技術論文

定ひずみ鋼の開発
笠井貴之*1・雲丹亀泰和*2・高須一郎*3・林亮二*4・北出真一*5

Development of steel with stable heat treatment distortion
Takayuki Kasai, Yasukazu Unigame, Ichiro Takasu, Ryoji Hayashi and Shinichi Kitade

Synopsis: Recently, the demand to variation reduction of heat treatment distortion becomes increasingly severe, because of
the cost reduction and the environment influence by production process saving, such as polish process elimination
after heat treatment.In order to develop steel with little variation in heat treatment distortion, effects of the core partarea fraction of a bar and the aspect ratio of a core in a bar were investigated.Consequently, the followings werefound;1) As for the variation of heat treatment distortion of a part, the core area faction of a bar had more contribution
rather than the aspect ratio of a core.
2) Decreasing the core part area which remains in parts is effective for reducing the variation in heat treatment distortion. By applying this steel, to the automobile parts, the variation in heat treatment distortion at carburized
quenching was reduced rather than conventional steel.Moreover, this steel is expected to applicable not for thatparts but also for hollow parts with comparatively thick wall in the core of high accuracy parts.
Key words: carburized quenching, heat treatment distortion, variation, core, aspect ratio, area fraction, case hardening steel,
CAE, macro pattern

1．緒言と極めて小さな値に抑制しなければならない。熱処理ひず
みのばらつきを抑える手段は種々検討されているが，金属自動車用ギアや機械製品に使用される伝達部品は，小型学的には，焼入性，化学成分および鋳造組織を制御する方

軽量化・高出力化・高信頼性はもとより，低騒音・低振動法が多く報告されている1）〜8）。例えば，化学成分の組み合化・高機能化のニーズも強く，ますます高精度化が要求さわせによって熱処理ひずみの挙動が変化するが，これには特れている。熱処理は，機械部品の強度，耐摩耗性向上のたに炭素含有量の影響が顕著である事が知られている1）。まために広く行われているが，部品の形状および寸法変化が不鋳造組織制御を例に取れば，正方形鋳型や丸鋳型で鋳造した可避的に発生する。この変化が，部品の使用時に騒音や振材料は，矩形鋳型で鋳造した材料に比べて部品内に凝固組織動の要因となるため，起因となる熱処理ひずみのばらつきが等方的に残存するが，凝固組織における等軸晶の内外で熱を抑制する事は大きな課題となっている。また，近年，省処理ひずみ発生量が異なるため，熱処理後の部品の熱処理ひ工程化によるコストの削減および環境への影響から，熱処ずみばらつきの低減に有利であるとの報告もある2）〜8）。
本報では，化学成分と熱処理ひずみ発生量との関係を調理後に行う部品の研磨を一部省略するなど，熱処理ひずみ査し，凝固組織における等軸晶（コア部と呼ぶ）の面積率のばらつき低減に対する要求は厳しさを増している。
駆動部品の製造工程においては，浸炭焼入れによる体積および縦横比に着目し，熱処理ひずみのばらつきにおよぼ変化を見越して，予め部品の加工代により調整することがす影響について調査を行った。また調査により得られた知多い。したがって，熱処理後の寸法精度に対しては，部品見から，部品での熱処理ひずみのばらつきはコア部の縦横の体積変化の絶対量よりも，そのばらつきが小さいことが比よりも面積率の影響の方が大きいことを見出し，定ひず必要となる。特に，熱処理後の研磨工程を省略するようなみ鋼，つまり熱処理歪のばらつきの少ない鋼の開発に成功

場合には，熱処理による寸法変化のばらつきを数 µ m程度した。また高い寸法精度が要求される自動車用浸炭用部品*1*2*3*4*5

研究・開発センター プロセス開発グループ
技術管理部 軸受・構造用鋼グループ長
研究・開発センター プロセス開発グループ長，PhD
製鋼部 製鋼技術グループ
製鋼部 鋳造課

