KR101521039B1

KR101521039B1 - 단차가 형성된 단조재의 제조 방법

Info

Publication number: KR101521039B1
Application number: KR1020137027402A
Authority: KR
Inventors: 신야 나가오; 에츠오 후지타
Original assignee: 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2011-04-25
Filing date: 2012-04-24
Publication date: 2015-05-15
Also published as: US9574250B2; KR20130133054A; EP2703100B1; JP5861699B2; CN103492099B; WO2012147742A1; JPWO2012147742A1; EP2703100A4; US20140041768A1; CN103492099A; EP2703100A1

Abstract

대경의 플랜지부와 소경의 축부를 모두 균일 미세한 조직으로 할 수 있는 단차가 형성된 단조재의 제조 방법을 제공한다. 본 발명은, 오스테나이트계 스테인리스강성의 기둥 형상 소재를 1000∼1080℃로 가열하고, 그 후 가열하는 일 없이, 왕복 단조에 의해 상기 소재의 전체 길이를 단조비 1.5 이상에서 원기둥 형상으로 단조하여 1차 단조재를 얻는 스텝과, 재가열하는 일 없이, 상기 1차 단조재의 표면 온도가 상기 소재의 가열 온도보다 200℃ 이상 낮아지지 않는 온도에서 왕복 단조에 의해 소경의 축부를 형성해 가고, 최종 단조 부분의 표면 온도가 상기 소재의 가열 온도보다 300℃ 이상 낮아지기 전에 단조를 종료하여, 대경의 플랜지부와 소경의 축부를 형성한 2차 단조재를 얻는 스텝과, 상기 2차 단조재를 1040∼1100℃에서 30분 이상 가열하여 고용화 열처리를 행하는 스텝을 구비하는 단차가 형성된 단조재의 제조 방법이다.

Description

단차가 형성된 단조재의 제조 방법{FABRICATION METHOD FOR STEPPED FORGED MATERIAL}

본 발명은, 오스테나이트계 스테인리스강을 단조하여 플랜지부와 소경의 축부를 형성하는 단차가 형성된 단조재의 제조 방법에 관한 것이다.

종래, 오스테나이트계 스테인리스강으로 이루어지는 플랜지부와 소경의 축부를 갖는 부품은, 항공기, 원자력과 같은 분야의 기계 부품 등에 이용되고 있고, 특히 우수한 인성과 강도가 요구되는 경우가 있다.

플랜지부와 소경의 축부를 갖는 형상으로 단조하는, 소위 단차가 형성된 단조를 실시하는 데 있어서, 인성과 강도를 양립하기 위해 필요한 것은, 합금 조직의 적정화이다. 예를 들어 일본 특허 출원 공개 평4-190941호 공보(특허문헌 1)에 따르면, 1히트만, 즉, 단조 도중에 재가열하지 않고 단조하는 경우의 가공열에 의한 조직의 조대화의 문제, 혹은 단조 도중에 재가열한 경우에 의한 미립 조직의 불균일의 발생과 같은 과제를 지적하고 있다. 그리고 특허문헌 1에서는, 이 문제를 해결하기 위해, 4면 단조기를 적용하는 동시에, 소경 부분의 코깅을 한번에 행하지 않고, 2단계 이상의 코깅으로 나누어 행하고, 또한, 코깅을 일방향으로만 행하는 방법을 개시하고 있다.

또한, 일본 특허 출원 공개 제2003-334633호 공보(특허문헌 2)에 따르면, 플랜지부와 축부를 수율 좋게 단시간에 형성하는 방법으로서, 2개, 4개 취하는 것과 같은 단조 방안도 제공되어 있다.

일본 특허 출원 공개 평4-190941호 공보 일본 특허 출원 공개 제2003-334633호 공보

특허문헌 1이 지적하는 과제는, 특히 단차가 형성된 단조에 있어서의 소경부의 조직에 착안한 방법이다.

그런데 본 발명자들의 오스테나이트계 스테인리스강의 단차가 형성된 단조의 검토에 따르면, 가공열에 의한 조직 조대화의 과제는, 가열 온도와 단조비의 최적화에 의해 해결을 도모하는 것이 가능하지만, 특히 대경의 플랜지부의 조직의 미세화를 달성하는 것이 곤란하다고 하는 과제에 직면하였다.

