(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳片を所定の径のビレットに鍛造し、当該ビレットに対してβ熱処理を行い、
β熱処理後のビレットを前記所定の径より細径とされた細長のビレットに鍛造し、前記細長のビレットを凹状の被加工材に鍛造しておき、
その後、前記凹状の被加工材を、軸状の孔部と当該孔部の上部に連接して形成された漏斗状の凹部を有する下金型に装入すると共に、前記被加工材に対して、中央部に下方を向く凸状のポンチを有する上金型を押し付けて鍛造を行うことにより、中空且つ漏斗状のシャフト鍛造品を得る中空シャフト鍛造品の鍛造方法であって、
前記シャフト鍛造品を得る鍛造の前準備として、前記被加工材を下金型に装入する前に、当該被加工材の内周面及び外周面に潤滑剤を塗布すると共に、前記被加工材の外周面に塗布される潤滑剤の量を、前記被加工材の内周面に塗布される潤滑剤の量より多いものとしておき、
前記下金型及び上金型を２００℃以上６００℃以下に熱した上で、前記下金型内に装入された被加工材に対して上金型を押し付けて鍛造を行うことで、前記β熱処理後のα＋β鍛造における相当ひずみの累積量が１．６以上となるように、前記シャフト鍛造品を成型する
ことを特徴とする中空シャフト鍛造品の鍛造方法。
【請求項２】
前記被加工材に塗布される潤滑剤には、液体潤滑剤と粉末潤滑剤とが用いられ、
前記被加工材の内周面及び外周面に液体潤滑剤を塗布し、その後、前記液体潤滑剤が塗布された被加工材を加熱し、加熱後の被加工材の外周面に粉末潤滑剤を塗布する
ことを特徴とする請求項１に記載の中空シャフト鍛造品の鍛造方法。
【請求項３】
前記被加工材の外周面は、上面と下面及び前記上面と下面とを繋ぐ側面とを有しており、
前記粉末潤滑剤を、加熱後の被加工材の下面及び側面に塗布するようにしていることを特徴とする請求項２に記載の中空シャフト鍛造品の鍛造方法。
【請求項４】
前記ポンチは、軸部と、当該軸部の上部に連接して形成され且つ漏斗状の押出部とを有するものとされ、
前記押出部は、上部に向かうにつれて広がるように拡径されたテーパ状の錐面が形成されると共に、前記錐面は、前記ポンチの軸心に対して起立した状態とされており、
前記起立状の錐面を有するポンチを備えた上金型を用いて、前記シャフト鍛造品を鍛造することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の中空シャフト鍛造品の鍛造方法。
【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中空シャフト鍛造品を鍛造する中空シャフト鍛造品の鍛造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、Ti-6Al-4V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構造部材に用いられる中空鍛造品（中空シャフト鍛造品）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中空鍛造品を得ることができる。
【０００３】
中空鍛造品を鍛造する技術としては、例えば、特許文献１、特許文献２に開示されたものがある。
特許文献１には、穴加工を施した中空棒状難加工材の端部に穴を閉塞しないように据込み加工を施して肉厚部を形成し、次いで、その穴加工を施した中空棒状難加工材の穴に押込みパンチを押し込んで型入れ鍛造を行う難加工材の型入れ鍛造方法が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、大径部と小径部とが段差部を介して軸方向に並設される成形部が形成された成形型と、前記大径部の内径よりも小径の外径を有する押圧ポンチとを用い、前記大径部内に円柱状素材を保持してこの円柱状素材の端面を前記押圧ポンチで小径部方向へ押圧し、筒状部材又は有底筒状部材を鍛造により成形する方法であって、前記押圧ポンチの押圧により、この押圧ポンチによって押圧される前記素材の押圧側端部が押圧ポンチによる押圧方向とは逆方向に流動可能な状態で、かつ前記押圧側端部と反対側に位置する反対側端部を前記押圧方向と同じ方向へ流動させる前後方押出鍛造を行う前後方押出工程が含まれ、前記前後方押出工程では、前記段差部の領域における素材の最小肉厚が、前記大径部の領域における素材の最小肉厚よりも薄くならない範囲で前記押圧ポンチによる素材の押圧を行う筒状部材又は有底筒状部材の製造方法が開示されている。
【０００５】
また、中空鍛造品を鍛造する技術とは異なるが、チタン合金製の鍛造品を鍛造する技術が特許文献３に開示されている。
すなわち、特許文献３には、チタンビレットをα−β温度範囲内の温度に加熱し、そのチタンビレットを、当該チタンビレットの温度より約５００°Ｆ低い温度を有する第１のダイ中に押し出すことを含んでなる、チタン部品をニアネットシェイプ鍛造する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−３３９７４３号公報
【特許文献２】特開２００６−７２６０号公報
【特許文献３】特開２０１２−９１２３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年、熱間押出鍛造で成形される中空鍛造品（中空シャフト鍛造品）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。この中空シャフト鍛造品の元材としては、Ti-6Al-4Vなどのチタン合金の鋳片が用いられる。
