JP2006192451A - 押出加工用金型 - Google Patents

Abstract

【課題】 被金属材料に微細化した結晶粒を均一に高歩留まりで導入することができる押出加工用金型を提供すること。
【解決手段】 屈曲部４を有する溝孔３を備え、当該溝孔３に被加工素材２を押し込んで通過させ、屈曲部４で被加工素材２に剪断ひずみを与えるようにした押出加工用金型１において、屈曲部４に溝孔３を屈曲させる内側屈曲部５と、該内側屈曲部５の頂点を中心にＲ形状が形成される外側屈曲部６とを形成し、被加工素材２に、ε≧１．０のひずみが断面積率で８０％以上形成されるように、内側屈曲部５の屈曲角度Φ及び外側屈曲部６のＲ形状付与角度Ψを設定するようにした。
【選択図】 図１

Description

ＥＣＡＰ法を用いて被加工金属材料の結晶粒微細化を行う押出加工用金型に関する。

結晶粒の微細化は金属材料の靭性の向上や超塑性特性の発現には必須の条件であることは従来から明らかにされている。結晶粒の微細化方法にはいろいろあるが、その代表的な手法として、等断面傾斜角押出し（Equal Channel Angular Pressing：以下ＥＰＡＣと示す）法が考案されている。このＥＰＡＣ法は、金属材料に高密度転位を導入し、結晶粒の微細化を図るものである。

ＥＣＡＰ法を用いた加工方法としては、例えば図６に示すように、等断面の溝孔１０２が交差する金型１０１で被加工素材１０４を押し出し、屈曲角度ΦとＲ形状付与角度Ψとを有する屈曲部１０３によって被加工素材１０４に剪断変形を与え、結晶粒の微細化を行うものである。つまり、ＥＰＡＣ法は、加工前後の被加工素材の断面積及びサイズを変えずに剪断ひずみを付与し、結晶粒の微細化を図るものである。

従来の圧延や線引き等の通常の加工法では、強加工を加えると材料の厚さや太さが変わり、加えられる変形量は現実的に制約があったが、一方、ＥＰＡＣ法にはこのような制約がなく、動的あるいは静的回復、再結晶を組み合わせると、従来達成できなかった領域まで結晶粒を微細化することができる。最近の研究では、様々な材料で超微細粒組織が達成され、延性や超塑性特性が改良されることがわかり、新しいか加工プロセスとして期待が高まっている。

このような被加工素材の結晶粒微細化を図った押出加工用金型は、例えば、特許文献１に開示されている。

特開２００１−１０４２号公報

従来、ＥＰＡＣ時に被加工素材に導入される相当ひずみは式(１)に従うことが知られており、金型形状によらず被加工素材のどの断面を見ても均一な変形を受けるとさせている。

しかしながら、図７に示すように、剪断ひずみが導入された被加工素材を調べてみると、ａ部及びｂ部のように場所によって大きく組織が異なり、均一な剪断変形を受けていないことが解った。被加工素材に均一な剪断ひずみが与えられないということは、均一な微細化した結晶粒も得られないということに繋がってしまう。工業的に実用化を図るためには、均一な加工を受け、組織（機械的特性）が一様な素材を得られなくてはならず、また、その条件を明らかにする必要があると解される。

更に、従来は式(１)に従って相当ひずみを変化させた組織の均一性については検討されてきたが、場所による組織の不均一性という観点からは考えられていなかった。これは、ＥＰＡＣ法を用いた押出加工用金型はこれまでに数多くの研究がなされているが、その多くは数センチ角の実験室サイズの供試材を用いて検討されたものであり、工業的に実用的なサイズでの検討はされていなかったからである。

