JP5374390B2 - 鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法 - Google Patents

Description

本発明は、自由鍛造により、鋼塊等の被加工材から丸棒等の軸材や、特にクランク軸構成部品等に形成される鍛造材の内部欠陥を改善するための鍛造方法に関する。

舶用や発電機用等に使われているディーゼル機関用クランク軸には、組立型クランク軸と一体型クランク軸とがある。組立型クランク軸は、構成部品であるクランクスローとジャーナルを焼きばめすることによって組立・製造され、ジャーナルはすべて鍛鋼製である。クランクスローについては、鍛鋼製のものと鋳鋼製のものがある。鍛鋼製のクランクスローについては、鋼塊素材を鍛伸した丸棒素材を所要の長さに切断した円柱素材が用いられることがある（例えば、特許文献１参照）。

前記鋼塊素材から丸棒素材への鍛伸加工は、自由鍛造プレスを用いて、被加工材の軸方向に対して垂直方向の、対向する２方向へ圧下する動作と軸方向への送り動作を交互に繰り返して、断面が４角形状の角柱材に成形される鍛造工程が含まれる。この鍛造工程では、被加工材の鍛伸と共に、素材内部に生成した凝固欠陥を解消して組織を改善することを目的としている。この様な凝固に伴う欠陥は、素材の中心部に多く生成し、例えば、以下に述べる従来技術１、２において、中心部性状を改善する鍛伸方法や熱間鍛錬方法が開示されている。

一方、鋳鋼製クランクスローにおいては、鋳造欠陥が残存する可能性があるため、強度が安定しない恐れがあった。

次に、従来例に係る鍛造材の中心部欠陥を改善する鍛造方法について、以下添付図７，８を参照しながら説明する。図７は従来技術１に係る鍛造製品における中心性状を向上させるための鍛伸方法の概略図、図８は従来技術２に係る金属材料の熱間鍛錬方法の一実施例を示す正面及び側面図である。

従来技術１は、鋳造鋼塊から圧鍛を行うに際し、パススケジュールのなかで２回のＦＭ鍛造、即ち、下金敷幅が上金敷幅よりも（例えば２倍程度）大きい上下の金敷を用いた鍛造による中心性状を向上させるため、鍛伸材２３の２回目のＦＭ鍛造を、１回のＦＭ鍛造の送り代の境界部を鍛造することで、長手方向への鍛造圧の均一化を図り、圧下応力不足部２４をカバーして全長に対して中心性状の改善を図る様にした鍛伸方法である（特許文献２参照）。

この様に、鍛伸材２３の１回目の圧下位置と２回目の圧下位置を送り方向（軸方向）にずらす鍛伸方法では、鍛伸材２３が１回目の圧下により軸方向に伸び、その伸び量は圧下率や上下の金敷と鍛伸材２３との摩擦状態によって種々に変化するため、２回目の圧下で１回目の圧下の境界部を正確に鍛造することは難しい。

一方、従来技術２によれば、予備加熱した大型の金属材料３１の表面層を冷却させるとともに、例えば、材料幅の０．４〜０．７倍の幅を有し、かつ材料高さの０．３〜０．５倍の軸方向長さを有する上金敷３２と、材料幅の１〜１．５倍の幅を有し、かつ材料長さの１〜１．５倍の軸方向長さを有する下金敷３３とで金属材料３１の鍛錬を行う熱間鍛錬方法が開示されている。

この様な熱間鍛錬方法によれば、金属材料３１の表面層の冷却により、表層部に変形抵抗の大きい外殻が形成された様な状態になり、内部に変形抵抗の小さい高温部が形成される。この様な温度勾配を有する金属材料３１を、上記の如く幅および軸方向長さを規定した金敷３２，３３で圧下することによって、高温部に選択的にかつ効率よく圧下力を加えることができ、金属材料３１の中心部に充分な静水圧応力を発生させることができる結果、中心部の空隙が効率よく圧着されて消滅し、大型の金属材料３１でも小さな荷重で中心部の欠陥を除くことができると記載されている（特許文献３参照）。

