技術資料＞ 1500ton 鍛造シミュレータを用いた DSALOY®718 の自由鍛造形状評価技術開発

101

技術資料
Technical Data

1500ton鍛造シミュレータを用いたDSALOY®718の自由鍛造形状評価技術開発
大竹拓至＊1，杉野敦＊1，岡島琢磨＊2 ，本橋功会＊3 ，黒田秀治＊3 ，御手洗容子＊4

Development of a Free Forging Shape Evaluation Method Usinga 1500-ton Forging Simulator in DSALOY®718
Takuji OTAKE, Atsushi SUGINO, Takuma OKAJIMA, Norie MOTOHASHI,
Syuji KURODA and Yoko YAMABE-MITARAI
Synopsis
Free forging is a method of sequential forming by multiple blows using a simply shaped anvil, so it has an advantage overdie forging in that the load is lower and large products can be formed with a relatively small press load. On the other hand, it
is necessary to specify the forging process in detail in order to stably satisfy the required characteristics of the product. In thisstudy, a free forging evaluation method was developed using a 1500-ton forging simulator, the effects of different height-diameter
ratios and forging methods (rotary forging, cross forging, and helical forging) on free forging were investigated, and the following
test results were obtained. In the case of rotary forging, the shape becomes oval and necked. In cross forging, the shape becomes
octagonal, and the neck is suppressed. Helical forging produces a circular shape with the same necked shape as rotary forging.
Using the same forging method, the lower the height-diameter ratio, the more the neck is suppressed.

1．緒言

でも大型の製品を成形できる利点がある．一方で，製品の要求特性を安定的に満足させるために，鍛造工程を細近年，火力発電設備は発電効率向上のために大型化，かく定める必要がある．大同特殊鋼㈱では，鍛造シミュ燃焼温度の上昇が求められており，その心臓部の構成

レーションシステム DAINUS® 2），3）を用いてこの鍛造工部材であるガスタービンディスクには耐熱性と耐食性程を設計してきたが，近年の製品の大型化，品質要求のに優れる DSALOY®7181）などの Ni 基超合金が使用され高難度化に伴い，鍛造工程中の形状変化の過程に注目しる．Ni 基超合金のディスク成形には型鍛造だけでなく，た，より詳細な鍛造工程設計が必要となってきた．そこ自由鍛造が用いられることがある．自由鍛造は単純形状で，鍛造シミュレーションシステムに加え，小型試験片の金敷を用いて複数の打撃で逐次成形する工法であるたで実機の鍛造工程を模擬した評価試験法の必要性が高め，型鍛造対比で荷重が低く，比較的小さなプレス荷重まった．

2021年 9月 30日 受付＊ 1 大同特殊鋼㈱技術開発研究所（Corporate Research & Development Center, Daido Steel Co., Ltd.）＊ 2 大同特殊鋼㈱技術開発研究所，工博（Dr. Eng., Corporate Research & Development Center, Daido Steel Co., Ltd.）＊ 3 国立研究開発法人物質・材料研究機構（National Institute for Materials Science）＊ 4 国立研究開発法人物質・材料研究機構，東京大学，工博（Dr. Eng., National Institute for Materials Science, The
University of Tokyo）

102

電気製鋼 第 92 巻第 2 号 2021 年

物質・材料研究機構にて導入された 1500 トン鍛造シミュレータ4），5）は熱間恒温雰囲気で精密な熱間鍛造試験が可能であり，小型試験片であっても抜熱影響を除去できる装置である．鍛造実績データの採取も可能であTable 1. Chemical composition of DSALOY®718 (mass%).
NiFeCrMo

Nb

Ti

AlC

53.8

Bal.

