JP2535408B2

JP2535408B2 - 熱間静水圧下加工装置および加工方法

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Publication number: JP2535408B2
Application number: JP1147673A
Authority: JP
Inventors: 神田　　剛; 富春松下; 博滝川
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1989-06-08
Filing date: 1989-06-08
Publication date: 1996-09-18
Anticipated expiration: 2011-09-18
Also published as: JPH0313506A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、熱間静水圧下での加工装置および加工方法
に関し、耐熱性金属材料、セラミックス等の難加工性の
材料を高温静水圧下で加工するのに利用される。

（従来の技術） Ni基合金など耐熱性金属材料については、一般的に加
工性に乏しく、従って、鍛造不可能な高強度系材料につ
いては、従来、粉末冶金法で得られる微細結晶粒超塑性
を利用して加工することが行われている。

また、セラミックスについては、Ni基合金以上に延性
に乏しく加工困難であるが、これについても近年、超塑
性現象の利用により加工が行われるようになってきてい
る。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、超塑性加工においては、ボイドの発生
に伴う加工限界が大きな問題である。

また、低ひずみ速度での加工を必要とすることから、
生産性に劣ることも問題のひとつである。

更に、これまでの超塑性加工装置は、機械プレスを流
用して構成されていたため、被加工品（被加工物）の雰
囲気制御、すなわち、不活性雰囲気の確保が困難であ
り、又、加熱の均質性の確保が面倒であった。

本発明は、被加工品の加工を、高温静水圧下で行うこ
とにより、ボイドの発生を抑制して加工限界を引きあげ
得る熱間静水圧下加工装置および加工方法を提供するこ
とが第１の目的である。

更に、本発明は、加工速度を早め得ることで生産性を
向上し、しかも、雰囲気制御が容易であるとともに均質
加熱を可能で、大形化に耐え得る熱間静水圧下加工装置
および加工方法を提供することが第２の目的である。

また、本発明は、高温静水圧環境を利用しての新たな
加工技術を提供することを第３の目的とする。

（課題を解決するための手段）本発明は、容器軸方向の少なくとも一端に開口部1A,1
Bを有する高圧容器１と前記開口部1A,1Bを開閉自在に閉
塞する蓋部材２とで内部に高圧室８が画成され、該高圧
室８に、倒立コップ形状の断熱層10と該断熱層10の内側
に配設されている加熱要素11とからなる加熱装置９が内
蔵され、該加熱装置９の内側で被加工物27を熱間静水圧
下で加工する処理室12を備えた熱間静水圧加工装置にお
いて、前述の目的を達成するために、次の技術的手段を
講じている。

すなわち、本発明は、前記高圧容器１に、容器軸方向
に移動可能なピストン14が嵌合されており、該ピストン
14に、処理室12に突出する加圧部材22を設けて、該加圧
部材22の容器軸方向の移動で処理室12にて被加工物27を
熱間静水圧下で鍛造し得るように構成されていることを
特徴とするものである。

更に、本発明は、熱間静水圧加圧装置を用いて被加工
物27を処理室12で熱間静水圧下で加工する方法であっ
て、前記処理室12に突出されていて容器軸方向に移動する
加圧部材22により、被加工物27を熱間静水圧下で鍛造加
工することを特徴とするものである。

また、本発明は、被加工物27を処理室12にて焼結及び
／又は熱間静水圧下での緻密化処理を行ない、引続いて
該処理室12で被加工物27を熱間静水圧下で鍛造加工する
ことを特徴とするものである。

更に、本発明は、被加工物27を処理室12内で熱間静水
圧下で鍛造加工し、その後、該処理室12内で熱間静水圧
下での緻密化処理を少なくとも行なうことを特徴とする
ものである。

