JPH0143002B2

JPH0143002B2 -

Info

Publication number: JPH0143002B2
Application number: JP59064263A
Authority: JP
Inventors: Susumu Inumaru; Shigenori Yamauchi; Kazuhisa Shibue; Hideo Sano
Original assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 1984-03-30
Filing date: 1984-03-30
Publication date: 1989-09-18
Also published as: JPS60208401A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は粉末状材料製継目無中空材の製造法に
係り、特に粉末状材料を間接マンドレル押出法、
即ちマンドレルを用いた間接押出法により押し出
して、長尺の継目無中空材を効果的に製造する方
法に関するものである。アルミニウム若しくはその合金粉末等の金属粉
末や、これにセラミツク材料を加えてなる混合物
などの粉末状材料から、長尺状の所定の形状物を
形成せしめることは、従来から極めて困難とさ
れ、押出加工法は勿論、他の加工法にあつても、
種々なる問題を内在していることが認められてい
る。例えば、従来の粉末状材料の成形手段として採
用されている圧縮成形法は、一般に金型が組み込
まれた複動プレスにて行なわれるものであつて、
一方向からの加圧方式であるが故に、長尺状物
（長物）の成形加工が極めて困難であるのであり、
また円柱体及び矩形体（角状ブロツク）以外の異
形の圧縮加工物を形成せしめることは容易ではな
く、更にこの圧縮成形物をその焼結後に加工しよ
うとする場合にあつても、それが硬化しているた
め、巨大な加工力を必要とするか、また非常に小
さい加工度しか得られない問題があり、しかも材
料の脆性が大きいため、その加工も著しく困難で
ある。このため、本願出願人は、先に特願昭54−
39030号（特開昭55−130400号）として、粉末状
材料の新しい押出加工方法を提案した。すなわ
ち、予め用意された金属材料からなるカプセル内
に粉末状材料を充填し、予備圧縮した後、かかる
カプセルを脱気シールし、これを静水圧押出法に
て押出加工することを特徴とする、粉末状材料の
押出加工方法であり、このような特定の静水圧押
出手法を利用することによつて、粉末状材料から
種々なる形状の長尺状物を任意に形成し得ること
となつたのであるが、この方式とても、継目無管
等の中空の押出材（ホロー材）の如き特殊な形状
のものを形成せしめることは容易なことではない
のである。ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景に
して為されたものであつて、その目的とするとこ
ろは、粉末状材料から継目無中空材を有利に製造
し得る方法を提供することにあり、また他の目的
は中空の押出用粉末状材料圧縮物を有利に形成し
て、これを円環状のビレツト容器内に収容せしめ
てなるホロービレツトを用いて、間接マンドレル
押出法にて、直接、継目の無い、品質の良好な中
空材、特に管を製造する手法を提供することにあ
る。そして、本発明に係る粉末状材料製継目無中空
材の製造法は、かかる目的を達成するために、(a)
所定の金属粉末又はこれにセラミツク材料を混入
せしめてなるものを、圧縮可能な中空圧縮物形成
用治具に充填する工程と、(b)該所定の粉末若しく
は混合物を充填した中空圧縮物形成用治具を、高
圧の液体にて加圧を行ない得る加圧容器内に収容
し、所定の高圧液体を作用せしめることによつ
て、該治具を圧縮せしめ、中空の押出用粉末状材
料圧縮物を形成する工程と、(c)前記治具から取り
出された中空の粉末状材料圧縮物を略同一形状の
円環状筒状容器内に密に収容せしめて密封した
