JP6212118B2 - オーステナイト鋼の高強度ロッドの生産方法、及び、当該方法により生産されたロッド - Google Patents
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Description
本発明は、少なくとも１５０ｍｍ２の横断表面積と、１２００ＭＰａより大きい引張強度とを有するオーステナイト鋼のロッドの生産方法、及び、これらの特性を有するロッドに関する。
横断表面積が１５０ｍｍ２より大きく、即ち直径が１４ｍｍより大きく、耐食性があり、厚みがある鋼ロッドを生産する周知の方法は、鋼の化学組成の費用のかかる修正を行った後に鍛造のような成形を行うことに基づくものであり、これらのロッドにおいて、１０００ＭＰａより大きい引張強度ＵＴＳと、９００ＭＰａより大きい降伏応力ＹＳとを達成できない。ＵＴＳ＞１０００ＭＰａの高強度のワイヤも知られているが、これらは厚みのあるロッドを生産することができないとされている技術であるマルチパス引抜によって生産されている。静水圧押出しと呼ばれる成形方法が１００年以上前から知られている（例えば、米国特許第５２４５０４）。この方法では、ビレット（押し出される材料）が圧力伝達媒体で満たされた高圧チャンバ内に配置される。高圧チャンバは、一端側からピストンで閉じられるとともに、他端側から、最終製品の所望の形状に適切に形取られた抜き型で閉じられている。ピストンは、チャンバの奥まで移動することで圧力伝達媒体を圧縮し、それによって、チャンバ内の静水圧を増加させる。ビレット材料の特有の臨界圧力に達した後に、ビレットは抜き型を通じて押し出されて、所望の製品を形成する。静水圧押出しプロセスの重要なパラメータの一つは、ビレットの横断面の減少度を表すものであって、押出し前のビレット断面表面積の、押出し後の製品の断面表面積に対する割合として規定されるリダクションＲとして知られているものである。静水圧押出しプロセスが試みられた当初から、様々な金属、合金、混合物、プラスチックや他の材料を扱ったこの方法の使用を記した多くの文献報告があるものの、この方法が、工業的な規模で、鋼を静水圧的に押し出すために用いられることは決してなかった。静水圧押出しプロセスは、しかしながら、実験目的のために研究され、そして、J.Budniak, M.Lewan¬dowska, W.Pachla, M.Kulczyk, K.J.Kurzydlowskiによる「The influence of hydrostatic extrusion on the properties of austenitic stainless steel」[Solid State Phenomena 2006, Vol 114, pp 57-62]中に記載されている。この文献で報告された結果は、機械的強度がＵＴＳ＞１２００ＭＰａであるが、小径（６ｍｍ未満）のロッドであった。ロッドは、ワンパス毎のリダクションが２を超えない累積法（マルチパスプロセス）を用いることによって押し出されていた。得られたロッドの横断面上の機械的特性の分布に対する鋼の静水圧押出しの効果も実験されていなかった。M.Pisarek, P.Kedzierzawski, T.Plocinski, M.Janik-Czachor, K.J.Kurzydlowski は、「Characterization of the Effects of Hydrostatic Extrusion on Grain Size, Surface composition and the Corrosion Resistance of Austenitic Stainless Steels」 [Materials Characterization, 59, 9 (2009) 1292-1300]において、静水圧的に押し出されたオーステナイト鋼の腐食や他の表面特性に関する研究結果を記載しているが、彼らの実験は、それぞれが低横断面リダクションを有する複数の押出パスの累積によって生産された小径のロッドだけしか含んでいない。P.Czarkowski, A.T.Krawczynska, R.Slesinski, T.Brynk, J.Budniak, M.Lewandowska, K.J.Kurzydlowskiによる論文「Low-temperature mechanical properties of 316L type steel after hydrostatic extrusion」 [Original Research Article Fusion Engineering and Design, Volume 86, Issues 9 11, October 2011, Pages 2517-2521]では、低温で静水圧押出しを受けたオーステナイト鋼の機械的特性の調査結果が記されているが、この文献は、低いワンパスリダクションの累積法で生産された小径（６ｍｍまで）の製品だけに関する。この入手可能な文献では、ワンパスで、高リダクション値で行われる鋼の静水圧押出しの可能性や、任意の高リダクション値でこの技術を用いる可能性や、大径を有する鋼ロッドの成形加工のためにそれを使用することについての推論的な見解を見出すことさえできない。
