(57)【要約】【課題】１パスで導入したひずみ分布が次のパスのひずみ分布と形状へ与える影響を明らかにし、材料断面全域、特に材料中心に大ひずみの導入を可能とする。【解決手段】連続する２パス以上の孔型圧延において、１パス目のフラット形状の孔型で圧延し、引き続き、２パス目で角形形状の孔型によって圧延する方法であって、１パス目フラットの短軸２ＡＯ１が素材対辺寸法２ＡＯに対し、ＡＯ１／ＡＯ≦０．７となり、２パス目の天地対角寸法２Ａｓ１が１パス後の材料の長軸２Ｂ１に対し、Ａｓ１／Ｂ１≦０．７５となるカリバーにより圧延して大ひずみを導入する。【選択図】        図１
2004344969.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続する２パス以上の孔型圧延において、１パス目のフラット形状の孔型で圧延し、引き続き、２パス目で角形形状の孔型によって圧延する方法であって、１パス目フラットの短軸２ＡＯ１が素材対辺寸法２ＡＯに対し、ＡＯ１／ＡＯ≦０．７となり、２パス目の天地対角寸法２Ａｓ１が１パス後の材料の長軸２Ｂ１に対し、Ａｓ１／Ｂ１≦０．７５となるカリバーにより圧延することを特徴とする大ひずみ導入加工方法。
【請求項２】
１パス目フラット孔型の短軸２ＡＯ１と長軸２ＢＯ１の比が、ＡＯ１／ＢＯ１≦０．４となるカリバーにより圧延する請求項１の加工方法。
【請求項３】
１パス目のフラット孔型の曲率半径ｒＯ１は素材対辺寸法２ＡＯの１．５倍以上であるカリバーにより圧延する請求項１または２の加工方法。
【請求項４】
全圧延パス数のうち、フラット−角の孔型の組み合わせを１回以上含む請求項１ないし３のいずれかの加工方法。
【請求項５】
フラット孔型の短軸２ＡＯ１と長軸２ＢＯ１の比が、ＡＯ１／ＢＯ１≦０．４となるカリバーを備えていることを特徴とする圧延装置。
【請求項６】
フラット孔型の曲率半径ｒＯ１は素材対辺寸法２ＡＯの１．５倍以上である請求項５のカリバーを備えていることを特徴とする圧延装置。
【請求項７】
連続する２パス以上の孔型圧延を行うための装置であって、請求項５または６のカリバーを備えているとともに、これとは形状の異なる非相似形のカリバーをも備え、両カリバーによる圧延を行うようにしたことを特徴とする圧延装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、大ひずみ導入加工方法とこれに用いるためのカリバー圧延装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
棒鋼の製造方法として、孔型の溝を有するロールを用いて圧延を行うカリバー圧延が一般的なものとして知られている。このときに、孔型の形状は角形（スクエア形、ダイヤモンド形）、オーバル形、丸形に大別される。これらの孔型を適当に組み合わせる（パススケジュールと言う）ことにより、効率良く断面を減少させ、所定の大きさの棒線材に仕上げることができる。その際、如何にして効率良く断面積を減少させ、精度よく所定の形状に仕上げるかが重要とされてきた。
【０００３】
しかしながら、従来適用されている孔型設計では、減面率と断面成形に注意が払われていることから、素材表面に比べ中心では金属組織は粗大となっているという問題があった。これは、素材中心に対して表面に匹敵するひずみが導入されていないのが大きな原因である。このため、大ひずみを、従来と同様、あるいは従来に比べ少ない減面率やパス数で、材料全域に導入することができれば、組織均一性が高まり、微細粒組織を有する金属材料の創製が工業的に可能となる。また、これまで検討されてきた孔型設計は、熱間加工を対象としており、そのときにはパス間での組織の回復・再結晶により、１パスで導入したひずみや応力が解放されるため、１パス後に導入されたひずみ分布が２パス後のひずみ分布や断面形状に与える影響を想定していないという問題もあった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、この出願の発明は、以上のような従来技術の問題点を解決し、１パスで導入したひずみ分布が次のパスのひずみ分布と形状へ与える影響を明らかにし、材料断面全域、特に材料中心に大ひずみの導入を可能とする新しい技術手段を提供することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、連続する２パス以上の孔型圧延において、１パス目のフラット形状の孔型で圧延し、引き続き、２パス目で角形形状の孔型によって圧延する方法であって、１パス目フラットの短軸２ＡＯ１が素材対辺寸法２ＡＯに対し、ＡＯ１／ＡＯ≦０．７となり、２パス目の天地対角寸法２Ａｓ１が１パス後の材料の長軸２Ｂ１に対し、Ａｓ１／Ｂ１≦０．７５となるカリバーにより圧延することを特徴とする大ひずみ導入加工方法を提供する。
