JPS6360819B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 熱間成形による金属材料からの半製品または
製品の製造法において、差当り鋳造ブロツク、圧
延ブロツクまたは鍛造素材として存在する加工片
を、材料の固相線よりも５〓ないし最高0.15T_spl
〓低い温度に加熱し、その後加工片を、その温度
が一定に保たれかつ材料の固相線よりも５〓ない
し0.15T_spl〓低いが、加工片の予熱温度よりも高
い工具と接触させ、加工片を横断面変化に関する
成形速度Γ０〜10^-1 ₅で等温または準等温で、加工
片全横断面における温度差が全成形時間にわたつ
て考えて最高５℃であるように成形し、最後に加
工片を冷却する、但しΓは次のように定義されて
いる： Γ＝d／dt＝ｖ／ｈ ｖ＝工具速度 ｈ＝加工片高さ T_spl＝固相線温度〓 ことを特徴とする熱間成形による金属材料からの
半製品または製品の製造法。

２ 加工片を熱間成形のため加熱する前に、あと
での局部的融着およびピンホール形成をさけるた
めに、有効に出現する最高成形温度に相当する温
度で均質化し、その後に再び室温に冷却する、請
求の範囲第１項記載の方法。

３ 加工片の冷却が、成形温度から水、油中で室
温に、あるいは油、金属または塩浴中で室温より
も高い温度に急冷することからなり、引続き加工
片を室温または室温よりも高い温度で時効硬化す
る、請求の範囲第１項記載の方法。

４ 熱間成形が落し鍛造、熱間プレス、熱間押出
し成形または熱間押出しからなる、請求の範囲第
１項記載の方法。

５ 熱間成形を、主組織成分としての第１相以外
に少なくとも全成形時間の間なお粒生長を阻止す
る第２相が存在する材料の温度範囲内で実施す
る、請求の範囲第１項記載の方法。

６ 粒生長を阻止する相が、Y₂O₃，TiO₂のよう
な酸化物分散質あるいは酸化物または炭化物から
なる、請求の範囲第５項記載の方法。

７ 成形すべき材料がアルミニウム合金である、
請求の範囲第１項記載の方法。

８ アルミニウム合金が次の組成： Cu 1.9〜2.7％ Mg 1.3〜1.6％ Ni 0.9〜1.2％ Al 残り を有する、請求の範囲第７項記載の方法。

９ 成形すべき材料がCu／Al／Ni型の銅合金で
ある、請求の範囲第１項記載の方法。

１０ 成形すべき材料が、ニツケル系スーパアロ
イまたはニツケル系分散合金あるいはNi／Tiま
たはNi／Ti／Cu型のニツケル合金である、請求
の範囲第１項記載の方法。

１１ 成形すべき材料が耐熱性で不銹のフエライ
ト、フエライト・オーステナイトまたはオーステ
ナイト鋼である、請求の範囲第１項記載の方法。

１２ 成形すべき材料が酸化物分散硬化フエライ
ト鋼である、請求の範囲第１１項記載の方法。

１３ 成形すべき材料が未加工状態で多孔性焼結
体としてあるいは冷間予備プレス体として存在す
る焼結材料であつて、これらを同時に成形工程の
間圧縮し、焼結して所望の形に変える、請求の範
囲第１項記載の方法。

明細書 本発明は、請求の範囲第１項の部類による半製
品または製品の製造法から出発する。

金属材料の熱間成形の場合には経済的理由か
ら、一方では工程数をできるだけ少なくし、他面
ではできるだけ最終的形に近づけて、場合により
必要な高価な切削加工の程度を制限するように努
める。この種の公知方法はたとえば、なかんずく
鍛造（落し鍛造）の場合に実施されているような
等温または準等温成形（加熱された工具を用いる
成形）である。さらに、いわゆる材料の超塑性状
態における成形によつて、かかる状態がそもそも
生成される限りにおいて、同時に変形速度を低下
させ、型充填力を改良することが試みられる
（Ｇ・Schro¨der、落し鍛造における等温かつ超塑
性変形、「工場および運転」誌113／1980／11 765
〜770頁；G.H.Gessinger、等温変形一価格的に
有利な精密鍛造法、専門誌「製錬実地 金属後処
理」11／78，第954〜957頁参照）。

