JP2006341267A

JP2006341267A - 自由鍛造方法及び自由鍛造用段付き金敷

Info

Publication number: JP2006341267A
Application number: JP2005168322A
Authority: JP
Inventors: Tomio Yamakawa; 富夫山川; Kazumune Shimoda; 一宗下田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2005-06-08
Filing date: 2005-06-08
Publication date: 2006-12-21

Abstract

【課題】素材内のポロシティを従来よりも低減できる自由鍛造方法及び自由鍛造用段付き金敷を提供する。
【解決手段】段付き金敷１０は、金敷前部１と、金敷中央部２と、金敷後部３とを備える。金敷前部１は、高さＨ１を有するプレス面Ｐ１を含む。金敷中央部２は、高さＨ１よりも低い高さＨ２を有するプレス面Ｐ２を含む。金敷後部３は、高さＨ２以下の高さＨ３を有するプレス面Ｐ３を含む。そのため、プレス面Ｐ１〜Ｐ３は、階段状に形成される。
【選択図】図６

Description

本発明は、自由鍛造方法及び自由鍛造用段付き金敷に関し、さらに詳しくは、素材を軸方向に沿って順次プレスする自由鍛造方法及び自由鍛造用段付き金敷に関する。

近年、造塊法により製造されるインゴットの代わりに、連続鋳造法により製造される鋳片（スラブ及びブルーム）を素材として製造される製品が増加している。造塊法よりも連続鋳造法の方が、生産性が高く、素材の製造コストが安くなるためである。

連続鋳造法により製造された鋳片は、種々の製品に加工される。たとえば、鋳片は分塊圧延され、丸鋼片（Round Billet）や角鋼片（Square Billet）といった鋼片になる。鋼片は軸方向に熱間圧延され、棒鋼や線材となる。また、鋼片は軸方向に穿孔及び圧延され、継目無鋼管となる。

上述のように、鋳片は、インゴットと比較して生産性が高く、製造コストが安いものの、中心軸に沿ってポロシティが内在しやすい。特に、ＣｒやＮｉを含有したステンレス鋼や高合金鋼等の鋳片には、ポロシティが内在しやすい。このような鋳片を分塊圧延した鋼片には、ポロシティが残存しやすい。

内部にポロシティを含む鋼片を熱間加工して製造された最終製品には、種々の欠陥が発生しやすい。たとえば、ポロシティを含む鋼片を穿孔した場合、鋼片中心部に割れが発生しやすい（マンネスマン割れ）。そのため、製造された継目無鋼管の内面に、マンネスマン割れに起因した疵が発生する場合がある。また、ポロシティを含む鋼片を熱間圧延して棒鋼とした場合、棒鋼内にポロシティが残存する場合がある。

このような最終製品の欠陥の発生を防止するためには、素材となる鋳片のポロシティを低減又は消滅する必要がある。このような鋳片のポロシティを低減するために、鋳片を軸方向に沿って鍛造する自由鍛造が、従来から実施されている。

図１４を参照して、自由鍛造プレス機には、２つの平金敷５０が互いに上下に対向して装着されている。平金敷５０の幅Ｗ５０は、自由鍛造される素材２０の幅Ｗ２０よりも広い。

初めに、上下に配置された平金敷５０間に素材２０を挿入する。挿入後、上下平金敷５０間の距離を、所定距離Ｌ０まで狭め、各平金敷５０が有する平坦なプレス面Ｐ５０で、素材２０の上下面をプレスする。プレス後、上下平金敷５０間の距離を広げ、素材２０を挿入方向に搬送する。このとき、プレスされない素材部分が生じるのを防止するため、搬送距離は平金敷５０の長さＬ５０未満にする。搬送を停止した後、上下平金敷５０間の距離を、所定距離Ｌ０まで狭め、素材２０の上下面を再びプレスする。

以上の動作を繰り返し、素材２０の先端から後端まで、軸方向に沿って順次プレスする。軸方向に沿って順次プレスすることにより、素材２０の中心軸に沿って内在するポロシティは低減する。

しかしながら、本発明者らの調査により、従来の平金敷５０を用いた自由鍛造では、自由鍛造後の素材２０の軸方向に沿って分布する残存ポロシティの大きさに、ばらつきがあることが分かった。換言すれば、自由鍛造後の素材２０では、軸方向において、ポロシティが減少又は消滅した部分と、ポロシティが十分に減少せず、粗大なポロシティが残存したままの部分とがあることが分かった。

このような残存した粗大ポロシティを低減するために、自由鍛造時のプレス量を大きくすることが考えられる。しかしながら、高いプレス能力を有する自由鍛造プレス機が必要となる。また、プレス量が大きくなれば、プレス時間も長くなるため、生産性が低下する。

特許文献１（特開２００２−１６００３６号公報）は、横断面が台形であって、プレス時に接触する素材の幅よりも狭い幅を有するプレス面を備えた平金敷を用いて、素材を自由鍛造する方法を開示する。しかしながら、このような平金敷を用いて自由鍛造を実施しても、素材の軸方向に沿って分布する残存ポロシティの大きさのばらつきは解消しない。
特開２００２−１６００３６号公報特開平７−１１６７６６号公報

