JPS63183104A

JPS63183104A - 高強度・難加工粉末材の超塑性ウォ−ムダイ・パック鍛造法

Info

Publication number: JPS63183104A
Application number: JP1285187A
Authority: JP
Inventors: Yasunori Torisaka; 鳥阪　泰憲; Masahito Kato; 正仁加藤
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1987-01-22
Filing date: 1987-01-22
Publication date: 1988-07-28
Also published as: JPH0377242B2; FR2609916A1; FR2609916B1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、高強度・難加工材の粉末材を超塑性を利用し
て鍛造するウォームダイ・パック鍛造法（以下、Ｐ−Ｓ
ＷＡＰ鍛造法という、）に関するものである。

［従来の技術］航空・宇宙、原子力などの分野では、高温強度の優れた
金属材料が切望されている。しかしながら、いくら優れ
た特性を持つ材料を創製しても、所要の形状に成形加工
ができなければ１本当に材料を開発したことにはならな
い。

現在、これら難加工材の成形法としては、唯一超塑性を
利用した恒温鍛造の方法があるに過ぎない。コノ鍛造は
、米国Ｐｒａｔｔ　＆　Ｗｈｉｔｎｅｙ社がＮｉ基超耐
熱合金ＩＮ’１００のタービンディスク用に開発したも
ので、Ｇａｔｏｒｉｚｉｎｇ法と呼ばれている。この方
法は、金型を被加工材と同じ温度に保持しながら鍛造す
るもので、従来の鍛造材を加工可能にしたという意味で
、その歴史的意義は非常に大きいとされている。

これに対し１発明者らは上記恒温鍛造に代わる新しい成
形加工法を開発し、ｒＭｉ塑性ウォームダイ・パック鍛
造法」　（以下、５ＷＡＰ鍛造法という。）として、既
に提案している（特願昭６０−２７４１０５号）。

上記５ＷＡＰＷＩ造法は、Ｇａｔｏｒｉｚｉｎｇ法の対
象である　Ｎｉ基超耐熱難加工合金ｌＮ−１００の超塑
性発現温度が１０５０〜１１００℃と高く、かつその変
形速度が１０”ｓ−１台と非常に遅いため、同合金ｌＮ
−１００の超塑性発現速度を　１（１２ｓ−１台と１０
倍も速めるという材質の改善を行うことが、最大の鍵と
なっている。

そして、鍛造時における合金　ｌＮ−１００の保温を、
恒温ではなく、（１）合金ｌＮ−１００を５３５Ｃ等からなるケーシン
グでパックし、鍛造時の温度低下を５３５Ｇのカプセル
中にとどめる。

（２）金型材を約６００℃付近まで加熱しておく。

の２重対策により、通常の鍛造装置での鍛造を可能にし
たものである。

しかしながら、一般に、上記５ＷＡＰ１９造法及びＧａ
ｔｏｒｉｚｉｎｇ法は、結晶粒微細化のための予ヵ■工
として、押出しが採用されるため、この押出しがネック
となって、大型の形状が得られない。現在のところ、製
品としての最大は直径で約４０ｃｍであるのが実状であ
る。したがって、現在の応用は、製品の大きさの制限か
ら、タービンディスクのうちでもジェット戦１２Ｊ機用
のタービンディスク程度に限られ、ジャンボ旅客機など
に適用できるくらいの大型なディスクを製造することは
できない。即ち、そのような大型なディスクを製造しよ
うとしても、これに答えられる大きな押出し設備がこの
世にないのである。

あえて、ディスクの大型化を図るには、■押出し及び鍛
造を行わないで、高温静水圧プレスまたはホットプレス
材そのものを最終製品とする、■高温静水圧プレスまた
はホットプレスの後、鍛造する、の二つの方法が考えら
れる。前者では、変形績が少ないため、焼結時に、粉末
界面に炭化物（以下、ＰＰＢという、）が生じ、低サイ
クル疲労特性が著しく低Ｆする。このＰＰＢの粉砕のた
めには、やはり押出しあるいは鍛造などによる塑性変形
が必要なのである。後者では、焼結時に、結晶粒が粗大
化するため、超塑性発現のためのひずみ速度が１０−’
ｓ−１乗台と、従来に比べ１０倍も遅くなる。したがっ
て、作業効率が極端に低下することになる。即ち、現在
では、ディスクの大型化は現実的には不可能なのである
。

