 마찬가지로 가공 경화성이 높고 고강도가 되는 Ni, Sn 및 Cu를 포함하는 구리 합금, Ti, Fe 및 Cu를 포함하는 구리 합금, Ni, Si 및 Cu를 포함하는 구리 합금 등을 채용해도 좋다. 즉, 구리 합금으로서는, 예컨대, CuBeCo, CuBeNi, CuNiSn, CuTiFe 등을 들 수 있고, 이 중 CuBeCo, CuBeNi 등이 보다 바람직하다. 이들 합금은, 상세한 것은 후술하지만, 원소나 조성의 선택 범위에 따라 균질화 처리 공정, 고용화(固溶化) 처리 공정 및 시효 경화 처리 공정의 온도나 시간 등이 각각 상이한 경우가 있으나, 본 발명의 단조 처리 공정을 실행할 수 있다. 또는, 고순도의 구리(예컨대 4N-Cu)를 공작물(W)로 해도 좋다. 또한 구리 합금 이외에서는, 예컨대, 공작물(W)로서, 마그네슘 합금(AZ31; Mg-Al-Zn-Mn계 합금 등)이나, 철강재(Fe-20Cr이나 SUS304 등), 알루미늄 합금(7475Al; Al-Zn-Mg-Cu계 합금 등) 등을 이용하는 것으로 해도 좋다.

이와 같이 구성된 단조용 금형(20)에서는, 복수의 금형 부품이 외부 금형(41)의 내주에 끼워진 구조를 갖기 때문에, 예컨대, 공작물(W)의 가압시에 내부 금형(50)에 가해지는 응력을 복수의 금형 부품에 의해 외주측으로 보다 균등하게 분산시킬 수 있어, 금형의 파괴 등을 보다 억제할 수 있다. 또한, 내부 금형(50)은, 공작물 공간(45)의 2면으로 형성되는 모서리부(46)에서 각각이 분리되는 복수의 금형 부품에 의해 형성되어 있기 때문에, 응력이 가해지는 공작물 공간(45)의 모서리부(46)에서 금형의 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 슬라이드 대좌(35)를 슬라이드시키면 공작물 공간(45)으로부터 외부로 연통되는 공간이 형성되기 때문에, 연통 공간(33)으로부터 가공 후의 공작물(W)을 취출하기 쉽다.

다음으로, 본 발명의 단조 방법에 대해서 설명한다. 본 발명의 단조 방법은, 예컨대, 구리 베릴륨계 합금의 제조 처리에 적용할 수 있다. 이하, 구리 베릴륨계 합금의 제조 방법을 구체예로서 설명한다. 본 실시형태의 제조 방법에서는, (1) 균질화 처리 공정과, (2) 고용화 처리 공정과, (3) 냉각 처리 공정과, (4) 본 발명의 단조 방법인 단조 처리 공정과, (5) 시효 경화 처리 공정을 포함하는 것으로 해도 좋다.

(1) 균질화 처리 공정

이 공정에서는, Cu의 매트릭스 중에 Be(또는 Be 화합물)를 고용시켜, 결정 입자에 전위가 발생하고 있지 않은 구리 합금을 생성하는 처리를 행한다. 구체적으로는, Cu_100-(a+b)Be_aCo_b(0.4%≤a≤2.0%, 0.15%≤b≤2.8%, a+b≤3.5%)의 질량비, 또는 Cu_100-(c+d)Be_cNi_d(0.05%≤c≤0.6%, 1.0%≤d≤2.4%, c+d≤3.0%)의 질량비로 구성된 구리 합금을 고주파 용해로에서 용해하여, 주괴(鑄塊; ingot)를 제작한다. 이때, 불순물이 되는 Fe, S, P를 질량비로 0.01% 미만으로 제한하는 것이 바람직하다. 얻어진 주괴를, 고용 온도 영역(700℃∼1000℃의 범위 내)에서 소정의 유지 시간(1시간∼24시간)에 걸쳐 가열 유지함으로써, 주조시에 비평형적으로 생성되는 편석 등의 후속 공정에 악영향을 끼치는 불균일한 조직을 제거하여 균질화한다. 다음으로, 얻어진 주괴를, 원하는 크기의 직육면체 형상의 구리 합금(벌크체)으로 가공한다. 구리 합금의 표면에 형성된 산화 피막은 절삭에 의해 제거해도 좋다. 벌크체는, 서로 직교하는 3개의 축(X, Y, Z축) 방향을 따라 연장되는 변을 갖는 직육면체로 해도 좋다. 이 벌크체는, 각 변(X변, Y변, Z 변)의 길이의 비를, x:y:z(단, x<y<z, 1.03x≤y≤1.49x, 1.06x≤z≤2.22x, z=(y/x)²x를 만족시킴)로 하는 직육면체 형상인 것이 바람직하다(후술하는 도 5를 참조). 또한, 이때, 1.10x≤y≤1.20x, 1.21x≤z≤1.44x를 만족시키는 직육면체 형상으로 하는 것이 보다 바람직하다.

(2) 고용화 처리 공정

이 공정에서는, 균질화 처리에 의해 얻어진 벌크체를, 고용 온도 영역(700℃∼1000℃의 범위 내)에서 소정의 고용 유지 시간(1시간∼24시간)에 걸쳐 가열 유지하고, Cu의 매트릭스 중에 Be(또는 Be 화합물)를 고용시키는 처리를 행한다. 고용화 처리 공정 후, 이 벌크체에 대하여, 과시효(過時效) 온도 영역(550℃∼650℃의 범위 내)에서 소정의 시간(2시간∼6시간) 유지하는 과시효 처리를 행하는 것으로 해도 좋다. 이렇게 하면, 그 후의 각 제조 공정에 있어서 악영향을 끼치지 않을 정도의 크기(예컨대 평균 입경 1 ㎛ 정도)까지 구리 합금의 석출 입자를 성장시킬 수 있다고 생각된다. 한편, 고용화 처리와 과시효 처리는, 각각 독립(불연속)적으로 처리해도 좋고, 연속적으로 처리해도 좋다. 이 과시효 처리에 의해, 적절히 석출된 입자가 알맞게 작용하여 내부까지 효율적으로 균일하게 변형하는 효과를 얻을 수 있다. 이에 따라 복수의 결정 입자를 횡단하는 전단대(剪斷帶) 조직의 생성이 억제되어 균열이나 파괴 등이 발생하는 일이 없기 때문에, 표면으로부터 내부까지 균일한 경도를 유지할 수 있고, 피로 수명이 우수하며, 가공 스트레인이 발생하기 어려운 구리 베릴륨 벌크체를 얻을 수 있다.

(3) 냉각 처리 공정

이 공정에서는, 고용화 처리를 행한 벌크체를, 수냉, 공냉, 또는 방냉에 의해, 구리 합금의 표면 온도가 예컨대 20℃ 이하가 되도록 냉각한다. 냉각 속도는 벌크체의 크기에 따라 상이하지만, -100℃/s 이상(바람직하게는 -200℃/s 이상)으로 하는 것이 바람직하다.

