(57)【要約】【課題】従来の降温多軸鍛造処理法に比べて、産業レベルでの適用により適したより簡便な工程で、難加工性材料に多量の歪みを導入することの可能な加工方法を提供する。【解決手段】難加工性金属材料を多軸鍛造処理する方法であって、（ａ）難加工性金属材料からなる被加工体を準備するステップと、（ｂ）前記被加工体を、相互に直交する３つの鍛造方向に沿って順次鍛造する処理を、１サイクル以上実施するステップと、を有し、前記ステップ（ｂ）は、最大１００℃以下の温度環境において、各１回の鍛造で導入される歪み量が０．０１〜０．２の範囲となるように行われることを特徴とする方法。【選択図】図２
2011121118.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
難加工性金属材料を多軸鍛造処理する方法であって、
（ａ）難加工性金属材料からなる被加工体を準備するステップと、
（ｂ）前記被加工体を、相互に直交する３つの鍛造方向に沿って順次鍛造する処理を、１サイクル以上実施するステップと、
を有し、
前記ステップ（ｂ）は、最大１００℃以下の温度環境において、各１回の鍛造で導入される歪み量が０．０１〜０．２の範囲となるように行われることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ステップ（ｂ）は、室温の環境下で実施されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ステップ（ｂ）は、２サイクル〜４０サイクル実施されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記ステップ（ｂ）において、１回の鍛造は、３×１０−３／ｓｅｃ〜１０／ｓｅｃの範囲の歪み速度で実施されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の方法。
【請求項５】
前記ステップ（ｂ）は、前記被加工体に、０．５〜６．４の範囲の総歪み量が導入されるまで繰り返されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の方法。
【請求項６】
前記難加工性金属材料は、マグネシウム合金、チタン合金および銅合金からなる群中から選定された材料であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載の方法。
【請求項７】
さらに、前記ステップ（ｂ）の後、
（ｃ）前記被加工体を時効処理するステップ
を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一つに記載の方法。
【請求項８】
前記時効処理するステップは、
前記被加工体を、３７３Ｋ〜４７３Ｋの温度範囲で時効処理するステップを有することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
難加工性金属材料を多軸鍛造処理する装置であって、
前記請求項１乃至８のいずれか一つに記載の方法を実施することの可能な装置。
【請求項１０】
難加工性金属材料を多軸鍛造処理する装置であって、
難加工性金属材料からなる被加工体を支持する台と、
一つの鍛造方向に沿って前記被加工体を鍛造する鍛造手段と、
前記被加工体の前記鍛造手段に対する配向方向を調整することの可能な、被加工体配向制御手段と、
を有し、
前記鍛造手段は、最大１００℃以下の温度環境において、１回の鍛造で、前記一つの鍛造方向に沿って前記被加工体に、０．０１〜０．２の範囲の歪み量を導入することができることを特徴とする装置。
【請求項１１】
前記鍛造手段の前記一つの鍛造方向は、鉛直方向であって、
前記被加工体配向制御手段は、前記被加工体の鍛造される表面が上面となるように動作することを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記被加工体配向制御手段は、１回の鍛造の後に、前記被加工体の前記台との接触面が前記被加工体の側面の一つとなり、前記被加工体の側面の一つが前記台との接触面となるように、前記被加工体を回転させることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
組織内に、
少なくとも３つの異なる方向に延在する、幅が５μｍ以下の第１の変形双晶を複数含み、
少なくとも一つの前記第１の変形双晶の中には、より微細な第２の変形双晶が形成されていることを特徴とする金属材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、難加工性金属材料の鍛造方法に関し、特に、難加工性金属材料の多軸鍛造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで、例えばマグネシウム合金のような難加工性金属材料に、圧延処理または鍛造処理などの一般的な加工処理を適用すると、容易にワレや欠陥が生じてしまうことが知られている。従って、難加工性金属材料は、加工硬化処理による大きな強度向上効果を期待することは難しく、このため、難加工性金属材料の適用分野は、強度があまり重要視されない、特定の分野に限定されているのが現状である。例えば、マグネシウム合金は、アルミニウム合金を超える比強度を有するにも関わらず、その適用分野は、小型電子機器用の部品など、限られた一部の用途に留まっている。
