JP4843401B2

JP4843401B2 - 鍛造方法とその鍛造方法に用いる金敷

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Publication number: JP4843401B2
Application number: JP2006208289A
Authority: JP
Inventors: 英樹柿本
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2006-07-31
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2026-07-31
Also published as: JP2008030101A

Description

本発明は、鋼塊や鋼材などの素材を鍛伸する際に素材の内部や表面に発生する欠陥をなくした鍛造方法とその鍛造方法に用いる金敷に関するものである。

従来から、図７に示すように、鋼塊や鋼材などの素材ｂを鍛伸するには、押圧面１１が平面となった金敷ａで、素材ｂの上下を挟み込むようして加工を施す自由鍛造方法が一般的に行われていた。具体的にはこの従来の鍛造方法は、素材ｂを圧下する平面状の押圧面１１を有する金敷ａを用いて行われていた。つまり、素材Ｂに対するこの金敷ａの押圧面１１による圧下と、素材ｂの搬送を繰り返し行うことにより素材ｂの鍛伸は行われていた。

しかしながら、このような鍛伸作業により素材を加工すると、金敷の押圧面に接触する素材の表層は金敷によって塑性流動が拘束されるため、金敷と接触する範囲の中央部、即ち素材の幅方向中央部には殆ど歪みが加わらないデッドメタル域が発生することがあった。

一般に素材を加工すると、素材内部には塑性ひずみを受ける部位とほとんど受けないデッドメタル域が存在することとなる。塑性ひずみを受ける部位では組織の微細化による機械的性質の向上や内部欠陥の閉鎖により特性を均一化することができる。しかし、デッドメタル域では鋳込んだ際の粗い組織のまま残留するため、組織の微細化や内部欠陥の閉鎖が起こらず、特に感受性の高い難加工材を鍛造する際に鍛造割れ等の表面欠陥を生じることがある。

そこで、デッドメタル域の発生を解消するために発明された鍛造方法が、特許文献１に記載された発明である。

特許文献１によると、図８に示すように、素材の鍛造は二つの工程に分けて行われていた。なお、二工程に分けて行われるが金敷の形状は多少異なるが二工程とも正面図は図７と略同じであるので特に図示はしない。まず、行われるのが図８（ａ）に示す第一工程で、素材ｂの幅より狭い幅の押圧面２１を有する第一の金敷ａ１で、素材ｂの幅方向中央部のみを圧下して幅方向中央部に凹部２２を形成する。次に行われるのが図８（ｂ）に示す第二工程で、素材ｂの幅より広い幅の押圧面３１を有する第二の金敷ａ２で、前記凹部２２が形成された素材ｂの幅方向両端部を圧下することで素材ｂの表面を平滑に仕上げる。

この特許文献１に記載された鍛造方法によると、確かに、素材の幅方向中央部のデッドメタル域の発生を低減する効果はあるが、第一工程終了後に、段差が出来た箇所で温度分布がつき、変形抵抗に差が生じ、第二工程で、表面疵が発生してしまうという問題を新たに発生していた。更には、鍛錬では、素材を軸方向に回転させ、図８（ａ）及び（ｂ）に記載された上下方向、左右方向からの圧下を順次行うために角部での折れ込み疵の発生を助長してしまうという問題もあった。また、二種の金敷を使うため作業時間も余分にかかるという新たな問題も発生していた。
特開２００２−１６００３６号公報

本発明は上記従来の問題点に鑑みて発明したものであって、素材の幅方向中央部のデッドメタル域の発生を低減することができるばかりか、角部での折れ込み疵の発生等表面に疵が発生することの防止と内部欠陥の閉鎖も達成でき、なおかつ、一種の金敷しか使わないため作業時間も多くかかることがない鍛造方法とその鍛造方法に用いる金敷を提供することを課題とするものである。

請求項１記載の発明は、素材を所定寸法だけ搬送し圧下する鍛造方法であって、金敷の第一の押圧部を素材の表面に圧下して、その素材の幅方向両側部に凹面を形成する第一工程と、前記金敷の第二の押圧部を、前記凹面で挟まれた素材の幅方向中央部の凸面に圧下して、素材の表面を平滑に仕上げる第二工程とより成り、前記金敷には、幅方向中央部に非押圧部が設けられた第一の押圧部と、第二の押圧部が、素材の搬送方向に連続して設けられていることを特徴とする鍛造方法である。

