(57)【要約】 【課題】高強度を発現する金属切削粉の固化成形体及びその製造方法の提供。【解決手段】少なくとも１種の金属切削粉からなる母相に、母相と結晶構造の異なる金属の切削粉からなる第二相が塑性加工により展延された線状の分散強化相として含有されていることを特徴とする金属切削粉の固化成形体。母相となる金属切削粉に、第二相となる少なくとも１種の母相と結晶構造の異なる金属の切削粉を混合し、切削粉に蓄積されている塑性歪みが解消されない温度で塑性加工して固化するとともに、第二相の切削粉からなる展延された線状の分散強化相を形成する。【選択図】  図２  
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１種の金属切削粉からなる母相に、母相と結晶構造の異なる金属の切削粉から
なる第二相が塑性加工により展延された線状の分散強化相として含有されていることを特
徴とする金属切削粉の固化成形体。
【請求項２】
母相となる金属切削粉がアルミニウム合金であり、分散強化相となる金属切削粉が鉄合金
であることを特徴とする請求項１記載の金属切削粉の固化成形体。
【請求項３】
母相となる金属切削粉に、第二相となる少なくとも１種の母相と結晶構造の異なる金属の
切削粉を混合し、切削粉に蓄積されている塑性歪みが解消されない温度で塑性加工して固
化するとともに、第二相の切削粉からなる展延された線状の分散強化相を形成することを
特徴とする金属切削粉の固化成形体の製造方法。
【請求項４】
塑性歪みで１以上の加工量で塑性加工することを特徴とする請求項３記載の金属切削粉の
固化成形体の製造方法。
【請求項５】
母相となる少なくとも１種の金属切削粉に対して分散強化相となる少なくとも１種の金属
切削粉を体積％で５〜５０％混合することを特徴とする請求項３又は４記載の金属切削粉
の固化成形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属切削粉の固化成形体、特に、母相となる金属切削粉と分散強化相となる
第二相の金属切削粉とを混合して塑性加工により複合化した、高強度を発現する金属切削
粉の固化成形体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属切削粉がリサイクルされる場合、まず切削油を分離し、ブリケットなどに軽く圧粉
した後、鋳造用二次素材として使用される場合が多い。しかし、再溶解による利用は、残
留した油分等の付着物や表面の酸化物膜に由来する介在物の混入、異種切削粉や工具から
入る不純物元素による脆弱な金属間化合物の生成など、素材の品質を落とす要因が多い。
そのため、新しい金属塊に対する混合割合やリサイクル回数、二次素材の用途には、自ず
と制約がある。
【０００３】
また、切削粉を固化して直接再利用する試みがなされている（特許文献１〜５、非特許
文献１）。これらは、粉体の保管や再溶解時に発火の危険性のあるマグネシウム合金を主
な対象としている。そのプロセスは、切削粉を熱間で固化成形して直接再利用するもので
ある。切削粉を熱間で固化する理由は、切削粉には表面に強固な酸化物皮膜があるので、
金属やセラミックスの微小な粉末を作製してこれを固化して材料を作製する一般の粉末冶
金プロセス以上に、切削粉の固化がはるかに難しく、製造欠陥のない健全な材料を得るの
が難しいことによる。
【０００４】
これらの特許文献に記載された発明の方法では、切削中に切削粉に導入された高塑性歪
みの強加工組織は、金属材料の焼鈍挙動（中〜高温に曝すと塑性歪みが回復し、強加工組
織が元の軟質な組織に戻ること。）に起因し、固化成形中の中〜高温の加熱で必然的に消
失してしまう。
【０００５】
例えば、特許文献１、３、５では、ホットプレスという高温プロセスを用いているし、
特許文献２では、「加熱状態で圧縮成形」と記述されている。また、特許文献４では、加
