JP2018164925A - 鍛造製品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大型鍛造素材を熱間鍛造する場合にも鍛造中の過度の荷重増加を抑制することが可能な鍛造製品の製造方法を提供する。【解決手段】鍛造素材を下型と上型を用いて熱間鍛造する鍛造製品の製造方法であって、下型の型彫り面の少なくとも一部を第１ガラス潤滑剤で被覆する第１工程と、第１工程を経た下型を加熱する第の工程と、鍛造素材の少なくとも一部を第２ガラス潤滑剤で被覆する第３工程と、第３工程を経た鍛造素材を第２工程における下型の加熱温度よりも高い温度に加熱する第４工程と、第２工程を経た下型の型彫り面上に、第４工程を経た鍛造素材を載置し、下型と上型とで熱間鍛造を行う第５工程とを有し、第１ガラス潤滑剤と第２ガラス潤滑剤とは互いに材質が異なり、第２ガラス潤滑剤は第４工程において軟化して鍛造素材表面に留まり、第１ガラス潤滑剤及び第２ガラス潤滑剤が軟化している状態で第５工程における熱間鍛造を開始する鍛造製品の製造方法。【選択図】 図１

Description

本発明は、航空機ジェットエンジン用のタービンディスク等の鍛造製品の製造方法に関する。

近年、中・大型航空機用ジェットエンジン、発電所用蒸気タービン等を構成する大型の熱間型打鍛造製品の需要が大きく伸びている。例えば、航空機ジェットエンジンのタービンディスクは、ニッケル基超耐熱合金やチタン合金製であり、回転体状で直径１メートルを超える大きさがある。これらの大型鍛造製品を製造するには、熱間型打鍛造中１５０ＭＮを超える非常に大きな加圧力を必要とする。そのため熱間鍛造装置も大型のものが必要であり、５００ＭＮクラスの大型熱間鍛造装置も用いられている。
ところで、上記のニッケル基超耐熱合金やチタン合金は熱間鍛造が難しい難加工性材として知られており、熱間鍛造時の鍛造荷重も著しく大きくなる。そのため、潤滑剤を用いて熱間鍛造時の摩擦を低減し、鍛造荷重を小さくする試みが行われている。例えば、特開平２−１０４４３５号公報（特許文献１）には、チタン合金素材を、加熱した金型を用いて加圧成形する際に、素材表面に予めガラス系およびボロンナイトライド系の潤滑剤を二重にコーティングしておいて加圧成形する、チタン合金の熱間成形のための潤滑方法の発明が開示されている。

特開平２−１０４４３５号公報

しかしながら、数百ＭＮクラスの大型熱間鍛造装置を用いて大型の鍛造素材を熱間鍛造する場合には、特許文献１に開示された構成だけでは潤滑が不十分であり、熱間鍛造の終盤に荷重が過度に大きくなってしまうという問題に直面した。
かかる問題に鑑み、本発明は、大型鍛造素材を熱間鍛造する場合にも鍛造中の過度の荷重増加を抑制することが可能な鍛造製品の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上述の荷重増加が鍛造中の潤滑切れによることを知見し、かかる潤滑切れを抑制する方法について鋭意検討し、本発明に想到した。
すなわち本発明は、鍛造素材を下金型と上金型を用いて熱間鍛造する鍛造製品の製造方法であって、前記下金型の型彫り面の少なくとも一部を第１のガラス潤滑剤で被覆する第１の工程と、前記第１の工程を経た下金型を加熱する第２の工程と、前記鍛造素材の少なくとも一部を第２のガラス潤滑剤で被覆する第３の工程と、前記第３の工程を経た鍛造素材を前記第２の工程における下金型の加熱温度よりも高い温度に加熱する第４の工程と、前記第２の工程を経た下金型の型彫り面上に、前記第４の工程を経た鍛造素材を載置し、前記下金型と前記上金型とで熱間鍛造を行う第５の工程とを有し、前記第１のガラス潤滑剤と前記第２のガラス潤滑剤とは互いに材質が異なり、前記第２のガラス潤滑剤は前記第４の工程において軟化して前記鍛造素材表面に留まり、前記第１のガラス潤滑剤および第２のガラス潤滑剤が軟化している状態で前記第５の工程における熱間鍛造を開始することを特徴とする。

また、別の本発明は、鍛造素材を、型彫り面を有する下金型と上金型を用いて熱間鍛造する鍛造製品の製造方法であって、前記下金型の型彫り面の少なくとも一部を第１のガラス潤滑剤で被覆する第１の工程と、前記第１の工程を経た下金型を加熱する第２の工程と、前記鍛造素材の少なくとも一部を第２のガラス潤滑剤で被覆する第３の工程と、前記第３の工程を経た鍛造素材を前記第２の工程における下金型の加熱温度よりも高い温度に加熱する第４の工程と、前記第２の工程を経た下金型の型彫り面上に、前記第４の工程を経た鍛造素材を載置し、前記下金型と前記上金型とで熱間鍛造を行う第５の工程とを有し、前記第１のガラス潤滑剤と前記第２のガラス潤滑剤とは互いに材質が異なり、前記第１のガラス潤滑剤は前記第５の工程における熱間鍛造開始時の前記下金型の型彫り面温度に相当する温度での粘度が１×１０^７Ｐａ・ｓ以下であり、前記第２のガラス潤滑剤は前記第４の工程における鍛造素材の加熱温度に相当する温度での粘度が１×１０^２Ｐａ・ｓ以上、かつ前記第５の工程における熱間鍛造開始時の前記鍛造素材の表面温度に相当する温度での粘度が１×１０^７Ｐａ・ｓ以下であることを特徴とする。

