(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属素材を固液共存領域で成形する半溶融鍛造方法において、鍛造品形状を近似的に構成する円柱あるいは角柱形状の２つ以上の要素に分割し、各要素に対応する金属素材を質量固相率ｆｓが０．３以上０．９未満の固液共存領域になるような温度に加熱した後、鍛造型内に挿入し、前記各要素の高さｈと、各要素に対応する金属素材の高さｈ０の関係が、金属素材を加熱した際の前記質量固相率ｆｓとの関係において、
１ｎ（ｈ０／ｈ）≧１．２×ｆｓ２
を満たすように鍛造、一体化することを特徴とする半溶融鍛造方法。
【請求項２】
平均５００ｍｍ／ｓ以上の加工速度で成形することを特徴とする請求項１に記載の半溶融鍛造方法。
【請求項３】
あらかじめ２００℃以上に加熱された鍛造型を用いて、平均２００ｍｍ／ｓ以上の加工速度で成形することを特徴とする請求項１または２に記載の半溶融鍛造方法。
【請求項４】
成形終了後固相線温度以下となるまで最大鍛造荷重の５０％以上の荷重を保持することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半溶融鍛造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車や建設機械のエンジン・駆動系に使用される強度部品や、コネクティングロッド、サスペンションアームなどの複雑形状部品の鍛造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
これまで、コネクティングロッドやサスペンションアームなどの複雑形状部品を鍛造する方法として、熱間鍛造が多く用いられている。熱間鍛造では、通常連続鋳造材、圧延材あるいは押出材を素材として用いるが、鍛造しようとする部品形状が複雑であるため１回の鍛造では成形することができず、体積配分のためのロール工程等の予備成形を経て、数回の荒鍛造後、仕上げ鍛造を行なうことが一般的であり、製品を得るために必要な工程が極めて多くならざるを得ない。また、仕上げ鍛造後の製品の外周に形成される余剰の材料であるバリが極めて多いため、材料歩留まりを悪化させている。すなわち、製造コストおよび材料コストの低減が複雑形状部品の熱間鍛造における大きな課題であった。
この課題に対し、特開昭５１−１２０９５３号公報に記載されているように、鋳型を用いて製品と近似形状の鍛造用素形材を鋳造した後、該素形材を製品形状に型鍛造する鋳造鍛造方法が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記公知例では、鋳型を用いて製品と近似形状の鍛造用素形材を鋳造した後、該素形材を製品形状に型鍛造する。したがって、単純形状の素形材を用いた場合に必要なロール工程や荒鍛造工程の一部を省略することが可能であり、製造コストを低減している。しかしながら、サスペンションアームなどのような複雑形状部品では、鍛造用素形材自身が複雑形状とならざると得ず、鋳型コストの増大ひいては鋳造コストの増大につながるため、製造コストの低減幅はそれほど大きくないものとなる。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、極めて単純な形状である素材を用いて、複雑形状部品を歩留まり良くかつ少数回の鍛造工程で成形することを目的とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明の要旨とするところは、
１）金属素材を固液共存領域で成形する半溶融鍛造方法において、鍛造品形状を近似的に構成する円柱あるいは角柱形状の２つ以上の要素に分割し、各要素に対応する金属素材を質量固相率ｆｓが０．３以上０．９未満の固液共存領域になるような温度に加熱した後、鍛造型内に挿入し、前記各要素の高さｈと、各要素に対応する金属素材の高さｈ０の関係が、金属素材を加熱した際の前記質量固相率ｆｓとの関係において、
１ｎ（ｈ０／ｈ）≧１．２×ｆｓ２
を満たすように鍛造、一体化することを特徴とする半溶融鍛造方法、
２）平均５００ｍｍ／ｓ以上の加工速度で成形することを特徴とする１）に記載の半溶融鍛造方法、
３）あらかじめ２００℃以上に加熱された鍛造型を用いて、平均２００ｍｍ／ｓ以上の加工速度で成形することを特徴とする１）または２）に記載の半溶融鍛造方法、
４）成形終了後固相線温度以下となるまで最大鍛造荷重の５０％以上の荷重を保持することを特徴とする１）ないし３）項のいずれか１項に記載の半溶融鍛造方法、
にある。
【０００５】
【発明の実施の形態】
鍛造しようとする製品形状を近似的に２つ以上の円柱あるいは角柱形状の要素に分割する。分割された要素は円柱あるいは角柱形状から鍛造可能な形状であり、それらの素材は、連続鋳造材、圧延材あるいは押出材を所定長さに切断することで得られる。素材として連続鋳造材、圧延材あるいは押出材を用いることにより、従来の鋳造鍛造法のように製品形状によって異なる鋳型を用いる必要はなく、鍛造用素形材を低コストで調達できる。
【０００６】
これらの２つ以上の金属素材を質量固相率ｆs が０．３以上０．９未満の固液共存領域になるような温度に加熱する。質量固相率ｆs を０．３以上とするのはこれ未満の固相率では加熱炉内で自立できず、鍛造型内に搬送できないからである。また、質量固相率ｆs を０．９未満とするのは、これ以上の固相率では液相成分が少なく、複数個の構成要素が鍛造により一体化しないからである。
【０００７】
前記各構成要素の高さｈと、各要素に対応する金属素材の高さｈ0 の関係が、金属素材を加熱する際の質量固相率ｆs との関係において、
１ｎ（ｈ0 ／ｈ）≧１．２×ｆs 2
を満たすような金属素材を用いるのは、各構成要素に対応する素材が十分な加工を受け、液相同士を十分に混合し一体化させるためである。