える熱を「金属の融点の±１５℃以内」と非常な高温に制御すると規定されている。
また、切削粉を固化して再利用する際に、切削粉にAl2O3,Al4C3,SiC等のセラミックスの
強化材粒子を混合して強度を高める方法も知られている（特許文献６〜８）。さらに、Al
-Si合金切削屑を冷間で圧縮成形して固化する方法が知られている（特許文献９，１０）
。
【０００６】
本発明者らは、異種金属粉末を塑性加工によって複合化することによる高性能材料の作
製方法を開発した（特許文献１１）。この方法は、混合した粉末を常温で塑性加工し、複
合高強度部材を得る方法である。
【０００７】
本発明者らは、さらに、切削粉表面の強固な酸化膜が、スウェージング中に旧切削粉表
面の剥離をもたらすことを防ぐために、純鉄粒子を微量添加し、固化材中の切削粉界面の
接合強度を大幅に改善できることを報告した（非特許文献２）。作製した切削粉固化材の
結晶粒は、同じ加工歪を付与したバルク材（切削をせず、板材をそのままスウェージング
加工したもの）と比較して、最大で5分の1程度と非常に微細になった。これは、切削時の
一軸せん断と、スウェージング時の多軸圧縮・せん断という異なる塑性変形モードの組み
合わせが、急速な微細組織形成に貢献したものと推察された。そのため、切削前の素材と
比べ、引張強度で約1.7倍（約530MPa）という優れた特性を得ることができた。
【０００８】
アルミニウム中に鉄のような体心立方（以下、BCC）型金属を複合化して強加工する上
記のようなプロセスにより、素材や加工の条件によっては、層間数十nmの微細層状組織が
形成される。これにより、１GPa以上という、アルミニウムとしては異例に高い強度の発
現も報告されている（非特許文献３，４）。
【０００９】
【特許文献１】特開平05-043957号公報
【特許文献２】特開平05-209205号公報
【特許文献３】特開平05-209206号公報
【特許文献４】特開平06-234054号公報
【特許文献５】特開平06-192708号公報
【特許文献６】特開平06-023423号公報
【特許文献７】特開平06-346109号公報
【特許文献８】特開平08-260075号公報
【特許文献９】特開昭52-003521号公報
【特許文献１０】特公昭54-29303号公報
【特許文献１１】特開2000-239772号公報
【非特許文献１】中西勝，馬渕守，斉藤尚文，中村守: 日本機械学会第6回機械材料・材料加工技術講演会「M&P ‘98」講演概要, (1998), 414.
【非特許文献２】藤井靖充，戸田裕之，小林俊郎：軽金属, 53(2003),368-372.
【非特許文献３】H.Toda and T.Kobayashi：Int. J. of Mater. Product Tech., SPM1(2001), 427-432.
【非特許文献４】T.Kobayashi and H.Toda：Mater. Sci. Forum, 331-337(2000), 1133-1138.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記の特許文献１１（特開2000-239772号公報）の実施例に記載されているように、強
加工組織を有さない一般の金属粉末を使用する場合、高強度が発現されるまでには加工歪
みで１０〜１５という非常に高い加工歪みレベルを必要とし、プロセスが長大となるとい
う欠点がある。また、微細な組織を得るためには出発材料に粒径の小さな金属粉末を用い
る必要があった。
【００１１】
さらに、強加工組織を有さない一般の金属粉末を使用するため、塑性加工中に母相に分
散する第二相の金属粉末の応力が上がらず、第二相の金属が展伸せず、所望する組織形態
が得られ難い場合があった。例えば、アルミニウム中にニオブを分散させた場合には非常
な高強度が得られるが、アルミニウム中に鉄やクロムを分散させた場合にはそれほどの高
強度が得られない。
【００１２】
