JP2000351040A - 多軸同時加圧加工方法とその装置、およびフェライト粒超微細化鋼の製造方法とフェライト粒超微細化鋼厚板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超大型の圧延機を必要とせずに、1 回のパス
において多軸加工し、超微細粒組織の創製を可能とす
る。 【解決手段】 対向面上に配置された溝（４）および平
坦面から加工面（Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３）を形成し、加圧時
にその加工面から垂直に加工素材に応力を掛け、多軸方
向から同時に加圧加工する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この出願の発明は、平均粒径
２μｍ以下のフェライト超微粒組織を有する厚さ１０ｍ
ｍ以上の厚板の製造等に有用な、多軸同時加圧加工方法
とその加圧装置そしてこの方法による超微細化組織鋼の
厚板の製造方法、並びにその厚板に関するものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】従来の一軸鍛造における、平
均粒径２μｍの超微細組織を有する厚さ１０ｍｍ以上の
厚板の鍛造工程では、通常非常に大きな圧下荷重が要求
され、１００００トンクラスの超大型の圧延機が必要と
されている。このため、必然的にコストが掛かり、実用
上の問題があった。

【０００３】また従来の鍛造機等において、大圧下によ
る鍛造加工の際には、減面率を９０％以上にしなければ
ならないという制約をうけていた。たとえば、Ｆｅ−
０．１５Ｃ−０．３Ｓｉ−１．５Ｍｎという組成を有す
る供試材を高周波溶解並びに加熱圧延（１５２３Ｋ加熱
後、５０％圧下）し、これをベースとして６５０℃で一
軸鍛造により１パス加工（７５％圧下）した後、直ちに
水焼き入れを行ったときの試料断面のＳＥＭ組織写真が
図９に示されるが、この図９の写真によれば、中心部で
は細粒化が起こっていることが認められるものの、その
領域は精々中心部０．５ｍｍ幅の領域のみに過ぎず、そ
の周囲の他の領域はすべて粗大粒が残ったままである。

【０００４】また、微細組織創製についての多軸加工の
有効性を明らかにする中で、鍛造や穴型圧延に応用する
ことを試みてきたが、厚板の厚さを大幅に減少させずに
組織制御を行うことは難しかった。そこで、この出願の
発明は、以上のとおりの従来の技術的限界を克服し、平
均粒径２μｍの超微細組織を有する厚さ１０ｍｍ以上の
鋼材厚板であっても、圧下荷重をより軽減して厚板の大
きさを大幅に減少させることなく、低コストに、しかも
より実際的に均一組織鋼を製造可能とすることのでき
る、新しい加圧加工手段とこの手段により製造される新
しい厚板鋼材を提供することを課題としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この出願の発明は、上記
の課題を解決するものとして、第１には、歪み応力を３
軸以上の多軸方向より被加工材に同時に加えて加圧加工
することを特徴とする多軸同時加圧加工方法を提供す
る。そして第２には、一方の型には多角溝が、また他方
の型には平坦面もしくは多角溝が設けられている一対の
加圧型の間に被加工材を挿入し、多角溝の各々の面もし
くはさらにこれに加えて平坦面からなる加工面より歪み
応力を加える前記第１の方法を、第３には、回転軸中心
の平面配置が相互に非平行であって、被加工材の挿入方
向の両側の一方に１以上、そして他方に２以上配置され
たロールを回転させて歪み応力を加える前記第１の方法
を、第４には、長手方向中心部の径が両端部よりも細く
なるように周面が長手方向に湾曲したロールを被加工材
の挿入方向の両側にクロス角を大きくして一対で配置
し、このロールの回転によって歪み応力を加える前記第
１または第３の方法を提供する。また、この出願の第１
の発明は、第５には、前記第１の方法のための装置であ
って、被加工材に対して歪み応力を３軸以上の多軸方向
より同時に加える加圧加工手段を備えていることを特徴
とする多軸同時加圧加工装置を提供する。

