JP6778391B2 - リング圧延方法 - Google Patents

Description

本発明は、リング圧延方法に関するものである。

環状のタービンディスク等に用いられる部品は、例えば、Ｎｉ基超耐熱合金製の素材をリング圧延機（リングローリングミル、リングミルとも称される）でニアネットシェイプの形状に熱間加工がなされている。
これらのリング圧延機を用いた環状製品の製造方法として、主ロールやマンドレルロールの形状を加工して、ニアネットシェイプのリング圧延材を得る種々の提案がなされている。例えば、特開２０１３−１６９５６３号公報（特許文献１）には、ロール形状、ロールの分割、潤滑油の供給によってリングローリング加工した製品における内部空隙（ボイド）の発生を抑制することができるリングローリング加工方法の発明が提案されている。また、例えば、特開昭６４−７５１３４号公報（特許文献２）には、圧延を行なうに際し、マンドレルとの当接面を除くリング材の表面に潤滑材を塗布することで、リング材の回転停止等の圧延不可能な事態を回避可能なリング材製造方法の発明が提案されている。

特開２０１３−１６９５６３号公報 特開昭６４−７５１３４号公報

前述したように、リング圧延機を用いたリング圧延の際には、潤滑剤の供給によって内部欠陥、外部欠陥及び回転停止等の問題を解決しようとしている。
ところで、最近では、航空機や発電用の部品の大型化が要求されており、その素材も７１８合金等のＮｉ基超耐熱合金（Ｆｅ−Ｎｉ基と称されることもある）に代表される難加工性の合金が用いられる。これらの難加工性の合金をリング圧延する場合には、できるだけリング圧延用の圧延素材の温度低下を防止する必要がある。
そうした場合に、特許文献１のようにリング圧延中に潤滑油を供給するのは圧延中のリング圧延用の圧延素材の温度を低下させるおそれがある。また、特許文献２のように、リング圧延用の圧延素材がロールと直に接触することで、圧延中のリング材の温度低下が懸念される。

ところで、大型の難加工性の合金を素材としてリング圧延を行う場合には、そのリング圧延用の圧延素材の温度低下を少しでも抑制する必要がある。温度低下の要因としては、加熱炉から圧延素材を搬出し、リング圧延機に取り付けるまでの間、放冷されることによる温度低下や、リング圧延中にロールと直接接触することによる温度低下が挙げられる。このうち、特に圧延素材の温度低下が著しいのは、加熱炉から圧延素材を搬出し、リング圧延機に取り付けるまでの間である。この問題については、前述の特許文献１や２では何等検討がなされていない。
本発明の目的は、リング圧延用の圧延素材の温度低下を抑制しつつ、所望の形状にリング圧延することが可能なリング圧延方法を提供することである。

本発明者の検討によれば、圧延素材の温度低下を抑制する方法として、主ロールやマンドレルロールが接触する圧延素材表面とアキシャルロールが接触する圧延素材表面に保温効果や潤滑効果を有する被覆層を形成することが有効であることを知見した。また、その被覆層についても、主ロールやマンドレルロールが接触する面には圧延素材の回転が停止しないような被覆層を選択するのが良く、また、アキシャルロールと接触する面側には、圧下するアキシャルロールの負荷を低減可能な被覆層とすれば良いことを知見し、本発明に到達した。

すなわち本発明は、少なくとも主ロールとマンドレルロールと一対のアキシャルロールとを有するリング圧延機を用いて、リング状の圧延素材の径を広げつつ、前記圧延素材の高さを押圧加工して、リング状の圧延素材を熱間圧延するリング圧延方法において、前記アキシャルロールと接触する面に熱間圧延の温度で軟化するガラス層が塗布または噴霧されてなる被覆層を有し、且つ、前記主ロールに接触する面とマンドレルロールに接触する面とに熱間圧延の温度で軟化しないスラリー状のセラミックス層が塗布または噴霧されてなる被覆層を有する圧延素材を用いてリング圧延を行うリング圧延方法である。
また、本発明では、前記ガラス層上にシート状のセラミックスファイバー製、または、ガラスファイバー製の断熱材で更に被覆しても良い。

