JPWO2018143113A1 - 非磁性高強度ステンレス鋼加工品およびその製造方法並びにその製造装置 - Google Patents
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Abstract
オーステナイト系ステンレス鋼材（ＳＵＳ３０４）の加工誘起マルテンサイト変態を防ぎ、耐食性、機械的性質に優れた高硬度非磁性小物精密部品を生産性よく提供するとともに、高強度な二相組織（オーステナイト・フェライト）ステンレス鋼材（ＳＵＳ３２９ＪＩ）の加工装置、加工方法を提案することである。複数の温度制御された金型からなる鍛造機構部を備える自動連続鍛造装置であって、前記温度制御された金型からなる鍛造機構部において、被加工金属素材の塑性変形温度が１７０℃以上４００℃以下であって、かつ温度変動が３０℃以下に維持されていることを特徴とする自動連続鍛造装置及び当該装置を用いた非磁性高強度ステンレス鋼加工品並びにその製造方法である。温度制御された金型からなる鍛造機構部の間に温度制御された保温機構部を備えることもできる。【選択図】図１
Description
本願発明は、非磁性高強度ステンレス鋼からなる鍛造加工品の連続鍛造製造装置及び当該製造装置を用いた非磁性高強度ステンレス鋼の鍛造加工品並びに非磁性高強度ステンレス鋼鍛造加工品の温間鍛造製造方法に関する。特に、オーステナイト系ステンレス鋼、二相組織（オーステナイト・フェライト）を持つステンレス鋼の鍛造加工品に関する。
コンピュータ制御により自動走行が可能となる次世代自動車に搭載される電子部品挿入装置に使用されるスクレーパーや再生医療等で注目される細胞・臓器の長期保存に必要なインキューベション用冷蔵機器の圧力センサのハウジングなどの小物精密物品には、耐食性、高い硬度と強度を保つ優れた機械的性質、高い寸法精度が要求される。また、このような用途の小物精密部品では、材料が帯びる磁性が装置の重大な故障の誘発原因となるため非磁性であることが要求される。すなわち、高硬度非磁性小物精密部品が要求されている。
従来、高硬度非磁性小物精密部品は、切削加工、熱間鍛造、冷間鍛造により成形した後に熱処理により強度を付与することが行われていたが、近年では、温間鍛造が広く採用されている。これは、冷間鍛造よりも温度を高くすることで被加工材の変形抵抗を低くすることで高強度材料の鍛造が容易になり、熱間鍛造より温度を低くすることにより鍛造品の寸法精度を高くでき、かつ機械的性質も向上するからである。さらには、冷間鍛造では困難な高強度材料のトランスファー鍛造が可能となり生産性が向上するからである。
オーステナイト系ステンレス鋼材（ＳＵＳ３０４）は、耐食性、機械的性質に優れ、安価であることから小物精密部品に広く利用されている。しかしながら、オーステナイト系ステンレス鋼材は、鍛造加工での急速な冷却により準安定なオーステナイト組織構造のマルテンサイト組織構造への変態、いわゆる加工誘起マルテンサイト変態が起こる。マルテンサイト組織構造は、硬くて脆い組織構造であるとともに、磁性を帯びるため高硬度非磁性小物精密部品の鍛造加工に適用するには問題がある。
かかる課題を解決するため、非磁性γステンレス鋼を用いた高硬度非磁性小物精密部品の鍛造加工法が開示されている（特許文献１）。また、室温から３５０℃で加工する冷温間鍛造部品の加工法が開示されている（特許文献２）。
温間鍛造加工装置の温度管理（特許文献３）、金型温度管理（特許文献４）についても開示されている。
かかる課題を解決するため、非磁性γステンレス鋼を用いた高硬度非磁性小物精密部品の鍛造加工法が開示されている（特許文献１）。また、室温から３５０℃で加工する冷温間鍛造部品の加工法が開示されている（特許文献２）。
温間鍛造加工装置の温度管理（特許文献３）、金型温度管理（特許文献４）についても開示されている。
一方、二相組織（オーステナイト・フェライト）ステンレス鋼材（ＳＵＳ３２９ＪＩ）は、耐食性に優れた素材であるが、高硬度かつ高強度であるため、冷間絞り加工では形状精度が劣り、冷間鍛造加工では金型強度が不足するため加工精度に劣り、切削加工による仕上げを必要としている。このため、加工生産性が低く、高コストとなるという問題がある。
本願発明は、オーステナイト系ステンレス鋼材（ＳＵＳ３０４）の加工誘起マルテンサイト変態を防ぎ、耐食性、機械的性質に優れた高硬度非磁性小物精密部品を生産性よく提供するとともに、高強度な二相組織（オーステナイト・フェライト）ステンレス鋼材（ＳＵＳ３２９ＪＩ）の加工装置、加工方法を提案することである。
本願発明の課題は、以下の態様（１）乃至（７）により解決できる。具体的には、
（態様１） 複数の温度制御された金型からなる鍛造機構部を備える自動連続鍛造装置であって、前記温度制御された金型からなる鍛造機構部において、被加工金属素材の塑性変形温度が１７０℃以上４００℃以下であって、かつ温度変動が３０℃以下に維持されていることを特徴とする自動連続鍛造装置である。
被加工金属素材の塑性変形温度が１７０℃以上４００℃以下であって、かつ温度変動が３０℃以下に維持することにより、本願発明の課題であるオーステナイト系ステンレス鋼材（ＳＵＳ３０４）の加工誘起マルテンサイト変態を防ぎ、耐食性、機械的性質に優れた高硬度非磁性小物精密部品を生産性よく提供するとともに、高強度な二相組織（オーステナイト・フェライト）ステンレス鋼材（ＳＵＳ３２９ＪＩ）の鍛造加工が可能となるからである。
被加工金属素材の塑性変形温度が１７０℃以上４００℃以下であって、かつ温度変動が３０℃以下に維持することにより、本願発明の課題であるオーステナイト系ステンレス鋼材（ＳＵＳ３０４）の加工誘起マルテンサイト変態を防ぎ、耐食性、機械的性質に優れた高硬度非磁性小物精密部品を生産性よく提供するとともに、高強度な二相組織（オーステナイト・フェライト）ステンレス鋼材（ＳＵＳ３２９ＪＩ）の鍛造加工が可能となるからである。
（態様２） 前記温度制御された金型からなる鍛造機構部の間に温度制御された保温機構部を備えることを特徴とする前記（態様１）に記載した自動連続鍛造装置である。塑性変形温度が１７０℃以上４００℃以下であって、かつ温度変動が３０℃以下に維持するには、温度制御された保温機構部を備えることが、鍛造工程を長くする場合には有効だからである。
