炭素鋼・合金鋼の高度鍛造技術

炭素（C）鋼と合金鋼の鍛造は、材料を所望の部品形状に成形しながら、鍛造材料の鋳造構造を精製し、収縮ボイドを癒合し、材料の機械的特性を改善する金属加工プロセスです。後工程の機械加工量も削減されますが、これは完成部品の形状と使用される鍛造プロセスに依存します。

鋳造インゴットが鍛造の伝統的な出発点で、インゴットから直接鍛造するか、インゴットから熱間加工されたブルームまたはビレットから鍛造します。連続鋳造鋼の広範な使用により、連続鋳造製品が現在通常初期素材として使用されます。鋳造インゴットのほか、熱間圧延・鋳造ブルームとビレット、板、バー、ロッド、鋼鋳造品も鍛造の出発材料となります。

鉄と鋼の鍛造は鉄器時代の始まりとともに始まりました。当時、ハンマーによる熱間加工は錬鉄製造プロセスの一部であり、錬鉄と鋼の両方で製品を製造していました。高級鉄鉱石、木炭、溶剤を使用する粗末な製鉄炉は少量の鉄しか生産できず、これを手作業で鍛接して有用な素材を生産していました。当初はこれが鍛造の主目的でした。産業革命の本格的な始まりが鋼の鍛造を本格化させたことは一般に認められています。この長い歴史にもかかわらず（あるいはそれゆえに）、鋼の鍛造は直感的・経験的なプロセスです。

鍛造は一般にいくつかの方法で分類され、最初にフリーダイ鍛造（開放ダイ鍛造）とクローズドダイ鍛造（閉鎖ダイ鍛造）の一般的分類があります。また、仕上げ寸法係数、すなわち完成部品の寸法・詳細要件を満たすために機械加工で除去しなければならないストック（代）の量という観点でも分類されます。さらに、製造に必要な鍛造装置（ハンマーアプセット鍛造、リングローリング鍛造、多軸プレス鍛造など）の観点でも分類されます。これらの分類の中で、仕上げ寸法係数に基づく分類が、強度や応力腐食抵抗などの鍛造固有の特性と最も密接に関連しています。一般に、完成部品要件を満たすために最も少ない機械加工で済むタイプの鍛造が最良の特性を持ちます。

鍛造の定義と分類

ASTM規格A 788によれば、鋼鍛造品は材料を緻密化し所望の形状を生成する実質的な圧縮塑性加工操作の産物です。塑性加工はハンマー、プレス鍛造機、リングローリング機で実施され、材料を実質的に鍛造構造に変形させる必要があります。熱間圧延操作は、再鍛造用ブルームやビレットの製造に使用できます。鍛造品は鍛造温度に基づいて以下の3クラスに細分できます：

• 熱間加工鍛造品：材料の再結晶化温度以上で加工して製造される鍛造品
• 温間加工鍛造品：機械的強度を高めるため、再結晶化温度よりわずかに低い高温で加工される鍛造品。以前に鍛造または圧延で熱間加工された材料から製造可能。材料をまず熱間加工し、次に仕上げ温度制御によって低温加工する一連の操作で製造されることもある。製造方法の違いにより、熱間圧延または熱間・低温仕上げバー（半製品または完成品）、ビレット、ブルームは鍛造品とは見なされない
• 低温加工鍛造品：材料の再結晶化が起こる温度範囲より十分低い温度で塑性加工して製造される鍛造品。以前に鍛造または圧延で熱間加工された材料から製造される必要がある

鋼の鍛造製品形態には、板、形鋼、バー、シート、ストリップ、チューブ、パイプ、押出材、鍛造品があります。一般に押出材は鍛造品に含まれますが、鍛造の定義は圧延板とバーを除外します。これは、鍛造品が完成部品の所要形状に概ね適合することに加え、熱間圧延板に時折見られる層状介在物による厚さ方向の弱さや、熱間圧延バーに時折見られる中心部の不健全さを示すことが期待されないためです。

炭素鋼と合金鋼は、圧倒的に最も多く鍛造される材料で、熱間鍛造、温間鍛造、低温鍛造プロセスと標準装置を用いて多様な形状に容易に鍛造できます。炭素鋼と合金鋼の鍛造温度選択は、炭素含有量、合金組成、最適塑性温度範囲、ワークピースに必要な圧縮量に基づきます。これらの中で、炭素含有量が上限鍛造温度に最も影響を与えます。

利用可能な組成の数が多いにもかかわらず、このカテゴリのすべての材料は本質的に類似した鍛造特性を示します。例外は、硫化物などの快削添加元素を含む鋼で、これらは快削でないグレードより鍛造が困難です。通常、炭素鋼と合金鋼の熱間鍛造性は変形速度の増加とともに改善します。作業性の改善は主に、高変形速度で生成される変形熱の増加によるものです。

他の、時により経済的な有用形状製造方法よりも鍛造を選択する理由はいくつかの考慮事項に基づきます。鍛造材料の機械的特性は、加工中の主要金属流動方向で最大化されます。複雑な形状では、主要な使用荷重と平行な金属流動を指向し、鍛造材料の元の構造の精製を限度内で制御できるのは鍛造だけです。微細組織の精製は、温度、方向、鍛造材料から鍛造形状への圧縮量の関数です。材料の構造的完全性を最大化することで設計配置の精製が可能になり、ひいては軽量化が可能になります。複雑な鍛造形状で特性を最適化するために金属流動を適切に制御するには、一般にダイ鍛造前の1つ以上のアプセット操作が必要で、ダイ分割線でのフラッシュ形成を避けるために中空鍛造やバック押出しが必要になることがあります。

