(57)【要約】  【課題】難加工材を１回の加熱で割れ等の欠陥を発生させることなく、鍛造比５〜３０で鍛造できる鍛造方法を提供する。  【解決手段】  難加工性の被加工材の重量を１０００〜４０００ｋｇとし鍛造比５〜３０で鍛造加工するに際し、前記被加工材を下記で規定するｔ〜Ｔの温度範囲に加熱したのち、２０分以内の加工時間で鍛造することを特徴とする難加工材の鍛造方法である。さらに、１パス当たりの圧下量を１２０ｍｍ以下にするのが望ましい。  ｔ：被加工材の高温引張試験で絞り率が最大となる温度より低い温度域で、絞り率が最      大絞り率の８０％となる温度  Ｔ：被加工材の高温引張試験で絞り率が最大となる温度より高い温度域で、絞り率が最      大絞り率の５０％となる温度  【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
難加工性の被加工材の重量を１０００〜４０００ｋｇとし鍛造比５〜３０で鍛造加工するに際し、前記被加工材を下記で規定するｔ〜Ｔの温度範囲に加熱したのち、２０分以内の加工時間で鍛造することを特徴とする難加工材の鍛造方法。
ｔ：被加工材の高温引張試験で絞り率が最大となる温度より低い温度域で、絞り率が最
大絞り率の８０％となる温度
Ｔ：被加工材の高温引張試験で絞り率が最大となる温度より高い温度域で、絞り率が最
大絞り率の５０％となる温度
【請求項２】
１パス当たりの圧下量を１２０ｍｍ以下として鍛造することを特徴とする請求項１に記載の難加工材の鍛造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、難加工材の熱間自由鍛造による鍛造方法に関し、さらに詳しくは、難加工性の材料を被加工材とし、１回の加熱で断面形状が円形または多角形の棒材またはビレットを加工できる難加工材の鍛造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱間加工性が劣る難加工材を熱間自由鍛造によって塑性加工する場合に、その加工過程において被加工材の温度が低下すると、加工後の外表面に割れ等の欠陥が生じ易い。このため、難加工材の熱間自由鍛造に際しては、加熱条件や加工状況に十分に留意し、被加工材の外表面に欠陥が生じるおそれがある場合には、鍛造加工を中断し、加工途中の被加工材を再度加熱し、充分に加工温度を確保した後、鍛造加工を行う必要がある。このため、難加工材の熱間自由鍛造では、多くの作業工数を要し加工効率を低下させるとともに、鍛造加工の歩留りも著しく悪化させることになる。
【０００３】
このため、従来から、難加工材の鍛造方法に関して種々の提案がなされている。例えば、特許文献１には、難加工材のインゴットをビレットに加工する熱間鍛造を行う方法として、鍛造の前段階でインゴットを鍛造に必要な温度範囲で加熱し、次いで鍛造の段階でインゴットを加熱して鍛造に必要な下限温度以上の温度に保持しながら鍛造する難加工材の製造方法が提案されている。
【０００４】
しかし、特許文献１で提案の製造方法では、インゴットを鍛造に必要な温度範囲に保持するため、インゴットを加熱する手段としてガスバーナなどを用いることとし、鍛造加工部の移動にともない加熱部の移動および簡易的加熱に有効であるとしていが、補助的な熱供給装置の設置は鍛造設備の構造を複雑なものとし、さらに熱供給するための費用も発生することになる。
【０００５】
また、特許文献２では、鋼塊や鋼材などの被加工材を熱間で自由鍛造する際に発生する表面欠陥を抑制する鍛造方法として、被加工材の圧下位置を規定して鍛造することにより、熱間自由鍛造における被加工材の幅中央部の組織を微細化し、幅中央部の割れを防止する方法が開示されている。
