(57)【要約】【課題】金属や高分子などの固体状の材料および粉末材料に大きいねじりひずみを加え材料の内部組織を微細にすることができるねじり前方押出し加工において、ねじりひずみを効率的に加えることにより押出し荷重を低減する装置および方法を提供する。【解決手段】  筒形コンテナー３内に装填された材料１をプッシャー４で押し込み、コンテナー３あるいは筒形ダイス２の一方を回転しないように回転方向に固定し、他方を押出し軸の周りに回転させるねじり前方押出し装置において、ダイス２が入側ダイス部分２−２と出側ダイス部分２−３からなる二段ダイスであり、入側ダイス部分２−２のダイス穴の入口側横断面がコンテナー３内に隙間なく装填された材料１の横断面を完全に含む大きさであり、かつ円形でない形状寸法であると共に、出側ダイス部分２−３のダイス穴の入口側横断面が入側ダイス部分２−２のダイス穴の出口側横断面に完全に含まれ、かつコンテナー３内の材料１の横断面より小さい形状寸法であることを特徴とするねじり前方押出し装置。【選択図】図４
2009090359.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒形コンテナー内に装填された材料をプッシャーで押し込み、前記コンテナーあるいは筒形ダイスの一方を回転しないように回転方向に固定し、他方を押出し軸の周りに回転させるねじり前方押出し装置において、
前記ダイスが入側ダイス部分と出側ダイス部分からなる二段ダイスであり、前記入側ダイス部分のダイス穴の入口側横断面がコンテナー内に隙間なく装填された材料の横断面を完全に含む大きさであり、かつ円形でない形状寸法であると共に、前記出側ダイス部分のダイス穴の入口側横断面が入側ダイス部分のダイス穴の出口側横断面に完全に含まれ、かつ前記コンテナー内の材料の横断面より小さい形状寸法であることを特徴とするねじり前方押出し装置。
【請求項２】
筒形コンテナー内に装填された材料をプッシャーで押し込み、前記コンテナーあるいは筒形ダイスの一方を回転しないように回転方向に固定し、他方を押出し軸の周りに回転させるねじり前方押出し装置において、
前記ダイスが入側ダイス部分と出側ダイス部分からなる二段ダイスであり、前記入側ダイス部分のダイス穴の入口側横断面がコンテナー内に隙間なく装填された材料の横断面と等しいかあるいは完全に含まれる円形であると共に、前記出側ダイス部分のダイス穴の入口側横断面が入側ダイス部分のダイス穴の出口側横断面に完全に含まれ、かつ前記コンテナー内の材料の横断面より小さい円形でない形状寸法であることを特徴とするねじり前方押出し装置。
【請求項３】
筒形コンテナー内に装填された材料をプッシャーで押し込み、前記コンテナーあるいは筒形ダイスの一方を回転しないように回転方向に固定し、他方を押出し軸の周りに回転させるねじり前方押出し装置において、
前記コンテナーは、前記ダイスの一部と嵌合する嵌合凹部を有し、
前記ダイスは、前記コンテナーの出口とダイス穴の入口の間に空間部を有するようにコンテナーと離間して配置されると共に、ダイスの入口側端面におけるダイス穴の周囲に複数の凹部を有し、かつ入口側横断面がコンテナー内に隙間なく装填されたの材料の横断面より小さい形状寸法であり、
前記空間部の横断面がコンテナーの出口側横断面およびダイスの入口側横断面を含む円形状であることを特徴とするとするねじり前方押出し装置。
【請求項４】
前記請求項１または２に記載のねじり前方押出し装置を用いて材料をねじり押出し加工するねじり前方押出し法であって、
前記コンテナー内に装填された材料を前記プッシャーで押し込み、かつ前記材料と前記ダイスとを相対的に回転させることにより、前記入側ダイス部分において材料部分にねじりせん断ひずみを付与すると共に、前記出側ダイス部分によって、前記ねじりせん断ひずみが付与された材料部分をコンテナー内の材料の横断面形状よりも小さい横断面形状で押し出すねじり前方押出し法。
【請求項５】
前記請求項３に記載のねじり前方押出し装置を用いて材料をねじり押出し加工するねじり前方押出し法であって、
前記コンテナー内に装填された材料を前記プッシャーで押し込み、かつ前記材料と前記ダイスとを相対的に回転させることにより、前記空間部において材料部分にねじりせん断ひずみを付与すると共に、前記ダイス部分によって、前記ねじりせん断ひずみを付与された材料部分をコンテナー内の材料の横断面形状よりも小さい横断面形状で押し出すねじり前方押出し法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ねじり前方押出し装置およびねじり前方押出し法に関する。詳しくは、微細な内部組織、結晶組織や非結晶組織を有する材料（金属、高分子、木材など）あるいは超微細な第２相を均一に分散した材料を製造するために、固体状の材料、固体状の複合材料、粉末材料、異種金属の混合体あるいは金属とセラミックスの混合体に熱間あるいは冷間で非常に大きな加工ひずみを加える方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、金属材料は原料を溶解精錬しこれを鋳造し、さらに加工成形することにより最終製品形状にする。これには大別して２種類あり、熱間加工後冷却して製品とする熱間加工製品と、これをさらに冷間で加工成形した冷間加工製品である。