従って、本発明は上記課題を解決するものであり、被金属材料に微細化した結晶粒を均一に高歩留まりで導入することができる押出加工用金型を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る押出加工用金型は、
屈曲部を有する溝孔を備え、当該溝孔に被加工素材を押し込んで通過させ、前記屈曲部で前記被加工素材に剪断ひずみを与えるようにした押出加工用金型において、
前記屈曲部に前記溝孔を屈曲させる内側屈曲部と、該内側屈曲部の頂点を中心にＲ形状が形成される外側屈曲部とを形成し、
前記被加工素材に、ε≧１．０のひずみが断面積率で８０％以上形成されるように、前記内側屈曲部の屈曲角度及び前記外側屈曲部のＲ形状付与角度を設定した
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る押出加工用金型は、
第１の発明に係る押出加工用金型おいて、
前記屈曲角度及び前記Ｒ形状付与角度を変えて、ε≧１．０のひずみが断面積率で８０％以上となる前記屈曲角度及び前記Ｒ形状付与角度の範囲を求め、当該範囲内に前記屈曲角度及び前記Ｒ形状付与角度を設定した
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係る押出加工用金型は、
第１の発明に係る押出加工用金型おいて、
前記屈曲角度及び前記Ｒ形状付与角度からなるマップを作成し、
前記屈曲角度を９０°及び前記Ｒ形状付与角度を３０°と設定した点と、
前記屈曲角度を１００°及び前記Ｒ形状付与角度を０°と設定した点とを直線で結び、
当該直線の下部の範囲内に前記屈曲角度及び前記Ｒ形状付与角度を設定した
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第４の発明に係る押出加工用金型は、
第１の発明に係る押出加工用金型おいて、
前記屈曲角度を９０°以下とし、かつ前記Ｒ形状付与角度を３０°以下とした
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第５の発明に係る押出加工用金型は、
第１の発明に係る押出加工用金型おいて、
前記屈曲角度を１００°以下とし、かつ前記Ｒ形状付与角度を０°とした
ことを特徴とする。

第１の発明に係る押出加工用金型によれば、屈曲部を有する溝孔を備え、当該溝孔に被加工素材を押し込んで通過させ、前記屈曲部で前記被加工素材に剪断ひずみを与えるようにした押出加工用金型において、前記屈曲部に前記溝孔を屈曲させる内側屈曲部と、該内側屈曲部の頂点を中心にＲ形状が形成される外側屈曲部とを形成し、前記被加工素材に、ε≧１．０のひずみが断面積率で８０％以上形成されるように、前記内側屈曲部の屈曲角度及び前記外側屈曲部のＲ形状付与角度を設定したことにより、前記被金属材料に微細化した結晶粒を均一に高歩留まりで導入することができる。

第２の発明に係る押出加工用金型によれば、第１の発明に係る押出加工用金型おいて、前記屈曲角度及び前記Ｒ形状付与角度を変えて、ε≧１．０のひずみが断面積率で８０％以上となる前記屈曲角度及び前記Ｒ形状付与角度の範囲を求め、当該範囲内に前記屈曲角度及び前記Ｒ形状付与角度を設定したことにより、前記被金属材料に微細化した結晶粒を均一に高歩留まりで導入することができる。

第３の発明に係る押出加工用金型によれば、第１の発明に係る押出加工用金型おいて、前記屈曲角度及び前記Ｒ形状付与角度からなるマップを作成し、前記屈曲角度を９０°及び前記Ｒ形状付与角度を３０°と設定した点と、前記屈曲角度を１００°及び前記Ｒ形状付与角度を０°と設定した点とを直線で結び、当該直線の下部の範囲内に前記屈曲角度及び前記Ｒ形状付与角度を設定したことにより、前記被金属材料に微細化した結晶粒を均一に高歩留まりで導入することができる。

第４の発明に係る押出加工用金型によれば、第１の発明に係る押出加工用金型おいて、前記屈曲角度を９０°以下とし、かつ前記Ｒ形状付与角度を３０°以下としたことにより、前記被金属材料に微細化した結晶粒を均一に高歩留まりで導入することができる。

第５の発明に係る押出加工用金型によれば、第１の発明に係る押出加工用金型おいて、前記屈曲角度を１００°以下とし、かつ前記Ｒ形状付与角度を０°としたことにより、前記被金属材料に微細化した結晶粒を均一に高歩留まりで導入することができる。

以下、本発明に係る押出加工用金型の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明の一実施例に係る押出加工用金型の断面図、図２は本発明の一実施例に係る押出加工用金型を用いたときの解析結果を示した図、図３はＲ形状付与角度Ψと剪断ひずみεとの関係を示した図、図４は式(１)より求めた屈曲角度Φと剪断ひずみεとの関係を示した図、図５は屈曲角度ΦとＲ形状付与角度Ψとの関係を示した図である。

