JP2020533192A - 異形金属の構築成形方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、まず、プリフォームを製造し、次に、プリフォームから砂時計型モジュールを製造し、砂時計型モジュールを加熱した後に高さ方向に沿った据え込み変形と鍛造間保温を施すことにより、プリフォームを半製品に鍛造する異形金属の構築成形方法に関する。本発明は、据え込み中の変形を砂時計型モジュール素材の界面位置に集中させ、表面引張応力の発生を回避し、素材に均一に大きな圧縮応力を与え、素材表面の引張応力状態を著しく改善することができる。本発明は、金属の構築成形の歩留まりを向上させ、共通仕様のプレス機を用いた条件下で生産効率を大幅に向上させることができる。

Description

本発明は、金属材料の製造方法に関し、具体的には、異形金属の構築成形方法に関する。

大型金属材料又は複合金属材料を製造するとき、従来方法では、鋳造素材、鍛造素材、及び圧延素材を基材とし、表面加工及び洗浄を行った後、複数の基材を一緒に封止し、界面内部を高真空状態に維持し、そして、据え込み変形、鍛造間保温及び多方向鍛造を特徴とする鍛造溶接プロセスを施し、最終的に大型金物を製造することを提案している。中国特許出願２０１５１１０２６２７２．Ｘ「同質金属の構築成形方法」、２０１５１１０２７４９２．４「金属の構築成形方法」、及び２０１５１１０２７６８６．４「円筒体金属の構築成形方法」は、いずれも一次構築成形方法で金属材料を製造する。これらの方法では、プリフォームの形状は、直方体形状又は円柱体形状であり、構築過程において、直方体形状又は円柱体形状の素材の最大バルジング位置（素材側面の中心位置）での溶接継目が割れやすい。これは、最大バルジング位置（素材側面の中心位置）の応力に関して、変形量の増加に伴って圧縮応力が減少していき、最終的に０となり、続いて変形すると該位置の応力が引張応力に変わるからである。表面の応力状態は、バルジング程度によって制御される。バルジングがひどくなるほど、表面引張応力が大きくなる。表面引張応力が溶接継目の強度よりも大きいと、溶接継目が割れてしまう。

また、１００トンレベル以上の金属にとって、一次構築成形の難度が非常に大きく、設備に対する要求が高い。構築過程において溶接継目が一旦失効すると、素材全体が廃棄され、損失が大きい。

本発明は、従来技術の欠陥に対して、鍛造過程における素材表面の引張応力状態を改善し、金属の構築成形の歩留まりを向上させる異形金属の構築成形方法を提供することを目的とする。

本発明の技術的解決手段は、以下のとおりである：
異形金属の構築成形方法は、
プリフォームを製造するステップ（Ｓ１）と、
プリフォームから砂時計型モジュールを製造するステップ（Ｓ２）と、
砂時計型モジュールを加熱した後に高さ方向に沿った据え込み変形と鍛造間保温を施すことにより、プリフォームを半製品に鍛造するステップ（Ｓ３）と、
半製品を部材又は部品に加工するステップ（Ｓ４）と、を含む。

さらに、上記異形金属の構築成形方法において、ステップ（Ｓ１）に記載のプリフォームは、鋳造素材、鍛造素材又は圧延素材という基材を構築し、封止溶接し、鍛造して得られるものであり、又は鍛造素材を機械加工方式で直接製造して得られるものである。

さらに、上記異形金属の構築成形方法において、ステップ（Ｓ２）において、前記プリフォームから錐台形状要素を製造した後、２つの錐台形状要素の小面を重ね合わせて真空電子ビーム溶接を行い、砂時計型モジュールを製造する。前記錐台形状要素は、円錐台形状又は四角錐台形状であってよく、２つの錐台形状要素の中間界面が滑らかに遷移する。

