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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2025-02-25
(45)【発行日】2025-03-05
(54)【発明の名称】熱間鍛造材の製造方法
(51)【国際特許分類】
B21J 1/06 20060101AFI20250226BHJP
B21K 1/76 20060101ALN20250226BHJP
【ＦＩ】
B21J1/06 A
B21K1/76 Z
【請求項の数】
1
(21)【出願番号】P 2021042535
(22)【出願日】2021-03-16
(65)【公開番号】P2022142383
(43)【公開日】2022-09-30
【審査請求日】2024-01-15
(73)【特許権者】
【識別番号】000005083
【氏名又は名称】株式会社プロテリアル
(72)【発明者】
【氏名】山下 陽司
【審査官】程塚 悠
(56)【参考文献】
【文献】韓国公開特許第１０－２０１１－０１１７３４０（ＫＲ，Ａ）
【文献】特開２０１４－２３７１７９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６１－０３７３４１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－１６２５８１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－０３０２６５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２１Ｊ １／００－１／０２
Ｂ２１Ｊ ５／００
Ｂ２１Ｊ ９／００
Ｂ２１Ｋ １／００
Ｂ２１Ｋ １／７６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
大径部分と小径部分とを有する棒状の鍛造素材の前記大径部分を熱間鍛造する熱間鍛造材の製造方法であって、
前記鍛造素材を挿入する穴を有する素材保持治具を予め加熱炉内に設置しておき、加熱炉が所定の温度に昇温した後に、前記素材保持治具の前記穴に、前記鍛造素材の小径部分を挿入し、前記大径部分を加熱温度まで加熱して加熱材とし、
前記加熱材を前記素材保持治具から抜去した後、前記加熱材を挿入する穴を有する熱間
鍛造用下型の前記穴に前記加熱材の小径部分を挿入し、熱間鍛造用上型により前記大径部
分を軸方向に押圧する熱間鍛造を行って熱間鍛造材とすることを特徴とする熱間鍛造材
の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、熱間鍛造材の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
例えば、航空機のエンジン部品や発電用部品のうち、長尺の棒材を加工してシャフト形状とするものがある。これらを製造するには、所定の成分に調整されたインゴットを用いて、熱間鍛造によってビレットや荒地を成形し、最終製品形状に熱間鍛造されることになる。例えば、特許文献１（特開平６－２３８３８７号公報）には、長さＬ１と外径Ｄの比Ｌ１／Ｄが１～３である一端据込部と軸部とを有する棒材の前記一端据込部を据込比１／２ｕ以上に据込み鍛造を行った後、再結晶温度以下に再加熱し、四面鍛造機を用いて前記軸部を鍛練比２ｓ以上で、鍛伸した軸部の長さＬ２が２０００ｍｍ以上とする、航空機用大型エンジンの長尺シャフト等の製造に好適に適用される長尺鋼材の鍛造方法の発明がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開平６－２３８３８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
前述の特許文献１に記された長尺鋼材の鍛造方法によれば、フランジを成形するための据込鍛造時に用いる鍛造素材は、円柱状の丸棒形状のものである。そして、前記鍛造素材を所定の温度に加熱して熱間鍛造用下型に設けられた穴に挿入し、前記穴で拘束されていない部分を熱間鍛造用上型で鍛造素材端面を押圧して据込鍛造を行うものである。