しかし、加工素材である鋼塊（金属材料３１）の鍛造初期段階では、この鋼塊３１が大型であるため、特許文献３の実施例（段落［００１６］）に記載されている様に、鋼塊３１を加熱後、鍛造を開始する前に、表層部を大気中にて１時間程度の時間で放冷するだけでは、この間に素材内部から表層部への熱移動も生じるため、表層部と内部で、この内部に選択的に加工ひずみを与えるような大きな変形抵抗差をつけることは難しい。また、鍛造の初期段階で素材温度が低下すると、この鋼塊３１の平均変形抵抗が大きくなるため、圧下量を充分確保することが難しくなり、却って内部欠陥が残存したり、（所要の圧下量を得るために）鍛造時間が長くなって、鍛造効率が低下する虞がある。

鍛鋼製クランクスローの素材に関連したこれらの従来技術の問題点や上記の鋳鋼製クランクスローの問題点が存在するため、被加工材の内部とくに中心部の欠陥の閉塞を効率よく行なえる鍛造材の中心部欠陥を改善する鍛造方法を提供するとともに、クランクスローの内部に存在または残存する、とくにピン部の中心部の欠陥の閉塞をも効率よく行うことが必要である。

特開昭５２−１１１８６３号公報 特開２００１−７１０８２号公報 特開平６−２７７７８３号公報

従って、本発明の目的は、被加工材の内部に応力及びひずみを集中させ、内部、特にピン部等中心部の欠陥の閉塞を効率よく行うことにより、クランクスロー等の鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法を提供することである。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法が採用した手段は、上下に平金敷を取り付けた自由鍛造プレスにより、対向する２方向からの圧下と同一軸方向への送り動作を交互に繰り返すパス操作を複数回行ないつつ被加工材を鍛造する鍛造方法であって、前記被加工材の圧下面に対応する側面の圧下開始前温度と圧下終了後温度の温度差範囲が、２５〜３００℃となる様に冷却しながら該被加工材を圧下することを特徴とするものである。

本発明の請求項２に係る鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法が採用した手段は、請求項１に記載の鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法において、前記平金敷が上下対称であるとき、この平金敷への被加工材の噛み込み量を、この被加工材の高さの７０〜１００％の範囲に制御して圧下することを特徴とするものである。

本発明の請求項３に係る鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法が採用した手段は、請求項１に記載の鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法において、前記平金敷が上下非対称であるとき、この平金敷への被加工材の噛み込み量を、この被加工材の高さの６０〜１００％の範囲に制御して圧下することを特徴とするものである。

本発明の請求項４に係る鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法が採用した手段は、請求項１乃至３の何れか一つの項に記載の鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法において、前記パス操作１回あたりの被加工材の鍛錬比が１．２以上であることを特徴とするものである。

本発明の請求項５に係る鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法が採用した手段は、請求項１乃至４の何れか一つの項に記載の鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法において、前記側面を冷却するための冷却媒体が、空気、水、ポリマーまたはこれらの冷却媒体を混合したものであることを特徴とするものである。

本発明の請求項６に係る鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法が採用した手段は、請求項１乃至５の何れか一つの項に記載の鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法において、前記被加工材が、組立型クランク軸の鍛鋼スローであることを特徴とするものである。

本発明の請求項７に係る鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法が採用した手段は、請求項１乃至５の何れか一つの項に記載の鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法において、前記被加工材が鍛伸材であることを特徴とするものである。

本発明の請求項１に係る鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法によれば、上下に平金敷を取り付けた自由鍛造プレスにより、対向する２方向からの圧下と同一軸方向への送り動作を交互に繰り返すパス操作を複数回行ないつつ被加工材を鍛造する鍛造方法であって、前記被加工材の圧下面に対応する側面の圧下開始前温度と圧下終了後温度の温度差範囲が、２５〜３００℃となる様に冷却しながら該被加工材を圧下する。