(4) 단조 처리 공정

이 공정에서는, 냉각 후의 벌크체를 공작물(W)로 하여, 냉각 방열하면서 직육면체의 서로 직교하는 X축, Y축, Z축 방향으로부터 단조하는 처리를 행한다. 이 단조 처리 공정에서는, 예컨대 단조용 금형(20)의 공작물 공간(45)에 직사각형 형상의 6면체(직육면체)인 제1 형상의 공작물(W)을 배치하는 배치 공정과, 배치된 공작물을 직사각형 형상의 6면체인 제2 형상으로 변형시킴으로써 공작물(W)에 소성 스트레인을 가하는 가공 공정을 포함하고, 배치 공정과 가공 공정을 2회 이상 행하는 것으로 한다. 도 4는 본 발명의 단조 방법의 일례를 도시하는 설명도로서, 도 4의 (a)가 배치 공정, 도 4의 (b)가 가공 공정, 도 4의 (c)가 타출(打出) 공정, 도 4의 (d)가 취출 공정의 설명도이다. 도 5는 본 발명의 단조 방법에 의한 공작물 조직의 변화의 설명도이다. 이 단조 처리 공정에서는, 공작물(W)을 공작물 공간(45)에 넣고, 가압 변형시키며, 타출하여 취출하는 처리를 반복해서 행하는 것이다. 한편, 단조용 금형(20)의 사용시에는, 공작물(W)의 표면이나 공작물 공간(45)을 형성하는 벽부(54, 58) 등에 윤활제를 이용하는 것이 바람직하다. 즉, 공작물(W)과 단조용 금형(20) 사이에 윤활제가 개재하도록 단조 처리를 행하는 것으로 해도 좋다. 윤활제로서는, 예컨대, 젤체(금속 비누 등), 분말(MoS₂, 흑연 등), 액체(광유 등)를 이용할 수 있다.

배치 공정[도 4의 (a)]에서는, 공작물(W)의 체적에 대한 공작물 공간(45)의 체적의 비인 체적비가 소정의 관계가 되는 공작물(W)을 이용한다. 예컨대, 이 체적비가 1.20 이상 3.50 이하의 범위로 되는 공작물(W) 및 공작물 공간(45)으로 하는 것이 바람직하고, 1.22 이상 2.20 이하의 범위가 보다 바람직하다. 또한, 이 공작물 공간(45)과 공작물(W) 간의 체적비가 공작물(W)의 각 변(X변, Y변, Z변)의 길이의 비를 x:y:z로 했을 때, (y/x)×(z/y)×z(1+α)/z;(단, x<y<z이고, 0<α≤0.5)를 만족시키는 것으로 하며, 상형 압자(22)를 공작물(W)의 상면으로부터 (z-x)의 양을 압입하는 가압량으로 하는 것이 바람직하다. 즉, 공작물(W)의 각 변(X변, Y변, Z변)의 길이의 비를, x:y:z(단, x<y<z)의 직육면체 형상으로 했을 때, 공작물 공간(45)은, y:z:z(1+α)의 직육면체 형상으로 하는 것이 바람직하다. 이때, 공작물(W)은, 각 변(X변, Y변, Z변)의 길이의 비 x:y:z가, 1.10x≤y≤1.20x, 1.21x≤z≤1.44x, z=(y/x)²x를 만족시키는 직육면체 형상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, α는 상부면 계수라고도 칭한다. 여기서, 「(z-x)의 양을 압입한다」란, (z-x)에 소정의 마진량을 가미한 양을 압입하는 것을 포함하는 것으로 한다. 예컨대, 재료의 열팽창, 장치 전체의 강성, 금형의 치수 공차 등에 의해, 설정값보다 실제의 압입량이 작아지는 경우가 있다. 여기서는, 상형 압자(22)를 공작물(W)의 상면으로부터 {z-x·β}의 양을 압입하는 것을 포함하는 것으로 한다. 이 보정 계수 β는, 기계 톨러런스(tolerance)의 보정 계수이며, 열팽창분에 의한 압입량의 변동값, 장치 전체의 강성(탄성 변형)분의 변동값, 금형 등의 치수 공차를 포함하는 것으로 하고, 예컨대, 1.0±0.05로 해도 좋다. 이 보정 계수 β의 0.05라고 하는 값은, 강재(鋼材)의 열팽창 계수가 약 12×10^-6/℃이고, 100℃ 상승하면 0.12% 선팽창하기 때문에, 팽창률의 50배로서 경험적으로 구한 값이다. 또한, 공작물(W)의 탄성 변형분의 되돌아감(스프링백)에 의해, 설정값보다 실제의 압입량이 작아지는 경우도 있다. 예컨대, 스프링재로서 이용하는 공작물(W) 등에서는, 상기 보정 계수는 1.0±0.05보다도 커지는 경우가 있기 때문에, 이 보정 계수는 이용하는 재료에 따라 적절하게 설정하는 것으로 하면 된다. 도 5는 공작물 공간(45)과 공작물(W) 간의 체적비의 설명도로서, 도 5의 (a)가 공작물 공간(45)에 공작물(W)을 넣은 상면도이고, 도 5의 (b)가 A-A 단면도이며 도 5의 (c)가 공작물(W)의 사시도이다. 이 체적비와 가압량을 채용함으로써 1회의 처리량을 자동적으로 결정할 수 있고, 처리 후에 처리 전과 동일한 각 변의 길이의 비가 재현되기 때문에, 반복 처리하기 위한 효율이 좋아진다. 이 체적비와 가압량의 범위와의 조합에 의해, 보다 효율적으로 공작물(W)에 소성 스트레인을 가할 수 있다. 또한, 배치 공정에서는, 공작물 공간(45)의 측벽부의 임의의 2면과 접촉한 상태로 공작물(W)을 배치하는 것이 바람직하다. 여기서는, 공작물(W)을 얹어놓는 슬라이드 대좌(35)의 상면과, 벽부(54) 및 벽부(58)의 3면을 따르도록 공작물(W)을 배치하는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 가공 공정에서 공작물(W)의 위치 어긋남을 억제 가능하기 때문에, 보다 효율적으로 공작물(W)에 소성 스트레인을 가할 수 있다.

