製品紹介
工程省略につ な が る 材 料 技 術 特 集

部品製造における工程省略・簡略化に寄与する
高強度肌焼鋼 ECOMAX® シリーズ
1．はじめに局所的な粗大化（混粒）が発生しやすいことが知られており 1），これが部品の強度低下や寸法精度悪化の原因となり近年，カーボンニュートラル推進への対応が求められて得る。混粒を抑制するために，一般的には冷間鍛造後に焼おり，特殊鋼分野の代表顧客である自動車や産業機械業界ならし工程を追加してその影響を排除する方策がなされてでは，内燃機関の燃費向上や電動化に向けた技術開発が世いるが，その場合は当然，コスト面だけでなく CO2 排出界的に進んでいる。さらに今後は，最終製品の使用時だ削減の点からも不利となる。そこで，焼ならし工程の省略

けでなく，「素材製造－部品製造－最終製品製造－使用－のためには，冷間鍛造後にそのまま浸炭した場合においてメンテナンス－廃棄」といったライフサイクル全体でのも，オーステナイト結晶粒が粗大化しない鋼材特性（耐結CO2 排出量の低減を図るため，部品製造時の CO2 排出削晶粒粗大化特性）が望まれる。
以上のように，部品製造時の CO2 排出削減に向けて，減がますます重視されていくと考えられる。
通常，ギヤやシャフトなどの高強度が要求される駆動系鋼材への要求特性はますます厳しくなっている。このよう部品は，肌焼鋼に浸炭を施して使用される。その部品製造な背景のもと，当社では部品製造における工程の省略・簡工程としては，加工コストや歩留に優れる冷間鍛造が選択

略化を通してカーボンニュートラル推進を目指した高強度される場合が多い。一方，この製造工程では，冷間鍛造性

肌焼鋼 ECOMAX® シリーズの開発を進めてきた。本報でや寸法精度，最終部品の強度を確保するために必要となるは，当該シリーズの各鋼種の狙いと，工程省略・簡略化に熱処理や機械加工が，CO2 排出の要因となっている。し寄与し得る代表特性を紹介する。

たがって，部品の素材である肌焼鋼において，これらの工2．ECOMAX® シリーズのコンセプトと特徴

程を省略・簡略化しても製造性や部品性能を損なわない優れた特性が求められている。
冷間鍛造は常温に近い温度域での工法であり，熱間鍛造ECOMAX® シリーズの鋼材コンセプトは，Ni，Mo に頼と比べて成形品の寸法精度に優れる。近年ではニアネット

ることなく，その他合金成分を最適化することで，ギヤ部シェイプ化（高精度の冷間鍛造だけで必要な部品形状を得品等の高強度化（特に耐ピッチング強度の向上）と，部品ること）による機械加工を簡略化するニーズがあり，そ製造時の工程負荷軽減を両立させることである。これを実れに対応可能な冷間鍛造性に優れる鋼材が求められてい現するため，シリーズ共通の化学組成の特徴として，JISる。また冷間鍛造性を確保するために，鍛造の前に材料軟SCM420 に比べて，高 Si －低 Mn －高 Cr － Mo 非添加化を目的とした球状化焼なまし（以下，SA）が通常実施－ Nb 添加 2,3） としている［表 1］。その理由として，Siされるが，従来鋼の SA は処理に長時間を要するのが一般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的である。したがって，SA を省略あるいは処理時間を短質とで耐ピッチング特性を向上させるため 2,4），Mn の低縮化しても十分な成形性を確保できる鋼材を適用すること減は冷間鍛造性を改善させるため，Cr の増量は Si と同じが，工程簡略化につながる。一方で，冷間鍛造後に浸炭焼く耐ピッチング特性の向上に加え，冷間鍛造前の SA 組織入れを施すと，浸炭温度保持中にオーステナイト結晶粒のの均質化により冷間鍛造性や耐結晶粒粗大化特性を向上さ