【０００３】
このような問題に対処するため、近年、降温多軸鍛造処理と呼ばれる鍛造方法が提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２９１４８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述の降温多軸鍛造処理方法では、鍛造の１パス毎に、鍛造方向を変えるとともに、被加工体の温度を低下させることにより、最終的に被加工体に多くの歪みを導入することができる。従って、難加工性金属材料からなる被加工体に降温多軸鍛造処理を適用した場合、結晶粒が微細化し、強度を向上させることができると予想される。
【０００６】
しかしながら、このような降温多軸鍛造処理方法では、被加工体の温度、各鍛造パス時の導入歪み量など、加工の際に制御すべき条件が多岐にわたり、操作が煩雑で大変であるという問題がある。また、処理の際には、雰囲気の温度を高精度で調節することの可能な高温用の電気炉が必要になるという問題がある。従って、降温多軸鍛造処理方法は、製品の大量生産や低コスト化が必要となるような、産業レベルでの適用には不向きである。
【０００７】
本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、本発明では、従来の降温多軸鍛造処理方法に比べて、産業レベルでの適用により適したより簡便な工程で、難加工性材料に多量の歪みを導入することの可能な加工方法を提供することを目的とする。また、そのような方法を実施するための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】
本発明では、難加工性金属材料を多軸鍛造処理する方法であって、
（ａ）難加工性金属材料からなる被加工体を準備するステップと、
（ｂ）前記被加工体を、相互に直交する３つの鍛造方向に沿って順次鍛造する処理を、１サイクル以上実施するステップと、
を有し、
前記ステップ（ｂ）は、最大１００℃以下の温度環境において、各１回の鍛造で導入される歪み量が０．０１〜０．２の範囲となるように行われることを特徴とする方法が提供される。
【０００９】
ここで、本発明による方法において、前記ステップ（ｂ）は、室温の環境下で実施されても良い。
【００１０】
また、本発明による方法において、前記ステップ（ｂ）は、２サイクル〜４０サイクル実施されても良い。
【００１１】
また、本発明による方法では、前記ステップ（ｂ）において、１回の鍛造は、３×１０−３／ｓｅｃ〜１０／ｓｅｃの範囲の歪み速度で実施されても良い。
【００１２】
また、本発明による方法において、前記ステップ（ｂ）は、前記被加工体に、０．５〜６．４の範囲の総歪み量が導入されるまで繰り返されても良い。
【００１３】
また、本発明による方法において、前記難加工性金属材料は、マグネシウム合金、チタン合金および銅合金からなる群中から選定された材料であっても良い。
【００１４】
また、本発明による方法は、さらに、前記ステップ（ｂ）の後、
（ｃ）前記被加工体を時効処理するステップ
を有しても良い。
【００１５】
この場合、前記時効処理するステップは、
前記被加工体を、３７３Ｋ〜４７３Ｋの温度範囲で時効処理するステップを有しても良い。
【００１６】
また、本発明では、難加工性金属材料を多軸鍛造処理する装置であって、
前述のいずれかの方法を実施することの可能な装置が提供される。
【００１７】
さらに、本発明では、難加工性金属材料を多軸鍛造処理する装置であって、
難加工性金属材料からなる被加工体を支持する台と、
一つの鍛造方向に沿って前記被加工体を鍛造する鍛造手段と、
前記被加工体の前記鍛造手段に対する配向方向を調整することの可能な、被加工体配向制御手段と、
を有し、
前記鍛造手段は、最大１００℃以下の温度環境において、１回の鍛造で、前記一つの鍛造方向に沿って前記被加工体に、０．０１〜０．２の範囲の歪み量を導入することができることを特徴とする装置が提供される。
【００１８】
ここで、本発明による装置において、前記鍛造手段の前記一つの鍛造方向は、鉛直方向であって、
前記被加工体配向制御手段は、前記被加工体の鍛造される表面が上面となるように動作しても良い。
【００１９】
また、本発明による装置において、前記被加工体配向制御手段は、１回の鍛造の後に、前記被加工体の前記台との接触面が前記被加工体の側面の一つとなり、前記被加工体の側面の一つが前記台との接触面となるように、前記被加工体を回転させても良い。
【００２０】
さらに、本発明では、
組織内に、
少なくとも３つの異なる方向に延在する、幅が５μｍ以下の第１の変形双晶を複数含み、
少なくとも一つの前記第１の変形双晶の中には、より微細な第２の変形双晶が形成されていることを特徴とする金属材料が提供される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明では、従来の降温多軸鍛造処理法に比べて、産業レベルでの適用により適したより簡便な工程で、難加工性材料に多量の歪みを導入することの可能な加工方法を提供することができる。また、そのような方法を実施するための装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】多軸鍛造処理法の一例を概略的に示した図である。