18.2

3.2

5.5

1.0

0.5

0.03

り，実機材の加工熱履歴を模擬した評価試験機として必Upper die

要な能力を有している．

Rotation

そこで，本研究では 1500 トン鍛造シミュレータを用いた自由鍛造評価手法を開発しUpper die

，DSALOY 718 に6），7）®

おいて材料の初期形状である高径比（= 材料高さ÷材料0°

FurnaceOpenSpecimen径）や鍛造方法（回転押し，十字押し，らせん押し）の違いが，鍛造荷重，鍛造後形状，鍛造後組織におよぼす影響を調査した．また，基礎調査結果から検討した理想Side view

的な鍛造方法でミニチュアディスクを作成し，鍛造方案

供試材は，Ni 基超合金 DSALOY®718 の圧延材を固溶化

熱処理 1050 ℃× 8 h /WC により結晶粒度♯ 2 に調整した
のち，φ95 × 70，100，140 mm の 3 種類の円柱試験片にTop view

Fig. 1. Overview of isothermal rotary forging test.の妥当性について検証した．

2．実験方法Lower dieLower die

Forging
Total blows 30 mm

Forging temperature: 980 °C
Press speed: 10 mm/s
Rotation angle: 30 °Interval between blows: 20 s

Heating 1.5 hReverseReheating 1 h

TopACBot.
Blow 15 mm
5 mm per stroke

HelicalCross

RotaryHeightAngle

HeightAngle

Height

機械加工したものを用いた．供試材の化学成分分析値を

95 mm

0°

95 mm

0°

99 mm

0°

Table 1 に示す．

95 mm

30 °

95 mm

90 °

98 mm

30 °

95 mm

60 °

95 mm

45 °

97 mm

60 °

95 mm

90 °

95 mm

135 °

96 mm

90 °

95 mm

120 °

95 mm

165 °

95 mm

120 °

…

…

…

…

…

…

試験機には 1500 トン鍛造シミュレータを用いて，ダイセットの回転機構とプレス内加熱炉を利用し，恒温雰囲気で回転逐次成形が可能な仕組みを構築した．試験機のFig. 2. Overview of forging method.

概要を Fig. 1 に示す．上金敷により供試材の上面を部分的に打撃し，上金敷を一定量回転させて打撃位置をずらす動作を繰り返し，複数回打撃することで全面を鍛造しTable 2. Condition of forging test.

た．試験方法の概要を Fig. 2 に示す．本試験では同一下Height
diameterratio

点で回転角を 0-90-45-135 °と変化させる「十字押し」，回Forging
method

死点のまま回転角一定で鍛造する「回転押し」，同一下死転角一定で下死点を 1 mm ずつ徐々に低下させる「らせん押し」の 3 種類の鍛造方法を実施し，材料初期形状の高径比を変化させた場合の試験についても実施した．試験条件一覧を Table 2 に示す．鍛造方法の影響については高径比 1.0 の試験片にて比較した．また，高径比の影響についてはらせん押しの試験にて比較した．試験条件と同様の条件で FE（Finite Element）シミュレーションを実施し，ひずみ分布を求めた．シミュレーション条件をTable 3 に示す．

試験中にはロードセルにより荷重を測定し，試験後には形状評価および光学顕微鏡を用いた断面のミクロ組織

Angle

1.01.01.00.71.4

Rotary Cross Helical Helical Helical

Table 3. Condition of FE simulation.
SoftwareSimufact.forming 16.0

Analyzed model

3DSpecimen

Plastic-ElasticTools

Rigid

Contact condition

Coulomb friction 0.4

Heat conductivity[kW/m2K]

to air0.12

to tools 2.00

実用的な鍛造方案の妥当性を検証するため，Fig. 2 の観察を実施した．観察面は鏡面研磨し，10 % シュウ酸水成形方法を組み合せた多ヒート鍛造によりミニチュア溶液を用いてオーステナイト粒界が観察できるように電ディスクを作成する実証的試験も実施した．試験方法の解腐食を実施した．

概要を Fig. 3 に示す．鍛造前半を十字押し，鍛造後半を技術資料＞ 1500ton 鍛造シミュレータを用いた DSALOY®718 の自由鍛造形状評価技術開発

103

らせん押しで鍛造することで良好な円盤形状への成形方で八角形に近い形状となり，回転押し対比，打撃面近傍法を目指した．

への変形集中が緩和され，くびれが少なくなったと考えられる．らせん押しでは各打撃で押し込み深さが異なる

Forging
Total reduction 73 ％(Each reduction 15 %Total of 8 heatings)
Heating 1.5 h
TopReverseReheating 1 h

