鍛造鋼: グレード、部品、シャフト、鍛造を選択する時期

とは何ですか 鍛造スチール ?

鍛造鋼とは、金属が高温、通常は 1100℃と1250℃ (2,000°F～2,300°F) 熱間鍛造用。機械加工により、鋳造された樹枝状結晶粒構造が破壊され、内部の多孔性と空隙が閉じられ、金属の結晶粒の流れが完成品の輪郭に沿うように再配向されます。その結果、棒材からの鋳造または機械加工によって製造された同等の部品よりも、強度、靱性、耐疲労性が大幅に高い部品が得られます。

鋳鋼との区別は基本的なものです。鋳造では、溶融金属が型に注がれ、ランダムな等軸結晶粒構造で凝固し、内部収縮欠陥が発生する可能性が高くなります。対照的に、鍛造は圧力下で固体または半固体の金属を加工します。 粒子サイズを微細化し、気孔を除去し、粒子の流れを整えます。 完成部品の主応力方向との関係。この鍛流線の整列は、部品形状を通る連続的な流れ線としてエッチングされた断面で視覚化されることが多いため、鍛造鋼部品が繰り返し荷重、衝撃、および高応力の用途において鋳造同等品よりも大幅に長持ちする理由です。

鍛造工程の概要

• 自由鍛造（自由鍛造） — ワークピースは、横方向の制限のない、平らなダイまたは単純な輪郭のダイの間で変形されます。シャフト、ディスク、リング、ブロックなどの大きくて単純な形状に使用されます。クローズドダイツーリングでは大きすぎる部品や、仕上げ鍛造前の予備成形に適しています。
• 閉塞型（印象型）鍛造 — 機械加工されたキャビティを備えた上部および下部のダイがワークピースを閉じ込め、金属を押し込んでダイの凹凸を埋めます。寸法公差が厳しく、加工代が少ないニアネットシェイプ部品を製造します。コネクティングロッド、クランクシャフト、フランジ、ギアブランクの標準。
• ロール鍛造 — ワークピースは輪郭のあるロールを通過し、徐々に断面が小さくなり、部品が成形されます。テーパーシャフト、板バネ、細長い部品に共通。
• 冷間鍛造 — 室温または室温付近で実行されます。加工硬化の利点により、優れた表面仕上げと寸法精度を実現します。延性合金のより小さく単純な形状に限定されます。高合金鋼や断面の大きな鋼には適していません。

鍛造鋼の等級の分類と選択

すべての鋼が鍛造に同等に反応するわけではなく、合金の選択によって、完成したコンポーネントの強度、靱性、焼入れ性、および機械加工性の達成可能な組み合わせが決まります。産業およびエンジニアリング用途で使用される主な鍛造鋼グレードは 4 つのファミリーに分類されます。

炭素鋼鍛造品

普通炭素鋼は最も経済的な鍛造材料であり、炭素含有量に応じて幅広い強度範囲をカバーします。 低炭素グレード (AISI 1020–1040) 容易に鍛造でき、予熱なしで溶接できるため、農業機械、構造部品、一般エンジニアリング部品など、適度な強度と高い延性が必要な場所に使用されます。 中炭素グレード (AISI 1045–1060) 最も広く指定されている鍛造鋼です。熱処理によく反応し、次の引張強度を達成します。 700～1,000MPa 焼入れ・焼戻しを行ったもので、シャフト、歯車、機械部品などに使用されます。 高炭素グレード (AISI 1070–1095) より硬く、耐摩耗性が高くなりますが、靭性は低くなります。用途には、手動工具、ばね、摩耗部品が含まれます。

合金鋼鍛造品

合金の添加（クロム、モリブデン、ニッケル、バナジウム、マンガン）は、焼入れ性（大きな部品の断面全体にわたって硬度を達成する能力）を劇的に向上させ、炭素含有量だけで達成できるものよりも機械的特性を高めます。最も一般的な合金鍛造グレードには次のものがあります。

