JP2020001060A - 塑性加工材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】塑性加工時の摩擦を低減し、塑性加工材表面の焼付き等による疵の発生を抑制できる塑性加工材の製造方法を提供する。【解決手段】本発明は、難加工性の金属材料の表面のＪＩＳ−Ｂ０６０１（２００１年）に準拠して測定される算術平均粗さ（Ｒａ）をショットブラストにより１．５μｍ以上２５．０μｍ以下に調整する工程と、上記金属材料の表面に固体潤滑剤を塗布する工程と、上記金属材料を塑性加工する工程とを備える塑性加工材の製造方法である。【選択図】図１

Description

本発明は、塑性加工材の製造方法に関する。

金属製の管材や棒材を製造するための押出加工は、金属材料を塑性変形によって加工する。上記押出加工における押出性では、金属材料が変形中に割れ等により破壊することなく、金属材料の特性を高めたり、所定の寸法形状に加工されたりすることが重要となる。押出性は、金属材料の温度、コンテナ、ダイス、ステム、マンドレル等の金型の温度及び変形速度等の押出条件や組成、組織等の金属材料の特性といった多くの要因に依拠する。また、金属材料の押出性に影響を及ぼす要因の一つとして、金型表面および金属材料表面の相互作用により生じる熱伝達、摩擦及び摩耗が挙げられる。従って、金属材料と、押出時のコンテナ、ダイス、ステム、マンドレル等の金型との間における断熱性及び潤滑性は、押出性に影響を及ぼす要因となる。

例えば、押出加工では、ビレットをダイスのビレット孔に装入し、ステムによりコンテナ内のビレットに押出力を与え、この押出力によってビレットをダイスの隙間に通して成形するというのが一般的である。この押出加工では、ダイス、マンドレル、コンテナ内周壁には焼付きが多く発生することから、比較的短期間でこの焼付きの程度が過度に至ってダイス、マンドレル、コンテナとビレットの摩擦力が増大してしまうため、ダイス、マンドレル、コンテナ等の金型の寿命が短くなるおそれがある。

従来技術では、加工時の摩擦低減や摩耗による金型の損傷を抑制することを目的として、熱安定性及び塗膜形成性に優れる固体潤滑剤を金型に塗布することが開示されている（特開２００１−２４０８８７号公報参照）。

特開２００１−２４０８８７号公報

上記固体潤滑剤の使用により、押出、鍛造等の加工時の摩擦は低減される。しかしながら、従来の固体潤滑剤を塗工した金型では、塗膜の耐久性が十分ではなく、押出加工を重ねる毎に金属材料表面の面積が拡大し潤滑剤がきれて、金型との摩擦により加工後の塑性加工材の表面に焼付き等による疵が生じてしまうおそれがある。これらの課題は、特にチタン、チタン合金、ニッケル合金、ジルカロイ等の耐熱性を有する難加工性の金属材料の熱間塑性加工において改善が望まれている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、熱間塑性加工時の摩擦を低減し、塑性加工材表面の焼付き等による疵の発生を抑制できる塑性加工材の製造方法の提供を目的とする。

本発明者らは、上記の課題を解決するため、チタン、チタン合金、ニッケル合金、ジルカロイ等の難加工性の金属材料の塑性加工性を高める方法の検討を行った。

上記課題を解決するためになされた本発明の一態様は、難加工性の金属材料の表面のＪＩＳ−Ｂ０６０１（２００１年）に準拠して測定される算術平均粗さ（Ｒａ）をショットブラストにより１．５μｍ以上２５．０μｍ以下に調整する工程と、上記金属材料の表面に固体潤滑剤を塗布する工程と、上記金属材料を塑性加工する工程とを備える塑性加工材の製造方法である。

当該塑性加工材の製造方法は、難加工性の金属材料を塑性加工の前処理工程として、金属材料の表面の算術平均粗さ（Ｒａ）をショットブラストにより１．５μｍ以上２５．０μｍ以下に調整して固体潤滑剤を塗布することにより、上記金属材料の表面に固体潤滑剤を定着させることができる。その結果、上記金属材料と金型との摩擦による固体潤滑剤の除去を抑制し、難加工性の金属材料表面の固体潤滑剤の定着性を向上できるので、塑性加工時の摩擦を低減し、塑性加工材表面の焼付き等による疵の発生を抑制できる。

