(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる複数の金型を順次用いて金属材料を圧縮成形する強加工方法であって、
前記複数の金型が備える空洞は、その横断面積がいずれも前記金属材料の横断面積に等しく、且つ、その横断面の形状が互いに異なることを特徴とする
強加工方法。
【請求項２】
前記空洞は、円柱状または角柱状である、請求項１に記載の強加工方法。
【請求項３】
前記空洞の長さは、前記金属材料の長さに等しい、請求項２に記載の強加工方法。
【請求項４】
前記空洞は、その両端が開放されている、請求項１〜３にいずれか１項に記載の強加工方法。
【請求項５】
円柱状または角柱状の長尺物の金属材料を強加工する装置であって、
加工軸方向に並設された複数の金型と、
前記金属材料を前記複数の金型に対して送り出す搬送手段と、
前記搬送手段が前記金属材料を送り出す度に、前記複数の金型を加圧して前記金属材料を圧縮成形する加圧手段とを備え、
前記複数の金型が備える空洞は、いずれも両端が開放された円柱状または角柱状であって、その横断面積がいずれも前記金属材料の横断面積に等しく、且つ、隣接する金型が備える空洞の横断面の形状が互いに異なることを特徴とする
装置。
【請求項６】
前記複数の金型の前記空洞は、いずれも同じ長さを有し、前記搬送手段の１回の送り出し長さは、前記空洞の長さに等しい、請求項５に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強加工方法及び強加工装置に関し、より詳細には、材料の断面積の減少を伴うことなく、金属材料に対し高いひずみを効果的に導入することができる強加工方法及び強加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、金属材料において二律背反の関係にあると考えられていた強度と靭性は、金属の結晶粒を微細化することによって、その両方が好適に向上することが発見された。これを受け、金属材料の結晶粒を微細化するための加工法が種々検討されており、そのような加工法のひとつとして、強ひずみ加工法を挙げることができる。強ひずみ加工法とは、金属材料に対し、大きな塑性ひずみを付与することによって、結晶粒をナノサイズまで微細化するというものである。この点につき、非特許文献１は、代表的な強ひずみ加工法である、Equal Channel Angular Pressing法（ＥＣＡＰ法）を開示する。
【０００３】
図８は、ＥＣＡＰ法を概念的に示す図である。図８に示されるように、ＥＣＡＰ法は、大きく屈曲したパスを有する金型６０を通して金属材料６２を押し出すことによって、屈曲部６４において金属材料６２に大きなせん断ひずみを与えるというものである。ＥＣＡＰ法においては、加工によって材料の径が変わらないため、何度でも上記プロセスを繰り返すことができ、金属材料６２の断面積の減少を伴うことなく、金属材料６２に大きなひずみを付与することができる。しかしながら、ＥＣＡＰ法においては、ひずみを与える方向が1方向しかないため、材料の向きを変え何度も加工を繰り返す非連続的プロセスとならざるを得ず、長尺物の材料に適用することができないという問題があった。さらにＥＣＡＰ法の最も深刻な問題は、金属材料６２と金型６０のパスの壁面との摩擦力に対抗するために非常に大きな加工力を要することであり、この点が工業的な実用化を妨げていた。
【０００４】
この点につき、同じく金属材料の断面積の減少（サイズダウン）を伴わない強ひずみ加工の別法として、非特許文献２は、加熱とねじり変形を組合わせたSevere Torsion Straining Process法（ＳＴＳＰ法）を開示する。図９は、ＳＴＳＰ法を概念的に示す図である。図９に示されるように、ＳＴＳＰ法においては、電流コイル７０の中に円柱状の金属材料７２を通しつつ、電流コイル７０の両端近傍から冷却水７４を放出することによって、金属材料７２に対して局所的な誘導加熱を行なうと同時に、金属材料７２を図中の矢印Ｒ方向に捻ることによって、加熱部分に集中的に塑性ひずみを生じさせる。この状態で金属材料７２を長手方向に順次移動させことによって、金属材料７２全長にわたって塑性ひずみを付与することができる。
【０００５】