本発明の目的は、耐食性のある鋼からなり、大きな横断表面積を有し、これまでワイヤや小径のロッドだけで達成された強度パラメータを有するロッドの技術を発展させることにある。
この目的は、ビレットの初期温度を１００℃未満として、オーステナイト鋼からなる該ビレットに適用されるワンパス静水圧押出しによって実現されるオーステナイト鋼の塑性変形によるひずみ効果を用いることによって達成される。その押出しの間に生じるビレットの横断表面積のリダクションは少なくとも２である。
本発明に係る方法の一実施形態では、静水圧押出しを受けるビレットの温度は室温と同じである。
本発明に係る方法の他の実施形態では、静水圧押出しの間に生じるビレットの横断表面積のリダクションは２から２．５６の範囲内にある。
本発明に係る方法のさらに別の実施形態では、静水圧押出しを受けるビレットは、その化学組成が、重量パーセントで、０．１％未満の炭素、１％未満のシリコン、２％未満のマンガン、０．０５％未満のリン、０．０３％未満の硫黄、１５％から２０％のクロム、３％未満のモリブデン、８％から１９％のニッケル、２％未満の銅、０．８％未満のチタン、０．２２％未満の窒素、及び、鉄、及び、他の不可避不純物である鋼からなる。
本発明に係るさらに別の実施形態では、ビレットの静水圧押出しが一定の線形速度で行われる。
本発明に係るさらに別の実施形態では、ビレットを押し出す圧力伝達媒体の圧力が６００ＭＰａ以上である。
本発明に係るさらに別の実施形態では、静水圧押出しプロセスが始まる前に、ビレットが銅ベースの潤滑剤で覆われる。
本発明に係るロッドは、上記の方法によって生産されることを特徴とする。
本発明に係る方法の主要な利点は、耐食性と市場で入手できない非常に優れた機械的特性とを備えた製品を、単純で安価な方法で生産する実現性にある。本発明の追加の利点は、本発明により生産される高い機械的強度を備えた材料が入手可能なことにより、所定の構造の重量を、従来の構成物品よりも低重量であるがこれと同時に高強度である構成物品を使用することで減少させることができることにある。
本発明は、添付の図面に示されている。
以下に、本発明に係る技術を用いた、オーステナイト鋼からなる３つの実施例のロッドの静水圧押出しが記載されている。
［実施例１］
３１６Ｌタイプのオーステナイト鋼は、その化学組成が、重量パーセントで、０．０３％未満の炭素、１％未満のシリコン、０．２％未満のマンガン、０．０４５％未満のリン、０．０１５％未満の硫黄、１６．５％から１８．５％のクロム、２％から２．５％のモリブデン、１０％から１３％のニッケル、０．０１１％未満の窒素、及び、鉄、及び不可避不純物であり、室温で、リダクションＲ＝２．３１で、静水圧押出しを受けた。上記鋼からなるビレット（１）は、直径がＤ１＝３８ｍｍ、長さが３００ｍｍのシリンダ形状であり、その一端は、抜き型（２）の角度に適合する頂角が２α＝４５°の円錐を有する。ビレット（１）を銅ベースのＣＳ−９０潤滑剤で覆った後に、ビレット（１）は、その円錐端が２５ｍｍの出口径の抜き型（２）の空洞部に挿入されるように、押出装置の高圧チャンバ（３）内に配置された。高圧チャンバ（３）は、ピストン（４）で閉じられ、周知の圧力伝達媒体（５）で満たされた。チャンバ（３）内の圧力の増加は、図１の矢印で示される方向へのピストン（４）の等速運動による。チャンバ（３）内の圧力が臨界値である９７０ＭＰａに達すると、押出しプロセスが開始され、シングル押出しパスの間に、呼び径Ｄ２＝２５ｍｍを有するロッドが得られた。これによって得られたロッドは、引張強度がＵＴＳ＝１２８０ＭＰａ、降伏応力がＹＳ＝１１００ＭＰａであり、１５％引き延ばされた。
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［実施例２］
実施例１に記載されたように、鋼が、室温で、リダクションＲ＝２．５６で、実施例１と同じ装置で、静水圧押出しを受けた。ビレット（１）は、直径がＤ１＝４０ｍｍ、長さが３００ｍｍのシリンダ形状であり、その一端が抜き型（２）の角度に適合する頂角が２α＝９０°の円錐を有する。ビレット（１）は、銅ベースのＣＳ−９０潤滑剤で覆われてから、ワンパス操作の間に、直径Ｄ２＝２５ｍｍにまで静水圧的に押し出された。これによって得られたロッドは、引張強度がＵＴＳ＝１３１０ＭＰａ、降伏応力がＹＳ＝１２００ＭＰａであり、１４．５％引き延ばされた。
実施例１に記載されたように、鋼が、室温で、リダクションＲ＝２．５６で、実施例１と同じ装置で、静水圧押出しを受けた。ビレット（１）は、直径がＤ１＝４０ｍｍ、長さが３００ｍｍのシリンダ形状であり、その一端が抜き型（２）の角度に適合する頂角が２α＝９０°の円錐を有する。ビレット（１）は、銅ベースのＣＳ−９０潤滑剤で覆われてから、ワンパス操作の間に、直径Ｄ２＝２５ｍｍにまで静水圧的に押し出された。これによって得られたロッドは、引張強度がＵＴＳ＝１３１０ＭＰａ、降伏応力がＹＳ＝１２００ＭＰａであり、１４．５％引き延ばされた。
［実施例３］