本発明の塑性加工材の製造方法は、塑性加工時の摩擦を低減し、塑性加工材表面の焼付き等による疵の発生を抑制できる。

本発明の塑性加工材の製造方法に用いる金属材料である中空ビレットの断面図である。 本発明の塑性加工材の製造方法の一実施形態における熱間押出加工時の押出装置の概略断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る塑性加工材の製造方法について説明する。

＜塑性加工材の製造方法＞
当該塑性加工材の製造方法は、チタン及びチタン合金材等の耐熱合金、およびその製造方法に関するものである。当該塑性加工材の製造方法は、難加工性の金属材料の表面のＪＩＳ−Ｂ０６０１（２００１年）に準拠して測定される算術平均粗さ（Ｒａ）をショットブラストにより１．５μｍ以上２５．０μｍ以下に調整する工程と、上記金属材料の表面に固体潤滑剤を塗布する工程と、上記金属材料を塑性加工する工程とを備える。また、当該塑性加工材の製造方法は、上記金属材料を加熱する工程を有することが好ましい。上記加熱工程は、上記固体潤滑剤塗布工程の前及び後のどちらで行ってもよい。

当該塑性加工材の製造方法は、難加工性の金属材料（ビレット）の表面をショットブラストにより所定の算術平均粗さに調整後に上記金属材料の表面に固体潤滑剤を塗布することにより、塑性加工時の潤滑性を確保できるとともに、塑性加工材の外面欠陥を抑制することができる。より具体的には、当該塑性加工材の製造方法によれば、難加工性の金属材料の塑性加工においても、ダイス、コンテナ、ステム、マンドレル等の金型等と上記金属材料との間に良好な潤滑性を確保することができる。その結果、金型と上記金属材料との間の摩擦を減少させて、塑性加工中に起こりやすい焼付き、かじり（摺動面の異常磨耗）等の欠陥を抑制でき、表面品質に優れ、かつ寸法精度の良い塑性加工材を製造できる。また、加工中の金属材料と金型等との間の離型が滑らかになり、金型等の使用期間を向上できる。さらに、塑性加工材の表面疵を低減できるので、チタン、チタン合金、ニッケル合金、ジルカロイ等の難加工性の金属材料の塑性加工材の歩留り及び生産性の向上によるコストダウンと品質向上が可能となる。

上記塑性加工の具体例としては、例えば自由鍛造、閉塞鍛造、前方押出、後方押出、ラジアル鍛造、アップセット鍛造、ドロー鍛造等が挙げられる。

［算術平均粗さ調整工程］
本工程では、難加工性の金属材料の表面のＪＩＳ−Ｂ０６０１（２００１年）に準拠して測定される算術平均粗さ（Ｒａ）をショットブラストにより１．５μｍ以上２５．０μｍ以下に調整する。本工程により難加工性の金属材料表面の固体潤滑剤の定着性を向上できる。

本発明に用いられるインゴット、ビレット等の難加工性の金属材料は、例えばチタン、チタン合金、ニッケル合金、ジルカロイ等の耐熱合金などの難加工性の金属材料が適する。

算術平均粗さ調整手段であるショットブラストのショットの材質としては、例えばアルミナ、スチール、ステンレス、セラミック等が好ましい。これらの中でも、固体潤滑剤の上記金属材料の表面に対する定着性を向上する観点から、スチールが好ましい。

算術平均粗さ調整後の難加工性の金属材料の表面のＪＩＳ−Ｂ０６０１（２００１年）に準拠して測定される算術平均粗さ（Ｒａ）の下限としては、１．５μｍであり、上記算術平均粗さが１．５μｍ未満の場合、固体潤滑剤が上記金属材料の表面に十分に定着しないおそれがある。また、上記算術平均粗さ（Ｒａ）の上限としては、２５．０μｍであり上記算術平均粗さが２５．０μｍを超える場合、塑性加工材の表面性状に影響を及ぼすおそれがある。

［固体潤滑剤塗布工程］
本工程では、算術平均粗さ調整工程により、算術平均粗さが調整された難加工性の金属材料の表面に固体潤滑剤を塗布する。本工程により、塑性加工時に、金型と上記金属材料（ビレット）との接触面に固体潤滑剤が介在するので、金型等の塑性加工工具と上記金属材料との間に生ずる摩擦力が低減されるとともに、塑性加工工具と上記金属材料との接触面における焼付き、かじり等の欠陥の発生を抑制できる。