また、上記各鍛造製品の製造方法において、前記下金型および上金型は、それぞれ型彫り面に肉盛層としてＮｉ基超耐熱合金層を有することが好ましい。
さらに、前記第２の工程は、予め加熱されたダミー材を下金型および上金型で挟持する金型加熱工程を含むことが好ましい。
さらに、前記下金型の型彫り面は部分的に前記第１のガラス潤滑剤で被覆され、前記第５の工程において、前記鍛造素材の端部は、前記第１のガラス潤滑剤で被覆された範囲内で前記下金型の型彫り面上を摺動することが好ましい。
さらに、前記鍛造素材は回転体状であることが好ましい。
さらに、前記第５の工程において、前記鍛造素材の端部は、前記下金型の型彫り面上を２００ｍｍ以上変位することが好ましい。

本発明の熱間鍛造方法によれば、大型の鍛造素材を熱間鍛造する場合であっても、潤滑切れを抑制し、鍛造荷重を低減することが可能となる。

本発明に係る実施形態で用いる金型の一例を示す模式図である。 本発明に係る実施形態で用いる金型の他の例を示す模式図である。 本発明に係る実施形態で用いる金型の他の例を示す模式図である。 第１のガラス潤滑剤の粘度の温度依存性の一例を示す図である。 第２のガラス潤滑剤の粘度の温度依存性の一例を示す図である。

本発明は、下金型の型彫り面の少なくとも一部を第１のガラス潤滑剤で被覆する第１の工程と、第１の工程を経た下金型を加熱する第２の工程と、鍛造素材の少なくとも一部を第２のガラス潤滑剤で被覆する第３の工程と、第３の工程を経た鍛造素材を前記第２の工程における下金型の加熱温度よりも高い温度に加熱する第４の工程と、第２の工程を経た下金型の型彫り面上に、第４の工程を経た鍛造素材を載置し、下金型と上金型とで熱間鍛造を行う第５の工程とを有する、鍛造製品の製造方法である。すなわち、本発明は、鍛造素材を、型彫り面を有する下金型と上金型を用いて熱間鍛造する、いわゆる熱間型打ち鍛造に係るものである。

第１のガラス潤滑剤と第２のガラス潤滑剤とは互いに材質が異なる点が、本発明の重要な特徴の一つである。さらに、かかる特徴に関連して、本発明には以下の第一の側面および第二の側面がある。
第一の側面とは、第２のガラス潤滑剤は第４の工程において軟化して鍛造素材表面に留まり、第１のガラス潤滑剤および第２のガラス潤滑剤が軟化している状態で第５の工程における熱間鍛造を開始する点である。
また、第二の側面とは、第１のガラス潤滑剤は第５の工程における熱間鍛造開始時の前記下金型の型彫り面温度に相当する温度での粘度が１×１０^７Ｐａ・ｓ以下であり、前記第２のガラス潤滑剤は前記第４の工程における鍛造素材の加熱温度に相当する温度での粘度が１×１０^２Ｐａ・ｓ以上、かつ前記第５の工程における熱間鍛造開始時の前記鍛造素材の表面温度に相当する温度での粘度が１×１０^７Ｐａ・ｓ以下である点である。これらの特徴により、鍛造の終盤まで潤滑剤の効果が維持されるため、熱間鍛造中の潤滑切れを抑制し、鍛造荷重を低減することが可能となる。

以下、本発明に係る鍛造製品の製造方法の実施形態を、図を用いて具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。また、本実施形態において説明する各構成は、その機能を損なわない限りにおいて互いに組み合わせることが可能である。

本実施形態でいう熱間鍛造には、熱間プレス、恒温鍛造、ホットダイ等も含む。熱間鍛造の中でも、特に大型の熱間プレス機を用いた熱間鍛造への適用が好適である。例えば４００ＭＮ以上の大型の熱間プレスであっても、直径１ｍを超える大型の製品を鍛造する場合には荷重能力に余裕がなくなるため、鍛造荷重低減が可能な本発明が特に有効となる。
鍛造製品は、タービンディスク、タービンブレード等の、鍛造を経て製造される製品であり、鍛造素材は最終的な鍛造製品形状を得るための予備成形体である。鍛造素材には、ビレットの他、複数回（複数ブロー）の熱間鍛造を行う場合の途中段階の中間素材も含まれる。鍛造素材の材質としては、例えばＮｉ基超耐熱合金、Ｔｉ合金等を用いることができる。

図１に本実施形態の鍛造製品の製造方法で用いる金型の一例を示す。ここでは、広い範囲で潤滑切れを起こしやすい円盤状鍛造製品用の金型を例として説明する。円盤状鍛造製品の場合のように鍛造素材が回転体状である場合、鍛造素材は全方向に均一に変形する必要があり、変形範囲も広い。そのため上述のように潤滑切れが生じやすい。潤滑切れを抑制することができる本発明は、かかる場合に特に有効である。
金型１００は、下金型１と、下金型１に対向して配置された上金型２とで構成されている。図１の上下方向（ｚ方向）が圧下方向である。なお、図１では下金型１および上金型２をそれぞれ固定するダイプレート、プレス機本体の図示は省略している。下金型１および上金型２は、製品形状に応じた所定の凹凸等を形成した型彫り面３を備え、下金型１の型彫り面と上金型２の型彫り面との間に製品形状に対応したキャビティが形成される。型彫り面３は、熱間鍛造後の、最終的な製品形状への加工代を含めて設計、加工された面である。

