JP2019141906A - 熱間鍛造材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱間据込鍛造により加熱・鍛造成形の回数を減じるとともにヒート数を減じても性状劣化をさせることなく十分な鍛錬を与え得る柱状の熱間鍛造材の製造方法の提供。【解決手段】柱状の熱間鍛造材の製造方法である。軸線長さＬａの柱状の合金塊を所定温度に加熱し軸線長さＬｂ（＜Ｌａ）の円筒状金型に直立するように挿入して軸線長さＬｂとなるまで合金塊全体を据込鍛造する加熱・鍛造工程を繰り返して、所望とする比Ｌ／Ｄ（但し、Ｌ：軸線長さ、Ｄ：直径）の合金塊とすることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、柱状の熱間鍛造材の製造方法に関し、特に、熱間据込鍛造により加熱・鍛造のヒート数を減じつつも性状劣化させることなく十分な鍛錬を与え得る柱状の熱間鍛造材の製造方法に関する。

熱間自由鍛造にて柱状の鍛造材を製造するには、典型的には、柱状の溶製合金塊（インゴット）をその軸線に沿って押しつぶすように鍛造し、得られる樽型の合金塊を油圧（又は水圧）プレスして鍛伸し柱状に鍛造成型する。更に、この柱状の合金塊を加熱し、再び、軸線に沿って押しつぶし柱状に鍛伸して鍛造成型することを繰り返して鍛錬を与え、均質な柱状の熱間鍛造材を得ている。

ところで、上記したような柱状の合金塊の軸線に沿った樽型の合金塊への鍛造工程において、軸線に沿った押しつぶしの変形量が大きいほど大きな鍛錬を得られ上記したような加熱・鍛造成型の繰り返しの回数を減らすことが出来る。そこで、より長尺の柱状の合金塊を長手軸線に沿って大きく鍛造して鍛造比を高めることが考慮される。一方で、柱状の合金塊の軸長さＬと直径Ｄの比Ｌ／Ｄが大きくなりすぎると、鍛造中に座屈して軸線が曲がってしまい、鍛造ができなくなってしまう場合もある。そこで、金型の中に合金塊を据え込んで鍛造を行う「据込鍛造（型鍛造）」が提案されている。

例えば、特許文献１では、比Ｌ／Ｄの大きな柱状の合金塊の長手方向の軸線に沿った一部のみを据込鍛造することで自由変形部分の比Ｌ／Ｄを３程度に抑え、これを繰り返すことで合金塊全体を熱間鍛造していく方法を開示している。詳細には、柱状の合金塊をテーパー付きの円筒状金型に直立させて挿入し、据込鍛造可能な長さ、ここでは比Ｌ／Ｄを３程度の自由変形部分を残して、合金塊の下部を金型で拘束しておく。拘束部分よりも径の大きな金型のテーパーを与えた自由変形部分に対して合金塊を上部から軸線に沿って据込み鍛造した後、金型を交換してこれを繰り返し、最後に金型を使わず自由鍛造する。これにより、比Ｌ／Ｄの大きな柱状の合金塊であっても、所定の鍛造比まで鍛造が可能になるとしている。

また、特許文献２でも、チタン合金のような難加工性金属材料からなり比Ｌ／Ｄの大きな柱状の合金塊を軸線に沿って熱間鍛造する方法として、テーパーを与えた金型を用いて比Ｌ／Ｄを３程度に抑えて据え込み鍛造する方法を開示している。ここでは、柱状の合金塊を拘束する下部金型と、自由変形部分を与えるテーパーを有する上部金型との２つの金型からなるとしている。

特開平７−１７１６５０号公報 特開２０１４−２４００８２号公報

上記したように、加熱・鍛造成型の繰り返しの回数を減らすべく、比Ｌ／Ｄの大きな柱状の合金塊を用いて熱間鍛造をする上で据込鍛造が製造コストの面等において効率的である。一方、拘束部分と自由変形部分とを与えるテーパーを有する金型を用いた据込鍛造においては、特許文献１でも述べられているように、特に、拘束部分で鍛造後の合金塊の表面にしわのような疵を生じ表面性状を劣化させやすい。そのため、鍛造抵抗を減じるべく、鍛造途中での再加熱も考慮されるが、かかるヒート数の増加は製造コストの上昇となる。

