JP2010172947A - 超高温熱間鍛造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鍛造品の表面キズを低減できる超高温熱間鍛造方法を提供すること。
【解決手段】鋼材を１２５０℃以上に加熱する加熱工程と、鋼材を加熱の後に熱間鍛造する荒鍛造工程とを備える超高温熱間鍛造方法において、最終鍛造工程で用いる第３の鍛造型の型温を、加熱工程における加熱温度よりも１１３０℃以上低くする。第３の鍛造型の型温を低温にすることで、第３の鍛造型の型面への酸化スケールの固着を抑制し、鍛造品の表面キズを低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は鋼材の熱間鍛造方法に関し、詳しくは、鋼材を従来よりも高い温度で熱間鍛造する超高温熱間鍛造方法に関する。

複雑な形状の部品を製造したり、製造時の材料歩留まりを向上させるための熱間鍛造方法として、鋼材を従来よりも高い温度で熱間鍛造する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示されている超高温熱間鍛造方法によると、製造時の材料歩留まりを向上させることができ、かつ、強度および靱性に優れる鍛造品を得ることができる。

しかしこの種の超高温熱間鍛造方法における加熱温度は、従来の熱間鍛造方法に比べて加熱温度が高いために、加熱・鍛造時における酸化スケール生成量が多くなる。このため、超高温熱間鍛造方法で得られた鍛造品には酸化スケールに起因する表面キズが形成される場合がある。

特開２００３−３１１３５９号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、鍛造品の表面キズを低減できる超高温熱間鍛造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の超高温熱間鍛造方法は、
鋼材を１２５０℃以上に加熱する加熱工程と、
該加熱工程後に、第１の鍛造型を用いて該鋼材を加熱の後に熱間鍛造し、該鋼材に第１の形状を付与する荒鍛造工程と、
該荒鍛造工程後に、第２の鍛造型を用いて該鋼材を熱間鍛造し、該鋼材に該第１の形状よりもさらに複雑な第２の形状を付与する仕上げ鍛造工程と、
該仕上げ鍛造工程後に、第３の鍛造型を用いて該鋼材を熱間鍛造し、最終鍛造品を得る最終鍛造工程と、を備え、
該第３の鍛造型の型温は、該加熱工程における加熱温度よりも１１３０℃以上低いことを特徴とする。

本発明の超高温熱間鍛造方法は、下記の（１）〜（４）の何れかを備えるのが好ましく、（１）〜（４）の複数を備えるのがより好ましい。

（１）前記第２の鍛造型の型温は、前記加熱工程における加熱温度よりも１１３０℃以上低い。

（２）前記第３の鍛造型の型温は１２０℃以上である。

（３）前記第２の鍛造型の型温は７０℃以上である。

（４）前記鋼材は、０．１質量％以上１質量％未満の炭素を含有し、
前記加熱工程における加熱温度の下限値は、前記鋼材の固相線温度×０．９４以上であり、
前記加熱工程における加熱温度の上限値は、前記鋼材の固相線温度である。

一般的な熱間鍛造方法は、加熱工程と荒鍛造工程と仕上げ鍛造工程と最終鍛造工程との少なくとも４工程を備える。このうち、荒鍛造工程および仕上げ鍛造工程は熱間鍛造の最終工程でない。したがって、これらの鍛造工程で生じた鍛造品の表面キズの一部または全部は、その後の鍛造工程で整形される。これに対して、最終鍛造工程は熱間鍛造の最終工程であるため、最終鍛造工程において生じた表面キズは整形されず、最終鍛造品（熱間鍛造による最終製品）の外観形状に大きく影響する。したがって、最終鍛造工程における表面キズ発生を抑制すれば、最終鍛造品の表面キズを低減できる。

上述したように、鍛造品の表面キズは酸化スケールに起因する。詳しくは、加熱・鍛造時に生成した酸化スケールが鍛造型の型面に固着すると、図１に示すように、鍛造型１００の型面１０１には酸化スケール１０２による微細な凸形状が付与される。この凸形状は、鍛造時に鍛造品１０３に転写される。このため、鍛造品１０３には酸化スケール１０２の凸形状と相補的な形状をなす凹形状が付与される。この凹形状が鍛造品１０３における表面キズである。