本発明の目的は、素材内のポロシティを従来よりも低減できる自由鍛造方法及び自由鍛造用段付き金敷を提供することである。

本発明の他の目的は、素材の軸方向に分布したポロシティを従来よりも均一に低減できる自由鍛造方法及び自由鍛造用段付き金敷を提供することである。

課題を解決するための手段及び発明の効果

まず、本発明者らは、自由鍛造後に素材の軸方向に分布する、ポロシティの大きさを調査した。

試験材として、材質がＳＵＳ３０４であり、高さ９０ｍｍ、幅Ｗ２０＝５０ｍｍ、長さ３００ｍｍの素材２０を用意した。図１に示すように、素材２０の中心軸に沿って直径Ｈ０＝３．５ｍｍの貫通孔ＴＨを作成した。貫通孔ＴＨを作成後、貫通孔ＴＨの内面の酸化防止のため、素材２０の両端面に形成された貫通孔ＴＨの開口部を溶接で塞いだ。

また、図２に示す平金敷５０を２つ準備した。平金敷５０は、平坦なプレス面Ｐ５０を有し、前部及び後部に半径８ｍｍのコーナ半径を形成した。平金敷５０の長さＬ５０は、１２８ｍｍとした。

上述の素材２０を、加熱炉で１２５０℃の加熱温度で加熱後、平金敷５０を装着した自由鍛造プレス機を用いて、自由鍛造を実施した。図３Ａ〜図３Ｃを参照して、素材２０を平金敷５０間に挿入後、素材２０の先端から平金敷５０の長さ中央ＬＣまでの軸方向距離が４０ｍｍとなる位置で、１回目のプレスを実施した（図３Ａ）。続いて、挿入した方向に素材２０を１００ｍｍ搬送し、素材２０の先端から中央ＬＣまでの軸方向距離が１４０ｍｍとなる位置で、２回目のプレスを実施した（図３Ｂ）。２回目のプレスを実施後、素材２０をさらに１００ｍｍ搬送し、素材２０の先端から中央ＬＣまでの軸方向距離が２４０ｍｍとなる位置で、３回目のプレスを実施した（図３Ｃ）。要するに、１００ｍｍピッチで素材２０を３回プレスした。各プレス時のプレス量は１４ｍｍとした。したがって、各プレス時のプレス面Ｐ５０間の距離Ｌ０は、７６ｍｍであった。

自由鍛造後、素材２０を先端から軸方向に２０ｍｍピッチで切断した。続いて、図４に示す各切断面（横断面）において、自由鍛造により縦方向に圧縮された貫通孔ＴＨの高さＨ１と、自由鍛造により幅方向に広がった素材２０の最大幅Ｗ２１とを測定した。

各切断面で高さＨ１及び最大幅Ｗ２１を測定後、以下の式（１）及び式（２）により、各切断面での貫通孔高さ比ＨＲと、素材幅比ＷＲとを求めた。

貫通孔高さ比ＨＲ＝Ｈ１／Ｈ０（１）
素材幅比ＷＲ＝Ｗ２１／Ｗ２０（２）
式（１）及び（２）により求めた貫通孔高さ比ＨＲと素材幅比ＷＲとを図５に示す。図５の横軸は、素材２０の先端からの軸方向距離を示す。また、縦軸は、貫通孔高さ比ＨＲ及び素材幅比ＷＲを示す。貫通孔高さ比ＨＲが小さいほど、また、素材幅比ＷＲが大きいほど、素材中心部での歪み（圧下方向の圧縮歪み）が大きいことを示す。

図５を参照して、貫通孔高さ比ＨＲの曲線Ｃ_ＨＲは、極大値と極小値とを有する波形となった。具体的には、素材２０のうち平金敷５０の中央ＬＣでプレスされた部分（素材先端から４０ｍｍ、１４０ｍｍ、２４０ｍｍ）近傍で、貫通孔高さ比ＨＲが極小値となった。また、中央ＬＣから離れるほど、貫通孔高さ比ＨＲは大きくなり、平金敷５０の前部及び後部でプレスされた部分で、貫通孔高さ比ＨＲが極大値となった。

一方、素材幅比ＷＲの曲線Ｃ_ＷＲは、横軸に対して曲線Ｃ_ＨＲとほぼ線対称な波形となった。具体的には、素材幅比ＷＲは、平金敷５０の中央ＬＣでプレスされた部分（素材先端から４０ｍｍ、１４０ｍｍ、２４０ｍｍ）近傍で極大値となり、平金敷５０の前部及び後部でプレスされた部分で極小値となった。

以上の結果に基づいて、本発明者らは次の知見を得た。平金敷を用いて素材を自由鍛造した場合、自由鍛造後のポロシティは、平金敷の中央部でプレスされた素材部分（以下、中央プレス部分と称する）で最も小さくなり、平金敷の前部及び後部でプレスされた素材部分（以下、端部プレス部分と称する）で最も大きくなる。換言すれば、中央プレス部分に含まれるポロシティは、減少又は消滅しやすく、端部プレス部分に含まれるポロシティは、残存しやすい。

また、自由鍛造後の素材中心部の歪み（圧下方向の圧縮歪み）に注目すると、中央プレス部分の歪みが極大値となり、端部プレス部分の歪みが極小値となる。

以上の知見に基づいて、本発明者らは、素材の中心軸に沿って分布するポロシティを有効に低減又は消滅するためには、端部プレス部分の歪みを従来よりも大きくし、中央プレス部分の歪みに近づければ、素材内のポロシティを従来よりも低減できると考えた。また、端部プレス部分の歪みを従来よりも大きくすれば、歪み分布が軸方向に沿って均一になるため、中心軸に沿って分布するポロシティを従来よりも均一に低減できると考えた。