実施例１に記載されたように、鋼が、室温で、リダクションＲ＝２．２３で、実施例１及び２と同じ装置で、静水圧押出しを受けた。ビレット（１）は、直径がＤ１＝３７ｍｍ、長さが３００ｍｍのシリンダ形状であり、その一端が、頂角が２ ２４°及び抜き型（２）の形状に適合するα＝９０°の二重円錐を有する。ビレット（１）は、二硫化モリブデンベースのＭｏｌｉｐａｓ潤滑剤で覆われた後、ワンパス操作の間に、直径Ｄ２＝２５ｍｍにまで静水圧的に押し出された。押し出されたロッドのオーステナイト鋼は、引張強度がＵＴＳ＝１２１０ＭＰａ、降伏応力がＹＳ＝１１４０ＭＰａであり、１８％引き延ばされた。
実施例１に記載されたように、鋼が、室温で、リダクションＲ＝２．２３で、実施例１及び２と同じ装置で、静水圧押出しを受けた。ビレット（１）は、直径がＤ１＝３７ｍｍ、長さが３００ｍｍのシリンダ形状であり、その一端が、頂角が２ ２４°及び抜き型（２）の形状に適合するα＝９０°の二重円錐を有する。ビレット（１）は、二硫化モリブデンベースのＭｏｌｉｐａｓ潤滑剤で覆われた後、ワンパス操作の間に、直径Ｄ２＝２５ｍｍにまで静水圧的に押し出された。押し出されたロッドのオーステナイト鋼は、引張強度がＵＴＳ＝１２１０ＭＰａ、降伏応力がＹＳ＝１１４０ＭＰａであり、１８％引き延ばされた。
硬度分布の変動係数ＣＶ（ＨＶ１０）は、図２に示されており、標準偏差の、押し出されたロッドの横断面上で測定された平均硬度値に対する比として規定されている。図示されている通り、ＣＶＨＶ１０係数は、リダクションＲが増加するにつれて減少している。この係数のプロファイルの特性は、硬度分布の均一性の基準（指標）であり、リダクションの関数としてプロットされており、リダクション２で定性的に変化する。ＣＶＣＨ１０係数がかなりの減少（約０．０２まで）は、微小硬度分布の均一性の証拠である。この係数の変化は、押し出されたロッドの横断面に関する測定硬度分布プロファイル（図３）で見てとれ、鍛造を受けた後の鋼の特性である明確な「コア」効果がＲの増加に伴って消えることが確認できる。図表中において、曲線（ａ）は初期状態のビレット材料を、曲線（ｂ）はリダクションＲ＝１．４４で静水圧的に押し出されたロッドを、曲線（ｃ）はＲ＝２．３１で押し出されたロッドを、曲線（ｄ）はＲ＝２．５６で押し出されたロッドを表している。２より大きいリダクションでのワンパス静水圧押出しは、ロッドの横断面全体の均等な変形を確実にし、それによって、得られた製品の特性が均質であることを保障する。
本発明に係るロッドの典型的な商業利用は固定具（留め具）の成形加工（二次加工）である。例えば、本発明に係るロッドから成形加工されたネジＭ１６は、クラス５０（ＵＴＳ＝５００ＭＰａ）のネジＭ２４に置き換わることができ、これは、ネジの高い強度を保持したまま、ネジの質量を半分以上にまで減少できるということである。
Claims (7)
- オーステナイト鋼からなるロッドであって、当該ロッドの横断面の表面積が少なくとも１５０ｍｍ２であり、最大引張強度が１２００ＭＰａより大きいロッドを、塑性変形を用いて生産する方法であって、
前記塑性変形は、オーステナイト鋼からなり１００℃未満の温度を有するビレット（１）のワンパス静水圧押出しからなり、前記ワンパス静水圧押出しによる前記ビレット（１）の横断表面積のリダクション（Ｒ）は少なくとも２である、
ことを特徴とする方法。 - 前記ワンパス静水圧押出しを受けるビレット（１）の温度は室温である、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記ワンパス静水圧押出しによる前記ビレット（１）の横断表面積の前記リダクション（Ｒ）は、２から２．５６である、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
- 前記ワンパス静水圧押出しを受ける前記ビレット（１）は、化学組成が、重量パーセントで、０．１％未満の炭素、１％未満のシリコン、２％未満のマンガン、０．０５％未満のリン、０．０３％未満の硫黄、１５％から２０％のクロム、３％未満のモリブデン、８％から１９％のニッケル、２％未満の銅、０．８％未満のチタン、０．２２％未満の窒素、鉄、及び、不可避不純物である鋼からなる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の方法。
- 前記ビレット（１）の前記ワンパス静水圧押出しは、一定の線形速度で行われる、ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の方法。
- 前記ビレット（１）を押し出す圧力伝達媒体（５）の圧力は、６００ＭＰａ以上である、ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の方法。
- 前記ワンパス静水圧押出しを始める前に、前記ビレット（１）は銅ベースの潤滑剤で覆われる、ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の方法。
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