（固体潤滑剤）
固体潤滑剤としては、特に限定されない。例えば、黒鉛系潤滑剤等が挙げられる。

黒鉛系潤滑剤としては、例えば黒鉛粉末が挙げられる。黒鉛粉末としては、天然黒鉛粉末等を用いることができる。黒鉛粉末としては、複数の種類の黒鉛を混合して用いることができる。

固体潤滑剤は塗布層形成性を改善するため、溶媒中に分散させてもよい。溶媒としては水が挙げられる。

（塗布方法）
固体潤滑剤の塗布方法としては、例えば８０℃〜１２０℃の範囲で予熱後に刷毛塗り等による塗布が挙げられる。

［加熱工程］
加熱工程では、難加工性の金属材料を所定の温度まで加熱する。上記金属材料は、加熱炉もしくはインダクションヒーター（高周波誘導加熱装置）により加熱し、６００℃以上１３００℃以下の範囲の温度に昇温する。本工程により塑性加工材の組織の均質化を図ることができるとともに、塑性加工性がより向上する。

加熱工程は、固体潤滑剤塗布工程後に行ってもよいし、固体潤滑剤塗布工程前に行ってもよい。

上記加熱工程における加熱温度の下限としては、金属材料の高温での変形能の観点から６００℃以上が好ましく、６５０℃以上がより好ましい。上記加熱温度の上限としては、固体潤滑剤の高温での保持性の観点から９００℃以下が好ましく、８５０℃以下がより好ましい。

［塑性加工工程］
塑性加工工程は、算術平均粗さ調整工程、固体潤滑剤塗布工程及び加熱工程後の上記金属材料を塑性加工する。

本実施形態においては、上記金属材料の塑性加工工程の一例として、中心部に貫通孔が設けられた中空ビレットを金属材料として熱間押出加工により、金属管を製造する場合について説明する。

図１は、当該塑性加工材の製造方法に用いる金属材料である中空ビレット１の断面図である。図２は、当該塑性加工材の製造方法の一実施形態における熱間押出加工時の押出装置の概略断面図である。当該塑性加工材の製造方法に用いる金属材料である中空ビレット１は、難加工性金属材料１１により製造され、外周面及び内周面に固体潤滑剤の塗布層１２を有する。管材の製造に用いられる押出装置１０は、コンテナ３の一端側にダイス２が装着されている。また、金型となる押出装置１０は、常温から９００℃の範囲に昇温される。

上記構成の押出装置１０において、金属材料の熱間押出加工は次のように行う。始めに、図２に示すように、コンテナ３のビレット孔内に中空ビレット１が装着される。また、中空ビレット１の貫通孔には圧力媒体１３を介してマンドレル９が挿入されるとともに、中空ビレット１の後端面には圧力媒体１３を介してシールピストン７が配置されている。

このような構成において、ステム８を作動させてシールピストン７を中空ビレット１の押出方向Ｆの方向に押圧すると、中空ビレット１がダイス２とマンドレル９とで形成される環状空隙から押し出される。そして、ダイス２の内径に対応する外径と、マンドレル９のダイス側先端部の外径に対応する内径とを有する管材１５が製造される。

上記押し出時においては、ダイス２の内周面及び中空ビレット１間、並びにマンドレル９の外周面及び中空ビレット１間には、固体潤滑剤の塗布層１２が介在しているので、良好な潤滑性を確保することができる。その結果、ダイス２の内周面及び中空ビレット１間並びにマンドレル９の外周面及び中空ビレット１間の摩擦を減少させて、管材１５の表面欠陥を抑制でき、表面品質に優れ、かつ寸法精度を良好にできる。また、加工後の塑性加工材と金型等との間の離型が滑らかになり、金型等の使用期間を向上できる。

（利点）
当該塑性加工材の製造方法にあっては、塑性加工時の摩擦を低減し、塑性加工材表面の焼付き等による疵の発生を抑制できるので、難加工性の金属材料からなる塑性加工材の歩留り及び生産性の向上によるコストダウンと品質向上が可能となる。

（その他の実施形態）
本発明は、下記実施例によって制限を受けるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えることも可能である。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

［試験Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１１］
中空ビレットについて下記の工程を行い、試験Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１１の塑性加工材を作製した。

［算術平均粗さ調整工程］
（難加工性金属材料）
難加工性金属材料（ビレット）として、チタンからなる中空ビレットを使用した。

（ショットブラスト）
中空ビレットの外周面及び内周面にショットブラストを行った。ショットの材質として、アルミナ（ＪＩＳ−Ｒ６００１（１９９８年）に規定される粒度：Ｆ４６及びＦ８０）又はスチールグリッド（１００番）を用いた。

