JP2018161664A - リング圧延材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧延中に被加工材に割れが発生することなく圧延することが可能なＮｉ基超耐熱合金のリング圧延材の製造方法を提供する。【解決手段】 主ロールとマンドレルロールとからなる圧延ロールと、アキシャルロールとを有するリング圧延機を用いて、リング状の圧延素材の径を広げつつ、前記圧延素材を軸方向に押圧加工して、リング状の圧延素材を熱間圧延するリング圧延工程を含む、リング圧延材の製造方法において、アキシャルロールと接触する圧延素材の面のうち少なくとも一方をガラス潤滑剤で被覆して、更に、ガラス潤滑剤をセラミックス繊維で被覆する被覆工程と、ガラス潤滑剤とセラミックス繊維で被覆した圧延素材を圧延温度に加熱する加熱工程と、圧延温度に加熱した圧延素材を前記リング圧延機の主ロールとマンドレルロールとの間に搬送する搬送工程とを有し、搬送した圧延素材に対してリング圧延工程を開始するリング圧延材の製造方法。【選択図】 図３

Description

本発明は、リング圧延材の製造方法に関する。

航空機エンジンや発電用ガスタービンの耐熱部材には、Ａｌ、Ｔｉなどの合金元素を多く含む、γ’（ガンマプライム）相析出強化型のＮｉ基超耐熱合金が使用されている。エネルギー効率向上のためにはより高温でタービンを運転させることが有効とされており、そのためには各タービン部材の耐用温度を高めることが必要である。Ｎｉ基超耐熱合金の耐用温度向上にはγ’相の量を高めることが有効であるため、高強度が求められる部材には、γ’相の析出量が多い合金が用いられる。γ’相の析出量が多いＮｉ基超耐熱合金の代表として、Ｕｄｉｍｅｔ７２０Ｌｉ（ＵＤＩＭＥＴはスペシャルメタルズ社の登録商標）が挙げられる。７２０Ｌｉ合金は７００℃で約４５％のγ’相を構成し、現行の溶製鍛造用のＮｉ基超耐熱合金としては、最高強度を有する合金の一つに数えられている。

一方で、７２０Ｌｉ合金に代表されるγ’相の析出量が多いＮｉ基超耐熱合金は、熱間加工が困難な合金に位置づけられている。例えば、主ロールとマンドレルロールとからなる一対の圧延ロールと、一対のアキシャルロールとを有するリング圧延機を用いて、リング状の圧延素材の径を広げつつ、前記圧延素材の高さを押圧加工するリング圧延といった熱間加工工程においては、圧延素材の表面が接触している外気あるいはロールに向かって抜熱が生じるので、熱間でのリング圧延中にリング素材の表面温度は低下する。Ｎｉ基超耐熱合金においては、表面温度の低下を伴いながら熱間でのリング圧延を施す場合、その温度低下に伴って析出するγ’相により熱間延性は著しく低下する。これはγ’相の析出温度域で温度低下が生じると、γ’相の析出量が増していくためである。表面近傍では抜熱に伴いγ’相の析出量が増していくが、γ’相はその析出量が多いほど、また粒子サイズが小さいほど、変形抵抗が増して延性を低下させる。それ故、７２０Ｌｉ合金のようにγ’相の析出量が多いＮｉ基超耐熱合金は、恒温鍛造やホットダイ鍛造に代表される金型加熱機構を有する熱間加工によって製造される製品に用途が限られていた。

しかしながら、エネルギー効率向上の観点から、近年、７２０Ｌｉ合金のようなγ’量が多いＮｉ基超耐熱合金の使用用途が拡大している傾向にある。とりわけタービンや燃焼器のケース材にも使用される需要がある。これらの製品はリング圧延によって製造されるが、リング圧延は高歪み速度下での熱間加工であるため、熱間加工中の材料割れの感受性が顕在化しやすい。そのため、材料割れや疵を抑制し、歩留りよくリング材を製造するためには、被加工材の保温が重要な因子となる。
このようなリング材をリング圧延で製造する方法としては、例えば、特開平１−７５１３４号公報（特許文献１）として、回転駆動される主ロールと回転自在なマンドレルとの間にリング状の圧延素材の周部を挾み、前記リング状の圧延素材を周方向に回転させつつ圧延するリングミルによるリング材製造方法において、前記圧延を行なうに際し、マンドレルとの当接面を除くリング状の圧延素材の表面に潤滑材を塗布するリングミルによるリング材製造方法がある。