この素材の一部を熱間鍛造する場合、熱間鍛造に供する鍛造素材全体を加熱温度に加熱すると、熱間鍛造しない部分も高温下で加熱されることになる。特に、γ’（ガンマプライム）相等の析出物で強化するようなＮｉ基超耐熱合金等の難加工性材料においては、加熱温度が高くなる。
この素材の一部を熱間鍛造する場合、熱間鍛造に供する鍛造素材全体を加熱温度に加熱すると、熱間鍛造しない部分も高温下で加熱されることになる。特に、γ’（ガンマプライム）相等の析出物で強化するようなＮｉ基超耐熱合金等の難加工性材料においては、加熱温度が高くなる。
【0005】
ところで、鍛造素材全体を加熱することにより、鍛造素材または熱間鍛造後の熱間鍛造材には曲りの不良が発生したり、熱間鍛造後の熱間鍛造材が熱間鍛造用下型に設けられた穴から抜けにくくなって生産性を低下させる問題がある。曲りの不良は、機械加工による加工代が大きくなるだけでなく、製品そのものの不良につながる。
例えば、丸棒状の鍛造素材であっても、大径部分と小径部分とが一体成形されたような直径が異なる長尺で段付きの鍛造素材においては、熱間鍛造前の加熱工程において、鍛造素材を横置きすると小径部分に曲りが生じる場合がある。そうなると、次工程の熱間鍛造において、熱間鍛造用下型に形成される穴への小径部分の挿入が難しくなる。
また、前記小径部分を前記熱間鍛造用下型に形成された穴で拘束しつつ、大径部分を押圧して熱間鍛造する場合、小径部分が熱膨張して前記の穴に挿入しにくくなったり、熱間鍛造により大径部分を所定の形状に成形後には、熱間鍛造の押圧によって大径部分と下型のキャビティ部分とが密着するため、小径部分の下側端面側をノックアウトピンで抜去する場合がある。この場合、小径部分へノックアウトピンの衝撃が加わることから、小径部分に変形が生じるおそれがある。これを防止するには、小径部分の直径と、前記の穴の直径が近似していれば、変形する空間が狭くなるが、前記のように加熱された小径部分は熱膨張を生じているため、過度に穴の直径を小さくすることができない。そのため、熱間鍛造用下型や小径部の温度を再度調整して抜去することがあり、生産性を低下させていた。
本発明の目的は、熱間鍛造時の加熱時において、鍛造素材の曲りを抑制しつつ、生産性を高めることが可能な熱間鍛造材の製造方法を提供する。
例えば、丸棒状の鍛造素材であっても、大径部分と小径部分とが一体成形されたような直径が異なる長尺で段付きの鍛造素材においては、熱間鍛造前の加熱工程において、鍛造素材を横置きすると小径部分に曲りが生じる場合がある。そうなると、次工程の熱間鍛造において、熱間鍛造用下型に形成される穴への小径部分の挿入が難しくなる。
また、前記小径部分を前記熱間鍛造用下型に形成された穴で拘束しつつ、大径部分を押圧して熱間鍛造する場合、小径部分が熱膨張して前記の穴に挿入しにくくなったり、熱間鍛造により大径部分を所定の形状に成形後には、熱間鍛造の押圧によって大径部分と下型のキャビティ部分とが密着するため、小径部分の下側端面側をノックアウトピンで抜去する場合がある。この場合、小径部分へノックアウトピンの衝撃が加わることから、小径部分に変形が生じるおそれがある。これを防止するには、小径部分の直径と、前記の穴の直径が近似していれば、変形する空間が狭くなるが、前記のように加熱された小径部分は熱膨張を生じているため、過度に穴の直径を小さくすることができない。そのため、熱間鍛造用下型や小径部の温度を再度調整して抜去することがあり、生産性を低下させていた。
本発明の目的は、熱間鍛造時の加熱時において、鍛造素材の曲りを抑制しつつ、生産性を高めることが可能な熱間鍛造材の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は上述した課題に鑑みてなされたものである。
すなわち本発明は、大径部分と小径部分とを有する棒状の鍛造素材の前記大径部分を熱間鍛造する熱間鍛造材の製造方法であって、前記鍛造素材を挿入する穴を有する素材保持治具の前記穴に、前記鍛造素材の小径部分を挿入し、前記大径部分を加熱温度まで加熱して加熱材とし、前記加熱材を前記素材保持治具から抜去した後、前記加熱材を挿入する穴を有する熱間鍛造用下型の前記穴に前記加熱材の小径部分を挿入し、熱間鍛造用上型により前記大径部分を軸方向に押圧する熱間鍛造を行って熱間鍛鍛造材とする熱間鍛造材の製造方法である。
