(57)【要約】【課題】  本発明は、鍛伸にて大型製品を製造する際に使用する金敷による中心欠陥防止方法を提供する。【解決手段】  難加工性大型鋼塊からなる被鍛造材をその軸方向に対し直角方向から上金敷を下金敷に向かって圧下し、被鍛造材を長手方向に間欠的に送りつつ鍛伸するに際し、被鍛造材に対する１パス当たりの減面率を１０〜２０％の範囲にするとともに、鍛伸に使用する金敷のＷ／Ｈを、被鍛造材の断面積が素材断面積の１００〜５０％までは、Ｗ／Ｈを０．３〜０．７とし、断面積が素材断面積の５０％未満〜１５％までは、金敷比を０．８〜１．２とすることを特徴とする難加工性大型製品の中心欠陥防止方法。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
難加工性大型鋼塊からなる被鍛造材をその軸方向に対し直角方向から上金敷を下金敷に向かって圧下し、被鍛造材を長手方向に間欠的に送りつつ鍛伸するに際し、被鍛造材に対する１パス当たりの減面率を１０〜２０％の範囲にするとともに、鍛伸に使用する金敷の金敷幅Ｗ、被鍛造材の高さＨを、被鍛造材の断面積が素材断面積の１００〜５０％までは、Ｗ／Ｈを０．３〜０．７とし、断面積が素材断面積の５０％未満〜１５％までは、Ｗ／Ｈを０．８〜１．２とすることを特徴とする難加工性大型製品の中心欠陥防止方法。
【請求項２】
請求項１に記載のＷ／Ｈを被鍛造材の断面積が素材断面積の１００〜５０％までは、０．４〜０．６とし、断面積が素材断面積の５０％未満〜１５％までは、Ｗ／Ｈを１．０〜１．２とすることを特徴とする難加工性大型製品の中心欠陥防止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鍛伸にて大型製品を製造する際に使用する金敷による中心欠陥防止方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、大径である丸棒鋼の製造方法として、鍛伸が用いられている。この鍛伸は、自由鍛造法の一種である。鍛伸では、鋼塊が長手方向に間欠的に送られつつ、この鋼塊が上金敷及び下金敷で押圧される。押圧では、上金敷が下金敷に向かって圧下する。圧下により鋼塊の断面寸法が減少し、かつ鋼塊が長尺化する。一方、圧下により、鋼塊の断面形状が整えられる。この複数段の鍛伸により、鍛造製品である丸棒鋼が得られる。この場合、難加工性の大型製品では空隙の残存、および、オーバーヒートという２種類の不良発生となる大きな要因がある。
【０００３】
これら不良を解決する方法として、例えば特開昭５８−１６７０４５号公報（特許文献１）に開示されているように、上金敷及び下金敷間において軸対称形状の鋼材を鍛伸する鋼材の熱間鍛造方法において、鍛伸を開始して鍛伸を終了するまでの間に、鋼材の鍛伸する方向に垂直な断面形状を長辺の長さと短辺の長さとの比が少なくとも１．４である長方形又は略長方形にする工程を設けた鋼材の熱間鍛造方法が提案されている。
【０００４】
また、特開平１−３０９７４５号公報（特許文献２）に開示されているように、軸線方向に直角な円形断面または矩形断面を有する大型鋼材を所定の温度に加熱し、プレスの対向する平金敷のうち少なくとも一方の平金敷に、押圧面が、鋼材の断面の直径又は幅よりも短い辺の正方形をなす平金敷を用いて熱間鍛錬する大形鋼材の熱間鍛錬方法が提案されている。
【０００５】
さらに、特開平１−２８４４４７号公報（特許文献３）に開示されているように、冷間工具鋼からなる被鍛造材をその軸方向に対し直角方向の複数方向から金敷により同時に圧下して被鍛造材をスエージングにより鍛伸するに際し、冷間工具鋼からなる被鍛造材に対する１パス当たりの減面率を２０〜３０％の範囲にすると共に被鍛造材の送り速度を７〜１０ｍ／分の範囲にする工具鋼の鍛造方法が提案されている。