（実施例と作用）第１図から第５図において、１は高圧容器であり、円
筒形状に形成されていて容器軸方向の両端が上・下開口
部1A,1Bとされている。２は蓋部材であり、前記上開口
部1Aに挿脱自在に嵌合されてシール材３で気密化されて
いる上蓋４と、前記下開口部1Bに挿脱自在に嵌合されて
シール材５で気密化されている下蓋６からなり、該下蓋
６はリング形状の下上蓋6Aと該下上蓋6Aに挿脱自在に嵌
合されてシール材７で気密化されている下下蓋6Bからな
る。

なお、上蓋４および下蓋６には図外の方形枠とされた
プレスフレームが係脱自在とされて加圧処理中に容器軸
方向に作用する軸力を担持するようになっている。

８は高圧室であり、高圧容器１とこれの開口部1A,1B
に嵌合されている上・下蓋4,6とで形成されている。な
お、高圧容器１は一端のみに開口部を有する有底筒形で
あってもよい。

９は加熱装置（加熱炉）であり、倒立コップ形状の断
熱層10と該断熱層10の内側に配置されている加熱要素11
とからなり、高圧室８に内蔵されていてその内部で被加
工物27を熱間静水圧下で加工する処理室12を備えてい
て、加熱要素11およびその電力供給部材13は下上蓋6Aに
備えられている。

断熱層10はガス不透性の内外金属筒10A,10B間に、繊
維状の断熱材10Cを充填して構成されている。

14はピストンであり、高圧容器１の上蓋４側にシール
材15を介して気密化されてかつ容器軸方向に移動自在と
して嵌合されていて、この実施例ではピストン14に前記
断熱層10が懸垂状に取付けられている。

16は加圧室であり、ピストン14を高圧容器１に嵌合す
ることで分画されており、この加圧室16に、上蓋４に形
成している通路17からガス圧媒を供給することで、前記
ピストン14に容器軸方向の加圧力を付与可能としてい
る。

18はクランプ部材であり、上蓋４に縦軸心回りに回動
自在として備えられていて、その下端にフック19がピス
トン14に形成した引掛け部20に係脱自在とされており、
21はクランプロック装置を示している。

従って、クランプ部材18のフック部19を引掛け部20に
ロックした状態でピストン14は保持されており、アンロ
ックすることで、ピストン14は容器軸方向に移動可能な
体勢となる。

22は加圧部材であり、円柱状の断熱材料よりなる連結
具23と上金型24とからなり、両者はピストン14にボルト
等で共締めされており、ピストン14の中央、すなわち、
容器軸心上に配置されて処理室12に突出されている。な
お、断熱層10と連結具23はガス密に接合されている。

25は断熱材よりなる炉床で、下下蓋6Bに載置されてお
り、この炉床25上に下金型26を有して上・下金型24,26
間で被加工物（被加工品）27が配置されており、従っ
て、この実施例では被加工物27は処理室12に対して下方
から装入、取出される。

28はストロークセンサであり、断熱層10の下端位置を
検出すべく容器１の底部側に備えられていて、その検出
信号は制御器29に送られる。

なお、ストロークセンサ28はピストン14の動きを検出
してもよいが、容器１の底部側の方が上部側より低温で
あることから有利となる。

30は圧媒給排装置であり、本実施例では下上蓋6Aに形
成された通路31に、管路32を介してガス集合装置33が接
続されており、管路32にはコンプレッサ34、開閉弁35,3
6および圧力計37と安全弁38を備えており、開閉弁35,36
間には回収管路39を有し、該回収管路39には開閉弁40と
絞り弁41を有している。

更に、開閉弁36と安全弁38との間には真空引管路42が
接続されていて、真空ポンプ43を備えており、44,45は
その開閉弁を示している。なお、46は大気解放用の開閉
弁を示している。

47は加圧ピストン駆動装置であり、上蓋４の通路17に
管路48を介して蓋圧器49が接続されており、該管路48に
は圧力計50、安全弁51および開閉弁52,53が直列に備え
られているとともに、絞り弁54と開閉弁55とを有するバ
イパス回路56を備え、圧媒給排装置30とコンプレッサ34
を共用すべくそれぞれ開閉弁57,58を有する連絡管路59,
60を備えているとともに、制御器29からのフィードバッ
ク信号を絞り弁54に送信して加圧スピードを制御可能と
している。

