JP4956518B2 - 被加工材の鍛造方法 - Google Patents

Description

本発明は、被加工材を圧下をすることで被加工材の鍛造を行う被加工材の鍛造方法に関するものである。

従来より、金属系材料等の被加工材を金敷によって圧下することによって被加工材の鍛造を行う鍛造方法が開示されている（例えば、特許文献１）。
特許文献１の熱間鍛錬方法では、材料幅の０．４〜０．７倍の幅で、且つ、材料高さの０．３〜０．５倍の軸方向長さを有する金敷を用いて、予備加熱した金属材料の表面層を冷却しながら鍛錬を行うようにしている。この特許文献１の技術では、形状に合わせた幅の広い金敷を用いて圧下を行うと共に、材料の表面層を冷却させることによって圧下荷重の内部への伝達を促進し、内部欠陥の閉鎖（圧着）を行っている。

さて、連続鋳造等によって鋳造された鋳片（被加工材）を圧延する圧延分野においては、圧延後に鋳片内部の空隙等、即ち、内部欠陥をなくす方法が数々開発されている（例えば、特許文献２、特許文献３）。
特許文献２の圧延方法においては、圧延による空隙圧着パラメータ（評価パラメータ）Ｇｍを定義して、定義したＧｍの値に基づいて圧延パススケジュールを決定し、これにより、鋳片の内部欠陥を防止している。即ち、特許文献２では、累積値ΣＧｍ＋ｉの値が０．２５以上となるように圧延パススケジュールにより圧延している。

また、特許文献３の圧延方法においては、空隙圧着パラメータＧｍ≧０．２０となるパスを１パス以上含むようにパススケジュールを決定して圧延している。
特開平６−２７７７８３号公報 特開２００５−７４４８７号公報 特開２００２−３４６６０４号公報

上述したように、特許文献１の技術では、金敷の形状の変更によって被加工材の内部欠陥の閉鎖を行っているが、被加工材の形状に合わせて幅の広い金敷を用いているため、被加工材の形状が変わる毎に金敷もその形状に対応しなければならず、鍛造が非常に手間のかかるものであり、実用的ではないという問題がある。
特許文献２や特許文献３に示すように、空隙圧着パラメータＧｍを定義して、このＧｍの値を用いてパススケジュールを決定することで内部欠陥をなくすものとしているが、圧延分野と鍛造分野とでは加工法の違いにより、圧延の技術を鍛造に適用することができないのが実情である。

そこで、本発明は、被加工材の内部欠陥の閉鎖（圧着）を簡単に行うことができる被加工材の鍛造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は、次の手段を講じた。
即ち、本発明の手段は、被加工材を金敷によって圧下して前記被加工材の内部欠陥を閉鎖させつつ鍛造を行う鍛造方法において、鍛造する被加工材に対応して式（１）で示される内部欠陥評価指数と圧下率との関係を求めると共に、鍛造前における内部欠陥の欠陥位置、欠陥サイズ及び欠陥形状を推定し、この推定した欠陥位置、欠陥のサイズ及び欠陥形状に基づいて、前記内部欠陥を閉鎖させるために必要な前記内部欠陥評価指数の最低値を求めておき、前記最低値に対応する圧下率以上で被加工材を金敷で圧下する点にある。

前記内部欠陥評価指数の最低値を式（２）から求めることが好ましい。

式（２）の第１係数（Ａ）及び第２係数（Ｂ）を求めるにあたっては、式（３）〜式（８）を用いることが好ましい。

前記内部欠陥の欠陥位置、当該内部欠陥の欠陥サイズ及び欠陥形状を推定するに際しては、流動凝固解析を用いると共に、前記内部欠陥評価指数を求めるに際しては、変形解析を用いることが好ましい。

