JP7121929B2

JP7121929B2 - リング圧延材の製造方法

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Publication number: JP7121929B2
Application number: JP2019234875A
Authority: JP
Inventors: 和也武者; 淳大曽根; 雄二石割; 桃子大路
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2019-12-25
Filing date: 2019-12-25
Publication date: 2022-08-19
Anticipated expiration: 2039-12-25
Also published as: EP4082684A1; CN114845821A; EP4082684A4; MX2022007170A; US20230043008A1; WO2021131963A1; JP2021102222A

Description

本発明は、リング圧延材の製造方法に関する。

リング素材をリング圧延してリング圧延材を製造する方法として、例えば、特許第５８９５１１１号公報に開示されているように、リング形状を有するリング素材の外周面と内周面に、主ロールとマンドレルロールをそれぞれ当接して、主ロール及びマンドレルロールをそれぞれ中心軸線周りに回転させながら、リング素材の径方向にて挟み込み、且つ押圧するとともに、一対のアキシャルロールでリング素材を、リング素材の中心軸線方向にて挟み込み、且つ押圧することで、リング圧延材を製造する方法が知られている。

また、リング圧延材の製造方法として、例えば、中国特許出願公開第１０７１２７２７９号明細書には、主ロールが、リング素材の下方に位置する下部支持板と、リング素材の上方に位置する上部押圧板とを備えるものが開示されており、上部押圧板調整リング部材によって、上部押圧板の位置を調節して、異なる高さのリング素材に容易に対応可能なリング圧延の方法が記載されている。

特許第５８９５１１１号公報中国特許出願公開第１０７１２７２７９号明細書

リング素材をリング圧延する場合、特にリング素材がテーパー形状を有していたり又はリング素材の肉厚が部分的に異なるような形状を有していたりすると、金型である主ロール及びマンドレルロールとリング素材との周速差により発生する抵抗や、厚肉部および薄肉部の拡径量の差などによって、リング圧延中のリング素材の姿勢が安定し難いという問題がある。リング素材の回転が不安定になると、リング素材がアキシャルロールやテーブル等へ過剰接触して欠陥が発生したり、圧延後のリング圧延材が歪な形状になる等の問題がある。

リング素材の回転を安定化させるために、主ロールに、リング素材の上下に位置する鍔部を設けて、リング素材の姿勢を安定化させる方法が考えられるが、リング圧延中にリング素材が暴れて、上記の鍔部を含む主ロールやマンドレルロールと接触すると、得られるリング圧延材にバリ等の欠陥が発生したり、このような接触の衝撃によってリング圧延装置に対する負荷が大きくなるという問題がある。よって、上記のように主ロールに鍔部を設ける場合、鍔部を含む主ロールの形状（いわゆる金型）を複数パターン用意して、リング素材との当たりを調整しながらリング圧延したり、装置への負荷を減らすために、リング素材を加熱した後にリング圧延するという工程を多く行って（いわゆるヒート数を増加させて）少しずつリング圧延を行うなどの必要があった。

そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、主ロールに、リング素材の上下に位置する鍔部を設けても、得られるリング圧延材に欠陥等が発生することなく、圧延中のリング素材の姿勢を安定化させることができるリング圧延材の製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、リング圧延装置でリング素材をリング圧延することによってリング圧延材を製造する方法であって、前記リング圧延装置は、主ロール及びマンドレルロールを備え、前記主ロールの外周面は、前記リング素材と前記マンドレルロールの外周面とを収容する窪み部と、前記窪み部に対して、前記主ロールの中心軸線方向の一方の側に位置する第１の鍔部と、その反対の側に位置する第２の鍔部とを有し、前記窪み部の内面は、前記リング素材の外周面と接触する圧延面と、前記第１の鍔部側の第１の内面と、前記第２の鍔部側の第２の内面とを有し、前記第１の内面および前記第２の内面の少なくとも１つの内面は、前記主ロールの中心軸線方向に対して垂直に交わる垂直面を基準に、前記窪み部の開口が広がるように勾配を有している。前記勾配は、前記少なくとも１つの内面と前記圧延面との交線から、前記リング圧延材の厚さに相当する距離までの範囲内から始まるものである。換言すると、前記少なくとも１つの内面と前記圧延面との交線と、前記勾配の前記圧延面側の末端との距離は、前記リング圧延材の厚さ未満である。前記勾配の角度は、前記垂直面を基準にして０．３°超、９°以下である。

