JPS6336903A - 複合材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、芯材の外側に外層材を被嵌してなる丸棒状の
複合材の製造方法に関する。

〔従来技術〕

複合材としては、例えば良導電性ばね材料の耐食性を改
善するため、その外表面に耐食性の優れた材料を被覆し
たものがある。つまり、良導電性ばね材料がＡｌｌ、Ａ
１合金である場合には、これを腐食環境下でそのまま使
用すると腐食するため、その外表面に耐食性にすぐれた
Ｔｔ、　Ｔｔ金合金からなる層を被覆するのである。

ところで、丸棒状の複合材を製造する場合、その製造方
法としては種々提案されており、その１つに特開昭５４
−１６０５５１号の方法がある。この方法は、断面円形
の芯材の外側に筒状の外層材を嵌合し、これを冷間にて
ダイス伸線或いは静水圧押出を行って縮径加工し、然る
後、焼鈍して芯材と外層材との界面を拡散により接合す
る方法である。

しかしながら、拡散が生じると界面に両金属からなる脆
弱な金属間化合物が生成するため、接合強度が低いとい
う問題がある。

この問題を解決して複合材を製造する方法としては特開
昭５９−１１０４８６号の方法が提案されている。

この方法は所定形状の異種金属を嵌合し、これを冷間で
絞り加工を行ったのちその両端に外層材と同材質の円形
板材を摩擦圧接により溶接して両金属間の隙間を密封し
、後工程の加熱の際の酸化を防止し、これを加熱して熟
間圧延或いは熱間押出により縮径加工し、異種金属同士
を密着させ、然る後、最終製品にまで加工すべく酸洗、
冷間線引を施す方法であり、縮径加工と加熱との順序が
上記方法とは逆である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

この方法により製造した複合材は、先に拡散を行ったの
ち縮径加工するので金属間化合物層の厚さが薄くなって
接合強度が増加する傾向にある。

しかしながら、縮径加工を熱間押出により行った場合に
は、十分な接合強度が得られず、これを解決するために
熱間静水圧押出を行う方法を適用することが試みられて
いる（特公昭５４−８１８８号、特開昭６１−４２４１
６号）、一方、＄１径加工を孔型ロールによる熱間圧延
にて行った場合には後に説明するように孔型ロールによ
り圧延されて圧縮を受けた部分が圧下方向が９０°異な
る次の孔型ロールにによる圧延時に接合界面で径方向に
引張応力を受けるために芯材と外層材との界面で剥離が
生じ、接合強度が低くなるという問題点があった。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、接合
強度が高い丸棒状の複合材を熱間圧延法により製造する
方法を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は嵌合材をそのまま又はダイスにて冷間絞り加工
したのち加熱し、これを接合界面で径方向に引張応力が
作用せず、また径方向の高圧下を加え得る熱間圧延法に
より圧延する。

即ち、本発明に係る複合材の製造方法は、断面円形の芯
材の外側に外層材を被嵌した丸棒状の複合材を製造する
方法において、芯材よりも変形抵抗が大きい材質の円筒
状の外層材を用い、芯材の外表面及び外層材の内表面を
脱脂清浄して嵌合せしめ、次いでこの嵌合材を芯材、外
層材及びこれらの金属間化合物層々の融点より低い温度
に加熱し、３個以上のコーン型ロールを有する傾斜圧延
機により１バス当たり３０％以上の減面率で延伸圧延す
ることを特徴とし、また前記嵌合材をダイスにて冷間絞
り加工を行ったのち、前同様に加熱して延伸圧延するこ
とを特徴とする。

〔作用〕

本発明にあっては、加熱したのち傾斜圧延機により高圧
下で熱間圧延するから金属間化合物が生成してもその層
厚さが薄（なり、また変形抵抗を考慮して材質を定め、
また被圧延材の接合界面で引張応力が作用しないから熱
間圧延を行っても芯材と外層材との界面が剥離せず、接
合強度が増加する。

