JP2002192201A

JP2002192201A - 鍛造・圧延ラインにより大ひずみを導入する金属加工方法

Info

Publication number: JP2002192201A
Application number: JP2000394092A
Authority: JP
Inventors: Tadanobu Inoue; 忠信井上; Shiro Toritsuka; 史郎鳥塚; Hisashi Nagai; 寿長井
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2000-12-26
Filing date: 2000-12-26
Publication date: 2002-07-10

Abstract

(57)【要約】【課題】金属加工法として、鍛造加工と圧延加工を併
用して多方向加工法を実機に展開させた製造ラインによ
り、板厚を確保した状態でも大ひずみ導入を可能とす
る。【解決手段】加工硬化能を有する金属材料を、鍛造及
び圧延ラインを組合せた複数の加工段の各工程において
それぞれ金属材料に圧縮変形を加えて、順次所定の板厚
材に加工し、鍛造・圧延加工の併用によって金属材料に
大ひずみを導入する。この場合、複数の加工段の各工程
における加工硬化能を有する金属材料の加工方向を、前
段の圧縮方向と後段の圧縮方向とで異なる方向とするこ
とによって圧縮変形を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この出願の発明は、金属材
料内に大ひずみを導入する金属加工方法に関し、さらに
詳しくは、加工硬化能を有する金属材料を、鋳造・圧延
ラインでの鍛造・圧延加工の併用によって、金属材料内
に大ひずみを導入し、微細組織の厚板を得ることのでき
る金属加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術とその解決課題】従来より金属材料内に大
ひずみを導入することによって、金属材料組織が微細に
なることが報告されている。例えば、大圧下での急冷法
（ＣＡＭＰ-ISIJ-Vol11(1998),P1017)をはじめ、繰り返
し重ね接合圧延による方法（ＣＡＭＰ-ISIJ-Vol11(199
8),P560) 、温間圧延・再結晶による方法（ＣＡＭＰ-IS
IJ-Vol11(1998),P1031)、温間加工溝ロール圧延による
方法（ＣＡＭＰ-ISIJ-Vol12(1998),P1031)などである。

【０００３】これらの報告では、組織微細化技術の一方
策として、材料内にいかにして大ひずみを導入するかが
問題とされてきた。

【０００４】しかしながら、上記で示した検討では、大
ひずみを得るためには１パス大圧下あるいは多パス加工
が用いられるが、いずれも累積圧下率と共に金属材料の
板厚を薄くしなければ得られないのが現状であって、所
望の板厚の状態で大ひずみを得ることは難しかった。

【０００５】そこで、板厚を確保しつつ材料内に大ひず
みを導入することができる加工方法として、多方向加工
（ＣＡＭＰ-ISIJ-Vol11(2000),P641、P642) が提案され
た。

【０００６】しかし、提案された多方向加工方法の試行
錯誤が繰返されてきたが、実際、所定の板厚を維持した
上で微細化組織を得ることは難しく、これまで実用化さ
れるまでに至っていなかった。

【０００７】このように、所望の板厚で微細化組織を得
るための実用化にはまだまだ限界があり、このため、微
細化組織の板厚を得ることのでき、しかも簡単な手段で
多方向加工方法が実行できる装置の出現が望まれてい
た。

【０００８】この出願の発明は、上記の事情に鑑みてな
されたものであって、従来の加工方法が、圧延のみによ
る単一加工の範囲内における改善策の域を出ていなかっ
たことに起因することから、別途新たに複数の加工方法
の組み合わせによる観点の導入によって解決できること
を見い出し、この加工法を実機に展開させることによ
り、実製造ラインで板厚を確保した大ひずみの導入加工
方法を提供することが課題である。

