(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳鋼材に対してその表面より塑性変形を与え、表面近傍の微小鋳造欠陥を縮小させてその表面性状を改善する方法において、
微小鋳造欠陥を縮小させたい領域において、静水圧応力と素材の変形抵抗の比が、１．１５以上になるよう塑性変形を施すことを特徴とする鋳鋼材の表面性状改善方法。
【請求項２】
前記塑性変形の付与はワークロールによる熱間加工であることを特徴とする請求項１記載の鋳鋼材の表面性状改善方法。
【請求項３】
微小欠陥の加工対象とされる範囲は、加工表面より４０ｍｍ以内であることを特徴とする請求項１又は２記載の鋳鋼材の表面性状改善方法。
【請求項４】
前記塑性変形の付与はワークロールによる熱間加工であり、微小欠陥の加工対象とされる範囲は、加工表面より４０ｍｍ以内であり、前記ワークロールの直径が４０ｍｍ〜２００ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の鋳鋼材の表面性状改善方法。
【請求項５】
被加工材が半径Ｒのフィレット部を有し、ワークロールの先端の半径がｒとするとき、０．６≦ｒ／Ｒ≦０．９５を満たすワークロールを用いて前記フィレット部の圧下を行うことを特徴とする請求項１〜４の何れか一つに記載の鋳鋼材の表面性状改善方法。
【請求項６】
前記鋳鋼材は円筒状外周面を有し、その円筒状部の軸心を回転装置の回転中心に一致させて取り付ける装着工程と、
前記円筒状部を表面より所定温度に加熱する加熱工程と、
前記円筒状部をワークロールとバックアップロールとで加圧挟持すると共に、前記回転装置で前記鋳鋼材をその円筒状部の軸心回りに回転させて、該ワークロールにより前記円筒状部に塑性変形を与える熱間ロール加工工程とを有することを特徴とする請求項１記載の鋳鋼材の表面性状改善方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳鋼材の表面性状改善方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インゴットや連鋳材などの内部に存在する鋳造欠陥（空孔）を圧着、消失させるために、圧延や鍛造による加工が行われている（例えば特開平5-228502号公報参照）。
しかしこれらの加工方法は、板厚や径全体にわたる欠陥圧着や、径や板厚の中心の収縮孔等の欠陥の圧着が目的であり、一般に、加工される素材の形状自体も大きく変化する。
【０００３】
ところで，鋳鋼材においてはミクロシュリンケージと呼ばれる微小鋳造欠陥が不可避的に存在する。これら微小鋳造欠陥は、前述の中心部の空孔に比べると微小なものではあるが、機械部品などにおいては、この微小鋳造欠陥が製品の仕上げ表面や、表面近傍の応力集中部（フィレット等）に残存した場合、疲労強度が低下する原因となる。
この問題点を解決する手法として、例えば丸棒のような、回転中心にて加工可能な鋳鋼品に対して、鋳鋼材を回転装置に固定し、加工対象部位を表面より加工可能な温度まで加熱後、加工部位をワークロールとバックアップロールとで加圧挟持するとともに、回転装置にて該挟持中心軸のまわりに回転させ、ワークロールにより鋳鋼材に対して連続的に塑性変形を与える方法（以下、熱間ロール加工法と呼ぶ）により、表面近傍の微小鋳造欠陥を圧着・縮小させ、鋳鋼品の疲労強度を向上させるとともに、製品の表面性状を向上させる生産性の高い加工方法（特開2000-213528号公報参照）が知られている。
【０００４】
また、シリンダーブロック上面のような平面上部に対してローラーを用いて加圧を行い空孔を除去する方法（特開平10-94869号公報記載の実施例２参照）も提案されている。
しかしながら、これら鋳鋼材は一般にニアネットシェイプて鋳造されているため、最終仕上げ寸法までの取代が少なく，加工による素材の変形をその取代範囲内に押さえる必要がある。すなわち、これら品質改善のための加工においては、『被加工材の変形を最小限にして、なおかつ必要な深さまで十分改質を行える』事が求められている。
