(57)【要約】【課題】  金属組織を微細結晶粒として機械的性質を向上し、超塑性を付与するためのせん断塑性変形を行う装置の生産性向上、及び対象とする被加工材料の材質、形状寸法の選択範囲を拡大する。【解決手段】  直方体被加工材料７の３対６面に接触支持する３対の工具加工面において、その一対（紙面に垂直方向）の加工面間に他の２対の工具１、２、３、４を配置し、さらにその工具面間に静水圧Pを付与する機構５を設けた一対の工具３、４を他の一対の工具面１、２間に配置すると共に、該他の一対の工具を矢印のように往復揺動運動可能とすることにより、図（B）に示すように該直方体形状の被加工材に静水圧を負荷した状態で該一対の工具の往復運動により繰り返しせん断塑性変形を付与する。せん断塑性変形を繰り返すことにより、総歪み量を所望する程度に大きくして結晶粒の微細化を可能とする材料を製作する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板形状を含む直方体形状の被加工材料の各面をそれぞれ面接触して支持する工具において、
相対する２対の工具面に囲まれた加工空間に対して往復動作する１対の相対する工具により、該直方体形状の被加工材に繰り返しせん断塑性変形を付与するようにしてなること、を特徴とする大塑性歪み付与装置。
【請求項２】
板形状を含む直方体形状の被加工材料の各面にそれぞれ面接触して支持する工具を配置すると共にこれらの相対する上記３対の工具において、
一対の工具面間に他の相対する２対の工具を配置し、
その２対の工具のうち、その工具面間に静水圧を付与する機構を設けた１対の工具を他の１対の工具面間に配置すると共に、該他の１対の工具を往復動作せしめることにより、
該直方体形状の被加工材に静水圧を負荷した状態で該一対の工具の往復動作により繰り返しせん断塑性変形を付与するようにしてなること、を特徴とする大塑性歪み付与装置。
【請求項３】
上記静水圧を付与する機構が、上記一対の工具の少なくとも一方を駆動する油圧シリンダ等よりなること、を特徴とする請求項１記載の大塑性歪み付与装置。
【請求項４】
上記一対の工具の往復動作が回転又はカム機構などによる揺動若しくは回動運動であって該工具間隔を図面水平方向で一定に保持すること、を特徴とする、請求項１記載の大塑性歪み付与装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属の加工用素材の強度向上および加工用素材として優れた機械的特性を有する微細組織金属材料の製造、高密度粉末成形材料の製造、及びメカニカルアロイングによる材料の製造に関する。特に、これらの金属材料を安価に且つ高い生産性を持って製造する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、機械部品や塑性成形用素材として結晶粒度を微細化、特にμｍレベルにまで微細化することにより、材料強度、靭性、更に加工特性を大きく向上できることから、種々の金属材料に対してその結晶粒を微細化する手法が開発されている。
出発原料となる金属の形態もブロック状金属から金属粉末まで、又、金属の材質もAlから鋼までそれぞれの目指す素材金属の特性や形態に応じて、各種のプロセスが採られている。
その代表的なものとして、バルク体を出発材料とする、ECAP（等断面せん断プレス、Equal Channel Angular Pressing）が挙げられる。
ECAP法は、せん断加工を付与する強加工を型を通して行い、加工前後で断面形状及びサイズが保たれるため任意回数の繰り返し加工することにより総歪量を十分に大きくして目標とする組織微細化を達成できる利点があるが、素材形状がブロックに限られること、また、総歪量を大きくできるといってもその加工プロセスが被加工材料を加工装置にセットし、加工処理を行った後に型から取り出す、という工程を繰り返すことが必要であって、強度特性や超塑性を付与するに必要とされるμｍレベルの微細結晶粒からなる組織とするには少なくとも４〜６回の繰り返し加工が必要とされ、工業的な応用は困難であった。
また、加工プロセスにおいて加工方向に垂直方向に割れが発生することを防止するために十分な静水圧を負荷する必要があるが、その機構上困難であった。
