JPH06254648A - 恒温型鍛造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ニッケル基耐熱合金からなる金型を用い、か
つ被鍛造材との焼付を潤滑剤ないし離型剤の塗布にて防
止してなお、その潤滑剤ないし離型剤と金型との間に化
学反応を生じさせることなく、1100℃〜1200℃の大気雰
囲気下で恒温型鍛造を行う。また、その金型を室温から
1100℃以上の高温域まで割れを生じさせることなく昇温
させる。 【構成】 金型にグラファイト系の潤滑剤ないしは窒化
硼素系の離型剤を塗布し、1100℃から1200℃の温度範囲
の大気雰囲気下の恒温型鍛造を行う。また、その金型を
最大 250℃昇温する都度にその昇温温度で最低30分間保
持する昇温条件で室温から階段的に昇温させる。 【効果】 難塑性加工性の耐熱高合金部材を恒温型鍛造
によって製造するについて、ニッケル基耐熱合金からな
る一体金型を用いて大気雰囲気下で恒温型鍛造を行うこ
とができ、よって鍛造設備および金型コストを低く抑制
して生産性を向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ニッケル基合金あるい
は金属間化合物などの難塑性加工材料を成形する恒温型
鍛造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】航空機エンジン用のタービンデイスクや
ブレード等に用いられるニッケル基合金や金属間化合物
等からなる耐熱高合金は、その材料特性のために塑性加
工は著しく難しい、そのため、通常その塑性加工には恒
温型鍛造法が適用され、また、その恒温型鍛造において
は、結晶粒の極めて微細な材料を用い、それら材料が超
塑性挙動を示す高温（1000℃以上）かつ低歪速度（10^-2
〜10^-4/sec）の領域において成形が行われる。

【０００３】一方、それら恒温型鍛造において、金型は
1000℃以上の高温でかつ比較的長時間の過酷な条件下に
おかれるため、モリブデン基合金等の耐熱合金およびフ
ァインセラミックス、あるいはニッケル基耐熱超合金か
らなるものが用いられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、航空
機エンジン用部材等に用いられる耐熱高合金としては、
性能向上のためにより優れた高温強度のものが求めら
れ、その塑性加工はより困難なものとなる傾向にある。
そのため、それら材料を超塑性加工する温度領域も1,10
0℃〜 1,200℃となるものが多くなり、その恒温型鍛造
は、より高い温度領域で効率良く行うことが必要となっ
ている。

【０００５】しかし、モリブデン基合金は、1100℃以上
の高温においても高強度を有するが、大気雰囲気下では
酸化して強度が著しく低下するので、これら合金を恒温
型鍛造用の金型として用いる場合、酸化防止のために真
空あるいは非酸化性雰囲気下で鍛造することが必要とな
る。そのため排気装置やチャンバー等を設けなければな
らず、それに伴い、装置構成が大がかりになって設備費
が高騰するだけでなく、被加工材の出し入れも困難とな
って生産性が低下する。

【０００６】また、ファインセラミックスは、高温な大
気雰囲気下においても酸化することなく高強度を有する
が、靭性に劣るため単独では金型として構成し難く、そ
れをバックアップする金属部材と複合して用いる必要が
あり、また、凹凸の多い複雑な金型や比較的大型な金型
に用いる場合、インプレッションのコーナー部等の応力
集中部からの破壊を防ぐために、金型をコーナー部等か
ら複数に分割した組立構成とする必要も生じ、その構成
が複雑になって製造コストが高騰するだけでなく、メン
テナンスにも大きな負担を強いられる。

【０００７】一方、ニッケル基耐熱超合金製の一体金型
は、1000℃近傍の恒温大気雰囲気下で使用できるものと
されており、これを1100℃以上の恒温型鍛造に用いるこ
とができれば、設備および金型コストと生産効率面で非
常に有利となる。

【０００８】しかし、ニッケル基耐熱超合金製の金型
は、1000℃以上では被鍛造材との間に焼付が生じ易くな
り、これが金型の耐用寿命および製品の品質を低下させ
るので、1100℃以上の恒温型鍛造に適用するには、金型
と被鍛造材との焼付を防止することが必要となるが、そ
の焼付を防止する方法を具体的に示したものは未だ知ら
れてない。例えば、従来ニッケル基耐熱超合金製の金型
を用いた1000℃近傍の大気雰囲気下での恒温型鍛造にお
いて、金型と被鍛造材との焼付を防止するために、通
常、ガラス系潤滑剤が用いられていたが、それらガラス
系潤滑剤は、1000℃を超えると発熱して飛散すると同時
に変質する傾向を示し、かつ1100℃以上の大気雰囲気下
では、ニッケル基耐熱超合金と化学反応を起こし、金型
の酸化腐食を促進して耐用寿命を著しく低下させるの
で、これを1100℃以上の大気雰囲気下で潤滑剤として使
用することができない。

