鋼はどのように鍛造されるのでしょうか?プロセス、テクニック、アプリケーション

鋼の鍛造がどのように機能するか: 直接的な答え

鋼鍛造品 これは、金属を可塑性があり加工可能であるが溶けない温度まで加熱しながら、ハンマーで叩く、プレスする、または圧延することによって圧縮力を加えることによって鋼を成形するプロセスです。結果は次の部分です 優れた機械的特性 鋳造または機械加工されたコンポーネントと比較して、鍛造プロセスにより内部結晶粒構造が微細化され、内部空隙が排除されるためです。

実際には、鋼ビレットまたはインゴットは次の温度まで加熱されます。 1100℃と1250℃ 熱間鍛造（最も一般的な工業的方法）では、（2,012°F ～ 2,282°F）プレスまたはハンマーの下に置かれ、目的の形状に変形されます。次に、成形された部品は制御された条件下で冷却され、機械加工、熱処理、または表面処理を通じて仕上げられます。

これは単一の手法ではなく、関連する一連のプロセスです。部品の形状、生産量、必要な公差、材料グレードに応じて、メーカーは自由型鍛造、密閉型 (印象型) 鍛造、ロール鍛造、リングローリング、または等温鍛造から選択します。それぞれの材料使用率、金型コスト、寸法精度、達成可能な複雑さの間で異なるトレードオフが生じます。

原材料: 鍛造に適した鋼の選択

すべての鋼種が同じ方法で鍛造されるわけではありません。炭素含有量、合金元素、溶湯の清浄度はすべて、材料が圧力下でどのように流れるか、完成部品がどのような特性を達成するかに影響します。鍛造可能な鋼は大きく次のように分類されます。

• 低炭素鋼 (0.05 ～ 0.30% C): 延性が高く、鍛造が容易です。あまり硬度を必要としない構造部品やボルト、シャフトなどに使用されます。
• 中炭素鋼 (0.30 ～ 0.60% C): 鍛造業界の主力製品。 AISI 1040 や 4140 などのグレードは、クランクシャフト、コネクティングロッド、ギア、アクスルに使用されます。
• 高炭素鋼 (0.60 ～ 1.00% C): より硬くて強いですが、鍛造中に亀裂が生じやすくなります。バネ、レール、切削工具などに使用されます。
• 合金鋼（4000、8000シリーズ）： クロム、モリブデン、ニッケル、バナジウムの添加により、焼入れ性と靭性が向上します。航空宇宙や重機では一般的です。
• ステンレス鋼 (300 および 400 シリーズ): より高い鍛造圧力とより厳密な温度制御が必要です。化学、食品加工、医療用途で使用されます。

鍛造素材は、丸棒、圧延棒素材から切り出されたビレット、または非常に大きな部品のインゴットとして納品されます。自動車部品のビレット重量は通常、次の範囲にあります。 0.5kg～30kg 一方、タービン シャフトや圧力容器フランジなどの大型の工業用鍛造品は、数トンの重さのインゴットから始めることができます。

鋼の加熱: 温度、炉、スケール制御

加熱は鍛造プロセスが実際に始まる場所であり、火から引き出された光る棒のイメージが示すよりもはるかに制御されています。温度を間違えると、たとえ 50°C であっても、鍛造品に亀裂が入ったり、金型が過度に磨耗したり、部品が検査で不合格になったりする可能性があります。

鋼種別の鍛造温度範囲

工業用鍛造炉は、ガス焚き回転炉床炉、プッシャー炉、または誘導加熱システムです。誘導加熱は、直径 50 mm のビレットを鍛造温度まで加熱するため、小さなビレットの大量生産に主流となっています。 60秒未満 、表面のスケーリングをほぼ完全に除去し、大まかに使用します。 エネルギーが 30 ～ 40% 削減 同等のガス炉システムよりも優れています。

