JP4605909B2

JP4605909B2 - Method for improving surface properties of cast steel

Info

Publication number: JP4605909B2
Application number: JP2001009512A
Authority: JP
Inventors: 敏行落; 卓長田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2001-01-17
Filing date: 2001-01-17
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2021-01-17
Also published as: JP2002210501A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳鋼材の表面性状改善方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インゴットや連鋳材などの内部に存在する鋳造欠陥（空孔）を圧着、消失させるために、圧延や鍛造による加工が行われている（例えば特開平5-228502号公報参照）。
しかしこれらの加工方法は、板厚や径全体にわたる欠陥圧着や、径や板厚の中心の収縮孔等の欠陥の圧着が目的であり、一般に、加工される素材の形状自体も大きく変化する。
【０００３】
ところで，鋳鋼材においてはミクロシュリンケージと呼ばれる微小鋳造欠陥が不可避的に存在する。これら微小鋳造欠陥は、前述の中心部の空孔に比べると微小なものではあるが、機械部品などにおいては、この微小鋳造欠陥が製品の仕上げ表面や、表面近傍の応力集中部（フィレット等）に残存した場合、疲労強度が低下する原因となる。
この問題点を解決する手法として、例えば丸棒のような、回転中心にて加工可能な鋳鋼品に対して、鋳鋼材を回転装置に固定し、加工対象部位を表面より加工可能な温度まで加熱後、加工部位をワークロールとバックアップロールとで加圧挟持するとともに、回転装置にて該挟持中心軸のまわりに回転させ、ワークロールにより鋳鋼材に対して連続的に塑性変形を与える方法（以下、熱間ロール加工法と呼ぶ）により、表面近傍の微小鋳造欠陥を圧着・縮小させ、鋳鋼品の疲労強度を向上させるとともに、製品の表面性状を向上させる生産性の高い加工方法（特開2000-213528号公報参照）が知られている。
【０００４】
また、シリンダーブロック上面のような平面上部に対してローラーを用いて加圧を行い空孔を除去する方法（特開平10-94869号公報記載の実施例２参照）も提案されている。
しかしながら、これら鋳鋼材は一般にニアネットシェイプて鋳造されているため、最終仕上げ寸法までの取代が少なく，加工による素材の変形をその取代範囲内に押さえる必要がある。すなわち、これら品質改善のための加工においては、『被加工材の変形を最小限にして、なおかつ必要な深さまで十分改質を行える』事が求められている。
【０００５】
しかし、前述の実施例に示されている表面改質のための加工方法においては，その加工条件は明確になっていなかったため、(a)圧下量が不足していて、必要な深さまで微小鋳造欠陥が圧着出来ていなかったり、（ｂ）必要な深さまで圧着するためには多大な圧下量が必要となり、最終製品形状が確保出来ないなどの弊害が生じていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記従来法の欠点を排除して、疲労強度及び表面性状に優れた鋳鋼材の表面性状改善方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明は、次の手段を講じた。即ち、本発明の特徴とするところは、鋳鋼材に対してその表面より塑性変形を与え、表面近傍の微小鋳造欠陥を縮小させてその表面性状を改善する方法において、微小鋳造欠陥を縮小させたい領域において、静水圧応力と素材の変形抵抗の比が、１．１５以上になるよう塑性変形を施す点にある。
本願発明者らは、熱間ロール加工法により、使用ローラ形状、圧下量等を種々変化させ、微小鋳造欠陥が圧着・縮小される深さを実験により求めた。そして、３次元有限要素法を用いて、各実験における素材内部の静水圧応力分布を求めた。この結果を（静水圧応力／材料の変形抵抗）として無次元化してまとめた。その結果を図１及び図２に示す。これらのグラフから、静水圧応力と素材の変形抵抗の比が、１．１５以上になるよう塑性変形を施せば、必要とする深さまでの微小鋳造欠陥が圧着・縮小されることが判明したのである。
【０００８】
従って、本発明方法によれば、表面近傍の微小鋳造欠陥が圧着・縮小されるので、疲労強度及び表面性状に優れた鋳鋼材を得ることができる。
前記塑性変形の付与はワークロールによる熱間加工であることが望ましい。
微小欠陥の加工対象とされる範囲は、加工表面より４０ｍｍ以内であることが望ましい。
本発明による狙いとする微小鋳造欠陥圧着領域は、製品の表面近傍であるので、加工表面より４０ｍｍ以内とした。しかし、その最低は１２ｍｍあれば十分である。最低１２ｍｍとした理由は、当加工を行う際の仕上げ面までの取代を１０ｍｍ程度とした場合、操業のバラツキなどが生じても、仕上げ面の性状改善を確保できればよいからである。