【０００６】そして第６には、一方の型には多角溝が、
また他方の型には平坦面もしくは多角溝が設けられてい
る一対の加圧型を加圧加工手段として備え、その加圧型
の間に被加工材を挿入し、多角溝の各々の面もしくはさ
らにこれに加えて平坦面からなる加工面より歪み応力を
加える前記第５の装置を、第７には、回転軸中心の平面
配置が相互に非平行であって、被加工材の挿入方向の両
側の各々に１以上配置されたロールを加圧加工手段とし
て備え、このロールを回転させて歪み応力を加える前記
第５の装置を、第８には、長手方向中心部の径が両端部
よりも細くなるように周面が長手方向に湾曲したロール
を被加工材の挿入方向の両側にクロス角を大きくして一
対で配置して加圧加工手段とし、このロールの回転によ
って歪み応力を加える前記第５または第７の装置を提供
する。

【０００７】また、この出願の発明は、前記第１ないし
第４のいずれかの方法によるフェライト鋼の製造方法で
あって、鉄鋼材料を４００℃以上Ａｃ３以下の温度域で
１パスの多軸同時加圧加工を加え、平均粒径２μｍ以下
の超微細組織を有する厚さ１０ｍｍ以上の厚板を製造す
ることを特徴とするフェライト粒超微細鋼の製造方法
を、第１０には、上記製造方法により製造されるフェラ
イト粒超微細化鋼厚板を提供する。

【０００８】以上のとおりのこの出願の発明は、厚板の
厚さを大幅に減少させずに組織制御を行うための検討を
行い、その結果に基づいて、多軸同時加圧加工により、
多方向の変形を同時に導入し、圧下率を大きくとらなく
ても、すなわち、厚板の厚さを大幅に減少させることな
く、加工可能としている。

【０００９】

【発明の実施の形態】この出願の発明は上記のとおりの
特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態につい
て説明する。まずこの出願の発明の方法において特徴的
なことは、鋼材等の被加工材に対して、歪み応力を３軸
以上の多軸方向より同時に加えて加圧加工することであ
る。そしてこの出願の発明は、その装置として、被加工
材に対して歪み応力を３軸以上の多軸方向より同時に加
える加圧加工手段を備えていることである。

【００１０】ここで、「多軸方向」の規定に表現されて
いる「軸方向」とは、鍛造やロール圧延等の加圧（圧
縮）加工において慣用されているものであって、加圧加
工手段の被加工材への接触面と垂直、もしくはロール接
触点の接線と垂直の方向であることを意味している。つ
まり歪み応力の加わる方向である。このような歪み応力
が加わる方向としての軸方向が多軸方向であって、しか
も歪み応力はこの多軸方向より同時に加えることがこの
発明の本質的な特徴である。この点において、この出願
の発明は、従来の鍛造やロール圧縮とは本質的に相違し
ているのである。

【００１１】この発明における多軸同時加圧加工は、前
記のとおり、（Ａ）一方の型には多角溝が、また他方の
型には平坦面もしくは多角溝が設けられている一対の加
圧型を加圧加工手段として備え、この加圧型の間に被加
工材を挿入し、多角溝の各々の面もしくはさらにこれに
加えて平坦面からなる加工面より歪み応力を加える方法
として可能とされる。

【００１２】また、多軸同時加圧加工は、（Ｂ）回転軸
中心の平面配置が相互に非平行であって、被加工材の挿
入方向の面側の一方に１以上、そして他方に２以上配置
されたロールを加圧加工手段とて備え、このロールを回
転させて歪み応力を加える方法や、（Ｃ）長手方向中心
部の径が両端部よりも細くなるように周面が長手方向に
湾曲したロールを被加工材の挿入方向の両側にクロス角
を大きくして一対で配置して加圧加工手段とし、このロ
ールの回転によって歪み応力を加える方法等として可能
とされる。