鋼鍛造品が果たすべき機能のため、鍛造設計には大型熱処理断面が含まれることが多く、不規則な形状になることもあり、使用中に3つの主要軸（縦、横、短横）すべてで顕著な応力がかかることがあります。出発材料サイズと鍛造ステップを慎重に選択することで、鍛造品が3方向すべてで好ましい特性を示すことが可能です。他の例では、アプセットディスク鍛造では、単純に圧延板から切り出したディスクでは不可能な、全周にわたる放射方向での好ましい機械的特性を達成できます。

熱間鍛造挙動

炭素鋼と合金鋼を複雑な形状に熱間鍛造することは、快削グレードを除いて鍛造性の面からはほとんど制限されません。断面厚、形状複雑さ、鍛造サイズは、加熱ワークピースが冷たいダイと接触したときに起こる冷却によって主に制限されます。この理由で、ダイ接触時間が比較的短いハンマーなどの装置が、鋼の複雑な形状鍛造で好まれることが多いです。

鍛造性

鍛造性は、圧縮荷重下で破断せずに流動する鋼の相対的能力です。再硫化・再リン酸グレードを除き、ほとんどの炭素鋼と低合金鋼は通常良好な鍛造性を持つと見なされます。様々な鋼グレード間の鍛造挙動の差は、鍛造性によって鋼選択が影響を受けるほど大きくないことが多いです。しかし、鍛造用に再硫化または再リン酸鋼を選択することは、その鍛造が大幅な機械加工を必要とする場合にのみ正当化されます。鍛造による生産を検討する主理由の一つが後工程機械加工の回避であるため、この状況は珍しいです。

鋼の鍛造性を測定する一般的な手段の一つは高温ねじり試験です。名前が示す通り、この試験は加熱したバー試料を、試験材料の熱間加工温度範囲をカバーするよう選ばれた複数の温度で破断までねじるものです。 破断までのねじり回数と、一定速度でねじりを維持するために必要なトルクが報告されます。 ねじり回数が最大となる温度（そのような最大値が存在する場合）が、試験材料の最適熱間加工温度と仮定されます。 高温ねじり試験で決定された複数の炭素鋼の鍛造性を図1に示します。 以下の様々な他の試験も鋼の鍛造性評価に使用されます。

• 楔鍛造試験：楔形試料を平行ダイ間で鍛造し、クラックを生じる垂直変形量を確立
• 側面圧縮試験：円筒バー試料を平行平板ダイ間で圧縮し、シリンダー軸をダイと平行にする。シリンダー端部は拘束されず、クラック前の変形量で鍛造性を測定
• アプセット試験：シリンダーを平板ダイ間で圧縮し、シリンダー赤道部の破断時表面ひずみを測定
• ノッチバーアプセット試験：アプセット試験に類似だが、試料に軸方向ノッチを機械加工して高局所応力レベルを導入。これらの高応力は、標準アプセット試験で生成されるものより実際の鍛造操作で経験される応力をより示唆的である可能性がある
• 高温引張試験：広範囲のひずみ速度と温度を変化させる特殊試験装置を頻繁に使用

ひずみ速度の鍛造性への影響

鋼の鍛造性は一般にひずみ速度の増加とともに増加します。この効果は低炭素鋼の高温ねじり試験（図1）で示されており、破断までのねじり回数がねじり速度増加とともに増加します。この高ひずみ速度での鍛造性改善は、高ひずみ速度で生成される変形熱の増加によるものと考えられています。しかし、変形熱による過度の温度上昇は初期溶融を引き起こし、鍛造性と機械的特性を低下させる可能性があります。

流動応力と鍛造圧力

流動応力と鍛造圧力は、高温ねじり試験で生成されるトルク曲線や高温圧縮・引張試験から得られます。これらの曲線からのデータは、この合金群の相対的鍛造圧力要件が通常の熱間鍛造温度では大きく変わらないことを示しています。 より高合金材料にはかなり大きな圧力が必要で、この合金材料は圧縮増加に伴う鍛造圧力増加もより顕著です。

ひずみ速度の鍛造圧力への影響

与えられた鋼に必要な鍛造圧力はひずみ速度増加とともに増加します。低炭素鋼の研究では、ひずみ速度の影響がより高い鍛造温度でより顕著であることが示されています。この効果は図2に示され、様々な温度と2つのひずみ速度でアプセットされた低炭素鋼の応力-ひずみ曲線が示されています。合金鋼でも類似の効果が観察されています。

鍛造用鋼の選定

鍛造用炭素鋼・合金鋼インゴット、ブルーム、ビレット、スラブは熱間圧延または鋳造で概略断面寸法に製造されるため、直線度、カムバー、ツイスト、平坦度公差は適用されません。鍛造用半製品鋼は、指定個体重量または指定長さで製造されます。

