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熱間鍛造設備 - JFEスチール株式会社
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発明の名称 熱間鍛造設備
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−44764(P2007−44764A)
公開日 平成19年2月22日(2007.2.22)
出願番号 特願2006−126751(P2006−126751)
出願日 平成18年4月28日(2006.4.28)
代理人 【識別番号】100072051
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 興作
発明者 長谷 和邦 / 木村 秀途 / 豊岡 高明
要約 課題
疲労特性並びに冷間加工性に優れる熱間鍛造品の製造を可能とする熱間鍛造設備を提供する。

解決手段
鋼素材を加熱する加熱炉および加熱された鋼素材に鍛造を施す熱間鍛造機を、搬送ライン上に順に配置した熱間鍛造設備において、前記熱間鍛造機の出側に、熱間鍛造後の鍛造品を部分的に冷却する部分冷却装置を設置する。
特許請求の範囲
【請求項1】
鋼素材を加熱する加熱炉および加熱された鋼素材に鍛造を施す熱間鍛造機を、搬送ライン上に順に配置した熱間鍛造設備であって、前記熱間鍛造機内および/または熱間鍛造機の下流側に、熱間鍛造後の鍛造品を部分的に冷却する部分冷却装置を設置してなる熱間鍛造設備。
【請求項2】
前記部分冷却装置は、鍛造品の部分に向けて冷却液を吹き付けるノズルを有する請求項1に記載の熱間鍛造設備。
【請求項3】
前記部分冷却装置を、熱間鍛造機出側の搬送ラインに沿う位置に、少なくとも1つ設けた請求項1または2に記載の熱間鍛造設備。
【請求項4】
前記部分冷却装置を、熱間鍛造機出側の搬送ラインに沿う位置に、複数設けた請求項1、2または3に記載の熱間鍛造設備。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、鋼を用いた自動車部品、たとえば等速ジョイントおよびハブなどの足回り部品や、クランクシャフト等のエンジン部品に代表される機械構造部品を典型例とする熱間鍛造品の製造を担う熱間鍛造設備に関するものである。
【背景技術】
【0002】
自動車の足回り部品やエンジン部品に用いられる鋼製品は、熱間鍛造を行い、その後切削加工による仕上げを行って製造するのが一般的である。かような部品の製造工程として、例えば非特許文献1には、鍛造生産工程の代表的なプロセス、すなわち、材料を、切断、加熱後、鍛造工程により成形し、必要に応じて熱処理を行うプロセスが開示されている。
【0003】
ところで、近年、上記用途の製品に対して、その適用先である自動車の軽量化を所期した小型化や薄肉化の実現に向けて、疲労強度を高めることが希求されている。
すなわち、熱間鍛造品の疲労強度を高める技術として、特許文献1には、熱間鍛造後に鍛造品全体を焼入れ、さらに焼戻し処理によりマトリックスを析出強化する高疲労強度熱間鍛造品の製造方法が開示されている。
【0004】
また、特許文献2には、熱間鍛造後に鍛造品全体の冷却速度ムラをなくし、全体の冷却速度を制御する冷却装置が開示されている。
【非特許文献1】(社)日本塑性加工学会編 塑性加工技術シリーズ4 鍛造 コロナ社
【特許文献1】特許第3100492号公報
【特許文献2】特許第2936198号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献1に記載の方法では、熱間鍛造後に部品そのものを直接冷却するため、部品全体の硬度が上がり疲労強度が要求されない部位の加工性が低下する。すなわち、上記使途の機械構造部品は、熱間鍛造によって概略の製品形状を与えた後、この熱間鍛造品の表層を通常は全面的に切削する仕上げ加工を施して製造される。従って、この種の機械構造部品の製造において、切削加工と表面研削が不可欠であるところ、部品全体の硬度が高くなると、必然的に被削性の低下が大きな問題となる。
【0006】
また、この方法を実現する製造設備としては、析出強化処理のために別途焼戻し処理を行うための加熱設備が必要となるため、省エネルギーの観点からも好ましくない。
特許文献2に記載の技術も同様に、ワーク全体の冷却速度を制御するため、被削性の低下が大きな問題となる。
【0007】
上記の事情に鑑み、鍛造品の軽量化やコンパクト化による発生応力の増大から要求される疲労強度を、従来法で得られた鍛造品に比べて高めるとともに、疲労強度が必要とされない部分は勿論、それ以外の部分についても熱間鍛造後に切削加工が施された際の被削性が良好であり、容易に仕上げ加工を行うことのできる、疲労特性並びに冷間加工性に優れる熱間鍛造品の提供を所期した際、上記した特許文献1または2に記載された設備では、その実現が困難であった。
【0008】
そこで、本発明の目的は、疲労特性並びに冷間加工性に優れる熱間鍛造品の製造を可能とする熱間鍛造設備を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
さて、発明者らは、上記の目的を達成すべく、特に熱間鍛造後に部分冷却を施すことに関して鋭意研究を重ねた結果、以下に示す(I)〜(III)の知見を得た。
