(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料を熱間で自由鍛造するときに用いる上下一対の金敷であって、金敷の圧下面が、その幅に関して、
材料の入り側において金敷の全幅(X)よりも小さい幅(W1)で一定の領域（第１領域）、
出側に向けて幅(W1)から漸次拡大されて金敷の全幅(X)に至るまでの領域（第２領域）、および、
金敷の全幅(X)と同一幅で一定の領域（第３領域）、
の３領域を備えるとともに、
その長さに関して、
第１領域の入り側位置から、第２領域の出側位置までの長さ(L)が、第１領域の入り側位置から第３領域の出側位置までの長さ(L0)の０．５倍以下であることを特徴とする自由鍛造用金敷。
【請求項２】
上記の圧下面は、材料を送り出す方向の表面が円弧面で構成され、その円弧の半径(R1)が金敷の材料を送り出す方向の長さ(Y)の3倍〜30倍であることを特徴とする請求項１に記載の自由鍛造用金敷。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属材料の熱間自由鍛造用金敷に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱間自由鍛造は、たとえば上下一対の平金敷で金属材料を挟んで圧下し、圧下ごとに金属材料を長手方向に送ることによって断面を減少させる加工方法である。
【０００３】
このような加工方法は、鍛伸加工と呼ばれ、金属材料（以下、単に「材料」という）をマニプレータなどで把持し、圧下開始位置から圧下ごとに所定の長さ（送り量）だけ移動させながら圧下を繰り返す方法である。このとき、圧下開始から長手方向の圧下完了までを「1回のパス」と定義されている。材料（例えば、鋼塊、鋼片または鋳片）を所定の断面寸法にまで鍛伸加工するには、1パス、または複数パスごとに材料を回転させ、材料に対する圧下方向を変えながら複数パスの圧下が加えられる。
【０００４】
図４および図５は、従来使用されている熱間自由鍛造用平金敷を示す図であり、それぞれ(a)は側断面図、(b)は下金敷の斜視図である。
【０００５】
平金敷D２またはD３は、図４および図５に示すように、材料を所定の寸法に圧下する平坦な圧下面1と、材料の入り側および出側に傾斜面（2-1,3-1、符号a-a-b-bまたは符号e-e-f-f(ただし１つのfは顕れていない)で囲まれた面）または曲面（2-2,3-2）とから構成されている。傾斜面（2-1,3-1）は、図４に示すように平坦な圧下面1の両端から長手方向に角度θの傾斜をもって構成されている。
【０００６】
この傾斜面（2-1,3-1）または曲面（2-2,3-2）は、鍛造される材料の表面に発生する割れを防止する働きをするが、鍛造される材料が難加工材であると、このような傾斜面または曲面だけでは割れを防止することができない。これを改善するため、下記に示すような金敷が提案されている。
(1)材料の入り側および出側に二段傾斜面または傾斜面と円弧面とを複合させた自由鍛造用平金敷（特開平7-116766号公報、参照）、
(2)材料の入り側および出側に円弧面を設け、かつ圧下面の送り方向に平行な垂直断面が前記円弧面の半径よりも大きな半径で形成されている自由鍛造用金敷（特開平11-10271号公報、参照）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の圧下面の入り側形状を二段傾斜面または傾斜面と円弧面とを複合させた面とした金敷であっても、強度や耐熱性を高めるために合金元素の含有量を高めた鋼材（高合金鋼など）を鍛造すると、割れの発生などで加工できなくなる。このような難加工材料に対しては、従来では、１回の加工度を下げ、再加熱を繰り返しながら何度も鍛伸する方法、または拘束鍛造などの特殊鍛造法が用いられてきた。
【０００８】
本発明の目的は、難加工材料であっても割れなどの発生を防止することができる熱間自由鍛造用金敷を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、難加工材料を平金敷で自由鍛造したときに発生する割れの発生原因について鍛造実験および数値解析を行って調査した。その結果、次のことが明らかになった。
(1)図４または図５に示すような平坦な圧下面を備える平金敷で圧下すると、材料が金敷に接する表層部の中央部に塑性歪みが生じない、いわゆる「デッドメタル域」が生じる。
(2)デッドメタル域には、結晶粒の大きな鋳造組織や加熱時の組織が残存し、割れなどを発生させる。