本発明によれば、被加工材の内部欠陥の閉鎖（圧着）を簡単に行うことができる。

本発明の被加工材の鍛造方法について説明する。
図１は、本発明の被加工材の鍛造方法を行う金敷の構成を示したものである。
図１に示すように、金敷１は、ビレットやブルーム、インゴット等の被加工材２を鍛造するものであって、被加工材２に対して圧下を行う上下移動可能な金敷本体３と、この金敷本体３の下側に上下移動不能に固定されて被加工材２が載置される載置台４とを備えている。
金敷本体３は、当該金敷本体３での圧下の際に被加工材２の表面の移動を拘束する拘束部５を備えている。詳しくは、被加工材２と対向する金敷本体３の表面６（対向面ということがある）に拘束部５が設けられ、この拘束部５は、円弧状に形成された複数の凹凸部７により構成されている。

このような金敷１では、平坦な載置台４に被加工材２を載置した後、金敷本体３を下降させて金敷本体３の対向面６で被加工材２の表面を所定の圧下率で押圧することによって、鍛造を行うことができる。金敷本体３によって被加工材２を圧下すると、被加工材２の表面が圧下する方向と直交する方向（例えば、図１の紙面左右方向）に移動して材料（被加工材２）が流動するが、本発明の拘束部５、即ち、凹凸部７によって圧下時の材料の流動を抑制し、被加工材２の内部に大きな歪みを与えることで、被加工材２の内部欠陥８を圧着により減少させている。

以下、本発明の被加工材の鍛造方法について説明する。
本発明の被加工材の鍛造方法においては、図２に示すように、まず、鍛造する被加工材２を選択する（Ｓ１）。選択された被加工材２に対して、当該被加工材２を圧下したときの式（１）に示す内部欠陥評価指数Ｑを求めると共に、圧下率を求める（Ｓ２）。
即ち、Ｓ２においては、被加工材２に対する金敷１の圧下率を少しずつ変化させ、所定の圧下率で被加工材２を圧下したときの被加工材２の中心位置Ｏ（図２参照）における静水応力や相当応力をコンピュータシュミュレーションにおける変形解析によって、式（１）に示す内部欠陥評価指数Ｑを求める。そして、各内部欠陥評価指数Ｑと圧下率との関係（テーブル）を作成する。ここで、内部欠陥評価指数Ｑを求めるときの変形解析は、材料内の塑性変形や弾性変形の状態を忠実に再現でき、内部の応力状態をシュミュレートできるものであって、変形解析を行うソフトウェアとしては、例えば、ABAQUSなどの汎用製品を用いている．
例えば、条件：冷間据込，形状：Φ100×H150，弾性係数：Ｅ=2.05E+05，ポアソン比：ε=0.29である所定の材料では、表１に示すような、各内部欠陥評価指数Ｑと圧下率との関係（テーブル）を作成する。

ただし、この表１は、上記に示した材料について、内部欠陥評価指数Ｑと圧下率との関係（対応表）を示したものでこれに限定されない。材質、形状、温度、摩擦によって被加工材２毎に内部欠陥評価指数Ｑと圧下率との関係（対応表）を求めることが好ましい。
次に、選択した被加工材２に対し、被加工材２の鋼塊生成後（鍛造前）における内部欠陥８の発生状況を推定する（Ｓ３）。即ち、鍛造前、即ち、圧下前に、被加工材２での内部欠陥８が発生した位置（欠陥位置）、内部欠陥８の欠陥サイズ、欠陥形状を流動凝固解析などを用いて推定をする。この流動凝固解析では、インゴット等に造塊する際での様々な条件を用いてコンピュータシュミュレーションを行い、これによって、欠陥位置、欠陥サイズ、欠陥形状を推定することができる。例えば、流動凝固解析は、「神戸製鋼技法vol.56 No1 Apr.2006 凝固・流動シュミュレーション技術の鋳鍛鋼製品への応用」や「神戸製鋼技法vol.51 No1 Dec.2001」に記載されている技術と同じであって、流動凝固解析を行うソフトウェアとしては、例えば、ＡＤＳＴＥＦＮやＪＳＣＡＳＴという製品を用いている。
図３に示すように、欠陥位置とは、金敷によって圧下される圧下表面２ａから最も近い内部欠陥（最上内部欠陥８ａということがある）８ａの中心までの距離を、被加工材２の高さＨを用いて表したものである。即ち、圧下表面２ａから最上内部欠陥８ａの中心までの距離が欠陥位置である。欠陥位置が１／２ということは、圧下表面２ａから１／２Ｈの距離の所に最上内部欠陥８ａが存在していることを示し、欠陥位置が１／３ということは、圧下表面２ａから１／３Ｈの距離の所に最上内部欠陥８ａが存在していることを示し、欠陥位置が１／４ということは、圧下表面２ａから１／４Ｈの距離の所に最上内部欠陥８ａが存在していることを示している。これから分かるように、本発明では、最も圧下表面２ａに近く、圧下によって閉鎖され難い最上内部欠陥８ａを基準としている。