特開平１−７５１３４号公報

前記特許文献１に記載の発明は、航空機等に使用される大径リング材を製造する方法として、潤滑剤を用いることにより、リング圧延中のリング材が突然停止することを防止するものである。前述の７２０Ｌｉ合金のような熱間加工が困難なγ’相の析出量を４０％以上とすることができる難加工性材においては、リング状の圧延素材を加熱炉から取り出してリング圧延機（リングミル）に搬送するときや、リング圧延機で圧延を開始するまでの間、更にはリング圧延開始直後のリング状の圧延素材の温度低下による熱間圧延特性の低下を防止する検討は見当たらないのが現状である。
本発明の目的は、圧延中に被加工材に割れが発生することなく圧延することが可能なＮｉ基超耐熱合金のリング圧延材の製造方法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。
即ち本発明は、主ロールとマンドレルロールとからなる一対の圧延ロールと、一対のアキシャルロールとを有するリング圧延機を用いて、リング状の圧延素材の径を広げつつ、前記圧延素材を軸方向に押圧加工して、リング状の圧延素材を熱間圧延するリング圧延工程を含む、リング圧延材の製造方法において、前記圧延素材の前記一対のアキシャルロールと接触する前記圧延素材の面のうち少なくとも一方をガラス潤滑剤で被覆して、更に、前記ガラス潤滑剤をセラミックス繊維で被覆する被覆工程と、前記ガラス潤滑剤とセラミックス繊維で被覆した圧延素材を圧延温度に加熱する加熱工程と、前記圧延温度に加熱した圧延素材を前記リング圧延機の主ロールとマンドレルロールとの間に搬送する搬送工程とを有し、前記搬送した圧延素材に対して前記リング圧延工程を開始することを特徴とするリング圧延材の製造方法である。
前記圧延素材は、γ’相の析出量が２５％以上となるＮｉ基超耐熱合金とすることができる。

本発明によれば、７２０Ｌｉ合金に代表されるγ’相の析出量が多いＮｉ基超耐熱合金であっても、材料割れを起こすことなくリング圧延を実施することが可能である。そのため、例えば、タービンケースや燃焼器ケースのような大型のリング製品であっても、歩留りよく供給することができる。

リング圧延機の一例を示す模式図である。 本発明で用いる圧延素材の一例を示す断面模式図である。 本発明の製造方法を適用して得られた７２０Ｌｉ合金のリング圧延材の断面顕微鏡写真である。

以下に本発明を詳しく説明する。
図１は代表的なリング圧延機の模式図である。本発明で用いるリング圧延機は、主ロール１１とマンドレルロール１２とからなる一対の圧延ロールと、一対のアキシャルロール１３とを有する構成のものである。なお、リング圧延機には、ガイドロール（抱きロール）、定寸ロールが設けられていても良い。
図１に示すリング圧延機においては、所定の回転速度で回転可能な主ロール１１と軸周りに従動回転できるマンドレルロール１２とが、圧延素材１の径方向外周面と内周面とに対向配置され、また、このリング圧延機は、リング状の圧延素材１の高さ方向の上面および下面に対向配置された２つのアキシャルロール１３を備えている。リング圧延中の圧延素材１の芯ずれを低減するために、主ロール１１の両脇に従動回転できるガイドロールを配置し、且つ圧延素材１の外周部を支持しながらリング圧延すると、より安定したリング圧延が可能となる。

主ロール１１は、リング圧延中、圧延素材１の外周面に接触させた状態で駆動することによって、圧延素材１を回転させるものとなっている。マンドレルロール１２は、軸周りに自由に回転できる構造であり、且つマンドレルロール１２の回転軸は主ロール１１の回転軸と略平行に配置されている。
リング圧延は、マンドレルロール１２の外周面を圧延素材１の内周面に接触させた状態で行われる。リング圧延中に、主ロール１１とマンドレルロール１２との間におけるロール間距離を徐々に狭めることによって、圧延素材１の径方向内周面および外周面間の部分が軸方向（肉厚方向）に圧下される。これにより、圧延素材１の径を広げることができる。
上下に配置された一対のアキシャルロール１３は、おおよそ２０〜４５°の頂角を有する円錐形状または円錐台形状に形成されており、さらに、一対のアキシャルロール１３は、圧延素材１を高さ方向に押圧加工して高さ方向の寸法を調整するため、それぞれ圧延素材１の略中心に先端を向けるように配置されている。なお、リング圧延中において、一対のアキシャルロール１３は、圧延素材１の回転数に合わせて駆動回転するものになっているが、従動回転するものになっていてもよい。

