ISSN0913-

The Japan Research and Development Center for Metals

財団法人

金属系材料研究開発センター

2010.3

No.281TODAY

材 料 科 学・素 材 産 業 で のもう一 つのグ ロー バ ル 化

学校法人
副総長

新素材開発に不可欠な人材は、「新奇性の探求心旺盛な人材」であるが、このような探究心の高揚には「ドーパミン」が、脳にある「受容体」と呼ばれる部分に結合しなければならないが、高木美也子（日本大学教授）の研究で、ドーバミンが結合する受容体に長さの違う三つのタイプ（長、中間、短）があり、民族により異なる事が解明された。
南北アメリカ大陸に住む民族は、長いが約 50％、東アジア、南アジアに住む民族は、長いがたった２％、日本人では、長いが殆んど皆無でほぼ全員が中間であるとの調査結果である。
長い受容体を保有する南北アメリカ大陸に住む民族は、刺激を求める衝動が強く、十分な情報が無くても、決断してしまう大胆な気質であり、結果的に、新奇な事に挑戦する可能性が大きい。一方、短い受容体を保有する日本人を始めとするアジア人は、長時間、集中し、自分で起業するよりは、既存の生活に満足し、現状に満足し、挑戦の可能性が小さいかも知れない。
昨年、文部科学省でも、国際化拠点整備事業（グローバル 30）を発足させた。主な目的は、選ばれた 30 の大学で、多くの留学生の受け入れ体制の整備を支援して、留学生と切磋琢磨する環境の中で国際的に活躍できる高度な人材を養成する事である。限られた財政支援での体制整備は大変である。本学だけでも 2020 年には、4,000 名の留学生の受け入れ体制の整備を始めている。
しかし、この「グローバル 30」事業が、「大変」で終わらせるのではなく、米国のような多様な人種（即ち、新奇性追求遺伝子ドーバミンが結合する受容体に長さの違う留学生）を受け入れ、素材産業だけでなく新しい産業で国家を支えるきっかけにすべきである。日本企業がグローバル化に必要な人材像を各業種が明確にして、産業界が積極的この事業を支援すれば、日本産業の活性化に寄与すると思う。日本の素材産業では、新奇性追求遺伝子の受容体の長い民族が研究開発に携わってくれるようなメカニズムを作ることが、もう一つのグローバル化ではないか？

立命館

村上正紀

20 世紀が終わりに近づく頃から、わが国では、「グローバル化」が日常些事に用いられ、今では、「つるつる言葉」（使われ過ぎ、擦り切れた言葉）と化している。しかし、材料科学・素材産業でのグローバル化とは「何か」を真剣に考える時期である。
素材産業では、原料・燃料の輸入国の拡大、市場の海外展開でのグローバリゼイションがグローバル化として一般に用いられているが、もう一つ違った観点でのグローバル化が日本の素材産業の生き残り・活性化に必要と思われる。
ここ 20 年近く、アジア諸国を始めとした開発途上国の人口増加と生活水準の向上は顕著であり、エネルギーのみならず、あらゆる物資の消費が、年々、増加し、今世紀の終焉には、地球上の資源の枯渇が懸念されてきている。特に、地下資源を殆ど有しない日本が、21 世紀でも、ものづくり大国として世界に君臨するためには、ものづくりの基盤となる高品質の新素材の開発が不可欠である。
新素材開発には、もはや希少元素を用いる事は出来ない。希少元素不在での素材開発は容易ではない。「探求心旺盛な人材」の出番であるが、日本人は一般的には、挑戦には不得意な国民と言われている。「遺伝子的に日本人とは？」を考えてみる。
人間の気質（新奇性の探求、危険回避、報酬依存、粘り強さ）は、Cloninger のモデルによると、「アドレナリン」「セロトニン」「ドーパミン」といった神経伝達物質の活性の高低によって決定される。即ち、人間は生まれながらにして、人間の気質、個性、行動、価値観、生き方が遺伝子的にほぼ決定されるとのことである。希少元素不在の1

JRCM REPORTNEDO「鉄鋼材料の革新的高強度・高機能化基盤研究開発」
における先端的制御鍛造技術の開発サブグループの活動 (2)五十川 幸宏 （先端的制御鍛造技術開発サブグループリーダ）
TEM オーステナイJ(M)