図３に示すように、欠陥サイズとは、内部欠陥８（最上内部欠陥８ａ）の大きさを被加工材２の幅Ｄと内部欠陥８の幅ｄとを用いて表したものである。言い換えれば、欠陥サイズは被加工材２の幅に対する内部欠陥８の幅の比（ｄ／Ｄ）である。
欠陥形状とは、内部欠陥８の形状を内部欠陥８の幅ｄと内部欠陥８の高さｈとを用いて表したもので、ｈ/ｄの値が１に近いほど内部欠陥８の形状が円形と略同じものとなり、ｈ／ｄの値が大きくなればなるほど内部欠陥８の形状が楕円形、若しくは先細り形状となる。

次に、流動凝固解析により、欠陥位置、欠陥サイズ（ｄ／Ｄ）、欠陥形状（ｈ／ｄ）の推定を行った後は、これらを用いて式（２）〜式（８）により、内部欠陥を閉鎖させるための最低値Ｑminを算出する。

具体的には、欠陥位置を式（５）〜式（８）に代入して、係数α、β、γ、ζを求める（Ｓ４）。例えば、欠陥位置が１／２であれば０．５、欠陥位置が１／４であれば０．２５をぞれぞれの式に代入する。次に、求めた係数α、β、γ、ζ及び欠陥サイズ（ｄ／Ｄ）を式（５）及び式（６）に代入して、係数Ａ（第１係数ということがある）と係数Ｂ（第２係数ということがある）を求める（Ｓ５）。求めた第１係数Ａ、第２係数Ｂ及び欠陥形状（ｈ／ｄ）を代入して、最低値Ｑminを求める（Ｓ６）。そして、次に、予め求めておいた内部欠陥評価指数Ｑと圧下率との対応表から最低値Ｑminにおける圧下率を選択して、少なくとも、選択した圧下率以上で被加工材２を金敷で圧下する（Ｓ７）。

例えば、表１に示すように、最低値Ｑminが０．４１５９であった場合、圧下率は５７％であるため、被加工材２を実際に圧下する際は５７％以上で圧下をする。
ただし、対応表に最低値Ｑminに一致する圧下率が無い場合は、求めた最低値Ｑminによりも次に高い値の最低値Ｑminを選択して、その最低値Ｑminに対応する圧下率を選択する。
表１に示すように、最低値Ｑminが０．４２３３であった場合、この最低値Ｑminよりも次に高い数値（０．４３０７３４）を選択し、この最低値Ｑmin（０．４３０７３４）に対応する圧下率（５８％）を選択する。

式（２）〜式（８）を導出した過程を説明する。
まず、発明者は、図４に示すような欠陥を有する材料（サンプル）に対して圧下を行い、圧下を行ったときの内部欠陥評価指数Ｑと、欠陥の空隙面積比（欠陥のつぶれ度合い）との関係を調べる様々な実験を行った。そして、各欠陥の位置（Ｐ／Ｈ）と、各欠陥形状（ｈ／ｄ）に分けた上で、内部欠陥評価指数Ｑと、欠陥の空隙面積比との関係を整理すると、図５ような結果となり、内部欠陥評価指数Ｑ及び空隙面積比は、各欠陥の位置（Ｐ／Ｈ）や各欠陥形状（ｈ／ｄ）によって異なることを見いだした。