本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、熱間据込鍛造により加熱・鍛造成型の回数を減じるとともにヒート数を減じても性状劣化をさせることなく十分な鍛錬を与え得る柱状の熱間鍛造材の製造方法を提供することにある。

本発明による柱状の熱間鍛造材の製造方法は、軸線長さＬ_ａの柱状の合金塊を所定温度に加熱し軸線長さＬ_ｂ（＜Ｌ_ａ）の円筒状金型に直立するように挿入して軸線長さＬ_ｂとなるまで前記合金塊全体を据込鍛造する加熱・鍛造工程を繰り返して、所望とする比Ｌ／Ｄ（但し、Ｌ：軸線長さ、Ｄ：直径）の合金塊とすることを特徴とする。

かかる発明によれば、高い比Ｌ／Ｄを有する柱状の合金塊を所望とする比Ｌ／Ｄまで熱間鍛造できて加熱・鍛造成型の回数を減じるとともにヒート数を減じても性状劣化を生じない。また、拘束部分と自由変形部分とを分けることなく合金塊全体を据込鍛造するから性状劣化をさせることなく十分な鍛錬を与え得るのである。

上記した発明において、前記円筒状金型の内側面は下部よりも上部の径を大きくするテーパーを有し、前記加熱・鍛造工程を繰り返すにあたり、前記テーパーの傾きをより大きくした前記円筒状金型を用いて据込鍛造することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、合金塊全体を据込鍛造するにあたって性状劣化をより抑制し十分な鍛錬を与え得るのである。

上記した発明において、前記加熱・鍛造工程の繰り返しの最後では、前記テーパーの前記傾きを０としてストレートの前記円筒状金型を用いて据込鍛造することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、据込鍛造だけで最終形状により近い形状にできるのである。

上記した発明において、下側に向けて径を大とするテーパーを内周に有する補助金型を前記ストレートの前記円筒状金型の内周面に沿って上側から挿入しつつ据込鍛造することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、合金塊の上側端部外周のかぶり疵の発生などの性状劣化を抑制し得る。

上記した発明において、前記加熱・鍛造工程を繰り返した後に、所定温度に加熱して、比Ｌ／Ｄのより大きな柱状の合金塊に鍛造し、再度、前記加熱・鍛造工程を繰り返して、前記所望とする比Ｌ／Ｄの合金塊とすることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、性状劣化をより抑制しつつ十分な鍛錬を与え得るのである。

本発明による実施例における柱状の熱間鍛造材の製造方法を示す側面（一部断面）図である。 熱間鍛造材の製造に用いる金型の側断面図である。 他の実施例における柱状の熱間鍛造材の製造方法を示す側面（一部断面）図である。 柱状の熱間鍛造材の製造方法の一部を示す側面（一部断面）図である。

本発明による１つの実施例である柱状の熱間鍛造材の製造方法について、図１及び図２を用いて詳細に説明する。なお、以下の熱間鍛造材の材料としては特に限定されないが、例えば、Ｎｉ基合金が好適な例として挙げられる。

まず、図１（ａ）に示すように、軸線長さをＬ_１とする柱状の合金塊１ａを用意し、所定温度まで加熱する。

次いで、図１（ｂ）に示すように、加熱された合金塊１ａは、これよりも軸線長さを短くする軸線長さＬ_２の円筒状の金型２ａに直立するように挿入される。つまりＬ_１＞Ｌ_２である。そして、合金塊１ａは金型２ａの内部で軸線長さを金型２ａと同じＬ_２とするまで全体を据込鍛造される。つまり、合金塊１ａは金型２ａの内部で上から図示しない鍛造プレスによって押圧されることで型鍛造されるのである。なお、据込鍛造とは、一般には軸線方向に押しつぶす鍛造のことをいうが、ここでは同方向へ押しつぶす型鍛造のことをいうことにする。