가공 공정[도 4의 (b)]에서는, 충분한 압박력을 가지고 공작물(W)을 공작물 공간(45) 내에서 변형시킨다. 가공 공정에서는, 직육면체의 서로 직교하는 X축, Y축, Z축 방향으로부터 각각 단조한다. 단조의 순서는, 공작물(W)이 갖는 변 중, 가장 긴 변에 대응하는 축 방향으로부터 순서대로 압력을 가하는 것이 바람직하다. 예컨대, 도 6에 도시하는 바와 같이, 공작물(W)의 X축, Y축, Z축의 순으로 가공 공정을 실행하는 경우에 대해서 설명한다. 이 가공 공정에서는, 가압시의 공작물(W)의 표면 온도는, 120℃ 이하(보다 바람직하게는 20℃∼100℃의 범위 내)를 유지하도록 하는 것이 바람직하다. 표면 온도가 120℃를 초과하면, 복수의 결정 입자를 횡단하는 전단대 조직이 발생하기 쉬워지기 때문에 균열이나 파괴 등이 발생하여, 가공 전의 형상을 유지할 수 없게 되어, 바람직하지 않다. 가압 압력은 1200 ㎫ 이하로 하는 것이 바람직하다. 가압 압력이 1200 ㎫ 이하에서는, 구리 합금에 복수의 결정 입자를 횡단하는 전단대 조직이 발생하는 것을 보다 억제 가능하다. 가공 처리의 1회분의 압하량(壓下量)(가공률%)은, 18% 이상 33% 미만의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 또한, 공작물(W)에 가해지는 소성 스트레인의 양(스트레인량; ε)은, 0.2 이상 0.36 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 한편, 「압하량」이란, 가공 변형량을 원래의 높이로 나눈 비율(가공률)이며, 스트레인량 ε=ln(1-가공률)으로 나타낸다. 또한, 공작물(W)에 가해지는 소성 스트레인의 스트레인 속도는, 1×10^-3(s^-1) 이상 1×10⁺¹(s^-1) 이하의 범위가 바람직하고, 1×10^-2(s^-1) 이상 1×10⁺¹(s^-1) 이하의 범위가 보다 바람직하다. 이 가공 공정에서는, 예컨대, 변형 전의 제1 형상의 공작물(W)과 변형 후의 제2 형상의 공작물이 X, Y, Z축의 길이는 상이하지만 제1 형상과 제2 형상이 동일한 형상이 되는 변형을 공작물(W)에 행하는 것이 바람직하다. 즉, 공작물(W)의 각 변의 비는, 변형 전과 변형 후에서 1:e:f로 유지되는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 각 축 방향에 대하여 균등한 소성 스트레인을 부여할 수 있다.

타출 공정[도 4의 (c)]에서는, 슬라이드 대좌(35)를 슬라이드홈(32)을 따라 슬라이드시켜, 연통 공간(33)을 형성시킨 후, 상형 압자(22)에 의해 상방으로부터 가압하여 공작물 공간(45) 내의 공작물(W)을 연통 공간(33)으로 타출하는 처리를 행한다.

취출 공정[도 4의 (d)]에서는, 타출한 공작물(W)을 연통 공간(33)으로부터 취출하는 처리를 행한다. 예컨대, 슬라이드 대좌(35)를 분리한 공간으로부터, 관통 구멍(34)(도 2 참조)에 압출봉 등에 의해 압출하여 공작물(W)을 취출한다. 이때, 취출한 공작물(W)을 냉각하는 것이 바람직하다. 냉각 방법은, 공냉, 수냉, 방냉 등 어떠한 방법이어도 상관없으나, 반복 작업의 효율성과 능률을 고려하면, 수냉에 의한 냉각이 바람직하다. 냉각은 가압에 의해 구리 합금으로부터 발생하는 열 구리 합금의 표면 온도가 20℃ 이하가 되도록 행하는 것이 바람직하다.

이 단조 처리 공정에서는, 배치 공정, 가공 공정, 타출 공정 및 취출 공정을 소정의 가압 횟수까지 행하는 것으로 한다. 여기서, 「가압 횟수」란, 각 축(X축, Y축, Z축) 방향 중 어느 한쪽으로부터 공작물(W)에 압력이 가해진 경우를 1회로서 카운트한 횟수를 말하는 것으로 한다. 또한, 「소정의 가압 횟수」란, 구리 합금에 가해지는 소성 스트레인양의 누적값(누적 스트레인량; εtotal)이, 예컨대 1.8 이상, 보다 바람직하게는 4.0 이상이 되는 횟수를 말하는 것으로 해도 좋다.

(5) 시효 경화 처리 공정

이 공정에서는, 단조 처리 후의 공작물(W)(구리 합금)를 석출 온도 영역(200℃∼550℃의 범위 내)에서 직사각형 구리 합금이 소정의 시효 경화 시간(1시간∼24시간)에 걸쳐 유지함으로써, 구리 합금에 포함되는 Be(또는, Be 화합물)를 석출 경화시키는 처리를 행한다. 이렇게 해서, 경도 등의 특성을 보다 향상시킨, 구리 베릴륨 합금을 제조할 수 있다.

이상 설명한 실시형태의 단조 방법에 따르면, 단조용 금형(20)의 공작물 공간(45)에서 공작물(W)을 가압 변형시키기 때문에, 형상 안정성을 보다 확보할 수 있다. 또한, 단조용 금형(20)은 복수의 금형 부품이 외부 금형(50)의 내주에 끼워진 구조를 갖기 때문에, 예컨대, 공작물(W)의 가압시에 내부 금형(50)에 가해지는 응력을 복수의 금형 부품에 의해 외주측으로 보다 균등하게 분산시킬 수 있어, 금형의 파괴 등을 보다 억제할 수 있다. 이 때문에, 예컨대, 금형의 교환 등을 보다 억제 가능하고, 나아가서는, 공작물의 단조 처리를 보다 효율적으로 실행할 수 있다. 또한, 내부 금형(50)이 모서리부(46)에서 각각이 분리되는 복수의 금형 부품에 의해 형성되어 있기 때문에, 응력이 가해지는 공작물 공간(45)의 모서리부(46)에서 금형의 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 나아가서는, 공작물의 단조 처리를 보다 효율적으로 실행할 수 있다. 또한, 슬라이드 대좌(35)를 슬라이드시키면 공작물 공간(45)으로부터 외부로 연통되는 공간이 형성되기 때문에, 연통 공간(33)으로부터 가공 후의 공작물(W)을 취출하기 쉬우므로, 공작물의 단조 처리를 보다 효율적으로 실행할 수 있다. 또한, 배치 공정에서는, 공작물 공간(45)과 공작물(W) 간의 체적비가 (y/x)×(z/y)×z(1+α)/z;(단, x<y<z, 1.10x≤y≤1.20x, 1.21x≤z≤1.44x, z=(y/x)²x, 0<α≤0.5를 만족시킴)가 되는 범위로 하고, 상형 압자(22)를 공작물(W)의 상면으로부터 (z-x)의 양을 압입한 가압량으로 하는 공작물을 이용하는 것이 바람직하다. 이 체적비와 가압량을 채용함으로써 1회의 처리량을 자동적으로 결정할 수 있으며, 처리 후에 처리 전과 동일한 각 변의 길이의 비가 재현되기 때문에, 반복 처리하기 위한 효율이 좋아진다. 이 체적비와 가압량의 조합에 의해, 공작물의 단조 처리를 보다 효율적으로 실행할 수 있다. 그리고, 가공 공정에서는, 제1 형상의 공작물(W)과 제2 형상의 공작물(W)이 X, Y, Z축의 길이는 상이하지만 제1 형상과 제2 형상이 동일한 형상이 되는 변형을 공작물(W)에 행하기 때문에, 각 축에 균등한 소성 스트레인을 가할 수 있다. 그리고 또한, 가공 공정에서는, 가공률이 18% 이상 33% 미만의 범위에서 공작물(W)을 변형시키기 때문에, 공작물의 단조 처리를 보다 효율적으로 실행할 수 있다. 그리고 또한, 공작물(W)은 Be 및 Cu를 포함하는 합금이기 때문에, 본 발명을 적용하는 의의가 높다. 그리고 또한, 금형 유닛(40)을 제2 하부 금형(36)에 장착하는 구조를 갖기 때문에, 금형 유닛(40)의 교환을 행하기 쉬우며, 여러 가지 형상의 공작물(W)에 대하여 단조 처리를 보다 효율적으로 실행할 수 있다.

