第39回ものづくり基礎講座 2014年7月30日
東北大学 正橋直哉

鍛造の基礎
ものづくり基礎講座（第39回技術セミナー）『金属の魅力をみなおそう 第二弾 プロセス技術編 第二回』

東北大学金属材料研究所
正橋直哉
masahasi@imr.tohoku.ac.jp

2014. July 30 14:05~14:35

クリエイション・コア東大阪 南館3階 技術交流室A

様々な鍛造製品

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第1回 圧延』
2014. June 5 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

日本鍛造協会HPより

1

第39回ものづくり基礎講座 2014年7月30日
東北大学 正橋直哉

鍛造の歴史

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第1回 圧延』
2014. June 5 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

6000年前エジプトやメソポタミアで金、銀、銅などを鍛造

5500年前

メソポタミアで鋳型や銅の斧が出土

4000年前

火を使い鉄を製造し、小アジアで鉄の鍛造が始まる

2500年前中国に鉄製農具が普及

弥生時代後期倭鍛治（やまとかぬち）が鉄鍛造品を製造

４世紀

百済から鍛造技術者の韓鍛（からかぬち）卓素が来朝

７世紀前半

韓鍛冶は集落を造り、韓鍛冶百島など127人に姓を賜る

８世紀前半

武器、鍬、斧、小斧、鎌、金箸等の鍛造品製造

平安期以降

鋏、包丁、剃刀等の日用具や武器の製造技術が発達

農工具

鍛造加工の現状

日用具

武器

倭鍛治とは：古事記、日本書紀などに日本最初の鍛冶として現れるのが天目一箇神（あめのまひとつのかみ）、一名天津麻羅（あまつまら）で，鍛冶の祖神といわれその子孫を称する。
韓鍛冶とは：応神天皇のとき，百済から学者和邇（わに）とともに韓鍛（からかぬち）卓素（たくそ）が来朝し(古事記)、この帰化系の鍛冶を倭鍛冶に対し称する。

産業機械部品

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第1回 圧延』
2014. June 5 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

コスト低減から、精密鍛造の主流である冷間鍛造では、大寸法・複雑形状化と高強度化が課題だが、変形抵抗が大きく対応できない。熱間・温間鍛造は変形抵抗が小さいことから、プリフォームを成形し冷間鍛造で仕上加工を行なう（複合鍛造）。

2第39回ものづくり基礎講座 2014年7月30日
東北大学 正橋直哉

鍛造とはものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第2回 鍛造』
2014. July 30 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

鍛造加工はハンマと金敷、あるいは金型と金型の間で材料を圧縮することによって塑性変形させ、目的の形状に成形する加工を称する。金属を鍛造することで、溶解鋳造時にできた巣やポア等の欠陥を圧着し、結晶粒微細化により機械的性質を改善できる。

●

鍛造の主な特徴
１）

切削と違い素材が節約でき、目的とする形状近くまで成形加工ができる。

２）

鋳造時の空隙等の内部欠陥を圧着し、機械的性質のばらつきが少ない。

３）

再結晶組織を得ることで機械的性質を向上することができる。

４）

大型インゴットの加工が可能。寸法のばらつきが少ない。

鍛造業界の現状

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第2回 鍛造』
2014. July 30 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

3000

250

粗鋼 / 万トン

生産量 / 千トン

粗鋼

2000
1500
1000
500
05200

4150

32100

鍛工品占有率 / %5010080 85 90 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05

西暦

鍛工品占有率 / %

2500

6300

アルミニウム
鉄鋼

1990

1995

2000

20052010

西暦

国内鍛工品生産量は増加傾向にあり、2005 年は2007年実績は過去最高を記録。1970年の生産バブル期のそれを上回る。一方、事業所数、従業量は86万トンで、粗鋼生産量（9300万トン）の約者数は減少し、製造現場は繁忙を極めている。

1%だったが、現在、生産実績は約2％を占める。

生産量は増加しているが、多くのメーカーは十分な利益を確保しているとは言い難い。このため業界として、生産能力増強や技術力向上等に向けた設備投資、人材確保に向けた待遇改善等を行う余裕に乏しい。加えて、規制強化の問題もあり、経営環境は厳しい。
一般社団法人 日本鍛造協会鍛造業ビジョンより3

第39回ものづくり基礎講座 2014年7月30日
東北大学 正橋直哉

鍛造加工の分類

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第2回 鍛造』
2014. July 30 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