ところが、このようなチタン合金の鋳片を用いて熱間据込鍛造を行う際には、鋳片（被加工材）と金型とが焼き付いてしまう虞がある。被加工材がこのような状況下になってしまうと、所望の中空シャフト鍛造品を得ることが困難になる。また、航空機などに用いられる大型の中空シャフト鍛造品は、過酷な環境下で使用される場合が多く、中空シャフト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。
【０００８】
ここで、チタン合金の被加工材を大型の中空シャフト鍛造品に成形する場合に、特許文献１〜特許文献３に開示されている熱間据込鍛造の技術を用いることを検討してみる。
特許文献１は、チタン合金の被加工材を前方に押し出してラッパ状の中空鍛造品に成形する技術であるが、被加工材を前方に押し出して熱間据込鍛造を行う際の鍛造加工条件の設定については全く記載されていない。それゆえ、特許文献１の技術を用いて、中空シャフト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は困難である。
【０００９】
特許文献２は、炭素鋼、合金鋼やアルミニウム合金などを被加工材として用いて、前後方押出鍛造を行った後に後方押出鍛造行う冷間鍛造の技術であり、チタン合金などの難加工材を中空シャフト鍛造品に鍛造する方法を開示するものとはなっていない。
特許文献３は、成形される鍛造品に所望の結晶粒度や残留圧縮応力を付与しているが、鍛造中に被加工材と金型との焼き付きを防止しながら、鍛造品を鍛造する方法を開示するものとはなっていない。
【００１０】
つまり、鍛造中に被加工材と金型との焼き付きを防止すると共に、高い相当ひずみを付与して機械的特性に優れた大型の中空シャフト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。
また、チタン合金を用いて大型の中空シャフト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〜特許文献３は、この要望に応えることができる技術でもない。
【００１１】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、鍛造中に被加工材と金型との焼き付きを防止すると共に、中空シャフト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中空シャフト鍛造品を鍛造する中空シャフト鍛造品の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】
【００１２】
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。
本発明に係る中空シャフト鍛造品の鍛造方法は、鋳片を所定の径のビレットに鍛造し、当該ビレットに対してβ熱処理を行い、β熱処理後のビレットを前記所定の径より細径とされた細長のビレットに鍛造し、前記細長のビレットを凹状の被加工材に鍛造しておき、その後、前記凹状の被加工材を、軸状の孔部と当該孔部の上部に連接して形成された漏斗状の凹部を有する下金型に装入すると共に、前記被加工材に対して、中央部に下方を向く凸状のポンチを有する上金型を押し付けて鍛造を行うことにより、中空且つ漏斗状のシャフト鍛造品を得る中空シャフト鍛造品の鍛造方法であって、前記シャフト鍛造品を得る鍛造の前準備として、前記被加工材を下金型に装入する前に、当該被加工材の内周面及び外周面に潤滑剤を塗布すると共に、前記被加工材の外周面に塗布される潤滑剤の量を、前記被加工材の内周面に塗布される潤滑剤の量より多いものとしておき、前記下金型及び上金型を２００℃以上６００℃以下に熱した上で、前記下金型内に装入された被加工材に対して上金型を押し付けて鍛造を行うことで、前記β熱処理後のα＋β鍛造における相当ひずみの累積量が１．６以上となるように、前記シャフト鍛造品を成型することを特徴とする。
【００１３】
好ましくは、前記被加工材に塗布される潤滑剤には、液体潤滑剤と粉末潤滑剤とが用いられ、前記被加工材の内周面及び外周面に液体潤滑剤を塗布し、その後、前記液体潤滑剤が塗布された被加工材を加熱し、加熱後の被加工材の外周面に粉末潤滑剤を塗布するとよい。
好ましくは、前記被加工材の外周面は、上面と下面及び前記上面と下面とを繋ぐ側面とを有しており、前記粉末潤滑剤を、加熱後の被加工材の下面及び側面に塗布するようにしているとよい。
【００１４】
好ましくは、前記ポンチは、軸部と、当該軸部の上部に連接して形成され且つ漏斗状の押出部とを有するものとされ、前記押出部は、上部に向かうにつれて広がるように拡径されたテーパ状の錐面が形成されると共に、前記錐面は、前記ポンチの軸心に対して起立した状態とされており、前記起立状の錐面を有するポンチを備えた上金型を用いて、前記シャフト鍛造品を鍛造するとよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る中空シャフト鍛造品の鍛造方法によれば、鍛造中に被加工材と金型との焼き付きを防止すると共に、中空シャフト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漏斗状の中空シャフト鍛造品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の中空シャフト鍛造品の鍛造方法を示した図である。