（態様３） 温度制御された金型からなる鍛造機構部における被加工金属素材の塑性変形温度が１７０℃以上４００℃以下であって、かつ温度変動が３０℃以下に維持された自動連続鍛造装置により作製されたオーステナイト系ステンレス鋼加工品であって、圧下率５％〜９０％に鍛造加工された前記オーステナイト系ステンレス鋼加工品の比透磁率が１．０１以下であることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼加工品である。
（態様４） 温度制御された金型からなる鍛造機構部における被加工金属素材の塑性変形温度が１７０℃以上４００℃以下であって、かつ温度変動が３０℃以下に維持された自動連続鍛造装置により作製されたオーステナイト系ステンレス鋼加工品であって、圧下率５％〜９０％に鍛造加工された前記オーステナイト系ステンレス鋼加工品において、圧下率５％〜９０％のいずれにおいても表面ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）が内部ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）より高く、前記表面ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）が３２０以上５００以下、内部ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）が２６０以上４６０以下であることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼加工品である。
（態様５） 温度制御された金型からなる鍛造機構部における被加工金属素材の塑性変形温度が１７０℃以上４００℃以下であって、かつ温度変動が３０℃以下に維持された自動連続鍛造装置により作製されたオーステナイト系ステンレス鋼加工品であって、圧下率５％〜６０％における表面加工誘起マルテンサイト相の分率が１０％以上３０％以下であることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼加工品である。
（態様６） 温度制御された金型からなる鍛造機構部における被加工金属素材の塑性変形温度が１７０℃以上４００℃以下であって、かつ温度変動が３０℃以下を維持されていることを特徴とする金属素材の温間鍛造方法である。
（態様７） 前記被加工金属素材がオーステナイト系ステンレス鋼またはオーステナイトとフェライトの二相組織構造からなるステンレス鋼であることを特徴とする前記（態様６）に記載した金属素材の温間鍛造方法である。
本願発明によれば、オーステナイト系ステンレス鋼材（ＳＵＳ３０４）の加工誘起マルテンサイト変態を防ぎ、耐食性、機械的性質に優れた高硬度非磁性小物精密部品を生産性よく提供でき、また、高強度な二相組織（オーステナイト・フェライト）ステンレス鋼材（ＳＵＳ３２９ＪＩ）の加工装置、加工方法を提供できる。
（１）自動連続鍛造装置
本願発明は金属素材の塑性変形温度が１７０℃以上４００℃以下に維持されていることを特徴とする自動連続鍛造装置である。
図１は、本願発明の自動連続鍛造装置と自動連続鍛造装置における被加工金属素材の流れを示す模式図である。本願発明の自動連続鍛造装置（１）は、被加工金属素材（３）を加熱炉（４ａ）で加熱した後、温度制御された金型からなる鍛造機構部（２ａ，２ｂ，２ｃ）と、前記温度制御された金型からなる鍛造機構部の間に設けられた温度制御された保温機構部（６ａ，６ｂ）とを同一鍛造装置内に備える自動連続鍛造装置である。複数の鍛造機構部（２ａ，２ｂ，２ｃ）が同一鍛造装置内に備わることにより被加工金属素材（３）の加工を一貫して行うことができるため生産性が高く、鍛造加工品（３）を安価に製造できる。
温度制御された保温機構部（６ａ，６ｂ）は、温度制御された金型からなる鍛造機構部（２ａ，２ｂ，２ｃ）の間に設けられ、金属素材の搬送手段（５）によって被加工金属素材（３）が搬送される過程において、被加工金属素材（３）の温度を所定範囲内（１７０℃〜４００℃）に保温維持する役割を担う。被加工金属素材（３）の温度を所定範囲内（１７０℃〜４００℃）に維持制御することは極めて難しいので温度制御された保温機構部（６ａ，６ｂ）は、重要な役割を担うものである。ただし、被加工金属素材（３）の鍛造加工を短時間で行う場合、例えば、平つぶし温間鍛造加工などでは、塑性変形温度を所定範囲内（１７０℃〜４００℃）に保温維持できれば、温度制御された保温機構部（６ａ，６ｂ）を適宜省略することができる。
金属素材の搬送手段（５）は、被加工金属素材（３）を加熱炉（４ａ）、鍛造機構部（２ａ）、保温機構部（６ａ）、鍛造機構部（２ｂ）、再加熱炉（４ｂ）、保温機構部（６ｂ）、鍛造機構部（２ｃ）の順に搬送する搬送装置であり、ロボットアームが用いられている。
本願発明は金属素材の塑性変形温度が１７０℃以上４００℃以下に維持されていることを特徴とする自動連続鍛造装置である。
図１は、本願発明の自動連続鍛造装置と自動連続鍛造装置における被加工金属素材の流れを示す模式図である。本願発明の自動連続鍛造装置（１）は、被加工金属素材（３）を加熱炉（４ａ）で加熱した後、温度制御された金型からなる鍛造機構部（２ａ，２ｂ，２ｃ）と、前記温度制御された金型からなる鍛造機構部の間に設けられた温度制御された保温機構部（６ａ，６ｂ）とを同一鍛造装置内に備える自動連続鍛造装置である。複数の鍛造機構部（２ａ，２ｂ，２ｃ）が同一鍛造装置内に備わることにより被加工金属素材（３）の加工を一貫して行うことができるため生産性が高く、鍛造加工品（３）を安価に製造できる。
