JP2019155456A

JP2019155456A - 熱間鍛造条件の設定方法及び鍛造製品の製造方法

Info

Publication number: JP2019155456A
Application number: JP2018049193A
Authority: JP
Inventors: 石田　俊樹; Toshiki Ishida; 俊樹石田; 孝憲松井; Takanori Matsui
Original assignee: Hitachi Metals Ltd; Hitachi Metals MMC Superalloy Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2018-03-16
Filing date: 2018-03-16
Publication date: 2019-09-19

Abstract

【課題】加工試験中の加工発熱の影響を除去した等温状態での歪み−流動応力データを、異なる歪み速度に対して取得し、それらの歪み−流動応力データ入力パラメータとして鍛造シミュレーションを行い、鍛造製品の製造方法を提供する。
【解決手段】耐耐熱合金の熱間鍛造条件の設定方法であって、前記耐熱合金の鍛造素材を異なる温度に加熱した後、各加熱温度の鍛造素材に対して歪を加えたときの応力と温度の変化を測定することで取得された歪み−流動応力−温度の試験データから、等温での歪み−流動応力データを算出し、前記等温での歪み−流動応力データを組み合わせた歪み−流動応力−温度データを基にして熱間鍛造条件を設定する熱間鍛造条件の設定方法。
【選択図】図３

Description

本発明は、熱間鍛造条件の設定方法及び鍛造製品の製造方法に関するものである。

近年では、塑性加工品の開発に際して、開発期間の短縮や高効率化を図るために、有限要素法等による塑性加工シミュレーションが広く用いられている。塑性変形シミュレーションの精度を高めるためには、材料を塑性的に変形し続けるために外から加えるべき応力である流動応力を、材料試験を通して正確に採取し、シミュレータへ入力することが必須である。流動応力は歪み依存性、歪み速度依存性、温度依存性を持つことが一般的に知られている。
このような材料の流動応力を取得する材料試験として、一般的には試験素材を用いて一軸引張試験や圧縮試験などの加工試験をすることによって流動応力−歪み曲線を得る手法が用いられる。前記流動応力の歪み速度依存性は引張や圧縮速度を、前記流動応力の温度依存性は材料温度を、それぞれ試験条件として変化させてデータを取得する方法が一般的に用いられる。

ＪＩＳＺ２２４１「金属材料引張試験方法」

前記のような一軸引張試験や圧縮試験などの加工試験を実施する場合には、加工中に発生する試験素材と加工治具との間に摩擦が生じる。摩擦は試験結果に大きな影響を与えるが、鍛造素材固有の材料特性とは別の要素であるため、試験の際にはできる限り取り除く必要があり、例えば、鍛造素材および加工治具に適当な潤滑剤を予め塗布しておく等、実験方法を工夫して摩擦の影響を軽減することが可能である。一方、加工試験中には加工に伴う塑性仕事の一部が熱エネルギーに変わるため、試験素材内部には加工発熱が生じる。加工発熱は加工中に試験片の温度を上昇させ、加工試験中の試験片内の温度が変動する要因となるが加工発熱は加工に伴って必然的に発生するものであり、前記の摩擦のように、加工発熱そのものを実験方法を工夫して抑制することは、技術的に至難である。
本発明の目的は、従来よりも精度が高い鍛造シミュレーションを行うことによって、より正確な鍛造製品の製造方法を提供することである。

