(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工硬化能を有する金属材料に対し少なくとも１回以上の圧縮変形を行い、変形された金属材料の内部に平均塑性ひずみ０．１以上の状態を形成し、この圧縮方向から少なくとも２０度異なる方向から少なくとも１回以上圧縮変形を行い、金属材料の断面の７０％以上が塑性ひずみ２．０以上の状態を形成することを特徴とする大ひずみの均一導入加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、大ひずみの均一導入加工方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、板厚を確保しつつ金属材料内に大ひずみを広範囲に均一に分布させることのできる大ひずみの均一導入加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
従来より、金属材料組織の微細化や緻密化などにより、金属材料の耐熱性や耐久性が向上することは、周知の通りであり、現在まで、そのための方法に多くの工夫がなされてきた。その金属組織微細化のひとつの方法として、最近注目を集めている方法に、７０％以上の減面率（１．２以上のひずみに相当）の大ひずみを、材料内に導入する方法がある。
【０００３】
これまで報告されている金属組織微細化とそのための大ひずみの導入方法としては、例えば、大圧下での急冷法（ＣＡＭＰ−ＩＳＵ−Vol.11(1998)、Ｐ1017）をはじめ、繰り返し重ね接合圧延による方法（ＣＡＭＰ−ＩＳＵ−Vol.11（1998）、Ｐ560)、温間圧延・再結晶による方法（ＣＡＭＰ−ＩＳＵ−Vol.11(1998)、Ｐ1031）、温間加工溝ロール圧延（ＣＡＭＰ−ＩＳＵ−Vol.12(1999)、Ｐ385)などが提案されている。これらについての各報文では、組織微細化技術の一方策として、材料内に如何にして大ひずみを導入するかが検討されている。
【０００４】
しかしながら、上記いずれの方法でも、大ひずみをを得るために、大きな圧力下において１パスで加工、あるいは通常の圧力下において多パスで加工する方法が採用されているため、累積圧下率と共に材料の板厚が薄くなってしまい、さらに、大圧下加工を行えば行うほど、材料内部にひずみの不均一性が生じてしまうという問題がある。たとえば図１（ａ）に例示したように、ｚ方向（紙面に垂直な方向）に変形しない平面ひずみの状態の下で、長さ１の矩形の材料を考え、この材料内に大ひずみ２を得るためには、従来方法では１方向だけの圧縮であるので、圧縮量約８２％の加工が必要となり、結果として、板厚が０．１７７と極めて薄くなってしまうのである。図中の数字５．６４は、当初の辺の長さ１のものが加工後に５．６４になったことを示している。
【０００５】
その他、大ひずみを金属材料内に導入する方法として、ＥＣＡＰ法(Mater. Sci. Eng−Vol.A168(1993)、Ｐ141)が存在するが、金型を用いなければならず、その製造コストの増大は免れない。
【０００６】
この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、金型を用いることなく、簡便な手段によって、板厚を確保しつつ金属材料内に大ひずみを広範囲に均一に分布させることを可能とする大ひずみの均一導入加工方法を提供することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、加工硬化能を有する金属材料に対し少なくとも１回以上の圧縮変形を行い、変形された金属材料の内部に平均塑性ひずみ０．１以上の状態を形成し、この圧縮方向から少なくとも２０度異なる方向から少なくとも１回以上圧縮変形を行い、金属材料の断面の７０％以上が塑性ひずみ２．０以上の状態を形成することを特徴とする大ひずみの均一導入加工方法。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は、上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１１】
まず、この出願の発明が均一に導入することのできる「大ひずみ」については次のように規定される。すなわち、従来の方法では、「ひずみ」そのものは、７０％減面でひずみ１．２程度までであったが、この出願の発明では、このような従来のレベルをはるかに超える大きなひずみ量を与えるものとされている。この発明での「大ひずみ」は、塑性ひずみとして２．０以上であることを意味している。しかもこの出願の発明は、このような「大ひずみ」を金属材料に対して均一に与えているのである。
【００１２】
