(57)【要約】【課題】１回の鍛造で鍛造品全体に高い相当ひずみを付与して、所望とする機械的特性を有する鍛造品を鍛造する熱間押出鍛造方法を提供する。【解決手段】本発明の熱間押出鍛造方法は、軸状の孔部６と孔部６の上部に連接して形成された凹部５を有する下金型２と下金型２に押し付けられる上金型３とからなる金型を用いて据え込み鍛造する熱間押出鍛造方法であって、下金型２の凹部５の最小内径ｄ１と被加工材２０の下部の最大径Ｄ１とが、(ｄ１)２／(Ｄ１)２≧１．７を満たし、押出比ＥＲが(ｄ１)２／(ｄ２)２≧１．５を満たすと共に下金型２の孔部６と凹部５との連接部分と被加工材２０との接触長さＷがＷ／ｄ２≧−１．１５×ＥＲ＋３．９３を満たすように被加工材２０及び金型２，３を設定し、上金型３を下金型２に押し付けることで下金型２内に装入された被加工材２０を軸部３２とフランジ部３１とから成る形状の鍛造品３０へと据え込み鍛造する。【選択図】図２
2014223644.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸状の孔部と当該孔部の上部に連接して形成されたフランジ状の凹部を有する下金型と、前記下金型に押し付けられる上金型とからなる金型を用いて据え込み鍛造する熱間押出鍛造方法であって、
前記下金型の凹部の最小内径ｄ１と、被加工材の下部の最大径Ｄ１とが、式（１）を満たし、
押出比ＥＲが式(２)を満たすと共に、前記下金型における孔部と凹部との連接部分と被加工材との接触長さＷが式(３)を満たすように、被加工材及び金型を設定しておき、
前記上金型を下金型に押し付けることによって前記下金型内に装入された被加工材を軸部とフランジ部とから成る形状の鍛造品へと据え込み鍛造することを特徴とする熱間押出鍛造方法。
(ｄ１)２／(Ｄ１)２≧１．７                  ・・・（１）
ＥＲ＝(ｄ１)２／(ｄ２)２≧１．５            ・・・（２）
Ｗ／ｄ２≧−１．１５×ＥＲ＋３．９３       ・・・（３）
ただし、ｄ１：凹部の最小内径（ｍｍ）、ｄ２：軸状の孔部の径（ｍｍ）
Ｗ：接触長さ（ｍｍ）、Ｄ１：被加工材の下部の最大径（ｍｍ）
【請求項２】
前記被加工材が、式（４）、式（５）を満たす形状としていることを特徴とする請求項１に記載の熱間押出鍛造方法。
Ｈ／［(Ｄ１＋Ｄ２)／２］≦３．０          ・・・（４）
Ｄ２／Ｄ１≦０．９５                      ・・・（５）
ただし、Ｈ：被加工材の高さ（ｍｍ）、Ｄ２：被加工材の上部の最小径（ｍｍ）
【請求項３】
被加工材の上部には、上金型に設けられた下方突起部に嵌合する凹部を形成し、
被加工材の下部には、下金型に対応した形状を設けるようにしていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱間押出鍛造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金型を用いてチタン製の鍛造品を鍛造する熱間押出鍛造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、Ti-17(Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr)やTi-6246(Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo)などのチタン合金は、優れた機械特性や耐熱性を有することから、航空機や車両などの輸送機器のエンジン部材、あるいはシャーシなどの構造部材に用いられている。
このようなチタン合金を用いて上述した鍛造品を鍛造する方法として、金型を用いた熱間押出鍛造方法（熱間の据え込み鍛造方法）が用いられる。熱間押出鍛造方法は、予め製品形状を模して形成された金型内に加熱された被加工材を装入し、被加工材を高温状態に保持したまま金型に沿った形状に引き伸ばすように変形させながら鍛造するものである。熱間押出鍛造方法を用いれば、鍛造中の変形において製品形状に沿ったメタルフローが得られるため他の加工方法に比べてより粘り強く、耐衝撃破壊性など機械的特性に優れた鍛造品を得ることができる。
【０００３】
熱間押出鍛造を行う技術としては、例えば、特許文献１に開示されたものがある。
