JP2015091597A

JP2015091597A - 熱間鍛造用金型

Info

Publication number: JP2015091597A
Application number: JP2014199308A
Authority: JP
Inventors: 昇平佐々木; Shohei Sasaki; 松本　英樹; Hideki Matsumoto; 英樹松本
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2013-10-01
Filing date: 2014-09-29
Publication date: 2015-05-14
Anticipated expiration: 2034-09-29
Also published as: JP6410135B2

Abstract

【課題】大型の鍛造材であっても所望の形状を得ることができる、安価な熱間型造用金型を提供する。
【解決手段】複数の金型片を組み合わせて一体の金型とする熱間鍛造用金型において、前記熱間鍛造用金型は、前記金型片を載置する基材金型を有し、その基材金型に複数個の金型片が入子型として装着され、前記金型片の少なくとも１つは鍛造の加圧力の応力集中部を含む場所に設けられている熱間鍛造用金型である。好ましくは、前記金型片の少なくとも１つは作業面側にＮｉ基超耐熱合金層が被覆されている熱間鍛造用金型である。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の金型片を組み合わせて一体に構成された熱間鍛造用金型に関するものである。

近年、中・大型航空機用熱間型打鍛造製品の需要が大きく伸びている。これらの中・大型航空機用熱間型打鍛造製品のうち、例えば、航空ジェットエンジンのタービンディスクは、ニッケル合金やチタン合金製であり、同心円状で直径１メートルを超える大きさがある。これらの大型鍛造品を製造するには、熱間型打鍛造中の変形荷重は１５０ＭＮを超える非常に大きな加圧力を必要とする。
例えば、航空ジェットエンジンのタービンディスクや、発電用ガスタービンディスクのような同心円状の形状を有する高い変形抵抗の大型鍛造品の熱間鍛造に最適な熱間鍛造用金型の製作において、従来は一体型で非常に大きな素材ブロックからの削りだしによって製作がなされていた。これにより、金型に使用される素材のブロックは５トンを超える重量となり、溶解重量としては１０トンを超える大型の鋼塊重量にて製造可能であることが要求されていた。また、多くの素材が金型の型彫り中にスクラップとなり、生産性が悪いという課題があった。
上記の問題に対して、複数の金型片を組み立てて大型の金型を作製する提案がなされている。例えば、特開２００９−６６６６１号公報（特許文献１）には、放射状のパターンで配置された複数の金型片を組み立てて一体化する方法が開示されている。

特開２００９−６６６６１号公報

上述の特許文献１に記載の方法は、被鍛造材を加工する際に、変形させる被鍛造材の半径方向の動きに一致して順応するように複数の金型片が半径方向に自由に移動するものである。即ち、被鍛造材を金型で変形させる鍛造サイクルに際して、被鍛造材の半径方向外側への肉流れを、金型片が半径方向外側へ同時に移動することによって自動的に補助し、その結果鍛造時の被鍛造材の半径方向の成長を、金型片との摩擦で阻害することなく促進することによって、鍛造品の亀裂発生率を低減するものである。
そのため、熱間鍛造を終了した鍛造材は、金型片に接触している部分のみが鍛造され、移動した金型片の隙間に被鍛造材が侵入してしまい、その部分の形状は所望のものとすることが困難となる。
本発明の目的は、大型の鍛造材であっても所望の形状を得ることができる、安価な熱間鍛造用金型を提供することである。

本発明は上述した課題に鑑みてなされたものである。
すなわち本発明は、複数の金型片を接合して一体に構成された熱間鍛造用金型において、複数の金型片を入子型として装着するための基材金型と、角部を有する第１の金型片と、前記角部に対応する隅部を有する第２の金型片とを有し、前記第１の金型片は、前記角部の先端に面取り部を備え、前記第１の金型片と第２の金型片の接合部に、前記面取り部によって構成された空隙部を有する熱間鍛造用金型である。
また本発明は、前記金型片の少なくとも１つがＮｉ基超耐熱合金であり、別の金型片の少なくとも１つが熱間金型用鋼である熱間鍛造用金型である。
好ましくは、前記Ｎｉ基超耐熱合金製の金型片は時効処理材である熱間鍛造用金型である。
更に好ましくは、前記金型片の少なくとも１つは鍛造の加圧力の応力集中部を含む場所に設けられている熱間鍛造用金型である。
更に好ましくは、前記隅部は半径１５ｍｍ以上のアールが形成されている熱間鍛造用金型である。
更に好ましくは、前記金型片の少なくとも１つは作業面側にＮｉ基超耐熱合金層が被覆されている熱間鍛造用金型である。
また本発明は、前記金型片はリング状である熱間鍛造用金型である。
好ましくは、前記金型片が焼嵌めによって基材金型内に装着されている熱間鍛造用金型である。

