JPWO2013111768A1 - 熱間据込鍛造方法 - Google Patents

Abstract

高い形状精度を得ることができる熱間据込鍛造方法を提供する。底面の直径ｄ、高さｈとしたとき、ｈ／ｄが３を越える被加工材(1)を、金敷(4)上に設置した金型(2)に設けられた高さＨを有して貫通する挿入穴に挿入し、前記被加工材(1)の高さを短縮しつつ直径を拡張して鍛造材とする熱間据込鍛造において、以下の（１）〜（３）の関係を満足する金型を用いることを特徴とする熱間据込鍛造方法。（１）挿入穴の形状と被加工材の横断面形状とは略相似形（２）被加工材(1)の高さｈ≰金型(2)の高さＨ（３）被加工材(1)の最も大きい直径ｄｌと被加工材１の高さ範囲にある挿入穴の最大内径Ｄが、ｄｌ＜Ｄ≰ｄｌ?１．５

Description

本発明は、熱間据込鍛造方法に関するものである。

蒸気タービンの部材や、航空機の部材等には、鍛造品が多く用いられている。近年、これらの製品は大型化が進んでいる。これらに適用する鍛造品としては、高い塑性変形量を付与する必要があり、そのためには長尺の素材を据え込む必要がある。例えば、特開平７−１７１６５０号公報（特許文献１参照）に開示される熱間据込鍛造法は、軸長（据込鍛造では高さに相当）／底面の直径が３を超えるという、通常では座屈が懸念される長尺の素材に対して、所定の金型を部分的に使用することで、その問題を解決している。
具体的には、
（１）軸状素材の軸方向の一部を径外方向に変形するのを金型により阻止し、自由変形部分の軸長／直径の比が３以下になるようにする。
（２）前記（１）の状態で鍛造を開始し、素材の変形を阻止した部分以外の自由変形部分を径外方向に膨出状に塑性変形させる。
ことを特徴とする熱間据込鍛造法が開示されている。

特開平７−１７１６５０号公報

上述した特許文献１に示される方法では、被加工材よりも高さの低い金型を用いて金型の高さ以上の範囲を自由変形部分として鍛造するものであり、座屈が懸念される素材に対して有効である。一方、熱間据込鍛造において、鍛造時の形状精度をさらに高いものとする要求がある。
本発明の目的は、上記要求に鑑み、高い形状精度を得ることができる熱間据込鍛造方法を提供することである。

本発明は、底面の直径ｄ、高さｈとしたとき、ｈ／ｄが３を越える被加工材を、金敷上に設置した金型に設けられた高さＨを有して貫通する挿入穴に挿入し、前記被加工材の高さを短縮しつつ直径を拡張して鍛造材とする熱間据込鍛造において、
以下の（１）〜（３）の関係を満足する金型を用いる熱間据込鍛造方法である。
（１）挿入穴の形状と被加工材の横断面形状とは略相似形
（２）被加工材の高さｈ≦金型の高さＨ
（３）被加工材の最も大きい直径ｄｌと被加工材の高さ範囲にある挿入穴の最大内径Ｄが、ｄｌ＜Ｄ≦ｄｌ×１．５
また、本発明は、前記で得られた鍛造材を新たな被加工材として、底面の直径ｄｆ、高さｈｆとしたとき、ｈｆ／ｄｆ≦３となる最終鍛造材を得るにあたり、前記（１）〜（３）を満足する別の金型に交換して更にｎ回（ｎは１以上の整数）の熱間据込鍛造を行う熱間据込鍛造方法である。
本発明においては、前記金型に設けられた挿入穴には３°以下のテーパー部が形成され、高さ方向に拡径されている金型を用いることが好ましい。
また、更に好ましくは、前記被加工材底面の端部から５〜３０ｍｍの面取り部が形成されている熱間据込鍛造方法である。