〔実施例〕

以下本発明を図面に基づき具体的に説明する。

第１図は本発明に使用する嵌合材の正面断面図、第２図
はその側面図であり、図中１０は嵌合材を示す。嵌合材
１０は断面円形の芯材１１の外側に筒状の外層材１２を
嵌合させた丸棒状のものであり、図示しない加熱炉にて
加熱された後、加熱炉の下流側に設けられた高圧下圧延
が可能な傾斜圧延機へ送給される。

第３図は本発明に使用する傾斜圧延機４を示す模式図（
図中ロール１．２は第４図のｎｒ　−ｍ線による断面図
としている）、第４図は第３図の■−■線による正面図
、第５図は（頃斜角βを示す側面図である。傾斜圧延機
４はパスライン周りに臨んで３個のコーン形ロール１，
２．３を有し、３ｆｌ！１のロール１，２．３は嵌合材
１０の出側端部にゴージ部１ａ、　２ａ、　３ａを備え
、ゴージ部を境にして嵌合材１００入側は軸端に向けて
漸次直径を縮小され、また出側は拡大されて円錐台形を
なす入口面１ｂ。

２ｂ、　３ｂ及び出口面１ｃ、　２ｃ、　３ｃを備えて
おり、出口面１ｃ、　２ｃ、　３ｃはパスラインとの距
離をゴージ部とパスラインとの距離に一致させている。

このようなコーン形のロール１，２．３はいずれもその
入口面１ｂ、　２ｂ、　３ｂを嵌合材１０の移動方向上
流側に位置させた状態とし、また軸心線Ｙ　−Ｙと、ゴ
ージ部１ａ、　２ａ、　３ａを含む平面との交点Ｏ（以
下ロール設定中心という）を、嵌合材１０のパスライン
Ｘ−Ｘと直交する同一平面上にてバスラインＸ−Ｘ周り
に略等間隔に位置せしめるべく配設されている。そして
各ロール１，２．３の軸心線Ｙ−Ｙはロール設定中心面
りに、嵌合材１０のパスラインＸ−Ｘとの関係において
第３図に示すように前方の軸端がパスラインＸ−Ｘに向
けて接近するよう交叉角γだけ交叉（Ｗ４斜）せしめら
れ、且つ第４図、第５図に示すように前方の軸端が嵌合
材１００周方向の同じ側に向けて傾斜角βだけ傾斜せし
められている。ロール１，２．３は図示しない駆動源に
連繋されており、第４図に矢符で示す如く同方向に回転
駆動され、これらのロール間に噛み込まれた熱間の嵌合
材１０はその軸心線面りに回転駆動されつつ軸長方向に
移動される、即ち螺進移動せしめられる。

嵌合材１０はロール間を螺進移動せしめられる間に、第
３図に示す如くロールバイト部Ａにて外径を絞られて、
例えば最大減面率が８０〜９０％の高圧下を受け、嵌合
材１０の圧下面Ｂが円錐台形状に成形された後、ゴージ
部、出口面にて所定の外径の丸棒状の複合材１３となる
。

次に、上記嵌合材を斯かる装置にて圧延する本発明に係
る複合材の製造方法を説明する。

嵌合材１０は断面円形の芯材１１の外表面と、芯材１１
の外径寸法と同一の内径を有する筒状の外層材１２の内
表面とを脱脂、清浄して拡散を阻害する油等を除去し、
次いでこれらを嵌合して形成させたものであり、上記外
層材１２は芯材１１よりも変形抵抗が大きい材質を使用
する。