【０００６】
また、第２には、１パス目フラット孔型の短軸２ＡＯ１と長軸２ＢＯ１の比が、ＡＯ１／ＢＯ１≦０．４となるカリバーにより圧延する前記の加工方法を、第３には、１パス目のフラット孔型の曲率半径ｒＯ１は素材対辺寸法２ＡＯの１．５倍以上であるカリバーにより圧延する加工方法を、第４には、全圧延パス数のうち、フラット−角の孔型の組み合わせを１回以上含む加工方法を提供する。
【０００７】
そして、この出願の発明は、第５には、フラット孔型の短軸２ＡＯ１と長軸２ＢＯ１の比が、ＡＯ１／ＢＯ１≦０．４となるカリバーを備えていることを特徴とする圧延装置を提供する。
【０００８】
第６には、フラット孔型の曲率半径ｒＯ１は素材対辺寸法２ＡＯの１．５倍以上であるカリバーを備えていることを特徴とする圧延装置を提供する。
【０００９】
第７には、連続する２パス以上の孔型圧延を行うための装置であって、前記のカリバーを備えているとともに、これとは形状の異なる非相似形のカリバーをも備え、両カリバーによる圧延を行うようにしたことを特徴とする圧延装置を提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１１】
まず、この出願の発明のカリバーの特徴を図１に沿って説明する。
＜１＞フラット孔型の短軸長さと素材対辺長さの関係
１パス目のフラット孔型を用いたときの公称圧下率（＝（２ＡＯ−２ＡＯ１）／２ＡＯ）が小さいと、材料中心までひずみはほとんど導入されないため、１パス目におけるひずみを材料断面に導入するためには、公称圧縮率を大きくする必要がある。そのため、１パス目のフラット孔型で用いられる短軸長さ２ＡＯ１と素材対辺長さ２ＡＯの比は０．７以下でなければならない。その比が０．７より大きいと、次パス目の角形孔型で圧延した場合に、ロールギャップに材料が流動してしまい、材料の断面成形が保てないばかりでなく、蓄積されるひずみも小さい。さらに、断面成形を優先して２パス目の天地対角寸法２Ａｓ１を大きくして、１パス後の材料の長軸２Ｂ１との比Ａｓ１／Ｂ１を大きくすると、今度は公称圧縮率が小さくなってしまい、成形は満足できても、材料に大ひずみを導入できない。
＜２＞フラット孔型の（短軸長さ／長軸長さ）
この出願の発明では、大ひずみ導入と断面成形の両立を満たすようにしている。材料に導入されるひずみと断面形状は、１パス目の公称圧縮率だけでなく、フラット孔型の長軸方向の形状によって引き起こされる拘束にも大きく依存する。フラット孔型の短軸長さと長軸長さの比は小さいほど、後の２パス目における公称圧下率を大きくすることができることから、ひずみ導入に効果を発揮する。そのためには、フラット孔型の（短軸長さ／長軸長さ）は０．４以下が望ましい。
＜３＞フラット孔型の曲率半径
フラット孔型の曲率半径ｒＯ１が小さいと、１パス当りの減面率は大きく取れるが、幅方向が尖形となってしまい、たとえ、次パス目での公称圧下率が大きくても、材料中心にひずみが導入されない。したがって、次パス後の成形と大ひずみ導入の観点から、適切な曲率半径ｒＯ１があり、その範囲は素材対辺寸法２ＡＯの１．５倍が望ましい。１．５倍以上で、成形と大ひずみ導入の両面が効率良く満足され、５倍、６倍となると影響にほとんど変化はない。したがって、上限はなく、下限である１．５倍以上を条件としている。
＜４＞フラット孔型を含んだ圧延パス
提案したフラット孔型を用いることで、従来の孔型系列であるオーバル−スクエア、オーバル−ラウンドと組み合わせることで、精度の良い断面形状を作製でき、かつ素材中心まで大ひずみを導入することができる。
【００１２】
また、この出願の発明においては、前記の圧延加工方法が適用できる材料は、金属材料によって制限されることはなく、溝ロール圧延で造られる棒線材全般に対して適用できるものである。なかでも、加工硬化能に優れた金属材料の方が大ひずみが効率良く広範囲に導入されやすい。たとえば、低炭素鋼に比べて加工硬化特性が優れている（ｎ値が大きい）ステンレス鋼のほうが大ひずみは導入されやすい。大ひずみとしては、スクエア−フラット−スクエア孔型系列（２パス）で断面中心に少くとも１．０のひずみが導入されていることが必要である。さらには、材料断面の６０％以上の領域に１．０以上のひずみを導入することが望ましく、それによって金属材料の微細結晶粒の領域を形成させることができる。
【００１３】