記載された成形法において、有利な価格での製
造の可能性は不十分な方法でしか利用されない。
常用の等温変形は一般に、比較的低い温度で、つ
まり安全上の理由から固相線温度からかなりの距
離を有する温度で実施される。しかし、この温度
では変形すべき加工片の延性は所望には程遠く、
必要な変形力ならびに変形エネルギは比較的高
い。他面において、超塑性変形の場合には素材の
超微細粒が指示されており、これは特定の合金添
加物および高価な熱物理的方法によつて達成され
るにすぎない。特定の材料やそもそも超可塑性を
有しないので、この組織構造の要求のため再び相
応する材料限界につき当る。従つて、一般に方法
の微細化および拡張による金属材料の熱間成形の
可能性を拡張し、できるだけ多くの材料に及ぶよ
うにするという大きい要求が生じる。

本発明の課題は、極めて簡単に半製品または製
品の製造をできるだけ僅かな工程で許容しかつ良
好な型充填力のため構造上の限界を拡張できる、
金属材料用熱間成形法を提供することである。こ
の方法は、できるだけ多数の材料に適用可能であ
るべきである。

この課題は、本発明によれば、請求の範囲第１
項の特徴によつて解決される。

本発明の基本思想は、材料を固相線温度にでき
るだけ密接した低い温度で成形するが、局部的な
液化は十分に避けることからなる。この手段によ
つて、材料の降伏応力（変形抵抗）は著しく低下
し、その結果最適の型充填力が達成される。

下記の実施例および説明的図面につき本発明を
記載する。この場合、図は本方法の作業線図を時
間／温度関数の形で示す。

図において、ｘ軸は時間軸であり、ｙ軸は温度
軸である。レベル１の水平線は、すべての事情の
もとで全作業工程の間に到達してはならない変形
すべき材料（合金）の固相線温度T_splを表わす。
他面において、局部的な融着が生じ、加工片の組
成および制御された組織構成が失なわれてしま
う。２は、大てい成形の終りに、同時に加工片お
よび工具によつて到達しうる最大温度である。合
金および加工片の種類により、これは必然的に常
にある程度１以下（T_spl）にとどまる。３は加工
片の均質化温度であり、変形の間あとでの融着を
確実にさけるために、該均質化温度についても温
度２と同じことが言える。４は、成形の終端まで
の時間にわたる加工片温度の経過である。この操
作は、予熱相８および変形相９に分かれる。５は
室温に普通に冷却する場合の加工片温度の経過を
示す。６は、最後に直接にさらに付加的熱処理
（たとえば熱時効硬化、熱硬化等）が続く場合に
対する、成形後の類似経過である。多くの場合
に、材料の先行均質化は不要である。しかし、こ
れは本発明方法に対する無条件に必要な前提条件
ではなく、有利な安全手段を意味する。均質化相
１０の間の温度経過は線分７によつて示されてい
る。

実施例 ： Al―Cu―Mg―Ni合金からなるコンプレツサ
の放射状羽根車の鍛造プレス加工 直径180mmのコンプレツサの放射状羽根車を、
円板状の円筒形材料から等温高温プレスによつて
１作業工程で製造した。使用したアルミニウム合
金はUS―AA規格2618号に一致し、次の組成を
有していた： Si＝0.10〜0.25重量％ Fe＝0.9〜1.3重量％ Cu＝1.9〜2.7重量％ Mg＝1.3〜1.8重量％ Ni＝0.9〜1.2重量％ Zn＝ 0.10重量％ Ti＝0.04〜1.10重量％ Al＝残り 原材料としては、短棒状の円板を利用した。棒
自体は、連続鋳造によつて製造した直径の大きい
ブロツクの断片から押出しによつて製造された。
素材の寸法が大きい場合（直径200mmよりも大き
い円板）には、予備成形品としてフリーフオーミ
ング鍛造によつて製造した加工片も使用すること
ができる。製造すべきコンプレツサの羽根車の形
は、周面で接線方向に軽度に彎曲せる、深さ約30
mmの半径方向の羽根18個を有し、該羽根は基部で
約４mm、頂部で約２mmの肉厚を有していた。円板
状の羽根車本体は周面で約６mmの軸方向肉厚を有
する。

