JP6311972B2 - 熱間鍛造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱間鍛造方法に関するものである。

熱間鍛造を行うにあたり、被鍛造材素材には潤滑剤が被覆される。潤滑剤のうち、特に硝子潤滑剤は摩擦係数を低くする潤滑剤として知られている。熱間鍛造の場合、この硝子潤滑剤を被覆した被鍛造材素材は加熱炉で所定の温度に加熱され、鍛造されることになる。
しかしながら、例えば、硝子潤滑剤で被覆した被鍛造材を加熱炉で加熱する際やマニピュレータでの搬送の際、炉床に接した面の硝子潤滑剤が剥離したり、被鍛造材の鍛造温度への加熱によって硝子潤滑剤の粘度が低下して被鍛造材の下部へ潤滑剤が垂れてしまう。特に、変形の大きくなる場所に被覆した硝子潤滑剤が剥離したり、被覆した硝子潤滑剤が垂れてしまって薄くなってしまった場合、摩擦係数が高まって局所的に被鍛造材素材の熱間加工性が低下したり、金型に焼き付きを起こしてしまう問題がある。
上述した問題に対しては、種々の検討がなされている。例えば、潤滑剤の組成を調整して剥離を防止する方法が国際公開第ＷＯ２０１１／０４０２６１号パンフレット（特許文献１）で提案されている。

国際公開第２０１１／０４０２６１号パンフレット

上述した特許文献１で示される発明は、冷間鍛造に用いるものであるため、そのまま熱間鍛造に適用できるものではない。また、潤滑剤の組成の調整だけでは、熱間鍛造する被鍛造材素材表面に被覆された潤滑剤の剥離を防止することは不十分である。
本発明の目的は、熱間鍛造前の加熱工程においても、潤滑剤の剥離を防止し、潤滑剤の剥離に起因する熱間加工材の熱間加工性の低下を防止し、且つ、金型への焼き付き防止といった問題を確実に防止することができる熱間鍛造方法を提供することである。

本発明は上述した課題に鑑みてなされたものである。
すなわち本発明は、
Ｔｉ合金またはＮｉ基超耐熱合金の被鍛造材素材を潤滑剤で被覆する潤滑剤被覆工程と、
前記潤滑剤被覆工程により潤滑剤が被覆された被鍛造材素材の側面、及び／または、炉床に接する面に、更に、繊維状の被覆材で被覆して被鍛造材とする被鍛造材製造工程と、
前記被鍛造材を熱間鍛造温度まで加熱して加熱材とする加熱工程と、
前記加熱材を用いて熱間鍛造する熱間鍛造工程と、
を含み、前記被覆材は、熱間鍛造温度に加熱するときに焼失するか、或いは、熱間鍛造中に破砕される熱間鍛造方法である。
また、前記潤滑剤被覆工程前に被鍛造材素材を予熱する予熱工程を行うことが好ましい。
また、前記繊維状の被覆材は紙であるか、または、金属細線が網状となっている金属繊維であることが好ましい。
また、塗布、噴霧、浸漬のうち少なくとも一つの方法によって、前記被鍛造材素材を前記潤滑剤で被覆することが好ましい。
また、前記潤滑剤は硝子潤滑剤であることが好ましい。
また、本発明で被覆する前記潤滑剤の厚さが０．１ｍｍ以上であることが好ましい。

本発明によれば、被鍛造材素材に被覆した潤滑剤の剥離を確実に防止することが可能なため、潤滑剤の剥離に起因する熱間加工材の熱間加工性の低下を防止し、且つ、金型への焼き付き防止といった問題を確実に防止することができる。

本発明の熱間鍛造方法における被鍛造材の構成を示す断面模式図である。 本発明の熱間鍛造方法における被鍛造材の別の構成を示す模式図である。

上述したように、本発明の最大の特徴は熱間鍛造において、被鍛造材素材に被覆した潤滑剤の剥離を防止することにある。図１及び図２を用いながら、以下に本発明を詳しく説明する。
（予熱工程）
先ず、被鍛造材素材１は被覆した潤滑剤を短時間で乾燥させる目的で５０〜１５０℃程度に予熱される。この予熱工程は常法で差し支えない。
（潤滑剤被覆工程）
次に、予熱された被鍛造材素材１に潤滑剤２を被覆する。潤滑剤の被覆は塗布、噴射、浸漬の何れか１つの方法か、または、２以上の方法を組み合わせても差し支えない。被覆された潤滑剤は上述の予熱工程で予熱された被鍛造素材の保有熱によって短時間のうちに乾燥が終了する。