本発明によれば、リング圧延用の圧延素材の温度低下を抑制しつつ、所望の形状にリング圧延することが可能である。

リング圧延を説明するための斜視図である。 本発明で用いる圧延素材と主ロール、マンドレルロール及びアキシャルロールとの関係を示す断面模式図である。 本発明で用いる圧延素材の一例を示す片側断面模式図である。

上述したように、本発明の最大の特徴は、主ロールやマンドレルロールが接触する圧延素材表面とアキシャルロールが接触する圧延素材表面に保温効果や潤滑効果を有する被覆層を形成し、且つ、主ロールやマンドレルロールが接触する圧延素材表面に形成する被覆層とアキシャルロールが接触する圧延素材表面に形成する被覆層とを異なる被覆層としたことである。
圧延素材の表面において、リング圧延時に主ロールとマンドレルロールと一対のアキシャルロールとが接触する面は、ほぼ全表面となる。そのため、これら圧延素材の表面に被覆層を形成し、この被覆層が保温層として機能して、加熱炉から圧延素材を搬出し、リング圧延機に取り付けるまでの間、放冷されることによる温度低下や、リング圧延中にロールと直接接触することによる温度低下を抑制するものである。

具体的な一例を示すと、図２に示すように圧延素材１には被覆層（２，３Ａ，３Ｂ）が形成されている。図２は本発明で用いる圧延素材１をリング圧延するときの模式図である。リング素材は、予めアキシャルロールと主ロールの接触面に沿った形状となるように加工されたものである。その形状は略６〜１０角形の形状とし、圧延素材１のアキシャルロール１３と接触する面 にガラス層からなる被覆層２を形成する。
図１や図２に示すように、圧延素材１の主ロール１１やマンドレルロール１２と接触する面に形成されるのは、セラミックス層からなる被覆層（３Ａ，３Ｂ）である。セラミックス層からなる被覆層は、保温機能を高める他、セラミックス層からなる被覆層を有する圧延素材１は、熱間圧延の温度で軟化せず潤滑機能が低い、主ロール１１やマンドレルロール１２と圧延素材１とが滑りにくくなって、回転駆動する主ロールの駆動を圧延素材に確実に伝えることができる。そのため、リング圧延中の主ロール１１やマンドレルロール１２または圧延素材１の空回りを防止して、形状不良を発生させるリスクを低下させることができる。中でも被覆層（３Ａ，３Ｂ）として特に、例えば、アルミナ、マイカを含有したものが耐熱性、空回り防止の観点からも有効である。また、前記の効果を得るためには被覆層の厚さを３５０〜９００μｍとすることが最適である。これは、３５０μｍを未満の厚さになると前記効果が小さくなり、一方、９００μｍを超える厚さとなると被覆層が圧延時に剥がれ落ちやすくなるためである。

また、本発明では圧延素材１のアキシャルロール１３と接触する面にガラス層からなる被覆層２を形成する。ガラス層からなる被覆層は、保温機能を高める他、熱間の圧延温度で軟化しやすいため潤滑機能が高く、アキシャルロール１３と圧延素材１との滑りを良くする。上述した圧延素材と主ロール１１やマンドレルロール１２との関係とは異なり、アキシャルロールと圧延素材とが過度に滑りにくくなると、アキシャルロールが圧延素材の回転の抵抗となり主ロール１１やマンドレルロール１２または圧延素材の空回りを発生させ、その結果、形状不良を起こす場合がある。アキシャルロールは軸方向（厚さ方向）の形状を整え、軽圧下が可能であれば良く、回転する圧延素材に確実に追従回転する必要はない。
更に本発明では、図３に示すように前記のガラス層からなる被覆層２が、更に断熱材４で被覆されても良い。用いる断熱材としてはシート状のセラミックスファイバー製やガラスファイバー製のものを用いると良い。これらの断熱材による被覆の目的は主として２つある。第一の目的は、リング圧延温度に加熱した圧延素材をリング圧延機に設置する際の温度低下の防止である。被覆層はガラス層に対して厚みがおおよそ５〜２０倍あるため熱伝導率が低く一層の温度低下の防止効果が得られる、第２の目的は、断熱材で被覆することによって、ガラス層の温度を高温に維持するものである。ガラス層を高温に維持することで、ガラス層が有する潤滑機能を十分に発揮させることができる。なお、断熱材４はリング圧延の初期に剥がれ落ちるようにアキシャルロールと接する面全体に配置して、断熱材４が剥がれ落ちた後は、高温に維持されたガラス層の潤滑機能により、リング圧延を継続すると良い。断熱材の被覆の方法としてはガラス層を再度塗布し、断熱材と接着させる。
なお、「セラミックス層」と「ガラス層」は、共に液状で圧延素材に被覆させるが、セラミックス層は、セラミックス粒子を含むスラリー状となっている。セラミックス層中のセラミックス粒子はリング圧延中に粉砕され、その粉砕されたセラミックス粒子の影響で潤滑性能を低くすることができるものと考えられる。