したがって、最終鍛造品の表面キズを低減するためには、最終鍛造工程で用いる鍛造型（第３の鍛造型）の型面への酸化スケールの固着を抑制すれば良いと考えられる。本発明の発明者らは、鋭意研究の結果、鍛造型の型温を低くすることで、鍛造型の型面に対する酸化スケールの固着を抑制できることを見いだした。すなわち、鍛造型の型温が高ければ、鍛造型の型面付近にある酸化スケールが鍛造型によって加熱される。そして、加熱された酸化スケールの一部または全部は溶融して鍛造型の型面に固着すると考えられる。したがって、鍛造型の型温を低くすれば、鍛造型の型面への酸化スケールの固着を抑制でき、鍛造品の表面キズを低減できると考えられる。

よって、本発明の超高温熱間鍛造方法によると、最終鍛造工程で用いる第３の鍛造型の型温を低くすることで、最終鍛造品の表面キズを低減できる。詳しくは、第３の鍛造型の型温を加熱工程における加熱温度よりも１１３０℃以上低くすることで、最終鍛造品の表面キズを信頼性高く低減できる。また、最終鍛造工程を冷間鍛造ではなく熱間鍛造することで、鋼材の変形抵抗を低減でき、複雑な形状の最終鍛造品を安価に得ることができる。

上記（１）を備える本発明の超高温熱間鍛造方法によると、第２の鍛造型の型温を加熱工程における加熱温度よりも１１３０℃以上低くすることで、最終鍛造工程の前段階における表面キズの発生を抑制することで、最終鍛造品の表面キズをさらに低減できる。

上記（２）を備える本発明の超高温熱間鍛造方法によると、第３の鍛造型の型温を十分に高くすることで、鋼材の変形抵抗を低減でき、複雑な形状の最終鍛造品を安価に得ることができる。

上記（３）を備える本発明の超高温熱間鍛造方法によると、第２の鍛造型の型温を十分に高くすることで、鋼材の変形抵抗を低減でき、複雑な形状の最終鍛造品を安価に得ることができる。

上記（４）を備える本発明の超高温熱間鍛造方法によると、加熱温度を最適化したことで、表面キズが低減するとともに強度および靱性に優れる鍛造品を得ることができ、かつ、製造時の材料歩留まりを向上させることができる。

鍛造品に酸化スケールに起因する表面キズが生じる様子を模式的に表す説明図である。 実施例１の超高温熱間鍛造方法の各工程における鋼材または鍛造品を模式的に表す説明図である。 実施例１の超高温熱間鍛造方法における最終鍛造工程を模式的に表す説明図である。

本発明の超高温熱間鍛造方法は、加熱工程、荒鍛造工程、仕上げ鍛造工程および最終鍛造工程以外の鍛造工程を備えても良い。例えば、荒鍛造工程や仕上げ鍛造工程を複数の鍛造工程で構成しても良い。何れの場合にも、最終鍛造工程における第３の鍛造型の型温を低くすることで、第３の鍛造型の型面への酸化スケールの固着を抑制でき、最終鍛造品の表面キズを低減できる。

本発明の超高温熱間鍛造方法で得られた最終鍛造品には、焼入れ、焼き戻し、ロール掛け、切削加工等に代表される鍛造以外の後加工を施すことができる。

本発明の超高温熱間鍛造方法における加熱工程は、鋼材を１２５０℃以上に加熱する工程である。加熱工程における加熱温度は、１２５０℃以上であればよいが、上述した特許文献１に記載されているように、鋼材として０．１質量％以上１質量％未満の炭素を含有するものを選択する場合において、鋼材の固相線温度×０．９４以上であることが好ましい。この場合には、表面キズを低減できることに加えて、製造時の材料歩留まりを向上させることができる。特に、鋼材を１３００℃以上に加熱する場合に、その効果をより高めることができる。