［発明が解決しようとする問題点］一般に、アトマイズ粉末の組織は、非常に微細である。

したがって、粉末自体が超塑性を有することは容易に想
像できる。しかしながら、粉末自体を引張ることはでき
ない、また、粉末を固化してもその組織が粗大化するた
め、これを引張っても意味がない、現状では粉末自体が
超塑性を有すると仮定せざるを得ない。

本発明は、この仮定を認めた上で、粉末自体への５ＷＡ
Ｐ鍛造法の適用の可否を検討したものである。

具体的には、鍛造中、■粉末自体の有する超・塑性を、
粉末の変形及び粉末同士の拡散接合に利用する、■焼結
將、粉末界面に析出する炭化物を、大きな塑性変形によ
って粉砕する、■粉末の同化を、粉末よりはるかに温度
の低いパック材の大きな静水圧によって可能とする、の
３点を一気に可能にするため、５ＷＡＰ鍛造を粉末材自
体に適用し、高温静水圧プレスあるいは押出しを不要に
した加工プロセスを提供するものである。

［問題点を解決するための手段、作用］上記目的を達成
するため、本発明のＰ−３ＷＡＰｍ造法は、超塑性を発
現し得る高強度・難加工材の粉末材を、その粉末焼結プ
リフォーム材（押出し、鍛造または圧延等の予加工を施
した材料）の超塑性発現温度において、前記プリフォー
ム材の超塑性発現強度の１／２以上の強度を有する材料
をパック材としてパックし、これを超塑性発現温度に加
熱した後、それよりも比較的低温の金型、具体的には２
００〜９５０°Ｃの範囲で耐熱温度以下の加熱状態にあ
る金型を用いて鍛造することを特徴とするものである。

Ｐ−３ＷＡＰｆｉ造法において用いるパック材としては
、通常、鍛造初期において５０ＭＰａ以上の耐力を有す
る材料が用いられ、一般的には、５ＵＳ３０４相当以上
のパック材を用い、そのパック材の厚さは、製品の大き
さによっても左右されるが、少なくとも製品の直径の１
７５以上とすることが望ましい。

［実施例］第１表に示す米国Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ　Ｍｅｔａｌ
ｓ社製の−３２５ｒａｅｓｈ　Ｍｏｄ、ｌＮ−１００粉
末を、第１図（ａ）及び（ｂ）に示すような構造で９３
５Ｇ及び５ｔｌＳ３０４からなるパックに封入し、鍛造
を行った。以下におい第１表第２表ては、各パックを第２表のような記号によって表示する
。

前述した■、■、■の３点を満足する加工法とじては、
一般には恒温鍛造法が考えられる。そこで、Ａ１のパッ
クを用い、これに　ｌＮ−１００の合金粉末を封入して
、１０５０℃で恒温鍛造した。鍛造した結果の断面形状
を第２図（ａ）に、鍛造時の荷重−ストローク曲線を同
図（ｂ）に、また鍛造後の硬さ分布を同図ＩＣ）に示す
。なお、第３図は第２図（Ｃ３の硬さ測定の位置を示し
ている。

これらより、＠造荷重は非常に少なく、マクロ観察では
空洞などの欠陥はほとんど見られないが、硬さ値が旧Ｐ
材のそれに比べ、著しく低いことがわかる。即ち、上記
鍛造によって得られる材料は、光学顕微鏡レベルでは空
洞だらけなのである。なぜなら、バック材自身も１０５
０℃に加熱され、パック材の静水圧効果が不十分なため
である。これは恒温鍛造法の宿命である。

そこで、前記■、■、■を満足する加工法として、以下
に説明するような粉末材の５ＷＡＰ鍛造法を実施した。

鍛造装置は、ドーナツ型電気炉（雰囲気は大気中）を、
１基合金１ｉｃｏｎｅ１７１３Ｇを金型材としたグイセ
ットに組み込んだものである。これを２００　ｔｏｎ万
能材料試験機のクロスヘッドとベッド間にセットし、あ
らかじめ金型を電気炉の最大値である約６００℃付近ま
で加熱保持しておき、第２表に示した４種類のパック材
にそれぞれｌＮ−１００の合金粉末を充填した素材を、
別の電気炉で１１００℃×１０分保持後、ただちに（２
〜３秒）上記金型間に装入しく装入後の被加工材の中心
温度はおよそ１０５０℃であった）　、　０．９５〜０
．９６　ａ＋ｍ５−１のベッド移動速度で鍛造した。こ
の場合には、金型によるパック材の冷却により、上述し
た恒温鍛造法の場合に比して極めて効果的な静水圧効果
を得ることができる。

