Report

ネットシェイプ＋ネットプロパティ
融合鍛造加工技術に関する研究
石川 孝司＊
T.Ishikawa

１．はじめに
鉄 鋼 材 料 の 熱 間 圧 延 に お い て は ， TMCP (Thermo Mechanical Control Process) 技術に代表されるように，材質制御技術が積極的に導入され，優れた延性を持った高強度鋼板（ハイテン）が製造されており，超微細粒鋼（スーパーメタル，超鉄鋼）の製造技術に関する国のプロジ
ェクトも 実施 され成果 をあ げている 1),2) ．鍛造の 分野 ではネットシェイプ加工技術の高度化により高精度鍛造品を効率よく製造できるような技術，環境を構築すべく研究が進められている．最近では形状・寸法ばかりでなく低コストで優れた材質の部品製造の要求が高まっており，いわゆるネットシェイプ＋ネットプロパティ成形をめざす時代になってきたといえる．コスト，リサイクルの面からも合金成分を変えることなく，製品の形状と同時に材質を造り分ける技術に対する期待は大きい．その実現のためには，材質予測技術の確立が不可欠である．平成
19 年度より NEDO のプロジェクトとして「鉄鋼材料の革新的高強度・高機能化基盤研究開発」が採択され，この中で制御鍛造による傾斜機能付与技術の研究がスタートしている 3) ．
塑性加工後の材質・機械的性質の予測手法は，熱間圧延・制御 圧延 の分野で 発展 してきた 4),5) ．ここで はほ とんどのモデルが Sellers 6) , 矢田ら 7) の研究をもとにしたものであり，結晶粒径などの組織をまず予測し，それをもとに機械的性質を求めるものである．圧延は，変形が定常で単純化できるので，ひずみ，ひずみ速度，温度等を材料内で一様と仮定して予測式は導かれているが，鍛造の場合には変形が非定常でひずみ，温度が大きく分布するので，取り扱いが単純ではない．しかし，熱との連成有限要素解析が実用段階に入りつつある現在では，鍛造加工における材質予測精度も向上するものと考えられる．
材料流動や型への負荷だけを考えるのではなく，加工後の組織，機械的性質もねらいをつけた新たな鍛造の工程設計，プロセス設計手法が完成し，部品全体が均一な，さらに進化して部分的に特性の異なる鍛造品ができるもの と 思 わ れ る （ 図 １ ）． こ こ で は ， 鍛 造 加 工 に お け る 材
質予測技術について述べる 8) ．

２．金属材料の強化機構

マテリアル理工学専攻

図1

部分的に材質を制御した部品の概念図

2.1 固溶強化
固溶強化は，侵入型固溶体あるいは置換型固溶体をつくる不純物元素を合金化してわざと点欠陥を作り，転位の運動に対する抵抗を高めて強化する方法である．

2.2 析出強化
転位運動の障害となる粒子（第２相粒子）を結晶中に分散させることによる強化機構で，第２相が固溶体から析出することによって形成される場合を析出強化，析出以外の過程（例えば酸化物粒子の形成等）で第２相が形成される場合を分散強化として両者を区別している．特に，析出強化は実用上の観点から重要で，超高張力鋼，アルミニウムおよびチタン合金における強化のほとんどは，この強化機構によっている．具体的には鋼の中に Ti（チタン），Nb（ニオブ），V（バナジウム）などの炭窒化物を細かく析出させて転位の移動を妨害することにより強化する．

2.3 結晶粒微細化強化
多結晶体の降伏強度σと結晶粒径 d の間には次式のホール・ペッチ（Hall-Petch）の関係があることはよく知られている．

材料の特性を造りこむ目的は，強靭化を図ることであり，材料を強化するということは，結晶のすべりに対す＊ 名古屋大学大学院工学研究科

る抵抗を高めること，すなわち転位の運動を抑制することである．その代表的な強化法として，固溶強化，析出強化，結晶粒微細化強化，変態強化，加工硬化などがある．鉄鋼材料の機械的性質は組織状態によって大きく変化し，非常に広範囲の強度レベルをカバーできる．これは他の金属材料に見られない鉄鋼材料の大きな魅力の一つである．それゆえ，用途に応じた性質を得るために，適切な合金元素や組成の選択に加えて，組織を最適に制御することが重要である．

教授- 38 -σ = σ0 + k d(2)結晶粒界は転位の運動を阻害する壁として働き，外力により活動した転位が結晶粒界に堆積する．結晶粒が細かくなると粒界密度が増加し限界応力も増加，すなわち降伏強度が増加する．この関係は結晶粒径がサブミクロンまで成立するといわれている．この結晶粒微細化のため多くの研究が行われ，微細化のための各種の方法が提案されている．
2.4 変態強化
炭素鋼は，図２に示すように冷却速度により様々な組織となる．変態強化は，高温からの急冷により，マルテンサイトのような微細緻密な組織を生成させ高強度化する機構 で あ る ． DP 鋼 は フ ェ ラ イ ト と マ ル テ ン サイト を共存させて強度と成形性を両立させた高強度鋼である．
図３

