JP7676892B2

JP7676892B2 - 加工用素材の製造方法

Info

Publication number: JP7676892B2
Application number: JP2021064307A
Authority: JP
Inventors: 知輝辻; 芳紀鷲見
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2021-04-05
Filing date: 2021-04-05
Publication date: 2025-05-15
Anticipated expiration: 2041-04-05
Also published as: JP2022159863A

Description

特許法第３０条第２項適用発行者名：一般社団法人日本塑性加工学会、刊行物名：第７１回塑性加工連合講演会講演論文集、発行年月日：令和２年１０月２３日集会名：一般社団法人日本塑性加工学会第７１回塑性加工連合講演会ＷＥＢ講演会、開催日：令和２年１１月１４日ウェブサイトの掲載日：令和３年３月２日、掲載アドレス：ｈｔｔｐｓ：／／ｏｎｓｉｔｅ．ｇａｋｋａｉ－ｗｅｂ．ｎｅｔ／ｉｓｉｊ／１８１／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ集会名：一般社団法人日本鉄鋼協会第１８１回春季講演大会、開催日：令和３年３月１８日

この発明は、加工用素材の製造方法に関し、詳しくは内部空孔に基づく機械特性の悪化を抑制するための技術手段に特徴を有するものに関する。

鋳造によって得られる鋳塊には、造塊時の凝固収縮で生じた内部空孔（以後、ザクと称する場合がある）が存在する。このような内部空孔は、最大径が１５μｍの小さなものであっても、数多く発生すると明確な品質不良となるため、後工程の熱間鍛造や熱間圧延によって完全に圧着させる必要がある。
従来においては、例えば下記特許文献で示されているＱ値やＧｍ＋値といった評価指数を用いてザクの圧着が可能とされる圧下率を推定し、かかる圧下率まで鋳塊を押圧加工することが行われていた。

しかしながら、これらＱ値やＧｍ＋値といった評価指数はザク閉塞の指標となるものであるが、圧下によって閉塞されたザクが完全に圧着されて母相（ザクの発生が無い母相）と同等の機械特性が得られている保障は無い。また、圧下方法によっては（後述）、ザク閉塞が十分に行われず、ザクが残存する場合もあった。

特開２０１０－８９０９７号公報

本発明は以上のような事情を背景とし、ザクに起因する機械特性の悪化を抑制することが可能な加工用素材の製造方法を提供することを目的としてなされたものである。

本発明の発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、以下のように本発明に想到した。
すなわち、本発明の加工用素材の製造方法は、
鋳塊から得た被加工材を熱間状態で１方向から圧下する圧下工程と、
前記圧下工程の後に、前記圧下において閉塞された前記被加工材内部の内部空孔が拡散により圧着可能な温度で前記被加工材を加熱保持する熱処理工程と、
を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、１方向からの圧下により閉塞させた内部空孔（ザク）の圧着が、その後の熱処理により促進されるため、被加工材内部の元ザクであった部位においても母相（ザクの発生がない母相）と同等の機械特性を得ることができる。なお、本発明において圧下方向を１方向に限定しているのは、一旦閉塞させたザクが異なる方向からの押圧力で再び開いてしまうのを防ぐためである。

また本発明では、前記圧下工程前の前記被加工材の内部に存在する内部空孔の圧下予定方向における大きさを内部空孔径としたとき、内部空孔最大径／被加工材径の値が０．１８以下の前記被加工材に対し、
下記式（１）で示すザク閉塞パラメータＱの最小値が０．４０以上となる圧下率で加工を行なうことができる。

また本発明では、前記圧下工程に先立ち、内部空孔形状を推定し、前記圧下工程における圧下方向を前記内部空孔の短径方向とすることができる。

本発明の一実施形態の加工用素材の製造方法の手順を示す系統図である。圧下工程についての説明図である。圧下工程における被加工材の形状変化の一例を示した図である。評価用に作製されたインゴットを示した図である。評価用素材Ｎｏ.２に係るインゴットの放射線透過写真である。評価用素材の横断面を示した顕微鏡写真である。（Ａ）は評価用素材Ｎｏ.１についての応力ひずみ線図、（Ｂ）は評価用素材Ｎｏ.２についての応力ひずみ線図である。（Ａ）は評価用素材Ｎｏ.３についての応力ひずみ線図、（Ｂ）は評価用素材Ｎｏ.４についての応力ひずみ線図である。