【０００３】
熱間加工とは、絶対温度で、再結晶温度以上融点以下での加工である。冷間加工とは再結晶温度以下での加工をさす。室温（２０℃±２０℃）での加工が多い。
【０００４】
これらのいずれの方法においても、金属材料に加えられる加工量は製品の材質に大きく影響することが知られている。圧延、鋳造などの加工は、特に、結晶粒などのミクロ組織を微細にする上で有効であり、鉄鋼材料、アルミニウム材料など多くの金属材料でこの方法が使用されている。これは、一般的に、金属材料の結晶粒が微細であるほど優れた機械的性質が得られるからである。
【０００５】
熱間加工製品においては、高温で加工した場合、加工ひずみ速度を大きくし大きなひずみを加えることにより金属材料は動的再結晶状態になり、ひずみ速度が大きいほど結晶粒が小さくなる。低温（再結晶温度よりは高い）で加工した場合は、セル状に転位が堆積し、転位の再配列により微細な結晶粒になる。
【０００６】
また、冷間加工製品では冷間（再結晶温度以下）における加工量が大きいほど、その後に続く焼鈍を行った場合の再結晶粒の大きさを小さくできる。
以上の再結晶挙動は変形時の加工ひずみが小さい（例えば相当ひずみで１より小さい）場合であるが、最近では、通常の再結晶温度以下でも、非常に大きい加工ひずみ（例えば相当ひずみで４以上）を加えると転位の少ない再結晶粒が得られることが見いだされ、工業的に利用しようとする研究が盛んである。
【０００７】
一方、粉末材料には物理的、化学的に高機能を持っているものが多いが、これらを工業的に利用するためには、固体状、望ましくは相対密度が１００％に近いことが要請されている。そのために、室温よりも高い高温で圧密加工を行うことができるＨＩＰ（Hot Isostatic Pressing）やホットプレスが多用されている。
【０００８】
しかし、より高密度化するためにはより高温加工することが必要であるが、その場合、材料の性質が変化することが多く、機能性を損なわないで、１００％に近い相対密度が達成されている例は少ないようである。特に、ＭＡ（Mechanical Alloying）粉のように粒内の結晶粒サイズが１ミクロン以下のレベルにまで微細化された粉末はきわめて固化しにくく、低温での固化技術が開発されることが強く望まれている。このためにもせん断ひずみなどの大ひずみを加えることが有効である。
【０００９】
さらに、ＭＡの一種であるが、２種以上の任意組成のバルク状の金属あるいは金属粒子の混合体に対して非常に大きい変形を加えるとこれらが混合され、異種金属同士がナノメータのオーダーにまで近づくことが可能になる。金属粒子の混合の場合は空隙部体積が０に近づくまで加工を続けるとバルク状の固体材料となり、新規な合金（超微細粒合金やアモルファス合金など）の製造につながる。
【００１０】
あるいは、大きいひずみを金属と超微細セラミックス粒の混合体に加えることにより、超微細粒を金属中に均一に分散させることが可能になる。
【００１１】
また、金属中の析出物などを粉砕し均一微細に分散させることも可能になる。
高分子材料においても高圧で大きいねじりを加えることにより微細な内部組織を持つ材料を得ることができる。
【００１２】
以上のように、大ひずみを加える手段は金属内部組織の微細化、非結晶化、粉末材料の固化、異種金属同士の混合、金属と超微細粒の混合、あるいはその他の物質の微細組織化に対して有効であるが、従来の加工手段、例えば圧延や鍛造あるいはＨＩＰやホットプレスのみではその加え得る変形量に限界があった（例えば、特許文献１参照）。
【００１３】
本発明者は、従来のひずみを大幅に超える大ひずみを達成する方法として、押出し加工とねじり加工を組み合わせたねじり押出し法をすでに開発している（特許文献１〜６参照）。
【００１４】
その方法の一例を以下で説明する。
【００１５】
その方法は、図１に示したように、コンテナー３内に装填された材料１をプッシャー４で押し込み、ダイス２で成形する前方押出し法において、コンテナー３あるいはダイス２の一方を固定し、他方を押出し軸ａの周りに回転させながらプッシャー４により押出し加工を行うねじり前方押出し加工法である。図１はダイスを回転させる場合を示している。材料部分１−１は材料１におけるコンテナー３内の部分であり、材料部分１−２は材料１におけるダイス２内の押出し成形を受けた部分である。
【００１６】
材料１における材料部分１−１と材料部分１−２が相対的に回転することにより、その境界の点線で囲まれた領域Ａ内の材料がねじり変形を受ける。このねじり変形をうける材料部分の平均直径をＤmとする。
【００１７】
