(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心部位の鍛造方向両側に厚肉部位を有する鍛造成形品の製造方法において、
（成形時の素材温度×０．７）℃での機械的特性は、引張応力が７０〜１２０ＭＰａ、０．２％耐力が４０〜８０ＭＰａ、伸びが１５〜２５％、疲労強度が４５〜８５ＭＰａであるアルミニウム合金製難加工性材料を鍛造用素材として用いて、
一方の厚肉部位の形状として最終形状の９７体積％以上まで成形した予備成形品を一次成形金型を用いて得る第一工程鍛造の後、
第二工程鍛造として、前記予備成形品の一方の厚肉部位との間の隙間が３％体積以下となる形状の成形孔を有する金型と、他方の厚肉部位を成形するための成形孔を有する金型からなる二次成形金型により、前記予備成形品の一方の厚肉部位と金型とがほぼ全域に亘って接触した状態を維持しながら前記一方の厚肉部位と他方の肉厚部位を最終形状まで成形し、
得られる鍛造成形品の中心部位の平均厚さ（Ｌ）と、他方の厚肉部位の最大厚さ（Ｄ）との比（Ｌ／Ｄ）が１／２〜１／２０であることを特徴とする鍛造成形品の製造方法。
【請求項２】
前記鍛造成形品がエンジンピストンであって、中心部位は該エンジンピストンの天井部位であり、他方の厚肉部位はピンボス部位であることを特徴とする請求項１記載の鍛造成形品の製造方法。
【請求項３】
前記アルミニウム合金製難加工性材料は、Ｓｉ：１０．５〜１３．５質量％、Ｃｕ：３〜５質量％、Ｎｉ：１〜３質量％、Ｆｅ：０．１〜０．５質量％、Ｍｇ：０．８〜１．２質量％を含有したアルミニウム合金の急冷連続鋳造棒であることを特徴とする請求項１または２に記載の鍛造成形品の製造方法。
【請求項４】
前記アルミニウム合金製難加工性材料は、Ｓｉ：１１〜１２質量％、Ｃｕ：３〜５質量％、Ｍｇ：１〜１．４質量％、Ｆｅ：４〜６質量％を含有したアルミニウム合金を大気アトマイズ法によって粉末状にした後、ビレット状に圧縮成形後、熱間押出によって丸棒状に成形し切断したものであることを特徴とする請求項１または２に記載の鍛造成形品の製造方法。
【請求項５】
前記予備成形品の一方の厚肉部位の成形時の引張応力が、（成形時の素材温度×０．７）℃での引張応力の値以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載の鍛造成形品の製造方法。
【請求項６】
前記予備成形品の一方の厚肉部位の成形時の伸びが、（成形時の素材温度×０．７）℃での伸びの値を超えないように成形することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１に記載の鍛造成形品の製造方法。
【請求項７】
第一工程鍛造に用いる一次成形金型温度は、１００℃〜４００℃、第二工程鍛造に使用する素材温度は３５０〜５００℃でそれぞれ保持されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１に記載の鍛造成形品の製造方法。
【請求項８】
第一工程鍛造で成形された予備成形品に、第二工程鍛造投入前に、潤滑処理を実施した後、本成形することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１に記載の鍛造成形品の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１に記載の鍛造成形品の製造方法から得られることを特徴とする鍛造成形品。
【請求項１０】
請求項９に記載の鍛造成形品はエンジンピストンであって、前記中心部位は該エンジンピストンの天井部位であり、他方の厚肉部位はピンボス部位であることを特徴とする鍛造成形品。
【請求項１１】
請求項１〜８のいずれか１に記載の鍛造成形品の製造方法に用いられ、
前記第一工程鍛造に用いられる一次成形金型と、前記第二工程鍛造に用いられる二次成形金型とを有することを特徴とする鍛造成形装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載された鍛造成形装置を含んで構成された鍛造品製造システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、難加工性材料を用いた中心部位の鍛造方向両側に厚肉部位を有する鍛造成形品およびその製造方法、鍛造成形装置、鍛造品製造システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
中心部位の鍛造方向両側に厚肉部位を有する形状の成形品には、たとえばエンジンピストンがある。このエンジンピストンはヘッド面が充分な高温強度特性を有する機械的強度が求められている。そのためには、高温での強度が大きく、軽量化が図れるアルミニウム合金を用いることになる。
【０００３】
このような合金を単に鋳造した成形品では、内部に「巣」を有する場合があり、機械的強度の要求を満足したとしても安定した品質を得る事が出来ない。また、鋳肌のため外観品質が良くなく、寸法精度も粗く、安定した品質を得るために肉厚になり、軽量化が図れないなどの問題点が多い
そこで、鋳物より品質面で信頼性の高い、鍛造による成形が検討されている。
【０００４】
特に、予め予備成形した物を、さらに鍛造成形して最終形状の成形品を得る方法が検討されている。
例えば、特開平６−１９０４９３号公報には、製品部の縁部に余肉部が形成された金属製鋳造素材を形成し、この金属製鋳造素材を鍛造する時、上述の余肉部を材料の塑性流動の拘束部とすることで、縁部の材料の流れを拘束し、割れ（クラック）の発生を防止すると共に、製品内部に高い圧縮応力を発生させ、塑性変形による組織の微細化で機械的強度の向上を図ることを目的として、製品形状に近似した製品部の縁部に余肉部が形成された金属製鋳造素材を形成する第１工程と、上記第１工程後、上記製品部および余肉部を型鍛造により鍛造成形して、上記余肉部の加圧によって材料の塑性流動を抑制しつつ、製品部を圧縮成形する第２工程とを備えたことを特徴とする成形方法が開示されている。
【０００５】
また、特開平１０−８０７６１号公報に、次のような開示がある。鍛造性を重視し、鋳造性に劣るアルミニウム合金を用いたとしても、リブ割れの発生を防止することができ、機械的特性および外観品質共に優れた鍛造部品を得ることができる鋳造鍛造方法を提供するために、鋳造によって鍛造用粗材を予備成形するに際して、リブＥの断面積Ａ（ｍｍ2）とリブＥの周長Ｌ（ｍｍ）の比Ａ／Ｌが２以上となるような形状に鍛造用粗材を鋳造する。
【０００６】
また、アルミニウム合金粉末で成形する方法は、たとえば、特開２００３−９６５２４号公報に次のような開示がある。急冷凝固Ａｌ合金粉末を用いて、より軽量でより耐熱特性に優れるカップ状成形品を熱間鍛造によって作れるようにするために、Ｓｉ：１０〜４０ｍａｓｓ％、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｖから選ばれた少なくとも２種以上の元素を合計で３〜１１ｍａｓｓ％、残部が実質的にＡｌからなる急冷凝固Ａｌ合金粉末をアトマイズ法で作製し、それを冷間予備成形し、次に４３０℃以上の温度にさらされる時間を５時間以内に制限して４３０℃〜５３０℃に加熱して予備成形体を熱間塑性加工し、９９％以上の相対密度の緻密体とし、それをカップ状成形品の粗形状に熱間鍛造し、鍛造品を機械加工して完成品のカップ状成形品を得るようにする。