(3)前記鋳造組織や加熱時の組織の残存を軽減するためには、金敷入り側の幅方向長さを圧下前の材料幅よりも短くすればよい。
(4)平金敷の入り側の幅を小さくし、出側に向かって大きくすれば、材料にはデッドメタル域の発生はなく、割れなどを発生させない。
(5)平坦な圧下面と入り側の傾斜面または曲面とを備えた金敷で材料を圧下すると、材料の表面に窪みが発生することがある。その原因は次のように考えられる。すなわち、入り側の傾斜面または曲面で圧下された材料は、次の圧下で平坦化される。しかし、次の圧下ではこの部分よりも入り側にある部位が先に圧下され始めるために、この部分は金敷に接触する前に圧下方向に引き下げられ、窪みが発生する。
(6)金敷長手方向の圧下面を円弧面とすれば、圧下による材料表面の長手方向の流動が促進され、上記窪みの発生が軽減される。
【００１０】
本発明は、上記の知見に基づいて完成され、その要旨は図１および図２に示す下記の自由鍛造用金敷にある。
【００１１】
『金属材料を熱間で自由鍛造するときに用いる上下一対の金敷D1であって、金敷の圧下面5が、その幅に関して、
材料の入り側において金敷の全幅(X)よりも小さい幅（材料を送り出す方向に対して直角な水平方向の長さ、W1）で一定の領域（第１領域）、
出側に向けて幅(W1)から漸次拡大されて金敷の全幅(X)に至るまでの領域（第２領域）、および、
金敷の全幅(X)と同一幅で一定の領域（第３領域）、
の３領域を備えるとともに、
その長さに関して、
第１領域の入り側位置から、第２領域の出側位置までの長さ(L)が、第１領域の入り側位置から第３領域の出側位置までの長さ(L0)の０．５倍以下である自由鍛造用金敷。』
上記の圧下面5は、材料を送り出す方向（長手方向）の表面が円弧面で構成され、その円弧の半径（R1）が金敷の材料を送り出す方向の長さ（金敷の長手方向の全長、Y）の3倍〜30倍であることが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
１．金敷圧下面の幅を入り側で小さく、出側で大きくする理由について：
材料は、材料幅よりも大きく平坦な圧下面で自由鍛造されると、圧下面に接する表層部では塑性流動が拘束され、その中央部にはほとんど塑性歪みが生じない、いわゆる「デッドメタル域」が生じる。このデッドメタル域は、長手方向のみならず幅方向にも生じる。
【００１３】
長手方向に生じるデッドメタル域を解消するためには、(1)材料の送り量を小さく調整すること、(2)鍛造パス間で材料の圧下位置をずらすこと、(3)金敷の圧下面の表面を材料の送り方向に円弧面とすることなどの対策が採られている。しかし、幅方向に生じるデッドメタル域は、このような対策を講じても、塑性歪みの小さい領域が残存し、高合金鋼などの難加工材料では、鍛造された面の中央部に割れが発生することがある。
【００１４】
一般に、鋼材は、熱間加工によって塑性歪みが生じると、結晶粒が微細化されて機械的性質などが改善される。しかし、デッドメタル域が存在すると、粗い鋳造組織や加熱時の組織が残存して割れなどを発生させる。したがって、平金敷で自由鍛造を行う場合には、材料にデッドメタル域を発生させないようにする必要がある。
【００１５】
本発明者らは、材料を自由鍛造したときのデッドメタル域の発生原因について、平金敷の幅および材料の幅を種々変化させ、圧下したときの塑性歪み分布を有限要素法による数値解析を行って調査した。その結果、平金敷きの幅を圧下前の材料の幅よりも小さく（望ましくは約0.7倍以下）すれば、圧下時の塑性歪み分布が幅方向に均一化され、デッドメタル域が小さくなることを見いだした。
【００１６】
この知見を基に、鍛造の初期において材料の幅方向中央部だけを圧下し、その後幅方向全体にまで圧下すれば、デッドメタル域の発生を防止できる。これを実現するためには、金敷の圧下面の幅を入り側で小さく、出側で大きな形状とすればよい。その形状について次に説明する。
【００１７】
２．本発明の金敷の形状について：
図１は、本発明の下部金敷の圧下面を示す斜視図である。
【００１８】
本発明の金敷D1は、圧下面5、入り側の曲面（符号a-a-b-bの範囲、符号2）および出側の曲面3（e-e-f-fの範囲、ただし１つのfは記載できず）から構成されている。
【００１９】
