製品紹介
エコプロダクトを支える材料技術特集

省資源型高強度肌焼鋼
ECOMAX（エコマックス）シリーズ

1. はじめに果、歯車の噛合い時に金属同士が直接接触して摩耗や焼付きなどが発生し易くなることから、素材には面疲労強度

近年、環境問題への意識が高まっている中、国際的には（耐ピッチング強度）の向上が要求される。

「2050年のカーボンニュートラル実現」を目指した環境

従来からの永遠のニーズである部品の小型・軽量化は、当負荷の少ない製品やサービスの開発・提供が求められてい然ながらCO2排出量削減に繋がる燃費・電費向上に直接影響る。当社製品である特殊鋼の分野においても、特殊鋼製する。部品を小型化した場合、それに掛かる全体の負荷が同造時のCO2排出量削減を目指したエコプロセスが求められ

じでも、それをより小さな部品で動力伝達すると考えると、るだけでなく、鋼材を出荷した後の顧客における製造工程

結果的には高出力化と同様に対象部品には高負荷が掛かり、中、さらには、最終製品使用中のCO2排出量削減に寄与す

鋼材には高強度化が求められる。歯車を想定すると、適用部るエコプロダクトも期待されている。

品の破損モードに応じて耐ピッチング強度、歯元曲げ疲労強特殊鋼の代表顧客である自動車業界を念頭に、今後も度、衝撃強度の向上が求められ、その中でも耐ピッチング強必要とされるパワートレイン部品に着目したCO 2排出量度については、上述のように潤滑油の低粘度化の進行と相削減への取組みに対するニーズを表1に示す。先ず、自動俟って、今後も要求レベルは高まっていくと見られる。

車ニーズの筆頭に挙げられるのが電動化である。電動車

また、部品製造時のCO2排出量削減も自動車業界にとっ（EV）では、ガソリン車やディーゼルエンジン車のようなての重要課題である。その方策として、従来は熱間鍛造後エンジン音が無いために自動車走行時の静粛化が進み、相に機械加工を施していた部品に対して、冷間鍛造を適用す対的に部品から発生するメカニカルノイズがクローズアッることが挙げられる。この場合、工程短縮や材料歩留り向プされる。その一つとして歯車の噛み合わせ音があり、歯上によるコストダウンも期待できる。最近では、冷間鍛造

車寸法の高精度化によるNV特性（騒音、振動）の改善がだけで必要な部品形状や精度を得て、その後の切削や研削求められる。通常、歯車部品に施される浸炭処理は、高温を省略する、より高度なニアネットシェイプ化が益々進んからの焼入れによって変態を伴う硬化処理であるため熱処でおり、それに対応可能な冷間加工性に優れる鋼材が求め理歪みが発生し易く、NV特性を重要視する部品には仕上られている。ただし、冷間鍛造した鋼材に対して、その後げ研磨が施されている。もし、熱処理変形を小さく抑えるに浸炭焼入れを施すと、浸炭温度保持中にオーステナイト鋼材があれば、仕上げ研磨を省略でき製造コストダウンに結晶粒が粗大化し易くなることが知られており1)、これが繋がる。

部品の強度低下や、部品の寸法精度低下に繋がる熱処理ひ

一方、従来の内燃機関車（ICE）はもちろん、ハイブずみの原因となり得る。結晶粒粗大化を防止するために、リッド車（HEV）、そしてピュア電動車（バッテリー

例えば、冷間鍛造後に焼ならし工程を追加してその影響をEV、FCV）においても、動力損失低減による燃費・電費排除する方策がなされるが、当然、CO2排出量削減の観点改善を目的に潤滑油の低粘度化が指向されている。その結でも、製造コストダウンの観点でも逆方向の対策であるこ表1

自動車パワートレイン部品におけるCO2排出量削減に対するニーズ⮬ື㌴䛾䝙䞊䝈㻌㟁ື໬㻌⇞㈝䠄㻵㻯㻱䚸㻴㻱㼂䠅䈜䚸㻌
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ECOMAX4である6,7)。ただし、肌焼鋼の中では高C成分としト結晶粒が粗大化しない鋼材が望まれる。ているために冷間鍛造前の軟化焼なまし条件によっては、ここまで述べてきたように、パワートレイン部品の今後SCM420など従来鋼よりも硬さが高くなる場合がある。の動向を考慮すると、高強度化と優れた製造性を両立で3) ECOMAX5