なお、例えば処理温度が1000℃〜1100℃程度であるNi
基超合金を被加工品27とした場合は、断熱層10としては
インコネル、ステンレス鋼などが用いられ、加熱要素11
としてはFe−Cr−Al等が用いられ、又、上・下金型24,2
6としてはTZMのような特殊合金が用いられ、更に、連結
具23及び炉床25としてセラミックス系断熱材料例えば、
Al₂O₃,ZrO₂或いはそれらの複合材料を用いることが好適
である。

次に、前述した第１実施例の作用を第１〜５図を参照
して概略説明する。

被加工品27は炉床25、下金型26を介して下下蓋6Bに載
置されていて、高圧容器１の下方から処理室12に装入さ
れる。

この場合、加圧ピストン14はそのクランプ部材18によ
って後退（上昇）位置に保持されている。

次に、脱気工程に移行する。なお、第２図から第５図
において、各開閉弁35,36,40,44,45,46,52,53,55,57,58
は、図において黒色は閉状態を示し、白色は開状態を示
している。

第２図の脱気工程にあっては、開閉弁57を開にした状
態で真空ポンプ43を駆動すると、高圧室８は通路31、管
路32,42を介して脱気され、一方加圧室16は通路17、管
路48,59,42を介して脱気される。

脱気完了後は、第３図に示す弁状態にしてコンプレッ
サ34を駆動すると、ガス集合装置33から管路32、通路31
を経て高圧室８に不活性ガス等の圧媒ガスが送気される
とともに、連絡管路60を介して蓄圧器49に送気充填され
る。

高圧室８への所定圧の送気が完了すると、開閉弁35を
閉とし、蓄圧器49への送気充填が完了すると開閉弁36,5
8,53を閉とする（第３図参照）。

次いで、加熱要素11に電力供給して処理室12の温度を
所定温度に到達させる。この際、温度上昇に伴なって高
圧室８および処理室12の圧力が上昇する。

所定の温度圧力に到達すると、ピストン14を保持して
いたクランプ部材18をアンクランプにしてピストン14を
容器軸方向に移動可能は体勢とし、第４図に示す如く開
閉弁55を開にして蓄圧器49からの圧媒ガスを加圧室16に
送気し、加圧室16と高圧室８との差圧のバランスを取り
つつピストン14を加圧方向（鍛造方向）に移動させる。
これによって、加圧部材22の上金型24と下金型26との間
で被加工物27は熱間静水圧下の鍛造加工すなわち、超塑
性加工を得ることになる。

この場合、ピストン14の容器軸方向の移動ストローク
がこの実施例では断熱層10の下端をストロークセンサ28
で検出し、この検出信号を制御器29に送信し、該制御器
29の信号を絞り弁54に送信して該絞り弁54の開度を調整
し、加圧室16の圧力を高圧室８の圧力より高としてピス
トン14の速度制御がなされる（第４図参照）。

所定の加工操作が完了すると、加熱要素11への電力供
給を遮断し、第５図に示す如く開閉弁52,58,40を開にし
て絞り弁41を介して加圧室16内のガスが通路17、管路4
8,60および回収管路39を通してガス集合装置33を回収す
ると、これにともなってピストン14は上昇するので、該
上昇位置にてクランプ部材18で保持する（第５図参
照）。

次いで、高圧室８および処理室12の温度下降後に、開
閉弁35,40を開にして開閉弁41を介して通路31、管路32,
39を通してガス集合装置33に回収し、最終的には開閉弁
46を開にして大気圧まで減圧してから下下蓋6Bを降下さ
せて所定の加工がなされた被加工物27を取出す。

第６図は本発明装置の第２実施例を示しており、前述
した第１実施例と共通する部分は共通符号で示し、以
下、相違点について説明する。

この第２実施例では、ピストン14の加圧動作が絞り弁
41による開度調整に基づく高圧室８側の減圧制御によっ
てなされるようにされており、このために、制御器29か
らのフィードバック信号は絞り弁41に送信されて該絞り
弁41の開度調整を行なうようにしている。

