特開 2023-154747 鋼部品の熱間プレス成形方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023154747

(43)【公開日】2023-10-20

(54)【発明の名称】鋼部品の熱間プレス成形方法

(51)【国際特許分類】

   B21J 5/02 20060101AFI20231013BHJP

   B21J 5/00 20060101ALI20231013BHJP

   C22C 38/00 20060101ALI20231013BHJP

   C22C 38/04 20060101ALI20231013BHJP

   B22D 17/00 20060101ALI20231013BHJP

   H01F 41/02 20060101ALI20231013BHJP

   B21K 23/00 20060101ALI20231013BHJP

【ＦＩ】

B21J5/02 C

B21J5/00 A

C22C38/00 303S

C22C38/04

B22D17/00 510

H01F41/02 Z

B21K23/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022064287

(22)【出願日】2022-04-08

(71)【出願人】

【識別番号】306030275

【氏名又は名称】山田 榮子

(72)【発明者】

【氏名】山田 勝彦

【テーマコード（参考）】

4E087

【Ｆターム（参考）】

4E087AA05

4E087AA10

4E087BA02

4E087BA18

4E087CA13

4E087CB01

4E087HA01

4E087HA11

4E087HA52

4E087HA91

4E087HB02

(57)【要約】

【課題】 複雑な形状を持つ鋼部品の半溶融成形方法を提供する。
【解決手段】 製品と同一質量を持つ管状・棒状等の素形材を固相液相が共存する温度域に加熱し、次いで表面温度をＺＤＴ（Zero-ductility temperature）以下に急冷して、表皮部の液相を凝固させるとともに伸びを回復させ、その後直ちに金型に装入して密閉プレスし、１回の加工で製品形状とする。固相と液相が一体となって流れ、機械的偏析が発現しない。必要圧下力は通常の熱間加工の数分の１に低下し製造可能寸法が拡大する。
電動機の固定子・回転子の鉄心を容易に成形することができる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複雑な形状の鋼部品を熱間プレスによって成形する方法において、製品と同等質量を持つ適切な形状の素形材を固相線以上液相線以下の温度に加熱して固相液相混合状態に保持し、次いで該素形材の表面温度をＺＤＴ以下に強制冷却して表皮層の液相を凝固させ、さらに延伸性を回復させ、直ちに該素形材を密閉金型内に装入して１回の圧下により製品形状とすることを特徴とする鋼部品のプレス成形方法。
ここで、ＺＤＴ（Zero-ductility Temperature）とは引っ張り状況下で溶鋼を凝固・冷却し、伸びが発現する温度。

【請求項2】

材料が純度９９．０％以上の工業用純鉄の圧延鋼材であり、素形材の形状が棒状又は管状であり、製品が電動機の電磁鉄心であることを特徴とする請求項１記載した鋼部品のプレス成形方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、鋼部品の熱間プレス成形に際して、比較的低荷重で複雑形状に一発成形する方法に関している。

【背景技術】

【0002】

複雑な形状をもつ金属部品を単純な工程で成形する方法について検討する。
１） 金属ではないがプラモデルのインジェクションプロセスでは溶融樹脂を金型内に圧入し、隅々まで充填する。当該プロセスは非鉄金属に応用されている。
２） Ｍｇ合金のチクソモールディングでは材料を半溶融し、金型へ射出成形する。ケータイのケースが製造されている。Ｆｅでは事例が見当たらない。
３） 溶融金属を鋳造する。大型の直流電動機の固定子が鋳造により製造されたこともある。中小型部品の製造には寸法精度や能率上の問題がある。
４） 熱間プレスによって成形する。単純小物の量産に適する。複雑な形状には密閉金型を使用しても隅々まで充填するには困難がある。
５） 多段熱間プレスによって成形する。現在多用されている方法であり、多種の金型を使用して複数回の加工を施す。目的とする単純工程に適さない。また大型部品には設備の大型化を要する。