きる表1の鋼材ニーズが益々高まると考えられる。当社では、合金元素の価格の不安定性や将来的な資源枯渇などがシリーズ中では新規開発鋼であるECOMAX5は8)、既存大きな問題として取り上げられたことを踏まえて、価格変ECOMAXシリーズ鋼の優れた耐ピッチング特性を活かし動が少なく供給不安や調達リスクの少ない合金元素を選択ながら、今後重要視されると考えられる部品の高精度化やし、成分設計した高強度肌焼鋼ECOMAXシリーズの開発

冷鍛性、耐結晶粒度粗大化特性など、製造コスト低減ととを進めてきた。このシリーズは、NiやMoに頼ることなくもにCO2削減にも寄与する特性をバランス良く併せ持つ高SiやMn、Crを最適化することで、高強度と優れた製造性強度鋼である。の両立を目指したものである。

3. ECOMAXシリーズの代表特性

本稿では、高強度肌焼鋼ECOMAXシリーズの各鋼種の狙いと、カーボンニュートラル実現に向けて有効と見られる代表特性とを紹介する。

3.1 焼入性
各鋼種のジョミニー焼入性試験結果を図1に示す。

2. ECOMAX鋼シリーズのコンセプトと特徴

ECOMAXシリーズの焼入性は、SCr420HのJIS規格Hバンドの上限付近、SCM420Hの中央付近に位置することか

現在、当社ではECOMAXシリーズとしてECOMAX1,ら、これらのJIS鋼を使用している部品サイズに概ね適用

2, 4, 5の4鋼種をラインナップしている。化学組成の可能である。

シリーズ共通の基本コンセプトは、JIS規格鋼である
SCM420に比べて、高Si−低Mn−高Cr−Mo非添加−少量Nb添加である2)。Siの増量は焼戻軟化抵抗の上昇と、浸炭時の表面異常層の改質とで耐ピッチング特性を向上させるため、Mnの低減は耐結晶粒粗大化特性の向上 3)や加工性を改善させるため、Crの増量はSiと同じく耐ピッチング特性を向上させることに加え、冷間鍛造前の球状化焼なまし組織の均質化により冷間加工性を向上させるためである。Nbの少量添加はNb炭窒化物を鋼中に形成させて結晶粒度特性を向上させるためである。
ECOMAXシリーズの各鋼種の特徴を以下に示す。
図1

ECOMAXシリーズのジョミニー焼入性試験結果

1) ECOMAX1、ECOMAX2ECOMAX1とECOMAX2との違いは、Cr量で焼入性を23.2 耐ピッチング特性パターンに変化させていることである。両鋼種ともにJIS

前述のように、歯車ユニットにおいて使用する潤滑油

SCM420に比べて低CかつB添加していることが特徴では、燃費向上を図るために低粘度指向にある。それに伴っ（ECOMAX4, 5はB非添加）、浸炭部品の中でも特に強て歯面の耐ピッチング特性向上が必要となっており、靭性を重視する場合に適している2,4)。また、比較的変形

ECOMAXシリーズ開発における強度の中でも特に重要視抵抗が低く冷間加工性にも優れる。その一方で、これらBしている特性である。

添加鋼は、一般的な合金肌焼鋼を含むB非添加鋼と比べてローラーピッチング寿命試験によって得られた特異な熱処理変形挙動を示すことが明らかとなってきた。

ECOMAX1のピッチング寿命を図2に示す。歯車の研磨仕したがって、浸炭焼入れ後の部品寸法の高精度化を求める上げを想定した本試験において、ECOMAX1はSCM420

場合には、熱処理変形挙動の変化を考慮する必要がある。

に対して2倍程度に向上している。耐ピッチング特性向上の理由として、図3に示すようにECOMAX1はSi, Cr増

2) ECOMAX4量の効果によって焼戻し軟化抵抗がSCM420に比べて上浸炭焼入れによる熱処理変形の軽減を目的に、強制的な昇しており、試験中に温度上昇しても軟化し難かったこ