【０００９】この出願の発明によれば、加工金属材料を
圧縮加工する加工方法を、異なる２つの加工方法を組み
合わせることによって、要すれば所定の板厚材に加工す
る鍛造・圧延加工の併用によって、所定の板厚を保持し
たまま所望の微細化した組織を得ることができ、しか
も、簡単な装置の追加により実現できる。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この出願の発明は、加工
硬化能を有する金属材料を、鍛造及び圧延ラインを組合
わせた複数の加工段の各工程においてそれぞれ金属材料
に圧縮変形を加えて、所定の板厚材に加工し、鍛造と圧
延加工の併用によって金属材料に大ひずみを導入する金
属加工方法（請求項１）を提供する。

【００１１】また、この出願の発明は、さらに金属材料
に対する加工方向を考慮して、前段の圧縮加工方向と、
後段の圧縮加工方向とを異なる方向とした金属材料に大
ひずみを導入する金属加工方法（請求項２）を提供す
る。

【００１２】さらに、この出願の発明は、複数の加工段
の組合せ及び金属材料に対する加工方向を考慮して、複
数の加工段における相隣なる前後の加工について、後続
の加工を、前段加工の加工手段および／または加工方向
と異にする加工として連続させた、金属材料に大ひずみ
導入する金属加工方法（請求項３）を提供する。

【００１３】この出願の発明は、さらに、金属材料に対
するいずれかの方向に異なる加工方向の角度の大きさを
考慮して、±９０度としたり（請求項４）、±（９０±
５）度（請求項５）、±（２０〜８４度）（請求項６）
とした大ひずみを導入する金属加工方法を提供する。

【００１４】以上のように、この出願の発明は、一般的
に材料の創製に役立てられている鍛造技術と圧延技術を
組み合わせてライン化する加工方法を提供し、この異な
る圧縮加工技術を組み合わせてライン化した加工方法を
採用することによって、従来の圧延だけの加工の場合よ
りも厚い板厚を確保しつつ、材料内に大ひずみを導入す
ることができる。

【００１５】この発明は、上記のとおりの特徴を有する
ものであるが、以下にその実施の形態について説明す
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】この出願の発明の方法において
は、まず加工硬化能を有する金属材料に対して、鍛造あ
るいは圧延によって、１方向から圧縮変形を行い、次に
その第一の方向と９０度異なる方向から鍛造あるいは圧
延によって圧縮変形を行い、これを所定の板厚まで繰り
返すことを特徴としている。

【００１７】なお、後段加工時の鍛造あるいは圧延によ
る圧縮変形加工に際して、加工方向を前段加工時の第一
の方向と９０度異ならせているが、異なる加工方向は９
０度に限定されない。被加工材の形状、繰り返しの回数
等の諸条件によって任意に選択にすることができる。

【００１８】後段の圧縮変形に際して、第一の方向と±
９０度異なる方向とするのは、鍛造と圧延の圧縮方向が
同じの場合、最終的に導入される塑性ひずみが、従来の
圧延だけの場合と変わらなくなり、また、加工硬化能を
有さない状態で加工を繰り返しても、導入されたひずみ
が回復し、再結晶等で開放されてしまい、所期の機能を
備えた製品を得ることができなくなるからである。

【００１９】実際、変更方向は、±（９０±５）度がベ
スト値であり、±（２０〜８４）度が好ましいベター値
であった。角度が±９０度のとき一番効率よくひずみが
材料に導入され、角度が９０度からずれてくるにしたが
って仕事量が大きくなった。また、２０度未満では、ひ
ずみを導入する観点から、１方向加工の場合と殆ど変わ
らなかった。

【００２０】また、この出願の発明は、複数の加工段の
組合せ及び金属材料に対する加工方向を考慮して、後続
の加工は前段加工の加工手段および／または加工が異な
るようになっている。

【００２１】言い換えれば、連続する圧縮加工の前後の
加工は、前段の一方の鍛造又は圧延加工に他方の異なる
圧延又は鍛造加工として続くもの、また、鍛造又は圧延
の同一加工内では、後段に、前段の圧縮方向と異にする
圧縮方向をもつ加工として続くもの、さらに、後段に、
前段の鍛造又は圧延の加工手段と共に加工方向も同時に
異にする加工として続くもの、を組み合わせた加工工程
を備える金属加工方法となっている。