温度制御された保温機構部（６ａ，６ｂ）は、温度制御された金型からなる鍛造機構部（２ａ，２ｂ，２ｃ）の間に設けられ、金属素材の搬送手段（５）によって被加工金属素材（３）が搬送される過程において、被加工金属素材（３）の温度を所定範囲内（１７０℃〜４００℃）に保温維持する役割を担う。被加工金属素材（３）の温度を所定範囲内（１７０℃〜４００℃）に維持制御することは極めて難しいので温度制御された保温機構部（６ａ，６ｂ）は、重要な役割を担うものである。ただし、被加工金属素材（３）の鍛造加工を短時間で行う場合、例えば、平つぶし温間鍛造加工などでは、塑性変形温度を所定範囲内（１７０℃〜４００℃）に保温維持できれば、温度制御された保温機構部（６ａ，６ｂ）を適宜省略することができる。
金属素材の搬送手段（５）は、被加工金属素材（３）を加熱炉（４ａ）、鍛造機構部（２ａ）、保温機構部（６ａ）、鍛造機構部（２ｂ）、再加熱炉（４ｂ）、保温機構部（６ｂ）、鍛造機構部（２ｃ）の順に搬送する搬送装置であり、ロボットアームが用いられている。
（２）温度管理システム
図２は、本願発明の自動連続鍛造装置の温度管理システムを示す模式図である。加熱炉（４ａ，４ｂ）、鍛造機構部（２ａ，２ｂ，２ｃ）、保温機構部（６ａ，６ｂ）は、温度計測を行うことで所定の温度に維持されている。温度計測は、高速で測定でき、かつ非接触で測定可能な放射温度計を用いて行う。具体的には、加熱炉（４ａ，４ｂ）は、３００℃〜５００℃、鍛造機構部（２ａ，２ｂ，２ｃ）は、１７０℃〜４００℃、保温機構部（６ａ，６ｂ）は、２００℃〜４００℃である。特に、鍛造機構部（２ａ，２ｂ，２ｃ）の金型温度は、プレス加工毎に温度測定値をリアルタイムに取り込み、温度制御プログラムで処理され、金型温度制御処置により温度制御される。温度制御プログラムは、事前に温度分布シミュレーションを実施して、図４に示す保温金型の加熱温度と被加工金属素材（３）の温度差を求めた結果が入力されている。これにより被加工金属素材（３）の鍛造機構部（２ａ，２ｂ，２ｃ）における塑性変形温度が１７０℃以上４００℃以下に維持される。
図２は、本願発明の自動連続鍛造装置の温度管理システムを示す模式図である。加熱炉（４ａ，４ｂ）、鍛造機構部（２ａ，２ｂ，２ｃ）、保温機構部（６ａ，６ｂ）は、温度計測を行うことで所定の温度に維持されている。温度計測は、高速で測定でき、かつ非接触で測定可能な放射温度計を用いて行う。具体的には、加熱炉（４ａ，４ｂ）は、３００℃〜５００℃、鍛造機構部（２ａ，２ｂ，２ｃ）は、１７０℃〜４００℃、保温機構部（６ａ，６ｂ）は、２００℃〜４００℃である。特に、鍛造機構部（２ａ，２ｂ，２ｃ）の金型温度は、プレス加工毎に温度測定値をリアルタイムに取り込み、温度制御プログラムで処理され、金型温度制御処置により温度制御される。温度制御プログラムは、事前に温度分布シミュレーションを実施して、図４に示す保温金型の加熱温度と被加工金属素材（３）の温度差を求めた結果が入力されている。これにより被加工金属素材（３）の鍛造機構部（２ａ，２ｂ，２ｃ）における塑性変形温度が１７０℃以上４００℃以下に維持される。
（３）温度制御された金型からなる鍛造機構部
図３は、本願発明の自動連続鍛造装置の鍛造機構部を示す模式図である。本願発明の鍛造機構部は上面金型と底面金型で構成され、上面金型（パンチ部）と底面金型（ダイス部）には、加熱ヒータ（７）が側面に配置され、上面または底面には断熱プレート（９）が配置されている。また断熱プレートには水冷パイプ（図示せず）が付設され装置の過熱を防いでいる。また、上面金型（パンチ部）と底面金型（ダイス部）には温度センサ（８）が接続されて金型温度（以下、「金型保持温度」という。）がリアルタイムに測定される。
図４は、金型側面に配置した加熱ヒータ（７）を例示したものである。加熱ヒータ（７）、いわゆるカートリッジ式加熱ヒータを金型の周囲に複数本（図４では、８本）均等に配置する。
図３は、本願発明の自動連続鍛造装置の鍛造機構部を示す模式図である。本願発明の鍛造機構部は上面金型と底面金型で構成され、上面金型（パンチ部）と底面金型（ダイス部）には、加熱ヒータ（７）が側面に配置され、上面または底面には断熱プレート（９）が配置されている。また断熱プレートには水冷パイプ（図示せず）が付設され装置の過熱を防いでいる。また、上面金型（パンチ部）と底面金型（ダイス部）には温度センサ（８）が接続されて金型温度（以下、「金型保持温度」という。）がリアルタイムに測定される。
図４は、金型側面に配置した加熱ヒータ（７）を例示したものである。加熱ヒータ（７）、いわゆるカートリッジ式加熱ヒータを金型の周囲に複数本（図４では、８本）均等に配置する。
（４）温度制御された保温機構部
図５は、本願発明の自動連続鍛造装置の保温機構部を示す模式図である。本願発明の保温機構部は、被加工金属素材（３）を保持して保温する保温プレート（１２）と保温プレートを加熱する保温プレート加熱用プレートヒータ（１３）と保温プレート（１２）と保温プレート加熱用プレートヒータ（１３）を保持する固定板（１５）からなる底部と、放熱用遠赤外線セラミックヒータ（１１）とこれを保持する固定板（１０）からなる上部から構成されている。保温プレート（１２）には、温度測定用温度センサ（１４）が接続されて保温プレート（１２）の温度がリアルタイムに測定される。上部に設けられた放熱用遠赤外線セラミックヒータ（１１）により被加工金属素材（３）の温度は安定に制御することができる。
図５は、本願発明の自動連続鍛造装置の保温機構部を示す模式図である。本願発明の保温機構部は、被加工金属素材（３）を保持して保温する保温プレート（１２）と保温プレートを加熱する保温プレート加熱用プレートヒータ（１３）と保温プレート（１２）と保温プレート加熱用プレートヒータ（１３）を保持する固定板（１５）からなる底部と、放熱用遠赤外線セラミックヒータ（１１）とこれを保持する固定板（１０）からなる上部から構成されている。保温プレート（１２）には、温度測定用温度センサ（１４）が接続されて保温プレート（１２）の温度がリアルタイムに測定される。上部に設けられた放熱用遠赤外線セラミックヒータ（１１）により被加工金属素材（３）の温度は安定に制御することができる。
（５）温度制御された温間鍛造加工
図６は、本願発明の自動連続鍛造装置における被加工金属素材（ＳＵＳ３０４）の加工温度（実施例２として後述する。）を、保温機構部を備えない自動連続鍛造装置における加工温度（比較例２として後述する。）を対比したグラフである。