【特許文献１】特開平６−１９０４９３号公報
【特許文献２】特開平１０−８０７６１号公報
【特許文献３】特開２００３−９６５２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来は、エンジンピストンの場合、密閉鍛造で本成形１回の鍛造を実施して、形状を得ていた。ところが、高温強度はあるが伸びにくい難加工性材料を用いて、１回本成形すると鍛造品に割れが発生した。また、割れの発生を抑えるために、鍛造温度などを上げて成形性を良くして、割れを改善する方法があるが、本発明で用いる難加工性材料に対して実施しても鍛造品に割れが発生した。具体的には、図１５に示すような例がある。図１５は、従来の鍛造成形プロセスの一例を模式的に示した説明図である。工程（Ｅ）で棒状材を所定の長さに切断した鍛造用素材１を工程（Ｆ）で据え込み処理し、成形品の直径に近くまで径を大きくする。
その後、第二工程（Ｇ）、（Ｈ）にて、最終形状に鍛造成形する。通常の合金組成の鍛造用素材であれば、この工法によって、最終成形品を製造することができる。しかし、本発明で使用する合金の場合は、第二工程の成形途中である工程（Ｇ）でＧＧ部位に割れが発生する。割れた口は、厚肉部が完全に充満した時点で再度閉じるという過程を経ている。最終成形品の外観検査、インクチェックによってその欠陥が観測される。縦方向の断面を観察すると、その深さは、表面から３〜１０ｍｍ位まで到達している。
【０００８】
図１６に示す従来の鍛造成形プロセスに於いても同様に、工程（Ｅ）で棒状材を所定の長さに切断した鍛造用素材２を工程（Ｆ）で据え込み処理し、成形品の直径に近くまで径を大きくする。その後、第二工程（Ｇ）、（Ｈ）にて、最終形状に鍛造成形する。しかし、本発明で使用する合金の場合は、第二工程の成形途中である工程（Ｇ）でＧＧ部位に割れが発生する。割れた口は、厚肉部が完全に充満した時点で再度閉じるという過程を経ている。本例は、第一工程で成形する形状が複数の凹凸を有する形状である。
このように、難加工材を用いて、前方押ししながら、後方に形状を作ろうとすると割れを改善できない。特にエンジンピストンの場合、ピンボス側の中子部で三点曲げが働き、冠面側に割れが発生する。
【０００９】
そこで、特開２０００−２１３４１２号公報に開示が有るように、割れが発生しても、機械加工で除去できるので、余肉をつけて、そこに欠陥を持っていって最終的に削除することで回避することが検討されている。しかしこの方法では、余肉部を削除するために材料歩留まりが悪い。
一方では、前述したように予備成形により鍛造素材を得た後に本成形する方法が検討されてきたが充分な結果を得られていない。
例えば、特開平１０−８０７６１号公報、特開平６−１９０４９３号公報の方法では、鋳造により鍛造用素材を成形後に鍛造する方法が開示されているが、鋳造により成形された鍛造用素材は、内部にポロシティが多数あるので、たとえ、充分な高温強度を有したとしても品質の高い成形品が得られない。
【００１０】
また、特開２００３−９６５２４号公報の方法は、アルミ合金粉末を緻密体にするために予備成形加工することが述べられているだけで、実際の鍛造成形時の割れ防止についての開示はない。
この発明は上記に鑑み提案されたもので、難加工材を用いて最終製品で割れの発生していない製品、およびその製造方法、上記製品を安定して生産する鍛造装置、鍛造生産システム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】
【００１１】
（１）前記目的を達成するために、第１の本発明は中心部位の鍛造方向両側に厚肉部位を有する鍛造成形品の製造方法において、（成形時の素材温度×０．７）℃での機械的特性は、引張応力が７０〜１２０ＭＰａ、０．２％耐力が４０〜８０ＭＰａ、伸びが１５〜２５％、疲労強度が４５〜８５ＭＰａであるアルミニウム合金製難加工性材料を鍛造用素材として用いて、一方の厚肉部位の形状として最終形状の９７体積％以上まで成形した予備成形品を一次成形金型を用いて得る第一工程鍛造の後、第二工程鍛造として、前記予備成形品の一方の厚肉部位との間の隙間が３％体積以下となる形状の成形孔を有する金型と、他方の厚肉部位を成形するための成形孔を有する金型からなる二次成形金型により、前記予備成形品の一方の厚肉部位と金型とがほぼ全域に亘って接触した状態を維持しながら前記一方の厚肉部位と他方の肉厚部位を最終形状まで成形し、得られる鍛造成形品の中心部位の平均厚さ（Ｌ）と、他方の厚肉部位の最大厚さ（Ｄ）との比（Ｌ／Ｄ）が１／２〜１／２０であることを特徴とする鍛造成形品の製造方法である。
（２）前記鍛造成形品がエンジンピストンであって、中心部位は該エンジンピストンの天井部位であり、他方の厚肉部位はピンボス部位であることを特徴とする上記（１）に記載の鍛造成形品の製造方法である。
【００１２】
本発明において、前記鍛造成形品の中心部位の平均厚さ（Ｌ）と、他方の厚肉部位の最大厚さ（Ｄ）との比（Ｌ／Ｄ）は１／２〜１／２０である。
【００１３】
また、本発明において、前記厚肉部位のほぼ最終形状とは、最終形状の９７体積％以上をいい、第二工程鍛造における金型と前記予備成形品の一方の厚肉部位との間のことをいう微小隙間は、３体積％以下である。
【００１４】
また、本発明において、前記アルミニウム合金製難加工性材料の、（成形時の素材温度×０．７）℃での機械的特性は、引張応力が７０〜１２０ＭＰａ、０．２％耐力が４０〜８０ＭＰａ、伸びが１５〜２５％、疲労強度が４５〜８５ＭＰａである。
【００１５】
（３）また、本発明は、前記アルミニウム合金製難加工性材料は、Ｓｉ：１０．５〜１３．５質量％、Ｃｕ：３〜５質量％、Ｎｉ：１〜３質量％、Ｆｅ：０．１〜０．５質量％、Ｍｇ：０．８〜１．２質量％を含有したアルミニウム合金の急冷連続鋳造棒である上記（１）または（２）に記載の鍛造成形品の製造方法である。
【００１６】
（４）また、本発明は、前記アルミニウム合金製難加工性材料は、Ｓｉ：１１〜１２質量％、Ｃｕ：３〜５質量％、Ｍｇ：１〜１．４質量％、Ｆｅ：４〜６質量％を含有したアルミニウム合金を大気アトマイズ法によって粉末状にした後、ビレット状に圧縮成形後、熱間押出によって丸棒状に成形し切断したものである上記（１）または（２）に記載の鍛造成形品の製造方法である。
【００１７】
（５）また、本発明は、前記予備成形品の一方の厚肉部位の成形時の引張応力が、（成形時の素材温度×０．７）℃での引張応力の値以下である上記（１）〜（４）のいずれか１に記載の鍛造成形品の製造方法である。
【００１８】
（６）また、本発明は、前記予備成形品の一方の厚肉部位の成形時の伸びが、（成形時の素材温度×０．７）℃での伸びの値を超えないように成形するものである上記（１）〜（５）のいずれか１に記載の鍛造成形品の製造方法である。
【００１９】