次に本発明の一実施形態の加工用素材の製造方法を図面に基づいて詳しく説明する。図１は本実施形態の加工用素材の製造方法の手順を示す系統図である。
同図において、Ｗは公知の方法により溶製された鋳塊から得た被加工材（本例では直径Ｄ₀の円柱形状とする）、２は被加工材Ｗに対して鍛造前加熱を行う加熱炉、４は被加工材Ｗに圧下を付与する鍛造装置、６は圧下後の被加工材Ｗに対して熱処理を行う加熱炉である。

鍛造装置４は、被加工材Ｗを押圧する一対の金敷１０Ａ、１０Ｂを備えた鍛造装置である。上金敷１０Ａは上下方向に移動可能、下金敷１０Ｂは位置固定とされ、上金敷１０Ａが下降するときに下金敷１０Ｂと協働して被加工材Ｗを押圧（鍛伸）する。
なお、鍛造装置４は必要に応じて被加工材Ｗを収容する収容空間を備えた保温用のチャンバーや、収容空間を加熱する加熱手段等を設けておくことも可能である。

本例の製造方法では、これら装置を用いて、圧下工程およびその後の熱処理工程を実行する。圧下工程では、被加工材Ｗを熱間状態で１方向から圧下することにより、被加工材Ｗ内部のザク（例えば図１で示したザク８）を閉塞する。そして、その後の熱処理工程では、被加工材Ｗを再加熱することで閉塞されたザク部を拡散により圧着させる。このようにすることで、閉塞されたザク部において母相（ザクの発生がない母相）と同等の機械特性を得ることができる。なお、被加工材Ｗの材質としては、ＪＩＳＳ４５C等の機械構造用炭素鋼、機械構造用合金鋼、金型用鋼、Ｎｉ基合金などがある。

（圧下工程について）
圧下工程では、まず加熱炉２において被加工材Ｗを加熱する。その後、図２に示すように被加工材Ｗの一端をマニピュレータ１２で保持し、被加工材Ｗにおける加工対象の部位を一対の金敷１０Ａ、１０Ｂの間に配置する。そして、加工対象の部位を所定の圧下率となるように一対の金敷１０Ａ、１０Ｂによる鍛伸を行なう。以降、被加工材Ｗを長手方向に順次移動させながら鍛伸を繰り返し、被加工材Ｗの加工対象部分全体を所定の圧下率となるように押圧する。これにより高さＤ₀であった被加工材Ｗは、図３で示すように、高さＤ₁の扁平形状となり、このとき被加工材Ｗの内部に存在したザクは閉塞する。なお、本例の圧下工程においては、１回の押圧動作で所定の圧下率を得るようにする場合のほか、２回以上押圧動作の累積によって所定の圧下率を得るようにすることも可能である。なお、２回以上の圧下を行う場合においても、１方向からの圧下とする。

圧下工程における加工条件は、以下のように例示することができる。
鍛造前加熱温度：１０００～１２００℃
一連の鍛伸動作において好適な熱間加工温度を確保するため、本例では被加工材Ｗにおける鍛造前加熱温度を１０００℃以上とする。但し、過剰な加熱は過大なエネルギー消費や、鍛造中の加工発熱により被加工材の溶融に繋がるため、その上限は１２００℃とすることが好ましい。

鍛造温度：９００℃以上
鍛造温度が９００℃未満の場合、変形抵抗が高くなり、鍛造装置への負荷が大きくなる。このため本例では鍛造温度を９００℃以上とする。

被加工材Ｗにおける内部空孔最大径／被加工材径は０．１８以下で、圧下率はザク閉塞パラメータＱの最小値が０．４０以上となる圧下率
ここで、内部空孔径（ザク径）とは、圧下工程前の被加工材Ｗの内部に存在する内部空孔（ザク）の圧下予定方向の大きさであり、例えば、図１で示したザク８における寸法Ｌがこれに相当する。また内部空孔最大径とは、被加工材Ｗの内部に存在する複数のザクのなかでの最大の内部空孔径である。
本発明者らの調査によれば、大部分の被加工材Ｗは内部空孔最大径／被加工材径の値が０．１８以下であった。そして内部空孔最大径／被加工材径が０．１８以下の被加工材Ｗについては、式（１）で示すザク閉塞パラメータＱの最小値が０．４０以上となる圧下率で鍛造加工することで、内部に存在するザクの閉塞が可能であることが確認されている。

ザク閉塞パラメータＱの値は被加工材の中心部において分布が生じる（棒状の被加工材に対し、短手方向から圧下する場合、中心部は長手方向軸心となる）。したがって、ザク部でのＱが最大となるように圧下することが好ましく、例えば、圧下前にザク部位を測定または推定して鍛造条件を定めるのが望ましい。あるいは、Ｑの最小値が、ザク圧着に十分となるように鍛造条件を定めるのが好ましい。