【図２】本発明による難加工性金属材料を多軸鍛造処理する方法のフローチャートの一例である。
【図３】本発明による方法によって得られた難加工性金属材料組織の一例を模式的に示した図である。
【図４】本発明による方法によって得られたマグネシウム合金の組織のＴＥＭ写真である。
【図５】本発明による方法を実施するための装置の一例を模式的に示した図である。
【図６】本発明による方法を実施するための装置を用いて、被加工体を鍛造する際の各工程を模式的に示した図である。
【図７】本発明による方法を実施するための装置を用いて、被加工体を鍛造する際の各工程を模式的に示した図である。
【図８】マグネシウム合金における累積歪み量Σεと真応力σ（ＭＰａ）の関係を示したグラフである。
【図９】各鍛造パス後のサンプルの光学顕微鏡写真を示した図である。
【図１０】結晶方位分散分析装置による、４パス後のマグネシウム合金サンプルの組織観察結果を示した図である。
【図１１】鍛造パス数とサンプルの硬度の関係を示した図である。
【図１２】各サンプルにおける累積歪みΣεと硬度の関係を示したグラフである。
【図１３】サンプルＡ１およびＡ２の引張試験によって得られた応力と歪みの関係を示したグラフである。
【図１４】サンプルＢ１およびＢ２の引張試験によって得られた応力と歪みの関係を示したグラフである。
【図１５】サンプルＣ１およびＣ２の引張試験によって得られた応力と歪みの関係を示したグラフである。
【図１６】サンプルＤ０〜Ｄ３の引張試験によって得られた応力と歪みの関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
一般に、マグネシウム合金等の難加工性材料は、加工性が悪く、圧延処理または鍛造処理などの一般的な加工処理を施工すると、容易にワレや欠陥が生じてしまうことが知られている。従って、難加工性金属材料の場合、加工により多くの歪みを導入することはできず、加工硬化処理による大きな強度向上効果を期待することは難しいという問題がある。
【００２４】
このため、近年、降温多軸鍛造処理と呼ばれる鍛造方法が提案されている。この方法では、鍛造の１パス毎に、鍛造方向が長手方向となるようにし、すなわち鍛造方向を相互に直交する３方向の順（例えば、Ｘ方向→Ｙ方向→Ｚ方向の順）に変化させるとともに、被加工体の温度を低下させる。この方法では、３方向の鍛造を繰り返すことにより、最終的に被加工体に多くの歪みを導入することができる。従って、難加工性金属材料からなる被加工体に降温多軸鍛造処理を適用した場合、結晶粒が微細化し、材料強度を向上させることができると考えられる。
【００２５】
しかしながら、このような降温多軸鍛造処理では、被加工体の温度、各鍛造パス時の導入歪み量など、加工の際に制御すべき条件が多岐にわたり、操作が煩雑で大変であるという問題がある。また、処理の際には、雰囲気の温度を高精度で調節することの可能な高温用の電気炉が必要になるという問題がある。従って、降温多軸鍛造処理方法は、実験室レベルでの適用は可能であっても、製品の大量生産や低コスト化が必要となる、産業レベルでの適用には不向きである。
【００２６】
これに対して、本願発明者らによって見出された新たな方法（本発明の方法）は、以下に詳細を示すように、制御すべき加工条件が少なく、より簡便に実施することができるという特徴を有する。また、本発明の方法は、室温近傍（最大でも１００℃以下、例えば５０℃）の温度で実施することができるため、高温の電気炉も不要である。従って、大量生産に適し、低コスト化も実現できるという特徴を有する。
【００２７】
以下、図面を参照して、本発明について詳しく説明する。
【００２８】
本発明は、難加工性金属材料を多軸鍛造処理する方法であって、
（ａ）難加工性金属材料からなる被加工体を準備するステップと、
（ｂ）前記被加工体を、相互に直交する３つの鍛造方向に沿って順次鍛造する処理を、１サイクル以上実施するステップと、
を有し、
前記ステップ（ｂ）は、最大１００℃以下の温度環境において、各１回の鍛造で導入される歪み量が０．０１〜０．２の範囲となるように行われることを特徴とする方法に関する。
【００２９】
本発明による方法は、「多軸鍛造処理」を基本とするものである。ここで、「多軸鍛造処理」とは、１方向での鍛造処理毎に、長手方向が圧縮方向となるようにして、被加工材料の鍛造方向を変えて圧縮を繰り返す加工処理方法を意味する。
【００３０】
図１は、多軸鍛造処理方法を概略的に説明する図である。まず最初に、図１（１）に示すような矩形状の被加工体（サンプル）４が準備される。次に、この被加工体４が第１の方向（Ｘ軸方向）に沿って鍛造される（第１回目のパス）。
【００３１】
次に図１（２）に示すように、被加工体４が第２の方向（Ｙ軸方向）に沿って鍛造される（第２回目のパス）。さらに、図１（３）に示すように、被加工体４が第３の方向（Ｚ軸方向）に沿って鍛造される（第３回目のパス）。３回分のパスによって、被加工体４は、外観上、実質的に最初の形状に戻る（図１（４））。