第７図は本発明装置の第３実施例であり、ピストン14
は高圧容器１の下部側に嵌合されていて、このピストン
14に炉床25および下金型26が取付けられて加圧部材22と
されており、断熱層10は連結具23を介して上蓋４に懸垂
固定されているとともに、加熱要素11は通電部材13を介
して上蓋４に支持されている。

また、クランプ部材18およびそのロック装置21は下蓋
６に備えられているとともに、ストロークセンサ28はピ
ストン14の動きを検出するようにされている。

この第３実施例によると、高圧室８の温度勾配が高圧
容器１の下部側が通常、上部側よりも低いことから、ピ
ストン14のシール部材15の耐久性およびピストン14の加
工速度制御性等の点で、第１・２実施例よりは有利とな
る。

なお、第３実施例にあっては図示省略しているけれど
も、圧媒給排装置、ピストン駆動装置については第１及
び第２実施例で説明したものが利用できる。また、この
第３実施例では被加工物27の装入、取出は高圧容器１の
上開口部1Aを通じて行なわれる。

また、上述した各実施例にあっては、ピストン14のた
めの加圧力発生は、処理室12への圧媒ガスを共用してい
るけれども、該加圧力発生のためのガスは、圧媒給排装
置30とは独立した個別の駆動装置47に従うことができ
る。ただ、各実施例で示したように、ガスを共用する方
が、装置構成の簡略化および清浄性の確保の点からは有
利となる。

更に、前述した本発明に係る装置構成（以下、装置と
略称する）にあっては、前述したような加工以外に、以
下のような形態の加工方法を採用できる。

；ジルコニアなど超塑性現象を示すセラミックスを、
装置内で焼結し、引続いて熱間静水圧下での超塑性加工
（鍛造加工）を装置内で行なう。

；装置内で熱間静水圧下で被加工物を緻密化したの
ち、引続いて熱間静水圧下での超塑性加工（鍛造加工）
を装置内で行なう。

特に、の加工方法によれば、鍛造加工前のHIP処理
によって被加工物の組織的欠陥を排除し、しかも、鍛造
加工中も静水圧を作用に基づいてボイドの発生を伴うこ
となく、大変形加工あるいは高ひずみ速度下での加工を
行なうことができる。また、鍛造加工終了後に、再度HI
P処理を行なうことによって、加工中に生成したボイド
を消滅し、より一層の強度向上を期待できる。

（実施例の１）サブミクロン粒径の3mol％ Y₂O₃−TZR/20wt％ Al₂O₃
焼結体（1400℃、空気中1.5hr焼結、密度5.32、φ80mm
×t30mm）を、装置内で、外径100mm、キャビティ径60m
m、テーパ角45゜、深さ20mmの形状に以下に述べる各種
条件で加工し、金型テーパー部近傍からJIS R1601準拠
に曲げ試験片を切り出し、室温曲げ試験に供した結果、
下記の通りであった。

；超塑性加工現象を示すNi基合金粉末などをカプセル
封入して、まず熱間静水圧下に緻密化し、引き続いて熱
間静水圧下での超塑性加工を行なう。

前段の緻密化（HIP処理）で超塑性を示す微細結晶粒
組織を得て、さらに、熱間静水圧の作用にもとづきボイ
ドの発生を伴うことなく、大変形加工或いは高ひずみ速
度下の加工を行なうことができ、又、熱的作用の連続性
という点で経済的な面でも優れた処理法となる。

（実施例の２）粉末の直径が50μｍ以下のNi基合金（12.5Cr−17.9Co
−3.3Mo−4.89Al−4.29Ti−0.6V−残部Ni但しwt％）
を、直径120mm、高さ90mmのステンレス製カプセルに真
空中で充填し封入した。