한편, 본 발명은 전술한 실시형태에 조금도 한정되는 일은 없으며, 본 발명의 기술적 범위에 속하는 한 여러 가지 형태로 실시할 수 있는 것은 물론이다. 예컨대, 벌크체의 공작물의 각 면이나 이것에 접하는 각 금형의 표면에는, 윤활제를 칠해도 좋다. 이때의 윤활제는, 젤상, 분말상, 액상 등 필요에 따라 선택할 수 있다. 그때에는 열전도성이 높으며, 공작물(W)로부터의 가공열을 내부 금형으로 열전달하는 것을 방해하지 않는 윤활제를 선택하는 것이 보다 바람직하다.

예컨대, 전술한 실시형태에서는, 볼록부(52)나 오목부(56)가 형성되어 있는 복수의 금형 부재를 구비하는 단조용 금형(20)을 이용하는 것으로 하였으나, 특별히 이것에 한정되지 않고, 도 7 및 도 8에 도시하는 단조용 금형(20B)을 이용하는 것으로 해도 좋다. 도 7은 단조용 금형(20B)의 평면도 및 단면도이고 도 8은 단조용 금형(20B)의 사시도이다. 단조용 금형(20B)은 동일 형상으로 형성된 4개의 금형 부재(51B)를 조합한 내부 금형(50B)을 구비하고 있다. 또한, 이 단조용 금형(20B)에서는 외부 금형(41)이 생략되어 있으며, 제2 하부 금형(36)이 본 발명의 외부 금형에 상당하는 구성으로 되어 있다. 이렇게 해도, 공작물(W)의 가압시에 내부 금형(50B)에 가해지는 응력을 복수의 금형 부재(51B)에 의해 외주측으로 보다 균등하게 분산시킬 수 있어, 금형의 파괴 등을 보다 억제할 수 있고, 나아가서는, 공작물의 단조 처리를 보다 효율적으로 실행할 수 있다. 한편, 금형 부재(51B)의 임의의 위치에 볼록부(52)나 오목부(56)를 형성하는 것으로 해도 좋다.

또는, 전술한 실시형태에서는, 복수의 금형 부재로 이루어지는 내부 금형(50)을 구비하는 단조용 금형(20)을 이용하는 것으로 하였으나, 특별히 이것에 한정되지 않고, 도 9 및 도 10에 도시하는 단조용 금형(20C)을 이용하는 것으로 해도 좋다. 도 9는 단조용 금형(20C)의 평면도 및 단면도이고 도 10은 단조용 금형(20C)의 사시도이다. 단조용 금형(20C)은 외부 금형(41)이 생략되어 있으며 분할되어 있지 않은 내부 금형(50C)을 구비하고 있다. 이렇게 해도, 단조용 금형(20C)을 이용하여, 직육면체 형상의 공작물 공간(45)에서 공작물(W)을 가압 변형시키기 때문에, 형상 안정성을 보다 확보할 수 있고, 나아가서는, 공작물의 단조 처리를 보다 효율적으로 실행할 수 있다.

전술한 실시형태에서는, 복수의 금형 부품이 외부 금형(41)의 내주에 끼워진 상태에서 공작물 공간(45)이 형성되는 내부 금형(50)을 구비하고 있는 것으로 하였으나, 특별히 이것에 한정되지 않고, 원주가 아닌 외부 금형의 내부에 편입되는 것으로 해도 좋다. 또한, 모서리부(46)에서 각각이 분리되는 복수의 금형 부품을 구비하고 있는 것으로 하였으나, 모서리부(46)에서 각각이 분리되어도 좋고, 모서리부(46) 이외의 부분에서 각각이 분리되는 것으로 해도 좋다.

전술한 실시형태에서는, 제1 하부 금형(31), 금형 유닛(40), 슬라이드 대좌(35) 및 제2 하부 금형(36)에 의해 하부 금형(30)이 형성되는 것으로 하였으나, 특별히 이것에 한정되지 않고, 다른 부재를 추가해도 좋고, 이들 중 어느 1 이상을 생략하는 것으로 해도 좋다. 예컨대, 전술한 실시형태에서는, 슬라이드 대좌(35)를 구비하고 있는 것으로 하였으나, 슬라이드 대좌(35)를 구비하고 있지 않은 것으로 해도 좋다.

전술한 실시형태에서는, 단조 처리 공정에 있어서, 공작물(W)을 취출한 후에 냉각하는 것으로 하였으나, 특별히 이것에 한정되지 않고, 도 11에 도시하는 바와 같이 단조용 금형(20D)을 이용하여, 단조 처리 중에 공작물(W)의 냉각을 도모하는 것으로 해도 좋다. 도 11은 단조용 금형(20D)의 평면도 및 단면도이다. 이 단조용 금형(20D)은 공작물 공간(45)의 저면을 형성하는 제1 하부 금형(31)(기부(基部))을 구비하며, 이 제1 하부 금형(31)에는, 냉각 매체가 유통되는 유통 경로(34D)가 공작물 공간(45)의 근방에 형성되어 있다. 공작물(W)의 가공 변형시에 온도 상승이 일어나는 경우가 있으나, 이렇게 하면, 공작물(W)을 냉각하여 그 파괴 등을 보다 억제할 수 있고, 나아가서는, 공작물의 단조 처리를 보다 효율적으로 실행할 수 있다.