【０００５】
しかし、前述の実施例に示されている表面改質のための加工方法においては，その加工条件は明確になっていなかったため、(a)圧下量が不足していて、必要な深さまで微小鋳造欠陥が圧着出来ていなかったり、（ｂ）必要な深さまで圧着するためには多大な圧下量が必要となり、最終製品形状が確保出来ないなどの弊害が生じていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記従来法の欠点を排除して、疲労強度及び表面性状に優れた鋳鋼材の表面性状改善方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明は、次の手段を講じた。即ち、本発明の特徴とするところは、鋳鋼材に対してその表面より塑性変形を与え、表面近傍の微小鋳造欠陥を縮小させてその表面性状を改善する方法において、微小鋳造欠陥を縮小させたい領域において、静水圧応力と素材の変形抵抗の比が、１．１５以上になるよう塑性変形を施す点にある。
本願発明者らは、熱間ロール加工法により、使用ローラ形状、圧下量等を種々変化させ、微小鋳造欠陥が圧着・縮小される深さを実験により求めた。そして、３次元有限要素法を用いて、各実験における素材内部の静水圧応力分布を求めた。この結果を（静水圧応力／材料の変形抵抗）として無次元化してまとめた。その結果を図１及び図２に示す。これらのグラフから、静水圧応力と素材の変形抵抗の比が、１．１５以上になるよう塑性変形を施せば、必要とする深さまでの微小鋳造欠陥が圧着・縮小されることが判明したのである。
【０００８】
従って、本発明方法によれば、表面近傍の微小鋳造欠陥が圧着・縮小されるので、疲労強度及び表面性状に優れた鋳鋼材を得ることができる。
前記塑性変形の付与はワークロールによる熱間加工であることが望ましい。
微小欠陥の加工対象とされる範囲は、加工表面より４０ｍｍ以内であることが望ましい。
本発明による狙いとする微小鋳造欠陥圧着領域は、製品の表面近傍であるので、加工表面より４０ｍｍ以内とした。しかし、その最低は１２ｍｍあれば十分である。最低１２ｍｍとした理由は、当加工を行う際の仕上げ面までの取代を１０ｍｍ程度とした場合、操業のバラツキなどが生じても、仕上げ面の性状改善を確保できればよいからである。
【０００９】
前記ワークロールの直径は、４０ｍｍ〜２００ｍｍであることが望ましい。
ワークロールの直径が小さくなるとローラの強度の確保が難しくなり、必要な圧下量が与えられなくなる。また、同一の圧下量における微小鋳造欠陥圧着深さも低下するため、最低必要とする１２ｍｍ深さまでの圧着効果が得にくくなるため、オーラ径の下限を４０ｍｍとした。
一方、ローラ径が大きくなりすぎると、被加工材の変形が局所的でなくなり、素材全体が変形してしまうおそれがある。これを防止するために、上限値として２００ｍｍを規定した。
【００１１】
前記加工において、被加工材が半径Ｒのフィレット部を有する場合、ワークロールの先端の半径をｒとするとき、０．６≦ｒ／Ｒ≦０．９５を満たすワークロールを用いて前記フィレット部の圧下を行うのが望ましい。
フィレット形状とローラ先端径が同一であると、ローラにより押された材料の逃げ場が無くなり、加工荷重が大幅に上昇してしまう。また、変形が局所的なものでなくなるおそれがある。これを防止するための上限値は、０．９５程度が適切である。一方、フィレット径に比べてローラ径が小さすぎると、ローラ先端部の狭い範囲しか加工できなくなると同時に、同一の圧下量に対するローラ下の静水圧応力の値が、平面ローラで押す場合に比べて低くなってしまい、圧下量を大きくしないと必要な深さまで微小鋳造欠陥圧着効果が及ばなくなってしまうため、下限値として０．６５程度を与えるのが適切である。
【００１２】
本発明の鋳鋼材の表面性状改善方法として、前記鋳鋼材は円筒状外周面を有し、その円筒状部の軸心を回転装置の回転中心に一致させて取り付ける装着工程と、前記円筒状部を表面より所定温度に加熱する加熱工程と、前記円筒状部をワークロールとバックアップロールとで加圧挟持すると共に、前記回転装置で前記鋳鋼材をその円筒状部の軸心回りに回転させて、該ワークロールにより前記円筒状部に塑性変形を与える熱間ロール加工工程とを有するのが望ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。
