JP5765757B2

JP5765757B2 - 環状素形材の製造方法

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Publication number: JP5765757B2
Application number: JP2010182788A
Authority: JP
Inventors: 中溝　利尚; 利尚中溝
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2010-08-18
Filing date: 2010-08-18
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2030-08-18
Also published as: JP2012040585A

Description

熱間ローリング時に発生もしくは拡大する可能性のある内部空隙すなわちボイドに対して、もしくは熱間リングローリング加工前に存在した内部空隙すなわちボイドに対して、リングローリング機を用いて、メインロールの周速度とマンドレル圧下速度との関係を制御することにより、内部空隙すなわちボイドの発生あるいは拡大を抑制すること、もしくは内部空隙すなわちボイドを圧着させて閉鎖させることを目的とした加工方法に関する。

鋼材の板材圧延などの分野では、鋼材中の内部空隙すなわちボイドに対して、圧延材の形状を制御する方法あるいは圧延材の形状の制御に加えて圧延速度を制御する方法により内部空隙すなわちボイドの発生や拡大を抑制すること、あるいは内部空隙すなわちボイドを圧着させて閉鎖させることなどが提唱されている。

これらとしては、鋼材の板材圧延などの圧延材の形状の制御や圧延速度の制御などにより内部空隙すなわちボイドを低減する技術が開発されている。例えば、連鋳時に発生して鋳片中に内在するセンターポロシティーを完全に圧着せしめる鋼片の圧下方法が提案されている。（例えば、特許文献１参照。）。しかし、この方法は、鋳片の表面と中心部に４００℃以上の温度差を設けるために、鋳片の表面に水冷が必要になり、熱量原単位のロスが大きく、また、この方法では、鋳片の中心部に対して４００℃以上の温度差で、形状比０．５以上の大圧下圧延をするので、通常の圧延に比べて数倍の圧下力を要し、圧延機の能力を増強するために設備費用がかかる問題がある。さらに、連鋳片を粗圧延工程で幅出し圧延し、さらに仕上げ圧延工程で低速圧延の複数パス圧延およびパス圧延の全てを０．５以上の形状比の大圧下圧延の組合せにより極厚鋼板を製造してセンターポロシティーを圧着する方法が提案されている（例えば、特許文献２。）参照。さらに、特許文献２の方法を実施する方法において、連続鋳造の定常の引抜工程で、鋳片の液相線クレーター先端と固相線クレーター先端との間を圧下量０．５〜２．０ｍｍ／分の範囲で連続的に圧下し、次いで特許文献２の方法を行う方法が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。これらは、板圧延材については内部ミクロポロシティーの改善を狙って、連続鋳造の定常の引抜き工程の圧下量の制御および圧延工程出の圧延材の形状と圧延スピードの制御によってセンターポロシティーの解消を達成している。しかし、熱間リングローリング加工においては、内部空隙すなわちボイドの改善技術は未だ確立されていない。

特開昭６１−２３８４０４号公報特開平２−５５６０５号公報特開平２−５５６０６号公報

熱間リングローリング加工方法は、複数個のロールを用いて素材の肉厚を減少させてリングの径を拡大する加工方法である。歩留りが良好で必要とされる加工力が小さいなどの利点があり、比較的に径の大きな環状素形材の製造に広く用いられている方法である。しかしながら、この方法は、径を拡大する加工方法であるために、リングの円周方向には、引張の応力が作用する。この応力は、（１）加工前に存在していた空隙、もしくは（２）被加工材内部にある界面、例えば、変形抵抗の差があるような被加工材と介在物などの界面を原因としてリングローリング加工中に空隙の発生を助長しあるいは空隙を拡大する場合がある。

この空隙は、次のような不具合を生じる場合がある。例えば、鍛造品を旋削し、さらに熱処理して所定のベアリングとした場合に、当該空隙が鍛造品の表面もしくは表面直下に位置した場合、ベアリングを使用すると、疲労剥離などの早期欠陥を引き起こす可能性がある。このために、熱間ローリング加工において、内部空隙すなわちボイドを抑制もしくは閉塞させる加工方法あるいは加工条件が求められている。

そこで、本願の発明が解決しようとする課題は、熱間リングローリング加工において、リングに生じる内部空隙すなわちボイドを抑制もしくは閉鎖させる加工条件からなるリング状素形材の加工方法を提供することである。