後、かかる粉末状材料圧縮物の押出工程以後に受
ける熱履歴の温度よりも低くない温度への加熱状
態下に真空排気せしめることによつて、該円環状
筒状容器にて該粉末状材料圧縮物を被覆した形態
の押出用ホロービレツトを形成する工程と、(d)該
ホロービレツトを所定のマンドレル押出装置のコ
ンテナ内に装填せしめると共に、該ホロービレツ
トの中空部にマンドレルを挿入、位置せしめ、そ
してそれらコンテナとホロービレツトとの間に相
対変位が実質的に惹起されないようにして、所定
のダイスを通じて間接押出せしめることにより、
前記円環状筒状容器が表皮部分となつた所定形状
の中空押出物を形成する工程とを含んで、構成さ
れるようにしたことにある。以下、図面を参照しつつ、本発明について更に
詳細に説明することとする。まず、本発明に従つて形成される中空の押出用
粉末状材料圧縮物を構成する粉末状材料として
は、一般の金属粉末の何れをも使用することがで
きるものであるが、本発明にあつては、特にアル
ミニウム若しくはその合金粉末の粉末成形操作に
有利に適用され得るものである。また、このよう
な成形に供される粉末状材料として、上述の如き
金属粉末の他、そのような金属粉末にセラミツク
材料を混入せしめた混合粉末状材料であつても良
いが、そのようなセラミツク材料は、例えば粉末
状の他、長繊維状、短繊維状、ウイスカー状など
の形態のものであつて、一般に容量基準で50％以
下、特に10〜30％程度の割合で金属粉末に混入せ
しめられることとなる。なお、かかるセラミツク
材料は、一般に、粉末にあつては0.1μｍ〜100μｍ
程度の粒径において、また長繊維にあつては太
さ：0.1μｍ〜100μｍ程度の寸法において、更に短
繊維にあつては太さ：0.1μｍ〜100μｍ、長さ：1μ
ｍ〜50mm程度の寸法において、そしてまたウイス
カーにあつては太さ：0.1μｍ〜10μｍ、長さ：1μ
ｍ〜100μｍ程度の寸法において、それぞれ用い
られることとなる。そして、このような粉末状材料は、それから中
空の押出用粉末状材料圧縮物を得るために、所定
の中空圧縮物形成用治具に充填されることとな
る。この中空圧縮物形成用治具は、例えば第１図
に示されるように、中心部に芯金２、上下に上蓋
４と底板６とを有し、この上蓋４と底板６に円筒
状のゴム容器８の両端部がそれぞれバンド１０，
１０にて密着させられて取り付けられることによ
り、芯金２の軸心方向に延びるドーナツ状の粉末
状材料充填空間が形成されるようになつている。なお、この治具において、芯金２は、得られる
粉末状材料圧縮物の内径寸法を決める部材であ
り、その材質としては、一般に炭素鋼が用いら
れ、そして粉末状材料圧縮後に中空の押出用粉末
状材料圧縮物を抜き出し易くするために、該芯金
２には、1/100程度の上蓋４に向かつて細くなる
テーパがつけられている。また、上蓋４と底板６
は、芯金２とゴム容器８を固定する部材であり、
その材質は、通常炭素鋼であつて、芯金２とはネ
ジにて連結されるようになつている。また、ゴム容器８は、所定の粉末状材料１２を
充填する容器であつて、その両端は、上述の如く
上蓋４と底板６に嵌め込まれて固定されるもので
あるところから、当該円周部分には、通常、帆布
等の繊維が埋め込まれて、補強されるようになつ
ている。なお、このゴム容器８の肉厚は、適宜に
決定されることとなるが、一般に約10mm程度が常
用され、また内径と長さは、後述の圧縮加工
（CIP）後の収縮量を考慮して決定されることと
なる。さらに、かかる治具におけるバンド１０は、ゴ
ム容器８を上蓋４と底板６に密着させ、後述の圧
縮加工（CIP）時に、圧力媒体である水が内部の
粉末状材料１２に滲み込むのを阻止する作用を為
すものであり、またゴム容器８の外側に位置する
ように、上蓋４と底板６との間には、半割構造の
ガイドパイプ１４，１４が該ゴム容器８を取り囲
むように設けられ、これによつて圧縮加工
（CIP）時に該上蓋４と底板６が変形するのが防
止されるようになつている。なお、このガイドパイプ１４の材質は、通常酸
