JPH0692017B2 - 熱間鍛造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、鋼材を用いて機械部品を製造する際に適用す
る熱間鍛造法に関するものである。

［従来の技術］ 自動車や建設機械等大量生産される機械の主要な強度部
品の多くは熱間鍛造と切削、あるいは冷間鍛造によって
成形した後に熱処理によって強度を付与し、疲労や摩耗
に耐えるようにされている。ところが、これらの工程で
は熱間鍛造のように1200℃という高温加熱による熱エネ
ルギーの消費に加え、熱処理のために900℃近くの再加
熱を行うほか、切削による素材ロスが10〜20％といった
膨大な熱エネルギーを消費する。一方冷間鍛造は加熱工
程としては鍛造後の熱処理があるだけでありながら、工
具負荷が急増する高強度素材の適用には難点がある。こ
れらの課題を解決する手段として、熱間鍛造における高
熱加熱時の熱を利用して熱処理と加工を行い、熱エネル
ギー消費を省略する方法が考えられる。

旧来より熱間鍛造時の高温加熱は、高強度素材のような
常温で加工困難な鋼材に対し、熱を加えることにより素
材を軟化させることを目的としており、その行程は第２
図のようになる。即ち第２図は旧来の熱間鍛造による工
程を示すブロック図であって、同図において、１は鋼
材、２は1100℃以上の加熱、３は熱間鍛造、４は焼きな
らし、５は切削で６の機械部品が完成する。しかしこの
工程は加熱２、焼きならし４と２回もの加熱工程を含
み、そこで消費される熱エネルギーは膨大なものとな
る。

そこで本発明者らは特開昭59-232641に示すごとく２の
加熱後鋼材表面を1000℃以下に急冷し、その直後熱間鍛
造することにより、第２図の焼きならし４を省略する方
法を発明した。その工程は第３図に示すブロック図のよ
うになる。同図において、１は鋼材、２は加熱、そして
鋼材表面から５〜10mmの部分に1000℃以下の急冷冷却７
が施され、その直後鋼材内部がまだ十分に軟化した状態
の内に、熱間鍛造３を行い、切削５を施すことで機械部
品６が完成する。この方法では急速冷却直後に熱間鍛造
を施すことにより、急速冷却された鋼材表層部が細粒化
でき、機械部品として必要な靭性を付与できることによ
り、第２図での焼きならし工程４が省略が可能となる。
また急速冷却では鋼材の表層部のみが冷却されるだけで
あり、中央部は十分に熱せられたままであり、成形荷重
と型充満性は旧来から行われている第２図でそれと変わ
らず熱間鍛造ができることになる。即ち焼きならしでの
再加熱が省略でき、かつ表層部に靭性の良い細結晶粒層
を得ることができる方法である。

［発明が解決しようとする課題］ しかし昨今の経済情勢から、機械部品としてより軽量、
小型でしかも従来以上の性能を要求されており、現状の
方法ではそれに応えることが出来ない段階まできてい
る。即ち第３図に示した特開昭59-232641号公報の従来
法では、1100℃以上に加熱するため鋼材表面に軟化スケ
ールが生じ、５の切削工程を必要とする。そのため、靭
性の良い鋼材表層部を一部除去することになる。また鋼
材表層部を除去することは、鍛造時に付与され、疲労特
性に対し有効な圧縮残留応力を解放することになる問題
点を有していた。

［課題を解決するための手段］ 本発明はこうした現状に鑑みてなされたもので、従来以
上の機械部品性能を、より簡略化した工程で達成するこ
とを目的としたものである。その要旨は、不活性ガス雰
囲気中で、鋼材を1100℃以上に加熱した後、冷却した金
型内で鋼材表面から2mmないし10mmの部分を1000℃以下
に急冷し、直ちに鍛造加工を加えることを特徴とする熱
間鍛造法にある。

以下に本発明を図面に基づいて詳細に検討する。

［作用］ 第１図は、本発明の熱間鍛造法の工程をブロック図とし
て図示したものである。同図において、８の不活性ガス
雰囲気中にある鋼材１に対して1100℃以上の加熱２が行
われた後、冷却された金型内に加熱された鋼材１を挿入
し鋼材表面から10mm以下の部分を1000℃以下にする急速
冷却９が施され、その直後鋼材内部がまだ十分に軟化し
た状態の内に、熱間鍛造３を行うことで機械部品６が完
成する。