表面調整

鍛造用半製品鋼は、スカーフィング、チッピング、研削によって表面欠陥を除去または最小化する調整が可能です。しかし、表面調整に関わらず、製品には依然としていくつかの表面欠陥が含まれる可能性があることを念頭に置く必要があります。

重量公差

ビレット、ブルーム、スラブの公差は、個々のピースまたは18トン未満のロットで頻繁に±5%です。これを超えるロットは、±2.5%の重量公差が適用されることが多いです。

切断

鍛造用半製品鋼は一般に熱せん断で切断されます。鋼組成に依存して、熱のこ切りや火炎切断も使用可能です。

品質

鍛造用半製品鋼に適用される「品質」は、内部健全性の程度、化学組成の相対的均一性、表面欠陥からの相対的自由度など、多くの異なる要因に依存します。

鍛造品質半製品鋼は、後続熱処理や機械加工操作を伴う熱間鍛造用途に使用されます。このような用途では、化学組成と鋼製造の比較的厳密な制御が必要です。

鍛造部品用鋼の選定は設計プロセスの不可欠な部分であり、許容性能はこの選択に依存します。完成部品の最終用途を慎重に理解することで、要求される機械的特性、表面仕上げ要件、非金属介在物への許容度、伴う検査方法と基準が定義されます。

鍛造品質鋼は幅広い化学組成で製造されます。各溶解・圧延プラクティスで、品質の試験と評価レベルが実施されます。必要であれば、非金属介在物発生レベルなど、鋼に対して1つ以上の特別品質制限を指定できます。より高信頼性が要求される用途では、鋼を真空アーク再溶解または電気渣再溶解プロセスにかける必要がある場合があります。

マイクロアロイ鋼の使用は、自動車クランクシャフトなどの用途で近年発展してきました。これらの鋼は通常、バナジウムまたはニオブの少量添加（0.05〜0.1%）を持ち、非熱処理（鍛造肌）状態で許容特性を達成できます。その結果、これらの合金は熱処理サイクルの削除により鍛造プロセスの利点を保持しつつ、鋳造品と経済的に競合可能になります。

設計要求事項

鍛造部品用鋼の選定には通常、対立する要因間の妥協が必要です。例えば、強度対靭性、応力腐食抵抗対重量、製造コスト対有用荷重能力、製造コスト対維持コスト、鋼原材料コスト対鍛造総製造コストなどです。材料選定には、溶解プラクティス、成形方法、機械加工操作、熱処理手順、経時的特性劣化、および鍛造される鋼の従来の機械的・化学的特性の考慮も含まれます。

効率的な鍛造設計は、適用荷重、生産性、望ましい寿命と整合した最小材料量から最大性能を達成します。鋼をその設計部品にマッチングさせるには、鋼をまず強度と靭性で評価し、次に温度と環境に対する安定性で適格判定します。 最適鋼を生産性で分析し、最後に経済性で分析します。

破損解析は、鋼特性を要求事項にマッチングさせるための有用なデータ源です。 部品破損は設計応力範囲内の運転中に発生することがあります。 早期破損の一因は、鍛造品の優先粒子流とクリティカルな設計応力の適切な配向欠如です。 特性の経時的・経年劣化により予期せぬ破損も起こり得ます。 例えば、持続引張応力による応力腐食割れは、典型的な雰囲気中でも発生し得ます。 これらの条件下では、破損は鍛造品の露出エンドグレインと一致する箇所で最も起こりやすくなります。 破損解析は、過度な粒成長、非金属不純物介在物、不適切な鍛造プラクティスによる粒子流折り返し、鍛造冶金構造の欠如、過度にシャープなフィレットへの機械加工や組立不良による応力集中の不注意な生成など、早期破損の他の原因を明らかにできます。

鍛造が特性に与える影響

炭素鋼または合金鋼バーやビレットから複雑な形状を成形するには、まず鋼を適切な出発形状（プリフォーム）に「配置」し、次に最終部品形状へ流動させる必要があります。 この金属の再配置は鋼の硬度と強度にはほとんど影響しませんが、特定の機械的特性（延性、衝撃強度、疲労強度など）は向上します。 この特性改善（図2）は、鍛造が（1）偏析を分断し、気孔を癒合し、均質化を助け、（2）粒子流方向に平行な機械的特性を向上させる繊維状粒子構造を生成し、（3）鋳造時結晶粒度を微細化するためです。

表1は、焼鈍、正規化、焼入れ焼戻し状態における低炭素・中炭素鋼鍛造品の典型的な縦方向機械的特性を示します。予想通り、強度は炭素含有量増加とともに増加し、延性は減少します。クローズドダイ鍛造品の大部分は相当な前加工を受けた鍛造ビレットから製造される一方、フリーダイ鍛造品は鍛造ビレットまたは鋳造肌製品から製造可能であることを認識すべきです。

表1 4炭素含有量における炭素鋼鍛造品の縦方向特性
No.	炭素含有量	引張強さ	降伏強さ 0.2%オフセット	伸び	絞り	疲労強さ*	硬度
	%	MPa	MPa	%	%	MPa	HB
焼鈍
1	0.24	438	201	39	59	185	122
2	0.30	483	245	31.5	58	193	134
3	0.35	555	279	24.5	39	224	157
4	0.40	634	348	24	42	248	180
正規化
1	0.24	483	247	34	56.5	193	134
2	0.30	521	276	28	44	209	148
3	0.35	579	303	23	36	232	164
4	0.40	690	355	22	36	255	196
油焼入れ・595℃焼戻し
1	0.24	500	305	35.5	62	193	144
2	0.30	552	301	27	52	224	157
3	0.35	669	414	26.5	49	247	190
4	0.40	724	386	19	31	277	206