【図２】本発明の中空シャフト鍛造品の鍛造方法に用いられる金型と被加工材の形状を示した図である。
【図３】（ａ）は本発明の中空シャフト鍛造品の鍛造方法に用いられる長尺の元材を据込鍛造で圧縮する図であり、（ｂ）は本発明の中空シャフト鍛造品の鍛造方法を用いて鍛造された被加工材に付与された相当ひずみの解析結果を示す図である（図１（ｄ）に対応）。
【図４】本発明の中空シャフト鍛造品の鍛造方法を用いて鍛造された鍛造品に付与された相当ひずみの解析結果を示す図である（図１（ｆ）に対応）。
【図５】図４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】
【００１７】
以下、本発明に係る中空シャフト鍛造品の鍛造方法（前後方押出鍛造方法）について、図面に基づき詳しく説明する。なお、本実施形態で鍛造される中空シャフト鍛造品３７（シャフト鍛造品３７と呼ぶこともある）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る大型の中空シャフト鍛造品とする。また、本発明の鍛造は、金型２，７による圧下方向に対して前方側（下側）及び後方側（上側）に材料が変形し流れる鍛造であるため、前後方押出鍛造と呼ぶこともある。
【００１８】
本発明の鍛造方法は、幾つかの前工程（前鍛造工程）を経て、凹状の被加工材３４（すなわち荒地）を成型し、成型した荒地３４を前後方押出鍛造装置１により、前後方押出鍛造することで、最終製品である中空シャフト鍛造品３７を鍛造するものである。図１（ａ）〜図１（ｄ）が、前鍛造工程であり、図１（ｅ）〜図１（ｆ）が本発明に係る前後方押出鍛造工程（本鍛造工程）である。
【００１９】
以降、本発明の中空シャフト鍛造品３７の鍛造方法を説明する前に、図１（ｅ）〜図１（ｆ）で用いる前後方押出鍛造装置１（熱間押出鍛造装置）を、説明する。
図１（ｆ）、図２に示すように、本発明に用いられる前後方押出鍛造装置１は、凹状に鍛造され、且つ加熱された荒地３４（凹状の被加工材）を金型２，７内に装入して、金型２，７の形状に沿って荒地３４を熱間状態で変形させることにより、中空且つ漏斗状のシャフト鍛造品３７（中空シャフト鍛造品３７）を成型するものである。
【００２０】
具体的には、この前後方押出鍛造装置１は、シャフト鍛造品３７を成型するための金型２，７を有しており、この金型２，７は、上下２つに分割できるようになっていて、荒地３４が装入されて載置される下金型２と、この下金型２に載置された荒地３４を上方から圧下する上金型７とを有している。
下金型２は、軸状の孔部３と、当該孔部３の上部に連接して形成された漏斗状の凹部４（据え込み部）とを有し、この孔部３、及び凹部４（すなわち据え込み部）に凹状の荒地３４が装入されるようになっている。
【００２１】
詳しくは、図２（ａ）に示すように、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３４の外径より大きく、且つ漏斗状（フランジ状）に形成された凹部４が形成されており、この凹部４の内部に荒地３４を上方から下方に向かって装入可能となっている。
この漏斗状の凹部４は、上部に向かうにつれて広がるように拡径されたテーパ状の錐面５と、当該錐面５の上部に連接して形成された円筒状のフランジ孔部６とで構成されている。錐面５は、下方に向かうにしたがって内径が徐々に小さくなる（先細る）ように形成されており、この錐面５に荒地３４を載置することができるようになっている。また、フランジ孔部６の開口径は、荒地３４より若干大きい径、すなわち荒地３４の外径が嵌り込んで面接触する径とされている。言い換えると、荒地３４はその外周面３５が錐面５及びフランジ孔部６の内周壁に面接触して、支持されるようになっており、荒地３４の上下方向の軸心と下金型２（凹部４）の上下方向の軸心とが一致する。つまり、下金型２（凹部４）に装入することで、荒地３４をセンタリングすることができる。
【００２２】
下金型２の幅方向中央であって凹部４の下方側は、荒地３４（フランジ孔部６の内径）よりも小径とされた軸状の孔部３（貫通孔）が形成されており、その孔部３を後述するノックアウト棒が通過するようになっている。
孔部３（下金型２）の下側には、鍛造が終了したシャフト鍛造品３７を排出するノックアウト棒と、このノックアウト棒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。ノックアウト棒は、下金型２の孔部３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を上方に移動させてシャフト鍛造品３７（鍛造後の荒地３４）を押し上げることでシャフト鍛造品３７を下金型２から引き剥がせるようになっている。
【００２３】
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７は、下金型２の上方に配備されており、下金型２内に載置された荒地３４に対して上方から近接離反とされており、上金型７を下降させることで荒地３４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７の中央部には、荒地３４を圧下するためのポンチ８が形成されている。
【００２４】
ポンチ８は、下方を向く凸状であって、荒地３４の内周面３６側に嵌り込む軸部９と、当該軸部９の上部に連接して形成され且つ漏斗状の押出部１０と、押出部１０の上部に連接して形成された圧下部１２とを有する。
