冷間鍛造作業、鋼の鍛造方法、鍛造溶接温度

鋼がどのように鍛造されるか: 主要なプロセスの説明

鋼の鍛造は、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、ビレットまたはプリフォームに圧縮力を加えて鋼を成形するプロセスです。溶融金属を型に流し込む鋳造とは異なり、鍛造では鋼を固体または半固体の状態で加工します。これは、結晶粒構造がリセットされるのではなく、変形して再配列されることを意味します。結果は次の部分です 優れた機械的強度、耐疲労性、構造的完全性 同じ合金の鋳造または機械加工された同等品と比較します。

3 つの主要な鍛造カテゴリは、鋼が加工される温度によって定義されます。

• 熱間鍛造 — 鋼は再結晶温度（炭素鋼の場合は通常 1,100 ～ 1,250°C）以上に加熱されるため、可塑性が高く、低いプレス力でも変形しやすくなります。
• 温間鍛造 — 650°C ～ 1,000°C の間で実行されます。酸化の減少と管理可能な成形力とのバランス。冷間鍛造工具の全額コストを必要とせず、厳しい公差を必要とする精密部品に一般的です。
• 冷間鍛造 — 室温または室温付近で実行されます。より高いプレス力が必要ですが、寸法精度が優れており、スケール除去のための熱処理は必要ありません。

熱間鍛造では、鋼表面のスケール形成が一貫した課題です。酸化スケールは研磨性があり、金型の寿命を縮め、各プレス ストロークの前に除去しないと部品表面に埋め込まれる可能性があります。ショット ブラスト、スケール除去ボックス、または厳密な雰囲気制御を伴う誘導加熱は、生産環境における標準的な対策です。

寒い 鍛造 オペレーション: プロセスの種類と産業用途

寒い forging encompasses several distinct forming operations, each suited to specific geometry and material requirements. The unifying characteristic is that deformation occurs at room temperature (or slightly above, but below the recrystallization point), relying on the steel's plastic deformation capacity rather than thermal softening.

最も広く使用されている冷間鍛造操作には次のものがあります。

• 寒い heading (upset forging) — ワイヤまたはロッドのブランクを軸方向に圧縮して断面積を増加させます。ファスナー製造の主要なプロセス: ボルト、ネジ、リベット、ピンは、最新のプログレッシブ ヘッダーで毎分 300 部品を超える速度で冷間圧造されます。
• 前方押し出し — パンチの移動方向に材料をダイを通して押し込み、断面を縮小し、部品を引き延ばします。段付きシャフト、ソリッドピン、チューブ状セクションに使用されます。
• 後方押し出し — 材料はパンチの移動とは逆に流れ、カップ、スリーブ、中空プロファイルを形成します。自動車部品や油圧継手で一般的。
• コイニング — 本質的に材料の流れがない、閉じたダイ間の高圧圧縮。非常に厳しい寸法公差と優れた表面仕上げを実現します。ギアの歯、ベアリングレース、精密インサートに使用されます。
• アイロンがけ — 管状ブランクをダイを通して引き抜くことによって肉厚を減らします。薬莢の製造や飲料缶の製造に不可欠です。

冷間鍛造作業における重要な考慮事項は次のとおりです。 加工硬化 。各変形パスにより鋼の降伏強度が増加し、残りの延性が減少します。多段階の冷間鍛造シーケンスでは、さらに成形する前に延性を回復するために中間焼鈍 (低炭素鋼の場合は通常 650 ～ 750 °C) が必要です。これがないと、ダイの半径または部品の断面で亀裂が発生する可能性が高くなります。

潤滑についても同様に交渉の余地はありません。リン酸亜鉛コーティングに続いて石鹸潤滑剤を塗布する方法 (Bonderite/Parco プロセス) は、鋼の冷間鍛造の業界標準です。これにより、潤滑剤キャリアを鋼の表面に機械的に結合する化成皮膜が形成され、最初の金型の入り口内で従来の油が剥がれてしまうような極度の界面圧力に耐えることができます。

鍛接温度: 要件、変数、および実際の限界

鍛造溶接は最も古い金属接合方法です。2 つの鋼片を塑性状態に近い状態まで加熱し、界面が原子レベルで結合するまで叩き合います。フィラー金属は必要なく、正しく行われた場合、母材と実質的に同じ粒子構造を持つ接合部が生成されます。起源は古いにもかかわらず、工具製造、刃物鍛冶、特定の産業用パイプやレールの用途で今でも積極的に使用されています。