① 専用金型の使用による分類② 変形方式による分類

ハンマー等を使用

据え込み

上下型間で軸方向に潰す鍛造型が閉じた鍛造
自由鍛造

半閉塞鍛造
閉塞鍛造型鍛造

閉塞鍛造
コアドフォージ

鍛造用金型を使用

押出

遠心

前方押出

押出

後方押出型鍛造

前後方押出
ロール鍛造

素材を型中に満たして鍛造

一定断面の隙間から押出す

リングローリング

③ 温度又は素材の形態による分類

クロスローリング

液相あるいは固液複相

溶湯鍛造または半溶融鍛造
熱間鍛造

回転鍛造

ヘリカルローリング

1100～1250℃

スウエージング
回転圧縮鍛造温間鍛造

200～850℃

冷間鍛造

常温

搖動鍛造
転造

④ その他
粉末鍛造

特殊鍛造
日本鍛造協会HPより鍛造の種類

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第2回 鍛造』
2014. July 30 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

型鍛造

自由鍛造

回転鍛造

上型
鍛造ロール
下型

ハンマー
加熱素材
加熱素材

① 自由鍛造：加圧面が平面な工具を用い、素材表面を自由にしたままで圧縮する鍛造② 型鍛造：製品形状に彫った金型により素材表面の大部分を拘束しながら成形する鍛造③ 回転鍛造：回転ないしは搖動する工具を用いて成形する鍛造

4

第39回ものづくり基礎講座 2014年7月30日
東北大学 正橋直哉

様々な自由鍛造

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第2回 鍛造』
2014. July 30 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉鍛伸：円柱や角柱あるいは円筒の断面積を減らして長さを伸ばす加工

上金敷 据込：円柱を軸方向に圧縮し長さを縮める加工
h1
心金

展伸：四角ブロックの一方向の厚さを減じて直角な二方向に交互に伸ばして厚板を作る
d1

あてへし
w1

穴拡げ：円筒の肉厚を減
じ直径を拡大する加工

馬台

w2

h1

h2h2

d2

馬台

冷間鍛造

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第2回 鍛造』
2014. July 30 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

高い変形抵抗のため加工機械や工具強度の制約があり小部品に限る。適用できる材料は限られるが、酸化膜を生成せず潤滑が効くため、表面が清浄で寸法精度が高い
細長い棒や線材の一端をすえ込む

素材を軸方向から圧縮し高さを減少し断面積を増やす

据え込み

コイニング

ヘッデイングパンチの進行と材料の流出方向が反対

パンチの進行と材料の流出方向が同じ

前方押出

凹凸のついた１対の型で圧縮し型の模様を材料に写す

後方押出

二つの押出しを同時に行う

複合押出5

第39回ものづくり基礎講座 2014年7月30日
東北大学 正橋直哉

鍛錬成形比

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第2回 鍛造』
2014. July 30 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

鍛伸成形比：鍛造の加工度で、鍛造後の材料の断面積・長さを、鍛造前の材料のそれで割った値
鍛錬作業
実体鍛錬
径を小さくして長さを伸ばす

鍛錬成形比
断面積
a

断面積
Al/Ll

LA/a

据え込み鍛錬l/L

長さを圧縮して径を太くする

L

展伸鍛錬

TtLl

主として幅を広げる

中空鍛錬
内径一定で長さを伸ばすl(t/T)(l/L)
断面積
a

断面積
A

穴拡げ鍛錬
D

長さ一定でない外形を拡げる

Cl/Ll

L
dA/ac

(D-C)/(d-c)

「鍛造品」のうち鍛伸成形比が一定以上の値のものを「鍛鋼品」と称する。

据え込み加工による変形

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第2回 鍛造』
2014. July 30 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

型と素材間に摩擦がないか小さい時変形抵抗という軸方向にだけ 応力 が作用（単軸圧縮応力状態）する。断面積が増えても材料を横方向に動かす抵抗がなく、据込み品の平面図は元の平面図と相似形になる。
型と素材間に摩擦がある時端面は変形できず圧縮方向に素材が押し込まれて側面が樽形となる。長方形断面の素材の場合、長辺の向きに流動する応力よりも短辺の向きに流動する応力が小さい。

6

第39回ものづくり基礎講座 2014年7月30日
東北大学 正橋直哉

据え込み圧力

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第2回 鍛造』
2014. July 30 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

荷重応力

素材扁平度の増加と共に急上昇変形と共に素材は加工硬化し応力増加工具の変位

対数歪み

型と素材との間に摩擦が作用する場合の円柱の据込み圧力は、次式で求める。

P  Y  (1 d)3h

Y：変形抵抗、：摩擦係数、d：素材直径、h：素材高さ

d/hが小さい時は摩擦の影響は小さい☞

端面の影響が小さい

d/hが大きい時は摩擦の影響は大きい☞端面の影響が大きい

バレリング変形とはものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第2回 鍛造』
2014. July 30 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