素鋼であり、また圧縮加工（CIP）時に加えられ
る液圧は、それらガイドパイプ１４，１４間の間
隙やそれらに設けられた孔等を通じて、ゴム容器
８に作用せしめられるようになつており、これに
よつてゴム容器８は、半径方向の圧縮力を受け
て、その内部に充填された粉末状材料１２を圧縮
せしめるようになつている。また、このような中空圧縮物形成用治具内への
粉末状材料１２の充填は、上蓋４が開放された状
態において、所定の粉末状材料１２がゴム容器８
内に投入せしめられることによつて実施されるこ
ととなるが、その際、適当な振動充填機等を用い
て振動を加えることが望ましく、これによつて充
填密度が向上され得ると共に、均一な充填を期待
し得るのである。次いで、このようにセツトされ、内部に所定の
粉末状材料１２が充填された中空圧縮物形成用治
具は、高圧の液体にて加圧を行ない得る加圧容器
内に収容され、そして所定の高圧液体の作用によ
つて圧縮せしめられることにより、目的とする中
空の押出用粉末状材料圧縮物が形成されることと
なるのであるが、その操作は、通常、冷間静水圧
圧縮工程（Cold Isostatic Pressing：CIP）にて
実施されるものである。第２図には、このようなCIP工程の略図が示さ
れており、そこにおいて、前述の所定の粉末状材
料１２を充填した中空圧縮物形成用治具が上蓋１
６及び下蓋１８を有する高圧円筒２０内に装入さ
れ、そして水を圧力媒体２２として加圧せしめ
て、該装入治具に対して高圧が作用せしめられる
のである。なお、この加圧圧力は、粉末状材料１
２の種類と所要圧縮密度により適宜に決定される
こととなるが、アルミニウム合金粉末の場合、圧
縮密度65〜70％を得るには、加圧圧力は15Kg／mm²
以上必要である。また、この加圧保持時間は５秒
程度で充分であるが、目的とする圧力への急速な
昇圧は、治具内における粉末状材料１２の圧縮密
度差を惹起することとなるところから、そのよう
な急速な昇圧は避けることが望ましい。また、かかる圧縮操作にて得られる中空の粉末
状材料圧縮物は、圧縮装置（高圧円筒２０）から
取り出された治具から、その上蓋４を取り外す等
することによつて取り出され、そしてその後、そ
れは略同一形状の円環状容器内に密に収容せしめ
られて密封されることとなるが、その一例が第３
図に示されている。すなわち、第３図において、前記治具から取り
出された中空の粉末状材料圧縮物２４は、内筒２
６、外筒２８、底板３０及び上蓋３２にて構成さ
れる円環状（ドーナツ状）の筒状容器内に密に収
容せしめられ、そしてかかる容器を構成する各部
品は、後述の真空排気のためにリークしないよう
に完全に溶接シールされることとなる。なお、上
蓋３２に設けられた孔３４は、真空排気のための
排気孔であり、そしてこの排気孔３４に第４図の
如く真空排気管３６が取り付けられているのであ
る。また、かかる粉末状材料圧縮物２４を収容する
筒状容器の内筒２６及び外筒２８の材質として
は、押出性の良好な金属材料が好適に使用される
が、前記粉末状材料１２が、アルミニウム若しく
はその合金粉末又はそれとセラミツク材料との混
合粉末状材料である場合には、A6063、A1050等
の押出性の良好なアルミニウム材料を選ぶことが
望ましい。なお、それら内筒２６、外筒２８と筒
壁部の肉厚は、一般に２〜５mm程度が採用され、
またその軸方向の長さは、粉末状材料圧縮物２４
の長さより10〜30mm長い程度にされる。また、かかる内筒２６、外筒２８の両端部を覆
蓋する底板３０と上蓋３２にあつても、上記内筒
２６や外筒２８と同様な材質のものが使用され、
上記A6063、A1050等の押出性の良好なアルミニ
ウム材料等の材質のものが選ばれることとなる。
なお、それらの形状は、真円の円盤形状を為し、
またその肉厚は一般に１〜５mm程度とされ、その
外径及び内径は、外筒２８及び内筒２６との間の
クリアランスが0.5mm程度以下となるように選定
されることとなる。さらに、このように所定の粉末状材料圧縮物２
４が収容されてなる容器の上蓋３２には、第４図