【００３２】
ここで、被加工体４のアスペクト比は、図１（１）〜（３）に示す各圧縮軸方向（Ｘ、ＹおよびＺ方向）からの鍛造による圧縮率によって決まる。換言すれば、被加工体４のアスペクト比は、採用するパス毎の圧縮率によって変化させることができる。例えば、図１の例では、被加工体１のアスペクト比は、１．０（Ｚ方向）：１．４９（Ｙ方向）：２．２２（Ｘ方向）となっており、これは、各方向での１回のパスにおいて、被加工材料４に導入される加工歪み量εが、いずれも０．８の場合に相当する。鍛造毎の加工歪み量が０．０１〜０．２の場合、このアスペクト比は必要ではないが、後の説明と理解が容易であるため、このアスペクト比を有する被加工体を利用する。ちなみに鍛造毎の加工ひずみが０．１の場合、アスペクト比は１．１１：１．１０：１．００となる。
【００３３】
このような「多軸鍛造処理」方法では、各方向からの鍛造パスを順次繰り返すことにより、結果的に、被加工体４中に多量の歪みを導入することができる。
【００３４】
ただし、前述のように、難加工性材料は、加工性が悪いため、難加工性材料に対して、１回のパスで大きな歪みを導入しようとすると、容易にワレや欠陥が生じてしまう。そこで、本発明では、各１回の鍛造（１パスとも言う）で導入される歪み量を少なくして、各方向の鍛造を実施することに特徴がある。具体的には、各１回の鍛造（１パスとも言う）で導入される歪み量は、０．０１〜０．２の範囲である。そのため、本発明では、鍛造毎の加工歪み量が小さく、鍛造方向は必ずしも被加工体の長手方向である必要はない。
【００３５】
これにより、難加工性金属材料であっても、多軸鍛造処理後に、被加工体にワレおよび／または欠陥が生じることを回避することができる。また、鍛造毎の加工ひずみが小さいため、結果として加工による集合組織の形成を防ぐことができ、加工性の低下を防ぐことができる。
【００３６】
図２には、本発明による方法のフローの一例を模式的に示す。本発明による方法は、難加工性金属材料からなる被加工体を準備するステップ（Ｓ１１０）と、この被加工体を、相互に直交する３つの鍛造方向に沿って、順次鍛造する処理を、１サイクル以上実施するステップ（Ｓ１２０）と、を有する。また、本発明による方法は、さらに任意で、多軸鍛造処理された被加工体を時効処理するステップ（Ｓ１３０）を含んでも良い。また多軸鍛造するステップ（Ｓ１２０）と時効処理するステップ（Ｓ１３０）を繰り返しても良い。この場合、時効後の回復軟化による強度低下を加工硬化によって補うことができる。
【００３７】
以下、各ステップについて、詳しく説明する。
【００３８】
（１．被加工体を準備するステップ）
まず最初に、難加工性金属材料からなる被加工体が準備される。
【００３９】
ここで、「難加工性金属材料」とは、室温での引張試験における破断伸びが４０％以下の金属および合金を表す。「難加工性金属材料」には、例えば、マグネシウム合金、チタン合金、銅合金、鉄合金、ジルコニウム合金、モリブデン合金、およびニオブ合金などが含まれる。
【００４０】
マグネシウム合金の一例は、ＡＺ系マグネシウム合金（アルミニウムと亜鉛とを含むマグネシウム合金）、希土類元素添加マグネシウム合金、およびＣａ添加マグネシウム合金等である。
【００４１】
チタン合金の一例は、アルミニウム添加チタン合金、スズ添加チタン合金、およびバナジウム添加チタン合金等である。
【００４２】
銅合金の一例は、銅−チタン合金、およびニッケル−シリコン添加銅合金である。
【００４３】
鉄合金の一例は、マルテンサイト相を含む鋼等である。
【００４４】
被加工体の平均結晶粒径は、特に限られない。ただし、多軸鍛造処理後に、微細な結晶粒からなる材料組織を得るためには、平均結晶粒径が大きい被加工体ほど、多軸鍛造処理ステップにおいて、より多くの歪みを被加工体に導入する必要がある。
【００４５】
（２．鍛造処理ステップ）
次に、前述の被加工体がＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向（図１参照）に沿って、順次鍛造処理される。
【００４６】
本発明では、多軸鍛造処理は、室温近傍（最大でも１００℃以下の温度）で実施される。従って、降温多軸鍛造処理方法において必要となる、高温の電気炉のような設備は不要であり、低コストかつ簡便な鍛造方法を提供することができる。なお、ここでの「温度」は、主として被加工体がさらされる環境側の温度を意味する。これは、被加工体の温度は、鍛造の実施によってある程度上昇するため、被加工体の温度で「温度」を規定すると、その値が曖昧になるためである。
【００４７】
また前述のように、各方向における１パスの鍛造において、被加工体に導入される歪み量は、０．０１〜０．２の範囲である。この値は、降温多軸鍛造処理方法において、１回のパスで被加工体に導入される典型的な歪み量、すなわち０．６〜０．８に比べて有意に小さい。これにより、難加工性金属材料であっても、多軸鍛造処理の後に、被加工体にワレおよび／または欠陥が生じることを回避することができる。
【００４８】