図２（ａ）に示すように、押出部１０は、上部に向かうにつれて広がるように拡径されたテーパ状の錐面１１が形成されると共に、その錐面１１がポンチ８の軸心に対して起立した状態とされている。詳しくは、錐面１１の傾斜角θがポンチ８の軸心に対して広角（例えば、４５°以上）とされ、側面視で錐面１１が外側に張り出す形状（凸状）とされている。錐面１１をこのような形状にすることで、荒地３４を下方に押し出す荷重の成分を大きくすることができる。そのため、前方押し出し鍛造が進みやすくなる。また、錐面１１をこのような形状にすることで、荒地３４を横方向に押し付ける荷重の成分が小さくなる。その結果、荒地３４と下金型２及び上金型７（ポンチ８）の摩擦が小さくなり、少ない荷重でシャフト鍛造品３７を成型することができる。
【００２５】
圧下部１２は、下金型２上部のフランジ孔部６の開口径に比べてやや小さな外径（荒地３４の外径とほぼ同径）であり、上金型７が下金型２に衝合するまで下降した際に下金型２上部のフランジ孔部６に上方から嵌り込むようになっている。つまり、ポンチ８は荒地３４の上部を上方から圧下可能となっている。
ところで、上述した下金型２及び上金型７（ポンチ８）は、シャフト鍛造品３７を製造する過程において、予め２００℃以上６００℃以下に加熱されている。好ましくは、金型２，７の温度を４００℃以上５００℃以下に加熱しておくとよい。その理由としては、荒地３４が薄肉の部材であるため鍛造中に荒地３４が冷却されやすく、金型２，７の温度を２００℃以上（望ましくは４００℃以上）６００℃以下に加熱しておく必要がある。仮に、金型２，７の温度を２００℃より低くすると、鍛造中に荒地３４が冷却されてしまい、荒地３４の変形能が進み難くなると共に、荒地３４本体が割れてしまう虞がある。また、金型２，７の温度を２００℃より低くした場合、荒地３４に塗布されているガラス潤滑剤２０が鍛造中に機能しなくなる。つまり、ガラス潤滑剤２０の温度が機能する適正な温度範囲(８００℃〜１２００℃)から外れてしまうこととなる。その結果、荒地３４と金型２，７との間で焼き付きが発生することとなる。
【００２６】
それゆえ、予め金型２，７の温度を２００℃以上（望ましくは４００℃以上）６００℃以下に加熱しておく必要がある。
なお、本実施形態の下金型２及び上金型７は、SKT4、若しくはSKD61 (熱間鍛造用鋼)を用いて作製されている。
図２（ｂ）に示すように、荒地３４は、Ti-6Al-4Vなどのチタン合金で形成されている。この荒地３４は、側面視で略矩形状であって、内部が中空とされた略凹状の円筒部材である。言い換えれば、荒地３４は、内部の空間を囲むように形成された内周面３６と、その内周面３６を取り囲むように形成された外周面３５とを有しているともいえる。この荒地３４は、図１（ａ）〜図１（ｄ）の前工程を経て成型される（詳細は後述）。
【００２７】
荒地３４の外周面３５は、上金型７の方向（上方向）を向く上面３５ａと、下金型の錐面５の方向（下方向）を向く下面３５ｂ、及びその上面３５ａと下面３５ｂとを繋ぐ側面３５ｃとを有している。この荒地３４の外周面３５は、その上面３５ａや下面３５ｂの縁が斜めに面取りされており、荒地３４の下面３５ｂの面取り部分と凹部４の錐面５とが接触して、荒地３４が下金型２に載置される。なお、荒地３４の下面３５ｂの面取り部分は、凹部４に対応した形状にしてもよい。例えば、荒地３４の下面３５ｂの面取り部分を、外側に張り出す形状の錐面５に沿った形状にしてもよい。
【００２８】
このように、荒地３４の下部形状を凹部４（下金型２）に沿った形状とすることで、荒地３４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、荒地３４の芯ずれを軽減することができる。
一方、荒地３４の内周面３６は、その上部から中途部に向かって先細る（縮径される）傾斜面と、その中途部から下部に向かって垂直に伸びる垂直面とを有している。
【００２９】
傾斜面は、ポンチ８の錐面１１と略同形状に形成されていて、そのポンチ８が上方から押し込まれたときに面接触するようになっている。また、傾斜面の下方に形成されている垂直面の内径は、ポンチ８の軸部９の外径とほぼ同径とされていて、ポンチ８が上方から押し込まれたときに嵌り込むようになっている。
ところで、中空シャフト鍛造品３７の鍛造を行うに際しては、図１（ｅ）、図２（ｂ）に示すように、この荒地３４の外周面３５及び内周面３６（表面）に、下金型２及びポンチ８との潤滑性を向上させる潤滑剤を塗布（被覆）するようにしている。この図１（ｅ）は、図１（ｆ）の鍛造の前準備として行われるものである。
【００３０】
本実施形態においては、荒地３４の外周面３５及び内周面３６に塗布する潤滑剤２０にガラス潤滑剤を用いている。詳しくは、ガラス潤滑剤２０は、荒地３４（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、鍛造時における金型２，７と荒地３４との焼付発生を抑制すると共に、鍛造時において金型２，７と荒地３４との間での潤滑性を高めている。
【００３１】
本実施形態では、荒地３４の外周面３５に塗布されるガラス潤滑剤２０の量を、荒地３４の内周面３６に塗布されるガラス潤滑剤２０の量より多いものとしている。ガラス潤滑剤２０の塗布量を面によって変更する理由としては、ポンチ８と荒地３４の内周面３６との摩擦を下金型２と荒地３４の外周面３５の摩擦より相対的に大きくして、荒地３４の前方押出しを起こしやすくするためである。このように、荒地３４の前方押出しを起こしやすくすることで、後方に向けて発生するバリによる押し詰まりのリスクを軽減することができる。つまり、荒地３４の内周面３６に生じる摩擦と外周面３５に生じる摩擦とに差を設けることで、荒地３４の後方押出しを抑制し、シャフト鍛造品３７の上端部に発生するバリを防ぐことができる。