に示されるように、その排気孔３４に真空排気管
３６が取り付けられ、そして図示しない真空排気
装置によつて、かかる真空排気管３６を通じて、
粉末状材料圧縮物２４を収容する容器内の気体が
除去せしめられることとなるのである。なお、こ
の真空排気管３６は、例えばA1050等のアルミニ
ウム材料の如き加工し易い材質のものにて構成さ
れており、真空排気操作の後に、それを圧着せし
めても漏洩がないように、その肉厚は外径の1/10
以上とされている。また、このように真空排気管３６を通じて真空
排気せしめるに際しては、この粉末状材料圧縮物
２４を収容した容器は、加熱せしめられる必要が
ある。これによつて、該容器内の粉末状材料圧縮
物２４中に存在する気体や水等の揮発性物質が気
化せしめられて、効果的に追い出され、そして容
器外に除去せしめられることにより、かかる容器
内にガスや揮発性液体等が存在しないようにされ
るのであり、以て後の間接マンドレル押出工程に
おけるトラブルの発生が極力防止されている。な
お、この際の容器の加熱温度としては、粉末状材
料圧縮物２４の押出工程以後に受ける熱履歴の程
度によつて、そのような熱履歴の温度よりも低く
ない温度にて適宜に決定されることとなり、例え
ば押出後に熱処理される場合にあつては、その熱
処理（焼入れ）温度若しくはそれ以上の温度が、
また押出物に熱処理をしない場合には、押出温度
若しくはそれ以上の温度が適宜に採用されること
となるのである。このように、真空排気時の加熱
温度を押出工程以後に受ける熱履歴の温度よりも
低くない温度とする理由は、残存する水分が蒸発
してフクレ等の欠陥を惹起するのを防止すること
にあるのであり、また残存した水分が分解し、
H₂ガスとなり、耐応力腐食割れ性を低下させる
のを防止することにあるのである。そして、この
加熱状態下における真空排気によつて、円環状の
筒状容器２６，２８，３０，３２にて粉末状材料
圧縮物２４を被覆した形態の押出用ホロービレツ
ト３８が形成されることとなるのである。次いで、かくして得られた粉末状材料圧縮物２
４を密封した状態にある押出用ホロービレツト３
８は、その押出成形加工のために、300〜500℃で
１〜５時間程度予熱せしめられることとなる。こ
のビレツト３８の加熱温度は、一般に母材の押出
前の予熱温度となるものである。そして、このよ
うに予熱されたホロービレツト３８は、例えば第
５図に示されるように、所定の間接押出用マンド
レル押出装置のコンテナ４０のビレツト装填孔４
２内に装填せしめられる。また、このビレツト装
填孔４２内には、目的とする中空材の押出形状を
与えるダイス４４が、該ビレツト３８と同程度の
温度に予熱されて、予めセツトされている。そして、この装填せしめられたホロービレツト
３８には、押盤４６を貫通してダイス４４位置に
至るマンドレル４８が挿通位置せしめられ、そし
てそのような状態下において、ステム５０にてホ
ロービレツト３８が押盤４６を介して加圧せしめ
られて、押出が開始されることとなる。この加圧
押出の際、コンテナ４０は、図示の如く、別駆動
による移動機構によつて矢印方向の押出向にステ
ム５０と等速度にて移動せしめられ、これによつ
てコンテナ４０のビレツト装填孔４２の内面とホ
ロービレツト３８（具体的には外筒２８）の外面
との間に相対変位が惹起されないようにして、間
接マンドレル押出が行なわれるのである。従つて、このような粉末状材料圧縮物２４を円
環状筒状容器２６，２８，３０，３２に収容して
なる押出用ホロービレツト３８の間接マンドレル
押出操作にあつては、コンテナ４０のビレツト装
填孔４２の内面との間において、摩擦力は働か
ず、またダイス４４とこれに押圧されるホロービ
レツト３８の前端との当接部に形成されるデツド
メタル部が微少となることとなつて、これにより
円環状筒状容器を構成する外筒２８や上蓋３２等
が、押出圧力によつて変形作用を受ける粉末状材
料圧縮物２４に混じり込まないようになり、それ
らの構成材料がそのままダイス４４から押し出さ