【特許文献１】特開昭５８−１６７０４５公報
【特許文献２】特開平１−３０９７４５公報
【特許文献３】特開平１−２８４４４７公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記した特許文献は、いずれも難加工性の大型製品での空隙の残存、および、オーバーヒートという２つの問題を解決したものではない。例えば特許文献１または２については、空隙を圧着するという記述のみであって、オーバーヒートに関する考え方は全く記載されていない。また、特許文献３については、送り速度という記述はあるが、金敷幅、被鍛造材の高さに関する考え方は全く記載されていない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述したような２つの問題を同時に解消するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、空隙に起因する不良およびオーバーヒートに起因する不良の発生しやすい難加工性大型製品において、鋼塊を所定の温度に加熱し、その軸方向に対し直角方向から上金敷を下金敷に向かって適正な金敷比（＝Ｗ／Ｈ、Ｗは鍛伸に使用する金敷の金敷幅、Ｈは被鍛造材の高さを示す）をもって圧下し、被鍛造材を長手方向に間欠的に送りつつ鍛伸することにより、中心欠陥発生を防止することを可能とした、難加工性大型製品の中心欠陥防止方法を提供することにある。
【０００８】
その発明の要旨とするところは、
（１）難加工性大型鋼塊からなる被鍛造材をその軸方向に対し直角方向から上金敷を下金敷に向かって圧下し、被鍛造材を長手方向に間欠的に送りつつ鍛伸するに際し、被鍛造材に対する１パス当たりの減面率を１０〜２０％の範囲にするとともに、鍛伸に使用する金敷のＷ／Ｈを、被鍛造材の断面積が素材断面積の１００〜５０％までは、Ｗ／Ｈを０．３〜０．７とし、断面積が素材断面積の５０％未満〜１５％までは、金敷比を０．８〜１．２とすることを特徴とする難加工性大型製品の中心欠陥防止方法。
（２）前記（１）に記載のＷ／Ｈを被鍛造材の断面積が素材断面積の１００〜５０％までは、０．４〜０．６とし、断面積が素材断面積の５０％未満〜１５％までは、金敷比を１．０〜１．２とすることを特徴とする難加工性大型製品の中心欠陥防止方法にある。
【発明の効果】
【０００９】
以上述べたように、本発明により、中心欠陥のない良好な難加工性大型製品を得るものである。すなわち、鋼塊中心部の鋳造時の凝固収縮に起因した空隙が消失し、ミクロ偏析起因のオーバーヒートの発生を防止することができ、不良率を大幅に低減させ、品質向上を図ることができる極めて優れた効果を奏するものである。
【００１０】
以下、本発明について詳細に説明する。
先ず、本発明に係る対象としては、軸線方向に直角な菊型断面または正方形断面を有し、直径及び対角寸法が９００ミリ以上の大型鋼塊で、その成分組成が、質量％で、Ｃ：０．８〜１．７％、Ｓｉ：０．２〜１．５％、Ｃｒ：６．０〜１２．０％、Ｍｏ：０．９〜２．０％、Ｖ：０．２５〜１．０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼とする。このような、上記条件の鋼塊を所定の温度に加熱し、その軸方向に対し直角方向から上金敷を下金敷に向かって圧下し、被鍛造材を長手方向に間欠的に送りつつ鍛伸するに際し、中心欠陥発生を防止することができる加工条件を提供することである。
【００１１】