このようなねじり押出し法の場合、ダイス２のキャビティ形状が軸対称の場合、ダイス２と材料１の間にすべりが生じ、材料１のねじり回数がダイス２の回転回数より少なくなる場合がある。図２は図１におけるダイス２の立体形状を示す立体図である。このような形状のダイス２を用いて純アルミニウムをねじり押出し加工する場合、すべりは生じないが、例えばAZ91のように合金成分の多いマグネシウム合金の場合には、すべりが生じる。すべりが生じる場合には、図３に示したようにダイス穴の形状を非軸対称にすることが有効である（例えば、非特許文献１、特許文献５参照）。この場合、ダイス入口部の横断面形状は円形であり、出口に近づくにつれて四角や楕円のような非軸対称形状になる。しかし、このように徐々に形状を変化させるとダイスの長さが長くなり、押出し荷重が高くなり、工具寿命などに悪い影響を与える。なお、このダイスのねじり変形領域は図３中Ａで示した範囲の材料部分であり、この部分の平均直径をＤmとする。
【００１８】
ダイス長さを短くするためにダイスの横断面形状寸法の変化を急にすると、材料割れが生じることが多い。したがって、材料割れが生じないでダイス長さを短くできる方法を見出すことが重要である。
【特許文献１】特開２００５−０００９９０号公報
【特許文献２】特開２００５−０００９９１号公報
【特許文献３】特開２００５−０００９９２号公報
【特許文献４】特開２００５−０００９９６号公報
【特許文献５】特開２００５−０００９９３号公報
【特許文献６】特開２００５−０００９９４号公報
【非特許文献１】Mizunuma, S.: MATER. SCI. FORUM, 503-504(2006), 185.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
ねじり前方押出し法において、材料すべりを生じさせず、材料割れも生じさせないで、しかもダイス長さを短くすることが課題である。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
すべりを生じさせないためには、すでに明らかになっているようにダイスの長さ方向の一部あるいは全部の横断面形状を多角形や楕円形状にすることが有効である。ダイス長さを短くするためにはダイスの横断面形状を急激に変化させることが必要であるが、ダイス長さ方向のどの部分で横断面形状を急激に変化させるのが割れ防止に有効であるかについて種々検討した結果、材料ねじり（図１のＡ領域）が生じた後に形状急変部が形成されるようにダイスを設計しておくことが有効であることが明らかになった。
【００２１】
具体的には以下の３つのねじり前方押出し装置によって、材料すべりを生じさせず、材料割れも生じさせないで、しかもダイス長さを短くすることが可能となる。
第１の装置は、筒形コンテナー内に装填された材料をプッシャーで押し込み、前記コンテナーあるいは筒形ダイスの一方を回転しないように回転方向に固定し、他方を押出し軸の周りに回転させるねじり前方押出し装置において、前記ダイスが入側ダイス部分と出側ダイス部分からなる二段ダイスであり、前記入側ダイス部分のダイス穴の入口側横断面がコンテナー内に隙間なく装填された材料の横断面を完全に含む大きさであり、かつ円形でない形状寸法であると共に、前記出側ダイス部分のダイス穴の入口側横断面が入側ダイス部分のダイス穴の出口側横断面に完全に含まれ、かつ前記コンテナー内の材料の横断面より小さい形状寸法であることを特徴とするねじり前方押出し装置である。
【００２２】
第２の装置は、筒形コンテナー内に装填された材料をプッシャーで押し込み、前記コンテナーあるいは筒形ダイスの一方を回転しないように回転方向に固定し、他方を押出し軸の周りに回転させるねじり前方押出し装置において、前記ダイスが入側ダイス部分と出側ダイス部分からなる二段ダイスであり、前記入側ダイス部分のダイス穴の入口側横断面がコンテナー内に隙間なく装填された材料の横断面と等しいかあるいは完全に含まれる円形であると共に、前記出側ダイス部分のダイス穴の入口側横断面が入側ダイス部分のダイス穴の出口側横断面に完全に含まれ、かつ前記コンテナー内の材料の横断面より小さい円形でない形状寸法であることを特徴とするねじり前方押出し装置である。
【００２３】
第３の装置は、筒形コンテナー内に装填された材料をプッシャーで押し込み、前記コンテナーあるいは筒形ダイスの一方を回転しないように回転方向に固定し、他方を押出し軸の周りに回転させるねじり前方押出し装置において、前記コンテナーは、前記ダイスの一部と嵌合する嵌合凹部を有し、前記ダイスは、前記コンテナーの出口とダイス穴の入口の間に空間部を有するようにコンテナーと離間して配置されると共に、ダイスの入口側端面におけるダイス穴の周囲に複数の凹部を有し、かつ入口側横断面がコンテナー内に隙間なく装填された材料の横断面より小さい形状寸法であり、前記空間部の横断面がコンテナーの出口側横断面およびダイスの入口側横断面を含む円形状であることを特徴とするとするねじり前方押出し装置である。
この第３の装置において、空間部は第１および第２の装置の入側ダイス部分に相当し、ダイスは第１および第２の装置の出側ダイス部分に相当する。
なお、前記コンテナー内に隙間なく装填された材料の横断面とは、言い換えれば、コンテナーの装填穴の横断面である。