領域1：端面は拘束され摩擦により変形が妨げられる

h1

d1

領域2：領域1に押し込まれて強圧縮を受ける

領域3：領域2が圧縮変形を受け自由端面が半径方向外側に拡がる①

h1/d1<2の素材を据え込み鍛造する時に、素材がたる型に変形することをバレリングと称する。

② h1/d1>2の素材ではたるが二個垂直に配置したダブルバレリングとなる☞

バレリング材では材料内部の歪が不均一だが、中心部の鋳造欠陥消滅に有効7

第39回ものづくり基礎講座 2014年7月30日
東北大学 正橋直哉

加工歪み量

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第2回 鍛造』
2014. July 30 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

引張試験（単純引張力応力状態）で得られる変形抵抗はひずみ0.5程度以下で、鍛造に必要なひずみ2～4に及ばない。小さいひずみのデータで大きいひずみの変形抵抗を外挿することは誤差が大きく危険である。

公称歪n L        (1)
L0

LLdL'
 ln( )         (2)'LL0L0

真歪  t  

5.0
4.5

引張
圧縮

4.0
3.5
1.35L0

1.2L0

1.5L0

真歪みL0

破断3.02.5

引張は50%の変形で歪は0.42.0程度だが、圧縮は0.7になる

1.5
t=0.18

t=0.30

t=0.40

1.00.50.0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

L00.8L00.5L0

試験片の変形量

0.1L00.3L0

圧縮の変形抵抗は難しいt=0.22

t=0.69t=1.20

t=2.30

変形抵抗を求める

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第2回 鍛造』
2014. July 30 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

炭素鋼の変形抵抗

変形抵抗/硬さ

2500

12

変形抵抗 Y / MPa

2000

150
100

S50C

S50C, Hv=185

変形抵抗 Y

平均変形抵抗 Ym

50

10S40C , Hv=170

変形抵抗 Y / 硬さHV

200

S30C , Hv=143

1500
1000

S20C , Hv=120500S10C8S20C6AlS40C
S30C42S10C , Hv=105000123400123対数ひずみ 対数ひずみ 4501234対数ひずみ 12① 引張試験で得る変形抵抗はひずみ0.5以下で、鍛10変形抵抗 Y / 硬さHV

変形抵抗 Y, 平均変形抵抗 Ym / MPa

Alの変形抵抗
A1070 (99.73%), Hv=18.5

造に必要なひずみ2～4に及ばない。

8② よく潤滑したd/h>0.5の円柱据込みにおいて、据6回帰曲線

込まれた試験片の外径を削りながら、d/h>0.5に保4ちながら、据込み試験を行い変形抵抗を求める。

2③ 変形抵抗は初期硬さで割るとほぼ同じとなる。

001234④ 硬さから変形抵抗を概算することができる。

対数ひずみ 8第39回ものづくり基礎講座 2014年7月30日
東北大学 正橋直哉

型鍛造の成型過程

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第2回 鍛造』
2014. July 30 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

型鍛造は製品形状に彫った金型間に素材を押しつぶして成形する鍛造で、ばりができる。半密閉型鍛造の成形過程を示す。
① 円柱を据込む場合、予備成形したプリフォーム(preform)を加工する。
② 型の接近と共に材料は据込まれて型穴の隅々へと徐々に充満する。
フラッシュバンド③ 余った材料は狭いフラッシュランド(ばり道)を通ってガター(ばり溜り)に逃げる。
④ フラッシュランドは材料のガターへの流出にブレーキをかけて材料の型への充ガター満を促進する働きをし、ガターは広いばりの形成による荷重の著しい増大を防ぐ。

鍛造の代表的な割れ
表面割れ

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第2回 鍛造』
2014. July 30 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

中心割れ

かぶりきず

S1
S1

①表面割れ：据込比がその材料と温度に対して過大なとき、たる形に膨んだ自由表面の円周方向に発生する2次的引張り応力(Sl)により生じる。
②中心割れ：円柱を平金敷を用いて鍛伸するとき軸心部に生じる割れで、軸心部には大きな横方向の引張り応力S1が生じるのみならず、そこにひずみが集中するためにボイドが発生し、結晶粒界が緩んで割れる。
③かぶりきず：角柱の鍛伸の際、角半径Rの小さい金敷を用いて1回の押込み量を大きくとり過ぎると、前段階でできたシャープで深い段差が折れ込んで生じる。

9第39回ものづくり基礎講座 2014年7月30日
東北大学 正橋直哉

型鍛造における欠陥

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第2回 鍛造』
2014. July 30 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

R不足

材料がR部を回り込んで流動する

かぶりきず発生R不足

材料が金型に充満した後に薄いウェブがさらに圧縮され、材料がシャープな隅部でリブ底をせん断してできたしわきず

リブ内に材料が流入する際に、ウェブが薄いためリブの反対側に生じたひけきず曲げを伴う円柱の圧縮

曲げモーメントMP･sinP

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第2回 鍛造』
2014. July 30 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