上記の課題を解決するための本発明の手段は、第１の手段では、２個のメインロールとマンドレル間でリングローリング加工する、一般に斎藤式リングローリング方式として知られる方法である。この方法では、横方向のＸ軸方向と縦方向のＹ軸方向と手前方向のｚ軸方向の３次元で示すとき、メインロールの回転の主軸をＹ軸方向に対して対称的に同一角度傾けて２個のメインロールの外周部に形成の加圧部を一定角度のＶ字状に当接して設置する。次いで、この２個のメインロールの加圧部の外周面とマンドレルの外周面との間に形成した孔型に、素材の鋼材リングを挿通する。次いで、２個のメインロールとマンドレルの関係のマンドレルの圧下速度ｆに対する２個のメインロールの周速度Ｖの比であるｆ／Ｖの値を一定の範囲に制御し、２個のメインロールの加圧部に形成の孔型の外面および側面に対する押圧力とマンドレルの外周面に形成の孔型の内面による反力により、鋼材リングの外周面を圧下し、鋼材リングをリング軸方向に切断した断面形状からなるリング断面を有する鋼材リングに形成する方法において、２個のメインロールとマンドレルの関係であるマンドレルの圧下速度ｆに対する２個のメインロールの周速度Ｖの比であるｆ／Ｖの値を２０．８×１０^-4〜６０×１０^-4の範囲とすることを特徴とする熱間リングローリング加工によるリング状素形材の製造方法である。

本発明の第２の手段は、メインロール周速度Ｖが位置によって変わる場合はメインロールの加工に寄与する加圧部の周速度の最大値をメインロール周速度Ｖとし、マンドレル圧下速度ｆが時間変動する場合はその平均値をマンドレル圧下速度ｆとして採用することを特徴とする請求項１の手段の熱間リングローリング加工によるリング状素形材の製造方法である。

請求項１の手段では、メインロールおよびマンドレルの関係であるマンドレルの圧下速度ｆに対するメインロールの周速度Ｖの比であるｆ／Ｖの値を２０．８×１０^-4〜６０×１０^-4の一定の範囲に制御することで、よりリング状素形材に空隙すなわちボイドの形成を抑制もしくは形成された空隙すなわちボイドを閉塞させてベアリングとしての使用時における空隙を基因とする疲労剥離による早期欠陥をより一層に阻止できる。

さらに、請求項２の手段では、メインロール周速度Ｖが位置によって変わる場合は加圧部の周速度の最大値をメインロール周速度Ｖとし、マンドレル圧下速度ｆが時間変動する場合はその時間のマンドレル圧下速度の平均値をマンドレル圧下速度ｆとすることで、より的確にリング状素形材に空隙すなわちボイドの形成を抑制もしくは形成された空隙すなわちボイドを閉塞させることができる。

本発明のリングローリングに使用するリングローリング機の模式的側面図である。図１のリングローリング機の２個のメインロールとリング状素形材とマンドレルの部分を模式的に示す平面図である。

本発明を実施するための形態について、図面および表を参照して以下に説明する。本発明は、図１に示すリングローリング機１を用いる方法である。この方法に使用するリングローリング機１は、リングローリング機１を支持する支持枠体１７に２個のメインロール３、３とマンドレル６と複数の控ロール１６をそれぞれ支持している。すなわち、図２の平面図に示すように、このリングローリング機１はリングローリング機１の２個のメインロール３、３の当接部とマンドレル６の中心を通るＹ軸を主軸２とするリングローリング機１からなっており、２個の加圧部４、４を対称的に傾斜して当接する２個のメインロール３、３の各主軸３ａ、３ａの交点を通り、Ｙ軸に垂直な軸をＸ軸とするとき、２個のメインロール３、３の各主軸３ａ、３ａは、Ｘ軸と一定の角度を設けてＹ軸に対称的に傾斜している。