【００１３】前記（Ａ）の場合には、より具体的には鍛
造として具体化される。この鍛造のための加圧型として
は、たとえば図１に例示したＶ溝を持った下型と平坦面
の上型とからなる加圧型や、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）に
例示したようなオーバル、四角形、あるいは六角形の多
角溝を持った加圧型等の各種のものが考慮される。たと
えば、図１の加圧加工型の場合には、一方の型にはＶ溝
が形成され、他方の型は平坦面を有し、被加工材につい
て、Ｖ溝と平坦面とにより断面三角形の加工面を形成可
能とし、被加工材を圧縮・塑性変形加工するときに、Ｖ
溝の各々の辺および平坦面の加工面から垂直に応力が加
えられ、三軸方向から同時に加圧可能とされている。従
って、３方向からの歪みを丸棒や角棒材等の被加工材に
導入することができ、１回のパスにおいて多軸加工が可
能である。そして、加工時に被加工材をたとえば６０°
回転させて挿入すると、さらに多軸効果は高まることに
なる。また、局所的な格子回転を容易に可能とできるの
で、結果として材料の組織微細化が容易かつ簡略に可能
とされるという利点をもつ。

【００１４】また、前記（Ｂ）のロールによる加圧加工
の場合には、たとえば、図３に例示したように、被加工
材（α）の挿入方向（β）の両側たとえば上下・あるい
は左右等の一方に１以上の、そして他方に２以上のロー
ルを配置し、しかも、各々のロールが独自に相対的な角
度を変更可能として、その回転軸中心の平面配置が相互
に非平行となる状態で回転させて加圧加工することが例
示される。図３の例では３軸方向同時加工が可能とされ
る。

【００１５】図４は、４軸方向同時の加圧加工について
例示したものである。いずれの場合も、たとえば各ロー
ルの回転軸に対してユニバーサルジョイントにより動力
伝達が行われ、各回転軸中心の相対角度を変化させ、歪
み導入方向を独立に変更可能とすることができる。ま
た、各ロールのユニバーサルジョイントの反対側はハウ
ジングに固定したベアリング止めとすることができる。

【００１６】また、図３および図４の例では、各ロール
には、加熱用の高周波コイルを配置し、ロール抜熱によ
る被加工材の温度低下を防止するようにしている。これ
らの加熱手段は、他の加圧加工手段においても同様に適
用することができる。前記（Ｃ）のロールによる加圧加
工では、図５に例示したように、基本的には各ロールの
回転軸中心の相対的角度（クロス角度）を変更可能とし
ているとともに、ロールそのものについては、図６に示
したように、長手方向中心部の径が両端部よりも細くな
るように周面が長手方向に湾曲したものとし、これによ
って、クロス角度をたとえば１０°となるように大きく
して加圧加工する。このようにして、ロール間距離がフ
ラットになり、しかもたとえば摩擦系数０．３のせん断
応力（多軸歪）を加えることが可能となる。

【００１７】たとえば以上のような方法、そして装置を
用いることによって、厚み１０ｍｍ以上の厚板鋼材とし
て、たとえば平均粒径２μｍ以下の超微細組織の鋼材を
製造することができる。このための方法は、加圧加工
は、たとえば、４００℃以上Ａｃ３以下の温度域での加
工として可能とされる。具体的には、たとえば図１の方
法、装置によるフエライト粒超微細化鋼の製造方法で
は、断面三角形の鉄鋼材料を正立させた状態で加工位置
に配置し、４００℃以上Ａｃ３以下の温度域で１パスの
三軸鍛造を加え、断面を正立三角形から逆三角形に形状
変化させて塑性変形させることができる。これによっ
て、平均粒径２μｍ以下の超微細組織を有する厚さ１０
ｍｍ以上の厚板が製造される。加工温度４００℃以上Ａ
ｃ３以下とする理由は、４００℃未満では、加工中また
はパス間での転位再配列が困難であり、単にフェライト
組織となり、等軸化しないためであり、Ａｃ３以上では
結晶粒の成長速度が速いために粗大が進行するためであ
る。