この方法は、金型を必要としないため、摩擦力に起因する加工力の増大の問題が回避され、また、連続的プロセスであるため、長尺物に対し大きなひずみを連続的に付与することができる点で、工業的な実用性に対し一定の可能性を示すものであった。しかしながら、加熱効果を利用して結晶粒を微細化する上記方法は、熱の影響を受けて再結晶しやすい材料には適用することができないため、適用材料が限定されるという問題があった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Segal，Ｖ．M．，Reznikov，Ｖ．Ｉ．，Drobyshevsky，A．E．and Kopylov，Ｖ．Ｉ．：Russian  Metallurgy，1，p．99（1981）
【非特許文献２】K.Nakamura,K.Neishi,K.Kaneko,M.Nakagaki and Z.Horita：Materials Transactions 45, 12,3338-3342,(2004) " Development of Severe Torsion Straining Process forRapid Continuous Grain Refinement "
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、材料の断面積の減少を伴うことなく、金属材料に対し高いひずみを効果的に導入することができる、工業的に実用可能な強加工方法及び強加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、金属材料に対し高いひずみを効果的に導入することができる、工業的に実用可能な強加工方法につき検討した結果、空洞の横断面の面積（以下、横断面積という）が加工対象の金属材料の横断面積に等しく、且つ、各空洞の横断面の形状が互いに異なる複数の金型を用意し、これらの金型を順次用いて金属材料を複数回にわたって圧縮成形することによって、金属材料のサイズを減少させることなく、その内部に塑性ひずみを重層的に蓄積することができることを見出し、本発明に至ったのである。
【０００９】
すなわち、本発明によれば、異なる複数の金型を順次用いて金属材料を圧縮成形する強加工方法であって、前記複数の金型が備える空洞は、その横断面積がいずれも前記金属材料の横断面積に等しく、且つ、その横断面の形状が互いに異なることを特徴とする強加工方法が提供される。本発明においては、前記空洞を円柱状または角柱状とすることができ、前記空洞の長さを前記金属材料の長さに等しくすることができる。また、本発明においては、前記空洞の両端を開放したものとすることができる。
【００１０】
さらに、本発明によれば、円柱状または角柱状の長尺物の金属材料を強加工する装置であって、加工軸方向に並設された複数の金型と、前記金属材料を前記複数の金型に対して送り出す搬送手段と、前記搬送手段が前記金属材料を送り出す度に、前記複数の金型を加圧して前記金属材料を圧縮成形する加圧手段とを備え、前記複数の金型が備える空洞は、いずれも両端が開放された円柱状または角柱状であって、その横断面積がいずれも前記金属材料の横断面積に等しく、且つ、隣接する金型が備える空洞の横断面の形状が互いに異なることを特徴とする装置が提供される。本発明においては、前記複数の金型の前記空洞は、いずれも同じ長さを有し、前記搬送手段の１回の送り出し長さは、前記空洞の長さに等しいものとすることができる。
【００１１】
さらに、本発明によれば、金属材料を一つの金型を用いて繰り返し圧縮成形することによって強加工する方法であって、前記金型が備える空洞は、その横断面積が前記金属材料の横断面積に等しく、且つ、その横断面の形状が前記金属材料の横断面の形状と異なる正円形以外の形状であり、２回目以降の圧縮成形工程は、圧縮成形後の前記金属材料を前記金型から取り出し、長手方向軸回りに回転させた状態で再び前記金型に挿嵌して圧縮成形する工程であることを特徴とする強加工方法が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
上述したように、本発明によれば、材料の断面積の減少を伴うことなく、金属材料に対し高いひずみを効果的に導入することができる、工業的に実用可能な強加工方法及び強加工装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態の強加工方法に用いる金型を示す図。
【図２】本実施形態の強加工方法のスケジュールを示す図。
【図３】本実施形態の強加工方法のスケジュールを示す図。
【図４】本実施形態の強加工方法のスケジュールを示す図。
【図５】本実施形態の強加工方法のスケジュールを示す図。
【図６】両端が開放された金型を示す図。
