JPH03188230A - 金属間化合物を主体とする弾性部材およびその製造方法 - 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、金属間化合物を主体とするばね等の弾性部材
とその製造方法に関する。

［従来の技術］ 従来のばね、あるいはばねに類する性質を発揮する弾性
部材の原料は、一般にスチール等の金属あるいはＦＲＰ
等の非金属であった。しかし近時は、軽量で耐熱性およ
び耐酸化性等に優れた性質をもつ金属間化合物が着目さ
れている。金属間化合物の例として、ＴｉＡｌ、　Ｔ１
３　Ａｌ、　Ａ１３　Ｔｌ、　Ｎ１３　Ａｌや、形状記
憶効果を有するＴｉ旧等が知られている。

Ｔｉ旧において曲げ加工によるコイルばね製造の例がみ
られるが、Ｔｉ旧は金属間化合物の中では成形性が良い
方であるにもかかわらず、実際の成形にあたっては複数
回の熱処理（軟化焼鈍）が必要であり、金属に比べると
はるかにばね成形が困難である。更に他の金属間化合物
においては、例えばコイルばねのように大きな曲げ加工
が必要なばねへの適用は難しいと考えられていた。

また、金属間化合物を形成する前の材料段階で予め成形
を行っておくことも考えられている。例えば特開昭６１
−２７０３５３号公報に見られるように、金属間化合物
の原料をホットプレスしたのちに焼成することによって
所望形状の金属間化合物を得るようにしたものや、特開
昭６２−７０５３１号公報に見られるように、金属間化
合物の原料を脱気したのちに所定の成形圧力と温度条件
で処理することが提案されている。

［発明が解決しようとする課題］ 上記先行技術のように金属間化合物を形成する前に予め
成形するようにしても、コイルばねのように大きな塑性
加工を必要とするばねへの適用は不可能であった。なぜ
なら、金属間化合物の原料からなる立体物は、通常の金
属祠に比べて金属間化合物を形成する前の状態では均一
性に乏しく、気孔や欠陥を多く含んでいることがあるた
め、曲げや引っ張り等の塑性加工を行う際に変形が不均
一になりやすく、加工性能が著しく悪いからである。

従って本発明の目的は、金属間化合物を主体とする所望
形状の弾性部材を問題なく製造できるような弾性部材と
その製造方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を果たすために開発された本発明は、金属期化
合物を形成する組成比で混合された複数の元素を含有す
る原料をスェージング加工を行うことによって断面積を
縮小させ、棒状、線状ないし板状の混合圧着体を得、こ
の混合圧着体を所望の弾性部材形状に成形したのち、金
属間化合物が形成される温度条件で処理することを特徴
とするものである。

弾性部材の例として、巻ばねや板ばね、トーションバー
、あるいはばねに類する性質を発揮するワッシャ、締結
部材等があげられる。金属間化合物を構成する物質は、
少なくとも１つの元素が金属であればよい。

上記原料は主として金属材料から構成されている必要が
あるが、一部に金属間化合物を含んでいてもよい。また
、弾性部材としての諸特性を改善する目的あるいは成形
の容易化を図る目的で、適宜の元素や化合物が添加され
ていてもよい。上記原料は純金属の塊である必要はなく
、固溶体であってもよいし、めっき等によってつくられ
た複合体であってもよい。混合前の原料の形態は、粉末
。

フレーク状、線材、箔等である。

原料の混合は、原料が粉末あるいはフレーク状である場
合、例えばＶ型混合機、ボールミル、ミキサ等による。

原料が線状の場合、例えば線を束ねるかまたは撚り合わ
せる。箔状原料の場合には、例えば箔を重ねて巻く。

混合された上記原料を金属あるいは合成樹脂等の適宜の
包被部材に詰め、スェージングマシンによって所定の加
工度になるまで鍛造する。この明細書でいう加工度とは
、加工前の混合材料の断面積と加工後の混合圧着体の断
面積の比をいう。