• AISI 4140 (Cr-Mo鋼) — 合金鋼鍛造品の主力製品。強度 (Q&T 条件での引張 900 ～ 1,100MPa)、靭性、および被削性の優れた組み合わせ。中程度のセクションサイズまでのシャフト、スピンドル、工具、および圧力容器の標準。
• AISI 4340 (Ni-Cr-Mo 鋼) — 4140 に対して優れた焼入性を備え、150 mm を超える部分でも一貫した貫通硬度を実現します。引張強さ 1,000～1,400MPa 達成可能です。断面サイズにより 4140 では十分な硬化ができない、頑丈なシャフト、航空機の着陸装置コンポーネント、大型ギアに使用されます。
• AISI 8620 (Ni-Cr-Mo、肌硬化グレード) — 浸炭による肌硬化のための高合金含有量の低炭素コア。ギア、カムシャフト、スプラインシャフトなど、硬くて耐摩耗性の表面と丈夫で延性のあるコアの両方が必要な場所に使用されます。
• AISI 4150 / 4150H — 潜在的な硬度を高めた 4140 の高炭素バージョン。ダイ、大型シャフト、および 4140 が達成する以上の表面硬度を必要とするコンポーネントに使用されます。

ステンレス鍛造品

ステンレスグレード - 主に AISI 304、316、410、および 17-4PH — 構造性能とともに耐食性が必要な用途向けに鍛造されています。オーステナイト グレード (304、316) は非磁性で、溶接が容易で、酸性および塩化物環境に耐えます。バルブ、ポンプ本体、食品加工機器などに使用されています。マルテンサイト グレード (410、420) は硬化することができ、刃物、ファスナー、タービン部品に使用されます。析出硬化グレード (17-4PH) は、耐食性と上記の引張強度を兼ね備えています。 1,100 MPa 航空宇宙および医療機器の用途に好まれています。

マイクロアロイおよび工具鋼鍛造品

微小合金鋼 (バナジウム、ニオブ、またはチタンを 0.05 ～ 0.15% レベルで添加した HSLA グレード) は、鍛造熱によって直接焼き入れ焼き戻し合金鋼に匹敵する機械的特性を達成するため、別個の熱処理操作が不要になります。このため、プロセスコストの削減が優先される自動車用の大量鍛造品（コネクティングロッド、クランクシャフト、サスペンションコンポーネント）にとって魅力的です。工具鋼 (H13、D2、M2) は、高温での硬度と耐摩耗性が最重要である金型、切削工具、および高温サービス部品用に鍛造されています。

鍛造鋼部品: 産業および一般的なコンポーネント

鍛造鋼部品は、動的荷重下での構造的信頼性が交渉の余地のないあらゆる業界で使用されています。この製造方法が選択され、その高い単価が正当化されるのは、鋳造、溶接、または棒材からの機械加工では、鍛造がもたらす疲労寿命と耐衝撃性を一貫して達成できないためです。

これらすべてのアプリケーションに共通するのは、周期的負荷または衝撃負荷です。鍛造クランクシャフトは、エンジンの耐用年数にわたって数億回の応力サイクルにさらされます。鍛造着陸装置コンポーネントは、亀裂が発生することなく、航空機の着陸重量の数倍に相当する衝撃荷重を吸収する必要があります。他の商業的な製造プロセスでは、 途切れることのない粒子の流れ、低い介在物含有量、洗練された粒子サイズ これらの要求に確実に応える鍛造鋼部品を可能にします。

鍛造スチール Shafts : 設計、グレード、製造

シャフトは最も広く生産されており、要求が厳しい鍛造鋼部品の 1 つです。シャフトは、キー溝、ショルダー、スプラインに応力が集中することが多い、曲げ、ねじり、軸方向の複合荷重に耐えながら、時には高速で何年も継続的にトルクを伝達する必要があります。これらの応力上昇部での疲労破壊は、使用中のシャフト破損の主なモードです。 シャフト断面を通るグレインフローの連続性は疲労寿命に直接関係します 機械加工された棒材では再現できない方法です。