圧縮応力ys1+rs2

P･cos

n1d

トータルの応力Ols

曲げによる応力=n
中立面曲げモーメントMP  cos  P  cos            (1)AAM  ( P  sin )  l           (2)
横断面により生ずる曲げモーメントs sy
曲げにより生ずる軸歪み
  1 2            (3)n  n1 r
垂直成分による圧縮応力Ey          ( 4)rEyE  lz)  dA  y 
微小面積dAに作用するモーメント M   (     (5)rrMy(5)式を(4)式に代入
          ( 6)lz

曲げにより生ずる応力  E 

曲げにより生ずる応力は中立面からの距離yに比例し、最外周で最大の引張応力が、最内周で最大の圧縮応力が発生する。

10

第39回ものづくり基礎講座 2014年7月30日
東北大学 正橋直哉

座屈をおこす荷重

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第2回 鍛造』
2014. July 30 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

座屈：圧縮荷重を受けて上下の軸心がずれて斜めに押し潰されるか、弓なりに曲がる変形荷重P変位  tan 

微小角における三角関 数近似yln  n1  r  d  dx           (1)微小角における近似
偏心量e

xdy
          ( 2)dx

1dd d 2 y          (3)r n  n1 dx dx 2d2y
  M           ( 4)dx 2
M  P  (   e  y)      (5)(3)を前ページ (5)式に代入
曲げモーメントE  lz 

たわみが無限大になる 条件から座屈をおこす 荷重Pcrは円柱の一端が固定で他 端が自由曲げモーメントM

ys1s

両端とも自由端rs2
n1

両端とも固定端dO2  E  lz
          ( 6)4l 22
  E  lz
Pcr           (7)l2
42  E  l z
Pcr           (8)l2Pcr たわみに関する微分方程式 (5)からたわみ曲線を求め、たわみが無限大になる条件から座屈を起こす荷重Pcr（限界荷重、オイラーの荷重）を算出

n
中立面
曲げモーメントM

鍛造における潤滑

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第2回 鍛造』
2014. July 30 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

【潤滑の目的】① 高温・高圧下でも、型と鍛造品が凝着せず、健全な塑性流動を促進② 型および鍛造品が傷つかないように保護【潤滑剤の条件】① 型と鍛造品とが凝着しないために、潤滑剤は型および鍛造品とは異質。
② 潤滑剤が型と鍛造品との間に存在するために、型または鍛造品に強く固着。
③ 熱間鍛造に使われる潤滑剤は鍛造品を型から早く外す（離型剤）。
0.06

ダイ

摩擦係数 

パンチ

0.04

潤滑剤A
潤滑剤A

0.02

00

潤滑剤
油は摩擦抵抗が低く、鍛造品表面に空間を設けて油を封入することがある。

50100

150

200

温度 T
高温になるほど潤滑剤が変質しない限り、摩擦係数は低くなる。

11

第39回ものづくり基礎講座 2014年7月30日
東北大学 正橋直哉

金型材料の選択

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第2回 鍛造』
2014. July 30 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

強度は鍛造圧力より強く、熱間鍛造であれば高炭化物量を低減した高靭性ハイス高Cr, V, Mo

温強度を考慮。焼入れ温度は高温強さ重視なら高めに、靭性重視なら低めに設定する。
① 炭素鋼を主体に合金元素を添加② MoやWを多量に添加し炭化物により硬化。

Mo増加

・冷間用：焼入・焼戻し温度を低くして靭性確保
・熱間用：ダイは高靱性をハンマは高強度材使用
・精密用：圧縮耐力やヤング率の高い材料使用

温・熱間鍛造金型の選択基準

表 温・熱間鍛造金型の損傷減少と寿命改善における検討項目
損傷現象

金型材料の必須特性

熱処理・表面処理

鍛造条件・型設計・型製作

摩耗（熱影響大）

高温強さ

窒化、焼入温度アップ

金型冷却、潤滑強化

摩耗（熱影響小）

靱性、炭化物

表面処理、設定硬さアップ

金型潤滑強化、高硬度入れ子

ヒートクラック

高温強さ、靱性

冷却速度・設定硬さアップ、窒化最適化

金型冷却、金型潤滑強化

窒化層剥離（肌荒れ）

窒化最適化、高温強さ

窒化最適化

エロージョン
大割れ

金型冷却、金型潤滑強化
金型潤滑強化、ガス抜道追加

靱性

冷却速度アップ、設定硬さ・焼入温度ダウン

金型予熱、金型表面形状、金型分割

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第1回 圧延』
2014. June 5 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

御清聴有難うございました24

12