すなわち本発明は、大径部分と小径部分とを有する棒状の鍛造素材の前記大径部分を熱間鍛造する熱間鍛造材の製造方法であって、前記鍛造素材を挿入する穴を有する素材保持治具の前記穴に、前記鍛造素材の小径部分を挿入し、前記大径部分を加熱温度まで加熱して加熱材とし、前記加熱材を前記素材保持治具から抜去した後、前記加熱材を挿入する穴を有する熱間鍛造用下型の前記穴に前記加熱材の小径部分を挿入し、熱間鍛造用上型により前記大径部分を軸方向に押圧する熱間鍛造を行って熱間鍛鍛造材とする熱間鍛造材の製造方法である。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、熱間鍛造時の加熱時において、鍛造素材の曲りを抑制し、更に、生産性を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】段付きの棒状鍛造素材と、前記鍛造素材を加熱するための加熱治具の模式図である。
【図2】段付きの棒状鍛造素材を加熱治具の貫通孔内に挿入したときの断面模式図である。
【図3】段付きの棒状鍛造素材を加熱治具に非貫通の穴に挿入したときの断面模式図である。
【図4】下型内に挿入した加熱材の大径部分を上型の押圧によって熱間鍛造したときの断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下に、本発明を詳しく説明する。なお、以下で記す「加熱素材」とは、加熱炉に装入する前の素材を言い、「加熱材」とは、加熱炉で所定の温度に加熱された素材を言い、「熱間鍛造材」とは、熱間鍛造装置によって所定の形状に成形された成形材を言う。
また、本発明で言う「熱間鍛造」とは、前述の加熱材を用いて、熱間鍛造用下型（単に「下型」と記すときがある）と熱間鍛造用上型（単に「上型」と記すときがある）とによって、前記加熱材を押圧により熱間塑性加工を行うものである。
＜鍛造素材＞
本発明で用いる鍛造素材１は、図１に示すように大径部分１１と小径部分１２とを有する段付きの棒状のものである。この鍛造素材１の形状への成形は、鍛造素材となる棒状の素材を、周方向に間欠回転しつつ、全長にわたって４方向から押圧することで全長を伸長する操作を繰り返して鍛伸にて成形する四面鍛造機によるラジアル鍛造を行うと良い。なお、鍛造素材の大径部分の端面は上型によって押圧することから、鍛造素材の長さは、座屈を生じないように大径部分の直径Ｄの３倍以下の長さとしておくのが好ましい。また、本発明で言う「大径」及び「小径」には、円形の他、例えば、六角形以上の多角形の場合も含むものである。多角形の場合の直径Ｄは、その外接円から直径Ｄを求めると良い。
また、本発明で用いる鍛造素材の材質は、航空機のエンジン部品や発電用部品に好適なγ’（ガンマプライム）相等の析出物で強化し、Ｎｉを最も多く含有するＮｉ基超耐熱合金やマルエージング鋼等への適用を想定するものである。
また、本発明で言う「熱間鍛造」とは、前述の加熱材を用いて、熱間鍛造用下型（単に「下型」と記すときがある）と熱間鍛造用上型（単に「上型」と記すときがある）とによって、前記加熱材を押圧により熱間塑性加工を行うものである。
＜鍛造素材＞
本発明で用いる鍛造素材１は、図１に示すように大径部分１１と小径部分１２とを有する段付きの棒状のものである。この鍛造素材１の形状への成形は、鍛造素材となる棒状の素材を、周方向に間欠回転しつつ、全長にわたって４方向から押圧することで全長を伸長する操作を繰り返して鍛伸にて成形する四面鍛造機によるラジアル鍛造を行うと良い。なお、鍛造素材の大径部分の端面は上型によって押圧することから、鍛造素材の長さは、座屈を生じないように大径部分の直径Ｄの３倍以下の長さとしておくのが好ましい。また、本発明で言う「大径」及び「小径」には、円形の他、例えば、六角形以上の多角形の場合も含むものである。多角形の場合の直径Ｄは、その外接円から直径Ｄを求めると良い。
また、本発明で用いる鍛造素材の材質は、航空機のエンジン部品や発電用部品に好適なγ’（ガンマプライム）相等の析出物で強化し、Ｎｉを最も多く含有するＮｉ基超耐熱合金やマルエージング鋼等への適用を想定するものである。
【0010】
＜素材保持治具＞