特許文献２の鍛造方法では、被加工材の表面組織を微細化し表面欠陥を抑制することにより、被加工材の熱間加工性を向上させることが可能になるが、被加工材の温度低下にともなう欠陥発生については検討がなされていない。このため、被加工材が難加工材である場合に、被加工材の温度低下にともなう割れ等の欠陥発生が顕著となり、発生した欠陥を取除くための工数が増加し、鍛造加工の作業効率を低下させると同時に、鍛造加工の歩留りを極端に悪化させることになる。
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−１９３０２７号公報
【特許文献２】特開２００２−１６００３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
通常、難加工材を熱間自由鍛造によって塑性加工する場合、１パス当りの圧下量が大きくなると、外表面に割れ等の欠陥が生じるおそれがあるため、鍛造加工のスケジュールでは圧下量を小さくする傾向がある。圧下量を小さくスケジュールした場合には、仕上寸法までに鍛造加工するのに時間を要し、結果として被加工材の温度が低下し、熱間加工性が悪くなり被加工材表面に欠陥が生じ易くなる。このため、十分な鍛造比（鍛造前断面積／鍛造後断面積）を確保することができず、特に難加工材を加工する場合には、加熱回数や鍛造回数が増加し、熱間鍛造における総加工時間が増大することになる。
【０００８】
まず、熱間自由鍛造による加工時間について、最近では、自由鍛造機として高エネルギー高速加工による高速鍛造機が広く適用されている。この高速鍛造機によれば、エネルギーの制御が簡単で再現性が良好であるだけでなく、大きな特長として加工時間が短いことが挙げられ、しかも、これにともなって熱間自由鍛造の際に、工具から被加工材への伝達熱量が少なくなり、被加工材の温度低下を少なくすることができる。したがって、熱間自由鍛造での加工時間の短縮や被加工材の温度低下の抑制の観点から、自由鍛造機として高速鍛造機が広く適用されることになる。
【０００９】
次に、高速鍛造機等による１回の加熱で加工可能な鍛造比に関し、種々の検討結果から、鍛造比が５未満と小さい場合には、鍛造加工にともなう割れ等の欠陥を発生することがないが、鍛造比が５以上になると、加熱温度や加工時間等との関係で欠陥が発生する場合がある。一方、鍛造比が３０を超えるようになると、鍛造加工度が過大となり加熱温度の管理に拘わらず鍛造加工にともなう割れ等の欠陥発生が増大する。このようなことから、難加工材を熱間自由鍛造によって塑性加工する場合に、１回の加熱で加工可能な鍛造比として５〜３０とするのが目安となる。
【００１０】
さらに、従来において高速鍛造機等の熱間自由鍛造によって難加工材を塑性加工する場合に、鍛造加工性の評価項目として被加工材の重量、加熱温度、加熱炉の抽出から所定形状に鍛造終了までの加工時間、または１パスでの圧下量等の個別条件に着目していた。このため、被加工材の加工表面に発生する割れ等の欠陥に関する有効な検討がなされておらず、難加工材に発生した不良や欠陥を除去するために多くの工数をかけたり、難加工材に発生する欠陥を防止するために加熱回数を増加する等の個別の対策に終始していた。