* 回転曲げ試験、10,000,000サイクル耐久限度

クローズドダイ鍛造では金属が様々な方向に流動します。例えば、リブ・ウェブ形状（機体部品など）の鍛造では、ほぼすべての金属流動が横方向です。この横方向流動はその方向の延性を向上させ、縦方向延性はほとんど低下しません。鍛造圧縮が十分大きく、金属流動が主に横方向であれば、横方向延性が縦方向延性と等しくまたは超えることもありえます。鍛造ビレットのアプセットでも類似効果が観察されます。この場合、材料の元の縦軸がアプセットで短くなり、金属の横方向変位は放射方向になります。アプセット圧縮が約50%を超えると、放射方向延性が通常軸方向延性を超えます（図4）。

鍛造構造と延性

材料制御のもう一つの側面は、最終鍛造品が設計の基盤となった機械的特性の発現に必要な鍛造構造を達成するために十分な塑性変形を経験したことを保証することです。鋳造製品の鍛造ビレットへの分解時にある程度の塑性変形は達成されますが、クローズドダイ鍛造プロセスではるかに多くの変形が付与されます。高強度鍛造品の材料制御には、鍛造ビレットだけでなく鍛造品自体の機械的特性の決定が必要になることがあります。

延性または靭性の尺度は、横方向引張試験片で得られる絞り測定で決定されます。 同じ強度レベルに熱処理された鍛造品から採取した横方向と縦方向試料で対応する試験を行うと、ビレット素材と鍛造品の機械的特性を比較し、最終鍛造冶金構造への各工程の寄与割合を推定できます。

延性と鍛造圧縮量

材料制御の主要目的は、完成鍛造品で最適機械的特性が達成されることを保証することです。 鍛造で達成される圧縮量は延性に顕著な影響を与えます。図4は、鋳造インゴット、鍛造（圧延）バーまたはビレット、鍛造品の延性を比較しています。 図4(a)の曲線は、鍛造バーまたはビレットがダイで平坦鍛造される場合、鍛造圧縮増加は縦方向延性に影響しないが、横方向延性を漸次増加させることを示しています。 類似のバーまたはビレットがダイでアプセット鍛造される場合、鍛造圧縮増加は軸方向延性を漸次減少させ、放射方向延性を漸次増加させます。

鋳造インゴットの延性は化学組成、溶解プラクティス、インゴットサイズによって変化します。 同じ合金組成の鋼インゴットの延性も、エア溶解か真空アーク再溶解かによって変化します。 特定合金の大型インゴットから始める場合、インゴットの様々な部分を様々なビレットまたはバー寸法に圧延し、様々な量の鍛造圧縮を与えることが実用的な場合があります。 最小圧縮量は標準化されていませんが、2:1（インゴット断面積/ビレット断面積の比）未満になることは稀です。 鋼インゴットからビレットへの圧縮は通常2:1よりはるかに大きいです。 対照的に、一部の耐熱合金鍛造品は鋳造インゴットから直接鍛造されます。

鍛造用ビレットを準備するのにインゴット全重量が必要なほど大型の鍛造品では、頻繁に実行可能ではありません。 鍛造品で表される鍛造冶金構造の圧縮量は、完成鍛造品から採取したマクロエッチングと引張試験片の観察と試験によって最も良く制御されます。 これらの試料はクリティカルな領域の探索と、一般的に鍛造品全体の探索を可能にします。 縦方向、長横方向、短横方向の粒子方向から必要に応じて選択されます。 エッチング試験で粒子流を視覚観察できます。 機械試験で強度と靭性を粒子流と相関付けます。

粒子流

マクロエッチングは粒子方向と輪郭の直接観察を可能にし、フォールド、ラップ、逆流の検出にも役立ちます。 適切な試料をマクロエッチングすることで、縦方向、長横方向、短横方向の粒子流を調べられます。 マクロエッチングは完全断面の端から端まで、側面から側面までの評価、マクロ結晶粒度の均一性レビューも可能にします。 図2は代表的な鍛造部品の粒子流を示しています。

結晶粒度と微細構成要素

顕微鏡を用いた金属組織観察は、マクロエッチングで明らかになった疑わしい領域の検査、結晶粒度測定、微細構成要素の性質と量の決定に最適です。

疲労強度

疲労試験は、以下の条件と目的で材料制御に使用されます：

• 材料開発または適格判定のための小試料室内試験
• 設計開発のための完成部品またはサブアセンブリ室内試験
• 現場での部品またはアセンブリ監視による、実用における継続的信頼性確保

材料適格判定または開発のための小試料室内疲労試験は標準的方法で実施されます。 試料は要求に応じてミル製品またはクローズドダイ鍛造品から採取されます。 標準試料は鍛造品内の多くの位置から選択でき、様々な粒子流方向と相関付け可能なほど小さいです。 試験は一般に室温・空気中で実施されますが、より高温・低温や特殊雰囲気での試験も可能です。