なお、１回の鍛造パスにおいて導入される歪み量は、正確には、被加工体の材料等に依存する。例えば、被加工体がマグネシウム合金の場合、１回の鍛造パスにおいて導入される歪み量は、０．１〜０．２程度であることが好ましい。ただし、いずれの難加工性金属材料の場合も、歪み量は、最大でも０．２以内とされる。これを超える歪み量を一度に加えると、鍛造後にワレが生じる可能性が高まるからである。
【００４９】
また、多軸鍛造処理によって被加工体に導入される総歪み量（Σε）は、被加工体を構成する材質にもよるが、１．０〜４０程度であることが好ましい。
【００５０】
また、本発明では、各パスでの歪み速度は、通常、３×１０−３／ｓｅｃ〜１０／ｓｅｃの範囲である。この歪み速度は、各パスにおいて実質的に一定であっても良い。
【００５１】
また、Ｘ、ＹおよびＺの各鍛造方向での１回ずつの鍛造を１サイクルとした場合、このサイクル数は、１サイクル以上であることが好ましく、２〜４０サイクルの範囲であることがより好ましい。ここで、サイクル数は、整数に限られないことは、明らかであろう。すなわち、サイクル数は、整数＋１／３または整数＋２／３の値であっても良く、これらのサイクル数は、それぞれ、Ｘ方向→Ｙ方向→Ｚ方向→...の各鍛造がＸ方向での鍛造で完了する場合、およびＹ方向で完了する場合を意味する。また、この鍛造方向は、被加工体の状況や形状によって、途中でＸ方向→Ｚ方向→Ｙ方向のように変えても良い。
【００５２】
（３．時効処理ステップ）
次に、必要な場合、被加工体に、さらに時効処理を行っても良い。時効処理の温度は、これに限られるものではないが、例えば、３７３Ｋ〜４７３Ｋの範囲である。また、時効処理の時間は、これに限られるものではないが、例えば、数分〜数時間の範囲である。時効処理は、例えば、オイルバス中で実施されても良い。
【００５３】
以上の工程を経て、多量の歪みが導入された、難加工性金属材料からなる被加工体を得ることができる。
【００５４】
このような方法で得られる難加工性金属材料の組織は、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）で観察した場合、少なくとも３つの異なる方向に延在する、幅が５μｍ以下の１次変形双晶を多数含み、少なくとも一つの前記１次変形双晶の中には、より微細な２次変形双晶が形成されていると言う特徴を有する。
【００５５】
ここで、変形双晶とは、ある面に平行な剪断変形によって形成された母相と同じ結晶構造を有する方位の異なる領域を意味する。また、１次変形双晶の「幅」とは、１次変形双晶の縦および横の寸法のうち、短い方の長さを意味する。この「幅」は、特に、１μｍ以下であることが好ましい。一方、１次変形双晶の長い方の長さ、すなわち全長は、特に限られないが、例えば、０．１μｍ〜数百μｍの範囲であり、これは、変形前の結晶粒径に依存する。また、２次変形双晶の全長および幅は、特に限られないが、通常の場合、全長は、約０．２μｍ〜約数百μｍの範囲であり、幅は、約０．１μｍ〜約５０μｍの範囲である。
【００５６】
また、「変形双晶を多数含む」とは、ＴＥＭ観察の際に、一視野（倍率：５０００倍〜１万倍）において、組織内に少なくとも５個以上の変形双晶が認められることを意味する。なお、通常の場合、変形双晶は、少なくとも１０個以上認められる場合が多いであろう。
【００５７】
図３には、本発明による方法によって得られた難加工性金属材料組織の一例を模式的に示す。この図は、ＴＥＭ装置による１万倍の倍率で得られたものである。
【００５８】
図３に示すように、組織２００内には、多数の１次変形双晶２１０が認められる。また、１次変形双晶２１０の少なくとも１つには、内部に２次変形双晶２２０が形成されていることがわかる。例えば、図３の例では、ｎ次（ただしｎは１以上）変形双晶２１０Ａの内部に、複数の（ｎ＋１）次の高次変形双晶２２０Ａが形成されており、ｎ次変形双晶２１０Ｂの内部に、複数の（ｎ＋１）次の高次変形双晶２２０Ｂが形成されており、ｎ次変形双晶２１０Ｃの内部に、複数の（ｎ＋１）次変形双晶２２０Ｃが形成されている。
【００５９】
図４には、多軸鍛造処理後のマグネシウム合金の実際の組織のＴＥＭ写真（倍率１万倍）の一例を示す。このマグネシウム合金は、室温で、合計２０パス（サイクル数６＋２／３回）の多軸鍛造処理後に得られたものである。１回のパスでの導入される歪み量εは、０．１である。
【００６０】
この組織写真から明らかなように、本発明による方法で調製されたマグネシウム合金の組織は、多くの１次変形双晶を有し、これらの１次変形双晶は、少なくとも３方向に延在している。また、いくつかの１次変形双晶内には、２次変形双晶が形成されていることが確認される。図１０からもわかるとおり、一次変形双晶は非常に大きい。従って、図４のＴＥＭ写真の微細な変形双晶は、変形双晶内に形成された高次双晶変形の発達によるものであることが理解できる。
【００６１】
このように、本発明による方法で処理された難加工性金属材料では、結晶粒が微細化され、多数の１次変形双晶および２次変形双晶が形成され、これにより、強度等の材料特性を向上させることができる。
【００６２】
（本発明による装置）
次に、本発明による方法を実施するための装置について説明する。
【００６３】
本発明による方法を実施するための装置は、少なくとも、
被加工体を支持する台と、
少なくとも一つの鍛造方向に沿って、前記被加工体を鍛造する鍛造手段と、