なお、式（１）で示す閉塞パラメータＱは、上記特許文献１等に記載されている従来公知の概念である。例えば被加工材Ｗの形状、弾性係数、ポアソン比、摩擦係数、変形抵抗、圧下条件（加工速度、鍛伸送り量、加工温度）等を設定した上で、被加工材Ｗの圧下率を変化させたコンピュータシミュレーションにおける変形解析により求めることができる。またこのときＱ値と圧下率との関係を求めることができる。

ここで、扁平形状のザクについてはザクの短径方向から圧下した方がザクの閉塞が容易である。このため本実施形態では、圧下工程に先立ち被加工材Ｗ内部のザク形状をコンピュータシミュレーションや放射線投影観察等により推定し、圧下工程における圧下方向をザクの短径方向とすることが好ましい。

（熱処理工程について）
熱処理工程では、圧下工程において所定の圧下率に鍛造された被加工材Ｗを所定の温度で加熱保持し、圧下工程において閉塞させた被加工材Ｗ内部のザク（元ザクだった部位）を拡散により圧着させる。

ここで、被加工材内部の温度が６００～１４５０℃の範囲内となるように熱処理温度を設定することが望ましい。内部温度が６００℃未満ではザク閉塞部における拡散が十分に進行せず、機械特性の不足につながる場合がある。他方、１４５０℃を超えると、ザクのみならず、被加工材そのものが溶融し、同様に機械特性の不足につながる場合がある。さらに、温度の保持時間は、拡散によりザクが圧着すればよいため特に制限はなく、例えば４ｈ以上とすることができる。また、過度に長時間の加熱は拡散効果が飽和し、無駄が多くなるため、保持時間は４０ｈ以下にとどめることが望ましい。そして、加熱保持後の被加工材Ｗは空冷により冷却される。

このようにして得られた本実施形態の加工用素材は、熱間鍛造や熱間圧延といった熱間加工用の素材として、また場合によっては冷間加工用の素材として用いることができる。

下記表１に示す４種の評価用素材を作製し、ザクの残存と引張特性について評価した。これら４種の評価用素材は鍛伸時の圧下率および鍛伸後の再加熱の有無が異なっている。表中のＱ値は、長手方向軸心における最小値であり、塑性加工シミュレーションソフトフェア「ＦＯＲＧＥ（Transvalor社）」を用いて算出した。シミュレーションは、条件：熱間鍛伸(鍛造温度１２００℃、加工速度１００ｍ／ｓ）、変形抵抗：６０ＭＰａ（ひずみ速度１／ｓ、１２００℃）／１００ＭＰａ（ひずみ速度１／ｓ、１０００℃）／１７０ＭＰａ（ひずみ速度１／ｓ、８００℃）、送り量：表１の条件、及び、圧下率：表１の条件として解析を行った。なお、変形抵抗は鍛造中の温度低下を考慮したものであり、また、送り量と圧下率は、評価用素材の作製条件と同じである。

（評価用素材の作製）
図４で示すΦ１００ｍｍ×３５０ｍｍの円柱状部３１を有するインゴット（鋳塊）３０を作製した。材質はＳ４５Ｃである。使用した鋳型の一部には他部よりも冷却速度が速い冷却リングが配設されており、得られたインゴット３０（詳しくは円柱状部３１）の特定部位の内部には、意図的にザクが形成されている。図４において、３１Ａがザクの発生が有る領域、３１Ｂはザクの発生が無い領域である。
得られたインゴット３０に対し、放射線透過撮影を行い、ザクの形状及び寸法を調査した。図５は、評価用素材Ｎｏ.２に係るインゴットの放射線透過写真を示している。同図においてはインゴットにおける円柱状部の長手方向略中央の位置にザクの存在が認められる。
各インゴットについて測定されたザク最大径を表１に示す。表１に示したザク最大径は複数のザクについて測定されたザク径の最大値である。

次にインゴット３０を１２００℃で２．５ｈ以上で加熱した後、１方向からの鍛伸加工を実施した（図３参照）。鍛伸加工による圧下率は、表１に示すように、評価用素材Ｎｏ.１が３０％、評価用素材Ｎｏ.２が４５％、評価用素材Ｎｏ.３，４が６０％である。評価用素材Ｎｏ.４については鍛伸加工後、加熱炉に移動させて１２００℃×４ｈの条件で再加熱した（なお、評価用素材Ｎｏ.１，２，３については鍛伸加工後の再加熱は行わない）。それぞれ予定の処理が完了したインゴット（評価用素材）３０は空冷により冷却した。