これらの図に示す本発明の実施形態の方法は、次の条件の（１）および（２）の２点による方法である。先ず、条件の（１）の方法は、熱間リングローリング加工において、図１に示すリングローリング機１を用いる公知に係る方法である。この方法に使用するリングローリング機１は、リングローリング機１を支持する支持枠体１７に２個のメインロール３、３とマンドレル６と複数の控ロール１６をそれぞれ支持している。次いで、条件の（２）の方法は、図２に示すように、このリングローリング機１の２個のメインロール３、３の加圧部４の外周面５とマンドレル６の外周面７との間に形成した孔型８に、被加工材である素材の鋼材リング１２を挿通し、２個のメインロール３、３の加圧部４の外周面５を被加工材である鋼材リング１２の外周面１３に当接し、マンドレル６の外周面７を鋼材リング１２の内周面１４に当接し、さらに鋼材リング１２の外周面１３には複数個の控ロール１６を当接して鋼材リング１２の加工による拡径に連れて控ロール１６の外面を後退させながら鋼材リング１２の周囲をバックアップしながらリングローリング加工を行う。

すなわち、この（１）の方法のリングローリング加工の場合、２個のメインロール３、３とマンドレル６の関係であるマンドレル６の圧下速度ｆに対する２個のメインロール３、３の周速度Ｖの比であるｆ／Ｖの値を一定の範囲に制御し、２個のメインロール３、３の加圧部４に形成の孔型８の外面９および側面１０に対する押圧力とマンドレル６の外周面７に形成の孔型８の内面１１による反力により、鋼材リング１２の外周面１３を圧下し、鋼材リング１２のリング軸方向に切断した断面形状を孔型８からなるリング断面１５を有する鋼材リング１２に形成する。

次いで、条件の（２）の方法は、請求項１に係る発明の方法であり、リングローリングに寄与する２個のメインロール３、３およびマンドレル６による関係である、マンドレル６の圧下速度ｆに対する２個のメインロール３、３の周速度Ｖの比であるｆ／Ｖ値を一定の範囲に制御した条件（１）のリングローリング方法において、この一定の範囲を２０．８×１０^-4〜６０×１０^-4の範囲の値とし、２個のメインロール３、３の加圧部４に形成の孔型８の外面９および側面１０に対する押圧力とマンドレル６の外周面７に形成の孔型８の内面１１による反力により、鋼材リング１２の外周面１３を圧下し、鋼材リング１２のリング軸方向に切断した断面形状を孔型８からなるリング断面１５を有する鋼材リング１２に形成する方法である。

上記の条件（１）では、２つのメインロール３、３およびマンドレル６により形状化された孔型８によって被加工材である素材の鋼材リング１２の圧延部位のほぼ全域が拘束されて鋼材リング１２の断面が押圧される。この場合、２個のメインロール３、３とマンドレル６の関係であるマンドレル６の圧下速度ｆに対する２個のメインロール３、３の周速度Ｖの比であるｆ／Ｖの値を一定の範囲に制御している。したがって、鋼材リング１２の圧延部位のほぼ全域に対して、圧縮方向の静水圧応力を作用でき、リングに成形した素形材中の空隙すなわちボイドの生成およびその拡大を抑制することが出来る。なお、静水圧応力は、空隙の拡大あるいは縮小を評価する指標の１つであり、圧縮方向の静水圧応力であれば、空隙は閉じる方向へ向かう。

次いで、条件（２）では、マンドレル６の圧下速度ｆに対する２個のメインロール３、３の周速度Ｖの比であるｆ／Ｖの値が２０．８×１０^-4未満である場合は、２個のメインロール３、３の周速度Ｖに対するマンドレル６の圧下速度ｆが小さ過ぎるため、被加工材であるである鋼材リング１２の表面のみが加工される条件となり、被加工材である鋼材リング１２の内部まで圧下が作用せず、内部には引張応力が作用することとなる。一方、ｆ／Ｖの値が６０×１０^-4を超える場合は、２個のメインロール３、３の周速度Ｖに対するマンドレル６の圧下速度ｆが大き過ぎるため、被加工材である鋼材リング１２が２個のメインロール３、３に噛み込まないので、圧延することが出来ない。

したがって、上記の条件（１）および条件（２）を満足する場合は、被加工材である鋼材リング１２の全域にわたって、鋼材リング１２の内部に発生する引張応力を抑制することが可能となり、鋼材リング１２の内部の空隙すなわちボイドの生成および拡大を抑制することが出来る。