斯かる材質を使用する理由について詳述する。

例えば逆に芯材１１よりも変形抵抗が小さい材質を外層
材として使用した場合には、第６図に示す如く傾斜圧延
ｔａ４にて熱間圧延するときに芯材１１の変形よりも外
層材１２ａの方が大きく変形して減肉される。この減肉
により周長さが長くなり、長くなった部分がロールとロ
ールとの間で張り出す現象、所謂フレアリングが生じ、
芯材１１と外層材１２ａとの間に隙間Ｃが発生する。つ
まり加熱により既に形成されている両金属の拡散層で剥
離が生じる。

この剥離が生じるのを防止するために、本発明では芯材
１１よりも変形抵抗が大きい材料を外層材１２として使
用するのである。

次に、上述のような材料を使用して嵌合せしめた嵌合材
１０の上記界面に拡散層を形成させて接合すべく嵌合材
１０を加熱する。加熱温度については、芯材１１．外層
材１２及びこれらの金属間化合物の各融点よりも低い温
度とする。これは芯材１１．外層材■２のうち１つでも
溶融すると凝固の際にその部分に割れが生じて接合強度
が低下するからである。

なお、この加熱温度は高圧下による加工熱発生量を考慮
して定める。

このようにして加熱まで行われた嵌合材１０を傾斜圧延
機４にて熱間圧延する。１頃斜圧延機４を使用する理由
は、従来の花形圧延による場合には不Ｊｌていた接合強
度を増大させる為であり、次にこれを具体的に説明する
。例えば花形圧延による場合は、２個１対の花形ロール
をパスラインに沿って圧下方向を相互に９０度異ならせ
て複数対設けであるので、１対のロールによる圧延では
嵌合材１０においてはロールにより拘束されている部分
と、拘束されていない部分とが存在する。

ここで、拘束されていない部分について、圧延による芯
材１１の延伸方向の歪をεＺｌ＋延伸方向に垂直な方向
（径方向）の歪をεｒ１とし、また外層材１２の２つの
歪を夫々εＺ２＋　　εｒ２とする。芯材の方が外層材
１２よりも変形抵抗が小さいので、圧延により同時に圧
下を受けるとεＺ、＞εｚ２となる。

ところで、圧下を受けて変形しても体積は一定であるの
でεｚ１＋εｏ１＋εｒ１＝０（εｏ１：芯材の周方同
士）、εｚ２＋εｏ２＋εｒ２−０（εｏ２：外層材の
周方同士）を満足し、このときεＱ、＝８０□とすると
ε「１くεｒ２となる。即ち、外層材１２の方が延伸方
向に垂直な方向（径方向）の歪が大きくなリ、外層材１
２と芯材１１との界面で径方向の引張応力が生じること
になる。つまり、成るロール対の圧延で圧縮した部分は
、圧下方向が９０°異なる次ロール対による圧延時に非
拘束部となって上記引張応力が作用するため、剥離が生
じやすい。

また、孔型圧延された複合材の断面は、第７図に示す如
く芯材１１の周方向４等配の位置で突起部Ｅが形成され
、外層材１２の肉厚はその部分で薄くなり不均一となる
。

これに対して傾斜圧延機を用いる場合は、第３゜４．６
図より明らかなように嵌合材の同一周部分には拘束され
ている部分と拘束されていない部分とがあるが、嵌合材
１０がロール間を螺旋状に進行していくので、圧縮圧力
を受けた部分に引張応力の作用がない。

従づて、傾斜圧延機による場合には前記孔型圧延で生じ
る引張応力の発生がなく、界面の接合に対しては有利で
ある。また傾斜圧延機による場合は、その減面率が下記
（１１式にて表わされ、１パス当たりに最大８０〜９０
％の減面率で延伸圧延が可能である。

従って、本発明は従来の孔型圧延で不足していた接合強
度を十分な強度まで高め得るように、後に説明する如く
１パス当たり３０％以上のの減面率で嵌合材１０を高圧
下圧延する。これにより、前述の低い温度に加熱した嵌
合材１０に加工熱が発生し、拡散が促進される。また、
金属間化合物が生成しても高圧下圧延により金属間化合
物層の厚みを薄肉化でき、接合性に優れた複合材１１を
製造できる。