また、ここでいう固相線温度とは、鉄と鋼７３巻４号（１９８７年）Ｓ１９６頁に記載される析出物の凝固過程を観察するのに用いられる一方向凝固実験によって推定することができる。詳しくは、高周波加熱とカーボンサセプターを用いて炉内に温度勾配を持たせ、その炉内で棒材を加熱し、その後急冷する。急冷した棒材の内部組織観察に基づいて、棒材における各位置での温度と組織とを対応させて、素材の固相線温度を推定した。

第１の鍛造型は半密閉型または密閉型であるのが良い。本発明の荒鍛造工程における型温は非常に高く、荒鍛造工程が超高温熱間鍛造に相当する工程であるためである。なお、荒鍛造工程においては、素材表面の８５％以上を第１の鍛造型に接触させるのが良い。これは、鋼材の空孔を十分に低減するためである。より好ましくは、荒鍛造工程においては、素材表面の８５％以上を第１の鍛造型に接触させるのが良い。第２の鍛造型および第３の鍛造型は、開放型、半密閉型、密閉型の何れであっても良い。

仕上げ鍛造工程は、第２の鍛造型を用い、荒鍛造工程で鋼材に付与する第１の形状よりもさらに複雑な第２の形状を、鋼材に付与する工程である。第２の形状は、最終鍛造品の形状とほぼ同様の形状である。本発明の超高温熱間鍛造方法における第２の鍛造型の型温は、特に問わないが、終鍛造品の表面キズを低減するためには、第２の鍛造型の型温は、加熱工程における加熱温度よりも１１３０℃以上低いことが好ましい。

最終鍛造工程は、仕上げ鍛造工程後に、第３の鍛造型を用いて鋼材を熱間鍛造し、最終鍛造品を得る工程である。最終鍛造工程では、鋼材を熱間鍛造するとともに、鍛造品にバリ抜き加工や、打ち抜き加工（所謂ピアス）等の加工を施すことができる。

以下、本発明の超高温熱間鍛造方法を具体例を挙げて説明する。

（実施例１）
実施例１の超高温熱間鍛造方法は、自動車用のクランクシャフトを鍛造する方法であり、上記（１）〜（４）を備える。実施例１の超高温熱間鍛造方法の各工程における鋼材または鍛造品を模式的に表す説明図を図２に示す。実施例１の超高温熱間鍛造方法における最終鍛造工程を模式的に表す説明図を図３に示す。

（加熱工程）
先ず、図２（ａ）に示す柱状の鋼材１を準備した。鋼材１としてはＤＩＮ ３８ＭｎＳ６を用いた。鋼材１の一方向凝固実験による固相線温度は１４２０℃であった。鋼材１を１３２２℃に高周波加熱した。加熱時の周波数は３〜５ＫＨｚであり、室温から１２５０℃までを５℃／秒で加熱し、その後は１℃／秒で加熱した。鋼材１が１３２２℃にまで昇温した後に約３０秒間温度保持し、その後鍛造に供した。

（荒鍛造工程）
鍛造装置として、油圧サーボ機構を有する圧縮試験機を用い、ラム速度２００ｍｍ／秒で加熱工程後の鋼材１を熱間鍛造（超高温熱間鍛造）し、図２（ｂ）に示す第１の形状を鋼材１に付与した。

（仕上げ鍛造工程）
鍛造装置として荒鍛造工程と同じ圧縮試験機を用い、ラム速度２００ｍｍ／秒で荒鍛造工程後の鋼材１を熱間鍛造し、図２（ｃ）に示す第２の形状を鋼材１に付与した。このとき用いた第２の鍛造型の型温は１９２℃であった。仕上げ鍛造工程後の鋼材１は、クランクシャフト予定部２にバリ３がついた形状をなす。

（最終鍛造工程）
鍛造装置として荒鍛造工程と同じ圧縮試験機を用い、ラム速度２００ｍｍ／秒で仕上げ鍛造工程後の鋼材１を熱間鍛造した。このとき用いた第３の鍛造型の型温は１９２℃であった。図２(ｄ)に示すように、最終鍛造工程によって、仕上げ鍛造工程後の鋼材１のバリ抜きをし、最終鍛造品４を得た。詳しくは、図３に示すように、第３の鍛造型５は、一般型面５０と切断型面５１とを持つ。一般型面５０は鋼材１（クランクシャフト部２）を鍛造するための型面であり、切断型面５１はバリ３を切断するための型面である。実施例１の超高温熱間鍛造方法における最終鍛造工程では、一般型面５０および切断型面５１の型温を１９２℃にした。