これらの加工効率を向上し、生産性を高めるために特許文献１に挙げるような手法が提案されているが、１バッチであらゆる方向に強加工を行って生産性を向上するものの、複雑な加工経路を経た押出加工となるため、得られる加工素材の形状が押出形状に制約されると共に、加工プロセスにおいて極めて大きな押出荷重がかかるため、これに対応する設備上の負荷容量を十分に大きくすると共に、被加工材料の素材の硬度からも自ずと制約がある。
【特許文献１】特開２００３-２４５７１２号公報
【０００３】
また、微細な粉末金属材料を出発材料として、メカニカルアロイイングにより高密度粉末成形材料とする手法として、特許文献２に挙げる手法が提案されている。
この方法によれば、被加工材料の形状はブロック状であれば任意にできるが、極めて加工度の高い塑性流動を伴うプロセスであるため、設備上及び適用可能な被加工材料の性質上の制約を伴う。
【特許文献２】特開平１２-３０３１０２号公報
【０００４】
これらの従来技術において、所期の機械的特性と超塑性となる微細結晶組織を付与するために必要な総歪量を付与する強加工を行うには、大きな負荷が必要であるため、加工素材の材質に制約があり、ひいては設備が大規模となる。
また、一方では、これらの方法によって得られた加工材は、その加工プロセスに伴う形状、寸法上の制約、たとえば押出し加工の型に制約され、或いは比較的小さなサイズに限られるなど、その後の塑性加工用素材として十分なものとはいえない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
被加工材として好適な板形状を含む直方体形状が得られ、サイズの制約がなく、出発原料として鋳造材としてのバルク材や粉末などの別を問わず、単純なプロセスで材料に静水圧をかけた状態で十分な総塑性歪み量を付与してその材料の強度を向上させ、素材の組織を微細結晶粒とすることができる材料を作成し、高密度のメカニカルアロイイングを可能とする大塑性歪み付与装置の提供。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、板形状を含む直方体形状の被加工材料の各面をそれぞれ面接触して支持する工具において、
相対する２対の工具面に囲まれた加工空間に対して往復動作する１対の相対する工具により、該直方体形状の被加工材に繰り返しせん断塑性変形を付与するようにしてなる大塑性歪み付与装置であり、
上記３対の工具の配置を、一対の工具面間に他の相対する２対の工具を配置し、
その２対の工具のうち、その工具面間に静水圧を付与する機構を設けた１対の工具を他の１対の工具面間に配置すると共に、該他の１対の工具を往復動作せしめることにより、
該直方体形状の被加工材に静水圧を負荷した状態で該一対の工具の往復動作により繰り返しせん断塑性変形を付与するようにしてなるものであり、さらに上記静水圧を付与する機構が、上記一対の工具の少なくとも一方を駆動する油圧シリンダ等によりなるものとし、また、上記一対の工具の往復動作が回転又はカム機構などによる揺動若しくは回動運動であって該工具間隔を図面水平方向で一定に保持するように構成してなるものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の大塑性歪み付与装置においては、従来の結晶粒微細化法において採用される歪み付与法に比較して、はるかに小さな歪みを付与することで足り、しかもその繰り返しによって総歪み量を大きくするため、小規模な装置で実現できると共に極めて生産性が良い。
また、被加工材が板形状を含む直方体形状で得られ、かつこれらの歪み付与の負荷が小さくて済むことから硬度の高い素材やサイズの大きなものに到るまで対象とする被加工材の種類や形態を著しく広げることができ、産業上極めて有用である。
さらにバルク状の素材や粉末状素材のメカニカルアロイングなど、被加工材の形態を問わず多様な形態の素材に対して適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１に本発明の繰り返しせん断塑性変形によって、大きなせん断歪みを材料に与える原理を示す。
（Ａ）において板形状を含む直方体の材料を用意する。この材料に静水圧を負荷した状態で（Ｂ）に示すようにせん断塑性変形によって平行四辺形に変形する加工を加え、さらに逆方向に元の直方体（C）を経て平行四辺形にせん断塑性変形（D）させ、再び直方体（A）に戻すせん断塑性変形のプロセスを繰り返す。
