JP2007136487A - 熱間鍛造方法 - Google Patents

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貴行 木原
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Abstract

【課題】難加工材を鍛造する場合でも、デッドメタル域の発生を抑制し、角部への塑性歪の重畳を緩和することにより、被鍛造材の割れを防止する熱間鍛造方法を提供する。
【解決手段】断面形状をほぼ正方形とした鍛造素材を出発材料として、その長手方向の一方の端部から他方の端部まで圧下された被鍛造材を鍛造するに際し、パス毎に前記被鍛造材を回転させた後、対向する平金敷による圧下を繰り返す熱間鍛造方法において、パス毎の回転角度が、nを0、1、2または3の整数とした場合に、(90×n)度となる回転を連続しないように前記被鍛造材を回転させた後、1パス当りの圧下量を15%以上として圧下することを特徴とする熱間鍛造方法である。鍛造過程では、適正な回転角度の圧下を組み合わせた圧下スケジュールを繰り返すことが望ましい。
【選択図】図5

Description

本発明は、鋼塊やブルーム等の矩形断面素材を用いた熱間鍛造方法に関し、より詳しくは難加工材を平金敷を用いて鍛造する場合であっても、被鍛造材に発生する割れを防止することができる熱間鍛造方法に関する。
図1は、鍛造プレスで被加工材を熱間の自由鍛造で加工している状態を示す模式図である。通常、鍛造プレスによる熱間の自由鍛造では、対向する一対の平金敷2が用いられ、被加工材(鍛造素材および被鍛造材)1の長手方向の一方の端部から他方の端部までの圧下(以下、単に「パス」ということがある)が繰り返される。例えば、被加工材1を圧下する平坦な底面3とテーパ状の側面4とで構成される平金敷2を用い、パス毎に被加工材1を回転させた後に、マニプレータなどによって被加工材1を搬送方向に移動させながら、順次、圧下を繰り返して被加工材1を所定の寸法まで鍛伸する。
熱間鍛造によりビレット等の丸鋼片を製造する場合には、特許文献1に記載されるように、平金敷を用いて鋼塊やブルーム等の矩形断面(正方形や長方形)からなる鍛造素材の対向面を、90度または270度回転させて交互に圧下して寸法の小さい矩形断面とした後、さらに同様に、平金敷を用いて矩形断面の被鍛造材の角部を圧下して、八角形やそれ以上の多角形断面の中間素材に粗成形する。その後、丸溝金敷を用いて粗成形された中間素材を所定寸法の丸鋼片に仕上成形する。
ところが、上記鍛造方法では、最終寸法に近い断面積になるまで平金敷を用いて、面部圧下のみで粗成形しているため、金敷の底面に接触する被鍛造材の表層は金敷によって塑性流動が拘束され、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。
一般的に、被加工材に熱間加工を施した場合は、塑性歪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が、デッドメタル域ではほとんど塑性歪みが加わらないことから、組織の微細化を図ることができない。このため、組織が微細化せず、粗い組織が残留するデッドメタル域が存在する場合には、CrおよびNi含有量の多い高合金鋼やNi基合金等の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。
従来から、上記デッドメタル域に起因する表面欠陥の発生を防止するため、種々検討がなされてきた。例えば、特許文献2には、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が開示されている。
また、特許文献3には、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、その凹部が形成された被加工材の幅端部を圧下する加工方法が開示され、特許文献4には、表面に複数条の特定形状の凹凸を形成した自由鍛造金敷とそれを用いた鍛造方法が開示されている。上記特許文献2〜4に記載された発明は、特定形状の平金敷を用いることで被加工材の幅中央部でのデッドメタル域を極力少なくし、組織の微細化を図るものである。
特開平11−57924号公報 特開平11−10271号公報 特開2002−160036号公報 特開2002−219547号公報