【0003】

特許文献１には、半溶融または半凝固の金属スラリの製造方法・製造装置が開示されている。該スラリの使用により『鋳込』又は『加圧』により所望形状に成形可能とされている。変形抵抗が無いに等しく、且つ流動的であり複雑な成形が特長となる。スラリの準備に新規性と進歩性が認められる。純鉄に対しても１％程度の不純物を含有し、液相線・固相線が存在するのでスラリの形成が可能であり、応用可能との記載がある。しかし、本方法を純鉄又は鋼に応用すると問題が発生する場合がある。

【0004】

成形ではないが半溶融鋼を加工する工程がある。棒線の突き合わせ溶接であって直接通電加熱により接触面が優先的に加熱され、半溶融ないし部分溶融になるとわずかな圧下力で接触部が流動・溶着し、盛り上がり、溶接がなされる。

【0005】

半溶融部あるいは溶融部が塑性的に流れる際、しばしば液相部が抽出され固相部は残存する。固相部は低炭素、排出された液相部は高炭素になっていて機械的な偏析が発現する。当該高炭素部分を適切に除去すると伸線加工に耐えられる。
半溶融鋼からの成形において上記偏析現象が発現しない加工条件が存在すると想像されるが現在見つけ出されていない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】公開特許公報２００５－１９７５９４

【特許文献2】特許第６９１０５２３号

【0007】

【非特許文献1】鉄と鋼 Vol.82 (1996) No.12, p.35~p.40 山中ら、 連鋳鋳片の内部割れ機構

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

複雑な形状を持つ鋼部品をプレス成形により製造しようとすると、冷間成形よりも熱間成形がやり易いが、それでも複雑故に多種の金型を使用し、複数回の加工を要する。加工コストが問題となるだけでなく、中型・大型部品には圧下力が過大となって問題が多い。
非鉄合金のチクソモールディングでは固相液相共存のスラリを金型に圧入して最終製品を容易に形成しているが、鋼に対してはスラリの形成が困難であり、高温であるが故に作業上、能率上、品質上困難が多い。
固相液相共存体を金型の装入して加圧成形することは可能である。溶湯鍛造法と称してＡｌ合金の応用されている。鋼に対しては問題が多い。ワレが多発する。またしばしば液相が抽出、固相が残存して機械的な偏析が発現し、製品品質を劣化させる。

【0009】

本願発明は複雑な形状の鋼部品を１工程で成形することを目的とし、圧下力を軽減し塑性が増加することが可能な『固相液相共存体のプレス成形』を採用するに際して、ワレの発生を抑制し、且つ固相液相の分離による機械的偏析の発現を防止することを解決すべき課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

第１の発明は、複雑な形状の鋼部品を熱間プレスによって成形する方法において、製品と同等質量を持つ適切な形状の素形材を固相線以上液相線以下の温度に加熱して固相液相混合状態に保持し、次いで該素形材の表面温度をＺＤＴ以下に強制冷却して表皮層の液相を凝固させ、さらに延伸性を回復させ、直ちに該素形材を密閉金型内に装入して１回の圧下により製品形状とすることを特徴とする鋼部品のプレス成形方法である。
ここで、ＺＤＴ（Zero-ductility Temperature）とは引っ張り状況下で溶鋼を凝固・冷却し、伸びが発現する温度である。

【0011】

第２の発明は、材料が純度９９．０％以上の工業用純鉄の圧延鋼材であり、素形材の形状が棒状又は管状であり、製品が電動機の電磁鉄心であることを特徴とする第１発明に記載した鋼部品のプレス成形方法である。

【発明の効果】

【0012】

本願発明の効果は以下である。
加工直前の素形材の内部は固相液相混在で、しかも加熱過程であるから粒界溶融が成長していて固体粒子間の結合が弱く流動性に近い塑性を持ち、他方表皮は急冷により固相のみ、且つＺＤＴ以下の高温故に通常の熱間以上の延伸性を持つ。
両者の補完作用により比較的小さな圧下力によって大きな変形と型内への充満性が得られる。