その結果、被加工材の圧下に伴う幅広がりを抑制して、被加工材の中心部により大きい静水圧応力を作用させる効果が得られる。また、全面冷却ではなく局所冷却であるため、圧下終了後に復熱しやすく、被加工材全体の温度低下も小さく、温度低下によって鍛造できなくなる虞はない。更には、圧下に伴う加工発熱や復熱によって被加工材の温度が適正鍛造温度範囲にまで回復しなくなり、鍛造荷重が増大してプレス力量を超え、鍛造できなくなるということがない。

また、本発明の請求項２及び４に係る鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法によれば、前記平金敷が上下対称であるとき、この被加工材の噛み込み量を、この被加工材の高さの７０〜１００％の範囲に制御して、前記パス操作１回あたりの被加工材の鍛錬比を１．２以上として圧下するので、被加工材の中心部のひずみが増加し、圧縮応力を作用させることができる。即ち、被加工材の中心部に応力及びひずみを集中させて、欠陥を効率よく閉鎖させることができる。

一方、本発明の請求項３及び４に係る鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法によれば、前記平金敷が上下非対称であるとき、この被加工材の噛み込み量を、この被加工材の高さの６０〜１００％の範囲に制御して、前記パス操作１回あたりの被加工材の鍛錬比を１．２以上として圧下するので、上記と同様、被加工材の中心部のひずみが増加し、圧縮応力を作用させることにより、被加工材の中心部に応力及びひずみを集中させて、欠陥を効率よく閉鎖させることができる。

更に、本発明の請求項５に係る鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法によれば、前記側面を冷却するための冷却媒体が、空気、水、ポリマーまたはこれらの冷却媒体を混合したものであるので、被加工材における冷却側面の圧下開始前後の温度差が２５〜３００℃となる様に冷却する、上記の如き適正な鍛造温度範囲に保持可能となる。

そして、本発明の請求項６に係る鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法によれば、前記被加工材が、組立型クランク軸の鍛鋼スローであるので、このクランクスロー素材の内部に応力及びひずみを集中させ、ピン部中心部の欠陥の閉塞を効率よく行うことにより、クランクスローの鍛造材の内部欠陥を改善することができる。

また、本発明の請求項７に係る鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法によれば、前記被加工材が鍛伸材であるので、鍛伸材の内部に応力、ひずみを集中させ、中心部の欠陥の閉塞を効率良く行なうことにより、鍛造材の内部欠陥を改善することができる。

本発明の実施の形態１に係り、対向する２方向からの圧下により被加工材を鍛造する鍛造方法を説明するための正面図であって、図（ａ）は冷却スプレイノズルが垂直配置された場合、図（ｂ）は冷却スプレイノズルが水平配置された場合を示す。 本発明の実施の形態１に係り、鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法を説明するため平金敷を省略した斜視図である。 本発明の実施の形態１に係り、自由鍛造プレスにより被加工材を鍛造するパス操作を２回行なうパスユニットＵを、被加工材を側断面視して説明するための模式的説明図である。 本発明の実施の形態２に係り、クランクスローのピン部が形成される部位を圧下する状態を示す模式的斜視図である。 本発明の実施例に係り、被加工材として一般的に用いられるＣｒ−Ｍｏ低合金鋼における熱間変形抵抗の一例を示す図である。 図５から温度差がある場合の変形抵抗比（高温側変形抵抗／低温側変形抵抗）Ｋｃを算出した結果を示す図である。 従来技術１に係る鍛造製品における中心性状を向上させるための鍛伸方法の概略図である。 従来技術２に係る金属材料の熱間鍛錬方法の一実施例を示す正面及び側面図である。