金型１００の母材の材質はこれを特に限定するものではなく、強度とコストを勘案して、ＪＩＳ Ｇ４４０４で規定されるＳＫＤ６１、ＳＫＴ４等の熱間金型用鋼やその改良鋼を用いることができる。
また、下金型１および上金型２は、それぞれ型彫り面３に肉盛層４としてＮｉ基超耐熱合金層を有することが好ましい。かかる構成は、Ｎｉ基超耐熱合金、Ｔｉ合金等の難加工性材の熱間鍛造を行う場合に好適である。これは、以下の理由による。難加工性材を熱間鍛造する場合には、鍛造温度は例えば１０００℃以上になり、金型表面（作業面）が高温に晒される。一方、鍛造温度が熱間金型用鋼の焼戻し温度を超える場合には、熱間金型用鋼が軟化してしまう。これに対して、作業面となる型彫り面に高温強度に優れるＮｉ基超耐熱合金の肉盛層を形成すれば、肉盛層は金型の母材の軟化防止層として機能する。また、熱伝導率が低いため、肉盛層には予熱した金型の保熱の効果もある。また、別な効果として、Ｎｉ基超耐熱合金層と第１のガラス潤滑剤とは、金型の温度が高くなったときにその接合界面でＮｉ基超耐熱合金に含まれる元素による自己酸化被膜と、第１のガラス潤滑剤に含まれる元素とが化学反応を生じ、第１のガラス潤滑剤の成分が若干変化して、第１のガラス潤滑剤の粘度を高める効果があることが分かった。これにより、熱間鍛造前の金型の昇温時において、第１のガラス潤滑剤の粘度の過度な低粘度化を抑制することができる。
さらに、肉盛層は作業面の耐酸化性を高め、高強度化にも寄与する。なお、Ｎｉ基超耐熱合金とは、質量％でＮｉを最も多く含有し、γ´相等の金属間化合物を析出させて合金を強化（硬化）することが可能な合金である。例えば、Ｕｄｉｍｅｔ５２０相当合金（ＵＤＩＭＥＴはＳｐｅｃｉａｌ Ｍｅｔａｌｓ社の登録商標）、Ｕｄｉｍｅｔ７２０相当合金、Ｗａｓｐａｌｏｙ相当合金（ＷａｓｐａｌｏｙはＵｎｉｔｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社の登録商標）、Ａｌｌｏｙ７１８相当合金、を用いることができる。肉盛層は、例えば、ワイヤ状、粉末状等の合金を用いた溶接によって形成することができる。
図１に示す実施形態では、下金型１および上金型２は、それぞれ型彫り面３の全面に肉盛層４を有しているが、型彫り面の一部に肉盛層を有する構成も適用可能である。例えば高温になりやすい部位だけに肉盛層を形成することでコストを削減することができる。

上述の鍛造素材、金型を用いて行う鍛造製品の製造方法の各工程について以下に説明する。
＜第１の工程＞
第１の工程では、下金型１の型彫り面３の少なくとも一部を第１のガラス潤滑剤５で被覆する。図１に示すように下金型の型彫り面３の全体を第１のガラス潤滑剤５で被覆すれば、潤滑性はより確実になるが、図２に示すように潤滑切れを生じやすい部分等を部分的に第１のガラス潤滑剤５−２で被覆することでも十分な効果を得ることができる。図２（ａ）は図１と同様に上下非対称の型彫り面を持つ金型２００において、下金型１の型彫り面３を部分的に第１のガラス潤滑剤５−２で被覆した例、図２（ｂ）は上下対称的な型彫り面を持つ金型２０１において、下金型１の型彫り面３を部分的に第１のガラス潤滑剤５−２で被覆した例である。潤滑剤は、必ずしも、型彫り面全体に設ける必要はない。第１のガラス潤滑剤５を型彫り面３の一部に用いることで、潤滑剤の使用量の低減、被覆工程の短縮にも寄与する。例えば、円盤状の鍛造素材６を熱間鍛造する場合であれば、円盤中央に対応する型彫り面の中心側を除く、円環状の領域を第１のガラス潤滑剤で被覆することもできる。具体的には、少なくとも、後述する第５の工程において鍛造素材の端部が摺動する範囲を含む領域を第１のガラス潤滑剤で被覆することが好ましい。なお、下金型の型彫り面３に肉盛層４が設けられている場合は、ガラス潤滑剤はかかる肉盛層４上から型彫り面３を覆う。
下金型に対して型彫り面の被覆を行うことで、必要な鍛造荷重低減の効果が得られるため、工程を簡略化する観点から下金型の型彫り面の被覆を行えば十分であるが、上金型の型彫り面を第１のガラス潤滑剤で覆うことも可能である。なお、前述したように、第１のガラス潤滑剤と下金型との接合界面において、加熱による化学反応で第１のガラス潤滑剤の成分を変化させるには、下金型を構成する金属材料を露出しておくのが好ましい。そのため、第１のガラス潤滑剤を被覆する場所においては、例えば、サンドブラストやグラインダ等により、金属材料表面を確実に露出させておくのが好ましい。

第１のガラス潤滑剤の被覆方法は、これを特に限定するものではない。例えば、ガラス組成物と水等の媒体を含むスラリー状または懸濁状の混合物を、塗布、噴霧等の方法によって皮膜として型彫り面に配置することができる。作業・設備の簡略化の観点からは塗布が、皮膜の厚さの均一性の観点からは噴霧が好ましい。塗布等の後、乾燥によって不要な媒体が除去され、型彫り面が第１のガラス潤滑剤で被覆される。室温の下金型に対して第１のガラス潤滑剤の被覆を行うことも可能であるが、下金型を５０〜２００℃に予熱しておき、予熱された下金型をガラス潤滑剤で被覆することが好ましい。５０℃以上に予熱することで塗布後に速やかに媒体が蒸発除去できるからである。一方、２００℃を超えると塗布直後に瞬間的に媒体が蒸発してガラス潤滑剤が固化してしまい、特に均一な膜厚に塗布することが難しくなるからである。また、人手により塗布を実施する場合、金型からの熱で作業が困難となるからである。より好ましい下金型の予熱温度の下限は８０℃であり、また、より好ましい下金型の予熱温度の上限は１２０℃である。

