密閉型、開放型鍛造および炭素鋼鍛造: フルプロセスガイド

密閉型鍛造プロセス: その仕組みと優れた点

密閉型鍛造 (印象型鍛造とも呼ばれます) は、最終部品の形状に一致する機械加工されたキャビティを含む 2 つ以上の型の間で加熱されたビレットを圧縮することによって金属を成形します。 プレスまたはハンマーの力で金型が閉じると、金属が流れてキャビティを完全に満たし、寸法公差が厳しく、金型が接する部分で明確なパーティング ラインを備えたニアネットシェイプの部品が生成されます。

密閉型鍛造のプロセス順序は通常、次の段階に従います。

1. ビレットの準備: 未加工の素材は計算された重量にカットされます。余分な材料 (バリ) は鍛造後にトリミングされますが、大幅に超過すると材料が無駄になり、トリミング負荷が増加します。
2. 加熱: ビレットは誘導炉またはガス加熱炉で適切な鍛造温度範囲 (炭素鋼および合金鋼の場合は通常 1,100 ～ 1,250 °C) に加熱されます。
3. プレフォーミング（ブロッキング）： マルチステージツーリングでは、ビレットは仕上げキャビティに入る前に 1 つ以上のブロッカーキャビティを通過し、最終形状に向けて質量を再配分します。
4. 鍛造の仕上げ： 加熱されたプリフォームを仕上げダイのキャビティに配置し、完全に閉じるまで叩くかプレスして、印象のすべての凹部に金属を押し込みます。
5. フラッシュトリミング： パーティング ラインで押し出された余分な金属は、通常は部品がまだ熱いうちにトリミング プレスで除去されます。
6. 熱処理と仕上げ： 部品は、材料および機械的特性の要件に応じて、焼きならし、焼き入れおよび焼き戻し、または焼きなましが行われます。

密閉型鍛造は、機械プレス、油圧プレス、または重力ドロップハンマーで実行されます。 油圧プレス — 500 トンから 50,000 トン以上のサイズが一般的 — 大型または複雑な形状に適した、制御された持続的な圧力を加えます。 機械式プレスおよびスクリュープレス 正確なストローク制御が必要な小型部品に適した高エネルギー衝撃を提供します。ドロップハンマーは、小型から中型の部品の大量生産に依然として広く使用されています。

利点と制限事項

密閉型鍛造により、次のような部品が製造されます。 鋳造品や機械加工された棒材と比較して優れた強度重量比 鍛造プロセスにより結晶粒構造が微細化され、結晶粒の流れが部品の形状に合わせられるためです。航空宇宙および自動車の構造部品では、同等の鋳造品と比較して疲労強度が 20 ～ 30% 向上することが一般的に報告されています。一度実証された金型の寸法再現性は高いため、閉塞型鍛造はコンロッド、ギア、フランジ、クランクシャフト、自動車サスペンション部品の中量産から大量生産に非常に適しています。

主な制限は工具のコストです。 H13 熱間工具鋼のクローズド ダイ セットのコストは、部品の複雑さに応じて数万ドルから数十万ドルに達するため、このプロセスは最小生産量 (部品のサイズに応じて通常 500 ～ 1,000 個以上) を超えてのみ経済的に実行可能です。金型の寿命は通常 10,000 回から 100,000 回の打撃の範囲であり、鍛造温度、材料の磨耗性、および潤滑方法の影響を受けます。

自由型鍛造 プロセス: 大型部品やカスタム部品に対する柔軟性

自由型鍛造では、ワークピースを完全に囲わない平らな金型または単純な輪郭の金型の間で金属を成形します。 オペレーターまたは自動マニピュレーターは、プレスストロークの間にホットビレットの位置を変更して徐々に回転させ、一連の変形ステップを通じて材料を目的の形状に徐々に加工します。金属を閉じ込める圧搾キャビティがないため、部品の形状はプレカット キャビティではなく、金型の動き、プレス ストローク、オペレータまたは CNC 制御に依存します。

一般的なオープン ダイ ツール構成には、フラット プラテン、V ダイ、スウェージング ダイ、中空部品用のマンドレル リング、および輪郭のあるプロファイル用のサドル ダイが含まれます。このプロセスは、次のような幅広い部品形状に対応します。

• シャフト、スピンドル、車軸 - 大きなインゴットから長さに沿って段階的に鍛造されます。
• リングとフランジ - 打ち抜き、据え込み、リング圧延によって形成されます。
• 工具用のブロック、プレート、スラブ、圧力容器ブランク、ダイス鋼
• 重機、発電、防衛用のカスタム ワンオフ コンポーネント

