Report

冷間鍛造前処理としての中炭素鋼球状化焼なましの高能率化
土田 豊＊
Y.Tsuchida

熱処理終了後，試験片の長手方向の断面を研磨後，3%ナイタールで腐食し，光学顕微鏡および走査型電子顕微鏡を用いてミクロ組織を観察した．これらの試験片について ，98N の試 験力 でビ ッカ ース 硬さ の測 定を 行い ， 3点の平均として硬さ(HV)を求めた．
割れ発生限界への球状化焼なまし後のフェライト高温域加熱の影響調査に用いた素材のチェック分析結果をTable 2 に示す．いずれも圧延まま材であり，徐冷法による球状化焼なましを施した．この焼なましの条件は，2時間で 760℃（SCM435）あるいは 740℃（S35C およびS35CB）に昇温し，2 時間保持後に 10℃/h で 600℃まで徐冷した．600℃以下は炉冷とした．この球状化焼なまし材に 500～600℃で 10～30 分の後加熱を実施した．
このような素材を用い，素材の中心部より，直径 12mm，高さ 18mm の円柱状試験片を機械加工し，側面の長さ方向に切欠を設けた[4]．切欠底半径が 0.15mm，切欠角度が 30 度，切欠深さが 0.7mm である．
上記の円柱状の切欠付き圧縮試験片を用い，公称ひず
み速度 0.2%/s で圧縮試験を行なった．各圧縮工程の後に，切欠底部に沿った割れ長さを実体顕微鏡により測定した．
圧縮率と割れ長さのグラフを作成し，割れ長さが0.5mm[5]となる圧縮率を限界圧縮率（ε C ）とした．

１．緒言
冷間鍛造は効率的な生産プロセスであり，自動車用などの量産部品製造に多用されている．冷間鍛造用素材には，軟質化と加工限界との向上が必須であり，球状化焼なまし処理が施される．この熱処理では，化石燃料により十数時間の熱処理となるのが通常であり，コストばかりでなく環境の観点からも処理時間の短縮が望ましい．
セメンタイトの球状化焼なましは古くより研究されてきた．対象は共析鋼あるいは過共析鋼が主体であり，冷間鍛造用の亜共析鋼を主たる対象とする研究は多くない．
このような認識から，我々はフェライトの存在に注目した研究 を 実 施 し て き た [1]-[2]． さ ら に ， セ メ ン タイ ト の均一分散と処理時間の短縮を両立する目的で，加熱温度より粒状セメンタイト生成温度直上まで急冷保持する熱処理方法を提案している[3]．
本報告では，この熱処理方法を誘導加熱のような急速短時間加熱により実現することを念頭に，SCM435 鋼を用いて，加熱および等温保持の温度・時間の最適化と処理時間短縮の見極めを行った結果についてまとめている．
また，本報では，球状化焼なまし処理の後に，フェライト高温域での加熱を行い，割れ発生限界への影響を調査した結果についても報告している．

770-800℃
2-10s

２．実験方法
Temperature

実験に用いた JIS SCM435 丸棒の化学組成を Table 1 に示す．市販の圧延材（直径 13mm）であり，チェック分析値を示している．½r 部より，熱電対取付け穴を有する直径が 3.2mm，長さ 10mm の試験片を，長手方向を一致させて加工した．この試験片を，富士電波工機製
Formaster FⅡ試験機に取付け，Fig.1 に示す加熱冷却を実施した．熱処理中には温度および試験片長さの変化を連続的に記録し，変態の進行を測定した．

10℃/s
700-740℃
0-30min
10s
40℃/s

Time

Table 1 Chemical composition of the as-rolled SCM435 steel bar（mass%）
CSi

MnPS

CrMo

0.36

0.20

0.69

0.022

0.022

1.030.15

Table 2Figure 1 Heat treatment conditions.

Results of check analysis of chemical compositions （mass%）

SymbolDia.