自由型軸鍛造と閉型軸鍛造

数百トンのタービン発電機シャフト、船舶用プロペラシャフト、圧延機ロールなどの大型シャフトは、油圧プレスやハンマー鍛造機での自由鍛造によって製造されます。ビレットは回転とプレスを繰り返して全断面を加工し、直径全体にわたって一貫した結晶粒の微細化を実現します。大断面鍛造品の場合、亀裂を防止し、表面から中心部まで均一な微細構造を達成するには、複数の圧下ステップ、中間再加熱、および制御された冷却プロトコルが必要です。

自動車のトランスミッション シャフト、ポンプ シャフト、工作機械のスピンドルなど、小型で大量のシャフトは、金型形状がニアネット シェイプを実現する閉塞鍛造またはロール鍛造によってより経済的に製造され、仕上げに残される加工代が削減されます。閉塞型シャフト鍛造品は通常、 加工在庫が 15 ～ 30% 削減 オープンダイ同等のものよりも優れており、これは材料消費量とサイクルタイムの削減に直接つながります。

鍛造スチールシャフトのグレード選択

シャフト鍛造用の鋼種の選択は、熱処理後の必要な機械的特性、断面サイズ (焼入れ性の要件を決定する)、および使用環境の 3 つのパラメータによって決まります。

• AISI 1045 — エントリーレベルのシャフトグレード。貫通硬化が必要ない、小径 (最大 ~75 mm) の低トルクから中トルクの用途に適しています。焼きならし状態での引張強さは570～700MPa。
• AISI 4140 — 最も指定された合金シャフトグレード。直径約 100 mm までの全断面を硬化可能。 Q&T 条件で 900 ～ 1,050 MPa の引張強度を達成します。工業用ポンプシャフト、コンベア駆動装置、一般機械シャフトの大部分をカバーします。
• AISI 4340 — 4140 では一貫した貫通硬度を達成できない大径シャフト (100 ～ 300 mm 以上) 用。ニッケル含有量が高いと、焼入性が大幅に向上します。発電用ローター シャフト、船舶用プロペラ シャフト、重機ドライブ シャフトが代表的な用途です。引張強さ 1,000～1,200MPa 大きなセクションで実現可能です。
• EN 36 / 9310 (Ni-Cr 肌硬化グレード) — スプラインやジャーナルでの接触疲労が主な故障モードであるギアボックスのレイシャフト、スプラインシャフト、カムシャフトなど、硬質で耐摩耗性の表面と強靭なコアの組み合わせを必要とするシャフトに使用されます。
• 二相ステンレスおよび超二相ステンレス (2205、2507) — 塩化物腐食疲労が設計上の制約となる海洋、化学処理、脱塩環境のシャフト向け。コストは高くなりますが、従来の合金鋼で疲労亀裂の成長を促進する表面腐食開始部位が排除されます。

鍛造後の処理と仕上げ

鍛造スチールシャフトが鍛造そのままの状態で使用されることはほとんどありません。鍛造後の標準的な製造手順には、鍛造応力を緩和して微細構造を均質化するための焼きならしまたは焼き鈍しが含まれます。その後、スケールを除去して基準面を確立するための荒加工が続きます。 焼き戻し熱処理 指定された機械的特性を達成するために最終的に機械加工、研削、および必要に応じて表面処理を仕上げます。シャフトの疲労性能を向上させる表面処理には、ベアリング ジャーナルとフィレットの高周波焼き入れ、寸法を変化させずに表面硬度を高める窒化処理、疲労亀裂の発生を遅らせる圧縮残留応力を導入するショット ピーニングなどがあります。