図１に示すように、ＥＰＡＣ法を用いた押出加工用金型１は被加工素材２に微細化した結晶粒を導入する金型である。押出加工用金型１には被加工素材２が通過する等断面でＬ字状の溝孔３が形成されている。溝孔３は屈曲部４を有しており、この屈曲部４には内側屈曲部５と外側屈曲部６とが形成されている。内側屈曲部５は屈曲角度Φで形成されると共に、外側屈曲部６はＲ形状（円弧状）に形成され、そのＲ形状付与角度Ψは内側屈曲部５の頂点を中心にして付与されている。そして、被加工素材２はこの溝孔３の開口部３ａから挿入され、押出プランジャー７の押出力によって開口部３ｂから押し出される。図１中に押出プランジャー７の押出力方向と被加工素材２の押出方向とを矢印で示す。

従って、上述した構成の押出加工用金型１により被加工素材２の押出加工を行うには、溝孔３の断面と断面積及び形状とが同じで所定の長さの被加工素材２を準備し、その被加工素材２を開口部３ａに挿入する。そして、被加工素材２の後方から押出プランジャー７にて押し込む。被加工素材２は押出力を受けて溝孔３内を進み、屈曲部４に到達し、更に押出プランジャー７により押し込まれると屈曲部４を通過して開口部３ｂから押し出される。被加工素材２は屈曲部４を通過するときに屈曲されて剪断変形を受ける。これにより剪断ひずみが導入され、結晶粒の微細化が行われる。

なお、溝孔３の断面形状は正方形や円形等でも構わない。押出加工を行う際には、被加工素材２を１つ加工するごとに取り出して断続的に行ってもよく、また、押出プランジャー７が最下点に達した後に後退させ、次の被加工素材２を押出プランジャー７により押し出すことで先の被加工素材２を取り出して連続的に行ってもよい。押出プランジャー７の最下点の位置は、屈曲部４の手前に設定すると効率よく押出加工が行える。更に、被加工素材２は所望する結晶粒の微細化が図れるまで、数回の押出加工を行うようにしても構わない。

被加工素材へ導入される剪断ひずみは屈曲角度ΦとＲ形状付与角度Ψとに起因することは式(１)からも解っており、屈曲角度Φが１８０°よりも小さくなるにしたがって剪断ひずみが導入され易く、Ｒ形状付与角度Ψが小さくなると剪断ひずみ量の変化量が大きくなる。また、経験的に屈曲角度Φが９０°に近いほど結晶粒を効率的に微細化できるとされている。しかし、屈曲角度Φが小さ過ぎると被加工素材に過剰な剪断変形が与えられ割れ等が発生し、大き過ぎると剪断変形が与えられず結晶粒の微細化も殆ど行われない。これにより、被加工素材に剪断ひずみを導入するときの屈曲角度ΦとＲ形状付与角度Ψとの範囲は、ある程度予測することができる。

しかしながら、屈曲角度ΦとＲ形状付与角度Ψとの組み合わせは無数に存在するので、これらの角度範囲を明確に断定することは難しく、これに加えて、剪断ひずみの大きさ及び導入量を同時に考慮しなくてはならない。これは、所定の大きさの剪断ひずみを導入しても剪断ひずみ量が少なかったり、所定の剪断ひずみ量を導入しても小さな剪断ひずみであったりする場合には、結晶粒の微細化も効率よく行われず、被加工素材の強度や靭性の向上もなされない。また、加工中に割れ等の欠陥が生じては、被加工素材が工業的にも必要とされないからである。

ここで、被加工素材の結晶粒が剪断変形によって微細化されるには、剪断ひずみεがε≧１．０であれば確実に微細化されると考えると共に、押出加工後の被加工素材の切り落とし領域等を考慮してε≧１．０の断面積率が８０％以上であれば工業的にも利用可能であると考えられる。