本発明の熱間鍛造用金型を用いれば、歩留りの高い金型製造が可能となり、従来製作が困難であった大型の航空ジェットエンジンディスク、コーンシャフト、発電用ガスタービンディスクの熱間鍛造用金型に適用することが可能となる。また、熱間型造用金型の寿命も向上させることが可能となる。

本発明の一例を示す熱間型造用金型の断面模式図である。本発明の熱間型造用金型の空隙部周辺の断面模式図である。熱間型造用金型に加わる引張応力の分布を示すシミュレーション結果の図である。隅部に発生する最大引張応力と隅部半径の関係を示す図である。

本発明を図面を用いて説明する。ただし、本発明は、以下に説明する形態によって限定されるものではない。
図１は、本発明の一例を示す熱間型造用金型の断面模式図である。図１に示すように、本発明の特徴の一つ目は、複数の金型片２を組み合わせて一体の金型とする熱間型造用金型に１おいて、前記熱間型造用金型は、前記金型片を装着する基材金型３内に、複数個の金型片を入子型として装着することにある。
図１に示す熱間型造用金型１は、ディスク状の熱間鍛造材を得るためのものである。基材金型３内には、熱間型造用金型中心に円柱状の金型片（金型片Ｃ）が設けられ、その周囲に同心円状のリング状金型片２が２つ（金型片Ａ及びＢ）設けられている。ここでは金型片Ａを第１の金型片とし、金型片Ｂを第２の金型片として説明する。なお、熱間型造用金型が大型化すると第２の金型片２（金型片Ｂ）の外周に第３、第４というように１つ以上の金型片を用いても良い。また、円柱状の金型片２（金型片Ｃ）は、熱間鍛造中には金型として用い、熱間鍛造終了後には、熱間鍛造により所望の形状とした熱間鍛造材を熱間型造用金型から取り除くノックアウトピンとしての機能を付与しても良い。
本発明の熱間型造用金型は基材金型３内に１つ以上の金型片を装着するものであるから、例えば、前述の特許文献１のように熱間鍛造時に金型片が移動することもないため、金型片の隙間に被鍛造材が侵入する可能性は少なくなる。
なお、本発明で言う「熱間鍛造」とは、熱間や恒温でのプレス鍛造及びホットダイ鍛造も含むものである。

本発明の特徴の二つ目は、金型片に面取り部６を形成して金型片２同士が接触する場所の一部に空隙部５を備えることである。通常は１つの金型片に隣り合う金型片は、角部７と隅部８とが接触する如く嵌め合される。しかし、本発明者の検討によれば、熱間鍛造中に隅部８に多大な応力が発生する。特に、数万トン規模の熱間鍛造により、大型の鍛造品を製造する場合においては、特に角部７と隅部８との組合わせでは、隅部８を有する側の金型片が破壊する危険性が大きくなる。そのため、本発明では金型片の破壊を防止するために、空隙部を備えて金型片に加わる応力を低減させる。
具体的には、角部を有する第１の金型片２（金型片Ａ）と、前記角部に対応する隅部を有する第２の金型片２（金型片Ｂ）とを有し、前記第１の金型片２（金型片Ａ）は、前記角部の先端に面取り部を備え、前記第１の金型片２（金型片Ａ）と第２の金型片２（金型片Ｂ）の接合部に、前記面取り部によって構成された空隙部を有するものである。
ここで、本発明で規定した「角部」、「隅部」について説明する。本発明で言う「角部」は角部７のエッジ部であり、面取りして面取り部６が形成される。また、「隅部」は、図１に示すように、面取り部６を有する角部７が嵌め合される部位を言う。