前記被加工体の前記鍛造手段に対する配向方向を調整することの可能な、被加工体配向制御手段と、
を有する。
【００６４】
ただし、鍛造手段が、相互に垂直な３方向（Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向）のそれぞれに沿って、被加工体を鍛造することが可能である場合、被加工体配向制御手段は、不要である。
【００６５】
図５には、そのような本発明による方法を実施するための装置の一例を模式的に示す。この装置１００は、被加工体１１０を支持する台１２０と、一つの鍛造方向（図の例では、Ｚ方向）に沿って、被加工体１１０を鍛造する鍛造手段１３０と、被加工体１１０の鍛造手段１３０に対する配向方向を調整することの可能な、被加工体配向制御手段１４０とを有する。
【００６６】
鍛造手段１３０は、図５のＺ方向の１回のパスで、被加工体１１０に対して、０．０１〜０．２の歪みを導入するように動作する。
【００６７】
また、被加工体配向制御手段１４０は、この図の例では、Ｘ方向およびＹ方向に、４行×４列の１６個の区画１４１Ａ〜１４１Ｐを有する板状部材を有する。被加工体配向制御手段１４０は、台１２０に埋設されている。
【００６８】
なお、通常の場合、装置１００は、さらに、被加工体１１０が鍛造される際に、被加工体１１０の位置ずれを防止する固定部材等を有するが、そのような部材は、本発明に特有のものではないため、ここではその説明を省略する。
【００６９】
次に、このような装置１００の動作について説明する。図６および図７には、装置１００を用いて、被加工体１１０に対して本発明による多軸鍛造処理方法を適用する際の各工程を模式的に示した図である。
【００７０】
まず、図６（ａ）に示すように、図６のＺ方向に沿って、鍛造手段１３０により、被加工体１１０の鍛造（第１パス）を行う。この段階では、被加工体１１０の底面１１０Ａが台１２０（正確には、台１２０に埋設された被加工体配向制御手段１４０）と接触している。これにより、被加工体１１０は、図６（ｂ）に示すような形状となる。
【００７１】
次に、図６（ｃ）に示すように、台１２０に埋設された被加工体配向制御手段１４０の区画１４１のうち、被加工体１１０の底面１１０Ａの一部と接触する区画１４１（例えば区画１４１Ｆおよび１４１Ｇ）、およびこれと同じＸ座標にある区画１４１（例えば、区画１４１Ｅ、１４１Ｈ）が、Ｚ方向に沿って緩やかに上昇する。
【００７２】
これにより、図６（ｄ）に示すように、被加工体１１０の底面１１０Ａが点Ｑ１を回転中心とした状態で持ち上げられる。最終的に、図６（ｅ）に示すように、被加工体１１０がＸＺ平面において、半時計方向に９０゜回転すると、被加工体１１０の当初の底面１１０Ａは、ＹＺ平面と平行な側面１１０Ａとなる。また今度は、被加工体１１０の当初の側面１１０Ｂが、台１２０（正確には、台１２０に埋設された被加工体配向制御手段１４０）と接触する。ここで、必要な場合、区画１４１は、Ｙ軸を回転軸として回転し、これにより被加工体を回転させても良い。
【００７３】
図６（ｅ）に示すように、この状態で、鍛造手段１３０により、Ｚ方向に沿って、被加工体１１０の鍛造（第２パス）が行われる。
【００７４】
これにより、被加工体１１０は、図７（ａ）に示すような形状となる。この段階では、被加工体１１０の側面１１０Ｂ（見た目上、被加工体１１０の新たな底面）が台１２０（正確には、台１２０に埋設された被加工体配向制御手段１４０）と接触している。
【００７５】
次に、図７（ｂ）に示すように、台１２０に埋設された被加工体配向制御手段１４０の区画１４１のうち、被加工体１１０の側面１１０Ｂの一部と接触する区画１４１（例えば区画１４１Fおよび１４１Ｊ）、およびこれと同じＹ座標にある区画１４１（例えば、区画１４１Ｂ、１４１Ｎ）が、Ｚ方向に緩やかに上昇する。
【００７６】
これにより、図７（ｃ）に示すように、被加工体１１０の側面１１０Ｂが点Ｑ２を回転中心とした状態で持ち上げられる。最終的に、図７（ｄ）に示すように、被加工体１１０がＹＺ平面において、時計方向に９０゜回転すると、被加工体１１０の側面１１０Ｂは、ＸＺ平面と平行な新たな側面１１０Ｂとなる。また今度は、被加工体１１０のＸＺ平面と平行な側面１１０Ｃが、台１２０（正確には、台１２０に埋設された被加工体配向制御手段１４０）と接触するようになる。ここで、必要な場合、区画１４１は、Ｘ軸を回転軸として回転し、これにより被加工体を回転させても良い。
【００７７】
図７（ｄ）に示すように、この状態で、鍛造手段１３０により、Ｚ方向に沿って、被加工体１１０の鍛造（第３パス）が行われる。
【００７８】
以上の工程を繰り返すことにより、装置１００により、被加工体１１０に対して、本発明による多軸鍛造処理方法を実施することができる。
【００７９】
なお、図５に示した装置、および図６，図７に示した工程は、一例であって、別の構成の装置、および別の工程により、被加工体１１０に対して、本発明による方法を実施しても良いことは、明らかであろう。
【実施例】
【００８０】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００８１】
（実施例１）