本発明の実施の形態１に係る鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法を、以下添付図１〜３を参照しながら説明する。図１は本発明の実施の形態１に係り、対向する２方向からの圧下により被加工材を鍛造する鍛造方法を説明するための正面図であって、図（ａ）は冷却スプレイノズルが垂直配置された場合、図（ｂ）は冷却スプレイノズルが水平配置された場合を示す。また、図２は本発明の実施の形態１に係り、鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法を説明するため平金敷を省略した斜視図、図３は本発明の実施の形態１に係り、自由鍛造プレスにより被加工材を鍛造するパス操作を２回行なうパスユニットＵを、被加工材を側断面視して説明するための模式的説明図である。

本発明の実施の形態１に係る鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法は、被加工材３の上下に対称形状を有する平金敷１，２を取り付けた図示しない自由鍛造プレスにより、図１に示す如く対向する２方向からの圧下面Ｕａへの圧下と、図２に矢印Ｘで示した同一軸方向への送り量Ｂだけ送る送り動作を、被加工材３の一端Ｐ側から他端Ｑ側へかけて交互に繰り返すパス操作（第１パス）を行い、図３に示す如く第１中間鍛造材３ａとなす。そして、この第１パス操作を通して、当初の被加工材３の側断面寸法、即ち、幅Ｗ０及び高さＨ０の側断面が鍛伸されて、幅Ｗ１及び高さＨ１の側断面を有する第１中間鍛造材３ａに至る。

次いで、図３に矢印Ｄで示す様に、前記第１中間鍛造材３ａを軸方向回りに９０°回転させて、第１パスにおける側面Ｓを圧下面Ｕａとし、送り方向を他端Ｑ側から一端Ｐ側の方向（図２のＹ方向）に、或いは第１パスと同様に一端Ｐ側から他端Ｑ側の方向（Ｘ方向）にして同様のパス操作（第２パス）を行う。前記第１パス同様、この第２パス操作を通して、前記第１中間鍛造材３ａの側断面寸法、幅Ｗ１及び高さＨ１が鍛伸されて、幅Ｗ２及び高さＨ２の第２中間鍛造材３ｂに至る。

これら第１パスと第２パスとをパスユニットＵとして、必要に応じて、このパスユニットＵを複数回行ない、被加工材３の目標鍛伸寸法（目標側断面寸法）にまで鍛造する。
尚、前記上下対称形状の平金敷１、２の形状は、軸方向には少なくとも前記送り量Ｂ以上の長さが、また幅方向には圧下（鍛造）開始前の被加工材３の幅Ｗ０以上の長さが必要である。

そして、本発明の実施の形態１に係る鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法は、被加工材３の両側面Ｓにおいて、圧下面Ｕａの軸方向の長さ（＝送り長Ｂ）に対応するハッチングで示す冷却領域Ｓｃを、冷却しながら前記被加工材３を圧下するのである。符号Ｓｎは、側面Ｓにおける他の非冷却領域を示す。

前記冷却領域Ｓｃを冷却しながら被加工材３を圧下することによって、この被加工材３の圧下に伴う幅広がりを抑制して、被加工材３の中心部により大きい静水圧応力を作用させる効果が得られる。また、全面冷却ではなく、前記冷却領域Ｓｃのみ冷却する局所冷却であるため、圧下終了後に復熱しやすく、被加工材３全体の温度低下も小さく、温度低下によって鍛造できなくなる虞はない。

前記冷却領域Ｓｃの冷却方法としては、図１（ａ）及び（ｂ）に一例を示す様に、複数のスプレイノズル４を冷却領域Ｓｃの高さ方向または水平方向に均等間隔で配置して、両側面の前記冷却領域Ｓｃに冷却媒体を噴射し、上下の平金敷１、２で圧下中の側面Ｓの冷却領域Ｓｃを両側ともに冷却するのが好ましい。

