Ni 基超合金の熱間鍛錬方法の最適化

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1 技 術 報 告 Ni 基 超 合 金 の 熱 間 鍛 錬 方 法 の 最 適 化 Ni 基 超 合 金 の 熱 間 鍛 錬 方 法 の 最 適 化 Optimum Pass Scheduling System for the Forging Operation of Ni-based Super-Alloys 青 山 明 祐 奥 野 寛 人 清 水 章 裕 熊 谷 保 之 Akihiro Aoyama Hiroto Okuno Akihiro Shimizu Yasuyuki Kumagai 要 Ni 基 超 合 金 は 鍛 造 時 の 材 料 温 度 低 下 に 伴 う 延 性 の 低 下 及 び 変 形 抵 抗 の 増 大 が 著 しいことにより 鍛 造 可 能 温 度 範 囲 が 狭 い これにより 鍛 造 工 程 において 生 産 性 品 質 にさまざまな 問 題 が 生 じるため 鍛 造 時 間 の 短 縮 化 が 求 められている 鍛 造 時 間 の 短 縮 のためには 八 角 断 面 形 状 の 鍛 伸 工 程 ( 以 下 八 角 押 し 作 業 と 称 す)における 圧 下 パススケジュールの 最 適 化 が 効 果 的 である このためには 鍛 造 後 の 材 料 の 90 度 方 向 の 膨 出 量 ( 以 下 横 膨 らみ 量 )の 高 精 度 な 予 測 が 必 要 で ある そこで 横 膨 らみ 量 の 予 測 式 の 定 式 化 を 図 り 実 機 の 鍛 造 に 予 測 式 を 用 いた 圧 下 パススケジュールを 適 用 した その 結 果 鍛 造 時 間 が 従 来 と 比 較 して 約 46% 短 縮 可 能 となった The appropriate range of forging temperature for Ni-based super-alloys is narrow because of the low ductility and high flow stress. Since various problems for productivity and quality occur in the forging process, it is necessary to shorten the duration of forging. In order to reduce the total duration of forging process, it is effective to optimize pass scheduling in the cogging process in which the work piece is deformed to have an octagonal cross section. For this purpose, it is necessary to predict the amount of transverse expansion due to press forging with high precision. Based on these considerations, we formulated equations to quantitatively predict the transverse expansion and applied them to optimize pass scheduling of the actual forging operation. As a result, the total duration of forging was reduced by 46% in comparison with the conventional forging operation. 旨 Synopsis 1. 緒 言 2. 