29Sanyo Technical Report Vol.10 (2003) No.1

定ひずみ鋼の開発

Specimen②

Specimen①

CoreCore perimeter

CenterLongitudinaldirection

Perimeter

Circumference
direction

Outermostperimeter
12mm

Radial direction
Fig.1

Heat treatment experiment methodに適用したので報告する。

2・2

実験結果

炭素濃度はマルテンサイト変態時の膨張量に影響するこ

2．熱処理ひずみにおよぼす化学成分の影響とが知られている。Fig.2に各領域での炭素濃度を示す。
炭素濃度は外周部が高く，コア部は外周部よりも約

2・1

実験方法0.015%程度低いことが分かった。Fig.3に各領域での熱化学成分と熱処理ひずみ発生量との関係を調査するた処理ひずみを示す。ここで縦軸は体積ひずみ（3軸ひずみめ，鋼片から切り出した試験片を用いて，熱処理による変の和）を表している。解析の結果，熱処理ひずみの方向性形量を測定した。実験方法を以下に示す。

についての規則性は見られなかったが，体積ひずみを指標

供試材にはクロム鋼を選定し，380×490mmの大断面矩形鋳型を用いて垂直式連続鋳造装置で鋳片を製造し，直0.18Max

径167mmに熱間圧延し，鋼片にしたものを用いた。

Ave.

Table 1に本供試材の化学成分を示す。Fig.1に示すように，供試材から幅12mmの面を共有する2個の円板を切断・採0.17MinC%取し，片方を熱処理試験用の試料（試料①と呼ぶ），もう一方を化学成分調査用の試料（試料②と呼ぶ）とした。試料①でマクロ腐食によりコア部を確認し，1193Kの焼な0.16

らしにより残留ひずみを除去したものを作製した。コア部

コア部の外側（柱状晶）に分類し，更にコア部を「コア部中心」と「コア部外側」，コア部の外側を「外周部」と

Fig.2

Outermostperimeter

同心円状に採取した。このサイコロ状試験片は，コア部とPerimeter

0.15

試験片を，コア部の長辺および短辺に垂直，かつ中心からCore
perimeter

試料①から，Fig.1のように，一辺10mmのサイコロ状のCoreは，鋳片断面形状とほぼ相似した矩形を呈していた。この

Carbon contents of each domain「最外周部」の計4領域に分類して実験を行った。また試料②は，試料①でサイコロ状試験片を切り出した部位に相0.35

CSiMnSNiCrCu

0.170.170.85

0.013

0.07

1.190.130.310.290.270.25

熱処理は，不活性ガス中で1198K−30min保持後，275Kの冷水中の焼入れとした。熱処理ひずみは，半径方向，周方向および高さ方向の寸法を熱処理前と熱処理後に測定し，熱処理による各方向の寸法変化率で評価した。

Fig.330

Outermostperimete

Chemical compositions of specimen for heat
treatment experiment（mass％）

Perimeter

Table 10.33Coreperimeterより化学成分分析を行った。

CoreTransformation strain（%）

当する位置から分析試料を採取し，燃焼−赤外線吸収法にTransformation strain of each domain

Sanyo Technical Report Vol.10 (2003) No.1

定ひずみ鋼の開発にする事でFig.2に示す炭素濃度分布の傾向とよく一致しめ，コア部の縦横比が大きい場合に比べて，熱処理ひずみた。Fig.4に熱処理ひずみ（体積ひずみ）と炭素濃度の関のばらつきが小さくなると考えられる。またコア部の面積係を示す。切片を0とした1次の回帰分析を行った結果，率が小さいと，部品内に残存するコア部の体積率が低減さ次式に示す近似式が得られた。