そこで、以下に実施例を示し、さらに詳しく実施の形態について説明する。もちろん、以下の例によって発明が限定されることはない。
【００１４】
【実施例】
２４角の棒鋼を供試材とした。その成分は０．１５Ｃ−０．３Ｓｉ−１．５Ｍｎ−０．０２Ｐ−０．００５Ｓ−０．０３ＡｌのＳＭ４９０鋼である。図２に示す孔型を用いて２パス溝ロール圧延を行った。初期の材料断面形状は、図１（ａ）に示した２４ｍｍ角の棒鋼とし、図１（ｂ）に示したフラット圧延（１パス目）後、材料を９０°回転させ、図１（ｃ）のスクエア孔型形状の圧延により１８ｍｍ角の棒鋼に圧延（２パス目）する。圧延温度は５００℃一定で行い、ロール直径はどちらも３００ｍｍ、回転速度は１６０ｒｐｍとした。また、図１に示したフラット孔型のときのロールギャップは３ｍｍ、スクエア孔型のときは２ｍｍとした。圧延によって供試材に導入された塑性ひずみは汎用有限要素コードＡＢＡＱＵＳ／Ｅｘｐｌｉｃｉｔを用いて計算した。解析では、材料の特性として実測に基づいた温度とひずみ速度に依存した応力−ひずみ関係を用いた。ロールと供試材の接触条件は、摩擦係数μ＝０．３０のＣｏｕｌｏｍｂ条件を採用した。なお、ロールは剛体とした。
＜実施例１＞
図２（ｂ）に示したフラット孔型の高さ２ＡＯ１＝１２ｍｍ、幅２Ｂ０１＝４７．１ｍｍ、曲率半径ｒＯ１＝６４ｍｍを用いた。
＜実施例２＞
図２（ｂ）に示したフラット孔型の高さ２Ａ０１＝１６ｍｍ、幅２ＢＯ１＝４７．１ｍｍ、曲率半径ｒＯ１＝４６ｍｍを用いた。
＜実施例３＞
図２（ｂ）に示したフラット孔型の高さ２ＡＯ１＝１８ｍｍ、幅２Ｂ０１＝４７．１ｍｍ、曲率半径ｒＯ１＝４０．８ｍｍを用いた。
＜実施例４＞
図２（ｂ）に示したフラット孔型の高さ２ＡＯ１＝１２ｍｍ、幅２ＢＯ１＝３２．７ｍｍ、曲率半径ｒＯ１＝３２ｍｍを用いた。
＜比較例１＞
図２（ｂ）に示したフラット孔型の高さ２ＡＯ１＝２０ｍｍ、幅２ＢＯ１＝４７．１ｍｍ、曲率半径ｒＯ１＝３６．９４ｍｍを用いた。
＜比較例２＞
実施例１のフラット孔型形状で、１パス後のひずみを解放し、無応力・無ひずみ状態にした後（断面形状だけが引き継がれる）、スクエア圧延した。
【００１５】
表１は、実施例１−４、比較例１のフラット孔型における孔型形状をまとめたものであり、図３はそれらの場合における素材断面形状とフラット孔型形状の幾何学的関係を示したものである。
【００１６】
【表１】
2004344969.tif 000003
【００１７】
図４は、実施例１の材料断面上におけるひずみの分布を示している。この図４では、灰色の領域は１．５以上のひずみの領域を示す。２４角の素材からの減面率は、５３％であり、減面率から算出される通常のひずみであれば０．８７であるが、フラット孔型を間に入れたことにより、１．５という非常に大きいひずみが、断面積の７０％の領域に導入されている。その拡がりは、断面中心から４辺に向かって見られる。また、１．０以上のひずみは９９％、１．８以上では９％の領域に導入されている。なお、断面中心のひずみは１．８１とかなり大きい。
【００１８】
表２は、実施例１−４と比較例１のフラット孔型を用いたときの断面中心に導入されたひずみと断面積中におけるひずみ１．０と１．８以上が占める割合を示す。実施例１−４では、大ひずみ１．０が中心に導入されており、それが占める割合は８０％以上と極めて広範囲に拡がっている。比較例１では、中心のひずみが１．０以上になっておらず、さらに１以上が占める割合も６０％以下である。
【００１９】
【表２】
2004344969.tif 000004
【００２０】
図５は、実施例１−３と比較例１のフラット孔型を用いたときの、スクエア圧延後の断面中心線上のｚ方向に対するひずみ分布を示す。実施例１−３では、断面中心でひずみは最大となっており、実施例１では１．８１、実施例２では１．３４、実施例３では１．０９とかなり大きい。一方、比較例１ではひずみはほぼ０．８６で均一であり、実施例１−３に比べて小さい。素材から２パス後の減面率は、実施例１、２、３に対してそれぞれ５３％、４９％、５１％、比較例１に対して４７％であり、大きな違いはないが、実際に材料内に導入されたひずみは異なる。
【００２１】
図６は、スクエア−フラット圧延（１パス）後、その後のフラット−スクエア圧延（２パス）後に材料中心に導入されたひずみとスクエア孔型の高さの関係を示す。なお、この図６においては、
【００２２】
【数１】
2004344969.tif 000005
【００２３】
は、１パス後に導入されているひずみを示し、
【００２４】
【数２】
2004344969.tif 000006
【００２５】