小スケール室内疲労試験を部品またはアセンブリ解析に適用すると、追加変数が導入されます。 その一つは表面状態の影響です。 図5(a)の曲線は、鋼試料の疲労強度が、表面が研磨、機械加工、熱間圧延、鍛造肌のいずれであるかによって著しく変化することを示しています。 試験鋼は、269〜285HBに熱処理された鍛造低合金鋼で、引張強さ876MPa、降伏強さ696MPaに相当します。 試料調製では、熱処理後に機械加工・研磨し、圧延または鍛造は熱処理前に行うことが要求されました。 10^6サイクル疲労寿命で、疲労限度は研磨試料で395MPa、機械加工試料で315MPa、圧延肌試料で205MPa、鍛造肌試料でわずか150MPaです。

図5(b)の曲線は、引張強さ345〜2,070MPa範囲の鋼に適用され、複数試験からの近似値です。 965MPa引張強さレベルでの鍛造肌または脱炭試料の調製には、バー素材から粗機械加工、約900℃のガス焼鈍炉で20〜30分加熱、元の7.47mm径から最終径7.16mmへごく軽くスウェージング、空冷が含まれます。 熱処理は、約830℃の塩浴で45分オーステナイト化、油焼入れ、約620℃で1時間空冷焼戻し、水冷で構成されました。 鍛造と熱処理で約0.064mm深さまで表面脱炭した試料が生成されました。 これらの試料は10^6サイクルで約310MPaの疲労強度を示しましたが、鍛造されず機械加工・研磨され脱炭のない試料では470MPaでした。 脱炭は熱処理で得られる強度レベルを低下させます。 表面状態の実験室制御は、鍛造部品の量産では複製が困難です。 したがって、フルサイズ部品の疲労強度は、表面状態の変動により小試料より広い範囲で変動します。

破壊靭性

鍛造品や他の部品が、鋼の降伏強さよりかなり低い応力レベルでクラック進展によって脆性破壊することは、破壊特性と破壊靭性評価方法の広範な研究を導きました。 これらの研究結果は、特に材料制御の基準となり得る破壊靭性評価試験の開発に関して、材料制御にとって重大な重要性を持ちます。

室内試験と分析技術の分野では、クラックまたはクラック類似欠陥を含む鋼の強度評価のための信頼できる方法開発に主要な重点が置かれてきました。 特に、平面ひずみ破壊靭性の決定方法に関心が集中しています。 鍛造部品は、様々な粒子方向を代表する鍛造品の選択された位置から取り出した小試料で評価されます。

一つの試験手順は、中性環境でのノッチ付き疲労プレクラック試料の曲げ試験を含みます。 この試験の目的は、高拘束が予想される実用条件下での金属の応力と欠陥サイズの関係を推定するために使用できる、破壊靭性の下限値を得ることです。 言及された試験手順では、シュブロンノッチ付き試料が疲労で適切にプレクラックされます。 次に、回転支持ローラー（わずかに離れて回転し、ローリング接触を可能にし、摩擦効果を実質的に排除）を備えた曲げ試験治具で試験されます。 試料は3点曲げを受け、ノッチを跨ぐ荷重対変位変化が自動記録計に記録されます。 破壊靭性は、計算パラメータである臨界応力拡大係数で評価されます。

エンドグレイン露出

長横方向と短横方向での応力腐食割れ抵抗低下は、エンドグレイン露出に関連します。 粒子が試料縦軸と平行になるよう切り出された長い細い試料セクションは、荷重を受けない両極端を除き露出エンドグレインを持ちません。 対照的に、横方向に切り出された対応試料は、その長さに沿ってすべての点でエンドグレイン露出を持ちます。 エンドグレインは、フラッシュラインを持つ設計のダイ鍛造品では短横方向で特に顕著です。 したがって、エンドグレインを減らすまたは排除する設計の鍛造部品は、応力腐食割れ抵抗が優れています。

残留応力

鍛造品表面の持続引張応力（応力腐食割れに寄与する）は、適用応力と残留応力の合計です。 残留応力が総応力の顕著な割合を占める場合、特に露出表面に存在する引張残留応力を低減または除去する必要があります。 残留引張応力の一般的原因には、焼入れ、機械加工、組立不良があります。 それぞれ適切に修正して引張応力、特に露出表面にあるものを低減または除去できます。 例として、劇的な焼入れは熱処理可能合金の表面を圧縮状態、芯を引張状態に置きます。 さらに、圧縮された表面は荒機械加工で完全に除去され、引張応力を受けた芯材料が露出する可能性があります。 この危険は、荒機械加工の後でなく前に焼入れすることで回避できます。 一部の用途では、引張状態の表面をショットピーニングで圧縮状態に置きます。

水素応力割れは腐食なしで発生します。 したがって、その発生は腐食性媒質と接触する外部表面に限定されません。 介在物やボイド、表面ノッチや他の不規則性など、適切な核となる場所ならどこでも開始し得ます。 内部での水素応力割れは水素脆化または水素フレーキングと記述されます。 水素応力割れはほとんどの高強度鋼で観察、研究され、制御下に置かれてきました。 現代の真空溶解プラクティスは残留水素を無視できる量まで低減できます。 エア溶解鋼の3〜6ppm水素含有量は、真空アーク再溶解で0.6〜1ppmまで容易に低減できます。 鋼の初期水素含有量が許容範囲内であれば、材料制御手順は、鍛造、熱処理、高温塩浴脱スケール、ピクリン酸処理、メッキを含むすべての後続加工で水素ピックアップが回避されることを保証すべきです。 鍛造中、鋼は表面スケールと脱炭層を生成し、これらは後でグリットブラストと機械加工で除去されます。 鋼が酸洗されない限り、水素ピックアップの可能性はありません。