れ，熱処理ひずみのばらつきに有利であると考えられる。
したがって，上記推測の妥当性の調査を兼ね，熱処理ひ熱処理ひずみ=1.78×炭素濃度…

（1）

ずみのばらつきを低減するために，以下の2点について検討し，それぞれの熱処理ひずみのばらつきにおよぼす影響を調査した。

0.35

Transfomation strain（%）①コア部縦横比の等方化
0.33

y=1.78x②コア部面積率の縮小化

0.313．熱処理ひずみばらつきにおよぼすコア部形状および炭素濃度ばらつきの影響

0.293・1

試作材

熱処理ひずみのばらつき低減のため，コア部の縦横比お0.27

よび面積率の最適化を狙い，以下に示す製造方法にて3種類の試作材を製造した。供試材はSCr420とした。まずコ0.25
0.15

ア部面積率大の矩形コア材（比較材）として，Steel Aを0.18

0.17

0.16

380×490mmの大断面の連続鋳造により製造した。SteelC%
Fig.4

Bは，コア部の面積率縮小化を狙い，Steel Aと同じ設備をRelation between transformation strain and carbon contents用いて鋳造条件を変更して製造した。またSteel Cは，コア部の等方化を狙い，平均寸法428×428mmの正方形鋳型を用いて造塊法にて製造した。各鋳片を直径167mmのまた，他の成分にも熱処理ひずみとの間に相関が見られ鋼片に熱間加工した。Table 2に各供試材の化学成分を示るものがあったが，炭素濃度が熱処理ひずみと相関係数がす。供試材間で化学成分，およびジョニミー焼入性曲線に最も高く，炭素鋼における炭素濃度と焼入膨張率の係数差異はなかった。

8）にほぼ合致する事から，本クロム鋼において，焼入れ時の熱処理ひずみは炭素濃度に支配されると考えられる。

Table 2以上の知見から，部品の中心部を打ち抜いた後に熱処理

Chemical compositions of specimens（mass％）

される中空部品では，「部品内のコア部の残存分布状態が，SteelCSiMnS

NiCrCu

熱処理ひずみのばらつきに影響する」という事が推測され

A

0.19

0.17

0.85

0.013

0.07

1.190.13

B

0.19

0.17

0.82

0.016

0.10

1.190.12C

0.190.170.83

0.016

0.14

1.240.10る。つまり，熱処理ひずみには炭素濃度の寄与が大きいため，外周部に比べて炭素濃度が低いコア部の部品内に残存する形状および体積率が，熱処理後の部品の外径変化量に影響をおよぼすと考えられる。例えば，コア部が等方であ3・2ると，部品横断面ではコア部が周方向に均一に残存するた

Steel A

コア形状と炭素濃度

本実験で用いた鋼片の横断面のマクロ組織を，Fig.5にSteel B
Fig.5

Steel C

Macrostructure of specimen

31

Sanyo Technical Report Vol.10 (2003) No.1

定ひずみ鋼の開発示す。これを見ると，Steel AおよびSteel Bは矩形の，まFig.7に示す鍛造工程で成形される，軸対称形状の中空部

たSteel Cは正方形のコア部が観察された。Steel Aのコア品を対象とした。

部は長軸長さ82mm，短軸長さ64mmの矩形，Steel Bのコア部は長軸長さ72mm，短軸長さ49mmの矩形をしていφ 37×51mm

る。またSteel Cのコア部は，長軸長さ82mm，短軸長さ60× φ 28×25mm

80mmとほぼ正方形であった。
それぞれの試作材の鋼片横断面に占めるコア部の縦横比および面積率を，Table 3に示す。Steel BはSteel Aに比べてコア部の縦横比は大きいが，狙い通り，面積率は約Billet8%小さかった。Steel CはSteel Aに比べてコア部の面積率は大きく，縦横比はほぼ1であった。

Table 3

Process＃1
Fig.7

Process＃2

Forging process of parts (CAE)