３（１１以上のコーン型ロールを有する傾斜圧延機を用
いるのは、２個のロールを有する傾斜圧延機においては
、被圧延機中央部にいわゆるマンネスマン破壊による内
部割れが発生するので、これを回避するために３個以上
のロールを有する傾斜圧延機を採用するのである。

次に減面率と加熱温度と接合部の剪断強さとの関係等に
つき実施例に基づいて説明する。

（実施例１） まず、芯材：　Ａｌ、外層材：Ｔｉの複合材を製造した
場合について述べる。

外ｌ：４９ｍφ（精度：　−０，１〜＋ｏ、ｏ　ｍｓ）
　、材質：純Ａｌ１（１０７０）の芯材と、外径；５５
１φ、内径＝４９ｆｉφ（精度二０．０〜＋〇、１鶴）
、材質：純Ｔｉ（ＪＩＳ　２種）の外層材とを機械加工
により作成し、これを脱脂、清浄したのち芯材と外層材
とを嵌合した。この嵌合材を４００℃、５００℃、６０
０℃と加熱温度を変更して夫々の温度で１時間加熱し、
これを各温度のものについて減面率を２０％、３０％。

４０％、６０％、８０％と変えて傾斜圧延機により熱間
圧延した。ｐ！４斜圧延圧延機定条件については、交叉
角（γ）：５°、傾斜角（β）：１３°、ロール径＝１
２０鶴φ、ロール材質：　５０Ｍ４４０．　ロール回転
数：　１００ｒｐ＋ｗとした。

第８図は横軸に加熱温度（’Ｃ）をとり、縦軸に減面率
（％）をと１で、各加熱温度、減面率で製造した複合材
をシャーにて切断し、その切断面における芯材と外層材
との接合状態を観察し、その良否を○、×にて示した図
である。この図より理解される如く、減面率を３０％以
上とした場合には、接合性の良好なチタンクラッドアル
ミ複合材を製造できる。

また、接合界面について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）
観察、電子プローブマイクロアナライザ（ＨＰＭＡ）観
察、超音波探傷を行ったが、夫々の結果としては剥離、
酸化物、欠陥はなかった。

なお、比較のために孔型圧延によりチタンクラッドアル
ミ複合材を製造した。製造条件としては、前同様の嵌合
材を６００℃に加熱し、６パスで外径を５５鶴φ−３０
鶴φ（１パス当たりの平均減面率は１８％）に連続圧延
した。このように孔型圧延を行って製造した複合材は、
シャー切断面を目視観察した結果、芯材と外層材とが剥
離しており、更にこれをＳＥＭ観察すると数個所で剥離
が見られた。

このため、延伸圧延工程では傾斜圧延法を用いて高圧下
圧延を行うのである。

（実施例２） 次いで、芯材が純Ｃｕ　（タフピッチ鋼（Ｃ１１００）
）で、外層材が純Ｔｉ　（ＪＩＳ　２種）　、　Ｔｉ−
６八７！−４Ｖ（７）２［類のものであるチタン又はチ
タン合金クラノド鋼材について述べる。

前同様にして芯材と外層材との嵌合材を作成し、これを
６００．７００．８００℃で各１時間加熱して傾斜圧延
機により前同様にして熱間圧延を行った。またチタンク
ラッド鋼材については、その嵌合材をダイスにて外径で
２ｆｌ縮径する絞り加工を施したのち熱間圧延を行った
。即ち、嵌合した材質が異なるものが２種類、製法が異
なるものが１種類、合計３種類製造した。