【００３２】
また、本実施形態では、荒地３４に塗布されるガラス潤滑剤２０に、液体ガラス潤滑剤２０ａ（液体潤滑剤）と粉末ガラス潤滑剤２０ｂ（粉末潤滑剤）とを用いている。
本実施形態の液体ガラス潤滑剤２０ａは、主に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２０を荒地３４の外周面３５に塗布する。
【００３３】
粉末ガラス潤滑剤２０ｂには、アルミノホウケイ酸ガラスの粒子を用いており、その組成は１００％である。
上述したガラス潤滑剤２０を荒地３４に塗布する手順としては、まず、荒地３４の内周面３６及び外周面３５（全周面）に液体ガラス潤滑剤２０ａを塗布する。その後、液体ガラス潤滑剤２０ａを塗布した荒地３４を加熱炉に装入して加熱する。荒地３４を加熱した後、液体ガラス潤滑剤２０ａを外周面３５及び内周面３６に定着させた荒地３４の外周面３５に粉末ガラス潤滑剤２０ｂを塗布する。
【００３４】
ここで、加熱後の荒地３４に粉末ガラス潤滑剤２０ｂを外周面３５のみに塗付する理由を説明する。従来より行われている液体ガラス潤滑剤２０ａを鍛造後の荒地３４に塗布するだけでは、その荒地３４をシャフト鍛造品３７に鍛造する際に生じる荒地３４の外周面３５と下金型２との摩擦を小さくすることができず、荒地３４と下金型２との焼き付きを生じさせてしまう虞がある。そのため、本願発明では、加熱後の荒地３４に粉末ガラス潤滑剤２０ｂを外周面３５のみに塗布、すなわちガラス潤滑剤２０が２層となるように荒地３４の外周面３５に塗布し、荒地３４と下金型２との摩擦を小さくするようにしている。それゆえ、荒地３４と下金型２との焼き付きを防止することができる。また、ポンチ８と荒地３４の内周面３６の摩擦を、下金型２と荒地３４の外周面３５との摩擦より大きい状態とすることで、鍛造中における前方押出しが起こり易くなる。 
【００３５】
なお、好ましくは、粉末ガラス潤滑剤２０ｂを、加熱後の荒地３４の下面３５ｂ及び側面３５ｃに塗布するようにするとよい。その理由としては、粉末ガラス潤滑剤２０ｂには保温効果があるため、鍛造中の荒地３４の上部に生じる熱が粉末ガラス潤滑剤２０ｂによって保温されることとなり、その荒地３４の上部が変形するようになる。それゆえ、鍛造後のシャフト鍛造品３７の上部にバリが発生してしまうことがある。本願発明では、そのバリの発生を抑制するために、荒地３４の上面３５ａに粉末ガラス潤滑剤２０ｂを塗布しないようにしている。このようにすることで、鍛造中の荒地３４の上面３５ａに生じる熱が冷却されやすくなる。その結果、鍛造中における荒地３４の上面３５ａの変形能が低下して、鍛造後のシャフト鍛造品３７の上部に生じるバリを防止することができる。
【００３６】
このようにすることで、図２（ｂ）に示すような、荒地３４の外周面３５に塗布されるガラス潤滑剤２０の量を、荒地３４の内周面３６に塗布されるガラス潤滑剤２０の量より多いものとすることができる。
ところで、本発明の中空シャフト鍛造品３７の鍛造方法で製造されるシャフト鍛造品３７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そのシャフト鍛造品３７に要求される。
【００３７】
このような高水準の機械的特性を実現するためには、シャフト鍛造品３７全体に所定の低サイクル疲労強度(LCF)が付与される必要がある。低サイクル疲労強度(LCF)は、β熱処理後のα+β鍛造において付与されるシャフト鍛造品３７全体の相当ひずみ（軸方向の圧縮や引張りによるひずみ）の総量（累積量）によって決まる。また、シャフト鍛造品３７に付与される低サイクル疲労強度(LCF)を向上させるためには、組織内で同一の結晶方位を有するコロニーを分断・微細化することが必要であり、そのためにはシャフト鍛造品３７全体に付与する相当ひずみを増加させることで実現することができる。
【００３８】
そこで、本願発明者らは、上述した前後方押出鍛造装置１を用いて、シャフト鍛造品３７全体に１．６以上の相当ひずみを付与し、所望とする高水準の機械的特性を有するシャフト鍛造品３７を鍛造している。
以上述べた前後方押出鍛造装置１を用い、高水準の機械的特性を有するシャフト鍛造品３７を鍛造する方法（手順）を、前工程を含めて説明する。
【００３９】
本発明の中空シャフト鍛造品３７の鍛造方法は、荒地３４を高温状態（チタンのβ変態点温度未満・α＋β温度域内）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、複数回の金型鍛造で高くて安定した機械的特性（相当ひずみの累積量が１．６以上）と所望の製品形状（漏斗状の中空シャフト鍛造品３７）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・耐破壊性に優れたシャフト鍛造品３７を得ることができる。
【００４０】
まず、本発明の中空シャフト鍛造品の鍛造方法を説明する前に、チタン合金（Ti-6Al-4V）製の鋳片を中央が凹状の荒地３４に変形させる工程、つまり中空シャフト鍛造工程の前鍛造工程について、図を基に説明する。（図１（ａ）〜図１（ｄ）に対応）。なお、本実施形態で行われる鍛造方法は、α＋β鍛造を用いることとする。
α＋β鍛造とは、荒地３４をα+β温度（およそ９５０℃）域内になるように加熱し、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（中空シャフト鍛造品３７）をつくりこむ鍛造熱処理技術である。