図１（ｃ）に示すように、軸線長さをＬ_２とされた合金塊１ｂは、所定温度に加熱された後、さらに短い軸線長さをＬ_３とする円筒状の金型２ｂに直立するように挿入される。そして、同様に軸線長さをＬ_３とするまで全体を据込鍛造される。

図１（ｄ）及び（ｅ）に示すように、同様に、軸線長さをＬ_３とされた合金塊１ｃは、加熱された後、軸線長さをＬ_４とする金型２ｃを用いて軸線長さをＬ_４とするまで据込鍛造され、得られた軸線長さをＬ_４とする合金塊１ｄは、加熱された後、軸線長さをＬ５とする金型２ｄを用いて軸線長さをＬ_５とするまで据込鍛造される。

このように軸線長さをＬ_１から段階的にＬ_５まで短く（Ｌ_１＞Ｌ_２＞Ｌ_３＞Ｌ_４＞Ｌ_５）するように加熱及び据込鍛造による成形を繰り返す。つまり、軸線長さＬ_ａの柱状の合金塊を所定温度に加熱して軸線長さＬ_ｂ（＜Ｌ_ａ）の円筒状の金型２に挿入して軸線長さＬ_ｂとなるまで合金塊全体を据込鍛造する加熱・鍛造工程を繰り返す。このようにすることで、所望とする比Ｌ／Ｄ（Ｌ：軸線長さ（＝Ｌ_５）、Ｄ：直径とする）を有する合金塊１ｅ（図１（ｆ）参照）を得ることができる。すなわち、元の合金塊１ａの比Ｌ／Ｄに対する得られる合金塊１ｅの比Ｌ／Ｄによって所望とする鍛造比を得るのである。

このように、型鍛造を行うことで、１回毎の据込鍛造において軸線の曲がりなどを生じないようにしつつ大きな鍛造比を得ることができる。その結果、高い比Ｌ／Ｄを有する柱状の合金塊を所望とする低い比Ｌ／Ｄまで据込鍛造を繰り返して熱間鍛造する際に、加熱・鍛造成形の繰り返し数を減じ、これに伴うヒート数の減少にもかかわらず性状劣化を抑制し得る。また、部分的に拘束されるような型鍛造とは異なり、合金塊全体を据込鍛造するから、合金塊の性状を劣化させるしわ疵などの発生を抑制しつつ十分な鍛錬を与えることができる。なお、所定の比Ｌ／Ｄを得るまでの据込鍛造の回数は上記したものに限られず、据込鍛造前の素材寸法と所望の比Ｌ／Ｄを得るまでの寸法とに基づき、少ないヒート数で性状劣化のないよう、適宜、用いる金型２の数及び形状を設計し得る。

なお、図２を併せて参照すると、金型２（２ａ〜２ｄ）は、円筒状の本体２１の内周面である内側面２２を備える。ここで、最後に用いる金型２ｄを除く金型２ａ〜２ｃにおいては、それぞれ下部よりも上部の径を大きくするテーパーを有し、さらに金型２ａ、２ｂ、２ｃの順にかかるテーパーの傾きを大きくすることが好ましい。これによって合金塊１（１ａ〜１ｃ）を据込鍛造する際の表面疵の発生などの性状劣化を抑制し得る。そして、加熱・鍛造工程の繰り返しの最後に用いる金型２ｄについては、内側面２２のテーパーの傾きを０とするストレート形状とすることが好ましい。これによって、据込鍛造だけで、最終形状により近い形状とされた合金塊１ｅを得ることができる。また、鍛造工程の最後においては、金型の無い状態で鍛造してもよい。