本発明では、面取り部６が形成された角部７を有する第１の金型片（金型片Ａ）と、前記角部７に対応する場所に、隅部８を有する第２の金型片（金型片Ｂ）の接合部に、前記面取り部によって構成された空隙部５を形成することで第２の金型片（金型片Ｂ）の隅部８の応力を低減し、熱間鍛造中の第２の金型片（金型片Ｂ）の破壊を抑制する。
図２は空隙部５周辺の断面模式図である。図２に示すように面取り部６は平面状であっても曲面状であっても良い。勿論、平面と曲面との組合わせでも良い。また、第２の金型片（金型片Ｂ）の隅部８の形状も平面状、曲面状、またはその組合せであっても良い。なお、特に好ましい隅部８の形状は曲面状である。これは、曲面とする方が熱間鍛造時に第２の金型片（金型片Ｂ）の隅部８に加わる応力が低減できるためである。
本発明者の検討によれば、隅部８の曲面は半径が１０ｍｍ以上であれば、数万トン規模の熱間鍛造を行ったときでも第２の金型片（金型片Ｂ）の破壊を抑制する効果が大きい。また、この場合、面取り部６の形状も曲面とし、隅部８の曲面の半径よりも大きくすることが好ましい。
なお、本発明の空隙部は、金型片同士を嵌め合せたときの寸法差を超えるものである。例えば、図２にＬ、Ｍとして示すのは、空隙部の高さ方向Ｌと幅方向Ｍの長さであり、空隙部の高さＬはおおよそ１０〜６０ｍｍとし、幅Ｍはおおよそ１０〜６０ｍｍとすると良い。面取り部６と隅部８とで構成される空隙部５の高さと幅は、熱間鍛造時に隅部８周辺に加わる応力の低減効果と、第１の金型片（金型片Ａ）と第２の金型片（金型片Ｂ）との締め付け力を勘案して決定すると良い。
図２の（ｂ）(ｃ)のように、隅部がアールを形成する場合については、空隙部の高さと幅は、直線部とアール部の接点と規定する。なお、その場合、金型片Ａと金型片Ｂの接地する境界は高さと幅の値よりも外側であることが望ましい。なお、隅部８のアールの半径は１５ｍｍ以上であることが好ましい。これは、後述する実施例で示すように、隅部８周辺に加わる引張応力を１１００ＭＰａ以下とすることができるためである。好ましくは１５ｍｍ〜２５ｍｍであり、この範囲であれば隅部８周辺に加わる引張応力を１０００ＭＰａ以下とすることも可能である。

また、基材金型３と金型片２とを異種金属にすることも可能である。例えば、基材金型３を比較的安価な合金工具鋼として作製し、金型片２をＮｉ基超耐熱合金にすることもできる。合金工具鋼の中でも、熱間金型用鋼は高温での強度に優れているため好ましい。
このような組み合わせの例としては、作業面の全面をＮｉ基超耐熱合金とすることも可能であるし、または、熱間鍛造時に応力が加わる場所や熱間鍛造時に高温に晒される場所を入子型のＮｉ基超耐熱合金金型片とし、別の金型片の少なくとも１つが熱間金型用鋼とすることもできる。前者の構造によれば、作業面全面を高強度化することができるという利点がある。しかも、Ｎｉ基超耐熱合金で一体物の熱間型造用金型を作製する場合と比較して、経済的である。また、後者の場合は、熱間鍛造時における熱間型造用金型の耐摩耗性や耐熱性が特に求められる場所にＮｉ基超耐熱合金を有する金型片２を配置すれば、金型の寿命を向上させ、より安価な熱間金型用鋼を用いるため経済的であり、特に好ましい。
また、本発明の熱間型造用金型は複数個の金型片で構成されるため、例えば、前記のＮｉ基超耐熱合金を金型片として用いる際に、固溶化処理と時効処理を行って、高強度化がはかれ、より一層、耐摩耗性や耐熱性が高まって金型の寿命を向上させることができる。特に、数万トン規模の大型鍛造製品を熱間鍛造で製造する場合では、熱間型造用金型自体が大型化しているため、金型全体を固溶化処理と時効処理を行うには、その熱処理炉も大型のものを準備する必要がある。また、Ｎｉ基超耐熱合金の固溶化処理温度を合金工具鋼に適用してしまうと、合金工具鋼が軟化してしまう。本発明の場合、異種金属を用いても個別に最適な熱処理を行って、合金の有する特性を最大限発揮できる熱処理を適用することができる。