【００４１】
図１（ａ）〜図１（ｄ）は、中空シャフト鍛造工程の前鍛造工程を示す図である。図１（ａ）は鋳片から所定の径（太径）に鍛造されたビレット３０を細長（細径）のビレット３１に鍛造するビレット鍛造工程を示し、図１（ｂ）、図１（ｃ）は圧下を繰り返しながら細長のビレット３１を短尺のビレット３２に鍛造した後、略矩形状のビレット３３に鍛造する据込鍛造工程を示す図である。図１（ｄ）は、凸状のポンチを有する上金型を用いて、短尺のビレット３２の中央に凹状の孔を形成する中空鍛造工程を示す図である。
【００４２】
ビレット鍛造工程に移行する前に、外径がφ800ｍｍ〜φ1000ｍｍの鋳片を加熱炉に装入してチタンのβ変態点温度以上に加熱する。加熱炉から鋳片を取り出して、外径がφ600ｍｍ程度の鋳片になるように分塊鍛造を行う。次に、外径がφ600ｍｍ程度に分塊鍛造された鋳片を、加熱炉に装入してα+β温度域（９５０℃）に加熱する。加熱炉から鋳片を取り出して、外径がφ500ｍｍ程度の太径ビレット３０になるように据込鍛造を行う。そして、太径ビレット３０に対してβ熱処理を行う。
【００４３】
β熱処理とは、太径ビレット３０を加熱炉に装入してチタンのβ変態点温度以上に加熱し、加熱後に太径ビレット３０を液体を用いて冷却する（水冷）方法である。このようにすることで、太径ビレット３０の組織を均一化すると共に、荒地３４の材料特性のばらつきを抑えることができる。
次に、上述した太径ビレット３０は、ビレット鍛造工程に送られる。
【００４４】
図１（ａ）では、太径ビレット３０（φ500ｍｍ）を、加熱炉に装入してα+β温度域（９５０℃）に加熱する。加熱炉から鋳片を取り出して、外径がφ250ｍｍ程度の細長（細径）のビレット３１になるように据込鍛造を行う。
ところで、図３、図４は、本発明の中空シャフト鍛造品の鍛造方法において、鍛造されるシャフト鍛造品３７に相当ひずみが付与される過程を示した図である。
【００４５】
なお、このビレット鍛造工程で製造される細長のビレット３１は、例えば軸長Ｌ／外径Ｄの比が３以下とされていてもよい。
そして、上述した細長のビレット３１は、据込鍛造工程に送られる。
図１（ｂ）では、細長のビレット３１を下金型の凹部に装入して、その細長のビレット３１の底部を据込鍛造工程で用いられる下金型の凹部に嵌め込むように固定する。そして、熱間で据込鍛造を行い、予め決定された寸法及び形状、つまり細長のビレット３１より短いビレットを製造する。
【００４６】
ここでの下金型は、細長のビレット３１の軸長Ｌよりやや低い高さとし、据え込み部の内径が細長のビレット３１の外径Ｄより若干大きい程度のものとする。
この後、押しつぶすように鍛造されたビレットの上部と下部を入れ替えて（上下反転させて）、次の据込鍛造工程で用いられる下金型の凹部に装入し、据込鍛造を行う。そして、細長のビレット３１のおよそ１／２の軸長に相当する短尺のビレット３２になるまで据込鍛造工程を数回繰り返す。
【００４７】
続いて、図１（ｃ）では、まず前の据込鍛造工程で据込鍛造された短尺のビレット３２に対応する上金型と下金型に変更する。そして、前の据込鍛造工程で据込鍛造された短尺のビレット３２の上部と下部を入れ替えて（上下反転させて）その下金型の凹部に装入し、その短尺のビレット３２の底部を孔部に嵌め込むように固定する。そして、熱間で据込鍛造を行い、予め決定された寸法及び形状（ここでは、断面視で略矩形状）を有するビレット３３を製造する。
【００４８】
ここでの下金型（交換後の下金型）は、交換前の下金型より短丈でビレットの軸長Ｌよりやや低い高さとし、据え込み部の内径が長尺のビレットの外径Ｄより若干大きい程度のものである。
また、ここでの上金型のポンチは、前の据込鍛造工程で用いられた上金型のポンチより若干短尺に形成されたものとされ、幅方向の径は凹部に嵌り込むものとされる。そして、ここでの据込鍛造工程を終えた矩形状ビレット３３は、細長のビレット３１のおよそ１／４の軸長分だけ圧下されたものになっている。
【００４９】
そして、据込鍛造工程を終えた矩形状ビレット３３は、中空鍛造工程に送られる。
図１（ｄ）に示す如く、中空鍛造工程は、据込鍛造工程にて鍛造された矩形状ビレット３３の軸心方向中央部に凹状の窪み部を形成した荒地３４を製造する工程である。
図１（ｄ）では、据込鍛造工程を終えた矩形状ビレット３３を下金型から離型せずにそのまま保持する。そして、圧下面の中央に下方に向かって突出状の凸部が形成されたポンチを有する上金型に変更して熱間で据込鍛造を行い、矩形状ビレット３３の高さ（軸長方向）の１／２以下の底部厚さを有し且つ均等の肉厚となるように形成された、断面視Ｕ字形状（カップ形状）の荒地３４を製造する。なお、荒地３４の底部厚さが１／２を超えると、荒地３４の中央部以外に相当ひずみが付与されていない部分（低ひずみ部）が生じやすくなるため、荒地３４の底部厚さが１／２以下とされている。
【００５０】
ここでの、上金型の凸部は、断面視でボールペンの先端部（ペン先）形状に形成されており、この凸部は矩形状ビレット３３を貫通しないようになっている。また、上金型のポンチの幅方向の径は、据込鍛造工程で用いられた上金型のポンチの径と同じである。
そして、中空鍛造工程を終えた荒地３４は、軸長Ｌ／外径Ｄの比が３以下とされた断面視でＵ字形状に成形される。なお、荒地３４の軸心方向中央部が圧下されて凹状の窪み部が形成されるため、据込鍛造工程での矩形状ビレット３３の高さ（軸長Ｌ）よりやや高くなっている。