【０００９】
前記ワークロールの直径は、４０ｍｍ〜２００ｍｍであることが望ましい。
ワークロールの直径が小さくなるとローラの強度の確保が難しくなり、必要な圧下量が与えられなくなる。また、同一の圧下量における微小鋳造欠陥圧着深さも低下するため、最低必要とする１２ｍｍ深さまでの圧着効果が得にくくなるため、オーラ径の下限を４０ｍｍとした。
一方、ローラ径が大きくなりすぎると、被加工材の変形が局所的でなくなり、素材全体が変形してしまうおそれがある。これを防止するために、上限値として２００ｍｍを規定した。
【００１１】
前記加工において、被加工材が半径Ｒのフィレット部を有する場合、ワークロールの先端の半径をｒとするとき、０．６≦ｒ／Ｒ≦０．９５を満たすワークロールを用いて前記フィレット部の圧下を行うのが望ましい。
フィレット形状とローラ先端径が同一であると、ローラにより押された材料の逃げ場が無くなり、加工荷重が大幅に上昇してしまう。また、変形が局所的なものでなくなるおそれがある。これを防止するための上限値は、０．９５程度が適切である。一方、フィレット径に比べてローラ径が小さすぎると、ローラ先端部の狭い範囲しか加工できなくなると同時に、同一の圧下量に対するローラ下の静水圧応力の値が、平面ローラで押す場合に比べて低くなってしまい、圧下量を大きくしないと必要な深さまで微小鋳造欠陥圧着効果が及ばなくなってしまうため、下限値として０．６５程度を与えるのが適切である。
【００１２】
本発明の鋳鋼材の表面性状改善方法として、前記鋳鋼材は円筒状外周面を有し、その円筒状部の軸心を回転装置の回転中心に一致させて取り付ける装着工程と、前記円筒状部を表面より所定温度に加熱する加熱工程と、前記円筒状部をワークロールとバックアップロールとで加圧挟持すると共に、前記回転装置で前記鋳鋼材をその円筒状部の軸心回りに回転させて、該ワークロールにより前記円筒状部に塑性変形を与える熱間ロール加工工程とを有するのが望ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。
図３に示すものは、円筒状外周面を有する鋳鋼材の性状改善装置の概略図である。この装置は、円筒状外周面を有する鋳鋼材1 を、その円筒状部2 の軸心回りに回転させる回転装置3 と、前記円筒状部2 を表面より所定温度に加熱する加熱装置4 と、前記円筒状部2 をワークロール5 とバックアップロール6 とで加圧挟持すると共に、前記回転装置3 で円筒状部2 の軸心回りに回転させて、該ワークロール5 により前記円筒状部2 に塑性変形を与える加圧装置7 とから主構成されている。
【００１４】
図４に示すものは、前記円筒状外周面を有する鋳鋼材1 の一例としてのテストピースであり、該鋳鋼材1 は、円筒状部2 の両端にフランジ部8 を有する。円筒状部2 の直径は６９２ｍｍで、フランジ部8 の直径は１０５０ｍｍで、高さは５７０ｍｍある。円筒状部2 とフランジ部8 の境界部分に、フランジ部側に凹入するフィレット部9 が形成されている。この両側のフィレット部9,9 間がピン部10とされている。尚、フランジ部8 の内面に形成された溝11は、ワークロール挿入用の進入溝である。
【００１５】
前記回転装置3 は、鋳鋼材1 を載置して縦軸芯回りに回転させる回転テーブル12を有する。この回転テーブル12の上面に素材固定用治具13が設けられている。この回転テーブル12は、回転速度、回転数、回転角度等の制御が可能とされている。
前記素材固定用治具13に、前記鋳鋼材1 が、その円筒状部2 の中心と回転テーブル12の回転中心とが一致するよう取り付けられ、固定される。
前記加熱装置4 は、加熱バーナー14を有し、ピン部10及びフィレット部9 をその表面より加熱するものである。この実施例では、加熱バーナー14の一例として、複数のガスバーナーが用いられている。この加熱装置4 は、火力や火炎、位置等を制御して、加熱温度の制御を可能としている。
【００１６】
前記加圧装置7 は、前記回転テーブル12の両側に配置された左右のフレーム15,15 を有し、該一対のフレーム15は連結部材16で剛体結合されている。前記右フレーム15には、伸縮自在な油圧シリンダ17を介して前記ワークロール5 が支持され、左フレーム15には、伸縮自在な油圧シリンダ17を介して前記バックアップロール6 が支持されている。前記油圧シリンダ17は、上下方向位置調整自在に設けられている。この場合、左右フレーム15に上下移動可能に設けられたシリンダ取付部材（図示省略）に左右の油圧シリンダ17を設ければ、左右の油圧シリンダの上下移動を同時に行える。
【００１７】
前記左右のシリンダ17,17 は、鋳鋼材1 の円筒部2 の中心を通る直径線上に位置するよう配置され、該直径方向に伸縮自在とされている。
前記バックアップロール6 は、上下二段でかつ円筒状部2 の周方向に２個の計４個のロールを有する。勿論このバックアップロール6 は、円筒状部2 の直径線上に位置して、ワークロールと対峙する１個のロールから成るものであってもよい。また、上下１段で周方向に２個配置したものでもよい。
