JP2002160036A - 熱間自由鍛造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被加工材の表面の幅中央部の組織を微細化
し、幅中央部の割れを防止することができる熱間自由鍛
造方法を提供する。 【解決手段】 被加工材の幅中央部を圧下して幅中央部
に凹部を形成し、次いで凹部を形成した被加工材の幅端
部を圧下する。凹部の幅は被加工材の幅の７０％以下
で、凹部の深さは凹部の幅の１０％以上２００％以下と
するのが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱間自由鍛造方法
に関する。詳しくは、本発明は、鋼塊や鋼材などの被加
工材を熱間で自由鍛造する際に発生する表面欠陥を抑制
する熱間自由鍛造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的に、熱間の自由鍛造では、対向す
る一対の金敷を有する鍛造プレスが用いられる。

【０００３】図１は鍛造プレスで被加工材を加工してい
る状態を示す模式図である。符号１は被加工材、２は金
敷、３は金敷２の底面、４は金敷２の側面を表す。図１
に示すように、鍛造プレスによる熱間の自由鍛造では、
例えば、被加工材１を圧下する平坦な底面３と、この底
面から被加工材の搬送方向の前後に所定の角度で傾斜す
るテーパ状の側面４、４とで構成される金敷２を用い、
圧下毎に所定の送り量だけ被加工材をマニプレータなど
によって同図に示す搬送方向に移動させながら、被加工
材の長手方向の一方の端部から他方の端部までの圧下を
繰り返すことにより行われる。被加工材の長手方向の一
方の端部から他方の端部までの圧下を１パスとすると、
被加工材を所定の寸法まで鍛伸する場合には、１パスま
たは複数パス毎に搬送方向を軸に被加工材を回転させ、
圧下方向を変えながら、複数のパスを通して加工が実施
される。

【０００４】このような金敷を用いて被加工材を鍛造す
ると、金敷の底面に接触する被加工材の表層は金敷によ
って塑性流動が拘束されるため、金敷と接触する範囲の
中央部には、ほとんど塑性歪みが加わらない所謂デッド
メタル域が生じる。

【０００５】一般に被加工材に熱間加工を施した場合、
塑性歪みが加わることによって組織が微細化し、機械的
性質が向上する。しかし、デッドメタル域は殆ど塑性歪
みが加わらないので組織が微細化することがない。した
がって、組織が微細化せずに鋳込んだままの粗い組織の
状態が残留するようなデッドメタル域がある場合には、
特に、割れ感受性の高い難加工材を鍛造する際に鍛造割
れ等の表面欠陥を生じることがある。

【０００６】熱間の自由鍛造技術としては、例えば、特
開平７−１１６７６６号公報には、自由鍛造用平金敷の
コーナ面を複数段に傾斜したテーパ面あるいはテーパ面
と円弧面から構成し、傾斜を緩くすることによって、難
加工の材料でも割れにくいものとする鍛造技術が開示さ
れている。しかしながら、同公報に開示された金敷もデ
ッドメタル域が生じることは避けがたく、鍛造割れなど
の表面欠陥を生じることがあった。

【０００７】そこで、本発明者は、特開平１１−１０２
７１号公報で、被加工材を圧下する円弧面およびその円
弧面の曲率半径よりも小径で円弧面の両端から被加工材
搬送方向の前後に形成される円弧面からなり、かつ、被
加工材を圧下する円弧面の両端位置で被加工材を圧下す
る円弧面と小径の円弧面とが共通接面を有する金敷を開
示した。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】特開平１１−１０２７
１号公報に開示された金敷を用いることにより、搬送方
向の塑性流動の拘束が緩和し表面欠陥の発生は抑制され
るが、搬送方向に直角な方向である幅方向の塑性歪みの
不均一性の改善には効果が少なく、必ずしも十分でな
い。特に、割れ感受性の高い難加工材を対象とし、加工
度（圧下量）が高い条件などでは、幅方向の中央部で表
面割れが発生することがある。