【００１８】なお、平均粒径２μｍ以下の超微細組織を
有する厚さ１０ｍｍ以上の厚板を鍛造する場合には、被
加工材の断面積変化（減面率）をゼロとして加工する必
要がある。一方、ロールによる加圧加工では僅かな断面
積変化は発生するものの、従来方法・装置ほどの大きな
変化は生じない。上記製造方法により製造されるこの出
願の発明の厚さ１０ｍｍ以上の厚板は、平均粒径２μｍ
以下の超微細組織を有することができる。この厚板の化
学成分としては、たとえばセメンタイトを含む炭化物の
体積率が０％〜２０％となる量のＣ、０．８０ｍａｓｓ
％以下のＳｉ、０．０５〜３．０ｍａｓｓ％のＭｎ、
０．１０ｍａｓｓ％以下のＡｌ、０．０２ｍａｓｓ％以
下のＳを含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からな
るものが例示される。一般に、炭化物が２０ｖｏｌ．％
を超えると、靱性が劣化する。

【００１９】もちろん、この出願の発明においては、以
上の組成に限定されることなしに、各種鋼材等について
超微細組織をもつものを実現することが可能となる。以
下実施例を示し、さらに詳しくこの発明の実施の態様を
説明する。

【００２０】

【実施例】加圧型として図７に示したような、平坦面を
もつ上型（１）とＶ溝（４）をもつ下型（２）を備えた
鍛造装置を用いて加工した。上型（１）の下面は平坦な
加工面（Ｆ１）であり、下型（２）のＶ溝（４）の各溝
面は加工面（Ｆ２）（Ｆ３）となっている。

【００２１】これら加工面（Ｆ１）（Ｆ２）（Ｆ３）で
互いに相補的に断面三角形をなす加工面が形成され、多
軸加工を可能にしている。被加工材（３ａ）としては例
示的に丸棒材が示されている。鍛造加工に際して、被加
工材（３ａ）は、断面逆三角形のＶ溝（４）内に挿入さ
れ、３つの加工面（Ｆ１）（Ｆ２）（Ｆ３）により三軸
方向から同時に歪みが加えられ鍛造される。被加工材
（３ａ）には、各加工面（Ｆ１）（Ｆ２）（Ｆ３）から
垂直に応力（歪）が加えられることになる。

【００２２】鍛造された加工品は、Ｖ溝（４）に倣って
断面逆三角形に成形される。次いで、この断面逆三角形
の鍛造加工品を、Ｖ溝（４）から引き出し、図７（ｂ）
に示すように、軸線の回りに６０°回転して正置した正
立三角形の姿勢として再度鍛造する。この加工によっ
て、被加工材（３ａ）の局所的な格子回転を容易とし、
材料の組織微細化が容易かつ簡略に実現される。

【００２３】実際に、Ｆｅ−０．１５Ｃ−０．３Ｓｉ−
１．５Ｍｎ合金を高周波溶解し、その後加熱圧延（１５
２３Ｋで加熱後、減面率５０％圧下）加工したものを被
加工材とし、６５０℃の加熱温度下で三軸鍛造を１パス
により行い、直ちに水焼き入れを行った。さらに、この
試料を減面率ゼロで一辺１０ｍｍの三角柱に加工した。
ＳＥＭ観察から三角柱は、Ｃ断面において、図８に示し
たような平均粒径２μｍ以下の等軸微細粒が形成され、
Ｌ断面では圧延方向に伸張した組織を有していた。バル
ク全体に渡って均一に超微細粒組織が得られている。

【００２４】

【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この出願の発
明により、多軸方向から同時に歪みを加えることが可能
で、１回のパスで多軸加工することができる。圧下率を
多くとらずに、多軸加工が可能となる。被加工材の断面
積変化が少ない状態を保ちながら、実質的に試料を強加
工することも可能となる。コスト的にも有利となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｖ溝と平坦面をもつ加圧型を例示した斜視図で
ある。

【図２】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、各々、オーバル、四角
形、大角形の多角溝をもつ加圧型を例示した斜視図であ
る。

