(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鍛造加工前における被加工材の幅をｂとした場合、加工表面に、下記(2)式に規定する条件を満足する高さｈの山部を、下記(1)式に規定する条件を満足するピッチｗで複数条、同一方向に延びるように形成させたことを特徴とする自由鍛造用金敷。
（１／３５）ｂ≦ｗ≦（１／５）ｂ  …(1)
（１／８）ｗ≦ｈ≦（１／２）ｗ    …(2)
【請求項２】
複数回の工程でｎ角形断面形状を有する被加工材を鍛造するに際し、最初のｎ回以上の工程は、請求項１記載の自由鍛造用金敷を用いて被加工材の同一表面に対し山部の稜線の交差角度が４０〜１４０°となるようにして鍛造を行い、最後のｎ／２回以上の工程は、平金敷を用いて鍛造することを特徴とする熱間自由鍛造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自由鍛造用金敷、より詳しくは、炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼や高合金等の被加工材を熱間で複数回圧下して自由鍛造する際に使用する金敷、及び、この金敷を用いた熱間自由鍛造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱間の自由鍛造によって鋼塊、鋳片或いは鋳塊を鍛伸する場合、一般的には被加工材を送りながら、対向する位置に配置された一対の平金敷によって、被加工材の対向する２面を順次圧下する。そして、全長を圧下すると被加工材を搬送方向を軸として、その軸まわりに例えば９０°回転させ、再び被加工材を送りながら対向する一対の平金敷によって前記と異なる２面を順次圧下する工程を複数回繰り返す。
【０００３】
ここで、上記自由鍛造に供される平金敷は被加工材の幅よりも大きい幅を有し、被加工材を主に圧下する面は平坦となされ、この平坦となされた面の被加工材搬送方向前後端には所定角度の傾斜を持つテーパ面或いは円弧面が形成されている。
【０００４】
このような平坦面を有する平金敷を用いて鍛造する場合には、平金敷の平坦面に接触する被加工材の表層は、鍛造時、平金敷との摩擦によって塑性流動が拘束されるため、平金敷との接触範囲の中央部には、ほとんど塑性歪みの加わらないデッドメタル域が生じる。
【０００５】
一般に鋼塊、鋳片或いは鋳塊に熱間加工を施した場合、塑性歪みが加わることによって組織が微細化し、機械的性質が向上する。しかしながら、被加工材の組織が自由鍛造の初期工程で微細化せずに鋼塊、鋳片或いは鋳塊の粗い組織が残留している場合には、自由鍛造の後段工程において大きな歪みと応力が負荷されると、延性の低い粗大結晶粒に沿って亀裂が大きく進展し、鍛造割れ等の欠陥を生じることになる。
【０００６】
従って、上記の従来の平金敷を用いて自由鍛造を行った場合、初期工程の塑性歪みがほとんど起こらない領域では組織が微細化しないので、被加工材の表層には微細化した組織と機械的性質の劣る粗い組織が混在する可能性が存在する。この結果、粗い組織が残留している領域で欠陥が発生することを防止するため、自由鍛造の後段工程では被加工材の圧下量や送り量を低減させたり、鍛造の途中で被加工材を再加熱するなど、生産能率を落とさざるを得なかった。
【０００７】
かかる平金敷を用いた熱間の自由鍛造加工に際し、例えば特開平７−１１６７６６号では、平坦面の両端から材料の搬送方向前後に所定角度傾斜したコーナ面を、複数段に傾斜したテーパ面或いはテーパ面と円弧面とで形成し、傾斜を緩くすることによって、難加工材料でも割れにくくするというものが提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、熱間の自由鍛造時に、特開平７−１１６７６６号で提案された平金敷を用いたとしても、当該平金敷には未だ平坦面が存在するため、デッドメタル域による機械的性質の劣る粗い組織が混在する虞があることは言うまでもない。
【０００９】
