鍛造とは何ですか?オープンダイ、炭素鋼および鍛造品と鋳造品の説明

鍛造とは何ですか？

鍛造は、材料が熱い、温かい、または冷たいときに、ハンマーで叩いたり、プレスしたり、圧延したりして、圧縮力を加えて金属を成形する金属加工プロセスです。材料を除去して形状を形成する機械加工とは異なり、鍛造では金属の結晶粒構造を変位させて圧縮し、重量に比べて優れた機械的特性を備えた部品を製造します。

このプロセスは手動形式で数千年前に遡りますが、現代の工業用鍛造では、数十万トンの力を加えることができる油圧プレス、CNC 制御のハンマー、ミクロンレベルの精度で機械加工されたクローズドダイツールが使用されます。その結果、内部の粒子構造が部品の輪郭に沿ったコンポーネントができあがります。これを特徴と呼びます。 グレインフロー — 同じ合金の棒材や鋳物と比較して、耐疲労性、引張強度、衝撃靱性が大幅に向上します。

鍛造品は、クランクシャフト、コネクティングロッド、着陸装置コンポーネント、圧力容器フランジ、外科用インプラント、航空宇宙および防衛用途の構造ファスナーなど、故障が許されない場所で指定されています。決定的な利点は強さだけではなく、 予測可能な一貫した強度 — この品質は、機械加工された鋳物や溶接品では、高サイクル疲労環境では確実に適合することができません。

鍛造と鋳造: 直接の比較

鍛造と鋳造はどちらも主要な金属成形プロセスですが、根本的に異なる内部構造が生成されるため、異なる性能プロファイルが生成されます。どちらを選択するかには、機械的特性、幾何学的複雑さ、生産量、コストのトレードオフが関係します。

鋳造では、溶かした金属を型に流し込み、固めます。冷却すると、金属の結晶構造はランダムに形成され、多くの場合、多孔性、収縮ボイド、樹枝状偏析が発生します。これは、疲労寿命を短縮し、予測不可能な破損点を生み出す微細な不一致です。鋳物は、鍛造が不可能または法外に高価な複雑な内部形状 (中空の通路、アンダーカット、複雑な空洞) を作り出すのに優れています。

鍛造では凝固相が完全に排除されます。高温で固体金属を加工すると、気孔が閉じられ、粒子サイズが微細化され、粒子構造が応力に耐える部品の形状に合わせられます。結果として得られる微細構造は、 より緻密で均質、そして亀裂の伝播に対する耐性が大幅に向上 同等のキャストよりも。

実際的なルール: 部品が繰り返し荷重下で破損してはならない場合は、鍛造を指定します。中空の内部特徴や複雑な形状の非常に薄い壁が必要な場合、微細構造を評価するための適切な非破壊検査を伴う鋳造が唯一の実現可能なルートとなる可能性があります。

自由型鍛造 : プロセス、アプリケーション、および利点

自由鍛造またはスミス鍛造とも呼ばれる自由型鍛造は、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をもつ金型の間で実行されます。金属は段階的に成形されます。オペレーター (または自動システム) は、ハンマーによる打撃またはプレス ストロークの合間にビレットの位置を変更し、材料を徐々に望ましい形状に加工します。

ダイは常にワークピースの一部とのみ接触するため、材料は制約を受けることなく横方向に流れることができます。このため、自由鍛造は以下の場合に最適なプロセスとなります。

• 大きくて重いコンポーネント クローズド・ダイ・ツールは非現実的に高価になる場合、シャフト、ローラー、リング、ディスクは最大数万キログラムに達します。
• 少量部品およびカスタム部品 少量の稼働で金型の償却が発生すると、密閉型鍛造が不経済になる場合があります。
• インゴットの内訳 、鋳造インゴットをその後の密閉型鍛造または機械加工のために鍛造ビレットに変換する最初のステップ
• 難鍛合金 亀裂を避けるために複数の加熱で慎重に制御された変形が必要となる

自由型鍛造品は通常、寸法公差が緩いため、閉鎖型部品よりも多くの仕上げ加工が必要になります。一般的な公差範囲は、部品サイズに応じて ±3 mm 以上であるのに対し、精密な閉鎖型加工の場合は ±0.5 mm 以上です。ただし、微細構造の利点は同じです。結晶粒の微細化、気孔の閉鎖、方向性のある粒子の流れはすべて、オープン ダイ製品とクローズド ダイ製品に等しく適用されます。

リングローリングは、直径数センチメートルから数メートルの範囲の継ぎ目のないリングを製造するために使用される特殊な形式の自由鍛造です。穴を開けたビレットはマンドレルロールの上に配置され、リングの直径が大きくなるにつれて肉厚は徐々に薄くなります。リングの外周に沿って連続的な木目の流れがリングを形成します。 卓越したフープ強度 — ジェット エンジンのケーシング、ベアリング レース、圧力容器のフランジに使用される理由。

鍛造用炭素鋼の等級と選択と挙動

炭素鋼は最も広く鍛造されている材料クラスであり、鍛造性、機械的特性の範囲、コスト、熱処理に対する応答性の組み合わせで評価されています。炭素含有量は、鍛造挙動と最終部品の性能の両方を左右する主な変数です。

低炭素鋼 (0.05 ～ 0.25% C)

AISI 1010、1018、1020 などのグレードは延性が高く、広い温度範囲 (900 ～ 1,300°C) で容易に鍛造できます。鍛造温度ではスケールがほとんど発生せず、作業温度の変動を許容するため、プロセス制御のオーバーヘッドが少なく、大量のクローズド金型の生産に適しています。その限界は強度の上限です。低炭素鍛造品は高硬度に熱処理できず、表面耐摩耗性は加工硬化または肌硬化 (浸炭、窒化) に依存します。

中炭素鋼 (0.30 ～ 0.60% C)

AISI 1035、1045、1060 などのグレードは、構造鍛造の主力製品です。これらは焼入れ焼き戻し熱処理によく反応し、断面サイズと処理パラメータに応じて 700 MPa から 1,000 MPa 以上の引張強度を達成します。 AISI 1045 は、世界中で最も一般的に指定されている鍛造グレードの 1 つです — クランクシャフト、アクスル、ギア、コネクティングロッド、および汎用構造部品に使用されます。鍛造温度は通常 850 ～ 1,250 °C の範囲ですが、延性の低下による亀裂を避けるために仕上げ鍛造は 850 °C 以上で行われます。

高炭素鋼 (0.60 ～ 1.00% C)

AISI 1075 や 1095 などのグレードはより硬く、強力ですが、寛容性は大幅に劣ります。炭素含有量が高くなると、鍛造温度範囲が狭くなり、加工中に金属が不均一に冷却されると亀裂が発生しやすくなります。これらのグレードは、切削工具、ばね、レール部品、耐摩耗部品など、熱処理後の硬度が最も重要な場合に使用されます。熱処理前の焼き割れを防ぐために、より厳密な炉制御、オープンダイ作業中のより頻繁な再加熱、鍛造後のゆっくりとした制御された冷却が必要です。

炭素鋼が提供できる強度を超える強度が要求される用途では、合金鋼 (4140、4340、8620) にクロム、モリブデン、ニッケルを添加して焼入れ性を向上させます。これは、表面だけでなく、大きな鍛造品の断面全体を通して高硬度を達成する能力です。