次に、本発明のリング圧延材の製造方法について順を追って説明する。
＜被覆工程＞
本発明では、図２に示すように、リング状の圧延素材１の一対のアキシャルロールと接触する前記圧延素材の面のうち少なくとも一方をガラス潤滑剤２で被覆して、更に、前記ガラス潤滑剤上にセラミックス繊維３で被覆する。ガラス潤滑剤は加熱により粘性をもつ。ガラス潤滑剤の被覆は、ガラス潤滑剤上に更に被覆するセラミックス繊維が圧延素材から剥離するのを防止することを主たる目的として被覆する。しかし、リング圧延時においては、圧延中の圧延素材とマンドレルロールおよび主ロールの間にガラス潤滑剤が介在すると、潤滑作用により圧延が阻害されるため、アキシャルロールと接する面にガラス潤滑剤を塗布する。ガラス潤滑剤の被覆は常法で差し支えなく、例えば、スプレーによる噴霧や刷毛塗で塗布する方法で良い。
セラミックス繊維の被覆は、圧延素材を加熱炉から取り出して圧延を開始するまでの搬送中に、圧延素材の温度低下を軽減することが主たる目的である。そのため、セラミックス繊維の被覆は、圧延素材のアキシャルロールと接する面に被覆するのが好ましい。また、加熱炉から取り出してリング圧延開始までの間の温度低下を主たる目的とするものであるため、例えば、セラミックス繊維についてはマンドレルロールと主ロールに接する面にも被覆しても良い。但し、セラミックス繊維でリング圧延素材全表面を被覆すると圧延素材が所定の温度に達するまでの時間が長時間となる。そのため、例えば、圧延素材の材質や大きさ、更には、加熱炉の加熱能力等を考慮してセラッミクス繊維を被覆する場所を決定すると良い。なお、例えば、γ’相の析出量が２５％以上とすることができるＮｉ基超耐熱合金であれば、材質によっては熱間でのリング圧延可能な温度域が狭いものがあるため、加熱時間が少々長時間となってもアキシャルロールと接触する面を含んで、全表面の９０％以上被覆してリング圧延開始までの温度低下を抑制するのが好ましい。なお、前述の被覆工程は常温で行って差し支えない。また、セラミックス繊維は、リング圧延が開始されるとアキシャルロールの接触、圧下によって剥離するのが好ましく、セラッミクス繊維を圧延素材に螺旋状に巻きつけるよりも覆いかぶせるように配置すると良い。

ここで、本発明を適用する圧延素材としては、Ｎｉ基超耐熱合金やＴｉ合金などの難加工性材料への適用が好適である。中でも、例えば、γ’相の析出量を２５％以上とすることができるＮｉ基超耐熱合金は特にリング圧延が困難な合金であるため、本発明の適用が好ましい合金である。なお、本発明で言う「２５％以上とすることができるＮｉ基超耐熱合金」とは、γ’相のモル率が２５％以上というものであり、モル率は、例えば、市販の計算ソフトＪＭａｔＰｒｏ(Sente Software Ltd.社製)を用いて計算することができる。また、ここでのγ’析出量は、製品として一般的な時効処理温度である温度７６０℃の平衡状態下におけるγ’相の量である。
本発明を適用するのに好適な合金としては、例えば、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．０８％、Ｃｒ：１３〜２１％、Ｃｏ：１０〜２５％、Ｍｏ：１〜７％、Ｗ：３％以下、Ａｌ：１．１〜２．７％、Ｔｉ：２．６〜６．４％、Ｎｂ＋Ｔａ：１．５％以下、Ｂ：０．０４％以下、Ｆｅ：６％以下からなり、残部がＮｉ及び不可避的不純物であるＮｉ基超耐熱合金を挙げることができる。
また、本発明で用いる圧延素材としては、リング形状を有する中間素材であり、リング状の圧延素材表面に残留する油や異物を除去する目的で表面研削、ショットブラストやサンドブラスト等のブラスト処理により表面を清浄化したものを用いるのが好ましい。

＜加熱工程及び搬送工程＞
ガラス潤滑剤とセラミックス繊維で被覆した圧延素材は所定の温度に設定された加熱炉に挿入される。例えば、Ｎｉ基超耐熱合金の圧延素材であれば、その加熱温度（圧延温度）は１０００〜１１５０℃である。加熱温度は圧延素材の材質に応じて適切な温度を選択すると良い。例えば、７２０Ｌｉ合金であれば１０５０〜１１１０℃の範囲が好適である。
そして、所定の圧延温度に加熱した圧延素材の内周面側からマンドレルロール、外周面側から主ロールで挟むように搬送する。搬送はマニピュレータ等を用いる常法で差し支えない。搬送した圧延素材はリング圧延機に予め配置したセラミックスシート上に載置して、圧延素材の温度低下を防止する。