【０００９】本発明の課題は、熱間の自由鍛造におい
て、被加工材の表面の幅中央部の組織を微細化し、幅中
央部の割れを防止することができる熱間自由鍛造方法を
提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、熱間の自
由鍛造における被加工材の幅中央部の組織を微細化し、
幅中央部の割れを防止する方法として、被加工材の幅中
央部のみあるいは幅中央部を主に圧下して幅中央部に凹
部を形成する加工と、前記加工により凹部が形成された
被加工材の幅端部のみあるいは幅端部を主に圧下する加
工とを含む複数のパスで成形する新しい方法に想到し、
この方法により被加工材の幅中央部の表面に付加される
塑性歪み分布を数値解析にて基礎的に検討し、以下の知
見を得た。

【００１１】（ａ）上記方法により幅中央部に付加され
る塑性歪みが大きくなり幅中央部の組織が微細化する。
すなわち、被加工材の幅中央部のみあるいは幅中央部を
主に圧下する加工においては、金敷による幅方向の拘束
が小さくなるため幅方向のデッドメタル域が縮小あるい
は消失する。更に、凹部が形成された被加工材の幅端部
のみあるいは幅端部を主に圧下する加工においては、幅
中央部の幅方向への変形が大きくなる。その結果、凹部
には更に塑性歪みが付加され幅中央部の組織は微細化す
る。

【００１２】（ｂ）幅中央部の圧下により形成される凹
部の被加工材幅方向の長さ（以下、凹部の幅という）を
圧下前の被加工材の幅の７０％以下とすると組織の微細
化の効果が大きい。

【００１３】（ｃ）凹部の深さを凹部の幅の１０％以上
とすると組織の微細化の効果が大きい。但し、凹部の深
さが凹部の幅の２００％を超えると、後の幅端部の圧下
の際に凹部と幅端部との境界でまくれ込み疵などの欠陥
が生じることがある。

【００１４】本発明は、上記知見に基づいて完成された
もので、その要旨は以下の通りである （１）被加工材を鍛伸する熱間自由鍛造方法であって、
被加工材の幅中央部を圧下して幅中央部に凹部を形成す
る加工と前記凹部が形成された被加工材の幅端部を圧下
する加工とを行うことを特徴とする熱間自由鍛造方法。

【００１５】（２）被加工材の搬送と圧下とを繰り返し
て被加工材を鍛伸する熱間自由鍛造方法であって、被加
工材の幅中央部を圧下して幅中央部に凹部を形成する加
工と前記凹部が形成された被加工材の幅端部を圧下する
加工とを行うことを特徴とする熱間自由鍛造方法。

【００１６】（３）前記凹部の幅が被加工材の幅の７０
％以下であることを特徴とする前記（１）項または
（２）項に記載の熱間自由鍛造方法。 （４）前記凹部の深さが凹部の幅の１０％以上２００％
以下であることを特徴とする前記（１）項から（３）項
のいずれかに記載の熱間自由鍛造方法。

【００１７】なお、被加工材の幅中央部とは、被加工材
を被加工材の搬送方向に直角の方向に幅中央部と幅端部
とに分けたときの幅中央部を指す。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を添付図面を
参照して説明する。なお、以下の説明では、被加工材の
幅中央部に凹部を形成する加工を第１加工と云い、凹部
が形成された被加工材の幅端部を圧下する加工を第２加
工と云う。また、被加工材の搬送方向に対し直角の方向
を被加工材の幅方向と云う。

【００１９】図２は、本発明に係る第１加工の状態を説
明する模式図で、同図（ａ）は金敷と被加工材の断面
図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ矢視断面図、同図
（ｃ）は第１加工を施された被加工材の外観図である。
符号１０は被加工材、１１は金敷、１２は金敷１１の底
面、１３、１４は金敷１１の側面、１５は凹部を表す。
なお、同図（ａ）、（ｂ）で第１加工を施される前の被
加工材を点線で示す。

【００２０】図２（ａ）、（ｂ）に示すように、第１加
工で用いる金敷１１は、被加工材の搬送方向の長さがＬ
１で被加工材の幅方向の長さがＢ１の平坦な底面１２
と、その底面１２の搬送方向の両端で搬送方向の前後に
つながる円弧状の側面１３、１３と、底面１２の幅方向
の両端で幅方向の両側につながるテーパ状の側面１４、
１４とで構成される。底面の長さＢ１は、第１加工を施
される前の被加工材の幅Ｂ０より小さく設定される。