전술한 실시형태에서는 특별히 설명하지 않았으나, 도 12 및 도 13에 도시하는 바와 같이, 공작물 공간의 저면을 형성하는 기부와, 기부에 형성되며 공작물 공간에 끼워진 공작물의 저면을 압박하여 공작물을 부상시키는 부상 기구를 구비하는 단조용 금형으로 해도 좋다. 이때, 부상 기구는, 기부로서의 슬라이드 대좌(35)에 형성되어 있는 것으로 해도 좋다. 도 12는 부상 기구(60)를 구비한 단조용 금형(20E)의 설명도로서, 도 12의 (a)가 도 4의 (b)의 가공 공정 후, 도 12의 (b)가 공작물(W)을 부상시킨 설명도, 도 12의 (c)가 공작물(W)의 타출의 설명도이다. 이 부상 기구(60)는, 슬라이드 대좌(35)에 형성되어 있으며, 공작물(W)의 저면을 압박하는 부상 부재(61)와, 부상 부재(61)의 이동을 조작하는 조작봉(62)을 구비하고 있고, 슬라이드 대좌(35)에는 조작봉(62)이 삽입되는 조작 공간(63)이 형성되어 있다. 슬라이드 대좌(35)에는, 상면측의 개구 면적이 보다 큰 유발 형상의 개구부가, 공작물 공간(45)을 형성하는 영역 내에 형성되어 있고, 이 개구부에 연통되어 조작 공간(63)이 슬라이드 대좌(35)의 슬라이드 방향으로 형성되어 있다. 이 조작 공간(63)은, 슬라이드 대좌(35)의 외부로부터 부상 부재(61)의 하방까지 연통되도록 형성되어 있다. 부상 부재(61)는, 상기 유발 형상의 개구부에 끼워진 상태에서, 그 상면이 슬라이드 대좌(35)의 상면의 일부를 구성하도록 형성되어 있다. 이 부상 부재(61)의 하방에는, 랙(64)이 배치되어 있다. 조작봉(62)은 조작 공간(63)에 삽입되어 부상 부재(61)의 하방까지 달하는 길이로 형성되어 있으며, 그 선단에 피니언(65)이 배치되어 있다. 부상 기구(60)에서는, 이 피니언(65)을 랙(64)에 맞물린 상태에서 피니언(65)을 회전시키면 부상 부재(61)가 상하 이동한다[도 12의 (a)의 말풍선도 참조). 조작자는, 이 단조용 금형(20E)을 이용하여, 공작물(W)을 가압 변형하는 가공 공정을 행한 후[도 12의 (a)], 조작봉(62)을 조작하여 부상 부재(61)를 상하 이동시킨다[도 12의 (b)]. 예컨대, 도 4의 (b)의 가공 공정을 행하면, 공작물(W)이 슬라이드 대좌(35)와 압착(壓着)되어 버려, 공작물(W)을 원활하게 취출할 수 없는 경우가 있다. 여기서는, 부상 기구(60)를 구비하고, 부상 부재(61)의 상하 이동에 의해, 공작물(W)을 상방으로 약간 밀어 올릴 수 있다. 이에 따라, 슬라이드 대좌(35)에 압착되어 있던 공작물(W)이 이탈되고, 슬라이드 대좌(35)를 분리하여 공작물(W)을 연통 공간(33)으로부터 취출하는 타출 공정을 원활하게 행할 수 있다[도 12의 (c)]. 한편, 부상 기구(60)는, 부상 부재(61)를 상하 이동시키는 구성이면, 상기 랙 앤드 피니언(rack-and-pinion)의 구성에 한정되지 않고, 예컨대, 베벨 기어나 웜 휠(worm wheel) 등의 동작 방향 변환 장치, 나아가서는 유압을 통한 상하 이동 기구에 의해 부상 부재(61)를 밀어 올려도 좋다. 또한, 도 12에 있어서, 조작봉(62)의 끝, 부상 부재(61)의 아래 근방에 지지점을 마련하고, 조작봉을 이용하여, 지렛대의 원리에 의해 부상 부재(61)를 밀어 올리는 기구를 채용하는 것으로 해도 좋다. 이렇게 해도, 슬라이드 대좌(35)에 압착되어 있던 공작물(W)이 이탈되고, 슬라이드 대좌(35)를 분리하여 공작물(W)을 연통 공간(33)으로부터 취출하는 타출 공정을 원활하게 행할 수 있다.

또는, 도 13에 도시하는 바와 같이, 공작물(W) 하면에 압축 공기나 압축 가스를 토출하여 공작물(W)을 슬라이드 대좌(35)로부터 부상시키는 것으로 해도 좋다. 도 13은 부상 기구(70)를 구비한 단조용 금형(20F)의 설명도로서, 도 13의 (a)가 도 4의 (b)의 가공 공정 후, 도 13의 (b)가 공작물(W)을 부상시킨 설명도, 도 13의 (c)가 공작물(W)의 타출의 설명도이다.

이 부상 기구(70)는 슬라이드 대좌(35)에 형성되어 있고, 복수의 분사구(76)가 형성되며 공작물(W)의 저면을 유체(예컨대, 기체나 액체)에 의해 압박하는 부상 부재(71)와, 부상 부재(71)에 접속되며 분사구(76)까지 유체를 보내는 유통 구멍(75)이 형성된 유통관(72)을 구비하고 있다. 또한, 슬라이드 대좌(35)에는, 유통관(72)이 삽입되는 조작 공간(73)이 형성되어 있다. 공작물 공간(45)을 형성하는 슬라이드 대좌(35)의 상면에는, 원기둥형의 개구부가 형성되어 있고, 이 개구부에 연통되어 조작 공간(73)이 슬라이드 대좌(35)의 슬라이드 방향으로 형성되어 있다. 이 조작 공간(73)은, 슬라이드 대좌(35)의 외부로부터 부상 부재(71)의 하방까지 연통되도록 형성되어 있다. 부상 부재(71)는, 상기 개구부에 삽입된 상태에서, 그 상면이 슬라이드 대좌(35)의 상면의 일부를 구성하도록 형성되어 있다. 또한, 슬라이드 대좌(35)의 개구부와 부상 부재(71) 사이에는, 유통 구멍(75)으로부터 공급된 유체가 배출되는 이스케이프 공간(74)이 형성되어 있다. 유통관(72)은, 조작 공간(73)에 삽입되며 부상 부재(71)의 하방에 접속되어 있다. 부상 기구(70)에서는, 유통 구멍(75)으로부터 분사구(76)까지가 연통되어 있고, 유통 구멍(75)으로부터 유체로서의 압축 가스를 공급하면, 부상 부재(71)의 분사구(76)로부터 이 압축 가스가 공작물(W)의 저면을 압박한다. 조작자는, 이 단조용 금형(20F)을 이용하여, 공작물(W)을 가압 변형하는 가공 공정을 행한 후[도 13의 (a)], 유통관(72)으로부터 압축 가스를 공급하여 부상 부재(71)의 분사구(76)로부터 압축 가스를 토출시킨다[도 13의 (b)]. 그러면, 부상 부재(71)로부터의 압축 가스에 의해, 공작물(W)을 상방으로 약간 밀어 올릴 수 있다. 한편, 분사구(76)로부터 토출된 가스는, 이스케이프 공간(74)을 통해, 조작 공간(73)으로부터 외부로 배출된다. 이렇게 해서, 슬라이드 대좌(35)에 압착되어 있던 공작물(W)이 이탈되고, 슬라이드 대좌(35)를 분리하여 공작물(W)을 연통 공간(33)으로부터 취출하는 타출 공정을 원활하게 행할 수 있다[도 13의 (c)]. 한편, 부상 기구(60, 70)는, 공작물(W)의 저면을 압박 가능하면, 제1 하부 금형(31)(기부)에 형성되어 있어도 좋다. 또한, 부상 기구(60, 70)는, 슬라이드 대좌(35)와 공작물(W)을 분리 가능한 기구이면, 상기 이외의 구성을 채용할 수 있다.