この圧下中の側面Ｓにおける冷却領域Ｓｃの冷却は、この冷却領域Ｓｃの圧下開始前温度と圧下終了後温度の温度差範囲が２５〜３００℃となる様に、冷却能力、即ち冷却媒体流量を調節することが肝要である。この根拠については後述するが、前記圧下開始前後の温度差を２５〜３００℃とすることによって、圧下に伴う加工発熱や復熱によって被加工材３の温度が適正鍛造温度範囲にまで回復しなくなり、鍛造荷重が増大してプレス力量を超え、鍛造できなくなるということがない。

一方、前記冷却媒体としては、空気、水、ポリマーまたはこれらの冷却媒体を混合したものが好ましい。この様な冷却媒体を適宜用いることによって、被加工材３の温度を上記の如く適正な鍛造温度範囲に保持可能となる。

また、前記矢印Ｘ，Ｙで示した同一軸方向への送り動作による送り量Ｂは、上下に対称形状を有する前記平金敷１，２への被加工材３の食い込み量を、圧下（鍛造）開始前の被加工材３の高さＨ０の７０〜１００％の範囲内で適正値に制御して圧下するのが好ましい。

更に、矢印Ｘ方向の第１パス及び矢印Ｙ方向の第２パスの何れの場合でも、鍛錬比Ｆが１．２以上となる様に、各パスでの圧下量が設定されるのが好ましい。ここで、鍛錬比Ｆは、圧下（鍛造）前後の被加工材３の断面積比、即ち、図３において第１パスでは、Ｆ＝Ｈ０×Ｗ０／（Ｈ１×Ｗ１）で、第２パスでは、Ｆ＝Ｈ１×Ｗ１／（Ｈ２×Ｗ２）で算出される。

そして、前記平金敷１，２への被加工材３の噛み込み量Ｂを、この被加工材３の高さＨ０の７０〜１００％の範囲に制御すると共に、前記パス操作１回あたりの被加工材３の鍛錬比Ｆを１．２以上として圧下するので、被加工材３の中心部のひずみが増加し、圧縮応力を作用させることができる。即ち、被加工材３の中心部に応力及びひずみを集中させて、欠陥を効率よく閉鎖させることができる。

次に、本発明の実施の形態２に係る鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法を、組立型クランク軸のクランクスローに採用した例として、以下添付図４を参照しながら説明する。図４は本発明の実施の形態２に係り、クランクスローのピン部が形成される部位を圧下する状態を示す模式的斜視図である。

但し、本発明の実施の形態２が上記実施の形態１と相違するところは、被加工材の形状、内股工具の有無、上下平敷金の形状、寸法及び冷却スプレイノズルの配置構成に相違があり、この相違以外は上記実施の形態１と全く同構成であるから、上記実施の形態１と同一のものに同一符号を付して、以下その相違する点について説明する。

即ち、上記実施の形態１においては、四角柱形状の被加工材３の上下に、対称形状を有する平金敷１，２を取り付けた自由鍛造プレスにより、対向する２方向からの圧下面Ｕａへ圧下すると共に、複数の冷却スプレイノズル４を、両側面Ｓにおける冷却領域Ｓｃの高さ方向または水平方向に均等間隔で配置して、前記冷却領域Ｓｃに冷却媒体を噴射し、上下の平金敷１、２で圧下中の両側面Ｓの冷却領域Ｓｃを冷却していた。

これに対し、本発明の実施の形態２においては、上下に非対称形状の平金敷１１，１２を取り付けた図示しない自由鍛造プレスにより、下金敷１２上に載置されたクランクスロー（被加工材）１３のアーム部１３ａ，１３ａ間に内股工具１５を挟み込んだ状態で、ピンが形成されるピン部１３ｂを上金敷１１により圧下する。同時に、複数のスプレイノズル１４を、前記ピン部１３ｂにおける側面Ｓの高さ方向または水平方向に均等間隔で配置して、両側面の前記冷却領域Ｓｃに冷却媒体を噴射し、上下の平金敷１１、１２で圧下中の側面Ｓのハッチングで示す冷却領域Ｓｃを両側面ともに冷却する。