【0013】

圧下に際して、粒子間結合が弱いこと、強靱な表皮層が液相抽出を抑制することの作用によって、固相液相の分離が抑制され、一体となって塑性流れが生ずる。機械的偏析が発現しない。

【0014】

上記飛躍的な塑性加工性により、複雑な形状の部品が１回の圧下により、中型だけでなく場合により大型製品まで成形することが容易になる。
形状や鋼種に制限されることなく広範に応用することもできる。工業用純鉄（純度９９．０％）に適用すると、不純物により間隔は狭いが固相線・液相線が存在するので電動機の固定子・回転子を容易に製造することができる。従来の打ち抜き電磁鋼板の積層方式よりも格段に低コストになる。

【0015】

固相液相混在状態の準備については、特許文献１の方法では半凝固法であって一旦溶解し、冷却過程で固体粒子を分断すべく電磁攪拌しなければならない。特別な装置を要する。
本願発明では半溶融法であって精密加熱のみが必要で、煩雑な準備作業が無くなる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本願発明の複雑な形状の鋼部品を成形する方法の概念図である。

【図2】円筒状素形材を密閉金型に装入し、プレスして多極固定子鉄心を成形する装置を示す。Ａ図は上から見た図、Ｂは縦断面図である。

【図3】Ｆｅ－Ｃ系状態図に、凝固開始からの冷却時において抗張力が発現する温度（ＺＳＴ）、伸びが発現する温度（ＺＤＴ）を書き加えたものである。

【図4】突合せ溶接器を使用した固相液相混合体を加工する実験装置を示す。

【発明を実施するための形態】

【0017】

本発明の複雑な形状を持つ鋼部品の製造方法の原理を図１に従って説明する。
鋼素材を加熱すると、通常の熱間加工温度を超えるある温度で粒界の溶融が始まる。図中ステップＡである。この段階で加工すると粒界ワレが発生する。

【0018】

昇温とともに表面が融解し、温度が固相線と液相線間に達すると溶融した粒界が成長して粒子間の結合を部分的に分離するようになる（ステップＢ）。固いが１種のスラリの状態である。鍛けば凹むが、液相が飛び出しワレも生ずる。

【0019】

次いで該鋼素材を急冷、たとえば冷水に浸漬して表面温度がＺＤＴ（Zero-ductility Temperature）以下になるまで冷却すると表皮層に含まれる液相が凝固し、且つ熱間加工に耐える延伸性を回復する（ステップＣ）。ＺＤＴについては後述する。

【0020】

次いで該素材を速やかに密閉金型に装入してプレス加工する（ステップＤ）。表皮層は滑らかに延伸し、内部に混在する液相は外部に抽出することなく、固相と一体となって延伸・流動し、複雑形状の金型壁面に充満するように流れる。機械的偏析は発現しない。

【0021】

成形された素材を取り出し放冷する（ステップＥ）。延伸した液相部が結晶化し、固相部が再結晶し、微細化が生ずる。冷媒中に浸積して冷却すると結晶粒の粗大化が避けられる。

【0022】

本願発明の複雑な形状を持つ鋼部品の製造方法を電動機固定子鉄心を例に挙げて実施する装置と作業方法を図２に従って説明する。
密閉プレスするための外金型１は有底円筒状の内壁２を持つ。該内壁２は目的とする固定子６の外周となる。３は同心円柱状の中子であり、下部は円柱であるが上部には円柱壁面から内側へ磁極４を形成する溝５が設けられている。該溝５の形状は固定子６（図中白抜き部分の形状）と同等になっている。

【0023】

固定子６と同一質量を持つ所定成分の円筒状の素形材７を１４９０℃以上１５３０℃以下の固相液相共存域に加熱し、次いで冷水中に浸漬して表面温度をＺＤＴ以下に冷却し、外金型１と中子３との間隙に形成された環状空間８に装入する。該環状空間８の底には環状の下金型９、上方には上金型１０が設けられており、装入後上金型１０を押し下げ環状空間８の上面を閉じる。次いで下金型９を外金型１の底を貫通するピストン１１を押し上げ、素形材７を密閉空間の中に押し込め、溝５に流入させ、固定子６を形成する。次いで上金型１０を退避し、下金型９を一層押上げ、固定子６を外金型１から取り出す。