そこで、本実施例においては、工業的に利用可能である条件として、ε≧１．０の断面積率が８０％以上となるような屈曲角度ΦとＲ形状付与角度Ψとの範囲を特定することにした。

次に、図２〜５を用いて屈曲角度ΦとＲ形状付与角度Ψとの関係について説明する。

図２は、屈曲角度Φを比較的に結晶粒を効率的に微細化できる９０°に一定とし、Ｒ形状付与角度Ψをパラメータとして有限要素解析を行い、導入される剪断ひずみεの解析を行ったものである。Ｒ形状付与角度Ψは０〜９０°と段階的に設定され、４種類（I 〜IV）の形状から被加工素材を押出加工した。そして、各被加工素材の断面Ａ−Ａから断面Ｄ−Ｄにおいて、ε≧１．０の断面積率について調べてみた。

この結果、断面において、Ｒ形状付与角度Ψが小さくなるにつれて、ε≧１．０の断面積率が大きくなると共に、剪断ひずみは均一化されていくことが解った。

図３は、図２の結果をまとめたものであり、屈曲角度Φを９０°と一定にした状態でのＲ形状付与角度Ψとε≧１．０の断面積率との関係を曲線Ｘで示したものである。この図からも解るとおり、ε≧１．０の断面積率が８０％以上となるのは、Ｒ形状付与角度Ψが３０°以下である。

また、屈曲角度Φは小さくなるにつれて、導入される剪断ひずみが増加すると考えられることから、ε≧１．０の断面積率が８０％以上となる被加工素材を加工する押出加工用金型の屈曲部の形状は、屈曲角度Φが９０°以下、かつＲ形状付与角度Ψが３０°以下の範囲であると考えられる。この範囲を以下、範囲１と示す。

ここで、図２の形状IからＲ形状付与角度Ψが０°のときは、式(１)を用いても均一
変形することが確認できる。更に、均一変形（Ｒ形状付与角度Ψが０°のとき）するときの屈曲角度Φと剪断ひずみεとの関係を式(１)を用いて求めると、図４のような曲線Ｙが求められる。

図４に示すように、ε≧１．０となる屈曲角度Φの範囲は、１００°以下になることが解る。つまり、ε≧１．０の断面積率が８０％以上となるのは、屈曲角度Φが１００°以下である。屈曲角度Φが９０〜１００°の範囲については、図２のIの形状から考えると
、例え屈曲角度Φが９０°から１００°に大きくなったとしても、ε≧１．０の断面積率が８０％以上になるであろうと推測できる。

上述した内容をまとめると図５に示すようになる。先ず、図２，３から求めた屈曲角度Φが９０°以下、かつＲ形状付与角度Ψが３０°以下の範囲は、図５中において範囲１と示すことができる。次に、図２，３で解析したε≧１．０であって、ε≧１．０の断面積率が最も低い形状IIの条件である点Ｍ（屈曲角度Φ＝９０°，Ｒ形状付与角度Ψ＝３０°
）と、図４で求めたε≧１．０であって、ε≧１．０の断面積率が最も低い条件である点Ｎ（屈曲角度Φ＝１００°，Ｒ形状付与角度Ψ＝０°）とを結び、この直線を直線Ｚと示す。そして、直線Ｚの下部の範囲を範囲２とする。つまり、範囲１は範囲２に含有しているので、範囲２がε≧１．０の断面積率が８０％以上となるような屈曲角度ΦとＲ形状付与角度Ψとの範囲となる。即ち、この範囲内で押出加工をすることにより、被加工素材２に均一で高密度な剪断ひずみを与えることができるので、工業的に利用可能である微細化した結晶粒を均一に高歩留まりで導入することができる。