この粉末充填カプセルを、1050℃、1700kgf/cm²、1.5
hrの条件で熱間静水圧加工して、100％密度のNi基合金
ビレットを得た。引き続いて直ちにピストンを作動して
熱間静水圧下（1000kgf/cm²）で超塑性加工（鍛造加
工）を行なった。なお、このときの条件は1050℃、歪速
度２×10^-3S^-1とした。その結果、鍛造加工は6minで完
了し、大幅な時間の短縮が可能となり、また、被加工物
の組織はボイドなど全く認められず極めて均一で良好な
鍛造組織であることが判明した。

；前述のカプセルに封入された被成形品を２種以上
の材質として例えば、予め板材と板材とを熱間静水圧下
に接合した後、鍛造加工に供しうる他、粉末材料と板材
との組合せで加工の後、静水圧下に保持して接合を行な
い、一挙に複合材の製造を行なう。また、この際、板材
自体をカプセルの一部もしくは全部として、変形、拡散
接合により複合材の製造を行なうこともできる。

（実施例） Ni基合金のHIPビレット（下記TMP−３参照）にて、外
径80mm、内径60mm、高さ60mm、底部5mmの容器と、内径
部に嵌合する厚さ5mmの基部とを製作し、内部に別材質
のNi基合金粉末（下記AF115参照）のHIPビレットを気密
封入した後、1075℃、1700kgf/cm²、1.5hr保持での熱間
静水圧処理を行なった後、1100℃、1000kgf/cm²、歪速
度、２×10^-3S^-1で前述同様の鍛造加工を行なった。

その結果、中心部と周辺部とで材質が異なる接合ディ
スクがボイドの形成をみることなく鍛造可能であること
が判明した。

上記〜から本発明は熱間静水圧加工装置内におい
て、処理室12に突出されていて容器軸方向に移動する加
工部材22によって被加工物27を熱間静水圧下で鍛造加工
する方法をも提供しているのである。

また、次のような加工方法をも提供している。

；被加工品の焼結及び／又は熱間静水圧下の緻密化処
理を行い、引き続いて熱間静水圧下の鍛造加工を行う方
法。

これは、焼結後の熱間静水圧下での鍛造加工によって
セラミックスの加工に適する。

また、予備焼結後にHIP処理してから鍛造加工するこ
とによって焼結品の欠陥除去後の鍛造加工ができてセラ
ミックスの加工法に適する。

；被加工品をカプセル封入して熱間静水圧下の鍛造加
工を行う方法。

これは、緻密化後の鍛造加工であることから、カプセ
ル封入Ni基粉末合金の加工法に適する。

この場合、被加工品が２種以上の材質であってもよ
く、被加工品自体がカプセルの一部又は全部であっても
よい。

；熱間静水圧下の鍛造加工後に、熱間静水圧下の緻密
化処理工程（HIP処理）を行なう加工方法。

これは、鍛造加工後のHIP処理によって欠陥除去でき
てセラミックスに適用でき、また、カプセル封入複合材
にあっては、鍛造加工後に接合できることになる。

前述した本発明方法は第１図から第７図で示した装置
で行なうこともできるが、第８図に示した装置において
もできる。

第８図は加圧ピストン14を蓋部材２、図例では上蓋４
に嵌合し、該ピストン14の先端を蓋部材２より突出させ
て、加工部材22を介して熱間静水圧下で鍛造可能にした
ものであり、加圧ピストン14は、ポンプ61、リリーフ弁
62、切換弁63およびパイロットチェック弁64,65を有す
るガス又は油等の流体による駆動装置66で加圧されると
ともに、後退可能とされており、加工速度はリリーフ弁
62に制御器29からのフィードバック信号を送信して速度
制御可能である。

その他、基本構成は第１〜５図と共通するので共通符
号で示している。

なお、第８図の装置において、加圧ピストン14は下蓋
６に設けたものであってもよい。

また、本発明装置にあっては、金型をダイス形状にし
ておくことにより、熱間静水圧下での押出加工にも利用
できる。

（発明の効果）本発明は以上の通りであり、本発明によれば次の利点
がある。

熱間静水圧下での加工を可能として、静水圧の作用
による延性増大に基づき難加工性材料の塑性加工範囲を
拡大するのみならず、Ni基合金、セラミックスなど超塑
性現象を発現する材料に対して、ボイドの発生を抑制し
てその加工限界を大幅に改善し、或いは、加工速度を早
め生産性を向上できる。