特許文献１には、チタン合金製で、端面の面取りを行なった被加工材から、搾出および傘打ち加工を同時に行なう鍛造によりエンジンバルブを製造する方法であって、バルブ形状を備えた上下一対の鍛造用の金型を用い、軸部の径より太い径をもつ被加工材を金型の傘部の側から挿入し、被加工材の下部を前方押出しすることにより軸部を搾出成形するとともに、被加工材の上部を型打ちして材料を横方向に展開させることにより傘部を成形し、鍛造に続いてチタン合金のβトランザス温度以上に加熱する熱処理を行なって、少なくともバルブ傘部を針状（α＋β）組織とすることからなり、あらかじめ被加工材および金型を加熱しておいて鍛造を行ない、その加熱を、被加工材温度が８００℃以上〜チタン合金のβトランザス温度以下、金型温度が１００〜５００℃となる条件を満たすように選択するチタン合金製エンジンバルブの製造方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１４２３３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、熱間押出鍛造で成形される鍛造品は大型化すると共に、過酷な環境下で使用される場合が多くなってきている。このように過酷な環境下で使用される鍛造品は、鍛造品全体に高い相当ひずみを付与して機械的特性に優れたものとすることが要望されている。
しかしながら、上述した特許文献１は、チタン合金を熱間押出鍛造するに際し、最終製品のワレ・カジリを防止する技術を開示するものであって、鍛造品全体に高い相当ひずみを付与可能な鍛造方法を開示するものとはなっていない。つまり、鍛造中に高い相当ひずみを付与して機械的特性に優れた鍛造製品を得る技術は、未だ開発されていないのが現状である。
【０００６】
また、チタン合金を用いて大型の鍛造製品を製造する現場では、１回の鍛造で機械的特性に優れた鍛造品を得る技術の要望が挙げられている。特許文献１は、この要望に応えることができる技術でもない。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、１回の鍛造で鍛造品全体に高い相当ひずみを付与して、所望とする機械的特性を有する鍛造品を鍛造する熱間押出鍛造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するため、本発明では以下の技術的手段を講じている。
本発明の熱間押出鍛造方法は、軸状の孔部と当該孔部の上部に連接して形成されたフランジ状の凹部を有する下金型と、前記下金型に押し付けられる上金型とからなる金型を用いて据え込み鍛造する熱間押出鍛造方法であって、前記下金型の凹部の最小内径ｄ１と、被加工材の下部の最大径Ｄ１とが、式（１）を満たし、押出比ＥＲが式(２)を満たすと共に、前記下金型における孔部と凹部との連接部分と被加工材との接触長さＷが式(３)を満たすように、被加工材及び金型を設定しておき、前記上金型を下金型に押し付けることによって前記下金型内に装入された被加工材を軸部とフランジ部とから成る形状の鍛造品へと据え込み鍛造することを特徴とする。
【０００８】
(ｄ１)２／(Ｄ１)２≧１．７                  ・・・（１）
ＥＲ＝(ｄ１)２／(ｄ２)２≧１．５            ・・・（２）
Ｗ／ｄ２≧−１．１５×ＥＲ＋３．９３       ・・・（３）
ただし、ｄ１：凹部の最小内径（ｍｍ）、ｄ２：軸状の孔部の径（ｍｍ）
Ｗ：接触長さ（ｍｍ）、Ｄ１：被加工材の下部の最大径（ｍｍ）
好ましくは、前記被加工材が、式（４）、式（５）を満たす形状としているとよい。
【０００９】
Ｈ／［(Ｄ１＋Ｄ２)／２］≦３．０          ・・・（４）
Ｄ２／Ｄ１≦０．９５                      ・・・（５）
ただし、Ｈ：被加工材の高さ（ｍｍ）、Ｄ２：被加工材の上部の最小径（ｍｍ）
好ましくは、被加工材の上部には、上金型に設けられた下方突起部に嵌合する凹部を形成し、被加工材の下部には、下金型に対応した形状を設けるようにしているとよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の熱間押出鍛造方法によれば、１回の鍛造で鍛造中の鍛造品全体に高い相当ひずみを付与して、所望とする機械的特性を有する鍛造品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の熱間押出鍛造方法を示した図である。
【図２】本発明の熱間押出鍛造方法に用いられる金型及び被加工材の形状を示した図である。
【図３】熱間押出鍛造方法を用いて鍛造された鍛造品の一例を示した側面図である。
【図４】（ａ）は本発明の熱間押出鍛造方法を用いて鍛造された鍛造品のフランジ部に付与された相当ひずみの解析結果を示す図であり、（ｂ）は従来の鍛造方法で鍛造された鍛造品のフランジ部に付与された相当ひずみの解析結果を示す図である。
【図５】（ａ）は本発明の熱間押出鍛造方法を用いて鍛造された鍛造品の軸部先端に付与された相当ひずみの解析結果を示す図であり、（ｂ）及び（ｃ）は従来の鍛造方法で鍛造された鍛造品の軸部先端に付与された相当ひずみの解析結果を示す図である。