本発明の熱間据込鍛造方法によれば、金型に設けられた所定の挿入穴により、被加工材の全長の異常変形が防止できるため、高い形状精度を得ることが可能である。

金型に被加工材を挿入したときの一例を示す模式図である。 金型に被加工材を挿入したときの別の例を示す模式図である。 金型に被加工材を挿入したときの別の例を示す模式図である。 金型に被加工材を挿入したときの別の例を示す模式図である。 金型に中間材を挿入したときの一例を示す模式図である。 最終素材形状の一例を示す模式図である。 被加工材の面取り部の一例を示す模式図である。

本発明は、底面の直径ｄ、高さｈとしたとき、ｈ／ｄが３を越える被加工材に対して、被加工材の全長を、特定の金型で熱間据込鍛造するものである。
以下、図を用いて本発明を説明する。
本発明において、被加工材を金型に設けられた挿入穴に挿入した状態を図１ないし図４に例示する。
それぞれの図において、金敷４上に設置した金型２に設けられた高さＨを有して貫通する挿入穴に上述の被加工材１を挿入している。各図において被加工材１は、あらかじめ熱間領域に加熱された後に、挿入穴に挿入されるものであり、図示しない上金敷で高さｈを短縮しつつ直径を拡張する熱間据込鍛造を行うものである。
なお、上金敷の被加工材との接触面は、据込鍛造が可能なように、被加工材の上面面積より大きく、金型の挿入穴径よりも小さいものとする。

本発明において最も重要な金型と被加工材の関係について説明する。本発明で用いる金型は３つの特徴を有するものである。
（１）挿入穴の形状と被加工材の横断面形状とは略相似形
本発明で用いる金型に設けられた挿入穴の形状は、被加工材の横断面形状と略相似形、すなわち被加工材の横断面形状と類似する形状とする。略相似形とすることで、熱間据込鍛造による被加工材の横断面形状の拡張に伴い被加工材が金型の挿入穴に接触した際に、熱間据込鍛造前の形状と略相似形の形状に調整できる。
また、本発明でいう、被加工材の横断面形状とは、例えば、図１中で示すＡ−Ａ’の方向の断面形状であり、被加工材が例えば円柱であれば、挿入穴の形状も円形の穴が形成されたものを用意する。また、被加工材の形状が例えば四角柱であれば、挿入穴の形状はその形状に応じた四角形の穴が形成されたものであれば良い。このとき、形成された挿入穴の角は丸めても良い。
また、例えば、五角形以上の多角形の形状を有する角柱であれば、挿入穴の形状は円形の穴であっても良い。大まかに言えば、例えば、四角柱の被加工材は四角形の穴を形成した金型を用いて、それ以外の形状は円形の穴を形成した金型を用いればよい。このように、被加工材の形状に類似する形状を略相似形とみなすことができる。

（２）被加工材の高さｈ≦金型の高さＨ
本発明では、被加工材１の高さｈを金型２の高さＨ以下とすることで、挿入穴内で被加工材を据込鍛造することができる。これにより、圧縮された被加工材は、挿入穴内の制限された空間内で変形を抑制することができるため、熱間据込鍛造後の形状コントロールが容易となる。また、被鍛造材の形状や重量が同じであれば、熱間据込鍛造後の鍛造材の形状は再現性良く、ほぼ、同一な形状を得ることができる。

（３）被加工材の最も大きい直径ｄｌと被加工材の高さ範囲にある挿入穴の最大内径Ｄが、ｄｌ＜Ｄ≦ｄｌ×１．５
本発明では、ｄｌ＜Ｄ≦ｄｌ×１．５の関係とすることで、被加工材１が挿入穴内で座屈するのを防止している。より確実に座屈を防止するにはｄｌ＜Ｄ≦ｄｌ×１．３が良く、更に好ましくはｄｌ＜Ｄ≦ｄｌ×１．１である。
また、被加工材は金型に設けられた挿入穴の中央に配置すると良い。これは、被加工材の設置位置が、挿入穴内で大きく中央から外れた位置にあると、形状精度が悪くなる場合があるためである。
なお、本発明においては、被加工材の最も大きい直径ｄｌと、被加工材の高さ範囲にある挿入穴の最大内径Ｄを寸法特定の基準としている。この理由は、被加工材の最も大きい直径ｄｌは、金型の挿入穴のサイズを決める典型的な基準として使用でき、被加工材の高さ範囲にある挿入穴の内径が被加工材の座屈を抑制すべき範囲であって、その最大内径を所定値以下に制限することで、座屈を抑制することができるためである。