不均一冷却焼入実験とCAE解析による裏付け5)との組合せとが挙げられる。この効果はECOMAXシリーズ共通であによって鋼材成分から開発した従来に無い高強度肌焼鋼がり、ECOMAXの他の鋼種においても同様の特性を示す。

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エコプロダクトを支える材料技術特集とから、焼ならしを追加しなくても浸炭中にオーステナイ

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エコプロダクトを支える材料技術特集㻌䞉䜺䝇ᾐⅣ㻌 䋻㻌 ◊☻௙ୖ䛢㻌䞉㼚㻩㻟㻌㻌㻌
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図2

ECOMAX1とSCM420のローラーピッチング試験結果（浸炭後研磨仕上げ材）

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3.3 低サイクル疲労特性と耐衝撃特性

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自動車の電動化が進んでも必要な部品として、例えばデ㻱㻯㻻㻹㻭㼄㻝㻿㻯㻹㻠㻞㻜㻌ファレンシャルがあり、その歯車は歯元曲げ疲労や耐衝撃

㻌

特性が重要視される。特に、急発進による高負荷が繰返し入力されることを想定すると、低サイクル域（〜104サイ㻌ᗘ䛷 㻞㼔㼞 ಖᣢ㻌㻌クル）での疲労強度向上が必要となる。図4にECOMAX5とECOMAX1、およびSCM420の低サイクル疲労試験結㻌果を示す8)。ECOMAX5の低サイクル疲労特性はSCM420㻌
図3よりも優れており、さらにBを添加したECOMAX1と比べても同等以上であることが特徴である。

ECOMAX1とSCM420の焼戻し後の浸炭層硬さ

続いて、図5に衝撃試験結果を示す8)。ECOMAX5の耐なお、歯車製造時において、ガス浸炭後に研磨仕上げを衝撃特性は、低サイクル疲労特性と同様に、SCM420よしない工程を想定したローラーピッチング試験では、りも優れ、ECOMAX1と比べても同等以上である。

ECOMAXシリーズはSCM420に対して4〜5倍の寿命が一般的に、低サイクル疲労特性や耐衝撃特性を向上さ8)得られている 。この理由は、ガス浸炭後の最表面に母相せる方策として、B添加による粒界強化、すなわち粒界破組織に比べて軟質な浸炭異常層（粒界酸化と、合金元素の面率低減が有効であることが知られている 10,11)。当社で欠乏により形成した不完全焼入組織で構成）が浅く、且つは、ECOMAX5においてもSCM420と比較して粒界破面表層に均一に存在するためと考えられ、この浸炭異常層のが抑制されていることを確認しており8)、ECOMAX5は高特徴によって、粒界酸化を起点とするき裂を短く、あるいSi−高Cr等その成分バランスによりB非添加であるにも関

9)はき裂生成自体の抑制をもたらすと推定している 。

㻌わらず優れた靭性を示すと考えられる。

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図4

ECOMAX5, ECOMAX1およびSCM420の低サイクル疲労試験結果と試験の概略図（ガス浸炭材）

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焼なまし後のミクロ組織の違いと考えられる。このミクロ㻌

組織光学顕微鏡写真を図8に示すように8)、SCM420では㻌

不均一な球状化炭化物とラメラー炭化物が分散しているの

㻌に対し、ECOMAX5ではCrを増量していることにより球状化炭化物が均一に分散した組織が得られる。そのため

㻌に、冷間加工時に不均一変形が抑制されて割れが発生し難㻌くなると考えられる12)。

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図56&0

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ECOMAX5, ECOMAX1およびSCM420のシャルピー試験
結果（ガス浸炭材）
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3.4 冷間加工性ȝP

高強度鋼においても、ニアネットシェイプ化を進め図8るためには優れた冷間加工性が求められる。図6に、ECOMAX5とSCM420の球状化焼なまし後のミクロ組織光
学顕微鏡写真ECOMAX5の球状化焼なまし材での冷間変形特性を示
す 8) 。ECOMAX5の球状化焼なまし後の硬さは79HRB

なお、ECOMAXシリーズ間の比較では、球状化焼なまで、比較材であるSCM420の77HRBと同等であり、そし後のミクロ組織はいずれの鋼種も均一であり限界割れの冷間変形抵抗もSCM420と同等である。さらに、図7