【００２４】
なお、第１および第２の装置におけるダイスは入側ダイス部分と出側ダイス部分を別々に製作し組み合わせたものでもよいし、一体的な形状に作製しても効果は同じである。要は、入側ダイス部分のダイス穴と出側ダイス部分のダイス穴の大きさおよび形状を異ならせた二段ダイス穴を有していればよい。
【００２５】
上記第１〜第３の装置における形状急変部は当然入側ダイス部分と出側ダイス部分の境界である。形状急変部が材料ねじり領域と重なるような形状のダイスの場合でも、材料の延性が大きい場合には材料割れが生じない場合はある。また、ある程度の脆性材料であっても、押込圧力を非常に大きくすれば材料割れが生じない場合はあるが、コンテナーやダイスなどの工具割れの原因になることが多い。
【００２６】
また、本発明の別の観点によれば、上述の第１〜３のいずれかの装置を用いて材料をねじり押出し加工するねじり前方押出し法が提供される。
前記第１または第２のねじり前方押出し装置を用いて材料をねじり押出し加工するねじり前方押出し法は、前記コンテナー内に装填された材料を前記プッシャーで押し込み、かつ前記材料と前記ダイスとを相対的に回転させることにより、前記入側ダイス部分において材料部分にねじりせん断ひずみを付与すると共に、前記出側ダイス部分によって、前記ねじりせん断ひずみが付与された材料部分をコンテナー内の材料の横断面形状よりも小さい横断面形状で押し出すものである。
前記第３のねじり前方押出し装置を用いて材料をねじり押出し加工するねじり前方押出し法は、前記コンテナー内に装填された材料を前記プッシャーで押し込み、かつ前記材料と前記ダイスとを相対的に回転させることにより、前記空間部において材料部分にねじりせん断ひずみを付与すると共に、前記ダイス部分によって、前記ねじりせん断ひずみを付与された材料部分をコンテナー内の材料の横断面形状よりも小さい横断面形状で押し出すものである。
【発明の効果】
【００２７】
以上のように、入側ダイス部分と出側ダイス部分を組み合わせた形状のダイスを用いることにより、ダイス穴の形状が急激に変化する場合でも材料割れを生じず、ダイス長さを従来の非軸対称ダイスの半分以下の長さにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下図面に基いて、発明の実施形態を説明する。
まず、第１の装置および方法について説明する。
【００２９】
（実施形態１）
図４は本発明のねじり前方押出し装置の実施形態１（第１の装置）における概略縦断面図である。
この実施形態１のねじり前方押出し装置は、材料１が装填される筒形コンテナー３と、該コンテナー３に隣接して配置された筒形ダイス２と、コンテナー３内の材料１をダイス２へ押圧するプッシャー４と、コンテナー３またはダイス２を押込み軸心周りに回転させる図示しない回転手段と、プッシャー４を押込み軸心方向に移動させる図示しない加圧手段とを備え、ダイス２が入側ダイス部分２−２と出側ダイス部分２−３からなる二段ダイスであり、入側ダイス部分２−２のダイス穴の入口側横断面がコンテナー３内に隙間なく装填された材料１の横断面を完全に含む大きさであり、かつ円形でない形状寸法であると共に、出側ダイス部分２−３のダイス穴の入口側横断面が入側ダイス部分２−２のダイス穴の出口側横断面に完全に含まれ、かつコンテナー３内の材料の横断面より小さい形状寸法である。
【００３０】
図４に示すように、ダイス２は、入側ダイス部分２−２と出側ダイス部分２−３とからなり、入側ダイス部分２−２および出側ダイス部分２−３はそれぞれ軸心部にダイス穴を有している。
入側ダイス部分２−２は、ダイス穴を有する入側壁部と、入側壁部の外周縁から出口側に一定径で延びる筒壁部と、筒壁部の出口側端部から外径方向に突出する外鍔部とを有する。
出側ダイス部分２−３は、入側ダイス部分２−２のダイス穴よりも小径のダイス穴を有する胴部と、胴部の出口側端部から外径方向に突出する外鍔部とを有する。なお、出側ダイス部分２−３のダイス穴において、入口開口端から距離Ｈ３部分が最も細く、それより出口側はそれより若干大きく設定されている。
このダイス２は、入側ダイス部分２−２の筒壁部の内部に出側ダイス部分２−３の胴部が挿入し、双方の重なった外鍔部に形成された穴にボルトを通しナットにて締め付けることにより、入側ダイス部分２−２と出側ダイス部分２−３とが分解可能に一体化している。
図５（ａ）および（ｂ）は入側ダイス部分２−２と出側ダイス部分２−３とが一体化した立体図の一例である。
【００３１】
図６は材料の長さ方向各位置における断面形状のいくつかの例を示す図であって、図６（ａ）は図４のｃ１−ｃ１線断面図であり、図６（ｂ）は図４のｃ２−ｃ２線断面図であり、図６（ｃ）は図４のｃ３−ｃ３線断面図である。
図６（ａ）は素材の横断面を示し、円形や四角形が普通である。図６（ｂ）は入側ダイス部分の横断面であるが、これらは材料ねじりをコンテナーとダイスの接触位置近傍のＡ領域（図４参照）で生じさせるため、四角形や六角形断面である。楕円などの非軸対称形状でもよい。要はこの入側ダイス部分内で材料外面とダイス内面の間の滑りが生じない形状であればよい。なお、ｃ２−ｃ２線断面の最小寸法Ｄ２ｍｉｎは素材断面の最大寸法Ｄ１ｍａｘより大きくなければならない。この寸法関係が逆になると材料のねじり領域Ａ部で材料破断が生じる。
