JPH01262018A - 金属基複合材料の管材押出し加工方法 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、金属基複合材料の管材の押出し加工方法に関
する。

（従来の技術） 金属基複合材料は、その強化方法により、繊維強化複合
材料２粒子強化複合材料１分散強化複合手Ａ料等に分類
できる。この中で、繊維強化型の複合材料は、その強化
繊維とマトリクス材の組み合ゼにおいて、比強度、比剛
性が高く、耐熱性に優れた材利か得られ、航空機の構造
材料等に適用か図られている。また、粒子強化型の複合
（Ａ利は、強化粒子とマトリクス材の組み合せにより、
耐熱性、耐磨耗性、耐食性の優れた材料が得られ、機械
部品（特に摺動部品など）等に適用が図られている。

このように、多くの長所を有する材料であるが、一般に
、変形能が低く、塑性加工が難しいという短所がある。

特に、強化繊維および強化粒子の体積含有率が高くなる
に従い、この傾向は顕著となる。しかし、この金属基複
合材料に塑性加工か実施可能となれば、効率的に所定の
寸法形状にづることができ、かつ、塑性加工の各種方法
を選択することにより、強化繊維等の配向性を制御する
ことができ、金属基複合材料の長所を十分に発揮するこ
とかできる。特に、金属基複合材料に適用する塑性加工
法として、押出し加工は応用範囲が広く、また、管材の
製造方法として、極めて有効な加工方法である。即ち、
ダイスの交換により異なる寸法の押出しくオを製造する
ことができ、多種少量生産に適している。また、金属基
複合材料性のリング状の機械要素部品の製造において、
長尺の管側を切断することにより、効率良く製造可能と
なる。

上記のように、金属基複合材料の管材をより低いコスＩ
〜で得ようとする要望は、近年において、極めて高くな
っているが、かかる要望を実現するための方法は、まだ
知られていない。即ち、従来、アルミニウムの高力合金
管等の製造方法として採用されているマンドレルを使用
し直接押出し法による強化繊維または強化粒子の体積含
有率の高い（Ｖｆ＝２０％以上のもの）金属基複合材料
の管材製造法は確立していない。

従来、変形能の低い、脆性材料を押出す方法としては、
（１）静水圧を利用した静水圧押出し法、（２）ダイス
出口側にも高い静水圧を作用させて、割れを防止する超
高圧押出し法、（３）押出しビレットを、他の加工しや
ずい金属で包んで押出すカプセル押出し法等が採用され
ている。しかし、これらの方法は押出し前にビレッ１〜
をカプセル化するために、多くの前加工を必要としたり
、初！ＩＩ、Ｉの設備コス１−および操業時のコストが
マンドレルを使用した直接押出し法と比較して高く、低
］スト化という目的は達成していない。

（発明か解決しようとする課題） 前述のように金属基複合ｖＪ利は、一般に難加工材料で
ある。繊維強化複合材料を例にとると、強化繊維の体積
含有率か高くなるに従い、その押出し加工後の押出し製
品の表面に割れが生ずる。これは、押出し加工の過程に
おいて、押出し十Δ表面に動く引張り応力に起因する。

即ら、第７図の中実材の直接押出し法のメタルフロー１
の例に見られるように、押出し中、ビレッｌヘ−とコン
テナー２の壁面間の摩！察、デッドゾーン部のせん断賊
、押出し材表面とダイストランド間の摩擦等の影響によ
り、第８図に示すように、ダイス３ａ出側での押出し材
４の流速分布は、押出し柵の中央部速度（Ｖｃ　）が押
出し材の表面速度（Ｖｓ）より速く、この流速の差（△
Ｖ−ｃ　　Ｖｓ）により押出し材表面に引張り応力が働
く。通常のアルミニウム材等では、この流速差に起因す
る表面割れは発生しにくいが、上記したように難加工材
である金属基複合手Ａ料の場合、割れ（ティアリング）
が発生し易く、特に、強化繊維の体積含有率が高くなる
と、割れの発生か顕著に現れる。

金属基複合材料の押出し加工において、健全な押出し製
品を得るためには、基本的な最適押出し条件（例えば、
押出し温度、押出し速度、潤滑条件、ダイス形状等）を
杷握することは当然であるか、金属基複合材料は押出し
加工の素材として、変形能が低いという基本的な問題が
含まれていることに留意しな（プればならない。