なお、原料が線状の場合には線を撚り合わせ、原料が箔
状の場合には重ねて巻くなどして強固な混合体を得るこ
とができるので、上記包被部材は必ずしも必要ではない
。これらの混合体の強度を高めるために、原料が線状の
場合には上記混合体を線引きし、原料が箔状の場合には
圧延するなどして、混合体を予備的に圧縮してもよい。

同様に、原料が粉末あるいはフレーク状の場合、上記混
合体の強度を向上させるために、静水圧プレス、−軸プ
レス、押し出し、スェージング、圧延等により混合体を
予備的に圧縮してもよい、このような場合には前記スェ
ージングマシンによって所定の加工度になるまで鍛造す
る前に混合原料を予め詰めておく包被部材は必ずしも必
要ではない。

［作用］ 混合原料中の気孔を減らして可能な限り強固に原料同志
を圧着させるには、混合原料にできるだけ多くの変形を
加えるのがよい。この点からすると、スェージングマシ
ンは加工度を大きくとることが容易であり、本発明の目
的に沿うものである。

しかもスェージング加工は断面積減少時に混合原料を十
分に潰す効果があるので、混合原料の接触面積を増大さ
せることができ、良好な圧着力（密告力）が得られる。

このことは、所望の弾性部材形状に成形する際の加工性
能の向上につながる。

また、組織が微細化するため、高強度の金属間化合物ば
ねを得ることができる。スェージング加工が実施された
混合原料は、スェージングマシンのダイスに送り込まれ
る際に、一端側から他端側に向って順次断面積が減少さ
れっつ脱気が促進され、しかも同時に気孔が十分潰され
る。

スェージングマシンによる加工度は、混合原料の形状や
、大きさ、充填率等に応じて決められる。

加工度の目安としては、断面積減少後の混合圧着体の気
孔率が体積率で５％以下になるまで加工するのがよい。

加工度を上げるほど混合原料同志の擦り合わせや潰れの
程度が大きくなるので、密着力が向上するとともに接触
面積も増大し、ばね形状に成形する際の加工性能が向上
する。

なお、気孔率が同じであっても、大きな気孔が存在して
いると加工性能が低下するので、気孔率と合わせて気孔
径の分布状況も加工性能にとって重要なファクタである
。従って気孔率以外に気孔径も評価する必要があるが、
加工度を上げるほど気孔が潰れて気孔率が下がるととも
に、気孔径が小さくなってゆくといった正の相関関係が
あるため、管理の容易な気孔率を目安にして加工度を決
めても実用上は問題ない。

スェージング加工は、材料表面をダイスによって強く打
槌しながら材料の長手方向に順次断面積を減少させるの
で、特に表層部の気孔を潰す効果がある。すなわち表層
部の気孔率が中心部の気孔率に比べて小さくなる傾向が
あり、５％以下の気孔率を得た場合には表層部に気孔が
ほとんど存在しない。逆に言うと、気孔率が５％を越え
るような加工度では、混合原料の潰れや密着状態が不十
分であり、しかも気孔率が高いだけでなく大きな気孔も
存在するようになり好ましくない。

上記スェージング加工は冷間で行ってもよいが、加工時
の変形抵抗を減少させ上記効果を高めるために加工工程
を適宜の方法で加熱することによって温間で行ってもよ
い。温間で成形する場合、金属間化合物が形成される温
度以下であることが好ましいが、組織の一部に金属間化
合物を生じる程度の短時間で加工が終了するなら、金属
間化合物が形成される温度以上の温間で成形を行っても
よい。

上記スェージング加工によって得られた棒状（線状）の
混合圧着体は、コイルばね等の所望の形状に成形される
。その後、金属間化合物が形成される温度まで加熱され
る。この加熱処理によって拡散または自己燃焼焼結を生
じ、金属間化合物が形成される。加熱温度は金属間化合
物の固相線以下の温度域とする。金属間化合物の形成を
終わらせるには上記温度を一定時間維持する必要がある
。温度が低いと時間が長くかかる。また、気孔を更に減
少させる目的で、加圧状態のまま金属間化合物が形成さ
れる温度以上に加熱するようにしてもよい。