圧下面5は、入り側（b-b）において幅（W１）を小さくした領域（b-b-c-cの範囲、符号5-1）と、出側（e-e）に向かって幅を漸増した領域（c-c-d-dの範囲、5-2）および金敷の幅全体を幅とする領域（d-d-e-eの範囲、5-3）から構成されている。  入り側の曲面（2）、出側の曲面（3）、圧下面（5-1）および圧下面（5-2）のそれぞれの両端から金敷の両側面までの領域（4,4）は、傾斜面または曲面で構成されており、材料の圧下量を漸減して逃がす面である。圧下面の（c）から（d）までの境界線は、図では曲線としているが直線であってもよい。また、金敷の入り側で圧下幅を小さくした領域（5-1）の幅方向の断面形状（b-b）は、図１では直線であるが、圧下方向の上向きに凸の曲面であってもよい。
【００２０】
金敷入り側の幅は、前述したように鍛造される材料幅の約0.7倍以下であることが望ましい。これを実現する金敷圧下面の入り側の幅は、材料を圧下する面の長さ（L0）以下とすればよい。また、圧下幅を小さくした金敷の入り側（b-b）から圧下幅を金敷の幅全体とした位置（d-d）までの長さ（L）は、図１に示すように材料を圧下する面の長さ（L0）の0.5倍以下とする。
【００２１】
３．圧下面を長手方向に円弧面とすることについて：
図２の(a)は、圧下面の幅を入り側で小さく、出側で大きくし、さらに圧下面を長手方向に円弧面とした本発明の金敷を示す斜視図であり、(b)は幅中央部（(a)図に一点鎖線で示す位置）の垂直断面図である。
【００２２】
この金敷は、請求項２に示す本発明の望ましい態様の金敷であり、圧下面の幅を入り側で小さく、出側で大きくしした上で、さらに圧下面を長手方向に円弧面（曲面）とするものである。
【００２３】
前記のように、平坦な圧下面と入り側の傾斜面または曲面とを備えた金敷で材料を圧下すると、材料の表面に窪みが発生することがある。
【００２４】
この窪みは、材料の送り量を小さくする対策を講じても完全に抑止することはできない。また、上記の圧下面入り側の幅を小さく出側で大きくした金敷を用いる鍛造でも、圧下面の幅方向長さが中央部から全体に広がる境界位置で、長手方向に若干の窪みを生じることがある。これを抑制するため、図２に示すように圧下面を長手方向に円弧面（曲面）とするのが望ましい。
【００２５】
円弧面の半径（R１）が金敷の長手方向の長さ（Y）の3倍未満では、被加工材（材料）に長手方向の曲がりが生じることがあり、また30倍を超えると平坦面に近づくために上記窪みの発生を解消する効果が得られなくなる場合がある。
【００２６】
４．本発明の金敷を用いて鋳片を鍛造する方法について：
図３は、本発明の金敷で材料を鍛造している状態を示す図である。
【００２７】
鍛造は、図３に示すように、たとえば長方形断面の被加工材（鋳片などの材料）Aを上下一対の金敷（D１,D１）の間に挿入し、上金敷を上下させて圧下を行い、圧下を終えるごとに被加工材を矢印の方向に所定の送り量だけ移動させ、1パスの鍛造を行う。
【００２８】
図１に示すように金敷入り側部の曲面2は、符号（a-b-b-a）で囲まれた範囲であり、曲面または傾斜面で構成されている。符号（b-b）の位置が材料の入り側と呼ばれ、符号（b-b）の位置から符号（c-c）の位置までの圧下面（5-1）に材料の先端が挿入され、最初の圧下が行われる。符号（c-c）から符号（d-d）までの圧下面（5-2）は、圧下幅（Wx）が漸増されており、符号（d-d）の位置で金敷の全幅となり、圧下面（5-3）となる。符号aからdまでの２つの曲線の幅方向外側には、曲面または傾斜面で構成されている面4が形成され、材料の圧下量を幅方向で外側ほど減少するように変化させる、いわゆる「逃げ領域」を設けている。
【００２９】
材料Aは、図３に示すように最初の圧下で幅方向の中央部が大きく圧下され、両端に向かって圧下量が漸減するので材料表面の幅方向に塑性流動が生じる。また、圧下するごとに材料が送られるので、材料への圧下幅が大きくなり所定の寸法（圧下量）に鍛造される。これにより、難加工材であっても材料の幅方向の中央部まで塑性流動が生じ、組織を微細化して鍛造割れなどの欠陥の発生を防止することができる。
【００３０】
本発明の金敷を用いて材料にデッドメタル域を発生させることなく鍛造するには、鍛造前の材料の幅Bは、金敷の圧下面5-1の入り側の幅（W１）の約1.4倍以上とするのが好ましい。また、材料の送り量は、金敷の入り側（b-b）の位置から符号（c-c）の位置までの圧下面の長さ（L１）よりも小さく、かつ入り側（b-b）から圧下幅を金敷の幅全体とした位置（d-d）までの圧下面の長さ（L）の1/3以下とするのが望ましい。
【００３１】
【実施例】
（実施例１）
難加工材である高合金鋼（25%Cr-35%Ni-3%Mo-Fe）を溶製し、断面の一辺が500mm、長さが2000mmの鋼塊を用意した。この鋼魂を1290℃に加熱した後、本発明の金敷、比較例の金敷および従来の平金敷を用い、断面の一辺が180mmのビレットを製造する鍛造試験を行った。