また、上記の非特許文献２に記載した、本発明らが開発した切削粉を冷間固化するプロ
セスは、切削加工中に形成された強加工組織の有効利用と、その後の迅速な強加工組織の
発達という、二つのユニークな特徴を兼ね備えた効率の良いリサイクルプロセスと位置付
けられる。しかし、この方法では、高価で扱いにくい微細高純度鉄粒子を用いていた。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、切削粉に切削過程で蓄えられた大きな塑性歪を材料の強化に利用することを
特徴とする。この際、本発明者は、違う結晶構造の金属切削粉を組み合わせると、塑性加
工による各々の切削粉の変形の仕方が違い、お互いの拘束効果が生じてお互いの切削粉の
微細化が達成でき、強度の大きい固化成形体が得られることを見出した。
【００１４】
すなわち、本発明は、少なくとも１種の金属切削粉からなる母相に、母相と結晶構造の
異なる金属の切削粉からなる第二相が塑性加工により展延された線状の分散強化相として
含有されていることを特徴とする金属切削粉の固化成形体、である。
【００１５】
また、本発明は、母相となる金属切削粉がアルミニウム合金であり、分散強化相となる
金属切削粉が鉄合金であることを特徴とする上記の金属切削粉の固化成形体、である。
【００１６】
さらに、本発明は、母相となる金属切削粉に、第二相となる少なくとも１種の母相と結
晶構造の異なる金属の切削粉を混合し、切削粉に蓄積されている塑性歪みが解消されない
温度で塑性加工して固化するとともに、第二相の切削粉からなる展延された線状の分散強
化相を形成することを特徴とする金属切削粉の固化成形体の製造方法、である。
また、本発明は、塑性歪みで１以上の加工量で塑性加工することを特徴とする上記の金属
切削粉の固化成形体の製造方法、である。
【００１７】
また、本発明は、母相となる少なくとも１種の金属切削粉に対して分散強化相となる少
なくとも１種の金属切削粉を体積％で５〜５０％混合することを特徴とする上記の金属切
削粉の固化成形体の製造方法、である。
【００１８】
本発明は、母相となる少なくとも１種の金属粉と分散強化相となる第二相の少なくとも
１種の金属粉として、ともに切削粉を用いることを特徴とする。また、本発明は、切削時
に切削粉に蓄積される大きな塑性歪みを有する強加工組織を、固化後の母相材料の強化に
利用することを特徴とする。母相と分散強化相の組み合わせは、母相＝面心立方金属、分
散相＝体心立方金属の場合か、その逆の分散相＝面心立方金属、母相＝体心立方金属のい
ずれでもよい。
【００１９】
切削粉は、元来、難固化性であるが、強加工組織を有する体心立方構造の型金属からな
る切削粉は塑性加工中に良く展伸するので、このような切削粉を面心立方金属からなる母
相に分散相として混ぜることで、母相と第二相との混合切削粉の塑性加工での固化が容易
となり、また、逆に体心立方構造の金属を母相とし、面心立方金属を分散相とした場合に
も、両相間の強い拘束効果が生じることは同じであり、同様の効果が得られる。いずれの
場合も金属切削粉の固化成形体の製造欠陥を低減・除去できる。
【００２０】
本発明の製造方法によって、切削前の母相の素材よりも大きな引張強度が得られる機構
は、切削時の一軸せん断と、塑性加工時の多軸圧縮・せん断という異なる塑性変形モード
の組み合わせが、塑性加工時の急速な微細組織形成に貢献するためと推察される。そのた
めに切削前の素材と比べ、引張強度が大幅に向上する。また、体心立方（BCC）構造の金
属を第二相として複合化して強加工すると層間数十ｎｍの微細層状組織の分散強化相が形
成されることによっても強度が向上する。面心立方構造の金属を第二相として複合化した
場合にも、やはり同様の効果が得られる。    
【発明の効果】
【００２１】
本発明の方法によれば、切削粉に残存する高塑性歪みの強加工組織を固化成形材まで持
ち来すことができるので、再溶解や熱間加工によるリサイクル法よりも、投入エネルギー
