JP5672246B2

JP5672246B2 - 加工割れ感受性評価方法

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Publication number: JP5672246B2
Application number: JP2012001636A
Authority: JP
Inventors: 加田　修; 修加田; 戸田　正弘; 正弘戸田; 洋輝成宮; 慶宮西
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2012-01-06
Filing date: 2012-01-06
Publication date: 2015-02-18
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Description

本発明は、棒鋼を所定の寸法に切断した円柱状被加工素材を冷間鍛造により歯車等の鍛造部品を製造する際の素材表面に生じる加工割れ感受性を評価する方法に関する。

自動車や産業機械に使用される歯車やハブ等の部品は、棒鋼を素材として所定の寸法に切断した円柱状被加工素材を熱間鍛造した後、切削加工して製造される。しかしながら、省工程、省エネルギーを目的に、冷間鍛造によって歯車やハブ等の部品を製造することがあり、今後、さらにこの工法が増加する傾向である。素材を冷間鍛造する際には、素材の加工限度が問題となり、加工限度はほとんどの場合、被加工材に生ずる加工割れによって規制される。従って材料の冷間鍛造時の割れに関しての優劣、すなわち加工性について適切な評価を下すことは、目的とする加工に対しての材料の選択または適否の判定のために、あるいは与えられた材料に対する妥当な加工度の算定または加工の成否の推定のために極めて必要なことである。

そのため材料の冷間加工性を評価する方法として、幾つかの試験方法が提案されている。例えば、冷間据込み性試験方法では、棒鋼素材から円柱試験体を切り出し、その円柱試験体を軸方向に圧縮し、割れ発生の有無を観察して、限界据込み率を求めて素材の加工性を評価する方法である。割れ発生は、微細な割れ（長さ０．５〜１．０ｍｍ）が初めて観察されたときとし、試験体の高さを測定して、割れ発生高さ（ｈｃ）とする。そして、最初の試験体の高さをｈ₀とした時に、限界据込み率ε_hc（％）は、ε_hc＝（ｈ₀−ｈ_c）／ｈ₀×１００の式によって求めるものである（例えば、非特許文献１参照）。

また、棒鋼は圧延時の微小なロール疵や皺等がある表面性状を呈していて、圧延したままの素材、あるいは圧延材を焼鈍やボンデ処理をした素材、これら素材をピーリングしない状態で切断した円柱被加工素材の表面性状も同様である。このような被加工素材の表面性状は、加工割れに大きな影響を与えるものである。しかし、従来の据込み性試験方法では、小径の円柱試験体を棒鋼素材から切り出した後、切削加工して製作することが多く、円柱試験体は棒鋼の表面性状を有しておらず、棒鋼を切断したままの円柱被加工素材の表面加工割れについての評価をすることができない。棒鋼素材を切断した円柱試験体を作製することも可能であるが、例えば５５ｍｍφ程度と大きい場合、棒鋼の強度によっては１５０００ｋＮを超えるような荷重を要し、試験のために負荷能力の高いプレス装置を必要とするという問題がある。

また、他の試験方法として提案されている円筒工具試験法では、表面にＶ形の溝を格子状に付けた円筒工具の円筒面で円柱試験体をその軸方向に圧縮する方法（例えば、非特許文献２参照）がある。この方法は、試験体の高さと直径の比、圧縮した試験体に割れの発生した時の最小高さ部の高さ減少率で材料の冷間据込み性を評価する。

この試験方法は、低荷重で可能な試験方法であるが、試験片の表面の一部しか割れの評価ができない欠点がある。そのため、実用的ではない。

さらに、特許文献1では、軸対称形状の可塑性試験片を平工具を用いて温間域または熱間域での据込み鍛造し、試験片側面に割れが発生する加工条件を比較検討することにより、加工割れを評価する試験方法において、軸対称形状の可塑性試験片として、円柱側面に円環状の突起を形成した形状の試験片を用い、据込み鍛造する際に、突起の外周部に周方向の引張応力により、少ない圧下で加工割れが生ずるような加工割れを評価する試験方法が提案されている。