このようにそれぞれのせん断塑性変形の程度は小さくとも、せん断変形を必要な回数繰り返すことによって、結果として非常に大きな総塑性歪み量を与え、その材料の強度を向上させ、必要とする熱処理等と組み合わせてその結晶組織を目標とする機械的特性や超塑性などを得るに必要な微細結晶粒とした材料を作成することができる。
そのための機構として、被加工材の直方体の６面にそれぞれ接触して支持する工具を配置し、そのうち２面一対を固定した接触・支持面としてその面の間でこの支持面に接して摺動する２対の工具を配置し、そのうち相対する一対で静水圧を負荷し、他の一対の往復駆動操作によってせん断塑性変形を与えることによって、実現することができる。
【０００９】
図２にその機構の概略を示す。
図において、直方体の被加工材料７の各６面は、支持工具１、２、３、４及び図示されていないが、紙面前後方向に配置された一対の工具面によって接触して支持される。
この前後方向の工具面を固定面としてその間に、左右の工具１、２及び上下の工具３、４の側面をその面に沿って摺動可能に配置し、さらに、左右の工具１、２の間に上下の工具３、４を配置してその間をその面に沿って摺動可能とする。
この機構によってせん断変形プロセスを実現するためには、図1における片の長さ（図2における工具３、４の幅）Lを一定に保ち、また、被加工材としてバルク材を対象とする場合には体積が変化しないようにする必要がある。
この条件は、図１において紙面垂直方向の長さ一定として、片の長さL及び高さｈを一定に保ってせん断変形プロセスを行えば良い。
これを図2の機構の工具の配置に示したものが図３(Ａ)、(Ｂ)であって、図（Ａ）に示すように工具１、２が平行を保って回動する軸O、O'を工具１、２が被加工材に接する辺ａｂ、及びcd  上若しくはその延長線上に配置すれば、図中で一点鎖線で示すように工具の図面水平方向の間隔はせん断変形プロセスに於いて常に一定値L＝OO'に保たれる。
また、工具の配置関係からこのような位置に大きな負荷のかかる支点を確保することは困難である場合など、これらの工具をバックアップして傾動させる駆動機構の回動軸を図３（Ｂ）に示すように工具１、２の辺ab、ｃｄから離れた位置とすることもできる。このような工具の配置の場合、回動軸O、O'の位置が一定であって固定されていると、図から明らかなようにせん断変形プロセスで工具が傾動すると工具１，２の間の間隔はOO'−２（Oｂ）＝LからOO'−２（Oa'：傾動角度θを頂角とする直角三角形の斜辺）＝L'となり、L＞L'となるから動作できない。したがって、工具１、２の図面水平方向の間隔Lを一定に保つように回動軸O、O'を図面水平方向に移動させる機構が必要となる。
このため、本発明の１実施例においては、左右の工具１、２には上下の支持工具に接した状態で被加工材７にせん断塑性変形を与えるためカム機構などによる揺動駆動機構を用いて工具１、２の傾動操作に連動して回転（回動）軸を移動させてこれらの工具の図面水平方向の間隔Ｌを一定に維持している。
また、これらのせん断変形プロセスに於いては、各工具の摺動面から被加工材が漏れ出したりすると、それによって加工空間に生じた被加工材との間の空隙のため上記の体積一定とした条件が保たれなくなる。この変化は量的にはたとえ僅かであっても非圧縮性のバルク材に於いては、塑性変形に伴って被加工材内部において引張応力の発生などによって、被加工材内部の割れや、或いは組織の不均一性を齎すこととなりかねない。このため、せん断塑性変形プロセスにおいて被加工材に対して静水圧を及ぼして加工空間全体を圧縮場とすることが必要であり、本発明に於いては、上下の支持工具３、４を少なくともその一方を油圧シリンダ等５で駆動押圧する機構として被加工材料に静水圧Pを負荷する構成としている。
また、被加工材に静水圧を加えることは、高密度の粉末成形及びメカニカルアロイングにおいて重要な要件となる。
さらに図において、上下の工具３，４は、工具１、２の間でせん断塑性変形の際の左右方向の移動を許容するためそれぞれローラなどにより水平方向に摺動可能とする。
これらの機構により、本発明のせん断変形加工においては、静水圧を負荷した状態で図（B）に示すせん断塑性変形過程での工具１、２の回転やカム機構などによる揺動若しくは回動中心の移動が許容され、上記した本発明のせん断変形プロセス条件を維持したせん断塑性変形が可能である。