以上のことを実現するために、この出願の発明は、従来方法の一方向からの圧縮加工ではなく、多方向からの圧縮加工を非同時に行うことによって、板厚を確保しつつ材料内に大ひずみを広範囲に均一に分布させることに大きな特徴がある。
【００１３】
塑性ひずみは、塑性域における材料の応力−ひずみ関係を考慮し、材料の塑性変形の指標となる方向によらず、かつ加工履歴に依存した量であり、以下の式によって表される。
【００１４】
【数１】
0003796536.tif 000002
【００１５】
この出願の発明の方法では、たとえば図１（ｂ）に例示したように、ｚ方向（紙面に垂直な方向）に変形しない平面ひずみ状態の下で、長さ１の矩形の金属材料を考え、この材料内に大ひずみ２を得るためには、まずｙ方向から圧縮量５８％の加工を行い、次にｘ方向から圧縮量５８％加工を行うことにより、材料の初期形状を維持したまま大ひずみ２を実現できる。一方、前記図１（ａ）で示した従来方法では、圧縮量約８２％の加工が必要となり、板厚が０．１７７と極めて薄くなってしまう。
【００１６】
実際には、金属材料内に導入されるひずみは、工具形状と材料の幾何学的関係や工具と材料の摩擦特性に依存し、材料内に不均一なひずみをもたらすが、その場合には均一変形よりもさらに顕著に多方向圧縮加工の方が、大ひずみを導入することができる。
【００１７】
また、この発明における非同時に多方向から圧縮加工する最大の利点は、金属材料の加工硬化特性を利用することであり、超微細組織鋼の厚板化における圧延の負荷を軽減するものである。一般的に多くの金属材料では、塑性変形の進行と共に塑性すべりに対する抵抗が増大する（加工硬化）。これにより一度目の加工によって大きなひずみが導入された領域は、他の領域に比べて相対的に硬くなっており、２度目の加工を行うことにより、変形は軟らかい領域に集中する。これにより、大ひずみを材料内に均一に導入することができる。
【００１８】
この出願の発明の発明においては、１方向からの圧縮変形により導入される塑性ひずみは０．１以上であることが望ましい。この値が０．１未満では、異なる方向からの圧縮変形に大きな影響を及ぼさず、最終的に大きな塑性ひずみは得られない。
【００１９】
そして、この発明においては、たとえば図２に示した装置によって加工することができる。すなわち、金属材料のＸ方向の両端に試験片チャックを取り付けて、金属材料を固定し、上下２本のアンビルを用いて、金属材料を加工する。そして、その試験片チャック自体を回転させることにより、金属材料の多方向からの加工を実現することができる。
【００２０】
なお、この発明の方法が対象とする金属材料としては鋼、チタンそしてアルミニウムとその合金等の各種のものが考慮されるが、鋼については、以下の化学成分系のものを目安とすることができる。
【００２１】
すなわち、重量％で、Ｃ：０．０１〜０．３％、Ｓｉ：０．０２〜１．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ａｌ：０．００１〜０．１％、Ｎ：０．００１〜０．０１％、Ｐ＜０．２％、Ｓ＜０．０１％である。これら組成の鋼のフェライト粒微細化にこの発明の方法は有効である。
【００２２】
また、重量％で、Ｃｒ：０．０１〜０．５％、Ｎｉ：０．０１〜３．０％、Ｍｏ：０．０１〜０．５％、Ｃｕ：０．０１〜１．５％、Ｔｉ：０．００３〜０．１％、Ｎｂ：０．００３〜０．０５％、Ｖ：０．００５〜０．２％が含まれている鋼もこの発明の対象として考慮される。
【００２３】
以下実施例を示し、さらにこの発明について詳しく説明する。
【００２４】
【実施例】
成分が重量％表示として、０．１５Ｃ−０．３Ｓｉ−１．５Ｍｎ−０．０２Ｐ−０．００５Ｓ−０．００３Ａｌ−残部Ｆｅで、大きさが１５×１５×１００ｍｍのＳＭ４９０鋼を用いて、この出願の発明の方法を実施し、これにより得られた材料のひずみ分布を検討した。
【００２５】
供試材は、前記図２に示した装置を用い、幅１５ｍｍの上下２本のアンビルを用いて加工した。すなわち、供試材をＡｃ３点以上の１２００℃に６０秒保持してオーステナイト化し、その後８００℃まで冷却し、外形変化でＡ％の圧縮変形を施し（図２ｙ方向）、直ちに試験片を９０度回転させ、０．５秒後に外形変化でＢ％の圧縮変形を施した（図２ｚ方向）。変形のひずみ速度１／ｓ、加工後直ちに１０Ｋ／ｓで冷却した。
【００２６】
加工によって供試材に導入された塑性ひずみは汎用有限要素コードＡＢＡＱＵＳ／Explicitを用いて計算した。ここでは、実測に基づいた温度とひずみ速度に依存した応力−ひずみ関係を用いた三次元動的解析を適用した。アンビルと供試材の接触条件は、実験結果と比較し摩擦係数μ＝０．１５の Coulomb条件を採用した。なお、アンビルは剛体とした。