상세하게 말하면, 기둥 형상의 소재로부터의 제조에 있어서는, 대경인 플랜지부에 비해, 소경인 축부는, 단조비를 크게 취할 수 있고, 형성 시의 온도와 단조비의 조정에 있어서, 변형을 축적시킬 수 있고, 단조 후의 고용화 열처리에 있어서, 미세한 재결정립을 갖는 조직을 얻을 수 있다. 그런데 대경인 플랜지부는, 소경의 축부에 비해 단조비를 크게 할 수 없고, 균일 미세한 조직을 얻기 어렵다.

또한, 소경의 축부의 형성 전, 혹은 그 도중에 가열 공정이 들어간 경우에는, 단조 후의 고용화 열처리에 의해 플랜지부의 조직이 조대화되어 버리는 것과 같은 문제가 발생한 것이다.

본 발명의 목적은, 조직이 조대화되기 쉬운 대경인 플랜지부를 균일 미세한 조직으로 할 수 있고, 소경의 축부의 조직도 균일 미세한 조직으로 할 수 있는 단차가 형성된 단조재의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명자들은, 플랜지부를 단조 형성하기 전에 가열한 이후는, 단조 공정에 있어서는 가열을 행하지 않는 공정을 적용하고, 이 공정에 적합한 균일 미세 조직을 얻을 수 있는 단조 조건을 발견하고 본 발명에 도달하였다.

즉, 본 발명은, 오스테나이트계 스테인리스강으로 이루어지는 단조용 기둥 형상 소재를 1000∼1080℃로 가열하고, 그 후 가열하는 일 없이, 상기 소재를 단조 장치에 대하여 축 방향 일단부로부터 타단부를 향해 이송하고, 이어서 역방향으로 이송하는 단조 동작을 반복하는 왕복 단조에 의해 상기 소재의 전체 길이를 단조비 1.5 이상에서 원기둥 형상으로 단조하여 1차 단조재를 얻는 스텝과,

재가열하는 일 없이, 상기 1차 단조재의 표면 온도가 상기 소재의 가열 온도보다 200℃ 이상 낮아지지 않는 온도에서 단조를 개시하고, 상기 1차 단조재를 상기 단조 장치에 대하여, 축 방향 일단부로부터 소정 위치를 향해 이송하고, 이어서 역방향으로 이송하는 단조 동작을 반복하는 왕복 단조에 의해 소경의 축부를 형성해 가고, 최종 단조 부분의 표면 온도가 상기 소재의 가열 온도보다 300℃ 이상 낮아지기 전에 단조를 종료하여, 대경의 플랜지부와 소경의 축부를 형성한 2차 단조재를 얻는 스텝과,

상기 2차 단조재를 1040∼1100℃에서 30분 이상 가열하여 고용화 열처리를 행하는 스텝

을 구비하는 단차가 형성된 단조재의 제조 방법이다.

본 발명에 있어서, 바람직하게는 1차 단조재를 얻는 단조비를 1.5∼1.9, 1차 단조재로부터 2차 단조재의 소경의 축부를 얻는 단조비를 3.0 이하로 한다.

또한, 본 발명에 적용하는 단조는, 피단조재의 축의 반경 방향이며 직교하는 4방향으로부터 동시에 단조하는 동시에, 상기 축을 회전시키면서 축 방향으로 이송함으로써 단조하는 4면 단조 장치에 의해 행하는 것이 바람직하다.

본 발명의 단차가 형성된 단조재의 제조 방법에 따르면, 단차가 형성된 단조재의 전체 길이에 걸쳐 균일 미세한 조직을 얻을 수 있으므로, 고신뢰성이 요구되는 항공기, 원자력과 같은 분야의 기계 부품을 얻기 위해 유효한 수단으로 된다.

도 1은 본 발명 방법에 의해 얻어지는 단차가 형성된 단조재의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 의해 제조된 단차가 형성된 단조재의 플랜지부의 결정립경 관찰의 일례를 나타내는 현미경 조직 사진이다.
도 3은 본 발명에 의해 제조된 단차가 형성된 단조재의 축부의 결정립경 관찰의 일례를 나타내는 현미경 조직 사진이다.
도 4는 비교예에 의해 제조된 단차가 형성된 단조재의 플랜지부의 결정립경 관찰의 일례를 나타내는 현미경 조직 사진이다.
도 5는 비교예에 의해 제조된 단차가 형성된 단조재의 축부의 결정립경 관찰의 일례를 나타내는 현미경 조직 사진이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 중요한 특징은 플랜지부를 단조 형성하기 전에 가열한 이후는, 단조 공정에 있어서는 가열을 행하지 않는 공정을 적용하고, 이 공정에 적합한 단조 조건을 발견한 것에 있다. 이하, 상세하게 설명한다.