以上の知見及び検討に基づいて、本発明者らは以下の発明を完成した。

本発明による自由鍛造方法は、素材を軸方向に沿って順次プレスする自由鍛造プレス機を用いる。本発明による自由鍛造方法は、自由鍛造用の２つの段付き金敷であって、各段付き金敷の前部に配置され、第１の高さを有する第１のプレス面を含む金敷前部と、各段付き金敷の中央部に配置され、第１の高さよりも低い第２の高さを有する第２のプレス面を含む金敷中央部と、各段付き金敷の後部に配置され、第２の高さ以下である第３の高さを有する第３のプレス面を含む金敷後部とを備える２つの段付き金敷を、互いに対向して自由鍛造プレス機に装着する工程と、素材を段付き金敷の後部側から段付き金敷の間に挿入する工程と、挿入後、段付き金敷間の距離を所定距離まで狭めて、段付き金敷で素材をプレスする工程と、プレス後、段付き金敷間の距離を広げて段付き金敷の前部側に素材の挿入を開始する工程と、素材のうち段付き金敷の第３のプレス面でプレスされた部分が段付き金敷の第１のプレス面に対向する位置で挿入を停止する工程と、挿入を停止後、段付き金敷間の距離を所定距離まで狭めて、段付き金敷で素材をプレスする工程とを備える。
ここで、素材を段付き金敷間に挿入する場合、素材を搬送して段付き金敷間に挿入してもよいし、２つの段付き金敷を素材の軸方向に移動させることにより、素材を段付き金敷間に挿入してもよい。要するに、素材を段付き金敷に対して相対的に移動させて、段付き金敷間に挿入すればよい。

本発明の自由鍛造方法に用いる段付き金敷において、第２のプレス面が有する第２の高さは、第１のプレス面が有する第１の高さよりも低く、第３のプレス面が有する第３の高さは、第２の高さ以下である。従って、段付き金敷の第１〜第３のプレス面は、階段状に形成される。

このような段付き金敷を用いて素材を自由鍛造する場合、１回目のプレス時において、第３のプレス面でプレスされた素材部分（端部プレス部分）の歪みは、第２のプレス面でプレスされた素材部分（中央プレス部分）の歪みよりも小さくなる。

しかしながら、端部プレス部分は、２回目のプレス時に、第１のプレス面で再びプレスされる。プレス時における段付き金敷のストローク量、つまり、プレス時の金敷間の距離は１回目と同じである。そのため、平金敷であれば、端部プレス部分は再びプレスされない。しかしながら、本発明に用いる段付き金敷は、第１のプレス面が有する第１の高さが、第３のプレス面が有する第３の高さよりも高い。そのため、第１の高さと第３の高さとの差が、２回目のプレス時のプレス量となり、端部プレス部分が再びプレスされる。

端部プレス部分の総プレス量（１回目のプレス量＋２回目のプレス量）は、中央プレス部分の総プレス量（１回目のプレス量のみ）よりも大きくなる。したがって、端部プレス部分の歪みは、従来の平金敷でプレスされた場合よりも大きくなり、自由鍛造後の素材中心軸方向の歪み分布は、従来よりも均一になる。その結果、ポロシティを従来よりも減少又は消滅でき、中心軸に沿って分布するポロシティを、従来よりも均一に低減できる。

本発明による自由鍛造方法は、素材を軸方向に沿って順次プレスする自由鍛造プレス機を用いる。本発明による自由鍛造方法は、自由鍛造用の段付き金敷であって、段付き金敷の前部に配置され、第１の高さを有する第１のプレス面を含む金敷前部と、段付き金敷の中央部に配置され、第１の高さよりも低い第２の高さを有する第２のプレス面を含む金敷中央部と、段付き金敷の後部に配置され、第２の高さ以下である第３の高さを有する第３のプレス面を含む金敷後部とを備える段付き金敷を自由鍛造プレス機に装着する工程と、平金敷を段付き金敷と対向して自由鍛造プレス機に装着する工程と、素材を段付き金敷の後部側から段付き金敷と平金敷との間に挿入する工程と、挿入後、段付き金敷と平金敷との距離を所定距離まで狭めて、段付き金敷と平金敷とで素材をプレスする工程と、プレス後、段付き金敷と平金敷との距離を広げ、段付き金敷の前部側に素材の挿入を開始する工程と、素材のうち段付き金敷の第３のプレス面でプレスされた部分が段付き金敷の第１のプレス面に対向する位置で挿入を停止する工程と、挿入を停止後、段付き金敷と平金敷との距離を所定距離まで狭めて、段付き金敷と平金敷とで素材をプレスする工程とを備える。
ここで、素材を段付き金敷と平金敷との間に挿入する場合、素材を段付き金敷及び平金敷に対して相対的に移動させて、段付き金敷と平金敷との間に挿入すればよい。

本発明の自由鍛造方法では、段付き金敷の第１〜第３のプレス面は、階段状に形成される。このような段付き金敷を用いて素材を自由鍛造する場合、１回目のプレス時において、第３のプレス面でプレスされた素材部分（端部プレス部分）の歪みは、第２のプレス面でプレスされた素材部分（中央プレス部分）の歪みよりも小さくなる。

しかしながら、端部プレス部分は、２回目のプレス時に、第１のプレス面で再びプレスされる。第１のプレス面が有する第１の高さが、第３のプレス面が有する第３の高さよりも高いため、第１の高さと第３の高さとの差が、２回目のプレス時のプレス量となるからである。

好ましくは、第１〜第３のプレス面は平坦である。

この場合、第１〜第３のプレス面でプレスされた素材表面には凹凸が形成されない。そのため、自由鍛造後の次工程で表面疵が発生しにくい。

好ましくは、第３の高さは第２の高さよりも低く、金敷前部の長さは、金敷後部の長さよりも長い。

この場合、第１の高さと第３の高さとの差が大きくなる。そのため、金敷前部でのプレス量がより大きくなり、端部プレス部分の歪みを大きくできる。さらに、金敷前部の長さは、金敷後部の長さよりも長い。そのため、１回目のプレス時に金敷後部でプレスされた端部プレス部分の全てを、２回目のプレス時に金敷前部でプレスできる。