保温機構部を搬送工程に備える本願発明（高度に温度管理された温間鍛造プロセス）では、被加工金属素材（ＳＵＳ３０４）の加工温度の変動が３０℃以下、搬送工程における温度低下を３０℃以内に留めることができる。これにより、鍛造加工品の寸法精度が向上する。
また、鍛造１〜３のプレス加工において、被加工金属素材（ＳＵＳ３０４）の加工温度を１７０℃〜２３０℃の範囲に留めることができる。これにより、加工誘起マルテンサイトの発生温度（１００℃）を超える温度に維持でき、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）加工品の非磁性を維持できる。一方、搬送工程に保温機構部を備えない自動連続鍛造装置では、被加工金属素材（ＳＵＳ３０４）の加工温度は工程が進むごとに低下した。これにより、鍛造３では、加工誘起マルテンサイトの発生温度（１００℃）を超える温度を下まわり、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）加工品に磁性を生じる可能性がある。
図６は、本願発明の自動連続鍛造装置における被加工金属素材（ＳＵＳ３０４）の加工温度（実施例２として後述する。）を、保温機構部を備えない自動連続鍛造装置における加工温度（比較例２として後述する。）を対比したグラフである。
保温機構部を搬送工程に備える本願発明（高度に温度管理された温間鍛造プロセス）では、被加工金属素材（ＳＵＳ３０４）の加工温度の変動が３０℃以下、搬送工程における温度低下を３０℃以内に留めることができる。これにより、鍛造加工品の寸法精度が向上する。
また、鍛造１〜３のプレス加工において、被加工金属素材（ＳＵＳ３０４）の加工温度を１７０℃〜２３０℃の範囲に留めることができる。これにより、加工誘起マルテンサイトの発生温度（１００℃）を超える温度に維持でき、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）加工品の非磁性を維持できる。一方、搬送工程に保温機構部を備えない自動連続鍛造装置では、被加工金属素材（ＳＵＳ３０４）の加工温度は工程が進むごとに低下した。これにより、鍛造３では、加工誘起マルテンサイトの発生温度（１００℃）を超える温度を下まわり、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）加工品に磁性を生じる可能性がある。
本願発明の効果を奏する実施態様を実施例として示し、対比した実施態様を比較例として示す。
＜実施例１・比較例１＞
（１）平つぶし温間鍛造加工
加工金属素材としてオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の丸棒材（φ１２．６ｍｍ，ｔ５．８ｍｍ）を加熱炉で４５０℃に加熱した後、金型保持温度２５０℃として、圧下率５％〜６０％の平つぶし温間鍛造加工を行った。
一方、加工金属素材としてオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の丸棒材（φ１２．６ｍｍ，ｔ５．８ｍｍ）の加熱を行わず、金型保持温度２５℃（常温）として、圧下率５％〜３０％の平つぶし冷間鍛造加工を行った。
ここで、圧下率とは素材を初期厚さから所定の厚みに潰した割合をいう。例えば、初期厚み１０ｍｍから厚み７ｍｍへ潰したときは、圧下率は、（１０−７）／１０＝３０％となる。
平つぶし温間鍛造加工品（実施例１）と平つぶし冷間鍛造加工品（比較例１）について、表面及び内部のビッカース硬さ（ＨＶ０．２）、比透磁率（μｓ）、加工誘起マルテンサイト分率（％）の評価を行った。なお、表面ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）は、表面より０．０５ｍｍの位置で測定し、内部ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）は、板厚中心の位置で測定した。また、内部評価サンプルは、電解研磨装置（ビューラーＩＴＷジャパン製 エレクトロメット４ ７０−１８３０）を用いて作製した。結果のまとめを表１に示す。
＜実施例１・比較例１＞
（１）平つぶし温間鍛造加工
加工金属素材としてオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の丸棒材（φ１２．６ｍｍ，ｔ５．８ｍｍ）を加熱炉で４５０℃に加熱した後、金型保持温度２５０℃として、圧下率５％〜６０％の平つぶし温間鍛造加工を行った。
一方、加工金属素材としてオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の丸棒材（φ１２．６ｍｍ，ｔ５．８ｍｍ）の加熱を行わず、金型保持温度２５℃（常温）として、圧下率５％〜３０％の平つぶし冷間鍛造加工を行った。
ここで、圧下率とは素材を初期厚さから所定の厚みに潰した割合をいう。例えば、初期厚み１０ｍｍから厚み７ｍｍへ潰したときは、圧下率は、（１０−７）／１０＝３０％となる。
平つぶし温間鍛造加工品（実施例１）と平つぶし冷間鍛造加工品（比較例１）について、表面及び内部のビッカース硬さ（ＨＶ０．２）、比透磁率（μｓ）、加工誘起マルテンサイト分率（％）の評価を行った。なお、表面ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）は、表面より０．０５ｍｍの位置で測定し、内部ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）は、板厚中心の位置で測定した。また、内部評価サンプルは、電解研磨装置（ビューラーＩＴＷジャパン製 エレクトロメット４ ７０−１８３０）を用いて作製した。結果のまとめを表１に示す。
（２）ビッカース硬さ評価
ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）は、マイクロビッカース硬さ試験機（ミツトヨ製 ＨＭ２２０Ｄ）により測定した。平つぶし温間鍛造加工品（実施例１）と平つぶし冷間鍛造加工品（比較例１）について、圧下率（％）とビッカース硬さ（ＨＶ０．２）の関係を図７に示す。