【００１１】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、高速鍛造機等の自由鍛造機の適用に対応し、被加工材の重量、加熱温度、加熱炉の抽出から鍛造終了までの加工時間、さらに１パス当たりの圧下量を総合的に管理することによって、１回の加熱により難加工性の被加工材を鍛造比５〜３０で鍛造加工する場合であっても、割れ等の欠陥を発生させることがない鍛造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、上記の課題を解決するため、難加工材を高速鍛造機等の自由鍛造機を用いて熱間加工する場合に、被加工材の重量、加熱温度、加熱炉の抽出から鍛造終了までの加工時間、および１パス当たりの圧下量が表面欠陥の発生に及ぼす影響について調査した。この調査結果に基づいて、それぞれの影響を定性的に示すと、下記の（ａ）〜（ｄ）式を得ることができる。
【００１３】
欠陥発生を防止するには、下記（ａ）、（ｂ）式で示される鍛造に要する加工時間Ｈを短くすることが必要である。加工時間Ｈを短縮するには、ハンドリング時間Ｈｈを短くし、平均圧下量Ｒを大きくし、被加工材の重量Ｗを小さくし、鍛造比Ｋを小さくするのがよい。
【００１４】
Ｈ＝Ｈｆ＋Ｈｈ    ・・・      （ａ）
ただし、Ｈｆ：鍛造加工時間、Ｈｈ：ハンドリング時間
Ｈｆ＝ｆ（１／Ｒ，Ｗ，Ｋ）    ・・・    （ｂ）
ただし、Ｒ：平均圧下量、Ｗ：被加工材の重量、Ｋ：鍛造比
さらに、欠陥発生を防止するのに有効なのは、熱間加工性に適正な温度範囲に被加工材を保持して鍛造加工を行うことである。ある鍛造加工の過程における被加工材温度Ｔは、下記（ｃ）式によって示される。
【００１５】
Ｔ＝Ｔｉ＋ｆ（Ｈ，１／Ｗ）＋ｆ（ΣＲ，１／Ｗ）    ・・・      （ｃ）
ただし、Ｔｉ：被加工材加熱温度、ΣＲ：それまで鍛造加工された圧下量の和
上記（ｃ）式で示す被加工材温度Ｔは、高いほどよいが、被加工材の高温引張特性に応じて、一定の制限があることが明らかになった。
【００１６】
さらに、欠陥発生を防止する限界圧下量Ｒｍａｘは、下記（ｄ）式で示すように、被加工材温度Ｔおよびその時点での鍛造比Ｋにより規定される。すなわち、被加工材温度Ｔは、被加工材の高温強度に応じる制限を満たしていれば高いほどよく、鍛造比か大きいほど組織改善がなされ、限界圧下量Ｒｍａｘは大きくなる。
【００１７】
Ｒｍａｘ＝ｆ（Ｔ，Ｋ）      ・・・      （ｄ）
ただし、Ｔ：被加工材温度、Ｋ：鍛造比
上記（ａ）〜（ｄ）式の関係から、加工時間Ｈは短いほどよく、被加工材重量Ｗは一定の範囲で管理する必要があり、被加工材温度Ｔは一定の制限を満たす限りにおいて高いほどよく、さらに、圧下量Ｒは大きいほどよいが、限界圧下量Ｒｍａｘによって制限するのが望ましい場合がある。
【００１８】
すなわち、難加工材を１回の加熱で鍛造加工するに際し、被加工材の高温引張特性に応じて、鍛造加工の過程で被加工材の温度を熱間加工性に適合する温度範囲に保持できるように、被加工材の重量、加熱温度、加工時間、さらに圧下量を管理することによって、割れ等の欠陥を発生させることなく、鍛造比５〜３０で鍛造加工できることを知見した。
【００１９】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、下記（１）、（２）の難加工材の鍛造方法を要旨としている。
（１）難加工性の被加工材の重量を１０００〜４０００ｋｇとし鍛造比５〜３０で鍛造加工するに際し、前記被加工材を下記で規定するｔ〜Ｔの温度範囲に加熱したのち、２０分以内の加工時間で鍛造することを特徴とする難加工材の鍛造方法である。
【００２０】
ｔ：被加工材の高温引張試験で絞り率が最大となる温度より低い温度域で、絞り率が最
大絞り率の８０％となる温度