型彫り面に配置される第１のガラス潤滑剤の被覆の厚さは、潤滑能が発揮される限りにおいてこれを特に限定するものではないが、鍛造荷重の増大をより確実に抑制するためには３０μｍ以上であることが好ましい。この場合、熱間鍛造時に潤滑切れを起こしやすい箇所（例えば型彫り面の端部）において３０μｍ以上の被覆厚さを確保することが好ましい。さらには、型彫り面全体において平均３０μｍ以上の被覆厚さを確保することが好ましく、型彫り面全体において被覆厚さが３０μｍ以上であることがさらに好ましい。型彫り面全体の被覆厚さを測定する場合は、少なくとも型彫り面中央、端部およびそれらの中間点での測定点を含む複数の点で評価する。一方、第１のガラス潤滑剤を過度に厚くしても潤滑能の大幅な向上は期待できないため、コスト抑制の観点から厚さは３００μｍ以下であることが好ましい。なお、第１のガラス潤滑剤の厚さは、渦電流膜厚計により測定すればよい。

＜第２の工程＞
第２の工程では、第１の工程を経て、型彫り面の少なくとも一部が第１のガラス潤滑剤５で被覆された下金型１を加熱する。第２の工程では、下金型１とともに上金型２も一緒に加熱することが好ましい。下金型１の加熱温度、第１のガラス潤滑剤５の材質等を選択することによって、第１のガラス潤滑剤５を軟化させ、第５の工程における熱間鍛造開始時の下金型の型彫り面温度に相当する温度での粘度を１×１０^７Ｐａ・ｓ以下とする。熱間鍛造中の鍛造素材の温度低下を防止するためには、金型は加熱炉等を用いて２５０℃以上で、かつ熱間金型用鋼の焼戻し温度未満に温度域に予熱して鍛造に供することが好ましい。例えば、ＳＫＤ６１、ＳＫＴ４等の熱間金型用鋼であれば、３５０℃〜５５０℃が代表的な加熱温度である。なお、前記の下金型の加熱において、母材に熱間金型用鋼を用いて、型彫り面にＮｉ基超耐熱合金を肉盛りした構造のものであっても、母材の熱間金型用鋼の焼戻し温度未満の温度域で加熱するのが好ましい。また、型彫り面にＮｉ基超耐熱合金を肉盛りした場合、Ｎｉ基超耐熱合金の自己酸化被膜形成による第１のガラス潤滑剤との化学反応を生じさせるには、加熱炉内の酸素を十分に確保するのが好ましく、下金型の型彫り面は少なくとも大気雰囲気下に露出した状態で加熱を行うことが好ましい。

金型１００（下金型１および上金型２）の加熱は例えば予熱炉を用いて行われ、金型全体が所定の加熱温度（以下、単にＴ_ｗｈともいう）に加熱される。予熱炉から取り出した下金型１００はダイプレートを介してプレス機に固定される（これを、以下、金型取付工程ともいう）。プレス機に固定された金型の表面温度は徐々に低下する。
Ｔ_ｗｈの好ましい範囲は、５００℃以上、５５０℃以下である。Ｔ_ｗｈの下限はより好ましくは５３０℃以上である。熱間金型用鋼を単純に加熱してＴ_ｗｈを上げる場合には、上述のように軟化による制限がある。これに対して、上述の肉盛層を設けることで、以下の金型加熱工程を実施することができる。かかる金型加熱工程とは、金型表面温度を高く保つために、予め加熱されたダミー材を下金型１および上金型２で挟持する工程である。型彫り面３の表面温度は熱間金型用鋼の強度を劣化させない範囲でなるべく高くすることが好ましい。例えば、９００℃以上に加熱したダミー材を用いることで、型彫り面表面を５００℃以上の温度に加熱することができる。肉盛層を設けることで、型彫り面表面温度をＴ_ｗｈよりも高い温度、例えば５８０℃以上、さらには６００℃以上にすることも可能である。かかるダミー材による加熱は、肉盛層またはその近傍の温度だけを上昇させ、金型の母材の温度上昇を回避できるため、加熱炉による金型加熱温度よりも高い温度まで型彫り面温度を高めることもできる。
円盤状等の単純な形状のダミー材を用いることもできるが、均一に、効率的に金型表面を加熱するためには、型彫り面の形状にならった形状を有するダミー材を用いることが好ましい。かかる形状のダミー材は、熱間鍛造に使用する金型を用いて予めダミー素材を成形することで得ることができる。なお、ダミー材による加熱工程を含む場合、金型取付工程は第２の工程の途中に行うこととなる。