温間鍛造加工品（実施例１）は、圧下率の増加に伴うビッカース硬さ（ＨＶ０．２）の変化は、０％〜５％（表面：２４０→３４１，内部２４０→２６２）では急増するが、圧下率５％〜６０％（表面：３４１→３９０，内部２６２→３４６）と漸増であり、ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）の圧下率依存性は低く、ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）は安定している。これにより、表面硬度のみを必要とする高硬度非磁性小物精密部品を製作することができる。一方、冷間鍛造加工品（比較例１）では、圧下率５％〜３０％の範囲においても、０％〜５％（表面：２４０→２９２，内部２４０→２６６）、圧下率５％〜３０％（表面：２９２→４１４，内部２６６→３６５）と変化の傾向は同じく、急増している。ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）の圧下率依存性は高い。
ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）は、マイクロビッカース硬さ試験機（ミツトヨ製 ＨＭ２２０Ｄ）により測定した。平つぶし温間鍛造加工品（実施例１）と平つぶし冷間鍛造加工品（比較例１）について、圧下率（％）とビッカース硬さ（ＨＶ０．２）の関係を図７に示す。
温間鍛造加工品（実施例１）は、圧下率の増加に伴うビッカース硬さ（ＨＶ０．２）の変化は、０％〜５％（表面：２４０→３４１，内部２４０→２６２）では急増するが、圧下率５％〜６０％（表面：３４１→３９０，内部２６２→３４６）と漸増であり、ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）の圧下率依存性は低く、ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）は安定している。これにより、表面硬度のみを必要とする高硬度非磁性小物精密部品を製作することができる。一方、冷間鍛造加工品（比較例１）では、圧下率５％〜３０％の範囲においても、０％〜５％（表面：２４０→２９２，内部２４０→２６６）、圧下率５％〜３０％（表面：２９２→４１４，内部２６６→３６５）と変化の傾向は同じく、急増している。ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）の圧下率依存性は高い。
（３）比透磁率評価
透磁率とは、磁場の強さ（Ｈ） と磁束密度（Ｂ）との間の関係をＢ＝μＨで表した時の比例定数（μ）である。また、真空の透磁率（μ０）との比（μ／μ０）を比透磁率（μｓ）といい、均質で等方的な媒質の比透磁率（μｓ）は、光学波長域では１である。オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）では１．００３〜１．００７であり、非磁性ステンレス鋼である。
比透磁率（μｓ）は、磁気特性評価装置（電子磁気工業製 透磁率計ＬＰ−１４１Ａ）により測定した。平つぶし温間鍛造加工品（実施例１）と平つぶし冷間鍛造加工品（比較例１）について、圧下率（％）と比透磁率（μｓ）の関係を図８に示す。
温間鍛造加工品（実施例１）は、圧下率５％〜６０％において、比透磁率（μｓ）は、いずれも１．００４〜１．００７と安定しており、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）本来の特性を維持している。このことは、本願発明の温間鍛造加工では圧下率を高くした鍛造加工ができる。一方、冷間鍛造加工品（比較例１）では、圧下率５％〜３０％においても、比透磁率（μｓ）は、１．００８〜１．２４２と増加しており、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）本来の特性は失われている。
透磁率とは、磁場の強さ（Ｈ） と磁束密度（Ｂ）との間の関係をＢ＝μＨで表した時の比例定数（μ）である。また、真空の透磁率（μ０）との比（μ／μ０）を比透磁率（μｓ）といい、均質で等方的な媒質の比透磁率（μｓ）は、光学波長域では１である。オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）では１．００３〜１．００７であり、非磁性ステンレス鋼である。
比透磁率（μｓ）は、磁気特性評価装置（電子磁気工業製 透磁率計ＬＰ−１４１Ａ）により測定した。平つぶし温間鍛造加工品（実施例１）と平つぶし冷間鍛造加工品（比較例１）について、圧下率（％）と比透磁率（μｓ）の関係を図８に示す。
温間鍛造加工品（実施例１）は、圧下率５％〜６０％において、比透磁率（μｓ）は、いずれも１．００４〜１．００７と安定しており、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）本来の特性を維持している。このことは、本願発明の温間鍛造加工では圧下率を高くした鍛造加工ができる。一方、冷間鍛造加工品（比較例１）では、圧下率５％〜３０％においても、比透磁率（μｓ）は、１．００８〜１．２４２と増加しており、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）本来の特性は失われている。
（４）加工誘起マルテンサイト相分率評価
加工誘起マルテンサイト相分率（Ｖα’）は、Ｘ線回折装置（リガク ＵｌｔｉｍａＩＶ）によるＸ線回折から得られる回折線（γ２２０，γ３１１，α’２１１）の積分強度（Ｉ）から、以下の式（Ｍｉｌｌｅｒ式）より求めた。すなわち、
オーステナイト相の積分強度の平均値 （Ｉγ）＝Ｉ（２２０）＋Ｉ（３１１）
式（１）
加工誘起マルテンサイト相の積分強度の平均値 （Ｉα’）＝Ｉα’（211） 式（２）
オーステナイト相分率 （Ｖγ）＝１．４*（Ｉγ）／（（Ｉα’）＋１．４*（Ｉ γ）） 式（３）
加工誘起マルテンサイト相分率 （Ｖα’）＝１００−（Ｖγ） 式（４）
また、Ｘ線回折条件は、以下の通りである。