（実験例）
リングローリング加工前の素材として、外径１８２ｍｍ、内径７５ｍｍ、幅４３ｍｍの鋼材リング１２を用いてローリング加工を行った。この場合、２個のメインロール３、３の周速度Ｖ、マンドレル６の圧下速度ｆを、表１のように条件振りした。被加工材である鋼材リング１２の素材の内部には、直径２ｍｍの人工空隙を設け、この鋼材リング１５に表１の条件に従ってローリング加工を行い、この空隙の拡大率を調査した。この調査した空隙の拡大率の評価は、リングローリング加工前の鋼材リング１２の断面積とリングローリング加工後の断面積の比を拡大率として以下の基準で行った。

表１において、空隙の拡大率の評価の基準は、空隙の拡大率＜１００％、１００％≦空隙の拡大率＜１２５％、１２５％≦空隙の拡大率とした。これらにおいて、空隙の拡大率＜１００％の場合を〇として表示し、これは縮小できたものである。この場合、空隙は閉じる方向へ向かった。さらに、１００％≦空隙の拡大率＜１２５％の場合を△として表示し、これはやや拡大したものを示した。また、１２５％≦空隙の拡大率の場合を×として表示した。ｆ／Ｖが大きく、圧延自体が出来なかったものには、「圧延出来ず」としている。

この実験例の表１における空隙の評価では、Ｎｏ．１は、２個のメインロール３、３の周速度Ｖに対するマンドレル６の圧下速度ｆが大きいため、被加工材である鋼材リング１２が２個のメインロール３、３に噛み込まないので、圧延することが出来なかった。Ｎｏ．２、Ｎｏ．３およびＮｏ．６は、マンドレル６の圧下速度ｆに対する２個のメインロール３、３の周速度Ｖの比のｆ／Ｖが２０×１０^-4〜６０×１０^-4であるので、拡大率が１００％未満であり、空隙の評価は○で縮小できた。Ｎｏ．４は、マンドレル６の圧下速度ｆに対する２個のメインロール３、３の周速度Ｖの比のｆ／Ｖが４．２×１０^-4で４．０×１０^-4を僅か超えているので、空隙の拡大率が１００％以上でかつ１２５％未満であり、空隙の評価は△でやや拡大した。これらに対して、Ｎｏ．５およびＮｏ．７は、マンドレル６の圧下速度ｆに対する２個のメインロール３、３の周速度Ｖの比のｆ／Ｖが４．０×１０^-4未満であるので、空隙の拡大率が１２５％以上であり、空隙が拡大したため、空隙の評価は×で、これは、鋼材リング１２の表面のみが加工されるため、被加工材内部に引っ張りの静水圧応力が発生したためと考えられる。

１リングローリング機
２主軸
３メインロール
３ａ主軸
４加圧部
５外周部
６マンドレル
７外周面
８孔型
９外面
１０側面
１１内面
１２鋼材リング
１３外周面
１４内周面
１５リング断面
１６控ロール
１７支持枠体

Claims

メインロールとメインロール内のマンドレル間でリングローリング加工する際、横方向のＸ軸方向と縦方向のＹ軸方向と手前方向のｚ軸方向の３次元で示して、メインロールの回転の主軸をＹ軸方向に対して対称的に同一角度傾けて２個のメインロールの外周部に形成の加圧部を一定角度のＶ字状に当接し、この２個のメインロールの加圧部とマンドレルの外周面との間に形成した孔型に素材の鋼材リングを挿通し、２個のメインロールとマンドレルの関係のマンドレルの圧下速度ｆに対する２個のメインロールの周速度Ｖの比であるｆ／Ｖの値を一定の範囲に制御し、２個のメインロールの孔型の外周面による押圧力とマンドレルの外周側の孔型の内面による反力でリング外周面を圧下し、鋼材リングの断面形状を形成する方法において、２個のメインロールとマンドレルの関係であるマンドレルの圧下速度ｆに対する２個のメインロールの周速度Ｖの比であるｆ／Ｖの値を２０．８×１０^-4〜６０×１０^-4の範囲とすることを特徴とする熱間リングローリング加工によるリング状素形材の製造方法。
メインロール周速度Ｖが位置によって変わる場合はメインロールの加工に寄与する加圧部の周速度の最大値をメインロール周速度Ｖとし、マンドレル圧下速度ｆが時間変動する場合はその平均値をマンドレル圧下速度ｆとして採用することを特徴とする請求項１に記載の熱間リングローリング加工によるリング状素形材の製造方法。