Ｔ：被加工材の高温引張試験で絞り率が最大となる温度より高い温度域で、絞り率が最
大絞り率の５０％となる温度
（２）上記（１）の難加工材の鍛造方法では、１パス当たりの圧下量を１２０ｍｍ以下とするのが望ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の難加工材の鍛造方法によれば、被加工材の高温引張特性に応じて、鍛造加工の過程で被加工材の温度を熱間加工性に適合する温度範囲に保持できるように、被加工材の重量、加熱温度、加工時間、さらに圧下量を管理することにより、難加工材を１回の加熱で割れ等の欠陥を発生させることなく、鍛造比５〜３０で鍛造できる。これにより、難加工材の熱間自由鍛造であっても高効率で、かつ高い歩留まりで行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明が対象とする難加工材として、ＪＩＳ規格のＮＣＦ６００、ＮＣＦ６９０、ＮＣＦ８００およびＮＣＦ８２５、並びにＡＳＴＭ規格のＵＮＳ Ｎ０６２５０およびＮ０６２５５等であって、著しく熱間加工性を劣化させる共晶炭化物やσ相、ラーベス相、χ（カイ）相等の金属間化合物が析出しないＮｉ含有量が３０％以上の合金材を例示することができる。
【００２３】
本発明の製造方法では、被加工材の重量を１０００〜４０００ｋｇとする。これは、本発明者らの実験結果に基づくものであり、被加工材の重量が小さいと被加工材の単位体積に対する表面積が大きくなる。このため、鍛造加工中における被加工材の大気放熱および加工工具への抜熱が大きくなり、被加工材の温度が急激に低下することから、被加工材表面に割れ等の欠陥が発生し易くなる。これらを防止するため、被加工材重量の下限を１０００ｋｇとする。
【００２４】
一方、被加工材の重量が大きいと鍛造加工初期の温度低下は緩やかであるが、鍛造加工による単位表面積当たりの入熱量が少なくなる。このため、鍛造加工後期になると被加工材の表面への加工熱の付与が少ないまま、大気へ放熱する時間が長くなることから、被加工材の温度は急激に低下し、被加工材の表面に割れ等の欠陥が発生する。このため、被加工材重量の上限を４０００ｋｇとする。
【００２５】
前述の通り、本発明の鍛造方法では、１回の加熱で加工可能な鍛造比（鍛造前断面積／鍛造後断面積）を５〜３０とする。鍛造比が５未満と小さい場合には、鍛造加工にともなう欠陥を発生することがないが、鍛造比の低下にともない加工時間が非常に長くなり生産性が低下するばかりか、温度低下により再加熱する回数も増えエネルギーロスとなる。
【００２６】
一方、鍛造比が３０を超えるようになると、鍛造加工度が過大となり加熱温度の管理に拘わらず、鍛造加工にともなう割れ等の欠陥発生が増大する。このようなことから、１回の加熱で加工可能な鍛造比を５〜３０とする。
【００２７】
本発明で採用する被加工材の加熱温度に関し、その加熱温度が高すぎる場合には、被加工材の粒界が予融解（ｐｒｅ−ｍｅｌｔｉｎｇ）するために、被加工材の延性は急激に低下し、鍛造加工初期において被加工材の表面に欠陥が発生する。また、被加工材の加熱温度が低すぎる場合には、延性が低下することから、鍛造加工後期に被加工材の表面に欠陥が発生する。
【００２８】
そこで、発明者らが実験を繰り返して加熱温度を検討した結果、１回の加熱で鍛造比５〜３０の条件のもとで、割れ等の欠陥を発生することなく鍛造するための加熱温度は、被加工材の引張変形特性によって異なることが明らかになる。しかも、この加工温度は、被加工材の粒界に予融解（ｐｒｅ−ｍｅｌｔｉｎｇ）を生ずることもなく、被加工材の低温加熱による延性低下を発生することがない。