上述のように、加工発熱の影響により、本来設定した実験条件とは異なる状態で採取した流動応力データを、鍛造シミュレータに入力すると、シミュレーション結果の精度が悪化する原因となるために、鍛造シミュレーション結果を基にして、熱間鍛造条件を正確に設定することは困難であった。前記の先行技術文献では、加工試験において加工発熱の影響を除去する手法に関する記述はない。
本発明者は、鍛造素材を変形させる際の歪み速度を固定して、鍛造素材の加熱温度を複数の条件で変えた圧縮試験を行い、加工試験中の歪み−流動応力−温度の試験データを得た。しかし、前記のように加工試験中には加工発熱が発生するため、得られる温度データは一定値をとらず、歪みが増加するに伴い上昇した。そこで、前記歪み−流動応力−温度の試験データから、加工中の加工発熱の影響を解析的に除去し、鍛造素材の各加熱温度について、等温状態での歪み−流動応力データを算出した。次に、鍛造素材を変形させる際の歪み速度を変えて、前記と同様にして等温状態での歪み−流動応力データを算出し、鍛造素材における歪み、歪み速度、温度の依存性を持つ歪み−流動応力データを得た。最後に、鍛造素材における歪み、歪み速度、温度の依存性を持つ流動応力データを鍛造シミュレータに入力し、鍛造シミュレーションの予測精度を高めることができることを見出し、本発明に到達した。

即ち本発明は、耐熱合金の熱間鍛造条件の設定方法であって、前記耐熱合金の鍛造素材を異なる温度に加熱した後、各加熱温度の鍛造素材に対して歪を加えたときの応力と温度の変化を測定することで取得された歪み−流動応力−温度の試験データから、等温での歪み−流動応力データを算出し、前記等温での歪み−流動応力データを組み合わせた歪み−流動応力−温度データを基にして熱間鍛造条件を設定する熱間鍛造条件の設定方法である。
前記等温での歪み−流動応力データが、異なる歪み速度に対して取得されたものであることが好ましい。
また、熱間鍛造条件の設定方法によって得られた熱間鍛造条件を基に鍛造素材の熱間鍛造を行い、鍛造製品を得ることが好ましい。上記の熱間鍛造条件の設定方法を活用して得られた歪み、歪み速度、温度依存性を持つ流動応力のデータを、有限要素法等を用いた鍛造シミュレータの材料特性として入力し、鍛造シミュレーションを実施することで、鍛造状態の高精度な予測が可能となるため、鍛造シミュレーションを活用して得られた熱間鍛造条件を基に鍛造素材の熱間鍛造を行うことで、良好な鍛造製品を得ることができる。

本発明によれば、加工試験における加工発熱の影響を解析的に取り除いた、温度と歪み速度の依存性を持つ等温状態での歪み−流動応力データを算出し、それらのデータを鍛造シミュレータに入力することによって、高精度な熱間鍛造シミュレーションが可能となる。

加工試験によって得られた歪み−流動応力−温度の試験データを、３次元グラフ上にプロットした図である。加工試験によって得られた歪み−流動応力−温度の試験データを、３次元グラフ上にプロットし、流動応力の軸から見下ろした図である。加工中の加工発熱の影響を解析的に除去し、等温状態での歪み−流動応力データを算出する手法を示す図である。実施例１での試験素材である耐熱合金を、９００℃に加熱し、１／秒の歪み速度で圧縮試験を行い、加工発熱の影響を解析的に除去して得た、等温状態の歪み−流動応力データと、加工発熱の影響を除去しなかった場合の歪み−流動応力データを比較した図である。実施例１において平型での熱間鍛造をした、ビレット形状を持つ鍛造素材を示す図である。実施例１でビレット形状の鍛造素材を平型で熱間鍛造した際、鍛造素材の側面中央部に熱電対を取り付け、熱間鍛造中の温度変化をデータロガーで記録した結果を示す図である。実施例１でビレット形状を持つ鍛造素材を平型で熱間鍛造した際、平型の移動距離の時間変化をデータロガーで記録した結果を示す図である。実施例１でビレット形状を持つ鍛造素材を平型で熱間鍛造した際、荷重の時間変化をデータロガーで記録した結果を示す図である。実施例１でビレット形状を持つ鍛造素材を平型で熱間鍛造した際、平型の移動距離と温度の関係を示す図である。実施例１でビレット形状を持つ鍛造素材を平型で熱間鍛造した際、平型の移動距離と荷重の関係を示す図である。

