JPH01259152A - 強靭な構造用金属材料の製造法 - 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】 本発明は、耐疲労性にすぐれた強靭な構造用金属材料の
製造法に関する。より詳しくは、鋳造金属の溶湯が接す
る鋳型の壁面が、鋳造金属の萩固温度以上に保たれた鋳
型を用いることを特徴とする、鋳塊の加熱鋳型式連続鋳
造法によって、結晶が一方向にのみ成長した鋳塊または
凝固粒界のない単結晶からなる金属鋳塊を鋳造し、それ
に結晶の成長方向の変形を阻止し鋳塊側面に、加圧方向
を変えて繰り返し変形加工を施し、加工硬化させ、疲労
破壊に強い、強靭な構造用金属材料を製造する方法に関
するものである。

一般に純金属は軟らかく、塑性変形をあたえても硬化し
に＜＜、構造用材料として使用できないために、強度を
増すために、合金元素を添加し合金の形で使用されてき
た。合金元素を添加するのみでは軟らかすぎる場合には
、焼き入れの如き熱処理や時効硬化処理によって、合金
を硬化させ強くして構造用材料として使用されてきた。

たとえば、飛行機の材料は軽くて強いことが必要で、そ
のために比重の小さいＡρ基の合金が犬量に使用されて
きた。純Ａβは飛行機の構造材料として使用するには軟
らかく、強度が充分でないために、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇな
どを添加し、析出硬化型の合金をつくり、時効硬化処理
によって強度をあたえて使用されてきた。

このような合金を用いてつくられた飛行機が、しばしば
墜落事故を起こし、その原因が、金属材料の疲労破壊に
基因すると結論づけられることが多かったことは周知の
事実である。飛行機の構造材のように、振動のような繰
り返し応力を長時間うける材料は、疲労破壊を起こしや
すいので、常に、疲労による亀裂の早期発見のための厳
重な検ノ査を行わなければならなかった。たとえ材料表
面に発生する亀裂は発見できても、材料の内部で発生す
る亀裂は、それが表面に伝播するまで発見することがで
きない。そのような材料内部に発生した亀裂は、いつ、
材料表面にまで伝播して、その材料の表面破壊につなが
るかわからない。そのため飛行機の乗客は、常にそのよ
うな事故発生の不安を感じさせられてきた。そして金属
疲労の起こりにくい飛行機の構造材料の速やかな出現が
強く望まれてきた。

金属疲労による構造材の破壊による事故発生の危険は、
単に飛行機に限らず、長時間の振動の如き繰り返し応力
をうける機械部品には常に伴うもので、疲労破壊発生の
起源となる因子を取り除き、安心して使える信用度の高
い構造材料の製造法を見出すことは、きわめて重要なこ
とである。

鋳塊が多結晶体からなる時は、その凝固時に形成された
結晶と結晶の粒界、すなわち凝固粒界に鋳造法として用
いられてきた方法は、冷却鋳型に金属溶湯を注湯して、
鋳型の抜熱によって金属を凝固させて鋳塊を得るもので
あった。そのような鋳塊においては、結晶が表面にほぼ
垂直に並んで成長した柱状晶帯が形成され、鋳塊の内部
には、しばしば等軸晶帯があられれた。

このような鋳塊を冷間で加工する時は、表面の柱状晶の
粒界から亀裂が入りやすく、そのため、冷間加工に先立
って鋳塊はまず加熱して軟化させてから加工して、後の
冷間加工にさいして表面から内部に亀裂の伝播が起こり
にくくなるように、表層の柱状晶をおしつぶしてしまう
ことが必要であった。

このような凝固時に形成される粒界には、ガスや不純物
が偏析しやすく、とくに３個以上の結晶の粒界の交わる
、いわゆる、粒界の三重点は、微細な空孔が形成しやす
いことが知られている。このような凝固粒界は、鋳塊の
組織の中で最も弱い場所であり、そのような凝固粒界が
その鋳塊を加工して作られた機械部品の表面に存在する
時は、ような凝固粒界が一旦形成してしまうと、たとえ
塑性加工や熱処理を施しても、それは凝固粒界の履歴と
して最終製品の中に残ってしまう。そのような不純物の
偏析した、結晶間の結合の不完全な凝固粒界が構造用材
料の疲労破壊に対する弱い場所であることは周知の事実
である。

このような疲労破壊に弱い凝固粒界のない材料、すなわ
ち単結晶や、結晶が鋳塊の鋳造方向にのみ成長した一方
向凝固鋳塊がなぜ構造材料として従来用いられなかった
かを考えてみると理由は大きくわけて、二つ存在するよ
うに考えられる。

第１の理由は、従来、単結晶や一方向凝固鋳塊を作るた
めには、１時間に数ｍｍというような、きわめて遅い凝
固速度でなければならなかったために、生産性が低く特
殊な機能材料には使用できても、構造用材料として大量
に安く製造することは、到底不可能と考えられてきたこ
と。

第２の理由は、単結晶や一方向凝固鋳塊は軟らかくて加
工しても硬化しにくいために、強い材料は微細な結晶か
らなる多結晶体でなければならないと、−船釣に信じら
れてきたためと考えられる。