的にも材料特性の面でもはるかに優れる。また、（１）廉価な素材で高強度などの特徴を
有した高性能構造材料が作製できる、（２）一種類の切削粉の固化では製造欠陥が生じて
しまう常温〜中温までで健全な材料が作製できる、（３）比較的小さな塑性加工歪みの付
与で異種金属切削粉の混合粉末の固化成形と高強度化が達成できる、などの効果が得られ
る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明において、母相及び第二相として用いる切削粉は、素材や部品製造工程で発生す
るどのようなものでもよい。切削粉は、大きさがミリオーダーで、形が歪な扁平状のもの
、カールしたものが一般的である。切削粉は切削工具による強いせん断変形を受けており
、かなりの強加工組織を呈する。例えば、アルミニウム合金の切削加工中に蓄えられる塑
性歪を切削粉の形状から見積もると、２．４〜２．８（240〜280%）にも達する。切削の
条件により強加工組織が異なるため、硬度には差がある。
【００２３】
面心立方構造の金属切削粉としては、特に、製錬などに大きなエネルギーを必要とする
アルミニウム、マグネシウム、チタンなどの切削粉が好ましいが、鉄を主成分とする鉄鋼
材の切削粉でもよい。体心立方構造の金属としては、鉄、ＩＦ(Interstitial Free)鋼、
クロム、ニオブなどの金属が挙げられる。
【００２４】
第二相の含有量は強度を高めるためには少なくとも体積％で５％以上必要である。
第二相の含有量が５０％を超えると母相と第二相の割合が逆転するので、本明細書におい
て含有割合として５０％未満を第二相という。母相の切削粉と第二相の切削粉の状態や切
削・塑性加工の条件などを調整することにより、母相の切削粉と第二相の切削粉との同じ
組み合わせでも、引張強度の大小を調整できる。
【００２５】
固化成形方法は、切削粉の塑性歪みが解消されない温度で加工成形して固化材まで持ち
来すために、常温ないし母相の切削粉の各材料毎に定まる焼鈍温度未満で加工する。この
加工成形は、塑性歪みが大きいほど強度を大きく出来るが、塑性歪で１以上の加工量であ
れば、強度向上効果が得られる。より好ましくは加工組織が顕著に発達する塑性歪で３程
度以上の強加工が望ましい。例えば、スウェージング、押し出し、圧延、鍛造などの加工
方向に配向した加工組織が得られる塑性加工を用いることができる。従来技術では、切削
粉を固化成形するのが困難なために高温に加熱して熱間加工する方法が主に採用されてい
るが、そのような高温加熱の場合は上記の強加工組織が失われる。  
【００２６】
本発明の方法では、既に切削粉の段階で高い加工歪みを有している強加工組織となって
いる粉末を用いるため、高強度を発現させるために、固化成形時の塑性加工において上記
の特許文献１１（特開2000-239772号公報）のような１０〜１５という高い塑性加工歪み
を与える必要がない。また、切削粉を母相に用いることで、母相の高い硬さに起因して第
二相の異種金属切削粉中の応力が有効に上昇し、その展延が可能となり、第二相からなる
線状の分散強化相を含有する微細層状組織が得られて高強度が得られる。
【実施例１】
【００２７】
（切削粉の組み合わせ）
母相として6061アルミニウム合金切削粉を、第二相としてIF鋼切削粉を用いた。6061ア
ルミニウム合金切削粉は、フライス盤(遠州(株)製、HF2)を用い、被削材として6061-T651
アルミニウム合金押出し材を切削速度16.7mm/s、切り込み深さ0.1mmで作製したものを使
用した。
【００２８】
IF鋼切削粉は、同じくフライス盤を用い、被削材としてIF鋼（0.0017%C-0.006%Si-0.13
%Mn-0.012%P-0.006%S-0.029%Al-0.018%Ti-0.013%Nb）を、切削速度1.67〜16.7mm/s、切り