SEM

トD
50Pm

(a)
平均粒直径(nm)はじめに自動車などの軽量化・燃費改善のための鍛造部品の更なる高強度化が求められている。本研究開発では、鍛造部材の軽量化と加工性 ( 成形加工性と切削性 ) を両立させるた
めに、VC 析出強化をベースにした化学成分の最適化 ( 合金設計 ) と加工熱処理条件の最適化 ( プロセス開発 ) を行い、図 1 に示す部品例のよ
うに、同一部材内において高強度部（降伏強度 1000MPa 以上）と軟質部（降伏強度 900MPa 以下）を部位ごとに作り分ける傾斜機能付与技術を確立して、鍛造部材の軽量化と加工性の両立を図る。また、(b)

図250nm相界面析出VCの定量化技術の確立
1086420 110973K
923K
873K
102103
保持時間 (s)104

JRCM NEWS No.281873K

923K

1023
10221021 110973K
102103
保持時間 (s)104VC相界面析出の定量化と強化量最大化原理
図 2 VC 相界面析出の定量化と強化量最大化原理

2.2 相変態制御による析出強化量最大化
V 添加 S45C 材をオーステナイト域まで加熱後、50%圧縮加工し、所定の温度まで制御冷却した後、等温変態させた材料のビッカース硬さを図 3 に示す。S45C の無加工材の高温での強度の低下は、50HV 程度であり、0.3wt% V 添加による析出
強化量約 200HV と比較すると小さ

図 1 傾斜機能付与部品例
図1 傾斜機能付与部品例

1024

Ｖ添加中炭素鋼での相界面析出VCの定量化

2. VC 析出制御による高強度化
2.1 VC 相界面析出の定量化技術の確立と強化量最大化原理の解明
VC の相界面析出挙動の解明には
中 炭 素 鋼 S45C を 基 本 組 成 と し て0.1%、0.3%、0.5wt% V を添加した合金を用い、添加した全 V 量が完全固溶する温度においてそれぞれの試料をオーステナイト化した後、723 ～ 973K で 等 温 変 態 さ せ た。

高強度化による減肉

VC分布の定量化
・平均粒径・粒子数密度・析出量

VC

フェライト
J(M)

部材の特定部位を造り分けるためには、多数工程にわたる鍛造加工工程において、狙いとする強化部位の温度、ひずみ、ひずみ速度、冷却速度などの加工パラメータの変化と組織を予測可能な FEM ベースのバーチャルラボシステムを構築し、部材の強度予測を行う。今回は、制御鍛造サブグループにおける本プロジェクトの研究の狙い（JRCM
NEWS No.265 参照）に対して、その後の約 3 年間の進捗とその成果の一部を紹介する。

降伏強度<900MPa)

D
フェライト

図 2(a) に 示 す よ う に、973K で の変態途中で焼き入れた V 添加鋼のSEM/EBSD/FIB および TEM 観察を複合的に組み合わせた組織解析手法を確立し、VC 粒子の数密度、粒径分布および VC の体積率を定量的に評価することができる。図 2(b)に 873、923 お よ び 973K 変 態 材
での VC 粒子の (a) 平均粒直径、(b)粒子数密度を示す。変態温度が低下 1す る ほ ど VC 粒 子 サ イ ズ が 減 少し、数密度が著しく増加する傾向がみられる。変態直後とその後の保持に伴う硬度変化との比較により、微細な VC を高密度で析出させることで硬度上昇量が最大化し、V添加量の増加により同一熱処理条件においても VC 析出の粒子密度が高くなることが確認され、降伏強度1000MPa を越える高強度化のための最適な保持温度と時間が明らかにされた。

降伏強度>1000MPa

オーステナイJ(Mト

粒子数密度 (m-3)

1.