従来、採用されている脆性材料の押出し方法（前記静水
圧押出し法等）と比較して、初期の設備にかかるコスト
および操業時のコストのより低い、しかもより簡便な方
法により、金属基複合材利の管材押出しか効率良〈実施
可能となれば、金属基複合材料製品の１−一タルコス１
〜低減につながり、より広範囲の適用が可能となる。特
に、マンドレルによる直接押出し法により、この押出し
が可能となれば、既存設備を変更することなく、強化繊
維の体積含有率の高い金属基複合材料の管材が低コス１
〜で得られる。金属基複合材料の管材が従来の押出し加
工設備によって容易に製造可能となれば、耐磨耗性、耐
熱性、比強度、比剛性に優れたリング状の機械要素部品
等が低コストで得られ、その産業上の効果は極めて大ぎ
い。

本発明の目的は、表面割れのない健全な押出し製品を得
るとともに、押出し加工による機械的特性の向上を図り
、さらに、押出し加工の生産性向上、部、品製造の低コ
スト化を図った金属基複合材料の管材の押出し加工方法
を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、直接押出しの固定マンドレル方式により、金
属基複合材料の管材を製造するにあたり、金属基複合材
料のホロービレットの製造工程で、マンドレルの先端部
には中央部より直径が大きくなるように段付部を設け、
マトリクス金属層を一体に形成し、押出し前にこのマト
リスク金属層を前記ダイス側となるように配置すること
を特徴とするものである。

（作　用） 押出された製品の表面に、金属基複合材料と比較して変
形能の高いマトリクス金属のみの層が形成されるから、
押出し加工中に押出し材表面に働く引張り応力が緩和さ
れ、割れのない表面品質および機械的特性の優れた金属
基複合材料の管材が得られる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。な
お、以下の説明は押出し方法として、ダイス半角９０°
を使用した直接（前方）押出し法、管材の中空部形成方
法として、固定マンドレル法の例を示す。第１図は繊維
強化型複合材料の製造方法の一例である溶浸法（溶湯鍛
造法）によって、管材押出し用のホロービレット（中空
形状のビレット）製造過程を示す。溶浸法は溶融金属を
強化繊維中へ加圧浸透させる方法である。本発明はこの
加圧浸透時に、強化繊維間にマトリクス溶湯金属が浸透
した部分１０の他に、強化繊維を含まない溶湯金属のみ
、即ち、マトリクス金属のみの部分１１を形成し、その
後熱処理後冷却し、これを管材押出し用のホロービレッ
トとして使用する。ここで、７１〜リクス金属のみの部
分の厚さは、強化繊維体積、マトリクス溶湯金属体積、
加圧浸透時圧力、加圧ストローク等の調整により、変え
ることができる。

次の工程である管材の押出し加工方法は固定マンドレル
法による直接（前方）押出し加工例を第２図に示す。管
材の押出し方法は中空部（内径部）の成形方法で分類す
ると、ホローダイ（組合せダイ）方式、マンドレル方式
があり、さらに各々に直接（前方）押出し法と間接（接
法）押出し法がある。−膜内に、ホローダイ方式はマン
ドレル方式と比較して、寸法精度（特に偏肉精度）良い
が、熱間圧着部が存在するため、難加工材には適さない
。マンドレル方式の寸法精度向上対策として、押出機の
芯管理、工具（マンドレル、ダイス）の管理の徹底によ
って、精度向上が図れる。以上の理由により、金属基複
合材料の押出し法は直接押出しマンドレル方式が適して
いる。第２図に示すように、本発明は、マンドレルの形
状を大きな特徴とする。

即ち、マンドレル１２先端のダイス部にマンドレルの中
央部分より太くした段付部１２ａを設けている。なお、
同図において、符号１３はステム、符号１４は押しブロ
ックを示す。第１図に示した溶浸法で製造したホロービ
レットは第２図に示すように金属基複合材料部分１５と
マトリクス金属部分１６とからなる。そこで、マトリク
ス金属部分１６をダイス３ｂ側に配置する。次に、第３
図に示すように、ステム１３により加圧されダイス３ｂ
の出口より金属基複合材料の管材１７が得られる。この
管材１７の定常部の断面を第４図に示す。即ち、管材１
７の中央部は金属基複合材料部１８でおり、外周表面と
内径表面がそれぞれマトリクス金属部１９ａ、　１９ｂ
となっている。以下、本発明による管材押出し法により
、押出し材の横断面が第４図に示す構造となる理由を説
明する。

押出し変形中に第３図に示すように、ダイス３ｂ直前に
外周部とマンドレル部に２箇所のデッドゾーン２０ａ、
　２０ｂが生ずる。これらのデッドゾーン２０ａ、　２
０ｂは上記したように強化繊維を含まないマ（〜リクス
金属部４をダイス３ｂ側に配置しているため、マトリク
ス金属のみで形成されている。