実地での実験で、このような複雑な幾何学的形
態物を常用のプレス加工もしくは鍛造によつて製
造することは完全に不可能であることが証明され
た。そのため、不十分な型充填力のため、実際形
は目標値よりも著しく異なる。

予備成形品に成形前に、温度520℃で20時間均
質化熱処理を加えた。この手段は、あとで変形工
程の間最高温度を通過する場合に局部的な融着ま
たは局部的なピンホール形成を防ぐために役立
つ。後者の変形工程は、等温高温鍛造プレスとし
て特殊に調整されかつ加工片および工具の誘導加
熱装置を備える油圧プレスで実施された。

プレスは0.05〜５mm／ｓの低いラム速度に調節
され、プレス加工の間任意に変えることができ
た。さらに、プレス力は所定の限界値に達した
後、長い所定の時間にわたり一定に保つこともで
きた。盤およびラムは冷却装置を備えていた。

誘導加熱装置は、加工片素材を加熱するための
誘導コイルと加工片素材ならびに熱間鍛造鋼から
つくられた工具（鍛造型）の加熱のための誘導コ
イルからなる。正確な温度制御および温度調節
は、工具中のサーモエレメントならびに加工片素
材中のフイーラによつて保証されている。加工片
を加熱ゾーンないしは工具の範囲内に運搬するた
めならびに成形および保存個所にまで運搬の行な
われた後に工具から突出すために、特別に構成さ
れた装置が用いられた。

円板形の加工片素材は、まず所属する誘導コイ
ル中へ押込むことによつて十分に480゜±10℃の温
度に加熱した。その後、素材を480゜〜520℃に加
熱された鍛造型に入れた。そこで、プレス速度を
約0.5〜１mm／ｓの平均値に調節した。加工片温
度が工具温度に適合するこの第１プレス加工相の
間、プレス力はほんの僅か増加する（０から約
500KNに）。この第２相において、羽根の構成が
行なわれ、この場合ラム速度は0.05〜0.1mm／ｓ
に低下し、プレス力は同時に、それが最大値（約
3000KN）に達するまで不断に増加した。プレス
力は、この約５〜10分続く第３相の間鍛造型を完
全に充填するために一定に保持した。かかるコン
プレツサの羽根車用のプレス時間は約10〜20分で
あり、この場合平均プレス圧は約120MPaが生じ
た。

ここでプレス加工されたAl―Cu―Mg―Ni合
金では固相線温度は549℃であり、溶体化処理温
度は530℃である。520℃においては、この合金中
になお不溶の金属間化合物FeNiAl₉が独立相とし
て存在する。該相は、高温成形の際の制御不能な
粒生長を阻止する。この点で、480〜520℃の変形
温度が最適に選択され、溶着による局部的なピン
ホール形成も同様に心配する必要はなかつた。

本発明による鍛造プレス加工に比べて、上記の
アルミニウム合金に対し約410〜450℃の温度範囲
内で実施される常用の鍛造技術による成形は著し
く不利である。この場合、プレス圧は経験によれ
ば200〜500MPaであり、これは重くかつ強力な
プレスを必要とする。型充填力は明らかに劣るの
で、羽根は目標値（羽根の肉厚２〜４mm）にはは
るかに達せず、第１工程で約８〜10mmの羽根厚さ
で甘んじなければならない。このため、少なくと
も若干の他の作業工程、なかんずく付加的で高価
な切削加工が生じる。