れる中空材５２などの押出品の表皮５４として、
その全面に残り、以て表皮５４の巻込みがない、
中空材５２を効果的に得ることができるのであ
る。これに対して、直接押出の場合には、ダイス
近傍のデツドメタルゾーンが大きいため、表皮の
巻込みが惹起され易く、また甚だしい場合には表
皮の破れさえ発生することとなる。なお、この中
空材５２の表面を覆う表皮５４は、適当な機械加
工、例えば表面切削等によつて簡単に除去するこ
とができ、それによつて、目的とする継目無中空
形状の長尺状の管材を得ることができるのであ
る。また、かくの如き継目無中空材の製造手法に従
えば、間接マンドレル押出成形手法の適用される
中空の押出用粉末状材料圧縮物が、前述の如き
CIP手法にて効果的に形成され、しかも所要の圧
縮密度が均一となつて、その粉末状材料圧縮物２
４が割れ難いという優れた利点を有しているので
あり、更には圧縮時に潤滑剤が不要であるところ
から、潤滑剤の除去工程も必要でなく、そのよう
な潤滑剤による粉末状材料圧縮物２４、ひいては
最終製品たる中空材５２の品質劣化も全く顧慮す
る必要がなくなつたのである。さらに、そのようにして得られた良好な性状を
有する押出用ホロービレツト３８を間接マンドレ
ル押出することにより、直接、継目の無い、品質
の良好な長尺の中空材が製造し得ることとなり、
しかもホロービレツト３８の容器や蓋等は良加工
性材料で形成されているところから、押出ダイス
４４の摩耗、損傷や得られる中空材５２の割れ等
も良好に防止され得るのであり、これによつて金
属粉末にセラミツク材料を混入した混合粉末状材
料から、品質の良好な継目無中空材を得ることが
できることとなつたのである。そして、このようにダイス摩耗や押出材５２の
割れ等が無いところから、その押出速度を上げる
ことができ、これによつて生産性を著しく向上せ
しめ得ることとなつたのであり、また中空ビレツ
トから管等の中空材を押し出すことができるとこ
ろから、中実ビレツトを用いて、それから棒材を
押し出し、そしてそのような棒材に対して切削、
孔開けする中空材の製造工程に比較しても、大幅
なコストダウンが可能となつたのである。なお、本発明は、上記例示の具体例にのみ限定
して解釈されるものでは決してなく、本発明の趣
旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基
づいて種々なる変更、修正、改良等を加える得る
ものであつて、そのような実施形態のものをも含
むものであること、また、言うまでもないところ
である。例えば、第１図に例示された中空圧縮物形成用
治具にあつては、それが圧縮可能であり、且つ中
空の圧縮物を形成し得る円環状の粉末状材料充填
空間を有する限りにおいて、例示のもの以外の各
種の構造の治具が用いられ得るものであり、また
第３図及び第４図に例示の如きホロービレツト３
８を形成するための粉末状材料圧縮物２４を収容
する容器２６，２８，３０，３２にあつても、内
筒２６と外筒２８とが、底板３０にて一体的に接
合、構成された有底円筒形状の二重の筒体に対し
て、上蓋３２を組み合わせたものを用いること
が、可能である。さらに、間接マンドレル押出手法にあつても、
前例の如くコンテナ４０とステム５０とを等速度
に移動せしめる方式に代えて、それらコンテナ４
０及びステム５０を固定して、ダイス４４をステ
ム５０に向かつて押圧せしめる方式、換言すれば
ダイス４４が第５図において左方に移動せしめら
れる方式を採用することも可能である。また、本発明手法に従つて得られる中空材は、
そのまま（表皮５４が付いたまま）の状態で使用
される他、前述の如く表皮が除去された状態にお
いても使用され得るものであり、更には前記押し
出された中空材には、適当な熱処理や焼結などの
操作も、必要に応じて適宜に加えられるものであ
る。実施例噴霧ガスとして空気を用いたガスアトマイズ法
にて得られたA7075アルミニウム合金（Cu：1.7
％、Mg：2.3％、Zn：6.1％、Cr：0.18％、Al：
残）粉末を用いて、例示の如き容器に充填して圧