特性が優れている。一方、冷間変形抵抗については、焼にECOMAX5の球状化焼なまし材での限界据込み率を示なまし後の硬さに依存するためにECOMAX1, 2が低C組す。ECOMAX5はSCM420と比較して据込みによる割れ成としていることからSCM420よりも有利であり、逆にが発生し難く、本試験最大の高さ比で75%まで据込んでECOMAX4は高C組成としているために不利であり、球状も割れが発生しなかった。

化焼なまし条件によっては冷間鍛造時の荷重が高くなる場合がある。

ECOMAX5は高強度鋼であるにもかかわらずSCM420と比較して冷間加工時の割れを抑制できる理由は、球状化

3.5 耐結晶粒粗大化特性ĳîPP

浸炭時の熱処理中にオーステナイト粒の粗大化が生じると、耐衝撃特性など部品強度の低下をもたらしたり、K

熱処理ひずみの増加によって部品精度の悪化を引き起こしたりする場合がある。特に冷間鍛造後に、焼ならしを行K

わずに、そのまま浸炭する場合には結晶粒粗大化が生じ&RPSUHVVLELOLW\KK Kî

易い。そこで、この製造工程を模擬して、ECOMAX5とSCM420の球状化焼なまし材に70%冷間据え込みを行った後、一般的な浸炭温度以上の950℃で3 h保持後に焼入

図6

れし（浸炭の熱履歴を模擬した擬似浸炭処理）、旧オーECOMAX5とSCM420の冷間変形抵抗試験結果（球状化焼なまし材）

ステナイト結晶粒の観察を行った8)。その光学顕微鏡写真
を図9に示すように、SCM420は粗大粒と微細粒の両方が認められる整細粒混粒であるのに対して、ECOMAX5はであった。さらに、図9とは異なる温度での疑似浸炭処理も実施しており、SCM420では低温の900℃保持で混粒が発生したのに対して、ECOMAX5は高温の980℃でも整粒を維持することを見出している。
ECOMAX5がSCM420に比べて優れた耐結晶粒粗大化特性を有する理由として、主として次の2点が挙げられる。1点目はNbを添加していることで、結晶粒界の移動
図7をピン止めする微細析出物（Nb炭窒化物）を適切に分散

ECOMAX5とSCM420の限界据込試験結果（球状化焼なまし材）させたことである。もう1点は、図8に示したとおり、

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㻌省資源型高強度肌焼鋼 ECOMAX（エコマックス）シリーズ

げ工程の負荷軽減が期待できる。また、本鋼種を冷鍛リンミクロ組織の均質化が図られていることである。JIS合金

グギヤに適用し、真円度が改善された報告もある13)。

肌焼鋼に含有される程度のCr量では、球状化焼なましをこのような鋼材成分による積極的な熱処理変形特性の行っても、フェライトと球状炭化物が分散した組織に加え改善コンセプトを持つ肌焼鋼は過去に例が見当たらず、て不可避にラメラー状炭化物が生成する。このラメラー状ECOMAXシリーズの中でもECOMAX4のみである。

炭化物は、結晶粒粗大化を引き起こす原因となる

12)。

ECOMAXシリーズはいずれの鋼種も優れた耐結晶粒粗⇕ฎ⌮๓ᚋ䛷䛾ヨ㦂∦୰ኸ㒊䛾᣺䜜㔞PP

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SCM420に比べて高Crとすることで球状化焼なまし後の大化特性を示すため、冷間鍛造前後の焼ならしの省略ならびに高温浸炭の適用、すなわち製造工程中のCO2削減が期待できる。
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ECOMAX4とSCM420の熱処理前後での振れ量測定結果