好ましくは、金敷前部は、第１のプレス面と第２のプレス面との間に配置され、第１のプレス面と第２のプレス面とに隣接し、第２のプレス面の法線と鋭角に交差する法線を有する第１の傾斜面を含み、金敷後部は、第２のプレス面と第３のプレス面との間に配置され、第２のプレス面と第３のプレス面とに隣接し、第３のプレス面の法線と鋭角に交差する法線を有する第２の傾斜面とを含む。

本発明の自由鍛造方法に用いる段付き金敷は、プレス面が階段状に形成される。そのため、各プレス後の素材表面には、第１〜第３のプレス面の段差に起因した凹凸が形成される。第１〜第３のプレス面の段差が各プレス面と直角になる場合、各プレスで素材に形成される凹凸の段差も直角になる。段差が直角であれば、次回加工時（次回プレス時、又は次工程の分塊圧延時）に段差部が折れ曲がり、疵が発生する場合がある。本発明の段付き金敷では、傾斜面が各プレス面を連続的につなぐ。そのため、素材の凹凸の段差は直角にならず、凹部と凸部との間には傾斜面が形成される。段差を直角にせず、凹部と凸部との間に傾斜面を設けることで、次回加工時における段差部の折れ曲がりを防止でき、疵の発生を抑制できる。

本発明による自由鍛造用段付き金敷は、素材を軸方向に沿って順次プレスする自由鍛造に用いられる。自由鍛造用段付き金敷は、金敷前部と、金敷中央部と、金敷後部とを備える。金敷前部は、段付き金敷の前部に配置され、第１の高さを有する第１のプレス面を含む。金敷中央部は、段付き金敷の中央部に配置され、第１の高さよりも低い第２の高さを有する第２のプレス面を含む。金敷後部は、段付き金敷の後部に配置され、第２の高さ以下である第３の高さを有する第３のプレス面を含む。

本発明による自由鍛造用段付き金敷では、第２のプレス面が有する第２の高さは、第１のプレス面が有する第１の高さよりも低く、第３のプレス面が有する第３の高さは、第２の高さ以下である。従って、段付き金敷の第１〜第３のプレス面は、階段状に形成される。

しかしながら、本発明の段付き金敷を用いた自由鍛造では、２回目のプレス時に、端部プレス部分を第１のプレス面で再びプレスできる。プレス時における段付き金敷のストローク量、つまり、プレス時の金敷間の距離は１回目と同じである。そのため、平金敷であれば、端部プレス部分は再びプレスされない。しかしながら本発明に用いる段付き金敷は、第１のプレス面が有する第１の高さが、第３のプレス面が有する第３の高さよりも高い。そのため、第１の高さと第３の高さとの差が、２回目のプレス時のプレス量となり、端部プレス部分が再びプレスされる。

好ましくは、第１〜第３のプレス面は平坦である。

この場合、第１〜第３のプレス面でプレスされた素材表面には凹凸が形成されない。そのため、自由鍛造後の次工程で、表面疵が発生しにくい。

この場合、第１の高さと第３の高さとの差が大きくなる。そのため、金敷前部でのプレス量がより大きくなり、素材中心部の歪みを大きくできる。さらに、金敷前部の長さは、金敷後部の長さよりも長い。そのため、１回目のプレス時に金敷後部でプレスされた端部プレス部分の全てを、２回目のプレス時に金敷前部でプレスできる。

本発明の自由鍛造用段付き金敷は、プレス面が階段状に形成される。そのため、各プレス後の素材表面には、第１〜第３のプレス面の段差に起因した凹凸が形成される。第１〜第３のプレス面の段差が各プレス面と直角になる場合、各プレスで素材に形成される凹凸の段差も直角になる。段差が直角であれば、次回加工時（次回プレス時、又は次工程の分塊圧延時）に段差部が折れ曲がり、疵が発生する場合がある。本発明の段付き金敷では、段差を直角にするのではなく、傾斜面が各プレス面を連続的につなぐ。そのため、素材の凹凸の段差は直角にならず、凹部と凸部との間には傾斜面が形成される。段差を直角にせず、凹部と凸部との間に傾斜面を設けることで、次回加工時における段差部の折れ曲がりを防止でき、疵の発生を抑制できる。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

１．段付き金敷の構成
図６を参照して、本発明による段付き金敷１０は、金敷前部１と、金敷中央部２と、金敷後部３とを備える。金敷前部１は、段付き金敷１０の前部に配置される。金敷前部１は、高さＨ１を有するプレス面Ｐ１を含む。金敷中央部２は、段付き金敷１０の中央部に配置され、金敷前部１と隣接する。金敷中央部２は、高さＨ２を有するプレス面Ｐ２を含む。金敷後部３は、段付き金敷１０の後部に配置され、金敷中央部２と隣接する。金敷後部３は、高さＨ３を有するプレス面Ｐ３を含む。

プレス面Ｐ１の高さＨ１は、プレス面Ｐ２の高さＨ２よりも高い。また、高さＨ２は、プレス面Ｐ３の高さＨ３よりも高い。そのため、プレス面Ｐ１〜Ｐ３は、階段状に形成されている。プレス面Ｐ１〜Ｐ３は、いずれも平面（平坦）である。