전술한 실시형태에서는, 공작물(W)을, Be 및 Cu를 포함하는 합금으로서 설명하였으나, Be 및 Cu를 포함하는 합금과 마찬가지로 가공 경화성이 높고 고강도가 되는 Ni, Sn 및 Cu를 포함하는 구리 합금, Ti, Fe 및 Cu를 포함하는 구리 합금, Ni, Si 및 Cu를 포함하는 구리 합금 등을 공작물(W)로 하여, 전술한 공정을 실행하는 것으로 해도 좋다. 이 합금을 이용하는 경우, 원소나 조성의 선택 범위에 따라 균질화 처리 공정, 고용화 처리 공정 및 시효 경화 처리 공정의 온도와 시간에 있어서 Be 및 Cu를 포함하는 합금과 상이한 경우가 있으나, 전술한 단조 처리 공정을 실행할 수 있다. 또는, 고순도의 구리(예컨대 4N-Cu)를 공작물(W)로 하여, 전술한 공정을 실행하는 것으로 해도 좋다. 또한 구리 합금 이외에 적용하고자 하는 경우, 전술한 단조 처리 공정에 있어서, 마그네슘 합금(AZ31; Mg-Al-Zn-Mn계 합금 등)이나 철강재(Fe-20Cr이나 SUS304 등)에 있어서는, 공작물 공간(45)과 공작물(W) 간의 체적비가 (y/x)×(z/y)×z(1+α)/z;(단, x<y<z, 1.22x≤y≤1.49x, 1.49x≤z≤2.22x, z=(y/x)²x, 0<α≤0.5를 만족시킴)가 되는 범위로 해도 좋다. 또한, 알루미늄 합금(7475Al; Al-Zn-Mg-Cu계 합금 등)에서는, 공작물 공간(45)과 공작물(W) 간의 체적비가 (y/x)×(z/y)×z(1+α)/z;(단, x<y<z, 1.03x≤y≤1.06x, 1.06x≤z≤1.12x, z=(y/x)²x, 0<α≤0.5를 만족시킴)가 되는 범위로 해도 좋다. 또한, 이 합금을 이용할 때에는, 가공 공정에서는, 가공률이 6% 이상 55% 미만의 범위에서 상기 공작물을 변형시키는 것으로 해도 좋다.

실시예

이하에는, 단조용 금형(20)을 이용하여, 단조 처리 공정을 구체적으로 검토한 예를 설명한다. 한편, 실험예 1∼13, 23∼32가 본 발명의 실시예에 상당하고, 실험예 14∼22가 비교예에 상당한다.

벌크체로서는, Cu_100-(a+b)Be_aCo_b(a=1.8%, b=0.2%)의 질량비로 구성한 구리 합금, 및, Cu_100-(c+d)Be_cNi_d(c=0.2%, d=1.8%)의 질량비로 구성된 구리 합금을 제작하였다. 균질화 처리 공정에서는, 840℃, 4h로 처리를 행하고, 60 ㎜×66 ㎜×73 ㎜(1:1.1:1.21)의 형상으로 가공하였다. 고용화 처리에서는, 800℃, 1h로 처리를 행하고, 약 50℃/s로 급랭시켜 얻어진 벌크체를 공작물(W)로 하였다. 단조 처리 공정에서는, 공작물 공간(45)과 공작물(W) 간의 체적비를, (66/60)×(73/66)×{(73/66)+0.5 ㎜}=1.1×1.1×1.6=1.936으로 하고, 가공률을 18%(1회의 스트레인량 0.2), 스트레인 속도를 약 1×10⁰(s^-1), 전체 스트레인량 Σε을 2.4, 소정의 가압 횟수를 12로 하는 조건으로 행하였다. 여기서는, 먼저 단조에 의한 경화에 대해서 검토하였다. Cu-Be-Co계의 구리 합금을 단조용 금형(20)에 의해 단조 처리한 공작물(W)을 실시예 1로 하고, 단조를 행하지 않은 것을 비교예 1로 하였다. 또한, Cu-Be-Ni계의 구리 합금을 단조용 금형(20)에 의해 단조 처리한 공작물(W)을 실시예 2로 하고, 단조를 행하지 않은 것을 비교예 2로 하였다. 윤활제는, NOK 클뤼버사(NOK KLUEBER CO., LTD.) 제조의 SEALUB 제품을 도포하였다.

도 14는 실시예 1의 조직의 확대 사진이다. 도 14의 (a)에 전자 현미경(SEM) 사진을 나타내는데, 전체 스트레인량 Σε을 증가하면, 구리 합금의 조직이 보다 미세해지는 것을 알 수 있었다. 또한, 도 14의 (b)에 광학 현미경(비교예 1) 및 SEM(실시예 1)에 의한 조직 관찰 사진을 나타내는데, 단조용 금형(20)을 이용하여 단조한 실시예 1의 구리 합금의 조직은, 단조 처리를 행하지 않은 비교예 1에 비하여 보다 미세한 것을 알 수 있었다. 한편, 실시예 2 및 비교예 2에 있어서도 결과는 동일하였다.

도 15는 구리 합금 벌크체의 초음파 심상 시험의 측정 결과로서, 도 15의 (a)가 단조 전의 벌크체의 측정 결과(비교예 1)이고, 도 15의 (b)가 단조 후의 벌크체의 측정 결과(실시예 1)이다. 이 측정에서는, 한 변이 100 ㎜인 정육면체 형상의 벌크체의 표면층을 절삭하여, 한 변이 70 ㎜인 정육면체로 가공한 후에, 이 벌크체에 초음파를 송신하였다. 도 15의 (a)에 도시하는 바와 같이, 단조 처리를 행하지 않은 벌크체에서는, 두께 70 ㎜의 저면 에코의 피크가 나타났으나, 두께 140 ㎜ 부근에서는, 다중 반사에 의한 에코의 피크는 나타나지 않았다(피크 소실). 이것은, 이 벌크체의 내부 조직이 조대(粗大)하며 불균일한 것을 나타내고 있다. 또한, 도 15의 (a)에 도시하는 바와 같이, 파형에 노이즈가 많은 것으로부터도, 벌크체의 내부 조직이 조대하며 불균일한 것이 추측된다. 한편, 도 15의 (b)에 도시하는 바와 같이, 실시예의 벌크체를 시험한 경우에는, 두께 70 ㎜의 저면 에코의 피크가 나타나고 있고, 140 ㎜ 부근에도 이중 반사에 의한 에코의 피크가 나타나고 있는 것을 알 수 있다. 이것은, 초음파가 베릴륨 구리 단조 벌크체의 내부 조직에 의해 흐트러지거나 감쇠하고 있지 않은 것을 나타내고 있다. 도 15의 (a)에 도시하는 경우에 비해서, 전체의 파형에 노이즈도 나타나고 있지 않은 것으로부터, 내부 조직이 보다 치밀하고 균일하게 되어 있는 것이 추측된다.