金属間化合物が形成されたのち、必要に応じて金属間化
合物形成後の熱処理を行ってもよい。この熱処理を行う
ことによって、気孔を更に減少させることができるとと
もに、組織の均一化が促進され、更には不純物の拡散も
しくは不純物の除去が図れる。処理温度は、金属間化合
物の固相線以下の温度域とする。この熱処理は大気中で
行ってもよいが、不活性ガスあるいは真空雰囲気中で行
えば更に好ましい結果が得られることがある。また、こ
れらの雰囲気を組合わせてもよい。材料によっては適宜
の加圧手段で加圧した状態でこの熱処理を実施してもよ
い。

［実施例］ 以下に本発明の一実施例について、図面を参照して説明
する。第１図に示す製造工程の一例は、原料の混合工程
１と、スェージングマシンによる混合圧着体の製造工程
２と、必要に応じて行われる成形前熱処理工程３と、必
要に応じて行われる異形断面加工等の前加工工程４と、
所望のばね形状に成形する成形工程５と、金属間化合物
の形成温度まで加熱する熱処理工程６と、必要に応じて
実施される化合物形成後の熱処理工程７および仕上げ工
程８からなる。

原料の混合工程１において、ガスアトマイズ法により作
製した３５０メツシユ以下のＡ１粉末と、３５０メツシ
ユ以下のスポンジＴｉ粉末を、重量分率でＴ　ｉ　：　
Ａ　１−３７．１７：　８２．８３の割合となるよう、
Ａｒガス置換された乾式ボールミルを用いて混合する。

次に、混合圧着体の製造工程２において、上記混合粉末
を包被部材の一例としての外径φ２０　ａｒｆｆｌ。

内径φ１９ｇｍ、肉厚　０．５ａ＋ｇのステンレス鋼の
パイプに詰め、−例として第２図に示したロータリスェ
ージングマシン９を用いて第１のスェージング加工を行
い、外径φ８ＩＩ１１まで縮径させる。その後、切削加
工によって上記パイプを削り取り、棒状の混合圧着体Ａ
を得る。なお、パイプの材質はステンレス鋼以外であっ
てもよく、金属以外であってもよい。要するにスェージ
ング加工に耐えるものであればよい。

なお、原料が線状の場合には線を撚り合わせ、原料が箔
状の場合には重ねて巻くなどして強固な混合体を得るこ
とができるので、上記金属パイプは必ずしも必要ではな
い。これらの混合体の強度を高めるために、原料が線状
の場合には上記混合体を線引きし、原料が箔状の場合に
は圧延するなどして、混合体を圧縮してもよい。

同様に、原料が粉末あるいはフレーク状の場合、静水圧
プレス、−軸ブレス、押し出し、スェージング、圧延等
により混合体を圧縮することによって上記混合体の強度
が向上するので、このような予備圧縮を施す場合には、
前記ロータリス二一ジングマシンによって断面積を減少
させる際に混合原料を詰めるパイプは必ずしも必要では
ない。

ロータリスェージングマシン９の構造の一例は、円周方
向に配列されたローラ群の内側に分割形のダイス対を設
け、このダイス対をスピンドルによって高速回転させる
ようになっており、上記ダイス対の外端がローラ群によ
って打槌されることで、鍛造と同様に材料が塑性変形さ
れて縮径するといった構造である。

上記第１のスェージング加工を行ったのち、第２のスェ
ージング加工によって混合圧着体Ａを外径φ１■まで縮
径させる。気孔率は１％以下であった。

上述した一連のスェージング加工が実施された混合圧着
体Ａの金属組織の顕微鏡写真をＭ５図ないし第１０図に
示した。第５図（倍率４００倍）と第６図（倍率１００
０倍）は、いずれも外径φ１９ｍｍからφ１８ＩＩｍま
で断面積が減少させられた時の組織である。加工度は１
．１である。この写真において、白く見えるのがＡＩ、
灰色がＴｉ１黒く見えるのが気孔である。

