自由鍛造
自由鍛造は、開いた工具（オープンダイ）上で素材を回転・位置調整しながらハンマまたはプレスで圧縮し、鍛造工の操作により断面形状と寸法を段階的に作り込む塑性加工である。一般に自由鍛造は単品・少量生産や大型素材に適し、型鍛造（クローズドダイ）と比べて金型製作が不要で段取り自由度が高い。鍛流線の制御により内部欠陥の閉塞や結晶粒微細化が期待でき、シャフト、リング、フランジなど高信頼部材に用いられる。英語では“open-die forging”と表記する。
原理と特徴
自由鍛造は圧縮応力下で素材を塑性流動させ、据込みや延伸などの基本操作を組み合わせて最終形状に近づける。開放された工具面を使うためフラッシュは原則生じず、繰返しの打撃・押圧により内部ポアを圧着し、鍛流線（fiber flow）を負荷方向に沿わせることで疲労強度や靭性の向上を図る。寸法精度は機械加工で仕上げる前提で、加工余肉（マシニングアロワンス）を見込んで鍛伸計画を立てるのが通例である。
代表的な基本操作
基本操作は対象形状と断面変化の意図に応じて選ぶ。以下に主要操作を挙げる。
- 据込み（upsetting）：軸方向に圧縮して径を増す。
- 延伸（drawing）：横方向に圧縮して長さを伸ばす。
- 据え延し（cogging）：多数段で交互に据込み・延伸し、内部欠陥を閉塞する。
- 曲げ（bending）：治具や角金を用いて所定の曲率に成形する。
- 穴あけ（punching）：ポンチで貫通孔を開け、必要に応じドリフトで拡径する。
- テーパ付け・段付け：局所加圧で段差や傾斜部を形成する。
設備と工具
設備はエアハンマ・スチームハンマなどのハンマ系と、油圧式・スクリュ式のプレス系に大別される。ハンマは打撃による高ひずみ速度で表層の変形能を引き出しやすく、プレスは定速押圧で厚み方向のひずみ分布を均しやすい。工具は平工具（フラットダイ）、丸工具、角工具、サドル、角金などを使い分け、加熱炉、マニピュレータ、放射温度計、スケール除去装置が補助機器として用いられる。
材料と加熱管理
対象は炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼、Ni基合金、Al合金など広い。加熱はオーステナイト域（鋼）や固溶強化域（非鉄）で行い、過熱・脱炭・酸化を避けるため均熱と温度降下の管理が重要である。多段鍛造では再加熱を計画し、仕上げ後は焼ならし（normalizing）や焼入れ・焼戻し（quench & temper）で組織と特性を整える。温度窓外での成形は割れや折れ込みの原因となるため避ける。
組織と特性
自由鍛造により鋳塊の柱状晶や中心ポロシティが鍛錬比（forging ratio）に応じて潰れ、等軸化・微細化が進む。鍛流線を部材の主応力方向に合わせやすい利点があり、回転軸や圧力容器部品などで疲労・耐圧信頼性を高める設計が可能である。一方、異方性は残るため切欠き方向や溶接接合部との整合に配慮する。
欠陥と防止策
典型欠陥は折れ込み（ラップ）、横割れ・縦割れ、白点（HIC）、中心疵、脱炭層などである。防止には適温域の厳守、据え延しの段取り最適化、角部R付与、スケール除去、十分な鍛錬比の確保が有効である。検査はUT（超音波探傷）、MT、PT、必要に応じRTを組み合わせ、機械試験（引張・衝撃）やマクロエッチで内部健全性を確認する。
寸法・公差と仕上げ
自由鍛造品は機械加工取り代を確保した「荒材」として供給されることが多い。角部は割れ防止と応力集中低減のためR取りを前提にし、鍛伸方向と加工基準面の関係を図面上で明示する。公差や表面粗さはJISや顧客仕様に整合させ、焼ならし後の時効変寸も見込んで仕上げ順序を計画する。
適用分野と事例
発電用タービン軸、船舶プロペラ軸、大型フランジ、圧力容器ノズル、油井管用マンドレル、鍛造リングなどで自由鍛造が用いられる。締結部品のボルトは量産では冷間圧造が一般的だが、試作・少量・大型特殊品では自由鍛造で素材を作り機械加工で仕上げる場合がある。非鉄ではAl合金の厚板・ブロック材を鍛伸して内部欠陥を低減する用途がある。
工程計画と見積の考え方
工程は素材選定→切断→予熱・均熱→据え延し・延伸→中間検査→仕上げ鍛造→熱処理→粗加工→非破壊検査→出荷の順で構成する。リードタイムは加熱回数、ストローク数、ハンドリング距離、再加熱待ち時間に依存する。コストは材料歩留まり、エネルギー、設備能力（最大押圧・ストローク）、治工具の摩耗、検査要求水準で左右される。デジタル記録による温度・荷重・変位のトレーサビリティ確立は品質保証と再現性向上に有効である。
安全衛生と環境配慮
高温・重量物・衝撃振動を伴うため、耐熱手袋・保護面・安全靴などのPPE、火傷・挟まれ防止の動線設計、設備のインターロックと非常停止機構が必須である。スケール粉じんや廃熱の管理、炉の高効率化、再加熱回数削減によるエネルギー低減など、環境負荷の最小化も自由鍛造工程の重要課題である。