前記ワークロール5 は、作業によって取り替え自在に設けられている。即ち、油圧シリンダ17の先端部にローラヘッド18が取り替え自在に設けられ、該ローラヘッド18にワークロール5 が回転自在に設けられている。
【００１８】
図５に各種作業に適したワークロール5 の形状が示されている。
同図（ａ）に示すものは、フィレット部9 の奥部を加工するものである。前記油圧シリンダ17の端部に着脱自在に取り付けられる前記ローラヘッド18は、その上下面が、二等辺三角形のテーパ面19に形成され、該上下のテーパ面19にローラ支持体20が摺動自在に設けられている。ローラ支持体20は、ワークロール5 の支軸21を介して該ロール5 を回転自在に支持している。そして、油圧シリンダ17が伸長してローラヘッド18が図５（ａ）の左方向に移動すると、ローラ支持体20はローラヘッド18のテーパ面19に押されて両者間に相対移動が生じ、ワークロール5 の先端は、図示矢印方向に移動し、鋳鋼材1 のフィレット部9 の奥部に塑性変形を与える。
【００１９】
同図（ｂ）に示すものは、前記（ａ）に示すものよりもローラ5 の厚みが厚いものであり、前記（ａ）に示すローラ5 で加工した部分の両側を加工するように構成されている。その他の構成は前記（ａ）に示すものと同じである。
同図（ｃ）に示すものは、前記（ｂ）に示すローラ5 で加工した部分の外側のピン部10側を加工するものである。ローラヘッド18には、垂直軸22が設けられ、該垂直軸22の上下両端部にワークロール5 が回動自在に支持されている。
同図（ｄ）に示すものは、前記（ｃ）で加工した部分の内側のピン部10を加工するものであり、その他の構成は前記（ｃ）に示すものと同じである。
【００２０】
同図（ｅ）に示すものは、前記（ｄ）で加工した部分の内側のピン部10を加工するものであり、ワークロール5 は１個設けられ、ワークローラ5 は上下方向往復移動自在に設けられている。尚、この上下方向移動可能な構成は、（ｅ）図のものに限らず、例えば（ｄ）に示すものにも適用できる。
次に、前記装置を用いた鋳鋼材1 の性状改善方法につき説明する。
この方法は、円筒状外周面を有する鋳鋼材1 を、その円筒状部2 の軸心を回転装置3 の回転中心に一致させて取り付ける装着工程と、前記円筒状部2 を表面より所定温度に加熱する加熱工程と、前記円筒状部2 をワークロール5 とバックアップロール6 とで加圧挟持すると共に、前記回転装置3 で前記鋳鋼材1 をその円筒状部2 の軸心回りに回転させて、該ワークロール5 により前記円筒状部2 に塑性変形を与える熱間ロール加工工程とを有する。
【００２１】
即ち、図４に示す鋳鋼材1 を、その円筒状部2 の中心が回転テーブル12の回転中心と一致するよう、素材固定用治具13を介して回転テーブル12に固定する。次いで、回転テーブル12を回転させながら、加熱装置4 のガスバーナ14により、鋳鋼材1 の円筒状部2 （ピン部10及びフィレット部9 ）をその表面温度が７００℃〜１２５０℃の範囲になるよう加熱する。この実施例では９００℃になるまで加熱した。
更に加熱、回転を継続しながら、加圧装置7 のバックアップロール6 とワークロール5 とで、素材1 の円筒状部2 を挟持・加圧する。このときのワークロール5 の形状は、図５（ａ）に示すものである。この加圧において、ワークロール5 による素材1 の圧下量が３ｍｍとなるよう、圧下量制御（油圧シリンダ17の伸長制御）を行いながら、円筒状部2 の周方向全体に圧下を行った。
【００２２】
その後、ワークロール5 を図５の（ｂ）〜（ｅ）に示す形状のものに順次取り替えて、同様に圧下を行い、素材1 のフィレット部9 及びピン部10全体に熱間ロール加工を行った。
この際、圧下量による微小鋳造欠陥圧着の効果の差をみるため、各ワークロール５により圧下量を変化させて加工を行った。
前記熱間ロール加工完了後、鋳鋼材1 を回転テーブル12上から撤去して放冷した。その後、鋳鋼材1 全体を炉中で９２０℃に加熱して２０時間保持、空冷する焼準処理を行った。更にその後、６３０℃、１８時間の焼戻し処理を行った。
【００２３】
同様な実験を行った寸法の違う素材も併せて、以下の調査を行った。
即ち、熱間ロール加工を行った素材のピン部及びフィレット部をグラインダ及び研磨を行うことにより表面粗度を上げ、表面より超音波探傷を行って、深さ３５ｍｍまでの検出される全ての欠陥を記録した。
一方、これら一連の実験で行った、熱間ロール加工条件（使用ローラ形状、圧下量など）に対して、３次元有限要素法による変形解析を行い、素材内部の静水圧応力分布を求めた。
【００２４】
図１，２は、前記結果を（静水圧応力／材料の変形抵抗）として無次元化してまとめた例である。
図中、斜線と矢印で示しているのは、試験材の超音波探傷結果により、それ以上浅い位置には、一切の微小鋳造欠陥が検出されなかったことを示している。
これら一連の結果より、静水圧応力／材料の変形抵抗の値が、１．１５以上となる熱間ロール加工を施すことにより、微小鋳造欠陥を圧着させることが出来ることが明確となった。
【００２５】
次の表１は、実験結果と３次元有限要素法の解析結果との対比表である。
【００２６】
【表１】