すなわち、上記した鋼塊のその中心部には、鋳造時の凝固収縮に起因した空隙（いわゆる、巣）が生じていることがある。この空隙は、鍛伸により押しつぶされる。押しつぶしにより、空隙周辺の金属が圧着される。しかし、圧着が不十分であると、製品である丸棒鋼に空隙が残存する。この空隙は、いわゆる欠陥である。これに対して、鋼塊の温度が十分高く設定されることにより、又は加工量が十分高く設定されることにより、空隙の残存が抑制される。
【００１２】
また、鋼塊の温度は、加工性に大きく影響するもので、温度が低い場合には加工量が大きく設定され得ないと言う問題がある。また、小さな加工量で製品を得るためには、パス回数の増加を招くことになり、その結果、加工性の観点からも、鋼塊の温度が十分高く設定される必要がある。
【００１３】
一方、鋼塊の鋳造時には、ミクロ偏析が生じる。具体的には、結晶粒界に沿って炭素原子等がリッチな領域が生じる。状態図において、炭素原子濃度が多いほど、固相線の温度は低い。また、炭素原子がリッチな領域は溶融しやすい。一方、鍛伸では、圧下により加工熱が発生する。この加工熱により、鋼塊の中心は昇温する。そのため、高温に加熱された鋼塊にさらに加工熱が発生することにより、鋼塊の中心は極めて高温に達する。従って、この中心近傍の炭素原子がリッチな領域においては溶融が生じることがある。この現象は、オーバーヒートと称される。オーバーヒートにより、製品である丸棒鋼の内部に欠陥が生じる。
【００１４】
以上のように、空隙の抑制及び加工性の観点からは、鋼塊の温度を高く設定する必要がある。一方、オーバーヒートの抑制の観点からは、鋼塊の高すぎる温度は好ましくない。また、鍛伸では、鋼塊の温度制御が極めて重要である。しかし、空隙およびオーバーヒートが生じず、しかも優れた加工性が得られる温度の範囲は極めて狭いために、鋼塊の温度制御には非常に難しい問題がある。そうは言うものの、空隙に起因する不良及びオーバーヒートに起因する不良の抑制は重要であり、この不良率を抑制するためには、鋼塊の加熱温度、加熱時間、圧下率、金敷の形状、金敷比（＝Ｗ／Ｈ）等の種々の加工条件に依存することを突き止め、これらの条件を最適に制御する必要があることが分かった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明について図面に従って詳細に説明する。
図１は、本発明に係る製造方法を説明するための斜視図である。この図１には、熱間自由鍛造の一種である鍛伸の様子が示されている。鍛伸では、溶製、鋳造等の工程を経て、鋼塊１が得られる。この鋼塊１には、鋳造時の凝固収縮により、中心近傍に空隙が生じている。鋼塊１の中心近傍には、ミクロ偏析も生じている。この鋼塊１は、加熱炉に投入されて加熱される。加熱時間が短いときは、鋼塊１の中心は、表面よりも温度が低い。換言すれば、鋼塊１は温度分布を有している。加熱時間が十分長いときは、鋼塊２の温度は均一である。
【００１６】
この図１に示されるように、鋼塊１が所定位置にセットされると、上金敷２が下金敷３へ下降する。換言すれば、鋼塊１は圧下される。圧下により、鋼塊１の断面寸法が低減し、又は断面形状が変形する。鋼塊１は、図示されていない搬送手段により、矢印Ａの方向に間欠的に搬送される。この搬送に同調して、圧下が繰り返される。
【００１７】
第一回目の鍛伸が終了すると、母材が９０°回される。この母材に、第二回目の鍛伸が施される。この鍛伸によっても、母材の断面積が低減し、又断面形状が変形する。母材にはさらに、所定回数の鍛伸が施される。その後、母材を一定角度に均等に回転させながら、鍛伸していくと徐々に円に近づく。最終的に、タップという工具で鍛伸することにより鍛造製品である丸棒鋼を得る。
【００１８】