このように形成されたデッドゾーン２０ａ、　２０ｂは
押出し変形過程（おいて、完全な剛体ではなく、ステム
１３の加圧によるホロービレットの変形に伴い、ダイス
３ｂの出口およびマンドレル１２の先端部出口より少し
づづ流出する。この結果、第４図に示すような断面とな
る。

変形能の低い材料の押出し加工において、割れの発生の
最も多い箇所は、押出し材の表面部分である。この原因
は第８図に示したように押出し材４の中央部と表面層と
の流速差に起因する引張り応力である。したがって、変
形能の低い材Ｈの押出し材の表面割れを防止するにはこ
の引張り応力を低減する（即ら、押出し材の４の中央部
と表面層の流速差を小さくする）か、または大ぎな引張
り応力が働く表面層に変形しやすい材料を配し、金属基
複合材料の押出し製品部への引張り応力を緩和する方法
かある。本発明は後者の方法により、管材の外周表面と
内面部表面をマトリクス金属層とすることにより、表面
割れのない健全な金属基複合材料の管材を得ようとする
ものである。押出し材の外周部に変形能の大きな材料を
配する他の方法として、 （１）第５図に示すように、リング状の加工しやすい金
属２１ａ、　２１ｂを別途製作し、金属基複合材料のボ
ロービレッｉ〜２２に挿入し、押出し加工をして組合せ
ボロービレット２３を得る方法、（２）第６図に示すよ
うに、金属基複合材わ（のボロービレット２２を加工し
やすい金属の溶湯２３中に漬けて冷却し、ビレット外周
部に加工しやすい金属を何着させ、押出し加工をして組
合せホロ一ビレット２４を得る方法 等が考えられる。

これらの方法は製造プロセスにおいて、工程の追加が必
要となるが、本発明では押出しのホロービレット製造過
程の溶浸時に、上記の効果をもたらす部分を製造するた
め、新たな工程を必要とせず押出し用ホロービレットを
製造することが可能となる。

以上は、ホロービレットの製造方法として、溶浸法によ
る方法を示したが、粉末法（金属粉末と強化繊維または
強化粒子を混合し、加熱加圧し、焼結させる方法）でも
可能である。即ち、マトリクス材粉末と強化粒子を混合
した材料上に、７１〜リクス材粉末を加えて加圧し、加
熱炉で加熱することにより、本発明の効果をもたらす押
出し用ビレッ１〜か得られる。

［発明の効果］ 本発明は以上のように構成されているので、難加工性材
料である金属基複合材の管材を静水圧を利用する等の特
殊な方法を用いることなく、通常の押出し方法により、
表面割れのない表面品質の優れた押出しによる管材製品
を得ることができる。

また、繊維強化複合材料の場合押出し加工の結果、押出
し方向に繊維か配向することによる機械的強度向上を図
ることができる。さらに、製造プロセスにおいて、新規
に工程を追加することなく、上記の効果を得ることか可
能となり、生産の効率向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に関連するホロービレットを溶浸法によ
り製造する構成を示す説明図、第２図は第１図に示す製
造方法によるホロービレットを固定マンドレル方式によ
り直接（前方）押出しする場合の押出し前の状態を示す
説明図、第３図は第２図に示す状態から押出し加工中の
状態を示す説明図、第４図は本発明によって得られた管
状の押出し製品の定常部の横断面図、第５図は管状の押
出し材の外周、内周の各部に加工しやすい金属を配する
第１図の方法とは異なる方法を示す説明図、第６図は管
状の押出し材の外周、内周の各部に加エしやすい金属を
配する第１図および第５図の方法とは異なる方法を示す
説明図、第７図は従来の中実材の直接（前方）押出し加
工のメタルフローを示す説明図、第８図は押出し加工方
法における押出し材の中央部と外周部の流速の差を示す
説明図である。 ３ｂ・・・ダイス １０・・・強化繊維間にマトリクスの溶湯金属が浸透し
た部分 １１・・・マトリクスの溶湯金属のみの部分１５・・・
ホロービレッ１〜の金属基複合材料部分１６・・・ホロ
ービレッ１へのマトリクス金属部分１７・・・金属基複
合材料の管材 （８７３３）代理人　弁理士　猪　股　祥　晃（ほか　
１名） カロ　　　チｉ ■ヒ９口 第２図 ↓ 才〒赴し力り二 第５図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　金属基複合材料ホロービレットを、ダイスおよびマン
   ドレルを介して押出し形成する金属基複合材料の管材の
   押出し加工方法において、前記金属基複合材料ホロービ
   レットの製造工程で、前記マンドレルの先端部には中央
   部より直径が大きくなるように段付部を設け、マトリス
   ク金属層を一本に形成し、押出し前にこのマトリクス層
   を前記ダイス側となるように配置することを特徴とする
   金属基複合材料の管材押出し加工方法。