Aspect ratio and area fraction of core part

Steel

Aspect ratio

Area fraction

A

1.28

24.0%

B

1.47

16.1%

C

1.03

29.9%

CAE解析は，コア部の対称性を考慮して，1/4モデルとした。
解析を実施する上で，以下に示す仮定を用いた。
①鋼片のコア部の形状 ∽ 鍛造前素材のコア部の形状②鋼片の炭素濃度分布 ＝ 鍛造前素材の炭素濃度分布
これらの仮定について更に詳細に説明すると，仮定①は，各試作材のコア部とコア部の外側の炭素濃度の差異をFig.5に示した直径169mmの鋼片のコア部が，直径Fig.6に示す。炭素濃度は，鋼片の中心から径方向に5mm37mmの鍛造前素材にも相似形（縦横比，面積率が等しい）おきに採取し，燃焼−赤外線吸収法により測定した。いずで存在するという仮定である。Table 4に鍛造前素材におれの試作材でも，炭素濃度はコア部外側が高く，コア部でけるコア寸法を示す。また仮定②は，Fig.6に示した鋼片は低くなる傾向が見られた。Steel BおよびSteel Cはのコア部およびコア部外側の炭素濃度の差が，鍛造前素材Steel Aに比べて，コア部外側とコア部の炭素濃度の差がにも存在するという仮定である。Fig.8に，本仮定を元に，小さくなり，特に，Steel Bでは比較材であるSteel Aに比鍛造解析により得られた，対象部品のメタルフローを示す。

べて約60％低かった。

鍛造解析により得られたメタルフローから，部品内の位置と素材位置との対応を求め，部品内のコア部残存状態を求めた。Fig.9に，各試作材における部品内のコア部残存状

0.020

態を示す。
0.015
C%

Table 4

Core size of billet and bar

0.010（mm）
Steel0.005

Billet0.000
Steel A

Steel B

Forging material

Steel C

Fig.6

Carbon content variation between core part andperimeter part

3・3

中空部品の熱処理シミュレーション

ABC

Long side827282

Short side644980Long side

9.1

8.0

9.1

Short side

7.1

5.4

8.9

前節までに得られた熱処理ひずみと炭素濃度の関係式，各試作材のコア部の形状，および鋼片の炭素濃度分布を用いて熱処理シミュレーションを行った。自動車用ギアおよびレースなどの部品は，鍛造により中心部を打抜いた後，熱処理をする事が多い。そのため解析では，簡易的に

Fig.832

Metal Flow of forging parts (CAE)

Sanyo Technical Report Vol.10 (2003) No.1

定ひずみ鋼の開発

Core partPerimeter

Steel A

Steel B
Fig.9

Steel C

Core part in after forging（CAE）

熱処理解析は，油焼入れを想定し，熱伝導率，比熱およよりもコア部面積率の影響がより大きい事となる。すなわ

び応力・ひずみ関係式等の材料物性値は，温度依存性のデち，いずれの場合でも，コア部の部品内への残存量を低減ータを用いた。冷却過程では，炭素濃度＝0.2%でのCCTする事が，残存パターンを等方にするよりも熱処理ひずみ曲線を用いて相変態を考慮し，計算を行った。変態過程中のばらつきを低減するのに有効である事が判明した。

は，Fig.9に示した部品内でのコア部および外周部に，式3・4（1）により導出した変態ひずみを，Fig.6に示した各部位実部品での評価

熱処理ひずみのばらつきを実部品にて評価するため，自の炭素濃度に応じて発生させるものとした。

動車用駆動部品の浸炭焼入れ時の熱処理ひずみのばらつき

Fig.11に，CAE解析により得られた，各試作材での外を調査した。供試材は，3・1で作成した試作材：Steel A

径ばらつきとコア面積率との関係を示す。外径ばらつきは，〜Steel Cに加え，丸いコア部を有した試作材：Steel DをFig.10のように，高さ方向の5断面について断面毎にR追加して評価した。Steel Dは，丸鋳型を用いて鋳造した（最大半径-最小半径）を求め，各断面のRの標準偏差をと後，直径169mmの鋼片に熱間加工し，所定の径まで熱間った値を指標とした。この解析結果より，コア部面積率が圧延を行い製造した。Steel Dのコア部は，鋳型形状とほ低いほど外径ばらつきは小さくなる事が分かった。従って

