(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の金型片を接合して一体に構成されたタービンブレード用の熱間鍛造用金型であって、
前記熱間鍛造用金型は前記タービンブレード形状の型彫り面を備え、
前記複数の金型片が入子型として装着される基材金型と、
角部を有する第１の金型片と、
前記角部に対応する隅部を有する第２の金型片とを有し、
前記第２の金型片の前記隅部には半径１５ｍｍ以上のアールが形成されており、
前記第１の金型片は、前記角部の先端に前記隅部のアール半径以上の面取り部を備え、
前記第１の金型片と前記第２の金型片の接合部に、前記面取り部によって構成された空隙部を有することを特徴とする熱間鍛造用金型。
【請求項２】
前記金型片は前記型彫り面の長手方向に対して、斜めに分割される形状を有す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】
前記金型片の少なくとも１つがＮｉ基超耐熱合金であり、別の少なくとも１つが熱間金型用鋼であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱間鍛造用金型。
【請求項４】
前記Ｎｉ基超耐熱合金製の金型片は時効処理材であることを特徴とする請求項３に記載の熱間鍛造用金型。
【請求項５】
前記金型片の少なくとも１つは鍛造の加圧力の応力集中部を含む場所に設けられてい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】
前記金型片および基材金型の少なくとも１つは作業面側にＮｉ基超耐熱合金層が被覆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】
前記金型片が焼嵌めによって一体に構成されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の熱間鍛造用金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の金型片を組み合わせて一体に構成された熱間鍛造用金型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捩れたキャビティーを用いて鍛造を行うタービン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及び下金型は、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及び図４参照）。
これに対して、大型のタービンブレード用に最適な熱間鍛造用金型として、本願出願人の提案による特開２０１４−２０８３７９号公報（特許文献２）の提案がある。
【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２０１４−２０８３７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述の特許文献のうち、特許文献２の発明は、特許文献１では解決することが困難な大型の熱間鍛造用金型の所望の箇所に任意の肉盛層を形成することを容易とすることができるものである。また、分割可能な熱間鍛造用金型とすることで、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には、熱間鍛造用金型の一部を交換することもでき、大型の鍛造材を得るための熱間鍛造用金型としては優れたものである。
前述した通り、特許文献２では割れ等の不具合が生じた場合にはその部分の金型片を取り換えることが容易であるが、割れの発生自体をより確実に防止することができれば、大型のタービンブレード用の熱間鍛造用金型としては更に好適なものとすることができる。