スケール（ガス炉の加熱中に表面に形成される酸化鉄の層）は、永続的な問題です。スケールがダイの接触によって部品表面に押し込まれると、表面欠陥が生じ、追加の機械加工が必要になったり、不合格の原因となったりします。高圧水スケール除去ジェットが作動 150～200バール ビレットがダイスに入る直前にスケールを吹き飛ばすプレスラインの標準装備です。

自由鍛造: 大型部品やカスタム部品に対する柔軟性

自由鍛造またはスミス鍛造とも呼ばれる自由型鍛造では、ワークピースを囲わない平らな、V 字型、または単純な輪郭の金型を使用します。オペレーターまたは自動システムは、各プレスストロークの間にビレットを回転および再配置し、徐々に所望の形状に加工します。この手法により、鍛冶工場に大きな柔軟性が与えられます。 1 セットのフラット ダイで任意の数の異なる部品形状を製造できます ワークの扱い方を変えるだけです。

開放型鍛造は、タービン ローター シャフト、船舶のプロペラ シャフト、大型フランジ、圧力容器シェル、ミル ロールなど、密閉型では大きすぎる部品に最適な方法です。この方法で製造された部品の重さは数キログラムから 数百トン 。中国第二重工業グループの 300 MN プレス機は世界最大級のプレス機で、原子力発電所や航空機構造用のチタンや鋼の部品を鍛造できます。

大型シャフトのプロセスシーケンスは通常次のようになります。

1. インゴットが鋳造され、固まります。偏析とボイドのある上部 (ライザー) と下部 (バット) セクションが切り取られ、最大で除去されます。 元のインゴット重量の 20 ～ 25% .
2. 残りのインゴットは再加熱され、アプセット（軸方向に圧縮）されて、鋳造されたままの粒子構造が破壊され、内部空隙が閉じられます。
3. ビレットはプレスの下で引き出され（伸ばされ）、ストロークの間に段階的に回転して材料を均一に加工します。
4. 大きな製品の場合、仕上げ鍛造限界を超える作業温度を維持するには、複数回の再加熱が必要です。
5. 粗鍛造品は表面の凹凸を取り除くために粗加工され、内部欠陥がないか超音波検査されます。

自由型鍛造における材料利用率は、通常、閉鎖型鍛造よりも低くなります。 60～75% 開始時のインゴット重量の重量が最終的に鍛造品に仕上がります。残りはクロップ、スケール、および機械加工のストックとして除去されます。それにもかかわらず、非常に大型の部品や 1 回限りの部品の場合、金型コストが低いため、経済的に実行可能な唯一の選択肢がオープン ダイになります。

密閉型鍛造: 精密かつ大量生産

密閉型鍛造 (印象型鍛造とも呼ばれます) では、完成部品の正確な陰型を含む、一致する上型と下型の半体を使用します。プレスが閉じると、加熱された鋼ビレットが金型のキャビティを満たし、正確な印象の形状になります。余分な金属はフラッシュと呼ばれる薄いリングに絞り出され、後でトリミングされます。

これは、自動車のコンロッド、ステアリング ナックル、ホイール ハブ、航空機の翼桁、手動工具などの構造部品および機械部品の大量生産の主流の方法です。最新の密閉型鍛造は、次の寸法公差を達成します。 ±0.5mm以上 中型部品の場合、鋳造と比較して下流の機械加工が大幅に削減されます。

マルチステーション ダイ シーケンス

複雑な部品を一撃で最終形状まで鍛造できることはほとんどありません。ダイブロックは、順番に配置された複数の印象ステーションに分割されます。

• より充実した印象: 金属を縦方向に再配分し、特定の点での断面を減少させます。
• エッジャーの印象： 特定のゾーンに金属を集め、断面プロファイルを大まかに成形します。
• ブロッカーの印象: 最終部品によく似た形状にワークピースを予備成形しますが、半径が大きくなり、抜き勾配が大きくなります。
• 完走者の感想： パーツを最終的な形状にし、細かいディテールと狭い半径を形成します。ここでフラッシュが生成されます。

AISI 4140 の一般的な自動車用コンロッドの場合、ビレットの挿入からフラッシュトリム鍛造品の取り出しまでのシーケンス全体に時間がかかります。 30秒以内 定格 25,000 ～ 40,000 kN の最新の機械プレスで。 1本の鍛造ラインで生産できるのは、 1 時間あたり 600 ～ 1,200 個のコンロッド .