3.1

材質・機械的性質予測システム

動的再結晶Sellers，矢田らは鉄鋼材料 に対して，変 形中に材料内部のひず み(ε)がある限 界ひずみ(ε c )を越えた とき 動的再結晶が生じ，その限界ひずみは次式のようにピークひずみ(ε p )の 0.8 倍であるとした．

ε = 4.9 ⋅10 −4 ⋅ d o0,5 ⋅ Z f(2)εc = 0.8 ⋅ε p(3)p

図２

鉄鋼材料の変態組織

ここで，f は 0.15 から 0.175 までの C 量によって決まる値であり，d.は初期粒径，Z は Zener-Hollomon パラメータである．また，再結晶後の粒径は次式で決定した．

３．材質予測手法

d dym = 22600⋅ Z −0.27

図３は，材質予測システムの説明図である 9),10) ．塑性
変形（ひずみ）と温度の履歴が再結晶（動的再結晶，静的再結晶，粒成長），変態，回復，析出などの組織変化に影響し，結果としてそれが機械的性質に影響する．また，延性が不足する場所では割れなどの欠陥を引き起こすことにもなる．現在までに鍛造の分野でこの系を統合モデルとしてまともに解析した例は報告されていないが，いろいろな近似や手法を用いて予測しようという努力がなされている 11)-13) ．
Sellers， 矢 田 ら の 熱 間 圧 延 で 提 案 さ れ た 基 礎 式をベースとした方法について述べる．
図３に示す熱間加工中に生ずる様々な冶金現象を熱間加工シミュレータによる実験結果をもとに定式化し，熱間圧延の材質予測のために提案された予測手法を熱間鍛造に適用しようとするものである．そのまま非定常，不均一変形の鍛造に適用できるかどうかは実験との対応をとりながら確認していく必要がある．

(4)⎛ Q ⎞Z = ε ⋅ exp⎜⎟⎝ RT ⎠
そして，動的再結晶の割合を次式で表現した．
2⎛⎛ε − εc ⎞ ⎞⎜⎟⎟X dym = 1− exp⎜−0.693⋅⎝ ε 0.5 ⎠ ⎠⎝

(5)

ここで，

⎛ 6420 ⎞ε 0.5 = 1.144 ⋅ 10 − 3 d 00.28ε 0.05 exp⎜⎟⎝ T ⎠
3.2(6)

静的再結晶

静的再結晶は変形で導入された転位のほとんどが同時に消滅するプロセスであり，多くのモデルで次式のような Avrami 式が採用されている．すなわち，矢田らの式を例にとると再結晶率はn⎛⎛ t − t0 ⎞ r ⎞⎜⎟X st = 1− exp⎜ −0.693⋅⎟⎝ t0.5 ⎠ ⎠⎝- 39 -(7)ここで，0.5t 0.5 = 2.2 ⋅10 −12 S v ε& 0.2 ε −2 ⋅ exp(30000 / T ) (8)

Sv =

24
0.491eε + 0.155e −ε + 0.1433e−3ε ) (9)(πd0であり，nr=2 とすればよいがモデルによっては初期粒径，ひずみ，温度の関数とするものもある．このときの結晶粒径は，

dst = 5 /(Sv ⋅ ε)

0.6

3.3(10)粒成長

オーステナイト粒の再結晶により，変形によって導入された内部エネルギーのほとんどを放出するが，組織はまだ準安定状態であるため，高温状態では残留エネルギーにより粒成長する．

d = dst + 1.44 ⋅10 ⋅ t ⋅ exp(−Q / RT )23.4

212(11)

図４

材質予測システムのフローチャート

変態

一 般 に 鋼 の 変 態 は 炭 素 の 拡 散 に 律 速 さ れ る 核 生 成 -成長過程と考えられる．変態速度は，変態率を X とすると，核生成速度 I と成長速度 G が時間によらない場合，次式で書ける 7)．
311 ⎞4dx⎛= 4.046(k1 IS)4 ⋅ G 4 ⋅ 1n
⋅ (1− X )⎝ 1− X ⎠dt3(12)

ここで S は単位体積当たりの核生成サイト，k1 は連続冷却実験により決定される定数である．I と G を温度と成分の関数として表し，任意の冷却経路に対して変態量を計算する．
また，非調質鋼のように析出強化を利用する材料に対しては，析出現象の考慮も必要である．