【図３】３軸方向同時加圧を可能とするロール加圧装置
の構成概要図である。

【図４】４軸方向同時加圧を可能とするロール加圧装置
の構成概要図である。

【図５】一対のロールの配置関係を例示した斜視概要図
である。

【図６】クロス角を大きくとってのロール加圧による多
軸加工を例示した概要図である。

【図７】（ａ）、（ｂ）は、各々、この出願の発明の実
施例としての厚板の製造例を示した構成図である。

【図８】三軸鍛造後のＣ断面に代わる組織ＳＥＭ写真で
ある。

【図９】従来の一軸鍛造後の図面に代わるＣ断面の組織
ＳＥＭ写真である。

【符号の説明】

１ 上型 ２ 下型 ３ａ、３ｂ 被加工材 ４ Ｖ溝 Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３ 加工面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 000006208 三菱重工業株式会社 東京都千代田区丸の内二丁目５番１号 (72)発明者 花村 年裕 茨城県つくば市千現１丁目２番１号 科学 技術庁金属材料技術研究所内 (72)発明者 中嶋 宏 茨城県つくば市千現１丁目２番１号 科学 技術庁金属材料技術研究所内 (72)発明者 鳥塚 史郎 茨城県つくば市千現１丁目２番１号 科学 技術庁金属材料技術研究所内 (72)発明者 長井 寿 茨城県つくば市千現１丁目２番１号 科学 技術庁金属材料技術研究所内 (72)発明者 斎藤 正 茨城県つくば市千現１丁目２番１号 科学 技術庁金属材料技術研究所内 (72)発明者 佐久間 信夫 茨城県つくば市千現１丁目２番１号 科学 技術庁金属材料技術研究所内 Ｆターム(参考） 4E087 BA02 CA11 CA41 CB02 HB00

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 歪み応力を３軸以上の多軸方向より被加
   工材に同時に加えて加圧加工することを特徴とする多軸
   同時加圧加工方法。
2. 【請求項２】 一方の型には多角溝が、また他方の型に
   は平坦面もしくは多角溝が設けられている一対の加圧型
   の間に被加工材を挿入し、多角溝の各々の面もしくはさ
   らにこれに加えて平坦面からなる加工面より歪み応力を
   加える請求項１の方法。
3. 【請求項３】 回転軸中心の平面配置が相互に非平行で
   あって、被加工材の挿入方向の両側の一方に１以上、そ
   して他方に２以上配置されたロールを回転させて歪み応
   力を加える請求項１の方法。
4. 【請求項４】 長手方向中心部の径が両端部よりも細く
   なるように周面が長手方向に湾曲したロールを被加工材
   の挿入方向の両側にクロス角を大きくして一対で配置
   し、このロールの回転によって歪み応力を加える請求項
   １または３の方法。
5. 【請求項５】 請求項１の方法のための装置であって、
   被加工材に対して歪み応力を３軸以上の多軸方向より同
   時に加える加圧加工手段を備えていることを特徴とする
   多軸同時加圧加工装置。
6. 【請求項６】 一方の型には多角溝が、また他方の型に
   は平坦面もしくは多角溝が設けられている一対の加圧型
   を加圧加工手段として備え、その加圧型の間に被加工材
   を挿入し、多角溝の各々の面もしくはさらにこれに加え
   て平坦面からなる加工面より歪み応力を加える請求項５
   の装置。
7. 【請求項７】 回転軸中心の平面配置が相互に非平行で
   あって、被加工材の挿入方向の両側の各々に１以上配置
   されたロールを加圧加工手段として備え、このロールを
   回転させて歪み応力を加える請求項５の装置。
8. 【請求項８】 長手方向中心部の径が両端部よりも細く
   なるように周面が長手方向に湾曲したロールを被加工材
   の挿入方向の両側にクロス角を大きくして一対で配置し
   て加圧加工手段とし、このロールの回転によって歪み応
   力を加える請求項５または７の装置。
9. 【請求項９】 請求項１ないし４のいずれかの方法によ
   るフェライト鋼の製造方法であって、鉄鋼材料を４００
   ℃以上Ａｃ３以下の温度域で１パスの多軸同時加圧加工
   を加え、平均粒径２μｍ以下の超微細組織を有する厚さ
   １０ｍｍ以上の厚板を製造することを特徴とするフェラ
   イト粒超微細化鋼の製造方法。
10. 【請求項１０】 請求項９の製造方法により製造され
    る、フェライト粒微細化鋼厚板。