部品製造工程を革新する冷間鍛造用
肌焼鋼 JECFの開発
今 浪 祐 太岩本1)隆
西 村 公 宏1)2)

ら，異常粒成長の臨界条件が提唱されている(2)．これによる

. 緒言と，析出粒子体積率の上昇，または，析出粒子の微細化により，ピン止め力が増大し異常粒成長は抑制される．一方，g

自動車用歯車等の高疲労強度を要する機械部品では，鋼を粒の微細化によって粒成長駆動力が増大し異常粒成長は発生

熱間鍛造または冷間鍛造した後，浸炭熱処理を経て製造されしやすくなる．一般に，異常粒成長の抑制方法として Nb 析るケースが多い．冷間鍛造は寸法精度に優れるため，鍛造後出粒子等による g 粒界ピン止め効果を活用する方法がよく知の切削量低減による生産性向上を可能にする．一般的な冷間られている(3)．本開発でも基地のピン止め力向上のため，圧鍛造部品の製造プロセスを図に示す．冷間鍛造に際して延加熱制御によるナノ析出粒子微細分散を検討した．

は，軟化焼鈍(以下，焼鈍)により，変形抵抗の低減を図るこ

また，異常粒成長には鍛造条件も大きく影響する．特に冷とが一般的である．また，浸炭熱処理時のオーステナイト間鍛造では，せん断ひずみが高い領域で異常粒成長が発生し(以下，g)異常粒成長防止のため，浸炭前焼準(以下，焼ならやすい(4)．

し)も広く実施される．近年，部品価格競争は激化しておこのように，浸炭時の異常粒成長に関して数多く研究されり，焼鈍や焼ならし等の熱処理を省略可能な付加価値の高いてきたが，依然として実部品製造において g 粒の異常粒成長鋼のニーズが高まっている．

はしばしば認められ，課題とされている．実際に，SCM420

そこで，著者らは，浸炭時の異常粒成長に及ぼす冷間鍛造プロセスの影響を検討し，焼鈍省略自体が g 異常粒成長の抑制に寄与することに注目，この機構を解明して，開発コンセプトとして活用した．その結果，冷間鍛造前の焼鈍と浸炭前等汎用肌焼鋼では，g 異常粒成長防止のため，浸炭前焼ならしの追加を余儀なくされている．
g 異常粒成長に及ぼす球状化焼鈍の影響の焼ならしを同時に省略可能な肌焼鋼 JECF( JFE Easy 

著者らは，冷間鍛造前に焼鈍を施した場合，浸炭時の g 異ColdForging)を開発した．本稿では JECFの特徴ならびに常粒成長が発生しやすくなる現象に着目した．焼鈍を施した性能を紹介する．

鋼と焼鈍を施していない鋼を据込率 70 にて冷間鍛造後，浸炭温度で 3 時間保持後の旧 g 粒観察結果を図に示す．

.

冷間鍛造後浸炭時の g 異常粒成長

焼鈍を施した場合，顕著な異常粒成長が認められる．焼鈍材
における加熱時の金属組織変化を詳細に調査した結果を図

浸炭時の g 異常粒成長は疲労特性の低下要因(1)や，熱処理に示す．焼鈍材を浸炭温度に加熱した直後には，球状セメンひずみの増大要因とされており，これの防止が重要である．

タイトが存在し，これらは加熱保持に伴い減少していく様子



従来知見

結晶粒の成長駆動力と析出粒子によるピン止め力の関係かが明らかとなった．一般に，浸炭加熱温度は900°C以上と，肌焼鋼では g単相域だが，焼鈍を施す場合，セメンタイトへの Cr の濃化が著しく，これによりセメンタイトの熱力学的安定性が上昇する結果，浸炭加熱の初期に未溶解のセメンタ

JFE スチール株式会社
スチール研究所 棒鋼・線材研究部1)主任研究員 2)部長
Development of Case Hardening Steel for Cold Forging``JECF'' Which Innovates Parts Manufacturing Process; Yuta
Imanami, Takashi Iwamoto and Kimihiro Nishimura (JFE SteelCorporation)
2018年10月29日受理[doi:10.2320/materia.58.108]



イトが残存し，それらが加熱保持とともに溶解する．このような，球状セメンタイトの溶解が局所的かつ不均一なピン止め力の低下を招き，焼鈍材の異常粒成長を促進させたと考えられる(図)．一方，未焼鈍鋼のパーライトを構成するセメ
ンタイトでは上述したような Cr の濃化がないため，浸炭加新技術・新製品

図1

図2

冷間鍛造後浸炭される部品の一般的な製造工程．

図4

焼鈍材の異常粒成長発現機構．

図5

NbC の微細析出分散制御法．

未焼鈍材および焼鈍材を冷間鍛造後浸炭した際の g 粒．

低減が好ましく(5) ，また， Cr は焼戻軟化抵抗の上昇を通して面疲労強度を向上させる作用を有する(6)．
更に圧延材硬度を低下させるため，圧延温度の低温化を指向した．圧延終了後の空冷中に，g からフェライトおよびパーライトへの変態が生じるが，圧延温度の低温化は，g を微細化させフェライトの核生成サイトを増大させる作用を通じ
図3

浸炭過程における焼鈍材のセメンタイト溶解挙動．

フェライト分率の上昇に寄与する．フェライトはその他の組織と比較して軟質なため，その分率上昇は，低硬度化に寄与する．

熱後の初期に未溶解のセメンタイトが残存せず，局所的なピン止め力の低下は生じない．
以上の検討結果を翻ってみると，冷間鍛造前の焼鈍省略
は，高 Cr 濃度の球状セメンタイトの生成を回避し，浸炭時の g 異常粒成長を抑制する作用があるといえる．従って，焼鈍省略が可能になれば，浸炭前焼ならしの省略も期待できる．