本発明においては、前述のように前記金型片の少なくとも１つは応力集中部を含む場所に設けることが好ましい。応力集中部は加工量の大きい場所で、その形状が山形や谷形となるような場所である。詳細に調査しようとすれば、市販のシミュレーションソフトを用いて応力集中部を特定すると良い。
この応力集中部は、金型片の摩耗も激しいため、金型片２に用いる材質を前述のようにＮｉ基超耐熱合金にしてもよいし、合金工具鋼の金型片２にＮｉ基超耐熱合金層４を被覆しても良い。当然のことながら、金型片２以外の場所にもＮｉ基超耐熱合金層を被覆しても良い。例えば、金型片２をＮｉ基超耐熱合金で作製し、基材金型３を合金工具鋼とし、基材金型３の作業面にＮｉ基超耐熱合金層４を被覆すると、作業面全面をＮｉ基超耐熱合金とすることができる。Ｎｉ超耐熱合金層４の被覆方法としては、例えば、肉盛溶接を用いることで、Ｎｉ超耐熱合金層４を任意の厚さに調整できるため、特に好ましい。
また、本発明では、金型片２を個別に用意するため、特に大型の製品を熱間鍛造する際の金型製作費用を低減できる。例えば、大型のディスク材の熱間鍛造への適用は有効である。勿論、等分割した金型片を接続して１つのリング状金型片としても良い。

なお、前記の合金工具鋼鋼材とは、例えば、ＪＩＳ−Ｇ４４０４で規定されるものであれば良い。中でも熱間での使用に好適なものが好ましく、典型的な成分範囲を示すと、質量％で、Ｃ：０．２５〜０．５％、Ｎ：０を超えて０．０３％以下、Ｓｉ：０を超えて１．２％以下、Ｍｎ：０を超えて０．９％以下、Ａｌ：０〜０．５％、Ｐ：０〜０．０３％、Ｓ：０〜０．０１％、Ｖ：０〜２．１％、Ｃｒ：０．８〜５．５％、Ｎｉ：０〜４．３％、Ｃｕ：０〜０．３％、Ｍｏ：０〜３．０％、Ｗ：０〜９．５％、Ｃｏ：０〜４．５％を含み、残部はＦｅ及び不純物でなる合金であればよい。
また、本発明で言うＮｉ基超耐熱合金とは、例えば、Ｕｄｉｍｅｔ５２０相当合金（ＵｄｉｍｅｔはＳｐｅｃｉａｌＭｅｔａｌｓ社の登録商標）、Ｕｄｉｍｅｔ７２０相当合金、Ｗａｓｐａｌｏｙ相当合金（ＷａｓｐａｌｏｙはＵｎｉｔｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社の登録商標）、Ａｌｌｏｙ７１８相当合金等、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ等の金属間化合物を析出強化可能なＮｉを主成分とする合金を言う。

そして、本発明では、前述した金型片が焼嵌めによって基材金型内に装着されることが好ましい。焼嵌めで金型片と基材金型とを一体化すると強固に一体化できるためである。
以上説明する本発明の熱間型造用金型を用いれば、歩留りの高い金型製造が可能となり、所望の表面形態を有する熱間鍛造材が得られ、品質も安定化することができる。また、鍛造の加圧力の応力集中部を含む場所に高強度の材質の金型片を設けて置けば、熱間鍛造時の金型の割れ等の問題を防止することが可能である。
また、用いる金型片の作業面側にＮｉ基超耐熱合金層を形成すると、更に金型の寿命を向上させることができる。また、金型片ごとにＮｉ基超耐熱合金層を形成することが可能であるため、Ｎｉ基超耐熱合金層を形成する肉盛溶接機を特別に大型化することもないため、経済的である。
本発明の熱間型造用金型は、従来製作が困難であった大型の航空ジェットエンジンディスク、コーンシャフト、発電用ガスタービンディスクの熱間型造用金型に適用することが可能となり、高い金型寿命と合わせて、安価で高品質の大型型打鍛造製品の製造が可能となる。

最初に、面取り部によって構成された空隙部との関係により、引張応力の変化をシミュレーションした。用いたシミュレーションソフトは市販の有限要素法によるものである。また、第一の金型片と第二の金型片に形成された面取り部形状と隅部の形状は図２（ｃ）に示す形状とした。その結果を図３に示す。また、隅部に発生する最大引張応力と隅部半径の関係を表１及び図４に示す。
空隙部が形成されない構造では、隅部に発生する最大引張応力は１５００ＭＰａを超えるのに対し、空隙部を有する形状では、１５００ＭＰａ以下となった。また、隅部の半径を１５ｍｍ以上にすることで、最大引張応力は１１５０ＭＰａ以下を示した。