本発明の目的は、大型のタービンブレード用鍛造材を製造する場合であっても、それに用いる熱間鍛造用金型の割れをより確実に防止することが可能な熱間鍛造用金型を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、前記の特許文献２で開示される発明を元に、大型のタービンブレード用の鍛造材を得るためにより好適な熱間鍛造用金型とするために種々の金型形状を検討した結果、組立てる金型片同士が接触する角部と隅部の場所に空隙を形成することで熱間鍛造用金型に加わる応力を低減させることが可能となることを知見し、本発明に到達した。
すなわち本発明は、複数の金型片を接合して一体に構成されたタービンブレード用の熱間鍛造用金型であって、前記熱間鍛造用金型は前記タービンブレード形状の型彫り面を備え、前記複数の金型片が入子型として装着される基材金型と、角部を有する第１の金型片と、前記角部に対応する隅部を有する第２の金型片とを有し、前記第１の金型片は、前記角部の先端に面取り部を備え、前記第１の金型片と前記第２の金型片の接合部に、前記面取り部によって構成された空隙部を有する熱間鍛造用金型である。
好ましくは、前記隅部は半径１５ｍｍ以上のアールが形成されている熱間鍛造用金型である。
更に好ましくは、前記金型片は前記型彫り面の長手方向に対して、斜めに分割される形状を有する熱間鍛造用金型である。
更に好ましくは、前記金型片の少なくとも１つがＮｉ基超耐熱合金であり、別の少なくとも１つが熱間金型用鋼である熱間鍛造用金型である。
更に好ましくは、前記Ｎｉ基超耐熱合金製の金型片は時効処理材である熱間鍛造用金型である。
更に好ましくは、前記金型片の少なくとも１つは鍛造の加圧力の応力集中部を含む場所に設けられている熱間鍛造用金型である。
更に好ましくは、前記金型片および基材金型の少なくとも１つは作業面側にＮｉ基超耐熱合金層が被覆されている熱間鍛造用金型である。
更に好ましくは、前記金型片が焼嵌めによって一体に構成されている熱間鍛造用金型である。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の熱間鍛造用金型を用いれば、長尺のタービンブレードを製造する場合に、良く確実に熱間鍛造用金型の割れ等の不具合を防止することが可能となり、熱間型造用金型の寿命も向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の熱間鍛造用金型に用いられる金型片の組立て体の一例を示す模式図である。
【図２】本発明の熱間鍛造用金型に用いられる金型片の組立て体の別な一例を示す模式図である。
【図３】本発明の熱間鍛造用金型に用いられる金型片の組立て体の別な一例を示す模式図である。
【図４】本発明の熱間鍛造用金型に用いられる金型片の組立て体の別な一例を示す模式図である。
【図５】本発明の熱間鍛造用金型に用いられる金型片の組立て体の別な一例を示す模式図である。
【図６】本発明の一例を示す熱間型造用金型の模式図である。
【図７】本発明の熱間型造用金型の空隙部周辺の断面模式図である。
【図８】熱間型造用金型に加わる引張応力の分布を示すシミュレーション結果の図である。
【図９】隅部に発生する最大引張応力と隅部半径の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明を図面を用いて説明する。ただし、本発明は、以下に説明する形態によって限定されるものではない。また、本発明で言う「熱間鍛造」とは、熱間や恒温でのプレス鍛造及びホットダイ鍛造も含むものである。
図１から５は、本発明の熱間鍛造用金型に用いられる金型片の組立て体の一例を示す模式図であり、図６は基材金型３内に前記金型片の組立て体を備えた熱間鍛造用金型の一例を示す模式図である。の熱間鍛造用金型１の作業面にはタービンブレード形状の型彫り面４を備えている。