請求項２記載の発明は、素材の搬送と圧下が繰り返し行われ、一回毎の素材の搬送寸法は、金敷の、素材搬送方向寸法の１／２以下であると共に、第一の押圧部、第二の押圧部夫々の、素材搬送方向寸法以下であることを特徴とする請求項１記載の鍛造方法である。

請求項３記載の発明は、第一の押圧部の幅方向中央部に設けられた非押圧部は、素材側に開放した凹状であり、その非押圧部の高さ寸法は素材の厚み寸法の３０％より大きく、第一工程及び第二工程の金敷の圧下率は素材の厚み寸法に対して５〜３０％であることを特徴とする請求項１または２記載の鍛造方法である。

請求項４記載の発明は、第一の押圧部と第二の押圧部が素材の搬送方向に連続して設けられており、第一の押圧部の幅方向中央部には、少なくとも素材側に開放した非押圧部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の鍛造方法に用いる金敷である。

本発明の鍛造方法によると、素材の幅方向中央部のデッドメタル域の発生を低減することができるばかりか、角部での折れ込み疵の発生等表面疵の発生を防止でき、なおかつ、効率よく内部欠陥を均質化することができる。更には、一種の金敷しか使わないため作業時間も多くかかることはない。

本発明の金敷によると、素材の幅方向中央部のデッドメタル域の発生を低減することができるばかりか、角部での折れ込み疵の発生等表面疵の発生を防止でき、なおかつ、効率よく内部欠陥を均質化することができる。更には、この一種の金敷のみで鍛造作業を行うことができる。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいてさらに詳細に説明する。

図３及び図４において、Ａは金敷、１は金敷Ａに形成された第一の押圧部、２は金敷Ａに形成された第二の押圧部、３は第一の押圧部の幅方向中央部に設けられた非押圧部である。また、図１に示すＢは金敷Ａによって加工される素材であり、例えば、その材質は炭素鋼（Ｓ５５Ｃ）や低合金鋼（ＳＣＭ４４０）等の金属材料である。４は第一工程で素材Ｂの幅方向両側部に形成される凹面、５は凹面４，４に挟まれた凸面である。

図３及び図４に示すように、金敷Ａには、素材Ｂの表面に圧下する面として第一の押圧部１と第二の押圧部２が素材Ｂの搬送方向に連続して形成されている。第一の押圧部１と第二の押圧部２は、後記する素材Ｂの搬送方向の、長さ寸法が同じである。第一の押圧部１の幅方向中央部には、凹状の非押圧部３が設けられている。押圧面を下にして金敷Ａを正面から見た場合、非押圧部３は下方が広がった等脚台形状をなしており、素材Ｂ側に開放している。その非押圧部３の高さ寸法は、素材Ｂの厚み寸法との関係で決まっている。即ち、非押圧部３の高さ寸法は、素材Ｂの厚み寸法の３０％より大きな寸法である。なお、その寸法の上限は金敷Ａの高さ寸法の範囲内であれば良い。また、非押圧部３の幅寸法は、上部に向かうほど狭まるよう上下で異なる寸法となっているが、その最大寸法（下部の寸法）が素材Ｂの幅寸法より小さいことが条件である。第一の押圧部１はこの非押圧部３を挟む両側が素材Ｂの表面を圧下する平坦な面となっている。第二の押圧部２は全て平坦な面となっている。

なお、非押圧部３は正面視で必ずしも下方が広がった等脚台形状でなくても良く、その幅寸法が上部に向かうほど狭まるか、同じであれば良い。即ち、正面視で図５に示すような半円形や、更には長方形とすることも可能である。

また、例えば、図４（ｃ）に示すように、金敷Ａの各角部分（出隅部のほか入隅部も含む）にはＲを設けることが望ましい（Ｒ＝１／１０Ｗ程度：Ｗは金敷Ａの搬送方向の寸法）。全ての図面には図示はしていないが、金敷Ａが素材Ｂに圧下される際に、素材Ｂ表面に接触する金敷Ａの角部分にＲを設けることは特に重要である。このＲを設けることにより素材Ｂの表面に疵が付くことを防止できる。また、第一の押圧部１の非押圧部３と第二の押圧部２の境目にもＲが付けられている。このＲにより折れ込み疵の発生を防止できる。他の角部分にもＲを設けることで作業の安全性が向上できる。なお、Ｒの大きさは１／１０Ｗでなくても良く、また、素材Ｂ表面に接触する部位を除き必ずしも設ける必要はない。