コギング：自由鍛造の中核となる作業

最も基本的なオープンダイ操作は次のとおりです。 コギング — 引き抜きとも呼ばれる — ビレットは、その長さに沿って噛み込み増分を重ねて徐々に圧縮され、断面が減少し、長さが増加します。噛まれるたびに局所的なゾーンが変形します。プレスオペレーターは、隣接するバイトが 30 ～ 50% 重なるようにストローク間でビレットを前進させ、コールドシャットやバイト境界での重ね合わせのない継続的な変形を保証します。コギングは、大きなインゴット (1 トンから 300 トン) を中間のビレット サイズまで加工して、さらなる加工や最終機械加工を行うための主な方法です。

自由鍛造は、最大の航空宇宙および発電用鍛造品の場合、800 トンから 125,000 トン以上の範囲の油圧プレスで稼働します。 世界最大の自由鍛造プレス - 50,000 ～ 80,000 トンクラス - は、航空機の機体フレームや大型タービンディスク用のチタンおよびニッケル超合金部品を鍛造することができます。

オープンダイとクローズドダイ: 選択方法

2 つのプロセスは競合するものではなく、補完的なものです。部品サイズが密閉型工具で経済的に対応できる範囲を超える場合 (通常は 200 ～ 500 kg 以上)、生産量が少なすぎて金型への投資を正当化できない場合、または形状が単一キャビティ金型にとって複雑または可変すぎる場合には、開放型鍛造が推奨されます。寸法精度、表面仕上げ、および生産量が工具への投資を優先する場合には、密閉型鍛造が推奨されます。多くの大型部品は、開放型鍛造プリフォームとして始まり、その後、重要な特徴を得るために閉鎖型鍛造されます。

鍛接の温度：熱と圧力で金属を接合する

鍛接は最も古い金属加工プロセスの 1 つです。これは、接合面をきれいにするために使用されるもの以外の溶加材やフラックスを使用せずに、両方の金属をプラスチックまたは半溶融状態まで加熱し、原子レベルで接合するのに十分な圧縮力を加えることによって 2 つの金属を接合します。 低炭素鋼および軟鋼の正しい鍛接温度は、通常 1,260 ～ 1,370 °C (2,300 ～ 2,500 °F) です。 — 鋼の表面が特徴的な明るい黄白色の、ほとんど火花が散ったような外観を呈し、ハンマーによる打撃の下で原子拡散結合が可能なほど十分に可塑性になるポイント。

材質別の温度

鍛接温度は金属の固相線温度とその塑性変形挙動によって支配されるため、合金組成によって大きく異なります。

• 低炭素鋼 (0.05 ～ 0.20% C): 1,260 ～ 1,370 °C — 最も許容範囲が広く、プラスチック加工範囲が広い
• 中炭素鋼 (0.20 ～ 0.50% C): 1,200 ～ 1,315 °C — 炭素含有量が増加すると温度範囲が狭くなり、過熱のリスクが増加します
• 高炭素鋼・工具鋼（0.60～1.0％C）： 1,100 ～ 1,260 °C — 非常に狭い範囲。 30 ～ 50 °C でさえ過熱すると、焼け（不可逆的な粒界酸化）が発生し、溶接が失敗します。
• 錬鉄: 1,315 ～ 1,425 °C — スラグ含有量が高いため、界面から酸化物を洗い流す液状スラグが形成され、実際に溶接が促進されます。
• ステンレス鋼 (304/316): 1,200 ～ 1,260 °C — 結合を阻害する酸化クロムの形成を防ぐために不活性雰囲気またはフラックスが必要

フラックスと表面処理

金属表面のスケールと酸化物は原子間の接触を妨げるため、溶接が行われる直前に除去する必要があります。 ホウ砂（四ホウ酸ナトリウム）は最も広く使用されている鍛接用フラックスです — 鋼が溶接温度に近づくと約 900 ～ 1,000 °C で適用され、溶融して酸化鉄スケールを溶解する液体バリアを形成し、最終加熱段階での再酸化を防ぎます。フラックスがないと、接合界面にスケールが閉じ込められると、介在物が生成され、溶接が弱くなったり、溶接が妨げられたりします。一部の鍛冶屋は、特定の合金系に珪砂、鉄やすり、または独自のフラックス配合物を使用します。

現代の工業用鍛造溶接

手鍛造溶接は刃物鍛冶や芸術的な鉄工分野で生き残っていますが、工業用鍛造溶接は最も顕著に応用されています。 フラッシュバット溶接 そして 高周波圧接 パイプ製造やレール接合などに。フラッシュ溶接では、電気抵抗アーク放電 (フラッシュ) によって接合面を加熱し、アプセット (軸方向の圧縮) 力を加えて接合部を強化し、制御された再現可能な方法で鍛造溶接条件を実現します。この方法は、母材の機械的特性を備えた完全に鍛造された熱影響部のないジョイントが必要な、ドリル パイプ、アンカー チェーン、レール セクションの溶接に使用されます。