前記リング素材は、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金、またはＦｅ基合金の耐熱合金が好ましい。

前記リング素材の外周面は、少なくとも部分的に前記リング素材の中心軸線に対して傾斜していてもよく、この場合、前記リング素材の大径外周の端面角と小径外周の端面角を結んだ直線と、前記リング素材の中心軸線との角度は、１０°超であってよい。そして、この傾斜の角度が１０°超の場合、前記内面の勾配の角度は、前記垂直面を基準にして０．６°以上、９°以下であることが好ましい。勾配の角度の下限は、０．８°以上が好ましく、１°以上が更に好ましい。勾配の角度の上限は、４°以下が好ましく、３°以下が更に好ましい。

前記リング素材の外周面は、少なくとも部分的に前記リング素材の中心軸線に対して傾斜していてもよく、この場合、前記リング素材の大径外周の端面角と小径外周の端面角を結んだ直線と、前記リング素材の中心軸線との角度は、１０°以下であってもよい。そして、この傾斜の角度が１０°以下の場合、前記内面の勾配の角度は、前記垂直面を基準にして０．３°超、３°未満であることが好ましい。好ましい勾配の角度の下限は、０．５°以上が好ましく、０．６°以上が更に好ましい。勾配の角度の上限は、２．５°以下が好ましく、２°以下が更に好ましい。

このように本発明によれば、主ロールの外周面が、リング素材とマンドレルロールの外周面とを収容する窪み部を有し、この窪み部の第１の鍔部側の第１の内面および第２の鍔部側の第２の内面の少なくとも１つの内面は、その全面または所定の一部において、窪み部の開口が広がるように勾配を有していることから、回転中のリング素材が適度に拘束されて、リング素材の姿勢を安定化させることができ、円滑にリング圧延することができる。よって、金型を複数パターン用意したりヒート数を増加させたりする必要がなく、リング圧延に要するコストを削減することができる。特に、リング素材がテーパー形状を有していたり又はリング素材の肉厚が部分的に異なるような形状を有している場合であっても、リング素材の姿勢を安定化させることができ、よって、得られるリング圧延材にニアネットシェイプの形状付与ができ、リング素材の投入重量を削減することができる。

本発明に係るリング圧延材の製造方法に用いるリング圧延装置の一例を模式的に示す平面図である。図１のリング圧延装置における主ロール及びマンドレルロールを模式的に示す部分拡大断面図である。図２の主ロールの上鍔の部分を拡大して示す断面図である。図２の主ロールの下鍔の部分を拡大して示す断面図である。本発明に係るリング圧延材の製造方法に用いるリング素材の一例を模式的に示す断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係るリング圧延材の製造方法の一実施の形態について説明する。なお、図面は、本発明の実施の形態を明確に図示することに重点がおかれており、必ずしも縮尺通りに描かれたものではない。

本実施の形態のリング圧延材の製造方法では、例えば、図１～図４に示すようなリング圧延装置を用いる。このリング圧延装置は、圧延対象であるリング形状を有するリング素材１の外周側と内周側にそれぞれ位置する主ロール１０とマンドレルロール２０を備えている。主ロール１０の外周面とマンドレルロール２０の外周面は、リング素材１を挟んで互いに対向している。主ロール１０は、その中心軸線１０Ｘを中心に回転可能に構成されており、マンドレルロール２０も、その中心軸線２０Ｘを中心に回転可能に構成されている。主ロール１０の中心軸線１０Ｘとマンドレルロール２０の中心軸線２０Ｘは略平行である。主ロール１０とマンドレルロール２０は、それらの間にてリング素材１をリング形状の径方向（以下、「リング径方向」という）に圧下するためのものであり、マンドレルロール２０は、主ロール１０に対してリング径方向に沿って移動可能に構成されている。なお、主ロールの中心軸線方向とリング素材の中心軸線方向とは一致している。