表1 ECOMAX®シリーズ共通の化学成分コンセプトと工程簡略化への寄与（SCM420比）
成分
Si増量
Mn低減

Cr増量

Mo非添加
Nb添加

コンセプト
・焼戻軟化抵抗の上昇
・浸炭異常層の改質
・素材硬さの低減
・焼入性の調整・SA組織の均質化
・焼入性の調整
・焼戻軟化抵抗の上昇
・素材硬さの低減
・コスト低減・ピンニング粒子の確保

鋼材特性工程簡略化への寄与

・耐ピッチング特性の向上
・冷間鍛造性の向上

・ニアネットシェイプ化

・冷間鍛造性の向上
・短時間SAでの軟化特性
・耐結晶粒粗大化特性の向上
・耐ピッチング特性の向上

・ニアネットシェイプ化
・冷間鍛造前のSA簡略化
・冷間鍛造後（浸炭前）の焼ならし省略

・冷間鍛造性の向上

・ニアネットシェイプ化

・耐結晶粒粗大化特性の向上

・冷間鍛造後（浸炭前）の焼ならし省略

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部品製造における工程省略・簡略化に寄与する高強度肌焼鋼ECOMAX®シリーズ

材 に お け る ECOMAX®5 の SA 材 の 硬 さ は 79HRB で6）短縮化にも寄与する 。Mo 非添加は，コスト削減に加え，

SCM420 と 近 く， そ の 冷 間 変 形 抵 抗 も SCM420 と 同

素材硬さ低減により冷間鍛造性の向上につながる。Nb の等 で あ る。ECOMAX® シ リ ー ズ 間 で 比 較 す る と，C 量添加は Nb 炭窒化物を鋼中に形成させて耐結晶粒粗大化特の 違 い に よ り， 変 形 抵 抗 は ECOMAX®1（ 図 に は 無 い性を向上させるためである。これらの特性のうち，代表的が ECOMAX®2 も 同 等 ） で 最 も 低 く，ECOMAX®5，なものを 3 章にて詳しく紹介する。

ECOMAX®4 の順に高くなる。図 2 に ECOMAX® シリー

高強度肌焼鋼 ECOMAX® シリーズの各鋼種の特徴を以工程省略につ な が る 材 料 技 術 特 集せるためである 5）。さらに，Cr の増量は SA の処理時間ズと SCM420 の SA 材での限界据込率を示す。SCM420
では据込率が高くなると割れが発生するが，ECOMAX® シ下に示す。

リーズはいずれも限界割れが発生し難く，本試験最大の据®

®

1）ECOMAX 1，ECOMAX 2〇図，表込率 75% まで加工しても割れが発生しない。

〇図，表ECOMAX®1，ECOMAX®2 はシリーズの中で低 C 且つB 添加としており，特に靭性を重視する部品に適する 2,7）。
また，低 C としたことで SA 材は変形抵抗が低く，冷間φ14×21mm加工性にも優れる。その一方で，B 添加鋼は，一般的な合φ14×21mm

h0

金肌焼鋼を含む B 非添加鋼と比べて特異な熱処理変形挙〇動を示すことから，浸炭焼入れ後の部品寸法の高精度化を◇求める場合には，熱処理変形挙動の変化を考慮する必要®

△®

がある。なお，ECOMAX 1 と ECOMAX 2 の違いは，Cr□量によって焼入性を 2 パターン設定していることであり，®

ECOMAX 1®
〇 ®ECOMAX 1
ECOMAX 4®
◇ ®ECOMAX 4ECOMAX 5®
h△ ECOMAX 5
SCM420□
SCM420Compressibility

h0hCompressibility=(h0-h)/h0×100%=(h0-h)/h0×100%®

ECOMAX 1 の方が焼入性は高くなっている。
図1®

2）ECOMAX 4SA図1
材の据込率と冷間変形抵抗との関係
図 1 SA材の据込率と冷間変形抵抗との関係
SA 材の据込率と冷間変形抵抗との関係（初期ひずみ速度：0.008/sec）（初期ひずみ速度：0.008/sec）（初期ひずみ速度：0.008/sec）