＜リング圧延工程＞
リング圧延の手順としては、所定の温度に加熱した圧延素材１の内径穴にマンドレルロール１２を通しておき、主ロール１１とマンドレルロール１２との間隔が徐々に狭まるように、マンドレルロール１２を径方向外方に徐々に移動させて、両者の距離が圧延素材１の初期状態の高さ（肉厚）と一致した状態になると、主ロール１１の表面とリング状の圧延素材１の外周面との摩擦によって圧延素材１に回転が付与されることとなる。このとき、マンドレルロール１２は、圧延素材１の回転に追従するように従動回転する。
その後、マンドレルロール１２を径方向外方（外周側）に徐々に移動させることによって、主ロール１１とマンドレルロール１２との間隔が徐々に狭まって、圧延素材１の高さを減する方向に圧下され、圧延素材１の周方向に沿って連続的に塑性変形が与えられることになる。なお、リング圧延が開始されると、セラミックス繊維はアキシャルロールの接触、圧下によって剥離することになる。
また、圧延素材がγ’相の析出量を２５％以上とすることができるＮｉ基超耐熱合金においては、マンドレルロールは７１８合金のようなＮｉ基超耐熱合金で圧延する面が構成されたものが良い。圧延ロールの中で、マンドレルロールに最も高い圧延荷重を要し、更に、連続して複数個の圧延素材を圧延していく場合、マンドレル自身の温度が高くなる。マンドレル自身の高温強度が必要になるため、高温強度の高い７１８合金を使用するのが良い。そのため、マンドレルロール全体を７１８合金とするのが最適である。

表１に示す組成を有する７２０Ｌｉ合金ビレットを鍛造温度１１００℃で据え込み鍛造を実施し、直径が約６２０ｍｍ、高さが約１６５ｍｍのパンケーキ状鍛造材を得た。その後、機械加工とショットブラストを行い、リング圧延素材を得た。表１にリング圧延素材の化学組成を示す。

次に、前記圧延素材のアキシャルロールと接触する上面側に、常温でホウケイ酸ガラスを主成分とするガラス潤滑剤２のスプレー塗布による被覆を行った後、セラミックス繊維３で図２で示すように上下一対のアキシャルロール、主ロール及びマンドレルロールに接触する場所を覆うように全体のおおよそ７０％程度を被覆した。その後、セラミックス繊維を被覆した圧延素材を１０８０℃に加熱保持した後、マニピュレータで圧延素材を把持してリング圧延機の主ロールとマンドレルロールとの間に搬送した。このとき、リング圧延機には圧延素材を設置する場所に予めセラミックスシートを配置して、前記セラミックスシート上に圧延素材を載置しリング圧延を開始した。リング圧延が開始されると、セラッミクス繊維はアキシャルロールの接触により、完全に剥離した。
リング圧延は、図１に示すような主ロールとマンドレルロールとからなる一対の圧延ロールと、一対のアキシャルロールとを有するリング圧延機を用いた。なお、用いたリング圧延機には、ガイドロール、定寸ロールが設けられているものであった。このリング圧延機により、リング状の圧延素材の径を広げつつ、前記圧延素材の高さを押圧加工して、リング状の圧延素材を熱間圧延した。リング圧延により外径が約１０９０ｍｍ、内径が約９４０ｍｍ、高さが約１４０ｍｍのリング圧延材を作製した。リング圧延後の圧延材は特に顕著な疵は見られず、良好な形状であった。
得られたリング圧延材のミクロ組織を調査した。図３に圧延材の光学顕微鏡写真の一例を示す。ミクロ組織は、一次γ’粒子が概ね均一に分散し、結晶粒サイズは結晶粒度番号でＮｏ．９の再結晶組織が得られた。リング圧延材の断面全域で調査した結果、全面に対し、同様のミクロ組織が得られていることを確認した。

以上の結果から、本発明によれば、７２０Ｌｉ合金に代表されるγ’量が多いＮｉ基超耐熱合金であっても、直径１ｍ以上のリング圧延材を製造することが可能であることが分かった。そのため、大型のリング製品であっても、歩留り良く供給することができる。

１ 圧延素材
２ ガラス潤滑剤
３ セラミックス繊維
１１ 主ロール
１２ マンドレルロール
１３ アキシャルロール

Claims (2)

1. 主ロールとマンドレルロールとからなる一対の圧延ロールと、一対のアキシャルロールとを有するリング圧延機を用いて、リング状の圧延素材の径を広げつつ、前記圧延素材を軸方向に押圧加工して、リング状の圧延素材を熱間圧延するリング圧延工程を含む、リング圧延材の製造方法において、
   前記圧延素材の前記一対のアキシャルロールと接触する前記圧延素材の面のうち少なくとも一方をガラス潤滑剤で被覆して、更に、前記ガラス潤滑剤をセラミックス繊維で被覆する被覆工程と、
   前記ガラス潤滑剤とセラミックス繊維で被覆した圧延素材を圧延温度に加熱する加熱工程と、
   前記圧延温度に加熱した圧延素材を前記リング圧延機の主ロールとマンドレルロールとの間に搬送する搬送工程とを有し、
   前記搬送した圧延素材に対して前記リング圧延工程を開始することを特徴とするリング圧延材の製造方法。
2. 前記圧延素材は、γ’相の析出量が２５％以上となるＮｉ基超耐熱合金であることを特徴とする請求項１に記載のリング圧延材の製造方法。