【００２７】
（静水圧応力／素材の変形抵抗）の値は、使用するローラ径と加工時の圧下量により決まる。様々なローラ径、圧下量に対して、３次元変形解析を行い、夫々の条件にて、（静水圧応力／素材の変形抵抗）が１．１５となる深さを求めた。
それらの関係は、次の回帰式で与えられる。
Ｙ＝ｆ（Ｘ，Ｄ）
ここで、Ｙ：圧着深さ、Ｘ：圧下量（０．５≦Ｘ≦５）、Ｄ：ローラ径（４０≦Ｄ≦２００）である。
【００２８】
この結果を次の表２に示す。
【００２９】
【表２】

【００３０】
図６は、３次元有限要素法の解析結果を整理して、この微小鋳造欠陥圧着条件の、（静水圧応力／材料の変形抵抗）≦１．１５となる圧下量と深さの関係を、使用ローラ毎に整理したものである。
図７は、同様に、ローラ径と深さの関係を圧下量毎に整理したものである。
これらのデータを用いると、与えられた条件に対して容易に加工条件を決定することが出来る。以下に、図６を用いた例を示す。
例えば、１５ｍｍ深さまでの微小鋳造欠陥を圧着させたいが、ロール加工による最大のへこみ量（＝ローラの圧下量）を２．５ｍｍ以下にする必要がある場合、直径９０ｍｍのローラを用いると、以下の手順で加工条件を決定することが出来る。
（１）最大へこみ量が２．５ｍｍ以下であるため、圧下量は直線Ｂ−Ｂより左の領域である必要がある。
（２）直径９０ｍｍのローラを用いた場合の微小鋳造欠陥圧着限界は、曲線Ｃ−Ｃで与えられるので、１５ｍｍ深さまで微小鋳造欠陥を圧着させるには、直線Ａ−Ａと曲線Ｃ−Ｃの交点Ｄ（圧下量＝１．３ｍｍ）より右側の領域の圧下量で加工する必要がある。
【００３１】
これにより、直径９０ｍｍのローラを用いた場合、１．３ｍｍ≦圧下量≦２．５ｍｍで加工すればよいことが分かる。
同様の手法で、直径１４０ｍｍのローラを用いた場合には、１．０ｍｍ≦圧下量≦２．５ｍｍで加工すれば良いことがわかる。
尚、本発明は、前記実施の形態に記載したものに限定されるものではない。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、疲労強度及び表面性状に優れた鋳鋼材を製造することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ロール径９０ｍｍを用いた実験における、（静水圧応力／素材の変形抵抗）と表面からの深さの関係における微小鋳造欠陥の圧着効果を示すグラフである。
【図２】図２は、ロール径１８０ｍｍを用いた実験における、（静水圧応力／素材の変形抵抗）と表面からの深さの関係における微小鋳造欠陥の圧着効果を示すグラフである。
【図３】図３は、性状改善装置の概略構成図である。
【図４】図４は、鋳鋼材の一例を示し、その（ａ）は平面図、同（ｂ）は正面図である。
【図５】図５は、各種のワークロールの形状を示す図面である。
【図６】図６は、圧下量と圧着深さの関係を示すグラフである。
【図７】図７は、ローラ径と圧着深さの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１鋳鋼材
２円筒状部
３回転装置
４加熱装置
５ワークロール
６バックアップロール
７加圧装置
１２回転テーブル
１４加熱バーナ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for improving the surface properties of cast steel.
[0002]
[Prior art]
In order to crimp and eliminate casting defects (holes) existing inside an ingot or continuous cast material, processing by rolling or forging is performed (for example, see JP-A-5-228502).
However, these processing methods are aimed at pressure bonding of defects over the entire plate thickness and diameter, and pressure bonding of defects such as shrink holes at the center of the diameter and plate thickness. Generally, the shape of the material to be processed itself greatly changes.
[0003]
By the way, in a cast steel material, a minute casting defect called a micro shrinkage inevitably exists. These micro casting defects are very small compared to the above-mentioned hole in the center, but in machine parts, these micro casting defects are the finished surface of the product and stress concentration parts (fillets, etc.) near the surface. If it remains, the fatigue strength will be reduced.
As a technique for solving this problem, for example, a cast steel product that can be processed at the center of rotation, such as a round bar, the cast steel material is fixed to a rotating device, and the part to be processed is heated from the surface to a processable temperature. After that, the work site is pressed and clamped between the work roll and the backup roll, and is rotated around the clamping central axis by a rotating device, and a plastic deformation is continuously applied to the cast steel material by the work roll (hereinafter referred to as the following) , Which is called a hot roll processing method), a high-productivity processing method that improves the surface properties of the product while improving the fatigue strength of the cast steel product by compressing / reducing micro-cast defects near the surface (Japanese Patent Laid-Open No. 2000). -213528) is known.
[0004]
There has also been proposed a method (see Example 2 described in Japanese Patent Laid-Open No. 10-94869) in which pressure is applied to a flat upper surface such as the upper surface of a cylinder block by using a roller to remove holes.
However, since these cast steel materials are generally cast in a near net shape, there is little allowance for the final finished dimensions, and it is necessary to suppress the deformation of the material due to processing within the allowance range. That is, in the processing for improving the quality, it is required that “the deformation of the workpiece can be minimized and sufficient modification can be made to a necessary depth”.
[0005]
However, in the processing method for surface modification shown in the above-mentioned embodiment, since the processing conditions were not clear, (a) the amount of reduction was insufficient, and microcasting to the required depth was performed. Defects could not be crimped, or (b) a large amount of reduction was required to crimp to the required depth, resulting in problems such as failure to secure the final product shape.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a method for improving the surface properties of a cast steel material, which eliminates the drawbacks of the conventional methods and is excellent in fatigue strength and surface properties.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention has taken the following measures. That is, the feature of the present invention is to reduce the micro casting defects in a method of improving the surface properties by imparting plastic deformation to the cast steel material from the surface and reducing the micro casting defects near the surface. In the region, the plastic deformation is performed so that the ratio between the hydrostatic stress and the deformation resistance of the material is 1.15 or more.