【０００９】更にまた、ニッケル基耐熱超合金は、モリ
ブデン基合金やファインセラミックスと同様に、通常の
熱間型用鋼より高い熱脆性を有するので、昇温に際する
熱応力によって割れが生じ易く、ニッケル基耐熱超合金
からなる金型を恒温型鍛造に適用するには、室温から11
00℃以上の高温域まで昇温する際の金型割れを防止する
ことが必要となるが、その割れを確実に防止する方法を
定量的に示したものは未だ知られていない。

【００１０】すなわち、1100℃〜1200℃の温度範囲の大
気雰囲気下での恒温型鍛造において、ニッケル基耐熱超
合金からなる金型を用い、これにより設備および金型コ
ストの低減と生産効率の向上とを図るについては、金型
と被鍛造材との焼付を潤滑剤ないし離型剤によって防止
し、かつ、それら潤滑剤ないし離型剤と金型との化学反
応を抑えて金型の酸化腐食を防止する方法と、その金型
を室温から1100℃以上の高温域まで、熱応力割れを発生
させることなく昇温する方法とを新たに定める必要があ
る。

【００１１】本発明は、上記課題を解決すべくなされた
もので、ニッケル基耐熱合金からなる金型を用い、かつ
金型と被鍛造材との焼付を潤滑剤ないし離型剤の塗布に
より防止してなお、その潤滑剤や離型剤と金型との化学
反応を抑えて金型の酸化腐食を防止でき、もって1100℃
〜1200℃の温度範囲の大気雰囲気下での恒温型鍛造を高
い生産効率のもとで達成できる恒温型鍛造方法の提供
と、ニッケル基耐熱合金からなる金型を、室温から1100
℃以上の高温域まで割れを発生させることなく昇温させ
ることができ、それにより1100℃〜1200℃の温度範囲の
大気雰囲気下での恒温型鍛造を安定して達成できる恒温
型鍛造方法の提供とを目的する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は以下の構成とされている。すなわち、第
１の発明に係る恒温型鍛造方法は、ニッケル基耐熱合金
からなる金型を用いて恒温型鍛造するに際して、その金
型にグラファイト系潤滑剤ないしは窒化硼素系離型剤を
塗布し、1100℃〜1200℃の温度範囲の大気雰囲気下で恒
温型鍛造することを特徴とする。

【００１３】また、第２の発明に係る恒温型鍛造方法
は、ニッケル基耐熱合金からなる金型を用いて恒温型鍛
造するに際して、その金型を、最大 250℃昇温する都度
にその昇温温度で最低30分間保持する昇温条件のもと
で、室温から1100℃〜1200℃の温度範囲まで階段的に昇
温させた後に、1100℃〜1200℃の温度範囲の大気雰囲気
下で恒温型鍛造することを特徴とする。

【００１４】

【作用】ニッケル基耐熱合金からなる金型を用い、1100
℃〜1200℃の温度範囲の大気雰囲気下で恒温型鍛造する
場合、その金型と被鍛造材との焼付を防止するために用
いる潤滑剤ないし離型剤としては、まず、上記高温域で
金型と化学反応を起こして金型の酸化腐食を促進するも
のは、金型の耐用寿命を低下させるだけでなく、製品品
質を低下させるので忌避する必要がある。本発明者等
は、この観点から各種の潤滑剤および離型剤について検
討を加え、それら内から高温域でも化学的に安定なグラ
ファイト系の潤滑剤と窒化硼素系の離型剤を、適用可能
な潤滑剤ないし離型剤の候補として挙げた。