（７）また、本発明は、前記第一工程鍛造（予備成形）に用いる金型温度は、１００℃〜４００℃、第二工程鍛造（本成形）に使用する素材温度は３５０〜５００℃でそれぞれ保持されることを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれか１に記載の鍛造成形品の製造方法である。
【００２０】
（８）また、本発明は、前記第一工程鍛造（予備成形）で成形された鍛造用素材に、第二工程鍛造（本成形）投入前に、潤滑処理を実施した後、本成形する上記（１）〜（７）のいずれか１に記載の鍛造成形品の製造方法である。
【００２１】
なお、本発明において予備成形品は、中心部位の鍛造方向両側に厚肉部位を有する鍛造成形品の製造方法に用いられるアルミニウム合金製難加工性材料からなり、一方の厚肉部位の最終形状の９７体積％以上の成形形状を有する。
【００２２】
（９）また、本発明において鍛造成形品は、上記（１）〜（８）のいずれか１に記載の鍛造成形品の製造方法から得られる。
【００２３】
（１０）また、本発明において、上記（９）に記載の鍛造成形品はエンジンピストンであって、前記中心部位がエンジンピストンの天井部位で、厚肉部位がピンボス部位であることを特徴とする鍛造成形品である。
【００２４】
（１１）また、本発明は、上記（１）〜（８）のいずれか１に記載の鍛造成形品の製造方法に用いられ、前記第一工程鍛造に用いられる一次成形金型と、前記第二工程鍛造に用いられる二次成形金型とを有する鍛造成形装置である。
【００２５】
（１２）また、本発明は、前述した（１１）に記載の鍛造成形装置を含んで構成された鍛造品製造システムである。
【発明の効果】
【００２６】
この発明は前記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。
【００２７】
本発明は、中心部位の鍛造方向両側に厚肉部位を有する鍛造成形品の製造方法において、アルミニウム合金製難加工性材料を鍛造用素材として用いて、一方の厚肉部位の形状として最終形状の９７体積％以上まで成形した予備成形品を一次成形金型を用いて得る第一工程鍛造の後、第二工程鍛造として、前記予備成形品の一方の厚肉部位との間の隙間が３％体積以下となる形状の成形孔を有する金型と、他方の厚肉部位を成形するための成形孔を有する金型からなる二次成形金型により、前記予備成形品の一方の厚肉部位と金型とがほぼ全域に亘って接触した状態を維持しながら一方の厚肉部位と他方の肉厚部位を最終形状まで成形する第二工程鍛造とを有するので、アルミニウム合金製難加工性材料を鍛造用素材として用いている場合であっても、一方の厚肉部が金型と常に接触した状態で、他方の厚肉部を成形できるので、一方の厚肉部に自由鍛造面が発生しない状態で鍛造成形品を成形できるので割れのない成形品が出来る。また、割れの発生を抑えることができるので、割れの発生に備えて余肉を設けて、そこに割れを発生させた後にその部分を機械加工で除去するという回避策を実施する必要が無いので、材料歩留まりが良くなる。
【００２８】
また、本発明において前記鍛造成形品の中心部位の平均厚さ（Ｌ）と、厚肉部位の最大厚さ（Ｄ）との比（Ｌ／Ｄ）が１／２〜１／２０であるので、このような形状とすることにより、本発明の効果がより確実に達成できる。さらに、中心部位に割れのない製品が出来るので、割れを考慮して、中心部位を厚くする必要がなく、中心部位を薄肉化でき、鍛造成形品の軽量化が出来る。
【００２９】
また、本発明において、前記厚肉部位のほぼ最終形状とは、最終形状の９７体積％以上であり、第二工程鍛造における金型と前記予備成形品の一方の厚肉部位との間のことをいう微小隙間は、３体積％以下であるので、本発明の効果がより確実に達成できる。
また、本発明において、前記アルミニウム合金製難加工性材料の高温下（例えば、成形時の素材温度×０．７）℃である３００℃）での機械的特性は、引張応力が７０〜１２０ＭＰａ、０．２％耐力が４０〜８０ＭＰａ、伸びが１５〜２５％、疲労強度が４５〜８５ＭＰａであるので、材料の高温疲労強度が高いので、近年、高温強度特性が要求される鍛造成形品（例えばエンジンピストン等）に使える点が好ましい。また、成形品が、高出力、高温下の環境下で過酷に使用しても破壊しない鍛造成形品となる。
【００３０】
また、本発明において、前記アルミニウム合金製難加工性材料は、Ｓｉ：１０．５〜１３．５質量％、Ｃｕ：３〜５質量％、Ｎｉ：１〜３質量％、Ｆｅ：０．１〜０．５質量％、Ｍｇ：０．８〜１．２質量％を含有したアルミニウム合金の急冷連続鋳造棒であるので 、Ｃｕ、Ｎｉの含有量が大きくなると高温引張強度、０．２％耐力、高温疲労強度が高くなり、高温強度特性が要求される鍛造成形品（例えばエンジンピストン等）に使用できる。
【００３１】
また、本発明において、前記アルミニウム合金製難加工性材料は、Ｓｉ：１１〜１２質量％、Ｃｕ：３〜５質量％、Ｍｇ：１〜１．４質量％、Ｆｅ：４〜６質量％を含有したアルミニウム合金を大気アトマイズ法によって粉末状にした後、ビレット状に圧縮成形後、熱間押出によって丸棒状に成形し切断したものなので、Ｃｕ、Ｎｉの含有量が大きくなると高温引張強度、０．２％耐力、高温疲労強度が高くなり、高温強度特性が要求される鍛造成形品（例えばエンジンピストン等）に好適に使用できる。
【００３２】
また、本発明において、前記予備成形品の一方の厚肉部位の成形時の引張応力が、（成形時の素材温度×０．７）℃での引張応力の値以下であるので、予備成形にて一方の厚肉部に適切な圧縮応力を付与することにより、塑性加工性を維持できる温度においても割れの発生を抑えることができる。更に、予備成形で、高温引張応力以下の応力で予備成形品を割れなく成形する事ができ、本成形においても割れを抑えることが出来る。例えば、（成形時の素材温度×０．７）℃の引張応力値とは、３００℃での引張応力値、例えば７０ＭＰａを挙げることができる。また、実際のプレスでは、応力を測定する事はできないが、事前にシミュレーションを実施してこのように設計する事により、割れの予測が出来る。シミュレーションにより、無駄な試験回数、鍛造用素材などを使わなくてすみ、開発のスピードの短縮とコスト削減が実現できる。
【００３３】
また、本発明において、前記予備成形品の一方の厚肉部位の成形時の伸びが、（成形時の素材温度×０．７）℃での伸びの値を超えないように成形するので、予備成形で、高温伸びを超えないひずみ値で予備成形品を割れなく成形して作る事ができ、本成形においても割れを抑えることが出来る。例えば、（成形時の素材温度×０．７）℃の伸び値とは、３００℃での伸び値、例えば１５％を挙げることができる。また、実際のプレスでは、ひずみを測定する事はできないが、事前にシミュレーションを実施して、このように設計する事により、割れの予測が出来る。また、シミュレーションにより、無駄な試験回数、鍛造用素材などを使わなくてすみ、開発のスピードの短縮とコスト削減が実施できる。
【００３４】
また、本発明において、前記第一工程鍛造（予備成形）に用いる金型温度は、１００℃〜４００℃、第二工程鍛造（本成形）に使用する素材温度は３５０〜５００℃でそれぞれ保持される。この範囲より金型温度が低いと素材温度が下がり、割れが発生し易くなる。金型温度を高温下で保持できる事により、鍛造用素材は金型に熱を奪われなくなり（冷えにくくなり）、割れが発生しに難くなる。