しかし、この試験方法は、少ない圧下で加工割れが生じやすい試験条件としているものの、あらかじめ温間域から熱間域に加工した試験片を用い、試験片の温度制御を行う熱間加工割れ試験方法であって、冷間鍛造時の加工割れを適切に評価する試験方法についての開示はない。

特開平９−２４８６４７号公報

「塑性と加工」ｖｏｌ．２２、Ｎｏ．２４１（（１９８１−２）、１３９〜１４４頁「塑性と加工」ｖｏｌ．１８、Ｎｏ．２０２（（１９７７−１１）、９２３〜９２９頁

そこで、本発明は、このような問題点に鑑み、圧延したままの素材、あるいは圧延材を焼鈍やボンデ処理をした素材、これら素材をピーリングしない棒鋼素材（圧延した表面状態が存在している）を圧延方向に対し垂直に所定の寸法に切断して作製した円柱被加工素材の冷間鍛造時の表面加工割れ感受性を、圧縮荷重の大きなプレス装置を用いなくても、適切に評価することができる円柱被加工素材の冷間鍛造時の表面加工割れ感受性評価方法を提供することを課題とするものである。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究し、その結果、棒鋼素材を圧延方向に対し垂直に所定の寸法に切断し、中央部をくり貫いて（穿孔）中空試験体を作製し、中央部をくり貫いた中空試験体内に棒鋼素材よりも軟質の金属材料からなる中実体を組み合わせて複合体を作製し、この複合体を高さ方向（軸方向）に冷間据込み試験をすることで、試験での圧縮荷重を低減でき、表面性状を含めて円柱被加工素材の冷間鍛造時の表面加工割れ感受性を適切に評価することができることを見出して本発明を完成した。

本発明の要旨は、次の通りである。

（１）棒鋼素材を圧延方向に対し垂直に切断して作製した円柱被加工素材の冷間鍛造時の表面加工割れ感受性評価方法であって、棒鋼素材を圧延方向に対し垂直に切断し、下記式（１）を満たす中央部をくり貫いた中空試験体内に該棒鋼素材の引張強度の1／2以下の引張強度を有する金属材料からなる中実体を組み合わせて複合体を作製し、該複合体を高さ方向に据込みさせて、該複合体の外表面での割れ発生状況から、下記式（２）に規定する限界据込み率(ε_hi)を求め、該限界据込み率に基づいて棒鋼素材を切断して作成した円柱被加工素材の冷間鍛造時の表面加工割れ性を評価することを特徴とする、円柱被加工素材の冷間鍛造時の表面加工割れ感受性評価方法。
０．５≦ｄ／Ｄ≦０．９５・・・式（１）
ここで、Ｄは中空試験体の外径、ｄは中空試験体の内径を意味する。
限界据込み率ε_hc（％）＝（ｈ₀−ｈｃ）／ｈ₀×１００（％）・・・式(２)
ここで、ｈ₀は最初の試験体の高さ（ｍｍ）、ｈｃは複合体の外表面で割れの発生する時の高さ（ｍｍ）を意味する。

（２）前記中空試験体は外径Ｄ、高さHの中実体から、HＬ／Ｄ＝０．５〜２の関係を満たす外径Ｄ、内径ｄ、長さＬ高さHＬの中空試験体に加工することを特徴とする、上記（１）に記載の円柱被加工素材の冷間鍛造時の表面加工割れ感受性評価方法。

本発明によれば、冷間据込み試験に要するプレスの所要荷重が従来の冷間据込み試験に比較して低い荷重で実施することができ、さらに、圧延したままの素材、あるいは圧延材を焼鈍やボンデ処理をした素材、これら素材をピーリングしない太径棒鋼（圧延した表面状態が存在している）を切断して作製した複合試験体を用いることで、これまでは評価することができなかった円柱被加工素材の表面性状を含めて、冷間鍛造時の表面加工割れ感受性を評価できるという顕著な効果を奏することができる。