3.5

図５４．制御鍛造計算手順

図 ４ に 計 算 の フ ロ ー を 示 す ． 各 計 算 式 を 増 分 表 現 14)にして，有限要素法により温度，ひずみ，ひずみ速度を
計 算 す る ． ひ ず み が 限 界 ひ ず み を 越 え た 領 域 に は 式 (4)～(6)を適用して動的再結晶の割合，粒径を計算する．越えない領域 は 式(7)～(10)により静的再 結 晶割合，粒 径 を算出する．この計算は微少時間ごとに行い，残留ひずみは次式で仮定し，再結晶が完了するまで繰り返す．

ε1+1 = ε(1× X st )制御鍛造の熱履歴

最近自動車部品に多用されている非調質鋼は，加工後に焼入れ，焼戻し等の熱処理を行う調質鋼に比べて強度や靭性が劣ることが以前より指摘されている．この問題に対して非調質鋼に加工熱処理 15) ～ 17) を適用することによりフェライト・パーライト型非調質鋼（以降 F+P 型非調質鋼と呼ぶ）は調質鋼なみ，またはそれ以上の特性が得られることが従来の研究により確認されている．鍛造と加工熱処理プロセスを組み合わせた制御鍛造により非調質鋼の強靭化が可能である． 制御鍛造の特徴は，鍛造
温 度 と冷 却 速 度 を コン ト ロ ー ル する こ と で （ F+P）組 織を微細化し機械的性質を向上させる点にある．その熱履
歴を図５に示す．Ar3 点以上，再結晶温度前後の温度域で鍛造を行いその後，制御冷却して（F+P）組織とする．
（F+P） 組織 を 微 細化 す る た め には ， 変 態 前 のオ ー ス テ
ナイト粒を微細化すること，転位密度の高い加工硬化オー ス テナ イ ト か ら （ F+P） 変 態 させ る こ と ， 冷却 速 度 を速めることである．この間，組織は鍛造によって微細化されたγ粒界および導入された転位が変態時に核生成サイトとして働き微細なフェライトが生成する．

(13)

そ の 後 ， 温 度 と 焼 入 れ ま で の 時 間 を も と に 式 (11)よ り最終的な粒径を計算する．
これら組織と粒径をもとに硬さ，引張強度，変形抵抗等の機械的性質が求められる．組織から機械的性質の予測は回帰式を用いている．

- 40 -

4.1

組織予測精度検証 18),19)

図６は鍛造工程の一例で，バナジウム非調質鋼を対象に２工程でスパイク形状に鍛造するものである．図７はその２工程終了後の微細組織の実測結果であり，白い部分がフェライト，黒い部分がパーライトである．完全に再結晶した微細なγ組織から変態したＡ部およびＢ部のF+P 組織は微細で，未再結晶から変態したＣ部の F+P 組織は粗い組織となっている．結晶粒径，フェライト分率などの計算結果（図８）は実測値とほぼ一致することが示され，硬さも図９に示すようにほぼ一致した．
図９4.2

計算結果と実測結果の比較

鍛造工程設計への適用 20),21)

図 10 にこの材質予測システムを利用した鍛造工程の設 計 事 例 を 示 す ． 図 (a)に 示 す 温 度 履 歴 に 対 し て ， 図 (b)に示す Process A，B の２種類の鍛造工程を設定し，その結果として得られる鍛造品の組織、特性を解析した．鍛造工程での違いは，第１工程が Process A ではすえ込みであるのに対し，B で押出しであることのみで，他は同じである．図(c)に予測した硬さ，降伏応力，絞りの分布を示す．図から明らかなように Process B の方がいずれの特性も製品内の分布が一様に近いことがわかる．このように本システムを温度履歴も含めた鍛造工程設計に使うことで，必要な所に必要な特性をもった鍛造品を造ることが可能である．

(a) 鍛造工程(b) 試験片形状の変化
図６ 鍛造工程

(a)

図７

温度履歴

各部位の微細組織（b）鍛造工程

図 10(c) 解析結果
鍛造工程設計への適用事例

５．

図８

まとめ鍛造における材質予測について現状の成果を述べた．
それぞれのモデルは適用範囲に制限があり，一般的な統一モデルにするにはまだ努力が必要である．材料面の予空冷後の組織予測結果- 41 -

測手法の確立が遅れているのは，塑性変形や温度の解析に比べ，冶金現象は影響因子が非常に多いこと，しかも影響の仕方が複雑でなかなか定式化しにくいことなどが主な原因である．今後，ソフトを含めた数値解析環境が急速に進歩していることから，鍛造の分野でも加工時の製品の形状・材料流動・応力分布だけでなく，加工後の機械的性質や組織も設計に組み入れた鍛造統合設計シス
テムの開発が進むものと思われる．それには，加工屋と材料屋が今以上に緊密に情報交換して討議を積み重ねなければならないと考える．

謝辞

本研究は，天田金属加工機械技術振興財団の研究開発助成（AF-1999006）の支援がもととなっており，財団に感謝致します．

参考文献
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