JP6948560B2

JP6948560B2 - 鍛伸材の製造方法

Info

Publication number: JP6948560B2
Application number: JP2017139736A
Authority: JP
Inventors: 昇平佐々木
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2017-03-24
Filing date: 2017-07-19
Publication date: 2021-10-13
Anticipated expiration: 2037-07-19
Also published as: JP2018161685A

Description

本発明は、四面鍛造機を用いた鍛伸材の製造方法に関するものである。

棒状の被鍛造材（鍛伸用素材）を短時間で長手方向に伸長する鍛造（鍛伸）方法として、四面鍛造がある。四面鍛造は、鍛伸用素材の長手方向に垂直な断面における対向する部分を一対の金型（金敷）同士で４方向から押圧して断面積を減少させる操作と、鍛伸用素材の長手方向を順次移動させる操作を順次繰り返しながら、鍛造前の鍛造用素材を長手方向を伸長する鍛伸を行って、所定の寸法の鍛伸材とするものである。
この四面鍛造を用いた工具鋼の鍛伸材の製造方法として、例えば、特開平１−２８４４４７号公報（特許文献１）に開示された冷間工具鋼や高速度工具鋼の鍛伸方法の発明がある。

特開平１−２８４４４７号公報

ところで、前述の四面鍛造を行った後の工具鋼の鍛伸材の表面に大きな凹凸となる「肌荒れ」の不良が生じる場合がある。この肌荒れは、熱間鍛造温度に加熱したときに鍛伸用素材表面に形成する酸化被膜（以下、スケールと呼ぶ）によるものであると推測される。例えば、Ｎｉ基超耐熱合金等の耐酸化性に優れた鍛伸用素材のスケールの厚さは工具鋼に生成するスケールの厚さと比して薄いため、肌荒れの問題は生じにくいものであり、肌荒れは工具鋼（Ｆｅ基合金）で発生しやすい表面欠陥である。
熱間での塑性加工の方法として、熱間プレスがある。これは、所謂スラブを製造するものであるが、この方法では肌荒れは生じにくい。これは、平坦な下型と上型とで挟み込むように厚さを減ずるものであり、幅方向は自由変形領域となることから、素材が変形するときにスケールの剥離が生じやすいためであると推測している。一方で、４方向からの四面鍛造においては、４方向から金敷によって同時に直径を減ずるように押圧（鍛伸）する。４方向から同時に押圧されるとその部分は金敷によって拘束される。そのため、前記の熱間プレスと比して自由変形領域が少なく、鍛伸中にスケールの剥離が生じにくく、厚さの厚いスケールが鍛伸中の中間鍛伸材に深く押し込まれやすくなる。この問題については、殆ど検討がなされていないのが現状である。
本発明の目的は、４方向からの押圧による四面鍛造において、肌荒れの問題を抑制することが可能な鍛伸材の製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、工具鋼でなる鍛伸用素材の表面を酸化防止剤で被覆する被覆工程と、前記酸化防止剤で被覆した鍛伸用素材を鍛伸温度に加熱する加熱工程と、前記加熱した鍛伸用素材を四面鍛造機の把持治具で把持し、４方向から押圧することで全長を伸長する操作を繰返す熱間鍛伸工程と、を含む鍛伸材の製造方法である。
前記酸化防止剤の厚さが１００〜７００μｍであることが好ましい。

本発明によれば、４方向からの押圧による四面鍛造において、肌荒れを抑制した鍛伸材を得ることができる。

本発明を適用した高速度工具鋼の外観写真である。比較例の高速度工具鋼の外観写真である。

本発明で用いる鍛伸用素材の材質は「工具鋼」である。工具鋼とは、ＪＩＳＧ０２０３３８１７で定義されるように「炭素工具鋼」、「合金工具鋼」及び「高速度工具鋼」を含む総称である。以下に本発明を詳しく説明するが、そこで用いる用語は、鍛伸前の素材を「鍛伸用素材」、鍛伸中の中間素材を「中間鍛伸材」、鍛伸終了後の成形品を「鍛伸材」として記す。