従来の冷間据込み試験を説明するための図で、（ａ）は端面拘束冶具で試験体を軸方向に圧縮する前、（ｂ）は圧縮した試験体に割れが生じた状態を説明するための図である。従来の冷間据込み試験のための細径の試験体を作製することを示す図である。鋼材の圧縮率（％）と鍛造荷重（ｋＮ）との関係を示す図である。冷間据込み試験方法を示す図で、（ａ）は従来法、（ｄ）は本発明の試験方法を示す図である。据込み率と累積割れ率との関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

まず、鍛造業界で一般的に用いられている冷間鍛造用鋼の加工限界評価方法である塑性加工学会冷鍛分科会推奨の冷間据込み試験について述べる。この冷間据込み試験は、図１（ａ）に示すように、試験体１を表面に浅い同心円溝を付けた端面拘束冶具２で圧縮し、図１（ｂ）に示すように圧縮された試験体３の側面に割れ４の発生する圧縮率を尺度として利用して冷間鍛造用鋼の加工限界を評価する方法である。

ところが、最近の鉄鋼材料、例えば、Ｓ４５Ｃ炭素鋼材料では、限界据込み率７５％程度あり、割れの発生するまで圧縮して圧縮率７５％とするためには負荷能力の高い試験機が必要である。例えば、太径の５５ｍｍφ円柱試験体では１２０００ｋＮ超の負荷能力のプレス圧縮試験機が必要となる。このため、太径の棒鋼を切断した円柱試験体ままでの試験は困難である。したがって、通常は、図２に示すように、太径の５５ｍｍφ棒鋼５から１４ｍｍφ程度の細径の試験体１を切り出して冷間据込み試験に供されている。

従来の冷間据込み試験では、負荷能力の高い試験機が必要であること、および被加工素材の表面性状を勘案した素材の表面加工割れ感受性の評価ができないことに鑑み、本発明は負荷能力の高い試験機を用いずに、低荷重で太径素材の加工限界が評価でき、かつこれまでは考慮されていなかった被加工素材の表面性状を勘案した素材の表面加工割れ感受性が評価できる方法について鋭意研究した。

まず、低荷重で太径素材の表面加工割れ感受性を評価できる試験を可能とするために、棒鋼素材を圧延方向に対し垂直に切断した円柱試験片の中央部をくり貫いた（穿孔）中空試験体を用いて軸（高さ）方向に据込み鍛造試験することを着想し、中空試験体を軸方向に圧縮する試験を試みたが、この試験では中空試験体であるため荷重は下がるが、割れが生じずに中間で座屈（腰折れ）してしまい素材の加工割れの評価を可能とする試験にならなかった。

そこで、さらに研究を進め、中央部をくり貫いた中空試験体内に棒鋼素材よりも軟質の金属材料からなる中実体を組み合わせて複合体を作製し、この複合体を高さ方向に冷間据込み鍛造する試験を実施した。その結果、複合体を用いて据込み試験を実施すれば、低荷重で据込み試験を実施でき、圧延ままの素材、あるいは圧延材を焼鈍やボンデ処理をした素材、これら素材をピーリングしない太径棒鋼素材を切断して作製した円柱被加工素材の表面加工割れ感受性を有効に評価できることを知見して本発明を完成した。

即ち、本発明は、圧延ままの素材、あるいは圧延材を焼鈍やボンデ処理をした素材、これら素材をピーリングしない棒鋼素材を切断し、中央部をくり貫いた（穿孔）中空試験体内に棒鋼素材よりも軟質の金属材料からなる中実体を組み合わせて複合体を作製し、この複合体を低荷重で高さ方向に据込みさせて、該複合体の外表面での割れ発生状況から、棒鋼素材を切断して作成した円柱被加工素材の冷間鍛造時の表面加工割れ感受性を評価することに特徴がある。