浸炭焼入れによる熱処理変形の軽減を目的に，鋼材成分から開発した従来に無い高強度肌焼鋼が ECOMAX®4 である 8,9）。開発過程においては，強制的な不均一冷却焼入れ実験と CAE 解析によって，化学成分と熱処理変形との関®

係を明確化し，強度とのバランスも考慮して適正な成分を®
〇 ECOMAX 1〇 ECOMAX 1見出した。但し，肌焼鋼の中では高 C 成分としているた△ ECOMAX△ 5ECOMAX®5®

◇ ECOMAX◇ 4®

□

めに冷間鍛造前の SA 条件によっては，SCM420 等の従®

ECOMAX 4SCM420□

SCM420来鋼よりも冷鍛荷重が高くなる場合がある。
3）ECOMAX®5

図2®

シリーズ中では最も新しい開発鋼である。
ECOMAX 5 は，

図2

SA材の限界据込率と割れ発生率との関係

2 SA 材の限界据込率と割れ発生率との関係
SA図
材の限界据込率と割れ発生率との関係

当該鋼は既存 ECOMAX® シリーズの優れた耐ピッチング特ECOMAX® シリーズが SCM420 に対して冷間鍛造時性を活かしつつ，部品の高精度化や冷間鍛造性，耐結晶粒の割れを抑制できる理由は，SA 後のミクロ組織の均一粗大化特性など，製造コスト低減とともに CO2 削減にも寄さ に あ る と 考 え ら れ る。ECOMAX®5 と SCM420 の ミ与する特性をバランス良く併せ持つ高強度鋼である 1 0）。

クロ組織を図 3 に示す。SCM420 のミクロ組織は球状化炭化物と層状炭化物が不均一に分散しているのに対し，ECOMAX®5 では Cr を増量していることにより，層状炭
3．部品製造工程の簡略化に寄与する鋼種特性
F2_図表 .docx

化物は見られず，球状化炭化物のみが比較的均一分散した®
―®ECOMAX 5 通常 SA 材
― ECOMAX 5 通常 SA 材®
―®ECOMAX 5 短時間 SA 材®
材(a)ECOMAX―5ECOMAX 5 短時間 SA (b)SCM4201）ニアネットシェイプ化に寄与する「冷間鍛造性」
材料に熱を加えずに加工する冷間鍛造では，熱間に比べ79HRB77HRBて加工時の硬さが高いため材料の変形能は低い。また近年
では，冷間鍛造後の切削や研削を簡略化する高度なニア

図6

ネットシェイプ化が進んでおり，高強度鋼においても優れた冷間鍛造性が求められる。

図 6 冷間据込みによる真応力-真ひずみ曲線
冷間据込みによる真応力-真ひずみ曲線（φ8×12L，ひずみ速度 10/sec）（φ8×12L，ひずみ速度 10/sec）
20μm

図 1 に ECOMAX® シ リ ー ズ と 比 較 鋼 と し て 試 験 し
図3

た SCM420 の SA 材での冷間変形抵抗を示す。本供試

SA 材のミクロ組織の光学顕微鏡写真と硬さ（ピクラル腐食）

図3 SA材のミクロ組織の光学顕微鏡写真と硬さ（ピクラル腐食）

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部品製造における工程省略・簡略化に寄与する高強度肌焼鋼ECOMAX®シリーズ

工程省略につ な が る 材 料 技 術 特 集

組織が得られている。これにより，ECOMAX®5 では炭化F2_図表 .docx
物の分散状態に起因する冷間鍛造時の不均一ひずみが抑制れによって混粒状態となった部品は衝撃特性などの部品され，割れが発生し難くなると考えられる 5）。なお，このよって部品精度が悪化したりすることが知られている。そ