【００３５】
また、本発明において、前記第一工程鍛造（予備成形）で成形された鍛造用素材に、第二工程鍛造（本成形）投入前に、潤滑処理を実施した後、本成形するので、予備成形品に潤滑処理（予備潤滑）を実施する事により、成形性が良くなり、成形荷重が低減する。金型への潤滑材塗布量を少なく出来る（コストダウン）等のメリットがある。
【００３６】
また、上記予備成形品は、中心部位の鍛造方向両側に厚肉部位を有する鍛造成形品の製造方法に用いられるアルミニウム合金製難加工性材料からなり、一方の厚肉部位の最終形状の９７体積％以上の成形形状を有し、本成形時に一方の厚肉部が金型と常に接触した状態で、他方の厚肉部を成形できるので、一方の厚肉部に自由鍛造面が発生しない状態で鍛造成形品を成形できるので割れがない、難加工性材料からなる成形品が出来る点が好ましい。
【００３７】
また、本発明において、前述した予備成形品を、本成形した鍛造成形品であるので、本成形時に一方の厚肉部が金型と常に接触した状態で、他方の厚肉部を成形でき、一方の厚肉部に自由鍛造面が発生しない状態で鍛造成形品を成形するので割れがなく、難加工性材料からなる成形品であるので好ましい。
【００３８】
また、本発明において、前記中心部位がエンジンピストンの天井部位で、厚肉部位がピンボス部位であるので、予備成形と本成形を組み合わせて実施する事により、冠面形状を予備成形時に作り、本成形では、その形状が金型に接触したままピンボス部が成形される。したがって、冠面（ピストンヘッド）に割れがない、難加工性材料からなる鍛造品であるところのエンジンピストンが得られる。
【００３９】
また、本発明における鍛造成形装置は、第一工程鍛造に用いられる一次成形金型と、前記第二工程鍛造に用いられる二次成形金型とを有するので、難加工性材料を用いた中心部位の鍛造方向両側に厚肉部位を有する鍛造成形品を、割れ欠陥を発生させること無く安定して成形できる。
【００４０】
また、本発明において、前述した鍛造成形装置を含んで構成されたので、難加工性材料を用いた中心部位の鍛造方向両側に厚肉部位を有する鍛造成形品を、割れ欠陥を発生させること無く安定して成形できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下にこの発明の実施の形態の一例を説明する。図１は、本願発明の鍛造成形プロセスを模式的に示した説明図、図２は本発明の方法で製造する中心部位の鍛造方向両側に厚肉部位を有する成形品の一例を示す断面図である。
図１において、工程（Ａ）で棒状材を所定の長さに切断した鍛造用素材１０を準備し、工程（Ｂ）で厚肉部位１１の最終形状の９７体積％以上を成形する。ここで９７体積％とは、第一工程鍛造でほとんど最終形状と同一の厚肉部位１１の形状を成形することであり、現実には本成形に使用する上金型と厚肉部位との間に僅かなクリアランスが存在するという意味である。
【００４２】
これらの（Ａ）＋（Ｂ）工程を第一工程鍛造（予備成形）という。その結果、一次成形品の厚肉部位１１には、圧縮応力が残留していると考えられる。
次に、その一次成形品（予備成形品）Ｙを、本成形である工程（Ｃ）、（Ｄ）に投入して厚肉部位１２を成形して最終成形品Ｚとする。その結果、引張応力は発生しなくなり、割れの発生を抑えることが出来る。一般に、引張強度は、温度が上がると低くなり割れやすくなる傾向があり、塑性加工性は温度が下がると加工性が悪くなる。本発明では、予備成形で厚肉部位１１の最終形状の９７体積％以上を成形することで適切な圧縮応力を付与し、第二工程目において塑性加工性を維持できる温度においても割れを抑えることができる。
【００４３】
＜最終成形品の説明＞
図２に示すのは、本発明の鍛造品であるエンジンのピストンヘッド１３の縦断面図である。図２に示すように、本発明の鍛造成形品の製造方法で製造する成形品は、中心部位Ｍと、鍛造方向の前後両側に厚肉部位Ｓ，Ｔを備えている。ここでは、中心部位Ｍの平均厚さ（Ｌ）と、厚肉部位の最大厚さ（Ｄ）との比（Ｌ／Ｄ）が１／２〜１／２０となっている。例えば、エンジンピストンの場合では、中心部位Ｍの体積と、厚肉部位Ｔの体積との比が０．７〜１．２となっている。塑性加工率は７５％以上である。
【００４４】
ここで、中心部位とは、成形品の体積が集中した部分で、具体的にはエンジンピストンの場合は、図２の中心部位Ｍ（天井厚さ）の部位に該当する。厚肉部位とは、その厚さが中心部位の厚さに対して大きい部位を意味し、具体的にはエンジンピストンの場合は、図２の厚肉部位Ｔ（ピンボス部）の部位および厚肉部位Ｓに該当する。
【００４５】
＜急冷連続鋳造による棒の製造方法＞
本発明に用いる素材の製法は、連続鋳造、押出、圧延等いずれであっても良い。アルミニウムやアルミニウム合金の場合、連続鋳造された丸棒材が安価で好ましい。例えば、昭和電工株式会社製ＳＨＯＴＩＣ材（登録商標）が挙げられる。アルミニウム合金においては、気体加圧式ホットトップ鋳造法で連続鋳造された丸棒材が、優れた内部健全性を持ち、結晶粒が微細であり、かつ、塑性加工による結晶粒の異方性がないため、摩擦抵抗部の抵抗効果を安定的に得ることができるので好ましい。
【００４６】
＜素材（粉末）の説明＞
組成
素形材の材料としては、鍛造で塑性加工が困難なＡｌ−Ｓｉ系合金として、急冷凝固粉末を用いたＡｌ−Ｓｉ系粉末冶金合金を用いることもできる。Ｓｉ：１１〜１２％、Ｃｕ：３〜５％、Ｍｇ：１〜１．４％、Ｆｅ：４〜６％を含有したアルミニウム合金が好ましい。
耐摩耗性向上のためＳｉを添加する。Ｓｉの好ましい含有量は１１〜１２である。高温引張強度、高温疲労強度を向上させるため、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇを添加する。好ましい含有量範囲としては、Ｃｕ：３〜５、Ｆｅ：４〜６、Ｍｇ：１〜１．４である。
高温疲労強度が高くなると、高温強度特性が要求される鍛造成形品（例えばエンジンピストン等）に使える点が好ましい。
＜粉末材からの棒の製造方法＞
所定の上記の組成に調整した溶湯を、大気アトマイズ法によって急速冷却で凝固させて粉末状にする。粉末を混合した後、ビレット状（例えば直径２００ｍｍ）に圧縮成形後、例えば、熱間押出によって隙間の無い均一組織の粉末押出材として丸棒状（例えば直径８４ｍｍ）に成形する。
このようにして得られた合金は、アトマイズ粉末の組織が１０μｍ以下の初晶および共晶Ｓｉを含む微細組織であり、遷移元素Ｘ（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ）の添加により生成したＸを含む金属間化合物も押出処理によって破断されて微細・均一組織となっているので、高温引張応力、高温疲労強度特性が高くなるので好ましい。
【００４７】
＜第一工程鍛造用上下金型の説明＞
図３は、本発明の鍛造成形品の製造方法の第一工程鍛造に使用される上下金型の一例を示す断面図である。
本実施例において上金型１４の成形孔１５が、中心部位Ｍの上方に形成される厚肉部位Ｓの最終形状の９７体積％以上を成形する形状となっている。