【図７】本実施形態の強加工方法のスケジュールを示す図。
【図８】ＥＣＡＰ法を概念的に示す図。
【図９】ＳＴＳＰ法を概念的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜、その説明を省略するものとする。
【００１５】
本発明は、円柱状または角柱状の金属材料を加工するのに適した新規な強加工方法を提供する。本発明の強加工方法について、正円形の横断面を有する棒状の金属材料を加工する場合の実施形態に基づいて説明する。なお、本実施形態において、横断面とは、長手方向に垂直な断面をいう。図１は、本実施形態の強加工方法に用いる金型を示す。本実施形態においては、正円形の横断面を有する棒状の金属材料１０を、図１に示す３種類の金型（Ａ、Ｂ、Ｃ）を使用して４パスで強加工する。
【００１６】
金型Ａは、上金型１２と下金型１４から構成され、上金型１２および下金型１４には、それぞれ上孔型１２ｃおよび下孔型１４ｃが形成されている。同様に、金型Ｂは、上金型２２と下金型２４から構成され、上下金型には、それぞれ上孔型２２ｃおよび下孔型２４ｃが形成されており、金型Ｃは、上金型３２と下金型３４から構成され、上下金型には、それぞれ上孔型３２ｃおよび下孔型３４ｃが形成されている。
【００１７】
図１においては、金型Ａ〜Ｃの上部に、それぞれの上下金型が当接した状態における断面図を示している。金型Ａは、上下金型が当接することによって、上孔型１２ｃおよび下孔型１４ｃが正八角形の横断面ＲＡを有する角柱状の空洞を形成するように構成されている。同じく、金型Ｂは、上下金型が当接することによって、上孔型２２ｃおよび下孔型２４ｃが扁平した八角形の横断面ＲＢを有する角柱状の空洞を形成するように構成されており、金型Ｃは、上下金型が当接することによって、上孔型３２ｃおよび下孔型３４ｃが正円形の横断面ＲＣを有する円柱状の空洞を形成するように構成されている。
【００１８】
本実施形態においては、金型Ａ〜Ｃに形成される各空洞は、その横断面（ＲＡ、ＲＢ、ＲＣ）の形状が互いに異なるように構成されている。一方、各空洞は、その横断面（ＲＡ、ＲＢ、ＲＣ）の面積がいずれも加工対象である金属材料１０の横断面（Ｒ）の面積と等しくなるように構成されており、その長さＬがいずれも金属材料１０の長さＬに等しくなるように構成されている。以上、本実施形態の強加工方法に用いる金型について説明してきたが、次に、これらの金型を使用した金属材料１０の強ひずみ加工のスケジュールについて、図２〜５を参照して、以下詳細に説明する。
【００１９】
まず、図２に示すように、正円形の横断面を有する棒状の金属材料１０を、金型Ａの下金型１４に形成された下孔型１４ｃに嵌挿する（１）。次に、金属材料１０の上部が上孔型１２ｃに嵌合するように上金型１２をセットする（２）。この状態から上金型１２を下金型１４に当接するまでプレスする（３）。その結果、金属材料１０の横断面は正円形から正八角形に塑性変形し、この変形に伴って、金属材料１０の内部に横断面内でのひずみが生じる。
【００２０】
続いて、金型をＡからＢに切り換えた後、図３に示すように、横断面が正八角形となった金属材料１０を、金型Ｂの下金型２４に形成された下孔型２４ｃに嵌挿する（４）。次に、金属材料１０の上部が上孔型２２ｃに嵌合するように上金型２２をセットする（５）。この状態から上金型２２を下金型２４に当接するまでプレスする（６）。その結果、金属材料１０の横断面は正八角形から扁平した八角形に塑性変形し、この変形に伴って、金属材料１０の内部にさらに横断面内でのひずみが追加される。
【００２１】
続いて、金型をＢからＡに切り換えた後、図４に示すように、横断面が扁平した八角形となった金属材料１０を、再び金型Ａの下金型１４に形成された下孔型１４ｃに嵌挿する。なお、この際、金属材料１０が下孔型１４ｃ内に収まるように、金型Ｂから取り出したときの状態から金属材料１０を長手方向軸まわりに９０°回転させて下孔型１４ｃに嵌挿する（７）。次に、金属材料１０の上部が上孔型１２ｃに嵌合するように上金型１２をセットする（８）。この状態から上金型１２を下金型１４に当接するまでプレスする（９）。その結果、金属材料１０の横断面は扁平した八角形から正八角形に塑性変形し、この変形に伴って、金属材料１０の内部にさらに横断面内でのひずみが追加される。
【００２２】