プレス面Ｐ１とプレス面Ｐ２との間には、傾斜面Ｉ１が配置される。傾斜面Ｉ１は、プレス面Ｐ１及びＰ２と隣接する。傾斜面Ｉ１の法線は、プレス面Ｐ２の法線と鋭角に交差する。プレス面Ｐ２とＰ３との間には、傾斜面Ｉ２が配置される。傾斜面Ｉ２は、プレス面Ｐ２及びＰ３と隣接する。傾斜面Ｉ２の法線は、プレス面Ｐ３の法線と鋭角に交差する。

金敷前部１の前端部には、コーナ半径Ｒ１を有する曲面Ｃ１が、プレス面Ｐ１に隣接して形成される。また、金敷後部３の後端部には、コーナ半径Ｒ２を有する曲面Ｃ２が、プレス面Ｐ３に隣接して形成される。自由鍛造後の次工程で、疵を発生しにくくするためである。
なお、プレス面Ｐ１と傾斜面Ｉ１との隣接部、プレス面Ｐ２と傾斜面Ｉ１との隣接部、プレス面Ｐ２と傾斜面Ｉ２との隣接部、プレス面Ｐ３と傾斜面Ｉ２
との隣接部に、それぞれコーナ半径を設けてもよい。これらの隣接部にコーナ半径を設けることにより、これらの隣接部の摩耗や欠損を防止できる。

段付き金敷１０の幅Ｗ１０は、自由鍛造される素材の幅よりも広く形成される。

２．自由鍛造方法
図７Ａ〜７Ｄを参照して、まず、２つの段付き金敷１０を、互いに上下に対向して図示しない自由鍛造プレス機に装着する。このとき、各段付き金敷１０のプレス面Ｐ１〜Ｐ３は、互いに上下に対向する。以降、プッシュダウン型の自由鍛造プレス機を用いて説明するが、自由鍛造プレス機は、プルダウン型でもよいし、ムービングシリンダ型でもよい。

段付き金敷１０を装着後、鋳片等である素材２０を、段付き金敷１０の後部側から段付き金敷１０間に挿入する。素材２０は、自由鍛造プレス機の前後に配設される搬送ローラにより搬送されて、段付き金敷１０間に挿入されてもよいし、マニプレータにより段付き金敷１０間に挿入されてもよい。

素材２０の挿入を開始し、素材２０の先端部が、上下段付き金敷１０のプレス面Ｐ１間に挟まれる位置で、素材２０の挿入を停止する（図７Ａ）。

挿入を停止後、上下段付き金敷１０で素材２０を縦方向にプレスする（図７Ｂ）。具体的には、上側の段付き金敷１０を下降し、上下段付き金敷１０間の距離を狭め、素材２０をプレスする。上下段付き金敷１０間の距離（プレス面Ｐ２間距離）が所定距離Ｌ０となるまで、上下段付き金敷１０で素材２０をプレスする。

このとき、先述のとおり、素材２０のうち、プレス面Ｐ２でプレスされた素材部分（中央プレス部分）２０１の歪みは大きい。そのため、中央プレス部分２０１の中心軸に沿って内在するポロシティは、減少又は消滅する。

一方、プレス面Ｐ３でプレスされた素材部分（端部プレス部分）２０２の歪みは、中央プレス部分２０１の歪みよりも小さい。プレス面Ｐ３の高さＨ３が、プレス面Ｐ２の高さＨ２よりも低く、プレス面Ｐ３のプレス量がプレス面Ｐ２のプレス量よりも小さいためである。

１回目のプレスを終了後、上側の段付き金敷１０を上昇し、上下段付き金敷１０間の距離を広げる。上側の段付き金敷１０を上昇し、プレス前の位置に戻した後、段付き金敷１０の前部側に素材２０の搬送を開始する。

搬送を開始後、端部プレス部分２０２が、上限段付き金敷１０のプレス面Ｐ１に対向する位置で、搬送を停止する（図７Ｃ）。

搬送を停止後、２回目のプレスを実施する。上側段付き金敷を再び下降し、上下段付き金敷１０間の距離が所定距離Ｌ０になるまで素材２０をプレスする（図７Ｄ）。

２回目のプレス時の段付き金敷のストローク量は、１回目のプレス時と同じである。すなわち、上下段付き金敷１０間の所定距離Ｌ０は１回目のプレス時と同じである。しかしながら、プレス面Ｐ１の高さＨ１は、プレス面Ｐ３の高さＨ３よりも高い。そのため、端部プレス部分２０２は、プレス面Ｐ１により２×（Ｈ１−Ｈ３）のプレス量で再びプレスされる。要するに、端部プレス部分２０２は、２回プレスされる。

段付き金敷１０でプレスすることにより、端部プレス部分２０２の総プレス量（１回目のプレス量＋２回目のプレス量）は、中央プレス部分２０１の総プレス量（１回目のプレス量のみ）よりも大きくなる。したがって、端部プレス部分２０２の歪みは、従来の平金敷５０でプレスされた場合よりも大きくなり、ポロシティを従来よりも減少又は消滅できる。

上述の動作を、素材２０の先端から後端まで、軸方向に沿って順次繰り返す。その結果、自由鍛造後の素材中心軸方向の歪み分布は、従来の平金敷で鍛造した場合よりも均一になる。その結果、素材の軸方向に沿って内在したポロシティは、従来よりも均一に減少又は消滅する。

金敷前部１の長さＬ１は、金敷後部３の長さＬ３よりも長い方が好ましい。長さＬ１が長さＬ３よりも長ければ、１回目のプレス時に金敷後部３でプレスされた端部プレス部分２０２全体を、２回目のプレス時に、金敷前部１でプレスできるからである（図７Ｃ）。

自由鍛造後の素材２０の上下面は、図７Ｄに示すように凹凸が形成されるが、次の工程である分塊圧延により、素材２０の上下表面は平坦になる。したがって、素材２０の凹凸は最終製品の表面に影響を与えにくい。