次に、例示した図１ないし図４について説明する。
図１は、被加工材として、金敷４に接した最下面から最上面まで同じ直径のものを適用した例である。このような被加工材としては、典型的には水冷モールドを用いた真空アーク再溶解インゴットやエレクトロスラグ再溶解インゴットを旋削したもの、円柱状に鍛伸したものや必要に応じて旋削したものなどである。また、図１においては、金型２の挿入穴には、テーパー部が形成され、高さ方向に拡径されている。このテーパー部の形成は、熱間据込鍛造後の鍛造材を金型から抜けやすくするという点で有効である。なお、図１における被加工材の最も大きい直径ｄｌは、被加工材の径ｄとなり、被加工材の高さ範囲にある挿入穴の最大内径Ｄは、被加工材の最上部に対応する位置の径となる。
図２は、被加工材として、金敷４に接した最下面から最上面に向かって直径が小さくなる、いわゆるテーパ形状のものを適用した例であり、金型２の挿入穴形状は、図１と同様である。なお、図２における被加工材の最も大きい直径ｄｌは、被加工材の最下面の位置となり、被加工材の高さ範囲にある挿入穴の最大内径Ｄは、被加工材の最上部に対応する位置の径となる。

図３は、被加工材として、図１と同様のものとし、金型の挿入穴をストレート形状、すなわち最下面から最上面まで同じ直径のものを適用した例である。被鍛造材の抜けやすさを考慮しなければ、もっとも円柱形状に近似した鍛造材を得ることができるものである。なお、図３における被加工材の最も大きい直径ｄｌは、被加工材の径ｄとなり、被加工材の高さ範囲にある挿入穴の最大内径Ｄは、金型の挿入穴径となる。
図４は、被加工材として、図１と同様のものとし、金型の挿入穴を最下面から所定位置まで拡径するテーパー部を設け、その上部はストレート、すなわち同じ直径のものを適用した例である。この形状はテーパー部を全域に設けると、金型の挿入穴の径が大きくなりすぎる場合に有効である。なお、図４における被加工材の最も大きい直径ｄｌは、被加工材の径ｄとなり、被加工材の高さ範囲にある挿入穴の最大内径Ｄは、ストレート部の挿入穴径となる。

上述した熱間据込鍛造で得られた鍛造材を新たな被加工材として、底面の直径ｄｆ、高さｈｆとしたとき、ｈｆ／ｄｆ≦３となる最終鍛造材とすることができる。この場合、前記の（１）〜（３）を満足する別の金型に交換して更にｎ回（ｎは１以上の整数）の熱間据込鍛造を行うと良い。
熱間据込鍛造で得られた鍛造材は、加工前と比較すると形状、寸法が異なるため、ｈｆ／ｄｆ≦３となるまで、金型を交換して熱間据込鍛造を行う。このとき、被加工材の温度低下によって、熱間での加工性に問題がある場合は、再加熱を行うと良い。