【００２１】図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、第１加
工では、金敷１２で被加工材１０の幅中央部を圧下し、
被加工材１０の幅中央部において長手方向に凹部１５を
形成する。すなわち、図２（ａ）に示すように、金敷の
一回の圧下毎にマニプレータなどの搬送装置により被加
工材を所定量だけ搬送方向に移動し、再び金敷による圧
下を繰り返す方法により被加工材の幅中央部の全長に亘
り凹部が形成される。

【００２２】図３は、第２加工の状態を説明する模式図
で、図３（ａ）は金敷と被加工材の断面図、図３（ｂ）
は図３（ａ）のＹ−Ｙ矢視断面図である。符号１６は金
敷で、図２と同じ要素は同一の符号で表す。

【００２３】図３（ａ）、（ｂ）に示すように、第２加
工で用いる金敷１６は、被加工材の搬送方向の長さがＬ
２で被加工材の幅方向の長さがＢ２の平坦な底面１２
と、その底面１２の搬送方向の両端で搬送方向の前後に
つながる円弧状の側面１３、１３とで構成される。図２
（ｂ）で第２加工を施される前の被加工材を点線で示
す。

【００２４】図３（ａ）、（ｂ）に示すように、第２加
工では、第１加工で幅中央部に凹部が形成された被加工
材を対象として金型１６により圧下が施される。すなわ
ち、図３（ａ）に示すように、金敷の一回の圧下毎にマ
ニプレータなどの搬送装置により被加工材を所定量だけ
長手方向に移動し、再び金敷による圧下を繰り返す方法
により、被加工材の幅端部が全長に亘り圧下される。

【００２５】第１加工で用いる金敷の幅を被加工材の幅
に比べで小さくすることにより金敷と被加工材との幅方
向の接触長さが小さくなり、幅中央部に形成されるデッ
ドメタル域が縮小しあるいは消滅するため、幅中央部の
表層の組織が微細化され、表面割れの発生が抑制され
る。更に、第２加工で幅端部を圧下する際に、第１加工
で形成した凹部が幅方向へ伸ばされるため、凹部には更
に塑性歪みが付加され、幅中央部の表層組織の微細化が
促進される。

【００２６】第１加工で形成する幅中央部の凹部の幅
は、第１加工を施される前の被加工材の幅Ｂ０の７０％
以下とするのが望ましい。７０％超ではデッドメタル域
の縮小効果が小さく、表面割れ発生の抑制が不十分とな
ることがある。更に好ましくは、凹部の幅は、第１加工
を施される前の被加工材の幅の５０％以下である。

【００２７】凹部の幅の下限は特に限定しないが、幅が
過小では微細化の効果が狭い領域に限られ、デッドメタ
ル域が残存することとなる。従って、凹部の幅は被加工
材の幅の１０％以上とするのが望ましい。ここで、凹部
の幅とは、図２（ｂ）で金敷１１の幅方向の形状、すな
わち、底面１２と側面１４とから幾何学的に定まる金敷
と被加工材との幅方向接触長さＢを指す。

【００２８】第１加工で形成する幅中央部の凹部の深さ
は、凹部の幅の１０％以上、２００％以下とするのが望
ましい。２００％超では凹部と幅端部との段差が大きく
なり第２加工の際に凹部と幅端部との境界にまくれ込み
疵などの欠陥が発生する恐れがある。１０％未満では、
幅中央部の微細化が不十分で、表面割れ発生の抑制が不
十分となることがある。更に好ましくは、凹部の深さ
は、凹部の幅の１０％以上、１００％以下である。ここ
で、凹部の深さとは、図２（ｂ）で凹部の最深部と幅端
部との段差Ｈを指す。

【００２９】本実施形態の説明では、第１加工で用いる
金敷の底面が平坦である場合を示したが、本発明はこれ
に限定されるものではない。搬送方向や幅方向に円弧状
の底面であってもよい。また、第２加工で用いる金敷の
底面が平坦である場合を示したが、本発明はこれに限定
されるものではない。搬送方向や幅方向に円弧状の底面
であってもよい。