そこで、発明者は、さらに検証を進め、内部欠陥を閉鎖したときの最低値Ｑminと、欠陥形状（ｈ／ｄ）とについて様々な実験を行い、この実験により、最低値Ｑminと欠陥形状（ｈ／ｄ）とについてまとめると図６に示すものとなった。
その結果、図６に示すように、最低値Ｑminと欠陥形状（ｈ／ｄ）とは線形関係があることを見出が分かった。式（２）に示す如く、最低値Ｑminと欠陥形状（ｈ／ｄ）との関係を係数Ａ（第１係数ということがある）と係数Ｂ（第２係数ということがある）とを用いて表すこととした。

ここで、図６に示すように、欠陥形状（ｈ／ｄ）が同じ値であっても、欠陥サイズ（ｄ／Ｄ）が異なれば、内部欠陥８を閉鎖させるための最低値Ｑminが異なることが分かった。
そこで、実験データにより、第１係数Ａ及び第２係数Ｂと欠陥サイズ（ｄ／Ｄ）とについてまとめた。
図７は、実験等のデータから第１係数Ａ及び第２係数Ｂと欠陥サイズ（ｄ／Ｄ）との関係をまとめたものである。その結果、図７に示す如く、第１係数Ａは式（３）に示すように欠陥サイズ（ｄ／Ｄ）と係数α、βで表すことができ、第２係数Ｂは式（４）に示すように欠陥サイズ（ｄ／Ｄ）と係数γ、ζで表すことができることが分かった。

図７を詳細にみると、同じ欠陥サイズ（ｄ／Ｄ）であっても、欠陥位置によっては、第１係数Ａ及び第２係数Ｂが異なることが分かった。即ち、欠陥形状（ｈ／ｄ）が同じ値であっても、欠陥位置が異なれば、内部欠陥８を閉鎖させるための最低値Ｑminが異なることが分かった。
具体的に見ると、図７（ａ）に示すように、欠陥位置１／２Ｈでの欠陥サイズ（ｄ／Ｄ）に対する第１係数Ａ及び第２係数Ｂの値と、図７（ｂ）に示すように、欠陥位置１／３Ｈでの欠陥サイズ（ｄ／Ｄ）に対する第１係数Ａ及び第２係数Ｂの値とは異なっている。

また、図７（ｃ）に示すように、欠陥位置１／２Ｈや欠陥位置１／３Ｈにおける第１係数Ａ及び第２係数Ｂの値と、欠陥位置１／４Ｈとも異なっている。
そこで、欠陥位置によって第１係数Ａ及び第２係数Ｂが異なることから、欠陥位置と第１係数Ａを求めるための式（２）に示した係数α、βと、欠陥位置と第２係数Ｂを求めるための式（３）に示した係数γ、ζについてまとめた。
図８は、欠陥位置と、第１係数Ａ及び第２係数Ｂを求めるための係数α、β、γ、ζとについてまとめたものである。

図８（ａ）は、欠陥位置に対する係数α及びβの影響（変化）を示し、図８（ｂ）は、欠陥位置に対する係数γの影響（変化）を示ている。また、図８（ｃ）は、欠陥位置に対する係数ζの影響（変化）を示している。
図８に示すように、欠陥位置によって最低値Ｑminは変化するものとなっており、係数αは欠陥位置に応じて式（５）から求められると共に、係数βは欠陥位置に応じて式（６）から求められるものとなった。また、係数γは欠陥位置に応じて式（７）から求められると共に、係数ζは欠陥位置に応じて式（８）から求められるものとなった。

したがって、内部欠陥の欠陥位置、欠陥サイズ及び欠陥形状に基づいて内部欠陥を閉鎖させる最低値Ｑminを求めることができるものに至った。
以上のように本発明によれば、被加工材２の内部欠陥８を閉鎖させつつ鍛造を行う鍛造方法においては、まず、鍛造する被加工材２に対応して式（１）で示される内部欠陥評価指数Ｑと圧下率との関係を求め、鍛造前における内部欠陥の欠陥位置、欠陥サイズ及び欠陥形状を推定し、この推定した欠陥位置、欠陥のサイズ及び欠陥形状に基づいて、内部欠陥評価指数Ｑおいて内部欠陥を閉鎖させるための最低値Ｑminを求めておき、最低値Ｑminに対応する圧下率以上で被加工材を金敷で圧下している。