また、図３に示すように、加熱・鍛造工程の繰り返し毎に合金塊１の上下を入れ替えて据込鍛造してもよい。つまり、上記したようなテーパーを有する金型２を用いる場合、合金塊１ｂ〜１ｄは、径を大とする側の端部を下側に配置して据込鍛造される。これによって座屈やこれに伴う軸線の曲がりをより確実に防止できるとともに、据込鍛造において必要とされる圧力を減じ得て、効率よく作業でき、ヒート数を減じ得る。

また、図４に示すように、内周面２２（図２参照）をストレート形状とする金型２ｄを用いる工程（加熱・鍛造工程の繰り返しの最終工程；図３（ｅ）、（ｆ）参照）においては、上側の径を小とするテーパーを上部に形成させた合金塊１ｅ’を得るようにしてもよい。例えば、下側に向けて内径を大とするテーパーを内周に有する補助金型３を上側から金型２ｄの内側面２２に沿って差し込みつつ（図４（ａ））、補助金型３を介して合金塊１ｄを据込鍛造する。その結果、得られる合金塊１ｅ’の上端側には補助金型３の内周に沿った形状となるよう上側に向けて径を小とするテーパーが形成される（図４（ｂ））。これによって、合金塊１ｅ’の上端部近傍のかぶり疵の発生などの性状劣化を抑制でき、より良好な形状の合金塊を得ることができる。

なお、さらに大きな鍛造比を得ようとする場合など、上記したような加熱・鍛造工程を繰り返した後に、合金塊を所定温度に加熱して鍛伸し比Ｌ／Ｄのより大きな柱状の合金塊にした後、再度、同様の加熱・鍛造工程を繰り返してもよい。

なお、得られた合金塊１ｅ又は合金塊１ｅ’は、例えば、さらに熱間鍛造によって鍛伸されて比Ｌ／Ｄのより大きな柱状の鍛造材などにされた後、種々の機械製品用の素材として用いられる。例えば、直径３００ｍｍ程度の合金塊を上記した製造方法で直径５００ｍｍ程度の合金塊とし、さらにこれを鍛伸して直径４００ｍｍ程度の柱状の鍛造材を得ることができる。

ここまで本発明による代表的実施例及びこれに基づく改変例について説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではない。当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例を見出すことができるだろう。

１ａ〜１ｄ 合金塊
２ａ〜２ｄ 金型
３ 補助金型

Claims (5)

1. 柱状の熱間鍛造材の製造方法であって、
   軸線長さＬ_ａの柱状の合金塊を所定温度に加熱し軸線長さＬ_ｂ（＜Ｌ_ａ）の円筒状金型に直立するように挿入して軸線長さＬ_ｂとなるまで前記合金塊全体を据込鍛造する加熱・鍛造工程を繰り返して、所望とする比Ｌ／Ｄ（但し、Ｌ：軸線長さ、Ｄ：直径）の合金塊とすることを特徴とする熱間鍛造材の製造方法。
2. 前記円筒状金型の内側面は下部よりも上部の径を大きくするテーパーを有し、前記加熱・鍛造工程を繰り返すにあたり、前記テーパーの傾きをより大きくした前記円筒状金型を用いて据込鍛造することを特徴とする請求項１記載の熱間鍛造材の製造方法。
3. 前記加熱・鍛造工程の繰り返しの最後では、前記テーパーの前記傾きを０としてストレートの前記円筒状金型を用いて据込鍛造することを特徴とする請求項２記載の熱間鍛造材の製造方法。
4. 下側に向けて径を大とするテーパーを内周に有する補助金型を前記ストレートの前記円筒状金型の内周面に沿って上側から挿入しつつ据込鍛造することを特徴とする請求項３記載の熱間鍛造材の製造方法。
5. 前記加熱・鍛造工程を繰り返した後に、所定温度に加熱して、比Ｌ／Ｄのより大きな柱状の合金塊に鍛造し、再度、前記加熱・鍛造工程を繰り返して、前記所望とする比Ｌ／Ｄの合金塊とすることを特徴とする請求項１乃至４のうちの１つに記載の熱間鍛造材の製造方法。

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