（中空ビレットの算術平均粗さ（Ｒａ）の測定）
ＪＩＳ−Ｂ０６０１（２００１年）に準拠してショットブラスト後の中空ビレットの外周面及び内周面の算術平均粗さ（Ｒａ）を測定した。各中空ビレットの算術平均粗さ（Ｒａ）を表２に示す。

［固体潤滑剤塗布工程］
ショットブラスト後の中空ビレットの外周面及び内周面に、８０以上１２０℃以下の範囲で予熱した後、固体潤滑剤として黒鉛潤滑剤Ａ及び黒鉛潤滑剤Ｂを刷毛塗りにより塗布した。

固体潤滑剤の組成として、下記の２種類を用いた。
（１）黒鉛潤滑剤Ａ
微粒子黒鉛を水に分散させて用いた。粘度は１２００Ｐａ・ｓ〜３５００Ｐａ・ｓの範囲に調整した。
（２）黒鉛潤滑剤Ｂ
超微粒子黒鉛及び微粒子黒鉛を水に分散させて用いた。粘度は１２００Ｐａ・ｓ〜３５００Ｐａ・ｓの範囲に調整した。

［加熱工程］
次に、中空ビレットをインダクションヒーターにより７５０℃で７分間加熱した。

［塑性加工工程］
次に、熱間押出装置に加熱した中空ビレットを装着後、ラム加工速度５ｍｍ／秒〜１０ｍｍ／秒で熱間押出加工して塑性加工材として管材を製造した。各中空ビレットの外観寸法、押出後の管材の寸法及び質量、並びに押出比を表１に示す。なお、押出比は中空ビレットの断面積に対する押出加工後の管材の断面積比をいう。

［評価］
（表面疵深さ）
試験Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１１の塑性加工材の先端５００ｍｍ〜１０００ｍｍにかけて、試験片を採取し、目視での疵外表面部が最も深い部位の断面を切出し、該当部の写真撮影を行い、疵深さを直接、測定した。これらの方法にて試験Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１１の塑性加工材の外周面の焼付きによる表面疵深さを測定した。これらの測定結果を表２に示す。

（表面性状）
試験Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１１の塑性加工材の表面性状について外観評価を行った。評価基準は以下の通りとした。これらの評価結果を表２に示す。
Ａ：爪で触った時に引っ掛かる疵であるが、補修することなく、冷間加工等の２次加工が可能である。
Ｂ：外表面に光を照らすとわずかに筋状の疵が見られるが、部分的な補修で２次加工が可能である。
Ｃ：軸方向に筋状の疵が見られ、かじりが発生している。疵深さ相当量の研削等により全面的に疵を除去することで２次加工が可能である。

表２に示すように、塑性加工材である管材の表面の算術平均粗さ（Ｒａ）を１．５μｍ以上２５．０μｍ以下に調整後、固体潤滑剤を塗布した試験Ｎｏ．１〜試験Ｎｏ．８の表面疵の深さは７０μｍ以下であった。一方、比較例の表面疵の深さは、１９６μｍ〜５３８μｍの範囲であった。上記結果から、当該塑性加工材の製造方法は、難加工性の金属材料を用いても塑性加工時の摩擦を低減し、塑性加工材表面の焼付き等による疵の発生を抑制でき、塑性加工材及びその加工製品の歩留りや生産性の向上によるコストダウンと品質向上することが可能であることが判明した。

本発明の塑性加工材の製造方法は、上述のように、塑性加工時の摩擦を低減し、塑性加工材表面の焼付き等による疵の発生を抑制できるので、難加工性の金属材料の塑性加工をする際に好適に用いることができる。

１ 中空ビレット（金属材料）
２ ダイス
３ コンテナ
７ シールピストン
８ ステム
９ マンドレル
１０ 押出装置
１１ 難加工性金属材料
１２ 固体潤滑剤の塗布層
１３ 圧力媒体
１５ 管材
Ｆ 中空ビレットの押出方向

Claims (1)

1. 難加工性の金属材料の表面のＪＩＳ−Ｂ０６０１（２００１年）に準拠して測定される算術平均粗さ（Ｒａ）をショットブラストにより１．５μｍ以上２５．０μｍ以下に調整する工程と、
   上記金属材料の表面に固体潤滑剤を塗布する工程と、
   上記金属材料を塑性加工する工程と
   を備える塑性加工材の製造方法。

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