製造した複合材の接合強度を調査すべ（、第９図に示す
如く所定長さの複合材の一端側を一定長さｈでそのまま
とし、他端側を芯材の外径よりも小さい外径の円柱部と
した試験片を各調査対象材について２個づつ作成し、芯
材の外径よりも少し大きい直径の円形開口部の縁部に、
試験片の一端側の外層材部分に当接し、その状態で他端
側より押圧力を付与して芯材と外層材とが破断する荷ｍ
Ｐを測定し、その測定値を下記（２）式に代入し、剪断
強度＝Ｐ（π・Ｄ−ｈ）　　　　　　・・・（２）但し
、Ｄ＝芯材の外径 剪断強度を求めた。

第１０図は横軸に加熱温度（’Ｃ）をとり、縦軸に剪断
強さくｋｇ　ｒ　７１ｍ２）をとって、各加熱温度。

減面率で製造した複合材の剪断強さの調査結果をまとめ
たグラフであり、材料、製造法が異なる３種類の複合材
の加熱温度、減面率が同一のものについては剪断強さは
略同値であったので、これを平均したもので表示してい
る０図中の■印２口印。

ム印、○印、・印は夫々減面率２０％、３０％、４０％
。

６０％、８０％を示す、この図より理解される如く、剪
断強さの最低基準値として、銅及び銅合金クラツド鋼で
の剪断強さ基準値（ＪＩＳ　Ｇ　３６０４　）を用いる
とすると１０ｋｇｆ　／　ｔｍ２となっており、この基
準値を満足させるには減面率を３０％以上とする必要が
あり、本発明では高圧下で圧延できる傾斜圧延機を用い
るので、剪断強さ、つまり接合強度を満足させ得る。

また、接合界面については、３２Ｍ観察、　ＥＰＭＡ観
察、超音波探傷を行ったが、その結果、夫々剥離。

酸化物、欠陥がなかった。

なお、比較のために実施例１と同様にして作成したチタ
ンクラッド鋼材を８００℃に加熱して孔型圧延を行った
。製造した複合材の接合強度を測定した結果６．５　ｋ
ｇｆ　／ｖｎａ２であり、基準値を下回っていた。

第１１図は減面率８０％で本発明により製造した複合材
の接合界面を３２Ｍ観察した写真であり、また第１２図
は上記比較のために孔型圧延にて製造した複合材の接合
界面を同じ＜　３２Ｍ観察した写真である。これら両図
より理解される如く、比較例の場合には拡散層とＣｕ側
との界面で割れが観察され、接合部で剥離が存在するこ
とが確認された。これに対し、本発明による場合には剥
離が生じていなかった。

（実施例３） 更に、芯材が純Ｃｕ　（タフピンチ銅（ＣＩｌｏｏ）　
）で外層材が５ｔｌＳ３０４のステンレスクラフト鋼材
の場合について述べる。

実施例１同様にして芯材と外層材との嵌合材を作成し、
これを９００．９５０．１０００℃で各１時間加熱して
、傾斜圧延機により実施例１同様に圧延を行った。また
嵌合材をダイスにて外径で２１１縮径する絞り加工して
土間様にして圧延を行った。そして、製造された各複合
材より第９図に示すような試験片を２個づつ作成し、剪
断強さを測定した。

第１３図は横軸に加熱温度（”Ｃ）をとり、縦軸に剪断
強さくｋｇｆ　７１ｍ２）をとって、各加熱温度。

減面率で製造した複合材の剪断強さの測定結果をまとめ
たグラフであり、製法が異なる２種類の複合材の加熱温
度、減面率が同一のものについては剪断強さは略同値で
あったので、これを平均したもので表示している０図中
の表示部は実施例２と同一である。この図より理解され
る如く、前同様剪断強さの最低基準として１０ｋｇ　ｒ
　／　ｕｒ　２を用いると、減面率を３０％以上とする
ことによって剪断強さが基準値以上となり、剪断強さ、
つまり接合強度を満足させ得る。