【００２２】上記においては、例えば、鍛造→圧延→鍛
造→（９０度回転）→鍛造→（９０度回転）→鍛造→圧
延などのように、鍛造で異なる方向から加工を繰り返し
たり、また、鍛造あるいは圧延による加工形態として、
鍛造・圧延のいずれか一方の加工手段により１回以上の
加工をし、その後前段の圧縮方向とは異なる方向から、
前段の加工形態とは異なる鍛造・圧延のいずれか一方の
加工手段により１回以上の圧縮変形を行い、大ひずみを
導入する方法も包含している。

【００２３】また、この出願の発明は、上記した金属加
工方法の加工手順において、鍛造・圧延加工を併用して
１セットとして、数セット加工を繰り返す加工方法を採
用することも可能である。

【００２４】また、鍛造・圧延加工の併用において、そ
の一工程に、鍛造、圧延いずれかの加工で、所定の厚さ
まで数パス同方向で加工する工程を包含することもでき
る。

【００２５】図１に例示するものは、一辺５０ｍｍの立
方体（５０×５０×５０ｍｍ）の原材料から２５ｍｍの
板厚を有する仕上がり形状の材料を得るときの加工状態
を示すものである。

【００２６】図１の上段に示す部分の加工ラインは、従
来の圧延加工のみによる場合の加工ラインを例示し、こ
の場合、５０×５０×５０ｍｍの原材料（１）は、上下
のロール（９）、（１０）によりｙ方向に圧縮されつ
つ、２５×７０．７１×７０．７１の仕上げ材（８）に
加工され、ｘ方向に搬送される。仕上げ材（８）の板厚
は２５ｍｍであるこの加工ラインによって、表１に示す
比較例１、２の結果が得られた。

【００２７】一方、同図の下段の加工ラインは、この出
願の発明による加工ラインを示し、上段の原材料を受け
ての鍛造加工とこれに続く圧延加工の組合せによる場合
の加工状態を例示している。この場合、５０×５０×５
０ｍｍの原材料（１）は、前段ではｚ方向の鍛造加工を
受けて２５×７０．７１×７０．７１の中間材（２）に
加工され、後段では上下のロール（６）、（７）により
ｙ方向に圧縮されつつ、２５×１１８．９×４２の仕上
げ材（５）に加工され、ｘ方向に搬送される。仕上げ材
（５）の板厚は２５ｍｍである。

【００２８】この出願の発明において、塑性ひずみは、
塑性域における材料の応力−ひずみ関係を考慮し、材料
の塑性変形の指標となる方向によらずかつ加工履歴に依
存した量であり、以下の数式１によって表される量であ
る。

【００２９】ただし、塑性ひずみの量は、次の数式１を
基に数値解析技術を用いて初めて求められるが、ここで
は出願の発明の方法が端的に理解できるように方向性を
加味して示してある。

【００３０】

【数１】

【００３１】例えば、後述の表１は、実施例、比較例に
おける材料の形状と各加工によって導入されたひずみと
累積したひずみを示している。

【００３２】この表１において、比較例１では、累積圧
延量約５０％の加工を必要とするものとなっており、こ
のときの導入されるひずみは、数式１による試算から約
０．５６６となる。

【００３３】しかし、実施例１に示す、この出願の発明
の大ひずみ導入加工方法においては、例えば最初にまず
ｚ方向から累積圧縮率５０％の鍛造を行い、その後圧延
により２５ｍｍまで圧延を行う。これにより、導入され
るひずみは数式１の試算結果約１．４１５となり、従来
の圧延だけの場合に比べ、２．５倍大きくなることが判
る。

【００３４】以上から、この出願の発明のように鍛造工
程を導入することにより、金属材料内部に導入される蓄
積ひずみを、従来の圧延工程のみの場合に比べ、大きく
することが可能であることがわかる。