【００２９】
具体的には、各種の温度で被加工材（鍛造前の素材）の高温引張試験を行い、最大絞り率Ｐとなる試験温度ＰＴとした場合に、ＰＴより低い温度域で絞り率が最大絞り率Ｐの８０％となる温度ｔと、ＰＴより高い温度域で絞り率が最大絞り率Ｐの５０％となる温度Ｔとを測定する。この測定結果に基づいて、被加工材を上記ｔ〜Ｔの温度範囲に加熱する必要がある。
【００３０】
すなわち、本発明の鍛造方法では、被加工材を上記ｔ〜Ｔの温度範囲に加熱したのち、鍛造することによって、粒界の予融解（ｐｒｅ−ｍｅｌｔｉｎｇ）による延性の低下や、低温加熱での延性の低下を防止でき、安定して被加工材の表面に割れ等の欠陥を発生させることがない。
【００３１】
高温引張試験における被加工材の引張性質は、加熱温度および歪み速度の影響を受けることから、本発明で適用する高温引張試験法はＪＩＳ Ｇ０５６７に基づくものとした。ＪＩＳ Ｇ０５６７に基づく試験法とは、試験片を試験温度に１０〜１５ｍｉｎ保持した後、歪み速度０．３％／ｍｉｎの引張試験を行い、最大絞り率Ｐ、そのときの試験温度ＰＴとし、試験温度ＰＴより低い温度領域で絞り率が最大絞り率Ｐの８０％となる下限加熱温度ｔ、および試験温度ＰＴより高い温度領域で絞り率が最大絞り率Ｐの５０％となる上限加熱温度Ｔを定めた。
【００３２】
発明者らの検討によれば、被加工材を加熱炉から抽出し所定の形状に鍛造するまでの加工時間が２０分を超えるようになると、被加工材の温度低下にともない延性が低下し、被加工材表面に欠陥が発生し易くなる。このため、本発明の鍛造方法では、前記（ａ）式に示すように、鍛造加工時間およびハンドリング時間からなる加工時間を２０分以内にする必要がある。
【００３３】
さらに、本発明の鍛造方法では、１パス当たりの最大圧下量を規定するのが望ましい。被加工材への１パス当たりの圧下量が大きい場合には、被加工材表層における歪み量が大きくなり、表面に割れ等の欠陥が発生し易くなる。発明者らの検討結果によれば、安定して被加工材の表面に割れ等の欠陥を発生させないためには、１パス当たりの圧下量を１２０ｍｍ以下にするのが望ましい。
【実施例】
【００３４】
本発明の鍛造方法の効果を確認するため、供試加工材として難加工材である合金Ａ、合金Ｂおよび合金Ｃ、並びに比較材のＳＵＳ３１６鋼を準備した。準備した供試加工材からＪＩＳ Ｇ０５６７に準じて引張試験片を採取し、種々の温度に加熱して１０分間保持し歪み速度０．３％／ｍｉｎの高温引張試験を実施した。
【００３５】
高温引張試験後の引張試験片の破断面から絞り率を求め、高温引張試験で最大絞り率Ｐが得られる試験温度ＰＴを定め、試験温度ＰＴより低い温度領域で絞り率が最大絞り率Ｐの８０％となる温度ｔ、および試験温度ＰＴより高い温度領域で絞り率が最大絞り率Ｐの５０％となる温度Ｔを求めた。高温引張試験結果から得られたＰＴ、ｔおよびＴを表１に示した。
【００３６】
合金Ａは、ＡＳＴＭ規格ＵＮＳ Ｎ０６２５５相当材とした。合金Ａの高温引張試験によれば、最大絞り率Ｐは９５％であり、そのときの試験温度ＰＴは１２３０℃であった。試験温度ＰＴの１２３０℃より低い温度領域で絞り率７６％（Ｐ：９５％×８０％）となる温度ｔは１１３０℃であり、試験温度ＰＴの１２３０℃より高い温度領域で絞り率４７．５％（Ｐ：９５％×５０％）となる温度Ｔは１２７０℃であった。
【００３７】
合金Ｂは、ＪＩＳ規格ＮＣＦ８００相当材とした。合金Ｂの高温引張試験によれば、最大絞り率Ｐは９５％であり、そのときの試験温度ＰＴは１２００℃であった。試験温度ＰＴの１２００℃より低い温度領域で絞り率７６％（Ｐ：９５％×８０％）となる温度ｔは１１００℃であり、試験温度ＰＴの１２００℃より高い温度領域で絞り率４７．５％（Ｐ：９５％×５０％）となる温度Ｔは１２７０℃であった。