以下に本発明の実施形態を詳しく説明する。
先ず、試験素材を設定温度まで加熱する。試験素材の加熱方法は試験装置に取り付けた通電加熱や誘導加熱を用いる方法や、設定温度に保持した炉を用いる方法が挙げられる。一軸引張試験や圧縮試験によって、試験素材の加工試験を行う。このとき、試験素材を変形させる加工治具の移動速度を設定し、歪み速度を固定した状態で鍛造素材を変形させる。加工試験中には、加工治具の移動距離と荷重、試験素材の温度の変化を測定し記録しておく。試験素材の温度変化は、試験素材に予め熱電対を取り付けて測定する方法や、サーモグラフィや放射温度計で測定をする方法が挙げられる。加工試験の後、加工治具の移動距離から試験素材に入る歪み値を算出し、荷重値を試験素材と加工治具との接触面積で割って流動応力の値を算出する。これに前記の温度を測定したデータを加えることによって、歪み−流動応力−温度の試験データを得る。得られた歪み−流動応力−温度データは、図１のように、歪み、流動応力、温度の３次元のグラフ上に表すことができる。

試験素材の加工試験中に、試験素材内部には加工発熱が生じる。加工発熱は加工試験中に試験素材の温度を上昇させる。図１を応力の軸から見下ろし、加工試験中の加工発熱を示したものが図２であり、加工発熱の発生はこの図において、歪みが増加するにしたがって、試験素材の温度が上昇していることから明瞭に確認できる。加工発熱は加工試験中に試験素材の温度を上昇させ、加工試験中の温度が変動する要因となるが、加工発熱そのものを抑えることは、技術的に至難である。そこで、この問題を解決するために、前記加工試験によって得られた歪み−流動応力−温度の試験データから、加工試験中の加工発熱の影響を解析的に除去し、等温状態での歪み−流動応力データを算出する手法を考案した。その概要を図３に示す。
図３の実線プロット１は、図１で示した、加工試験によって得た歪み−流動応力−温度の試験データと同じものである。まず、これらの実線プロット１群を連結し、歪み−流動応力、温度の３次元のグラフ上に曲面２を形成する。この形成した曲面２は、図３中でグレーに塗りつぶした領域に相当する。実線プロット１を連結し曲面２を形成する方法は、単に直線で連結してもよいし、或いは、応力を歪みと温度を変数とした、任意の近似関数を仮定して連結してもよい。たとえば、歪みの増加に伴って単調な加工硬化をし、かつ温度の上昇に伴って単調に軟化する材料については、応力σは、定数をｎ、Ａ、Ｂと、歪みεと温度Ｔによって、下記の数式１のように定義することができる。再結晶温度以上に熱せられた耐熱合金では、歪みの増加に伴い再結晶が発生し、再結晶した部位は軟化するため、流動応力は歪みが増加しても、単調な加工硬化をしない場合が多い。そこで、応力の歪みに対する依存性は、数式１とは異なり、歪みの増加によって引き起こされる再結晶によって軟化する効果も加味した近似関数を仮定してもよい。

最後に、図３中に点線プロット３で示すように、前記で得られた３次元グラフ中の曲面を等温面で切断し、得られた曲面の切り口を得ることで、加工試験中に生じる加工発熱の影響を解析的に除去し、等温状態の歪み−流動応力データとして定義する。
図３中に示されているように、切断する等温断面が曲面から外れる場合には、前記歪み−流動応力−温度の試験データを連結する際に用いた直線や任意の近似関数を外挿することで、等温状態の歪み−流動応力データを得ることが可能である。