＜被覆工程＞
先ず、四面鍛造用の鍛伸用素材を準備する。用いる柱状の鍛伸用素材の長手方向に垂直な断面（径方向断面）における形状としては、例えば、八角形、十六角形等の略円形、円形、又は矩形である。
用意した鍛伸用素材の表面に酸化防止剤を塗布する。酸化防止剤は、鍛伸用素材を加熱炉で加熱したときに、鍛伸用素材の表面酸化を抑制するものである。なお、本発明で言う「酸化防止剤」とは、例えば、リン酸アルミニウムまたは、ホウ酸ケイ素または、炭化ケイ素と耐熱顔料及び水の混合物など、鍛伸の温度まで加熱しても被覆形態が維持されるものであり、加熱すると軟化するようなガラス潤滑剤は対象外である。ガラス潤滑剤を用いると、部分的に鍛伸終了時点までガラス潤滑剤が残留するおそれがあり、かえって肌荒れを助長するおそれがある。
この酸化防止剤を鍛伸用素材表面に被覆する際、被覆は室温で行っても良いし、例えば、鍛伸用素材を１００℃前後に予熱してから被覆しても良い。被覆の方法としては、塗布、噴霧、浸漬等、公知の方法で差し支えない。酸化防止剤を被覆した後に、例えば、１５０〜３００℃の温度で酸化防止剤を乾燥させることが好ましい。また、被覆する場所は、少なくとも四面鍛造機に備えられた金型（金敷）が接触して打撃される部分に被覆する。被覆する酸化防止剤の厚さは１００〜７００μｍであることが好ましい。これは、酸化防止剤の厚さが過度に薄いと前記の酸化防止剤による酸化抑制効果が低くなる。一方、酸化防止剤の厚さが過度に厚いと鍛伸加工中に酸化防止剤の剥離が進まなくなり、残留した酸化防止剤によって、鍛伸材表面に凹凸が形成されやすくなる。好ましい酸化防止剤の厚さの下限は３００μｍであり、好ましい酸化防止剤の厚さの上限は５００μｍである。
なお、酸化防止剤の厚さの測定は、電磁式または渦電流式の接触型膜厚計を使用して測定することができる。厚さの測定範囲は、例えば、酸化防止剤で被覆した鍛伸用素材の任意の場所を外周方向に９０°ピッチで各角度の位置で３〜４箇所ずつ、計１２〜１６箇所程度測定し、その平均で求めれば良い。

＜加熱工程＞
前記の酸化防止剤で被覆した鍛伸用素材を８９０〜１２００℃に加熱する。加熱温度は鍛伸用素材の材質によって、８９０〜１２００℃の範囲で適切な温度を選択する。鍛伸用素材の材質が０．５５〜１．５０質量％の炭素を含有し，特別に合金元素を添加しない工具鋼（炭素工具鋼）であれば、その加熱温度はおおよそ８９０〜１２００℃であれば良い。また、鍛伸用素材の材質が炭素鋼にＳｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ等の合金元素を１種類以上添加した工具鋼（合金工具鋼）であれば、その加熱温度はおおよそ１０３０〜１１８０℃の範囲であれば良い。更に、高炭素鋼にＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｃｏ等の合金元素を比較的多量に添加した工具鋼（高速度工具鋼）であれば、その加熱温度はおおよそ１０００〜１１２０℃であれば良い。何れの材質であっても、過度に加熱温度が低いと変形抵抗が大きくなって鍛伸が困難となったり、疵の発生や割れ等の欠陥が発生する。また、過度に加熱温度が高くなると結晶粒の粗大化やゼロ延性温度域に到達し、材料に割れが発生するという問題が生じる。そのため、用いる鍛伸用素材の材質に応じて８９０〜１２００℃の範囲で加熱温度を選択することが好ましい。

＜鍛伸工程＞
前記の加熱した鍛伸用素材は、加熱炉からマニピュレータ等を用いて、四面鍛造機に搬送され、次いで、四面鍛造機に備えられた把持治具で把持し、鍛伸用素材を４方向から押圧することで全長を伸長する操作を繰返す。このとき、鍛伸用素材を周方向に回転することはしない。なお、鍛伸用素材または中間鍛伸材の長手方向の一方端面から他端面側に鍛伸するまでを１パスと呼ぶ。
酸化防止剤で被覆された鍛伸用素材はそのまま四面鍛造する。被覆された酸化防止剤は、鍛伸中に徐々に剥離する。この剥離のし易さと前記加熱工程での過度なスケール発生を抑制できるのも酸化防止剤で被覆する効果の一つである。なお、鍛伸によって酸化防止剤が適当に剥離できる条件としては、例えば、圧下回数を８０〜１９０回／分、１パス当たりの減面率を５〜２５％、前記被鍛造材の挿入側での送り速度を２８００〜７０００ｍｍ／分の範囲とするのがよい。