予熱炉からの取り出し、ダミー材による加熱、後述する鍛造素材の載置等を経るため、熱間鍛造開始時（圧下開始時）の下金型の型彫り面温度（以下、単にＴ_ｓｓともいう）は、加熱温度Ｔ_ｗｈから変化する。そのため、上述の第１のガラス潤滑剤の粘度は、熱間鍛造開始時（圧下開始時）の下金型の型彫り面温度Ｔ_ｓｓを基準とする。上述のようにＳＫＤ６１等の熱間金型用鋼の加熱温度Ｔ_ｗｈは５５０℃程度までである一方、熱間鍛造に供する鍛造素材の加熱温度は、後述するように、通常かかるＴ_ｗｈよりも２００℃以上高温である。そのため、加熱された鍛造素材を下金型の型彫り面に載置すると、鍛造素材が載置された部分の型彫り面温度は例えばＴ_ｗｈよりも３０℃以上上昇する。熱間鍛造開始時の、鍛造素材が載置された部分の下金型の型彫り面温度Ｔ_ｓｓを測定することが困難な場合は、加熱温度Ｔ_ｗｈ＋３０℃の温度をＴ_ｓｓとみなして以下のように第１のガラス潤滑剤を選定すればよい。

第２の工程では、温度Ｔ_ｓｓに相当する温度で粘度が１×１０^７Ｐａ・ｓ以下になるガラス潤滑剤を第１のガラス潤滑剤として選定すればよい。温度Ｔ_ｓｓに「相当する」温度での粘度を用いることの意味は、実際に熱間鍛造開始時の下金型の型彫り面温度（Ｔ_ｓｓ）での粘度を測定することは困難であるため、予め温度Ｔ_ｓｓを評価または推測しておき、オフラインで温度Ｔ_ｓｓと同じ温度で粘度を評価するということである。粘度を１×１０^７Ｐａ・ｓ以下とするのは、第１のガラス潤滑剤が軟化している状態で後述する第５の工程における熱間鍛造を開始するためである。上記粘度はより好ましくは１×１０^５Ｐａ・ｓ以下、さらに好ましくは１×１０^３Ｐａ・ｓ以下である。潤滑剤として機能する限りは上述の粘度の下限は特に限定するものではない。但し、型彫り面の形状によっては、粘度が低すぎるとガラス潤滑剤が流動して偏る可能性があるため、１０Ｐａ・ｓ以上であることがより好ましい。

＜第３の工程＞
第３の工程では、鍛造素材６の少なくとも一部を第２のガラス潤滑剤７で被覆する。潤滑切れを生じやすい部分等を部分的に被覆することも可能であるが、鍛造素材６の全体を第２のガラス潤滑剤７で被覆すれば、潤滑性はより確実になる。また、ガラス潤滑剤は断熱効果もあるため、鍛造素材を加熱炉から取出して金型上に載置して鍛造開始されるまでの間での温度低下を抑制できるため、鍛造素材の全体を被覆することが望ましい。

第２のガラス潤滑剤の被覆方法は、これを特に限定するものではない。例えば、ガラス組成物と媒体を含むスラリー状の混合物を、塗布、噴霧、浸漬等の方法によって皮膜として鍛造素材表面に配置することができる。作業・設備の簡略化の観点からは塗布が、皮膜の厚さの均一性の観点からは噴霧が、好ましい。塗布等の後、乾燥によって不要な媒体が除去され、鍛造素材の表面が第２のガラス潤滑剤で被覆される。室温の鍛造素材に対して第２のガラス潤滑剤の被覆を行うことも可能であるが、鍛造素材を５０〜２００℃に予熱しておき、予熱された鍛造素材をガラス潤滑剤で被覆することが好ましい。５０℃以上に予熱することで塗布後に速やかに媒体が蒸発除去できるからである。一方、２００℃を超えると塗布直後に瞬間的に媒体が蒸発してガラス潤滑剤が固化してしまい、特に均一な膜厚に塗布することが難しくなるからである。また、人手により塗布を実施する場合、鍛造素材からの熱で作業が困難となるからである。このため、鍛造素材を予熱する場合でも２００℃以下にすることが好ましい。より好ましい鍛造素材の予熱温度の下限は７０℃であり、更に好ましくは８０℃である。また、より好ましい鍛造素材の予熱温度の上限は１５０℃であり、更に好ましくは１２０℃である。

鍛造素材の表面に配置される第２のガラス潤滑剤の被覆の厚さは、潤滑能が発揮される限りにおいてこれを特に限定するものではないが、鍛造荷重の増大をより確実に抑制するためには１５０μｍ以上であることが好ましい。一方、第２のガラス潤滑剤を過度に厚くすると、鍛造素材を加熱する後述の第４の工程において、第２のガラス潤滑剤が剥離するリスクが高まる。かかる観点から厚さは３００μｍ以下であることが好ましい。なお、第２のガラス潤滑剤の厚さは、渦電流膜厚計により測定すればよい。
この場合、熱間鍛造時に潤滑切れを起こしやすい箇所（例えば端部）において１５０μｍ以上の被覆厚さを確保することが好ましい。さらには、鍛造素材の表面全体において平均１５０μｍ以上の被覆厚さを確保することが好ましく、鍛造素材の表面全体において被覆厚さが１５０μｍ以上であることがさらに好ましい。型彫り面全体の被覆厚さを測定する場合は、少なくとも型彫り面中央、端部およびそれらの中間点での測定点を含む複数の点で評価する。