（ザクの残存についての評価）
上記のようにして得られた評価用素材において、鍛伸前にザクの存在が認められた箇所からミクロ観察用試験片を切り出し、その横断面を観察しザクの閉塞状態を確認した。ザクの残存についての判定は、上記ミクロ観察においてザクの残存が認められた場合を「有」、ザクの残存が認められなかった場合を「無」とし、その結果を表１に示した。また図６に各評価用素材の横断面の顕微鏡写真を示した。これらによれば、圧下率３０％の評価用素材Ｎｏ.１および圧下率４５％の評価用素材Ｎｏ.２については、圧下後においても未だザクの残存が認められる（図６のエッチング後の写真において破線で囲まれている部分が残存するザクである）。一方、圧下率６０％の評価用素材Ｎｏ.３，４については、ザクの残存が認められず、ザクが良好に閉塞されていることが分かる。

（引張特性についての評価）
作製された評価用素材の、ザクの発生が認められた箇所（図４の領域３１Ａ内）およびザクが発生していない箇所（図４の領域３１Ｂ内）からそれぞれ引張試験用の試験片（サイズ：全長１５．４ｍｍ×幅３．４ｍｍ×厚さ１．０ｍｍ）を、圧下方向が試験片の長手方向となるように切出した。そして、それぞれの試験片について引張試験を行ない、ザクの発生が認められた箇所（元ザク部）から切り出された試験片において、ザクの発生が無い箇所から切り出された試験片と同等の引張特性が得られているか評価した。得られた応力ひずみ線図を図７及び図８で示している。

図７（Ａ）は圧下率３０％で再加熱無しの条件で作製された評価用素材Ｎｏ.１についての応力ひずみ線図、図７（Ｂ）は圧下率４５％で再加熱無しの条件で作製された評価用素材Ｎｏ.２についての応力ひずみ線図である。
これらの素材においては、ザクが未だ十分に閉塞されていないため、ザクの発生が認められた箇所（元ザク部）から切り出された試験片では、ザクの発生が無い箇所から切り出された試験片と同等の特性は得られておらず、表１で示す引張特性についての判定は「×」である。

次に、図８（Ａ）は圧下率６０％で再加熱無しの条件で作製された評価用素材Ｎｏ.３についての応力ひずみ線図である。圧下率６０％は、閉塞パラメータＱの最小値で０．４２に相当し、評価用素材Ｎｏ.３はザクが良好に閉塞されている素材と解されるが、図８（Ａ）で示すように、元ザク部から切り出された試験片ではザクの発生が無い箇所から切り出された試験片と同等の特性は得られていない。評価用素材Ｎｏ.３についても表１で示す引張特性についての判定は「×」である。

これに対し、図８（Ｂ）で示すように、圧下率６０％で再加熱有りの条件で作製された評価用素材Ｎｏ.４では、元ザク部から切り出された試験片において、ザクの発生が無い箇所から切り出された試験片と同等の引張強さが得られ、且つザク無し部における公称ひずみ（全伸び）の６０％以上の値が得られている。すなわち、評価用素材Ｎｏ.４においては、表１で示す引張特性についての判定が「○」である。このように、評価用素材Ｎｏ.４では再加熱が行われた結果、ザクが存在していた部位（元ザク部）において拡散による圧着が促進され、母相（ザクの発生がない母相）と同等の機械特性が得られていることが確認された。

以上本発明の加工用素材の製造方法について詳しく説明したが、本発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではない。例えば、被加工材の形状は円柱形状以外の多角形状であっても良いし、被加工材に圧下を付与するための手段は上記実施形態とは異なるものであっても良い等、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた態様で実施可能である。

Claims

鋳塊から得た被加工材を加熱した後、熱間状態で１方向から鍛伸加工を施し前記被加工材を圧下する圧下工程と、
前記圧下工程の後に、前記圧下において閉塞された前記被加工材内部の内部空孔が拡散により圧着可能な温度で前記被加工材を加熱保持する熱処理工程と、
を備えた加工用素材の製造方法であって、
前記圧下工程前の前記被加工材の内部に存在する内部空孔の圧下予定方向における大きさを内部空孔径としたとき、内部空孔最大径／被加工材径の値が０．１８以下の前記被加工材に対し、
下記式（１）で示すザク閉塞パラメータＱの最小値が０．４０以上となる圧下率で加工を行なう、加工用素材の製造方法。