上下平金敷１１，１２を非対称形状とする理由は、クランクスロー（被加工材）１３をスロー形状に鍛造するために、内股工具１５をアーム部１３ａ，１３ａ間に挟み込む一方、下平金敷１２でピン部１３ｂ及び下側のアーム部１３ａを下方から支持する必要があるためである。そのため、内股工具１５も上下平金敷１１，１２とは非対称形状となる。

また、本発明の実施の形態２に係る噛み込み量Ｂは、上平金敷１１の幅Ｚにより決まり、この金敷幅Ｚは、被加工材１３のピン部１３ｂの高さＨ０の５０％よりも大きく、１００％以下の長さとするのが好ましい。前記金敷幅Ｚが被加工材１３のピン部１３ｂの高さＨ０の５０％未満であると中心部に圧縮応力を負荷できず、１００％を越えると鍛造荷重が高くなり、目標とする圧下量まで圧下できないためである。

そして、上金敷１１により、鍛錬比Ｆが１．２以上となるように前記ピン部１３ｂを圧下することにより、その中心部まで欠陥の消滅に有効なひずみ及び圧縮応力を作用させることができる。尚、図４に示した様に、上下のアーム部１３ａ，１３ａ間に、内股工具１５を挟み込んでおけば、上金敷１１の噛み込み領域が、ピン部１３ｂとアーム部１３ａの境界に渡るときに、圧下を安定して行うことができる。

次に、本発明に係る鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法の実施例に付き、以下添付図
５，６に前図１〜４も併用しながら説明する。図５は本発明の実施例に係り、被加工材と
して一般的に用いられるＣｒ−Ｍｏ低合金鋼における熱間変形抵抗の一例を示す図、図６
は図５から温度差がある場合の変形抵抗比（高温側変形抵抗／低温側変形抵抗）Ｋｃを算
出した結果を示す図である。

＜実施例−Ａ＞
先ず、本発明の実施の形態１に基づき、側断面寸法Ｗ０，Ｈ０が５００ｍｍ角の炭素鋼素材（被加工材）３から、側断面寸法が４００ｍｍ角の鍛造材へ鍛造する工程において、素材３の高さ方向および幅方向の中央部に直径２ｍｍの初期空隙欠陥を形成して１０００℃に加熱した後、上下対称形状の平金敷１，２を用いて、噛み込み量Ｂ（または噛み込み量比）、鍛錬比Ｆ及び圧下中の側面Ｓの冷却条件を変化させて、前述のパスユニットＵ（図３参照）の第１パス後の鍛造材３ａにおける前記初期空隙欠陥の消滅の程度を、剛塑性３次元有限要素法を用いた変形解析により数値実験した。表１に実験結果を示す。

表１において、直径２ｍｍの初期空隙欠陥が、直径０．５ｍｍ未満（○印）もしくは消滅した場合（◎印）を、欠陥評価において合格とした。ここで、鍛造後の空隙欠陥の大きさは、欠陥の断面積と等しい断面積の円の直径に換算したものである。表１から、実施例１〜１９の鍛造条件において、何れも初期空隙欠陥は直径０．５ｍｍ未満もしくは完全に消滅しており、本願発明の鍛造条件では、被加工材３の中心部まで有効にひずみ及び圧縮応力が作用していることが分かる。

これに対して、側面冷却をせず、本願発明の要件を満たしていない比較例１〜１０の鍛造条件では、噛み込み比（Ｂ／Ｈ０）が６０〜１００％で鍛錬比（Ｆ）が１．１以上の場合でも、初期空隙欠陥は直径０．５ｍｍを越える欠陥（△，×印）として残存しており、このことは、圧下面Ｕａに対応する側面Ｓの冷却領域Ｓｃを冷却せずに圧下すれば、被加工材３中心部へのひずみ及び圧縮応力の作用が不十分となることを示している。