従って、本発明の押出加工用金型によれば、屈曲部４を有する溝孔３を備え、当該溝孔３に被加工素材２を押し込んで通過させ、屈曲部４で被加工素材２に剪断ひずみを与えるようにした押出加工用金型１において、屈曲部４に溝孔３を屈曲させる内側屈曲部５と、該内側屈曲部５の頂点を中心にＲ形状が形成される外側屈曲部６とを形成し、被加工素材２に、ε≧１．０の剪断ひずみが断面積率で８０％以上形成されるように、内側屈曲部５の屈曲角度Φ及び外側屈曲部６のＲ形状付与角度Ψを設定し、或いは、屈曲角度Φ及びＲ形状付与角度Ψを変えて、ε≧１．０の剪断ひずみが断面積率で８０％以上となる屈曲角度Φ及びＲ形状付与角度Ψの範囲を求め、当該範囲内に屈曲角度Φ及びＲ形状付与角度Ψを設定したことにより、均一で高密度な剪断ひずみを与えることができるので、工業的に利用可能である微細化した結晶粒を均一に高歩留まりで導入することができる。

その屈曲角度Φ及びＲ形状付与角度Ψの具体的な範囲は、屈曲角度Φを９０°及びＲ形状付与角度Ψを３０°と設定した点と、屈曲角度Φを１００°及びＲ形状付与角度Ψを０°と設定した点とを結んだ直線の下部である。または、屈曲角度Φを９０°以下とし、かつＲ形状付与角度Ψを３０°以下とした範囲であってもよく、更には、曲角度Φを１００°以下とし、かつＲ形状付与角度Ψを０°とした範囲でも被加工素材２に均一で高密度な剪断ひずみを与えることができるので、工業的に利用可能である微細化した結晶粒を均一に高歩留まりで導入することができる。

本発明は、金属材料に微細化した結晶粒を導入する装置等に適用可能である。

本発明の一実施例に係る押出加工用金型の断面図である。 本発明の一実施例に係る押出加工用金型を用いたときの解析結果を示した図である。 Ｒ形状付与角度Ψと剪断ひずみεとの関係を示した図である。 相当ひずみの基本式より求めた屈曲角度Φと剪断ひずみεとの関係を示した図である。 屈曲角度ΦとＲ形状付与角度Ψとの関係を示した図である。 従来の一実施例に係る押出加工用金型の概略図である。 （１）従来の押出加工用金型を用いて押出加工をした被加工素材の組織図であり、（２）は図（１）のａ，ｂ部の拡大組織図である。

符号の説明

１ 押出加工用金型
２ 被加工素材
３ 溝孔
４ 屈曲部
５ 内側屈曲部
６ 外側屈曲部
７ 押出プランジャー

Claims (5)

1. 屈曲部を有する溝孔を備え、当該溝孔に被加工素材を押し込んで通過させ、前記屈曲部で前記被加工素材に剪断ひずみを与えるようにした押出加工用金型において、
   前記屈曲部に前記溝孔を屈曲させる内側屈曲部と、該内側屈曲部の頂点を中心にＲ形状が形成される外側屈曲部とを形成し、
   前記被加工素材に、ε≧１．０のひずみが断面積率で８０％以上形成されるように、前記内側屈曲部の屈曲角度及び前記外側屈曲部のＲ形状付与角度を設定した
   ことを特徴とする押出加工用金型。
2. 請求項１に記載の押出加工用金型において、
   前記屈曲角度及び前記Ｒ形状付与角度を変えて、ε≧１．０のひずみが断面積率で８０％以上となる前記屈曲角度及び前記Ｒ形状付与角度の範囲を求め、当該範囲内に前記屈曲角度及び前記Ｒ形状付与角度を設定した
   ことを特徴とする押出加工用金型。
3. 請求項１に記載の押出加工用金型において、
   前記屈曲角度及び前記Ｒ形状付与角度からなるマップを作成し、
   前記屈曲角度を９０°及び前記Ｒ形状付与角度を３０°と設定した点と、
   前記屈曲角度を１００°及び前記Ｒ形状付与角度を０°と設定した点とを直線で結び、
   当該直線の下部の範囲内に前記屈曲角度及び前記Ｒ形状付与角度を設定した
   ことを特徴とする押出加工用金型。
4. 請求項１に記載の押出加工用金型において、
   前記屈曲角度を９０°以下とし、かつ前記Ｒ形状付与角度を３０°以下とした
   ことを特徴とする押出加工用金型。
5. 請求項１に記載の押出加工用金型において、
   前記屈曲角度を１００°以下とし、かつ前記Ｒ形状付与角度を０°とした
   ことを特徴とする押出加工用金型。

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