〔Ｘ線回折条件〕
管球 Ｃｕ−Ｋα
検出器 半導体１次元検出器
走査速度 １０°／ｍｉｎ
走査角（２θ） ７０〜９０°
加工誘起マルテンサイト相分率（Ｖα’）は、Ｘ線回折装置（リガク ＵｌｔｉｍａＩＶ）によるＸ線回折から得られる回折線（γ２２０，γ３１１，α’２１１）の積分強度（Ｉ）から、以下の式（Ｍｉｌｌｅｒ式）より求めた。すなわち、
オーステナイト相の積分強度の平均値 （Ｉγ）＝Ｉ（２２０）＋Ｉ（３１１）
式（１）
加工誘起マルテンサイト相の積分強度の平均値 （Ｉα’）＝Ｉα’（211） 式（２）
オーステナイト相分率 （Ｖγ）＝１．４*（Ｉγ）／（（Ｉα’）＋１．４*（Ｉ γ）） 式（３）
加工誘起マルテンサイト相分率 （Ｖα’）＝１００−（Ｖγ） 式（４）
また、Ｘ線回折条件は、以下の通りである。
〔Ｘ線回折条件〕
管球 Ｃｕ−Ｋα
検出器 半導体１次元検出器
走査速度 １０°／ｍｉｎ
走査角（２θ） ７０〜９０°
（５）まとめ
平つぶし温間鍛造加工品（実施例１）と平つぶし冷間鍛造加工品（比較例１）について、圧下率（％）と加工誘起マルテンサイト相分率（Ｖα’）の関係を図９に示す。
温間鍛造加工品（実施例１）の加工誘起マルテンサイト相分率（Ｖα’）は、圧下率５％〜６０％において、（表面：１６〜２８，内部２〜６）であり、表面に加工誘起マルテンサイト相が多く発生している。加工誘起マルテンサイト相分率（Ｖα’）とビッカース硬さ（ＨＶ０２）との相関が高い（図１０）ことから、温間鍛造加工品（実施例１）で表面硬度、ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）が高いのは、温間鍛造加工品（実施例１）で表面の加工誘起マルテンサイト相分率（Ｖα’）の高さに起因するものと考えられる。一方、冷間鍛造加工品（比較例１）では、圧下率５％〜３０％において、加工誘起マルテンサイト相分率（Ｖα’）は、（表面：２１〜４４，内部８〜１７）と圧下率に伴い増加する傾向にあり、表面、内部とも温間鍛造加工品（実施例１）に比べて高い。
平つぶし温間鍛造加工品（実施例１）と平つぶし冷間鍛造加工品（比較例１）について、圧下率（％）と加工誘起マルテンサイト相分率（Ｖα’）の関係を図９に示す。
温間鍛造加工品（実施例１）の加工誘起マルテンサイト相分率（Ｖα’）は、圧下率５％〜６０％において、（表面：１６〜２８，内部２〜６）であり、表面に加工誘起マルテンサイト相が多く発生している。加工誘起マルテンサイト相分率（Ｖα’）とビッカース硬さ（ＨＶ０２）との相関が高い（図１０）ことから、温間鍛造加工品（実施例１）で表面硬度、ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）が高いのは、温間鍛造加工品（実施例１）で表面の加工誘起マルテンサイト相分率（Ｖα’）の高さに起因するものと考えられる。一方、冷間鍛造加工品（比較例１）では、圧下率５％〜３０％において、加工誘起マルテンサイト相分率（Ｖα’）は、（表面：２１〜４４，内部８〜１７）と圧下率に伴い増加する傾向にあり、表面、内部とも温間鍛造加工品（実施例１）に比べて高い。
＜実施例２・比較例２＞
（１）電子部品用スクレーパー
図１１に示すように、電子部品用スクレーパー（２１）は、ガイドテープ（２２）に貼りつけられた電子部品（２４）の保護フィルム（２３）を剥すための小物精密部品である。保護フィルム（２３）を剥離された電子部品（２４）は、次工程で基盤に吸着して挿入される。電子部品用スクレーパー（２１）は電子部品（２４）に直接触れるものであり、電子部品（２４）の材質はセラミックスであることから摩耗が激しい。
オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）は、ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）が１６０と低いため、圧延により高硬度としたバネ用ステンレス鋼（ＳＵＳ３０１等）を切削加工して使用されている。しかしながら、切削加工では、加工精度が低く、電子部品との接触面で要求される平面性（平面度：０．０２以下）を満足していない。また、高硬度ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４ＣＳＰ）は磁性を帯びており、セラミックス製電子部品の性質上問題がある。
このため、安価なオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）製で、ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）が３２０以上、非磁性、平面度０．０２以下の電子部品用スクレーパー（２１）、いわゆる高硬度非磁性小物精密部品を本願発明の温間鍛造加工で作製した。
（１）電子部品用スクレーパー
図１１に示すように、電子部品用スクレーパー（２１）は、ガイドテープ（２２）に貼りつけられた電子部品（２４）の保護フィルム（２３）を剥すための小物精密部品である。保護フィルム（２３）を剥離された電子部品（２４）は、次工程で基盤に吸着して挿入される。電子部品用スクレーパー（２１）は電子部品（２４）に直接触れるものであり、電子部品（２４）の材質はセラミックスであることから摩耗が激しい。
オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）は、ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）が１６０と低いため、圧延により高硬度としたバネ用ステンレス鋼（ＳＵＳ３０１等）を切削加工して使用されている。しかしながら、切削加工では、加工精度が低く、電子部品との接触面で要求される平面性（平面度：０．０２以下）を満足していない。また、高硬度ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４ＣＳＰ）は磁性を帯びており、セラミックス製電子部品の性質上問題がある。