ぼ相似形の円形で，コア部の面積率は31.6%と4つの試作部品にした時の熱処理時の外径ばらつきは，コア部縦横比材のうち最も大きかった。またSteel Dの化学成分およびジョミニー値は，他の試作材と同等のものを用いた。
Fig.12に各試作材の熱処理ひずみのばらつきの調査結果

section 1
section 2
section 3
section 4
section 5
Fig.10を示す。熱処理ひずみのばらつきは，丸いコア部を有する
Rσ（R）

Steel DについてはSteel A（比較材）よりも小さく，正方形のコア部を有するSteel CについてはSteel Aよりも大きCalculation method of carbon content variation

Steel A（Base material）

15

Steel C（Square,large area fraction）●Steel A（Base material）●Steel B（Rectangle,small area fraction）●Steel C（Square,large area fraction）

12●Steel D（Circular,large area fraction）
2
Variation of heat treatment distorsion

Variation of outer diameter（ µ m）

Steel B（Rectanglar,small area fraction）●963010●1520253035

Area fraction of core part（%）
Fig.11

1.5

10.5

0

Relationship between variation of outer diameter and area fraction of core partFig.1233

Variation of pitch circle diameter in each steel
Sanyo Technical Report Vol.10 (2003) No.1

定ひずみ鋼の開発

文

かった。Steel Dは，コア部の面積率は大きいが，コア部献が丸い事により，径方向の寸法変化のばらつきが抑えられたと考えられる。また，コア部の面積率が最も低いSteel1）西山善次 : マルテンサイト変態

Bは，熱処理ひずみのばらつきが最も良好であった。この2）W.Seger : Munich Seminar on Forming, （1986）, 25.

事から，熱処理ひずみのばらつきを抑制するには，コア部

3）S.Gunnarson : Haerterie-Technische Mitteilungen, （1991）,の形状を等方性にするより，コア部の面積率を小さくする

基本編，丸善，（1971）, 13.

216.

ことが有効である事が確認された。熱処理時の膨張量が炭

4）B.Thoden : AWT Factsheet 15.

素濃度に依存することを考慮すると炭素濃度分布のばらつ

5）S.Gunnarson, M.Cristinacce, T.Lund and J.Volkmuth : Journa

きを低減することも有効であると考えられるが，コア部のof Engineering Materials and Performance, 4（1995）, 259.

小さいSteel B（定ひずみ鋼と呼ぶ）が熱処理ひずみのば

6）J.Volkmuth, F.Hengerer and T.Lund : Haerterei-Technische

らつき低減に非常に効果的である事が明らかとなった。今Mitteillungen, 50（1995）, 352.

回開発した定ひずみ鋼を用いる事で，今回実験した自動車

7）H.W.Zoch, T.Luebben, F.Hoffmann and P.Mayr : Haerterei-部品だけでなく，コア部の中心と部品の中心軸が一致する

Technische Mitteillungen, 49（1994）, 245.

ような比較的厚肉の中空部品について適用の効果が現れる

8）M.Cristinacce : Heat Treatment of Metals, 1（1999）, 18.

ものと期待される。
■著者

4．結言
コア部の面積率と縦横比に着目し，部品鍛造後の熱処理ひずみのばらつきにおよぼす影響について調査を行い，以下の事を明らかにした。
・熱処理ひずみのばらつきにおよぼす影響は，コア部の縦笠井

横比よりも面積率の寄与が大きい。

貴之

雲丹亀泰和

林 亮二

北出真一

高須一郎

・部品内のコア部残存量を低減することが熱処理ひずみのばらつきを低減するために有効である。
・上記特性を有した鋼材を自動車部品の浸炭焼入れに適用した結果，従来鋼よりも熱処理ひずみのばらつきを低減できた。また本自動車部品だけでなく，比較的厚肉の中空部品で，かつ熱処理後の寸法に高い精度が要求される部品について，本開発鋼の適用の効果が現れるものと期待される。

34

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