以下、本発明に係わる圧延したまま、あるいは圧延材を焼鈍したままの太径の棒鋼素材を切断して作製した円柱被加工素材の表面加工割れ感受性を評価する試験方法について説明する。

まず、本発明に至った冷間据込み試験のための圧縮試験例について説明する。
本発明では、鍛造素材の成分や熱処理の有無に関係なく、利用することができるが、本圧縮試験では、冷間鍛造品に一般的に用いられている鋼であるＪＩＳＳ５３Ｃ鋼（質量％で、０．５３％Ｃ、０．２４％Ｓｉ、０．７７％Ｍｎ、０．０１８％Ｐ、０．００５％Ｓ）の棒状素材を用いて、所定の減面率で圧延、球状化焼鈍(740℃×7h−徐冷)して製造した４５ｍｍφ棒鋼を試験の供試材とした。

本試験では、この供試材を切断して、中央部をくり貫いて（穿孔）高さ６７．５ｍｍ、内径３３．７５ｍｍ、外形４５ｍｍ（内径／外径＝０．７５）の中空試験体を作製し、中空部内に中実体として純Ａｌを嵌合して複合体とした。そして、この複合体を用いて冷間据込み試験を実施した。また、従来例との比較を行なうために、４５ｍｍφ棒鋼を切断して、高さ６７．５ｍｍの試験片も準備した。

圧縮試験では、試験体を圧縮する面に浅い同心円状溝をつけた端面拘束冶具を有する油圧プレスで、試験体を軸方向に圧縮して、圧縮率と所要荷重との関係を求めた。その結果を、図３に示した。図３より４５ｍｍφ棒鋼を切断し、高さ６７．５ｍｍの試験体を従来のように圧縮率８０％とするためには、図３中の上側の実線に示すように、約１３５００ｋＮの荷重が必要であった。これに対して、本発明の複合体を圧縮率８０％とするためには、図３中の下側の点線に示すように、約４０００ｋＮの荷重で可能であった。即ち、本発明のように複合体を用いて冷間据込み試験を実施すれば、圧縮試験の結果より明らかなように、冷間据込み試験に要する油圧プレスの所要荷重が、従来法の冷間据込み試験の所要荷重に比較して約７０％低い荷重で実施することができ、さらに、加工割れに影響を与える棒鋼の表面性状を含めて被加工素材の加工割れ感受性を評価できることが分かる。

したがって、本発明では、冷間据込み試験での圧縮荷重を低減させるために、圧延ままの素材、あるいは圧延材を焼鈍やボンデ処理をした素材、これら素材をピーリングしない棒鋼素材を切断し、中央部をくり貫いた中空試験体内に棒鋼素材よりも軟質の金属材料からなる中実体を組み合わせて複合体を作製し、この複合体を高さ方向（軸方向）に据込みさせて、棒鋼素材を切断して作成した円柱被加工素材の冷間鍛造時の表面加工割れ性を限界据込み率に基づいて評価することとした。

中空試験体の中空部に組み合わせる中実体（内部組み合わせ用試験体）としては、棒鋼素材の引張強度の1/2以下の引張強度を有する軟質の金属材料を用いることが必要である。そのような金属材料としては、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｐｂ、およびそれらの合金などがある。棒鋼素材の引張強度と軟質材料の引張強度の比が1/2以下でないと、据込み試験時に十分な荷重低減効果が得られない。

中空試験体に中実体（内部組み合わせ用試験体）を嵌合させた複合体の形状としては、冷間据込み試験での圧縮時の塑性変形を考慮すると、中空試験体と中実体との隙間を０．１ｍｍ以下とすることが好ましい。