【0024】

回転子を製造するには、素形材の形状を円柱として同様に加熱・冷却・プレスを行えばよい。 同様に、鋼種は異なるが歯車・ボルト・ナット・スプロケット・異形棒項等の特殊形状のものも同様に成形することができる。

【0025】

鉄心材料について説明する。
軟磁性材としてふさわしい条件は透磁率が大きいこと、残留磁化（保持力）が小さいこと、電気抵抗が大きいことである。前２者は磁気ヒステリシス損を、後者は誘導損を低減する。絶縁性被膜を持つ極低炭素高珪素鋼の電磁鋼板を使用する積層鉄心が最良である。磁気的性質の改良のため成分だけでなく結晶粒制御、電気的性質の改良のため絶縁被膜が付加されている。

【0026】

上記電磁鋼板が発明されるまではアームコ鉄と称する純鉄が鉄心材料として使用されていた。本発明はその流れを引き継ぐ。上記電磁鋼板の磁気的性質を純鉄と比較すると透磁率・残留磁化とも大差が無い。その上直流磁化ではヒステリシス損自体が発生しない。低稼働率の電磁機器では純鉄でも充分対応可能である。
本願発明では特許文献２に記載された鋼種を使用する。化学成分は質量％において、
Ｃは０．０１％以下、Ｏは０．０５％以上０．１３％以下、Ｓｉは０．０１％以下、Ｍｎは０．５％以下、Ｐ及びＳは０．０３％以下、残部は不可避不純物とＦｅであり、Ｆｅ純度は９９．０％以上とする。
本鋼種の特徴は、磁気特性だけでなく、Ｏの作用として腐蝕環境にあっても黒錆（マグネタイト）を形成して、以後の腐蝕を抑制することである。錆にくい鉄心となる。

【0027】

上記特許文献２には当該鋼種は鉄心に適すると記載されているが、その製造方法については開示がない。

【0028】

加工のための圧下力について説明する。
通常の熱間鍛造や熱間プレスでは、多数の磁極を持つ固定子や回転子の一体物成形は困難であり、また寸法が大きいほど困難である。過大な加圧力を以てしても塑性流れが狭い空間に行き渡らない。
既述のように半溶融又は半凝固であれば液相比を大きくすると密閉鋳型に圧入することはできそうである。
また線材の連結溶接も半溶融又は部分溶融であって容易になされている。それぞれ熱間加工よりも遙かに小さい加圧力で成形される。

【0029】

半凝固圧入方式の問題点は以下である。液相線、固相線の間の温度で両相は共存し、当該状態で加圧すると容易に変形する。しかし冷却過程では低炭素の固相は連接しているのでほとんど移動せず、高炭素の液相が優先して流れ、機械的偏析が発生する。レモンを搾るようである。
本願発明では半溶融方式を採用し、粒界から優先して溶融するので固相は粒子状に分離し易くなり、連接力が小さくなる。固相と液相が一体的に流動しやすい。一体流動をより確実に作用させるため表皮を強固で延伸性のある性状に誘導している。
半凝固方式でも特許文献1のように冷却しつつ電磁攪拌し、固相の多くを粒子状とするなら流動性が増加し、固相と液相が一体流動し、圧入だけで成形可能になる。加工が無ければ偏析が軽減される。

【0030】

加工温度について説明する。
非特許文献１には、鋼の連続鋳造工程において内部ワレを防止するため、凝固過程における引張強さと伸びの挙動が詳細に研究されている。それによると、
１） 冷却途上において液相線・固相線間では引張強さも伸びも無く、引張作用は容易にワレを誘発する。
２） 凝固完了に近づくと伸びは無いが熱間強度に近い引張強さが発現する。当該温度をＺＳＴ（Zero-strength Temperature）とする。固相線温度よりも低い。固相率は０．８と算出されている。

