JP6880446B2

JP6880446B2 - 熱間鍛造材の製造方法

Info

Publication number: JP6880446B2
Application number: JP2017040424A
Authority: JP
Inventors: 昇平佐々木; 歩竹内; 陽光前田; 興司小林
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2017-03-03
Filing date: 2017-03-03
Publication date: 2021-06-02
Anticipated expiration: 2037-03-03
Also published as: JP2018144065A

Description

本発明は、熱間鍛造材の製造方法に関するものである。

ＡＭＳ６２７８で規定される合金は、Ｍ５０ＮｉＬと呼ばれ、その組成は、質量％でＣ（炭素）が０．１１〜０．１５％、Ｓｉ（珪素）が０．１〜０．２５％、Ｍｎ（マンガン）が０．１５〜０．３５％、Ｎｉ（ニッケル）が３．２〜３．６％、Ｃｒ（クロム）が４．０〜４．２５％、Ｍｏ（モリブデン）が４．０〜４．５％、Ｖ（バナジウム）が１．１〜１．３３％を含有し、残部がＦｅ（鉄）および不純物からなる鋼である。このＭ５０ＮｉＬは軸受鋼として、例えば、航空機のエンジン部品として用いられる。
このＭ５０ＮｉＬの製造方法としては、例えば、特開２００９−２３６２３２号公報（特許文献１）の段落００６８に記されるように、例えば、棒状の被加工材を素材とし、所定の長さに切断され、鍛造、旋削などの加工が実施されることにより、所定の形状に加工が施される。

特開２００９−２３６２３２号公報

上記の加工工程のうち、熱間での鍛造工程（以下、熱間鍛造工程）において、結晶粒が部分的に粗大化することに起因した、反射エコーのピークに変化が現れることによる、超音波探傷試験不良（以下、ＵＴ欠陥）が認められる場合がある。しかしながら、この熱間鍛造工程における超音波試験不良低減については、有効な対策が見当たらないのが現状である。
本発明の目的は、Ｍ５０ＮｉＬ相当合金の熱間鍛造時におけるＵＴ欠陥を防止することが可能な熱間鍛造材の製造方法を提供することである。

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、質量％でＣ：０．１１〜０．１５％、Ｓｉ：０．１〜０．２５％、Ｍｎ：０．１５〜０．３５％、Ｃｒ：４．０〜４．２５％、Ｎｉ：３．２〜３．６％、Ｍｏ：４．０〜４．５％、Ｖ：１．１〜１．３３％、残部はＦｅ及び不可避的不純物でなる棒状の鍛造用素材準備する鍛造用素材準備工程と、
前記鍛造用素材を１０００〜１１００℃の鍛造温度に加熱する鍛造温度加熱工程と、
前記加熱した鍛造用素材をラジアル鍛造にて、鍛造用素材を周方向に回転しつつ、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熱間鍛造材とする熱間鍛造工程と、
を含み、前記熱間鍛造工程において、鍛造終了温度を８００℃以上とする熱間鍛造材の製造方法である。

本発明によれば、Ｍ５０ＮｉＬ相当合金の熱間鍛造時におけるＵＴ欠陥を防止することが可能となる。

本発明を適用したＭ５０ＮｉＬ相当合金鍛造材の断面顕微鏡写真である。比較例のＭ５０ＮｉＬ相当合金鍛造材の断面顕微鏡写真である。

先ず、本発明で規定するＭ５０ＮｉＬ相当合金の組成限定理由について述べる。
Ｃ：０．１１〜０．１５％
Ｃは硬さを向上させるのに有効な元素であり、最低０．１１％を必要とするが、０．１５％を超えるＣの添加は靭性を低下させてしまうため、Ｃは０．１１％〜０．１５％とする。
Ｓｉ：０．１〜０．２５％
Ｓｉはフェライト相を強化するのに有効な元素である。Ｓｉが０．１％未満では、材料の延性が高すぎ、冷間での切削加工性を阻害してしまう。一方０．２５％を超えるＳｉの添加は靭性を低下させてしまうため、Ｓｉは０．１％〜０．２５％とする。
Ｍｎ：０．１５〜０．３５％
Ｍｎは焼き入れ性を向上させるのに有効な元素であり、最低０．１５％を必要とする。一方、Ｍｎが０．３５質量％を超えると、硬度が上昇しすぎてしまい。加工性を悪くするといった問題が発生するため、Ｍｎは０．１５％〜０．３５％とする。