質量％でＣ：０．８５％、Ｓｉ：０．２％、Ｍｎ：０．３％、Ｃｒ：４．２％、Ｗ：６．５％、Ｍｏ：５％、Ｖ：２．０％、残部はＦｅでなる鍛伸用素材を２本準備した。この鍛伸用素材は、長さ１９００ｍｍの棒状の高速度工具鋼であり、その長手方向に垂直な断面は、一辺が２４０ｍｍの正方形であった。そのうち１本は本発明例として、室温にてリン酸アルミニウムと耐熱顔料及び水の混合物からなる酸化防止剤を厚さが約４００μｍとなるように、後に行う鍛伸工程で打撃が加えられる表面に塗布した。なお、厚さの測定は接触型膜厚計を使用して鍛伸用素材の長手方向の両方の端面側と中央部の３ヶ所それぞれについて外周方向に対し９０°ピッチで測定し、その平均を厚さとした。酸化防止剤を被覆しなかったものは比較例とした。酸化防止剤で被覆した本発明例の鍛伸用素材は３００℃で酸化防止剤を乾燥させた。
その後、本発明例及び比較例の鍛伸用素材を加熱炉に挿入し、１１００℃で加熱を行った。次に、前記の加熱した鍛伸用素材を加熱炉からマニピュレータを用いて、四面鍛造機に搬送し、次いで、四面鍛造機に備えられた把持治具で把持し、鍛伸用素材を、全長にわたって４方向から押圧することで全長を伸長する操作を繰返す四面鍛造を行った。四面鍛造の条件は、本発明例及び比較例共に同一条件とし、圧下回数を９０〜１１０回／分、１パス当たりの減面率を１５％、前記被鍛造材の挿入側での送り速度を４〜５．２５ｍ／分の範囲で５パス実施した。なお、鍛伸工程中において、中間鍛伸材を再加熱することなく、鍛伸を終了した。鍛伸終了後の鍛伸材の表面は本発明例及び比較例共に大きな差は見られなかった。

得られた鍛伸材のスケールをショットブラストで除去した。その結果を図１及び図２に示す。図１に示すように、本発明例の鍛伸材の表面には凹凸が見られず、鍛伸材の全長にわたって肌荒れの発生は確認されなかった。一方、図２に示すように、比較例の鍛伸材にはいくつもの肌荒れが見られた。
以上のことから、本発明を適用した鍛伸材は、４方向からの押圧による四面鍛造において、肌荒れの問題を抑制することができることがわかる。

次に、別の工具鋼を用いて本発明の効果を確認した。Ｃｒ量が少なく、肌荒れが生じやすい炭素工具鋼を用いて、酸化防止剤の厚みも薄くした。
質量％でＣ：０．６５％、Ｓｉ：１．０％、Ｍｎ：０．９５％、Ｃｒ：１．１５％、Ｍｏ：０．１５％、残部はＦｅでなる鍛伸用素材を２本準備した。この鍛伸用素材は、長さ２５００ｍｍの棒状の合金工具鋼であり、その長手方向に垂直な断面は、外接円の直径が４００ｍｍの八角形あった。そのうち１本は本発明例として、室温にてリン酸アルミニウムと耐熱顔料及び水の混合物からなる酸化防止剤を厚さが約３００μｍとなるように、後に行う鍛伸工程で打撃が加えられる表面に塗布した。なお、厚さの測定は接触型膜厚計を使用して鍛伸用素材の長手方向の両方の端面側と中央部の３ヶ所それぞれについて外周方向に対し９０°ピッチで測定し、その平均を厚さとした。酸化防止剤を被覆しなかったものは比較例とした。酸化防止剤で被覆した本発明例の鍛伸用素材は３００℃で酸化防止剤を乾燥させた。
その後、本発明例及び比較例の鍛伸用素材を加熱炉に挿入し、１１００℃で加熱を行った。次に、前記の加熱した鍛伸用素材を加熱炉からマニピュレータを用いて、四面鍛造機に搬送し、次いで、四面鍛造機に備えられた把持治具で把持し、鍛伸用素材を、全長にわたって４方向から押圧することで全長を伸長する操作を繰返す四面鍛造を行った。四面鍛造の条件は、本発明例及び比較例共に同一条件とし、圧下回数を９５〜１６０回／分、１パス当たりの減面率を１３％、前記被鍛造材の挿入側での送り速度を３.８〜５ｍ／分の範囲で５パス実施した。なお、鍛伸工程中において、中間鍛伸材を再加熱することなく、鍛伸を終了した。鍛伸終了後の鍛伸材の表面は本発明例及び比較例共に大きな差は見られなかった。

得られた鍛伸材のスケールをショットブラストで除去した。その結果は前述の図１と同様に、本発明例の鍛伸材の表面には凹凸が見られず、鍛伸材の全長にわたって肌荒れの発生は確認されなかった。一方、比較例の鍛伸材には、図２と同様にいくつもの肌荒れが見られた。
以上のことから、本発明を適用した鍛伸材は、４方向からの押圧による四面鍛造において、肌荒れの問題を抑制することができることがわかる。

Claims

工具鋼でなる鍛伸用素材の表面を酸化防止剤で被覆する被覆工程と、
前記酸化防止剤で被覆した鍛伸用素材を鍛伸温度に加熱する加熱工程と、
前記加熱した鍛伸用素材を四面鍛造機の把持治具で把持し、４方向から押圧することで全長を伸長する操作を繰返す熱間鍛伸工程とを含み、前記鍛伸行程は、圧下回数を８０〜１９０回／分、１パス当たりの減面率を５〜２５％、前記被鍛造材の挿入側での送り速度を２８００〜７０００ｍｍ／分とし、周方向に回転することはしないことを特徴とする鍛伸材の製造方法。
前記酸化防止剤の厚さが１００〜７００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の鍛伸材の製造方法。