본 발명에 있어서는, 대상을 오스테나이트계 스테인리스강으로 한다. 오스테나이트계 스테인리스강은, 예를 들어 일본 공업 규격의 G4303이나 3214 중, 오스테나이트계로 분류되는 조성의 합금이나 그 개량 합금이다.

이들 오스테나이트계 스테인리스강은, 탄소가 낮게 규제된 강이며, 내식성이 우수하여 많은 항공기, 원자력 분야의 기계 부품으로서 이용되고 있는 재질이다. 그리고 오스테나이트계 스테인리스강은, 열간 가공 공정에 있어서 미량으로 존재하는 탄소에 의해 Cr 탄화물이 석출되므로, 이것을 고용시켜 내식성을 증대시키는 고화 열처리를 적용할 필요가 있다. 고용 열처리의 온도는 재결정 온도보다도 높으므로, 열간 가공 공정에 있어서 잔류하는 변형에 의해 재결정이 일어난다. 고용화 열처리 전에 충분히 변형이 잔류하도록 하지 않으면, 조직이 조대화되어 버려, 강도와 인성이 모두 우수한 균일 미세 조직을 얻을 수 없게 된다.

본 발명은, 최종적으로 조직을 결정하는 이 고용화 열처리에 있어서, 균일 미세한 조직을 얻을 수 있는 공정을 발견한 것이다.

본 발명에 있어서는, 우선 단조용 기둥 형상 소재를 1000∼1080℃로 가열하고, 그 후 가열하는 일 없이, 상기 소재를 단조 장치에 대하여 축 방향 일단부로부터 타단부를 향해 이송하고, 이어서 역방향으로 이송하는 단조 동작을 반복하는 왕복 단조에 의해 상기 소재의 전체 길이를 단조비 1.5 이상에서 원기둥 형상으로 단조하여 1차 단조재를 얻는다.

본 발명에 있어서, 단조 전의 가열 온도가 1080℃를 초과하면 가열 온도가 지나치게 높아 변형이 개방되어 버리고, 단조에 있어서 얻어야 하는 대경의 플랜지부에 충분한 변형을 잔류시킬 수 없다. 또한, 단조 전의 가열 온도가 1000℃ 미만에서는 재료를 충분히 연화시킬 수 없어, 단조 시에 균열이 발생하기 쉬워진다. 또한, 대경부의 결정립도가 거칠어져 혼립 조직으로 된다. 따라서, 본 발명에서는, 가열 온도를 1000∼1080℃로 규정하였다.

또한, 본 발명에 있어서, 단조 공정 중에서 가열을 행하면, 적지 않게 변형이 개방되어 버려 고용화 열처리에 있어서 미세한 조직을 얻을 수 없게 된다. 따라서, 단조 공정 중에서 가열하지 않는 것은 본 발명에 있어서의 기본적인 요건이다.

또한, 본 발명에 있어서는, 단조 장치에 대하여 축 방향 일단부로부터 타단부를 향해 이송하고, 이어서 역방향으로 이송하는 단조 동작을 반복한다. 이와 같이 왕복 단조에 의해 단조해 감으로써, 전체를 균일하게 단조할 수 있다. 왕복 단조함으로써, 일방향으로 행하는 단조보다도 단조 시간이 짧아지고, 일정한 온도 범위 내에서 단조할 수 있고, 균일한 변형을 잔류시킬 수 있다.

이 본 발명에 적용하는 단조 장치로서는, 피단조재의 축의 반경 방향이며 직교하는 4방향으로부터 동시에 단조하는 동시에, 상기 축을 회전시키면서 축 방향으로 이송함으로써 단조하는 4면 단조 장치가 유효하다. 4면 단조기는 직교상의 4방향으로부터 동시에 가압할 수 있고, 원기둥 형상의 형상을 만드는 것에 대하여 2면 단조기보다 우수하기 때문이다.