現 状 の 鍛 錬 方 法 Ni 基 超 合 金 は 材 料 の 温 度 低 下 に 伴 う 延 性 低 下 及 び 変 形 抵 抗 の 増 大 が 著 しいことよりプロセスウィンドウ( 鍛 造 可 能 温 度 範 囲 )が 狭 い これにより 生 産 性 材 料 歩 留 品 質 において 下 記 の 問 題 が 生 じる (1) 鍛 造 時 間 の 制 約 による 工 程 数 (ヒート 数 ) 増 加 (2) 鍛 造 中 の 疵 発 生 による 疵 取 重 量 ロス (3) 鍛 造 比 不 足 に 伴 う 結 晶 粒 の 細 粒 化 不 足 本 報 では 上 記 の 問 題 を 解 決 することを 目 的 に 鍛 伸 工 程 における 八 角 押 し 作 業 の 合 理 化 に 取 り 組 み 鍛 造 時 間 を 低 減 した 事 例 について 報 告 する 2-1. Ni 基 超 合 金 の 基 本 工 程 Ni 基 超 合 金 の 鍛 錬 工 程 は 据 込 工 程 と 鍛 伸 工 程 を 複 数 回 繰 り 返 してから 最 終 工 程 にて 目 的 形 状 へ 成 形 するのが 一 般 的 である 図 1 に Ni 基 超 合 金 の 全 鍛 錬 工 程 の 内 訳 を 示 す 全 鍛 錬 工 程 に 占 める 鍛 伸 工 程 の 割 合 は 約 50% である また 鍛 伸 工 程 は 据 込 工 程 と 比 較 し 圧 下 パス 数 が 多 く 材 料 から 金 敷 への 抜 熱 によって 材 料 温 度 の 低 下 が 顕 著 となる したがって Ni 基 超 合 金 の 生 産 性 改 善 歩 留 改 善 のた めには 鍛 伸 工 程 における 八 角 押 し 作 業 の 作 業 時 間 低 減 が 最 も 重 要 である 室 蘭 製 作 所 Muroran Plant (60)

2 2-3. 改 善 案 八 角 押 し 作 業 において 圧 下 パス 数 を 低 減 するためには パス 毎 に 次 パスの 横 膨 らみ 量 を 予 測 し 目 標 寸 法 よりも 順 次 小 さく 圧 下 ( 以 下 マイナス 押 しと 称 す)する 圧 下 パスス ケジュールを 設 定 する 必 要 がある 図 4 にマイナス 押 しの 模 式 図 を 示 すが 横 膨 らみ 量 を 過 小 評 価 した 場 合 最 終 目 標 寸 法 を 逸 脱 するリスクが 発 生 するため 高 い 予 測 精 度 が 求 められる 図 1. Ni 基 超 合 金 の 各 工 程 の 時 間 比 率 内 訳 2-2. 問 題 点 図 2 に Ni 基 超 合 金 の 八 角 押 し 作 業 の 模 式 図 を 示 す 八 角 押 し 作 業 では 材 料 をマニプレーターによりハンドリング し 上 下 2 面 を 順 次 圧 下 することで 材 料 全 体 を 鍛 造 してい る 材 料 を 八 角 形 状 に 成 形 するためには 少 なくとも 4 方 向 から 圧 下 する 必 要 があるが 圧 下 方 向 の 変 更 には トング による 材 料 の 掴 み 直 し 作 業 が 生 じる 図 4. マイナス 押 しの 模 式 図 3. 横 膨 らみ 率 の 予 測 式 検 討 3-1. 予 測 式 の 定 式 化 図 5 に 上 下 平 らな 金 敷 を 用 いた 鍛 伸 工 程 の 模 式 図 を 示 す 鍛 伸 時 の 横 膨 ら み 率 ( =W i /W 0 )を 予 測 する 式 として 次 式 1) がある 図 2. 八 角 押 し 作 業 の 模 式 図 一 方 八 角 押 し 作 業 では 圧 下 方 向 と 90 度 方 向 の 横 膨 らみ 量 の 予 測 が 困 難 であるため 所 定 の 形 状 へ 成 形 するた めに 圧 下 パス 数 の 増 加 とそれに 伴 う 掴 み 直 し 作 業 の 発 生 に より 鍛 造 時 間 が 増 加 している 図 3 に 八 角 押 し 作 業 時 間 の 内 訳 を 示 すが 掴 み 直 し 作 業 が 全 鍛 造 時 間 の 約 40% を 占 めており 八 角 押 し 作 業 時 間 の 短 縮 には 圧 下 パス 数 の 低 減 が 必 要 である 図 5. 上 下 平 金 敷 による 鍛 伸 の 模 式 図 W i /W 0 =(1/γ) s ( 1) s = (β/W 0 ) ( β / W 0 ) 2 ( 2) W 0 : 圧 下 前 巾 ( W 0 =H i-1 ) W i : 圧 下 後 巾 γ: 圧 下 前 後 の 厚 み 比 ( H i /H 0 ) H 0 : 圧 下 前 厚 み H i : 圧 下 後 厚 み β: 金 敷 掛 巾 ( 図 6 ) 図 3. 八 角 押 し 作 業 時 間 の 内 訳 上 式 は 矩 形 断 面 を 対 象 としているため 八 角 押 し 作 業 の ように 圧 下 パス 毎 に 金 敷 と 材 料 の 接 触 面 積 が 変 化 する 場 合 に 上 式 を 適 用 すると 差 異 が 生 じることが 考 えられる ま た 上 式 は Ni 基 超 合 金 の 温 度 依 存 性 を 考 慮 した 変 形 抵 抗 挙 動 の 再 現 可 否 が 不 明 である (61)