【００３５】以下、この出願の発明を、図面を用いてさ
らに詳細に説明する。

【００３６】

【実施例】（実施例１）図１に、加工前の原材料
（１）が示され、大きさは５０×５０×５０ｍｍの立法
体である。

【００３７】原材料（１）は、図１の左上段から続いて
下段の加工ラインによって、上段の原材料（１）を受け
ての鍛造加工とこれに続く圧延加工の組合せによる場合
の加工状態が示されるように、最初、５０×５０×５０
ｍｍの原材料であったものが、鍛造により５０％圧縮さ
れ、これによって、２５×７０．７１×７０．７１の中
間材料（２）を得る。次いで中間材料（２）の圧縮方向
を９０度異ならせ、圧延により板厚２５ｍｍの仕上げ材
（５）を得た。

【００３８】この場合の一連の加工をさらに詳細に述べ
れば、図２に示すように、原材料（１）は、前段の鍛造
工程では、一対のアンビル（３）（４）によりｚ方向に
圧縮加工され、次いで後段の圧延工程では、上下のロー
ル（６）（７）によりｙ方向に圧縮される。材料の搬送
方向はｘ方向に送られる。

【００３９】なお、アンビル（３）、（４）とロール
（６）、（７）は、材料に比べ非常に硬く変形しない剛
体である。最終板厚は、表１に示すように、２５ｍｍあ
るいは１０ｍｍの板厚である。

【００４０】前記一連の加工において、両工程における
加工材料の加工方向は、鍛造工程における圧縮方向と圧
延工程における圧縮方向とでは、９０度異なるものとな
っている。

【００４１】加工は、加工硬化能を維持した条件、例え
ば、SM490 鋼ではオーステナイトの未再結晶温度約８０
０度のもとで行われ、再結晶が起こる前に成形加工が行
われる。

【００４２】表１には、加工硬化能を維持した条件下で
成形加工した試料１〜４及び比較例５、６として示さ
れ、表中の加工によって材料に導入された累積した相当
塑性ひずみは、数式１に基づいて計算した値が示され
る。

【００４３】表１に示す試料、比較例の加工は次の通り
である。（試料１）５０×５０×５０ｍｍの材料を最初鍛造によ
り５０％圧縮し、次いで圧縮方向を９０度異ならせ、圧
延により板厚２５ｍｍの試料を得た。（試料２）５０×５０×５０ｍｍの材料を、（試料１）
の加工法を繰り返し板厚２５ｍｍの試料を得た。（試料３）５０×５０×５０ｍｍの材料を最初鍛造によ
り５０％圧縮し、次いで圧縮方向を９０度異ならせ、圧
延により板厚１０ｍｍの試料を得た。（試料４）５０×５０×５０ｍｍの材料を、（試料３）
の加工法を繰り返し板厚１０ｍｍの試料を得た。（比較例１）５０×５０×５０ｍｍの材料を、圧延のみ
により板厚２５ｍｍの試料を得た。（比較例２）５０×５０×５０ｍｍの材料を、圧延のみ
により板厚１０ｍｍの試料を得た。

【００４４】

【表１】

【００４５】上記の表１によれば、圧延工程の前段に鍛
造工程を導入したことにより、金属材料内部に導入され
た蓄積ひずみが圧延工程のみの場合に比べ、一層大きく
なっていることがわかる。（実施例２）加工硬化能を有する金属材料に対して、
加工された際に導入される塑性ひずみは、温度とひずみ
速度に依存した金属材料の応力−ひずみ関係、アンビル
と金属材料間の摩擦特性、ロール径と板厚そして圧縮率
の関係など、その他多くの因子に依存する。よって、材
料内に導入されるひずみはそれらの因子を考慮して行っ
た数値解析によって初めて定量的評価が可能となる。

【００４６】図３に、加工前の原材料（１１）が示さ
れ、大きさは１００×５０×５０ｍｍである。

【００４７】原材料（１１）はＳＭ４９０鋼であり、加
工温度は８００度とする。本温度は、加工前に再結晶が
起こらないオーステナイト未再結晶温度域である。解析
は、陽解法を用いた有限要素法によって行った。アンビ
ルあるいはロールと材料間の摩擦係数は、０．３を用い
た。圧延に用いられるロール径は、２５６ｃｍ、ロール
の角速度は１．３０２ｒａｄ／ｓｅｃである。