【図６】図５の解析結果をまとめた図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の熱間押出鍛造方法（据え込み鍛造方法）について、図面に基づき詳しく説明する。
まず、本発明の熱間押出鍛造方法を説明する前に、熱間押出鍛造装置１（据え込み鍛造装置）を図１に基づき、説明する。
図１（ａ）〜図１（ｃ）に示すように、熱間押出鍛造装置１は、加熱された被加工材２０（以降、荒地と呼ぶ）を金型２，３内に装入して、金型２，３の形状に沿って荒地２０を熱間状態で変形させることにより、所望の形状の鍛造品３０を成形するものである。具体的には、この熱間押出鍛造装置１は、鍛造品３０を成形するための金型２，３が上下２つに分割できるようになっていて、荒地２０が載置される下金型２と、この下金型２に載置された荒地２０を上方から圧下する上金型３と、を有している。
【００１３】
下金型２の幅方向中央であって上部側には、その内径が荒地２０の外径より大きく、且つフランジ状に形成された凹部５（フランジ孔部）が形成されており、このフランジ孔部５の内部に荒地２０を上方から下方に向かって挿入可能となっている。
下金型２の幅方向中央であってフランジ孔部５の下方側は、荒地２０（フランジ孔部５の内径）よりも小径とされた軸状の孔部６（貫通孔）が形成されている。詳しくは、下金型２の幅方向中央であって下側部に形成される貫通孔６は、フランジ孔部５の下部から貫通孔６の中途部に向かうにしたがって内径が徐々に小さくなる内側傾斜面７が形成されている。この内側傾斜面７に荒地２０を載置することができるようになっている。また、内
側傾斜面７の下方の貫通孔６（貫通孔６の中途部より下方）は、内側傾斜面７の下部の内径より若干大きい内径で形成されている（貫通孔６の大径部）。
【００１４】
貫通孔６（下金型２）の下側には、鍛造が終了した鍛造品３０を排出するノックアウト棒９と、このノックアウト棒９を上下方向に移動させるシリンダ機構（図示略）とが設けられている。ノックアウト棒９は、下金型２の貫通孔６に対応した位置に上下方向に移動可能に配備されており、シリンダ機構によってノックアウト棒９を上方に移動させて鍛造品３０（鍛造後の荒地２０）を押し上げることで鍛造品３０を下金型２から引き剥がせるようになっている。
【００１５】
また、下金型２の下側には、金型支持機構（図示略）が設けられており、金型支持機構によって下金型２を床面などに対して支持できるようになっている。
上金型３は、下金型２の上方に位置しており、下金型２に載置された荒地２０に対して上方から近接離反とされており、上金型３を下降させることで荒地２０を上方から押しつぶすように圧下可能となっている。上金型３の中央部には、荒地２０を圧下するためのポンチ４が形成されている。
【００１６】
ポンチ４は、型上部のフランジ孔部５の開口径に比べてやや小さな外径を備えており、上金型３が下金型２に衝合するまで下降した際に型上部のフランジ孔部５に上方から嵌り込むようになっていて、荒地２０の上部を上方から圧下可能となっている。
図２に示すように、荒地２０は、側面視で略台形状に形成され、上下方向に長尺とされた略円柱部材である。荒地２０は、Ti-17(Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr)やTi-6246(Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo)などのチタン合金で形成されている。荒地２０は、その上部や下部の縁が斜めに面取りされており、荒地２０の下部の面取り部分と、下金型２の内側傾斜面７とが接触して、荒地２０が下金型２（フランジ孔部５）に配備される。なお、荒地２０の下部の面取り部分は、下金型２に対応した形状にしてもよい。例えば、荒地２０の下部の面取り部分を下金型２の湾曲状の内側傾斜面７に沿った形状にしてもよい。このように、荒地２０の下部形状を下金型２に沿った形状とすることで、荒地２０を容易かつ迅速に下金型２の中心に配置することができる。そして、荒地温度が低下する前に素早く鍛造を開始することができる。また、素材の芯ずれを軽減することができるため、加圧時の座屈のリスクを低減することも可能となる。
【００１７】
荒地２０の上部には、上金型３に設けられた下方突起部８に嵌合する切り欠き部２１が形成されている。鍛造開始前に荒地２０の上部の切り欠き部２１とポンチ４の下方突起部８とを嵌合させることで、上金型３の中心軸と荒地２０の中心軸が合致していることを確認することができる。切り欠き部２１と下方突起部８が嵌合するように荒地２０を配置することで、鍛造中の荒地２０の座屈を防止することができる。
【００１８】
また、本発明の熱間押出鍛造方法に用いられる荒地２０は、式（４）、式（５）を満たす形状としている。
Ｈ／［(Ｄ１＋Ｄ２)／２］≦３．０          ・・・（４）