また、リング圧延装置は、リング素材１をリング形状の中心軸線方向（以下、「リング軸線方向」という）に挟むように位置する一対のアキシャルロール３０を備えている。なお、本明細書では、説明の便宜上、中心軸線１０Ｘないし中心軸線２０Ｘに沿って、図２の上側を「上」、下側を「下」という。すなわち、一対のアキシャルロール３０は、リング素材１の上下両側に位置している。一対のアキシャルロール３０は、リング素材１をリング軸線方向に圧下するものであり、一対のアキシャルロール３０の外周面は、リング素材１を挟んで互いに対向している。一対のアキシャルロール３０は、それぞれの中心軸線を中心に回転可能に構成されている。

主ロール１０の外周面は、圧延対象であるリング素材１及びマンドレルロール２０の外周面が収容される略Ｕ字状の窪み部１２と、主ロールの中心軸線方向の一方の側に位置する第１の鍔部（以下、「上鍔部」という）１１と、その反対の側に位置する第２の鍔部（以下、「下鍔部」という）１３とを有する。そして、主ロール１０の窪み部１２の内面は、リング素材１の外周面と接触する圧延面１２Ｓと、上鍔部１１側の第１の内面（以下、「上面」という）１１Ｓと、下鍔部１３側の第２の内面（以下、「下面」という）１３Ｓとを有する。

主ロール１０の窪み部１２の圧延面１２Ｓは、圧延後のリング圧延材の外周面に対応して傾斜している。同様に、マンドレルロール２０の外周面２０Ｓも、同様に、圧延後のリング圧延材の内周面に対応して傾斜している。図２に示すように、主ロール１０の窪み部１２の圧延面１２Ｓとマンドレルロール２０の外周面２０Ｓとの間の隙間が、圧延後のリング圧延材の形状となる。このように主ロール１０の窪み部１２の圧延面１２Ｓとマンドレルロール２０の外周面２０Ｓは、所望するリング圧延材の外周面および内周面の形状にそれぞれ対応するものであり、直線状、曲線状、またはそれらの組み合わせで傾斜していてよい。リング圧延材の肉厚は、一様でなくてもよく、よって、リング圧延材の外周面と内周面の傾斜は、同じ角度でなくてもよい。

主ロール１０の窪み部１２の下面１３Ｓは、図２に示すように、主ロール１０の外周側に向かって、窪み部１２の開口が広がるように勾配が付与されている。なお、図２では、下面１３Ｓが上面１１Ｓよりも広い面積を有することから、下面１３Ｓに勾配が付与されているが、所望するリング圧延材の形状によっては、上面１１Ｓが下面１３Ｓよりも広い面積を有する場合、上面１１Ｓに、窪み部１２の開口が外周側に向かって広がるように、勾配が付与される。また、このように上面１１Ｓまたは下面１３Ｓの一方に勾配を付与させるだけではなく、上面１１Ｓと下面１３Ｓの両方に勾配を付与させてもよい。

上面１１Ｓの勾配角θａは、図３に示すように、主ロールの中心軸線方向に対して垂直に交わる垂直面Ｈ（通常、リング径方向の水平面となる）と上面１１Ｓとの角度で表される。上面１１Ｓの勾配角θａの下限は、後述するリング素材の傾斜角によって変化するが、０．３°超が好ましく、０．５°以上がより好ましく、０．６°以上が更に好ましく、１°以上が更により好ましい。また、上面１１Ｓの勾配角θａの上限は、９°以下が好ましく、５°未満がより好ましく、３°以下が更に好ましく、２°以下が更により好ましい。