実施例 分離硬化可能のニツケル系スーパアロイからな
るタービンの羽根の鍛造プレス加工 長さ150mm、幅35mmのタービン羽根を、１作業
工程で棒断片から等温の高温プレス加工によつて
製造した。使用した合金（市販名Nimonic―
80A）は次の組成を有していた： Cr＝19.5重量％ Co＝1.0 重量％ Ti＝2.25重量％ Al＝1.4 重量％ Fe＝1.5 重量％ Ｃ ＝0.05重量％ Cu＝最大0.10重量％ Ni＝残り 原材料として、圧延された棒からの断片を利用
した。成形に均一な組織を準備するために、原材
料をまず保護ガス下に温度1080℃で８時間熱処理
し、引続き水中で急冷した。操作を実施するため
に設けられた油圧プレスは、原則的には例に記
載したと同様に構成されていた。このものは、ラ
ム速度0.05〜25mm／ｓの調節範囲を有していた。
さらに該プレスは、保護ガスまたは真空下での作
業が可能であるようにケーシングに収納されてい
た。工具としては、1200℃を越える作業温度を許
容する、公知モリブデン合金TZMからなる鍛造
型を利用した。誘導加熱装置は例におけると同
じに構成されていた。加工片用の運搬系に対して
付加的に、加圧室と外界との間の移行を可能なら
しめるロツク室が存在していた。

素材はまず誘導コイル中で1100゜±20℃の温度
に加熱され、引続き1150゜〜1200℃に加熱された
TZM鍛造型に装入された。その後、ラムを約４
mm／ｓのプレス速度で下部半割型に向けて加圧し
た（相）。プレス力の増加開始後、かど部分を
充填するために約0.1mm／ｓのプレス速度で引続
き変形した（相）。最大力に達した後、この値
を最終的型充填まで約５分間一定に保つた（相
）。この相は、型および材料により約１〜10分
かかる。かかるタービン羽根の全プレス時間は約
２〜15分であつてもよい。平均プレス圧はこの場
合約200MPaの値に達した。

このニツケル系スーパアロイは、約1360℃の固
相線温度および約1080℃の溶体化処理温度を有す
る。1150〜1200℃の温度範囲（これは固相線から
溶着防止までの十分に大きい距離に一致する）内
で、なお不溶の金属炭化物が細分された形で存在
する。これが、高温成形の間の制御不能な粒生長
を防止し、このことは金属組織学的研出し図によ
つても確認することができた。

高速のハンマおよびスクリユプレス下での常用
の鍛造／プレス加圧の場合、プレス圧は比較的か
なり高く、本例では500〜1000MPaの値に達す
る。かかる機械の所要大きさを別として、この場
合鍛造型材料の温度／材料強度の限界（表面亀裂
の危険）も重要である。型充填力に関しては例
に述べたと同じ欠点が生じる。

実施例 酸化物分散硬化の不銹フエライト鋼からなるタ
ービン羽根の高温プレス加工 長さ200mm、幅50mmのタービン羽根を、１作業
工程で、棒材から等温の高温プレス加工によつて
製造した。使用した鉄合金は次の組成を有してい
た： Cr＝12.5 重量％ Ti＝ 3.5 重量％ Mo＝ 1.5 重量％ Ｃ＝ 0.02重量％ Y₂O₃＝ 0.5 重量％ TiO₂＝ 1.0 重量％ Fe＝残分 原材料としては、押出された棒材からの断片を
使用した。合金自体は、公知方法で粉末冶金法で
物理的合金化およびそれに続く押出し機による圧
縮によつて製造された。素材はまず温度1150℃で
15分間均質化し、再び室温に冷却した。後続工程
は例に記載したと同様にして実施した。加工片
温度は予熱後約1150℃であり、TZM工具（上部
型および下部型）の温度は1150゜〜1200℃であつ
た。その他のすべてのパラメータは例と同様に
維持した（成形相〜）。超顕微鏡的形および
分配で存在する酸化物の分散質Y₂O₃およびTiO₂
は1200℃を越えるまでは熱に安定であつて、操作
の間制御不能の粒生長を確実に阻止する。このよ
うにして製造された、分散合金からなる製品は、
常法で粉末冶金法（プレス＋焼結、熱均衡プレ
ス）によつて直接に製造した加工片に比して最大
の密度、つまり絶対的ピンホール不在によつてす
ぐれている。