Ｄ２／Ｄ１≦０．９５                      ・・・（５）
ただし、Ｈ：荒地の高さ（ｍｍ）
Ｄ２：荒地の上部の最小径（ｍｍ）
このように、荒地２０の外径Ｄに対する荒地高さＨの比（Ｈ／Ｄ）の値を、チタンの一般的な座屈限界値である３．０以下にすることで、鍛造中に生じる荒地２０の座屈を防止することができる。また、荒地２０の外径の比（Ｄ２／Ｄ１）を０．９５以下となる逆テーパ形状にすることで、荒地２０の重心が下側に寄り、荒地２０の座屈のリスクを低減することができる。
【００１９】
ところで、この荒地２０の表面には、下金型２との潤滑性や離形性を向上させるガラス潤滑剤（液体ガラス及び／又は粉末ガラス）が塗布（被覆）されている。
ガラス潤滑剤は、荒地２０（チタン合金などの難加工材）の表面を被覆することにより、鍛造時において金型２，３と荒地２０との間での潤滑性を高めると共に、鍛造終了後に鍛造品３０を型下部から引き剥がす際の離形性を向上させている。また、鍛造時における金型２，３と荒地２０との焼付発生を抑制すると共に、鍛造品３０の割れや疵を防止して
いる。
【００２０】
本実施形態のガラス潤滑剤は、ホウケイ酸ガラスの粉末を使用し、下記の範囲(重量％)を満たすように混練する。
（ａ）ホウケイ酸ガラス粉末                ：４０％〜６０％
（ｂ）スチレン・アクリル樹脂(バインダー)  ：１０％〜２０％
（ｃ）防腐剤                              ：０．１％未満
（ｄ）水                                  ：４０％〜５０％
（ｅ）シリカ                              ：約１％
上述した組成割合で混練されたガラス材からなるガラス潤滑剤を荒地２０の外周面に塗布する。
【００２１】
また、荒地２０（鍛造品３０）がフランジ孔部５（ダイス）の内側傾斜面７に接触しながら鍛造される際の荒地２０と内側傾斜面７を含むダイス２の接触距離を接触長さＷ（図２の太線）とする。
この接触長さＷは、貫通孔６の大径部の上縁と、フランジ孔部５であって側壁が略垂直となっている部分の下縁とを結ぶ傾斜部（連接部分）の断面長さである。接触長さＷが長いほど（具体的には後述の式（３）を満たすようにすると）、荒地２０の表層においてダイス２による摩擦で拘束されるくさび形状の領域が大きくなり、その分だけ鍛造品３０の軸部３２の水平（径外）方向中心部に相当ひずみが付与される。
【００２２】
ところで、本発明の熱間押出鍛造方法で製造される鍛造品３０は、航空機や車両などの輸送機器のエンジン部材、あるいはシャーシなどの構造部材に用いられ、過酷な環境下（高温・高応力等）で繰返し使用される。そのため、高い強度、延性、靭性および疲労特性などの高くて安定した機械的特性が鍛造品３０に要求される。
このような高水準の機械的特性を実現するためには、針状に伸長したα相が均一に分布した針状α組織と呼ばれるミクロ組織がチタン合金（鍛造品３０）の結晶構造内に形成される必要がある。針状α組織は、βプロセス鍛造という鍛造熱処理技術によって形成される。
【００２３】
βプロセス鍛造は、Ti-17(Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr)やTi-6246(Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo)などのニアβ合金と呼ぶチタン合金について、材料（荒地２０）温度をβ変態点温度以上に加熱し、鍛造中の材料温度と相当ひずみを適正に制御して材料特性を満足させると同時に、金型鍛造によって製品形状をつくりこむ鍛造熱処理技術である。
一般的な金型鍛造においては、まず金型鍛造の前工程であるビレット鍛造の段階で相当ひずみを荒地２０に付与して機械的特性を満足させる。その後に、相当ひずみが付与された荒地２０を金型鍛造により所望の製品形状に製造する。このように、２つの鍛造工程を経ることで、相当ひずみが付与されると共に、所望の形状に成形された鍛造品３０が製造される。しかしながら、従来の鍛造方法では、チタンのニアβ合金で針状α組織を得ることができず、所望の機械的特性が満足できない。
【００２４】
そこで、本願発明者らは、１回の鍛造で鍛造品３０全体に高い相当ひずみ（例えば、０．７以上の相当ひずみ）を付与して、所望とする機械的特性を有する鍛造品３０を鍛造する熱間押出鍛造方法を開発した。
本発明の熱間押出鍛造方法（βプロセス鍛造）は、荒地２０を高温状態に保持したまま金型形状に沿って引き伸ばすように変形させながら鍛造するものであり、１回の金型鍛造で高くて安定した機械的特性（針状α組織が形成される）と所望の製品形状を同時に得ることができる。また、鍛造時に金型形状に沿ったメタルフローが得られるため従来の鍛造方法に比べて粘り強く、耐衝撃性・耐破壊性に優れた鍛造品３０を得ることができる。また、鍛造品３０に０．７以上の相当ひずみを付与することで、結晶粒界に直線的かつ連続したα相が貼りつくように析出することを防ぐことができる。