図３に示すものは、円筒状外周面を有する鋳鋼材の性状改善装置の概略図である。この装置は、円筒状外周面を有する鋳鋼材1 を、その円筒状部2 の軸心回りに回転させる回転装置3 と、前記円筒状部2 を表面より所定温度に加熱する加熱装置4 と、前記円筒状部2 をワークロール5 とバックアップロール6 とで加圧挟持すると共に、前記回転装置3 で円筒状部2 の軸心回りに回転させて、該ワークロール5 により前記円筒状部2 に塑性変形を与える加圧装置7 とから主構成されている。
【００１４】
図４に示すものは、前記円筒状外周面を有する鋳鋼材1 の一例としてのテストピースであり、該鋳鋼材1 は、円筒状部2 の両端にフランジ部8 を有する。円筒状部2 の直径は６９２ｍｍで、フランジ部8 の直径は１０５０ｍｍで、高さは５７０ｍｍある。円筒状部2 とフランジ部8 の境界部分に、フランジ部側に凹入するフィレット部9 が形成されている。この両側のフィレット部9,9 間がピン部10とされている。尚、フランジ部8 の内面に形成された溝11は、ワークロール挿入用の進入溝である。
【００１５】
前記回転装置3 は、鋳鋼材1 を載置して縦軸芯回りに回転させる回転テーブル12を有する。この回転テーブル12の上面に素材固定用治具13が設けられている。この回転テーブル12は、回転速度、回転数、回転角度等の制御が可能とされている。
前記素材固定用治具13に、前記鋳鋼材1 が、その円筒状部2 の中心と回転テーブル12の回転中心とが一致するよう取り付けられ、固定される。
前記加熱装置4 は、加熱バーナー14を有し、ピン部10及びフィレット部9 をその表面より加熱するものである。この実施例では、加熱バーナー14の一例として、複数のガスバーナーが用いられている。この加熱装置4 は、火力や火炎、位置等を制御して、加熱温度の制御を可能としている。
【００１６】
前記加圧装置7 は、前記回転テーブル12の両側に配置された左右のフレーム15,15 を有し、該一対のフレーム15は連結部材16で剛体結合されている。前記右フレーム15には、伸縮自在な油圧シリンダ17を介して前記ワークロール5 が支持され、左フレーム15には、伸縮自在な油圧シリンダ17を介して前記バックアップロール6 が支持されている。前記油圧シリンダ17は、上下方向位置調整自在に設けられている。この場合、左右フレーム15に上下移動可能に設けられたシリンダ取付部材（図示省略）に左右の油圧シリンダ17を設ければ、左右の油圧シリンダの上下移動を同時に行える。
【００１７】
前記左右のシリンダ17,17 は、鋳鋼材1 の円筒部2 の中心を通る直径線上に位置するよう配置され、該直径方向に伸縮自在とされている。
前記バックアップロール6 は、上下二段でかつ円筒状部2 の周方向に２個の計４個のロールを有する。勿論このバックアップロール6 は、円筒状部2 の直径線上に位置して、ワークロールと対峙する１個のロールから成るものであってもよい。また、上下１段で周方向に２個配置したものでもよい。
前記ワークロール5 は、作業によって取り替え自在に設けられている。即ち、油圧シリンダ17の先端部にローラヘッド18が取り替え自在に設けられ、該ローラヘッド18にワークロール5 が回転自在に設けられている。
【００１８】
図５に各種作業に適したワークロール5 の形状が示されている。
同図（ａ）に示すものは、フィレット部9 の奥部を加工するものである。前記油圧シリンダ17の端部に着脱自在に取り付けられる前記ローラヘッド18は、その上下面が、二等辺三角形のテーパ面19に形成され、該上下のテーパ面19にローラ支持体20が摺動自在に設けられている。ローラ支持体20は、ワークロール5 の支軸21を介して該ロール5 を回転自在に支持している。そして、油圧シリンダ17が伸長してローラヘッド18が図５（ａ）の左方向に移動すると、ローラ支持体20はローラヘッド18のテーパ面19に押されて両者間に相対移動が生じ、ワークロール5 の先端は、図示矢印方向に移動し、鋳鋼材1 のフィレット部9 の奥部に塑性変形を与える。