の 低炭素鋼の鍛接温度は通常 1,260°C ～ 1,370°C の間にあります。 (2,300–2,500°F) — 鋼の表面が明るいほぼ白黄色の色を示し始め、表面にわずかな「発汗」または火花が見られる範囲。この火花は実際には鋼が発火点に近づいていることを示すものであるため、経験豊富な鍛冶屋はこれを目標ではなく天井として使用します。

いくつかの変数が必要な鍛接温度に大きく影響します。

• 炭素含有量 — 高炭素鋼 (0.6% C 以上) は、約 1,200 ～ 1,260°C という著しく低い温度で溶接します。また、高炭素鋼は燃焼が起こるまでの溶接範囲が狭いため、より迅速で正確な作業が必要となります。
• 元素の合金化 — クロム、マンガン、シリコンはすべて、スケールの形成と有効溶接範囲に影響を与えます。ステンレス鋼は、酸化クロム層が安定しているため、鍛造溶接が難しいことで知られています。
• 表面の清浄度 — 界面の酸化鉄スケールが結合を妨げます。フラックス（伝統的にホウ砂、場合によっては鉄やすりと混合したホウ砂）を塗布してスケールを溶解し、最終の熱浸漬中に表面がさらに酸化するのを防ぎます。
• 雰囲気を鍛えます — 炉または鍛冶火災内の還元性（酸素が枯渇した）雰囲気により、スケールの形成が最小限に抑えられ、使用可能な温度範囲が広がります。深い火の巣で管理される石炭と木炭の火は、これを自然に達成します。ガス鍛造品は、多くの場合、わずかに濃い混合物に向けて調整する必要があります。

レール部分のフラッシュバット溶接やパイプの抵抗鍛造溶接などの産業用途では、プロセスは温度センサーと自動プレスタイミングで正確に制御されます。これらの設定では、 溶接界面での接触圧力は通常 70 ～ 300 MPa の範囲です。 、異常が始まる前に熱損失と酸化を最小限に抑えるために、ピーク温度に達してから数ミリ秒以内に適用されます。

実際的な違いの 1 つは、鍛造溶接は鍛冶の意味でのハンマー溶接と同じではありませんが、この用語はしばしば同じ意味で使用されます。産業上の文脈では、鍛造溶接とは、手鍛造で使用される塑性変形範囲に達することなく、圧力と温度によって接合を実現する固体圧力溶接プロセス (摩擦溶接および拡散接合を含む) を指す場合があります。これらのプロセスの温度要件は大きく異なります。たとえば、鋼の拡散接合は通常、持続的な真空圧下で 900 ～ 1,100 °C で発生します。

鍛造方法の比較: 用途に応じた適切なプロセスの選択

No single forging method suits every part.冷間、温間、熱間、鍛造溶接構造のいずれを選択するかは、部品の形状、必要な機械的特性、生産量、および寸法公差の要件によって異なります。

寒い forging is the most economical at high volumes for small, rotationally symmetric parts with tight tolerances. The absence of heating eliminates energy cost and scale removal, and near-net-shape forming reduces downstream machining. However, press forces are high — a #10 bolt blank may require 150–400 kN of forming force — meaning tooling investment is substantial and die wear must be carefully managed.

熱間鍛造は、はるかに広範囲の部品サイズと形状をカバーします。クランクシャフト、コネクティングロッド、フランジ、航空宇宙用フレームなどの大型構造部品は、高温での流動応力が軽減されるため、複雑な形状を破損することなく実現できるため、通常は熱間鍛造されます。トレードオフは、スケールの形成、より厳格なプロセス制御要件、および最終的な機械的特性を達成するための鍛造後の熱処理です。

鍛造溶接は、材料を追加せずに固体状態で接合することが必要な場合に、ニッチではあるが重要な役割を果たします。その主な現代の関連性は、パターン溶接 (ダマスカス) 鋼の製造、レール接合、および高圧配管における特殊なチューブとチューブの接続にあります。一般的な製造では、主に溶融溶接に取って代わられていますが、アーク溶接の熱影響部が許容できない用途では、依然として溶融溶接が技術的に優れた選択肢です。