ここで、前記圧下中に冷却される被加工材３の側面Ｓにおける圧下開始前の温度と圧下終了後の温度との差が、２５〜３００℃となる様に冷却する根拠について以下に述べる。
被加工材３の側面Ｓの冷却が、比較例１１の如く２５℃未満の冷却不足であると、鍛造荷重が上昇し、初期空隙欠陥を効率良く閉塞させることが困難となる。一方、被加工材３の側面Ｓの圧下開始前後における温度差が、比較例１２，１３の如く３００℃を超えて過冷却になると、マンネスマン効果のため初期空隙欠陥の効率的な閉塞ができなかったり、逆に前記空隙が広がったり、更には圧下が不可能となったりする。このため、被加工材側面Ｓの強制冷却を、鍛造荷重上昇を考慮して、適正に制御する必要がある。

即ち、プレス力量をＰ、圧下を行う上金敷１と被加工材３との接触面積をＡ、被加工材３の変形抵抗をσ、拘束係数をＱ（＝１．１〜１．５）とすると、鍛造を可能にするためには次式（１）を満足する必要がある。
Ｑ×σ×Ａ＜Ｐ （１）
接触面積Ａは、金敷噛み込み量（送り量）Ｂ及び被加工材３の幅Ｗ０から、Ａ＝Ｂ×Ｗ０であるから、前式（１）の条件は式（２）の様になる。
σ＜Ｐ／（Ｑ×Ｂ０×Ｗ） （２）
従って、被加工材３の変形抵抗σが上式（２）を満たす様に、被加工材３の側面Ｓの強制冷却を制御する必要がある。

上記被加工材３として一般に用いられるＣｒ−Ｍｏ低合金鋼の変形抵抗比（高温側変形抵抗／低温側変形抵抗）Ｋｃは、本願発明では、上式（２）を満たす基準として、目標とする圧下量に圧下可能な最大の変形抵抗比であるから、Ｋｃ＞１／５と設定した。図６から、Ｋｃ＞１／５を満たすためには、被加工材３の側面Ｓにおける圧下開始前の温度と圧下終了後の温度差を３００℃以下としておく必要がある。

この圧下開始前の温度と圧下終了後の温度差は、被加工材３の側面Ｓにおける冷却領域Ｓｃと非冷却領域Ｓｎの温度差と実質的に同等と見なすことができ、圧下中の被加工材３の側面Ｓへの冷却能力の尺度とすることができる。尚、圧下に伴う側面クラック発生防止の観点からも、温度差を３００℃以下としておくことは好ましい。

＜実施例−Ｂ＞
次に、本発明の実施の形態２に基づき、ピン部１３ｂの側断面寸法が５００ｍｍ角の炭素鋼素材（被加工材）１３を上下非対称の平金敷１１，１２で圧下する鍛造工程において、素材１３の高さ方向及び幅方向の中央部に直径２ｍｍの初期空隙欠陥を形成して温度１０００℃に加熱した後、図４に示した様に、上下非対称形状の平金敷１１，１２を用いて、噛み込み量Ｂ（または噛み込み量比）、鍛錬比Ｆ及び圧下中の側面の冷却条件を変化させて、実施例−Ａと同様の数値実験を行なった。表２に実験結果を示す。

表２から、本願発明の要件を満たす実施例２１〜３２の鍛造条件では、何れも初期空隙欠陥は直径０．５ｍｍ未満または完全に消滅しており、本願発明の鍛造条件では、被加工材１３、即ちクランクスローのピン部１３ｂの中心部まで有効にひずみおよび圧縮応力が作用していることが分かる。これに対して、側面冷却をせず、本願発明の要件を満たしていない比較例２１〜２６の鍛造条件では、何れの噛み込み比（Ｂ／Ｈ０）及び鍛錬比（Ｆ）の場合でも、初期空隙欠陥は直径０．５ｍｍを越える欠陥として残存しており、このことは、実施例−Ａと同様、圧下面に対応する側面Ｓを冷却せずに圧下すれば、被加工材１３中心部へのひずみ及び圧縮応力の作用が不十分となることを示している。