【００１９】
同図（ｂ）に示すものは、前記（ａ）に示すものよりもローラ5 の厚みが厚いものであり、前記（ａ）に示すローラ5 で加工した部分の両側を加工するように構成されている。その他の構成は前記（ａ）に示すものと同じである。
同図（ｃ）に示すものは、前記（ｂ）に示すローラ5 で加工した部分の外側のピン部10側を加工するものである。ローラヘッド18には、垂直軸22が設けられ、該垂直軸22の上下両端部にワークロール5 が回動自在に支持されている。
同図（ｄ）に示すものは、前記（ｃ）で加工した部分の内側のピン部10を加工するものであり、その他の構成は前記（ｃ）に示すものと同じである。
【００２０】
同図（ｅ）に示すものは、前記（ｄ）で加工した部分の内側のピン部10を加工するものであり、ワークロール5 は１個設けられ、ワークローラ5 は上下方向往復移動自在に設けられている。尚、この上下方向移動可能な構成は、（ｅ）図のものに限らず、例えば（ｄ）に示すものにも適用できる。
次に、前記装置を用いた鋳鋼材1 の性状改善方法につき説明する。
この方法は、円筒状外周面を有する鋳鋼材1 を、その円筒状部2 の軸心を回転装置3 の回転中心に一致させて取り付ける装着工程と、前記円筒状部2 を表面より所定温度に加熱する加熱工程と、前記円筒状部2 をワークロール5 とバックアップロール6 とで加圧挟持すると共に、前記回転装置3 で前記鋳鋼材1 をその円筒状部2 の軸心回りに回転させて、該ワークロール5 により前記円筒状部2 に塑性変形を与える熱間ロール加工工程とを有する。
【００２１】
即ち、図４に示す鋳鋼材1 を、その円筒状部2 の中心が回転テーブル12の回転中心と一致するよう、素材固定用治具13を介して回転テーブル12に固定する。次いで、回転テーブル12を回転させながら、加熱装置4 のガスバーナ14により、鋳鋼材1 の円筒状部2 （ピン部10及びフィレット部9 ）をその表面温度が７００℃〜１２５０℃の範囲になるよう加熱する。この実施例では９００℃になるまで加熱した。
更に加熱、回転を継続しながら、加圧装置7 のバックアップロール6 とワークロール5 とで、素材1 の円筒状部2 を挟持・加圧する。このときのワークロール5 の形状は、図５（ａ）に示すものである。この加圧において、ワークロール5 による素材1 の圧下量が３ｍｍとなるよう、圧下量制御（油圧シリンダ17の伸長制御）を行いながら、円筒状部2 の周方向全体に圧下を行った。
【００２２】
その後、ワークロール5 を図５の（ｂ）〜（ｅ）に示す形状のものに順次取り替えて、同様に圧下を行い、素材1 のフィレット部9 及びピン部10全体に熱間ロール加工を行った。
この際、圧下量による微小鋳造欠陥圧着の効果の差をみるため、各ワークロール５により圧下量を変化させて加工を行った。
前記熱間ロール加工完了後、鋳鋼材1 を回転テーブル12上から撤去して放冷した。その後、鋳鋼材1 全体を炉中で９２０℃に加熱して２０時間保持、空冷する焼準処理を行った。更にその後、６３０℃、１８時間の焼戻し処理を行った。
【００２３】
同様な実験を行った寸法の違う素材も併せて、以下の調査を行った。
即ち、熱間ロール加工を行った素材のピン部及びフィレット部をグラインダ及び研磨を行うことにより表面粗度を上げ、表面より超音波探傷を行って、深さ３５ｍｍまでの検出される全ての欠陥を記録した。
一方、これら一連の実験で行った、熱間ロール加工条件（使用ローラ形状、圧下量など）に対して、３次元有限要素法による変形解析を行い、素材内部の静水圧応力分布を求めた。
【００２４】
図１，２は、前記結果を（静水圧応力／材料の変形抵抗）として無次元化してまとめた例である。
図中、斜線と矢印で示しているのは、試験材の超音波探傷結果により、それ以上浅い位置には、一切の微小鋳造欠陥が検出されなかったことを示している。
