JP4321548B2 - 熱間鍛造設備 - Google Patents

Description

本発明は、鋼を用いた自動車部品、たとえば等速ジョイントおよびハブなどの足回り部品や、クランクシャフト等のエンジン部品に代表される機械構造部品を典型例とする熱間鍛造品の製造を担う熱間鍛造設備に関するものである。

自動車の足回り部品やエンジン部品に用いられる鋼製品は、熱間鍛造を行い、その後切削加工による仕上げを行って製造するのが一般的である。かような部品の製造工程として、例えば非特許文献１には、鍛造生産工程の代表的なプロセス、すなわち、材料を、切断、加熱後、鍛造工程により成形し、必要に応じて熱処理を行うプロセスが開示されている。

ところで、近年、上記用途の製品に対して、その適用先である自動車の軽量化を所期した小型化や薄肉化の実現に向けて、疲労強度を高めることが希求されている。
すなわち、熱間鍛造品の疲労強度を高める技術として、特許文献１には、熱間鍛造後に鍛造品全体を焼入れ、さらに焼戻し処理によりマトリックスを析出強化する高疲労強度熱間鍛造品の製造方法が開示されている。

また、特許文献２には、熱間鍛造後に鍛造品全体の冷却速度ムラをなくし、全体の冷却速度を制御する冷却装置が開示されている。
（社）日本塑性加工学会編 塑性加工技術シリーズ４ 鍛造 コロナ社 特許第3100492号公報 特許第2936198号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、熱間鍛造後に部品そのものを直接冷却するため、部品全体の硬度が上がり疲労強度が要求されない部位の加工性が低下する。すなわち、上記使途の機械構造部品は、熱間鍛造によって概略の製品形状を与えた後、この熱間鍛造品の表層を通常は全面的に切削する仕上げ加工を施して製造される。従って、この種の機械構造部品の製造において、切削加工と表面研削が不可欠であるところ、部品全体の硬度が高くなると、必然的に被削性の低下が大きな問題となる。

また、この方法を実現する製造設備としては、析出強化処理のために別途焼戻し処理を行うための加熱設備が必要となるため、省エネルギーの観点からも好ましくない。
特許文献２に記載の技術も同様に、ワーク全体の冷却速度を制御するため、被削性の低下が大きな問題となる。

上記の事情に鑑み、鍛造品の軽量化やコンパクト化による発生応力の増大から要求される疲労強度を、従来法で得られた鍛造品に比べて高めるとともに、疲労強度が必要とされない部分は勿論、それ以外の部分についても熱間鍛造後に切削加工が施された際の被削性が良好であり、容易に仕上げ加工を行うことのできる、疲労特性並びに冷間加工性に優れる熱間鍛造品の提供を所期した際、上記した特許文献１または２に記載された設備では、その実現が困難であった。

そこで、本発明の目的は、疲労特性並びに冷間加工性に優れる熱間鍛造品の製造を可能とする熱間鍛造設備を提供しようとするものである。

さて、発明者らは、上記の目的を達成すべく、特に熱間鍛造後に部分冷却を施すことに関して鋭意研究を重ねた結果、以下に示す（Ｉ）〜（III）の知見を得た。
（Ｉ）熱間鍛造品の特に疲労強度が必要な部分を冷却して部分的に焼入れを行うことによって、その部分の硬度上昇率が10％以上になれば、部品としての疲労強度を20％以上向上させることが可能であること。
（II）また、部分冷却による部分焼入れを施した部分は、冷却されていない部位の保有熱量により自己焼戻しされる結果、従来付加工程として行ってきた焼戻し処理と同等の効果が得られること。そして、その効果を得るためには、この自己焼戻しが特定のパラメータを満足すること。
（III）従って、鍛造品を室温まで冷却後に改めて焼戻しをする必要がないため、非常に安価に高疲労強度部品を製造することが可能であること。
なお、ここで言う熱間鍛造とは、800℃以上に加熱して、鍛造する工程を意味するものである。