（被鍛造材製造工程）
次に、本発明では上述した潤滑剤２を被覆した被鍛造材素材１を用いて、更に、繊維状の被覆材で被覆して被鍛造材３とする。この被鍛造材製造工程が本発明で最も特徴的な工程である。
潤滑剤を被覆した被鍛造材素材は、熱間鍛造温度に加熱される。このとき特別な手立てを講じておかないと、被鍛造材素材が炉床に接触した面や、マニピュレータによる搬送時にマニピュレータの把持部と被鍛造材素材とが接触した場所の潤滑剤が剥離する。この潤滑剤の剥離は、特に硝子潤滑剤で激しく生じる。
乾燥した潤滑剤２が被覆された被鍛造材素材１を繊維状の被覆材４で被覆すると、繊維状の被覆材４が潤滑剤の剥離防止層として機能する。そのため、繊維状の被覆材４で被覆しない場合に比べて被鍛造材素材表面に被覆した潤滑剤の剥離や脱落が防止されることになる。また、被鍛造材に被覆した潤滑剤をむらなく所定の温度まで加熱することが可能となる。更に、被覆材は潤滑剤の垂れ防止にも寄与し、大きな変形を生じる場所を被覆材で被覆しておけば、その場所の潤滑剤の厚さを厚いままで維持することができる。
このとき、繊維状の被覆材４は、少なくとも炉床に接する面側を被覆しても良いし（図１）、被鍛造材３をマニピュレータで搬送する必要があれば、更にマニピュレータで把持する場所や、大きな変形を生じる場所に繊維状の被覆材４を配置するのが好ましい（図２）。もちろん、全面を被覆しても良いが、その場合、繊維状の被覆材の材質によっては被鍛造材素材の温度が分かりにくくなる場合があるため、少なくとも一部の場所、好ましくは、炉床と接する面の反対側は被覆しないでおくのが良い。
なお、図１や図２では、柱状の被鍛造材素材と示しているが、本発明で用いる繊維状の被覆材は、被鍛造材素材の形状が複雑であっても、その形状に沿うように被覆材で被覆できる。また、前述のようにマニピュレータで把持する場所や、大きな変形を生じる場所といった場所を適宜選定して被覆することも可能である。例えば、マニピュレータで把持する場所のみを被覆する場合では、被鍛造材素材の側面のみを被覆しても良い。また、被覆材を積層して被覆することも可能である。

更に、繊維状の被覆材４自体も潤滑剤２で被覆するのが好ましい。繊維状の被覆材自体も潤滑剤で被覆すると、潤滑剤が有する潤滑効果を確実に得ることができる。繊維状の被覆材自体も潤滑剤で被覆する方法としては、例えば、繊維状の被覆材を潤滑剤に浸漬させる方法で被覆材全体に潤滑剤を染み込ませる方法があり、最も容易で潤滑剤を被覆材に被覆する確実な方法である。
また、繊維状の被覆材の材質は、例えば、金属繊維、紙等の種々の繊維状のものを適用することができるが、中でも特に、紙や金属繊維であれば良い。
被覆材に紙を用いた場合では、紙は安価であり且つ、入手もしやすい。更に、被鍛造材素材の予熱温度である１５０℃程度では燃焼することなく、被鍛造材素材の形状が複雑であっても、形状に沿った形で容易に被覆することができる。この特性を活かして例えば、熱間鍛造中に特に変形量の多い場所に重点的に潤滑剤で被覆可能なように、当該場所に潤滑剤で被覆し、更に紙で被覆すると良い。
更に、紙であれば、実際の熱間鍛造するための予熱炉に搬入した時に、紙だけが燃焼し潤滑剤を被鍛造素材に残留させることができ、被鍛造素材が所定温度に上昇したか否かの確認も容易である。
また、金属繊維を用いた場合では、金属繊維は直径が２００μｍ以下程度の金属細線が網状となっているため、その網状内にも潤滑剤が入りこんで潤滑剤の厚さを厚くすることができる。例えば、熱間鍛造中に特に変形量の多い場所に重点的に潤滑剤で被覆可能なように、当該場所に潤滑剤で被覆すると良い。更に、被鍛造材素材の形状が複雑であっても、形状に沿った形で容易に被覆することができる。
更に、金属繊維は、熱間鍛造温度までの昇温時に被鍛造材の昇温の妨げになり難い。さらに、熱間鍛造温度での加熱保持中に酸化の進行によって金属細線が脆くなるため、たとえ金属繊維を被覆したまま熱間鍛造を行った場合でも、脆くなった金属繊維は熱間鍛造で容易に破砕され、熱間鍛造の妨げにもならない。
本発明では、この繊維状の被覆材４で熱間鍛造用素材１を被覆して熱間鍛造用の被鍛造材３とする。被覆材の厚さは３ｍｍ以下で十分である。もちろん、１ｍｍ程度の厚さの被覆材を積層して用いても構わない。