表１に示す組成のＡＺ系のマグネシウム合金材料（大阪冨士工業株式会社製：ＡＺ６１）を準備した。合金材料の寸法は、縦（Ｘ方向）２０ｍｍ×横（Ｙ方向）２０ｍｍ×高さ（Ｚ方向）２０ｍｍである。平均結晶粒径は、約６２μｍであった。
【００８２】
【表１】
2011121118.tif 000003
次に、この合金材料を用いて、多軸鍛造処理を実施した。まず最初に、室温（３００Ｋ）で、合金材料の第１の方向（Ｘ方向）に沿って、合金材料を鍛造した（第１パス）。第１パスにより導入される歪み量εは、０．１とした。次に、合金材料の第２の方向（Ｙ方向）に沿って、合金材料を鍛造した（第２パス）。第２パスにより導入される歪み量εは、０．１とした。次に、合金材料の第３の方向（Ｚ方向）に沿って、合金材料を鍛造した（第３パス）。第３パスにより導入される歪み量εは、０．１とした。以上のサイクルを１サイクルとし、合金材料を最大１３サイクル鍛造した（総パス数は、３９）。以上の多軸鍛造工程により、合金材料には、最大３．９の累積歪みΣεが導入された。各パスにおいて、歪み速度は、いずれも３×１０−３／ｓｅｃとした。
【００８３】
図８には、３８パスまでの累積歪み量Σεと真応力σ（ＭＰａ）の関係を示した。
【００８４】
次に、パス数が４回（サイクル数１＋１／３）の合金材料サンプル（総歪み量０．４）と、パス数が３８回（サイクル数１２＋２／３）の合金材料サンプル（総歪み量３．８）とを用いて、多軸鍛造処理後の組織の観察を行った。
【００８５】
図９には、各サンプルの光学顕微鏡の写真を示す。図において、（ａ）は、鍛造前の組織を示している。また、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、パス数が４回および３８回のサンプルにおける組織を示している。
【００８６】
図９の（ａ）および（ｂ）の比較では、組織間に巨視的な差異は認められないが、図９の（ｃ）では、結晶粒径が判別し難いほど、結晶が微細化していることがわかる。また、図１０には、結晶方位分散分析装置を用いて、パス数が４回のサンプルの組織を観察した結果を示す。この図から、組織内には、変形双晶が多数形成されていること（右上の斜め方向に延在する灰色線状組織）、およびキンク帯（中央部の黒色線状部分）による結晶粒の分断が生じていることがわかる。従って、微視的には、パス数が４回のサンプルにおいても、鍛造前のサンプルに比べて、大きな組織変化が生じていると言える。すなわち、難加工材の一つであるＭｇ合金に本発明を適用することにより、室温での巨大歪み加工が可能となった。また、その結果、変形双晶等の結晶粒微細化機構の働きにより、結晶粒が微細化した。
【００８７】
図１１には、累積歪み量Σεとサンプルの硬度Ｈｖの関係を示す。この結果から、累積歪み量Σε、すなわち鍛造のパス数を増加させるほど、硬度が上昇する傾向にあることがわかる。特に、鍛造のパス数が４０に近づき、累積歪み量Σεが４に近くになると、合金材料の硬度は、１２００ＭＰａという、マグネシウム合金としては異例の、極めて高い値に達することが予想される。
【００８８】
（実施例２）
次に、以下の方法で、各種サンプルを調製し、マグネシウム合金材料の材料特性について評価した。
【００８９】
（サンプルＡ群）
まず、前述の実施例１と同様の方法により、マグネシウム合金材料に対して多軸鍛造処理を実施し、パス数、すなわち累積歪みΣεが異なる多数のサンプルを調製した（以下、サンプルＡ群と称する）。多軸鍛造処理により、マグネシウム合金材料には、最大で２．０の累積歪みΣεが導入された。特に、累積歪みΣεが１．０のマグネシウム合金材料をサンプルＡ１と称し、累積歪みΣεが２．０のマグネシウム合金材料をサンプルＡ２と称する。
【００９０】
（サンプルＢ群）
サンプルＡ２に対して、４０３Ｋで１時間の時効処理を行った。さらに、時効処理後に、再度、このサンプルに対して、多軸鍛造処理を行った。２回目の多軸鍛造処理は、１回目の多軸鍛造処理と同条件で実施した。これにより、２回目の多軸鍛造処理のパス数、すなわち累積歪みΣεが異なる多数のサンプルを調製した（以下、サンプルＢ群と称する）。特に、２回目の多軸鍛造処理での累積歪みΣεが０．２のマグネシウム合金材料をサンプルＢ２と称する。また、２回目の多軸鍛造処理を実施していないマグネシウム合金材料をサンプルＢ１と称する。
【００９１】
（サンプルＣ群）
まず最初に時効処理を行ってから、各パス数の多軸鍛造処理を実施することにより、累積歪みΣεが異なる多数のサンプルを調製した（以下、サンプルＣ群と称する）。時効処理の条件は、４０３Ｋ、１時間である。
【００９２】
多軸鍛造処理により、マグネシウム合金材料には、最大で１．７の累積歪みΣεが導入された。特に、累積歪みΣεが０．５のマグネシウム合金材料をサンプルＣ１と称し、累積歪みΣεが１．０のマグネシウム合金材料をサンプルＣ２と称し、累積歪みΣεが１．７のマグネシウム合金材料をＣ３と称する。
【００９３】
（サンプルＤ群）
まずサンプルＡ群と同様の条件で、多軸鍛造処理を行い、１．０の累積歪みΣεを導入した。次に、このマグネシウム合金材料を時効処理した。時効処理の条件は、４０３Ｋ、１時間である。さらに、このマグネシウム合金材料に対して、２回目の多軸鍛造処理を行い、累積歪みΣεが異なる多数のサンプルを調製した（以下、サンプルＤ群と称する）。
【００９４】