【００３０】次に、本発明の方法を被加工材である鋼塊
から角ビレットを加工する例で具体的に説明する。所定
温度に加熱した鋼塊を複数のパスで角ビレットに成形す
る際、第１番目のパスと第２番目のパスでは鋼塊に第１
加工を施して鋼塊の幅中央部に凹部を形成する。すなわ
ち、例えば図２（ａ）、（ｂ）の金敷１１を備える鍛造
プレスを用いて、第１番目のパスでは、鋼塊の幅中央部
に凹部を形成し、第２番目のパスでは第１番目のパスで
得られた被加工材を搬送方向を軸に９０°回転し、第１
加工を施した面とは別の面に第１加工を施して幅中央部
に凹部を成形する。

【００３１】次いで、第３番目のパスと第４番目のパス
では第１加工で幅中央部に凹部が形成された被加工材の
幅端部を圧下する第２加工を施す。すなわち、例えば図
３の金敷１６を備える鍛造プレスを用いて、第３番目の
パスでは、第１加工を施した面の幅端部を圧下し、第４
番目のパスでは、第３番目のパスで得られた被加工材を
９０°回転し、第１加工を施した別の面の幅端部を圧下
する。

【００３２】次いで、第３番目のパスと第４番目のパス
で第２加工が施された被加工材を、例えば図３（ａ）、
（ｂ）の金敷１６を備える鍛造プレスを用いて、例えば
各パス毎に圧下方向を９０°ずつ変えながら複数のパス
の圧下を施して所定寸法の角ビレットに仕上げる。

【００３３】なお、本発明では、被加工材を複数のパス
で成形する際に、好適例として、複数パスの第１番目の
パスで第１加工を行い、次いで被加工材を９０°回転し
て第２番目のパスで第１加工を実施したが、本発明はこ
れに限定されるものではない。例えば、第１番目のパス
で第１加工を行い、第２番目のパスで第２加工を行い、
次いで被圧延材を９０°回転して、第３番目のパスで第
１加工を行い、第４番目のパスで第２加工を行ってもよ
い。また、第１加工および第２加工を１つの対向面にの
み行うことも考えられる。

【００３４】

【実施例】難加工性の材料である２５％Ｃｒ−３５％Ｎ
ｉ−３％Ｍｏ−Ｆｅを主成分とする高合金鋼を溶製し、
断面が５００ｍｍ×５００ｍｍの矩形で、長さが２００
０ｍｍの鋼塊とし、これを１２９０℃に加熱してから、
従来の方法と本発明の方法によりそれぞれ鍛造し、対辺
が１８０ｍｍの角ビレットに成形して表面性状を比較し
た。

【００３５】従来の第１の方法では、図３（ａ）の搬送
方向長さＬ２が５６０ｍｍで、金敷の幅方向長さＢ２が
１５００ｍｍの平坦な底面１２と、その底面１２の搬送
方向の入側と出側とにそれぞれ半径が７０ｍｍの円弧状
の側面１３を有する金敷を備える鍛造プレスで、各パス
毎に圧下方向を９０°ずつ変えながら合計８パスで対辺
１８０ｍｍの角ビレットに成形した。その際の各パスの
圧下量は１２０ｍｍで、圧下毎の送り量は６０ｍｍとし
た。

【００３６】従来の第２の方法では、特開平１１−１０
２７１７号公報に開示されたような金敷、すなわち、底
面が搬送方向に半径１２００ｍｍの円弧面である以外は
上記従来の第１の方法に用いたと同様の金敷を用い、上
記従来の方法と同様に対辺１８０ｍｍの角ビレットに成
形した。