【００２５】
次に、上述した熱間押出鍛造装置１を用いて、チタン製の鍛造品３０を鍛造する鍛造方法、すなわち本発明の熱間押出鍛造方法について、図１（ａ）〜図１（ｃ）、及び図２に基づいて説明する。
本発明に係る熱間押出鍛造方法は、図２に示すように、下金型２の凹部５の最小内径ｄ１と、荒地２０（被加工材）の下部の最大径Ｄ１とが、式（１）を満たし、押出比ＥＲが式(２)を満たすと共に、下金型２における孔部６と凹部５との連接部分における下金型２と被加工材２０との接触長さＷが式(３)を満たすように、荒地２０及び金型２，３を設定しておき、上金型３を下金型２に押し付けることによって下金型２内に装入された荒地２０を軸部３２とフランジ部３１とから成る形状の鍛造品３０へと据え込み鍛造するものである。なお、押出比ＥＲとは、荒地２０をフランジ孔部５から貫通孔６に押し出す際の変形量の比率のことである。
【００２６】
(ｄ１)２／(Ｄ１)２≧１．７                  ・・・（１）
ＥＲ＝(ｄ１)２／(ｄ２)２≧１．５           ・・・（２）
Ｗ／ｄ２≧−１．１５×ＥＲ＋３．９３      ・・・（３）
ただし、ｄ１：フランジ孔部（凹部）の最小内径（ｍｍ）
ｄ２：貫通孔（軸状の孔部）の径（ｍｍ）
Ｗ：接触長さ（ｍｍ）
Ｄ１：荒地の下部の最大径（ｍｍ）
これら式（１）〜式（３）を満たすことで、１回の金型鍛造で鍛造品３０に０．７以上の相当ひずみを付与することができ、高い水準で安定した機械的特性を得ることができる。なお、式（１）を満たすと、鍛造品３０のフランジ部３１に０．７以上の相当ひずみを付与することができる。また、式（２）と式（３）を同時に満たすと、鍛造品３０の軸部３２に０．７以上の相当ひずみを付与することができる。
【００２７】
図１（ａ）に示すように、熱間押出鍛造装置１を用いて鍛造を行うに際しては、まず荒地２０を下金型２に設置する前に、鍛造終了後の鍛造品３０と金型２，３の離型性を向上させるための黒鉛潤滑剤を下金型２の内周面（フランジ孔部５と貫通孔６）および上金型３の外周面（ポンチ４）に塗布する。黒鉛潤滑剤を塗布した後に、下金型２の内側傾斜面７上に予め加熱された荒地２０を配備する。このとき、上金型３の下方突起部８と荒地２０の切り欠き部２１とを嵌合させて、上金型３の中心軸と荒地２０の中心軸が合致していることを確認する。そして、ポンチ４が荒地２０の上面に接触するまで上金型３を移動させる。
【００２８】
ここで、金型（上金型３、下金型２）の予熱温度、及び鍛造開始温度の設定について、説明する。
例えば、金型２，３の温度が低すぎると、鍛造中に荒地２０の表面の層が冷却されてしまう。表面の層が冷却されると、その表層では塑性変形が起こりにくくなり、相当ひずみが付与されなくなる。その結果、機械的特性が低下してしまう。また、金型２，３の温度が低いと、鍛造中に荒地２０を被覆しているガラス潤滑剤の粘性が低下し、潤滑性能が低下して焼付きが発生する虞がある。
【００２９】
一方、金型２，３の温度が高すぎると、下金型２及び上金型３が鈍ってしまい、熱間押出鍛造用の金型２，３としての必要な強度が得られなくなる虞がある。
そこで、本願発明者らは、金型２，３の強度を低下させずに荒地２０の表層温度の低下を軽減できる金型温度範囲を研究した。その結果、本願発明者らは、金型温度範囲を４００℃以上７００℃以下に決定した。
【００３０】
また、本願発明者らは、チタン合金について、鍛造開始時の荒地２０の温度と鍛造後のミクロ組織との関係も研究した。その結果、本願発明者らは、熱間押出鍛造（後述するβプロセス鍛造）において、所望の機械的特性を満足するミクロ組織を得るための鍛造開始温度範囲を８００℃以上１０００℃以下に決定した。
図１（ｂ）に示すように、決定された金型温度、及び鍛造開始温度の基で、荒地２０の圧下を行う。このとき、荒地２０の圧下は、所定の加圧速度で行われる。
【００３１】
ここで、熱間押出鍛造の加圧（圧下）速度の設定について、説明する。
例えば、熱間押出鍛造の加圧速度が速すぎると、荒地２０のひずみ速度も大きくなり、鍛造中の荒地２０内部において加工発熱が促進されてしまう。このように加工発熱が促進されると、β粒の再結晶が進んで相当ひずみが解放されてしまう。その結果、機械的特性が低下する虞がある。
【００３２】
一方、加圧速度が遅すぎると、鍛造中に荒地２０の表面の層が冷却される。荒地２０の表層が冷却されると、表層の部分では塑性変形が起こりにくくなり、相当ひずみが付与されなくなる。その結果、機械的特性が低下する虞がある。