前述の通り、特定形状の平金敷を用いることにより組織の微細化を図り、デッドメタル域を極力少なくできるが、被鍛造材の面部における繰り返し圧下にともない、角部での割れ発生の問題がある。
具体的には、平金敷を用いて被鍛造材の面部を圧下して鍛造する場合に、幅中央部のデッドメタル域での粗い組織の残存による割れの発生以外に、面部圧下を繰り返すことにより、角部において塑性歪が重畳されるため、その塑性歪が限界を超えた場合に角部に割れが発生することになる。特に、難加工材では塑性歪の重畳が顕著となり、限界も制限されることから塑性歪による割れが発生し易い。
前述の特許文献2〜4に記載の金敷形状や鍛造方法を用いても、角部における塑性歪の重畳による割れ発生を防止することはできない。このため、被鍛造材の角部での割れ発生を防止するとともに、面部の幅中央部における組織の細粒化を図ることにより、より割れ欠陥の発生を少なくできる熱間鍛造方法の開発が望まれている。
本発明の目的は、難加工材を熱間鍛造する場合であっても、被鍛造材面部の幅中央部での組織を細粒化することで、面部における欠陥の発生をより少なくするとともに、角部への塑性歪の重畳を抑制することで、角部における割れの発生を防止することが可能な熱間鍛造方法を提供することにある。
粗成形時の熱間鍛造において、被鍛造材の面部だけを連続して圧下すると、鍛造工具直下の塑性歪が蓄積されにくい面部では割れが発生し易いことは、従来から知られていたが、本発明者の検討により、面部の圧下により塑性歪が重畳し蓄積する被鍛造材の角部においても割れが発生し易いことが、新たに明かとなった。
そのため、本発明者は、被鍛造材の面部だけでなく、角部も含めた表層に加える塑性歪を均一にすることができれば、割れ発生を抑制できることに注目した。
具体的には、鋼塊やブルームを粗成形する際、マニプレータを用いて被鍛造材を回転させた後、圧下を加えて断面積を減少させるが、パス毎に、デッドメタル域の形成を防止するため、同一面部を連続して圧下しないようにするとともに、矩形断面の減少にともなう角部の塑性歪の重畳を防止するために、被鍛造材を180度、または90度若しくは270度で連続して回転させないようにする。
すなわち、面部圧下のみで矩形断面を減少させるのではなく、常に、先行するパスの圧下位置とは異なる面部または角部で圧下を加えて、矩形断面以外の形状(例えば、六角形、八角形、十六角形断面)を形成しながら断面積を減少させれば、多方向から圧下することとなり、被鍛造材の面部だけでなく角部も含めた表層に加える塑性歪を均一にすることができる。
これにより、被鍛造材の面部ではデッドメタル域の形成防止を図ることができ、同時に角部では面部圧下を連続させることによる角部への塑性歪の重畳を緩和することにより、被鍛造材に発生する割れを防止することができる。
本発明は、上記の知見に基づいて完成させたものであり、その要旨は、下記(1)および(2)の熱間鍛造方法である。
(1)断面形状をほぼ正方形とした鍛造素材を出発材料として、その長手方向の一方の端部から他方の端部まで圧下された被鍛造材を鍛造するに際し、パス毎に前記被鍛造材を回転させた後、対向する平金敷による圧下を繰り返す熱間鍛造方法において、パス毎の回転角度が、nを0、1、2または3の整数とした場合に、(90×n)度となる回転を連続しないように前記被鍛造材を回転させた後、1パス当りの圧下量を15%以上として圧下することを特徴とする熱間鍛造方法である。
(2)上記(1)に記載の熱間鍛造方法において、前記被鍛造材の面部または角部の圧下と、それに続くパスでの回転角度を、nを0または1の整数とした場合に、{90×(2n+1)}度とする圧下とを組み合わせて圧下スケジュールとしたとき、この圧下スケジュールを繰り返すことが望ましい。
本発明において、「鍛造素材」とは鍛造の開始前の出発材料となる矩形素材をいい、また「被鍛造材」とは各パスで鍛造された被加工材をいう。さらに「断面形状をほぼ正方形とした鍛造素材」とは、矩形断面の鍛造素材をも包含することを意図するものであり、正方形の断面形状に加え、長方形の断面形状、さらに鍛造素材として許容できる若干の菱形、台形、平行四辺形等の断面形状も含むものである。
本発明で規定する「面部」および「角部」とは、鋼塊やブルーム(矩形断面素材)での面部および角部ではなく、鍛造した後に形成される面部および角部を意味する。例えば、45度回転の圧下で8角形となった段階での角頂部(22.5度)等も角部とする。