鋼鍛造品から作られる多くのクリティカル部品はカドミウムコーティングで保護されます。 1,655MPa超の強度レベルに熱処理された鋼部品は、カドミウムコーティングされる場合、水素ピックアップに特に敏感なため、コーティングは真空で堆積されます。 1,655MPa未満の強度レベルに熱処理された部品は、チタン含有メッキ浴を使用し、その後約190℃で12時間焼き付けすれば、電解カドミウムメッキ可能です。

機械的特性

圧延、鍛造、押出しによる金属部品成形の主要な利点は、これらのプロセスが設計者に粒子流制御の機会を提供することです。 これらおよび類似の鍛造製品の強度は、粒子流の縦方向（または同等方向）でほぼ常に最大であり、完成部品の最大荷重支持能力は、主要使用荷重方向と平行な粒子流パターンを提供することで達成されます。これには、十分微細な結晶粒度で健全、緻密、良質な金属が全体で生成されていることが前提です。

粒子流と異方性

圧延、鍛造、押出しされた鋼は、主要加工方向に整列した繊維状粒子構造を発達・保持します。 この特性は、鍛造製品の外部および断面表面を適切に調製・エッチングすると可視化されます。 繊維は、鋼の微細構成要素が加工方向に伸長した結果です。 したがって、「粒子流方向」というフレーズは、鍛造金属製品内のこれらの繊維の支配的方向を記述するために通常使用されます。

鍛造鋼では、粒子流方向は機械的特性測定でも裏付けられます。 強度と延性は加工方向と平行な方向でほぼ常に大きくなります。 加工方向に関して異なる強度と延性値を示すこの特性を機械的異方性と呼び、鍛造製品の設計で利用されます。 鍛造鋼の最良特性が最も頻繁に縦方向（または同等）である一方、他方向の特性も非鍛造製品、すなわち鋳造インゴットや軽く加工されたインゴットからの鍛造素材より優れている可能性があります。

矩形断面は、縦方向、長横方向、短横方向の3主要方向すべてで異方性を示します。 矩形断面を採用する設計には、これらすべての方向の特性が関与し、縦方向だけではありません。 したがって、矩形断面の縦方向、長横方向、短横方向使用荷重は別々に解析されます。

高強度鋼の異方性

すべての鍛造鋼が機械的に異方性である一方、異方性の機械的特性への影響は金属と合金によって異なります。 例えば、与えられた組成の真空溶解鋼は、同じ組成の従来キルド・エア溶解鋼より一般に機械的異方性が小さいです。 粒子流特性を明らかにするエッチングへの応答も異なります。 耐食性が悪い鋼は容易にエッチングされ、耐食性が良い鋼はより強力なエッチャントと長いエッチング時間で粒子流を明らかにする必要があります。 一般に、疲労特性は流れ線方向と印加荷重からの応力方向の関係で著しく影響を受けます。 流れ線が負荷応力に垂直な場合、応力集中効果が生成されます。

鍛造潤滑剤

長年にわたり、油-グラファイト混合物が炭素鋼・合金鋼鍛造用潤滑剤として通常使用されてきました。 しかし、潤滑剤技術の最近の進歩により、水/グラファイト混合物や水系合成潤滑剤など、新タイプの潤滑剤が生まれました。 通常使用される各潤滑剤には長所と短所（表2）があり、プロセス要件とのバランスを取る必要があります。

表2 鋼熱間鍛造用主要潤滑剤の長所と短所
No.	潤滑剤タイプ	長所	短所
1	水系マイクログラファイト	煙と火災を排除；ダイ冷却提供；水で容易に希釈可能	最良結果にはスプレー塗布が必要
2	水系合成	煙と火災を排除；油や水系グラファイトより清潔；ダイ冷却補助；初期混合後攪拌不要で容易に希釈可能；スプレー装置の目詰まり減少；部品への黒色顔料移行なし	スプレー塗布必須；激しい鍛造操作ではグラファイトの潤滑性に欠ける
3	油系グラファイト	流体膜でスプレーまたはスワブ塗布可能；幅広い温度範囲（540℃まで）で良好な性能	煙、火災、有害臭気を生成；爆発性でダイ寿命短縮の可能性；作業者に深刻な健康・安全上の影響の可能性

選定基準

鍛造用潤滑剤選定は、鍛造温度、ダイ温度、鍛造装置、潤滑剤塗布方法、鍛造部品の複雑さ、環境・安全考慮事項など複数要因に基づきます。 炭素鋼・合金鋼の通常熱間鍛造温度では、水系グラファイト潤滑剤がほぼ独占的に使用されますが、一部ハンマー工場ではまだ油系グラファイトを使用しています。