これら一連の結果より、静水圧応力／材料の変形抵抗の値が、１．１５以上となる熱間ロール加工を施すことにより、微小鋳造欠陥を圧着させることが出来ることが明確となった。
【００２５】
次の表１は、実験結果と３次元有限要素法の解析結果との対比表である。
【００２６】
【表１】
0004605909.tif 000002
【００２７】
（静水圧応力／素材の変形抵抗）の値は、使用するローラ径と加工時の圧下量により決まる。様々なローラ径、圧下量に対して、３次元変形解析を行い、夫々の条件にて、（静水圧応力／素材の変形抵抗）が１．１５となる深さを求めた。
それらの関係は、次の回帰式で与えられる。
Ｙ＝ｆ（Ｘ，Ｄ）
ここで、Ｙ：圧着深さ、Ｘ：圧下量（０．５≦Ｘ≦５）、Ｄ：ローラ径（４０≦Ｄ≦２００）である。
【００２８】
この結果を次の表２に示す。
【００２９】
【表２】
0004605909.tif 000003
【００３０】
図６は、３次元有限要素法の解析結果を整理して、この微小鋳造欠陥圧着条件の、（静水圧応力／材料の変形抵抗）≦１．１５となる圧下量と深さの関係を、使用ローラ毎に整理したものである。
図７は、同様に、ローラ径と深さの関係を圧下量毎に整理したものである。
これらのデータを用いると、与えられた条件に対して容易に加工条件を決定することが出来る。以下に、図６を用いた例を示す。
例えば、１５ｍｍ深さまでの微小鋳造欠陥を圧着させたいが、ロール加工による最大のへこみ量（＝ローラの圧下量）を２．５ｍｍ以下にする必要がある場合、直径９０ｍｍのローラを用いると、以下の手順で加工条件を決定することが出来る。
（１）最大へこみ量が２．５ｍｍ以下であるため、圧下量は直線Ｂ−Ｂより左の領域である必要がある。
（２）直径９０ｍｍのローラを用いた場合の微小鋳造欠陥圧着限界は、曲線Ｃ−Ｃで与えられるので、１５ｍｍ深さまで微小鋳造欠陥を圧着させるには、直線Ａ−Ａと曲線Ｃ−Ｃの交点Ｄ（圧下量＝１．３ｍｍ）より右側の領域の圧下量で加工する必要がある。
【００３１】
これにより、直径９０ｍｍのローラを用いた場合、１．３ｍｍ≦圧下量≦２．５ｍｍで加工すればよいことが分かる。
同様の手法で、直径１４０ｍｍのローラを用いた場合には、１．０ｍｍ≦圧下量≦２．５ｍｍで加工すれば良いことがわかる。
尚、本発明は、前記実施の形態に記載したものに限定されるものではない。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、疲労強度及び表面性状に優れた鋳鋼材を製造することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ロール径９０ｍｍを用いた実験における、（静水圧応力／素材の変形抵抗）と表面からの深さの関係における微小鋳造欠陥の圧着効果を示すグラフである。
【図２】図２は、ロール径１８０ｍｍを用いた実験における、（静水圧応力／素材の変形抵抗）と表面からの深さの関係における微小鋳造欠陥の圧着効果を示すグラフである。
【図３】図３は、性状改善装置の概略構成図である。
【図４】図４は、鋳鋼材の一例を示し、その（ａ）は平面図、同（ｂ）は正面図である。
【図５】図５は、各種のワークロールの形状を示す図面である。
【図６】図６は、圧下量と圧着深さの関係を示すグラフである。
【図７】図７は、ローラ径と圧着深さの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  鋳鋼材
２  円筒状部
３  回転装置
４  加熱装置
５  ワークロール
６  バックアップロール
７  加圧装置
１２  回転テーブル
１４  加熱バーナ
【図１】
0004605909.tif 000004
【図２】
0004605909.tif 000005
【図３】
0004605909.tif 000006
【図４】
0004605909.tif 000007
【図５】
0004605909.tif 000008
【図６】
0004605909.tif 000009
【図７】
0004605909.tif 000010