不良のない丸棒鋼が得られるには、鍛伸により空隙が完全に圧着される必要があり、かつ鋼塊１にオーバーヒートが生じないようにする必要がある。不良の有無は、加工条件に大きく依存する。その場合の鍛伸に際しては、被鍛造材に対する１パス当りの減面率は常に１０〜２０％の範囲で行う必要がある。１パス当りの減面率が１０％未満では鍛伸により空隙の圧着が不十分であり、また、２０％を超えるとオーバーヒートの発生がある。従って、その最適範囲を１０〜２０％とした。
【００１９】
また、加熱炉の温度が高いほど、鋼塊１の中心が達する温度が大きいので、オーバーヒートが生じやすい。このオーバーヒートの抑制の観点から、加熱炉の温度が低く設定されることが好ましい。しかし、温度が低すぎる場合は、鍛伸の効率が悪い。また、加熱時間が長いほど、鋼塊１の中心が達する温度が大きいので、オーバーヒートが生じやすい。オーバーヒートの抑制の観点から、短い加熱時間が好ましい。しかし、加熱時間が短すぎると、鋼塊１の表面温度が低すぎて、鍛伸の効率が悪い。
【００２０】
一方、圧下率が大きいほど、空隙が圧着されやすい。しかし、大きな圧下率により大きな加工熱が生じる。大きな加工熱によってオーバーヒートが生じるおそれがある。加熱炉の温度、加熱時間及び圧下率以外にも、不良率に影響する加工条件が種々存在する。他の加工条件としては、Ｗ／Ｈ、金敷の形状、鋼塊１の初期形状等が挙げられる。不良の抑制には、適正な加工条件が決定される必要がある。
【００２１】
また、空隙を圧着する為には、Ｗ／Ｈを大きくとる必要がある。しかしながら、プレスの能力からして、上記に示す大型鋼塊では、最大値で１．２が限度であり、また、経験上０．３未満であれば、ほとんど空隙を圧着できない。従って、その適正なＷ／Ｈの値は、０．３〜１．２とした。しかも、被鍛造材の断面積が１００〜５０％までは、Ｗ／Ｈを０．３〜０．７とする。０．３未満では空隙の圧着が不十分であり、また、０．７％を超えると被鍛造材の断面積が大きい状態での金敷比でありオーバーヒートが生じることから、その範囲を定めた。好ましくは０．４〜０．６とする。また、断面積が５０％未満〜１５％までは、Ｗ／Ｈを０．８〜１．２とする。Ｗ／Ｈが０．８未満では空隙の圧着効果が不十分であり、また、１．２を超えると、上記設備上から、その範囲を定めた。好ましくは、１．０〜１．２とする。
【００２２】
上述したように、オーバーヒートの観点からは、できる限り加工熱を抑制する必要がある為、Ｗ／Ｈは小さくする必要がある。ＦＥＭシミュレーションにより鍛伸時に中心温度を推定したところ、被鍛造材の断面積が大きい場合ほど温度が上がりやすい。つまりオーバーヒートは大断面の時に発生しやすいことがわかった。そこで、大断面の時は、Ｗ／Ｈを小さくし、オーバーヒート発生を防止し、オーバーヒートが発生し難い小断面になった時から、Ｗ／Ｈを大きくし、空隙を圧着すれば内部欠陥のない丸棒鋼が得られる。
【００２３】
上記したＦＥＭシミュレーションとは、有限要素法によるシミュレーションを意味し、その具体的方法としては、鍛伸工程における変形−温度連成解析を行うことによって被鍛造材の中心温度を推定するものである。上記オーバーヒート発生の有無については、中心温度により評価するものである。また、空隙の有無については、具体的には静水圧応力、相当応力、ひずみから得られる（１）式で示される空隙圧着パラメータＧｍ＋によって評価するものである。
Ｇｍ＋＝∫（σｍ／σｅｑ）ｄε    …    （１）                          ただし、σｍ：静水圧応力、σｅｑ：相当応力、ε：ひずみ
【実施例】
【００２４】