素材Ｂは円柱状、角柱状、帯状等の長尺状の鋼塊や鋼材などである。図面には素材Ｂとして四角柱状の鋼材を例示しているが、円柱状等他の形状の素材Ｂでも鋳造方法は同じである。前記したように、素材Ｂは、金敷Ａの非押圧部３の高さ寸法の３０％より小さな厚み寸法であり、金敷Ａの非押圧部３の最大幅寸法より大きな幅寸法である。また、素材Ｂの幅寸法は金敷Ａ自体の幅寸法よりは小さい寸法である。

次に素材Ｂの鍛造方法を図１及び図２に基づいて説明する。素材Ｂの鍛造は、図１（ａ）に示す第一工程と、図１（ｂ）に示す第二工程に分けて行われる。なお、図１（ｂ）に示す破線は、第二工程で圧下する前の素材Ｂの形状を示す。

まず、図１（ａ）に示すように、第一工程は、金敷Ａの第一の押圧部１を素材Ｂの表面に圧下することにより行われる。第一の押圧部１を素材Ｂの表面に圧下すると、非押圧部３を挟む両側の面が素材Ｂの表面を押圧して素材Ｂの幅方向両側部に凹面４,４を形成する。その圧下の際、凹面４,４に挟まれた素材Ｂの幅方向中央部には凸面５が形成される。この第一工程での圧下率は、素材Ｂの厚み寸法の５〜３０％である。圧下率が素材Ｂの厚み寸法の５％未満であると、素材Ｂの内部に形成された空隙を閉鎖する効果がない。また、圧下率が３０％を超えると、素材Ｂ内部に割れが発生することがある。さらには、前記したように非押圧部３の高さ寸法以上となってしまい素材Ｂの幅方向中央部に形成された凸面５が非押圧部３に当たってしまうことにもなる。なお、圧下率とは、金敷Ａの圧下量（寸法）／素材Ｂの厚み寸法である。

次に、図２に示すように、金敷Ａを元の待機位置に戻した後、図２の矢印に示す方向に、素材Ｂを所定寸法（第一の押圧部１の搬送方向の寸法と同じ寸法分）だけ搬送し、図１（ｂ）に示すように、第二工程で、金敷Ａの第二の押圧部２を素材Ｂの表面に圧下する。金敷Ａの第二の押圧部２は前記したように平坦な面であるため、第一工程で形成された素材Ｂの幅方向中央部の凸面５を圧下することになる。第二工程での圧下は、第一工程での圧下と同じ金敷Ａで行うため圧下率は同じである。そのため素材Ｂの表面は平滑に仕上がることとなる。なお、第二工程での圧下率は第一工程での圧下率より大きくても良い。その場合、第一工程での圧下率を超えた時点で第二の押圧部２は素材Ｂの表面全体を圧下することとなる。

この第二工程での圧下では、まず、素材Ｂの幅方向中央部の凸面５のみを圧下することになるので、素材Ｂの幅方向中央部も確実に圧下できることとなり、素材Ｂの幅方向中央部の組織も微細化することができ、所謂デッドメタル域の発生の防止と、内部欠陥の閉鎖が可能となる。

また、前記説明では、素材Ｂを所定寸法（第一の押圧部１の搬送方向の寸法と同じ寸法分）だけ搬送すると説明したが、必ずしも第一の押圧部１の搬送方向の寸法と同じ寸法分だけ搬送する必要はない。搬送寸法が第一の押圧部１の搬送方向の寸法以下であった場合、第二の押圧部２で圧下する際に未圧下部位ができるが、第一工程、第二工程は素材Ｂの搬送、圧下が繰り返して行われるため、未圧下部位も次の第二工程で圧下でき問題は生じない。

次に、本発明を実際の鍛造方法に基づき更に具体的に説明する。

まず、所定温度に加熱した素材Ｂの上下面を、上下一対の金敷Ａ，Ａの第一の押圧部１，１で圧下する。その圧下により素材Ｂの上下面の幅方向両側部には夫々凹面４，４が形成される。また、凹面４，４で挟まれた素材Ｂの幅方向中央部は凸面５となる。これが所謂第一工程である。次いで、素材Ｂをその搬送方向を軸に９０°回転し、先程加工を施した面とは別の面（先程の加工面を上下面とすると両側面）に金敷Ａ，Ａの第一の押圧部１，１を圧下する。この圧下により素材Ｂの両側面の幅方向両側部には夫々凹面４，４と凸面５が形成される。これも第一工程である。