込み深さ0.05〜0.2mmの範囲でスクリーニング試験を行い、切削粉断面のマイクロヴィッ
カース硬さで高、中、低3種類のものを作製した。それらの切削条件は、切削速度(mm/s)
／切り込み深さ(mm)で、それぞれ1.67/0.05、16.7/0.1、16.7/0.2であった。
【００２９】
切削粉は硬さの高いものほど、厚み、幅、長さとも小さくなり、大きくカールする傾向
が認められた。用いた全ての切削粉は、アセトンで10分間超音波洗浄して供試した。これ
らの切削粉を用いて作製した固化材を、以後、それぞれAl-Fe(HH)材、Al-Fe(MH)材、Al-F
e(LH)材と称する。
【００３０】
（切削粉固化成形法）
第二相として混合するIF鋼切削粉は、6061合金切削粉に対して20vol%となるように配合し
、V型混合機で混合した。この場合、まず、比重の大きい第二相切削粉を、それらと同体
積の6061合金切削粉と一緒に容量90cm3のV字ガラス管に入れて20分間混合し、次に、残り
の6061合金切削粉全量を添加して70分間混合した。回転速度は、42rpmである。
【００３１】
混合後、比重差による分離を防ぐため、直ちに金型のキャビティに移し、容量200トン
の油圧プレス機を用いて約224MPaで常温で一軸圧粉成形後、常温でスウェージング加工を
施した。使用装置は、スエージングマシン（直径20mm〜6mm：(株)第二吉田記念鉄工所製1
0HP-SD4型、直径6mm〜1.5mm：同SD1500型）である。用いた金型のキャビティ形状は、f20
mm、深さ180mmである。
【００３２】
スウェージング加工は、切削粉のビレットを直径21.6mm、肉厚0.6mmの銅パイプに挿入
し、両端を銅製の中実棒(長さ15mm、直径20mm)で軽くシールした後、f1.5mmまで行なった
。なお、この段階の加工歪みは5.4である。なお、スウェージングによるみかけの加工歪
みhを、次式により計算した。  
【数１】
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【００３３】
ここで、A0は加工前断面積、Aは加工後断面積である。ただし、このhには、ビレット段
階や以下に示す線材の再結束時の空隙の消滅も入る、実際の塑性加工歪よりは若干大きな
値となる。本明細書では、これを加工歪みと称する。
【００３４】
h=5.4までの加工後、周囲の銅皮を硝酸により除去し、長さ35mmに切断後、線材180本を
結束した。これを直径21.6mm、肉厚0.6mmのパイプに挿入し、再度直径1.5mmとなるまでス
ウェージングを行った。この段階で、加工歪みは10.4である。
【００３５】
図１に、h=5.4での各試料の第二相のＣＴ像を示す。図１（ａ），（ｂ），（ｃ）は、
それぞれAl-Fe(HH)材、Al-Fe(MH)材、Al-Fe(LH)材に対応している。いずれも鉄相が線状
に展延され微細な層状組織が形成されていることが分かる。
【００３６】
（引張試験）
引張試験片は、長さ150mmの線材表面を＃1500のエメリ紙で研磨したものである。引張
試験は、容量98kNの万能試験機を用い、クロスヘッド速度8.3×10-6m/sで、1試料当たり
最低3回行った。いずれも室温、大気中である。図２に、得られた固化成形体の引張強度
を示す。IF鋼切削粉を20%添加した場合、6061アルミニウム合金被削材の引張強度を最大
で500MPa（切削前素材の約1.6倍）まで向上させることができた。
【００３７】
図３に、各試料の破断面のＳＥＭ像を示す。図３（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ
Al-Fe(HH)材、Al-Fe(MH)材、Al-Fe(LH)材に対応している。第二相の展延により形成され
た線材と垂直に近い方向を向いた致命的に弱い界面が存在するかどうかが、引張強度を大
きく左右するが、いずれもそのような弱い界面の存在は認められない。