真直度は、完成したシャフトの重要な品質パラメータです。シャフトの曲がりによって生じる回転アンバランスにより、動作速度の 2 乗に比例する遠心力が発生します。精密シャフトの真直度公差は通常、次のように指定されます。 長さ 1 メートルあたりのインジケーターの総振れは 0.1 ～ 0.3 mm これには、熱処理後の制御された冷却が必要であり、多くの場合、最終機械加工の前に熱間または冷間矯正操作が必要です。

鍛造鋼と鋳鋼: それぞれを選択する場合

鍛造鋼と鋳鋼のどちらを選択するかは、最終的にはエンジニアリングと経済的なトレードオフになります。鍛造は普遍的に優れているわけではありません。鍛造は特定の条件に対しては正しい選択であり、それらの条件を理解することで、パフォーマンスの低下を防ぐだけでなく、オーバースペックも防ぐことができます。

次の場合に鍛造鋼を選択してください。

• 部品は周期的荷重、疲労荷重、衝撃荷重を受けやすいため、鍛造品は次のような特性を備えています。 20 ～ 30% 高い疲労強度 同等グレードの鋳物よりも優れています。
• 航空宇宙、圧力機器、構造用途における安全性が重要なコンポーネントでは、高い信頼性が要求され、故障の結果は深刻です。
• 形状は比較的単純で、シャフト、フランジ、リング、ディスク、コネクティング ロッド、および同様の形状の金型を使用して生産可能です。
• 生産量によって工具コストが正当化されます。閉型鍛造工具は初期費用がかかりますが、量産するとユニットあたりのコストが低くなります。

次の場合に鋳鋼を選択してください。

• 形状は、ポンプ ケーシング、内部通路を備えたバルブ本体、複雑なハウジング形状など、内部空洞、アンダーカット、または鍛造金型では形成できない薄壁を備えた複雑なものです。
• 生産量は少なく、工具への投資は償却できません。砂型鋳造工具のコストは鍛造金型の数分の一です。
• 荷重は主に周期的ではなく静的で圧縮的なものです。鋳造品は、内部欠陥による疲労の開始が主な破損モードではない、圧縮が支配的な用途でも適切に機能します。
• 重量セクションは非常に大きく均一です。一部の大型構造コンポーネントは、鍛造よりも経済的に鋳造され、仕様に合わせて溶接修理されます。

鍛造鋼部品の品質基準と試験

重要な用途向けの鍛造鋼部品には、厳格な検査と文書化の要件が課されます。適用される標準は業界や最終用途によって異なりますが、最も広く参照されているフレームワークは次のとおりです。

• ASTM A668 — 一般産業用途向けの鍛造鋼の標準仕様。炭素鋼および合金鋼のクラスをカバーし、クラス指定ごとに引張、降伏、および衝撃要件が定義されています。
• ASTM A388 — 重量鋼鍛造品の超音波検査。ゾーンおよびセクションの厚さごとに内部反射体（介在物、気孔率、偏析）の合格基準を指定します。
• EN 10250 — 一般工学目的の自由型鋼鍛造品に関する欧州規格であり、材料グレードと機械的特性要件をカバーしています。
• API 6A / 6D — 石油およびガスの坑口およびパイプラインのバルブ鍛造品の場合、材料、トレーサビリティ、機械試験、追加の圧力定格要件を伴う臨死体験要件を指定します。
• AS9100 / NADCAP — 航空宇宙品質管理および航空宇宙鍛造サプライヤーに適用される特別なプロセス認証要件。

鍛造鋼部品の定期検査には、寸法検証、硬度試験、熱処理クーポン（または重要な部品の場合は鍛造品自体の犠牲部分）からの引張試験およびシャルピー衝撃試験、表面破壊欠陥の磁粉検査（MPI）、および表面下の完全性の超音波試験（UT）が含まれます。発電および圧力容器用途の大型鍛造品の場合、 100% 体積測定 UT スキャン これは、適用される ASME または EN 規格によって定義され、既知の人工反射体を備えた校正済みの基準ブロックによって検証される許容ゾーンを使用する標準的な手法です。