第４図及び第５図各（ａ）　（ｂ）は、５ＷＡＰ鍛造後
の断面形状のスケッチ図で、第４図はパック材に５３５
Ｃを、第５図は５ＵＳ３０４を用いた場合を示している
。中央の無斜線部分が固化した部分であり、多点部分は
目視によって固化していないことが確認された部分であ
る。また、第６図は、第４図（ｂ）の場合の、第７図及
び第８図は第５図（ａ）及び（ｂ）の場合における鍛造
後のビッカース硬さをそれぞれ示したものである。なお
、第４図（ａ）のパック材Ａ１を用いた場合はあまりに
も空洞が多く、硬さ測定は不可能であった。

これらの結果から、パック材に５３５Ｇを用いた場合は
、たとえパック厚さをＢｌ材まで増しても、）１１Ｐ材
に比べ、恒温鍛造同様、真密度は得られない。９３５Ｇ
の厚さをさらに増せば良いのであるが、これは鍛造後の
製品の大型化及びパック材の除去という面から、現実的
でない。

しかしながら、　５ＵＳ３０４のパック材を用いた場合
は、第７図に示したように、パック厚さが少ないときは
不十分であるが（それでも、５３５Ｇの厚いパック材よ
りははるかに良い）、パック厚ざをある程度大きくする
と、完全な真密度が得られる。即ち、鍛造中、固化が完
全に終了し、かつ大きな塑性変形を受けるため、ＰＰＢ
は粉砕されるのである。さらに、顕微鏡観察では、この
材料の変形には、両側の一部を除いては欠陥は全く観察
されず１組織も微細であった。

鍛造初期における５ｉｓｃの耐力は３０〜３５ＭＰａで
あり、これに対して５ＵＳ３０４では５５〜６０ＭＰａ
と３３５Ｇの約２倍であった。即ち、　９３５Ｇの８１
形状と　５ｔｌＳ３０４のＡ２形状とが、かなりの差が
あるにしても、第６図と第７図の比較かられかるように
、対比可能な範叫にある。よって、５３５Ｃのパック材
で５ＵＳ３０４のＢ２材と同様の効果を持たせようとす
れば、パック厚さを２０ＩＩＩ１１位にする必要がある
。

しかしながら、これは先の理由から非現実的である。パ
ック材の厚さは少なければ少ない程良いのである。この
ことから、本発明のパック材には、鍛造初期において少
なくとも、５０ＭＰａ以上の耐力を有することが必要で
ある。

上記鍛造中において、粉末の固化は、５ＵＳ３０４の側
面温度が著しく低下する鍛造中期付近で終了した。これ
は側面の５ＵＳ３０４の変形応力が高いことによる大き
な静水圧効果のためである。そして、その後の変形は、
５ＷＡＰ鍛造と全く同様である。即ち、Ｍｏｄ、ｌＮ−
１００粉末が依然として超塑性を有しているため、何ら
ボイドの発生を伴うことなく、大きな変形に追随してい
ったのである。そして鍛造後、表面では高温静水圧プレ
ス加圧材に近い硬さ、中央では高温静水圧プレス加圧材
を上回る硬さとなって現れた。このことは、粉末自体は
表面近傍では、何ら塑性ひずみを受けることなく完全に
同化を終了するが、中央では固化後、大きな塑性変形を
受けたことを意味する。

第９図は硬さ値に及ぼす塑性変形量の影響を示したもの
である。即ち、硬さ値が僅かでも上昇するということは
、非常に大きな塑性変形を受けたことを意味する。この
大きな塑性変形がＰＰＢの粉砕に必茨なのである。

さらに、Ｐ−３ＷＡＰ鍛造をより効率良く適用するには
、即ち、塑性変形をより大きくするには、固化の終了後
、つまり側面温度が急激に低下する点で、一旦鍛造を停
止し、被加工材を再加熱し直して、５ＷＡＰ鍛造を行う
ことが望ましい。