フラッシュと素材の利用

フラッシュは通常、 ビレット重量の 10 ～ 20% 従来の閉塞鍛造ではフラッシュレス鍛造（ダイスが完全に密閉され、ビレットの体積がキャビティに正確に一致する変形方法）では、この無駄を排除できますが、非常に正確なビレットの準備とより高いプレス力が必要です。ギアブランクやベアリングリングなどの部品に使用されており、材料コストの削減により複雑さが増すことが正当化されます。

ロール鍛造とリングローリング：特殊な成形方法

2 つの主要な型鍛造カテゴリを超えて、いくつかの特殊な鋼鍛造プロセスが特定の製品カテゴリを支配しているため、理解する価値があります。

ロール鍛造

ロール鍛造では、加熱されたビレットが、表面に成形された溝を備えた 2 つの逆回転ロールの間を通過します。ビレットが通過するにつれて、ロールはその断面を縮小して長くし、次の鍛造作業に必要な正確なパターンで金属を分配します。ロール鍛造は、コンロッドや板バネブランクなどの長尺部品の閉型鍛造前の予備成形工程として広く使用されています。これにより、材料の分布が改善され、必要な閉じた型の型取りの数が減り、型の摩耗とサイクル時間が短縮されます。

リングローリング

リングローリングでは、円盤状の鍛造ブランクに穴を開け、それを駆動メインロールとアイドラーロールの間で拡張することにより、シームレスリングを製造します。一方、フラットアキシャルロールはリングの高さを制御します。その結果、周囲に連続的に流れる粒子構造を備えた継ぎ目のないリングが誕生しました。これは、プレートから切り出したリングや溶接で製造したリングに比べて、構造的に大きな利点があります。

転造リングは小型ベアリングレースから計量までさまざまです 1kg未満 を超える外径を持つ巨大な風力タービンフランジや原子炉容器フランジまで 8メートル そして上の重み 100トン 。航空宇宙産業は、ジェット エンジンのケーシング、フレーム、隔壁用のリング圧延チタンおよび鋼製部品に大きく依存しています。

冷間鍛造と温間鍛造: 赤熱以下で鋼を加工する

熱間鍛造だけが選択肢ではありません。冷間鍛造 - 室温またはそれに近い温度で実行 - 温間鍛造 - 通常、 650～900℃ 鋼用 — 表面仕上げ、寸法精度、機械的性能のさまざまな組み合わせを提供します。

冷間鍛造

鋼の冷間鍛造は加工硬化に依存します。金属が塑性変形すると、転位密度が増加し、徐々に強度が増します。冷間鍛造で製造できる部品は、 Ra 0.4 ～ 1.6 μm の表面仕上げ より厳しい寸法公差 ±0.05mm 何も加工せずに。ボルト、ナット、ネジ、冷間成形ギアブランクの大量生産が主な用途です。

制限は、必要な大きな力です。低炭素鋼の冷間鍛造には、次の流動応力が必要です。 500～800MPa 、と比較して 80～150MPa 熱間鍛造温度における同じ材料の場合。金型は急速に磨耗するため、通常、マルチパス成形操作では、段階間で鋼を焼きなましし、再潤滑（多くの場合リン酸塩石鹸システムを使用）する必要があります。

温間鍛造

温間鍛造は、温度と仕上がりの両方の点で、熱間と冷間の間に位置します。中間温度では、冷間加工と比較して流動応力が軽減され、プレストン数要件が低下しますが、スケール形成が少なく熱収縮が小さいため、表面品質と寸法精度は熱間鍛造よりもはるかに優れています。温間鍛造は、自動車のドライブトレインの精密ギアや CV ジョイント部品にますます使用されており、ニアネットシェイプ精度と優れた表面完全性の組み合わせにより、熱間鍛造してから機械加工するシーケンスと比較して総製造コストが削減されます。