【００５１】
図１（ｄ）に対応する図３（ｂ）に示すように、ビレット鍛造工程、据込鍛造工程、及び中空鍛造工程で荒地３４に付与される相当ひずみの累積量は、少なくとも２．４以上付与される。つまり、ここで荒地３４に付与される相当ひずみは、所望とされている１．６以上の相当ひずみが付与されることとなる。
図示はしないが、荒地３４は、下金型（孔部）の下方に備えられているノックアウト棒により下金型から押し出されるように排出される。
【００５２】
その後、中空鍛造工程を終えた荒地３４は、穿孔工程（図示せず）に送られて、打抜き鍛造・せん断加工などによって荒地３４の軸心方向を向く中心部が穿孔（貫通）される。なお、機械加工などによって、断面視凹状（Ｕ字状）の荒地３４の底部を貫通させてもよい。
次に、本鍛造工程、すなわち、本発明の中空シャフト鍛造品の鍛造方法を説明する。
【００５３】
まず、図１（ｅ）の如く、中空鍛造工程及び穿孔工程を終えた荒地３４（中央が上下方向に貫通された荒地３４）は、潤滑剤塗布工程に送られて、液体ガラス潤滑剤２０ａ及び粉末ガラス潤滑剤２０ｂが塗布される。図１（ｅ）は、図１（ｆ）の鍛造の前準備として行われるものである。
図１（ｅ）では、まず、中空の荒地３４の全周面（外周面３５及び内周面３６）に液体ガラス潤滑剤２０ａを塗布する。そして、全周面に液体ガラス潤滑剤２０ａが塗布された荒地３４を加熱炉に装入して、α+β温度域 (９５０℃)となるように荒地３４を加熱する。加熱された荒地３４を加熱炉から取り出して、荒地３４の外周面３５（上面３５ａ、下面３５ｂ、側面３５ｃ（外側面））に粉末ガラス潤滑剤２０ｂ (転写剤)を塗布する。
【００５４】
このようにすることで、図１（ｅ）、図２（ｂ）に示すような、荒地３４の外周面３５に塗布されるガラス潤滑剤２０の量が、荒地３４の内周面３６に塗布されるガラス潤滑剤２０の量より多くすることができる。荒地３４の外周面３５は、液体ガラス潤滑剤２０ａの上に粉末ガラス潤滑剤２０ｂが塗布された状態、すなわちガラス潤滑剤２０が２層構造となっている。なお、好ましくは、粉末ガラス潤滑剤２０ｂを、加熱後の荒地３４の下面３５ｂ及び側面３５ｃのみに塗布する（上面３５ａは塗布しない）ようにするとよい。
【００５５】
そして、潤滑剤塗布工程を終えた荒地３４は、中空シャフト鍛造工程に送られる。
中空シャフト鍛造工程は、中空鍛造工程にて鍛造された後、穿孔工程にて底部が削除された荒地３４を、β熱処理後のα＋β鍛造における相当ひずみの累積量が１．６以上となるように、中空、且つ漏斗状のシャフト鍛造品３７を成型する工程である。
図１（ｆ）では、予め、金型２，７の温度を２００℃以上（望ましくは４００℃以上）６００℃以下に加熱しておく。そして、ガラス潤滑剤２０が塗布された荒地３４を、加熱された下金型２の漏斗状の凹部４に装入して、その荒地３４の底部を漏斗状の凹部４に嵌め込むように固定する。その後、漏斗状の凹部４に固定された荒地３４に対して、中央部に下方を向く凸状のポンチ８を有する前後方押出鍛造装置１の上金型７を押し付けて前後方押出鍛造を行う。
【００５６】
前後方押出鍛造では、荒地３４は、ポンチ８の圧下によって前方（下方）と後方（上方）に同時に押し出される。さらに、荒地３４はポンチ８のさらなる圧下によって、荒地３４全体が下金型２の下方、すなわち凹部４の漏斗形状に沿ってすべるように押し出される。このようにすることで、中空、且つ漏斗状のシャフト鍛造品３７が得られる。
なお、所望の中空、且つ漏斗状のシャフト鍛造品３７を得るには、鍛造中における後方にあるポンチ８と下金型２の間に生じる荒地３４上部のバリによる押し詰まりの発生を防止するために、荒地３４形状や潤滑剤などの鍛造条件を最適化して、ポンチ８による荒地３４の前方押出しがスムーズに行えるようにする。
【００５７】
例えば、荒地３４の重心位置が当該荒地３４の高さの１/２以下となるように荒地３４を鍛造し、下金型２の漏斗状テーパ部の上端より下側に存在する荒地３４の下端部が、テーパ高さ以下となるように体積を配分する。このように体積を配分することで、鍛造中におけるポンチ８による荒地３４の前方押出しが促進されることとなり、荒地３４上部に生じるバリによる押し詰まりの発生を抑制することができる。
【００５８】
図１（ｆ）に対応する図４に示すように、ビレット鍛造工程、据込鍛造工程、中空鍛造工程、及び中空シャフト鍛造工程でシャフト鍛造品３７に付与される相当ひずみの累積量は、少なくとも３．３以上付与される。つまり、β熱処理後の鍛造（図１（ａ）以降の鍛造）におけるシャフト鍛造品３７に付与される相当ひずみの累積量は、所望とされている１．６以上となる。
【００５９】
鍛造されたシャフト鍛造品３７は、下金型２（孔部３）の下方に備えられているノックアウト棒により下金型２から引き剥がされるように排出される（図示せず）。
［実験例］
以下、上述した中空シャフト鍛造品の鍛造方法に基づき、ガラス潤滑剤２０が塗布された荒地３４に対して前後方押出鍛造を行った実験例について、述べる。
【００６０】
前後方押出鍛造を行うには、まず荒地３４の全周面（外周面３５、内周面３６）に液体ガラス潤滑剤２０ａを塗布し、その荒地３４をチタンのα＋β温度域（９５０℃程度）に加熱する。また、金型２，７を２００℃以上（望ましくは４００℃以上）６００℃以下の範囲で加熱する。その加熱された荒地３４を下金の凹部４に装入する。このような温度状況下で荒地３４の鍛造を開始する。
【００６１】
表１には、ガラス潤滑剤２０の量が異なった荒地をそれぞれ鍛造を行い、その鍛造された荒地（シャフト鍛造品）の鍛造状況を示す結果が表示されている。