Ｎｉ：３．２〜３．６％
Ｎｉは焼き入れ性を向上させるのに有効な元素であり、最低３．２％必要であるが、過度な添加はＭｓ点が下がり残留オーステナイトが多くなり、冷間加工後の変形が多くなるといった問題が発生するため、Ｎｉは３．２〜３．６％の範囲とする。
Ｃｒ：４．０〜４．２５％
Ｃｒは後述するするＭｏと同様、焼き入れ性の向上、及び高温での焼き戻し軟化抵抗を向上させる効果があるため最低４．０％の添加が必要である。一方、Ｃｒが４．２５％を超えると、炭化物の析出が促進され、製造上での硬さの制御が困難となる。したがって、Ｃｒは４．０％〜４．２５％とする。

Ｍｏ：４．０〜４．５％
Ｍｏは焼き入れ性と向上と高温での焼き戻し軟化抵抗を向上させる効果があるため最低４．０％の添加が必要である。一方、Ｍｏが４．５％を超えると、炭化物の析出が促進され、製造上での硬さの制御が困難となる。したがって、モリブデンは４．０％〜４．５％とする。
Ｖ：１．１〜１．３３％
Ｖは焼き戻し軟化抵抗を向上させる効果と結晶粒を細かくする効果がある。バナジウムが１．１３％未満では、ＶＣの析出が少なく、結晶粒が粗大化する。一方、Ｖが１．３３％を超えると、炭化物の析出が促進され、製造上での硬さの制御が困難となる。したがって、バナジウムは１．１％〜１．３３％とする。
以上、説明する各元素の他は、Ｆｅと不可避的不純物である。

次に、本発明を製造工程の順に説明する。
＜鍛造用素材準備工程＞
先ず、上記組成を有するＭ５０ＮｉＬ相当合金の鋼塊を製造する。上述のようにＭ５０ＮｉＬ相当合金は航空機のエンジン部品等に用いられる合金であるため、真空溶解で消耗電極を製造し、真空再溶解を行って非金属介在物の低減、成分偏析の低減を行うことが好ましい。得られた鋼塊は熱間鍛造や熱間プレス等の熱間塑性加工を行った後、例えば、機械加工を行って丸棒状の鍛造用素材とする。なお、成分偏析を更に低減するため、鋼塊や熱間塑性加工材に対して均質化熱処理を行っても良い。

＜鍛造温度加熱工程＞
前記鍛造用素材を１０００〜１１００℃の鍛造温度に加熱する。加熱温度の下限を１０００℃としたのは鍛造作業における材料温度低下による疵の発生の抑制と、動的再結晶を促進させるためである。また、加熱温度の上限は１１００℃とする。これは鍛造母材の結晶粒粗大化を抑制するためである。好ましい加熱温度の下限は１０３０℃であり、好ましい加熱温度の上限は１０５０℃である。

＜熱間鍛造工程＞
前記加熱した鍛造用素材をラジアル鍛造にて、鍛造用素材を周方向に回転しつつ、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熱間鍛造材とする。本発明でラジアル鍛造を適用するのは、送り量・素材の回転量・素材への圧下量を高精度で制御しながら徐々に多角形に鍛造し、最終的には丸形状に加工することを可能にしている制御機構を利用することによって、加工発熱をコントロールし製品内部及び表面の温度制御を行なえるからである。
なお、ラジアル鍛造による鍛伸（鍛造）は、押圧による圧下を５０〜２１０回／分、１パス当たりの減面率を２０〜２８％、前記被鍛造材の挿入側での送り速度を２．７〜６ｍ／分の範囲とするのがよい。この条件で鍛造することにより、全長に渡り均一な組織制御を可能にし、かつ加工発熱量の調整が容易なため、終了温度のコントロールを行なえる。そして、鍛造終了温度を８００℃以上とする。なお、鍛造終了温度を８００℃以上にするためには、１パス当りの鍛造時間が短くなる条件で鍛造するとよい。鍛造終了温度が８００℃未満となると、材料表層の温度が下がり、旧オーステナイト粒の再結晶が促進されないため、部分的に粗大な結晶粒が残存し、ＵＴ欠陥が生じる。そのため、鍛伸終了温度は８００℃以上とする。好ましい鍛伸終了温度は８２０℃以上である。なお、鍛造終了温度は鍛造材の表面温度である。