そして、本発明の最大の特徴は、金型片２の角部１３の先端に面取り部１１を形成して金型片２同士が接触する場所の一部に空隙部１２を備えることである。通常は１つの金型片に隣り合う金型片は、角部１３と隅部１４とが接触する如く嵌め合される。しかし、本発明者の検討によれば、熱間鍛造中に隅部１４に多大な応力が発生する。特に、最大荷重が１万トン以上の熱間鍛造により、大型の鍛造品を製造する場合においては、特に角部１３と隅部１４との組合わせでは、隅部１４を有する側の金型片２が破壊する危険性が大きくなる。そのため、本発明では金型片２の破壊を防止するために、空隙部１２を備えて金型片２に加わる応力を低減させる。
具体的な一例を示すと、図７に示すように角部１３を有する第１の金型片２（金型片Ａ）と、前記角部１３に対応する隅部１４を有する第２の金型片２（金型片Ｂ）とを少なくとも有し、前記第１の金型片２（金型片Ａ）は、前記角部の先端に面取り部１１を備え、前記第１の金型片２（金型片Ａ）と第２の金型片２（金型片Ｂ）の接合部に、前記面取り部１５によって構成された空隙部１２を有するものである。なお、金型片が３つ以上となった場合は、図７に示す角部１３に対応する隅部１４を有する金型片を用いればよい。但し、鍛造荷重が比較的低く、金型片の割れなどの発生の可能性が低い場所には、全ての金型片に必ずしも角部と隅部とによる空隙部を形成する必要はない。
ここで、本発明で規定した「角部」、「隅部」について説明する。本発明で言う「角部」は突状の角部１３のことであり、面取りして面取り部１１が形成される。また、「隅部」は、図７に示すように、面取り部１１を有する角部１３が嵌め合される凹状の部位（隅部１４）を言う。
【０００９】
本発明では、第１の金型片（金型片Ａ）と、第２の金型片（金型片Ｂ）の接合部に、前記面取り部１１によって構成された空隙部１２を形成することで第２の金型片（金型片Ｂ）の隅部１４の応力を低減し、熱間鍛造中の第２の金型片（金型片Ｂ）の破壊を抑制する。
図７は空隙部１２周辺の断面模式図である。図７に示すように面取り部１１は平面状であっても曲面状であっても良い。勿論、平面と曲面との組合わせでも良い。また、第２の金型片（金型片Ｂ）の隅部１４の形状も平面状、曲面状、またはその組合せであっても良い。なお、特に好ましい隅部１４の形状は曲面状である。これは、曲面とする方が熱間鍛造時に第２の金型片（金型片Ｂ）の隅部１４に加わる応力が低減できるためである。
本発明者の検討によれば、隅部１４の曲面は半径が１０ｍｍ以上であれば、数万トン規模の熱間鍛造を行ったときでも第２の金型片（金型片Ｂ）の破壊を抑制する効果が大きい。また、この場合、面取り部１１の形状も曲面とし、隅部１４の曲面の半径よりも大きくすることが好ましい。
なお、本発明の空隙部１２は、金型片２同士を嵌め合せたときの寸法差を超えるものである。例えば、図７にＬ、Ｍとして示すのは、空隙部の高さ方向Ｌと幅方向Ｍの長さであり、空隙部の高さＬはおおよそ１０〜６０ｍｍとし、幅Ｍはおおよそ１０〜６０ｍｍとすると良い。面取り部１１と隅部１４とで構成される空隙部１２の高さと幅は、熱間鍛造時に隅部１４周辺に加わる応力の低減効果と、第１の金型片（金型片Ａ）と第２の金型片（金型片Ｂ）との締め付け力を勘案して決定すると良い。なお、図７の（ｂ）(ｃ)（ｄ）のように、隅部にアールを形成する場合については、空隙部の高さと幅は、直線部とアール部の接点と規定する。
また、隅部１４のアールの半径は１５ｍｍ以上であることが好ましい。これは、後述するシミュレーション結果で示すように、隅部１４周辺に加わる引張応力を１１００ＭＰａ以下とすることができるためである。好ましくは１６ｍｍ〜２６ｍｍであり、この範囲であれば隅部８周辺に加わる引張応力を１０００ＭＰａ以下とすることも可能である。このとき、この隅部に対応する角部の面取りは、この隅部のアール半径以上の面取りとする。
【００１０】
ここで、面取り部によって構成された空隙部との関係により、引張応力の変化をシミュレーションした結果を示す。用いたシミュレーションソフトは市販の有限要素法によるものである。また、第一の金型片と第二の金型片に形成された面取り部形状と隅部の形状は図７（ｃ）に示す形状とした。その結果を図８に示す。また、隅部に発生する最大引張応力と隅部半径の関係を表１及び図９に示す。