＜第４の工程＞
第４の工程では、熱間鍛造のために第３の工程を経た鍛造素材６を加熱する。第２のガラス潤滑剤７の材質に応じて鍛造素材の加熱温度を調整することによって、第２のガラス潤滑剤７を軟化させるとともに、鍛造素材の加熱温度に相当する温度での粘度は１×１０^２Ｐａ・ｓ以上を確保する。第４の工程において、第２のガラス潤滑剤は、その粘度が低すぎると、加熱時に鍛造素材から剥離してしまうおそれがある。鍛造素材の加熱温度での粘度を１×１０^２Ｐａ・ｓ以上にすることで、第２のガラス潤滑剤は軟化したうえで鍛造素材表面に留まることができる。かかる粘度はより好ましくは１×１０^３Ｐａ・ｓ以上である。なお、鍛造素材の加熱温度に「相当する」温度での粘度を用いることの意味は、実際に加熱時の鍛造素材での粘度を測定することは困難であるため、予めオフラインで鍛造素材の加熱温度と同じ温度で粘度を評価するということである。
鍛造素材の加熱温度は鍛造素材の材質に応じて設定すればよい。例えば、Ｎｉ基超耐熱合金の場合は８５０〜１１５０℃、Ｔｉ合金の場合は８００〜１１００℃が実用的な範囲である。上述のように下金型の加熱温度は、焼戻し温度を超えないように設定されるため、鍛造素材は、第２の工程における下金型の加熱温度よりも高い温度に加熱されることになる。鍛造素材の加熱は例えば加熱炉を用いて行うことができる。

＜第５の工程＞
第５の工程では、第２の工程を経た下金型１の型彫り面３上に、第４の工程を経た鍛造素材６を載置し、下金型１と上金型２とで熱間鍛造を行う。
第５の工程における熱間鍛造開始時の鍛造素材の表面温度に相当する温度での第２のガラス潤滑剤の粘度を１×１０^７Ｐａ・ｓ以下にする。第２のガラス潤滑剤の粘度を１×１０^７Ｐａ・ｓ以下にするのは、潤滑剤としての機能を発揮するように軟化させるためである。かかる粘度はより好ましくは１×１０^６Ｐａ・ｓ以下、さらに好ましくは１×１０^５Ｐａ・ｓ以下である。なお、熱間鍛造開始時の鍛造素材の表面温度に「相当する」温度での粘度を用いることの意味は、実際に熱間鍛造開始時の鍛造素材での粘度を測定することは困難であるため、予め熱間鍛造開始時の鍛造素材の表面温度を評価または推測しておき、オフラインで熱間鍛造開始時の鍛造素材の表面温度と同じ温度で粘度を評価するということである。
第４の工程を経て加熱炉から取り出した鍛造素材６は、第５の工程において下金型１上に載置されるが、熱間鍛造開始時までに鍛造素材の表面温度が低下する。加熱された鍛造素材の表面温度は、熱間鍛造開始時には、典型的にはＮｉ基超耐熱合金の場合で８５０℃〜１０００、Ｔｉ合金の場合で８００℃〜９００℃の範囲となる。そのため、熱間鍛造開始時の鍛造素材の表面温度に相当する温度での粘度を指標として用いる。Ｎｉ基超耐熱合金の場合であれば、熱間鍛造開始時の第２のガラス潤滑剤の粘度は、簡易的、代表的には８５０℃で評価することもできる。

上述のように第１のガラス潤滑剤と第２のガラス潤滑剤等を選定することで、第１のガラス潤滑剤および第２のガラス潤滑剤が軟化している状態で第５の工程における熱間鍛造を開始することが可能となる。熱間鍛造を開始する際に、第１のガラス潤滑剤および第２のガラス潤滑剤が軟化していることで、潤滑剤の効果が確実になる。また、軟化した第１のガラス潤滑剤が下金型１に存在することで、熱間鍛造の途中での潤滑切れが抑制され、鍛造荷重の低減に大きく寄与する。一組の金型（上金型および下金型）で得ようとする最終形状を、一回の押圧で得ることができる。

第５の工程の上下方向の押圧に伴い鍛造素材は横方向へ変形し、鍛造素材の端部が型彫り面３上を摺動する。図２のように下金型１の型彫り面３が部分的に第１のガラス潤滑剤で被覆されている場合、鍛造素材の端部は、第１のガラス潤滑剤で被覆された範囲内で下金型１の型彫り面３上を摺動することが好ましい。かかる構成によれば、変形に伴って鍛造素材が新たに接する型彫り面部分に潤滑剤が存在するので、下金型１の型彫り面３に第１のガラス潤滑剤を配置する効果は十分に発揮される。一方、熱間鍛造開始時に鍛造素材が接する部分等では、鍛造素材に設けた第２のガラス潤滑剤による潤滑効果が期待できる。かかる部分等を除いて部分的に下金型の型彫り面を第１のガラス潤滑剤で被覆すれば、コスト低減にも寄与する。

上述の実施形態は、鍛造素材の端部が、下金型１の型彫り面３上を２００ｍｍ以上変位するような大きな変形を伴う熱間鍛造に特に好適である。この場合の変位量は、端部（縁）の部分が型彫り面に沿って変位する量である。例えば、かかる変位量は、上下対称な円盤状の鍛造素材であれば、端部（縁）の水平方向の変位量であり、鍛造前後の径の寸法差に相当する。型彫り面が傾斜している場合の変位量は、かかる傾斜に沿った方向の変位量である。

なお、熱間鍛造工程開始時の鍛造素材の表面温度は、第４の工程における加熱温度よりも若干低くなる。この場合でも、第５の工程における鍛造開始時の鍛造素材の表面温度は、第４の工程の加熱温度に対して温度差が５０℃以下であることが好ましい。

上述の実施形態は、潤滑性確保に特に優れることから、新規の金型で最初に鍛造を行う場合、表面手直し・清浄作業を行った直後の金型で鍛造を行う場合に特に有効である。
上述の第１〜第５の工程の前後、途中に他の工程を含むことができる。例えば、第５の工程の後に加工工程を実施することができる。また、第１および第２の工程と、第３および第４の工程とは、その順序は特に限定するものではなく、並行して進めることが好ましい。