本発明では、上述した被覆層を形成する形成方法として、圧延素材をリング圧延温度に加熱する前に被覆層を形成する。被覆の方法としては、塗布や噴霧等、公知の方法であればよい。なお、被覆するセラミックス層とガラス層の被覆の順番は特に限定しない。
被覆する際は８０〜１１０℃に圧延素材を予熱してから行う。これは予熱することにより被覆した瞬間に被覆材の水分を飛ばし、均一な膜厚とすることが目的である。また、上記の断熱材を更に被覆する場合は、予め形状を整えた断熱材をガラス層上に被覆すると良い。
被覆層を形成した圧延素材は、リング圧延温度に加熱された加熱炉内に投入し、所定の温度まで加熱を行う。例えば、７１８合金などのＮｉ基超耐熱合金であれば、その加熱温度は９８０〜１０００℃で十分である。

また、圧延素材がＣｒを含む合金であれば、前記の被覆層を形成するときに、予め圧延素材に酸化被膜を形成しておく予備酸化工程を適用すると被覆層と圧延素材との密着性が向上する。この予備酸化工程はＣｒ酸化被膜が鍛造素材表層に連続して全面に形成されるように９００℃〜１１００℃の温度範囲で行うと良い。９００℃未満では、圧延素材表面に均一なＣｒ酸化被膜の生成が困難な場合が有る。一方、予備酸化工程の上限温度はリング圧延温度である。例えば７１８合金の場合、１０００〜１０４０℃である。予備酸化工程の温度がリング圧延温度を超えると予備酸化処理において素材の結晶粒が粗大化するおそれがあるため好ましくない。また、処理時間は１〜１０時間であれば十分である。

ところで、例えば、外径が１０００ｍｍ以上で重量が３００ｋｇ以上の大型の難加工性の合金を圧延素材としてリング圧延を行う場合には、その圧延素材の温度低下を少しでも抑制する必要がある。温度低下の要因としては、加熱炉から圧延素材を搬出し、リング圧延機に取り付けるまでの間、放冷されることによる温度低下や、リング圧延中にロールと直接接触することによる温度低下が挙げられる。このうち、特に圧延素材の温度低下が著しいのは、加熱炉から圧延素材を搬出し、リング圧延機に取り付けるまでの間である。
被覆層が形成された圧延素材は、その被覆層が圧延素材の温度低下を防止する保温効果を有するため、最も温度低下が激しい、加熱炉から圧延素材を搬出しリング圧延機に取り付けるまでの間の温度低下を抑制することができる。また、リング圧延中の圧延素材とロールとが直接接触することも防止できるため、リング圧延中の圧延素材の温度低下も抑制することができる。例えば、被覆層を形成しない場合は、百数十度の温度低下が生じる場合がある。これに対して、被覆層を設けておくとおおよそ７０℃以下の温度低下とすることができ、更に断熱材を用いると５０℃以内の温度低下とすることが可能である。

