JP6311973B2 - 熱間鍛造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱間鍛造方法に関するものである。

熱間鍛造を行うにあたり、被鍛造材素材には潤滑剤が被覆される。潤滑剤のうち、特に硝子潤滑剤は摩擦係数を低くする潤滑剤として知られている。熱間鍛造の場合、この硝子潤滑剤を被覆した被鍛造材素材は加熱炉で所定の温度に加熱され、鍛造されることになる。
しかしながら、例えば、硝子潤滑剤で被覆した被鍛造材素材を加熱炉で加熱する際、やマニピュレータでの搬送の際、炉床やマニピュレータに接した面の硝子潤滑剤が剥離してしまい、摩擦係数が高まって局所的に被鍛造材素材の熱間加工性が低下したり、金型に焼き付きを起こしてしまう問題がある。
上述した問題に対しては、種々の検討がなされている。例えば、潤滑剤の組成を調整して剥離を防止する方法が国際公開第ＷＯ２０１１／０４０２６１号パンフレット（特許文献１）で提案されている。

国際公開第ＷＯ２０１１／０４０２６１号パンフレット

上述した特許文献１で示される発明は、冷間鍛造に用いるものであるため、そのまま熱間鍛造に適用できるものではない。また、潤滑剤の組成の調整だけでは、熱間鍛造する被鍛造材素材表面に被覆された潤滑剤の剥離を防止することは不十分である。
本発明の目的は、熱間鍛造前の加熱工程においても、潤滑剤の剥離を防止し、潤滑剤の剥離に起因する熱間加工材の熱間加工性の低下を防止し、且つ、金型への焼き付き防止といった問題を確実に防止することができる熱間鍛造方法を提供することである。

本発明は上述した課題に鑑みてなされたものである。
すなわち本発明は、
Ｔｉ合金またはＮｉ基超耐熱合金の被鍛造材素材を潤滑剤で被覆する潤滑剤被覆工程と、
前記潤滑剤被覆工程により潤滑剤が被覆された被鍛造材素材の側面、及び／または、炉床に接する面に、更に、金属製の被覆材を被覆して被鍛造材とする被鍛造材製造工程と、
前記被鍛造材を熱間鍛造温度まで加熱して加熱材とする加熱工程と、
前記加熱材を用いて熱間鍛造する熱間鍛造工程と、
を含み、前記被覆材は、被鍛造素材の炉床と接する面の反対側は被覆しない熱間鍛造方法である。
また、前記潤滑剤被覆工程前に被鍛造材素材を予熱する予熱工程を行うことが好ましい。
また、前記金属製の被覆材がステンレス鋼であることが好ましい。
また、塗布、噴霧、浸漬のうち少なくとも一つの方法によって、前記被鍛造材素材を前記潤滑剤で被覆することが好ましい。
また、前記潤滑剤は硝子潤滑剤であることが好ましい。
また、本発明で被覆する前記潤滑剤の厚さが０．１ｍｍ以上であることが好ましい。

本発明によれば、被鍛造材素材に被覆した潤滑剤の剥離を確実に防止することが可能なため、潤滑剤の剥離に起因する熱間加工材の熱間加工性の低下を防止し、且つ、金型への焼き付き防止といった問題を確実に防止することができる。

本発明の熱間鍛造方法における被鍛造材の構成を示す断面模式図である。 本発明の熱間鍛造方法における被鍛造材の別の構成を示す模式図である。

上述したように、本発明の最大の特徴は熱間鍛造において、被鍛造材素材に被覆した潤滑剤の剥離を防止することにある。図１及び図２を用いながら、以下に本発明を詳しく説明する。
（予熱工程）
先ず、被鍛造材素材１は被覆した潤滑剤を短時間で乾燥させる目的で５０〜１５０℃程度に予熱される。この予熱工程は常法で差し支えない。
（潤滑剤被覆工程）
次に、予熱した被鍛造材素材１に潤滑剤２を被覆する。潤滑剤の被覆は塗布、噴射、浸漬の何れか１つの方法か、または、２以上の方法を組み合わせても差し支えない。被覆された潤滑剤は上述の加熱工程で加熱された被鍛造素材の保有熱によって短時間のうちに乾燥が終了する。