第３図に示された従来法に比べ、第１図に示した本発明
法では１〜３の工程が不活性ガス雰囲気８の中で行われ
るため、酸化スケールが生じることが無い。その結果、
５の切削工程が省略可能となり、従来実現ができなかっ
た性能を付与できることになった。即ち従来法では鍛造
後に得られる細結晶粒の層が表層から10mmあるにもかか
わらず、鋼材表面の酸化スケール除去のための切削を行
うため、靭性の良い細結晶粒の層は10mm未満になってし
まう。これに対し本発明法では切削工程が省略できるた
め、鋼材表面から10mm以下の部分を靭性の高い細結晶粒
層に保つことができることになった。また切削工程を省
略できることは、捩り疲労特性に有効な圧縮残留応力を
持つ表層部を除去する必要がないために、捩り疲労特性
も向上できる。さらに完成した製品は、素材のメタルフ
ローが完全に滑らかに連続しており、切削したものに比
べ、疲労、耐摩耗性にも優れたものになる。

本発明法の場合、不活性ガス雰囲気で加工を行うのは、
加熱により鋼材表層部に酸化スケールができないように
するためであり、真空中でも良い。加熱温度を1100℃以
上とするのは、鋼材をオーステナイト化し鋼材を十分に
軟化させるとともに、再結晶させるためである。さらに
本発明法では鍛造前に鋼材表面から10mm以下の部分を10
00℃以下に急速冷却することにより、製品表層部では結
晶粒径は十分に小さく、かつ加工を付与しているので優
れた靭性を出すことができる。

この場合、急速冷却とは鋼材表層部だけを瞬時に冷却す
ることである。不活性ガス雰囲気内での鋼材の油冷、水
冷は困難であることから、鍛造時の金型を冷却させてお
き鋼材が金型中に挿入されることにより鋼材表層部が冷
却される方法とした。金型表面温度を10℃以下としたの
は、10℃を超えると鋼材の冷却効果がうすれるからであ
る。急速冷却する際の温度の上限を1000℃と定めたの
は、それを超す温度では結晶粒径が大きくなるため、得
られる加工品の結晶を細粒化することができず、鍛造に
より靭性が付与できないからである。またこの温度を表
層から10mm以下としたのは、鋼材表面から10mmを超える
部分を急速冷却すると、鋼材内部の軟化を妨げるからで
ある。また冷却後直ちに鍛造するのは、鋼材表層部のみ
を冷却し中心部の変形抵抗が上昇し成形荷重が増えるの
を防ぐためである。また2mm以上としたのは、これ未満
では靭性向上の効果がうすれるからである。鍛造加工を
10秒以内で終了するのは、10秒を超す時間をかけて鍛造
加工を行うと、加工中に鋼材が冷却され成形荷重が急増
するからである。さらに本発明法では、金型の冷却温度
および鍛造時間をコントロールすることにより、鋼材表
面の急速冷却と鍛造加工を同時に行うことも可能であ
る。

自動車部品の多くは、疲労や摩耗に耐えうる強度、靭
性、圧縮残留応力を要求されるが、ことに製品の表層部
において重要である。本発明は、その表層部の靭性およ
び圧縮残留応力を鍛造付与するものであり、従来からの
熱間鍛造に比べ数段と疲労や摩耗に強い機械部品を切削
を行わずに製造できるものである。

次に実施例により本発明の効果をさらに具体的に詳述す
る。

［実施例］ 素材として42.5mmφ×150mmのSCM420を用い、第４図の
形状に第２図、第３図の工程で加工した。第４図におい
て加工品の寸法形状はL₁＝20mm、L₂＝183mm、L₃＝219m
m、D₁＝42.5mmφ、D₂＝34mmφで減面率は36％である。
なおここで第２図の工程を従来法１、第３図の工程を従
来法２とする。

従来法１および従来法２の工程において加熱２は誘導加
熱で1250℃で５分保持した。従来法２（第３図の工程）
において、鋼材の急速冷却７は油中15秒保持し、鋼材表
面から5mm内部の位置では826℃、10mm内部では990℃で
あった。従来法１（第２図の工程）における焼きならし
は、830℃１時間保持とした。さらに従来法１及び従来
法２では、加工品表面の酸化スケールを除去するため34
mmφ×183mmの軸部表面を2mm切削し、長さを100mmにし
て30mmφ×100mmの製品にした。