強度の低下をもたらしたり，熱処理ひずみのバラツキに®

®
(a)ECOMAX®55(b)SCM420と SCM420 のこで，この工程を模擬して，ECOMAXようなミクロ組織は ECOMAX シリーズ全般で得られる。

77HRB
79HRB
SA 材に 70% 冷間据込みを行った後，敢えて混粒組織と2）SA の簡略化に寄与する「短時間の熱処理で炭化物の球〇図，表なり易いように，一般的な浸炭温度の中でもやや高めとな状化を促進する特性」

る 950℃で 3hr 保持後に焼入れし（浸炭の熱履歴のみを冷間鍛造の前に通常実施される SA に関し，SCM420模擬した擬似浸炭処理），旧オーステナイト結晶粒の観察等の一般的な肌焼鋼の条件（以下，通常 SA）では，A1 ～を行った結果を図 7 に示す。SCM420 は混粒組織である

A3 変態点のフェライト + オーステナイト組織となる領域のに対し，ECOMAX®5 は均一な細粒組織であることが分20μmまで加熱したのち，長時間を要する徐冷を経て，炭化物を球状に析出させることで材料を軟化させる工程を取る。そ

φ14×21mmh0かる 10）。さらに ECOMAX®5 は 980℃の高温擬似浸炭で®
図 3 SA 材のミクロ組織の光学顕微鏡写真と硬さ（ピクラル腐食）〇 ECOMAX 1®
同様の実験を実施した場合でも整細粒を維持できることを◇ ECOMAX 4確認している。のため，部品によっては 12 ～ 24 時間程度の長時間処理®

△

ECOMAX 5□

SCM420hが必要となる［図 4（a）］。一方，ECOMAX® シリーズでは，ECOMAX® シリーズが SCM420 と比べて耐結晶粒粗大Compressibility

オーステナイトが生成しない A1 変態点以下での保持のみ化特性に優れる要因は，主に 2 点ある。1 点目は，Nb をで，徐冷を経ずに，例えば従来方法に対して 1/2 程度の適量添加することで，結晶粒界の移動をピン止めする Nb

処理時間でも炭化物が球状化して軟化する［図 4（b）］。

（初期ひずみ速度：0.008/sec）
炭窒化物を微細に分散させたことである。2点目は，高=(h0-h)/h0×100%

図1

SA 材の据込率と冷間変形抵抗との関係

Cr 成分とすることで，図 3 に示すように SA 材での層状
図 5 に ECOMAX®5 に対して上述の短時間条件の SA（以炭化物の形成を抑制したことである。この組織に起因し
図 4 SA 熱処理パターンの例

下，短時間 SA）を実施したときのミクロ組織と硬さを示す。
その組織は，球状化炭化物が均一分散した状態であり，通80HRB

常 SA に近い硬さにまで軟化していた。また，図 6 に示す〇 ECOMAX◇ ECOMAX®

ように，ECOMAX 5 の短時間 SA 材と通常 SA 材を冷間△ ECOMAX□

で据込みした際の応力 - ひずみ曲線はほぼ重なっており，

®
®
®

145

SCM420冷間鍛造性は同等といえる。
F2_図表
.docx

20μm

ECOMAX® シリーズが短時間 SA で球状化炭化物が均一

図 2 SA 材の限界据込率と割れ発生率との関係
図 5 ECOMAX®5 短時間 SA 材のミクロ組織の
図5 ‌ECOMAX®5短時間SA材のミクロ組織の光学顕微鏡写真と硬さ
光学顕微鏡写真と硬さ（ピクラル腐食）(b)SCM420（ピクラル腐食）

分散して軟化する理由は，現在も調査中であるが，汎用®

(a)ECOMAX 5

JIS 肌焼鋼に対して Cr を増量したことで，A1 変態点以下

77HRB

79HRBでの炭化物の固溶や析出挙動に影響を及ぼしたためと推定している 6）。
3）冷間鍛造 ‐ 浸炭プロセスでの焼ならし省略に寄与する「耐結晶粒粗大化特性」― ECOMAX