【００３２】
図６（ｃ）は製品の横断面形状を示す図である。当然、この横断面の最大寸法Ｄ３ｍａｘはＤ２ｍｉｎより小さくなければならない。この横断面形状は任意であり、図示したもの以外に例えばＨ形、軌条なども可能であり、形状の自由度は通常の前方押出しと同程度である。なお、この場合、ねじり領域の平均直径Ｄmはほぼ素材直径Ｄ0に等しい。
このような図６（ａ）から（ｃ）で示した材料の断面形状と同じ形状にコンテナーの装填穴およびダイス穴が形成されている。
【００３３】
回転手段は、例えば、コンテナーまたはダイスに回転力を付与するモータと、コンテナーおよびダイスを相対的に回転可能に保持するフレーム、ホルダおよびベアリング等の支持部と、モータの回転力をコンテナーまたはダイスに伝達する複数のギヤあるいはプーリおよびベルト等の伝達機構部と、モータの回転数を制御するモータ制御部等を備えた構成とすることができる。
【００３４】
加圧手段は、例えば、上述の回転手段、支持部等を上載する基台上に立設されたフレームと、フレームに取り付けられかつシャフト先端がプッシャーと連結した油圧シリンダと、油圧シリンダに油圧を供給して伸縮動作させる伸縮駆動部、プッシャーを所定の押出し速度または所定の圧力で伸縮駆動部を制御する油圧制御部等を備えた構成とすることができる。なお、コンテナー側が回転する場合は、プッシャーも回転できるように、油圧シリンダのシャフト先端はベアリングを介してプッシャーと連結される。
【００３５】
実施形態１のねじり前方押出し装置を用いて材料をねじり押出し加工する場合、コンテナー３内に装填された材料１をプッシャー４で押し込み、かつ材料１に対してダイス２を回転させることにより、入側ダイス部分２−２のダイス穴において材料部分にねじりせん断ひずみを付与すると共に、出側ダイス部分２−３のダイス穴の入口側によって、ねじりせん断ひずみが付与された材料部分をコンテナー３内の材料の横断面形状よりも小さい横断面形状で押し出すことができる。
【００３６】
（実施形態２）
図７は本発明のねじり前方押出し装置の実施形態２（第２の装置）における概略縦断面図である。
この実施形態２のねじり前方押出し装置は、ダイス２の構成が実施形態１と異なる以外は実施形態１のねじり前方押出し装置と同様の構成である。以下、実施形態２における実施形態１とは異なる点を主に説明する。なお、図７において、実施形態１と同様の要素には同一の符号を付している。
【００３７】
実施形態２において、ダイス２が入側ダイス部分２−２と出側ダイス部分２−３からなる二段ダイスであり、入側ダイス部分２−２のダイス穴の入口側横断面がコンテナー３内に隙間なく装填された材料１の横断面と等しいかあるいは完全に含まれる円形であると共に、出側ダイス部分２−３のダイス穴の入口側横断面が入側ダイス部分２−２のダイス穴の出口側横断面に完全に含まれ、かつコンテナー３内の材料１の横断面より小さい円形でない形状寸法である。
図８は入側ダイス部分２−２と出側ダイス部分２−３とが一体化した立体図の一例である。
【００３８】
図９は材料の長さ方向各位置における断面形状のいくつかの例を示す図であって、図９（ａ）は図７のｃ１−ｃ１線断面図であり、図９（ｂ）は図７のｃ２−ｃ２線断面図であり、図９（ｃ）は図７のｃ３−ｃ３線断面図である。
図７の出側ダイス部分のダイス穴形状は四角形や多角形あるいは楕円などの非軸対称である。図７の場合、図９（ａ）および（ｂ）に示すように入側ダイス部分の最大寸法Ｄ２ｍａｘが素材断面の最小寸法Ｄ１ｍｉｎより小さいか同じである。入側ダイス部分の横断面は円形である。出側ダイス部分２−３のダイス穴の形状は四角形や楕円などの非軸対称である。したがって、材料ねじりは主に入側ダイス部分内のコンテナーと出側ダイス部分内の中間の図７中Ａで示した領域で生じる。ねじり領域の平均直径Ｄmは素材直径Ｄ0に等しいかそれより小さいが、Ｄ２ｍａｘを素材寸法Ｄ0にほぼ等しくすれば、この場合も素材直径Ｄ0にほぼ等しくすることができる。
【００３９】
実施形態２のねじり前方押出し装置を用いて材料をねじり押出し加工する場合も、実施形態１と同様に、コンテナー３内に装填された材料１をプッシャー４で押し込み、かつ材料１に対してダイス２を回転させることにより、入側ダイス部分２−２のダイス穴において材料部分にねじりせん断ひずみを付与すると共に、出側ダイス部分２−３のダイス穴の入口側によって、ねじりせん断ひずみが付与された材料部分をコンテナー３内の材料の横断面形状よりも小さい横断面形状で押し出すことができる。
【００４０】
（実施形態３）
図１０は本発明のねじり前方押出し装置の実施形態３（第３の装置）における概略縦断面図である。