ここで、重要なことは、高温静水圧プレス加圧材では、
組織が粗大化するのに対して、５ＵＳ３０４相当以上の
パック材を使ったＰ−３ＷＡＰ鍛造材では、組織は微細
なままで、かつ全域ではないがＰＰＢが全くないという
ことである。このことはこの材料がそのまま最終製品に
なること、及び高温静水圧プレス、押出し不要の予加工
材として使用できることを意味している。即ち、ジャン
ボに搭載可能な大きなディスクが、この方法で製造でき
るのである。

第１Ｏ図及び第１１図は、５ＵＳ３０４バツク材の場合
の、鍛造中における荷重−ストローク曲線及び温度変化
を示したものである。前者はＡ２のパック材を用いた場
合の、後者はＢ２のパック材を用いた場合の結果である
。

次に、粉末自身の組織を大きくしたときのＰ−５ＷＡＰ
鍛造の結果について述べる。即ち、　Ａｌ材を用い、粉
末の充填率を上げるため（初期は５０〜６０％）、若干
の鍛造を行った後、粉末の組織を大きくするため１種々
の温度（９５０℃から１１５０℃まで、５０°Ｃ間隔）
で、２３時間の焼なましを施して、５ＷＡＰ鍛造を行っ
た。

その結果、全ての材料にマクロ的な大きな空洞が見られ
、硬さ測定は全く不可能であった。そこで、これらの材
料の空洞を除去する目的で１２５０℃で５時間の溶体化
処理を行い、硬さ測定を行った。結果を第１２図に示す
、超塑性域、即ち１０５０℃〜１１００℃では若干硬さ
値が向上するが、全体に硬さ値は非常に低い、光学ｍ微
鏡観察でも小さな空洞が数多く見られた。

以上の結果から、本発明の対象とする粉末材は１組織が
微細であることが大前提であることがわかる。

［発明の効果コ以上に詳述した本発明の方法によれば、鍛造中において
、■粉末自体の有する超塑性を、粉末の変形及び粉末同
士の拡散接合に利用する、■焼結時、粉末界面に析出す
る炭化物を、大きな塑性変形によって粉砕する、■粉末
の固化を、粉末よりはるかに温度の低いパック材の大き
な静水圧によって可能とする、という３点を一気に可能
にし、それによって５ＷＡＰ鍛造法を粉末材自体に適用
可能にし、高温静水圧プレスあるいは押出しを不要にす
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　（ｂ）は本発明の実施例において用いた
パック材の構造を示す断面図、第２図（ａ）は　ｌＮ−
１００の合金粉末を恒温鍛造した場合の断面形状のスケ
ッチ図、同図（ｂ）はその鍛造時の荷重−ストローク曲
線を示す線図、同図（Ｃ）は同鍛造後の硬さ分布を示す
線図、第３図は第２図（Ｃ）の硬さ測定の位置を示す断
面図、第４図及び第５図番（ａ）　（ｂ）は、５ＷＡＰ
鍛造後の断面形状のスケッチ図、第６図は第４図（ｂ）
の場合の、第７図及び第８図は第５図（ａ）及び（ｂ）
の場合における鍛造後のビッカース硬さを示す線図゛、
第９図は硬さ値に及ぼす塑性変形量の影響を示した線図
、第１θ図及び第１１図は５Ｏ３３０４パツク材の場合
の、鍛造中における荷重−ストローク曲線及び温度変化
を示した線図、第１２図は合金粉末の組織を大きくした
場合の硬さ測定結果を示す線図である。（ａ）　　　　　　　　　　　　　（ｂ）向重ｐ／ｌｏ
ｎ　　　　　　　　ン第２図（Ｃ）１ｆｆ　　晋第４図（ａ）（ｂ）第５図（ｂ）第Ｓ図第７図ｉｆＩ　　晋曾重プｒ　　’５Ｂ　　：／威°Ａ？　毛に〉ぐ）Ａ２ストロ−７、Ｌ７ｍｍ第１２図焼ｔミ（１度、　Ｔ／’Ｃ

Claims

【特許請求の範囲】

１、超塑性を発現し得る高強度、難加工材の粉末材を、
その粉末焼結プリフォーム材の超塑性発現温度において
、前記プリフォーム材の超塑性発現強度の１／２以上の
強度を有する材料をパック材としてパックし、これを超
塑性発現温度に加熱した後、それよりも比較的低温の金
型を用いて鍛造することを特徴とする高強度・難加工粉
末材の超塑性ウォームダイ・パック鍛造法。