[실험예 1∼22]

다음으로, 단조용 금형(20)을 이용한 단조 처리에 대해서 검토하였다. 공작물의 형상, 체적비, 가공률 등을 표 1 및 표 2에 나타내는 바와 같이 변화시켜 단조 전후의 형상이나 직선성, 최대 치수차 등을 그 외형으로부터 평가하였다. 전술한 것과 동일한 공정으로, Cu_100-(a+b)Be_aCo_b(a=1.8%, b=0.2%)의 질량비로 구성한 구리 합금, 및 Cu_100-(c+d)Be_cNi_d(c=0.2%, d=1.8%)의 질량비로 구성된 구리 합금을 제작하였다. 한편, 표 1에서는, 짧은변 x, 중간변 y, 긴변 z에 있어서, 짧은변 x를 1로 규격화한 각 변의 길이를 나타내었다.

[실험예 23∼32]

또한, Cu_97.85Be_0.35Ni_1.8의 질량비로 구성된 구리 합금, Cu₇₈Ni₁₅Sn₇의 질량비로 구성한 구리 합금, Cu_96.9Ti₃Fe_0.1의 질량비로 구성한 구리 합금, Cu₈₉Ni₉Si₂의 질량비로 구성한 구리 합금, 마그네슘 합금(AZ31), Fe₈₀Cr₂₀의 질량비로 구성한 철강, SUS304, 알루미늄 합금(7475Al) 등도 제작하여, 검토하였다.

(형상 평가)

형상 평가는, 크랙이나 모서리의 둥그스름함 등의 유무를 육안으로 조사하고, 형상이 좋은 것을 ○, 크랙이나 모서리에 둥그스름함이 있는 것을 ×라고 평가하였다. 또한, 직선성은, 6개의 각 면이 평면을 유지하고 있는지의 여부를, 평면에 자를 대었을 때의 간극의 유무를 육안에 의해 조사하고, 간극이 없는 것을 ○, 간극이 있는 것을 ×로 하였다. 또한, 최대 치수차는, 단조 전후의 각 변의 치수(길이)의 차이의 최대값을 측정하고, 단조 전후에서 최대 치수차가 2% 이하인 것을 ○, 2%를 초과한 것을 ×로 하였다. 한편, 표 1 및 표 2에는, Cu-Be-Co 합금의 결과를 나타내었으나, Cu-Be-Ni 합금에서도 동일한 결과였다.

표 2에, 각 공작물의 단조 처리 결과를 나타낸다. 표 2에 나타내는 바와 같이, 긴변 z나 중간변 y가 짧은변 x에 대하여 비교적 길지 않은 실험예 14, 15나 긴변 z나 중간변 y가 짧은변 x에 대하여 비교적 긴 실험예 16, 17에서는 형상 안정성이 나빴다. 또한, 누적 스트레인의 사이클수가 적은 실험예 18이나 사이클수가 많은 실험예 19에서는 형상 안정성이 나빴다. 또한, 상부면의 갭을 나타내는 상부면 계수 α가 큰 실험예 20에서는 결과가 양호하였으나, 단조 개시까지의 상형 압자의 하강 시간이 걸려 생산 효율이 양호하다고는 말할 수 없었다. 또한, 상부면 계수 α가 없는 실험예 21에서는, 상형 압자의 삽입시의 덜거덕거림에 의한 흔들림이 염려되었기 때문에 단조를 행하지 않았다. 또한, 단조용 금형(20)을 이용하지 않고, 자유 단조를 행한 실험예 22에서는 형상 안정성이 매우 좋지 않았다. 도 16은 자유 단조를 행한 샘플(실험예 22)의 외관 사진이고, 도 17은 실험예 1∼13의 외관 사진이다. 자유 단조에서는, 가압 변형을 반복하면 직육면체 형상의 평면이 곡면으로 되어 버리는 데 비하여, 단조용 금형(20)에 의한 단조를 행한 실험예 1∼13의 샘플에서는, 가압 변형을 반복해도 직육면체 형상이 유지되어 있는 것을 알 수 있었다. 표 1 및 표 2에 나타내는 바와 같이, Cu-Be 합금에서는, 상부면 계수 α가 0.01∼0.5, 짧은변 x:중간변 y:긴변 z(x<y<z)에 있어서, 1.10x≤y≤1.20x, 1.21x≤z≤1.44x, 체적비가 1.22∼2.16인 것에 있어서는, 양호한 형상 유지성을 나타내었다. 또한, 전술한 실험예 1∼22에 대하여 단조 처리를 행한 후에, 시효 경화 처리를 실행한 결과, 실험예 1∼13에 있어서는, 실험예 14∼22에 비하여, JISZ2244에 준한 방법으로 측정한 비커스 경도나, JISZ2241에 준한 방법으로 측정한 인장 강도 등이 향상되어 있었다.

또한, 표 1 및 표 2에 나타내는 바와 같이, 마그네슘 합금(AZ31)이나 철강재(Fe-20Cr, SUS304)은 상부면 계수 α가 0.01∼0.5, 짧은변 x:중간변 y:긴변 z(x<y<z)에 있어서 1.22x≤y≤1.49x, 1.49x≤z≤2.22x, 체적비가 1.505∼3.330에 있어서, 양호한 형상 유지성을 나타내었다. 또한, 알루미늄 합금(7475Al)은, 상부면 계수 α가 0.01∼0.5, 짧은변 x:중간변 y:긴변 z(x<y<z)에 있어서 1.03x≤y≤1.06x, 1.06x≤z≤1.12x, 체적비가 1.07∼1.68에 있어서는 양호한 형상 유지성을 나타내었다.

한편, 단조용 금형(20C)과 같이, 내부 금형이 분할되어 있지 않은 금형을 이용해도 상기 실시예와 마찬가지로, 형상 안정성을 높인 상태에서 단조 처리를 실행할 수 있었다. 그러나, 내부 금형에 응력이 가해져, 공작물 공간이 형성되는 내부 금형의 모서리부에 균열이 발생하는 경우도 있었다. 한편, 내부 금형(50)이 복수의 금형 부재로 이루어지는 단조용 금형(20)에서는, 이러한 균열이 발생하지 않고, 안정된 단조 처리를 실행할 수 있는 것을 알 수 있었다.