The inventors of the present application determined the depth at which a minute casting defect is pressure-bonded / reduced by experiments by variously changing the shape of the roller used, the amount of reduction, and the like by a hot roll processing method. And the hydrostatic pressure stress distribution inside the raw material in each experiment was calculated | required using the three-dimensional finite element method. The results were summarized as dimensionless as (hydrostatic pressure stress / material deformation resistance). The results are shown in FIGS. From these graphs, it was found that if the plastic deformation is performed so that the ratio of the hydrostatic stress to the deformation resistance of the material is 1.15 or more, the minute casting defects to the required depth are crimped and reduced. is there.
[0008]
Therefore, according to the method of the present invention, since the minute casting defects in the vicinity of the surface are crimped / reduced, a cast steel material having excellent fatigue strength and surface properties can be obtained.
The imparting of the plastic deformation is preferably hot working by a work roll.
It is desirable that the range of minute defects to be processed is within 40 mm from the processing surface.
Since the micro casting defect press-bonding region targeted by the present invention is in the vicinity of the surface of the product, it is within 40 mm from the processed surface. However, a minimum of 12 mm is sufficient. The reason for the minimum of 12 mm is that when the machining allowance to the finished surface at the time of this machining is about 10 mm, it is only necessary to ensure improvement in the properties of the finished surface even if there are variations in operation.
[0009]
The diameter of the work roll is preferably 40 mm to 200 mm.
When the diameter of the work roll becomes small, it becomes difficult to secure the strength of the roller, and the necessary reduction amount cannot be given. Moreover, since the crimping depth of the minute casting defect at the same reduction amount is also reduced, it is difficult to obtain the crimping effect up to the minimum required depth of 12 mm. Therefore, the lower limit of the aura diameter is set to 40 mm.
On the other hand, if the roller diameter becomes too large, deformation of the workpiece is not localized, and the entire material may be deformed. In order to prevent this, an upper limit value of 200 mm is specified.
[0011]
Before Symbol processing, if the workpiece has a fillet radius R, when the radius of the work roll tip is r, the fillet by using a work roll that satisfies 0.6 ≦ r / R ≦ 0.95 It is desirable to reduce the part.
When the fillet shape and the roller tip diameter are the same, there is no escape space for the material pressed by the roller, and the processing load is significantly increased. Further, the deformation may not be local. The upper limit value for preventing this is appropriately about 0.95. On the other hand, if the roller diameter is too small compared to the fillet diameter, only a narrow range at the tip of the roller can be processed, and at the same time, the hydrostatic stress value under the roller for the same amount of reduction is compared to when pressing with a flat roller. If the amount of reduction is not increased and the reduction amount is not increased, the effect of crimping micro casting defects to the required depth will not be achieved, so it is appropriate to give a lower limit of about 0.65.
[0012]
As a method for improving the surface properties of a cast steel material according to the present invention, the cast steel material has a cylindrical outer peripheral surface, and is attached with the axis of the cylindrical portion aligned with the rotation center of the rotating device, and the cylindrical portion A heating step for heating the cylindrical part to a predetermined temperature from the surface, the cylindrical part is pressed and clamped between a work roll and a backup roll, and the cast steel is rotated around the axis of the cylindrical part by the rotating device. It is desirable to include a hot roll processing step for plastically deforming the cylindrical portion by the work roll.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
What is shown in FIG. 3 is the schematic of the property improvement apparatus of the cast steel material which has a cylindrical outer peripheral surface. This apparatus includes a rotating device 3 that rotates a cast steel material 1 having a cylindrical outer peripheral surface around an axis of the cylindrical portion 2, a heating device 4 that heats the cylindrical portion 2 to a predetermined temperature from the surface, The cylindrical part 2 is pressed and clamped between the work roll 5 and the backup roll 6 and rotated around the axis of the cylindrical part 2 by the rotating device 3, and the cylindrical part 2 is moved to the cylindrical part 2 by the work roll 5. And a pressurizing device 7 for applying plastic deformation.
[0014]
FIG. 4 shows a test piece as an example of the cast steel material 1 having the cylindrical outer peripheral surface. The cast steel material 1 has flange portions 8 at both ends of the cylindrical portion 2. The diameter of the cylindrical portion 2 is 692 mm, the diameter of the flange portion 8 is 1050 mm, and the height is 570 mm. A fillet portion 9 that is recessed toward the flange portion is formed at the boundary portion between the cylindrical portion 2 and the flange portion 8. A pin portion 10 is formed between the