(I)熱間鍛造品の特に疲労強度が必要な部分を冷却して部分的に焼入れを行うことによって、その部分の硬度上昇率が10%以上になれば、部品としての疲労強度を20%以上向上させることが可能であること。
(II)また、部分冷却による部分焼入れを施した部分は、冷却されていない部位の保有熱量により自己焼戻しされる結果、従来付加工程として行ってきた焼戻し処理と同等の効果が得られること。そして、その効果を得るためには、この自己焼戻しが特定のパラメータを満足すること。
(III)従って、鍛造品を室温まで冷却後に改めて焼戻しをする必要がないため、非常に安価に高疲労強度部品を製造することが可能であること。
なお、ここで言う熱間鋳造とは、800℃以上に加熱して、鋳造する工程を意味するものである。
【0010】
さらに、上記の知見を基礎とする技術の実施に向けて、工業的規模での製造を可能とする設備の構成を鋭意究明し、本発明を導くに到った。
【0011】
本発明は、上記の知見に基づくものである。
すなわち、本発明の要旨構成は、次の通りである。
(1)鋼素材を加熱する加熱炉および加熱された鋼素材に鍛造を施す熱間鍛造機を、搬送ライン上に順に配置した熱間鍛造設備であって、前記熱間鍛造機内および/または熱間鍛造機の下流側に、熱間鍛造後の鍛造品を部分的に冷却する部分冷却装置を設置してなる熱間鍛造設備。
【0012】
(2)前記部分冷却装置は、鍛造品の部分に向けて冷却液を吹き付けるノズルを有する上記(1)に記載の熱間鍛造設備。
【0013】
(3)前記部分冷却装置を、熱間鍛造機出側の搬送ラインに沿う位置に、少なくとも1つ設けた上記(1)または(2)に記載の熱間鍛造設備。
【0014】
(4)前記部分冷却装置を、熱間鍛造機出側の搬送ラインに沿う位置に、複数設けた上記(1)、(2)または(3)に記載の熱間鍛造設備。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、疲労強度並びに冷間加工性に優れる熱間鍛造品の製造を確実に実現するための設備を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
まず、疲労強度並びに冷間加工性に優れる熱間鍛造品を得るには、熱間鍛造後の部分冷却によって、鍛造品の特に疲労強度が要求される部位に硬化部を導入し、それ以外は非硬化部とすること、とりわけ表面における前記硬化部のビッカース硬さVと前記非硬化部のビッカース硬さVが、次式
(V−V)/V:0.1〜0.8
を満足することが好ましい。
【0017】
すなわち、比(V−V)/Vが0.1未満では、硬化部の強度上昇が少なく十分な疲労強度の向上効果が得られない。一方、比(V−V)/Vが0.8を超えると、硬度が高くなりすぎて被削性などの冷間加工性が大幅に低下する。特に、熱間鍛造後に直接部分焼入れを行うことから、その後の切削加工は不可欠であり、(V−V)/Vを0.8以下にすることが推奨される。最適な範囲は、0.2〜0.6である。
【0018】
かような硬度差を持つ前記硬化部は、マルテンサイト組織および/またはベイナイト組織からなり、一方の非硬化部は、フェライト組織および/またはパーライト組織を主体とし、一部ベイナイト組織が混入することもある。
【0019】
以上の熱間鍛造品は、熱間鍛造後に直接部分焼入れ、そして自己焼きもどしを経て得られたものであり、その後の切削仕上げ加工を経て機械構造部品となる。
【0020】
次に、(V−V)/V:0.1〜0.8となる熱間鍛造品を製造するための製造条件について説明する。
すなわち、この種部品の製造の一般に倣って、鋼素材を加熱して熱間鍛造機に導いて熱間鍛造を施すが、かくして得た鍛造品に対して、Ac3点以上からAc1−150℃以下まで20℃/s以上の速度にて冷却する冷却処理を部分的に行うことが肝要である。すなわち、熱間鍛造後に高疲労強度が要求される部位を、Ac3点以上からAc1−150℃以下まで20℃/s以上の速度にて冷却することによって、冷却中のフェライト生成を抑制し、組織をマルテンサイトおよび/またはベイナイトとすることが可能である。
【0021】
ここで、熱間鍛造後の部分冷却をAc3点以上からAc1−150℃以下までの温度域で行うのは、冷却後に十分な復熱効果を得るためにはAc3点以上からの冷却が不可欠で、Ac1−150℃以下で冷却するのは、フェライトの生成を抑制するためである。
【0022】
また、上記温度域での冷却速度を20℃/s以上とするのは、冷却中のフェライト変態を抑制し、組織をマルテンサイトおよび/またはベイナイトとするためである。
【0023】
その後、当該部品の保有する熱量に基づく復熱によって、連続的にAC1点を超えない温度域で焼戻しさせることが重要である。すなわち、復熱による焼戻し温度がAC1点を超えると部分焼入れにより形成された組織が再びオーステナイトとなり、その後の冷却過程においてフェライト・パーライト組織となるためである。これを防止するためにはA点を超えない温度域で焼戻しさせることが重要である。
【0024】
さらに、前記復熱による焼戻しは、冷却停止後、復熱後の降温過程で300℃に到達するまでの間について、Δt秒毎の平均温度T(K)から、下記式(1)にて定義されるパラメータHが、
65≦H≦85
を満足することが好ましい。