（被鍛造材製造工程）
次に、本発明では上述した潤滑剤２を被覆した被鍛造材素材１に、更に、金属製の被覆材４で被覆して被鍛造材３とする。この被鍛造材製造工程が本発明で最も特徴的な工程である。
潤滑剤を被覆した被鍛造材素材は、熱間鍛造温度に加熱される。このとき特別な手立てを講じておかないと、被鍛造材素材が炉床に接触した面や、マニピュレータによる搬送時にマニピュレータの把持部と被鍛造材素材とが接触した場所の潤滑剤が剥離する。この潤滑剤の剥離は、特に硝子潤滑剤で激しく生じる。
本発明では、乾燥した潤滑剤２が被覆された被鍛造材素材１を金属製の被覆材４で被覆する。金属製の被覆材で被覆すると、潤滑剤の剥離防止層として機能するため、被鍛造材素材表面に被覆した潤滑剤の剥離や脱落が防止される。また、金属製の被覆材４で被鍛造材素材１を被覆することで、後に行う熱間鍛造時の被鍛造材素材の温度低下を防止することができる。
なお、金属製の被覆材４は加熱した被鍛造材素材の温度以上に予め加熱しておくのが好ましい。これは、金属製の被覆材の温度が低いと被鍛造材素材の温度を低下させ、次に行う熱間鍛造温度への加熱時に金属製の被覆材が断熱材になってしまい、加熱時間を長時間としてしまう場合があるためである。
また、金属製の被覆材４は、少なくとも炉床に接する面側を被覆しても良いし（図１）、被鍛造材３をマニピュレータで搬送する必要があれば、更にマニピュレータで把持する箇所に金属製の被覆材４を配置するのが好ましい（図２）。全面を被覆すると被鍛造材素材の温度が分かりにくくなるため、少なくとも一部の箇所、好ましくは、炉床と接する面の反対側は被覆しないでおくのが良い。
なお、図１や図２では、柱状の被鍛造材素材と示しているが、本発明で用いる金属製の被覆材は、例えば、ディスクのような凹凸を有する形状であって適用することができる。また、前述のようにマニピュレータで把持する場所や、大きな変形を生じる場所といった場所を適宜選定して被覆することも可能である。例えば、マニピュレータで把持する場所のみを被覆する場合では、被鍛造材素材の側面のみを被覆しても良い。

更に金属製の被覆材４自体にも潤滑剤２で被覆するのが好ましい。特に潤滑剤で被覆すると良い個所は、被鍛造材素材と接触する面である。これは、例えば、硝子潤滑剤であると、金属に接した箇所は剥離しやすい傾向があるため、金属製の被覆材に対し、潤滑剤で層を形成することで被鍛造材素材に被覆した潤滑剤と、金属製の被覆材とが直接接しないように緩衝剤として機能させることができるからである。なお、金属製の被覆材４のうち、金型と接する領域に潤滑剤２を更に被覆しても良い。
また、金属製の被覆材の材質は、Ｆｅ基の合金が好ましく、中でも特に、概ね１０質量％以上のＣｒを含有し耐食性を向上したＪＩＳに規定されるステンレス鋼や、その改良鋼が有効である。ステンレス鋼であれば、鍛造温度域におけるステンレス鋼の変形抵抗は、難加工性材の代表的な材料であるＴｉ合金やＮｉ基超耐熱合金よりも低いため、鍛造中には、変形抵抗の低いステンレス鋼製の被覆材が被鍛造素材の変形を拘束しないので、被鍛造素材を必要な中間素材形状に支障なく鍛造することができる。また、ステンレス鋼の熱膨張係数は、Ｔｉ合金やＮｉ基超耐熱合金よりも大きいので、鍛造中には被鍛造素材と被覆材との間に適度の隙間が発生し、これが空気層として保温特性を高めることも可能である。ステンレス鋼のなかでも、オーステナイト系ステンレス鋼は耐高温酸化性に優れ、酸化スケールを生成し難いのでより好ましい。なお、金属製の被覆材の厚さは２ｍｍ以上あれば十分である。この厚みであれば、被鍛造材素材の温度低下をより確実に抑制することが可能である。一方で過度に厚くすると被鍛造材素材の鍛造前の加熱に時間がかかるため厚さの上限は１０ｍｍとすると良い。
本発明では、この金属製の被覆材４で熱間鍛造用素材１を被覆して熱間鍛造用の被鍛造材３とする。

また、本発明で用いる潤滑剤は硝子潤滑剤を用いるのが好ましい。硝子潤滑剤は被鍛造素材との濡れ性が良好なため、十分な潤滑作用が得られるだけでなく、被鍛造材素材に部分的な不変形領域が発生するのも防止することができる。
なお、潤滑剤の厚さとしては、過度に薄くなると上述の不変形領域が発生する場合があるため、不変形領域の発生をより確実に防止するには、０．１ｍｍ以上の厚さを確保するのが好ましい。また、厚さの上限については特に限定しないが、例えば１ｍｍを超えて厚くしても潤滑効果が飽和するだけでなく、形状によっては被覆した潤滑剤が垂れてしまうので、厚さの上限としては１ｍｍであれば良い。