ここで、厚肉部位Ｓの最終形状の９７体積％以上とは、図２に示す厚肉部位Ｓの「最終形状の輪郭形状」と「予備成形品の輪郭形状」とを比較して、一致する範囲が９７％以上（ほとんど同一の形状を成形する）という意味である。また、厚肉部位Ｓの最終形状の９７％以上を成形した部位が自由鍛造で成形されるように成形孔１５の形状を設けることもできる。
下金型１６は、鍛造用素材１０がほぼそのままの形で収納される成形孔１７が形成されるとともに、製品を排出するノックアウトピン１８が配設されている。
【００４８】
＜第二工程鍛造用上下金型の説明＞
図４は、本発明の鍛造成形品の製造方法の第二工程鍛造に使用される上下金型の一例を示す断面図である。
本実施例において、上金型１９の成形孔２０が、予備成形品Ｙの一方の厚肉部位２２との間の隙間が３体積％以下となる形状となっている。
ここで、予備成形品Ｙの一方の厚肉部位２２と上金型１９との間の隙間が３体積％以下とは、厚肉部位２２の最終形状の輪郭形状と上金型の成形孔２０の輪郭形状とを比較して、一致しない範囲が３体積％以下という意味であり、ほとんど隙間無しの状態で成形するという意味である。
また、下金型２３には、厚肉部位Ｔを形成するための成形孔２４が形成されており、製品を排出するためのノックアウトピン２５が配設されている。
【００４９】
＜鍛造装置の説明＞
本発明で使用する鍛造は型鍛造であり、本発明に用いる鍛造装置の構成の一例を図面をもとに説明する。図５は、本発明の一実施例を示す鍛造装置の概略構成図である。ここで、鍛造装置は、鍛造機５０と、上ボルスター５１に取りつけられた上金型１９と、下ボルスター５２に取り付けられた下金型２３とを含むものである。本装置に用いる金型の一例は、図４に示したものと同様である。金型は、上金型１９と、下金型２３と、ノックアウトピン５３とを含むものである。本図では、成形品の一方の厚肉部位Ｓ（エンジンピストンの場合は冠面部）を上金型１９で、他の最大厚さの厚肉部位Ｔ（エンジンピストンの場合はピンボス部）を下金型２３で形成する金型の組み合わせである。一方の厚肉部位Ｓを成形する上金型１９は底面中央部の突起部を形成するような成形孔２０を有している。
また、他の実施例（図示せず）として、一方の厚肉部位Ｓ（エンジンピストンの場合は冠面部）は下金型を用いて、他の最大厚さの厚肉部位Ｔ（エンジンピストンの場合はピンボス部）を上金型を用いて形成する金型の組み合わせとすることもできる。
【００５０】
＜第一工程の説明＞
第一工程は、例えば、図５に示した鍛造装置、および図３に示した鍛造金型を用いて鍛造成形する。図６は、第一工程鍛造で成形する形状が複数の凹凸を有する場合の鍛造成形プロセスを模式的に示した説明図である。図６において、工程（Ａ）で棒状材を所定の長さに切断した鍛造用素材１０を準備し、工程（Ｂ）で厚肉部位２６の最終形状の９７体積％以上を成形する。本実施例において、厚肉部位２６は複数の凹凸を有している。鍛造用素材１０は、成形品に合わせて丸棒材を所定の長さに切断して準備する。鍛造用素材１０は鍛造する前に予備加熱処理を施す。予備加熱処理の温度条件は３５０℃〜（アルミニウム合金の固相線温度−１０）℃での範囲とするのが好ましい。処理時間は鍛造用素材全体の温度が予備加熱温度範囲に到達するまでとし、その後鍛造工程に入る。３５０℃未満では鍛造用素材１０を熱間鍛造した時に充分な塑性流動が得られず、又（アルミニウム合金の固相線温度−１０）℃を超えると鍛造用素材にバーニング（局所溶解）が発生するおそれがある。バーニングが発生すると鍛造製品の強度が激しく劣化するか、製品がフクレ、ミクロシュリンケージなどの局所溶解による欠陥を生じる場合があるので好ましくない。より好ましくは、４２０℃〜４８０℃さらに好ましくは４６０±２０℃である。
【００５１】
鍛造は通常、熱間にて行われるので、鍛造用素材１０に予備加熱を行うだけでなく、金型も加熱する。加熱温度は１００〜４００℃とすることができる。加熱温度は、鍛造する形状、鍛造設備の種類、使用される鍛造用素材の合金の種類、その他鍛造上の要因によって選択される。温度が低すぎると鍛造用素材からの抜熱が大きくなり、加工性が劣って鍛造用素材の塑性流動が不十分となる。温度が高すぎると、金型の強度が低下し、摩耗、欠けなどの破損が起こりやすく、金型寿命の観点から好ましくない。
より好ましくは、金型温度１５０℃〜２５０℃、さらに好ましくは２５０℃〜３５０℃である。
【００５２】
鍛造に際しては、金型に潤滑剤を塗布してから実施するのが好ましい。製品が汚れにくく、環境に優しく、比較的安価で、引火性の少ない水溶性潤滑剤が好ましい。但し、場合によっては、金型寿命を向上させたり、製品の成形性を向上させるために油性潤滑剤を併用してもかまわない。
鍛造用素材には、基本的には、潤滑材処理を施さないのが好ましい。素材潤滑を実施する事により、一工程増え、コストアツプになるからである。また、潤滑剤を使用しないほうが、環境には良いからである。但し、成形品の形状によっては、成形性を良くしたり、荷重低減、金型潤滑量を減らす目的で潤滑剤処理を実施してもよい。
【００５３】
図３に示すように、準備した鍛造用素材１０を上金型１４、下金型１６により形成される空間（成形孔）に押し込み、予備成形品Ｙに鍛造成形する。成形荷重は、直径約１００ｍｍの成形品を得る場合は、例えば、１５０〜３００トンとする。成形された鍛造用素材はノックアウトピン１８により下金型１６から取出され、予備成形品Ｙとなる。
【００５４】
＜第一工程済成形品の説明＞
ここで得られた予備成形品Ｙは、一方の厚肉部位２６の最終形状の９７体積％以上を成形した予備成形品Ｙである。
以上により、一方の厚肉部位２６の最終形状の９７体積％以上を成形した形状部位の応力が（備成形時の素材温度×０．７）℃における引張応力値以下、たとえば７０ＭＰａ以下の引張応力で成形される予備成形品Ｙを得ることができる。また、予備成形品の一方の厚肉部位の成形時の伸びが、（成形時の素材温度×０．７）℃での伸びの値を超えない値とする。
また、一方の厚肉部位２６の最終形状の９７体積％以上を成形した部位（図４に符号２２で示す）は自由鍛造で成形することが可能であるが、第一工程で用いる金型１９（通常上金型）の成形孔２０が一方の厚肉部位の最終形状の９７体積％以上を成形した形状を有していて、第一工程で鍛造用素材をその形状を有した成形孔２０に充満させることが好ましい。
これによって、二次成形時において、確実に、予備成形品Ｙと二次成形金型（上金型）が接触した状態で、二次金型（下金型）の最大厚さの厚肉部位を成形でき、上型形状の一方の厚肉部位に圧縮応力をかけたまま最終製品が成形できる為、健全な成形品が得られるからである。
【００５５】
＜第二工程の説明＞
次に、図５に示した鍛造装置および図４に示した鍛造金型を用いて第二工程鍛造を行う。先ず、予備成形品Ｙは鍛造する前に予備加熱処理を施す。予備加熱処理の温度条件は３５０℃〜（アルミニウム合金の固相線温度−１０）℃での範囲とするのが好ましい。処理時間は、鍛造用素材全体の温度が予備加熱温度範囲に到達するまでとし、その後鍛造工程に入る。３５０℃未満では予備成形品Ｙを熱間鍛造した時に充分な塑性流動が得られず、又（アルミニウム合金の固相線温度−１０）℃を超えると予備成形品Ｙにバーニング（局所溶解）が発生するおそれがある。バーニングが発生すると鍛造製品の強度が激しく劣化するか、製品がフクレ、ミクロシュリンケージなどの局所溶解による欠陥を生じる場合があるので好ましくない。より好ましくは、４２０℃〜４８０℃さらに好ましくは４６０±２０℃である。