鍛造設備：ハンマー、機械プレス、油圧プレス

鍛造力を供給する機械は、金型の設計と同様に、経済性、能力、生産率を決定します。産業用鋼鍛造品の主要な機械タイプは 3 つあります。

鍛造ハンマー

ハンマーは、ラムを高速で落下または下方に駆動することによってエネルギーを供給します。変形エネルギーは、移動するラムの運動エネルギーです。重力落下ハンマーは最も単純なタイプです。パワーハンマーは、蒸気、圧縮空気、または油圧を使用してラムを加速し、衝撃エネルギーを与えます。 5kJ～1,000kJ以上 大型複動スチームハンマー用。ハンマーは、複数回の素早い打撃で材料を段階的に加工できるため、複雑な形状の自由型鍛造に適しています。ハンマーブローのひずみ速度が高いということは、金型の接触時間が短くなり、金型の熱負荷が低下することも意味します。

機械鍛造プレス

機械プレスは、フライホイール駆動の偏心クランクを使用して、回転エネルギーを 1 回転あたり 1 つのラム ストロークに変換します。容量の範囲は次のとおりです 5,000kN～125,000kN 。固定ストロークと予測可能なラム位置により、厳密な寸法再現性を備えた複数のインプレッションをクローズドダイで行う作業に最適です。 63,000 kN の機械プレス (自動車用の重量鍛造品に一般的なサイズ) は通常、 毎分 40 ～ 80 ストローク 、非常に高い生産率を可能にします。

油圧鍛造プレス

油圧プレスは、シリンダーに作用する高圧流体によって力を生成します。機械式プレスとは異なり、ストローク全体にわたって最大トン数を保持でき、複雑なラム速度と力プロファイルをプログラムできます。このため、断熱加熱や亀裂を避けるために遅いひずみ速度が必要な航空宇宙用超合金の等温鍛造や、非常に大規模なオープンダイ操作にはこれらが不可欠です。世界最大の鍛造プレス - VSMPO-AVISMA で 750 MN プレス ロシアでは油圧式です。

鋼の鍛造中に結晶粒構造はどうなるか

鋳造品に対する鍛造品の機械的優位性は、鍛造が鋼の内部微細構造に与える影響から直接得られます。これを理解すると、たとえコストが大幅に高くなっても、重要な用途に鍛造品が指定される理由が説明されます。

鋳放し鋼には、粒界と内部収縮ボイドまたは気孔の間に化学偏析を伴う、粗い樹枝状結晶粒構造が含まれています。この材料が鍛造されると、いくつかのことが同時に起こります。

• 粒子の精製: 大きな鋳造粒子は塑性変形によって粉砕され、熱間加工中および熱間加工後に再結晶化してより小さく均一な等軸粒子になります。粒子が小さいほど、靭性と疲労強度が向上します。
• ボイドクロージャ: 内部の気孔と微小収縮は、特に高減速比のマルチパスオープンダイ操作において、鍛造の圧縮応力によって圧縮され、溶接されて閉じられます。
• ファイバーフロー: 非金属介在物と炭化物ストリンガーは金属の流れの方向に沿って引き伸ばされ、粒子の流れのパターンを作り出します。鍛造金型が正しく設計されている場合、このファイバー フローは部品の輪郭に従い、使用中のグレイン フロー ラインは応力軸と平行に伸びます。これにより、フロー ラインが切断された機械加工されたブランクと比較して疲労耐性が大幅に向上します。
• 均質化: 加熱と変形を繰り返すと、合金元素がより均一に分布し、鋳造構造を弱める組成勾配が減少します。

よく鍛造されたスチールコンポーネントは、 最大 40% 高い疲労強度、20% 高い引張強度、および著しく優れた衝撃靱性 同じ公称組成の鋳造コンポーネントと比較します。航空機の着陸装置や自動車のクランクシャフトなど、周期的な荷重や時折の衝撃荷重が設計の要因となる用途では、これらはわずかなメリットではありません。