このため、安価なオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）製で、ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）が３２０以上、非磁性、平面度０．０２以下の電子部品用スクレーパー（２１）、いわゆる高硬度非磁性小物精密部品を本願発明の温間鍛造加工で作製した。
（２）電子部品用スクレーパーの加工
電子部品用スクレーパーの加工品の全体模式図と先端部の平面写真と断面模式図を図１２に示す。
加工金属素材としてオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の平板（４２ｍｍ×７３ｍｍ×ｔ１ｍｍ）を加熱炉で４００℃に加熱した後、金型保持温度２８０℃として、先端部（Ａ）を圧下率９０％、傾斜部（Ｂ）の圧下率５０％とする本願発明の温度制御された連続温間鍛造加工を行った（実施例２）。
一方、加工金属素材としてオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の平板（４２ｍｍ×７３ｍｍ×ｔ１ｍｍ）の加熱を行わず、金型保持温度２５℃（常温）として、先端部（Ａ）を圧下率９０％、傾斜部（Ｂ）の圧下率５０％とする温度制御を行わない連続温間鍛造加工を行った（比較例２）。
電子部品用スクレーパーの加工品の全体模式図と先端部の平面写真と断面模式図を図１２に示す。
加工金属素材としてオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の平板（４２ｍｍ×７３ｍｍ×ｔ１ｍｍ）を加熱炉で４００℃に加熱した後、金型保持温度２８０℃として、先端部（Ａ）を圧下率９０％、傾斜部（Ｂ）の圧下率５０％とする本願発明の温度制御された連続温間鍛造加工を行った（実施例２）。
一方、加工金属素材としてオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の平板（４２ｍｍ×７３ｍｍ×ｔ１ｍｍ）の加熱を行わず、金型保持温度２５℃（常温）として、先端部（Ａ）を圧下率９０％、傾斜部（Ｂ）の圧下率５０％とする温度制御を行わない連続温間鍛造加工を行った（比較例２）。
（３）電子部品用スクレーパーの加工の評価
本願発明の温度制御された連続温間鍛造加工品（実施例２）と温度制御を行わない連続温間鍛造加工品（比較例２）について、表面及び内部のビッカース硬さ（ＨＶ０．２）、比透磁率（μｓ）、加工誘起マルテンサイト分率（％）の評価を行った。なお、ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）、比透磁率（μｓ）、加工誘起マルテンサイト分率（％）の評価は、＜実施例１・比較例１＞と同様に行った。結果のまとめを表２に示す。
（４）電子部品用スクレーパーの先端部平面度評価
本願発明の温度制御された連続温間鍛造加工品（実施例２）について、先端部（Ａ）の平面度を平面粗さ測定機（キーエンス社製 ワンショット３Ｄ形状測定機）を用いて計測した。平面度は０．００６〜０．０１６ｍｍ（ｎ＝３）であった。実測データを図１３に示す。
本願発明の温度制御された連続温間鍛造加工品（実施例２）と温度制御を行わない連続温間鍛造加工品（比較例２）について、表面及び内部のビッカース硬さ（ＨＶ０．２）、比透磁率（μｓ）、加工誘起マルテンサイト分率（％）の評価を行った。なお、ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）、比透磁率（μｓ）、加工誘起マルテンサイト分率（％）の評価は、＜実施例１・比較例１＞と同様に行った。結果のまとめを表２に示す。
（４）電子部品用スクレーパーの先端部平面度評価
本願発明の温度制御された連続温間鍛造加工品（実施例２）について、先端部（Ａ）の平面度を平面粗さ測定機（キーエンス社製 ワンショット３Ｄ形状測定機）を用いて計測した。平面度は０．００６〜０．０１６ｍｍ（ｎ＝３）であった。実測データを図１３に示す。
（５）まとめ
本願発明の温度制御された連続温間鍛造加工品（実施例２）は、圧下率９０％の先端部（Ａ）において、表面ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）４９０と電子部品用スクレーパーの加工品に要求される３６０以上を大幅に超えた。加工誘起マルテンサイト相分率（Ｖα’）は１０％、比透磁率（μｓ）は、１．００５とオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）固有の比透磁率（μｓ）１．００３〜１．００７の範囲であり、非磁性であった。平面度も、０．００６〜０．０１６ｍｍ（ｎ＝３）と良好であった。
一方、温度制御を行わない連続温間鍛造加工品（比較例２）では、圧下率９０％の先端部（Ａ）において、比透磁率（μｓ）を下げるために溶体化処理を行う必要があり、溶体化処理を行うと、表面ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）２００と電子部品用スクレーパーの加工品に要求される３６０以上を満たさなかった。
本願発明の温度制御された連続温間鍛造加工品（実施例２）は、圧下率９０％の先端部（Ａ）において、表面ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）４９０と電子部品用スクレーパーの加工品に要求される３６０以上を大幅に超えた。加工誘起マルテンサイト相分率（Ｖα’）は１０％、比透磁率（μｓ）は、１．００５とオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）固有の比透磁率（μｓ）１．００３〜１．００７の範囲であり、非磁性であった。平面度も、０．００６〜０．０１６ｍｍ（ｎ＝３）と良好であった。
一方、温度制御を行わない連続温間鍛造加工品（比較例２）では、圧下率９０％の先端部（Ａ）において、比透磁率（μｓ）を下げるために溶体化処理を行う必要があり、溶体化処理を行うと、表面ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）２００と電子部品用スクレーパーの加工品に要求される３６０以上を満たさなかった。
