JP2007301621A - 金属板材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鍛造用の一般的な金型を用いて、板厚を確保しつつ材料全域に大ひずみを導入させ、超微細粒厚材を創製することができる方法を提供する。
【解決手段】三次元座標において、前記被成形体１の送り方向をＸ軸とした場合、金型３のＸ軸方向での長さの半分以下を所定の送り量としてＹ軸方向から加圧して繰り返し鍛造する第一工程と、これにて生じたＺ軸方向の山谷の山頂を中心に谷谷間距離（Ｔ）の半分の範囲内に金型の端部をおいてＺ軸方向から加圧して繰り返し鍛造する第二工程とを１回又は２回以上繰り返して行い、最終工程においてＹ軸又はＺ軸の何れか一方向から、前記第一工程の送り量よりも小さい送り量で強圧下鍛造して板状にする第三工程とからなる鍛造方法による。
【選択図】図１

Description

本願発明は、超微細粒組織を有する厚板の製造を可能とする金属板材の製造方法に関するものである。

従来より材料内に大ひずみを導入することによって、組織が超微細になることが報告されている。例えば、温間加工溝ロール圧延（非特許文献１）、繰り返し重ね接合圧延による方法（非特許文献２）、温間多方向圧延による方法（非特許文献３）などである。これらの報告では、組織微細化技術の一方策として、材料全域に如何にして大ひずみを導入するかが問題とされている。

しかしながら、上記のようなこれまでの検討では材料の加工に圧延が用いられているため、ロール反力や噛み込み量の問題、さらには板厚中央へのひずみの導入が困難なことで、１８ｍｍ以下の厚さの超微細粒板に限られていた。

一方、このような状況において、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（非特許文献４）が提案されている。そして、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、大ひずみを材料全域に導入できる手法として、「鍛造・圧延ラインにより大ひずみ導入する金属加工方法」が本出願人により特許出願されている（特許文献１）。しかし、圧延と違い、鍛造の場合は板が長くなるにつれ、金型と材料の接触面積が大きくなり、加工の際のプレス反力がプレス能力を超えてしまう。また、厚板の長さは通常６〜１６ｍもあり、この長さに相当する金型は存在し得ない。そこで、長さがあっても既存の金型で鍛造を行い、超微細結晶粒を有する厚板を創製することが課題となっていた。
ＣＡＭＰ−ＩＳＩＪ−Ｖｏｌ．１２（１９９９），ｐ３８５） ＣＡＭＰ−ＩＳＩＪ−Ｖｏｌ．１１（１９９８），ｐ５６０） 鉄と鋼、Ｖｏｌ．８９（２００３），ｐｐ．７６５） 鉄と鋼、Ｖｏｌ．８６（２０００），ｐｐ．７９３，８０１） 特開２００２−１９２２０１号公報

本発明は、以上のような背景から、従来の問題点を解消し、鍛造用の一般的な金型を用いて、板厚を確保しつつ材料全域に大ひずみを導入させ、超微細粒厚材を創製することができる方法を提供することを課題としている。

本発明１の金属板材の製造方法は、三次元座標において、前記被成形体の送り方向をＸ軸とした場合、金型のＸ軸方向での長さの半分以下を所定の送り量としてＹ軸方向から加圧して繰り返し鍛造する第一工程と、これにて生じたＺ軸方向の山谷の山頂を中心に谷谷間距離（Ｔ）の半分の範囲内に金型の端部をおいてＺ軸方向から加圧して繰り返し鍛造する第二工程とを１回又は２回以上繰り返して行い、最終工程においてＹ軸又はＺ軸の何れか一方向から、前記第一工程の送り量よりも小さい送り量で強圧下鍛造して板状にする第三工程とからなることを特徴とする構成を採用した。

本発明２の金属板材の製造方法は、前記発明１において、前記最終工程の送り量を第一工程の送り量の１／２、より好ましくは１／４、さらに好ましくは１／６以下にすることを特徴とする構成を採用した。

本発明３では、前記金属被成形体の送り方向の片方の端部を固定して鍛造することを特徴とする構成を採用した．

本発明４の金属板材の製造方法では、第二工程における金型のＸ軸方向での長さが，第一工程で生じた谷谷間距離（Ｔ）より小さい場合に、固定された端部に最も近いＺ軸方向の山谷の山頂を中心に谷谷間距離（Ｔ）の半分の範囲内に金型の端部をおいてＺ軸方向から加圧して繰り返し鍛造する、すなわち引き鍛造することを特徴とする構成を採用した。