本発明の熱間鍛造方法によれば、面部では組織の微細化を図り、デッドメタル域を極力生じさせないとともに、角部では塑性歪の重畳を抑制することにより、CrおよびNi含有量の多い鋼やNi基合金等の難加工材を熱間鍛造する場合であっても、割れの発生を防止することができる。
本発明の熱間鍛造方法は、難加工材の鍛造方法として最適であり、断面形状をほぼ正方形とした鍛造素材を出発材料として、その長手方向の一方の端部から他方の端部まで圧下された被鍛造材を鍛造するに際し、パス毎に前記被鍛造材を回転させた後、対向する平金敷による圧下を繰り返す熱間鍛造方法において、パス毎の回転角度が(90×n)度となる回転を連続しないように前記被鍛造材を回転させた後、1パス当りの圧下量を15%以上として圧下することを特徴としている。ただし、nは0、1、2または3の整数とする。以下、本発明の内容を説明する。
本発明の熱間鍛造方法は、例えば、前記図1に示すように、対向する平金敷を用いたビレット用素材の粗成形時の鍛造方法に限定する。本発明に適用する平金敷は、被加工材(鍛造素材および被鍛造材)と接する面がほぼ平面状の金敷であれば適用可能であり、被加工材との接触面が、円弧状(例えば、特許文献2で開示される金敷)やテーパー状になっていたり、段状(例えば、特許文献3で開示される金敷)、凹凸状(例えば、特許文献4で開示される金敷)や突起、溝等が形成されている平面状の金敷も含まれる。
本発明の熱間鍛造方法は、鋼塊やブルームを加工し、ほぼ正方形の断面形状となる鍛造素材とした後に、これを出発材料として適用される。したがって、鋼塊やブルーム自体が元々ほぼ正方形の断面形状である場合には最初から適用する。鍛造素材の断面形状が正方形となる前の鍛造には本発明方法は適用しなくともよい。
一方、鍛造素材の断面形状はほぼ正方形であるが、その後のパスで被鍛造材の断面形状が正方形でない場合もあるが、出発材料の断面形状がほぼ正方形である限り、本発明の熱間鍛造方法を適用する。換言すれば、本発明の熱間鍛造方法を早期から利用することにより、結晶粒の細粒化が図れることから、出発材料の断面形状がほぼ正方形とした後の鍛造に適用することが必須となる。
本発明の熱間鍛造方法は、従来のように面部圧下を連続させるのではなく、粗成形の段階で最終八角形や十六角形等の多角形の形状にし、角部も含めて圧下することとしている。これは、前述の通り、面部の中央部でのデッドメタル域での粗い組織の残存による割れ発生を防止するため、角部圧下により面部幅中央部にも塑性歪を加え組織の微細化を図ると同時に、面部圧下の連続による角部への塑性歪の蓄積を、角部圧下することで緩和させることを狙いとしている。これらの相乗作用により、難加工材を熱間鍛造する場合であっても、割れの発生を防止することができる。
本発明の熱間鍛造方法では、上記の面部および角部を圧下する過程で、パス毎の回転角度が、nを0、1、2または3の整数とした場合に、(90×n)度となる回転を連続しないように被鍛造材を回転させることが必要である。すなわち、同じ面部および各部の圧下(0度と180度回転)を連続させないこと、同時に90度または270度回転を連続させないことが必須となる。
図2は、180度回転を連続させて圧下させた場合に八角形断面の角部に加わる塑性歪の重畳を模式的に説明した図である。図2に示すように、同じ面部(AおよびE)での圧下を繰り返すことにより、角部a、b、eおよびfに塑性歪が重畳する(斜線部)。同時に、面部AおよびEの中央部には、ほとんど塑性歪みが加わらないためデッドメタル域が生じ易くなる。
図3は、90度回転を連続させて圧下させた場合に八角形断面の角部に加わる塑性歪の重畳を模式的に説明した図である。90度回転(270度回転も同じ)を繰り返すことで、同じ面部(AおよびE)が1パスおきに圧下されるため、やがては角部a、b、eおよびfに塑性歪が重畳する(斜線部)。同時に、面部AおよびEと面部CおよびGの中央部には、ほとんど塑性歪みが加わらないためデッドメタル域が生じるおそれがある。
このように、0度、180度回転を連続させた場合と、90度270度回転を連続させた場合では、割れの発生のメカニズムは同じであり、いずれの場合も塑性歪が均一化されないため割れが発生し易くなる。また、同じ面部または各部を圧下していると、圧下していない部位の温度低下が大きくなる。
したがって、0度若しくは180度、または90度若しくは270度回転を連続させないことにより、同じ面部または角部が圧下されることがないので、各面部の中央部にデッドメタル域が生じる可能性が低く、かつ加工熱を均一に加えることができる。