また、本発明で用いる潤滑剤は硝子潤滑剤を用いるのが好ましい。硝子潤滑剤は被鍛造素材との濡れ性が良好なため、十分な潤滑作用が得られるだけでなく、被鍛造材素材に部分的な不変形領域が発生するのも防止することができる。
なお、潤滑剤の厚さとしては、過度に薄くなると上述の不変形領域が発生する場合があるため、不変形領域の発生をより確実に防止するには、０．１ｍｍ以上の厚さを確保するのが好ましい。また、厚さの上限については特に限定しないが、例えば１ｍｍを超えて厚くしても潤滑効果が飽和するだけでなく、形状によっては被覆した潤滑剤が垂れてしまうので、厚さの上限としては１ｍｍであれば良い。

（加熱工程）
次に、本発明では、前記被鍛造材を熱間鍛造温度まで加熱して加熱材とする。熱間鍛造温度は、被鍛造材の材質によって適宜決定すればよく、例えば、Ｎｉ基超耐熱合金であれば９５０〜１１５０℃であり、Ｔｉ合金であれば８００〜１０００℃である。この他、析出強化型ステンレス鋼では９００〜１２００℃である。
（熱間鍛造工程）
上述した加熱材を用いて、熱間鍛造を行う。熱間鍛造は前記加熱材を加熱炉から熱間鍛造装置に移動させ、熱間鍛造装置で加熱材を押圧して所定の形状に成形する。
このとき、上述のように、例えば、被覆材を紙とした場合、鍛造温度に加熱するときに焼失するが、紙の燃焼後は炭素が残留して更なる摩擦係数の低減も期待できる。また、金属繊維を用いた場合には、金属繊維で被覆した場所は、潤滑剤が厚く形成されているため、熱間鍛造時の摩擦係数を低減することができる。
なお、本発明でいう熱間鍛造とは、通常の熱間鍛造の他、恒温鍛造やホットダイも本発明の範疇である。
また、上述したように、本発明では繊維状の被覆材により、被鍛造材素材に被覆した潤滑剤の潤滑性が維持されているため、例えば、難加工性材である、Ｔｉ合金またはＮｉ基超耐熱合金を被鍛造材素材とするときに特に有効である。なお、本発明でいうＮｉ基超耐熱合金とは、高温特性を改善するためにＣｒ、Ｎｉ、Ｃｏ等の合金元素を多量に添加してＦｅの含有量がおおよそ５０％以下に少なくなったもの、及び、ＮｉやＣｏそのものを主成分とするものであり、ほぼ６５０℃以上の高温で高いクリープ強度を有する合金を言う。代表的な合金としては７１８合金などである。