【００５６】
鍛造は通常、熱間にて行われるので、予備成形品Ｙに予備加熱を行うだけでなく、金型も加熱する。加熱温度は、１００〜４００℃とする。加熱温度は、鍛造する形状、鍛造設備の種類、使用される予備成形品Ｙの合金の種類、その他鍛造上の要因によって選択される。温度が低すぎると予備成形品Ｙからの抜熱が大きくなり、加工性が劣って予備成形品Ｙの塑性流動が不十分となる。また、温度が高すぎると、金型の強度が低下し、摩耗、欠けなどの破損が起こりやすく、金型寿命の観点から好ましくない。
より好ましくは、金型温度１５０℃〜２５０℃、さらに好ましくは２５０℃〜３５０℃である。
鍛造に際しては金型に潤滑剤を塗布してから実施するのが好ましい。製品が汚れにくく、環境に優しく、比較的安価なので、水溶性潤滑剤が好ましい。但し、場合によっては、金型寿命を向上させたり、製品の成形性を向上させるために油性潤滑剤を併用してもかまわない。
【００５７】
予備成形品Ｙには、潤滑処理（アルボンデ処理、ステアリン酸ナトリウム処理、水溶性黒鉛皮膜処理、ショットブラスト処理など）を施すのが好ましい。潤滑処理を実施する事により、成形性がよくなり、荷重が減少するため金型寿命が向上し、金型潤滑量も低減できる。
【００５８】
図４に示すように、準備した予備成形品Ｙを上金型１９、下金型２３により形成される空間成形孔）に押し込み、最終成形品に鍛造成形する。成形荷重は、直径約１００ｍｍの成形品を得る場合は、例えば、３５０〜６００トンとすることができる。
【００５９】
第二工程においては、予備成形品Ｙの一方の厚肉部位２２と上金型１９との間の隙間が３体積％以下の状態を維持しながら最終形状に成形することが肝要である。前述した金型を使用することで予備成形品Ｙの一方の厚肉部位２２と金型との間の隙間が３体積％以下の状態を維持することができる。また、予備成形品Ｙを金型中心に設置することで予備成形品Ｙの一方の厚肉部位と金型との間の隙間が３体積％以下の状態をより正確に維持することができる。また、ロボット等を用いて、予備成形品Ｙを投入した場合、より正確となる。
成形された最終成形品はノックアウトピン２５により下金型２３から取出される。
【００６０】
＜第二工程済成形品の説明＞
本発明で得られた、最終成形品Ｚは、高温引張強度、高温疲労強度に優れたものであって、表面に割れ欠陥の発生の無いものとなる。
鍛造によって得られた第二工程済成形品は、そのまま使用することも出来るが、Ｃｕ、Ｍｇなどが添加された合金では、熱処理によって材料の機械的特性が向上するので、熱処理として人工時効処理を施すのが好ましい。人工時効処理は、たとえば、加熱温度が４００〜５５０℃で保持時間を１〜１０時間行った後に直ちに成形品素材を水中に没して行う溶体化処理と、その後１５０〜２５０℃で１〜２０時間の焼き戻しを行うことが好ましい。これにより、硬度を始めとして、機械的特性（例えば引張強度、０．２％耐力）や疲労強度を高めることが出来る。
【００６１】
その後、最終成形品Ｚは機械加工工程に供せられて、機械加工が施され、例えば、穴明け加工、面削加工、溝加工、その他の加工を施すことにより最終製品の形状に仕上げられる
【００６２】
＜変形例の説明＞
図７〜図１１は、第一工程鍛造で使用する上下金型と第二工程鍛造で使用する上下金型の他の変形例を示す説明図である。図７（ａ）は、図６に示す複数の凹凸を備えた厚肉部位２６を有する予備成形品Ｙを得るための第一工程鍛造で使用する上金型７０、下金型７１を示すもの、図７（ｂ）は、最終成形品Ｚを得るための第二工程鍛造で使用する上金型７２、下金型７３を示すものである。
また、図８（ａ）（ｂ）は、上に単純な凸形状を有する厚肉部位２７を有する予備成形品Ｙ、さらに下に左右非対称な厚肉部位を有する最終成形品Ｚを得るための第一工程鍛造で使用する上金型８０、下金型８１、および第二工程鍛造で使用する上金型８２、下金型８３を示すものである。
また、図９（ａ）（ｂ）は、上に盛り上がりの大きな凸形状を有する厚肉部位２８を有する予備成形品Ｙ、さらに下に左右対称な厚肉部位を有する最終成形品Ｚを得るための第一工程鍛造で使用する上金型９０、下金型９１、および第二工程鍛造で使用する上金型９２、下金型９３を示すものである。
また、図１０（ａ）（ｂ）は、上に左右非対称の凹凸形状を有する厚肉部位２９を有する予備成形品Ｙ、さらに下に左右対称な厚肉部位を有する最終成形品Ｚを得るための第一工程鍛造で使用する上金型１００、下金型１０１、および第二工程鍛造で使用する上金型１０２、下金型１０３を示すものである。
また、図１１（ａ）（ｂ）は、上に左右非対称な凸形状を有する厚肉部位３０を有する予備成形品Ｙ、さらに下に左右非対称な厚肉部位を有する最終成形品Ｚを得るための第一工程鍛造で使用する上金型１１１、下金型１１２、および第二工程鍛造で使用する上金型１１３、下金型１１４を示すものである。
【００６３】
図１２は、連続鋳造材を使用した製造工程を示すフローチャート図である。図１２（ａ）に示す従来の製造工程では、連続鋳造材を切断し、面削した後、予備潤滑し、素材加熱、本成形し、熱処理後、検査を行っていた。これに対して、図１２（ｂ）に示す本発明では、連続鋳造材を切断し、面削した後、素材加熱してプリフォーム形状鍛造を行う。その後、予備潤滑し、素材加熱、本成形し、熱処理後、検査を行うものである。  
【００６４】
図１３は、粉末材を使用した製造工程を示すフローチャート図である。図１３（ａ）に示す従来の製造工程では、粉末アトマイズ製法材を所定の長さに切断し、面削した後、予備潤滑し、素材加熱、本成形し、熱処理後、検査を行っていた。これに対して、図１３（ｂ）に示す本発明では、粉末アトマイズ製法材を所定の長さに切断し、面削した後、素材加熱してプリフォーム形状鍛造を行う。その後、予備潤滑し、素材加熱、本成形し、熱処理後、検査を行うものである。
【００６５】
＜鍛造ラインの説明＞
図１４は、本発明の鍛造品製造システムの一例を示す概略構成図である。この鍛造生産システムは、連続鋳造装置７０１、均質処理装置７０２、矯正装置７０３、ピーリング装置７０４、素材切断装置７０５、予備潤滑処理装置７０７、素材加熱処理装置７０８、および鍛造装置（鍛造機械）７０９から構成される。鍛造装置７０９は、上記の鍛造用金型を含んだ構成である。
鍛造装置が１台の場合は第一工程（１Ｆ工程）／第二工程（２Ｆ工程）の金型を段取り換えする。または、第一工程、第二工程それぞれ専用の鍛造装置を設けてもよい。
また、必要に応じて、鍛造装置７０９の後段に、溶体化加熱装置７１０、焼き入れ装置７１１、時効処理装置７１２を設けてもよい。また、連続鋳造装置７０１の前段に、溶湯の純度を良くするための溶湯処理装置（図示省略）を設けてもよい。
また、必要に応じて、第一工程、第二工程の鍛造装置の前に鍛造用素材の予備加熱、さらに潤滑処理をする装置を設けることができる。