実施例 酸化物分散質を有するCu／Al／Ni記憶合金か
らなる半製品および製品の高温押出し／熱間押出
し成形加工 直径５mmの丸棒を、直径20mmのブロツクから等
温の高温押出し機によつて製造した。使用した形
記憶合金は次の組成を有していた： Al＝13 重量％ Ni＝ ３ 重量％ Al₂O₃＝ 0.5重量％ Cu＝残分 原材料としては、Cu／Ni予備合金および
Al₂O₃を有するアルミニウムから粉末冶金法で物
理的合金化によつて製造した、スラツグとして用
いられる予備圧縮された棒材を使用した。スラツ
グはまず950℃で１時間均質化し、再び室温に冷
却した。その後、850℃の温度に加熱し、温度850
〜950℃でニツケル系合金（市販名IN―100）か
らなる金型を通して直径５mmのストランドにプレ
スした。Al₂O₃分散質が超微細に分配して存在す
ることによつて、プレス工程の間の許容しえない
粒生長はさけられる。

固相線の下方間近の比較的高い温度における押
出しおよび熱間押出しプレス加工は、良好な型充
填力のため複雑な形および小さい曲率半径を有す
る移行部を許容する。こうして、殊に肉薄のフイ
ン（たとえばフイン付管）をつくることもでき、
これはなかんずく熱交換器に対しても極めて重要
である（アルミニウム合金または銅合金）。

本発明は、上記の実施例に制限されていない。
加工片ならびに工具は、変形工程のために５〓と
最高0.15T_spl〓（T_spl＝固相線温度〓）との間で
T_splよりも低い温度にもたらされる。等温／準等
温成形の全時間にわたる加工片横断面における温
度差は最高５℃でありかつ変形速度Γは０〜10^-1 _S
であるべきである、但し Γ＝ｖ／ｈ ｖ＝工具速度 ｈ＝加工片の高さ 有利に、加工片は成形前0.1〜100hの間、有効
に出現する最高成形温度に相当する温度で、局部
的融着およびピンホール形成をさけるため均質化
し、再び室温に冷却する。成形後の冷却は、水ま
たは油中で室温に急冷する際に行なうこともでき
る。さらに、急冷は熱焼入れと同様に金属浴また
は塩浴中で室温よりも高い温度に冷却し、引続き
時効硬化して実施することもできる。熱間変形は
原則として落し鍛造、熱間プレス加工、熱間押出
し成形加工または熱間押出し成形であつてもよ
い。有利に、熱間成形は、主要組織成分として存
在する第１相以外に、少なくとも全成形時間の間
なお粒生長を阻止する第２相の存在する温度範囲
内で実施さるべきである。後者はたとえば有利
に、Y₂O₃，TiO₂，Al₂O₃等のような酸化物分散
質から、または常用の酸化物から、あるいは炭化
物からなつていてもよい。こうして、たとえばア
ルミニウム合金、銅合金（殊にCu／Al／Ni）、
ニツケル系スーパアロイ、ニツケル系分散合金な
らびにNi／Ti型（記憶合金）またはNi／Ti／Cu
型のニツケル合金が成形される。さらに、本方法
は、耐熱性、不銹のフエライト鋼、フエライト・
オーステナイト鋼およびオーステナイト鋼、殊に
酸化物分散硬化鋼に適用することができる。さら
に、成形すべき材料は未加工状態で多孔性の焼結
体としてまたは焼結材料からなる冷予備プレス体
として存在していてもよく、これらは変形工程の
間同時に圧縮され、焼結されかつ所望の形に変え
られる。