Bot.
Heat
Initial12345678

Φ103×119が小さく打撃面にひずみが導入された．このことより，打撃面が集中して変形することで，上下面が拡がりくび

ReverseReheating 1 h

Φ112×101

Diameter Height95 mm 140 mm
103 mm 119 mm
112 mm 101 mm
121 mm 86 mm131 mm 73 mm
143 mm 62 mm
155 mm 53 mm
168 mm 45 mm
182 mm 38 mm

大きいものの圧下量が小さいため，特定の方向への拘束各打撃の拘束が小さい影響で円形を保ったまま変形し，

Angle
0-90-45-135 °0-90-45-135 °
90-180-135-225 °90-180-135-225 °
20 °
20 °
18 °
18 °

れた形状となったと考えられる．鍛造方法によるミクロAC・・・

Φ95×140

ため，接触面積の変化が少なかった．また，接触面積がForging temperature: 980 °C
Press speed: 10 mm/s
Interval between blows: 20 s

Φ182×38
Forging method
Cross (0 °-)Cross (0 °-)Cross (90 °-)Cross (90 °-)Helical
Helical
Helical
Helical組織の比較を Fig. 7 に示す．回転押し，十字押しではMid. 部の再結晶面積率が高いのに対し，らせん押しでは Top，Bot. 部の再結晶面積率が高かった．これは，回転押し，十字押しでは 1 打撃あたりの押し込み量が大き

く Mid. 部にひずみが導入されやすいのに対し，らせん押しでは 1 打撃あたりの押し込み量が小さく Top，Bot.

部にひずみが導入されやすい影響によるものと考えられる．
240

Fig. 3. Overview of forging test for mini disk.

3. 1 鍛造方法が鍛造後形状へおよぼす影響
高径比 1.0（Height diameter ratio : H/D 1.0）の場合における，鍛造方法による最大荷重の比較を Fig. 4 に示

す．らせん押しの最大荷重が最も小さい結果となった．

Maximum load / tf

3．結果および考察

230
220

200
190
180
170

RotaryCross
十字押し

Helical
らせん押し

Cross

HelicalTop view

外観の比較を Fig. 5 に，打撃ごとの鍛造形状変化の FE結果となった．回転押しでは 1 打撃目の接触面積が大きRotary下死点一定

methods (H/D 1.0).

が少なかったためと考えられる．鍛造方法による鍛造後のくびれが最も少なく，らせん押しが最も円形度の高い

HelicalImage of contact areaFig. 4. Comparison of maximum load by each forging

これは，1 打撃あたりの押し込み量が小さく，接触面積シミュレーションを Fig. 6 にそれぞれ示す．十字押し

Rotary, Cross

210なった．また，1 打撃目は接触面積と圧下量が大きいた
め，拘束が大きく内部までひずみが導入され，2 打撃目以降は接触面積が小さいため，拘束が小さく打撃面付近にひずみが導入された．このことから，1 打撃目の拘束が大きい影響で楕円に近い形状となり，2 打撃目以降は打撃面が集中して変形することで，上下面が拡がりくびれた形状となったと考えられる．十字押しでは回転押し
対比，2 打撃目の鍛造部位の重なりが少なく，接触面積が大きくなった．また，2 打撃目までは接触面積と圧下量が大きいため，拘束が大きく内部までひずみが導入された．このことから，2 打撃目までの拘束が大きい影響

Side view

く，2 打撃目以降は鍛造部位が重なり接触面積が小さく

Fig. 5. Comparison of forging shapes by forging method(H/D 1.0).