さらに、前記錐台形状要素の縦方向台形断面の下底辺と脚との夾角は、６０〜８５°である。

さらに、上記異形金属の構築成形方法において、前記真空電子ビーム溶接の溶接深さは、２５〜４０ｍｍである。

さらに、上記異形金属の構築成形方法において、ステップ（Ｓ２）において、前記砂時計型モジュールのアスペクト比は、１〜３の間にある。

さらに、上記異形金属の構築成形方法において、ステップ（Ｓ３）において、砂時計型モジュールに対して据え込み変形を施す圧下量は、素材全高の３０〜５５％である。

さらに、上記異形金属の構築成形方法において、ステップ（Ｓ３）において、据え込んだ後の素材に対して高温拡散接続を施し、加熱温度が１２００℃以上であり、均熱した後の保温時間が８時間以上である。

本発明の有益な効果は、以下のとおりである：
本発明に係る異形金属の構築成形方法は、プレフォームから砂時計型モジュールを製造し、砂時計型構築素材のため、据え込み中の変形を界面位置に集中させ、表面の引張応力の発生を回避し、素材に均一に大きな圧縮応力を与え、素材表面の引張応力状態を著しく改善することができる。また、砂時計型素材の最小断面積が小さく、鍛造に必要な圧力を効果的に低減することができる。本発明に係る異形金属の構築成形方法は、設備に対する要求が低く、溶接継目の探傷が可能であり、溶接継目の品質を保証でき、さらに金属の構築成形の歩留まりを向上させ、共通仕様のプレス機を用いた条件下で生産効率を大幅に向上させることができる。

本発明の方法のフロー図である。 本発明の砂時計型構築素材の縦方向台形断面の概略図である。 本発明の具体的な実施例における円錐台形状要素によって製造される砂時計型構築素材の概略図である。 本発明の具体的な実施例における四角錐台形状要素の構造概略図である。

以下、図面及び実施例を参照しながら本発明を詳細に説明する。

図１に示すように、プロセス全体から説明すると、本発明に係る異形金属の構築成形方法は、プリフォームを製造するステップ（１）と、プリフォームから異形モジュール（砂時計型モジュール）を製造するステップ（２）と、異形モジュールを加熱した後に高さ方向に沿った据え込み変形と鍛造間保温を施すことにより、プリフォームを半製品に鍛造するステップ（３）と、を含む。さらに、半製品を部材又は部品に加工するステップ（４）を含む。

ステップ（１）に記載のプリフォームは、鋳造素材、鍛造素材又は圧延素材という基材を構築し、封止溶接し、鍛造して得られるものであり（具体的な方法は、２０１５１１０２６２７２．Ｘ「均質金属の構築成形方法」の説明を参照）、又は鍛造素材を機械加工方式で直接製造して得られるものである。

本発明と従来技術は、ステップ（２）においてプレフォームから砂時計型モジュールを製造し、砂時計型構築素材のため、据え込み中の変形を界面位置に集中させ、表面の引張応力の発生を回避し、素材に均一に大きな圧縮応力を与え、素材表面の引張応力状態を著しく改善することができるという点で相違する。

このため、本発明は、まず、前記プリフォームから錐台形状要素を製造し、鍛造及び／又は機械加工の方式で錐台形状要素を製造することができる。そして、２つの錐台形状要素の小面を重ね合わせて真空電子ビーム溶接を行い、砂時計型モジュールを製造する。具体的な実施形態において、前記錐台形状要素は、円錐台形状又は四角錐台形状であってよい（他の錐台形状、例えば、六角錐台形状、八角錐台形状などであってよい）。図３は、円錐台形状要素によって製造される砂時計型構築素材の概略図であり、図４は、四角錐台形状要素の概略図である。