【００３８】
合金Ｃは、ＪＩＳ規格ＮＣＦ８２５相当材とした。合金Ｂの高温引張試験によれば、最大絞り率Ｐは９３％であり、そのときの試験温度ＰＴは１２５０℃であった。試験温度ＰＴの１２５０℃より低い温度領域で絞り率７４．４％（Ｐ：９３％×８０％）となる温度ｔは１０９５℃であり、試験温度ＰＴの１２５０℃より高い温度領域で絞り率４６．５％（Ｐ：９３％×５０％）となる温度Ｔは１２９５℃であった。
【００３９】
比較材としてＳＵＳ３１６鋼を用いた。ＳＵＳ３１６鋼の高温引張試験によれば、最大絞り率Ｐは９４％であり、そのときの試験温度ＰＴは１２００℃であった。試験温度ＰＴの１２００℃より低い温度領域で絞り率７５％（Ｐ：９４％×８０％）となる温度ｔは８５０℃であり、ＰＴの１２００℃より高い温度領域で絞り率４７％（Ｐ：９４％×５０％）となる温度Ｔは１３００℃であった。
【００４０】
【表１】
2006334607.tif 000002
【００４１】
表１に示す供試加工材を用いて、高速鍛造機による鍛造試験を行った。試験条件は供試加工材の重量、加熱温度、鍛造に要する加工時間、最大圧下量、および鍛造比（鍛造前断面積／鍛造後断面積）を変化させ、鍛造後の欠陥発生状況を観察した。鍛造試験の結果を表２〜表４に示す。欠陥発生状況は、鍛造後の供試加工材の表面に割れ等の欠陥が発生している場合に「有」とし、それ以外は「無」とした。
【００４２】
【表２】
2006334607.tif 000003
【００４３】
【表３】
2006334607.tif 000004
【００４４】
【表４】
2006334607.tif 000005
【００４５】
表４に示すように、比較材であるＳＵＳ３１６鋼を供試加工材とする場合（試験Ｎｏ．３９〜４３）には、本発明で規定する条件を外れる場合であっても割れ等の欠陥の発生がなかった。一方、表２〜表４に示すように、本発明が対象とする難加工材である合金Ａ、合金Ｂおよび合金Ｃでは、供試加工材の重量、加熱温度、および加工時間のいずれかが本発明で規定する条件を外れる場合、または鍛造比が大きくなり本発明で規定する条件を外れる場合に割れ等の欠陥が発生した。
【００４６】
表２〜表４に示すように、本発明が対象とする難加工材である合金Ａ、合金Ｂおよび合金Ｃであっても、本発明で規定する条件で鍛造する場合には、割れ等の欠陥は発生しなかった。さらに、鍛造比が小さい場合には、供試加工材の重量、加熱温度、および加工時間のいずれかが本発明で規定する条件を外れても欠陥は発生しなかったが（例えば、試験Ｎｏ．１６）、加工時間が長くなり生産性が悪化した。また、本発明で規定する条件で鍛造する場合であっても、最大圧下量が１３０ｍｍと大きくなると、割れ等の欠陥が発生する場合があり、圧下量を１２０ｍｍ以下にするのが望ましいことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の難加工材の鍛造方法によれば、被加工材の高温引張特性に応じて、鍛造加工の過程で被加工材の温度を熱間加工性に適合する温度範囲に保持できるように、被加工材の重量、加熱温度、加工時間、さらに圧下量を管理することにより、難加工材を１回の加熱で割れ等の欠陥を発生させることなく、鍛造比５〜３０で鍛造できる。これにより、難加工材の熱間自由鍛造であっても高効率で、かつ高い歩留まりで行うことができるので、難加工材の熱間自由鍛造法として広く採用することができる。