この２回目以降の熱間据込鍛造を行う場合、特に留意すべき点は、被加工材の最も大きい直径ｄｌｍを特定する位置である。たとえば、図１に示す状態で熱間据込鍛造を行うと、金型２の形状にほぼ沿った上部が拡径した中間材５となる。そして、この底面の直径ｄｍ、高さｈｍの中間材５を図５で示す形態の中間材据込鍛造用金型６を使用して、更に鍛造することができる。
この時、被加工材１の最も大きい直径ｄｌｍは、拡径部の位置となり、中間材据込鍛造用金型６の最大内径をＤｍとしたとき、ｄｌｍ＜Ｄｍ≦ｄｌｍ×１．５の関係を満足する必要がある。一方、図２においては、最大内径ｄは、被加工材の最下部に対応する位置の径となる。
この本発明で規定する２回目以降の熱間据込鍛造を１回以上行うことで、座屈をより確実に抑制しつつ、最終鍛造材を得ることができる。
また、上述したように本発明において金型の挿入穴にテーパーを形成する場合には、角度が３°以下が望ましい。これは、テーパーの角度が３°を超えると、挿入穴内での変形代が大きくなるためである。

また、本発明では、例えば、図７（被加工材の断面模式図）に示すように、被加工材１底面の端部８から５〜３０ｍｍの面取り部９が形成されていることが好ましい。なお、本発明で面取り部９を形成した場合の底面の直径ｄは、図７に示すように、面取り部９は含まないものとする。また、中間材の底面の直径も面取り部は含まないものとする。
本発明でいう被加工材１底面の端部８から５〜３０ｍｍとは、端部８から被加工材の中心に向かって５ｍｍ〜３０ｍｍ、及び、端部８から高さ方向に向かって５〜３０ｍｍの領域（図７中の右下がり傾斜線）を言う。また、面取り部９は、図７に示すように曲線的に面取りがなされていても良いし、直線的に面取りがなされていても良い。面取りの方法は、旋盤やグラインダー等で行うと良い。
なお、前記の面取り部の形成は、被加工材１底面の面取り前の表面積から面取り部形成後の表面積が１／２未満とならないようにするのが好ましい。過度に面取りを行うと被加工材が金敷上で不安定となるおそれがある。
また、面取り部９の形成を底面側に対して行うのは、被加工材１の底面は金敷４と接しているため、被加工材１の温度低下が懸念される。特に端部８は被加工材の温度が低下しやすいため、面取り部９を形成しない場合、熱間据込鍛造中に被加工材の端部８から割れが発生するおそれがあり、これを防止するためである。面取り部が５ｍｍ未満であると、前記の面取りの効果が乏しく、また、３０ｍｍを超えて面取りしても歩留りを悪くするだけである。この面取り部９の形成は、被加工材の上面にも形成するのが更に好ましい。なお、特に、面取り部を形成する材質として好ましいのは、Ａｌｌｏｙ７１８等のＮｉ基超耐熱合金やＴｉ合金である。

次に、本発明で用いる金型の組成の一例について説明する。
本発明で用いる熱間据込鍛造に用いる金型は強度と靭性とを併せ持つ材質が好ましく、以下の組成の合金鋼を使用することができる。
なお、組成は質量％として示す。
Ｃ：０．３〜０．６％
Ｃは焼入れ加熱時に基地に固溶して必要な焼入れ硬さを与え、また焼戻し時に炭化物を形成、析出し、焼もどしにおける軟化抵抗と高温強度を与え、また残留炭化物を形成して高温での耐摩耗性を付与し、焼入れ加熱時の結晶粒の粗大化を防ぐ作用を有する。そのため、０．３〜０．６％が好ましい。
Ｓｉ：１．２％以下
Ｓｉは溶解時の脱酸剤として添加される。しかし、多量に添加すると靱性が低下する。そのため、１．２％以下が好ましい。
Ｍｎ：１．０％以下
Ｍｎは溶解時の脱酸および脱硫剤として添加される。しかし、多量に添加すると靱性が低下する。そのため、１．０％以下が好ましい。