最終鍛造工程後に、最終鍛造品を８００〜９００℃で１時間加熱し、その後水冷して焼き入れした。さらにその後５５０〜６５０℃で焼き戻した。

以上の工程で実施例１の鍛造品を得た。

（実施例２）
実施例２の超高温熱間鍛造方法は、加熱温度、第２の鍛造型の型温、および第３の鍛造型の型温以外は実施例１の超高温熱間鍛造方法と同じである。実施例２の超高温熱間鍛造方法において、加熱工程における加熱温度は１３３３℃であり、第２の鍛造型の型温は２０３℃であり、第３の鍛造型の型温は１５３℃であった。第２の鍛造型の型温は、加熱工程における加熱温度よりも１１３０℃低い。また、第３の鍛造型の型温は、加熱工程における加熱温度よりも１１８０℃低い。

（実施例３）
実施例３の超高温熱間鍛造方法は、加熱温度、第２の鍛造型の型温、および第３の鍛造型の型温以外は実施例１の超高温熱間鍛造方法と同じである。実施例３の超高温熱間鍛造方法において、加熱工程における加熱温度は１３２８℃であり、第２の鍛造型の型温は１９５℃であり、第３の鍛造型の型温は１１８℃であった。第２の鍛造型の型温は、加熱工程における加熱温度よりも１１３３℃低い。また、第３の鍛造型の型温は、加熱工程における加熱温度よりも１２１０℃低い。

（実施例４）
実施例４の超高温熱間鍛造方法は、加熱温度、第２の鍛造型の型温、および第３の鍛造型の型温以外は実施例１の超高温熱間鍛造方法と同じである。実施例４の超高温熱間鍛造方法において、加熱工程における加熱温度は１３０７℃であり、第２の鍛造型の型温は１４１℃であり、第３の鍛造型の型温は１７７℃であった。第２の鍛造型の型温は、加熱工程における加熱温度よりも１１６６℃低い。また、第３の鍛造型の型温は、加熱工程における加熱温度よりも１１３０℃低い。

（実施例５）
実施例５の超高温熱間鍛造方法は、加熱温度、第２の鍛造型の型温、および第３の鍛造型の型温以外は実施例１の超高温熱間鍛造方法と同じである。実施例５の超高温熱間鍛造方法において、加熱工程における加熱温度は１３１９℃であり、第２の鍛造型の型温は６８℃であり、第３の鍛造型の型温は１８９℃であった。第２の鍛造型の型温は、加熱工程における加熱温度よりも１２５１℃低い。また、第３の鍛造型の型温は、加熱工程における加熱温度よりも１１３０℃低い。

（実施例６）
実施例６の超高温熱間鍛造方法は、加熱温度、第２の鍛造型の型温、および第３の鍛造型の型温以外は実施例１の超高温熱間鍛造方法と同じである。実施例５の超高温熱間鍛造方法において、加熱工程における加熱温度は１３２７℃であり、第２の鍛造型の型温は１９８℃であり、第３の鍛造型の型温は１９７℃であった。第２の鍛造型の型温は、加熱工程における加熱温度よりも１１２９℃低い。また、第３の鍛造型の型温は、加熱工程における加熱温度よりも１１３０℃低い。

（比較例１）
比較例１の超高温熱間鍛造方法は、加熱温度、第２の鍛造型の型温、および第３の鍛造型の型温以外は実施例１の超高温熱間鍛造方法と同じである。比較例１の超高温熱間鍛造方法において、加熱工程における加熱温度は１３３８℃であり、第２の鍛造型の型温は２０８℃であり、第３の鍛造型の型温は２２４℃であった。第２の鍛造型の型温は、加熱工程における加熱温度よりも１１３０℃低い。また、第３の鍛造型の型温は、加熱工程における加熱温度よりも１１１４℃低い。