（加熱工程）
次に、本発明では、前記被鍛造材を熱間鍛造温度まで加熱して加熱材とする。熱間鍛造温度は、被鍛造材の材質によって適宜決定すればよく、例えば、Ｎｉ基超耐熱合金であれば９５０〜１１５０℃であり、Ｔｉ合金であれば８００〜１０００℃である。この他、析出強化型ステンレス鋼では９００〜１２００℃である。
（熱間鍛造工程）
上述した加熱材を用いて、熱間鍛造を行う。熱間鍛造は前記加熱材を加熱炉から熱間鍛造装置に移動させ、熱間鍛造装置で加熱材を押圧して所定の形状に成形する。
熱間鍛造は所定の温度に加熱した被鍛造材を用いて行う。なお、本発明でいう熱間鍛造とは、通常の熱間鍛造の他、恒温鍛造やホットダイも本発明の範疇である。
また、上述したように、本発明では金属製の被覆材により、被鍛造材素材に被覆した潤滑剤の潤滑性が維持されているだけでなく、被鍛造材の温度低下も抑制可能なため、例えば、難加工性材である、Ｔｉ合金またはＮｉ基超耐熱合金を被鍛造材素材とするときに特に有効である。なお、本発明でいうＮｉ基超耐熱合金とは、高温特性を改善するためにＣｒ、Ｎｉ、Ｃｏ等の合金元素を多量に添加してＦｅの含有量がおおよそ５０％以下に少なくなったもの、及び、ＮｉやＣｏそのものを主成分とするものであり、ほぼ６５０℃以上の高温で高いクリープ強度を有する合金を言う。代表的な合金としては７１８合金などである。
なお、熱間鍛造後の金属製の被覆材の除去は、例えば、グラインダ等を用いて、機械的に除去する方法が簡便である。

上述の本発明の熱間鍛造法について、実施例を説明する。
被鍛造素材１として、Ｎｉ基超耐熱合金のＡｌｌｏｙ７１８を２個用意した。被鍛造材素材１の形状は図２に示す模式図のような形状であり、その寸法はφ１７５ｍｍ×５２０Ｌのものである。このＡｌｌｏｙ７１８相当合金を上型と下型に挟み込んで円盤状に押圧する熱間鍛造を行った。
被鍛造材素材１を加熱炉に挿入し、被鍛造材素材１を１５０℃に予熱した。
次に、予熱した被鍛造材素材１に硝子潤滑剤を噴霧によって０．２５ｍｍ被覆した。
潤滑剤が被覆された被鍛造材素材に、更に、金属製の被覆材４として、ＪＩＳで規定される厚さが４ｍｍのシームレスパイプのＳＵＳ３０４を用いて被覆して被鍛造材３とした（材料Ａ）。被覆材にも硝子潤滑剤を被覆して、潤滑性を確保した。また、比較例として、硝子潤滑剤で被覆しただけのものも用意した（材料Ｂ）。

上記の材料Ａ（本発明例）及び材料Ｂ（比較例）の被鍛造材１を９８０℃に加熱された予熱炉に挿入するためにマニピュレータで把持したところ、材料Ｂでは搬送中に潤滑剤の剥離が生じた。
次に、被鍛造材を予熱炉に挿入し、被鍛造材３が所定温度に達したのを確認し、マニピュレータで熱間鍛造機に搬送しようとしたところ、材料Ｂでは、炉床接地面の硝子潤滑が剥離を生じ、更に、マニピュレータで把持した個所に硝子潤滑の剥離が生じた。
一方、本発明の材料Ａは金属製の被覆材の剥離は見られたものの、被鍛造材に被覆した硝子潤滑剤の剥離は起こさず、硝子潤滑剤で被覆されたままの状態で熱間鍛造が行えた。熱間鍛造後の金属製の被覆材はグラインダで除去した。
今回の実施例では、熱間鍛造後の熱間鍛造材は、何れも偏肉などの問題はなく、所定の形状に熱間鍛造が行えたが、比較例の材料Ｂでは、部分的に潤滑剤の剥離が見られたことから、複数回の熱間鍛造を行うと、金型寿命の低下が懸念された。
以上の結果から、本発明の熱間鍛造方法を適用することにより、被鍛造材素材に被覆した潤滑剤の剥離を確実に防止することが可能なため、潤滑剤の剥離に起因する熱間加工材の熱間加工性の低下を防止し、且つ、金型への焼き付き防止といった問題を確実に防止することができる。

１ 被鍛造材素材
２ 潤滑剤
３ 被鍛造材
４ 被覆材

Claims (6)

1. Ｔｉ合金またはＮｉ基超耐熱合金の被鍛造材素材を潤滑剤で被覆する潤滑剤被覆工程と、
   前記潤滑剤被覆工程により潤滑剤が被覆された被鍛造材素材の側面、及び／または、炉床に接する面に、更に、金属製の被覆材を被覆して被鍛造材とする被鍛造材製造工程と、
   前記被鍛造材を熱間鍛造温度まで加熱して加熱材とする加熱工程と、
   前記加熱材を用いて熱間鍛造する熱間鍛造工程と、
   を含み、前記被覆材は、被鍛造素材の炉床と接する面の反対側は被覆しないことを特徴とする熱間鍛造方法。
2. 前記潤滑剤被覆工程前に被鍛造材素材を予熱する予熱工程を行うことを特徴とする請求項１に記載の熱間鍛造方法。
3. 前記金属製の被覆材はステンレス鋼であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱間鍛造方法。
4. 塗布、噴霧、浸漬のうち少なくとも一つの方法によって、前記被鍛造材素材を前記潤滑剤で被覆す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鍛造方法。
5. 前記潤滑剤は硝子潤滑剤であることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の熱間鍛造方法。
6. 前記被鍛造材素材に被覆される前記潤滑剤の厚さが０．１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の熱間鍛造方法。