本発明においては、前述の鍛造素材１の大径部分１１を加熱するための治具として、図１に示すような素材保持治具２を用いる。素材保持治具２を用いる目的は、できるだけ大径部分１１のみを加熱し、小径部分１２の直接の加熱領域を少なくすることで、小径部分の熱膨張を抑制し、下型への挿入、抜去を行いやすくできるものである。
図１に示す素材保持治具２には複数個の穴２１が形成されており、この穴２１に鍛造素材１の小径部分１２を挿入して、大径部分１１を露出させる。素材保持治具２に形成する穴２１の個数は１つでも良いが、複数個としておけば鍛造素材１の大径部分を同時に複数個加熱することができるため、２つ以上の穴を設けておくのが良い。なお、素材保持治具の材質は断熱効果を有する、例えば、耐熱レンガやモルタルのような断熱材料であれば良い。素材保持治具２に形成する穴２１の穴径は、鍛造素材１の大径部分１１の直径Ｄよりも、小さくすることができる。
また、図１に示すに、鍛造素材１を素材保持治具２の穴２１に挿入する場合は、側面方向から挿入できるようにすることが好ましく、前記穴の深さ（長さ）は鍛造素材の小径部分よりも深い（長い）ことが好ましい。この構造とするのは、例えば、複数個の鍛造素材１の大径部分１１を同時に加熱しようとする場合、鍛造素材１の小径部分１２の長さに多少のばらつきがあったとしても、大径部分１１を加熱することができ、小径部分１２の加熱による熱膨張を抑制できるからである。また、側面方向から挿入する構造とすると、マニピュレータで鍛造素材の挿入、抜去が容易であり、生産性を高めることが可能である。上方向からの挿入、抜去はクレーンが必要になる場合があり、抜去から熱間鍛造開始までの時間がかかり過ぎてしまうことになる。
本発明においては、前述の鍛造素材１の大径部分１１を加熱するための治具として、図１に示すような素材保持治具２を用いる。素材保持治具２を用いる目的は、できるだけ大径部分１１のみを加熱し、小径部分１２の直接の加熱領域を少なくすることで、小径部分の熱膨張を抑制し、下型への挿入、抜去を行いやすくできるものである。
図１に示す素材保持治具２には複数個の穴２１が形成されており、この穴２１に鍛造素材１の小径部分１２を挿入して、大径部分１１を露出させる。素材保持治具２に形成する穴２１の個数は１つでも良いが、複数個としておけば鍛造素材１の大径部分を同時に複数個加熱することができるため、２つ以上の穴を設けておくのが良い。なお、素材保持治具の材質は断熱効果を有する、例えば、耐熱レンガやモルタルのような断熱材料であれば良い。素材保持治具２に形成する穴２１の穴径は、鍛造素材１の大径部分１１の直径Ｄよりも、小さくすることができる。
また、図１に示すに、鍛造素材１を素材保持治具２の穴２１に挿入する場合は、側面方向から挿入できるようにすることが好ましく、前記穴の深さ（長さ）は鍛造素材の小径部分よりも深い（長い）ことが好ましい。この構造とするのは、例えば、複数個の鍛造素材１の大径部分１１を同時に加熱しようとする場合、鍛造素材１の小径部分１２の長さに多少のばらつきがあったとしても、大径部分１１を加熱することができ、小径部分１２の加熱による熱膨張を抑制できるからである。また、側面方向から挿入する構造とすると、マニピュレータで鍛造素材の挿入、抜去が容易であり、生産性を高めることが可能である。上方向からの挿入、抜去はクレーンが必要になる場合があり、抜去から熱間鍛造開始までの時間がかかり過ぎてしまうことになる。
【0011】
図２及び図３は、鍛造素材１の小径部分１２を素材保持治具２に挿入したときの断面模式図である。素材保持治具２は、図２に示すような貫通孔（穴２１）としても良いし、図３に示すように底部分２２を有した非貫通の穴２１としても良い。大径部分を加熱する場合に、不可避的に温度上昇する小径部分において、小径部分の温度上昇を抑制する効果が高いのは図３に示す底部分２２を有した非貫通の穴２１とした場合である。そのため、本発明においては底部分２２を備える非貫通の穴２１を有する素材保持治具の使用が好ましい。
本発明において、最も好ましい素材保持治具の構成を示すと以下のようになる。
大径部分と小径部分とを有する棒状の鍛造素材の前記大径部分を加熱するための素材保持治具であって、前記保持治具は、その側面に前記鍛造素材の小径部分を挿入する複数個の非貫通の穴が設けられており、前記穴の長さは前記小径部分の長さよりも長いことを特徴とする素材保持治具。