さらに、上記の知見を基礎とする技術の実施に向けて、工業的規模での製造を可能とする設備の構成を鋭意究明し、本発明を導くに到った。

本発明は、上記の知見に基づくものである。
すなわち、本発明の要旨構成は、次の通りである。
（１）鋼素材全体を加熱する加熱炉と、該加熱炉の下流側に位置し、加熱された鋼素材に複数パスにて鍛造を施す熱間鍛造機と、該熱間鍛造機内および／または熱間鍛造機の出側に位置し、前記鍛造のパス間あるいは最終パス後の熱間鍛造品に対して特定部分に限局した局部冷却を行う部分冷却装置とを、前記鋼素材および鍛造品を搬送する搬送ライン上に具え、
前記部分冷却装置は、熱間鍛造品の局部冷却部分が局部冷却部分以外の非局部冷却部分よりも硬化した硬化部となり、該硬化部のビッカース硬さをＶ _１ 、前記非局部冷却部分である非硬化部のビッカース硬さをＶ _２ としたとき、（Ｖ _１ −Ｖ _２ ）／Ｖ _２ が0.1〜0.8を満足するように構成されてなることを特徴とする熱間鍛造設備。

（２）前記部分冷却装置は、鍛造品の局部冷却する部分に向けて冷却液を吹き付けるノズルを有する上記（１）に記載の熱間鍛造設備。

（３）前記部分冷却装置を、熱間鍛造機出側の搬送ラインに沿う位置に、少なくとも１つ設けた上記（１）または（２）に記載の熱間鍛造設備。

（４）前記部分冷却装置を、熱間鍛造機出側の搬送ラインに沿う位置に、複数設けた上記（１）、（２）または（３）に記載の熱間鍛造設備。

本発明によれば、疲労強度並びに冷間加工性に優れる熱間鍛造品の製造を確実に実現するための設備を提供することができる。

まず、疲労強度並びに冷間加工性に優れる熱間鍛造品を得るには、熱間鍛造後の部分冷却によって、鍛造品の特に疲労強度が要求される部位に硬化部を導入し、それ以外は非硬化部とすること、とりわけ表面における前記硬化部のビッカース硬さＶ_１と前記非硬化部のビッカース硬さＶ_２が、次式
（Ｖ_１−Ｖ_２）／Ｖ_２：0.1〜0.8
を満足することが好ましい。

すなわち、比（Ｖ_１−Ｖ_２）／Ｖ_２が0.1未満では、硬化部の強度上昇が少なく十分な疲労強度の向上効果が得られない。一方、比（Ｖ_１−Ｖ_２）／Ｖ_２が0.8を超えると、硬度が高くなりすぎて被削性などの冷間加工性が大幅に低下する。特に、熱間鍛造後に直接部分焼入れを行うことから、その後の切削加工は不可欠であり、（Ｖ_１−Ｖ_２）／Ｖ_２を0.8以下にすることが推奨される。最適な範囲は、0.2〜0.6である。

かような硬度差を持つ前記硬化部は、マルテンサイト組織および／またはベイナイト組織からなり、一方の非硬化部は、フェライト組織および／またはパーライト組織を主体とし、一部ベイナイト組織が混入することもある。

以上の熱間鍛造品は、熱間鍛造後に直接部分焼入れ、そして自己焼きもどしを経て得られたものであり、その後の切削仕上げ加工を経て機械構造部品となる。

次に、（Ｖ_１−Ｖ_２）／Ｖ_２：0.1〜0.8となる熱間鍛造品を製造するための製造条件について説明する。
すなわち、この種部品の製造の一般に倣って、鋼素材を加熱して熱間鍛造機に導いて熱間鍛造を施すが、かくして得た鍛造品に対して、Ａ_ｃ３点以上からＡ_ｃ１−150℃以下まで20℃／ｓ以上の速度にて冷却する冷却処理を部分的に行うことが肝要である。すなわち、熱間鍛造後に高疲労強度が要求される部位を、Ａ_ｃ３点以上からＡ_ｃ１−150℃以下まで20℃／s以上の速度にて冷却することによって、冷却中のフェライト生成を抑制し、組織をマルテンサイトおよび／またはベイナイトとすることが可能である。