被鍛造材として、Ｃ：１．５０％、Ｓｉ :０．２０％、Ｃｒ：１１．３％、Ｍｏ：０．９％、Ｖ：０．２５％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物よりなる冷間工具鋼を、また、鋼塊形状として、直径で９２５ミリのものを素材としたものを用いた。この被鍛造材２を加熱炉内で約１１２５℃に加熱したのち、マニピュレータにて片持ち状態で保持させ、プレスにより１パス当たりの減面率を１０〜２０％で、被鍛造材を軸方向に送りながら圧下させ、さらに９０度回転した後、鍛伸を繰り返し製品にした。この時、鍛伸時に使用する金敷を表１に示すようなものとして鍛伸を行い、鍛伸により得た各軸状丸製品の内部品質を調査した。この結果を同じく表１に示す。
【００２５】
表１に示す被鍛造材の断面積は、図１における鋼塊１の鍛伸前の最初の断面積を１００として、鍛伸を繰り返し行ってその時に断面積が半分となる時点をもって被鍛造材の断面積１００〜５０％とし、その後の鍛伸を繰り返し行って結果５０％未満から１５％を２区分し、その間の金敷幅Ｗと被鍛造材の高さＨとの比Ｗ／Ｈを変化させた。その結果、内部品質の評価としての内部欠陥発生率をＦＥＭシミュレーションによって評価し算出したものである。
【００２６】
【表１】
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表１に示したように、Ｎｏ．１〜８は本発明例であり、Ｎｏ．９〜１６は比較例である。比較例Ｎｏ．９は、１パス当たりの減面率が低いために鍛伸による空隙の圧着が不十分で、内部欠陥の発生が見られる。比較例Ｎｏ．１０は、１パス当たりの減面率が低く、かつ断面積が素材断面積の１００〜５０％までのＷ／Ｈの値が低いために空隙を圧着できないために内部欠陥の発生が生じた。
【００２７】
比較例Ｎｏ．１１は、断面積が素材断面積の１００〜５０％までのＷ／Ｈの値が０．２と低いために鍛伸により空隙の圧着が不十分で、内部欠陥の発生が生じた。比較例Ｎｏ．１２は、断面積が素材断面積の１００〜５０％までのＷ／Ｈの値が０．８と高いためにオーバーヒートを生じ、その結果内部欠陥の発生が生じた。比較例Ｎｏ．１３は、断面積が素材断面積の５０％未満〜１５％までのＷ／Ｈの値が低いために空隙の圧着効果が不十分で内部欠陥の発生が生じた。
【００２８】
比較例Ｎｏ．１４は、断面積が素材断面積の１００〜５０％までのＷ／Ｈの値が０．８と高いためにオーバーヒートを生じ、かつ断面積が素材断面積の５０％未満〜１５％までのＷ／Ｈの値が低いために空隙の圧着効果が不十分のために内部欠陥の発生が大きく生じた。比較例Ｎｏ．１５は、１パス当たりの減面率が高いためにオーバーヒートを生じ、かつ断面積が素材断面積の１００〜５０％までのＷ／Ｈの値が０．８と高いために、さらにオーバーヒートを生じ、その結果内部欠陥が多発した。
【００２９】
比較例Ｎｏ．１６は、１パス当たりの減面率が高くオーバーヒートを生じ、かつ断面積が素材断面積の１００〜５０％までのＷ／Ｈの値が高いために、さらにオーバーヒートにより内部欠陥の発生率が高く、しかも断面積が素材断面積の５０％未満〜１５％までのＷ／Ｈの値が低いために空隙の圧着効果が不十分のために内部欠陥の発生率が極めて高いものとなった。このように、比較例のいずれも内部欠陥による内部品質のよくないものであった。これに対して、本発明例Ｎｏ．１〜８はいずれの条件をも満たしていることから内部欠陥率の低い品質の良いものが得られることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、本発明に係る製造方法を説明するための斜視図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  鋼塊
２  上金敷
３  下金敷
特許出願人  山陽特殊製鋼株式会社
代理人    弁理士    椎  名    彊
【図１】
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