また、被加工材３の側面Ｓを冷却したとしても、比較例２７の如く圧下開始前後の温度差が２５℃未満の冷却不足や、比較例２８，２９の如く前記温度差が３００℃を越える過冷却であると、前記実施例−Ａの場合と同様鍛造荷重が上昇し、初期空隙欠陥の効率的な閉塞ができなかったり、圧下が不可能となったりする。

即ち、前記平金敷１１，１２が上下非対称である場合は、炭素鋼素材（被加工材）１３の噛み込み量を、この炭素鋼素材１３の高さの６０〜１００％の範囲に制御して、パス操作１回あたりの鍛錬比を１．２以上として圧下することが肝要である。

以上説明した通り、本発明に係る鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法は、上下対向する２方向から、平金敷により圧下と同一軸方向への送り動作を交互に繰り返すパス操作を複数回行ないつつ被加工材を鍛造する鍛造方法であって、前記被加工材の圧下面に対応する側面の圧下開始前温度と圧下終了後温度の温度差範囲が、２５〜３００℃となる様に冷却しながら該被加工材を圧下する。

その結果、被加工材の圧下に伴う幅広がりを抑制して、被加工材の中心部により大きい静水圧応力を作用させる効果が得られる。また、全面冷却ではなく局所冷却であるため、圧下終了後に復熱しやすく、被加工材全体の温度低下も小さく、温度低下によって鍛造できなくなる虞はない。更には、圧下に伴う加工発熱や復熱によって被加工材の温度が適正鍛造温度範囲にまで回復しなくなり、鍛造荷重が増大してプレス力量を超え、鍛造できなくなるということがない。

Ｂ：送り量（噛み込み量），
Ｐ：被加工材の一端， Ｑ：被加工材の他端，
Ｓ：被加工材の側面， Ｓｃ：冷却領域， Ｓｎ：非冷却領域，
Ｕａ：圧下面，
１，２：平金敷，
３：被加工材（炭素鋼素材）， ３ａ：第１中間鍛造材， ３ｂ：第２中間鍛造材，
４：冷却スプレイノズル，
１１：平金敷（上金敷）， １２：平金敷（下金敷），
１３：被加工材（クランクスロー）， １３ａ：アーム部， １３ｂ：ピン部，
１４：冷却スプレイノズル，
１５：内股工具

Claims (7)

1. 上下に平金敷を取り付けた自由鍛造プレスにより、対向する２方向からの圧下と同一軸方向への送り動作を交互に繰り返すパス操作を複数回行ないつつ被加工材を鍛造する鍛造方法であって、前記被加工材の圧下面に対応する側面の圧下開始前温度と圧下終了後温度の温度差範囲が、２５〜３００℃となる様に冷却しながら該被加工材を圧下することを特徴とする鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法。
2. 前記平金敷が上下対称であるとき、この平金敷への被加工材の噛み込み量を、この被加工材の高さの７０〜１００％の範囲に制御して圧下することを特徴とする請求項１に記載の鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法。
3. 前記平金敷が上下非対称であるとき、この平金敷への被加工材の噛み込み量を、この被加工材の高さの６０〜１００％の範囲に制御して圧下することを特徴とする請求項１に記載の鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法。
4. 前記パス操作１回当りの被加工材の鍛錬比が１．２以上であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つの項に記載の鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法。
5. 前記側面を冷却するための冷却媒体が、空気、水、ポリマーまたはこれらの冷却媒体を混合したものであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一つの項に記載の鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法。
6. 前記被加工材が、組立型クランク軸の鍛鋼スローであることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一つの項に記載の鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法。
7. 前記被加工材が、鍛伸材であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一つの項に記載の鍛造材の内部欠陥を改善する鍛造方法。

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