fillet portions

9 and 9 on both sides. A groove 11 formed on the inner surface of the flange portion 8 is an entry groove for inserting a work roll.
[0015]
The rotating device 3 has a rotating table 12 on which the cast steel material 1 is placed and rotated around the vertical axis. A material fixing jig 13 is provided on the upper surface of the rotary table 12. The rotary table 12 can control the rotation speed, the rotation speed, the rotation angle, and the like.
The cast steel material 1 is attached and fixed to the material fixing jig 13 so that the center of the cylindrical portion 2 thereof coincides with the rotation center of the rotary table 12.
The heating device 4 has a heating burner 14 and heats the pin portion 10 and the fillet portion 9 from the surface thereof. In this embodiment, as an example of the heating burner 14, a plurality of gas burners are used. The heating device 4 can control the heating temperature by controlling the heating power, flame, position, and the like.
[0016]
The pressurizing device 7 has left and

right frames

15, 15 disposed on both sides of the rotary table 12, and the pair of frames 15 are rigidly coupled by a connecting member 16. The work roll 5 is supported on the right frame 15 via a retractable hydraulic cylinder 17, and the backup roll 6 is supported on the left frame 15 via a retractable hydraulic cylinder 17. The hydraulic cylinder 17 is provided so that its vertical position can be adjusted. In this case, if the left and right hydraulic cylinders 17 are provided on a cylinder mounting member (not shown) provided on the left and right frames 15 so as to be movable up and down, the left and right hydraulic cylinders can be moved up and down simultaneously.
[0017]
The left and