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、熱間の自由鍛造加工、特に、矩形に代表される多角形断面形状を有する素材の平坦面を圧下する鍛造において、被加工材の表層に均一な歪みを与えることができ、デッドメタル域を生じさせないことによって割れ等の欠陥発生を防止することができる金敷形状と、この金敷を用いた鍛造方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明の自由鍛造用金敷は、鍛造加工前における被加工材の幅をｂとした場合、加工表面に、下記の数式２に規定する条件を満足する高さｈの山部を、下記の数式１に規定する条件を満足するピッチｗで複数条、同一方向に延びるように形成させることとしている。そして、このようにすることで、自由鍛造において、被加工材の表層に均一な歪みを与えることができるようになる。
【００１１】
【数１】
（１／３５）ｂ≦ｗ≦（１／５）ｂ
【００１２】
【数２】
（１／８）ｗ≦ｈ≦（１／２）ｗ
【００１３】
また、本発明に係る熱間自由鍛造方法は、複数回の工程でｎ角形断面形状を有する被加工材を鍛造するに際し、最初のｎ回以上の工程は、上記した本発明の自由鍛造用金敷を用いて被加工材の同一表面に対し山部の稜線の交差角度が４０〜１４０°となるようにして鍛造を行い、最後のｎ／２回以上の工程は、平金敷を用いて鍛造することとしている。そして、このようにすることで、被加工材と金敷が同時に接触する面積を確実に小さくできるようになる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
発明者らは、基礎検討として数値解析を用い、金敷に接触する被加工材の表層にデッドメタル域が生じない金敷の形状を検討した結果、被加工材が金敷と接触を開始する時間をずらし、被加工材と金敷が同時に接触する面積を小さくする、すなわち、金敷の加工表面を凹凸にすればデッドメタル域の発生を抑制できるという知見を得た。
【００１５】
そして、この知見を基に本発明者らは、さらに被加工材表層の塑性歪みを均一に分布させるための金敷の加工表面に形成する凹凸形状と、その金敷を用いた鍛造方法についてステンレス鋼の自由鍛造により検討した。
【００１６】
その結果、金敷の加工表面に、中心線に対して所定の角度θを有する稜線で構成される山部を形成するのが効果的であり、一度圧下した被加工材を搬送方向を軸として、その軸まわりに所定角度回転して次工程以降の圧下を行う中で、対向して配置された他方の金敷の加工表面の稜線と、対向して配置された一方の金敷により前工程で被加工材に形成された稜線との交差角度が４０〜１４０°の場合に、双方の稜線の重なりが防止でき、同時に接触する面積を確実に小さくできること、及び、後段の工程で被れ疵が発生し難いことが判明した。
【００１７】
本発明は上記した本発明者らの検討・解析の結果得られた知見に基づいてなされたものであり、鍛造加工前における被加工材の幅をｂとした場合、加工表面に、上記の数式２に規定する条件を満足する高さｈの山部を、上記の数式１に規定する条件を満足するピッチｗで複数条、同一方向に延びるように形成させたことを要旨とする自由鍛造用金敷である。
【００１８】
本発明に係る自由鍛造用金敷において、山部のピッチｗを、鍛造加工前における被加工材の幅ｂの１／３５〜１／５の範囲としたのは、鍛造加工前における被加工材の幅ｂの１／５より大きいと、ほぼ同時に接触する面積が大きくなって表層にデッドメタル域が生じるからである。また、鍛造加工前における被加工材の幅ｂの１／３５より小さいと、谷部に材料が充満せず平坦面で圧下した場合と同様にデッドメタル域が生じるからである。
【００１９】
すなわち、山部のピッチｗが、鍛造加工前における被加工材の幅ｂの１／３５〜１／５の範囲以外の場合には、何れも被加工材に粗い組織が残留し、鍛造割れ等の欠陥が生じるおそれがあるからである。
【００２０】