【００４８】（試料５）１００×５０×５０ｍｍの材料
を最初の鍛造によりｚ方向に５０％圧縮し、次いで、圧
縮方向を９０度異ならせ、鍛造によりｙ方向に５０ｍｍ
まで圧縮し、その後圧延（２パス）により、板厚２５ｍ
ｍの試料を得た。

【００４９】（比較例３）１００×５０×５０ｍｍの材
料を、圧延（２パス）のみにより、板厚２５ｍｍの試料
を得た。

【００５０】図４（ａ）は、スラブ搬送方向（ｘ方向）
から見た試料５に対する条件で試料に導入された塑性ひ
ずみの分布を示す。図４（ｂ）は、比較例３に対する条
件で試料に導入された塑性ひずみの分布を示す。

【００５１】図４から、圧延工程の前段に鍛造工程を導
入したことにより、材料内部に導入された塑性ひずみが
圧延工程のみの場合にくらべ、大きくなっていることが
判る。

【００５２】

【発明の効果】この出願の発明によれば、鍛造・圧延の
併用によって、超微細組織鋼の厚板化創製がすぐにでも
可能である。

【００５３】また、本加工方法は、大がかりな設備導入
を必要とすることなく、例えば、厚板工場にある既存設
備に鍛造用プレスを導入するだけの簡単なライン改造を
施すのみで、超微細組織鋼の厚板を製造するこが可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の圧延加工並びに本発明の鍛造加工と圧延
加工の組合せによる正方体材料の加工をそれぞれ併せて
示す図であり、（ａ）の上段の加工ラインは、圧延加工
のみによる加工を、（ｂ）の下段の加工ラインは、鍛造
加工と圧延加工の組合せた加工をそれぞれ示している。

【図２】材料の搬送方向ｘ方向としたときの、一対のア
ンビルによるｚ方向圧縮の鍛造工程、上下ロールによる
ｙ方向圧縮の圧延工程を示す図である。（ａ）上段は、鍛造加工を示す。（ｂ）下段は、圧延加工を示す。

【図３】原材料として直方体材料を用いる実施例を示す
図である。

【図４】直方体材料を条件を変えて加工した場合の塑性
ひずみの分布を示す図であり、（ａ）は、試料５に対す
る条件で試料に導入された塑性ひずみの分布を、（ｂ）
は、比較例３に対する条件で試料に導入された塑性ひず
みの分布を、それぞれ示している。

【符号の説明】

１原材料２中間材３アンビル４アンビル５仕上げ材６上ロール７下ロール８仕上げ材９上ロール１０下ロール

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】加工硬化能を有する金属材料を、鍛造及
び圧延ラインを組合せた複数の加工段の各工程において
それぞれ金属材料に圧縮変形を加えて、順次所定の板厚
材に加工し、鍛造・圧延加工の併用によって金属材料に
大ひずみを導入することを特徴とする金属加工方法
【請求項２】請求項１おいて、複数の加工段の各工程
における加工硬化能を有する金属材料の加工方向を、前
段の圧縮方向と後段の圧縮方向とで異なる方向とするこ
とによって、金属材料に大ひずみを導入することを特徴
とする金属加工方法
【請求項３】請求項１又は２において、複数の加工段
における相隣なる前後の加工について、後続の加工を、
前段加工の加工手段および／または加工方向と異にした
加工として連続させたことを特徴とする大ひずみを導入
する金属加工方法。
【請求項４】請求項２又は３において、後段での圧縮
方向を前段の圧縮方向と±９０度異なる方向とした金属
加工方法。
【請求項５】請求項２又は３において、後段での圧縮
方向を前段の圧縮方向と±（９０±５）度異なる方向と
した金属加工方法。
【請求項６】請求項２又は３において、後段での圧縮
方向を前段の圧縮方向と±（２０〜８４）度異なる方向
とした金属加工方法。