right cylinders

17 and 17 are arranged so as to be positioned on a diameter line passing through the center of the cylindrical portion 2 of the cast steel material 1, and are extendable in the diameter direction.
The backup roll 6 has a total of four rolls, two in the upper and lower stages and two in the circumferential direction of the cylindrical portion 2. Of course, the backup roll 6 may be a single roll positioned on the diameter line of the cylindrical portion 2 and facing the work roll. Moreover, what was arrange | positioned in the circumferential direction by 1 step | paragraph upper and lower may be used.
The work roll 5 is provided to be replaceable depending on the work. In other words, a roller head 18 is replaceably provided at the tip of the hydraulic cylinder 17, and a work roll 5 is rotatably provided on the roller head 18.
[0018]
FIG. 5 shows the shape of the work roll 5 suitable for various operations.
What is shown in FIG. 5A is for processing the back portion of the fillet portion 9. The roller head 18 that is detachably attached to the end of the hydraulic cylinder 17 is formed with an isosceles triangular tapered surface 19 on its upper and lower surfaces, and the roller support 20 is slidable on the upper and lower tapered surfaces 19. Is provided. The roller support 20 rotatably supports the roll 5 via a support shaft 21 of the work roll 5. When the hydraulic cylinder 17 extends and the roller head 18 moves to the left in FIG. 5A, the roller support 20 is pushed by the taper surface 19 of the roller head 18 to cause relative movement between the two. The tip of the roll 5 moves in the direction of the arrow shown in the figure, and plastic deformation is applied to the inner part of the fillet part 9 of the cast steel material 1.
[0019]
The roller shown in FIG. 5B is thicker than the roller shown in FIG. 5A, and is configured to process both sides of the portion processed by the roller 5 shown in FIG. ing. Other configurations are the same as those shown in (a) above.
In FIG. 6C, the pin portion 10 side outside the portion processed by the roller 5 shown in FIG. The roller head 18 is provided with a vertical shaft 22, and work rolls 5 are rotatably supported at both upper and lower ends of the vertical shaft 22.
The one shown in FIG. 3D is for processing the pin portion 10 inside the portion processed in the above-mentioned (c), and the other configuration is the same as that shown in the above-mentioned (c).
[0020]
In the figure (e), the pin 10 inside the portion processed in (d) is processed, and one work roll 5 is provided, and the work roller 5 can be reciprocated in the vertical direction. Is provided. Note that this vertically movable configuration is not limited to the one shown in FIG. 3E, and can be applied to the one shown in FIG.
Next, a method for improving the properties of the cast steel material 1 using the apparatus will be described.
This method includes a mounting step of attaching a cast steel material 1 having a cylindrical outer peripheral surface so that the axial center of the cylindrical portion 2 coincides with the rotation center of the rotating device 3, and the cylindrical portion 2 is brought to a predetermined temperature from the surface. A heating process for heating, and pressing and holding the cylindrical portion 2 between the work roll 5 and the backup roll 6 and rotating the cast steel 1 around the axis of the cylindrical portion 2 by the rotating device 3 And a hot roll working step for plastically deforming the cylindrical portion 2 by the work roll 5.
[0021]
That is, the cast steel material 1 shown in FIG. 4 is fixed to the turntable 12 via the material fixing jig 13 so that the center of the cylindrical portion 2 coincides with the rotation center of the turntable 12. Next, while rotating the rotary table 12, the surface temperature of the cylindrical portion 2 (the pin portion 10 and the fillet portion 9) of the cast steel material 1 is in the range of 700 ° C to 1250 ° C by the gas burner 14 of the heating device 4. Heat. In this example, it was heated to 900 ° C.
Further, the cylindrical portion 2 of the material 1 is sandwiched and pressed by the backup roll 6 and the work roll 5 of the pressurizing device 7 while continuing the heating and rotation. The shape of the work roll 5 at this time is as shown in FIG. In this pressurization, the entire part in the circumferential direction of the cylindrical portion 2 was reduced while performing the reduction amount control (elongation control of the hydraulic cylinder 17) so that the reduction amount of the material 1 by the work roll 5 was 3 mm.
[0022]
Thereafter, the work roll 5 is sequentially replaced with the shape shown in FIGS. 5B to 5E, and the work roll 5 is similarly reduced and hot roll processing is performed on the fillet portion 9 and the entire pin portion 10 of the material 1. It was.
At this time, in order to see the difference in the effect of crimping the minute casting defect depending on the amount of reduction, the work roll 5 was processed by changing the amount of reduction.
After completion of the hot roll processing, the cast steel material 1 was removed from the rotary table 12 and allowed to cool. Thereafter, the entire cast steel 1 was heated in a furnace at 920 ° C., held for 20 hours, and air-cooled. Thereafter, tempering treatment was performed at 630 ° C. for 18 hours.
[0023]
The following investigation was also performed on materials with different dimensions that were subjected to the same experiment.
That is, the surface roughness is increased by grinding and polishing the pin part and fillet part of the material subjected to hot roll processing, and ultrasonic flaw detection is performed from the surface, and all defects detected up to a depth of 35 mm are detected. Was recorded.
On the other hand, deformation analysis by a three-dimensional finite element method was performed on the hot roll processing conditions (roller shape used, reduction amount, etc.) performed in these series of experiments, and the hydrostatic pressure stress distribution inside the material was obtained.
[0024]
1 and 2 are examples in which the above results are summarized as dimensionless as (hydrostatic pressure stress / material deformation resistance).
In the figure, the hatched lines and arrows indicate that no micro casting defects were detected at shallower positions due to the ultrasonic flaw detection result of the test material.
From these series of results, it was clarified that micro casting defects can be pressure-bonded by performing hot roll processing in which the value of hydrostatic stress / material deformation resistance is 1.15 or more.
[0025]
Table 1 below is a comparison table between the experimental results and the analysis results of the three-dimensional finite element method.
[0026]
[Table 1]