本発明５の金属板材の製造方法では、第二工程における金型のＸ軸方向での長さが，谷谷間距離（Ｔ）より大きい場合に、自由端部に最も近いＺ軸方向の山谷の山頂を中心に谷谷間距離（Ｔ）の半分の範囲内に金型の端部をおいてＺ軸方向から加圧して繰り返し鍛造する、すなわち押し鍛造することを特徴としている。

本発明６では、少なくとも第三工程以降では、被成形体金属の融点の１／２以下の温度域で鍛造することを特徴とする金属板材の鍛造による構成を採用した．

本発明７では、少なくとも最終工程では、金属被成形体の圧下率を５０％以上にして鍛造する構成を採用した。

本発明８では、第１から７の何れかに記載の金属板材の製造方法において、最終工程を同一方向から２回以上繰り返し行うことを特徴とする構成を採用した。

本発明９では、請求項１から８の何れかに記載の金属板材の製造方法において、形状制御の観点から圧延工程を途中工程あるいは最終工程後に入れることを特徴とする構成を採用した。

本発明１から８によれば、被成形体は、上下のみならず左右からも、くまなく歪みを与えられることとなるのみならず、最終的な板厚にするに当たっても、圧延などの別装置を不要とした。
この結果、鍛造のみで、大ひずみを材料全域に導入し、材料全域における超微細結晶粒化を達成しつつ、所望の厚みの板材を得ることが出来るに至った。
鍛造技術をこのように利用することは、本発明により得られた新たな認識でもある。従来の鍛造に関する認識は、再結晶温度以上（多くは１２００℃から開始）で行われているのが通例である。これは、鍛造の目的が、鍛練（溶解時に生じる鋼塊中心部の偏析の破壊、その偏析によって生じる引け巣と言われる小さな穴（ポロシティ）の圧着）、そして圧延前成形にあることによる。まずは、１２００℃という高温でポロシティの圧着、偏析破壊を目的に鍛造し、その後最低でも９００℃以上で圧延できるようなサイズや製品に近い形状に整える為である。
要するに、鍛造技術により材料の結晶を微細化し、さらには板材を作ることが可能であるとの認識すら得られていないのが現状であった。
このような従来認識に対し、本発明は敢えて鍛造技術を材料の結晶微細化に応用することにより、従来は得られなかった板材の均質な微細結晶化を簡単に達成し得る方法を提供したものである。

また，本発明９によれば，工程を効率化させ，出荷製品の形状の制御が容易になるという効果が得られる．

本願発明は、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添付した図面に沿ってその一実施形態について説明する。
まず第一工程では、図１に示したように、チャック（２）により被成形体（１）の長さ方向（Ｘ軸方向）の一端部を保持し、このＸ軸方向に直角な方向（Ｙ軸方向）を幅ｗの金型（３）によって加圧して鍛造加工を行い、次に被成形体（１）を所定の量ｘｍｍ送り（金型（３）を移動させてもよい）、再び鍛造加工を行い、この移動と鍛造を複数回繰り返す。
このとき、鍛造加工された材料は図２（ａ）に示したような山と谷が一定の周期性を持って張り出された形状になる。
次に第２工程では、図２に示したように、Ｘ軸を中心に９０°被成形体（１）を回転させて前記チャック（２）に再度保持さる。前記Ｘ軸方向に直行する方向（Ｚ軸方向）から幅（ｗ）の金型（３）の端部をＹ軸方向での鍛造で張り出した山の頂点近傍に位置づけ、その谷谷間距離（Ｔ）の半分の範囲内で加圧して鍛造を行い、次に被成形体（１）を次の山の頂点近傍まで送り，鍛造加工を行い、これを繰り返す。

第一工程における１パス毎のＸ軸方向への送り量は、図１に示した金型（３）の端部Ｒや角度φ、さらには圧下率に依存するが、これらあらゆる組み合わせにおいても鍛造後の被成形体（１）の表面端部（図１（ｂ）のＢ点）から金型（３）の幅（ｗ）の１／２以下であることが望ましい。それより大きいと、ひずみの小さい領域が広がり、第二工程目で鍛造しても大ひずみを被成形体（１）全体に導入することが難しくなる。

また、送り量が小さくなると図２（ａ）に示したような山と谷が明確に観察されなくなる。その場合は、図２（ａ）に示した第一工程の金型（３）の端部Ｒがパス毎に接触した谷谷間距離を（Ｔ）として、第二工程（Ｚ軸方向圧下）では金型（３）の端部が１／２Ｌの範囲で位置する場所に合わせてから鍛造することが必要である。