炭素鋼鍛造品のグレード、性質、用途

炭素鋼鍛造品は、合金鋼鍛造品の特徴である大幅な合金添加（クロム、ニッケル、モリブデン）を含まずに、主な強化メカニズムが炭素含有量（0.20% C 未満の低炭素グレードから 0.60% C を超える高炭素グレードまで）である鋼から製造されます。 炭素鋼鍛造品は世界の鍛造品業界で最大の生産量を占めています。 、自動車のドライブトレイン部品、産業機械、建設機械、石油およびガスの付属品、および手動工具に使用されます。

鍛造品に一般的に使用される炭素鋼のグレード

炭素含有量は、鍛造炭素鋼で達成可能な機械的特性を支配する主要な変数です。

• AISI 1020 / 1025 (低炭素): 引張強度 380 ～ 480 MPa (鍛造時)。優れた溶接性と靭性。レバー、ピン、シャフト、および高強度を必要としない一般構造用鍛造品に使用されます。
• AISI 1040 / 1045 (ミディアムカーボン): 引張強さ 570 ～ 700 MPa 正規化、最大 800 ～ 950 MPa 焼入れおよび焼き戻し。コネクティングロッド、クランクシャフト、ギア、アクスルシャフト、フランジ鍛造品の主力グレード - 適度な機械加工性と優れた強度を兼ね備えています
• AISI 1060 / 1080 (高炭素): 引張強さ 800 ～ 1,100 MPa 熱処理済み。高い硬度と耐摩耗性。鉄道の車輪、ばね、手工具、農業用耕耘部品に使用されます。
• AISI 1095 (高炭素): 最大 65 HRC の表面硬度が達成可能。エッジの保持が重要なナイフの刃、切削工具、摩耗プレート

鍛造により炭素鋼の特性がどのように改善されるか

鍛造プロセスにより、炭素鋼鍛造品を同じグレードの鋳物や熱間圧延棒材と区別する微細構造が改善されます。 再結晶温度 (炭素鋼の場合は約 720 ～ 750 °C) を超える熱間加工では、鋳造樹枝状組織が破壊されます。 、凝固気孔と空隙を閉じ、洗練された等軸結晶粒構造を生成します。また、機械加工により繊維状の結晶粒の流れが形成され、完成部品の主応力の方向と一致すると、結晶粒全体に機械加工された棒材と比較して疲労強度と衝撃靱性が大幅に向上します。

AISI 1045 中炭素鋼鍛造品と同等の鋳造品では、室温での疲労強度の 20 ～ 37% の向上とシャルピー衝撃靱性の 30 ～ 50% の向上が記録されており、石油やガス、北極圏での用途に関連する氷点下の温度ではさらに大きな利点が得られます。

炭素鋼鍛造品の熱処理

鍛造されたままの炭素鋼コンポーネントは通常、鍛造応力を緩和し、その後の機械加工または熱処理のベースラインとして均一なパーライト - フェライト微細構造を生成するために正規化 (Ac3 上から空冷) されます。最終的な機械的特性は次のようにして実現されます。

• 焼き入れ焼き戻し (Q&T): 820 ～ 870 °C でオーステナイト化し、マルテンサイトまで水または油で焼き入れし、その後 400 ～ 650 °C で焼き戻しして、目標の硬度と靭性のバランスを達成します。これは、構造用途および摩耗用途における中炭素鋼および高炭素鋼の鍛造品の標準的な方法です。
• 高周波焼入れ： 強靱なコアを維持しながら、重要な摩耗ゾーン (ギアの歯、ジャーナル表面) を選択的に表面硬化します。1045 および 1050 のシャフトとギアに広く適用されています。
• アニーリング: 仕上げ加工と最終硬化の前に、高炭素グレードの完全焼鈍または球状化焼鈍を行って被削性を向上させます。

炭素鋼鍛造品と合金鋼鍛造品

炭素鋼鍛造品は、必要な機械的特性が熱処理された炭素グレードの達成可能な範囲内にあり、鍛造断面の焼入れ性要件を満たすことができる場合に選択されます。 約 50 ～ 75 mm を超える部分では、焼入性の制限が顕著になります — 大型の炭素鋼鍛造品のコアは、焼入れ中に完全なマルテンサイト硬度に達しない可能性があり、その結果、コアの靭性が表面よりも低くなります。合金鋼グレード (4140、4340、8620) は、深焼入性、高温強度、または耐食性の要件が炭素鋼が提供できるものを超える場合に指定されます。トレードオフはコストです。AISI 1045 の炭素鋼鍛造品は、同等の合金鋼鍛造品よりも材料コストが 15 ～ 35% 低くなります。