次に、素材Ｂを所定寸法分だけ搬送する。その搬送寸法は、第一の押圧部１の搬送方向の寸法と同じ寸法分だけである。停止後、上下一対の金敷Ａ，Ａを素材Ｂの表面に圧下すると、第二の押圧部２，２で、前記第一工程で素材Ｂの前記両側面に形成された凸面５は圧下され、その表面全体は平坦に仕上がる。これが所謂第二工程である。次いで、素材Ｂをその搬送方向を軸に９０°回転し、先程加工を施した面とは別の面（先程の加工面を両側面とすると上下面）に金敷Ａ，Ａの第二の押圧部２，２を圧下する。この圧下により素材Ｂの上下面も平坦に仕上がる。これも第二工程である。以上で搬送方向所定寸法分の鍛伸作業は完了する。

なお、前記した第二工程の際に、素材Ｂの続く部位が、金敷Ａの第一の押圧部１で同時に圧下されるので、この第二工程と同時に次の第一工程が行われる。即ち、所定寸法分の鍛伸作業の第二工程と、次の所定寸法分の鍛伸作業の第一工程が一つの金敷Ａを圧下することにより同時に行われるため、作業時間を半減することができる。以上の鍛伸作業を順次繰り返すことにより素材Ｂを目標の形状に仕上げることができる。

なお、以上の説明では、素材Ｂを９０°回転させ、四角柱状に仕上げる事例を説明したが、素材Ｂの回転角度を変えれば、六角柱状、八角柱状等に仕上げることも可能である。また、第一工程、第二工程を上下面のみに行っても良い。更には、金敷Ａを上下一対ではなく例えば上方一体のみとし、金敷Ａに対向する側を単に平面とすれば一面毎に金敷Ａを圧下して素材Ｂを鍛伸することも可能である。

また、以上の説明では、金敷Ａとして第一の押圧部１の幅方向中央部に凹状の非押圧部３が設けられたもの、即ち天井面があるものを示したが、必ずしも非押圧部３は、凹状でなくても良く、図６に示すように、天井面がない上方向に吹き抜けの空間であっても良い。

更にはまた、金敷Ａには、第一の押圧部１と第二の押圧部２が、素材Ｂの搬送方向に一つずつ設けられたものを示したが、第一の押圧部１と第二の押圧部２が交互に複数個ずつ設けられたものであっても良い。このように構成すれば圧下の回数が減り作業効率は更に向上する。

また、以上の説明では、第一工程の後、所定寸法だけ素材Ｂを搬送し、その後第二工程を行う方法を説明したが、第一の押圧部１を素材Ｂ表面に圧下する第一工程終了後、金敷Ａを前記所定寸法と同じ寸法分動かし、第二の押圧部２を、前記第一の押圧部１で圧下した素材Ｂの表面に圧下して第二工程を行うことも可能である。その場合、第二工程終了後、金敷Ａを原点に戻すこととなる。その後、素材Ｂは金敷Ａの寸法分搬送される。

鍛造前の初期形状が、直径１０００ｍｍの円柱状の素材Ｂを準備し、金敷Ａの第一の押圧部１、第二の押圧部２を、順にその素材Ｂの表面に圧下することにより本発明の効果を確認した。この金敷Ａの、素材Ｂ搬送方向の長さ寸法は５００ｍｍであり、発明例、比較例では、第一の押圧部１、第二の押圧部２の前記搬送方向の長さ寸法が夫々２５０ｍｍである。表１において搬送寸法とは、素材Ｂを第一の押圧部１で圧下した後、第二の押圧部２で圧下する位置に進めるため、素材Ｂを搬送する寸法である。なお、この素材Ｂの材質は、炭素鋼（Ｓ５５Ｃ）である。

合否判定は、鍛造後の素材Ｂの表面に疵が発生しないこと（表面性状）、鍛造前から素材Ｂの内部にある空隙（φ５ｍｍ以上）が、金敷Ａの圧下により閉鎖されることで確認した。表面性状では目視で疵が認められなければ○で合格、疵が認められれば×で不合格とした。また、圧下前の素材Ｂの空隙は、その直径がφ５ｍｍ以上のものを複数個含み、圧下後に全ての空隙の直径がφ２．５ｍｍ未満になれば◎、全てがφ５ｍｍ未満になれば○で合格、一部でもφ５ｍｍ未満にならなければ×で不合格とする。

