(57)【要約】【課題】  肉盛溶接も任意の箇所に所望の肉盛層が形成可能で、経済的にも優れ、製品の大型化、高強度化にも適用可能な熱間鍛造用金型とその熱間鍛造用金型を用いた熱間鍛造方法を提供する。【解決手段】  長尺材用の熱間鍛造用金型であって、前記熱間鍛造用金型は、複数個の熱間鍛造用金型片が長尺材の長手方向に一列に並べられた一体の組立て体である熱間鍛造用金型であり、好ましくは、前記長尺材の長手方向において、前記複数個の熱間鍛造用金型片の長さが不均等である熱間鍛造用金型である。さらに好ましくは、前記熱間鍛造用金型は、４個以上の熱間鍛造用金型片の組立体である熱間鍛造用金型であり、さらに好ましくは、前記熱間鍛造用金型片の打撃面表面に、合金層が形成されている熱間鍛造用金型である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長尺材用の熱間鍛造用金型であって、前記熱間鍛造用金型は、複数個の熱間鍛造用金型片が長尺材の長手方向に一列に並べられた一体の組立て体であることを特徴とする熱間鍛造用金型。
【請求項２】
前記長尺材の長手方向において、前記複数個の熱間鍛造用金型片の長さが不均等であることを特徴とする請求項１に記載の熱間鍛造用金型。
【請求項３】
熱間鍛造用金型は、４個以上の熱間鍛造用金型片の組立体であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱間鍛造用金型。
【請求項４】
熱間鍛造用金型片の打撃面表面に、合金層が形成されてい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用金型。
【請求項５】
熱間鍛造用金型片の材質が、２つ以上の異なる金属材料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用金型。
【請求項６】
前記複数個の金型片は、外枠に嵌め込むことにより固定されてい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用金型。
【請求項７】
前記複数個の金型片は、タイロッドにより固定されてい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用金型。
【請求項８】
長尺材がブレード用素材であることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の熱間鍛造用金型。
【請求項９】
長尺材の被鍛造素材を熱間鍛造用金型表面に載置する第１の工程と、
前記長尺材の被鍛造素材を熱間鍛造する第２の工程とを有し、
前記熱間鍛造用金型は、複数個の熱間鍛造用金型片の組立体でなり、前記複数個の熱間鍛造用金型片が長尺材の長手方向に一列に並べられて一体となっていることを特徴とする熱間鍛造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱間鍛造用金型及び熱間鍛造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、蒸気タービンの高効率化の要請により、蒸気タービンに用いられるタービンブレード（以下単に「ブレード」という。）も長尺化してきている。約１５００ｍｍを超える長尺のブレード素材を製造する場合では、素材を上型と下型の間に挟み込んで、大型のプレス鍛造でブレード素材に成形する方法が主流である。例えば、特開平４−４６６５１号公報（特許文献１）には三次元形状をした型彫り面を有する上金型および下金型の打撃面を互いに型合わせして構成された三次元形状に優れたキャビティーを用いて鍛造を行うブレードの製造方法の発明が開示されている。ここに開示されている上金型および下金型は、１つの金属材料で一体物で構成されている（例えば、特許文献１の図２および図４参照）。
また、特開平５−５０２３６号公報（特許文献２）には、母材の所要接合面を予め凹凸形状に形成しておき、少なくともその凹凸形状が埋るような厚さにステライト等の硬質材を肉盛溶接することを特徴とした硬化肉盛部の肉盛方法の発明がある。この特許文献２で開示される硬化肉盛部の肉盛方法は、主としてエンジンバルブ等の小物の肉盛溶接に従来から使用されているものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−４６６５１号公報