以上説明する本発明の熱間鍛造材の製造方法によれば、熱間鍛造工程後の熱間鍛造材のＵＴ欠陥を防止することができる。なお、ＵＴ欠陥の有無は以下の試験条件で測定すると良い。探傷方法は水浸式超音波探傷とし、円周方向斜角探傷法にて測定する。その際の探触子の周波数は１０ＭＨｚ、振動子直径０．５インチのものを用いる。水距離は９５とし、その際の屈折角は４５°とする。探傷感度は、深さ０．２５ｍｍのノッチをフルスクリーン８０％に設定する。

真空溶解で消耗電極を作製し、その後前記消耗電極を用いて真空再溶解を行ってＭ５０ＮｉＬ相当合金の鋼塊を得た。その後、熱間プレス加工、機械加工を行って、直径が２４０ｍｍ、全長５０００ｍｍの丸棒状の鍛造用素材を得た。前記Ｍ５０ＮｉＬ相当合金の化学組成を表１に示す。

前記の鍛造用素材を全長１７００ｍｍと２６００ｍｍに切断し、１７００ｍｍの鍛造用素材を本発明で規定する熱間鍛造工程を適用し、残りの２６００ｍｍの鍛造用素材は鍛造終了温度が８００℃未満となるようにした。本発明で規定する熱間鍛造工程を適用する鍛造素材を「本発明鍛造素材」とし、比較例の鍛造素材を「比較例鍛造素材」として記す。
本発明鍛造素材及び比較例鍛造素材を１０５０℃の鍛造温度に加熱した。その後、ラジアル鍛造にて熱間鍛造した。なお、鍛造終了温度によるＵＴ欠陥の有無の効果を明確にするため、熱間鍛造条件は、本発明鍛造素材及び比較例鍛造素共に、押圧による圧下を７５〜１０５回／分、１パス当たりの減面率を２５〜３０％、前記被鍛造材の挿入側での送り速度を４〜５．５ｍ／分の範囲とし、直径１１０ｍｍまで鍛伸を行って本発明熱間鍛造材及び比較例熱間鍛造材とした。

本発明熱間鍛造材及び比較例熱間鍛造材からＵＴ欠陥の有無を調査する試験片を採取して、ＵＴ欠陥の有無を調査した。ＵＴ欠陥の有無の調査は前述した試験条件と同じとした。試験結果を表２に示す。
また、縦断面におけるミクロ試験も併せて実施した。代表的なミクロ組織写真を図１（本発明熱間鍛造材）及び図２（比較例熱間鍛造材）に示す。比較例熱間鍛造材の断面ミクロ組織である図２には、結晶粒が粗大化した白色の箇所が見られるが、本発明熱間鍛造材の断面ミクロ組織である図１には、結晶粒の粗大化した箇所は見られなかった。表２においても、本発明熱間鍛造材にはＵＴ欠陥は確認されていないが、比較例熱間鍛造材においては、局所的な結晶粒粗大化箇所の影響によるものと考えられるＵＴ欠陥が確認された。

以上の結果から、本発明で規定する熱間鍛造工程を適用することにより、Ｍ５０ＮｉＬ相当合金の熱間鍛造時におけるＵＴ欠陥を防止することが可能となることが分かる。

Claims

質量％でＣ：０．１１〜０．１５％、Ｓｉ：０．１〜０．２５％、Ｍｎ：０．１５〜０．３５％、Ｃｒ：４．０〜４．２５％、Ｎｉ：３．２〜３．６％、Ｍｏ：４．０〜４．５％、Ｖ：１．１〜１．３３％、残部はＦｅ及び不可避的不純物でなる棒状の鍛造用素材を準備する鍛造用素材準備工程と、
前記鍛造用素材を１０００〜１１００℃の鍛造温度に加熱する鍛造温度加熱工程と、
前記加熱した鍛造用素材をラジアル鍛造にて、鍛造用素材を周方向に回転しつつ、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熱間鍛造材とする熱間鍛造工程と、
を含み、前記熱間鍛造工程において、押圧による圧下を５０〜２１０回／分、１パス当たりの減面率を２０〜３０％、被鍛造材の挿入側での送り速度を２．７〜６ｍ／分の範囲とし、鍛造終了温度を８００℃以上とすることを特徴とする熱間鍛造材の製造方法。