【0031】

３） さらに冷却すると伸びも生ずる。当温度をＺＤＴ（Zero-ductility Temperature）とする。固相率は０．９９とされている。
４） 両温度間で限界歪み（かなり小さい）を超えるとワレが発生する。限界歪みは実験から明確になった。
５） ＺＤＴ以下では熱間加工が可能である。

【0032】

図３は上記文献に記されたデータを正確に引用し、ＺＳＴ，ＺＤＴをＦｅ－Ｃ系状態図に重ねたものである。ＺＳＴ（固相率０．８）ＺＤＴ（同０．９９）の両線とも固相線の下方（低温側）に位置し、Ｃ量に対応して適正又は不適正な加工（歪み）領域が解る。
またＺＳＴと固相線間は形状を保っていても引張強度も伸びも無いことが解る。

【0033】

上記研究により冷却過程における強度と延伸性の発現については解明された。加熱過程では同等ではないにしても同様の現象が生ずると推測される。熱間加工では温度・時間とも過剰加熱領域に入ると、表面にワレが発生し易くなることは周知であり、粒界溶融に起因するとされている。

【0034】

伸びが無くても塑性加工は可能である。粘土の引張試験では容易に引きちぎれ、伸びが小さいことが解る。粘土の圧下ではワレを発生しながら容易に塑性流れとなり、一部は圧接してワレが消滅する。
ＺＳＴ，ＺＤＴ間での塑性加工ではワレが併発するが加工は可能である。強度が発現しているので通常の熱間加工に近い変形抵抗を示すのでそれに抗する圧下力が必要となる。
文献では検討されていないがＺＳＴ以上の加工では引張強度も伸びも無いのでワレは考慮外として、ある程度の低圧下力で変形させることが可能と合理的に推測される。

【0035】

本願発明において固相液相共存域まで加熱した後表面を急冷してＺＤＴ以下まで誘導している理由は、表皮層の引張強度の回復と同時に延伸性を向上させ熱間加工を容易にするため、内部の変形抵抗を実質解消するため、内部の液相を抽出させないため、内部の固相液相を一体変形させるためである。

【実施例0036】

図４に示すように、初めに純鉄に近い低炭素鋼の１０ｍｍ径線材４５を、突き合わせ溶接機の直接通電によって１５００℃に加熱し、空圧シリンダー４４を作動させて該線材を軸方向に圧縮し、容易にへしゃげる、即ち半溶融であることを確認した。

【0037】

次いで同様の実験においてあらかじめ線材の外周に内径２４ｍｍ径の粗ねじナット４７（山高さ２ｍｍ）をはめ込み、線材を１５００℃まで加熱、空圧シリンダーを作動させて、該線材を軸方向に圧縮し、バルジ４６が形成されナット内に充満した。容易に拡径とねじ成形がなされた。しかしねじ部に多数のヒビワレが認められた。

【0038】

３回目試験では、圧下直前にスプレイを吹き付けて表面を約２００℃低下させ、直ちに圧下した。前回同様ねじ山が形成され、ヒビワレは生じなかった。
ここで重要なことは、塑性流れが生ずる圧下力（＝空圧シリンダーの加圧力）は通常の熱間変形抵抗と断面積との積に比較して圧倒的に小さいことである。本発明の低応力・高歪み加工の可能性が裏付けられた。

【産業上の利用可能性】

【0039】

本願発明の鋼部品の製造方法は低コストで容易に実施することができる。

【符号の説明】

【0040】

１；外金型 ２；内壁 ３；中子 ４；磁極 ５；溝 ６；固定子 ７；素形材 ８：環状空間 ９：下金型 １０；上金型 １１；ピストン ４１；電源 ４２、４３；電極クランプ ４４；空圧シリンダー ４５；線材 ４６；バルジ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】