材料は鉄鋼材料、アルミニウム、銅など金属材料全てが対象である。ただし、加工で導入されたひずみが蓄積されることが必要であり、一般的には各金属材料の融点の１／２以下から室温までの温度域で加工することが望ましい。

融点の１／２以下の温度は一般に金属材料の再結晶温度以下であり、この温度領域において導入したひずみに対応した微細結晶粒がより容易に好適に形成されることになる。

本願発明においては、たとえばより代表的な金属材料としては鉄鋼材料を例示することができる。本願発明の方法によれば、鍛造のみによって、結晶粒径（平均）１μｍ以下で、板厚１８ｍｍ以上の超微細粒組織を有する厚板の鉄鋼材料の製造が可能となる。鋼がフェライト系の場合には、上記の温度域については、好適には、４００℃−６５０℃の範囲が例示される。

そして、結晶粒径（平均）を１ミクロン以下に微細化することは、鋼に関わらずアルミニウム、銅、マグネシウム等の金属でも重要な課題である。材料によらず、温度とひずみが重要な因子で、結晶粒微細化による既存製品の薄肉化は、どの材料にも共通の課題である。また、１８ｍｍ以上の微細粒厚板創製も重要な課題である。

本願発明は、これらの課題を解決することができるものであって、各種材料を対象とした金属板材の加工を可能とする。

そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん以下の例によって発明が限定されることはない。
なお，以下の実施例・比較例において，被加工材に導入されるひずみは数値解析結果だけから分かるものであり，さらに創製された組織は実験後の観察結果だけから分かるものである。よって，表３に示したように，材料全域への大ひずみ導入の可否は市販の有限要素コードを用いて，微細粒組織創製の可否は既存のプレス機を用いた実験後に得られた板の組織を観察することによって判断した。

ＳＳ４００相当の鋼を対象に，図１，２に示した鍛造工程において、板材に導入されるひずみを解析し，実験において板材を製造した．本鋼の場合，均一な微細粒組織を有するバルク材を創製のためには相当ひずみ２．０が必要とされている（塑性と加工Ｖｏｌ．４２（２００１），ｐｐ２８７−２９２）。よって，有限要素解析では、２．０以上の大ひずみを材料全域に導入させることが板材製造に必須な条件となる．

金型の幅と曲率，被成形体の加工前のサイズ，保持条件，さらに第一工程，第二工程における加工温度，送り量，送り回数，圧下率を表１に示す．このとき，第二工程での送り量は第一工程にて生じたＺ軸方向の谷谷間距離に相当するものである．

実１〜３，１０，１１，比１〜３の数値解析では，加工温度を５００℃一定として解析した．そのとき対象材料の５００℃における機械的特性を考慮して解析を行った．一方，実４〜９，１２，比４〜７の実験では，５００−５５０℃を鍛造開始温度とした．なお，各工程の温度は鍛造前に接触温度計で測定した実測値である．
また，実験では，実機生産設備である既存の大型プレス機と付帯しているマニピュレータを用いて板材を製造した．

表２は，第三工程から第六工程までの加工温度，送り量，圧下率を示したものである．実１〜５，比２〜５は第三工程が，実６〜９，比６は第四工程が，実１２と比７は第五工程が，実１０，１１は第六工程が最終工程である．また，実１０，１１と比６，７は，同一方向から２回繰り返し加圧した工程（最終２工程の圧下方向が同じ）となっている．

表３は，加工された領域における最終工程後のサイズ，数値解析結果から判断された材料全域への２以上の大ひずみ導入の可否，そして実験後に観察された組織結果から判断された材料全域微細組織の可否を示す．併せて，備考欄に得られた効果を記載した．

図３は，実２と比２のおける最終工程後のＹ−Ｚ断面の相当ひずみの分布（数値解析結果）である．実２の図３（ａ）は２以上の大ひずみが全域に導入されているのがわかる．一方，比２の図３（ｂ）では送り量が大きいために板厚表層周辺に０．５以下のひずみの領域が存在している．

図４（ａ）は，実４における最終工程後のＸ−Ｙ断面におけるマクロ写真である．エッチングによる明瞭な差はなく，組織が均一になっていることが想像できる．図４（ｂ）は，Ａ−Ａ断面におけるマクロ写真と３つの場所における組織写真である。材料中心、表層近傍において組織は微細となっているのがわかる。結晶粒径は、０．７−０．８ミクロンであった。