【特許文献２】特開平５−５０２３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者の検討によれば、上述した一体物の熱間鍛造用金型の打撃面に肉盛を行う際に、熱間鍛造用金型が大型であると、所望の箇所に任意の肉盛層を形成するのが困難であるという問題がある。すなわち、所望の箇所に任意の肉盛層を形成しようとすると、大型の熱間鍛造用金型の型彫り面の任意の箇所に任意の角度で溶接トーチを配置または移動することが可能な溶接装置および金型支持装置等を使用しなければならず、肉盛溶接を行うための装置が大型化するという問題がある。また、キャビティー（型彫り面）の形状が複雑である場合、そもそも溶接トーチを型彫り面の任意の箇所に任意の角度で配置させること自体が困難な場合もあるという問題がある。
また、一体物の熱間鍛造用金型の一部に割れ等の修復不能な欠陥が生じた場合、金型全体を廃棄処分しなければならず、経済的ではない。
本発明の目的は、肉盛溶接も任意の箇所に所望の肉盛層が形成可能で、経済的にも優れ、製品の大型化、高強度化にも適用可能な熱間鍛造用金型とその熱間鍛造用金型を用いた熱間鍛造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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、長尺材用の熱間鍛造用金型であって、前記熱間鍛造用金型は、複数個の熱間鍛造用金型片が長尺材の長手方向に一列に並べられた一体の組立て体である熱間鍛造用金型である。
好ましくは、前記長尺材の長手方向において、前記複数個の熱間鍛造用金型片の長さが不均等である熱間鍛造用金型である。
さらに好ましくは、前記熱間鍛造用金型は、４個以上の熱間鍛造用金型片の組立体である熱間鍛造用金型である。
さらに好ましくは、前記熱間鍛造用金型片の打撃面表面に、合金層が形成されている熱間鍛造用金型である。
更に本発明は、熱間鍛造用金型片の材質が、２つ以上の異なる金属材料である熱間鍛造用金型である。
また本発明は、前記複数個の金型片は、外枠に嵌め込むか、或いは、タイロッドにより固定されている熱間鍛造用金型である。
また本発明は、長尺材がブレード用素材である熱間鍛造用金型である。
【０００６】
また本発明は、長尺材の被鍛造素材を熱間鍛造用金型表面に載置する第１の工程と、
前記長尺材の被鍛造素材を熱間鍛造する第２の工程とを有し、
前記熱間鍛造用金型は、複数個の熱間鍛造用金型片の組立体でなり、前記複数個の熱間鍛造用金型片が長尺材の長手方向に一列に並べられて一体となっている熱間鍛造方法である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の熱間鍛造用金型は肉盛溶接も任意の箇所に所望の肉盛層が形成可能で、経済的にも優れ、製品の大型化、高強度化にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の熱間鍛造用金型の模式図である。
【図２】本発明の熱間鍛造用金型を外枠に嵌め込んで固定した時の模式図である。
【図３】本発明の熱間鍛造用金型をタイロッドにより固定した時の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の熱間鍛造用金型について、図を用いて説明する。
図１は、本発明の熱間鍛造用金型の模式図であり、例えば、ブレードのような長尺材に対し用いるものである。なお、本発明でいう「熱間鍛造」には、恒温鍛造およびホットダイも含まれるものとする。
本発明の熱間鍛造用金型１は、複数個の金型片２を一列に並べて一体物の熱間鍛造用金型とする。これにより、個々の金型片２の大きさを小さくすることができる。そのため、特別な大型肉盛溶接機を新たに用意することなく、型掘り面に対して肉盛を行う際に、金属片２に対して個別に所望の箇所に任意の厚さや形状の肉盛層を形成することが容易となる。
また、もし、一部の金型片に割れが生じた場合でも、当該金型片のみを交換することも可能である。これにより、経済的にも有利な熱間鍛造用金型とすることができる。
なお、金型片の材質は、例えば、ＪＩＳで規定されるＳＫＤ６１、ＳＫＴ４等の熱間金型用鋼の他、例えば、金型を高強度化する場合には、Ａｌｌｏｙ７１８等のＮｉ基超耐熱合金、高速度工具鋼を選択することができる。また、本発明では、それぞれの金型片に加わる負荷の大きさに応じて異なる材質の金型片を組み合わせて熱間鍛造用金型を構成することや、熱間鍛造時の応力が集中する場所および肉盛溶接を容易とする目的で、型彫り面の隅部を分割して、各金型片に加わる応力を低減することも可能である。これらの組み合わせにより、熱間鍛造用金型の寿命を向上させることができる。