砂時計型素材の最小断面積が小さいため、鍛造に必要な圧力を効果的に低減することができる。しかし、中間窪みが狭いと、鍛造過程においてしわ疵が発生し、中間窪みが広いと、鍛造圧力を低下させる作用が弱められる。このため、砂時計型素材を設計するとき、錐台形状要素の縦方向台形断面の下底辺と脚との夾角の大きさを考慮し、それを理想的な範囲にさせるべきであり、本発明の設計では、錐台形状要素の台形断面の下底辺と脚との夾角が６０〜８５°（例えば８０°）であり、図２に示すとおりである。また、中間界面での台形素材の折り畳みを回避するために、それを滑らかに遷移させ、２つの台形の境界での尖った角の発生を回避する。図３に示すように、２つの円錐台形状要素の境界は、円弧面で接するように設計されるため、滑らかな遷移面Ａを形成し、境界での尖った角の発生を回避する。また、錐台形状要素の底面と側面との接続位置は、一部の柱状構造（図３のＢに示す）として設計され、底面での尖った角の発生を回避する。

２つの錐台形状要素の接合は、真空電子ビーム溶接により実現され、まず被溶接面を加工し、洗浄し、次に、真空チャンバー内で被溶接素材の縁部に対して真空電子ビーム封止溶接を行い、真空電子ビーム溶接の溶接深さが２５〜４０ｍｍである。溶接後に形成された砂時計型モジュールのアスペクト比が１〜３の間にある。前記アスペクト比は、砂時計型モジュールの全高と円錐台の底面の直径（又は四角錐台の底面の辺長）との比を指す。

ステップ（３）において、まず、素材を加熱し、最高加熱温度が１２５０℃以上であり、次に、砂時計型素材に対して高さ方向に沿った据え込み変形を施し、加熱後の素材をプレス機の操作台上に置き、高さ方向に沿って据え込みを施し、据え込み変形の圧下量が素材全高の３０〜５５％である。そして、据え込んだ後の素材に対して高温拡散接続を施し、据え込んだ後の素材を加熱炉に戻して加熱し、加熱温度が１２００℃以上であり、均熱した後の保温時間が８時間以上である。

その後、素材をさらに鍛造又は加工して、ステップ（４）における半製品の部材又は部品への加工を実現する。

本発明は、ステンレス鋼、金型鋼、炭素鋼、合金鋼などの鋼材又はその他の金属材料の構築成形に適する。

ステップ１では、直径８００ｍｍの炭素鋼棒を採用し、長さ２４００ｍｍの円柱形素材を切り出してプリフォームを製造する。円柱状素材に対して据え込み鍛造を施し、所定の寸法に機械加工して、図４に示す四角錐台形状要素を形成する。被溶接面を洗浄した後、２つの四角錐台形状要素の小面を重ね合わせて、幅１０８６ｍｍ、長さ１０８６ｍｍ、厚さ１４５０ｍｍの砂時計型モジュール素材を形成する。

ステップ２では、真空チャンバー内で被溶接素材の縁部に対して真空電子ビーム封止溶接を行い、溶接深さが２５〜４０ｍｍである。

ステップ３では、加熱炉内に封止溶接後の素材を加熱し、最高加熱温度が１２５０℃以上である。

ステップ４では、素材に対して高さ方向に沿った据え込み変形と鍛造間保温を施す。素材を加熱した後にプレス機の操作台上に置き、素材の高さ方向を鉛直方向に沿わせて据え込み操作を行い、圧下量が素材全高の３０〜５５％である。

ステップ５では、素材に対して高温拡散接続を施す。据え込んだ後の素材を加熱炉に戻して加熱し、加熱温度が１２００℃以上であり、均熱した後の保温時間が８時間以上である。

ステップ６では、素材に対して三方向据え込み鍛造を施し、面取り、絞り抜け、球状化鍛造によりモジュールに鍛造する。最終製品は、直径１０００ｍｍの円柱形棒材モジュールである。