また、接合界面についても異常はなかった。

なお、上記説明では２種類の金属を嵌合した材料をその
まま加熱して傾斜圧延機にて延伸圧延を行うか、嵌合し
た材料を冷間絞り加工した後加熱して傾斜圧延機にて延
伸圧延を行っているが、両金属の間に浸炭防止等の目的
で中間材を介在せしめた材料を加熱して傾斜圧延機にて
延伸圧延を行う方法も本発明の方法に属するものである
。

〔効果〕

以上詳述した如く本発明による場合は、加熱したのち傾
斜圧延機により高圧下圧延するので金属間化合物層の厚
みを薄くでき、また変形抵抗を考慮した材料を使用する
のでフレアリングの防止が可能となり、また接合界面に
径方向の引張応力が作用しないので接合強度の増大を図
り得、これにより芯材と外層材との接合強度に優れた丸
棒状の複合材を熱間圧延により製造でき、このため従来
では使用できなかった高い応力が作用する用途等にも適
用可能となり、用途の拡大を図れ、また従来嵌合材の両
端を摩擦圧延により密封していた工程を省略できる。更
に嵌合材をダイスにて冷間絞り加工した場合にはより接
合性を均一化することができる等、本発明は優れた効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に使用する嵌合材の正面断面図、第２図
はその側面図、第３図は本発明に使用する傾斜圧延機を
示す模式図、第４図は第３図の■−■線による正面図、
第５図は傾斜角βを示す側面図、第６図はフレアリング
の発生状況を示す模式図、第７図は孔型圧延により圧延
した複合材の正面断面図、第８図は加熱温度と減面率と
を変更してチタンクラフトアルミ材を製造した場合の接
合良否を示すグラフ、第９図は剪断強さの測定内容説明
図、第１０図は減面率を変更して本発明により製造した
チタン又はチタン合金クラ７ド鋼材の場合の加熱温度と
剪断強さとの関係を示すグラフ、第１１図は本発明によ
り製造したチタン又はチタン合金クラフト鋼材の芯材と
外層材との界面近傍の組織を示す写真、第１２図は孔型
圧延により製造した前同様の複合材の界面近傍の組織を
示す写真、第１３図は減面率を変更して本発明により製
造したステンレスクラツド銅材の場合の加熱温度と剪断
強さとの関係を示すグラフである。 １．２．３・・・コーン型ローン　　４・・・傾斜圧延
機　　１０・・・嵌合材　　１１・・・芯材　　１２・
・・外層材時　許　出願人　　住友金属工業株式会社代
理人　弁理士　　河　　野　　登　　夫鴇６図 鴇３図 第４　図 第　５　図 富７図 力ｎ　、卆各　シ団り戸４　　（ｏ（）猶８図 第９図 〃０集娼、席（０Ｃ） 隼碕Ｏ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、断面円形の芯材の外側に外層材を被嵌した丸棒状の
   複合材を製造する方法において、 芯材よりも変形抵抗が大きい材質の円筒状 の外層材を用い、芯材の外表面及び外層材の内表面を脱
   脂清浄して嵌合せしめ、次いでこの嵌合材を芯材、外層
   材及びこれらの金属間化合物夫々の融点より低い温度に
   加熱し、３個以上のコーン型ロールを有する傾斜圧延機
   により１パス当たり３０％以上の減面率で延伸圧延する
   ことを特徴とする複合材の製造方法。 ２、断面円形の芯材の外側に外層材を被嵌した丸棒状の
   複合材を製造する方法において、 芯材よりも変形抵抗が大きい材質の円筒状 の外層材を用い、芯材の外表面及び外層材の内表面を脱
   脂、清浄して嵌合せしめ、次いでこの嵌合材をダイスに
   て冷間絞り加工を行ったのち、心材、外層材及びこれら
   の金属間化合物夫々の融点より低い温度に加熱し、３個
   以上のコーン型ロールを有する傾斜圧延機により１パス
   当たり３０％以上の減面率で延伸圧延することを特徴と
   する複合材の製造方法。