ここで、熱間鍛造後の部分冷却をＡ_ｃ３点以上からＡ_ｃ１−150℃以下までの温度域で行うのは、冷却後に十分な復熱効果を得るためにはＡ_ｃ３点以上からの冷却が不可欠で、Ａ_ｃ１−150℃以下で冷却するのは、フェライトの生成を抑制するためである。

また、上記温度域での冷却速度を20℃／ｓ以上とするのは、冷却中のフェライト変態を抑制し、組織をマルテンサイトおよび／またはベイナイトとするためである。

その後、当該部品の保有する熱量に基づく復熱によって、連続的にＡ_Ｃ１点を超えない温度域で焼戻しさせることが重要である。すなわち、復熱による焼戻し温度がＡ_Ｃ１点を超えると部分焼入れにより形成された組織が再びオーステナイトとなり、その後の冷却過程においてフェライト・パーライト組織となるためである。これを防止するためにはＡ_Ｃ１点を超えない温度域で焼戻しさせることが重要である。

さらに、前記復熱による焼戻しは、冷却停止後、復熱後の降温過程で300℃に到達するまでの間について、Δｔ_ｎ秒毎の平均温度Ｔ_ｎ（Ｋ）から、下記式（１）にて定義されるパラメータＨが、
65≦Ｈ≦85
を満足することが好ましい。
記
Ｈ＝log₁₀Σ10^fn ・・・（１）
但し、ｆ_ｎ＝logΔｔ_ｎ−1.597×10⁴／Ｔ_ｎ＋100

ここで、図１に部分冷却部の復熱時の温度履歴を示す。図１に示すように冷却停止後の冷却カーブから、それぞれのΔｔ_ｎにおける平均温度Ｔ_ｎ（Ｋ）を求め、これを上記（２）式に適用することでパラメータＨが決まる。この際、自己焼戻し過程における温度Ｔ_ｎは連続的に変化するため、Δｔ_ｎは0.5秒以下として求めるものとする。

図２に前述した比（Ｖ_１−Ｖ_２）／Ｖ_２とパラメータＨとの関係を示す。図２に示すようにパラメータＨと硬度比は良い相関があり、パラメータＨが65未満になると、焼戻し効果が不十分なため、硬度比（Ｖ_１−Ｖ_２）／Ｖ_２が0.8を超えてしまい、被削性が問題となる。また、パラメータＨが85を超えると、過度に軟化されるために（Ｖ_１−Ｖ_２）／Ｖ_２が0.1未満になって疲労強度の向上効果が得られない。

以上で述べたように、疲労強度並びに冷間加工性に優れる熱間鍛造品を得るには、熱間鍛造後の部分冷却を適切に、好適には上記パラメータＨに従って、行う必要があり、そのための熱間鍛造設備を、図３に示すところに従って詳しく説明する。
すなわち、図３において、符号１は、鋼素材を加熱する加熱炉であり、この加熱炉１の出側に延びる、加熱後の鋼素材２の搬送ライン３上に熱間鍛造機４を配置し、さらに熱間鍛造機４の出側の搬送ライン３に沿う位置に部分冷却装置５を設置して成る。

加熱後の鋼素材２は熱間鍛造機４において、所望の形状に型鍛造される。例えば、図４（ａ）に示す鋼素材２は、熱間鍛造機４において図４（ｂ）〜（ｄ）に示す工程を経て、仕上加工前の製品形状を有する鍛造品２０に成形される。
次いで、鍛造品２０は、熱間鍛造機４の出側に設置した部分冷却装置５において、特定部分に冷却が施される。部分冷却装置５には、例えば図５に示すように、鍛造品２０に対して、その円周等分複数位置に上下二段で複数のノズル５ａを設けて、これらノズル５ａから例えば鍛造品２０のフランジ根元部２０ａに向けて冷却液を吹き付けることによって、フランジ根元部２０ａに限局した冷却を行うことができる。