【００３７】一方、本発明の方法では、１２９０℃に加
熱した鋼塊を、図２（ａ）、（ｂ）の搬送方向長さＬ１
が５６０ｍｍ、幅方向の長さＢ１が５０ｍｍの平坦な底
面１２と、搬送方向入側と出側とにそれぞれ半径が７０
ｍｍの円弧状の側面１３と、幅方向両側に３０゜のテー
パ状の側面１４とを有する金敷１１を備える鍛造プレス
で、第１パス目と第２パス目の圧下方向を９０°変えて
第１番目のパスと第２番目のパスとで第１加工を施し、
４面の各幅中央部に深さＨが２５ｍｍで幅Ｂが１３０ｍ
ｍの凹部を有する中間品に成形した。この際の各パスの
圧下量は５０ｍｍで圧下毎の送り量は６０ｍｍとした。

【００３８】次いで、上記中間品を、図３（ａ）、
（ｂ）で搬送方向長さＬ２が５６０ｍｍで、幅方向長さ
Ｂ２が１５００ｍｍの平坦な底面１２と、搬送方向の入
側と出側とにそれぞれ半径が７０ｍｍの円弧状の側面１
３とを有する金敷１６を有する鍛造プレスで、各パス毎
に圧下方向を９０°ずつ変えながら第２加工の２パスを
含む合計８パスで対辺１８０ｍｍの角ビレットに成形し
た。その際の各パスの圧下量は１２０ｍｍで、圧下毎の
送り量は６０ｍｍとした。

【００３９】上記の方法により得られた角ビレットの表
面を目視および浸透探傷法によって観察した。その結
果、本発明の方法で鍛造された角ビレットには割れは観
察されなかったが、従来の第１の方法で鍛造された角ビ
レットには幅方向の中央部に多数の微小な割れが目視で
観察された。また、従来の第２の方法で鍛造された角ビ
レットは、目視では割れが観察されなかったが、浸透探
傷により幅中央部の長手方向の２箇所に微小な割れが観
察された。

【００４０】なお、熱間自由鍛造された角ビレットは、
その後に更に鍛造や圧延などの第２次加工あるいは更に
第３次加工などを施されて製品とされることが多い。し
たがって、角ビレットに割れが存在する場合には、従来
の第１の方法や第２の方法により得られた角ビレットの
ようにその割れが微小なものであっても、この割れを起
点とした重大な疵が第２次加工や第３次加工時に発生
し、製品の手入れが必要となったり、製品不良となるこ
とがある。

【００４１】次に、上記角ビレットを切断し、顕微鏡で
組織を観察した。この結果、本発明の方法で鍛造された
角ビレットの幅中央部の組織は微細化されていることが
確認できた。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、幅中央部の組織が微細
化されるので、難加工材でも割れ等の欠陥を防止するこ
とができ、歩留まりが向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】鍛造プレスで被加工材を加工している状態を示
す模式図である。

【図２】本発明に係る第１加工の状態を説明する模式図
で、同図（ａ）は金敷と被加工材の断面図、同図（ｂ）
は同図（ａ）のＸ−Ｘ矢視断面図、同図（ｃ）は第１加
工を施された被加工材の外観図である。

【図３】第２加工の状態を説明する模式図で、図３
（ａ）は金敷と被加工材の断面図、図３（ｂ）は図３
（ａ）のＹ−Ｙ矢視断面図である。

【符号の説明】

１、１０：被加工材、 ２、１１、１６：金敷、 ３、１２：底面、 ４、１３、１４：側面、 １５：凹部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被加工材を鍛伸する熱間自由鍛造方法で
   あって、被加工材の幅中央部を圧下して幅中央部に凹部
   を形成する加工と前記凹部が形成された被加工材の幅端
   部を圧下する加工とを行うことを特徴とする熱間自由鍛
   造方法。
2. 【請求項２】 被加工材の搬送と圧下とを繰り返して被
   加工材を鍛伸する熱間自由鍛造方法であって、被加工材
   の幅中央部を圧下して幅中央部に凹部を形成する加工と
   前記凹部が形成された被加工材の幅端部を圧下する加工
   とを行うことを特徴とする熱間自由鍛造方法。
3. 【請求項３】 前記凹部の幅が被加工材の幅の７０％以
   下であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱
   間自由鍛造方法。
4. 【請求項４】 前記凹部の深さが凹部の幅の１０％以上
   ２００％以下であることを特徴とする請求項１から３の
   いずれかに記載の熱間自由鍛造方法。