特に、２回目の多軸鍛造処理での累積歪みΣεが０．４のマグネシウム合金材料をサンプルＤ１と称し、２回目の多軸鍛造処理での累積歪みΣεが０．８のマグネシウム合金材料をサンプルＤ２と称し、２回目の多軸鍛造処理での累積歪みΣεが１．０のマグネシウム合金材料をサンプルＤ３と称する。また、２回目の多軸鍛造処理を実施していないマグネシウム合金材料をサンプルＤ０と称する。
【００９５】
図１２には、各サンプル群における累積歪みΣεと硬度の関係を示す。
【００９６】
この図から、時効処理を実施していないサンプルＡ群に比べて、時効処理を行った各サンプルＢ群〜Ｄ群では、いずれも硬度が向上していることがわかる。
【００９７】
この原因として、（１）時効による析出物が転位の移動を妨げ、これにより変形抵抗が向上したこと、ならびに（２）変形抵抗が上昇して、転位の移動がより困難になることにより、変形双晶が多数発生したことが考えられる。
【００９８】
次に、各サンプルを用いて引張試験を行った。引張試験は、室温で、歪み速度１０−３／秒で実施した。
【００９９】
図１３には、サンプルＡ１およびＡ２の引張試験によって得られた応力と歪みの関係を示す。図には、比較のため、焼鈍処理のままのマグネシウム合金材料サンプル（Ａ０）の結果を同時に示した。
【０１００】
この図から、サンプルＡ１およびＡ２では、焼鈍処理のままのサンプルＡ０に比べて、最大応力および降伏応力が増大していることがわかる。これは、変形抵抗の向上によるものである。
【０１０１】
図１４には、サンプルＢ１およびＢ２の引張試験によって得られた応力と歪みの関係を示す。この図から明らかなように、いずれのサンプルにおいても、高い最大応力および降伏応力が得られていることがわかる。また、時効処理後の多軸鍛造処理により、最大強度がさらに向上することがわかる。
【０１０２】
図１５には、サンプルＣ１およびＣ２の引張試験によって得られた応力と歪みの関係を示す。図には、比較のため、時効処理のままのマグネシウム合金材料サンプル（Ｃ０）の結果を同時に示した。
【０１０３】
この図から、サンプルＣ１およびＣ２では、時効処理のままのサンプルＣ０に比べて、最大応力および降伏応力が増大していることがわかる。また、２回目の多軸鍛造処理のパス数を増やすことにより、最大強度がさらに向上することがわかる。
【０１０４】
図１６には、サンプルＤ０〜Ｄ３の引張試験によって得られた応力と歪みの関係を示す。
【０１０５】
この結果から、いずれのサンプルにおいても、高い最大応力および降伏応力が得られていることがわかる。また、２回目の多軸鍛造処理のパス数を増やすことにより、最大強度がさらに向上することがわかる。
【０１０６】
このように、本発明による方法により、マグネシウム合金のような難加工性金属材料の材料特性が向上することが確認された。また、全伸びも焼鈍剤Ａ０と同等か半分程度であり、巨大ひずみ加工によっても伸びは損なわれていない。これは、鍛造毎の加工ひずみ量が小さく、集合組織が形成されにくいためと考えられる。特に、時効処理と多軸鍛造処理とを組み合わせた場合、多軸鍛造処理の少ないパス数で、材料特性（最大強度、降伏応力、伸び等）を有意に向上させることが可能となる。
【０１０７】
以上のように、本発明による多軸鍛造処理方法の適用により、難加工性金属材料内に多量の歪みが導入されることが確認された。また、これにより、難加工性金属材料の結晶粒が微細化され、材料の各特性が有意に向上することが明らかとなった。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明は、マグネシウム合金など、難加工性金属材料の加工方法に適用することができる。
【符号の説明】
【０１０９】
４      被加工体
１００  装置
１１０  被加工体
１１０Ａ  当初の底面
１１０Ｂ  当初の側面
１１０Ｃ  当初の側面
１２０  台
１３０  鍛造手段
１４０  被加工体配向制御手段
１４１  区画
２００  組織
２１０（２１０Ａ〜２１０Ｃ）  ｎ次変形双晶（ただしｎは１以上）
２２０（２２０Ａ〜２２０Ｃ）  （ｎ＋１）次変形双晶（ただしｎは１以上）
【図１】
2011121118.tif 000004
【図２】
2011121118.tif 000005
【図３】
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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１１】
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【図１２】
2011121118.tif 000012
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2011121118.tif 000016
【図４】
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【図９】
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【図１０】
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