【００１０】
このせん断塑性変形付与機構によれば、被加工材が板形状を含む直方体であれば、一旦セットすれば、そのままセットし直すことなくせん断変形を繰り返すのみで目標とする結晶の微細化に必要な総歪み量を与えることができる。
その変形加工操作も単純であって、塑性変形加工の程度も小さなものでよいから設備の構造も簡単であるばかりでなく、加工素材として硬度の高いものやサイズの大きなものまで幅広く対象とすることが可能となる。
従って、バルク材に対する機械的特性の改善や高密度の粉末成形材料の製造・特性改善、メカニカルアロイイングによる材料の製造を行うなど、上述したECAP法などの従来の加工法に替わり、容易に且つ高い生産性をもって優れた機械的特性の加工素材を得ることができる。
以上の説明は一方向のせん断塑性変形によったが、結晶組織に等方性を付与するには被形状加工材の加工方向を必要に応じて変えればよく、これら被加工材の形状が直方体であること及び簡単な装置の構成から、再セットして同様の変形加工プロセスを行うことは容易である。
また、以上の説明においては、被加工材の6面に接触する3対の工具の配置について、固定された1対の工具間に1対一定間隔を保って往復動作する1対の工具とその間で静水圧を付与する工具からなるものとしたが、この往復動作する工具を他の工具間に配置して静水圧を付与する構成とすれば、一定間隔を保って動作する必要は必ずしもない。
これらの静水圧を加える手法は、被加工材が粉末である場合、その圧縮効果により高密度成形を促進させ、メカニカルアロイングなどを効果的に進行させることができる。
【００１１】
実施例１  図４に本発明の実施例に用いた装置の模式図を示す。
図の番号などは図２と同様であるが、工具１，２を傾動させるためカム機構８、１０及び９、１１を設けており、図の位置から工具１、２が傾動駆動されるとき、カム８、９の曲面が固定面１0、１１に沿って移動することにより曲率が小さくなるカムの作用によってカムの支点と回動中心O、O'との間隔が小さくなり、傾動に伴う影響を相殺して図面水平方向の工具間隔を一定値Lに保つことができる。
無論、前述のように工具面に沿って回転軸を配置すればこれらの機構は必要ないが、そのほか、これらカム機構に限らず油圧機構などにより工具間隔Ｌを一定に保つことができれば採用することができる。
図において、１５〜１８は摺動面である。
図４に示す装置による加工例
被加工材として、純アルミニウム（Al１０５０−０）のバルク材を使用した。
寸法：２０×２０×１０ｍｍ（直方体）
加工条件：
押圧  １６３ＭＰａ
揺動回数  １２８回（図１のサイクルを一回とする）
揺動一回当たりのせん断歪み  ０．４
相当ひずみ  ＝  γ／√３  ＝  ｛１２８（回）×０．４（歪／回）｝／√３  
＝  ２９．５６＝  ≒  ３０（図５の横軸の最大値）
図５（A）に、これらの実験結果に基づき、繰り返し歪み付与回数から換算した相当ひずみと降伏応力（ビッカース硬さから換算）の関係を示す。
また、純銅（C１１００−０）について同様にして行った結果を（B）に示す。
以上から、これらの被加工材について、降伏応力を増加させることができ、いずれも相当歪４〜５程度で降伏応力はほぼ一定値に達し、結晶粒の微細化操作に必要な高歪を付与できる機構が正常に動作したことが解る。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のせん断塑性変形付与プロセスの原理図。
【図２】本発明のせん断塑性変形付与装置の概略図。
【図３】本発明のせん断塑性変形のメカニズム。
【図４】本発明のせん断塑性変形装置の模式図。
【図５】本発明の純アルミニウム及び純銅を対象とする実施例における繰り返し歪み付与回数と降伏応力（ビッカース硬さから換算）の関係図。
【符号の説明】
【００１３】
１、２  左右方向支持工具
３、４  上下方向支持工具
５      油圧シリンダ
７      被加工材
８、９、１０、１１  カム機構
１５〜１８  摺動機構
【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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