炭素鋼・合金鋼の最も一般的な温間成形温度範囲は540〜870℃です。 これらの温度での鍛造条件の厳しさから、ビレットコーティングがダイ潤滑剤と併用されることが多いです。 使用されるビレットコーティングには、流体キャリア中のグラファイトや、ワークピースのリン酸塩変成処理と併用される水系コーティングがあります。 さらに低い鍛造温度（約400℃未満）では、二硫化モリブデンがグラファイトより高い荷重支持能力を持ちます。 二硫化モリブデンは固体形態または流体キャリア分散で塗布可能です。

炭素鋼・合金鋼鍛造品の熱処理

通常、鋼鍛造品は以下4つの主要条件のいずれかに基づいて指定されます：

1. 鍛造肌で、それ以上の熱処理なし
2. 切削性向上のための熱処理
3. 最終機械的・物理的特性のための熱処理
4. 特に複雑な部品形状での寸法安定性向上のための特殊熱処理

鍛造肌、追加熱処理なし

大多数の鋼鍛造品は使用前に熱処理されますが、低炭素鋼（0.1〜0.25%C）の大量が鍛造肌状態で使用されます。 このような鍛造品では切削性が良く、熱処理による強度向上はほとんどありません。 実際、多くの広く使用される規格がこの経済的選択肢を許容しています。 また、正規化で生成される特性と比較して、強度と切削性がわずかに優れていることは興味深い点で、これは結晶粒度が正規化状態より多少粗いことに起因すると最も考えられます。

切削性向上のための熱処理

粗寸法鍛造品から仕上げ機械加工部品を製造する場合、切削性は工具寿命最適化、生産性向上、または両方のために重要な考慮事項になります。 仕様や鍛造図面で熱処理を指定できます。 しかし、仕様が最大硬度または微細組織仕様のみを与える場合、最も経済的で効果的な熱サイクルを選択する必要があります。 利用可能な熱処理には、完全焼鈍、球状化焼鈍、亜臨界焼鈍、正規化、正規化焼戻しがあります。 選択される熱処理は鋼組成と実施される機械加工操作に依存します。 一部鋼グレードは本質的に軟らかく、他は熱間鍛造後の仕上げ温度からの冷却でかなり硬くなります。 通常、何らかのタイプの焼鈍が切削性向上のために要求または指定されます。

最終機械的・物理的特性のための熱処理

正規化または正規化焼戻しで必要な最小硬度と最小引張強さが得られます。 しかし、ほとんどの鋼では、焼入れ（油、水、または断面サイズと焼入れ性に依存する他の媒質）サイクルが採用され、その後焼戻しで適切な硬度、強度、延性、衝撃特性を生成します。 1,035MPa超の強度レベルで熱処理され、断面サイズ変動を持つ鋼鍛造品では、オーステナイト化前に正規化して均一結晶粒度を生成し、内部残留応力を最小化するのが一般的です。 一部ケースでは、鍛造熱をオーステナイト化サイクルとして使用し、鍛造ユニットで焼入れするのが一般的です。 鍛造品はその後焼戻しされて熱処理サイクルを完了します。 この手順には明確な制約がありますが、適用可能な場合（通常、最終機械加工が少ない対称形状の炭素鋼）には明確な経済性が得られます。

寸法安定性向上のための特殊熱処理

特に複雑な部品形状では、寸法歪み制御、機械加工前後の残留応力除去、焼入れ割れ回避、熱衝撃または表面（ケース）硬化防止のために特殊熱処理が使用されることがあります。 ほとんどの熱処理サイクルが適用可能ですが、非常に特定の処理が必要になることがあります。 このような処理は通常、隣接する断面厚差がある複雑な鍛造形状、または非常に高焼入れ性鋼と合金に適用されます。 熱処理後の最終特性への軽い機械加工のみが許容される重要寸法完成部品の安定性が要求される場合、マルテンパー（マルテンパリング）、応力除去、複数回焼戻しなどの特殊処理が利用可能です。

クランクシャフト、カムシャフト、ギア、鍛造ロール、リング、特定ベアリング、その他機械部品など多くの用途で、耐摩耗のため表面硬度向上が必要です。 重要表面は通常、機械加工後に火炎焼入れ、誘導焼入れ、浸炭、浸炭窒化、窒化で硬化されます。 これらのプロセスは、コスト増加順・最高温度減少順で並んでいます。 後者の考慮は重要で、寸法歪みは通常温度低下とともに減少します。 これは特に窒化で顕著で、通常鍛造品に使用される鋼の焼戻し温度以下で実施されます。

マイクロアロイ鍛造鋼

マイクロアロイ（バナジウムやニオブなどの少量元素で鋼を強化すること）は、1960年代から低炭素鋼の微細組織と特性制御のために実践されてきました。 初期開発の多くは、マイクロアロイ析出、制御圧延、現代製鋼技術が組み合わさって低炭素鋼比で強度を大幅に増加させた板・シート製品に関連していました。

マイクロアロイ技術の鍛造鋼への応用は、鍛造鋼の異なる特性要求と熱機械処理のため、平板圧延製品に遅れてきました。 鍛造鋼は通常、高強度、疲労抵抗、耐摩耗性が必要な用途で使用されます。 これらの要求は最も多く中炭素鋼で満たされます。 したがって、マイクロアロイ鍛造鋼の開発は、0.3〜0.5%C含有グレードを中心に進められてきました。