空隙部が形成されない構造では、隅部に発生する最大引張応力は１５００ＭＰａを超えるのに対し、空隙部を有する形状では、１５００ＭＰａ以下となった。また、隅部の半径を１５ｍｍ以上にすることで、最大引張応力は１１００ＭＰａ以下を示した。
この結果から、面取り部によって構成された空隙部の有無により、金型片に加わる応力が大きく異なることが分かる。また、隅部に形成するアールについても、１５ｍｍ以上で応力が大幅に低減できることが分かる。これにより、空隙部の形成によって、熱間鍛造用金型の割れの発生をより確実に防止できることが分かる。
【００１１】
【表１】
0006528941.tif 000002
【００１２】
ところで、本発明においては、図１から５に示すように、本発明では金型片の形状を変更することで更に金型片の割れ等の不具合を防止することができる。
図１で示す金型片２の組合わせでは、その高さ方向に段差部１５を有する。この構造であると、段差部１５で熱間鍛造時の荷重を受けることができ、金型片の割れや破壊などの不具合を防止することができる。また、図２で示す金型片２の組合わせでは、その高さ方向の途中に底部１６を有する。この構造であると、底部１６で熱間鍛造時の荷重を受けることができ、金型片の割れや破壊などの不具合を防止することができる。更に図３〜５に示す金型片の組立体は、その高さ方向に段差部１５とテーパ部１７を有する。この構造であると、段差部１５及びテーパ部１７で熱間鍛造時の荷重を受けることができ、金型片の割れや破壊などの不具合を防止することができる。なお、図４に示す金型片の組合わせでは、型彫り面４を斜めに分割された構造を有する。この斜めに分割する方向を、熱間鍛造時に金型片に加わるスラスト荷重方向に設けると、より確実に金型片の割れや破壊などの不具合を防止することができる。
【００１３】
また、本発明においては、基材金型３と金型片２とを異種金属にすることも可能である。例えば、基材金型３を比較的安価な合金工具鋼として作製し、金型片２をＮｉ基超耐熱合金にすることもできる。合金工具鋼の中でも、熱間金型用鋼は高温での強度に優れているため好ましい。
このような組み合わせの例としては、作業面の全面をＮｉ基超耐熱合金とすることも可能であるし、または、熱間鍛造時に応力が加わる場所や熱間鍛造時に高温に晒される場所の入子型をＮｉ基超耐熱合金金型片とし、別の金型片の少なくとも１つを熱間金型用鋼とすることもできる。前者の構造によれば、作業面全面を高強度化することができるという利点がある。しかも、Ｎｉ基超耐熱合金で一体物の熱間鍛造用金型を作製する場合と比較して、経済的である。また、後者の場合は、熱間鍛造時における熱間鍛造用金型の耐摩耗性や耐熱性が特に求められる場所に、Ｎｉ基超耐熱合金を有する金型片２を配置すれば、金型の寿命を向上させると共に、より安価な熱間金型用鋼を用いるため経済的であり、特に好ましい。
【００１４】
また、本発明の熱間型造用金型は複数個の金型片で構成されるため、例えば、前記のＮｉ基超耐熱合金を金型片として用いる際に、固溶化処理と時効処理を行って、高強度化がはかれ、より一層、耐摩耗性や耐熱性が高まって金型の寿命を向上させることができる。特に、数万トン規模の大型鍛造製品を熱間鍛造で製造する場合では、熱間鍛造用金型自体が大型化しているため、金型全体を固溶化処理と時効処理を行うには、その熱処理炉も大型のものを準備する必要がある。また、Ｎｉ基超耐熱合金の固溶化処理温度を合金工具鋼に適用してしまうと、合金工具鋼が軟化してしまう。本発明の場合、異種金属を用いても個別に最適な熱処理を行って、合金の有する特性を最大限発揮できる熱処理を適用することができる。
【００１５】
本発明においては、前述のように前記金型片の少なくとも１つは応力集中部を含む場所に設けることが好ましい。応力集中部は加工量の大きい場所で、その形状が山形や谷形となるような場所である。詳細に調査しようとすれば、市販のシミュレーションソフトを用いて応力集中部を特定すると良い。