被鍛造材素材１として、Ｎｉ基超耐熱合金のＡｌｌｏｙ７１８相当合金を３個用意した。被鍛造材素材１の形状は図２に示す模式図のような形状であり、その寸法はφ３０５ｍｍ×１８７ｍｍＬのものである。このＡｌｌｏｙ７１８相当合金を上型と下型に挟み込んで円盤状に押圧する熱間鍛造を行った。
被鍛造材素材１を加熱炉に挿入し、被鍛造材素材１を１５０℃に加熱した。
次に、加熱した被鍛造材素材１に硝子潤滑剤を噴霧によって０．２５ｍｍ被覆した。
潤滑剤が被覆された被鍛造材素材に、更に、繊維状の被覆材４として、黄板紙を用いて被覆して被鍛造材３とした（材料Ａ）。また、直径が１００μｍのＳＵＳ３０４製の金属細線が編み込まれた金属繊維で被覆して被鍛造材３とした（材料Ｂ）。また、比較例として、硝子潤滑剤で被覆後に、繊維状の被覆材で被覆しないものも用意した（材料Ｃ）。

上記の材料Ａ、材料Ｂ（本発明例）及び材料Ｃ（比較例）の被鍛造材１を９８０℃に加熱された予熱炉に挿入するためにマニピュレータで把持したところ、材料Ｃでは搬送中に潤滑剤の剥離が生じた。
次に、被鍛造材を予熱炉に挿入し、被鍛造材３を所定温度に加熱した。このとき、本発明の材料Ａに被覆された紙の被覆材は焼失した。被鍛造材３が所定温度に達したのを確認し、マニピュレータで熱間鍛造機に搬送しようとしたところ、材料Ｃでは炉床接地面の硝子潤滑剤が剥離を生じたが、本発明例の材料Ａ、材料Ｂは硝子潤滑剤の剥離は起こさず、硝子潤滑剤で被覆されたままの状態で熱間鍛造が行えた。なお、材料Ｂに被覆した金属繊維は熱間鍛造温度での加熱保持で酸化が進行しており、熱間鍛造時に細かく破砕され、熱間鍛造に何等支障はきたさなかった。
今回の本発明例では、熱間鍛造後の熱間鍛造材は、何れも偏肉などの問題はなく、所定の形状に熱間鍛造が行えたが、比較例の材料Ｃでは、部分的に潤滑剤の剥離が見られたことから、潤滑剤の剥離部と金型とが焼付くおそれがあり、複数回の熱間鍛造を行うと、金型寿命の低下が懸念された。
上の結果から、本発明の熱間鍛造方法を適用することにより、被鍛造材素材に被覆した潤滑剤の剥離を確実に防止することが可能なため、潤滑剤の剥離に起因する熱間加工材の熱間加工性の低下を防止し、且つ、金型への焼き付き防止といった問題を確実に防止することができる。

１ 被鍛造材素材
２ 潤滑剤
３ 被鍛造材
４ 被覆材

Claims (7)

1. Ｔｉ合金またはＮｉ基超耐熱合金の被鍛造材素材を潤滑剤で被覆する潤滑剤被覆工程と、
   前記潤滑剤被覆工程により潤滑剤が被覆された被鍛造材素材の側面、及び／または、炉床に接する面に、更に、繊維状の被覆材で被覆して被鍛造材とする被鍛造材製造工程と、
   前記被鍛造材を熱間鍛造温度まで加熱して加熱材とする加熱工程と、
   前記加熱材を用いて熱間鍛造する熱間鍛造工程と、
   を含み、前記被覆材は、熱間鍛造温度に加熱するときに焼失するか、或いは、熱間鍛造中に破砕されることを特徴とする熱間鍛造方法。
2. 前記潤滑剤被覆工程前に被鍛造材素材を予熱する予熱工程を行うことを特徴とする請求項１に記載の熱間鍛造方法。
3. 前記繊維状の被覆材は紙であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱間鍛造方法。
4. 前記繊維状の被覆材は金属細線が網状となっている金属繊維であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱間鍛造方法。
5. 塗布、噴霧、浸漬のうち少なくとも一つの方法によって、前記被鍛造材素材を前記潤滑剤で被覆することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の熱間鍛造方法。
6. 前記潤滑剤は硝子潤滑剤であることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の熱間鍛造方法。
7. 前記被鍛造材素材に被覆される前記潤滑剤の厚さが０．１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の熱間鍛造方法。