前記等温状態の歪み−流動応力データを、試験素材の加工速度を変化させ、異なる歪み速度に対して同様に取得することによって、試験素材の歪み、歪み速度、温度依存性を持つ流動応力のデータを得ることができる。
前記で得た試験素材の歪み、歪み速度、温度依存性を持つ流動応力のデータを、有限要素法等を用いた鍛造シミュレータの材料特性として入力し、鍛造シミュレーションを実施することで、鍛造状態の高精度な予測が可能となる。鍛造シミュレーションを活用した熱間鍛造条件の設定方法によって得られた熱間鍛造条件を基に鍛造素材の熱間鍛造を行うことで、良好な耐熱合金製の鍛造製品を得ることができる。前記の熱間鍛造条件とは、鍛造素材と加工冶具の材質、形状、加熱温度、鍛造が開始されるまでの空冷時間や、加工冶具の鍛造速度、加工冶具の移動距離等を指す。本発明の適用は、恒温鍛造やホットダイ鍛造よりも加工発熱量の大きな熱間鍛造やリングミル圧延への適用が好ましい。なお、本発明でいう「耐熱合金」とはガンマプライム相が析出する合金を指し、例えば７１８合金等のＮｉ基超耐熱合金を言う。

本実施例では、耐熱合金を用いた熱間鍛造に着目した。まず、対象とした耐熱合金の中から７１８合金を選択し、所定の試験素材形状に加工し、歪み速度を０．０１／秒に固定して、圧縮試験を行った。圧縮試験の際には、加工治具の移動距離と荷重の時間的変化をデータロガーで読み取った。試験素材の温度変化は、試験素材に予め熱電対を取り付け、時間的変化をデータロガーで読み取った。加工試験の後、加工治具の移動距離から試験素材に入る歪み値を算出し、荷重値を試験素材と加工治具との接触面積で割って流動応力の値を算出した。これに試験素材の温度を測定したデータを組み合わせることによって、歪み−流動応力−温度データを得た。得られた歪み−流動応力−温度データのプロット群を、図１のように、歪み−流動応力、温度の３次元のグラフに表した。次に、実験によって得られたプロット群を図３のように連結し、歪み−流動応力、温度の３次元のグラフ上に曲面を形成した。次に、図３中の点線プロットのように、前記で得られた曲面を等温面で切断し、曲面の切り口を得ることで、加工試験中に生じる加工発熱の影響を解析的に除去し、等温状態の歪み−流動応力データとして定義した。

次に、前記と同様の圧縮試験を、歪み速度を０．１／秒、１／秒に変更して行い、それらと前記０．０１／秒の結果とを組み合わせて、対象とする耐熱合金の歪み、歪み速度、温度の依存性を持つ流動応力データを得た。図４に一例として、対象とした耐熱合金を９００℃に加熱し、１／秒の歪み速度で圧縮試験を行い、加工発熱の影響を解析的に除去して得た、等温状態の歪み−流動応力データを黒丸プロットで、加工発熱の影響を除去しなかった場合の歪み−流動応力データを比較したものを白丸プロットで示す。

次に、図５のように、前記の圧縮試験で対象とした耐熱合金（７１８合金）で直径８０（ｍｍ）、高さ１２０（ｍｍ）のビレット形状の鍛造素材４を作製し、９００℃に加熱した後、１／秒の歪み速度で、鍛造素材と同じく９００℃に加熱した平型（上平型５、下平型６）で熱間鍛造した。この際、鍛造素材の側面中央部に熱電対を取り付け、熱間鍛造中の温度変化をデータロガーで記録した。熱間鍛造中の温度変化の記録を図６に実線プロットで示す。鍛造が進むにつれて加工発熱が発生し、温度値が上昇したことが確認できる。また、温度変化と同様に、上平型５の移動距離の時間変化と荷重の時間変化をデータロガーで記録した結果を図７、図８にそれぞれ示す。図６、図７、図８のデータから、上平型の移動距離と温度変化の関係を算出した結果を図９に、上平型の移動距離と荷重の関係を算出した結果を図１０に実線プロットで示す。