本発明において、最も好ましい素材保持治具の構成を示すと以下のようになる。
大径部分と小径部分とを有する棒状の鍛造素材の前記大径部分を加熱するための素材保持治具であって、前記保持治具は、その側面に前記鍛造素材の小径部分を挿入する複数個の非貫通の穴が設けられており、前記穴の長さは前記小径部分の長さよりも長いことを特徴とする素材保持治具。
【0012】
＜大径部分加熱工程＞
本発明においては、鍛造素材１の小径部分１２を素材保持治具２に設けられた穴２１に挿入し、鍛造素材１の大径部分１１を加熱温度まで加熱して加熱材とする。
鍛造素材１を部分的に加熱して、大径部分１２を所定の加熱温度とするには、例えば、高周波加熱等を使用する方法があるが、この場合、鍛造素材毎に加熱を行うことになる。また、大径部分全体を十分に昇温させるにも時間が必要になることから、一度に複数本の鍛造素材を加熱可能な方法を選択することが好ましい。そのため、本発明においては、この大径部分の加熱工程を行う場合、素材保持治具を予め加熱炉内（図示しない）に設置しておき、加熱炉が所定の温度に昇温した後に、鍛造素材１の小径部分１２を素材保持治具２に設けられた穴２１に挿入する方法を選択するのが好ましい。
加熱炉内に設置する素材保持治具２においては、図３のような底部２２を有した非貫通の穴２１とするのが好ましい。例えば、鍛造素材の材質が難加工性材料のＮｉ基超耐熱合金とすると、その加熱温度は８５０～１０５０℃となる場合がある。このとき、図２で示すような貫通孔（穴２１）とした場合、小径部分の中央部の温度は、大径部分の温度より５０～１８０℃程度低下した温度となる。これに対して、図３のような底部分２２を有した非貫通の穴２１とする構造の場合では、大径部分の温度マイナス３００℃以上低下した５００℃以下の温度に保たれており、小径部分の熱膨張を確実に抑制することができるとともに、加熱による小径部分の曲り不良を抑制することができる。
本発明においては、鍛造素材１の小径部分１２を素材保持治具２に設けられた穴２１に挿入し、鍛造素材１の大径部分１１を加熱温度まで加熱して加熱材とする。
鍛造素材１を部分的に加熱して、大径部分１２を所定の加熱温度とするには、例えば、高周波加熱等を使用する方法があるが、この場合、鍛造素材毎に加熱を行うことになる。また、大径部分全体を十分に昇温させるにも時間が必要になることから、一度に複数本の鍛造素材を加熱可能な方法を選択することが好ましい。そのため、本発明においては、この大径部分の加熱工程を行う場合、素材保持治具を予め加熱炉内（図示しない）に設置しておき、加熱炉が所定の温度に昇温した後に、鍛造素材１の小径部分１２を素材保持治具２に設けられた穴２１に挿入する方法を選択するのが好ましい。
加熱炉内に設置する素材保持治具２においては、図３のような底部２２を有した非貫通の穴２１とするのが好ましい。例えば、鍛造素材の材質が難加工性材料のＮｉ基超耐熱合金とすると、その加熱温度は８５０～１０５０℃となる場合がある。このとき、図２で示すような貫通孔（穴２１）とした場合、小径部分の中央部の温度は、大径部分の温度より５０～１８０℃程度低下した温度となる。これに対して、図３のような底部分２２を有した非貫通の穴２１とする構造の場合では、大径部分の温度マイナス３００℃以上低下した５００℃以下の温度に保たれており、小径部分の熱膨張を確実に抑制することができるとともに、加熱による小径部分の曲り不良を抑制することができる。
【0013】
＜熱間鍛造工程＞
前記大径部分加熱工程において、所定の温度に加熱した加熱材を前記素材保持治具から抜去した後、前記加熱材を挿入する穴を有する下型に設けられた前記穴に前記加熱材の小径部分を挿入し、上型により前記大径部分を軸方向に押圧する熱間鍛造を行って熱間鍛鍛造材とする。
図４に示すのは、鍛造素材１を所定の温度に加熱した加熱材３の小径部分を下型４に設けられた穴４１に挿入したときの断面模式図である。前述のように、大径部分加熱工程において、小径部分１２の温度上昇の抑制によって小径部分の熱膨張も抑制されていることから、下型４に設けられた穴４１への小径部分の挿入も容易となる。