外径φ４ｔｘｔｘまで断面積が減少させられた時の金属
組織を第７図（倍率４００倍）と第８図（倍率１０００
倍）に示す。気孔率はおおむね２％前後である。加工度
は２２．６である。

更に、外径φ１■まで縮径された金属組織を第９図（倍
率４００倍）と第１０図（倍率１０００倍）に示した。

気孔率はおおむね１％以下であり、灰色のＴｉ粒子が微
細になっていることがわかる。加工度は３６１である。

前述したスェージング加工を行うことにより、気孔率が
大幅に減少し、特に表層部に気孔がほとんど存在しなく
なるとともに、原料同志が十分に潰れ、しかも強固な密
着状態が得られる。なかでも、ばねを成形する際に最も
重要な曲げ加工性に関して、従来の加工方法（押出し、
圧延、引抜き等）による混合圧着体では十分な密着力が
得られず気孔等の欠陥も多く含んでいたのに対し、本実
施例のスェージング加工を施すことによって、従来の金
属間化合物用材料にはみられない優れた加工性を付与す
ることができるようになった。すなわち、従来製造が困
難であると考えられていた大きな塑性加工を与えた金属
間化合物ばねを容易に製造することが可能になり、コイ
ルばね等への適用も可能になった。

上記圧着工程２によって得られた混合圧着体Ａに、成形
前の熱処理工程３を実施してもよい。この工程３は、例
えば轟空中で行われる焼鈍であり、混合圧着体Ａを製造
する際に生じた加工歪を除去するのに効果があり、後述
する成形工程５における成形時の変形抵抗を減少させる
ことができる。

しかも混合圧着体Ａの圧着面が拡散によって強固なもの
となり、強度を向上させることができる。

また、混合圧着体への不純物成分を除去する効果もある
。この工程３は、大気中もしくは不活性ガスあるいは真
空雰囲気、あるいはこれら雰囲気を組合わせて行われる
。処理温度は金属間化合物が形成される温度以下が一般
的であるが、圧着面の一部に金属間化合物ができる程度
の短時間の加熱であるなら金属間化合物が形成される温
度以上であってもかまわない。この熱処理は、スェージ
ング加工前あるいはスェージング加工の途中、あるいは
前加工の前、ばね成形前に行ってもよい。前加工工程４
において、鍛造１機械加工等により混合圧着体Ａに所望
の断面形状を得るための成形を加えることもできる。

所望のばね形状を付与するための成形工程５において、
−例として第３図に示したような成形装置１０を用いて
混合圧着体Ａのコイリングを行う。

この装置１０は、芯金１１と、ローラ１３と、チャック
１４等を備えて構成されている。ローラ１３は、混合圧
着体Ａを芯金１１に押付けて曲げる力と、所定の圧縮力
Ｐを付与する働きをもつ。

−例として第３図においては芯金１１の外周部には、成
形すべきコイルばね成形体Ａ′のピッチと曲率に応じた
螺旋溝１５が設けられている。

上記前加工工程４．成形工程５は冷間で行ってもよいが
、成形時の変形抵抗を減少させるために温間で行っても
よい。温間で成形する場合、金属間化合物が形成される
温度以下であることが好ましいが、組織の一部に金属間
化合物を生じる程度の短時間で成形が終了するなら、金
属間化合物が形成される温度以上の温間で成形を行って
もよい。

上記成形工程５によって得られたコイル状成形体Ａ′は
、熱処理工程６において、第４図に例示された加熱装置
２０に入れられ、金属間化合物が形成される温度まで加
熱される。この加熱装置２０は、硅砂２１を満たした耐
圧ステンレス鋼製ボット２２と、このボット２２に内蔵
されたコイル状の抵抗発熱体であるカンタルヒータ２３
と、温度検出用の熱電対２４と、ステンレス鋼製の蓋２
５と、このＭ２Ｓを加圧する油圧シリンダ等の加圧手段
２６を備えて構成されている。