【０００８】
鍛造時に平均５００ｍｍ／ｓ以上の加工速度で成形するのは、これより遅い加工速度では鍛造型との接触により加熱された金属素材の温度が低下し、金属素材同士が一体化しないからである。
あらかじめ２００℃以上に加熱された型を用いる場合には、鍛造型との接触による金属素材の温度低下が緩和されるため、鍛造時の加工速度は平均２００ｍｍ／ｓ以上で十分である。
【０００９】
成形終了後固相線温度以下となるまで最大鍛造荷重の少なくとも５０％以上の荷重を保持させるのは、凝固収縮による鋳巣の発生を防止し、鍛造後の材質特性を向上させるためである。最大鍛造荷重の５０％未満の荷重ではその効果は十分ではない。
【００１０】
【実施例】
本発明の実施例として、図１に示すような形状をもつ部品の鍛造を実施した。素材には表１の化学成分を有するアルミニウム合金および表２の化学成分を有する鋼を用いた。また示差熱分析により測定した固相線温度と液相線温度をそれぞれ表３に示した。
【００１１】
【表１】
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【００１２】
【表２】
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【００１３】
【表３】
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【００１４】
図１に示す形状をもつ鍛造品１を、図２および図３にそれぞれ示すように、高さｈ2 である円柱からなる要素２と、高さがｈ3 である角柱からなる要素３の２つの要素に近似した。それぞれの要素に対し、図４および図５にそれぞれ示すように鍛造後高さ方向に所定の対数ひずみを受けるよう、高さがｈ02である素材４および高さがｈ03である素材５を準備した。アルミＡについては素材４、素材５とも押出材を用い、鋼Ｂについては素材４には圧延材を、素材５には押出材を用いた。所定形状に切断された素材４および素材５を所定の質量固相率になるよう加熱した後、黒鉛潤滑剤を塗布した金型内に挿入し、所定の加工速度で鍛造を実施した。加熱時における金属素材の質量固相率は、金属素材を加熱後速やかに水冷することにより組織を凍結し、押出時あるいは圧延材の長さ方向との直角断面を光学顕微鏡にて観察し、固相部分の面積率を測定することにより求めた。表４および表５に実験条件を示す。
【００１５】
【表４】
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【００１６】
【表５】
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【００１７】
本発明法および比較法による鍛造品の品質を評価するため、内部空孔の有無および熱処理後の機械的性質を調査した。内部空孔に関しては、鍛造品１の要素２と要素３の境界部分を切断、研磨し、光学顕微鏡にて空孔の有無を観察した。熱処理に関しては、アルミＡについては、５３５℃に２時間加熱した後水冷し、さらに１７５℃に８時間加熱後放冷した。鋼Ｂについては８５０℃に１０分間加熱した後水冷し、さらに６００℃に１時間加熱後油冷した。熱処理後の鍛造品からＪＩＳ１４Ａ号引張試験片およびＪＩＳ４号衝撃試験片を切り出し、引張試験およびシャルピー衝撃試験を実施した。表６に評価結果を示す。
【００１８】
【表６】
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【００１９】
本発明法では、いずれの場合も鍛造品に内部空孔は見られず完全に一体化しており、アルミＡを用いた本発明法１〜４では、引張強さが３２０ＭＰａ以上、伸び１４％以上、シャルピー衝撃値２０Ｊ／ｃｍ2 以上を示し、鋼Ｂを用いた本発明法５〜８では、引張強さが７８０ＭＰａ以上、伸び１７％以上、シャルピー衝撃値７５Ｊ／ｃｍ2 以上を示した。
【００２０】
加熱時の質量固相率ｆｓを変化させた場合、質量固相率ｆｓが０．１となる温度に加熱した比較法１、７では、加熱炉内で金属素材が部分的に溶け落ち、鍛造型への搬送ができなかった。また、質量固相率ｆｓが１．０となる温度に加熱した比較法２、８では、液相成分が無く、一体化できなかった。したがって、比較法１、２、７、８は鍛造品の品質評価を実施できなかった。
【００２１】
鍛造時の加工速度が小さい比較法４、５、１０、１１では、加工中に鍛造型との接触により温度低下が生じ、液相部分が減少したため、一体化が不十分であり、内部に空孔が見られた。
鍛造後の荷重保持が小さい比較法６、１２では、鍛造品内部に凝固収縮に伴う鋳巣が見られた。
比較法ではいずれも場合も引張試験時の伸びが５％以下と低く、最高荷重点に達する前に途中破断しており、シャルピー衝撃値も本発明法の三分の一以下であった。
【００２２】
【発明の効果】
本発明では、２つ以上の素材を固液共存温度域に加熱して、鍛造、一体化させることにより、安価な素材を用いて高歩留まりかつ少数回の鍛造工程で複雑形状部品を鍛造でき、自動車、機械用部品等を低コストで提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】鍛造品の形状
【図２】鍛造品を近似的に構成する円柱要素
【図３】鍛造品を近似的に構成する角柱要素
【図４】円柱要素に対する金属素材
【図５】角柱要素に対する金属素材
【符号の説明】
１    鍛造品
２    鍛造品を近似的に構成する円柱要素
３    鍛造品を近似的に構成する角柱要素
４    円柱要素に対する金属素材
５    角柱要素に対する金属素材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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