次に、冷間据込み試験で、限界据込み率を求める試験方法について説明する。
図４は、冷間据込み試験の概要を示す図で、（ａ）は、従来法による棒鋼を圧延方向に対し垂直に切断して準備した据込み試験体を油圧プレスにより圧縮する状態を示す図で、（ｂ）は、本発明による中空試験体に中実体を組み込んだ複合体を油圧プレスにより圧縮する状態を示す図である。

限界据込み率は、図４（ａ）に示すように、試験片１の始めの高さをｈ₀（軸方向の高さに相当する）、圧縮後の累積割れ率が５０％となる時の高さをｈｃとした時に、（ｈ₀−ｈｃ）／ｈ₀×１００（％）を限界据込み率（％）として表すことができる。試験体の割れは、圧縮率を種々変化させて、圧縮された試験体の水平位置における外表層（側面）に生じた割れ発生状況を目視或いは１０倍の拡大鏡で観察し、長さ０．５〜１．０ｍｍの微細な割れが始めて観察された時を割れが発生したとする。そして、割れ発生後の累積割れ率が５０％となる時を限界据込み率とした。

複数の試験体について冷間据込み試験を行い割れ発生状況を調査し、圧縮率（据込み率）と累積割れ率との関係を求めた。その結果を図５に示した。図５に示すように、この試験では圧縮率７２％の時に累積割れ率５０％となっていて、このときの圧縮率を限界据込み率（限界圧縮率）として評価した。

即ち、限界据込み率を求めるためには、予備的冷間据込み試験で試験体に割れの発生したことが始めて観察された圧縮率を求め、その圧縮率近傍の圧縮率で、少なくとも６個、好ましくは６〜３０個の試験体について冷間据込み試験を実施して割れ個数を求める。図５に示した例では、６個の試験体に冷間据込み試験を実施し、圧縮率７０％で１個に割れが観察され、同じく圧縮率７２％で２個に割れが観察され、圧縮率７４％で３個に割れが観察された例を示している。そして、割れ個数が６個中で２＋１個である圧縮率７２％を累積割れ率５０％と評価し、限界据込み率を７２％とした。

したがって、限界据込み率ε_hc（％）は、最初の試験体の高さ（外径）をｈ₀とし、累積割れ率が５０％となる時の高さをｈｃとした時に、下記式（２）によって求めることができる。
限界据込み率ε_hc＝（ｈ₀−ｈｃ）／ｈ₀×１００（％）・・・式（２）

そして、本発明の冷間据込み試験では、図４（ｂ）に示すように、中空試験体６に中実体７を組み合わせた複合体８を軸方向に端面拘束冶具をもちいて据込みするものである。本発明の冷間据込み試験で圧縮荷重を低減でき、複合体８の水平位置における外表層で適切に割れ４が検出できるのは、複合体を構成する中空試験体の肉厚が大きく影響する。

したがって、中空試験体の肉厚（外径Ｄ、内径ｄの関係）を所定の範囲にすることが重要である。即ち、本発明の圧縮荷重低減の効果を享受するには、中空試験体の肉厚（外径Ｄ、内径ｄの関係）を下記式（１）を満たすようにする必要がある。
０．５≦ｄ／Ｄ≦０．９５・・・式（１）
ここで、Ｄは中空試験体の外径、ｄは中空試験体の内径を意味する。

内径ｄ／外径Ｄが０．５未満となると、中空試験体の肉厚が厚くなりすぎて圧縮荷重低減の効果かが十分に得られず、また、内径ｄ／外径Ｄが０．９５を超えると、中空試験体の肉厚が薄くなりすぎて、冷間据込み試験で複合試験体の割れ発生状況を確認することが困難となる。したがって、ｄ／Ｄ＝０．５〜０．９５としたが、０．６〜０．８０とすることが更に好ましい。