【００３２】
図６は、実施例に使用した金敷の平面と側面の形状を示す図であり、(a)および(b)は本発明の金敷、(c)および(d)は比較例の金敷である。
【００３３】
ここで使用した金敷は、いずれも材料を送り出す方向の長さ（Y）が700mm、幅（X）が1000mmである。
【００３４】
鍛造は、１パスごとに材料を90°回転させ、8パスの圧下を行った。圧下量は金敷片側で60mm（合計120mm）であり、圧下ごとの送り量は60mmとした。
【００３５】
評価は、鍛造して得られたビレットの表面を目視および浸透探傷法によって観察した。その結果を表１にまとめて示した。
【００３６】
【表１】
0004304406.tif 000002
【００３７】
発明例１の金敷は、圧下面の形状を図６(a)に示すように図１に示す寸法記号でW１＝100mm、L１＝70mm、L＝200mm、R＝70mmとした。
【００３８】
発明例２の金敷は、圧下面の形状を図６(b)に示すように図１および図２に示す寸法記号でW１＝100mm、L１＝70mm、L＝200mm、R＝70mm、R１＝5000mmとした。
【００３９】
比較例１の金敷は、圧下面の形状を図６(c)に示すように、入り側および出側の曲面の半径Rを70mm、圧下面の曲率半径R１を5000mmとした。
【００４０】
比較例２の金敷は、圧下面の形状を図６(d)に示すように、入り側および出側の傾斜部には傾斜角を20°とする面および30°とする面の二段傾斜面で構成した。
【００４１】
比較例３の金敷は、圧下面の形状を図４に示す傾斜角θを30°とする面で入り側および出側の傾斜部を構成した。
【００４２】
表１から明らかなように、発明例１および２の金敷で鍛造したビレットには、割れは観察されなかった。また、鍛造面の窪みは、発明例１では最大0.8mmであったが、発明例２では0.2mmであり、表面形状精度もきわめて良好であった。
【００４３】
比較例１の金敷で鍛造したビレットには、幅方向の中央部に微少な割れが全長のうち２カ所に観察されたが、その割れの大きさは、比較例３に比べて小さく目視では判別できないものであった。表面の窪みは最大0.4mmであった。
【００４４】
比較例２の金敷で鍛造したビレットには、幅方向の中央部に微小な割れがビレット全長にわたって多数目視で観察された。また、鍛造面の窪みは、最大0.8mmであった。
【００４５】
比較例３の鍛造ビレットには、幅方向の中央部に微小な割れがビレット全長にわたって多数目視で観察された。また、鍛造面の窪みは、最大0.8mmであった。
【００４６】
【発明の効果】
本発明の金敷は、圧下面の入り側の幅を小さく、入り側から出側に向かって漸増させたので、材料の幅中央部から圧下が開始され、塑性歪みを均一にすることができ、鍛造割れを軽減することができる。さらに、この金敷表面の長手方向の断面を曲面とすることにより、被加工材の表面に発生する窪みを軽減させ、寸法精度を改善させることができる。この金敷を使用することにより、難加工材であっても幅方向中央部表面に鍛造割れや窪みなどの欠陥を生じることなく、自由鍛造を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の下部金敷の圧下面を示す斜視図である。
【図２】本発明の別態様の下部金敷を示す図であり、(a)は圧下面の幅を入り側で小さく出側で大きく、さらに圧下面を長手方向に円弧面とした本発明の金敷を示す斜視図、(b)は幅中央部の垂直断面図である。
【図３】本発明の金敷で被加工材を圧下している状態を示す図である。
【図４】従来使用されている熱間自由鍛造用平金敷を示す図であり、(a)は側断面図、(b)は下金敷の斜視図である。
【図５】従来使用されている熱間自由鍛造用平金敷を示す図であり、(a)は側断面図、(b)は下金敷の斜視図である。
【図６】実施例に使用した金敷の平面と側面の形状を示す図であり、(a)および(b)は本発明の金敷、(c)および(d)は比較例の金敷である。
【符号の説明】
１,５．圧下面    ２．入り側傾斜面    ３．出側傾斜面
４．逃がし面（傾斜面）
A．被加工材    D1．本発明の金敷
D2,D3．従来の平金敷    β．傾斜角
【図１】
0004304406.tif 000003
【図２】
0004304406.tif 000004
【図３】
0004304406.tif 000005
【図４】
0004304406.tif 000006
【図５】
0004304406.tif 000007
【図６】
0004304406.tif 000008