＜第１および第２のガラス潤滑剤＞
第１および第２のガラス潤滑剤についてさらに詳述する。上述のように、第１のガラス潤滑剤と第２のガラス潤滑剤とは互いに材質が異なる点が重要な点の一つである。ガラス潤滑剤はガラス組成物、媒体、添加物等を含む。材質が異なるとは、ガラス組成物の組成が異なることを意味する。第１のガラス潤滑剤の種類としては、例えばリン酸塩系ガラスを主体成分とするガラス潤滑剤を用いることができる。一方、第２のガラス潤滑剤としては例えばホウ珪酸塩系ガラスを主体成分とするガラス潤滑剤を用いることができる。なお、第１のガラス潤滑剤に樹脂バインダを更に添加しても良い。樹脂バインダを添加することにより、第１のガラス潤滑剤と金型との剥離をより確実に防止することができる。

第１のガラス潤滑剤は、第２のガラス潤滑剤よりも低い温度で軟化し、同じ温度で比較すれば第１のガラス潤滑剤の方が粘度が低い。これは金型母材と鍛造素材の加熱温度の違いに対応させるためである。仮に、下金型１と鍛造素材の被覆に材質が同じガラス潤滑剤を用いると、下金型１の加熱温度で軟化するようなガラス潤滑剤では、鍛造素材の加熱温度では粘度が低すぎて鍛造素材表面に留まることができない。一方、鍛造素材の加熱温度で軟化し、かつ鍛造素材表面に留まるガラス潤滑剤では、下金型の加熱温度では十分な軟化状態が得られず、金型側での潤滑効果が得られない。これらを解決するために、第１および第２のガラス潤滑剤として、互いの材質が異なるガラス潤滑剤を用いるのである。
ガラス潤滑剤の粘度の測定は、平行平板法を用いて測定することができる。

概形として図３に示す型彫り面８を有する下金型９およびそれに対置される上金型１０を有する金型３００を用いた熱間鍛造により、中空の略円錐台形状の鍛造製品を以下の手順で作製した。下金型９および上金型１０とも型彫り面８にはＮｉ基超耐熱合金でなる肉盛層１１を形成した。
（実施例）
Ａｌｌｏｙ７１８（材質）製の、外径８８０ｍｍの円盤状の鍛造素材を用いた。鍛造素材はサンドブラスト処理を施した。下金型の型彫り面の外周側を円環状に第１のガラス潤滑剤で被覆した（第１の工程）。第１のガラス潤滑剤には、リン酸塩系ガラス潤滑剤を用い、被覆は塗布によって行った。用いたガラス潤滑剤の粘度の温度依存性を図４に示す。粘度測定は、平行平板粘度計（オプト企業社製ＰＰＶＭ−１１００）を用いて行った。図４に示すように、使用したガラス潤滑剤は５２０℃以上で軟化し、温度の上昇に伴い急激に粘度が低下し、５３０〜５９０℃の範囲で１×１０^９〜１０Ｐａ・ｓの粘度を有していた。具体的には、粘度は５５０℃で７×１０^７Ｐａ・ｓ、５８０℃で２×１０^５Ｐａ・ｓであった。第１のガラス潤滑剤は、鍛造素材を載置した場合に上下方向（図３のｚ方向）から見て鍛造素材の外周側の一部と重なるように、水平方向の位置で見て中心から２７０ｍｍの位置から６２０ｍｍの範囲に塗布した。第１のガラス潤滑剤の厚さは２８０ｍｍの位置と、４４０ｍｍの位置と、６１０ｍｍの位置で測定し、それぞれ９９μｍ、１０７μｍ、８１μｍ、平均で９６μｍであった。

第１の工程を経た下金型を上金型とともに大気雰囲気中の加熱炉に挿入して５５０℃（Ｔ_ｗｈ）に加熱した（第２の工程）。一方、鍛造素材の全面を第２のガラス潤滑剤で被覆（第３の工程）。第２のガラス潤滑剤には、ホウケイ酸系ガラス潤滑剤を用い、被覆は噴霧によって行った。用いたガラス潤滑剤の粘度の温度依存性を図５に示す。図５に示すように、使用したガラス潤滑剤は、第１のガラス潤滑剤よりも温度に対する粘度の低下率が小さく、温度の上昇に伴い緩やかに粘度が低下した。粘度は５３０℃では１×１０^８Ｐａ・ｓを超える一方、５８０℃では１×１０^７Ｐａ・ｓを６００〜９５０℃の範囲で１×１０^７〜１×１０^４Ｐａ・ｓの粘度を有し、１０００℃でも１×１０^３Ｐａ・ｓを超える粘度を維持していた。第２のガラス潤滑剤の厚さは鍛造素材の中心から２２０ｍｍの位置と、３１０ｍｍの位置と、３９０ｍｍの位置で測定し、それぞれ２６０μｍ、２８０μｍ、２７０μｍ、平均で２７０μｍであった。第３の工程を経た鍛造素材を加熱炉に挿入して１０００℃に加熱した（第４の工程）。かかる１０００℃の加熱の際に、第２のガラス潤滑剤は水あめ状に軟化して鍛造素材表面に留まっていた。第２の工程で加熱した上金型、下金型をプレス機本体に据え付けた後、１０００℃に加熱したダミー材を下金型および上金型で挟持して、金型の加熱を行った（金型加熱工程）。かかる金型加熱工程によって、一旦低下した型彫り面の温度は５３０℃まで上昇した。第２の工程を経た下金型の型彫り面上に、第４の工程を経た鍛造素材を載置し、第１のガラス潤滑剤および第２のガラス潤滑剤が軟化している状態で熱間鍛造を開始した。熱間鍛造には、５００ＭＮ熱間鍛造機を用い、下金型と上金型とで１回の押圧で熱間鍛造を行い、外径１３００ｍｍの鍛造製品を得た（第５の工程）。この場合、鍛造素材の端部は、第１のガラス潤滑剤で被覆された範囲内で下金型の型彫り面上を摺動し、下金型の型彫り面上を３５０ｍｍ変位した。なお、熱間鍛造開始時の下金型の型彫り面温度と鍛造素材の表面温度を放射温度計を用いて測定した。鍛造素材加熱温度およびかかる温度に相当する温度での第２のガラス潤滑剤の粘度、熱間鍛造開始時（圧下開始時）の鍛造素材の温度およびかかる温度に相当する温度での第２のガラス潤滑剤の粘度、熱間鍛造開始時（圧下開始時）の下金型の型彫り面の温度Ｔ_ｓｓとみなした温度およびかかる温度での第１のガラス潤滑剤の粘度、並びに鍛造における最大荷重の評価結果を表１に示す。