また、本発明に係る自由鍛造用金敷において、山部の高さｈを前記ピッチｗの１／８以上としたのは、１／８未満では、塑性歪みが加わって微細化する範囲が極表層のみとなって表層直下に粗い組織が残留し、鍛造割れ等の欠陥が生じる虞があり、また、経時変化による摩耗や塑性変形により早期に金敷が平滑化してしまい、表層細粒化の効果が全く消失してしまうからである。
【００２１】
山部の高さｈの上限は、本発明者らの各種の実験によれば、ピッチｗの１／２より大きくなると、鍛造によって形成される窪みが深すぎて、後段の平金敷による鍛造時に被加工材に被れ疵を発生させる虞があるので、山部の高さｈはピッチｗの１／２以下とする。山部のｒについては、０であっても差し支えないが、圧下時に被れ疵を発生し難くするためには、ピッチｗの１／１０以上とすることが好ましい。
【００２２】
また、本発明に係る熱間自由鍛造方法は、複数回の工程でｎ角形断面形状を有する被加工材を鍛造するに際し、最初のｎ回以上の工程は、上記した本発明の自由鍛造用金敷を用いて被加工材の同一表面に対し山部の稜線の交差角度が４０〜１４０°となるようにして鍛造を行い、最後のｎ／２回以上の工程は、平金敷を用いて鍛造するものである。
【００２３】
本発明に係る熱間自由鍛造方法において、本発明の自由鍛造用金敷を用いて被加工材の同一表面に対し山部の稜線の交差角度が４０〜１４０°となるようにして鍛造を行うのは、４０°より小さくても、また、１４０°より大きくても交差の端が鋭角になって後段の平金敷による鍛造において被加工材に被れ疵を発生させるからである。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明を図１〜図３に示す実施例に基づいて説明する。
図１は本発明に係る金敷の一例を示す模式図で、（ａ）は被加工材と共に示す平面図、（ｂ）は（ａ）図のＡーＡ線矢視断面図、図２（ａ）（ｂ）は対向して配置する本発明に係る２つの金敷を加工表面側から見た図、図３（ａ）〜（ｄ）は矩形状の被加工材を鍛造する場合における断面収縮工程の最初の４工程を搬送方向の正面（背面）側から示した図である。
【００２５】
１は本発明に係る金敷であり、通常の方法にて製造された鋼塊或いは鋳塊といった被加工材２に存在する柱状晶に代表される粗い組織を、熱間の自由鍛造によって細かい組織にする場合に用いるものである。
【００２６】
本発明に係る金敷１の加工表面は、図１に示すように、ピッチｗ、高さｈ、及び、中心線に対しθの角度を有する稜線で構成される山部１ａを備えている。例えば山部１ａのピッチｗは、鍛造加工前における被加工材２の幅ｂの例えば１／２０の長さで、山部１ａの高さｈは、例えば前記ピッチｗの１／３の高さとする。また、山部１ａのｒは例えば前記ピッチｗの１／１０とする。
【００２７】
本発明に係る金敷１では、中心線に対する角度θは特に規定する必要はないが、図２に示したように、対向配置する２つの金敷１を用いて、例えば矩形断面の被加工材２を金敷１の中心線と平行に送りながら自由鍛造し、一つの工程から次の工程に移る際には、図３の（ａ）〜（ｄ）に示したように、搬送方向を軸に被加工材２を例えば９０°ずつ回転させて同一表面を２回以上繰り返し圧下する場合、対向して配置された他方の金敷１の加工表面の稜線と、対向して配置された一方の金敷１により前工程で被加工材２に形成された稜線との交差角度が４０〜１４０°となるように対抗配置する２つの金敷１の角度を調整する。
【００２８】
鍛造は、上記したように、被加工材２を金敷１の中心線と平行に送りながら行い、一つの工程から次の工程に移る際には、送り方向を軸に被加工材２を９０°回転させるが、従来、矩形に代表される多角形断面形状で平坦な表面を有する被加工材２を自由鍛造する場合には、鍛造の最初から最後まで、全ての工程において加工表面が平坦である平金敷を用いて行っていた。
【００２９】
これに対して、本発明では、ｎ角形断面形状を有する被加工材２を鍛造するに際し、最初のｎ回以上の工程は上記した構成の本発明に係る自由鍛造用金敷１を用いて、被加工材２の同一表面に対し金敷１の山部１ａの稜線の交差角度が例えば９０°となるようにして鍛造を行い、最後のｎ／２回以上の工程は従来の平金敷を用いて行う。なお、途中の工程は、何れの金敷を用いて行なってもよい。