縮加工（CIP）することにより、外径：148mmφ、
内径：26mmφの中空圧縮物を得た。次いで、この中空圧縮物を外径：153mmφ、内
径：21mmφ、肉厚：４mmのA6063アルミニウム合
金筒状容器に収容して、真空度：10^-2Torrの下
に400℃、465℃または490℃の温度に加熱して脱
気処理した後、マンドレルを用いた間接押出装置
にセツトして、400℃の温度で押出比：5.3にて間
接押出することにより、外径：70mmφ、内径：20
mmφの中空押出物を形成した。更に、この中空押
出物には、焼入（465℃×１時間→水冷）、焼戻
（120℃×８時間、150℃×８時間）操作を施した。かくして得られた脱気処理条件の異なる中空押
出物について、それぞれ、その機械的性質、応力
腐食割れ特性（JIS−Ｈ−8711）、H₂ガス量、外
観を調べ、その結果を下記第１表に示した。

【表】かかる第１表の結果より明らかなように、脱気
処理により、引張強度、伸びが向上し、またH₂
ガス量の減少により、応力腐食割れ時間も向上し
た。なお、脱気処理を施さなかつた場合には、伸
びが３％程度と低く、加熱により内部にフクレが
生じていることが認められた。また、脱気処理に
あつても、脱気温度（加熱温度）の高い方がH₂
ガス量が少なく、耐応力腐食割れ性が向上した。
一方、脱気温度が後工程の温度よりも低い場合に
は、材料表面にフクレが発生した。また、上記の如き間接押出手法による本発明押
出材の特徴を確認するため、コンテナと共に固定
されたダイスに上記中空圧縮物を押圧する通常の
直接押出手法に従つて、マンドレル押出を行なつ
たところ、表皮の巻込みが著しく、また表皮の破
れた部位も存在し、品質の良好な中空押出材を得
ることは出来なかつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にて用いられる中空圧縮物成形
用治具の一例を示す断面説明図であり、第２図は
中空圧縮物成形用治具の液圧による圧縮手法の一
例を示す断面説明図であり、第３図は中空の粉末
状材料圧縮物を収容せしめる容器の分解図であ
り、第４図はそれを組み付けて、真空排気してい
る状態を示す断面説明図であり、第５図は本発明
に従う間接マンドレル押出の一形態を示す断面説
明図である。２：芯金、４：上蓋、６：底板、８：ゴム容
器、１２：粉末状材料、１４：ガイドパイプ、１
６：上蓋、１８：下蓋、２０：高圧円筒、２２：
圧力媒体、２４：粉末状材料圧縮物、２６：内
筒、２８：外筒、３０：底板、３２：上蓋、３
６：真空排気管、３８：ホロービレツト、４０：
コンテナ、４２：ビレツト装填孔、４４：ダイ
ス、４８：マンドレル、５０：ステム、５２：中
空材、５４：表皮。

Claims

【特許請求の範囲】１所定の金属粉末またはこれにセラミツク材料
を混入せしめてなるものを、圧縮可能な中空圧縮
物形成用治具に充填する工程と、該所定の粉末若しくは混合物を充填した中空圧
縮物形成用治具を、高圧の液体にて加圧を行ない
得る加圧容器内に収容し、所定の高圧液体を作用
せしめることによつて、該治具を圧縮せしめ、中
空の押出用粉末状材料圧縮物を形成する工程と、前記治具から取り出された中空の粉末状材料圧
縮物を略同一形状の円環状筒状容器内に密に収容
せしめて密封した後、かかる粉末状材料圧縮物の
押出工程以後に受ける熱履歴の温度よりも低くな
い温度への加熱状態下に真空排気せしめることに
よつて、該円環状筒状容器にて該粉末状材料圧縮
物を被覆した形態の押出用ホロービレツトを形成
する工程と、該ホロービレツトを所定のマンドレル押出装置
のコンテナ内に装填せしめると共に、該ホロービ
レツトの中空部にマンドレルを挿入、位置せし
め、そしてそれらコンテナとホロービレツトとの
間に相対変位が実質的に惹起されないようにし
て、所定のダイスを通じて間接押出せしめること
により、前記円環状筒状容器が表皮部分となつた
所定形状の中空押出物を形成する工程とを、含むことを特徴とする粉末状材料製継目無中空材
料の製造法。