マイクロアロイ鍛造鋼開発の推進力は製造コスト削減の必要性です。 これはこれらの材料では、熱間鍛造後の制御冷却という簡素化された熱機械処理（従来の炭素鋼・合金鋼に必要な別個の焼入れ焼戻し処理を不要にする）で所望特性を達成することで達成されます。 図6では、従来（焼入れ焼戻し）鋼の加工シーケンスとマイクロアロイ鋼鍛造プロセスが比較されています。

マイクロアロイ元素の効果

炭素

鍛造用に開発されたほとんどのマイクロアロイ鋼は0.3〜0.5%の炭素含有量を持ち、大量のパーライト形成に十分です。 パーライトが実質的な強化を担います。 この炭素レベルは、オーステナイト中のマイクロアロイ成分の溶解度も低下させます。

ニオブ、バナジウム、チタン

炭窒化物析出物の形成は、マイクロアロイ鍛造鋼のもう一つの主要強化メカニズムです。 バナジウムは0.05〜0.2%の範囲で、鍛造鋼で最も一般的なマイクロアロイ添加元素です。 ニオブとチタンはオーステナイト結晶粒度制御により強度と靭性を向上させます。 ニオブとバナジウムを組み合わせて、オーステナイト結晶粒度制御（ニオブ由来）と炭窒化物析出（バナジウム由来）の両利益を達成することが多いです。

マンガン

マンガンは多くのマイクロアロイ鍛造鋼で比較的大量（1.4〜1.5%）使用されます。 セメンタイト板厚を減少させながらパーライトの層間隔を維持する傾向があります。 したがって、高マンガンレベルでは、高硬度に必要な大量パーライトを保持するためにより低い炭素含有量が必要です。 マンガンは実質的な固溶強化も提供し、バナジウム炭窒化物の溶解度を高め、これらの相の溶解温度を低下させます。

シリコン

市販マイクロアロイ鍛造鋼の多くはシリコン含有量約0.3%です。 一部グレードは0.7%まで含有します。 より高いシリコン含有量は、低シリコン含有量のフェライト-パーライト鋼で形成されるものより多量のフェライトに関連して、著しく高い靭性と関連しています。

硫黄

多くのマイクロアロイ鍛造鋼、特に切削性がクリティカルな自動車鍛造品用では、比較的高い硫黄含有量を持ちます。 高硫黄含有量はそれらの切削性に寄与し、焼入れ焼戻し鋼と同等の切削性を達成します。

アルミニウムと窒素

焼入れ性微細結晶粒鋼と同様、アルミニウムはマイクロアロイ鋼のオーステナイト結晶粒度制御に重要です。 アルミニウム結晶粒度制御メカニズムは窒化アルミニウム粒子形成です。 窒素がバナジウム炭窒化物の主要間隙成分であることが示されています。 この理由で、バナジウム含有マイクロアロイ鋼では、効果的な析出強化を促進するため中程度から高い窒素含有量が必要です。

制御鍛造

結晶粒度制御の概念は、平板圧延製品生産で長年使用されてきました。 特に板圧延では、少量ニオブ添加でオーステナイト再結晶化温度を上昇させる能力はよく知られています。 これらの鋼を製造するプロセスは通常制御圧延と呼ばれます。 オーステナイト結晶粒度制御の利益は、もちろん平板圧延製品に限定されません。 バー圧延で必要なより高い仕上げ温度が微細組織制御へのこのアプローチの有用性を制限しますが、マイクロアロイバー鋼の仕上げ温度はそれでも制御される必要があります。

仕上げ温度が強度に顕著な影響を与えない一方、バナジウム含有マイクロアロイ鋼の靭性は仕上げ温度上昇とともに低下することが示されています。 この効果は図6に示され、マイクロアロイ鋼を3温度で仕上げた場合のシャルピーVノッチ衝撃強度を比較しています。 高仕上げ温度の衝撃靭性へのこの悪影響は鍛造操作にも持ち越され、すなわち鍛造仕上げ温度が低いほど結果の靭性は高く、逆もまた真なりです。 广範な試験後、鍛造仕上げ温度を1000℃付近まで低下させると、熱間圧延バーと同等または優れた衝撃特性が得られることが示されています。 また、急速誘導予熱がマイクロアロイ鍛造鋼に有益で、標準マイクロアロイ鍛造品で10%、再硫化グレードで20%のコスト削減が可能であることも示されています。

しかし、低仕上げ温度は、より高い鍛造圧力（したがってより高い機械容量必要）とダイ摩耗増加というコストを伴います。 低仕上げ温度による靭性向上と熱処理削除によるコスト削減は、これらの要因によるコスト増加と天秤にかける必要があります。

マイクロアロイ低温ヘッディング鋼

低温ヘッディングで高強度ファスナー製造に使用される鋼は、以前は焼入れ焼戻し合金鋼から製造されていました。 十分な強度と適切な延性を得るには6工程が必要でした。 最近の開発で、熱処理不要のマイクロアロイニオブ-ボロン鋼の使用が可能になりました。 これらの鋼はニオブとボロン添加を利用して高加工硬化率のベイナイト構造を開発します。 ほとんどの場合、低温ヘッディングの変形を利用して熱処理なしで要求強度レベルを達成します。