H=log10Σ10fn ・・・(1)
但し、f=logΔt−1.597×104/T+100
【0025】
ここで、図1に部分冷却部の復熱時の温度履歴を示す。図1に示すように冷却停止後の冷却カーブから、それぞれのΔtにおける平均温度T(K)を求め、これを上記(2)式に適用することでパラメータHが決まる。この際、自己焼戻し過程における温度Tは連続的に変化するため、Δtは0.5秒以下として求めるものとする。
【0026】
図2に前述した比(V−V)/VとパラメータHとの関係を示す。図2に示すようにパラメータHと硬度比は良い相関があり、パラメータHが65未満になると、焼戻し効果が不十分なため、硬度比(V−V)/Vが0.8を超えてしまい、被削性が問題となる。また、パラメータHが85を超えると、過度に軟化されるために(V−V)/Vが0.1未満になって疲労強度の向上効果が得られない。
【0027】
以上で述べたように、疲労強度並びに冷間加工性に優れる熱間鍛造品を得るには、熱間鍛造後の部分冷却を適切に、好適には上記パラメータHに従って、行う必要があり、そのための熱間鍛造設備を、図3に示すところに従って詳しく説明する。
すなわち、図3において、符号1は、鋼素材を加熱する加熱炉であり、この加熱炉1の出側に延びる、加熱後の鋼素材2の搬送ライン3上に熱間鍛造機4を配置し、さらに熱間鍛造機4の出側の搬送ライン3に沿う位置に部分冷却装置5を設置して成る。
【0028】
加熱後の鋼素材2は熱間鍛造機4において、所望の形状に型鍛造される。例えば、図4(a)に示す鋼素材2は、熱間鍛造機4において図4(b)〜(d)に示す工程を経て、仕上加工前の製品形状を有する鍛造品20に成形される。
次いで、鍛造品20は、熱間鍛造機4の出側に設置した部分冷却装置5において、特定部分に冷却が施される。部分冷却装置5には、例えば図5に示すように、鍛造品20に対して、その円周等分複数位置に上下二段で複数のノズル5aを設けて、これらノズル5aから例えば鍛造品20のフランジ根元部20aに向けて冷却液を吹き付けることによって、フランジ根元部20aに限局した冷却を行うことができる。
【0029】
図5に示す部分冷却装置は、鍛造品20を載置する回転台座6を有し、該回転台座6はモータ8により回転可能となっている。複数のノズル5aは回転台座6に載置した状態の鍛造品20のフランジ根元部20aに対して冷却水を噴出するように位置が固定されている。ノズル5aは冷却水供給管12に接続されており、冷却水供給管12には、冷却水を供給するための昇圧ポンプ11、噴出量を制御するための流量調整弁10および流量を監視するための流量計9が設けられている。さらに、鍛造品20のフランジ根元部20aのみを局部的に冷却し、その他の部分が冷却されることを抑制するために、ノズル5aの上側には上部冷却水仕切り板7a、ノズル5aの下側には下部冷却水仕切り板7bが設けられている。上部冷却水仕切り板7a、下部冷却水仕切り板7bは、いずれも環状の仕切り板であり、それぞれ、鍛造品20の非冷却対象部分への冷却水も漏れ出しを抑制できるよう構成されている。さらに、回転台座6についても、鍛造品20の回転台座6に接触した部分の熱が放出されないように、セラミック製の台座を使用している。
【0030】
以上のように構成した部分冷却装置では、回転台座6を回転させながらノズル5aより冷却水を噴出させると、フランジ根元部20aのみを冷却し、その他の部分は強制冷却されないので、局部冷却部分、すなわちこの例においてはフランジ根元部20aのみを焼入することが可能となる。そして、冷却終了後には、非局部冷却部分からの熱により自己焼戻しが施される。
その際、部分冷却を好ましくは上記したパラメータHに従って行う。
部分冷却後は、放冷する。この放冷は、搬送ライン3の終端に配置する図示しないバケット内で行うことができるし、搬送ライン3上で行ってもよい。
【0031】
以上の熱間鍛造設備を使用することによって、熱間鍛造機を出た鍛造品に対して特定部分に限局した冷却を確実に行うことができ、(V−V)/V:0.1〜0.8となる熱間鍛造品の製造が可能となる。
【0032】