【００１５】そして、これらについて、金型用材として
のニッケル基耐熱合金材との高温域における化学反応を
確認すべく、Mo：約10wt％（その他、W ：約12wt％、A
l：約6wt％）含有し、残部実質的にNiからなり、かつγ
相が30〜 75vol％、γ’相が25〜 60vol％、α相が 2.5
〜 11vol％の相を有して、金型用材として高温強度特性
を高めたニッケル基超耐熱合金材からなる試験片（厚さ
10mm、幅10mm、長さ50mm、表面粗さ 6Ｓ）を複数準備
し、それらの試験片に、グラファイト系潤滑剤および窒
化硼素系離型剤を塗布して、大気雰囲気下で試験片の加
熱腐食についての実験を行った。また、比較ために、同
試験片にガラス系潤滑剤を塗布して同条件の実験を行っ
た。グラファイト系潤滑剤および窒化硼素系離型剤はス
プレー塗布にて、またガラス系潤滑剤は刷毛塗りにて試
験片全面に塗布し、これらを大気雰囲気下で1100℃と12
00℃の温度に加熱して約４時間保持後に放冷し、しかる
後、それぞれの試験片の表面状態を精査した。

【００１６】その結果、ガラス系潤滑剤を塗布した試験
片の表面には付着物が生成されており、その付着物を除
去した後の試験片の表面粗さは加熱前よりも著しく増加
していた。また、その付着物は試験片の主要成分の酸化
物と同定され、このことから同潤滑剤は、高温加熱によ
って、そのほとんどが発熱して飛散する一方、試験片と
の間に酸化腐食を助長する化学反応を生じることが確認
された。

【００１７】これに対して、グラファイト系潤滑剤を塗
布した試験片の表面には、緻密で薄い膜層が形成されて
残留しており、その薄膜層を除去した後の試験片の表面
粗さは加熱前とほとんど変化していなかった。また、そ
の薄膜層は同潤滑剤の主要成分であるグラファイトから
なるものと同定され、このことから同潤滑剤は、高温加
熱によって、その一部が発熱して飛散するものの、一部
がグラファイトからなる薄膜層を形成して試験片表面に
残留し、かつ試験片との間に化学反応を生じないことが
確認された。また、窒化硼素系離型剤を塗布した試験片
の表面には、同離型剤の塗布膜層があまり変化せずに残
留し、かつその膜層を除去した後の試験片の表面粗さは
加熱前とほとんど変化しておらず、このことから同離型
剤は、高温加熱によって、試験片との間に化学反応を生
じないことが確認された。また、その膜層は、グラファ
イト系潤滑剤を塗布した例で形成された薄膜層よりも格
段に容易に剥離した。すなわち、グラファイト系の潤滑
剤と窒化硼素系の離型剤は、高温域の大気雰囲気下でニ
ッケル基超耐熱合金とほとんど化学反応せずに膜層を形
成するので、ニッケル基超耐熱合金からなる金型を用い
て1100℃〜1200℃の温度範囲の大気雰囲気下で恒温型鍛
造するについて、その金型と被鍛造材との焼付を防止す
る潤滑剤ないし離型剤としての役割を充分に果たし得る
ものであることが判った。

【００１８】第１の発明は、上記実験により把握された
条件に基づいて完成されたものであって、ニッケル基耐
熱合金からなる金型に、グラファイト系の潤滑剤ないし
は窒化硼素系の離型剤を塗布することによって、その潤
滑剤や離型剤と金型との化学反応を抑えて金型の酸化腐
食を防止できると共に、金型と被鍛造材との焼付を防止
でき、もって1100℃〜1200℃の温度範囲の大気雰囲気下
での恒温型鍛造を達成することができる。

【００１９】なお、第１の発明における上記グラファイ
ト系の潤滑剤としては、その主組成分がグラファイトで
あって、その他、Ｋ、Ｓｉ、Ｎａ、Ｓ、Ｃｌ、Ａｌ等を
単独ないし複合して含有してなるものが用いられ、ま
た、上記窒化硼素系の離型剤としては、その主組成分が
窒化硼素であって、その他、Ｏ、Ａｌ、Ｃ等を単独ない
し複合して含有してなるものが用いられる。

【００２０】一方、昇温による金型の破壊は、その昇温
中における過大な引張熱応力の発生に起因し、また、昇
温に際して発生する熱応力値は、金型を予熱する各熱履
歴における最大昇温値と、各昇温段階における最低保持
時間値との設定によって低く制御することができる。本
発明者等は、この観点に基づく適性な昇温条件を定量化
すべく、Mo：約10wt％（その他、W ：約12wt％、Al：約
6wt％）含有し、残部実質的にNiからなり、かつγ相が
30〜 75vol％、γ’相が25〜 60vol％、α相が 2.5〜 1
1vol％の相を有して、金型用材として高温強度特性を高
めたニッケル基超耐熱合金材からなる一体型の上下金型
を用い、その昇温による破壊実験およびその熱応力の数
値解析を行った。