一方、本発明の熱間鍛造方法では、0度、180度、90度または270度にならない回転は連続させてもよく、例えば、連続して30度ずつ回転させながらの鍛造や、連続して60度ずつ回転させて鍛造を行い、正12角形を成形する場合にも適用できる。
本発明で規定する回転角度は、若干ずれたことにより仕上成形に供される多角形の形状が完全に正多角形の形状になっていなくても、仕上成形で十分に形状の矯正が可能である。このため、回転角度は±5度のずれを許容する。
本発明の熱間鍛造方法では、1パス当たりの圧下量を圧下率15%以上と規定する。1パス当たりの圧下量の下限を規定した理由は、1パス当たりの圧下量が少ないと割れは発生し難いが、鍛造パス回数が増えるため能率が低下するだけでなく、鍛造材の温度が低下するため、鍛造を一旦中断し、再加熱処理が必要となるからである。
また、鍛造素材および被鍛造材には種々のサイズがあるため、1パス当たりの圧下量の下限は絶対値ではなく圧下率で規定する。ここで、「1パス当たりの圧下率」は{(圧下前の寸法)−(圧下後の寸法)/(圧下前の寸法)}とする。
1パス当たりの圧下量の上限は規定しないが、好ましい上限値は32%である。これはプレスの最大荷重内であっても、圧下量が大きすぎると、せん断割れ(金敷のエッジでせん断歪により割れ)が発生するためである。
図4は、被鍛造材のせん断割れ発生位置を模式的に示した図である。鍛造時の圧下量が大きすぎる場合は、図4に示すA部にせん断割れが発生することがある。
本発明の熱間鍛造方法では、被鍛造材の面部または角部の圧下と、それに続くパスでの回転角度を{90×(2n+1)}度とする圧下とを組み合わせて圧下スケジュールとしたとき、この圧下スケジュールを繰り返すことができる。ただし、nは0または1の整数である。
すなわち、先行パスで形成された面部または角部の圧下と、それに続く被鍛造材を90度、または270度回転させての圧下とを組み合わせた場合には、この圧下スケジュールを繰り返すのが望ましい。
図5は、圧下スケジュールを繰り返す場合の八角形断面の圧下を段階的に示した図である。図中の破線は回転後の形状を、実線は圧下後の形状をそれぞれ示している。図5に示すように、任意の圧下で扁平状になった被鍛造材を、それに続くパスでの圧下で正多角形にすれば、つまり、本発明で規定する圧下スケジュールを繰り返すことにより、鍛造過程での被鍛造材の安定性がよくなるとともに、回転させ易くなる。
本発明が対象とする難加工材として、CrやNi含有量の多いSUS316若しくはSUS310等のステンレス鋼、高合金鋼(例えば、25%Cr−35%Ni−3%Mo鋼)、またはNi基合金等を例示できる。
難加工性の材料であるSUS316の鋼塊を素材とし、6通りのパススケジュールにて熱間鍛造を行い、それぞれのパススケジュールで成形された多角形ビレットの表面性状を比較した。6つの実施例(本発明例1〜3、比較例1〜3)は、パススケジュール以外は全て同じ条件とし、下記の熱間鍛造を行った。
断面が500mm×500mmの正方形(対角寸法が620mm、R120で角の取れた断面形状)で長さ2000mmのSUS316鋼塊を鍛造素材とし、この鍛造素材を1290℃に加熱した。次いで、1パス毎にマニプレータにて被鍛造材を回転させ、断面形状がかまぼこ状(平行部幅130mm)の平金敷を有する鍛造プレスで圧下を行い、これを複数パス繰り返して、最終鍛造寸法が180mmの多角形ビレットに成形した。
上記の6つの実施例のうち、本発明例1〜3は表1に示すパススケジュールで、比較例1〜3は表2に示すパススケジュールで、それぞれ熱間鍛造を行った。表1および表2に基づき、6つの実施例の特徴および本発明の規定との関係を説明する。
(本発明例1)
初期段階(1および2パス)で正八角形を形成し、以後は当該正八角形の面部を圧下し、多角形ビレットに形成した。前記ビレット形成までのパス数は20回であり、パススケジュール全体を通して、回転角度および1パス当りの圧下量が、本発明で規定する条件を満足した。また、望ましい態様とされる圧下スケジュールを繰り返した。
(本発明例2)
初期段階(1および2パス)で正八角形を形成し、3〜6パスで当該正八角形の面部を圧下し、次いで、7〜10パスで角部を圧下し正一六角形を形成し、以後は当該正一六角形の面部の圧下を行い、多角形ビレットに形成した。前記ビレット形成までのパス数は24回であり、パススケジュール全体を通して、回転角度および1パス当りの圧下量が、本発明で規定する条件を満足した。また、望ましい態様とされる圧下スケジュールを繰り返した。