そして、各装置間の搬送に自動搬送装置を設けることで一貫生産ラインを構成することができる。さらに、素材供給装置（図示せず）と、素材搬送装置（図示せず）と、成形品搬出装置（図示せず）とを含ませた一貫自動生産システムがより好ましいシステムである。
【００６６】
上記の各装置のうち、素材切断装置７０５は、鍛造用素材を所定の長さに切断するためのものである。素材供給装置は一定量の鍛造用素材をホツパー内に保留し、次工程へ鍛造用素材を供給するためのものである。素材搬送装置は鍛造用素材を金型へ搬送するためのものである。
均質処理装置７０２は、材料を均質化処理するためのものであり、省略することができる。鍛造装置７０９は、鍛造用素材を鍛造するためのものである。成形品搬出装置はノツクアウトピン機構により成形品を金型内から排出し次工程に搬送するためのものである。素材加熱装置７０８は、鍛造用素材を再結晶温度以上に加熱して鍛造加工性を高めるためのものである。時効処理装置７１２は、取り出した成形品を連続的に溶体化・時効処理を実施する熱処理のためのものである。
【実施例】
【００６７】
以下、具体例を示して本発明の作用効果を明確にするが、本発明はこれに限定されるものではない。図２に示した形状のエンジンピストンを、表１に示した材料を用いて、表２に示した条件で成形した。例えば、難加工材Ａは、Ｓｉが１２．８質量％、Ｆｅが０．４９質量％、Ｃｕが３．８質量％、Ｍｎが０．２３質量％、Ｍｇが１．０９質量％、Ｎｉが２．０質量％、Ｔｉが０．１質量％、Ｐが０．００９質量％の組成である。難加工材Ｂは、Ｓｉが１２．８質量％、Ｆｅが０．４５質量％、Ｃｕが３．８質量％、Ｍｎが０．２５質量％、Ｍｇが０．９質量％、Ｎｉが２．１質量％、Ｐが０．０１質量％の組成である。
材料強度は、表１に示した均質化処理、据え込み加工、Ｔ６処理（溶体化：４９５℃×１時間、水焼入れ、時効：２００℃×６時間）を実施した後に、試料を切り出し測定した。
成形品の強度測定には成形したエンジンピストンに時効処理した後に、エンジンピストンのヘッド部から試料を採取し測定した。割れ発生結果、成形性、機械強度、品質、それらの総合評価の評価結果を表に示した。
【００６８】
【表１】
0004733498.tif 000002
【００６９】
【表２】
0004733498.tif 000003
【００７０】
割れ発生は外観を目視で観察し、×は割れの発生頻度が激しいもので、◎は割れの発生頻度が５％以下もの、◎△、◎○の順で発生頻度が小さくなり、◎◎は割れの発生がほとんどないものである。成形性は外観を目視で観察し、×は割れが発生しているもの、○は寸法精度が悪いもの、◎は寸法精度が合格であるもの、◎△、◎○の順で欠肉発生頻度が小さくなり、◎◎は欠肉の発生がほとんどないものである。
【００７１】
機械特性は高温疲労強度を測定し、４５ＭＰａ未満を×、４５ＭＰａ以上を○、４８ＭＰａ以上を◎、５０ＭＰａ以上を◎○、５５ＭＰａ以上を◎◎とした。
品質は、試験片の断面を観察して「巣」や結晶粒の荒れが認められたものを×、認められなかったものを◎とした。
【００７２】
＜比較例１＞
従来の材料を使用した場合で、エンジンピストンの成形は、密閉鍛造で本成形１回の鍛造による一発成形を実施して、形状を得た。従来材の場合、成形性が良く、最終成形品に割れなどの欠陥は発生しない。しかし、従来材の場合は、近年過酷な条件が要求される高温疲労強度要件を満足しない。よって、高い高温疲労強度が得られる難加工性材の使用が必要であることを示している。
【００７３】
＜比較例２＞
難加工性材Ａを使用して、従来材と同条件で、予備成形せずに本成形１回の鍛造による一発成形を実施した結果、最終成形品に割れが発生した。高温引張強度、高温疲労強度がいくら高くても、製品に割れが発生したので、使用することは出来ない。割れの部分が起点になり、繰り返し使用していくと、破壊に至ってしまうからである。割れが発生する理由としては、難加工性材Ａは、従来材に比較して、引張強度は高いが、伸びが低いため（約１／２）成形性が悪く、割れが発生すると考えられる。
【００７４】
＜比較例３＞
本成形１回の鍛造では、加工率が高くなりすぎ割れが発生すると考え、据込による予備成形で鍛造用素材を大きくする成形を実施し、２回の加工率で成形することを試みた。しかし、最終成形品に割れが発生し、結果としては、比較例２と大きな差がなかった。
【００７５】
＜比較例４＞
割れの発生を抑えるために、鍛造温度を上げて成形性を良くして、割れの発生を改善する方法が考え、据込による予備成形と第２成形時の温度を上昇させて鍛造を実施した。成形性は向上したが、結局、本発明で用いられる難加工性材Ａに対しては、成形品に割れが発生した。
【００７６】
＜比較例５＞
第２成形時の温度をさらに、上昇させ、成形性を向上させる鍛造を試みた。素材温度としては、予備成形品でバーニング（局所融解）が発生する限界付近の温度で実施した。結果としては、成形性は比較例４より向上したが、さらに割れの発生状況は悪化した。
【００７７】
＜比較例６＞
難加工性の合金を単に鋳造した成形品では、機械的強度の要求（高温引張強さ、高温疲労強度）を満足したとしても、安定した品質を得る事が出来ない。また、鋳肌のため外観品質が良くなく、寸法精度も粗くなる。さらに、内部欠陥が多く発生し、安定した品質を確保するために成形品が肉厚になり、軽量化が図れないなどの問題点が多い。
【００７８】
＜実施例１＞
本発明の実施例の結果を説明する。
上述したように予備成形品Ｙがフラット状態、つまり素材径を大きくした予備成形品Ｙでは、割れが発生した。よって、上記問題を改善するために、本発明の実施例では、予備成形時の段階において、最終成形時の一方の厚肉部を予め成形してしまう方法を実施した。一方の厚肉部位の最終形状の９７体積％以上成形した予備成形品Ｙを得る第一工程鍛造を実施した。その後、予備成形品Ｙの一方の厚肉部位と金型との間の隙間が３体積％以下の状態を維持しながら最終形状に成形する第二工程鍛造を実施した。その結果、今まで発生した割れは改善された。
よって、最終成形品に割れが発生せず、機械特性（高温強度、高温疲労強度）を満足する成形品を得ることが出来た。
【００７９】
＜実施例２＞
本実施例では、より割れの抑制を図ろうと金型温度を上昇させ鍛造を実施した。その結果、より一層割れを抑制できた。金型温度が低いと、鍛造素材の温度が金型に抜熱され、成形性が悪くなり、割れが発生する恐れがある。よって、金型温度を上昇させることにより、より一層割れを抑制できると考えた。
【００８０】
＜実施例３＞
本実施例では、難加工材Ａの素材温度を上昇させ鍛造を実施した。温度を上昇させ、最終成形品への鍛造を実施した結果、成形性は向上した。その結果、温度範囲を上昇させて鍛造することができることが確認でき、運転管理幅が大きくなり、安定した生産を実施する事が出来ることが確認できた。
【００８１】
＜実施例４＞
本実施例では、難加工性材Ｂの鍛造性を向上させるために連続鋳造棒の熱処理温度を変更した。処理温度を３７０℃から４７０℃に変更した。その結果、成形性は非常に良くなり、割れの心配も全く考えられなくなった。但し、機械的特性である高温引張強度、高温疲労強度は若干低下した。成形品の耐久強度要件によっては、成形性の良い処理条件４７０℃を選定するのが好ましい。