また，冷間鍛造時の加工発熱により，鋼中固溶 N に起因する動的ひずみ時効が加工硬化を増大させ(7)，変形抵抗へ影響する．そこで，鋼の N 添加量を低減するとともに，窒化物形成元素を添加し固溶 N を析出物として固定した．


ナノ析出粒子微細分散によるピン止め力の向上

冷間鍛造前の焼鈍省略が g 異常粒成長抑制に有効である点

. 材 料 設 計

冷間鍛造時の変形抵抗低減

冷間鍛造前の焼鈍を省略するには，圧延ままで低変形抵抗は既に述べた．加えて，ナノ析出物の微細分散による基地のピン止め力向上も重要である．浸炭温度でのオストワルド成長が比較的緩やかで，かつ，圧延加熱温度の制御により析出物分散制御が可能な Nb 析出物をピン止め粒子として選定しの鋼を開発する必要がある．一方，浸炭焼入れ焼戻し後にはた． Nb 析出物の分散制御のため， NbC 溶解度積から NbC高強度を示すことも必要であり，すなわち，圧延材低硬度化完全固溶温度を求め，これを基に圧延加熱温度を最適化したと十分な焼入性の両立が重要である．そこで，圧延材の硬度(図)．連続鋳造後空冷して得られる鋳片には粗大な Nb 析と焼入れ性に及ぼす合金元素の影響を調査し，最適化を図っ出物が含まれる．この粗大 Nb 析出物を第一段階目の圧延でた．Cr は Si や Mn と比較して，圧延材硬度を上昇させず，ある鋼片圧延の加熱時に一旦固溶消失させることで，その焼入れ性を向上させる．これより，開発鋼では， Si, Mn を後，固溶した Nb は鋼片圧延後の空冷時に NbC として微細低減し， Cr を増加させる設計を採用した．ここで， Si は浸に析出する．更に， NbC 粒子成長抑制の点で，第二段階目炭後表層の粒界酸化を抑制し疲労特性を向上させる点からもの圧延である棒線圧延の加熱温度は低温ほど望ましい．本制

ま て り あ 第58巻 第 2 号(2019)
Materia Japan



表1

成分組成(mass)．

CSi

MnCrMoN

SCM420

0.2

0.2

0.8

1.1

0.20.01

開発鋼

0.2

≦0.1

≦0.7

≧1.3

―

Reducedand FixedOthers

Nb

御により NbC 析出物は著しく微細化した(図 5 の‘最適’）．
なお，棒線圧延温度の低温化は，前節で述べたように変形抵抗低減のためのフェライト分率向上のためにも好都合であ

図6

変形抵抗．

り，両技術は適合している．

.

図7

歯車鍛造後浸炭後
旧 g 粒．

JECFの特性

上述の結果に基づいて，合金設計および最適熱間圧延条件を決定し JECFの実機製造を行った．表に JECFの化学組成を示す． Si および Mn 量を減少させ， Cr 量を増加させた．また，Mo を無添加として合金コストを削減した．加えて，固溶 N の低減および Nb の添加を行った．以下では，
JECFの性能を SCM420と比較評価した．
冷間鍛造性

図に変形抵抗の評価結果を示す． JECFは圧延ままでも SCM420 焼鈍材以下の変形抵抗であり，焼鈍を省略しても冷間鍛造が可能である． JECFの変形抵抗低減は， Si,Mn, Cr 添加バランスの最適化， N 固定による動的ひずみ時

図8

浸炭後の回転曲げ疲労特性．

効の抑制，低温制御圧延によるフェライト分率の向上等が相乗的に作用した結果である．


浸炭時 g 異常粒成長抑制能

JECFおよび SCM420 を歯車に冷間鍛造し，焼ならしを.

実用化状況および今後冷間鍛造用肌焼鋼 JECFに関して，特許第 5790693 号，施さずに擬似浸炭後，歯底付近の旧 g 粒を観察した結果を図

特許第 5708901 号が登録されている．また， JECFは 2018

に示す．SCM420では粒径 100 mm を越える異常粒が発生

年に量産を開始しており，実部品適用されている．本技術したが， JECFでは異常粒は認められず微細な結晶粒分布は，部品コスト競争力の向上に資するとともに，熱エネルギが確認された．このように， JECFは焼ならしを省略してー消費を抑制しクリーンな社会を形成する手段としても期待も浸炭時の g 異常粒成長を防止できる．

できる．



浸炭後疲労特性

文

献

浸炭後機械的性質として回転曲げ疲労試験を行った結果を図に示す． JECFは SCM420 と比較して優れた疲労強度を示した．同図中に示した浸炭表層部の Si マッピング像より， JECFでは粒界酸化が著しく抑制されており，これにより疲労強度が向上したと考えられる．

( 1 ) 瓜田龍実電気製鋼，59(1988), 33
41.
( 2 ) T. Gladman: Proc. Roy. Soc., 294(1966), 298309.
( 3 ) 例えば，村上俊夫神戸製鋼技報，56(2006), 5963.
( 4 ) 藤松威史鉄と鋼，95(2009), 5966( 5 ) 福岡和明JFE 技報，23(2009), 2429.
( 6 ) 紅林豊第188・189回西山記念技術講座，(2006), 83115.
( 7 ) William C. Leslie鉄鋼材料学，丸善，(1985), 98.

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