本発明者は、さきに鋳型の内壁の温度を鋳造金属の凝固
温度以上に加熱する加熱鋳型式連続鋳造法（特許第１０
４９１４６号）を発明した。そして、その方法によって
、Ａ７！やＣｕやＮｉなどの一方向凝固鋳塊が容易に製
造できることを見出した。そして加熱鋳型式連続鋳造法
で鋳造した、鋳塊表面から内部に向かって成長した凝固
粒界のないＡＡ基の単一固溶体からなる鋳塊を鋳造方向
の変形を阻止しつつ、側面から冷間で加圧方向を変化さ
せつつ、繰り返し鍛錬加工することによって、耐疲労性
のすくれた、硬くて強い材料が得られることを見出し本
発明を完成した。

多結晶体からなる鋳塊に塑性加工を施すと、結晶内に生
成した転位が移動することによって変形する。そして、
この転位が移動して結晶粒界に集まると、ここで移動は
停止し、結晶は硬化し、ついには粒界から破壊する。し
たがって、結晶粒は微細なほど金属材料は加工硬化しゃ
ずいといわれてきた。いいかえれば、結晶粒が大きいほ
ど金属材料は軟らかくて硬化しにくいといわれてきた。

このことは、結晶粒界のない単結晶の場合は、Ｗ性加工
によって生成される転位は、移動して結晶の外に出てし
まい、生成される転位の移動を阻止して、材料を硬化せ
しめるものが存在しないために、このような鋳塊を加工
硬化させるためには、結晶内の転位の移動を阻止するに
有効な手段を見出す必要のあることを示すものである。

単結晶を含む、一方向凝固鋳塊は、鋳造方向に優先的に
変形することが知られている。したがって一方向凝固鋳
塊を加工硬化せしめるためには、ます、鋳造方向の変形
を阻止し、さらに結晶内の転位の移動を阻止するに有効
な手段を見出さなければならなかった。

本発明者は、単結晶の如き一方向凝固鋳塊に圧延とか引
き抜きの如き単純な塑性加工を施すのでなくて、結晶の
変形しやすい方向すなわち、鋳造方向の変形を阻止しつ
つ鋳塊側面に、加圧方向を変えて繰り返し塑性加工を施
すことによって、結晶内における転位の増殖を促し、生
成した転位を互いにからませ、転位の自由な移動を阻止
し、硬化させる方法が有効と考え、Ａｆｆ−４％Ｃｕ合
金の棒状の多結晶体からなる鋳塊と、一方向に凝固せし
めて得た単結晶鋳塊を用い、長さ方向の変形を阻止しつ
つ側面から、曲面体を用い１、加圧方向を変えながら繰
り返し圧縮加工を行った。その結果、多結晶体がピンカ
ース硬度１００ですでに破壊したのに対し、単結晶鋳塊
はビッカース硬度１３０になっても破壊することなく、
軟らかい一方向凝固した単結晶鋳塊がきわめて強靭な構
造材料に変わる事実を見出した。

このような、冷間加工によって強化した構造材料をうる
ためには、純金属は軟らかすぎるので、第２相を晶出し
ない程度の他元素を含む合金であ；１、ることか必要で
ある。合金元素の添加によって、／＝固組織に脆弱な第
２相が板状に晶出する時は、それが繰り返し加工にさい
する亀裂発生の起点になってしまう。しかしながら、第
２相が液相からの凝固時の晶出でなく、鋳塊が一旦溶質
過飽和の単一固相体を形成した後、時効析出した徽細な
析出粒子として結晶内に点在することは、鋳塊の硬化に
とってむしろ好ましいことである。

このような溶質過飽和の固溶体合金鋳塊は、加熱鋳型式
連続鋳造法によって、合金を急冷凝固せしめることによ
ってうろことが可能である。

従来の構造材料はすべて合金であり、それらは曲げ応力
による破壊や疲労破壊の起点となるべき表面欠陥、すな
わち、凝固粒界や、化合物の如き第２相の晶出物などを
常に有していた。

本発明は、このような表面欠陥はもとより、材料内部と
も、亀裂発生の起点となるような凝固粒界や第２相晶出
物の存在しない、きわめて信頼性の高い構造材料を製造
する方法を提供するものである。

本発明の構造用材料のための製造方法は、単にＡｌやＮ
ｉやＣｕを用いた材料に限らず、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｇなど
、熔解鋳造及び加工硬化のできるあらゆる金属に応用す
ることができる。

本発明は、単に鋳塊の凝固法を変え、加熱鋳型式連続鋳
造法を用い、鋳塊表面に亀裂発生の起源となりやすい凝
固粒界のない一方向凝固鋳塊をつくり、それに加圧方向
を変えて繰り返し冷間加工を施して硬化させ、必要な強
度をあたえ、信頼性の大きな構造用材料の製造を可能に
するもので、飛行機や自動車の如く人命にかかわる機械
器具の構造用材料の製法として画期的と考える。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一方向凝固鋳塊に、結晶成長方向の変形を阻止しつ
   つ、繰り返し鍛錬加工を施して硬化させることを特徴と
   する、強靭な構造用金属材料の製造法。 ２、前記一方向凝固鋳塊が単結晶からなることを特徴と
   する、請求項１記載の強靭な構造用金属材料の製造法。 ３、前記一方向凝固鋳塊が、鋳型の内壁面を鋳造金属の
   凝固温度以上に加熱する、加熱鋳型式連続鋳造法によっ
   て得られることを特徴とする、請求項１記載の強靭な構
   造用金属材料の製造法。 ４、前記一方向凝固鋳塊が、単一固溶体合金であること
   を特徴とする、請求項１記載の強靭な構造用金属材料の
   製造法。