その際、鍛造加工に要する軸力は、熱間静水圧環境
を発生するのに利用する圧媒圧力を利用しているから、
構成が簡単となり、経済性確保の点から有利となり、更
に、装置の大型化に対しても有利となるばかりでなく、
大型化にともなう温度の均質性確保の点でも問題はな
い。

更に、本発明は、同時に被加工品の欠陥除去、緻密
化、接合にも適用できるのは勿論のこと、それらの加工
と加圧部材による鍛造加工との複合化により、すでに述
べた加工限界のより一層の改善を図り、或いは従来にな
い形の複合材料の製造を可能とする。

従って、本発明は、今後増々増大する傾向にある難加
工性を有する先端材料分野の加工に対して極めて有益な
技術を提供できる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の各実施例を示しており、第１図から第５
図は本発明装置の第１実施例による操作工程を順をおっ
て示す各立面断面図、第６図は本発明装置の第２実施例
を示す立面断面図、第７図は本発明装置の第３実施例を
示す一部省略の立面断面図、第８図は本発明方法に適用
できる他の装置を示す立面断面図である。１……高圧容器、1A,1B……開口部、２……蓋部材、８
……高圧室、９……加熱装置、10……断熱層、11……加
熱要素、12……処理室、14……ピストン、22……加圧部
材。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】容器軸方向の少なくとも一端に開口部（1
A）（1B）を有する高圧容器（１）と前記開口部（1A）
（1B）を開閉自在に閉塞する蓋部材（２）とで内部に高
圧室（８）が画成され、該高圧室（８）に、倒立コップ
形状の断熱層（10）と該断熱層（10）の内側に配設され
ている加熱要素（11）とからなる加熱装置（９）が内蔵
され、該加熱装置（９）の内側で被加工物（27）を熱間
静水圧下で加工する処理室（12）を備えた熱間静水圧加
工装置において、前記高圧容器（１）に、容器軸方向に移動可能なピスト
ン（14）が嵌合されており、該ピストン（14）に、処理
室（12）に突出する加工部材（22）を設けて、該加工部
材（22）の容器軸方向の移動で処理室（12）内にて被加
工物（27）を熱間静水圧下で鍛造し得るように構成され
ていることを特徴とする熱間静水圧下加工装置。
【請求項２】容器軸方向の少なくとも一端に開口部（1
A）（1B）を有する高圧容器（１）と前記開口部（1A）
（1B）を開閉自在に閉塞する蓋部材（２）とで内部に高
圧室（８）が画成され、該高圧室（８）に、倒立コップ
形状の断熱層（10）と該断熱層（10）の内側に配設され
ている加熱要素（11）とからなる加熱装置（９）が内蔵
され、該加熱装置（９）の内側で被加工物（27）を熱間
静水圧下で加工する処理室（12）を備えた熱間静水圧加
工装置を用いて被加工物（27）を処理室（12）で熱間静
水圧下で加工する方法であって、前記処理室（12）に突出されていて容器軸方向に移動す
る加圧部材（22）により、被加工物（27）を熱間静水圧
下で鍛造加工することを特徴とする加工方法。
【請求項３】被加工物（27）を処理室（12）にて焼結及
び／又は熱間静水圧下での緻密化処理を行ない、引続い
て該処理室（12）で被加工物（27）を熱間静水圧下で鍛
造加工することを特徴とする請求項（２）記載の加工方
法。
【請求項４】被加工物（27）を処理室（12）内で熱間静
水圧下で鍛造加工し、その後、該処理室（12）内で熱間
静水圧下での緻密化処理を少なくとも行なうことを特徴
とする請求項（２）記載の加工方法。