2

く、V 添加鋼の強度確保には析出強化による制御が効率的であることを示している。V 添加鋼の無加工材
では高温保持で明らかに析出強化量が減少しているが、加工付与により変態が促進されることで保持時間を短縮することが可能となり結果として VC 析出物の粗大化が抑制されたためであると考えられる。
3. 高強度化・傾斜機能付与のための合金設計・プロセス開発
3.1 大型・中型・小型部品における高強度化・傾斜機能化の考え方
ＶＣの相界面析出による強化機構の活用ルートとして、(1) 大型部品想定として、低温での加工（＋保持）を加える強化・軟化ルート、(2) 中型部品想定として、加熱温度差を利用した強化・軟化ルート、(3)小型部品想定として、低温保持による強化・軟化ルート、の３ルートの500

ビッカース 硬 さ

大同特殊鋼㈱S45C+0.3wt%V

400

加工材

300

無加工材

200

S45C

100
0580

600620640660680

変態温度（℃）
3 加工後の相変態制御による
図3 図
加工後の相変態制御による
析出強化
析出強化2

強化部

1200

本研究では再結晶・粒成長、VC固溶・析出、相変態といった冶金現象を予測可能な各モジュールを開発し、それらのモジュールを有機的に連携させることで、V 添加中炭素鋼を鍛造する場合のビレットの初期加熱時から鍛造部品の組織、強度分布を一貫してシミュレーション出来るシステムを構築する。

γ域粗大VC析出の回避(冷却制御)

VC固溶

温度 (℃)

1000

加工誘起による相界面への動的微細析出

VC固溶開始制御鍛造による結晶粒微細化

800

600

VCs粗大

通常の熱間鍛造ﾌﾟﾛｾｽ
新制御鍛造ﾌﾟﾛｾｽ(強化部ﾌﾟﾛｾｽ)
F

微細VCs

VC析出ﾉｰｽﾞとγ/α変態ﾉｰｽﾞの同期s

時間

図4

図4

大型部品想定の開発プロセスイメージ

大型部品想定の開発プロセスイメージ

強化機構の開発を行い、実験室規模
では、それぞれの想定部品に対する降伏強度が 1000MPa を越える高強度化と 900MPa 以下の軟質部を得ている。
(1) のルートの研究では、図 4 に示す強化したい部位のみを低温で加工付与することにより、VC 析出の核を多量に作り、その結果変態が促進され、同時に生じる相界面に超微細な VC を析出させて強化することを狙いとする。大型部品の傾斜機能化の方法として、軟質部は、高温にて成形後徐冷を行い、高温で変態させることで、粗大な VC を析出させ、析出強化量を抑えて強度上昇を抑制し、機械加工性を確保する。
鍛造用非調質鋼として用いられる S40VC の V 添加量を 0.45wt%とした材料を用いて、図 4 に従うプロセスを模擬した横打ち圧縮試験を行い、引張試験で得られた降伏強度を図 5 に示す。当初の予定通り中間目標値を達成しており、VC 析出による高強度化のメタラジー的解析を進めている。
(2)､ (3) のプロセスでは、加熱温度差付与技術により同一部材での高強度化部位と軟質部を作り分けることに特徴がある。(2) では、V添加量が 0.15wt%を超えると強化の程度が飽和するという課題に対して、VC の析出温度と変態を同期

降伏強度 /MPa1100

強化部目標させるような冷却条件を見出すことにより、V 添加量に比例した VCの相界面析出を最大化させ、降伏強度が 1000MPa を越える高強度化レベルを達成している。(3) のプロセスでは、中炭素鋼の主要な組織であるパーライトのラメラ間隔を狭めることによる強化とラメラ間隔中のフェライトへの VC 相界面析出強化法により、1000MPa を大幅に越える降伏強度を達成している。
3.2 プロトタイプの試作研究
これまでに開発した３つの高強度化プロセスを実用化するための研究として、それぞれの加工ルートについてプロトタイプ部品を試作研究する、実プロセスに近い条件での性能評価を進めている。プ
ロトタイプ試作に先立ち、加工条件に適した鍛造プレス、素材ビレットの高周波加熱装置、加工前後の制御冷却装置を導入済みであり、平成 22 年度以降の実用化研究の準備は整っている。
4. 組織・特性分布を予測する鍛造プロセスのバーチャルラボシス
テム構築DEFORM
IN1䋺İ,İ䋬t䋬T䋬dVC䋬NVC䋬CX
IN2䋺dȖ t䋬T䋬TA3䋬VPhase䋬CX