図５（ａ）は，比４における最終工程後のＸ−Ｙ断面におけるマクロ写真である．白い領域と黒い領域に分けられているのがわかる。図５（ｂ）はＡ−Ａ断面におけるマクロ写真と３つの場所における組織写真である。白い領域は、組織が微細になっているが、黒い領域では加工組織になっているだけで、微細組織が形成されていないのがわかる。これは、その領域に大ひずみが導入されていないことを意味しており，図３（ｂ）の数値解析結果と比べることで，２以上の大ひずみが導入された領域は、図５（ｂ）の白い領域に、２未満の小ひずみの領域は図５（ｂ）の黒い領域に対応しているのが分かる。材料の送り量が大きいために、大ひずみが材料全体に導入されず、結果的に微細粒組織が材料全体に形成されなかったのが容易に理解できる．

比５は第一工程で送り量を１００ｍｍとしたが，最終の第三工程で第一工程の送り量よりも大きい２００ｍｍと大きくしたことで，組織は図６のＹ−Ｚ断面に示したように白い領域と黒い領域に分けられているのがわかる。

第一工程の概要を示した図である． 第二工程の概要を示した図である。 （ａ）実２と（ｂ）比２における最終工程後のＹ−Ｚ断面の相当ひずみの分布図である。 実４における（ａ）ｘ−ｙ断面のマクロ写真と、（ｂ）Ａ−Ａ断面のマクロ写真、組織写真である。 比４における（ａ）ｘ−ｙ断面のマクロ写真と、（ｂ）Ａ−Ａ断面のマクロ写真、組織写真である。 （表１）金型の幅と曲率，被成形体の加工前のサイズ，保持条件，さらに第一工程，第二工程における加工温度，送り量，送り回数，圧下率を示した表である。 （表２）第三工程から第六工程までの加工温度，送り量，圧下率を示した表である。 （表３）加工された領域における最終工程後のサイズ，材料全域への２以上の大ひずみ導入の可否，実験後に観察された材料全域微細組織の可否を示した表である。

Claims (9)

1. 金属被成形体を温間又は冷間により板材に成形する方法であって、三次元座標において、前記被成形体の送り方向をＸ軸とした場合、金型のＸ軸方向での長さの半分以下を所定の送り量としてＹ軸方向から加圧して繰り返し鍛造する第一工程と、これにて生じたＺ軸方向の山谷の山頂を中心に谷谷間距離（Ｔ）の半分の範囲内に金型の端部をおいてＺ軸方向から加圧して繰り返し鍛造する第二工程を１回又は２回以上繰り返して行い、Ｙ軸又はＺ軸の何れか一方向から、前記第一工程の送り量よりも小さい送り量で強圧下鍛造して板状にする最終工程とからなることを特徴とする金属板材の製造方法。
2. 請求項１に記載の金属板材の製造方法において、前記最終工程の送り量を第一工程の送り量の１／２、より好ましくは１／４、さらに好ましくは１／６以下のすることを特徴とする金属板材の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の金属板材の製造方法において、前記金属被成形体の送り方向の片方の端部を固定して鍛造することを特徴とする金属板材の製造方法。
4. 請求項１から３に記載の金属板材の製造方法において、第二工程における金型のＸ軸方向での長さが，第一工程で生じた谷谷間距離（Ｔ）より小さい場合に、固定された端部に最も近いＺ軸方向の山谷の山頂を中心に谷谷間距離（Ｔ）の半分の範囲内に金型の端部をおいてＺ軸方向から加圧して繰り返し鍛造する（引き鍛造する）ことを特徴とする金属板材の製造方法。
5. 請求項１から３に記載の金属板材の製造方法において、第二工程における金型のＸ軸方向での長さが，第一工程で生じた谷谷間距離（Ｔ）より大きい場合に、自由端部に最も近いＺ軸方向の山谷の山頂を中心に谷谷間距離（Ｔ）の半分の範囲内に金型の端部をおいてＺ軸方向から加圧して繰り返し鍛造する（押し鍛造する）ことを特徴とする金属板材の製造方法。
6. 請求項１から５の何れかに記載の金属板材の製造方法において、少なくとも第三工程では、被成形体金属の融点の１／２以下の温度域で鍛造することを特徴とする金属板材の製造方法。
7. 請求項１から６の何れかに記載の金属板材の製造方法において、少なくとも最終工程では、金属被成形体の圧下率を５０％以上にして鍛造することを特徴とする金属板材の製造方法。
8. 請求項１から６の何れかに記載の金属板材の製造方法において、最終工程を同一方向から２回以上繰り返し行うことを特徴とする金属板材の製造方法。
9. 請求項１から８の何れかに記載の金属板材の製造方法において、工程間あるいは最終工程後に圧延工程を含むことを特徴とする金属板材の製造方法。