冷間鍛造後に焼ならしを行わずに浸炭する場合，浸炭時― ECOMAXの熱処理中にオーステナイト粒の粗大化が生じやすく，こ図3®
®

5 通常 SA 材
5 短時間 SA 材

20μm

SA 材のミクロ組織の光学顕微鏡写真と硬さ（ピクラル腐食）
図 6 冷間据込みによる真応力-真ひずみ曲線
図6

冷間据込みによる真応力-真ひずみ曲線（φ8×12L，ひずみ速度10/sec）
図 6 （φ8×12L，ひずみ速度10/sec）
冷間据込みによる真応力-真ひずみ曲線（φ8×12L，ひずみ速度 10/sec）

図 4 図4SA SA熱処理パターンの例
熱処理パターンの例
80HRB

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部品製造における工程省略・簡略化に寄与する高強度肌焼鋼ECOMAX®シリーズ

昇温中にフェライト再結晶粒が均一となり，その後の逆変1） 藤松威史，中崎盛彦，福本信次，山本厚之：鉄と鋼，態オーステナイトの粒径も均一となることで，混粒が生じ
5）にくくなる 。

95（2009）,161.
®

以上の理由から，ECOMAX シリーズは何れも優れた耐

2） 中名悟，後藤洋昭，西川元裕，常陰典正：山陽特殊製

結晶粒粗大化特性を有するため，冷間鍛造後（浸炭前）の

鋼技報，19（2012）1,38.

焼ならし省略に加えて，高温 - 迅速浸炭への適用も期待で
F2_図表 .docx
きる。
(a)ECOMAX®53） 山陽特殊製鋼技報 , 28（2021）1, 62.
4） 丸山貴史，藤松威史，常陰典正：山陽特殊製鋼技報，
22（2015）1,21.

(b)SCM420

5） 藤松威史，橋本和弥，平岡和彦，福本信次，山本厚之：
鉄と鋼，95（2009）,169.
6） 松尾健太 , 常陰典正：材料とプロセス , 34（2021）2,471.
7） 山陽特殊製鋼技報 , 22（2015）1, 54.
100μm図7図78） 山陽特殊製鋼技報 , 23（2016）1, 74.

ECOMAX®®5 と SCM420 の旧オーステナイト結晶粒‌ECOMAX
5とSCM420の旧オーステナイト結晶粒
光学顕微鏡写真（飽和ピクリン酸腐食）

9） 藤 松 威 史 , 丸 山 貴 史， 中 崎 盛 彦： ま て り あ , 56

光学顕微鏡写真（飽和ピクリン酸腐食）（2017）2, 79.
10）山陽特殊製鋼技報 , 26（2019）1, 65.

4．おわりにF2_図表 .docx
当社が開発した肌焼鋼 ECOMAX® シリーズは，Ni，Moに頼らない省合金設計でありながら，ギヤ等，駆動系部品®

(a)ECOMAX 5(b)SCM420に要求される高強度特性と，優れた部品製造性を両立した鋼材である。こうした特長から ECOMAX® シリーズは，
図8

ニアネットシェイプによる機械加工の簡略化，冷間鍛造前ECOMAX®シリーズによるギヤ・シャフト部品の製造工程の省略・簡略化の例

SA の簡略化や冷間鍛造後の焼ならし省略，高温 - 迅速浸炭への適用といった工程負荷軽減への寄与（図 8）を通して，カーボンニュートラルの推進に貢献することが期待できる鋼材と考える。

100μm

図7

図8ECOMAX®5 と SCM420 の旧オーステナイト結晶粒
光学顕微鏡写真（飽和ピクリン酸腐食）®
®
シリーズによるギヤ・シャフト部品の製造工程の省略・簡略化の例
ECOMAX
図8 ECOMAX
シリーズによるギヤ・シャフト部品の製造工程の省略・簡略化の例

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工程省略につ な が る 材 料 技 術 特 集

参考文献て，冷間鍛造時に不均一ひずみが抑えられることで，浸炭