【００３０】
本発明の金敷１を用いた場合、鍛造初期において被加工材２の各面（図３におけるＡ〜Ｄ面）をそれぞれの金敷１で少なくとも１回圧下すると、被加工材２の面部表層全域に塑性歪みを均一に分布させ、組織を細かくすることができる。これにより被加工材２の送り量を低減することなく、鍛造割れ等の欠陥が発生しない鍛造を後工程において行うことが可能となる。
【００３１】
以下、上記した本発明の効果を確認するために行なった実施結果について説明する。
（実施例１）
長さ２０００ｍｍ、幅ｂが５００ｍｍの断面矩形状のＳＵＳ３１６鋼塊を素材とし、この素材を１２００℃に加熱後、工程毎に圧下方向を９０°ずつ変えながら、８工程で一辺が２１０ｍｍの角ビレットに成形した。この際、同一鍛造工程内における被加工材の送り量は１２０ｍｍとした。
【００３２】
全工程で加工表面が平坦である平金敷を用いる従来方法と、最初の４工程で同一方向に延びる複数条の山部を備える金敷を用いた後、残り４工程で平金敷を用いる本発明方法で、山部のピッチｗ、高さｈを変えて製造比較を行った。金敷加工表面の中心線方向（被加工材送り方向）長さは１２０ｍｍ、山部のｒはピッチｗの１／３とした。その結果を表１に示す。
【００３３】
【表１】
0003757800.tif 000002
【００３４】
上記表１より明らかなように、本発明の金敷を用いて本発明方法により製造した角ビレットは、いずれの条件においても割れや被れ疵は全く見られなかった。また組織を観察して角ビレット全体が微細化した組織であることを確認した。一方、全工程で加工表面が平坦である平金敷を用いた従来方法や、加工表面に形成した山部が本発明の範囲を外れる金敷を使用した比較例では、何れも割れや被れ疵が発生した。
【００３５】
（実施例２）
長さ２０００ｍｍ、幅ｂが５００ｍｍの断面矩形状のＳＵＳ３１６鋼塊を素材とし、この素材を１２００℃に加熱後、工程毎に圧下方向を９０°ずつ変えながら、８工程で一辺が２１０ｍｍの角ビレットに成形した。この際、同一鍛造工程内における被加工材の送り量は１２０ｍｍとした。
【００３６】
最初の４工程で同一方向に延びる複数条の山部を備える金敷を用いて交差角を変化させ、その後の残り４工程で平金敷を用いる方法で製造比較を行った。金敷の加工表面の中心線方向（被加工材の搬送方向）長さは１２０ｍｍ、山部のｒはピッチｗの１／３とした。その結果を表２に示す。
【００３７】
【表２】
0003757800.tif 000003
【００３８】
上記表２より明らかなように、本発明金敷を用いた本発明方法の実施例である交差角が４０〜１４０°の範囲で製造した角ビレットには割れはもとより被れ疵も全く見られなかった。また組織を観察の結果、角ビレット全体が微細化した組織であることを確認した。一方、本発明金敷を用いたものの、交差角が４０〜１４０°の範囲を外れた本発明方法の比較例では、割れは見られなかったものの、被れ疵が発生した。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の金敷を用いた本発明方法を採用することにより、難加工材でも鍛造割れや被れ疵を生じることなく、高生産能率で自由鍛造を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る金敷の一例を示す模式図で、（ａ）は被加工材と共に示す平面図、（ｂ）は（ａ）図のＡーＡ線矢視断面図である。
【図２】（ａ）（ｂ）は対向して配置する本発明に係る２つの金敷を加工表面側から見た図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は矩形状の被加工材を鍛造する場合における断面収縮工程の最初の４工程を搬送方向の正面（背面）側から示した図である。
【符号の説明】
１    金敷
１ａ  山部
２    被加工材
【図１】
0003757800.tif 000004
【図２】
0003757800.tif 000005
【図３】
0003757800.tif 000006