4. おわりに㻌

図9㻌┤ᚄ㽢/ȝP㻌┤ᚄ㽢/

ECOMAX5とSCM420の旧オーステナイト結晶粒光学顕微
鏡写真（70%冷間据込み ⇒ 950℃疑似浸炭焼入れ）

ECOMAXシリーズは、カーボンニュートラルを目指したこれからのニーズに合致した高強度肌焼鋼であり、耐ピッチング特性や低サイクル疲労特性に優れるとともに、3.6 熱処理変形特性
焼入れ時の熱処理変形は主に部品の不均一冷却が原因で部品製造性においても良好な耐結晶粒粗大化特性を兼ね備発生することから、冷却が不均一であっても熱処理変形がえる。また、表2に示すようにシリーズ内の適切なコンセ小さい鋼材が望まれる。ECOMAX4の熱処理変形抑制にプトのECOMAXを選択することで、さらに優れた耐衝撃対する主たる考え方として、冷却過程において部品内の温特性、冷間加工性、あるいは熱処理変形特性を付与するこ度差がなるべく小さくなる温度域でマルテンサイト変態がとが可能となり、これらの特性によって、部品の製造工程

起こるように成分設計されている5,6)。

省略・簡略化によるトータルコストダウンや部品形状の高焼入れ時に不均一冷却を強制的に引き起こすような精度化による静粛性の向上、部品高強度化による小型・軽キー溝付き試験片を用いて、浸炭模擬熱処理（930℃保㻱㻯㻻㻹㻭㼄㻠㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻿㻯㻹㻠㻞㻜㻌持⇒850℃保持⇒油焼入れ）を行い、焼入前後の曲がり量化をもたらすことが期待される。

（振れ量）を比較した結果を図10に示す 6)。ECOMAX4
はSCM420と比較して曲がりが小さいことが確認でき、特にシャフト部品において精度向上や曲げ矯正などの仕上

表2ECOMAXシリーズの特徴と特性比較ᡂศ䛾≉ᚩ㻌䝁䞁䝉䝥䝖䚸≉㛗㻌㻿㻯㻹㻠㻞㻜 䛸ẚ㍑䛧䛶䚸㻌⪏䝢䝑䝏䞁䜾≉ᛶ䚸ప䝃䜲䜽䝹⑂ປᙉᗘ䚸⪏⤖ྜ㔠⫙↝㗰䛜౑⏝䛥䜜䜛䚸㻌㧗 㻿㼕䚸ప 㻹㼚䚸㧗 㻯㼞䚸㻌ᬗ⢏⢒኱໬≉ᛶ䛻ඃ䜜䜛㻌ῶ㏿ᶵ䜼䝲䚸䝅䝱䝣䝖㢮㻌 ඲⯡㻌㻺㼎 ῧຍ㻌⌫≧໬↝䛺䜎䛧⤌⧊ᆒ୍໬䛻䜘䜛෭㛫ຍᕤᛶ䠄䝖䝷䞁䝇䝭䝑䝅䝵䞁䜼䝲䚸䝕䝣䜼䝲䚸㻔㻺㼕䚸㻹㼛 㠀ῧຍ㻕㻌䠄㝈⏺๭䜜ᛶ䠅䛻ඃ䜜䜛㻌㻯㼂㻶䚸⢭ᶵ㒊ရ㻌 ➼䠅㻌㻱㻯㻻㻹㻭㼄㻝㻌ప 㻯䚸㻮 ῧຍ㻌⪏⾪ᧁ≉ᛶ䚸෭㛫ຍᕤᛶ䠄ኚᙧ᢬ᢠ䠅䛻ඃ䜜䜛෭㘫⏝㏵㒊ရ㻌㻱㻯㻻㻹㻭㼄㻞㻌ྠୖ㻌 䠄ప 㻶㼛㼙㼕㼚㼥䠅㻌ྠୖ㻌෭㘫⏝㏵㒊ရ㻌㻱㻯㻻㻹㻭㼄㻠㻌㧗 㻯㻌 䠄㻮 㠀ῧຍ䠅㻌⇕ฎ⌮ኚᙧ≉ᛶ䛻ඃ䜜䜛㻌㧗⢭ᗘ䜼䝲䚸䝅䝱䝣䝖㻌㻱㻯㻻㻹㻭㼄㻡㻌䠄㻮 㠀ῧຍ䠅㻌䝖䞊䝍䝹䝞䝷䞁䝇䠄≉䛻䚸⪏⾪ᧁ≉ᛶ䚸⪏⤖ᬗ⢏⇕㘫䠃෭㘫⏝㏵㒊ရ㻌䝅䝸䞊䝈ඹ㏻㻌

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Sanyo Technical Report Vol.28 (2021) No.1