なお、段付き金敷１０は、各プレス面Ｐ１〜Ｐ３間に傾斜面Ｉ１及びＩ２を備える。そのため、図７Ｂ〜Ｄに示すように、各プレス後の素材２０の上下面の凹凸の段差は、直角にならず、凹部と凸部との間には、傾斜面が形成される。段差が直角であれば、次回加工時（次回のプレス時、又は次工程の分塊圧延時）に段差部が折れ曲がり、疵が発生する場合がある。段差を直角にせず、凹部と凸部との間に傾斜面を設けることで、段差部の折れ曲がりを防止でき、次回加工時の疵の発生を抑制できる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、段付き金敷１０の材質は、特に制限されず、従来の平金敷と同じでよい。また、段付き金敷１０のプレス面Ｐ１〜Ｐ３は平坦な面としたが、各プレス面Ｐ１〜Ｐ３が若干の曲率を有してもよい。プレス面Ｐ１〜Ｐ３を曲面とするよりも平面にした方が、プレス後の素材２０の表面の凹凸を抑制できる。

本実施の形態では、２つの金敷のうちの一方が稼働する自由鍛造プレス機を用いたが、２つの金敷の両方が稼働して素材をプレスする自由鍛造プレス機を使用してもよい。また、２つの金敷を左右に対向して装着可能な自由鍛造プレス機を用いても、同様の効果が得られる。
また、本実施の形態では、素材を搬送して、２つの段付き金敷１０間に素材を挿入したが、段付き金敷１０を素材の軸方向に移動させることにより、素材を段付き金敷１０間に挿入してもよい。たとえば、自由鍛造プレス機自体を素材の軸方向に移動させて、素材を段付き金敷１０間に挿入してもよい。要するに、素材が段付き金敷１０に対して相対的に移動することにより、段付き金敷１０間に挿入されればよい。

また、２つの金敷のうちの少なくとも１つを段付き金敷１０にして、上述の方法で自由鍛造を実施すれば、本発明の効果を得ることができる。具体的には、図８に示すように、自由鍛造プレス機に段付き金敷１０を装着し、平金敷５０を段付き金敷１０と対向して自由鍛造プレス機に装着してもよい。この場合も図７Ａ〜図７Ｄと同様の動作で自由鍛造を実施する。

本実施の形態では、プレス面Ｐ１〜Ｐ３の高さＨ１〜Ｈ３がそれぞれ異なる段付き金敷１０を用いたが、図９に示すように、プレス面Ｐ２の高さＨ２が、プレス面Ｐ３の高さＨ３と同じである段付き金敷１１を用いて、自由鍛造を実施してもよい。段付き金敷１１を用いた自由鍛造も、図７Ａ〜図７Ｄと同じ工程で実施できる。

種々の形状の金敷を用いて素材を自由鍛造し、自由鍛造後、素材の中心部の歪みを調査した。

［試験素材］
高さ９０ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ４００ｍｍの１３％Ｃｒ系ステンレス鋼を素材として準備した。図１０に示すように、素材２０の横断面の中心に直径３ｍｍの貫通孔を軸方向に形成し、その貫通孔に直径３ｍｍのカンタル線Ａ０を埋め込んだ。同様に、横断面の中心の上方であって、中心との間の距離ＬＡ１が６ｍｍである地点の軸方向に、貫通孔を設け、直径３ｍｍのカンタル線Ａ１を軸方向に埋め込んだ。さらに、横断面の中心の下方であって、中心との間の距離ＬＡ２が６ｍｍである地点の軸方向に、貫通孔を設け、直径３ｍｍのカンタル線Ａ２を埋め込んだ。埋込後、素材両端面に形成された貫通孔の開口部を、溶接により塞いだ。

［金敷の形状］
図２に示した平金敷５０と、図１１Ａに示した寸法形状（ｍｍ）を有する段付き金敷１０と、図１１Ｂに示した寸法形状（ｍｍ）を有する段付き金敷１１とを、それぞれ２個ずつ準備した。

図１１Ａを参照して、段付き金敷１０は、全長が１２０ｍｍである。また、プレス面Ｐ１の高さとプレス面Ｐ２の高さとの差分（段差）は、１．５ｍｍである。プレス面Ｐ２とプレス面Ｐ３との段差は、１．３ｍｍである。金敷前部１の長さＬ１は２０ｍｍであり、金敷後部３の長さＬ３は１５ｍｍである。プレス面Ｐ１〜Ｐ３は、いずれも平坦である。

図１１Ｂを参照して、段付き金敷１１の全長は、段付き金敷１０と同じ１２０ｍｍである。プレス面Ｐ１とプレス面Ｐ２との段差は、１．５ｍｍであり、プレス面Ｐ２とプレス面Ｐ３の高さは同じである。プレス面Ｐ１〜Ｐ３は、いずれも平坦である。

［自由鍛造試験方法］
プッシュダウン式の自由鍛造プレス機を準備した。図１１Ａに示した段付き金敷１０を、上下に対向して自由鍛造プレス機に装着した。上述の素材２０を、自由鍛造プレス機の前後面に配設された搬送ローラで搬送し、１００ｍｍピッチで３回プレスした。具体的には、図１２Ａ〜図１２Ｃを参照して、素材２０の先端から１００ｍｍの部分が、段付き金敷１０の長さ中央ＬＣに対向する位置で、１回目のプレスを実施した（図１２Ａ）。１回目のプレス後、素材２０を搬送し、素材２０の先端から２００ｍｍの部分が、長さ中央ＬＣに対向する位置で、２回目のプレスを実施した（図１２Ｂ）。２回目のプレス後、素材２０を搬送し、素材２０の先端から３００ｍｍの部分が、長さ中央ＬＣに対向する位置で、３回目のプレスを実施した（図１２Ｃ）。各プレス時のプレス量は１９ｍｍとした。換言すれば、各プレス時において、上下金敷のプレス面Ｐ２間の距離が、所定距離Ｌ０＝７１ｍｍとなるまで、素材の上下面をプレスした。