【００８２】
＜実施例５＞
本実施例では、難加工性材成分の組成上限で鋳造した鍛造用素材を用いて鍛造を実施した。熱処理条件は３７０℃とした。高温引張強度、高温疲労強度は最も良く、非常に優れたものが成形する事が出来た。しかし、強度が高い分、伸びが低下し、成形性は悪くなった。
【００８３】
＜実施例６＞
本実施例では、難加工性材成分の上限材で、熱処理条件を４７０℃で実施した鍛造用素材を用いて鍛造を実施した。その結果、成形性が良く、機械特性（高温引張強度、高温疲労強度）の良い、非常に優れた成形品を得る事が出来た。
【００８４】
＜実施例７＞
本実施例では、難加工性材成分の下限で鋳造した鍛造用素材を用いて鍛造を実施した。熱処理条件は３７０℃とした。機械的特性は、中央組成材、上限組成材に劣るが、成形性は非常に向上した。下限成分でも、従来材よりは、機械的持性が優れているので、成形品の耐久強度要件によっては本成形品を使用しても良いことが確認出来た。
【００８５】
＜実施例８＞
本実施例では、難加工性材成分の下限材で、熱処理条件を４７０℃で実施した鍛造用素材を用いて鍛造を実施した。機械的特性は、中央組成材、上限組成材に劣るが、成形性は非常に向上した。下限成分でも、従来材よりは、機械的特性が優れているので、成形品の耐久強度要件によっては本成形品を使用しても良いことが確認出来た。
【００８６】
＜実施例９＞
本実施例では、連続鋳造材でなく、アトマイズ法製粉末材から得られた棒状材を使用して鍛造を実施した。粉末材は非常に組織が緻密のため、高温引張強度、高温疲労強度が非常に高い。粉末材を使用しても、本発明で、割れのない、機械特性の高い最終成形品を得る事が出来た。
【００８７】
＜比較例７＞
一方の厚肉部位の最終形状の９５体積％未満を成形した予備成形品Ｙを製造した後に本成形した本比較例の場合は、最終成形品Ｚに割れが発生していた。成形性、機械特性等は、◎であった。
【００８８】
＜比較例８＞
予備成形品Ｙの一方の厚肉部位と最終成形用金型との隙間が５体積％を越えた場合の比較例であり、最終成形品Ｚに割れが発生していた。
【００８９】
＜割れの予測＞
また、実際に成形を実施する前に鍛造シミュレーションを実施して、実際の成形結果とシュミレーションでの結果を比較して成形品の割れの有無が一致することを確認した。鍛造シミュレーションのソフトは汎用のもの（ＤＥＦＯＲＭ）を使用した。シュミレーーション条件は、実際の鍛造条件と同等条件で実施した。また、計算で使用する難加工性材の物性値データも実験により得られたデータを基に計算した。
引張り応力は、実際のプレスでは測定することは出来ないが、事前に数値シミュレーションして確認した。シミュレーションの結果、従来の工法に従って成形した厚肉部の予備成形をしない鍛造用素材を用いて、最終成形品に鍛造した場合の結果は、一方の厚肉部位に最大引張応力が７５〜８０ＭＰａ発生している事が確認できた。高温域での引張応力が７０〜８０ＭＰａであるこの難加工性材料では、成形時の（素材温度×０．７）℃での引張応力値を超えているので割れが発生する可能生があることが確認できた。
本発明の工法に従って成形した一方の厚肉部位の形状を９７体積％以上に転写された予備成形品素材を用いて、最終成形品に鍛造した場合では、常に一方の厚肉部位には、圧縮応力が発生しており、引張応力は発生しておらず、割れが発生する可能性がないことが確認できた。
【００９０】
同様に、伸びについても同様に確認した。
予備成形品Ｙの一方の厚肉部位の成形時の伸びが（成形時の素材温度×０．７）℃での伸びを超えないように成形することで、割れが発生する可能性がないことが確認できた。
この結果から、数値シュミレーションを実施することにより、応力、伸びを確認することで実際の試作成形前に割れの予測ができる。その結果、無駄な試作を減らすことができるので、開発のスピードはアップし、また、開発コストも低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】図１は、本願発明の鍛造成形プロセスを模式的に示した説明図である。
【図２】図２は、本発明の鍛造成形品の製造方法で製造した鍛造品の一例を示す縦断面図である。
【図３】図３は、同鍛造成形品の製造方法の第一工程鍛造に使用される上下金型の一例を示す断面図である。
【図４】図４は、同鍛造成形品の製造方法の第二工程鍛造に使用される上下金型の一例を示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の一実施例を示す鍛造装置の概略構成図である。
【図６】図６は、第一工程鍛造で成形する形状が複数の凹凸を有する場合の鍛造成形プロセスを模式的に示した説明図である。
【図７】図７（ａ）は、第一工程鍛造で使用する上下金型、（ｂ）は、第二工程鍛造で使用する上下金型を示す説明図である。
【図８】図８（ａ）は、第一工程鍛造で使用する別の上下金型、（ｂ）は、第二工程鍛造で使用する別の上下金型を示す説明図である。
【図９】図９（ａ）は、第一工程鍛造で使用する別の上下金型、（ｂ）は、第二工程鍛造で使用する別の上下金型を示す説明図である。
【図１０】図１０（ａ）は、第一工程鍛造で使用する別の上下金型、（ｂ）は、第二工程鍛造で使用する別の上下金型を示す説明図である。
【図１１】図１１（ａ）は、第一工程鍛造で使用する別の上下金型、（ｂ）は、第二工程鍛造で使用する別の上下金型を示す説明図である。
【図１２】図１２は、連続鋳造材を使用した製造工程を示すフローチャート図である。
【図１３】図１３は、粉末材を使用した製造工程を示すフローチャート図である。
【図１４】図１４は、本発明の鍛造品製造システムの一例を示す概略構成図である。
【図１５】図１５は、従来の鍛造成形プロセスの一例を模式的に示した説明図である。
【図１６】図１６は、従来の他の鍛造成形プロセスを模式的に示した説明図である。
【符号の説明】
【００９２】
Ｙ        予備成形品
Ｚ        最終成形品
１０      鍛造用素材
１１      厚肉部位
１２      厚肉部位
１３      ピストンヘツド
１４      上金型
１５      成形孔
１６      下金型
１７      成形孔
１８      ノックアウトピン
１９      上金型
２０      成形孔
２２      厚肉部位
２３      下金型
２４      成形孔
２５      ノックアウトピン
２６      厚肉部位
５０      鍛造機
５１      上ボルスター
５２      下ボルスター
５３      ノックアウトピン
【図１】
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【図２】
0004733498.tif 000005
【図３】
0004733498.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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