【００２１】それら金型に対する昇温および各昇温段階
における保持時間の設定値を種々に変化させて、室温か
ら1100℃〜1200℃の温度までの昇温を繰り返し行い、各
熱履歴後の金型内面における亀裂の有無を精査したとこ
ろ、一段階での最大昇温値を300℃以上とした場合で
は、亀裂の発生頻度が高く実操業に適用し難く、これに
対して 250℃以下とした場合では、亀裂の発生頻度が低
下して実用に十分耐え得ることが判明した。また、その
金型内部に生じた熱応力を求めたところ、一段階での最
大昇温値を 250℃以下とし、かつその昇温温度で30分間
保持すれば、その一段階での昇温によって生じた熱応力
が殆ど全て開放緩和されて、次の昇温段階に残留しない
ことが解明した。

【００２２】第２の発明は、上記金型の昇温破壊実験お
よび熱応力の解析により把握された条件に基づいて完成
されたものであって、ニッケル基耐熱合金からなる金型
を用いて恒温型鍛造するに際して、その金型を、最大 2
50℃昇温する都度にその昇温温度で最低30分間保持する
昇温条件のもとで、室温から1100℃〜1200℃の温度範囲
まで階段的に昇温させることによって、各昇温段階で金
型に生じる熱応力を割れの生じない低いレベルに抑える
と共に、生じた熱応力をそれぞれの昇温段階において開
放緩和させることができ、もって当該金型の昇温による
割れを防いで、1100℃〜1200℃の温度範囲の大気雰囲気
下での恒温型鍛造を安定して達成することができる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。〔図１〕は本発明の実施例の恒温型鍛造方
法に用いた金型および恒温鍛造装置の概要構成を示す図
面である。

【００２４】〔図１〕において、(1) は上金型、(2) は
下金型であって、これら上・下金型(1),(2) は、特にM
o：約10wt％（その他、W ：約12wt％、Al：約 6wt％）
含有し、残部実質的にNiからなり、かつγ相が30〜 75v
ol％、γ’相が25〜 60vol％、α相が 2.5〜 11vol％の
相を有して、高温強度特性を高めたニッケル基超耐熱合
金材からなり、通常の密閉型鍛造に用いられる形態のも
ので、対向するキス面側に型鍛造品（本例では、タービ
ンディスク）を成形する対のインプレッションを設けた
ものである。

【００２５】(3) は恒温鍛造装置であって、この恒温鍛
造装置(3) は、その作業部を囲撓するヒータ(4) を備え
た大気開放型のプレス装置である。ここで、下金型(2)
は、この恒温鍛造装置(3) の下アンビル(3b)に取り付け
られて、ヒータ(4) の内下部に位置させられ、一方、上
金型(1) は、圧下アンビル(3a)に取り付けられて下金型
(2) に向けて圧下され、ヒータ(4) による恒温下におい
て、下金型(2) との間のインプレッション内に配置され
た被鍛造材(M) を低歪速度で加圧成形する。また、ヒー
タ(4) は、ここでは図示を省略した入力制御装置に連結
されており、その入力制御装置により出力を制御される
ことで、上・下金型(1),(2) を所定条件で昇温させると
共に、所定高温域の恒温に保持できるものとされてい
る。

【００２６】本実施例では上記構成のもとで、ニッケル
基粉末超合金からなる被鍛造材(M)を、大気雰囲気下で
恒温型鍛造して、所期のタービンデイスク材に成形した
が、その恒温型鍛造に先立ち、次の金型昇温実験を行っ
た。

【００２７】まず、下金型(2) 上にニッケル基粉末超合
金からなるモデル材を配すると共に、上金型(1) を降下
させて両者閉じる一方、上記図外の入力制御装置を介し
てヒータ(4) に入力して、その上・下金型(1),(2) を大
気雰囲気下で昇温させ、室温から1100℃、1150℃および
1175℃までの昇温実験をそれぞれ行った。また、それら
の昇温実験では、上・下金型(1),(2) が 250℃昇温する
都度に、その昇温温度で30分間保持する昇温条件のもと
で上記各設定温度まで階段的に昇温させた。