この応力集中部は、金型片の摩耗も激しいため、金型片２に用いる材質を前述のようにＮｉ基超耐熱合金にしてもよいし、合金工具鋼の金型片２の型彫り面４にＮｉ基超耐熱合金層４被覆しても良い。当然のことながら、金型片２以外の場所にもＮｉ基超耐熱合金層を被覆しても良い。例えば、金型片２をＮｉ基超耐熱合金で作製し、基材金型３を合金工具鋼とし、基材金型３の表面にＮｉ基超耐熱合金層４を被覆すると、作業面側（型彫り面側）全面をＮｉ基超耐熱合金とすることができる。この場合、熱間鍛造用金型の型彫り面側の保熱効果が期待できる。なお、Ｎｉ超耐熱合金層の被覆方法としては、例えば、肉盛溶接を用いることで、Ｎｉ超耐熱合金層を任意の厚さに調整できるため、特に好ましい。
また、本発明では、金型片２を個別に用意するため、特に大型の製品を熱間鍛造する際の金型製作費用を低減できる。例えば、大型のタービンブレード材の熱間鍛造への適用は有効である。
【００１６】
なお、前記の合金工具鋼鋼材とは、例えば、ＪＩＳ−Ｇ４４０４で規定されるものであれば良い。中でも熱間での使用には典型的な成分範囲を示すと、質量％で、Ｃ：０．２５〜０．５％、Ｎ：０を超えて０．０３％以下、Ｓｉ：０を超えて１．２％以下、Ｍｎ：０を超えて０．９％以下、Ａｌ：０〜０．５％、Ｐ：０〜０．０３％、Ｓ：０〜０．０１％、Ｖ：０〜２．１％、Ｃｒ：０．８〜５．５％、Ｎｉ：０〜４．３％、Ｃｕ：０〜０．３％、Ｍｏ：０〜３．０％、Ｗ：０〜９．５％、Ｃｏ：０〜４．５％を含み、残部はＦｅ及び不純物でなる合金が好適である。
また、本発明で言うＮｉ基超耐熱合金とは、例えば、Ｕｄｉｍｅｔ５２０相当合金（ＵｄｉｍｅｔはＳｐｅｃｉａｌ  Ｍｅｔａｌｓ社の登録商標）、Ｕｄｉｍｅｔ７２０相当合金、Ｗａｓｐａｌｏｙ相当合金（ＷａｓｐａｌｏｙはＵｎｉｔｅｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社の登録商標）、Ａｌｌｏｙ７１８相当合金等、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ等の金属間化合物を析出強化可能なＮｉを主成分とする合金を言う。
【００１７】
そして、本発明では、前述した金型片が焼嵌めによって基材金型内に装着されることが好ましい。焼嵌めで金型片と基材金型とを一体化すると強固に一体化できるためである。
以上説明する本発明の熱間型造用金型を用いれば、歩留りの高い金型製造が可能となり、所望の表面形態を有する熱間鍛造材が得られ、品質も安定化することができる。また、鍛造の加圧力の応力集中部を含む場所に高強度の材質の金型片を設けて置けば、熱間鍛造時の金型の割れ等の問題を防止することが可能である。
また、用いる金型片の作業面側にＮｉ基超耐熱合金層を形成すると、更に金型の寿命を向上させることができる。また、金型片ごとにＮｉ基超耐熱合金層を形成することが可能であるため、Ｎｉ基超耐熱合金層を形成する肉盛溶接機を特別に大型化することもないため、経済的である。
本発明の熱間型造用金型は、大型のタービンブレード用鍛造材を製造する場合であっても、それに用いる熱間鍛造用金型の割れをより確実に防止することが可能となる。
【符号の説明】
【００１８】
１  熱間型造用金型
２  金型片
３  基材金型
４  型彫り面
１１  面取り部
１２  空隙部
１３  角部
１４  隅部
１５  段差部
１６  底部
１７  テーパ部
【図１】
0006528941.tif 000003
【図２】
0006528941.tif 000004
【図３】
0006528941.tif 000005
【図４】
0006528941.tif 000006
【図５】
0006528941.tif 000007
【図６】
0006528941.tif 000008
【図７】
0006528941.tif 000009
【図８】
0006528941.tif 000010
【図９】
0006528941.tif 000011