これによって、鍛造する前の被加工材２に内在している内部欠陥８の特性（欠陥位置、欠陥サイズ、欠陥形状）を全て考慮した金敷の圧下による鍛造が行え、内部欠陥８を確実に閉鎖させることができる。即ち、内部欠陥８の特性に応じて実際に圧下する圧下率を変えるだけで、内部欠陥８を確実に閉鎖、消滅させることができる。さらに、本発明によれば、最上内部欠陥８ａにおける欠陥位置、欠陥サイズ、欠陥形状を基準として最低値Ｑminを求め、これで求めた最低値Ｑminで実際に圧下する圧下率を決定して鍛造を行っている。そのため、最上内部欠陥８ａとは別に数多くの内部欠陥８が内在していたとしても、このようにして決定した圧下率に基づいて圧下すれば、複雑な圧下率制御等を行わなくても他の場所に内在する内部欠陥８も確実に閉鎖することができる。

さて、同じ圧下率であっても被加工材２の形状、材質、温度，摩擦等（鍛造条件）が異なると、被加工材２の内部に発生する応力が異なることが考えられる。例えば、同じ圧下率であっても、変形し易い材質であれば、内部に発生する応力（例えば，相当応力），ひずみ（相当ひずみ）は大きいものとなる。
このように内部の応力・ひずみ状態というのは、内部欠陥８を閉鎖するために、様々な影響を及ぼすことから、本発明によれば、圧下した際の被加工材２の内部に発生した応力・ひずみを示すことができる内部欠陥評価指数Ｑによって考慮している。そして、本発明によれば、内部欠陥８を確実に閉鎖できる内部欠陥評価指数Ｑの最低値Ｑminを求めた上で、その内部欠陥評価指数Ｑの最低値Ｑminから適正な圧下率を求め、その圧下率で圧下しているため、確実に内部欠陥８を閉鎖することができる。

表２は、本発明の被加工材２の鍛造方法で鍛造を行った実施例と、本発明の被加工材２の鍛造方法とは別の方法で鍛造を行った比較例とをまとめたものである。

表２に示すように、実施例及び比較例では、ＵＴ評価（超音波測定器）にて被加工材２の内部欠陥８を評価した。表２に示すように、内部欠陥８が所定未満（無いもの）については良好「○」とした。また、表２に示すように、内部欠陥８が所定以上（有るもの）については不良「×」とした。
実施例１〜実施例６では、欠陥位置、欠陥サイズ及び欠陥形状を推定し、この推定した欠陥位置、欠陥のサイズ及び欠陥形状に基づいて内部欠陥８を閉鎖させる内部欠陥評価指数の最低値Ｑminを求め（算出Ｑmin）、この最低値Ｑmin（算出Ｑmin）に対応する圧下率（算出圧下率）よりも、大きな圧下率（適用圧下率）にて被加工材２を金敷で圧下しているため、内部欠陥８は見受けられなかった（表２、評価「○」）。

比較例１〜比較例６では、欠陥位置、欠陥サイズ及び欠陥形状における推定作業を行わず、欠陥位置、欠陥のサイズ及び欠陥形状に基づいて内部欠陥８を閉鎖させる金敷の最低値Ｑminも求めずに、金敷で圧下した場合、内部欠陥８は見受けられた（表２、評価「×」）。
なお、比較例１〜比較例１０において、本発明と同様に、欠陥位置、欠陥サイズ及び欠陥形状を推定して最低値Ｑmin（算出Ｑmin）を求め、実際に適用した内部欠陥評価指数の適用値を仮に求めてみると、この適用した適用Ｑminは、算出Ｑminよりも低い値であり、実際に圧下した圧下率（適用圧下率）は、内部欠陥の閉鎖のために求められる圧下率（算出圧下率）も低い値であった。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。例えば、上記実施形態では、流動凝固解析によって欠陥位置、欠陥のサイズ及び欠陥形状を推定したが、これに限らない。
例えば、モデル実験において、予め溶融凝固させた被加工材２の圧下前に所定の長さで切り出しておき（例えば、幅方向、高さ方向に１ｍｍ切り出す）、図９に示すように切り出したサンプル２Ａから重量を測定して高さ方向及び幅方向の密度を測定し、密度の低い部分は、内部欠陥が存在すると考え、高さ方向及び幅方向の密度分布から欠陥位置、欠陥のサイズ及び欠陥形状を推定してもよい。図９に示す例では、高さ方向及び幅方向の密度分布において、その密度が閾値よりも低い範囲を欠陥が存在するとし、その範囲の長さを内部欠陥８の幅ｄ、内部欠陥８の高さｈとしている。