続いて、金型をＡからＣに切り換えた後、図５に示すように、横断面が再び正八角形となった金属材料１０を、金型Ｃの下金型３４に形成された下孔型３４ｃに嵌挿する（１０）。次に、金属材料１０の上部が上孔型３２ｃに嵌合するように上金型３２をセットする（１１）。この状態から上金型３２を下金型３４に当接するまでプレスして、加工を終了する（１２）。その結果、金属材料１０の横断面は正八角形から加工前の正円形に塑性変形し、この変形に伴って、金属材料１０の内部にさらに横断面内でのひずみが追加される。
【００２３】
以上、図２〜５を参照して説明したように、本実施形態の強加工方法においては、金型を変える度に金属材料１０の横断面形状が変化し、これに伴って、金属材料１０の内部の横断面内でのひずみが生じる。しかしながら、１種類の金型による圧下方向は横断面方向で一様ではないため、各パス単体で見れば、そこで発生したひずみは均質ではない。この点につき、本実施形態においては、互いに横断面の形状が異なり、且つ、その横断面積の等しい複数の孔型を使用して金属材料１０を複数回にわたって圧縮成形することによって、金属材料１０の内部の横断面において、異なる方向からひずみを重層的に付与する。
【００２４】
本実施形態の強加工方法によれば、その加工過程において、金属材料１０の横断面積が減少しないため、金属材料１０の大きさを維持するためにパスの回数を制限する必要がなく、必要に応じて何度でも工程を繰り返すことができ、パスを重ねる度にひずみを蓄積することができる。すなわち、本実施形態の強加工方法によれば、金属材料１０のサイズを減少させることなく、その内部に大きなひずみを均一に発生させることが可能になる。また、本実施形態の強加工方法は、従来のＥＣＡＰ法に比べてその加工力が格段に小さいため、既存の型鍛造装置を用いて容易に実施することができる。
【００２５】
なお、上述した実施形態においては、正円形の横断面を有する棒状の金属材料に対して、３種類の孔型を用いて４工程で加工する形態について説明したが、本発明は、孔型の横断面の形状および圧縮成形の工程数をこれに限定するものではない。本発明においては加工対象材料の変形特性（加工硬化、結晶系、集合組織など）を考慮した上で、高いひずみを均一に付与することができるように、用いる孔型の横断面の形状、当該横断面の形状の変遷の態様、ならびに圧縮成形の工程数を最適化することが好ましい。また、上述した実施形態においては、金属材料の加工前の横断面の形状と最終加工後の横断面の形状とが等しい態様を示したが、本発明においては、加工後の横断面の最終形状については適宜決定することができ、最終工程における孔型の形状を加工前の金属材料の横断面の形状と異なるものにすることによって、素材形状と加工後の最終形状を異ならしめることもできる。
【００２６】
以上、本発明を、孔型の長さが加工対象の金属材料の長さと等しく構成された密閉型の金型を使用する実施形態をもって説明したが、本発明の強加工方法に用いることのできる金型は、密閉型に限定されるものではなく、孔型（空洞）の両端が開放された金型を用いて本発明の強加工方法を実施することもできる。
【００２７】
図６は、孔型の両端が開放された金型Ａ’、金型Ｂ’、および金型Ｃ’について示す。図６に示した金型Ａ’、金型Ｂ’、および金型Ｃ’は、それぞれ、図１に示した金型Ａ、金型Ｂ、および金型Ｃの各孔型の両端を開放したものであり、金型Ａ’〜Ｃ’の各孔型の横断面の形状およびその面積については、図１について説明したのと同様である。加工対象となる金属材料が長尺物である場合、金属材料と金型との間に大きな摩擦抵抗が生じるため、孔型（空洞）の両端が開放された金型を用いて圧縮成形しても金属材料は長手方向に伸長されない。したがって、長尺物の金属材料に本発明の強加工方法を適用する場合には、図６に示したような開放型の金型を用いることによって、強加工を連続プロセスとして行なうことができる。以下、図６および図７を参照して、正円形の横断面を有する長尺物の金属材料の強ひずみ加工を連続的に行なうプロセスについて説明する。
【００２８】
図７は、強ひずみ加工を連続プロセスとして行なう強加工装置５０による強加工方法のスケジュールを示す。強加工装置５０においては、金型Ａ’〜Ｃ’が加工軸方向に並設されている。具体的には、紙面左から、金型Ａ’、金型Ｂ’、金型Ａ’、金型Ｃ’の順番で配置されており、左から３番目の金型Ａ’は、図６に示すように１番目の金型Ａ’に対して加工軸方向に９０°回転した状態で配置されている。また、金型Ａ’〜Ｃ’は、その長手方向の長さＬが等しく構成されている。さらに、強加工装置５０は、長尺物の金属材料１０を金型Ａ’〜Ｃ’に対して送り出すための図示しない搬送手段を備える。
【００２９】