또한, 본 발명에 있어서의 대경의 플랜지부를 결정하는 이 스텝에 있어서는, 충분한 변형을 잔류 부여시키기 위해 단조비 1.5 이상이 필요하다.

또한, 단조비가 지나치게 크다고 하는 것은, 원래의 소재를 크게 한다고 하는 것이며, 효율적이지 않고, 단조비의 상한으로서는, 1.9로 하는 것이 바람직하다.

다음으로, 얻어진 1차 단조재를 재가열하는 일 없이, 1차 단조재의 표면 온도가 상기 소재의 가열 온도보다 200℃ 이상 낮아지지 않는 온도에서 단조를 개시하고, 상기 1차 단조재를 상기 단조 장치에 대하여, 축 방향 일단부로부터 소정 위치를 향해 이송하고, 이어서 역방향으로 이송하는 단조 동작을 반복하는 왕복 단조에 의해 소경의 축부를 형성해 가고, 최종 단조 부분의 표면 온도가 상기 소재의 가열 온도보다 300℃ 이상 낮아지기 전에 단조를 종료하여, 대경의 플랜지부와 소경의 축부를 형성한 2차 단조재를 얻는다.

2차 단조재를 얻는 데 있어서, 단조 온도가 낮아져, 플랜지부를 형성하는 1차 단조재를 얻는 단조 온도 조건과 크게 달라지면 연성 저하에 의한 단조 흠집의 문제가 발생한다. 이것을 피하기 위해 본 발명에서는, 소경의 축부를 형성하는 2차 단조재를 얻는 스텝에서는, 1차 단조재의 표면 온도가 상기 소재의 가열 온도보다 200℃ 이상 낮아지지 않는 온도에서 단조를 개시하는 것으로 하고, 상기 가열 온도보다 300℃ 이상 낮아지기 전에 단조를 종료하는 것으로 하고 있다.

2차 단조재를 얻는 스텝에 있어서, 1차 단조재를 얻는 스텝과 마찬가지의 왕복 단조를 적용한 것은, 균일한 변형을 잔류시키기 위해서이다.

또한, 본 발명에 있어서의 소경의 축부를 결정하는 상기 스텝에 있어서는, 원기둥 형상 부재의 단부면으로부터 소정 위치까지의 단조비는 3.0 이하로 하는 것이 바람직하다. 단조비가 지나치게 커지면, 흠집, 균열 등이 발생하기 쉬워진다. 그로 인해, 본 발명에서는 기둥 형상 부재의 단부면으로부터 소정 위치까지의 단조비는 3.0 이하로 한다.

또한, 여기에서 말하는 단조비라 함은, 원기둥 형상 부재로부터의 단조비를 나타낸다.

다음으로, 2차 단조재를 1040∼1100℃에서 30분 이상 가열하는 고용화 열처리를 행한다. 상술한 바와 같이 이 고용화 열처리의 스텝은, Cr 탄화물을 고용시켜 내식성을 증대시키는 중요한 스텝이다. 고용화 처리의 온도가 낮은 경우, 재결정이 충분히 진행되지 않아, 결정립의 미세화가 곤란해진다. 한편, 고용화 처리의 온도가 높은 경우, 결정립이 거칠어져 버려, 결정립의 미세화가 곤란해진다. 고용화 처리의 시간은 30분 이상이 필요하다.

실시예

이하의 실시예에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

JIS G3214 SUS316강으로 이루어지는 단조용 기둥 형상 소재로부터 도 1에 도시하는 단차가 형성된 단조재를 제조하였다. 우선, 8각 320㎜×1700mmL의 단조용 소재를 1050℃로 가열하고, 그 후 가열하는 일 없이, 4면 단조 장치로 단조를 개시하였다. 사용한 4면 단조기는, 4방향에 램 실린더를 구비하고 있고, 1스트로크당 이송 속도 50㎜, 회전각 30°로 단조를 행하는 것으로 하였다.

상기 소재를 4면 단조 장치에 대하여 축 방향 일단부로부터 타단부를 향해 이송하고, 이어서 역방향으로 이송하는 단조 동작을 반복하여, 단조비 1.6에서 상기 소재의 전체 길이를 왕복 단조하여 직경 260㎜, 길이 2700㎜의 1차 단조재를 얻었다.