また、図１では熱間鍛造用金型の短辺側から見たときの形状が矩形となっているが、これを台形状としても良い。台形状とし、後述する、例えば、外枠で固定し、その熱間鍛造用金型を上型として用いたとき、熱間鍛造用金型の落下を防止することができる。
【００１０】
また、本発明で用いる金型片２の長さ（長尺材の長手方向の長さ）は、不均等にしてもよい。これは、熱間鍛造中の被鍛造材には捻じりの作用が働くため、例えば、応力が高く加わる箇所の金型片２の長さを長くしたり、逆に、応力が低い箇所は金型片の長さを短くしたりすることで、金型片２の組立体としたときに、熱間鍛造用金型全体にかかる応力を分散することが可能となる。また、必要に応じて、各金型片の応力が加わる箇所を予めシミュレーションで検証し分割場所を決定することが好ましく、もし、応力が高く加わる場所であっても、やむお得ず分割する必要がある場合は、例えば、図１の右隅に示すように、金型片の高さ方向を更に斜めに分割して応力を緩和させることが有効である。
また、各金型片の長手方向の長さは、熱間鍛造用金型に加わる応力や金型片自体が有する材料強度を勘案して長さを決定するのが良い。特に、数万トン以上の熱間鍛造機を用いる際には、金型片に加わる応力も大きくなることから、過度に長さが短くなると金型片が破壊するおそれがあることから、最低でも１００ｍｍ以上の長さとすることが好ましい。
【００１１】
また、本発明では熱間鍛造用金型１を４個以上の熱間鍛造用金型片の組立体とすることができる。上述したように、金型片の長さを不均一とすることで、応力の分散が可能となる。例えば、鍛造の初期段階から最終段階に移行する、各段階では組み立てた熱間鍛造用金型に加わる応力が各金型片に応じて異なるため、例えば、ブレードの場合では、根部付近、ボス部付近、カバー部付近を分割し、それを更に複数個の金型片に分割することで応力の分散をより確実に行うことができる。特に数万トン以上の熱間鍛造機を使用する際に、本発明の熱間鍛造用金型を用いる場合は、５個以上に分割すると良く、更に好ましくは７個以上とすると良い。
更に、本発明では熱間鍛造用金型１を４個以上の熱間鍛造用金型片とすると、１つの金型片の重量を小さくすることができる。従来のような一体化の金型を大型製品の熱間鍛造に使用しようとすると、どうしても焼入れ時の冷却速度が低下して、靱性を阻害するベイナイトのような金属組織があらわれて靱性が劣化する。これに対し、本発明では、例えば、上述のＪＩＳで規定されるＳＫＤ６１、ＳＫＴ４等の熱間金型用鋼を金型片として用いた場合であっても、特に、金型片の焼入れの際に冷却速度を速くすることが可能となる。その結果、ＳＫＤ６１、ＳＫＴ４等の熱間金型用鋼が有する、優れた高温強度と、高靱性を十分に発揮することが可能となり、高強度と高靱性を兼備する金型片とすることができる。そのため、熱間鍛造用金型片はその重量が小さくできるように、４個以上の熱間鍛造用金型片とするのが好ましい。
【００１２】
また、本発明では、熱間鍛造用金型片の打撃面表面に、合金層を形成しても良い。
合金層は熱間鍛造時の負荷が大きく加わる箇所に、高強度化可能な材質のものを選定すると、金型片の寿命を高めることが可能となる。また、用いる合金層は、金型片の材質と比較して熱伝導率の低い材質を選定すると、熱間鍛造中に被鍛造材の温度低下を防止する効果も得られる。
上述した、高寿命化、温度低下防止効果の２つの効果を得るには、例えば、Ｎｉ基超耐熱合金製の合金層を形成するのが好ましく、中でも特に、質量％でＢ：０〜０．０２％、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｍｇ：０〜０．０１％、Ａｌ：０．５〜２％、Ｓｉ：０〜１％、Ｍｎ：０〜１％、Ｔｉ：１〜３％、Ｃｒ：１５〜２２％、Ｃｏ：２〜１５％、Ｎｂ：０〜３％、Ｍｏ：３〜７％、Ｔａ：１〜７％、Ｗ：３〜７％、且つ、Ｔａ単独またはＴａ＋２Ｎｂの合計で１〜７％を含み、残部はＮｉ及び不純物でなる合金を用いるのが好ましい。
【００１３】
なお、肉盛層を形成する場合は、金型片と肉盛層との間に、肉盛層とは別の固溶強化型耐熱合金でなる合金層を肉盛溶接により形成し、溶接性を向上させ、金型片の母材と打撃面との間に発生する応力を緩和させることが好ましい。
本発明で言う固溶強化型耐熱合金とは、例えば、ＪＩＳ−Ｇ４９０１やＧ４９０２に示される組成を有する合金のうち、合金元素を固溶させて基地（マトリックス）を強化することが可能な組成を有する合金や、ＡＳＴＭ−Ａ４９４に記される合金で有ればよい。