【００６２】
【表１】
0006005609.tif 000002
【００６３】
表１の最上段をみてみると、本発明の中空シャフト鍛造品の鍛造方法に基づいて、行われた荒地３４（シャフト鍛造品３７）の鍛造状況が示されている。本発明の鍛造方法は、まず荒地３４の全周面に液体ガラス潤滑剤２０ａを塗布し、その荒地３４をチタンのα＋β温度域（９５０℃程度）に加熱する。そして、加熱後の荒地３４の外周面３５のみに粉末ガラス潤滑剤２０ｂを塗布する。その荒地３４を下金型の凹部４に装入して、ガラス潤滑剤２０を塗布した荒地３４を最終製品であるシャフト鍛造品３７になるまで前後方押出鍛造をする。その結果は、荒地３４（シャフト鍛造品３７）の上面３５ａに極わずかにバリが出現するに留まり、シャフト鍛造品３７として良品であることが確認された。
【００６４】
次に、表１の中段をみてみると、比較例１として行われた荒地（シャフト鍛造品）の鍛造状況が示されている。比較例１の鍛造方法は、まず荒地の全周面に液体ガラス潤滑剤を塗布し、その荒地をチタンのα＋β温度域（９５０℃程度）以上に加熱する。その加熱された荒地を下金型の凹部に装入して、最終製品であるシャフト鍛造品になるまで前後方押出鍛造をする。その結果は、荒地（シャフト鍛造品）の上面に大きなバリが出現すると共に、押し詰まりが発生してしまい、シャフト鍛造品として不良品であることが確認された。
【００６５】
表１の最下段をみてみると、比較例２として行われた荒地（シャフト鍛造品）の鍛造状況が示されている。比較例２の鍛造方法は、まず荒地の全周面に液体ガラス潤滑剤を塗布し、その荒地をチタンのα＋β温度域（９５０℃程度）に加熱する。そして、加熱後の荒地の全周面に粉末ガラス潤滑剤を塗布する。その荒地を下金型の凹部に装入して、最終製品であるシャフト鍛造品になるまで前後方押出鍛造をする。その結果は、所望のシャフト鍛造品に成型されるが、そのシャフト鍛造品の上面に大きなバリが出現してしまい、シャフト鍛造品として不良品であることが確認された。
【００６６】
次に、上述した中空シャフト鍛造品の鍛造方法に基づいて、製造されたシャフト鍛造品３７に付与された相当ひずみの結果をまとめたものを図５に示す。
図５は、破断サイクル数とβ熱処理後のα＋β鍛造における相当ひずみ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５の右上側を見てみると、本発明の鍛造方法で鍛造されたシャフト鍛造品３７のデータがプロットされており、相当ひずみが１．６以上付与されていることがわかる。相当ひずみが１．６以上付与されたシャフト鍛造品３７の低サイクル疲労強度は、必ず規格値を上回るようになる。なお、図５の左下などにプロットされたデータは、相当ひずみが１．６未満の比較例であり、本発明の鍛造方法以外の方法（本発明の鍛造方法での条件を満たさない鍛造）で鍛造されたシャフト鍛造品のデータである。以上の結果より、本発明の鍛造方法で鍛造されたシャフト鍛造品３７は、機械的特性に優れたものであることが確認された。
【００６７】
以上述べたように、本発明の中空シャフト鍛造品の鍛造方法は、鍛造中に被加工材３４と金型２，７との焼き付きを防止すると共に、中空シャフト鍛造品３７全体に１．６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漏斗状の中空シャフト鍛造品３７を得ることができる。つまり、本発明の中空シャフト鍛造品の鍛造方法を用いることで、太径ビレット３０のβ熱処理からα+β鍛造を行ってシャフト鍛造品３７を一体成型するまでの間において、シャフト鍛造品３７にトータルで１．６以上の相当ひずみを付与して、所望の材料特性を有するニアネットの中空シャフト鍛造品３７を得ることができる。また、本発明の中空シャフト鍛造品の鍛造方法で製造されたシャフト鍛造品３７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。
【００６８】
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-6Al-4Vを用いてシャフト鍛造品３７に相当ひずみを付与する実験を行ったが、他のチタン合金に対しても、本発明の鍛造方法を行うことで、１．６以上の相当ひずみをシャフト鍛造品３７全体に付与することが可能であることを確認している。
【００６９】
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】
【００７０】
１  前後方押出鍛造装置（熱間押出鍛造装置）
２  下金型
３  孔部（貫通孔、軸状）
４  凹部（据え込み部）
５  錐面
６  フランジ孔部
７  上金型
８  ポンチ
９  軸部
１０  押出部
１１  錐面
１２  圧下部
２０  ガラス潤滑剤（潤滑剤）
２０ａ  液体ガラス潤滑剤（液体潤滑剤）
２０ｂ  粉末ガラス潤滑剤（粉末潤滑剤）
３０  ビレット（太径ビレット）
３１  細長のビレット
３２  短尺のビレット
３３  矩形状ビレット
３４  被加工材（荒地）
３５  外周面
３５ａ  上面
３５ｂ  下面
３５ｃ  側面
３６  内周面
３７  中空シャフト鍛造品（シャフト鍛造品）
【図３】
0006005609.tif 000003
【図１】
0006005609.tif 000004
【図２】
0006005609.tif 000005
【図４】
0006005609.tif 000006
【図５】
0006005609.tif 000007