3 慮 した 変 形 挙 動 を 正 確 に 再 現 するために 熱 間 加 工 再 現 試 験 装 置 を 用 いた 円 柱 圧 縮 試 験 より 求 めた 変 形 抵 抗 曲 線 を 使 用 している 鍛 造 時 の 材 料 の 温 度 分 布 は 熱 伝 導 解 析 により 求 めた 材 料 の 初 期 温 度 は 均 一 周 囲 の 雰 囲 気 温 度 を 20 として 八 角 押 し 作 業 の 平 均 的 な 鍛 造 時 間 を 考 慮 して 熱 伝 導 解 析 を 実 施 した なお 解 析 結 果 の 材 料 の 表 面 温 度 が 実 機 の 表 面 温 度 と 合 致 するよう 熱 伝 達 係 数 を 補 正 している 図 6. 金 敷 掛 巾 の 定 義 表 1. 解 析 条 件 そこで 本 報 告 では 四 角 押 し 及 び 八 角 押 し 作 業 を 計 5 パ スで 完 了 させることを 目 的 とし 圧 下 パス 毎 に 金 敷 接 触 面 積 の 変 化 を 考 慮 した 横 膨 らみ 率 の 予 測 式 を 立 案 した 横 膨 らみ 率 に 影 響 を 及 ぼす 因 子 は 変 形 抵 抗 温 度 分 布 金 敷 掛 巾 金 敷 掛 巾 率 ( 金 敷 掛 巾 / 初 期 径 ) 及 び 圧 下 率 である また これらの 因 子 が 互 いに 影 響 を 及 ぼすため これらを 考 慮 して 定 式 化 する 必 要 がある 横 膨 らみ 率 には 以 下 の 傾 向 がある 1 金 敷 掛 巾 (β)が 大 きくなるにつれて 横 膨 らみ 率 が 大 きく なる 2 圧 下 前 厚 み(H 0 )が 小 さくなるにつれて 横 膨 らみ 率 が 大 きくなる 3 圧 下 率 (1-γ)が 大 きくなるにつれて 横 膨 らみ 率 が 大 きく なる 本 報 では これらの 傾 向 を 考 慮 した 横 膨 らみ 変 数 x を 以 下 のように 定 義 した x = β/h 0 (1- γ) ( 3 ) (3) 式 で 定 義 した 横 膨 らみ 変 数 x を 独 立 変 数 として 任 意 の 圧 下 パス i に おける 横 膨 らみ 率 ( W i /W 0 )を 次 式 に 定 義 した W i /W 0 =a i x 2 +b i x +1.0 ( 4 ) ここで a i 及 び b i は 各 圧 下 パス 毎 の 係 数 である 図 7. 解 析 モデルの 一 例 3-3. 予 測 式 の 定 義 本 報 では FEM 解 析 結 果 を 基 に 四 角 押 し 作 業 まで 3 パス 八 角 押 し 作 業 までさらに 2 パス 合 計 5 パスで 八 角 押 し 作 業 を 完 了 するものとして それぞれの 圧 下 パスにおけ る( 4 ) 式 の 係 数 a i, 及 び b i を 導 出 した さらに これらの 予 測 式 を 実 機 に 適 用 するために 図 8 に 示 すように 圧 下 パ ススケジュールの 最 適 化 を 図 った 3-2. FEM 解 析 条 件 本 報 で 提 案 した 横 膨 らみ 率 の 予 測 式 では 圧 下 パス 毎 の 金 敷 接 触 面 積 や 変 形 抵 抗 の 影 響 を 係 数 a i, 及 び b i によっ て 表 している この 係 数 a i, 及 び b i の 導 出 のために 上 下 平 らな 金 敷 を 用 いた 八 角 押 し 作 業 における FEM の 弾 塑 性 解 析 を 実 施 した 初 期 の 矩 形 断 面 を 2 条 件 初 期 温 度 を 1000 ~ 1200 の 3 条 件 及 び 圧 下 率 を 1 又 は 2 条 件 と した 表 1 に 解 析 条 件 をまとめて 示 す 図 7 に 解 析 モデルの 一 例 を 示 す 対 称 性 を 考 慮 して 1/4 領 域 をモデル 化 している Ni 基 超 合 金 の 温 度 依 存 性 を 考 (62) 図 8. 圧 下 パススケジュールの 一 例