鍛造後の熱処理: 冶金サイクルの完了

ほとんどの合金鋼鍛造品では、鍛造操作だけでは必要な最終的な機械的特性が得られません。鍛造後の熱処理は、強度、硬度、靭性の目標の組み合わせを固定するステップです。

正規化

加熱する 850～950℃ 空冷により結晶粒構造が微細化され、鍛造後の微細構造が均一化されます。正規化は、炭素および低合金鋼の鍛造品の最終機械加工前のベースライン処理として指定されることが多く、場合によっては、性能の低い用途に必要な唯一の熱処理です。

クエンチアンドテンパー(Q&T)

高性能合金鋼鍛造品の場合、オーステナイト化（典型的には 830～900℃ )、水、油、またはポリマー中で焼き入れし、次に で焼き戻します。 450～680℃ 十分な靭性を備えながら高強度を実現する標準ルートです。 AISI 4340 鋼を Q&T 条件で鍛造すると、次の引張強度を達成できます。 1,000～1,800MPa 焼き戻し温度に応じて変化するため、航空機の構造部品や耐久性の高いドライブトレイン部品に適しています。

アニーリングと応力除去

複雑な形状の大型鍛造品は、鍛造後の不均一な冷却により重大な残留応力が残る場合があります。応力除去焼鈍 550～650℃ — 変態温度以下 — 硬度を実質的に変えることなく残留応力を低減し、最終加工中の歪みを防ぎます。このステップは、大型のバルブ本体、ダイブロック、圧力容器コンポーネントの標準的な方法です。

鋼鍛造品の品質管理と試験

重要な用途に使用される鍛造鋼は、表面品質と内部品質の両方をカバーする厳格な検査体制を受けます。必要な特定のテストは業界標準 (ASTM、EN、JIS、または顧客固有の仕様) によって異なりますが、次のものが広く適用されます。

• 超音波検査 (UT): 高周波音波は、表面では見えない内部欠陥（亀裂、ボイド、介在物）を検出します。事実上すべての航空宇宙、原子力、圧力機器の鍛造品に必要です。合格基準はゾーンごとに定義されます（たとえば、ボアゾーンに相当する 2 mm の平底穴を超える表示はありません）。
• 磁粉検査 (MPI): 部品を磁化して鉄粒子懸濁液を適用することにより、強磁性鋼の表面および表面近くの亀裂を検出します。ステアリングナックルやホイールハブなど、自動車の安全性が重要な鍛造品の標準です。
• 硬度試験: 機械加工された表面で測定されたブリネルまたはロックウェル硬度により、熱処理が目標特性範囲に達したことが確認されます。
• 引張試験および衝撃試験: 個別に鍛造されたテストクーポン、または部品に鍛造された延長部分による破壊テストにより、指定された温度での降伏強度、極限引張強さ、伸び、およびシャルピー V ノッチ衝撃エネルギーが検証されます。
• 寸法検査: CMM (座標測定機) は、測定データの完全なトレーサビリティを備えた、エンジニアリング図面に対するすべての重要な寸法の検証を行います。

マクロエッチング テスト (鍛造品の断面を切断、研磨、希酸溶液でエッチングする) では、鍛流線が明らかになり、それらが意図したパターンに従っていることが確認され、UT が見逃している可能性のある内部の偏析、配管、または継ぎ目が露出されます。このテストは通常​​、新しい金型設計の最初の製品の認定のために指定されています。

鍛造品によくある欠陥とその原因

適切に制御された鍛造作業であっても、部品に欠陥が生じます。大量のスクラップが蓄積する前にプロセスを修正するには、各欠陥タイプの根本原因を認識することが不可欠です。

鍛造鋼部品が使用される場所: 産業用途

鍛造鋼は、コンポーネントが高応力、繰り返しの負荷、または高温に耐える必要があるほぼすべての業界で使用されています。以下の部門が世界の鍛造生産量の大部分を占めています。