CSiMnPSCrMo

S35C

14mm 0.36

0.19

0.73

0.020

0.022

0.12

<0.01 0.001 0.029 0.0032 0.0001

S35CB 26mm 0.34

0.25

0.81

0.032

0.020

0.14

<0.01 0.026 0.032 0.0032 0.0023

SCM435 27mm 0.36

0.79

0.79

0.022

0.017

1.150.15＊ 大同大学 工学部 機械工学科 教授- 43 -Ti

AlN

B

0.004 0.002 0.0114 0.0002

(3) 加熱温度の影響
Fig. 1 の熱処理条件において，加熱温度を 770，785，および 800℃に変化させ，5s 保持し，10℃/s で 730℃まで冷却し，10 分間保持後，40℃/s で冷却した．前者の冷却は放冷相当であり，後者の冷却は，未変態のオーステナイトからのマルテンサイト変態を意識した．
Fig.4 に，それぞれの膨張曲線をφ1 部で一致させて重ね書きしている．変態開始温度は加熱温度によらず同等である．また，加熱温度が高いほど，オーステナイト化が進み収縮が大きい．Fig.4 を用い，730℃で 10 分間の等温保持中に分解したオーステナイト量を求め，等温保持後に 残 留 す る オ ー ス テ ナ イ ト 量 を 試 算 し た ． 結 果を Fig.5に示す．加熱温度が高いと 730℃保持中のオーステナイト分解が進むが，等温保持後に残存するオーステナイト量も多い．730℃保持後のフェライト量を減少させるためには，加熱温度を極力低くすることが望ましい．

3. 実験結果
3.1. 急速加熱での短時間球状化(1) 急速加熱での変態温度の測定
1000℃まで 50℃/s で昇温し，熱膨張曲線により A C1 および A C3 を決定した．これらを，φ 1 およびφ 2 と呼ぶことにする．熱膨張曲線を Fig.2 に，変態温度を Table 3 に示す．φ 1 およびφ 2 とも 2 回の実験での結果はよく一致している．
900

800

900

700

800℃
785℃
770℃
Temperature (℃)

Temperature (℃)

#1
#2

600
20406080Dilatation

800730℃ holding
700

Fig.2 Results of dilatometric measurements for two specimens
Cooling

1000℃に到達後，50℃/s で冷却し，組織観察と硬さ測定を行った．ミクロ組織は全面ラス状のマルテンサイトを呈しており，硬さは 623HV であった．
(2) 短時間加熱でのオーステナイト化状況
Table 3 の結果を参考に，より 50℃程度低い 785℃に 10sで昇温 し ， 5s 間 保 持 し ， 40℃/s で 加 速 冷 却 し た．Fig.3
でのミクロ組織にはフェライトと推察される小領域が僅かに残っている．また，硬さも 599HV と上記の 623HVよりやや低い程度であり，フェライトの残存は余り多くないことが傍証される．

0#1

#2

Average

740745743

A fC3830835833

4060

Figure 4 Results of dilatometric measurementsfor various heating temperatures.
25

Measured transformation temperatures（℃）.
A Cf 1

20Dilatation

Amount of austenite (Arbitrary unit)

Table 3

heating
600

20

Retained at the end of 730℃ holding

15

105Decomposed by 730℃ holding
0760780

800

Heating temperature (℃)

Figure 5 Amount of austenite decomposed during isothermalholding and retained at the end of 730℃ holding.

α599HV(4) 等温保持温度の影響
Fig.1 の熱処理プロセスにおいて，加熱温度および時間を 785℃および 5s とし，その後の等温保持温度を 720～740℃で変化させた．
Fig.6 のミクロ組織で，保持温度 740℃と 730℃とを比5μFigure 3 A SEM image of the specimen cooled at 40℃/s
from 785℃ after holding for 5s.
- 44 -

(c)(b)(a)θα' (γ)α' (γ)