また、上面１１Ｓの勾配は、図３に示すように、主ロール１０の窪み部１２の圧延面１２Ｓとの交線Ｖから外周側の端まで（すなわち、上面１１Ｓ全面に）付与されているが、本発明の効果を得るためには、圧延面１２Ｓとの交線Ｖからではなく、所望する圧延後のリング圧延材の内周面の位置Ｓａから外周側の端まで、勾配を付与すればよい（すなわち、上記の交線Ｖと上記の位置Ｓａとの間の距離は、所望するリング圧延材の上端部の厚さＲａである）。換言すると、上面１１Ｓと圧延面１２Ｓとの交線Ｖと、上面１１Ｓの勾配の圧延面１２Ｓ側の末端との距離が、リング圧延材の厚さＲａ未満である。

下面１３Ｓの勾配角θｂは、図４に示すように、主ロール１０の中心軸線方向に対して垂直に交わる垂直面Ｈ（通常、リング径方向の水平面となる）と下面１３Ｓとの角度で表される。下面１３Ｓの勾配角θｂの下限は、後述するリング素材の傾斜角によって変化するが、０．３°以上が好ましく、０．５°以上がより好ましく、０．６°以上が更に好ましく、１°以上が更により好ましい。また、下面１３Ｓの勾配角θｂの上限は、後述するリング素材の傾斜角によって変化するが、９°未満が好ましく、５°未満がより好ましく、３°未満が更に好ましく、２°未満が更により好ましい。

また、下面１３Ｓの勾配は、図４に示すように、主ロール１０の窪み部１２の圧延面１２Ｓとの交線Ｖから外周側の端まで（すなわち、下面１３Ｓ全面に）付与されているが、本発明の効果を得るためには、圧延面１２Ｓとの交線Ｖからではなく、所望する圧延後のリング圧延材の内周面の位置Ｓｂから外周側の端まで、勾配を付与すればよい（すなわち、上記の交線Ｖと上記の位置Ｓｂとの間の距離は、所望するリング圧延材の下端部の厚さＲｂである）。換言すると、下面１３Ｓと圧延面１２Ｓとの交線Ｖと、下面１３Ｓの勾配の圧延面１２Ｓ側の末端との距離が、リング圧延材の厚さＲｂ未満である。

このようなリング圧延装置を用いてリング圧延材を製造するために、先ず、リング圧延装置にリング素材１を投入する。リング素材１としては、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金、Ｆｅ基合金等の耐熱合金で作製されたものが適している。耐熱合金は、温度低下による熱間延性の低下が著しいことから、塑性加工可能な温度領域が非常に狭い。すなわち、耐熱合金では、圧延可能な時間が短いということであり、安定した姿勢で圧延できる本実施の形態のリング圧延装置で得られる効果は大きい。リング圧延装置に投入されるリング素材１の加熱温度は、リング素材１の材質によって異なる。例えば、リング素材１がＮｉ基合金のＡｌｌｏｙ７１８で作製される場合、１０００℃～１０５０℃の範囲の加熱温度が好ましいが、各製品の要求により変化するため、この温度範囲に限定されるものではない。

また、投入されるリング素材１の形状は、例えば、外周面および内周面が略一定に直線状に傾斜している、いわゆるテーパーリングであってもよいし、曲線状に、または直線状と曲線状との組み合わせで傾斜していたり、リング素材の肉厚が部分的に異なるような、いわゆる異形リングであってもよい。このようなリング素材１の傾斜角θｒは、図５に示すように、リング素材の一部の肉厚が異なる場合であっても、テーパーリングの場合、リング素材１の大径外周の端面角ＬＤと小径外周の端面角ＳＤとを結んだ線Ｄと、リング素材１のリング形状の中心軸線１Ｘとの角度で表される。リング素材１の傾斜角θｒの下限は、５°以上が好ましく、７°以上がより好ましく、１０°超が更に好ましく、１５°以上が更により好ましい。リング素材１の傾斜角θｒの上限は、特に限定されないが、例えば、４０°以下が好ましく、３５°以下がより好ましく、３０°以下が更に好ましい。投入されるリング素材１としては、もちろん、傾斜のない、いわゆる矩形リングであってもよい。