自動車産業

自動車部門の消費量はおよそ 世界中で生産される全鍛造品の 60% 。一般的な乗用車には、クランクシャフト、コンロッド、カムシャフト、トランスミッション ギア、ステアリング ナックル、ホイール ハブ、ブレーキ キャリパー、サスペンション アーム、CV ジョイント ハウジングなど、250 を超える鍛造部品が含まれています。電気自動車への移行により、クランクシャフトとピストンの数が減少し、構成が変化していますが、大型のバッテリーエンクロージャ構造部材と電気モーターシャフトの需要が増加しています。

航空宇宙と防衛

航空宇宙用鍛造品には、あらゆる業界の中で最も厳格な材料およびプロセスの認証要件が適用されます。機体の構造部品 (翼桁、胴体フレーム、脚支柱) とエンジン部品 (コンプレッサー ディスク、タービン ディスク、シャフト) は、ほぼ独占的に鍛造されています。 1 機のワイドボディ民間航空機には、 1,500以上の鍛造部品 、その多くは鋼鉄ではなく大きなアルミニウムまたはチタン片ですが、着陸装置と作動システムでは高張力鋼鍛造品が主流です。

石油、ガス、発電

圧力容器フランジ、バルブ本体、パイプライン継手、坑口コンポーネント、タービンローターは、エネルギー分野における重要な鍛造用途です。これらの部品は、高圧、高温、およびしばしば腐食性の環境下で動作し、鋳造の気孔が許容できないリスクとなる場合があります。蒸気発電所用の大型タービンローター鍛造品の重量を計測可能 200トン以上 最終機械加工後、納品までに数か月の鍛造、熱処理、テストが必要です。

建設および鉱山機械

重建設機械や鉱山機械のトラックリンク、スプロケット、バケットの歯、削岩機のビット、構造ピンは、衝撃や摩耗に対する耐性が優れている鍛造鋼に依存しています。これらのコンポーネントに見られる非常に高い動的負荷（掘削機の大きなバケットの歯は、シフトごとに数万回の衝撃サイクルを吸収する可能性があります）により、許容可能な耐用年数には鍛造品の優れた靭性が不可欠です。

鋼鍛造技術の現代の発展

鋼の鍛造の中核となる物理的性質は変わっていません - 金属は加熱されると圧力下で流動します - しかし、プロセスを取り巻く技術は過去 20 年間で大幅に進歩しました。

有限要素解析 (FEA) シミュレーション Deform、FORGE、Simufact などのソフトウェアを使用して鍛造プロセスを分析することで、エンジニアは 1 つの金型を切断する前に、メタル フロー、ひずみ分布、金型の応力、潜在的な欠陥の位置を予測できます。これにより、複雑な新しい部品に必要な金型のトライアウトの反復回数が大幅に削減され、金型の開発時間とコストが大幅に削減されました。 30～50% 多くの場合。

サーボ制御の油圧プレスおよびサーボ機械プレス プログラム可能なラム速度プロファイルを可能にし、これまで専用の設備が必要だった、または型鍛造ではまったく不可能だった材料の温間および等温鍛造を可能にします。ラムは、重要な段階で減速して発熱と金属の流れを制御したり、それほど敏感でない操作では加速してサイクル時間を最適化したりできます。

自動鍛造セル 誘導ヒーター、ロボットビレットハンドリング、多軸プレス搬送システム、インラインビジョン検査を組み合わせることで、最小限の直接労働で大量の閉型鍛造ラインを稼働させることが可能になりました。最新の自動車鍛造ラインには、 1 人のオペレーターが 4 ～ 6 台のプレスを監督 、品質検査はラインの最後にあるレーザー スキャンとマシン ビジョン システムによって処理されます。

精密ニアネットシェイプ鍛造 — 最終形状に非常に近い部品を製造するため、機械加工が機能面のみの軽い仕上げパスに削減される — は、自動車のギアや軸受コンポーネントでますます一般的になってきています。このアプローチにより、加工時間が短縮され、材料の利用率が向上し、機械加工によって部品表面で破壊される有益な粒子の流れが維持されます。