３回目のプレスを終了後、素材２０の先端から後端まで、軸方向に１０ｍｍピッチで、素材２０を切断した。各切断面（横断面）に現れたカンタル線Ａ０とカンタル線Ａ１との間の距離ＬＡ１０（ｍｍ）と、カンタル線Ａ０とＡ２との間の距離ＬＡ２０（ｍｍ）とを測定した。距離ＬＡ１０及びＬＡ２０を測定後、式（３）に基づいてカンタル線Ａ０とＡ１との間の歪みε１を求め、式（４）に基づいてカンタル線Ａ０とＡ２との間の歪みε２を求めた。

ε１＝ｌｎ（ＬＡ１０／ＬＡ１）（３）
ε２＝ｌｎ（ＬＡ２０／ＬＡ２）（４）
求めたε１とε２との平均を、各切断面の中央部の歪みε０とした。素材２０の軸方向に対する各切断面の歪みε０をプロットし、自由鍛造後の素材２０の軸方向の歪み分布を得た。

図１１Ｂに示した段付き金敷１１及び図２に示した平金敷５０についても、段付き金敷１０の場合と同じ自由鍛造試験を実施し、歪みε０求め、歪み分布を得た。

［試験結果］
自由鍛造試験により得られた歪み分布図を、図１３Ａ〜１３Ｃに示す。図１３Ａは、段付き金敷１０を用いた自由鍛造により得られた歪み分布図であり、図１３Ｂは、段付き金敷１１を用いた自由鍛造により得られた歪み分布図であり、図１３Ｃは、平金敷５０を用いた自由鍛造により得られた歪み分布図である。各図１３Ａ〜図１３Ｃの横軸は、素材２０の先端からの軸方向距離を示し、縦軸は歪みε０（値は負である）を示す。

図１３Ａ〜図１３Ｃの各歪み分布のうち、歪みε０の極小値εｍｉｎを比較した。その結果、図１３Ａ及び１３Ｂの歪み極小値εｍｉｎは、いずれも図１３Ｃの歪み極小値εｍｉｎ未満となった。換言すれば、段付き金敷１０及び１１で自由鍛造した方が、平金敷５０で自由鍛造するよりも、歪みが大きくなった。また、図１３Ａ及び１３Ｂの歪み分布の極大値εｍａｘと極小値εｍｉｎとの差は、図１３Ｃの極大値εｍａｘと極小値εｍｉｎとの差よりも小さくなった。そのため、段付き金敷１０及び１１の方が、平金敷５０よりも、素材の中心軸に沿って内在するポロシティを減少でき、軸方向のポロシティ分布を均一にできることが分かった。

また、図１３Ａと図１３Ｂの歪み極小値εｍｉｎを比較した場合、図１３Ａの歪み極小値εｍｉｎは、図１３Ｂの歪み極小値εｍｉｎ未満であった。換言すれば、段付き金敷１０の方が、段付き金敷１１よりも、歪みが大きくなった。さらに、図１３Ａの極大値εｍａｘと極小値εｍｉｎとの差は、図１３Ｂの極大値εｍａｘと極小値εｍｉｎとの差よりも小さくなった。そのため、段付き金敷１０の方が、段付き金敷１１よりも、ポロシティを減少でき、軸方向に沿って内在するポロシティ分布を均一にできることが分かった。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

自由鍛造後に素材に残存するポロシティの分布を調査するために用いた、試験素材の横断面図である。ポロシティ分布の調査に用いた平金敷の側面図である。ポロシティ分布調査時の自由鍛造試験の第１工程を示す図である。ポロシティ分布調査時の自由鍛造試験の第２工程を示す図である。ポロシティ分布調査時の自由鍛造試験の第３工程を示す図である。図３Ａ〜図３Ｃに示した自由鍛造試験を実施した後の試験素材の横断面図である。自由鍛造試験後の素材の軸方向に対するポロシティ高さ変化と、素材幅変化とを示す図である。本発明の実施の形態による自由鍛造用段付き金敷の斜視図である。図６に示した段付き金敷を用いた自由鍛造方法の第１工程を示す図である。図６に示した段付き金敷を用いた自由鍛造方法の第２工程を示す図である。図６に示した段付き金敷を用いた自由鍛造方法の第３工程を示す図である。図６に示した段付き金敷を用いた自由鍛造方法の第４工程を示す図である。本発明による自由鍛造方法の他の実施の形態を示す図である。図６に示した段付き金敷と形状の異なる、他の段付き金敷の斜視図である。実施例で用いた試験素材の横断面図である。実施例で用いた段付き金敷の側面図である。図１１の段付き金敷と形状の異なる、他の段付き金敷の側面図である。実施例における自由鍛造試験の第１工程を示す図である。実施例における自由鍛造試験の第２工程を示す図である。実施例における自由鍛造試験の第３工程を示す図である。図１１Ａの段付き金敷を用いて自由鍛造試験を実施した素材における、軸方向の歪み分布を示す図である。図１１Ｂの段付き金敷を用いて自由鍛造試験を実施した素材における、軸方向の歪み分布を示す図である。図２の平金敷を用いて自由鍛造試験を実施した素材における、軸方向の歪み分布を示す図である。従来の自由鍛造を説明するための模式図である。