また、中空試験体は、圧延したままの太径棒鋼（外径Ｄ）を切断して外径Ｄ、高さHの円柱体（中実体）とし、この円柱体から、外径Ｄ、内径ｄ、高さHＬの中空試験体に加工することによって製作される。ここで、高さHＬは中実体の高さＨであってもよく、特に限定する必要がないものであるが、HＬ／Ｄ＝０．５〜２の高さとすることが好ましい。HＬ／Ｄが２を超えると圧縮時に座屈が生じやすくなるので好ましくない。また、HＬ／Ｄが０．５未満であるとプレス時に、試験片に割れが発生する前に負荷荷重が過大となり、据込み試験を実施することが困難となるからである。

また、後述する実施例に示すように、本発明に係わる冷間据込み試験結果と従来の冷間据込み試験結果とを比較すると、本発明での限界据込み率と従来法の限界据込み率とでは、被加工素材の加工割れ性の優劣については両者ほぼ同様な傾向を示していて、本発明の複合体を用いる低荷重の据込み試験での限界据込み率で被加工素材の加工割れ感受性を適切に評価することが可能であることが確認できた。

以下、実施例に基づいて、本発明をさらに具体的に説明する。

本実施例の試験では、丸棒素材の外表層の割れ感受性を評価するため、丸棒の内部をくり抜いた中空円筒に、金属材料からなる中実体を組合せた複合体を用いて、冷間据込み試験を行った。また、比較例として丸棒材の冷間据込み試験を行った。

（割れ感受性評価用丸棒素材）
丸棒素材にはＪＩＳＳ４５Ｃ（質量％で、０．４６％Ｃ、０．２６％Ｓｉ、０．７６％Ｍｎ、０．０２０％Ｐ、０．０１０％Ｓ）のφ４５ｍｍ圧延材（引張強さ５２０ＭＰａ）を用いた。素材の外表面の影響を調べるために、外表層の表面性状を変化させた圧延材を作製した。圧延材は、仕上圧延ロールを、ａ）新品、ｂ）交換直前、ｃ）その中間、と変えた場合の外表層の表面性状が異なる圧延材とした。その際の丸棒外表層の粗さは、ＪＩＳＢ０６０１：‘８２に準じた十点平均粗さＲａで、それぞれ、ａ）新品：１１μｍ、ｂ）交換直前：２１μｍ、ｃ）その中間：１５μｍ、であった。そして、この圧延材に対して、軟質化処理として球状化焼鈍処理(740℃×7h−徐冷)を施したものを供試材とした。

本発明例では、外表層は受け入れままで機械加工をせず、高さを３０．０ｍｍまたは６７．５ｍｍに切断し、内径側のみ機械加工を施し各種中空円筒形状に加工した。

比較例のφ４５ｍｍ試験体は、φ４５ｍｍ丸棒素材を高さ６７．５ｍｍに切断し、円柱試験体を作製した。

比較例のφ１４ｍｍ試験体は、φ４５ｍｍ丸棒素材の中心と外周の中央部から高さ２１ｍｍの試験体を機械加工により円柱試験体を採取した。この試験体のみ円柱外周面も機械加工した。外周面は圧延（受け入れ）ままの状態ではない。

いずれの機械加工面の粗さも、ＪＩＳＢ０６０１：‘８２に準じた十点平均粗さＲａが２〜３μｍとなるようにした。

（内部組合せ用素材）
中空円筒の内部に組み合わせる中実体用の素材として、ＪＩＳＡ１０６０Ｏ材（オー材、焼なまし材の意）のアルミニュウム展伸材（引張強さ７０ＭＰａ）、Ａｌ−Ｍｇ合金であるＡ５０５２−Ｈ３４（引張強さ２６０ＭＰａ）、純鉛（引張強さ１１ＭＰａ）、ＪＩＳＳ２５Ｃ焼準材（引張強さ４５０ＭＰａ）を用いた。