α

550HV

α

SEM images of specimens isothermally held at (a) 740℃ or (b) 720℃ for 10min.
標準条件とした 5s で十分である．
加熱により形成されたオーステナイトは，730℃の等温保持で初析フェライトに変態する．このフェライト生成量は，Fig.3 と Fig. 6(b)のフェライト量の差異程度であり，多くない．730℃で 30 分の等温保持でも未分解のオーステナイトが多量に存在し，その後の 40℃/s の加速冷却でマルテンサイトが多量に生成する．Fig.7 が示すように等温保持温度が 720℃になると，膨張量で示されるフェライト生成が短時間で進行するようになる．オーステナイ
トの分解には Fig.2 で求め Table 3 に示されているφ 1 より23℃以上低温化することが望まれる．
720℃で 10 分保持後に加速冷却したときのミクロ組織は Fig.6(c)に示されて いる ．初析フ ェラ イト，針 状セ メンタイトおよび塊状の残留オーステナイトからなる複雑な組織となっている．残留オーステナイトは 740℃等温保持の場合と同じく，等温保持後の加速冷却で未変態のオーステナイトであり，針状のセメンタイトも加速冷却中のものと考えることができる．740℃等温保持に比べて初析フェライトの生成が促進され，オーステナイト中への炭素の濃縮が進み，結果としてセメンタイトの生成可能温度が上昇したものといえる．等温保持での初析フェライト生成を一層促進し，オーステナイト中への炭素の濃縮が進めば，セメンタイト生成可能温度がさらに高温側に移行し，セメンタイトの粒状化が達成可能と推察される．
(7) 最適化プロセス条件
前節の考察に基づき，760℃に 5s 加熱し，素材のパーライト部分のみをオーステナイト化した．その後，710℃
あるいは 700℃で 10 分等温保持し，加速冷却した．ミクロ組織と硬さを Fig.8 に示す．710℃等温保持ではセメンタイトの粒状化が進んでいるもののオーステナイトが未だ残存しており，硬さも 312HV と高い．さらに低い 700℃
等温保持では，初析のフェライトと粒状セメンタイトがべ る と ， 730 ℃ の 方 で フ ェ ラ イ ト 量 が 増 加 し て い る ．
Fig.6(c)の保持温度が 720℃では，セメンタイトが多量に生成する．また，未変態のオーステナイトが一部残留している．φ １ より 25℃程度低い温度で初めて共析変態が生じている．硬さ測定結果にも軟化が確認される．
Fig.7 に 720～740℃保持での熱膨張量の時間変化を白抜きの記号で示す．この膨張量は初析フェライトの生成量を示している．保持温度が低いほどフェライトの生成量も多く，オーステナイトの分解が進行しやすい．また，最も分解が進行しやすい 720℃保持でも，分解速度は時間とともに減少する傾向を示す．
250

Dilatation / arbitraly unit

200720℃
150730℃
100

50740℃
0110100

1000

10000

Time / sFigure 75μ565HV307HVFigure 6

Thermal expansion during isothermal holding at720, 730 and 740℃.

(5) 等温保持時間の影響
Fig.1 での最高加熱温度と保持時間を 785℃と 5s とし，730℃での等温保持の時間を 3～30 分に変化させた．熱膨張量を Fig.7 中に灰色で塗りつぶした記号で示すが，30分保持しても，720℃で 10 分保持した場合より膨張量が少なく，フェライト量は余り増加していない．
(6)熱処理条件の影響と最適プロセス条件
本実験では加熱温度の基準条件として，785℃を選択した．この温度は，φ1 と φ 2 のほぼ中間に位置し，Fig.2 の熱膨張曲線から考え，20-30%程度のフェライトが残存すると予想したためである．しかし，Fig.3 に示されるように，実測のフェライト量は 10%未満と少ない．加熱の目的を，層状パーライトを分解しオーステナイト化することに限定すると，Fig.2 でφ 1 から上での急激な収縮が一段落する760℃程度まで低温化することが適切である．加熱時間は，

(b)

(a)

αα' (γ)α312HV

α208HV

5μFigure 8 SEM images of specimens that has been heated at
760℃followed by isothermal holding at (a) 710℃ and (b)700℃ for 10min.