この実施形態３のねじり前方押出し装置は、ダイス２およびコンテナー３の構成が実施形態１および２と異なる以外は実施形態１および２のねじり前方押出し装置と同様の構成である。以下、実施形態３における実施形態１および２とは異なる点を主に説明する。なお、図１０において、実施形態１および２と同様の要素には同一の符号を付している。
【００４１】
実施形態３の場合、筒形コンテナー３は、ダイス２の一部と嵌合する嵌合凹部を有している。
また、筒形ダイス２は、１つの部材からなり、コンテナー３の出口とダイス穴の入口の間に空間部を有するようにコンテナー３と離間して配置されると共に、ダイス２の入口側端面におけるダイス穴の周囲に複数の凹部（溝）Ｇを有し、かつ入口側横断面がコンテナー３内に隙間なく装填されたの材料１の横断面より小さい形状寸法である。
また、空間部の横断面がコンテナー３の出口側横断面およびダイス２の入口側横断面を含む円形状である。
この場合、空間部は、図４および図７で示した入側ダイス部分２−２のダイス穴の部分に相当し、ダイス２が図４および図７で示した出側ダイス部分２−３に相当する。したがって、ダイス形状の急変部はダイス２の入口端面位置となる。ダイス２の入口端面には点線で示した位置に凹部Ｇが形成されている。ダイス回転時にこの凹部Ｇの部分が材料を保持するので図１０中Ａで示した領域でねじりが生じ、その直後にダイス２のダイス穴で押出し成形される。この場合も、ねじり領域の平均直径Ｄmは素材直径Ｄ0に近い値となる。このダイスの立体図の一例を図１１に示した。また、図１２はダイス２の入口端面を入口側から見た図である。凹部Ｇの形状は任意であるが、その面積は通常ダイス端面の２５％以上７５％以下とする。
【００４２】
従来技術である図３に示したダイスは、本発明の第１および第２の方法（図４および図７参照）の入側ダイス部分と出側ダイス部分の結合部のような形状急変部、あるいは第３の方法（図１０参照）の空間部とダイスの境界部のような形状急変部をつくらないように横断面形状がなだらかに変化するように設計されたものであり、当然ダイス長さが長くなってダイス内面と材料との接触領域の長さが大きくなり、押出し荷重の増大を招くものである。また、図３中に示した材料のねじり領域Ａの平均直径Ｄmは素材直径Ｄ0に比べてかなり小さくなり、後述するようにねじり押出し変形中に材料が受ける相当ひずみもかなり小さくなり、微細化の面で不利になる。
【００４３】
実施形態３のねじり前方押出し装置を用いて材料をねじり押出し加工する場合、コンテナー３内に装填された材料１をプッシャー４で押し込み、かつ材料１に対してダイス２を回転させることにより、前記空間部において材料部分にねじりせん断ひずみを付与すると共に、ダイス２部分によって、ねじりせん断ひずみを付与された材料部分をコンテナー内の材料の横断面形状よりも小さい横断面形状で押し出すことができる。
【００４４】
上述の実施形態１〜３のように、ダイス内に横断面形状の急変部をつくるとそこで材料割れが生じるおそれがあるが、ねじり変形領域Ａ内に形状急変部が存在しなければ、ある程度の静水圧が存在すれば、またある程度の材料の延性があれば材料割れが生じないことを確認している。例えば、脆性が比較的大きいMg合金AZ31、AZ61、AZ91などの場合、加工温度が４４３Ｋと低くても材料延伸が１．５以上あればこの割れが生じない条件を十分満たしている。これは、ねじり変形部と形状急変部が一致していないからである。
【００４５】
ねじり押出しにおける相当ひずみは次の式（１）から求めることができる。
【数１】
2009090359.tif 000003
ここで、εZ：軸方向伸びの真ひずみ
εT：ねじりによる断面平均ねじりひずみ
であり、εTは次の式（２）で表される。
【数２】
2009090359.tif 000004
ここで、
2009090359.tif 000005
Ｄm：材料のねじり変形域の平均直径
である。
【００４６】
以下の実施例で示すように、Ｄ0＝８ｍｍの場合、
2009090359.tif 000006
は通常１〜１０（１／ｍｍ）の間の値に設定している。
変形域の平均直径Ｄmは本方法による変形の場合（第１〜第３の方法）、ほぼ素材直径Ｄ0に等しいとおける。したがって、前記式（１）より、相当ひずみは１０〜１００程度となる。なお、軸方向伸びの相当ひずみはこのうち、１〜２程度の量である。
適切な加工温度の場合、アルミニウムやマグネシウム合金などの金属では相当ひずみが１００程度で十分超微細化するので、通常は１００以下の相当ひずみを目安にしているが、１００以上で超微細化が飽和しないで相当ひずみの増加とともに徐々に進行する場合もある。したがって、１００以上の相当ひずみを与えることを否定しているわけではない。実際操業の場合においては、相当ひずみはあくまで超微細化に対する要求度合と生産性との兼ね合いで決まるものである。
【００４７】
図３で示したような従来法の非軸対称ダイスを用いた場合の相当ひずみは、通常この値の半分程度である。
【実施例】
【００４８】
（実施例１）
Ｍｇ合金ＡＺ６１（Ａｌ６％、Ｚｎ１％）の棒材（直径８ｍｍ、長さ３０ｍｍ）を使用し、図１３に示すねじり前方押出し装置を用いて、ねじり前方押出し加工を実施した。この図１３に示すねじり前方押出し装置は、第１の方法を実施する図４の第１の装置に基いて作製されたものである。