Ａ１０６０材、Ａ５０５２−Ｈ３４材及びＳ２５Ｃ材は、中空体の内径ｄ１よりも中実体の直径Ｄ２が０．０５〜０．１ｍｍ小さくなるように円柱形状に機械加工した。

（鍛造装置）
冷間据込み試験には最大負荷能力１００００ｋＮの油圧式プレスを用いた。いずれの試験条件に置いても、圧下速度は５０ｍｍ／ｓ一定とした。

端面拘束治具として、同心円溝付きの拘束治具を用いた。拘束冶具表面に形成した同心円溝は、垂直に対して断面約１２０度の角度の山形傾斜面を有する溝であって、試験体の中央部を保持する山形溝は他と比較して突出した大きな山形とした。圧下毎の最大荷重はロードセルにより測定した。

（据込み試験の手順）
予備試験として、φ４５ｍｍ丸棒材を用いておおよその割れの出る圧縮率（据込率）を求めた。ここでは初回で据込率５０％まで圧下し、割れが生じるまで、同じ試験体に対し２％ずつ据込率を加えた。

割れが発生するかどうかは、据込後の試験体の外表層を目視により観察し、亀裂長さが０．５〜１．０ｍｍになったものを割れと判定した。

表１に示すように、予備試験では、「本発明例１−０」のように、据込率７４％で割れが発生し、その際の所用荷重は８３７０ｋＮであった。

そこで、本試験は、ｎ数を６として据込み試験を実施し、予備試験で求められた据込率より１５％程度低い据込率を初回の据込率とした。本試験では「本発明例１−１〜１−６」のように、据込率５８％から２％ずつ据込率を増やした。

割れの発生した据込率は、表１に示すように、７０％で１個、７２％で２個、７４％で３個であり、据込率７２％でｎ／２である３／６個が割れた（累積割れ率が５０％となる）。したがって限界据込率は７２％であると評価する。

次いで、上記に述べた手順で、各種試験体の限界据込率を求めた。その結果を表２に示した。

表２において、本発明例１〜３は、丸棒を内径ｄ１／外径Ｄ１＝０．６０、高さH１／外径Ｄ１＝１．５０の中空試験体とし、内部にアルミニウムＡ１０６０の円柱の中実体を組み合わせて複合体としたものである。これらは丸棒の外表層面粗さが変わった場合の結果で、表面粗さの粗くなるほど限界据込率が低下する結果が得られた。これは実際に部品を鍛造した場合の割れ感受性の順番と同一であった。

本発明例４〜６は中空試験体形状を内径ｄ１／外径Ｄ１＝０．７６、高さH１／外径Ｄ１＝１．５０、本発明例７〜９は中空試験体形状を内径ｄ１／外径Ｄ１＝０．９１、高さH１／外径Ｄ１＝０．６７と変えた場合の結果である。本発明例１〜３と同様に、表面粗さの粗くなるほど限界据込率が低下する結果が得られた。

本発明例１０〜１２はアルミニウムA5052の円柱の中実体を組み合わせて複合体としたものである。本発明例１〜３と同様に、表面粗さの粗くなるほど限界据込率が低下する結果が得られた。

本発明例１３〜１５は中空試験体形状を内径ｄ１／外径Ｄ１＝０．７６、高さH１／外径Ｄ１＝１．５０、本発明例１６〜１８は中空試験体形状を内径ｄ１／外径Ｄ１＝０．９１、高さH１／外径Ｄ１＝０．６７と変えた場合の結果である。本発明例１〜３と同様に、表面粗さの粗くなるほど限界据込率が低下する結果が得られた。

本発明例１９〜２１は純鉛の円柱の中実体を組み合わせて複合体としたものである。本発明例１〜３と同様に、表面粗さの粗くなるほど限界据込率が低下する結果が得られた。

本発明例２２〜２４は中空試験体形状を内径ｄ１／外径Ｄ１＝０．７６、本発明例２５〜２７は中空試験体形状を内径ｄ１／外径Ｄ１＝０．９１と変えた場合の結果である。本発明例１〜３と同様に、表面粗さの粗くなるほど限界据込率が低下する結果が得られた。