また、本発明で大径部分と小径部分とを有する段付きの棒状形状とした加熱材３であることから、加熱材３の大径部分の直径が下型４に設けられた穴４１の穴径よりも大きいことで、大径部分の段付き部分３１の段差を利用し、その段差部分３１と下型とを接触させ（段差部分３１を下型により支持し）、小径部分の端面が下型の底部と非接触で宙に浮いたような構成とすることができる。しかも、小径部分は大径部分よりも温度が低く、熱膨張も抑制されていることから、例えば、下型３に設けられた穴４１の直径と小径部分１２の外接円の直径との隙間を過度に大きくする必要がなくなる。また、加熱材３と下型４に設けられた穴４１との中心軸を一致させれば、下型４の穴４１に挿入した加熱材３の小径部分と穴４１の内周面と非接触とすることも可能である。
前記大径部分加熱工程において、所定の温度に加熱した加熱材を前記素材保持治具から抜去した後、前記加熱材を挿入する穴を有する下型に設けられた前記穴に前記加熱材の小径部分を挿入し、上型により前記大径部分を軸方向に押圧する熱間鍛造を行って熱間鍛鍛造材とする。
図４に示すのは、鍛造素材１を所定の温度に加熱した加熱材３の小径部分を下型４に設けられた穴４１に挿入したときの断面模式図である。前述のように、大径部分加熱工程において、小径部分１２の温度上昇の抑制によって小径部分の熱膨張も抑制されていることから、下型４に設けられた穴４１への小径部分の挿入も容易となる。
また、本発明で大径部分と小径部分とを有する段付きの棒状形状とした加熱材３であることから、加熱材３の大径部分の直径が下型４に設けられた穴４１の穴径よりも大きいことで、大径部分の段付き部分３１の段差を利用し、その段差部分３１と下型とを接触させ（段差部分３１を下型により支持し）、小径部分の端面が下型の底部と非接触で宙に浮いたような構成とすることができる。しかも、小径部分は大径部分よりも温度が低く、熱膨張も抑制されていることから、例えば、下型３に設けられた穴４１の直径と小径部分１２の外接円の直径との隙間を過度に大きくする必要がなくなる。また、加熱材３と下型４に設けられた穴４１との中心軸を一致させれば、下型４の穴４１に挿入した加熱材３の小径部分と穴４１の内周面と非接触とすることも可能である。
【0014】
前述のように、下型４に設けられた穴４１に加熱材３の小径部分を挿入し、大径部分の段付き部分３１を下型４に接触させ（段差部分３１を下型４の穴４１の縁により支持し）、小径部分の端面を下型底部とは非接触とした状態で上型５を降下させ、加熱材３の大径部分を軸方向に押圧して熱間鍛造材６とする。また、小径部分が下型４の底部と非接触とすることが可能であることから、大径部分１１を上型で押圧したとき、小径部分の曲りなどの変形が抑制できる。熱間鍛造材６に成形した後においても、小径部分の熱膨張は抑制されたままであり、下型４から熱間鍛造材６をスムーズに抜去することができる。
この本発明の熱間鍛造方法によると、熱間鍛造を行う大径部分を優先的に加熱し、小径部分の温度上昇を抑制可能なため、加熱工程における小径部分の曲がりを防止できる。また、小径部分の温度上昇による熱膨張も抑制可能なため、下型への加熱材の挿入、抜去がスムーズに行えることから、生産性を高めることができる。
この本発明の熱間鍛造方法によると、熱間鍛造を行う大径部分を優先的に加熱し、小径部分の温度上昇を抑制可能なため、加熱工程における小径部分の曲がりを防止できる。また、小径部分の温度上昇による熱膨張も抑制可能なため、下型への加熱材の挿入、抜去がスムーズに行えることから、生産性を高めることができる。
【実施例】
【0015】
（実施例１）
航空機のエンジン部品に成形するための鍛造素材として、１８％Ｎｉマルエージング鋼（クラス２５０）の段付きの棒状材を準備した。前記鍛造素材は、周方向に間欠回転しつつ、全長にわたって４方向から押圧することで全長を伸長する操作を繰り返して鍛伸にて成形する四面鍛造機によるラジアル鍛造により、大径部分の外接円が１８０～２０５ｍｍ、大径部分の長さが４４０～５５０ｍｍ、小径部分の外接円が１１８～１３９ｍｍ、小径部分の長さが１３８０～２１５０ｍｍに仕上げたものである。
前記鍛造素材を用いて大径部分加熱時の曲り発生不良を確認した。大径部分加熱工程に用いた素材保持治具は図２に示す貫通孔（穴２１）を有するものと、図３に示す底部分２２を備える非貫通の穴２１を有するものとした。本発明例の図３に示す底部分２２を備える非貫通の穴２１を有するものを本発明例Ａ、図２に示す貫通孔（穴２１）を有するものを用いたものを本発明例Ｂとして記す。