【００４９】
図１３において、符号２はダイス、３はコンテナー、４はプッシャー、１は材料である。符号８はダイス２を固定する治具であり、モータＭとベルト７により駆動される。符号６はコンテナー３と治具８を空間に保持するホルダである。符号９はラジアルベアリング、１０はスラストベアリングである。
【００５０】
ダイス２の入側ダイス部分２−２のダイス穴の横断面は□１０ｍｍであり、出側ダイス部分２−３のダイス穴の横断面は穴径２．５ｍｍの円形である。ダイス長さはＨ２＝１．０ｍｍ、Ｈ３＝４ｍｍである。コンテナー３と入側ダイス部分２−２の接触部Ｓの設定隙間は０．１ｍｍである。
【００５１】
材料はコンテナー３に内蔵された棒状ヒータＨにより４７３Ｋに加熱された。プッシャー４の押込み速度は２ｍｍ／ｍｉｎ、ダイス回転速度は１５ｒｐｍである。
【００５２】
ねじり押出し加工された成形品の外観写真を図１４に示した。噛み出しの厚さは０．２ｍｍであった。この厚みは設定隙間０．１ｍｍより大きいが、装置のガタや工具の弾性変形によるものである。なお、コンテナー３、ホルダー６およびダイス２より形成される閉空間Ｕは、噛み出し部Ｓ以外には隙間がないよう製作されているので、噛み出しがこの部分に充満するとそれ以上噛み出しは生じない。
【００５３】
成形品の断面を腐食後、光学顕微鏡で組織観察を行った。図１５（ａ）は素材、図１５（ｂ）は成形品の軸心部、図１５（ｃ）は外周部の組織写真である。素材の結晶粒径は２０〜３０μｍ程度であるが、結晶粒界部分に２〜３μｍの細粒もみられる。成形品の横断面内の結晶粒径分布はほぼ一様であり、大部分の粒径は１〜２μｍ以下であることが分かる。
【００５４】
プッシャー押込み圧力は約１１００ＭＰａであった。図３のタイプで出側が四角形状のダイス（Ｈ２＋Ｈ３＝１５ｍｍ、成形品□３．５８ｍｍ）による実験では、押込み圧力が１７００ＭＰａ程度であったので、押込み圧力はダイス形状の改良により大幅に減少したことになる。
【００５５】
（実施例２）
Ｍｇ合金ＡＺ３１（Ａｌ３％、Ｚｎ１％）の棒材（直径８ｍｍ、長さ３０ｍｍ）を使用し、図１６に示したねじり押出し加工装置でねじり押出し加工を実施した。この図１６に示すねじり前方押出し装置は、第２の方法を実施する図７の第２の装置に基いて作製されたものである。なお、図１６において、ダイス回転装置は図示していない。
ダイスの写真を図１７に示した。左が入側ダイス部分２−２、右が出側ダイス部分２−３であり、これらを組み合わせて用いる。この場合、入側ダイス部分２−２のダイス穴直径は素材の直径と同じ８ｍｍであり、Ｈ２＝４ｍｍ、Ｈ３＝４ｍｍである。出側ダイス部分２−３のダイス穴の横断面は□４ｍｍの四角形である。
【００５６】
材料１はコンテナー３に内蔵された棒状ヒータＨにより５０３Ｋに加熱された。プッシャー押込み速度は０．８ｍｍ／ｍｉｎ、ダイス回転速度は４ｒｐｍである。
【００５７】
ねじり押出し加工された成形品の断面を腐食後、光学顕微鏡で組織観察を行ったが、断面内の結晶粒径分布はほぼ一様であり、大部分の粒径は３〜４μｍであった。なお、素材の結晶粒径は２０〜４０μｍである。
押込み圧力は約８００ＭＰａであった。図３の通常法では１２００ＭＰａ程度であった。
【００５８】
（実施例３）
Ｍｇ合金ＡＺ９１（Ａｌ９．２％、Ｚｎ０．７％）の棒材（直径８ｍｍ、長さ３０ｍｍ）を使用し、図１８に示した縦型のねじり押出し加工装置でねじり押出し加工を実施した。この図１８に示すねじり前方押出し装置は、第２の方法を実施する図７の装置に基いて作製されたものである。なお、図１８において、ダイス回転装置は図示省略している。素材の結晶粒径は平均で２０〜３０μｍ程度であるが、結晶粒界部分に１〜３μｍの細粒もかなりみられた。
【００５９】
ダイス２の入側ダイス部分２−２のダイス穴の入口横断面は穴径８ｍｍの円形であるが、図１８中に示したようにθ＝７．５°のテーパーが付いている。出側ダイス部分２−３のダイス穴は□４ｍｍの四角形である。なお、Ｈ２＝４ｍｍ、Ｈ３＝４ｍｍである。
【００６０】
コンテナー３と入側ダイス部分２−２の接触位置には、コンテナー側には円周突起Ｘ（幅３ｍｍ、高さ２ｍｍ）が、また入側ダイス部分２−２には円周溝Ｙ（幅５ｍｍ、深さ４．９ｍｍ）が設けられており、これらは加工時には図１８のように嵌合される。なお、コンテナー３とダイス２の間の隙間はＳ２よりＳ１の方が大きく設定されていなければならない。また、入側ダイス部分２−２の円周溝Ｙには潤滑剤を供給した。
【００６１】
Ｓ２の初期設定値０ｍｍ、Ｓ１の初期設定値０．１ｍｍである。
材料１はコンテナー３に内蔵された棒状ヒータＨにより４７３Ｋに加熱された。プッシャー押込み速度は１ｍｍ／ｍｉｎ、ダイス回転速度は１０ｒｐｍである。
【００６２】
ねじり押出し加工後の試験片の噛み出しは設置どおり約０．１ｍｍであった。また、空間部Ｕ２には材料が充満していたが、隙間Ｓ２には噛み出しは生じていなかった。
【００６３】