104

電気製鋼 第 92 巻第 2 号 2021 年

Contact

Top view

1st blow

3. 2 高径比が鍛造後形状へおよぼす影響

2nd blow

Equivalentstrain

Metal flow

らせん押し（Rotary）における，高径比による最大荷5 mm per stroke

重の比較を Fig. 8 に示す．高径比が高い条件では最大荷

Final blow
High surface strain

Cross section (90 °)Surface strain
Internal strain…

よる鍛造後外観の比較を Fig. 9 に，打撃ごとの鍛造形状
くびれは高径比が高くなるにつれて大きくなり，円形度

1st blow

はどの高径比でも高い結果となった．高径比が低い方が1 打撃あたりのひずみが大きく，内部までひずみが導入

2nd blow

Top view

Metal flow

5 mm per stroke

Equivalentstrain

Final blow
Low surface strain

Cross section (90 °)Internal strain

Internal strain

1st blow一の場合は高径比が低いほどくびれが抑制されたと考えられる．高径比によるミクロ組織の比較を Fig. 11 に示す．
高径比 0.7 と低い条件では Mid. 部の再結晶面積率が他の入されたためと考えられる．また，高径比 1.4 と高い条件では Top，Bot. 部の再結晶面積率が高かった．これは，Metal flow
1 mm per stroke

Equivalentstrain

料高さ中心まで到達した．このことより，鍛造方法が同と比べて Mid. 部の変形が大きく，より多くのひずみが導2nd blow

Top view

された．また，高径比が低い場合は，ひずみ導入部が材高径比と比較して高かった．これは，高径比が高い条件…

(b) Cross.

高径比が低い条件と比べて Top，Bot. 部の変形が大きく，より多くのひずみが導入されたためと考えられる．
240

Final blow
High surface strain

Cross section (90 °)230

Maximum load / tf

Contact

せず，断面積が小さかったためと考えられる．高径比に変化の FE シミュレーションを Fig. 10 にそれぞれ示す．

(a) Rotary.
Contact

重が小さい結果となった．これは，Mid. 部があまり変形…
※Less strain is introduced with each blow.

(c) Helical.

Fig. 6. Changes in forging shape for each blow byforging method in FE simulation (H/D 1.0).
RotaryGS: ♯2.7
Rex: 0 %HelicalGS: ♯4.5
Rex: 54 %GS: ♯6.6
Rex: 59 %GS: ♯1.9
Rex: 0 %0.51.5ratio (rotary).
※H/D： Height diameter ratio
H/D 0.7
H/D 1.0

Observation
position

GS: ♯5.0
Rex: 43 % GS: Grain size
Rex: Recrystallized
area ratio

1Height diameter ratio

Fig. 8. Comparison of maximum load by height diameter

Mid.

Fig. 7. Comparison of microstructures by forging method(H/D 1.0).

Mid.
φ107 ㎜

190

Cross section (0 °)Mid-radiusMid.
φ111 ㎜

H/D 1.4Top view

GS: ♯3.9Rex: 9 %200

170Bot.

GS: ♯4.6
Rex: 27 %Mid.
φ115 ㎜

180200 μm

Top

GS: ♯7.7
Rex: 50 %210

Side view

Bot.

Mid.

Top

GS: ♯3.1
Rex: 0 %

Cross

220

Fig. 9. Comparison of forging shapes by height diameter
ratio (rotary).

技術資料＞ 1500ton 鍛造シミュレータを用いた DSALOY®718 の自由鍛造形状評価技術開発

1st blow

2nd blow

340

1 mm per stroke

Cross section (90 °)Final blow…

Low internal strain(a) Height diameter ratio of 1.4.
EquivalentstrainMax
316 tf320
Maximum load / tf

Equivalentstrain

105

Max
301 tf

300
280
260
240
2201st blow

2nd blow

1 mm per stroke
Final blow

Cross section (90 °)1 heating 2 heating 3 heating 4 heating 5 heating 6 heating 7 heating 8 heating

Cross

HelicalFig. 12. Maximum load of forging test for mini disk.

…
Internal strain

200

High internal strain(b) Height diameter ratio of 0.7.
Fig. 10. Changes in forging shape for each blow byheight diameter ratio in FE simulation (rotary).
※H/D： Height diameter ratio
H/D 0.7
H/D 1.0
GS: ♯4.5
Rex: 54 %H/D 1.4200 μmGS: ♯5.4
Cross section (0 °)Rex: 69 %Mid-radiusTopGS: ♯7.4
Rex: 59 %TopMid.

GS: ♯4.2
Rex: 19 %GS: ♯1.9
Rex: 0 %GS: ♯2.5
Rex: 0 %

Mid.