そして、主ロール１０の外周面とマンドレルロール２０の外周面を、リング素材１の外周面と内周面にそれぞれ当接させ、また、一対のアキシャルロール３０の外周面をそれぞれリング素材１の上下両端面に当接させる。主ロール１０及びマンドレルロール２０を図１、図２に示す矢印方向に回転させながら、マンドレルロール２０を主ロール１０に向かって移動させることよって、主ロール１０とマンドレルロール２０でリング素材１をリング径方向に挟み込み、押圧する。また、一対のアキシャルロール３０を図１に示す矢印方向に回転させながら、一対のアキシャルロール３０によってリング素材１をリング軸線方向に挟み込み、押圧する。これによりリング素材１をリング圧延して、リング圧延材を得る。

その際、リング素材１がテーパーリングや異形リングであっても、主ロール１０の窪み部１２の下面１３Ｓが、図２に示すように、主ロール１０の外周側に向かって窪み部１２の開口が広がるように勾配が付与されていることから、主ロール１０の窪み部１２内に収容されたリング素材１は、窪み部１２の下面１３Ｓおよび上面１１Ｓによって姿勢が安定することから、リング素材１を中心軸線１Ｘを中心に安定して回転させることができる。よって、リング素材１がアキシャルロール３０等と過剰に接触することを抑えることができ、欠陥の発生を防ぐことができる。特に、傾斜角θｒが１０°超のリング素材１は、金型と素材間に周速差が発生し、リング圧延時において姿勢が安定しにくいことから、本発明の効果は顕著である。また、異形リングを得るために主ロール１０及びマンドレルロール２０の外周面に所定の形状が付与されている場合も、厚肉部と薄肉部の拡径量の差が発生し、リング圧延時において姿勢が安定しにくいことから、本発明の効果は顕著である。

以下、本発明の実施例について説明する。先ず、リング圧延装置の主ロールの窪み部の下面全面に、表１に示すように０°から１２°までの勾配角θｂの勾配をそれぞれ付与し、リング素材をリング圧延する試験を行った。また、リング素材は、傾斜角が１０°超のテーパーリングと傾斜角が１０°以下のテーパーリングの２種類のものについて試験を行った。そして、リング圧延中のリング素材の安定性と、得られたリング圧延材の欠陥について評価した。その結果を表１に併記した。

また、リング圧延装置の主ロールの窪み部の下面全面に１．５°の勾配角θｂの勾配を付与するとともに、主ロールの窪み部の上面全面に、表２に示すように０°から１２°までの勾配角θａの勾配をそれぞれ付与し、リング素材をリング圧延する試験を行った。リング素材は、上記と同様に、傾斜角が１０°超のテーパーリングと傾斜角が１０°以下のテーパーリングの２種類のものについて試験を行った。そして、リング圧延中のリング素材の安定性と、得られたリング圧延材の欠陥について評価した。その結果を表２に併記した。

表中の「圧延安定性」は、リング圧延時のリング素材の挙動を、リング素材の上部方向および側面方向から動画撮影して観察し、リング圧延中のリング素材の異常挙動（スリップ、うねり、暴れ）が無い場合を「◎」、異常挙動の程度が小さい場合を「○」、異常挙動の程度が大きい場合（所望の寸法まで目標時間内で圧延することができず、途中で圧延を中止した場合）を「×」と評価した。また、その中間の場合を「△」と評価した。

表中の「欠陥」は、得られたリング圧延材の欠陥を研削機により疵除去し、疵取り後の減少重量を測定し、この減少重量が、リング素材の重量に対して、０．１％未満の場合を「◎」、０．１％以上～０．３％未満の場合を「○」、０．３％以上～１．５％未満の場合を「△」、１．５％以上の場合を「×」と評価した。