＜実施例３＞
（１）冷蔵庫用コンプレッサ部品（ＳＵＳ３２９ＪＩ製ハウジング）
冷蔵庫用コンプレッサ部品であるハウジングは、冷蔵庫を安全に稼働する上で必要な部品であり、耐久性の観点から高強度ステンレス鋼（ＳＵＳ３２９ＪＩ）が用いられている。高硬度小物精密部品であるため切削加工が行われているが、需要にこたえるため月産２００万個以上の生産供給が求められている。このため、冷蔵庫用コンプレッサ部品であるハウジングを、被加工金属素材を高強度ステンレス鋼（ＳＵＳ３２９ＪＩ）として、本願発明の自動連続鍛造装置により、本願発明の温度制御された連続温間鍛造加工を実施例２と同様の条件で製作した。
（１）冷蔵庫用コンプレッサ部品（ＳＵＳ３２９ＪＩ製ハウジング）
冷蔵庫用コンプレッサ部品であるハウジングは、冷蔵庫を安全に稼働する上で必要な部品であり、耐久性の観点から高強度ステンレス鋼（ＳＵＳ３２９ＪＩ）が用いられている。高硬度小物精密部品であるため切削加工が行われているが、需要にこたえるため月産２００万個以上の生産供給が求められている。このため、冷蔵庫用コンプレッサ部品であるハウジングを、被加工金属素材を高強度ステンレス鋼（ＳＵＳ３２９ＪＩ）として、本願発明の自動連続鍛造装置により、本願発明の温度制御された連続温間鍛造加工を実施例２と同様の条件で製作した。
（２）冷蔵庫用コンプレッサ部品（ＳＵＳ３２９ＪＩ製ハウジング）の評価
図１４は、本願発明の自動連続鍛造装置により加工した冷蔵庫用コンプレッサ部品の素材硬さと製品の全体写真と断面写真である。角部Ｒ０．０２の高硬度小物精密部品（ＳＵＳ３２９ＪＩ製ハウジング）を温間鍛造により連続して作製することができた。
図１４は、本願発明の自動連続鍛造装置により加工した冷蔵庫用コンプレッサ部品の素材硬さと製品の全体写真と断面写真である。角部Ｒ０．０２の高硬度小物精密部品（ＳＵＳ３２９ＪＩ製ハウジング）を温間鍛造により連続して作製することができた。
本願発明により、耐食性、機械的性質に優れた高硬度非磁性小物精密部品を生産性よく提供できる。
１ 自動連続鍛造装置
２ａ ２ｂ ２ｃ 鍛造機構部
３ 被加工金属素材
４ａ ４ｂ 加熱炉
５ 搬送装置
６ａ ６ｂ 保温機構部
７ 加熱ヒータ
８ 温度センサ
９ 断熱プレート
１０ 固定板
１１ 放熱用遠赤外線セラミックヒータ
１２ 保温プレート
１３ 保温プレート加熱用プレートヒータ
１４ 温度測定用温度センサ
１５ 固定板
２１ 電子部品用スクレーパー
２２ ガイドテープ
２３ 保護フィルム
２４ 電子部品
２ａ ２ｂ ２ｃ 鍛造機構部
３ 被加工金属素材
４ａ ４ｂ 加熱炉
５ 搬送装置
６ａ ６ｂ 保温機構部
７ 加熱ヒータ
８ 温度センサ
９ 断熱プレート
１０ 固定板
１１ 放熱用遠赤外線セラミックヒータ
１２ 保温プレート
１３ 保温プレート加熱用プレートヒータ
１４ 温度測定用温度センサ
１５ 固定板
２１ 電子部品用スクレーパー
２２ ガイドテープ
２３ 保護フィルム
２４ 電子部品
Claims (7)
- 複数の温度制御された金型からなる鍛造機構部を備える自動連続鍛造装置であって、前記温度制御された金型からなる鍛造機構部において、被加工金属素材の塑性変形温度が１７０℃以上４００℃以下であって、かつ温度変動が３０℃以下に維持されていることを特徴とする自動連続鍛造装置。
- 前記温度制御された金型からなる鍛造機構部の間に温度制御された保温機構部を備えることを特徴とする請求項１に記載した自動連続鍛造装置。
- 温度制御された金型からなる鍛造機構部における被加工金属素材の塑性変形温度が１７０℃以上４００℃以下であって、かつ温度変動が３０℃以下に維持された自動連続鍛造装置により作製されたオーステナイト系ステンレス鋼加工品であって、圧下率５％〜９０％に鍛造加工された前記オーステナイト系ステンレス鋼加工品の比透磁率が１．０１以下であることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼加工品。
- 温度制御された金型からなる鍛造機構部における被加工金属素材の塑性変形温度が１７０℃以上４００℃以下であって、かつ温度変動が３０℃以下に維持された自動連続鍛造装置により作製されたオーステナイト系ステンレス鋼加工品であって、圧下率５％〜９０％に鍛造加工された前記オーステナイト系ステンレス鋼加工品において、圧下率５％〜９０％のいずれにおいても表面ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）が内部ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）より高く、前記表面ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）が３２０以上５００以下、内部ビッカース硬さ（ＨＶ０．２）が２６０以上４６０以下であることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼加工品。
- 温度制御された金型からなる鍛造機構部における被加工金属素材の塑性変形温度が１７０℃以上４００℃以下であって、かつ温度変動が３０℃以下に維持された自動連続鍛造装置により作製されたオーステナイト系ステンレス鋼加工品であって、圧下率５％〜６０％における表面加工誘起マルテンサイト相の分率が１０％以上３０％以下であることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼加工品。
- 温度制御された金型からなる鍛造機構部における被加工金属素材の塑性変形温度が１７０℃以上４００℃以下であって、かつ温度変動が３０℃以下を維持されていることを特徴とする金属素材の温間鍛造方法。
- 前記被加工金属素材がオーステナイト系ステンレス鋼、またはオーステナイトとフェライトの二相組織構造からなるステンレス鋼のいずれかであることを特徴とする請求項６に記載した金属素材の温間鍛造方法。
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