そこで、本願発明者らは、加工発熱の温度と荒地２０の表層が冷却される温度とのバランスを研究した。その結果、本願発明者らは、鍛造開始から終了まで適正な荒地温度が得られる加圧速度を０．５ｍｍ／ｓｅｃから１５．０ｍｍ／ｓｅｃまでの範囲に決定した。
【００３３】
なお、実際の操業においては、鍛造開始時にフランジ部３１の形成する際には、ひずみ速度が速い変形モードではないため、加圧速度を大きめに設定して、荒地２０の表層の冷却を防止する。そして、鍛造中途から鍛造終了にかけて細径の軸部３２を押し出す際には、ひずみ速度が速い変形モードである為、加圧速度を小さめに設定して、加工発熱を抑制するようにしている。つまり、熱間押出鍛造を行う際には、熱間押出鍛造の加圧速度をひずみ速度の変形モードに応じて変更するとよい。
【００３４】
このように設定された加圧速度下で上金型３を押し下げて、ポンチ４を荒地２０に接触させる。さらに、下方に向かって上金型３を圧下させると、ポンチ４がフランジ孔部５内に収容されていた荒地２０を下方に向かって押しつぶす。
荒地２０が押しつぶされて変形するようになると、下金型２のフランジ孔部５で鍛造品３０のフランジ部３１が形成される。そして、押しつぶされて変形した荒地２０の一部は、フランジ孔部５の内側傾斜面７に接触しながら、下金型２の下方の貫通孔６に流れ込む。荒地２０が貫通孔６に流れ込んで変形するようになると、下方に向けて突出状の鍛造品３０の軸部３２が形成される。図３に示すように、荒地２０は、側面視でボルトのような形状の鍛造品３０に成形される。
【００３５】
その後、図１（ｃ）に示すように、熱間押出鍛造終了後には、ノックアウト棒９を上方に移動させて、そのノックアウト棒９で鍛造品３０を押し上げる。そうすると、内側傾斜面７（湾曲面）を介して型下部に固着していた鍛造品３０が型下部から剥がれるようになり、鍛造品３０を下金型２内から取り出すことが可能となる。
［実験例］
以下、熱間押出鍛造方法に基づき、鍛造品３０に相当ひずみを付与した実験例について、述べる。
【００３６】
熱間押出鍛造を行うには、まず上述した式（１）及び式（２）を満たす形状の荒地２０を用意し、その荒地２０をチタンのβ変態点温度以上に加熱する。このとき、加熱前に荒地２０の表面にガラス潤滑剤を塗布しておく。また、金型を４００℃以上７００℃以下の範囲で加熱する。その加熱された荒地２０を下金型２のフランジ孔部５に装入する。このような温度状況下で荒地２０の鍛造を開始する。なお、熱間押出鍛造の加圧速度を０．５ｍｍ／ｓｅｃから１５．０ｍｍ／ｓｅｃの範囲にする。
【００３７】
なお、鍛造品３０のフランジ部３１（図３のＡ参照）に相当ひずみを付与するにあたっては、表１に示す条件下で熱間押出鍛造を行った。
【００３８】
【表１】
2014223644.tif 000003
【００３９】
表１より、例えば、１つ目の熱間押出鍛造の条件としては、下金型２の凹部５の最小内径ｄ１を４２０ｍｍとし、荒地２０（被加工材）の下部の最大径Ｄ１を３２０ｍｍとする。また、下金型２の凹部５の最小内径ｄ１と荒地２０下部の最大径Ｄ１との面積比（(ｄ１)２／(Ｄ１)２）を１．７とする。
また、２つ目の熱間押出鍛造の条件としては、下金型２の凹部５の最小内径ｄ１を４２０ｍｍとし、荒地１２０の下部の最大径Ｄ１を３５０ｍｍとする。また、下金型２の凹部
５の最小内径ｄ１と荒地１２０下部の最大径Ｄ１との面積比（(ｄ１)２／(Ｄ１)２）を１．４とする。
【００４０】
また、３つ目の熱間押出鍛造の条件としては、下金型２の凹部５の最小内径ｄ１を４２０ｍｍとし、荒地２０の下部の最大径Ｄ１を３００ｍｍとする。また、下金型２の凹部５の最小内径ｄ１と荒地２０下部の最大径Ｄ１との面積比（(ｄ１)２／(Ｄ１)２）を２．０とする（解析結果は図示せず）。
このような熱間押出鍛造の条件下で製造された鍛造品３０，１３０のフランジ部３１，１３１に着目して、その鍛造品３０，１３０のフランジ部３１，１３１に付与された相当ひずみをＦＥＭ解析により解析した。なお、ＦＥＭ解析の条件としては、表２に示す。
【００４１】
【表２】
2014223644.tif 000004
【００４２】
以下、図４に従って、鍛造品３０，１３０のフランジ部３１，１３１に付与された相当ひずみの解析結果を説明する。
図４（ａ）に示すように、本発明の熱間押出鍛造方法に基づいて、１つ目の熱間押出鍛造の条件下で鍛造品３０を製造すると、その鍛造品３０のフランジ部３１のほとんどの部分に、０．７以上の相当ひずみが付与されていることが確認できる。詳しくは、フランジ部３１の外周囲側から中心軸側に向かうにつれて、相当ひずみの値が大きくなっており、所望とされる値（０．７）以上の相当ひずみが付与されている。本実施形態では少なくとも０．７以上の相当ひずみが付与されている。特に、フランジ部３１の中心軸近傍には、１．３以上の高い相当ひずみが付与されている。