表１、表２に示すように、主ロールの窪み部の下面、上面のどちらも勾配角が０．１°のように小さすぎると、リング素材に対する下面、上面の拘束が強すぎて、リング素材の回転の抵抗となり、回転が不安定になっていた。逆に、勾配角が１０°より大きすぎると、リング素材の保持が不十分で、リング素材の姿勢が傾き、主ロールとの擦れにより、回転の不安定性が増した。

また、傾斜角の大きいリング素材を投入すると、主ロールとリング素材の周速差により、リング圧延中にリング素材の姿勢が傾いてしまったが、そのリング素材の傾きを拘束しない範囲の勾配角の場合、リング素材の回転の安定性を得ることができた。圧延安定性と欠陥の発生は、ある程度同じ傾向を示した。

特に、表１及び表２に示す結果から、リング素材の傾斜角を問わず、主ロールに形成した下面、上面のどちらの勾配の角度も、０．５°以上～３°未満の範囲のものは、圧延安定性に優れ、欠陥も少ないことが分かる。特に、リング素材の傾斜角が１０°以下の場合、０．３°超～３°未満の範囲で圧延安定性が優れ、０．５°以上～２°未満の範囲で、圧延安定性および欠陥の両方で顕著に優れていた。また、リング素材の傾斜角が１０°超の場合、０．６°以上～９°以下の範囲で圧延安定性が優れ、１°以上～３°未満の範囲で、圧延安定性および欠陥の両方で顕著に優れていた。

１リング素材
１０主ロール
１１第１の鍔部（上鍔部）
１１Ｓ第１の内面（上面）
１２窪み部
１２Ｓ圧延面
１３第２の鍔部（下鍔部）
１３Ｓ第２の内面（下面）
２０マンドレルロール
３０アキシャルロール

Claims

リング圧延装置でリング素材をリング圧延することによってリング圧延材を製造する方法であって、前記リング圧延装置が、主ロール及びマンドレルロールを備え、前記主ロールの外周面が、前記リング素材と前記マンドレルロールの外周面とを収容する窪み部と、前記窪み部に対して、前記主ロールの中心軸線方向の一方の側に位置する第１の鍔部と、その反対の側に位置する第２の鍔部とを有し、前記窪み部の内面が、前記リング素材の外周面と接触する圧延面と、前記第１の鍔部側の第１の内面と、前記第２の鍔部側の第２の内面とを有し、前記第１の内面および前記第２の内面の少なくとも１つの内面が、前記主ロールの中心軸線方向に対して垂直に交わる垂直面を基準に、前記窪み部の開口が広がるように勾配を有しており、前記勾配が、前記少なくとも１つの内面と前記圧延面との交線から、前記リング圧延材の厚さに相当する距離までの範囲内から始まるものであり、前記勾配の角度が、前記垂直面を基準にして０．３°超、９°以下であるリング圧延材の製造方法。
前記リング素材が、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金、またはＦｅ基合金の耐熱合金である請求項１に記載のリング圧延材の製造方法。
前記リング素材の外周面が、少なくとも部分的に前記リング素材の中心軸線に対して傾斜しており、前記リング素材の大径外周の端面角と小径外周の端面角を結んだ直線と、前記リング素材の中心軸線との角度が１０°超である請求項１又は２に記載のリング圧延材の製造方法。
前記内面の勾配の角度が、前記垂直面を基準にして０．６°以上、９°以下である請求項３に記載のリング圧延材の製造方法。
前記リング素材の外周面が、少なくとも部分的に前記リング素材の中心軸線に対して傾斜しており、前記リング素材の大径外周の端面角ＬＤと小径外周の端面角ＳＤを結んだ直線Ｄと、前記リング素材の中心軸線との角度が１０°以下である場合、前記内面の勾配の角度が、前記垂直面を基準にして０．３°超、３°未満である請求項１又は２に記載のリング圧延材の製造方法。