- 45 -

低下しており，逆効果となっている．

分散したパーライトが主体の組織となっており，セメンタイトの粒状化が達成されている．等温保持の初期に初析フェライトが十分に生成し，オーステナイトへの炭素濃縮が進んだものといえる．

50
SCM435
Critical reduction (%)

3.2. 限界圧縮率(1) 球状化焼なましによる限界圧縮率の変化
3 種の鋼種について，受入れまま（AR）と球状化焼なまし（SA）の限界圧縮率（ε C ）を Fig.9 に比較している．
SCM435 は 球 状 化 焼 な ま し に よ り ε C が 向 上 し て い る ．
S35C は逆にε C が低下し，S35CB のε C はやや高いが，球状化焼なましにより大きな変化は生じない．

45S35CB4035
S35C60AR.

3013R
AsSA

Critical reduction (%)

15161718TP/1000

50Fig.10

Relations of critical reduction with temperparameter40

等温 変 態 線図 [6]を 考 える と，550℃は 炭素 鋼 な ど で のセメンタイト生成のノーズである．核生成および成長を含めて，セメンタイトが生成しやすい温度といえる．セ
メンタイト生成の助長による固溶炭素量の減少が想定される．球状化焼もどしでは，徐冷を 600℃で終了した．
このため球状化焼なまし材での固溶炭素量は 600℃での平衡値に近いものと推定される．600℃での後加熱では固溶炭素量の減少が期待できない．限界圧縮率が改善されなかったこととも，矛盾がない．

3020S35CFig. 914S35CB

SCM435

Changes in critical reduction by spheroidizingtreatment

球状化焼なましにより，変形抵抗が低下しセメンタイ
ト形態が球状化する．このような変化は，SCM435 鋼の・C の結果に対しては妥当なものであろう．しかし，S35C
では球状化焼なましにより限界圧縮率が受入れまま材より低下している．また，主要成分が S35C とほとんど同等な S35CB では 球状 化焼 なま しに よる セメ ンタ イト の粒状化や軟質化に見合った改善が認められない．硬さやセメンタイトの分断粗大化以外の支配因子が存在することを示唆している．
ボ ロ ン （B） は 焼 入 性 を 向 上 す る ほ か ， 炭 化 物 や 窒化物を作る．Cr や Mo も同様である．S35C では，球状化焼なまし後には無視できない量の固溶炭素や固溶窒素が残存し，Cr，Mo，B などは炭窒化物の生成を通して固溶炭素や固溶窒素の量を変化させ，限界圧縮率に影響していることが考えられる．
(2)限界圧縮率ε C への球状化焼なまし後加熱の効果
球状化 焼な ま し後に ，500～600℃で 30 分加熱し ，ε Cを求めた．また，550℃については 10 分の加熱も実施した．加熱温度と加熱時間から求めた焼もどしパラメータ（TP）に対してε C をプロットした結果を Fig.10 に示している．ここで，TP は温度 T（℃），時間（h）として，以下で表される．
TP = {(T + 273) × (20 + log(ｔ)}4. まとめSCM435 鋼を用い，（α＋γ）域への急速加熱短時間保持とその後の等温保持により，球状化焼なましを極限まで短時間化することを念頭に，昇温時の熱膨張曲線より求まる変態温度を基準としたプロセス条件の影響調査とメカニズム検討を行い，最適化条件を検討した．また，
球状化焼なまし後のフェライト域高温側での加熱の影響を調査した．急速加熱による短時間球状化と 550℃での加熱を組合せることが効果的と考えられる．550℃は 30分以上が望まれ，炉加熱が好ましい．

参考文献
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]

3 鋼種とも，550℃で 30 分間に相当する TP=16.2×10 3までは ・C が向上している．S35C および S35CB での向上が大きい．TP=17.2×10 3 （600℃30 分に相当）ではε C が[6]- 46 -

永木聖司, 土田 豊: 熱処理, Vol.43, No.3, pp.143-148
河野大作，中村圭作，永木聖司, 土田 豊: 熱処理,Vol.43, No.3, pp.149-154
土田 豊：研究概要報告書（17），p17，天田金属加工機械技術振興財団
冷間鍛造分科会材料研究班，塑性と加工，22，ｐ139（1981）
宮川松男、篠原宗憲、浅尾 宏、切欠円柱によるすえ込み性試験、塑性と加工、12、pp183-189（1971）
金属データブック，日本金属学会編，丸善刊，ｐ337（1974）