IN3䋺 İ,İ䋬t䋬T䋬ȡ䋬dVC䋬NVC䋬CX

1000
IN4䋺T䋬dVC䋬NVC䋬CX

900
軟質部目標

800
580℃
600℃

700600低温加工なし図510%加工4.1 精査予測モジュール
図 6 は、市販のプログラムをベースに冶金現象の影響を盛り込んだ各種モジュールをサブルーチンとして取り込み計算をする全体のシ4ステムを示す。各モジュールでは、組織変化を支配する各種熱力学ならびに冶金学的支配方程式をすべて満たす解を理論的に厳密に求められる。
4.1.1 VC 固溶・析出予測モジュー
ル
本モジュールは (1) 析出物溶解モデル、(2) オーステナイト域析出モデル、(3) フェライト・パーライト
変態時相界面析出モデル、(4) フェライト域析出モデル、の 4 モデルから構成される。中炭素鋼での VC
析出モジュールは、①析出現象の物理に基づいたモデルであること、②析出強化量の評価に必要な析出量、密度、サイズが出力できること、③析出サイト（γ粒界／粒内、初析フェライト中／パーライト中）ごとの析出挙動の違いを考慮できること、④加熱冷却時の連続的な温度変化の中での析出を取り扱えることが必要である。このような条件を満たすモデルとして、バルク材での析出現象を扱う際に利用される N モ
デルをベースとして開発を行った。

䋨User subroutine USRUPD䋩
T⸘▚ᾲ㑆ĺDEFORM䋺ıΣ ᾲ㑆ᄌᒻᛶ᛫㪤ᄌᘒᾲㅒᄌᘒ ᄌᘒ⊒ᾲㅒᄌᘒĺᄌᘒ⊒ᾲ䋺ǻHΤ ㅒᄌᘒ㪤㸉 ౣ⚿᥏䊶☸ᚑ㐳㪤ㅒᄌᘒĺ⋧ᄌᘒ䋺
VPhaseㅒᄌᘒĺౣ⚿᥏䋺dȖǻHౣ⚿᥏ĺVC䋺ȡ 䋬ddȖ