[0027]
The value of (hydrostatic pressure stress / material deformation resistance) is determined by the roller diameter to be used and the amount of reduction during processing. Three-dimensional deformation analysis was performed for various roller diameters and rolling reductions, and the depth at which (hydrostatic pressure stress / material deformation resistance) was 1.15 was obtained under each condition.
Their relationship is given by the following regression equation:
Y = f (X, D)
Here, Y: depth of crimping, X: amount of reduction (0.5 ≦ X ≦ 5), D: roller diameter (40 ≦ D ≦ 200).
[0028]
The results are shown in Table 2 below.
[0029]
[Table 2]

[0030]
FIG. 6 organizes the analysis results of the three-dimensional finite element method, and shows the relationship between the amount of reduction and the depth of (hydrostatic pressure stress / deformation resistance of the material) ≦ 1.15 under this micro-casting defect pressing condition, These are organized by roller used.
FIG. 7 similarly shows the relationship between the roller diameter and the depth for each reduction amount.
Using these data, the processing conditions can be easily determined for given conditions. An example using FIG. 6 is shown below.
For example, if you want to crimp a minute casting defect up to a depth of 15 mm, but the maximum dent amount (= rolling amount of the roller) by roll processing needs to be 2.5 mm or less, using a 90 mm diameter roller, The processing conditions can be determined by the following procedure.
(1) Since the maximum dent amount is 2.5 mm or less, the amount of reduction needs to be a region on the left side of the straight line BB.
(2) Since the limit of crimping of a minute casting defect when a roller having a diameter of 90 mm is used is given by a curve CC, in order to crimp a minute casting defect to a depth of 15 mm, the straight line AA and the curve CC are It is necessary to process with the reduction amount in the region on the right side of the intersection D (the reduction amount = 1.3 mm).
[0031]
Thus, it can be seen that when a roller having a diameter of 90 mm is used, the processing should be performed with 1.3 mm ≦ rolling amount ≦ 2.5 mm.
In the same manner, it is understood that when a roller having a diameter of 140 mm is used, the processing should be performed with 1.0 mm ≦ the reduction amount ≦ 2.5 mm.
In addition, this invention is not limited to what was described in the said embodiment.
[0032]
【The invention's effect】
According to the present invention, a cast steel material having excellent fatigue strength and surface properties can be produced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing the pressure-bonding effect of a minute casting defect in a relationship between (hydrostatic stress / material deformation resistance) and depth from the surface in an experiment using a roll diameter of 90 mm.
FIG. 2 is a graph showing the effect of crimping a minute casting defect on the relationship between (hydrostatic stress / material deformation resistance) and depth from the surface in an experiment using a roll diameter of 180 mm.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a property improving apparatus.
FIG. 4 shows an example of a cast steel material, in which (a) is a plan view and (b) is a front view.
FIG. 5 is a drawing showing shapes of various work rolls.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the reduction amount and the crimping depth.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the roller diameter and the pressure bonding depth.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cast steel material 2 Cylindrical part 3 Rotating device 4 Heating device 5 Work roll 6 Backup roll 7 Pressurizing device 12 Rotary table 14 Heating burner

Claims

In the method of improving the surface properties by giving plastic deformation to the cast steel from its surface and reducing the small casting defects near the surface,
A method for improving the surface properties of a cast steel material, wherein plastic deformation is performed so that a ratio of hydrostatic stress and deformation resistance of a material is 1.15 or more in a region where micro casting defects are desired to be reduced.

2. The method for improving the surface properties of a cast steel material according to claim 1, wherein the imparting of the plastic deformation is hot working by a work roll.

The method for improving the surface properties of a cast steel material according to claim 1 or 2, characterized in that the range to be processed of minute defects is within 40 mm from the processed surface.

The imparting of the plastic deformation is hot working by a work roll, and the range to be processed of minute defects is within 40 mm from the work surface, and the diameter of the work roll is 40 mm to 200 mm. The method for improving surface properties of a cast steel material according to claim 1.

When the workpiece has a fillet portion with a radius R and the radius of the tip of the work roll is r, the fillet portion is reduced using a work roll satisfying 0.6 ≦ r / R ≦ 0.95. The method for improving the surface properties of a cast steel material according to any one of claims 1 to 4 .

The cast steel material has a cylindrical outer peripheral surface, and an attachment step for attaching the cylindrical portion so that the axis of the cylindrical portion coincides with the rotation center of the rotating device;
A heating step of heating the cylindrical portion from the surface to a predetermined temperature;
The cylindrical part is pressed and clamped between a work roll and a backup roll, and the cast steel is rotated around the axis of the cylindrical part by the rotating device, and the cylindrical part is plastically deformed by the work roll. A method for improving the surface properties of a cast steel material according to claim 1, further comprising: a hot roll processing step for imparting heat resistance .