次に、前記のビレット形状を持つ鍛造素材を９００℃に加熱して行う熱間鍛造を、鍛造シミュレータ上で再現した。鍛造シミュレータに入力する流動応力のデータを、図４の黒丸プロットで示した、加工発熱の影響を解析的に除去して得た、等温状態の歪み−流動応力データとしたシミュレーションモデル（以下、「モデルＡ」と表記する）と、図４の白丸プロットで示した、加工発熱の影響を除去しなかった場合の歪み−流動応力データとしたシミュレーションモデル（以下、「モデルＢ」と表記する）の２種類を用意した。
上平型の移動距離の時間変化は、モデルＡとモデルＢともに、実際の熱間鍛造と同様、図７の情報を鍛造シミュレータに入力した。モデルＡおよびモデルＢ上で設定する境界条件のうち、鍛造素材と平型、鍛造素材と周囲の大気との間で生じる熱伝達量を決定する熱伝達係数は、モデルＡとモデルＢともに、モデル上の鍛造素材の側面中央部の温度変化が、図９に示した、実際の熱間鍛造で測定した温度変化と一致するように調整し、シミュレーション上でも実際の熱間鍛造にビレットの温度分布を再現するようにした。熱伝達係数を調整し、モデルＡで計算した温度変化を図１０中に黒丸プロットで、モデルＢで計算した温度変化を白丸プロットで示す。

前記のように設定したモデルを鍛造シミュレーションして得た、モデルＡおよびモデルＢでの上平型の移動距離と荷重の関係を、図１０にそれぞれ黒丸プロットおよび白丸プロットで示す。上平型の移動距離が６０（ｍｍ）に達した時点での実際の熱間鍛造の荷重値と、モデルＡで計算された荷重値と、モデルＢで計算された荷重値とが、それぞれ４０６（ｔｏｎｆ）、４１５（ｔｏｎｆ）、３６２（ｔｏｎｆ）であり、上平型の移動距離が６０（ｍｍ）に達した時点での実際の熱間鍛造の荷重値を基準とすると、モデルＡでの荷重精度は＋２．２２（％）、モデルＢでの荷重精度は−１０．８（％）であることがわかる。これらの結果から、シミュレータに入力する流動応力のデータを、加工発熱の影響を解析的に除去して得た、等温状態の歪み−流動応力データとしたモデルＡの方が、鍛造に要する荷重を正確に予測できることを確認した。モデルＢに入力した流動応力は、図４の白丸プロットで示したように、加工試験中の加工発熱による加工軟化の効果を取り除いていないために、鍛造荷重値を過小評価している。一方で、モデルＡに入力した流動応力は、図４の黒丸プロットで示したように、加工試験中の加工発熱による加工軟化の効果を取り除いているために、荷重予測値を過小評価せず、正確に予測できたものと考えられる。

本発明に係る熱間鍛造条件の設定方法や成形状態推定方法は、潤滑剤を用いた熱間型打ち鍛造での接触部の摩擦状態の予測や、鍛造シミュレーションに利用できる。

１加工試験によって得られた歪み−流動応力−温度データ
２加工試験によって得られた歪み−流動応力−温度データを連結することで得た曲面
３等温状態の歪み−流動応力−温度データ
４耐熱合金で作製したビレット形状の鍛造素材
５上平型
６下平型
７対称軸

Claims

耐熱合金の熱間鍛造条件の設定方法であって、前記耐熱合金の鍛造素材を異なる温度に加熱した後、各加熱温度の鍛造素材に対して歪を加えたときの応力と温度の変化を測定することで取得された歪み−流動応力−温度の試験データから、等温での歪み−流動応力データを算出し、前記等温での歪み−流動応力データを組み合わせた歪み−流動応力−温度データを基にして熱間鍛造条件を設定することを特徴とする耐熱合金の熱間鍛造条件の設定方法。
前記等温での歪み−流動応力データが、異なる歪み速度に対して取得されたものである請求項１に記載の熱間鍛造条件の設定方法。
請求項１または２に記載の熱間鍛造条件の設定方法によって得られた熱間鍛造条件を基に鍛造素材の熱間鍛造を行い、鍛造製品を得ることを特徴とする鍛造製品の製造方法。