次に、前述のシミュレーション結果を元に、実際の熱間型造用金型を作製し、熱間鍛造に供した。
１０００℃×１時間での焼入れと６００℃×５時間での焼戻しを行ったＪＩＳ−ＳＫＤ６１で作製した基材金型３と金型片Ｂを焼嵌めによって組み合わせることで、図１に示す熱間型造用金型母材（図１の基材金型３と金型片Ｂ）を用意した。熱間鍛造用金型母材はその重さが約５０００ｋｇで作業面にはディスク鍛造用の型彫り面が機械加工によって形成されている最大荷重５万トンの大型熱間鍛造装置用に製造したものである。
前述の熱間鍛造用金型母材を加熱炉で４００℃に加熱を行い、肉盛溶接を行った。なお、肉盛溶接終了まで熱間鍛造用母材は３００℃で保熱を行った。肉盛溶接はアーク溶接装置を用いて、Ｎｉ基超耐熱合金層４の肉盛溶接を行った。
その後、肉盛溶接した熱間型造用金型に、６００℃で２時間の熱処理を行って、肉盛溶接時に発生した応力を低減させた。
熱処理完了後、前述の熱間鍛造用金型母材に対して、金型片Ａが嵌め込める形状を機械加工にて成形した。そのときの隅部の半径はシミュレーションでもっとも最大引張応力が低くなる２０ｍｍとした。
９８０℃×１時間での固溶化処理と６８０℃×８時間の時効処理を行ったＡｌｌｏｙ７１８相当合金製の金型母材（金型片Ａ用）を焼嵌め形状に仕上の切削加工を行った。焼嵌め代は１．５ｍｍとした。焼嵌めは４００℃にて実施した。そして、各金型片（前述の熱間鍛造用金型母材、金型片Ａ、Ｂ、Ｃ）を組み立てて、最後に作業面に型彫加工を行い、熱間型造用金型とした。
従来では数トンもの大型の素材から削りだしによって製作がなされていた熱間型造用金型を、本発明の熱間型造用金型では、外周部リング状金型片の個数や寸法を変化させることで、歩留りの高い大型の熱間型造用金型を製作することができた。

次に、前述の熱間型造用金型を用いて、直径１２００ｍｍの難加工性材のＡｌｌｏｙ７１８相当材をディスク状に２０ショット熱間鍛造した。鍛造条件は被鍛造材加熱温度を１０００℃、金型加熱温度を３００℃とし、加圧速度を２０ｍｍ／ｓｅｃとした。熱間鍛造後に熱間型造用金型を調査したところ、割れ等の不良は全く確認されなかった。また、得られたディスク用の熱間鍛造材には、特に形状などの不良は見られず、良好な形状が得られた。
以上の結果から、本発明の熱間型造用金型を用いれば、歩留りの高い金型製造が可能となり、従来製作が困難であった大型の航空ジェットエンジンディスク、コーンシャフト、発電用ガスタービンディスクの熱間型造用金型に適用することが可能となることが分かる。また、熱間型造用金型に加わる引張応力を軽減することが可能なため、熱間型造用金型の寿命も向上させることが可能となる。

１熱間型造用金型
２金型片
３基材金型
４Ｎｉ超耐熱合金層
５空隙部
６面取り部
７角部
８隅部

Claims

複数の金型片を接合して一体に構成された熱間鍛造用金型において、
前記複数の金型片が入子型として装着される基材金型と、
角部を有する第１の金型片と、
前記角部に対応する隅部を有する第２の金型片とを有し、
前記第１の金型片は、前記角部の先端に面取り部を備え、
前記第１の金型片と前記第２の金型片の接合部に、前記面取り部によって構成された空隙部を有することを特徴とする熱間鍛造用金型。
前記隅部は半径１５ｍｍ以上のアールが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱間鍛造用金型。
前記金型片および基材金型の少なくとも１つがＮｉ基超耐熱合金であり、別の少なくとも１つが熱間金型用鋼であることを特徴とする請求項１乃至２に記載の熱間鍛造用金型。
前記Ｎｉ基超耐熱合金製の金型片は時効処理材であることを特徴とする請求項３に記載の熱間鍛造用金型。
前記金型片の少なくとも１つは鍛造の加圧力の応力集中部を含む場所に設けられていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の熱間鍛造用金型。
前記金型片および基材金型の少なくとも１つは作業面側にＮｉ基超耐熱合金層が被覆されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の熱間鍛造用金型。
前記金型片の少なくとも１つはリング状であることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の熱間鍛造用金型。
前記金型片が焼嵌めによって一体に構成されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の熱間鍛造用金型。