また素材として37.5mmφ×100mmのSCM420を用い、第５
図の形状に本発明法である第１図の工程で加工した。第
５図において加工品の形状はL₁＝10mm、L₂＝123mm、L₃
＝147mm、D₁＝37.5mmφ、D₂＝30mmφで減面率は36％で
あり、鍛造時の加工率である減面率は従来法１および従
来法２と同じである。本発明法である第１図の工程にお
いて、チャンバー内を10^-2torrまでエアーを引いた後、
窒素ガスを充満させ、その後の加工をこのチャンバー内
で行った。加熱２は誘導加熱で1250℃で５分保持した。
その後の急速冷却９は、金型を水により冷却し、２で加
熱された鋼材１を金型内に５秒間保持し、その直後に鍛
造した。なおこの時の金型表面温度は10℃であり、鍛造
前の鋼材表面温度は768℃、鋼材表面から5mm内部の位置
では811℃、10mm内部では996℃であった。また鍛造時間
は２秒で加工した。本発明法では加工品表面に酸化スケ
ールが生じないので30mmφ×123mmの軸部を長さを100mm
にし、30mmφ×100mmの製品にした。

さらに成形荷重を従来法と比較するために、本発明法で
ある第１図の工程により、42.5mmφ×150mmのSCM420を
用いて第４図の形状に鍛造した。その時の加熱条件、急
速冷却条件は全て37.5mmφ×100mmの場合と同じにし
た。

第１表に、鍛造時の成形荷重及び製品表面の結晶粒度番
号を示す。成形荷重は42.5mmφ×150mmの場合であり、
従来法１、従来法２、本発明法ともほとんど変わらず、
旧来の熱間鍛造と変わらない加工性が保持できる。結晶
粒径は、本発明法によるものが最も細粒化している。そ
の効果は靭性向上につながると考えられ、30mmφ×100m
mの製品からJIS4号2mmVノッチシャルピー試験片を採取
し衝撃値を調べたものを第１表に併記する。なおシャル
ピー試験片は、30mmφ×100mmの製品において、23mmφ
の位置がＶノッチ低部に位置するように採取した。同表
より、従来法１では5.2kgf・ｍ、従来法２では6.5kgf・
ｍなのに対し本発明法では10.2kgf・ｍと衝撃値は最も
高く、これにより従来法１に対して96％、従来法２に対
して57％の靭性向上が可能になる。

第２表には従来法１、従来法２、本発明法による30mmφ
×100mmの製品の表面硬度、軸方向残留応力、捩り疲労
限を測定した結果を示す。同表より表面硬度は従来法
１、従来法２および本発明法でほとんど変わらないもの
の、表面残留応力は従来法１で5.7kgf/mm²、従来法２で
5.2kgf/mm²と引張残留応力なのに対して、切削加工を行
わない本発明法では−58.7kgf/mm²と圧縮残留応力とな
った。その結果捩り疲労限も、従来法１、従来法２でそ
れぞれ18.7kgf/mm²、19.8kgf/mm²であるのに対し、本発
明法では25.2kgf/mm²と高い捩り疲労値を示した。さら
に本発明法による切削工程の削減により、製品コストは
10〜15％の削減となるが、こうして得られる性能向上に
より、自動車部品の軽量化が達成される。即ち捩り疲労
限が従来法１の18.7kgf/mm²から25.2kgf/mm²へ向上する
と、軸径30mmから26mmへ細径化できる。また従来法２に
比べてもの捩り疲労限が19.2kgf/mm²から25.2kgf/mm²へ
向上することにより、やはり軸径30mmから26mmへ細径化
できることになり、重量軽減は約25％に達する。

［発明の効果］ 以上に述べたように本発明は、機械部品製造にあたって
の工程を省略するとともに、部品性能を従来よりも改善
でき、工業上極めて利益が大きいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明法の熱間鍛造法による工程を示すブロッ
ク図、第２図、第３図は従来の熱間鍛造による工程を示
すブロック図、第４図および第５図は押出し加工品の寸
法形状を示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】不活性ガス雰囲気中で、鋼材を1100℃以上
   に加熱した後、表面温度を10℃以下に冷却した金型内で
   鋼材表面から2mmないし10mmまでの部分を1000℃以下に
   急冷し、直ちに鍛造加工を加え、10秒以内に鍛造加工を
   終了することを特徴とする熱間鍛造法。