航空機のエンジン部品に成形するための鍛造素材として、１８％Ｎｉマルエージング鋼（クラス２５０）の段付きの棒状材を準備した。前記鍛造素材は、周方向に間欠回転しつつ、全長にわたって４方向から押圧することで全長を伸長する操作を繰り返して鍛伸にて成形する四面鍛造機によるラジアル鍛造により、大径部分の外接円が１８０～２０５ｍｍ、大径部分の長さが４４０～５５０ｍｍ、小径部分の外接円が１１８～１３９ｍｍ、小径部分の長さが１３８０～２１５０ｍｍに仕上げたものである。
前記鍛造素材を用いて大径部分加熱時の曲り発生不良を確認した。大径部分加熱工程に用いた素材保持治具は図２に示す貫通孔（穴２１）を有するものと、図３に示す底部分２２を備える非貫通の穴２１を有するものとした。本発明例の図３に示す底部分２２を備える非貫通の穴２１を有するものを本発明例Ａ、図２に示す貫通孔（穴２１）を有するものを用いたものを本発明例Ｂとして記す。
【0016】
鍛造素材１の本発明Ａ及びＢの小径部分１２を挿入する素材保持治具２の穴２１の直径はおおよそ２００ｍｍ、穴２１の深さ（長さ）は非貫通孔の場合でおおよそ２５００ｍｍであり、素材保持治具２には４つの穴が設けられていた。なお、貫通孔を有する素材保持治具２の穴２１の個数も同じである。
前記の素材保持治具については、図１に示すように、鍛造素材１を素材保持治具２の穴２１に挿入する場合に側面方向から挿入できるように加熱炉に設置して、前記加熱炉を所定の温度に昇温・保持を行い、前記素材保持治具２の穴２１に鍛造素材１の大径部分１１をマニピュレータで把持して、小径部分１２を前記穴２１に順次挿入した。
熱間鍛造を行うための炉内加熱温度をおおよそ９００℃に設定し、本発明Ａ及び本発明Ｂの鍛造素材１は大径部分１１を選択的に部分加熱した。
前記大径部分１１の加熱を十分に行ったとき、小径部分１２の長さの中央部付近の温度を加熱炉から抽出後測定した。その結果を表１に示す。温度の測定は放射温度計を用いてとして行った。なお、表１に示す温度は、それぞれ４本の測定結果であり、比較例は同形状素材を本発明加熱治具使用せず、炉内加熱した結果である。
前記の素材保持治具については、図１に示すように、鍛造素材１を素材保持治具２の穴２１に挿入する場合に側面方向から挿入できるように加熱炉に設置して、前記加熱炉を所定の温度に昇温・保持を行い、前記素材保持治具２の穴２１に鍛造素材１の大径部分１１をマニピュレータで把持して、小径部分１２を前記穴２１に順次挿入した。
熱間鍛造を行うための炉内加熱温度をおおよそ９００℃に設定し、本発明Ａ及び本発明Ｂの鍛造素材１は大径部分１１を選択的に部分加熱した。
前記大径部分１１の加熱を十分に行ったとき、小径部分１２の長さの中央部付近の温度を加熱炉から抽出後測定した。その結果を表１に示す。温度の測定は放射温度計を用いてとして行った。なお、表１に示す温度は、それぞれ４本の測定結果であり、比較例は同形状素材を本発明加熱治具使用せず、炉内加熱した結果である。
【0017】
【表1】
【0018】
表１に示すように、本発明Ａの小径部分の温度は、大径部分の温度よりも３００℃以上低く、５００℃以下の温度に抑制されている。本発明Ｂの小径部分の温度は、大径部分の温度よりも６０～１８０℃低く、８００℃以下の温度に抑制されている。このことから、特に本発明Ａと本発明Ｂの方法を適用すれば、本発明の効果が達成できる。また、本発明Ａについては、加熱後の小径部分の曲りも殆どないものであった。
【0019】
（実施例２）
前述の実施例１の結果を受けて、本発明Ａと本発明Ｂに適用した大径部分加熱工程を適用して熱間鍛造を行った。用いた鍛造素材の材質、形状、寸法と素材保持治具は実施例１で示すものと同じとした。熱間鍛造を行うための加熱温度をおおよそ９００℃に設定し、本発明Ａ及び本発明Ｂの鍛造素材１は大径部分１１を選択的に加熱する２～７時間の部分加熱とした。続いて、おおよそ９００℃に加熱した加熱材を素材保持治具から抜去した後、前記加熱材を挿入する穴を有する下型に設けられた前記穴に前記加熱材の小径部分を挿入し、上型５により前記大径部分を軸方向に押圧する熱間鍛造を行って熱間鍛造材とした。