4 4. 実 機 鍛 造 への 適 用 4-1. 予 測 式 の 精 度 最 適 化 した 圧 下 パススケジュールを 用 いて Ni 超 合 金 の 実 機 の 鍛 造 を 実 施 し 予 測 式 の 精 度 を 確 認 した 材 料 の 圧 下 寸 法 及 び 横 膨 らみ 寸 法 はプレスストローク 及 び 外 パス にて 測 定 し 表 層 温 度 をサーモグラフィによって 常 時 モニタ リングした 図 9 に 横 膨 らみ 率 の 予 測 式 と 実 績 を 比 較 して 示 す 実 機 の 鍛 造 の 適 用 範 囲 において 予 測 式 は 横 膨 らみ 率 を 3% 以 内 の 誤 差 で 実 機 を 模 擬 できることが 明 らかとなった 一 方 横 膨 らみ 変 数 の 増 加 に 伴 い 誤 差 も 増 加 する 傾 向 があるが 誤 差 はいずれもプラスサイドであっため 横 膨 らみ 量 を 過 小 評 価 することによって 最 終 目 標 寸 法 を 逸 脱 するリスクは 無 か った 4-2. 鍛 造 時 間 最 適 化 した 圧 下 パススケジュールを 実 機 鍛 造 に 適 用 した 結 果 下 記 の 効 果 が 得 られた (1)マイナス 押 しが 可 能 となり 計 画 通 り 5 パスで 鍛 造 を 完 了 することができた (2) 圧 下 パス 数 が 低 減 したことにより トングによる 材 料 の 掴 み 直 し 作 業 時 間 が 減 少 した 図 11 に 実 機 鍛 造 の 鍛 造 時 間 を 従 来 の 鍛 造 時 間 と 比 較 し て 示 す 予 測 式 を 用 いた 圧 下 パススケジュールを 適 用 した 結 果 総 鍛 造 時 間 が 従 来 と 比 較 して 約 46% 低 減 できるこ とが 明 らかとなった 図 11. 鍛 造 時 間 の 割 合 の 比 較 図 9. 横 膨 らみ 率 の 予 測 式 と 実 績 値 図 10 に 実 績 を 加 味 して 予 測 式 を 補 正 した 結 果 と 実 績 を 比 較 して 示 す 今 後 補 正 した 予 測 式 を 用 いることにより 横 膨 らみ 変 数 の 大 きい 領 域 でも 更 に 良 好 な 精 度 (2% 以 内 ) で 予 測 可 能 と 考 えられる 4-3. 疵 取 重 量 ロスの 低 減 図 12 に 鍛 造 終 了 時 のサーモグラフィ 写 真 を 示 す 予 測 式 によって 圧 下 パススケジュールを 最 適 化 した 結 果 従 来 品 よりも 高 温 で 鍛 造 を 終 了 していることがわかる おのおのの 圧 下 パスの 材 料 温 度 が 高 くなった 結 果 延 性 の 低 下 に 伴 う 割 れ 疵 の 発 生 も 低 減 され 疵 取 り 重 量 ロスが 改 善 された 図 13 に 材 料 の 初 期 重 量 に 対 する 鍛 造 終 了 時 の 重 量 の 割 合 ( 歩 留 係 数 と 定 義 )を 従 来 と 比 較 して 示 す 疵 取 りによる 重 量 ロスが 低 減 した 結 果 歩 留 係 数 が 従 来 と 比 較 して 約 33% 改 善 した (a) 従 来 品 (b) 適 用 品 図 10. 補 正 予 測 式 と 実 績 値 図 12. Ni 基 超 合 金 ( 同 一 材 )の 鍛 造 終 了 時 の サーモグラフィ 写 真 比 較 ( 同 一 加 熱 温 度 ) (63)

5 図 13. 歩 留 係 数 の 比 較 4-4. 工 程 削 減 従 来 2 ヒートに 分 割 していた 工 程 を 1 ヒートで 鍛 造 可 能 と なった これに 伴 い 仕 上 り 工 程 の 1 ヒート 当 たりに 付 与 可 能 な 鍛 造 比 を 従 来 の 1.5 倍 に 増 加 することに 成 功 した そ の 結 果 結 晶 粒 の 微 細 化 の 効 果 が 著 しく 改 善 した 5. 結 言 本 報 告 では Ni 基 超 合 金 の 八 角 押 し 作 業 における 横 膨 ら み 率 予 測 式 を 定 式 化 した Ni 基 超 合 金 の 実 機 の 鍛 造 に 予 測 式 を 適 用 した 結 果 予 測 式 は 3% 以 内 の 精 度 で 横 膨 らみ 量 を 再 現 可 能 であった また 予 測 式 を 用 いた 八 角 押 し 作 業 の 圧 下 パススケジュ ールを 最 適 化 した 結 果 鍛 造 時 間 疵 取 重 量 ロス 及 び 工 程 数 の 観 点 から 大 幅 に 改 善 を 図 ることができた 参 考 文 献 1) Tomlinson, A. & Stringer, J.D. : Trans.ISIJ, 193 (1959), (64)