は、２パス後に導入されているみずみを、
【００２６】
【数３】
2004344969.tif 000007
【００２７】
は２パス後のひずみから１パス後のひずみを差し引いたひずみ、すなわち２パス目で導入されたひずみを示している。この図６から、フラット孔型の高さが２０ｍｍ以上では、２パス目によって導入されるひずみに変化がないことがわかる。従来、減面率が大きいとそれだけ加工が行われているので、大きなひずみが材料内に導入されているはずだが、２パス目における減面率はフラット孔型の高さ２Ａ０１＝１２、１４、１８、２０、２２、２４に対して、それぞれ２８％、３２％、３４％、４１％、４１％、４１％、４１％となっている。すなわち、減面率が小さい方がひずみ増加が大きくなっている。これは、１パス目で導入されたひずみ分布が大きく影響している。フラット孔型の高さ２Ａ０１＝１８ｍｍ以上では、減面率は４１％と一定であり、また２ＡＯ１＝２０ｍｍ以上ではひずみ増加はほとんど０．５８で一定である。減面率４１％は、均一にひずみが導入されたと仮定した場合、算出すると０．６０であり、２ＡＯ１＝２０ｍｍ以上のときの導入されたひずみにほぼ等しい。これは、１パス目で導入されたひずみ分布が、２パス目でのひずみ導入に対して寄与していないことを意味している。今回の条件では、実施例１の高さ１２ｍｍが効率良く（少ない減面で）ひずみを増加させているのがわかる。すなわち、実施例１の条件は２パス目に導入されるひずみに対して、１パス目で導入されたひずみ分布が効果的に働いたことを示す。
【００２８】
図７は、フラット孔型形状が同じである実施例１と比較例２のときの断面形状を示している。図７（ａ）は、１パス（フラット圧延）後の材料の断面形状を、図７（ｂ）は２パス（スクエア圧延）後の断面形状（実施例１）を、図７（ｃ）は１パス（フラット圧延）後に組織が回復・再結晶し、導入したひずみと応力がゼロになった後（形状だけが引き継がれる）、２パス（スクエア圧延）された後の断面形状（比較例２）を示す。１パス目のフラット圧延で材料内部に導入されたひずみ分布が、２パス目に導入される断面形状に大きな影響を与えないのであれば、スクエア圧延後の材料の断面形状は変わりはないが、図７（ｂ）、（ｃ）から大きな相違があるのがわかる。すなわち、スクエア−フラット−スクエア圧延のような孔型系列では、１パス目に導入されたひずみ分布によって、２パス後の断面形状に大きく影響を与える。したがって、各パスでのひずみが材料内に蓄積する場合には、従来の材料形状とスクエア孔型との関係結果は適用できず、１パス目に導入されたひずみ分布を考慮したスクエア孔型の設計が断面成形において非常に重要となることを意味している。
【００２９】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、従来技術の問題点を解決し、１パスで導入したひずみ分布が次のパスのひずみ分布と形状へ与える影響を明らかにし、材料断面全域、特に材料中心に大ひずみの導入を可能とする。
【００３０】
すなわち、この出願の発明により、素材中心への大ひずみ導入が可能となり、断面均一な組織を有する金属材料の創製が可能となる。さらには、大ひずみが必須な超微細粒組織を有する金属材料の創製に有用である。また、１パス目に導入したひずみ分布が、２パス後のひずみの大きさや分布、さらには断面形状に影響を与えることを示した事実は、断面成形と組織創製の２つを同時に満たす新技術となり、今後の孔型系列の設計に大きく貢献することになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この出願の発明のカリバーと圧延についての符号表示を行った図である。
【図２】実施例におけるカリバーの形状と寸法表示を行った図である。
【図３】実施例におけるフラット孔型の形状を例示した図である。
【図４】実施例１での２パス後の断面形状とひずみ分布を示した図である。
【図５】２パス後のｚ方向のひずみ分布を示した図である。
【図６】フラット孔型の高さに対する各パスで導入される材料中心におけるひずみの変化を示した図である。
【図７】スクエア圧延後の断面形状を示した図である。
【図１】
2004344969.tif 000008
【図２】
2004344969.tif 000009
【図３】
2004344969.tif 000010
【図４】
2004344969.tif 000011
【図５】
2004344969.tif 000012
【図６】
2004344969.tif 000013
【図７】
2004344969.tif 000014