ǻHౣ⚿᥏ĺ⋧ᄌᘒ䋺ȡ 䋬ddȖΦ 㪭㪚࿕ṁ䊶ᨆ಴㪤VCĺ⋧ᄌᘒ䋺dVC䋬NNVC

IN5䋺T䋬CX䋬Ȝ䋬dF⋧ᄌᘒĺᄌᘒᾲ䋺ǻHΧ ⋧ᄌᘒ੍᷹㪤⋧ᄌᘒ㸢㪛㪜㪝㪦㪩㪤䋺 ో䈩䈱ᄌᢙIN6䋺CX, VPhase, Ȝ䋬dF , dVC, NVC

Ψ ⚵❱㪄․ᕈ੍᷹㪤⚵❱ ․ᕈ੍᷹㪤Thermo-calc

YS
YS……

Post-processing user subroutine

図5 開発プロセスにおける降伏強度
開発プロセスにおける降伏強度࿑ ࡃ࡯࠴ࡖ࡞࡜ࡏࠪࠬ࠹ࡓߩ᭴ᚑ
図6
バーチャルラボシステムの構成

536

JRCM NEWS No.281

粒子密度

析出量
オーステナイト相界面
析出無オーステナイト
フェライト

図7相界面
析出有フェライト

フェライト中 VC 析出量の計算結果（600℃での計算結果）

図7 フェライト中VC析出量の計算結果（600℃での計算結
図 7 はフェライト変態を考慮認のために相変態予測プログラム
果）
し た 条 件 で S45C+0.3wt % V 鋼 のを作成し、ベース鋼である、S45C
873K 等温保持中の VC 分布を計算した結果である。オーステナイトおよびフェライト中での VC 析出のみを考慮した場合 ( 図中破線 ) では、フェライト変態後も連続的に析出量およびサイズが増加しているが、フェライト変態時の相界面析出を考慮すると ( 図中実線 ) フェライト生成に伴う不連続な VC 分布の変化を扱うことが可能である。
4.1.2 相変態予測モジュール
フェライトの核生成は均一核生成を仮定し、成長はパラボリックレイトコンスタントから計算し、粒径は核生成数とフェライト体積率から算出し、フェライト成長速度は Thermo-calc を 用 い た 熱 力 学 計算で平衡濃度を計算した。フェラ
イト核生成速度は等温変態実験で得られたフェライト変態時間から算出し、加工付与によるオーステナイト粒微細化による核生成促進の影響を考慮した。予測精度の確㪎㪇㪇と S45C+0.3wt% V 鋼について等温変態過程の計算を行った。変態完了
時間の計算予測結果と実験結果の比較を図 8 に示す。無加工材、加工材ともに実験値とよく一致した結果が得られている。その他、フェライト分率やフェライト粒径についても予測値と実験値とよい一致を示している。

74.2 材質予測 FEM 鍛造システム
解析システムは、精査モデルをもとに、使用パラメータの制限と、時間に対する偏微分定式化によって得られた簡易増分型予測式を用い、市販の有限要素による変形解析より得た負荷経路に沿った各種組織変化量を積算することによって組織予測を行う弱連成予測式群の簡易モデルを用いている。今年
度中にはベース鋼である S45C 鋼、
S45C+0.3wt% V 鋼のオーステナイト域加工後に冷却するという一般CL鍛造プロセスについて適用可能なシステムを完成予定である。
強度予測例として軸対称剛塑性解 析 に て、 大 気 温 度 30 ℃， 材 料
S45C+0.3wt % V 鋼 を 1200 ℃ で 均熱した状態から 1000℃まで放冷したのちにパンチ速度 200mm/s（等速）で黒鉛潤滑の条件下で前方押出加工し，その後室温まで放冷する条件で解析した。図 9 は変態終了後 70,110 秒経過したときの押出し縦断面右半分の (a)VC 析出量の変化と、室温での (b) 降伏強度分布を示す。降伏強度の実測値との誤差は約 +100MPa 程度であった。従来の低炭素鋼の材質予測は、圧延分野で進められ成果は報告されているが、本研究のような VC 析出を伴う中炭素鋼の熱間鍛造における組織・材質予測は例がなく、今後さらに変態時の潜熱の考慮、VC 析出モジュールの適正化、各モジュール間の連携強化により予測精度の向上を図る。
5.

おわりに
現在プロジェクトは、開始後約三年を経過し、革新的制御鍛造技術の研究開発の成否をにぎる F+P 組織で 1000MPa を超える高強度化に対して、実験室的規模ではあるが最終目標値を達成している。また、実用化研究に必要な設備等も導入済みであり、今後二年間のプロトタイプ部品の試作を通じて開発プロセスの有効性を実証していく。

CLCLᄌᘒቢੌᤨ㑆（MPa）830᷷ ᐲ 䋨㷄 䋩S45C+0.3wt%VടᎿ㪍㪌㪇ടS45CടᎿ
㪍㪇㪇

820

S45CήടᎿ
S45C+0.3wt%VήടᎿ

810

㪌㪌㪇
㪇㪅㪈

㪈㪈㪇㪈㪇㪇㪈㪇㪇㪇㪈㪇㪇㪇㪇㪈㪇㪇㪇㪇㪇ᤨ㑆㩿㫊㪼㪺㪀
図8800
冷却時間70.0s

冷却時間110.0s(a)VC析出率の変化(b)降伏強度

S45C+0.3wt%V添加鋼の前方押出し時のVC析出
図図99 S45C+0.3wt%
V 添加鋼の前方押出し時の VC 析出量と降伏 9量と降伏強度の予測 強度の予測

等温変態材の変態完了時間の計算と実験結果の比較࿑ ╬᷷ᄌᘒ᧚ߩᄌᘒቢੌᤨ㑆ߩ⸘The Japan Research and Development Center for Metals 発 行 2010 年 3 月 1 日▚ߣታ㛎⚿ᨐߩᲧセ
発行人 小紫正樹
JRCM NEWS ／第 281 号

発行所

財団法人 金属系材料研究開発センター〒 105-0003 東京都港区西新橋一丁目 5 番 11 号 第 11 東洋海事ビル 6 階

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