図５に示す部分冷却装置は、鍛造品20を載置する回転台座６を有し、該回転台座６はモータ８により回転可能となっている。複数のノズル5aは回転台座６に載置した状態の鍛造品20のフランジ根元部20aに対して冷却水を噴出するように位置が固定されている。ノズル5aは冷却水供給管12に接続されており、冷却水供給管12には、冷却水を供給するための昇圧ポンプ11、噴出量を制御するための流量調整弁10および流量を監視するための流量計９が設けられている。さらに、鍛造品20のフランジ根元部20aのみを局部的に冷却し、その他の部分が冷却されることを抑制するために、ノズル5aの上側には上部冷却水仕切り板7a、ノズル5aの下側には下部冷却水仕切り板7bが設けられている。上部冷却水仕切り板7a、下部冷却水仕切り板7bは、いずれも環状の仕切り板であり、それぞれ、鍛造品20の非冷却対象部分への冷却水も漏れ出しを抑制できるよう構成されている。さらに、回転台座６についても、鍛造品20の回転台座６に接触した部分の熱が放出されないように、セラミック製の台座を使用している。

以上のように構成した部分冷却装置では、回転台座６を回転させながらノズル5aより冷却水を噴出させると、フランジ根元部20aのみを冷却し、その他の部分は強制冷却されないので、局部冷却部分、すなわちこの例においてはフランジ根元部20aのみを焼入することが可能となる。そして、冷却終了後には、非局部冷却部分からの熱により自己焼戻しが施される。
その際、部分冷却を好ましくは上記したパラメータＨに従って行う。
部分冷却後は、放冷する。この放冷は、搬送ライン３の終端に配置する図示しないバケット内で行うことができるし、搬送ライン３上で行ってもよい。

以上の熱間鍛造設備を使用することによって、熱間鍛造機を出た鍛造品に対して特定部分に限局した冷却を確実に行うことができ、（Ｖ_１−Ｖ_２）／Ｖ_２：0.1〜0.8となる熱間鍛造品の製造が可能となる。

なお、上記の設備例では、部分冷却装置５を搬送ライン３に沿う位置に１つ設けているが、部分冷却装置５の複数を搬送ライン３に沿わせて配置することも可能である。かような構成によって、複数の鍛造品をほぼ同時に部分冷却することが可能であり、鍛造速度に応じて同一ライン上での部分冷却処理を実現できる。

また、ノズル5aは、リング状管の内側に孔を複数設けたものでもよいし、円周状のスリットノズルでもよい。これらを使用する場合は、回転台座６に代えて、非回転の台座としてもよいが、より均一性を増すために回転台座６を用いることが好ましい。

また、仕切り板7aについても、非冷却対象部の温度降下量の許容レベルに応じて設置されるものであり、必ずしも必要としない。

上述の例においては、鍛造機の下流側に部分冷却装置５を配置しているが、これは鍛造機の中に設けて鍛造直後に冷却できるようにしてもよい。さらに、複数パスにて鍛造を行う場合に、いずれかのパス間で冷却できるようにしてもよい。

表１に示す化学成分組成の鋼を真空溶解炉にて溶製し、100kgのインゴットに鋳造した。次いで、インゴットを熱間鍛造により65mmφの圧延棒鋼としてから、図３に示した熱間鍛造設備に導いた。まず、この圧延棒鋼を加熱炉１にて1200℃に加熱後、図４（ｂ）〜（ｄ）に示した、1050〜1200℃の温度域で３段階の熱間鍛造を熱間鍛造機４において施して、同図（ｄ）に示すフランジを有する熱間鍛造品２０に成形した。この鍛造品２０を直ちに図５に示した部分冷却装置５に搬入し、ここでフランジ根元部20aに限局した部分冷却を流量10〜20l/minの冷却水を噴出させることにより、行った後、放冷した。部分冷却部の開始温度は980〜150℃とした。