【００４３】
つまり、本発明の熱間押出鍛造方法を用いて荒地２０を鍛造すると、鍛造品３０のフランジ部３１に０．７以上の相当ひずみを確実に付与することができる。
なお、０．４といった低い相当ひずみがフランジ上部に発生しているが、このフランジ上部は後工程の機械加工にて除去されるので問題はない。従って、機械加工後のフランジ部３１の相当ひずみの最小値は０．７となる（表１参照）。
【００４４】
次に、図４（ｂ）に示すように、２つ目の熱間押出鍛造の条件下で鍛造品１３０を製造すると、鍛造品１３０のフランジ部１３１の幾つかの部分に０．７未満となっている相当ひずみが付与されていることが確認できる。詳しくは、フランジ部１３１の中心軸側には、１．３以上の相当ひずみが付与されているが、フランジ部１３１の下部の外周囲側に所望とされる値よりも低い０．７未満の相当ひずみが付与されている。
【００４５】
フランジ部１３１の下部の外周囲側は、機械加工により除去されない部分である。それ故、２つ目の熱間押出鍛造の条件下で行う熱間押出鍛造方法では、フランジ部１３１の下部の外周囲側に相当ひずみが０．７未満の低ひずみ部が残存することとなり、航空機や車両などの輸送機器のエンジン部材、あるいはシャーシなど過酷な環境下で使用される構造部材に用いることができない。
【００４６】
続いて、表３に示す条件下で熱間押出鍛造を行い、鍛造品３０，１３０の軸部３２，１３２（図３のＢ参照）に相当ひずみを付与した。
【００４７】
【表３】
2014223644.tif 000005
【００４８】
表３より、例えば、１つ目の熱間押出鍛造の条件としては、接触長さＷを１８０ｍｍとし、下金型２の凹部５の最小内径ｄ１を２９３ｍｍとし、下金型２の貫通孔６（軸部３２）の内径ｄ２を１６９ｍｍとする。押出比ＥＲ（(ｄ１)２／(ｄ２)２）を３．０１とする。また、下金型２の貫通孔６（軸部３２）の内径ｄ２に対する接触長さＷの比（Ｗ／ｄ２）を１．０７とする。
【００４９】
また、２つ目の熱間押出鍛造の条件としては、接触長さＷを１８０ｍｍとし、下金型２の凹部５の最小内径ｄ１を２３７ｍｍとし、下金型２の貫通孔６（軸部１３２）の内径ｄ２を１６９ｍｍとする。押出比ＥＲ（(ｄ１)２／(ｄ２)２）を１．９７とする。また、下金型２の貫通孔６（軸部１３２）の内径ｄ２に対する接触長さＷの比（Ｗ／ｄ２）を１．０７とする。
【００５０】
また、３つ目の熱間押出鍛造の条件としては、接触長さＷを６１ｍｍとし、下金型２の凹部５の最小内径ｄ１を２７８ｍｍとし、下金型２の貫通孔６（軸部１３２）の内径ｄ２を１６９ｍｍとする。押出比ＥＲ（(ｄ１)２／(ｄ２)２）を２．７１とする。また、下金型２の貫通孔６（軸部１３２）の内径ｄ２に対する接触長さＷの比（Ｗ／ｄ２）を０．３６とする。
【００５１】
以下、図５、図６に従って、鍛造品３０，１３０の軸部３２，１３２に付与された相当ひずみの解析結果を説明する。図５は、表３の条件下で製造された鍛造品３０，１３０の軸部３２，１３２に着目して、その鍛造品３０，１３０の軸部３２，１３２に付与された相当ひずみをＦＥＭ解析により解析した結果である。図６は、ＦＥＭ解析で得られた知見をまとめたものである。
【００５２】
図５（ａ）に示すように、本発明の熱間押出鍛造方法に基づいて、１つ目の熱間押出鍛造の条件下で鍛造品３０を製造すると、その鍛造品３０の軸部３２の下部には、０．７以上の相当ひずみが付与されていることが確認できる。詳しくは、軸部３２の外周囲側から中心軸側に向かうにつれて、相当ひずみの値が大きくなっており、所望とされる値（０．７）以上の相当ひずみが付与されている。特に、軸部３２の中心軸近傍には、２．０以上の高い相当ひずみが付与されている。
【００５３】
つまり、本発明の熱間押出鍛造方法を用いて荒地２０を鍛造すると、軸部３２全体に０．７以上の相当ひずみを確実に付与することができる。
なお、軸部３２の底面から上方へ１５０ｍｍまでの部位は、後工程の機械加工にて除去される。従って、機械加工後の軸部３２の相当ひずみの最小値は１．５となる（表３参照）。
【００５４】
次に、図５（ｂ）に示すように、２つ目の熱間押出鍛造の条件下で鍛造品１３０を製造すると、鍛造品１３０の軸部１３２の下部に０．７未満の相当ひずみが付与されていることが確認できる。詳しくは、軸部１３２の外周囲側には、２．０以上の相当ひずみが付与されているが、軸部１３２の底面から１５０ｍｍより上方の部位に０．７未満の低い相当ひずみが付与されている。
【００５５】
また、図５（ｃ）に示すように、３つ目の熱間押出鍛造の条件下で鍛造品１３０を製造すると、鍛造品１３０の軸部１３２の下部に０．７未満の相当ひずみが付与されていることが確認できる。詳しくは、軸部１３２の最外周囲側には、２．０以上の相当ひずみが軸