(本発明例3)
初期段階(1および2パス)で正八角形を形成し、以後は当該正八角形の面部を圧下し、多角形ビレットに形成した。前記ビレット形成までのパス数は20回であり、パススケジュール全体を通して、回転角度および1パス当りの圧下量は、本発明で規定する条件を満足した。望ましい圧下スケジュールの繰り返しは、8〜11パスで実施しなかった。
(比較例1)
従来の熱間鍛造によるビレットの製造方法であり、正四角形の面部の圧下を繰り返し、最終段階(11および12パス)で正八角形(多角形ビレット)に形成した。前記ビレット形成までのパス数は12回であった。(90×n)度となる回転を10回連続しており、本発明で規定する条件を満足しなかった。
(比較例2)
初期段階(1および2パス)で正八角形を形成し、以後は当該正八角形の面部を圧下し、多角形ビレットに形成した。前記ビレット形成までのパス数は20回であった。4〜6パスで(90×n)度となる回転を3回連続しており、本発明で規定する条件を満足しなかった。
(比較例3)
初期段階(1および2パス)で正八角形を形成し、以後は当該正八角形の面部を圧下し、多角形ビレットに形成した。前記ビレット形成までのパス数は20回であった。4および5パスで(90×n)度となる回転を2回連続しており、本発明で規定する条件を満足しなかった。
(評価結果)
上記の試験の結果に基づいて、難加工材を熱間鍛造する際に発生する割れの有無の評価を行った。
施工時および鍛造完了後(冷却後)の割れの有無は目視観察によって行った。極表層のスケール微割れは除くため、割れの深さが0.5mm未満の場合を割れ無し(○印)、割れの深さが0.5mm以上の場合を割れ有り(×印)とした。割れの有無の評価結果として、本発明例1〜3を表3に、比較例1〜3を表4にそれぞれ示した。
表3から明らかなように、本発明で規定する条件を全て満足する本発明例1〜3では、難加工材の熱間鍛造を行っても、パス数が20回に達しても割れの発生を抑制することができた。
これに対し、表4に示すように、本発明で規定する条件を満たさなかった比較例、すなわち、従来と同様の鍛造を行った比較例1や回転角度が(90×n)度となる回転を3回連続した比較例2および2回連続した比較例3では、パス数が7〜8回となる熱間鍛造の途中過程で割れが発生した。
本発明の熱間鍛造方法によれば、面部では組織の微細化を図り、デッドメタル域を極力生じさせないとともに、角部では塑性歪の重畳を抑制することにより、CrおよびNi含有量の多い鋼やNi基合金等の難加工材を熱間鍛造する場合であっても、割れの発生を防止することができる。これにより、難加工材でビレット素材を製造する場合に、鍛造途中止め、表面手入、再鍛造などを実施する必要が無く、ビレット製造コストを低減できるので、難加工材の熱間鍛造方法として、効率的に適用できる。
鍛造プレスで被加工材を熱間の自由鍛造で加工している状態を示す模式図である。 180度回転を連続させて圧下させた場合に八角形断面の角部に加わる塑性歪の重畳を模式的に説明した図である。 90度回転を連続させて圧下させた場合に八角形断面の角部に加わる塑性歪の重畳を模式的に説明した図である。 被鍛造材のせん断割れ発生位置を模式的に示した図である。 圧下スケジュールを繰り返す場合の八角形断面の圧下を段階的に示した図である。
符号の説明
1.被加工材(鍛造素材、被鍛造材) 2.平金敷
3.平金敷の底面 4.平金敷の側面
5.被鍛造材

Claims (2)

  1. 断面形状をほぼ正方形とした鍛造素材を出発材料として、その長手方向の一方の端部から他方の端部まで圧下(以下、「パス」という)された被鍛造材を鍛造するに際し、パス毎に前記被鍛造材を回転させた後、対向する平金敷による圧下を繰り返す熱間鍛造方法において、
    パス毎の回転角度が、nを0、1、2または3の整数とした場合に、(90×n)度となる回転を連続しないように前記被鍛造材を回転させた後、1パス当りの圧下量を15%以上として圧下することを特徴とする熱間鍛造方法。
  2. 前記被鍛造材の面部または角部の圧下と、それに続くパスでの回転角度を、nを0または1の整数とした場合に、{90×(2n+1)}度とする圧下とを組み合わせて圧下スケジュールとしたとき、この圧下スケジュールを繰り返すことを特徴とする請求項1に記載の熱間鍛造方法。
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