上記ポット２２に収容されたヒータ２３の内側に、コイ
ル状成形体Ａ′をセットし、加圧手段２６によって２０
０ｋｇ１’／ａｍ２の擬似等方圧をかける。

モしてヒータ２３によって７００℃まで加熱する。

この時のコイル状成形体Ａ′の温度は熱雷対２４によっ
て測定される。コイル状成形体Ａ′は上記温度に加熱さ
れることにより、自己燃焼焼結による金属間化合物形成
の発熱が観測された。なお、ＨＩＰ￥）ＨＰ等によって
、ガス、粉体あるいは液体を用いて加圧するか、あるい
は機械的に加圧を行うようにしてもよい。

金属間化合物が形成された後、上記圧力を維持した状態
で成形体Ａ′を９０θ℃に保持し、２時間の熱処理工程
７を行う。この熱処理工程７を行うことによって、成形
体Ａ′に含まれる気孔を更に減少させることができると
ともに、組織の均一化が促進され、更には不純物の拡散
もしくは不純物の除去が図れる。

以上の一連の工程によって、線径１■■、コイル平均径
１２ａ＋ｍ、巻数１０の金属間化合物を主体とするコイ
ルばねが得られた。このコイルばねは、Ｘ線解析の結果
からＡｌｉ　Ｔ１の金属間化合物からなることがわかっ
た。このコイルばねは、７００℃にて５ｉｍの圧縮変形
を加えたのち除荷しても元の形状を完全に保っており、
良好なばね作用を発揮することが確認された。

なお、上記製造工程を経て得られたコイルばねに、仕上
げ工程８を行ってもよい。例えばバレル加工によってば
ね表面を滑らかなものにする。あるいは機械加工によっ
てばね表面の研磨を行ったり、表面傷１表面層等の除去
あるいは切断、研削加工等により、形状の修正を行う。

また、ショットピーニングを行うことにより、ばね表層
部に圧縮残留応力を生じさせれば、ばねの耐久性を更に
高めることができる。

［発明の効果］ 本発明によれば、従来製造が困難もしくは不可能である
と考えられていた金属間化合物を主体とする弾性部材の
所望形状への成形を容品かっ正確に行うことができるよ
うになり、例えばコイルばね等のように大きな塑性加工
が必要なばね形状への適用も容易になった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の一実施例を示す工程説明図、第２
図はスェージングマシンの一例を示す斜視図、第３図は
混合圧着体をコイリングする装置の斜視図、第４図は加
熱装置の断面図、第５図は外径φ１９ｍｍからφ１８Ｉ
Ｉｍまで断面積が減少された混合圧着体の金属組織を顕
微鏡で４００倍に拡大した写真、第６図は第５図と同じ
金属組織を顕微鏡で１０００倍に拡大した写真、第７図
はφ４ｍｍまで縮径された金属組織を顕微鏡で４００倍
に拡大した写真、第８図は第７図と同じ金属組織を顕微
鏡で１０００倍に拡大した写真、第９図はφｌｌ１ｌｌ
まで縮径された金属組織を顕微鏡で４００倍に拡大した
写真、第１０図は第９図と同じ金属組織を顕微鏡・で１
０００倍に拡大した写真である。 Ａ・・・混合圧着体、Ａ′・・・成形体、９・・・スェ
ージングマシン、１０・・・成形装置、２０・・・加熱
装置。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属間化合物を形成する組成比で混合された複数
   の元素を含有する原料にスェージング加工を行うことに
   よって混合圧着体を得、この混合圧着体を所望の形状に
   成形したのち金属間化合物が形成される温度条件で処理
   したことを特徴とする金属間化合物を主体とする弾性部
   材。
2. （２）金属間化合物を形成する組成比で混合された複数
   の元素を含有する原料を包被部材に詰め、スェージング
   加工を行うことによって混合圧着体を得、この混合圧着
   体を所望の形状に成形したのち、金属間化合物が形成さ
   れる温度条件で処理することを特徴とする金属間化合物
   を主体とする弾性部材の製造方法。
3. （３）上記混合圧着体の気孔率が５％以下になるまで上
   記スェージング加工によって上記混合圧着体の断面積を
   減少させるようにした請求項２記載の金属間化合物を主
   体とする弾性部材の製造方法。