本実施形態においては、長尺物の金属材料１０を金型Ａ’〜Ｃ’に対して「長さＬ」づつ送り出す度に金型Ａ’〜Ｃ’を加圧プレスする工程を繰り返す。図７（１）は、長尺物の金属材料１０を強加工装置５０に導入して４パス目の加圧プレスを実行している状態を示し、図７（２）は、４パス目の加圧プレスが終了した際の長尺物の金属材料１０を示している。図７（２）に示すように、４パス目が終了した時点で、長尺物の金属材料１０は５つの加工状態を有しており、左端の１/５が未加工の状態、左から２番目の１/５が１パス終了した状態（正円形→正八角形）、左から３番目の１/５が２パス終了した状態（正円形→正八角形→扁平八角形）、左から４番目の１/５が３パス終了した状態（正円形→正八角形→扁平八角形→正八角形）、そして、左から５番目の１/５が４パス終了した状態（正円形→正八角形→扁平八角形→正八角形→正円形）となっている。
【００３０】
次に、図７（２）に示した状態から、長尺物の金属材料１０は、「長さＬ」分、白抜き矢印の方向に送り出した後、図７（３）に示すように、５パス目の加圧プレスが実行される。図７（４）は、５パス目の加圧プレスが終了した長尺物の金属材料１０を示している。図７（４）に示すように、５パス目が終了した時点で、長尺物の金属材料１０は４つの加工状態を有しており、左端の１/５が１パス終了した状態（正円形→正八角形）、左から２番目の１/５が２パス終了した状態（正円形→正八角形→扁平八角形）、左から３番目の１/５が３パス終了した状態（正円形→正八角形→扁平八角形→正八角形）、そして、左から４番目の２/５が４パス終了した状態（正円形→正八角形→扁平八角形→正八角形→正円形）となっている。以下、上述したのと同様の工程を繰り返すことによって、最終的には、長尺物の金属材料１０の全長にわたって、４パスの加工が実施されることになる。
【００３１】
なお、図７は、搬送手段の１回の送り出し長さが金型（すなわち、金型が備える空洞）の長さＬに等しい場合について示したが、これに限定されるものではなく、本発明における搬送手段の送り出し長さは、金型（空洞）の長さＬを超えない長さであればよく、金型（空洞）の長さＬよりも短い送り出し長さを採用することもできる。また、図７は、金型（空洞）の長さＬが全て等しい場合について示したが、本発明における金型（空洞）の長さＬは、それぞれが異なっていてもよく、その場合には、搬送手段の送り出し長さは、一番短い金型（空洞）の長さＬを超えない長さに設定すればよい。以上、説明した方法によれば、長尺物の金属材料に対して、連続的に強ひずみ加工を施すことが可能になり、作業のスループットが格段に向上する。
【００３２】
また、本発明においては、上述したのと同様の効果を奏する強加工を、一つの金型を用いて実施することもできる。この場合の金型は、上述した実施形態と同様に、備える空洞の横断面積が金属材料の横断面積に等しく、且つ、その横断面の形状が加工前の金属材料の横断面の形状と異なる正円形以外の形状であればよい。この実施形態においては、当該金型を使用して初回の圧縮成形をした後、この圧縮成形後の金属材料を金型から取り出し、長手方向軸回りに所定角度回転させた状態で再び同じ金型に挿嵌して圧縮成形する。２回目以降の圧縮成形工程は、この作業の繰り返しとなる。例えば、正円形の横断面を有する棒状の金属材料を、楕円形の横断面を有する空洞を備えた金型で圧縮成形をした後、２回目以降は、楕円柱状になった金属材料を、パスを重ねる度に、長手方向軸回りに９０°回転させて同じ金型で圧縮するという工程を繰り返す。このような方法によって、最終的に、強ひずみを付与された楕円形の横断面を有する金属材料を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
以上、説明したように、本発明によれば、金属材料に対し高いひずみを効果的に導入することができる新規な強加工方法および強加工装置が提供される。本発明によって、強ひずみ加工の工業化への道が開かれることが期待される。
【符号の説明】
【００３４】
１０…金属材料、１２…上金型、１４…下金型、２２…上金型、２４…下金型、３２…上金型、３４…下金型、５０…強加工装置、６０…金型、６２…金属材料、６４…屈曲部、７０…電流コイル、７２…金属材料、７４…冷却水
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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