発明例１では、素材Ｂの搬送寸法を、第一の押圧部１の素材Ｂ搬送方向の長さ寸法と同じ２５０ｍｍ、圧下率を２０％とした。鍛造後の素材Ｂの表面には疵が全く確認されなかった。また、空隙も最大でφ０．５ｍｍとなっており、確実に内部欠陥は閉鎖されており、均質化されていた。

発明例２では、素材Ｂの搬送寸法を、第一の押圧部１の素材Ｂ搬送方向の長さ寸法と同じ２５０ｍｍ、圧下率を発明例1とは変え１０％とした。この発明例２でも鍛造後の素材Ｂの表面には疵が全く確認されなかった。また、空隙は最大でφ４．５ｍｍとなっており、空隙を閉鎖する効果が確認できた。

比較例では、圧下率は２０％と発明例１とは変えず、素材Ｂの搬送寸法を、第一の押圧部１の素材Ｂ搬送方向の長さ寸法より大きい３００ｍｍとした。第二の押圧部２で圧下する位置がずれ未圧下部ができるため、鍛造後の素材Ｂの表面に疵が発生した。

以上の実験結果から、搬送寸法は第一の押圧部１の素材Ｂ搬送方向の長さ寸法と同じ２５０ｍｍとした場合、鍛造後の素材Ｂの表面には疵が発生しないことが確認できた。即ち、搬送寸法は２５０ｍｍ以下であれば、鍛造後の素材Ｂの表面には疵が発生しないということができる。

また、圧下率は１０％とした場合でも空隙を閉鎖する効果があることを確認できた。５％とした場合でも１０％の際以下ではあるが空隙閉鎖効果があることが推定できる。なお、２０％とした場合は、空隙もφ０．５ｍｍとなり確実に閉鎖されており、より好ましい圧下率ということができる。

本発明の一実施形態を示すもので、（ａ）は第一工程の縦断面図、（ｂ）は第二工程の縦断面図である。同実施形態の第一工程を終えた後、金敷を元の待機位置に戻した状態を示すもので、図１（ａ）のＣ−Ｃ線断面に対応する縦断面図である。本発明の一実施形態で使用する金敷を示す斜視図である。図２と同じ金敷を示すもので、（ａ）は平面図（破線は底面の形状を示す。）、（ｂ）は正面図、（ｃ）は図４（ｂ）のＣ−Ｃ線断面図である。図３の金敷とは異なる金敷を示す斜視図である。図３、図５の金敷とは異なる金敷を示す斜視図である。従来例を示す側面図である。図５とは異なる従来例を示すもので、（ａ）は第一工程の縦断面図、（ｂ）は第二工程の縦断面図である。

符号の説明

Ａ…金敷
Ｂ…素材
１…第一の押圧部
２…第二の押圧部
３…非押圧部
４…凹面
５…凸面

Claims

素材を所定寸法だけ搬送し圧下する鍛造方法であって、
金敷の第一の押圧部を素材の表面に圧下して、その素材の幅方向両側部に凹面を形成する第一工程と、
前記金敷の第二の押圧部を、前記凹面で挟まれた素材の幅方向中央部の凸面に圧下して、素材の表面を平滑に仕上げる第二工程とより成り、
前記金敷には、幅方向中央部に非押圧部が設けられた第一の押圧部と、第二の押圧部が、素材の搬送方向に連続して設けられていることを特徴とする鍛造方法。
素材の搬送と圧下が繰り返し行われ、一回毎の素材の搬送寸法は、金敷の、素材搬送方向寸法の１／２以下であると共に、第一の押圧部、第二の押圧部夫々の、素材搬送方向寸法以下であることを特徴とする請求項１記載の鍛造方法。
第一の押圧部の幅方向中央部に設けられた非押圧部は、素材側に開放した凹状であり、その非押圧部の高さ寸法は素材の厚み寸法の３０％より大きく、第一工程及び第二工程の金敷の圧下率は素材の厚み寸法に対して５〜３０％であることを特徴とする請求項１または２記載の鍛造方法。
第一の押圧部と第二の押圧部が素材の搬送方向に連続して設けられており、第一の押圧部の幅方向中央部には、少なくとも素材側に開放した非押圧部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の鍛造方法に用いる金敷。