また、被加工材２内に複数の内部欠陥が存在する場合は次のようにしてもよい。まず、シュミュレーション等によって凝固時に発生する欠陥形状、欠陥位置、欠陥サイズを推定しておき、欠陥形状（ｈ／ｄ）が同じものにおいての欠陥位置を求める。このとき、欠陥形状（ｈ／ｄ）毎に欠陥位置を求めておく。即ち、複数の内部欠陥が存在する場合は、内部欠陥の欠陥形状毎に欠陥位置をそれぞれ求める。そして、ぞれぞれの欠陥形状に対して、欠陥位置、欠陥サイズを用いて最低値Ｑminを求め、求めた最低値Ｑminの中で最も最大であるものを、鍛造（圧下）を行う際に採用する。

本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

金敷の構成図である。 被加工材の鍛造方法を示すフローチャートである。 欠陥位置、欠陥サイズ及び欠陥形状の定義を示す図である。 内部欠陥評価指数と、欠陥の空隙面積比との関係を求めるための材料のサンプル図である。 内部欠陥評価指数Ｑと、欠陥の空隙面積比との関係を示す図である。 圧下率（最低値Ｑmin）と欠陥形状（ｈ／ｄ）との関係図である。 欠陥形状（ｈ／ｄ）と欠陥サイズ（ｄ／Ｄ）との関係図であって、（ａ）は、欠陥位置１／２Ｈにおける欠陥形状（ｈ／ｄ）と欠陥サイズ（ｄ／Ｄ）との関係図であり、（ｂ）は、欠陥位置１／３Ｈにおける欠陥形状（ｈ／ｄ）と欠陥サイズ（ｄ／Ｄ）との関係図であり、（ｃ）は、欠陥位置１／４Ｈにおける欠陥形状（ｈ／ｄ）と欠陥サイズ（ｄ／Ｄ）との関係図である。 欠陥サイズ（ｄ／Ｄ）と欠陥位置との関係図であって、（ａ）は、欠陥位置と係数α及び係数βとの関係図であり、（ｂ）は、欠陥位置と係数γとの関係図であり、（ｃ）は、欠陥位置と係数ζとの関係図である。 欠陥位置、欠陥のサイズ及び欠陥形状を推定する別の方法を示した図である。

符号の説明

１ 金敷
２ 被加工材
３ 金敷本体

Claims (4)

1. 被加工材を金敷によって圧下して前記被加工材の内部欠陥を閉鎖させつつ鍛造を行う鍛造方法において、
   鍛造する被加工材に対応して式（１）で示される内部欠陥評価指数と圧下率との関係を求めると共に、鍛造前における内部欠陥の欠陥位置、欠陥サイズ及び欠陥形状を推定し、この推定した欠陥位置、欠陥のサイズ及び欠陥形状に基づいて、前記内部欠陥を閉鎖させるために必要な前記内部欠陥評価指数の最低値を求めておき、
   前記最低値に対応する圧下率以上で被加工材を金敷で圧下することを特徴とする被加工材の鍛造方法。
   
2. 前記内部欠陥評価指数の最低値を式（２）から求めることを特徴とする請求項１に記載の被加工材の鍛造方法。
   
3. 式（２）の第１係数（Ａ）及び第２係数（Ｂ）を求めるにあたっては、式（３）〜式（８）を用いることを特徴とする請求項２に記載の被加工材の鍛造方法。
   
4. 前記内部欠陥の欠陥位置、当該内部欠陥の欠陥サイズ及び欠陥形状を推定するに際しては、流動凝固解析を用いると共に、前記内部欠陥評価指数を求めるに際しては、変形解析を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の被加工材の鍛造方法。