本発明例１〜２７に示すように、本発明例での所用荷重は３６００ｋＮ程度以下で、圧縮荷重の小さな鍛造装置での割れ感受性評価が可能である。

これに対して、比較例１〜３は、丸棒素材の外表層を残した状態での据込み試験であり、表面粗さの粗くなるほど限界据込み率が低下する結果が得られた。これは実際に部品を鍛造した場合の割れ感受性の順番と同一であった。ただし所用荷重は７０００ｋＮ近くに達しており、大きなプレス能力のある鍛造装置が無ければ割れ感受性を評価することは出来ない。

比較例４〜６はφ１４ｍｍに機械加工した場合の据込試験である。所用荷重は小さいが、丸棒素材の外表層を除去してしまったため、限界据込率は７５〜７６％とほぼ同じ割れ感受性を示し、実際に部品を鍛造した場合の割れ感受性と不一致であり、評価方法として不適である。

比較例７〜９は、中空試験体の内径ｄ１／外径Ｄ１＝０．７６と、請求項の範囲を満たすが、内部の金属材料の引張強度が棒鋼素材の引張強度の1/2以下よりも大きい例である。この場合、表面粗さの粗くなるほど限界据込率が低下する結果が得られたものの、所用荷重は５０００ｋＮに達しており、荷重低減の効果が本発明例と比べ小さい。

比較例１０〜１５は、中空試験体の内径ｄ１／外径Ｄ１＝０．３３と、請求項の範囲を外れる例である。この場合、表面粗さの粗くなるほど限界据込率が低下する結果が得られたものの、所用荷重は６０００ｋＮ近くに達しており、荷重低減の効果が本発明例と比べ小さい。

以上、本発明例と比較例に示したように、本発明によれば、冷間据込み試験を低荷重の鍛造機で実施することができ、そして冷間据込み試験で求めた限界据込み率により冷間鍛造用鋼の加工限界（加工割れ感受性）を適切に評価できることが確認できた。

１試験体
２端面拘束冶具
３圧縮された試験体
４割れ
５棒鋼
６中空試験体
７中実体
８複合体

Claims

棒鋼素材を圧延方向に対し垂直に切断して作製した円柱被加工素材の冷間鍛造時の表面加工割れ感受性評価方法であって、棒鋼素材を圧延方向に対し垂直に切断し、下記式（１）を満たす中央部をくり貫いた中空試験体内に該棒鋼素材の引張強度の１／２以下の引張強度を有する金属材料からなる中実体を組み合わせて複合体を作製し、該複合体を高さ方向に据込みさせて、該複合体の外表面での割れ発生状況から、下記式（２）に規定する限界据込み率（εｈｉ）を求め、該限界据込み率に基づいて棒鋼素材を切断して作成した円柱被加工素材の冷間鍛造時の表面加工割れ性を評価することを特徴とする、円柱被加工素材の冷間鍛造時の表面加工割れ感受性評価方法。
０．５≦ｄ／Ｄ≦０．９５・・・式（１）
ここで、Ｄは中空試験体の外径、ｄは中空試験体の内径を意味する。
限界据込み率ε_hc（％）＝（ｈ₀−ｈｃ）／ｈ₀×１００（％）・・・式（２）
ここで、ｈ₀は最初の試験体の高さ（ｍｍ）、ｈｃは複合体の外表面で割れの発生する時の高さ（ｍｍ）を意味する。
前記中空試験体は外径Ｄ、高さＨの中実体から、ＨＬ／Ｄ＝０．５〜２の関係を満たす外径Ｄ、内径ｄ、高さＨＬの中空試験体に加工することを特徴とする、請求項１に記載の円柱被加工素材の冷間鍛造時の表面加工割れ感受性評価方法。