なお、上記の設備例では、部分冷却装置5を搬送ライン3に沿う位置に1つ設けているが、部分冷却装置5の複数を搬送ライン3に沿わせて配置することも可能である。かような構成によって、複数の鍛造品をほぼ同時に部分冷却することが可能であり、鍛造速度に応じて同一ライン上での部分冷却処理を実現できる。
【0033】
また、ノズル5aは、リング状管の内側に孔を複数設けたものでもよいし、円周状のスリットノズルでもよい。これらを使用する場合は、回転台座6に代えて、非回転の台座としてもよいが、より均一性を増すために回転台座6を用いることが好ましい。
【0034】
また、仕切り板7aについても、非冷却対象部の温度降下量の許容レベルに応じて設置されるものであり、必ずしも必要としない。
【0035】
上述の例においては、鍛造機の下流側に部分冷却装置5を配置しているが、これは鍛造機の中に設けて鍛造直後に冷却できるようにしてもよい。さらに、複数パスにて鍛造を行う場合に、いずれかのパス間で冷却できるようにしてもよい。
【実施例】
【0036】
表1に示す化学成分組成の鋼を真空溶解炉にて溶製し、100kgのインゴットに鋳造した。次いで、インゴットを熱間鍛造により65mmφの圧延棒鋼としてから、図3に示した熱間鍛造設備に導いた。まず、この圧延棒鋼を加熱炉1にて1200℃に加熱後、図4(b)〜(d)に示した、1050〜1200℃の温度域で3段階の熱間鍛造を熱間鍛造機4において施して、同図(d)に示すフランジを有する熱間鍛造品20に成形した。この鍛造品20を直ちに図5に示した部分冷却装置5に搬入し、ここでフランジ根元部20aに限局した部分冷却を流量10〜20l/minの冷却水を噴出させることにより、行った後、放冷した。部分冷却部の開始温度は980〜150℃とした。
【0037】
かくして得られた熱間鍛造品について、組織観察、硬さ測定および切削試験を以下の要領にて実施した。比較のために、従来一般的に用いられている熱間鍛造・空冷プロセス、および熱間鍛造・全体焼入れ焼もどしプロセスでも鍛造品を作製した。全体焼入後、焼戻し温度600℃×1hrの焼戻し処理を行った。
【0038】
まず、組織観察は、得られた熱間鍛造品のフランジ根元部20aおよび軸端部20bから組織観察用サンプルを切り出し、そのナイタール腐食組織を光学顕微鏡および電子顕微鏡にて観察した。
ビッカース硬さ測定は、フランジ根元部20aおよび軸端部20bからそれぞれ表皮下1mm部について荷重300gにてビッカース硬さを測定した。
【0039】
切削試験による切削性は、外周施削で評価した。すなわち、超硬工具P10を用い、切削速度200m/min、切込み0.25mmおよび送り0.5mm/revにて、潤滑剤を噴霧して実施し、施削により部品全体を切削するのに要する時間で評価した。この際、従来の熱間鋳造・空冷プロセス材の切削に要した時間t1に対して要した時間をt2とし、(t2−t1)/t1として評価した。
【0040】
【表1】


【0041】
【表2】


【0042】
表2に示したように、本発明の設備を使用することによって、部分冷却が確実に行われた結果、冷却部の組織が焼戻しマルテンサイト又はベイナイト、もしくはそれらの混合組織で、冷却部以外の組織がフェライト−パーライト、もしくはベイナイト組織からなり、両者の硬度比(V−V)/Vが0.14〜0.77である鍛造品が得られた。また、切削性の評価結果は、従来プロセス材の1.2倍以下であり、従来の全面焼き入れを施した鍛造品の約1/3以下であった。
【図面の簡単な説明】
【0043】
【図1】復熱における温度履歴の概念図である。
【図2】パラメータHと(V−V)/Vとの関係を示す図である。
【図3】熱間鍛造設備の構成を示す図である。
【図4】熱間鍛造の手順を示す工程図である。
【図5】部分冷却装置を示す図である。
【符号の説明】
【0044】
1 加熱炉
2 鋼素材
3 搬送ライン
4 熱間鍛造機
5 部分冷却装置
20 熱間鍛造品
20a フランジ根元部
20b 軸端部




 

 


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