본 출원은, 2012년 3월 27일에 출원된 일본국 특허 출원 제2012-072259호를 우선권 주장의 기초로 하고 있으며, 인용에 의해 그 내용의 모두가 본 명세서에 포함된다.

<산업상의 이용가능성>

본 발명은, 내구성과 신뢰성이 요구되는 기계 구조용 부품, 예컨대 항공기용 베어링·해저 케이블 중계기의 케이싱·선박의 로터 샤프트·유전 굴착 드릴의 칼라·사출 성형용 금형·용접 전극 홀더 등에 이용 가능하다.

20, 20B, 20C, 20D, 20E, 20F: 단조용 금형
21: 상부 금형 22: 상형 압자
28: 위치맞춤 지그 30: 하부 금형
31: 제1 하부 금형 32: 슬라이드홈
33: 연통 공간 34: 관통 구멍
34D: 유통 경로 35: 슬라이드 대좌
36: 제2 하부 금형 37: 장착 공간
40: 금형 유닛 41: 외부 금형
42: 내주면 45: 공작물 공간
46: 모서리부 50, 50B, 50C: 내부 금형
51: 제1 금형 부재 51B: 금형 부재
52: 볼록부 53: 접속면
54: 벽부 55: 제2 금형 부재
56: 오목부 57: 접속면
58: 벽부 60: 부상 기구
61: 부상 부재 62: 조작봉
63: 조작 공간 64: 랙
65: 피니언 70: 부상 기구
71: 부상 부재 72: 유통관
73: 조작 공간 74: 이스케이프 공간
75: 유통 구멍 76: 분사구
W: 공작물

Claims

직사각형의 개구부를 갖고 직사각형 형상의 평면인 벽부에 의해 형성되고, 공작물을 넣는 공작물 공간이 형성된 단조용 금형의 상기 공작물 공간에, 직사각형 형상의 6면체인 제1 형상의 공작물을 배치하는 배치 공정과,
상기 배치된 공작물을 직사각형 형상의 6면체인 제2 형상으로 변형시킴으로써 상기 공작물에 소성 스트레인을 가하는 가공 공정
을 포함하고, 상기 배치 공정과 상기 가공 공정을 2회 이상 행하는 것인 단조 방법.
제1항에 있어서, 상기 단조용 금형은, 원형의 개구부를 가지며 이 원의 내주면이 형성된 외부 금형과, 조합된 복수의 금형 부품이 상기 외부 금형의 내주에 끼워진 상태에서 상기 공작물 공간이 형성되는 내부 금형을 구비하고 있는 것인 단조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 단조용 금형은, 상기 내부 금형이 상기 공작물 공간의 2면에 의해 형성되는 모서리부에서 각각이 분리되는 상기 복수의 금형 부품에 의해 형성되어 있는 것인 단조 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단조용 금형은 상기 공작물 공간의 저면을 형성하는 슬라이드 가능한 대좌부(臺座部)를 포함하며,
상기 대좌부를 슬라이드시키면 상기 공작물 공간으로부터 외부로 연통되는 공간이 형성되는 것인 단조 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단조용 금형은 상기 공작물 공간의 저면을 형성하는 기부(基部)를 포함하며,
상기 기부에는 냉각 매체가 유통되는 유통 경로가 형성되어 있는 것인 단조 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배치 공정에서는, 상기 공작물의 체적에 대한 상기 공작물 공간의 체적의 비인 체적비가 1.20 이상 3.50 이하의 범위가 되는 상기 공작물 및 상기 공작물 공간으로 하는 것인 단조 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배치 공정에서는, 상기 공작물 공간과 상기 공작물 간의 체적비가, 공작물 각 변(X변, Y변, Z변)의 길이의 비를 x:y:z로 했을 때, (y/x)×(z/y)×z(1+α)/z;(단, x<y<z, 1.03x≤y≤1.49x, 1.06x≤z≤2.22x, z=(y/x)²x, 0<α≤0.5를 만족시킴)가 되는 범위로 하고,
상기 가공 공정에서는, 공작물의 상면으로부터 (z-x)의 양을 압입하는 가압을 하는 것인 단조 방법.
제7항에 있어서, 상기 배치 공정에서는 1.10x≤y≤1.20x, 1.21x≤z≤1.44x를 만족시키는 범위로 하는 것인 단조 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가공 공정에서는 가공률이 6% 이상 55% 미만인 범위에서 상기 공작물을 변형시키는 것인 단조 방법.
제1항 내지 제6항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가공 공정에서는 가공률이 18% 이상 33% 미만인 범위에서 상기 공작물을 변형시키는 것인 단조 방법.
제1항 내지 제6항, 제8항 및 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공작물은, Be 및 Cu를 포함하는 합금인 것인 단조 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가공 공정에서는, 상기 제1 형상의 공작물과 상기 제2 형상의 공작물이 X, Y, Z축의 길이는 상이하지만 상기 제1 형상과 제2 형상이 동일한 형상이 되는 변형을 상기 공작물에 행하는 것인 단조 방법.
직사각형 형상의 6면체인 제1 형상의 공작물로부터 직사각형 형상의 6면체인 제2 형상의 공작물로 변형시킴으로써 상기 공작물에 소성 스트레인을 가하는 단조 방법에 이용되는 단조용 금형으로서,
원형의 개구부를 가지며 이 원의 내주면이 형성된 외부 금형과,
조합된 복수의 금형 부품이 상기 외부 금형의 내주에 끼워진 상태에서, 직사각형의 개구부를 가지며 직사각형 형상의 평면인 벽부에 의해, 상기 공작물을 넣는 공작물 공간이 형성되는 내부 금형
을 포함하는 단조용 금형.
제13항에 있어서, 상기 내부 금형은 상기 공작물 공간의 2면에 의해 형성되는 모서리부에서 각각이 분리되는 상기 복수의 금형 부품에 의해 형성되어 있는 것인 단조용 금형.
제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 공작물 공간의 저면을 형성하는 슬라이드 가능한 대좌부를 포함하고,
상기 대좌부를 슬라이드시키면 상기 공작물 공간으로부터 외부로 연통되는 공간이 형성되는 것인 단조용 금형.
제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공작물 공간의 저면을 형성하는 기부를 포함하고,
상기 기부에는 냉각 매체가 유통되는 유통 경로가 형성되어 있는 것인 단조용 금형.
제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공작물 공간의 저면을 형성하는 기부와,
상기 기부에 형성되며 상기 공작물 공간에 끼워진 상기 공작물의 저면을 압박하여 상기 공작물을 부상시키는 부상 기구
를 포함하는 것인 단조용 금형.