熱間鍛造は図４に示すように、加熱材３の小径部分を下型４に設けられた穴４１に挿入して行った。加熱材３が大径部分と小径部分とを有する段付きの棒状形状とした加熱材３であることから、大径部分の段付き部分３１の段差を利用し、その段差部分３１と下型とを接触させ（段差部分３１を下型により支持し）、小径部分の端面が下型の底部と非接触で宙に浮いたような構成とし、更に、加熱材３と下型４に設けられた穴４１との中心軸を一致させるようにして、下型４の穴４１に挿入した加熱材３の小径部分と穴４１の内周面と非接触とするようにした。なお、大径部分加熱工程において、小径部分１２の温度上昇の抑制によって小径部分の熱膨張も抑制され、曲りの発生も抑制できていることから、下型４に設けられた穴４１への小径部分の挿入も容易であった。
また、小径部分が下型４の底部と非接触としたことから、大径部分１１を上型で押圧したとき、小径部分の曲りなどの変形も抑制できた。熱間鍛造材６に成形した後においても、小径部分の熱膨張は抑制されたままであり、下型４から熱間鍛造材６をスムーズに抜去することができた。
前述の実施例１の結果を受けて、本発明Ａと本発明Ｂに適用した大径部分加熱工程を適用して熱間鍛造を行った。用いた鍛造素材の材質、形状、寸法と素材保持治具は実施例１で示すものと同じとした。熱間鍛造を行うための加熱温度をおおよそ９００℃に設定し、本発明Ａ及び本発明Ｂの鍛造素材１は大径部分１１を選択的に加熱する２～７時間の部分加熱とした。続いて、おおよそ９００℃に加熱した加熱材を素材保持治具から抜去した後、前記加熱材を挿入する穴を有する下型に設けられた前記穴に前記加熱材の小径部分を挿入し、上型５により前記大径部分を軸方向に押圧する熱間鍛造を行って熱間鍛造材とした。
熱間鍛造は図４に示すように、加熱材３の小径部分を下型４に設けられた穴４１に挿入して行った。加熱材３が大径部分と小径部分とを有する段付きの棒状形状とした加熱材３であることから、大径部分の段付き部分３１の段差を利用し、その段差部分３１と下型とを接触させ（段差部分３１を下型により支持し）、小径部分の端面が下型の底部と非接触で宙に浮いたような構成とし、更に、加熱材３と下型４に設けられた穴４１との中心軸を一致させるようにして、下型４の穴４１に挿入した加熱材３の小径部分と穴４１の内周面と非接触とするようにした。なお、大径部分加熱工程において、小径部分１２の温度上昇の抑制によって小径部分の熱膨張も抑制され、曲りの発生も抑制できていることから、下型４に設けられた穴４１への小径部分の挿入も容易であった。
また、小径部分が下型４の底部と非接触としたことから、大径部分１１を上型で押圧したとき、小径部分の曲りなどの変形も抑制できた。熱間鍛造材６に成形した後においても、小径部分の熱膨張は抑制されたままであり、下型４から熱間鍛造材６をスムーズに抜去することができた。
【0020】
上記の熱間鍛造により、熱間鍛造材を１００本以上作製したところ、曲りによる不良率は本発明Ａのもので０％、本発明Ｂのもので１％未満に抑制することができた。
以上のことから、この本発明の熱間鍛造方法によると、熱間鍛造を行う大径部分を優先的に加熱し、小径部分の温度上昇を抑制可能なため、加熱工程における小径部分の曲がりを防止でき、更に、小径部分の温度上昇による熱膨張も抑制可能なため、下型への加熱材の挿入、抜去がスムーズに行えることから、生産性を高めることができた。
以上のことから、この本発明の熱間鍛造方法によると、熱間鍛造を行う大径部分を優先的に加熱し、小径部分の温度上昇を抑制可能なため、加熱工程における小径部分の曲がりを防止でき、更に、小径部分の温度上昇による熱膨張も抑制可能なため、下型への加熱材の挿入、抜去がスムーズに行えることから、生産性を高めることができた。
【符号の説明】
【0021】
１ 鍛造素材
２ 素材保持治具
３ 加熱材
４ 下型
５ 上型
６ 熱間鍛造材
１１ 大径部分
１２ 小径部分
２１ 穴
３１ 大径部分の段付き部分
２ 素材保持治具
３ 加熱材
４ 下型
５ 上型
６ 熱間鍛造材
１１ 大径部分
１２ 小径部分
２１ 穴
３１ 大径部分の段付き部分
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