【００２８】そして数次の昇温実験を繰り返すと共に、
各昇温実験後の上・下金型について割れの有無を精査し
たが、それら上・下金型は数次の昇温実験を繰り返した
後においても極めて良好な状態に保たれており、それら
結果から、金型を最大 250℃昇温する都度にその昇温温
度で最低30分間保持する昇温条件のもとで、室温から11
00℃〜1200℃の温度範囲まで階段的に昇温させる本発明
方法の優れた効果を確認することができた。

【００２９】次いで、第１例として、上・下金型(1),
(2) のインプレッション面と被鍛造材(M) の全面とに、
グラファイト系潤滑剤（本例では、主成分として結晶性
のグラファイトを99wt％、その他、Ｋ： 0.2wt％、Ｓ
ｉ： 0.2wt％、Ｎａ： 0.2wt％、Ｓ： 0.1wt％、Ｃｌ：
0.1wt％、Ａｌ： 0.1wt％を含有してなる潤滑剤）をそ
れぞれスプレー塗布して恒温型鍛造を行った。

【００３０】また、第２例として、上・下金型(1),(2)
のインプレッション面には窒化硼素系離型剤（本例で
は、主成分として窒化硼素を86wt％、その他、Ｏ： 5.4
wt％、Ａｌ： 4.1wt％、Ｃ： 3.1wt％を含有してなる離
型剤）を、被鍛造材(M) の全面には上記と同じグラファ
イト系潤滑剤をそれぞれスプレー塗布して恒温型鍛造を
行った。

【００３１】また、それら恒温型鍛造における被鍛造材
(M) の加圧成形は、10^-2〜10^-4/sec範囲内から選ばれた
低歪速度に設定する一方、ヒータ(4) による加圧成形時
の保持温度は1100℃、1150℃および1175℃と変化させた
が、それら恒温型鍛造によって得られたタービンデイス
ク材は、全て形状が良好で、かつ金型との焼付も一切な
く表面状態が極めて滑らかであり、また、数次の恒温型
鍛造を繰り返した後の金型にも酸化腐食等の異常がなく
健全な状態に保たれており、これらのことから本発明方
法の優れた効果を確認することができた。

【００３２】なお、以上の２実施例では、被鍛造材にグ
ラファイト系潤滑剤を塗布したが、これは金型と被鍛造
材との焼付をより確実に防止するためであって、金型に
グラファイト系潤滑剤ないしは窒化硼素系離型剤が塗布
されている限り、被鍛造材にグラファイト系潤滑剤を塗
布することを省略しても、本発明の効果が損なわれるも
のでないことは言うまでもない。

【００３３】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明に係る恒温
型鍛造方法によれば、ニッケル基耐熱合金からなる金型
を用い、かつ金型と被鍛造材との焼付を潤滑剤ないし離
型剤の塗布により防止してなお、その潤滑剤や離型剤と
金型との化学反応を抑えて金型の酸化腐食を防止でき、
もって1100℃〜1200℃の温度範囲の大気雰囲気下での恒
温型鍛造を高い生産効率のもとで達成でき、また一方、
その金型を室温から1100℃以上の高温域まで割れを発生
させることなく昇温させることができ、それにより1100
℃〜1200℃の温度範囲の大気雰囲気下での恒温型鍛造を
安定して達成でき、よって難塑性加工性のニッケル基合
金や金属間化合物等からなる耐熱高合金部材の恒温型鍛
造に適用して、その生産性の向上に大きく寄与すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の恒温型鍛造方法に用いた金型
および恒温鍛造装置の概要構成を示す面図である。

【符号の説明】

(1) --上金型 (2) --下金型 (3) --恒温鍛造装置 (3a)--上アンビル (3b)--下アンビル (4) --ヒータ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ニッケル基耐熱合金からなる金型を用い
   て恒温型鍛造するに際して、その金型にグラファイト系
   潤滑剤ないしは窒化硼素系離型剤を塗布し、1100℃〜12
   00℃の温度範囲の大気雰囲気下で恒温型鍛造することを
   特徴とする恒温型鍛造方法。
2. 【請求項２】 ニッケル基耐熱合金からなる金型を用い
   て恒温型鍛造するに際して、その金型を、最大 250℃昇
   温する都度にその昇温温度で最低30分間保持する昇温条
   件のもとで、室温から1100℃〜1200℃の温度範囲まで階
   段的に昇温させた後に、1100℃〜1200℃の温度範囲の大
   気雰囲気下で恒温型鍛造することを特徴とする恒温型鍛
   造方法。