ねじり押出し加工された成形品の断面を腐食後、光学顕微鏡で組織観察を行ったが、断面内の結晶粒径分布はほぼ一様であり、大部分の粒径は１〜２μｍ以下であった。
押込み圧力は約１２００ＭＰａであった。図３の通常法では１８００ＭＰａ程度であった。
【００６４】
（実施例４）
Ｍｇ合金ＡＺ６１（Ａｌ６％、Ｚｎ１％）の棒材（直径８ｍｍ、長さ３０ｍｍ）を使用し、第３の方法である図１０に示した第３のねじり押出し加工装置でねじり押出し加工を実施した。加工温度は４７３Ｋである。
【００６５】
図１０において、符号１は材料、２はダイス、３はコンテナー、４はプッシャーである。ダイスの回転駆動装置は図示省略している。
【００６６】
入側ダイス相当部分２−２のダイス穴の横断面は穴径８ｍｍであり、出側ダイス２のダイス穴の横断面は穴径３ｍｍの円形である。溝Ｇの深さは１ｍｍ、ａ＝５ｍｍ、ｂ＝８ｍｍである（図１２参照）。入側ダイス相当部分の長さＨ２＝２ｍｍ（コンテナーとダイス入口端面の間の設定隙間）、Ｈ３＝４ｍｍである。
加工温度は４７３Ｋ、プッシャー押込み速度は２．５ｍｍ／ｍｉｎ、ダイス回転速度は１５ｒｐｍである。
【００６７】
ねじり押出し加工された成形品の断面を腐食後、光学顕微鏡で組織観察を行った。素材の結晶粒径は２０〜３０μｍ程度、成形品の横断面内の結晶粒径分布はほぼ一様であり、大部分の粒径は３〜４μｍであった。
【００６８】
プッシャー押込み圧力は約１１００ＭＰａであった。図３の通常法では１９００ＭＰａ程度であった。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】従来のねじり前方押出し法を説明する原理図である。
【図２】図１のねじり前方押出し法に用いられる軸対称ダイスの一例を示す立体図である。
【図３】ねじり前方押出し法に用いられる非軸対称ダイスを示す図であって、図３（ａ）は軸方向に切断した断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるａ１〜ａ６の位置のダイス穴内の材料の横断面形状を示す図である。
【図４】本発明のねじり前方押出し装置の実施形態１（第１の方法）における概略縦断面図である。
【図５】図５（ａ）および（ｂ）は実施形態１における入側ダイス部分と出側ダイス部分とが一体化した立体図の一例である。
【図６】材料の長さ方向各位置における断面形状のいくつかの例を示す図であって、図６（ａ）は図４のｃ１−ｃ１線断面図であり、図６（ｂ）は図４のｃ２−ｃ２線断面図であり、図６（ｃ）は図４のｃ３−ｃ３線断面図である。
【図７】本発明のねじり前方押出し装置の実施形態２（第２の方法）における概略縦断面図である。
【図８】図８は実施形態２における入側ダイス部分と出側ダイス部分とが一体化した立体図の一例である。
【図９】材料の長さ方向各位置における断面形状のいくつかの例を示す図であって、図９（ａ）は図７のｃ１−ｃ１線断面図であり、図９（ｂ）は図７のｃ２−ｃ２線断面図であり、図９（ｃ）は図７のｃ３−ｃ３線断面図である。
【図１０】本発明のねじり前方押出し装置の実施形態３（第３の方法）における概略縦断面図である。
【図１１】実施形態３におけるダイスの立体図の一例である。
【図１２】実施形態３におけるダイスの入口端面を入口側から見た図である。
【図１３】実施例１で用いた前方押出し装置の概略縦断面図である。
【図１４】実施例１においてねじり押出し加工された成形品の外観写真である。
【図１５】実施例１における図１５（ａ）は素材、図１５（ｂ）は成形品の軸心部、図１５（ｃ）は外周部の組織写真である。
【図１６】実施例２で用いたねじり前方押出し装置の概略縦断面図である。
【図１７】実施例２におけるダイスを分解した写真である。
【図１８】実施例３で用いたねじり前方押出し装置の概略縦断面図である。
【符号の説明】
【００７０】
１  材料
２  ダイス
２−２  入側ダイス部分
２−３  出側ダイス部分
４  プッシャー
３  コンテナー
【図１】
2009090359.tif 000007
【図２】
2009090359.tif 000008
【図３】
2009090359.tif 000009
【図４】
2009090359.tif 000010
【図５】
2009090359.tif 000011
【図６】
2009090359.tif 000012
【図７】
2009090359.tif 000013
【図８】
2009090359.tif 000014
【図９】
2009090359.tif 000015
【図１０】
2009090359.tif 000016
【図１１】
2009090359.tif 000017
【図１２】
2009090359.tif 000018
【図１３】
2009090359.tif 000019
【図１４】
2009090359.tif 000020
【図１５】
2009090359.tif 000021
【図１６】
2009090359.tif 000022
【図１７】
2009090359.tif 000023
【図１８】
2009090359.tif 000024