かくして得られた熱間鍛造品について、組織観察、硬さ測定および切削試験を以下の要領にて実施した。比較のために、従来一般的に用いられている熱間鍛造・空冷プロセス、および熱間鍛造・全体焼入れ焼もどしプロセスでも鍛造品を作製した。全体焼入後、焼戻し温度600℃×１hrの焼戻し処理を行った。

まず、組織観察は、得られた熱間鍛造品のフランジ根元部２０ａおよび軸端部２０ｂから組織観察用サンプルを切り出し、そのナイタール腐食組織を光学顕微鏡および電子顕微鏡にて観察した。
ビッカース硬さ測定は、フランジ根元部２０ａおよび軸端部２０ｂからそれぞれ表皮下１mm部について荷重300ｇにてビッカース硬さを測定した。

切削試験による切削性は、外周施削で評価した。すなわち、超硬工具P10を用い、切削速度200ｍ／min、切込み0.25mmおよび送り0.5mm/revにて、潤滑剤を噴霧して実施し、施削により部品全体を切削するのに要する時間で評価した。この際、従来の熱間鋳造・空冷プロセス材の切削に要した時間ｔ１に対して要した時間をｔ２とし、（ｔ２−ｔ１）／ｔ１として評価した。

表２に示したように、本発明の設備を使用することによって、部分冷却が確実に行われた結果、冷却部の組織が焼戻しマルテンサイト又はベイナイト、もしくはそれらの混合組織で、冷却部以外の組織がフェライト−パーライト、もしくはベイナイト組織からなり、両者の硬度比（Ｖ_１−Ｖ_２）／Ｖ_２が0.14〜0.77である鍛造品が得られた。また、切削性の評価結果は、従来プロセス材の1.2倍以下であり、従来の全面焼き入れを施した鍛造品の約１／３以下であった。

復熱における温度履歴の概念図である。 パラメータＨと（Ｖ_１−Ｖ_２）／Ｖ_２との関係を示す図である。 熱間鍛造設備の構成を示す図である。 熱間鍛造の手順を示す工程図である。 部分冷却装置を示す図である。

符号の説明

１ 加熱炉
２ 鋼素材
３ 搬送ライン
４ 熱間鍛造機
５ 部分冷却装置
２０ 熱間鍛造品
２０ａ フランジ根元部
２０ｂ 軸端部

Claims (4)

1. 鋼素材全体を加熱する加熱炉と、
   該加熱炉の下流側に位置し、加熱された鋼素材に複数パスにて鍛造を施す熱間鍛造機と、
   該熱間鍛造機内および／または熱間鍛造機の出側に位置し、前記鍛造のパス間あるいは最終パス後の熱間鍛造品に対して特定部分に限局した局部冷却を行う部分冷却装置とを、
   前記鋼素材および鍛造品を搬送する搬送ライン上に具え、
   前記部分冷却装置は、熱間鍛造品の局部冷却部分が局部冷却部分以外の非局部冷却部分よりも硬化した硬化部となり、該硬化部のビッカース硬さをＶ _１ 、前記非局部冷却部分である非硬化部のビッカース硬さをＶ _２ としたとき、（Ｖ _１ −Ｖ _２ ）／Ｖ _２ が0.1〜0.8を満足するように構成されてなることを特徴とする熱間鍛造設備。
2. 前記部分冷却装置は、鍛造品の局部冷却する部分に向けて冷却液を吹き付けるノズルを有する請求項１に記載の熱間鍛造設備。
3. 前記部分冷却装置を、熱間鍛造機出側の搬送ラインに沿う位置に、少なくとも１つ設けた請求項１または２に記載の熱間鍛造設備。
4. 前記部分冷却装置を、熱間鍛造機出側の搬送ラインに沿う位置に、複数設けた請求項１、２または３に記載の熱間鍛造設備。

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