ステップ１では、連続鋳造スラブを７枚の１０００ｍｍ×１０００ｍｍ×２００ｍｍの素材に切り、７枚の素材を重ね合わせた後に幅１０００ｍｍ、長さ１０００ｍｍ、厚さ１４００ｍｍのモジュールを形成し、真空チャンバー内で７枚の素材の縁部に対して真空電子ビーム封止溶接を行い、次に、熱間鍛造し、所定の寸法に機械加工し、図４に示す四角錐台形状要素を形成する。２つの四角錐台形状要素の小面を重ね合わせて、砂時計型モジュール素材を形成する。

ステップ２では、真空チャンバー内で被溶接素材の縁部に対して真空電子ビーム封止溶接を行い、溶接深さが２５〜４０ｍｍである。

ステップ３では、加熱炉内に封止溶接後の素材を加熱し、最高加熱温度が１２５０℃以上である。

ステップ４では、素材に対して高さ方向に沿った据え込み変形と鍛造間保温を施す。素材を加熱した後にプレス機の操作台上に置き、素材の高さ方向を鉛直方向に沿わせて据え込み操作を行い、圧下量が素材全高の３０〜５５％である。

ステップ５では、素材に対して高温拡散接続を施す。据え込んだ後の素材を加熱炉に戻して加熱し、加熱温度が１２００℃以上であり、均熱した後の保温時間が８時間以上である。

ステップ６では、素材に対して三方向据え込み鍛造を施し、必要な鍛造モジュールを形成する。

明らかに、当業者であれば、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに、本発明に対して様々な修正及び変形を行うことができる。このように、本発明のこれらの修正及び変形が本発明の請求項及びその均等の技術の範囲に属すれば、本発明は、これらの修正及び変形も含むことが意図されている。

Claims (10)

1. プリフォームを製造するステップ（Ｓ１）と、
   前記プリフォームから砂時計型モジュールを製造するステップ（Ｓ２）と、
   前記砂時計型モジュールを加熱した後に、高さ方向に沿った据え込み変形と鍛造間保温とを施すことにより、前記プリフォームを半製品に鍛造するステップ（Ｓ３）と、を含む、異形金属の構築成形方法。
2. 前記半製品を部材又は部品に加工するステップ（Ｓ４）をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の異形金属の構築成形方法。
3. ステップ（Ｓ１）において、前記プリフォームは、鋳造素材、鍛造素材又は圧延素材である基材を構築し、封止溶接し、鍛造して得られるものであり、又は、鍛造素材を機械加工方式で直接製造して得られるものであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の異形金属の構築成形方法。
4. ステップ（Ｓ２）において、前記プリフォームから錐台形状要素を製造した後、２つの前記錐台形状要素の小面を重ね合わせて真空電子ビーム溶接を行い、前記砂時計型モジュールを製造することを特徴とする、請求項３に記載の異形金属の構築成形方法。
5. 前記錐台形状要素は、円錐台形状又は四角錐台形状であり、２つの前記錐台形状要素の中間界面が滑らかに遷移することを特徴とする、請求項４に記載の異形金属の構築成形方法。
6. 前記錐台形状要素の縦方向台形断面の下底辺と脚との夾角は、６０°〜８５°であることを特徴とする、請求項５に記載の異形金属の構築成形方法。
7. 前記真空電子ビーム溶接の溶接深さは、２５ｍｍ〜４０ｍｍであることを特徴とする、請求項４に記載の異形金属の構築成形方法。
8. ステップ（Ｓ２）において、前記砂時計型モジュールのアスペクト比は、１〜３の間にあることを特徴とする、請求項１又は２に記載の異形金属の構築成形方法。
9. ステップ（Ｓ３）において、前記砂時計型モジュールに対して据え込み変形を施す圧下量は、素材全高の３０％〜５５％であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の異形金属の構築成形方法。
10. ステップ（Ｓ３）において、据え込んだ後の素材に対して高温拡散接続を施し、加熱温度が１２００℃以上であり、均熱した後の保温時間が８時間以上であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の異形金属の構築成形方法。