Ｎｉ：２．０％以下
Ｎｉは焼入れ性を向上させ、靱性を改善する。しかし、多量に含有すると変態点を下げて高温強度を低下させる。そのためＮｉは２．０％以下が好ましい。
Ｃｒ：１．０〜５．５％
Ｃｒは焼入れ性を向上させ、靱性を改善する。しかし、多量に含有すると逆に靱性が低下する。そのため１．０〜５．５％が好ましい。
Ｍｏ：０．２〜１．６％
Ｍｏは焼入れ性を向上させる。また、焼戻しにより微細な炭化物を形成し、高温引張り強さを増大させる。そのため、０．２〜１．６％の範囲が好ましい。
Ｖ：０．１〜１．１％
Ｖは結晶粒を細かくし靱性を向上させる。また、焼戻しにより高硬度の炭窒化物を形成し、引張強度を増大させる。しかし、多量に含有すると靱性を低下させる。そのため、０．１〜１．１％が好ましい。
以上、説明する以外の残部はＦｅ及び不純物でなることが好ましい。

（実施例１）
Ａｌｌｏｙ７１８相当合金を四方向から熱間鍛造することにより、被加工材の素材を作製した。被加工材の素材を切削して直径（ｄ）１００ｍｍ、高さ（ｈ）４２０ｍｍの円柱状の熱間据込用の被加工材１を得た。面取り部９は半径２０ｍｍの曲面とし、被加工材１の上面及び底面に形成した。
被加工材１を据込鍛造する金型には、形状が円形の挿入穴が形成され、挿入穴にはテーパー部３が形成され、挿入穴の高さ（Ｈ）が４４０ｍｍの図１に示すような熱間据込鍛造用の金型２を用いた。テーパー部３の角度は１°とし、金型２に形成された円形の挿入穴の最大内径（Ｄ）は１１０ｍｍであった。また、金型２の組成は表１に示す通りである。なお、被加工材の横断面形（図１中Ａ−Ａ’）は円形である。

上述した被加工材１と金型２を用いて、熱間での据込鍛造を実施した。被加工材１の加熱温度は１０００℃とした。また、本実施例で示す据込鍛造を行った鍛造用素材は、最終形状が円盤状のガスタービンの圧縮機用素材とするものである。
鍛造材（中間材５）を得るための据込鍛造は、金敷４上に設置した金型２の挿入穴に被加工材１を挿入して、被加工材の高さ方向から１回目の据込鍛造を行った。得られた中間材５は、底面の直径（ｄｍ）が１００ｍｍ、最も大きい直径（ｄｌｍ）が１１０ｍｍ、高さ（ｈｍ）が３４７ｍｍであった。
この時点では、鍛造材の高さ／直径が３を超えていたため、得られた鍛造材中間材５を新たな被加工材とし、１０００℃に加熱し直して、再び熱間での２回目の据込鍛造を行った。このときに用いた中間材据込鍛造用金型６には、形状が円形の挿入穴が形成され、挿入穴には図５に示されるような角度が２°のテーパーが形成され、挿入穴の高さ（Ｈｍ）が４００ｍｍであり、挿入穴の最大内径（Ｄｍ）は１２０ｍｍであった。
中間材５を用いた熱間での２回目の据込鍛造後の鍛造用素材７は、図６に示すように底面の直径（ｄｆ）が１１４ｍｍ、高さ（ｈｆ）が２９１ｍｍであり、ｈｆ／ｄｆが３以下を満たすものであった。
被加工材１を用いた１回目の据込鍛造及び中間材５を用いた２回目の据込鍛造中のいずれにおいても座屈は起こらず、得られた鍛造用素材７には鍛造欠陥が見られなかった。

上述した鍛造用素材７を用いて型打ち鍛造を行い、ガスタービンの圧縮機用素材を作製したところ、鍛造用素材７の形状が寸法精度のよい一定形状であったため、再現性良く、寸法精度の高いものが成形できた。しかも、型打ち鍛造時の鍛造欠陥も少なく、成形加工を効率よく行うことができた。