符号の説明

１金敷前部
２金敷中央部
３金敷後部
１０，１１段付き金敷
２０素材
Ｐ１〜Ｐ３プレス面
Ｉ１，Ｉ２傾斜面

Claims

素材を軸方向に沿って順次プレスする自由鍛造プレス機を用いた自由鍛造方法であって、
前記自由鍛造用の２つの段付き金敷であって、前記各段付き金敷の前部に配置され、第１の高さを有する第１のプレス面を含む金敷前部と、前記各段付き金敷の中央部に配置され、前記第１の高さよりも低い第２の高さを有する第２のプレス面を含む金敷中央部と、前記各段付き金敷の後部に配置され、前記第２の高さ以下である第３の高さを有する第３のプレス面を含む金敷後部とを備える２つの段付き金敷を、互いに対向して前記自由鍛造プレス機に装着する工程と、
前記素材を前記段付き金敷の後部側から前記段付き金敷の間に挿入する工程と、
前記挿入後、前記段付き金敷間の距離を所定距離まで狭めて、前記段付き金敷で前記素材をプレスする工程と、
前記プレス後、前記段付き金敷間の距離を広げ、前記段付き金敷の前部側に前記素材の挿入を開始する工程と、
前記素材のうち前記段付き金敷の第３のプレス面でプレスされた部分が前記段付き金敷の第１のプレス面に対向する位置で、挿入を停止する工程と、
前記挿入を停止後、前記段付き金敷間の距離を前記所定距離まで狭めて、前記段付き金敷で前記素材をプレスする工程とを備えることを特徴とする自由鍛造方法。
素材を軸方向に沿って順次プレスする自由鍛造プレス機を用いた自由鍛造方法であって、
前記自由鍛造用の段付き金敷であって、前記段付き金敷の前部に配置され、第１の高さを有する第１のプレス面を含む金敷前部と、前記段付き金敷の中央部に配置され、前記第１の高さよりも低い第２の高さを有する第２のプレス面を含む金敷中央部と、前記段付き金敷の後部に配置され、前記第２の高さ以下である第３の高さを有する第３のプレス面を含む金敷後部とを備える段付き金敷を前記自由鍛造プレス機に装着する工程と、
平金敷を前記段付き金敷と対向して前記自由鍛造プレス機に装着する工程と、
前記素材を前記段付き金敷の後部側から前記段付き金敷と平金敷との間に挿入する工程と、
前記挿入後、前記段付き金敷と平金敷との距離を所定距離まで狭めて、前記段付き金敷と平金敷とで前記素材をプレスする工程と、
前記プレス後、前記段付き金敷と平金敷との距離を広げ、前記段付き金敷の前部側に前記素材の挿入を開始する工程と、
前記素材のうち前記段付き金敷の第３のプレス面でプレスされた部分が前記段付き金敷の第１のプレス面に対向する位置で、挿入を停止する工程と、
前記挿入を停止後、前記段付き金敷と平金敷との距離を前記所定距離まで狭めて、前記段付き金敷と平金敷とで前記素材をプレスする工程とを備えることを特徴とする自由鍛造方法。
請求項１又は請求項２に記載の自由鍛造方法であって、
前記第１〜第３のプレス面は平坦であることを特徴とする自由鍛造方法。
請求項３に記載の自由鍛造方法であって、
前記第３の高さは第２の高さよりも低く、前記金敷前部の長さは、前記金敷後部の長さよりも長いことを特徴とする自由鍛造方法。
請求項４に記載の自由鍛造方法であって、
前記金敷前部は、
前記第１のプレス面と前記第２のプレス面との間に配置され、前記第１のプレス面と前記第２のプレス面とに隣接し、前記第２のプレス面の法線と鋭角に交差する法線を有する第１の傾斜面を含み、
前記金敷後部は、
前記第２のプレス面と前記第３のプレス面との間に配置され、前記第２のプレス面と前記第３のプレス面とに隣接し、前記第３のプレス面の法線と鋭角に交差する法線を有する第２の傾斜面とを含むことを特徴とする自由鍛造方法。
素材を軸方向に沿って順次プレスする自由鍛造に用いられる自由鍛造用段付き金敷であって、
前記段付き金敷の前部に配置され、第１の高さを有する第１のプレス面を含む金敷前部と、
前記段付き金敷の中央部に配置され、前記第１の高さよりも低い第２の高さを有する第２のプレス面を含む金敷中央部と、
前記段付き金敷の後部に配置され、前記第２の高さ以下である第３の高さを有する第３のプレス面を含む金敷後部とを備えることを特徴とする自由鍛造用段付き金敷。
請求項６に記載の自由鍛造用段付き金敷であって、
前記第１〜第３のプレス面は平坦であることを特徴とする自由鍛造用段付き金敷。
請求項７に記載の自由鍛造用段付き金敷であって、
前記第３の高さは、前記第２の高さよりも低く、前記第１のプレス面の長さは、前記第３のプレス面の長さよりも長いことを特徴とする自由鍛造用段付き金敷。
請求項８に記載の自由鍛造用段付き金敷であって、
前記金敷前部は、
前記第１のプレス面と前記第２のプレス面との間に配置され、前記第１のプレス面と前記第２のプレス面とに隣接し、前記第２のプレス面の法線と鋭角に交差する法線を有する第１の傾斜面を含み、
前記金敷後部は、
前記第２のプレス面と前記第３のプレス面との間に配置され、前記第２のプレス面と前記第３のプレス面とに隣接し、前記第３のプレス面の法線と鋭角に交差する法線を有する第２の傾斜面とを含むことを特徴とする自由鍛造用段付き金敷。