上述した圧延素材をリング圧延機（リングミル）に取り付ける。その際使用するリング圧延機としては、例えば、図１に示すように、少なくとも主ロール１１とマンドレルロール１２とからなる一対の圧延ロールと、少なくとも一対のアキシャルロール１３とを有する構成のものを用いることができる。なお、リング圧延機には、ガイドロール（抱きロール）、定寸ロールが設けられていても良い。
図１に示すリング圧延機においては、所定の回転速度で回転可能な主ロール１１と軸周りに従動回転できるマンドレルロール１２とが、圧延素材１の径方向外周面と内周面とに対向配置され、また、このリング圧延機は、圧延素材１の高さ方向の上面および下面に対向配置された２つのアキシャルロール１３を備えている。リング圧延中の圧延素材１の芯ずれを低減するために、主ロール１１の両脇に従動回転できるガイドロールを配置し、且つ圧延素材１の外周部を支持しながらリング圧延すると、より安定したリング圧延が可能となる。

主ロール１１は、リング圧延中、圧延素材１１の外周面に接触させた状態で駆動することによって、圧延素材１１を回転させるものとなっている。マンドレルロール１２は、軸周りに自由に回転できる構造であり、且つ主ロール２２の回転軸と略平行に配置されている。
リング圧延は、マンドレルロール１２の外周面を圧延素材１の内周面に接触させた状態で行われる。リング圧延中に、主ロール１１とマンドレルロール１２との間におけるロール間距離を徐々に狭めることによって、圧延素材１の径方向内周面および外周面間の部分が肉厚方向に圧下される。これにより、圧延素材１の径を広げることができる。
上下に配置された一対のアキシャルロール１３は、おおよそ２０〜４５°の頂角を有する円錐形状または円錐台形状に形成されており、さらに、一対のアキシャルロール１３は、圧延素材１を高さ方向に押圧加工して高さ方向の寸法を調整するため、それぞれ圧延素材１の略中心に先端を向けるように配置されている。なお、リング圧延中において、一対のアキシャルロール１３は、圧延素材１の回転数に合わせて駆動回転するものになっているが、従動回転するものになっていてもよい。

リング圧延の手順としては、所定の温度に加熱した圧延素材１の内径穴にマンドレルロール１２を通しておき、主ロール１１とマンドレルロール１２との間隔が徐々に狭まるように、マンドレルロール１２を径方向外方に徐々に移動させて、両者の距離が圧延素材１の初期状態の肉厚と一致した状態になると、主ロール１１の表面と圧延素材１の外周面との摩擦によって圧延素材１に回転が付与されることとなる。このとき、マンドレルロール１２は、圧延素材１の回転に追従するように従動回転する。
その後、マンドレルロール１２を径方向外方（外周側）に徐々に移動させることによって、主ロール１１とマンドレルロール１２との間隔が徐々に狭まって、圧延素材１が肉厚方向に圧下され、圧延素材１の周方向に沿って連続的に塑性変形が与えられることになる。
以上、説明する本発明のリング圧延方法によれば、リング圧延用の圧延素材の温度低下を抑制しつつ、所望の形状に安定的にリング圧延することが可能となる。

１ 圧延素材
２ 被覆層（ガラス層）
３Ａ，３Ｂ 被覆層（セラミックス層）
４ 断熱材
１１ 主ロール
１２ マンドレルロール
１３ アキシャルロール

Claims (2)

1. 少なくとも主ロールとマンドレルロールと一対のアキシャルロールとを有するリング圧延機を用いて、リング状の圧延素材の径を広げつつ、前記圧延素材の高さを押圧加工して、リング状の圧延素材を熱間圧延するリング圧延方法において、
   前記アキシャルロールと接触する面に熱間圧延の温度で軟化するガラス層が塗布または噴霧されてなる被覆層を有し、且つ、前記主ロールに接触する面とマンドレルロールに接触する面とに熱間圧延の温度で軟化しないスラリー状のセラミックス層が塗布または噴霧されてなる被覆層を有する圧延素材を用いてリング圧延を行うことを特徴とするリング圧延方法。
2. 前記ガラス層がシート状のセラミックスファイバー製、または、ガラスファイバー製の断熱材で更に被覆されていることを特徴とする請求項１に記載のリング圧延方法。