（実施例２）
実施例１と同様の方法により被加工材の素材を研削して、直径（ｄ）が実施例１の場合よりも小さく９０ｍｍであり、高さ（ｈ）が実施例１の場合と同じ４２０ｍｍの円柱状の熱間据込用の被加工材１’を得た。面取り部９は半径１５ｍｍの曲面とし、被加工材１の上面及び底面に形成した。
得られた被加工材１’に実施例１と同じ方法及び同じ金型２を用いて１回目の据込鍛造を行った。ただし、被加工材１’の最大直径（ｄｌ）が前述の実施例１よりも小さいため、金型２に設けられた挿入穴の中央に配置にほぼ正確に配置を行った。得られた中間材５’は、底面の直径（ｄｍ）が９０ｍｍ、最も大きい直径（ｄｌｍ）が１０５ｍｍ、高さ（ｈｍ）が３２０ｍｍであった。
次に、中間材５’に実施例１と同じ方法及び同じ中間材据込鍛造用金型６を用いて２回目の据込鍛造を行った。得られた鍛造用素材７’は、底面の直径（ｄｆ）が１１５ｍｍ、高さ（ｈｆ）が２７０ｍｍであり、ｈｆ／ｄｆが３以下を満たすものであった。
被加工材１’を用いた１回目の据込鍛造及び中間材５’を用いた２回目の据込鍛造中のいずれにおいても座屈は起こらず、得られた鍛造用素材７’には鍛造欠陥が見られなかった。

（比較例）
実施例１と同様の方法により被加工材の素材を研削して、直径（ｄ）が実施例２の場合よりもさらに小さく７０ｍｍであり、高さ（ｈ）が実施例１及び実施例２の場合と同じ４２０ｍｍの円柱状の熱間据込用の被加工材１’’を得た。面取り部９は半径５ｍｍの曲面とし、被加工材１の上面及び底面に形成した。この比較例において、Ｄ≦ｄｌ×１．５の関係は満たされていなかった。
得られた被加工材１’’に実施例１と同じ方法及び同じ金型２を用いて１回目の据込鍛造を行ったところ、被加工材１’’に座屈が生じたため、２回目以降の据込鍛造は中止した。

１、１’、１’’ 被加工材
２ 金型
３ 金型のテーパー部
４ 金敷
５、５’ 中間材
６ 中間材据込鍛造用金型
７、７’ 鍛造用素材
８ 端部
９ 面取り部
Ｈ 金型の高さ
Ｄ 挿入穴の最大内径
ｈ 被加工材の高さ
ｄ 被加工材の底面の直径

Claims (4)

1. 底面の直径ｄ、高さｈとしたとき、ｈ／ｄが３を越える被加工材を、金敷上に設置した金型に設けられた高さＨを有して貫通する挿入穴に挿入し、前記被加工材の高さを短縮しつつ直径を拡張して鍛造材とする熱間据込鍛造において、
   以下の（１）〜（３）の関係を満足する金型を用いることを特徴とする熱間据込鍛造方法。
   （１）挿入穴の形状と被加工材の横断面形状とは略相似形
   （２）被加工材の高さｈ≦金型の高さＨ
   （３）被加工材の最も大きい直径ｄｌと被加工材の高さ範囲にある挿入穴の最大内径Ｄが、ｄｌ＜Ｄ≦ｄｌ×１．５
2. 請求項１で得られた鍛造材を新たな被加工材として、底面の直径ｄｆ、高さｈｆとしたとき、ｈｆ／ｄｆ≦３となる最終鍛造材を得るにあたり、前記（１）〜（３）を満足する別の金型に交換して更にｎ回（ｎは１以上の整数）の熱間据込鍛造を行うことを特徴とする請求項１に記載の熱間据込鍛造方法。
3. 前記金型に設けられた挿入穴には３°以下のテーパー部が形成され、高さ方向に拡径されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱間据込鍛造方法。
4. 前記被加工材底面の端部から５〜３０ｍｍの面取り部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の熱間据込鍛造方法。

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