【００３８】
図４に、各試料の破断面の光学顕微鏡写真を示す。図３（ａ），（ｂ），（ｃ）は、そ
れぞれAl-Fe(HH)材、Al-Fe(MH)材、Al-Fe(LH)材に対応している。いずれも、破断面上に
二次亀裂を生じているのは、主としてアルミニウム切削粉同士の旧界面である。アルミニ
ウム／鉄界面の接合強度は高く、界面剥離は生じていない。両相の破断はほぼ同等に生じ
ており、破断にいたるまで、両相の歪はほぼ同じと推測される。
【００３９】
比較例１
実施例１で用いたIF鋼の代わりにC1220純銅（純度99.90%以上）を用いた。純銅切削粉
は、6061合金切削粉と同じく、フライス盤(遠州(株)製、HF2)を用い、切削速度16.7mm/s
、切り込み深さ0.1mmで作製した。その他の条件は実施例１と同じで固化成形体を製造し
た。
【００４０】
図１に、h=5.4での銅相のＣＴ像を示す。比較的断面の大きな銅相は、依然として切削
粉形状の名残で横方向に広がった長い板状である。図２に、得られた固化成形体の引張強
度を示す。第二相として体心立方金属でないC1220純銅の切削粉を用いたので実施例１と
比べて強度向上の効果は少なかった。
【００４１】
図３に、破断面のＳＥＭ像を示す。アルミニウム相と銅相、ないしはアルミニウム相同
士の接合が充分に行われておらず界面剥離がマクロ的にも顕著に生じている。これが、破
断面に垂直な二次き裂となって明瞭に認められる。図４に、破断面の光学顕微鏡写真を示
す。アルミニウム銅界面の剥離が顕著に生じている。界面剥離後に空隙が広がっているこ
とは、界面剥離した後にネッキングしたことを意味する。
【００４２】
比較例２
比較材として、6061-T651アルミニウム合金押出し材(以下、バルク材と称する)、6061
合金粒子を固化した材料(以下、粒子固化材と称する)についても実施例１と同様の工程で
、同じ加工歪み(h=5.4、10.4)まで加工を行った。バルク材の引張強度は３６５(h=5.4)，
５３５MPa(h=10.4)、粒子固化材の引張強度は３４５(h=5.4)、３８０MPa(h=10.4)であっ
た。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
廃棄物となっていた各種の金属切削粉を素材とし、慣用のプロセスを応用しながら、切
削粉の素材である各種の金属材料の特性を大きく越え、切削粉よりもはるかに高価な溶製
合金の特性をも凌駕する特性を得られることになるので、構造材等として適用できる高強
度、高機能の金属材料を低コストで提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施例１及び比較例１のh=5.4での各試料の第二相のＣＴ像を示す図面代用写真である。（ａ），（ｂ），（ｃ）,（ｄ）は、それぞれAl-Fe(HH)材、Al-Fe(MH)材、Al-Fe(LH)材、Al-Cu材に対応している。
【図２】実施例１及び比較例１の各試料の引張強度を示すグラフである。
【図３】実施例１及び比較例１の各試料の引張試験による破断面のＳＥＭ像を示す図面代用写真である。（ａ），（ｂ），（ｃ）,（ｄ）は、それぞれAl-Fe(HH)材、Al-Fe(MH)材、Al-Fe(LH)材、Al-Cu材に対応している。
【図４】実施例１及び比較例１の各試料の引張試験による破断面の光学顕微鏡像を示す図面代用写真である。（ａ），（ｂ），（ｃ）,（ｄ）は、それぞれAl-Fe(HH)材、Al-Fe(MH)材、Al-Fe(LH)材、Al-Cu材に対応している。
【図１】
2005314776.tif 000004
【図２】
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【図３】
2005314776.tif 000006
【図４】
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