（比較例）
下金型の型彫り面を第１のガラス潤滑剤で被覆しない以外は、上記実施例と同様にして、鍛造製品を得た。鍛造における最大荷重等の評価結果を表１に示す。

表１に示すように、実施例の鍛造製品の製造方法では、比較例に比べて鍛造荷重が１５％以上低減され、４００ＭＮ未満の荷重での鍛造が可能であった。加圧能力として最大級の鍛造装置を用い、しかもその限界に近い荷重領域での１５％以上の荷重低減できたことは、難加工性の鍛造製品の製造自由度を高める上で極めて有効であることを示している。また、得られた鍛造製品に潤滑切れを示唆する傷は確認されず、鍛造製品の表面状態も極めて良好であった。

１００、２００、２０１、３００：金型
１：下金型
２、２−２：上金型
３：型彫り面
４：肉盛層
５、５−２：第１のガラス潤滑剤
６：鍛造素材
７：第２のガラス潤滑剤
８：型彫り面
９：下金型
１０：上金型
１１：肉盛層

Claims (7)

1. 鍛造素材を下金型と上金型を用いて熱間鍛造する鍛造製品の製造方法であって、
   前記下金型の型彫り面の少なくとも一部を第１のガラス潤滑剤で被覆する第１の工程と、
   前記第１の工程を経た下金型を加熱する第２の工程と、
   前記鍛造素材の少なくとも一部を第２のガラス潤滑剤で被覆する第３の工程と、
   前記第３の工程を経た鍛造素材を前記第２の工程における下金型の加熱温度よりも高い温度に加熱する第４の工程と、
   前記第２の工程を経た下金型の型彫り面上に、前記第４の工程を経た鍛造素材を載置し、前記下金型と前記上金型とで熱間鍛造を行う第５の工程とを有し、
   前記第１のガラス潤滑剤と前記第２のガラス潤滑剤とは互いに材質が異なり、
   前記第２のガラス潤滑剤は前記第４の工程において軟化して前記鍛造素材表面に留まり、
   前記第１のガラス潤滑剤および第２のガラス潤滑剤が軟化している状態で前記第５の工程における熱間鍛造を開始する鍛造製品の製造方法。
2. 鍛造素材を、型彫り面を有する下金型と上金型を用いて熱間鍛造する鍛造製品の製造方法であって、
   前記下金型の型彫り面の少なくとも一部を第１のガラス潤滑剤で被覆する第１の工程と、
   前記第１の工程を経た下金型を加熱する第２の工程と、
   前記鍛造素材の少なくとも一部を第２のガラス潤滑剤で被覆する第３の工程と、
   前記第３の工程を経た鍛造素材を前記第２の工程における下金型の加熱温度よりも高い温度に加熱する第４の工程と、
   前記第２の工程を経た下金型の型彫り面上に、前記第４の工程を経た鍛造素材を載置し、前記下金型と前記上金型とで熱間鍛造を行う第５の工程とを有し、
   前記第１のガラス潤滑剤と前記第２のガラス潤滑剤とは互いに材質が異なり、
   前記第１のガラス潤滑剤の、前記第５の工程における熱間鍛造開始時の前記下金型の型彫り面温度に相当する温度での粘度が１×１０^７Ｐａ・ｓ以下であり、
   前記第２のガラス潤滑剤の、前記第４の工程における鍛造素材の加熱温度に相当する温度での粘度が１×１０^２Ｐａ・ｓ以上、かつ前記第５の工程における熱間鍛造開始時の前記鍛造素材の表面温度に相当する温度での粘度が１×１０^７Ｐａ・ｓ以下である鍛造製品の製造方法。
3. 前記下金型および上金型は、それぞれ型彫り面に肉盛層としてＮｉ基超耐熱合金層を有する請求項１または２に記載の鍛造製品の製造方法。
4. 前記第２の工程は、予め加熱されたダミー材を下金型および上金型で挟持する金型加熱工程を含む請求項１〜３のいずれか一項に記載の鍛造製品の製造方法。
5. 前記下金型の型彫り面は部分的に前記第１のガラス潤滑剤で被覆され、
   前記第５の工程において、前記鍛造素材の端部は、前記第１のガラス潤滑剤で被覆された範囲内で前記下金型の型彫り面上を摺動する請求項１〜４のいずれか一項に記載の鍛造製品の製造方法。
6. 前記鍛造素材は回転体状である請求項１〜５のいずれか一項に記載の鍛造製品の製造方法。
7. 前記第５の工程において、前記鍛造素材の端部は、前記下金型の型彫り面上を２００ｍｍ以上変位する請求項１〜６のいずれか一項に記載の鍛造製品の製造方法。