Bot.

GS: ♯6.1
Rex: 48 %GS: ♯5.0
Rex: 43 %Observation
position

GS: ♯8.0
Rex: 91 % GS: Grain size
Rex: Recrystallized
area ratio

Fig. 11. Comparison of microstructure by height diameter
ratio (rotary).

3.

(a)Top view

Bot.

3(b)Side viewFig. 13. Forging shape of forging test for mini disk.

鍛造方案設計の実証的鍛造試験

Mini disk

鍛造方案設計の実証的鍛造試験における各ヒートの最GS: ♯10.1
Rex: 100 %トではヒートが進むにつれて最大荷重が増加する傾向が得られた．これは，圧下が進むにつれて断面積が増加しTop

大荷重を Fig. 12 に示す．1 ～ 4 ヒートおよび 5 ～ 8 ヒーた影響と考えられる．5 ヒート目にて十字押しかららせした．これは，十字押しとらせん押しの最大荷重が同程度となり，負荷が分散されるためと考えられる．鍛造後

Mid.

ん押しにすることにより，前項と同様に最大荷重が低下

形状を Fig. 13 に示す．円形度が高く，くびれが少ない

す．Top，Mid.，Bot. のすべてにおいて微細組織になることを確認した．以上の結果より，十字押しとらせん押しの組合せにより鍛造荷重，鍛造後形状，鍛造後組織の良好なディスク鍛造が可能となる傾向が得られた．

Bot.

鍛造されると考えられる．鍛造後の組織を Fig. 14 に示

Cross section (0 °)Mid-radiusTop

GS: ♯9.7
Rex: 98 %

Mid.

Bot.
Observation
position

形状で鍛造された．鍛造前半では十字押しによりくびれが低減し，鍛造後半ではらせん押しにより高い円形度で50 μm

GS: ♯10.5
Rex: 100 % GS: Grain size
Rex: Recrystallized
area ratio

Fig. 14. Microstructure of forging test for mini disk.

106

電気製鋼 第 92 巻第 2 号 2021 年

4.

結言

本研究では 1500 トン鍛造シミュレータを用いた自由鍛造評価手法を開発し，DSALOY®718 において鍛造方法や高径比の違いが自由鍛造におよぼす影響を調査した．また，多ヒート工程を模擬したミニチュアディスク鍛造も実施し，その結果，以下の知見を得た．
1）自由鍛造によるディスク成形を実施する場合，接触面積と圧下量が大きい場合，拘束が大きく内部までひずみが導入され，どちらかが低い場合は拘束が小さく打撃面付近にひずみが導入される．
2）回転押しでは楕円形となり，くびれた形状となる．
十字押しでは八角形となり，回転押し対比くびれが抑制される．らせん押しでは円形となり，回転押し同等のくびれた形状となる．同一の鍛造方法では高径比が低いほどくびれが抑制される．
3）ディスク鍛造工程初期ではくびれ低減に有効な十字
押し，ディスク鍛造工程後期では円形度の良好ならせん押しにより，くびれが少なく，円形度が高いディスク鍛造が可能となる．
（文献）

1）R. C. Hall：Journal of Basic Engineering，89（1967），511．

2）吉田広明，岡島琢磨，八田武士，藤原正尚，伊藤樹一：
電気製鋼，78（2007），263．

3）櫻井信吾，西澤聡，八田武士，岡島琢磨，木村利光：
電気製鋼，82（2011），117．

4）御手洗容子：ふぇらむ，22（2017），480．

5）御手洗容子，黒田秀治，本橋功会，松本洋明，逸見義男，
石外伸也：チタン，66（2018）
，160．

大竹拓至

杉野敦

岡島琢磨

本橋功会

黒田秀治

御手洗容子

6）大竹拓至，杉野敦，岡島琢磨，本橋功会，黒田秀治，
御手洗容子：塑性加工連合講演会講演論文集，（2020），
17．

7）大竹拓至，杉野敦，岡島琢磨，本橋功会，黒田秀治，
御手洗容子：塑性加工春季講演会講演論文集，（2021），
175．