（表面キズ評価試験）
実施例１〜実施例６および比較例１の超高温熱間鍛造方法で得られた各最終鍛造品を１００個ずつ準備し、各最終鍛造品の表面キズの数を目視にて確認した。表面キズの認められない最終鍛造品を◎と評価した。製品として支障ない程度の表面キズが認められた最終鍛造品を○と評価した。製品として支障のある表面キズの認められた鍛造品を×と評価した。表面キズ評価試験の結果を表１に示す。

（鍛造型摩耗評価試験）
実施例１〜実施例６および比較例１の超高温熱間鍛造方法の仕上げ鍛造工程および最終鍛造工程における、鍛造型の摩耗を目視で評価した。評価方法は、問題のある摩耗が認められなかった場合を◎、若干の摩耗が認められた場合を○とした。鍛造型摩耗評価試験の結果を表１に示す。

表１に示すように、実施例１〜６の超高温熱間鍛造方法で得た最終鍛造品には表面キズが全く（または殆ど）なかった。これに対して、比較例１の超高温熱間鍛造方法で得た最終鍛造品の表面キズは多かった。この結果から、第３の鍛造型の型温を加熱温度よりも１１３０℃以上低くすることで、最終鍛造品の表面キズを低減できることがわかる。

また、実施例３の超高温熱間鍛造方法の最終鍛造工程においては鍛造型に問題となる摩耗が若干生じたのに対して、実施例１および実施例２の最終鍛造工程においては鍛造型に問題となる摩耗が確認できなかった。このことから、第３の鍛造型の型温を１２０℃以上にすることで最終鍛造工程における鍛造型の摩耗を十分に低減できることがわかる。

また、実施例１の超高温熱間鍛造方法で得た最終鍛造品は、実施例６の超高温熱間鍛造方法に比べて表面キズが少ないことから、第２の鍛造型の型温を加熱温度よりも１１３０℃以上低くすることで、最終鍛造品の表面キズをさらに低減できることがわかる。

また、実施例５の超高温熱間鍛造方法の仕上げ鍛造工程においては鍛造型に問題となる摩耗が若干生じたのに対して、実施例１および実施例４の仕上げ鍛造工程においては鍛造型に問題となる摩耗が確認できかったことから、第２の鍛造型の型温を７０℃以上にすることで、仕上げ鍛造工程における鍛造型の摩耗を十分に抑制できることがわかる。

１：鋼材 ４：最終鍛造品 ５：第３の鍛造型
１００：鍛造型 １０２：酸化スケール １０３：鍛造品

Claims (5)

1. 鋼材を１２５０℃以上に加熱する加熱工程と、
   該加熱工程後に、第１の鍛造型を用いて該鋼材を加熱の後に熱間鍛造し、該鋼材に第１の形状を付与する荒鍛造工程と、
   該荒鍛造工程後に、第２の鍛造型を用いて該鋼材を熱間鍛造し、該鋼材に該第１の形状よりもさらに複雑な第２の形状を付与する仕上げ鍛造工程と、
   該仕上げ鍛造工程後に、第３の鍛造型を用いて該鋼材を熱間鍛造し、最終鍛造品を得る最終鍛造工程と、を備え、
   該第３の鍛造型の型温は、該加熱工程における加熱温度よりも１１３０℃以上低いことを特徴とする超高温熱間鍛造方法。
2. 前記第２の鍛造型の型温は、前記加熱工程における加熱温度よりも１１３０℃以上低い請求項１に記載の超高温熱間鍛造方法。
3. 前記第３の鍛造型の型温は１２０℃以上である請求項１または請求項２の何れか一つに記載の超高温熱間鍛造方法。
4. 前記第２の鍛造型の型温は７０℃以上である請求項１〜請求項３の何れか一つに記載の超高温熱間鍛造方法。
5. 前記鋼材は、０．１質量％以上１質量％未満の炭素を含有し、
   前記加熱工程における加熱温度の下限値は、前記鋼材の固相線温度×０．９４以上であり、
   前記加熱工程における加熱温度の上限値は、前記鋼材の固相線温度である請求項１〜請求項４の何れか一つに記載の超高温熱間鍛造方法。

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