【００２７】
１パス目ｙ方向の圧縮率と２パス目ｚ方向の圧縮率とを変化させて、解析を行った。各実施例とその圧縮率は次の通りとした。
【００２８】
参考例１  １パス目ｙ方向圧縮率３５％＋２パス目ｚ方向圧縮率３５％
参考例２  １パス目ｙ方向圧縮率５０％＋２パス目ｚ方向圧縮率５０％
実施例１  １パス目ｙ方向圧縮率５０％＋２パス目ｚ方向圧縮率７５％
参考例３  １パス目ｙ方向圧縮率１０％＋２パス目ｚ方向圧縮率７５％
一方、比較例として、上記の図２ｚ方向の圧縮変形（Ｂ％）を加えない従来方法を行った。供試材、加工条件および解析条件は前記の場合と同様であり、ひずみ速度１／Ｓで外形変化Ａ％の圧縮変形を施し（図２ｙ方向）、直ちに１０Ｋ／ｓで冷却した。
【００２９】
１パス目ｙ方向の圧縮率のみを変化させて、解析を行った。各比較例とその圧縮率は次の通りとした。
【００３０】
比較例１  １パス目ｙ方向圧縮率３５％
比較例２  １パス目ｙ方向圧縮率５０％
比較例３  １パス目ｙ方向圧縮率７５％
図３と４は、実施例２（仕上がり板厚７．５ｍｍ、表１参照）と比較例３（仕上がり板厚３．７５ｍｍ）における各断面上におけるひずみの分布を示したものであり、（Ａ）はｘ−ｙ断面、（Ｂ）はｙ−ｚ断面、および、（Ｃ）はｚ−ｙ断面を示したものである。
【００３１】
参考例２では、図３に示すように中心部廻りの広範囲に２以上の大ひずみが導入されているのが確認できる。また、２以上の大ひずみ領域の体積は加工された領域の体積の２６％に導入されているのが確認された。
【００３２】
しかしながら、比較例３では、図４に示すように中心部の極わずかな領域だけにしか２以上の大ひずみが導入されていないのが確認できた。２以上の大ひずみ領域の体積は加工された領域の体積の０．３％の極わずかな領域にしか導入されていないのが確認された。
【００３３】
これらのことから、参考例２は仕上がり板厚が比較例３の２倍にあるにもかかわらず、大塑性ひずみを広範に導入されているのが確認された。
【００３４】
表１は、最大塑性ひずみと導入されたあるひずみ以上の体積を示したものである。この結果から、この出願の発明の多方向加工が、仕上がり板厚が厚いにもかかわらず、大塑性ひずみの広範な導入を可能にしていることが確認できる。
【００３５】
【表１】
0003796536.tif 000003
【００３６】
図５と図６は、参考例、実施例と比較例のｚ−ｙ断面における０．８以上の塑性ひずみの領域を示したものであり、各々の図における（Ａ）は参考例１と比較例１、（Ｂ）は参考例２と比較例２、および、（Ｃ）は実施例１と比較例３を示している。これらの結果からも、この出願の発明の多方向加工は板厚が厚いにもかかわらず、塑性ひずみが広範な領域に導入されているのがわかる。なお、ひずみ０．８とは外形変化５５％圧縮率に相当する値である。
【００３７】
次に、ＳＥＭ顕微鏡を用いて、参考例２と比較例３のミクロ組織を観察した。図７はその結果であり、（ａ）は比較例３のミクロ組織、および、（ｂ）は参考例２のミクロ組織である。この図からも、この出願の発明の多方向加工では、仕上がり板厚が２倍であるにもかからず、１方向加工の組織に比べ、微細領域が広範囲に拡大していることが確認できる。
【００３８】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、この発明により、板厚を確保しつつ材料内に大ひずみを広範囲に、かつ均一に分布させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この出願の発明の特徴を従来法との比較として示した概略図である。
【図２】  この出願の発明の加工方法と装置を例示した概略図である。
【図３】  参考例２の結果である金属断面のひずみ分布を示した概略図である。
【図４】  比較例３の結果である金属断面のひずみ分布を示した概略図である。
【図５】  参考例１（Ａ）、２（Ｂ）並びに実施例１（Ｃ）の結果である金属断面のひずみ領域を示した概略図である。
【図６】  比較例１〜３の結果である金属断面のひずみ領域を示した概略図である。
【図７】  （ａ）（ｂ）は、金属断面の組織を比較例示した図である。
【符号の説明】
１  アンビル
２  金属材料
【図１】
0003796536.tif 000004
【図２】
0003796536.tif 000005
【図４】
0003796536.tif 000006
【図６】
0003796536.tif 000007
【図７】
0003796536.tif 000008
【図３】
0003796536.tif 000009
【図５】
0003796536.tif 000010