部１３２の上下方向に亘って付与されているが、それよりも若干内側に０．７未満の低い相当ひずみが軸部１３２の上下方向に沿って広い部分に亘って付与されている。
【００５６】
つまり、２つ目及び３つ目の熱間押出鍛造の条件下で行う熱間押出鍛造方法では、後工程の機械加工にて軸部１３２の底面から１５０ｍｍの範囲を除去しても、軸部１３２には０．７未満の低い相当ひずみが残存してしまい、航空機や車両などの輸送機器のエンジン部材、あるいはシャーシなどの過酷な環境下で使用される構造部材に用いることができない。
【００５７】
次に、以上述べたＦＥＭ解析結果をまとめたものを図６に示す。
図６は、下金型２の貫通孔６の内径ｄ２に対する接触長さＷの比（Ｗ／ｄ２）と押出比ＥＲとの関係を示すデータをプロットし、グラフ化したものである。
図６を見てみると、例えば、「図５（ａ）、■印」とされた鍛造では、押出比ＥＲがおよそ３．０で、貫通孔６の内径ｄ２に対する接触長さＷの比（Ｗ／ｄ２）は１．０５である。その結果、付与された相当ひずみは０．７以上となっている。
【００５８】
一方で、「図５（ｂ）、◆印」とされた鍛造では、押出比ＥＲがおよそ２．０であり、接触長さＷの比（Ｗ／ｄ２）はおよそ１．０５である。その結果、付与された相当ひずみは０．７未満となっている。「図５（ｃ）、◆印」とされた鍛造では、押出比ＥＲがおよそ２．７であり、接触長さＷの比（Ｗ／ｄ２）はおよそ０．３８である。その結果、付与された相当ひずみは０．７未満となっている。
【００５９】
つまり、図６に示されている式（３）の直線を境界にして右側の範囲にプロットされたデータは、軸部３２に０．７以上の相当ひずみが付与されていることを示している。すなわち、図６より、式（３）ならびに式（２）を満たすと、鍛造品３０の軸部３２に０．７以上の相当ひずみを付与することが可能となることが確認できる。
以上述べたように、本発明の熱間押出鍛造方法は、１回の鍛造で鍛造中の鍛造品３０全体に０．７以上の高い相当ひずみを付与して、高水準の機械的特性に優れた鍛造品３０を製造することができる。また、本発明の熱間押出鍛造方法で製造された鍛造品３０は、過酷な環境下で使用される航空機や車両などの輸送機器のエンジン部材、あるいはシャーシなどの構造部材に最も適している。
【００６０】
すなわち、本発明の熱間押出鍛造方法は、上述した式（１）〜式（３）を満たすことで、１回の金型鍛造で鍛造品３０全体に０．７以上の相当ひずみを付与することができ、高い水準で安定した機械的特性を得ることができる。
具体的には、式（１）を満たすことで、鍛造品３０のフランジ部３１に０．７以上の相当ひずみを付与することができる。また、式（２）及び式（３）を満たすことで、鍛造品３０の軸部３２に０．７以上の相当ひずみを付与することができる。
【００６１】
また、荒地２０の形状に関しては、式（４）を満たすことで、鍛造中に生じる荒地２０の座屈を防止することができ、式（５）を満たすことで、荒地２０の重心が下側寄りになり、荒地２０の座屈のリスクをさらに低減することができる。
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本実施形態では、Ti-17(Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr)を用いて鍛造品３０に相当ひずみを付与する実験を行ったが、本願発明者らは、他のチタン合金、例えば、Ti-6246(Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo)に対しても、式（１）〜式（５）を満たすように鍛造を行うことで、０．７以上の相当ひずみを鍛造品３０全体に付与することが可能であることを確認している。
【００６２】
特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
【符号の説明】
【００６３】
１  熱間押出鍛造装置（据え込み鍛造装置）
２  下金型（ダイス）
３  上金型
４  ポンチ
５  フランジ孔部（凹部）
６  貫通孔（孔部）
７  内側傾斜面（湾曲面）
８  下方突起部（凸部）
９  ノックアウト棒
２０  被加工材（荒地、材料）
２１  切り欠き部
３０  鍛造品
３１  フランジ部
３２  軸部
１２０  被加工材（荒地、比較例）
１３０  鍛造品（比較例）
１３１  フランジ部（比較例）
１３２  軸部（比較例）
【図２】
2014223644.tif 000006
【図３】
2014223644.tif 000007
【図１】
2014223644.tif 000008
【図４】
2014223644.tif 000009
【図５】
2014223644.tif 000010
【図６】
2014223644.tif 000011