典型的な成分範囲を示すと、質量％で、Ｃ：０．１５％以下、Ｃｒ：１５〜３０％、Ｃｏ：０〜３％、Ｍｏ：０〜３０％、Ｗ：０〜１０％、Ｎｂ：０〜４％、Ｔａ：０〜４％、Ｔｉ：０〜１％、Ａｌ：０〜２％、Ｆｅ：０〜２０％、Ｍｎ：０〜４％を含み、残部はＮｉ及び不純物でなる合金である。
【００１４】
上述した本発明の熱間鍛造用金型の固定は、図２、図３に示すように、外枠３に嵌め込むか、或いは、タイロッド４により行うと良い。もちろん、タイロッドによる固定と、外枠に嵌め込む固定とを組み合わせても良い。
何れの固定方法を採用しても、本発明の熱間鍛造用金型片２の組立体でなる熱間鍛造用金型１を固定することができる。
以上、説明する本発明の熱間鍛造用金型は、長さが５００ｍｍ以上の長尺のブレードを鍛造する場合に適用すると良く、より好ましくは１０００ｍｍ以上、更に好ましくは１５００ｍｍ以上の長尺ブレードを鍛造する場合に最適である。
【００１５】
以下に具体的な実施形態を説明する。
この実施形態としては、長尺材として約１５５０ｍｍのタービンブレード用の熱間鍛造用金型について説明する。今回、説明する熱間鍛造用金型は、数万トンの荷重で熱間鍛造を行う熱間鍛造用金型である。
図１に示すような熱間鍛造用金型１は９個（図中では６個）の金型片２で構成される。金型片２の分割位置は、予め行ったシミュレーション結果によって確認された応力集中部と、肉盛溶接を容易とする位置で分割している。それぞれの金型片の長さは１００ｍｍを超えている。分割位置は、根部付近、ボス部付近、カバー部付近を含み、応力の分散を行っている。また、鍛造時の荷重が大きく加わる金型片２はその長さを長くし、且つ、高強度材の高速度工具鋼で作製している。その他の金型片は、ＪＩＳ−ＳＫＤ６１として、金型片２に加わる荷重の大きさによって、材質を変更している。
それぞれの金型片２のキャビティ（型彫面）には肉盛溶接によって形成されたＮｉ基超耐熱合金の合金層（図示せず）が形成されている。
これらの金型片２は図３に示すようにタイロッド４で固定した後、更に図２で示すように外枠３に組み込まれて熱間鍛造用金型となる。
【００１６】
前述の図１に示す熱間鍛造用金型の製造方法としては、例えば、以下のような工程にて製造することができる。
先ず、各金型片毎に素材を用意し、後に一体化したときに金型片が一列に並ぶように、所望の寸法に機械加工を行う。このとき、例えば、図１に示すような、熱間鍛造用金型の短辺側から見たときの形状を矩形としたり、或いは、上型用に、台形状の形状とする。
次に、各金型片毎に機械加工により型彫り面形状に粗加工を行う。粗加工を行った型彫り面にＮｉ基超耐熱合金の合金層を肉盛溶接により形成する。このとき、予め肉盛溶接を容易とする位置で分割しているため、任意の箇所に任意の厚さの合金層の形成が可能となる。なお、肉盛溶接が困難な場所とは、例えば、型彫り面の隅部や型彫り面の深さが深い場所等である。
そして、肉盛溶接によって形成された合金層を有する粗加工した金型片を、一旦、熱間鍛造用金型とする所定の位置に並べ、タイボルト等により固定する。この状態で、仕上げの機械加工を行って、最終の型彫り面とする。
なお、各金型片の材質が有する、優れた高温強度と、高靱性を十分に発揮させる目的で熱処理を行うには、金型片の素材に対して行うか、或いは、肉盛溶接前の粗加工を行った金型片の中間材に対して、焼入れと焼戻しを行っておくのが良い。
そして、前述の最終型彫り面を形成した熱間鍛造用金型を、外枠に嵌め込む方法、タイロッドによる固定の方法、または、タイロッドによる固定と、外枠に嵌め込む固定とを組み合わせて熱間鍛造用金型とすることができる。
【００１７】
上述した熱間鍛造用金型を用いて、タービンブレードのような長尺材を熱間鍛造する場合は、所望の加熱温度に加熱した長尺材の被鍛造素材を熱間鍛造用金型表面に載置し、次に、前記長尺材の被鍛造素材を熱間鍛造する第２の工程により、熱間鍛造が行える。
以上、説明する本発明によれば、肉盛溶接も任意の箇所に所望の肉盛層が形成可能で、経済的にも優れ、製品の大型化、高強度化にも適用可能である。
【符号の説明】
【００１８】
１  熱間鍛造用金型
２  金型片
３  外枠
４  タイロッド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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