다음으로, 재가열하는 일 없이, 1차 단조재의 표면 온도를 표 1에 나타내는 온도에서 단조를 개시하고, 단조 장치에 대하여, 축 방향 일단부로부터 길이 방향 3/4의 위치를 향해 이송하고, 이어서 역방향으로 이송하는 단조 동작을 반복하는 왕복 단조에 의해, 1차 단조재에 대하여 단조비 2.3에서 직경 170㎜의 소경의 축부를 형성하였다. 이때, 최종 단조 부분의 표면 온도가 표 1의 온도로 되기 전에 단조를 종료하고, 본 발명의 2차 단조재를 얻었다.

또한, 비교예로서, 본 발명과 마찬가지로 1차 단조재를 얻은 후에, 1050℃의 3시간의 가열 유지로 재가열을 행하고, 그대로 소경의 축부를 형성하는 단조를 개시하였다. 그 후의 단조 조건은 본 발명과 마찬가지로 하여, 비교예의 2차 단조재를 얻었다.

얻어진 본 발명 및 비교예의 2차 단조재를 1050℃에서 120분 유지하여 고용화 열처리를 행하여 단차가 형성된 단조재로 하였다.

도 1에 얻어진 단차가 형성된 단조재의 개략도를 도시한다. 도 1에 도시하는 A, B의 부분으로부터 각각 금속 조직 관찰용 시험편을 채취하였다. 본 발명, 비교예의 평균의 결정립도 번호를 표 1에, 대표적(본 발명 No.1 및 비교예)인 금속 조직의 사진을 도 2∼5에 나타낸다.

표 2, 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 본 발명에서는, 조직이 조대화되기 쉬운 대경인 플랜지부를 균일 미세한 조직으로 할 수 있고, 소경의 축부의 조직도 균일 미세한 조직으로 할 수 있었다. 또한, 단조 흠집의 발생도 확인되지 않았다.

한편, 비교예에서는, 표 2, 도 4 및 도 5에 나타내는 바와 같이 플랜지부의 결정립도는 2.0으로 거친 결과로 되었다. 또한, 축부의 결정립도도 본 발명과 비교하여 거칠고, 편차도 큰 것이 확인되어, 본 발명에 비해 떨어지는 조직으로 되어 있었다.

1 : 플랜지부
2 : 축부

Claims

오스테나이트계 스테인리스강으로 이루어지는 단조용 기둥 형상 소재를 1000∼1080℃로 가열하고, 그 후 가열하는 일 없이, 상기 소재를 단조 장치에 대하여 축 방향 일단부로부터 타단부를 향해 이송하고, 이어서 역방향으로 이송하는 단조 동작을 반복하는 왕복 단조에 의해, 상기 소재의 전체 길이를 단조비 1.5 이상에서 원기둥 형상으로 단조하여 1차 단조재를 얻는 스텝과,
재가열하는 일 없이, 상기 1차 단조재의 표면 온도가 상기 소재의 가열 온도보다 200℃ 이상 낮아지지 않는 온도에서 단조를 개시하고, 상기 1차 단조재를 상기 단조 장치에 대하여, 축 방향 일단부로부터 소정 위치를 향해 이송하고, 이어서 역방향으로 이송하는 단조 동작을 반복하는 왕복 단조에 의해 소경의 축부를 형성해 가고, 최종 단조 부분의 표면 온도가 상기 소재의 가열 온도보다 300℃ 이상 낮아지기 전에 단조를 종료하여, 대경의 플랜지부와 소경의 축부를 형성한 2차 단조재를 얻는 스텝과,
상기 2차 단조재를 1040∼1100℃에서 30분 이상 가열하여 고용화 열처리를 행하는 스텝
을 구비하는 것을 특징으로 하는, 단차가 형성된 단조재의 제조 방법.
제1항에 있어서, 1차 단조재를 얻는 단조비를 1.5∼1.9, 1차 단조재로부터 2차 단조재의 소경의 축부를 얻는 단조비를 1.0 초과 3.0 이하로 하는 것을 특징으로 하는, 단차가 형성된 단조재의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 단조는, 피단조재의 축의 반경 방향이며 직교하는 4방향으로부터 동시에 단조하는 동시에, 상기 축을 회전시키면서 축 방향으로 이송함으로써 단조하는 4면 단조 장치에 의해 행하는 것을 특징으로 하는, 단차가 형성된 단조재의 제조 방법.