PR

熱処理の用語|まぎらわしくて、特殊で、わかりにくい?

熱処理用語には、「焼入れ」のほかに、よく似たまぎらわしい言葉が出てきます。

たとえば、「焼戻し」「焼なまし」「焼ならし」「焼入焼戻し」… などは紛らわしいですし、さらに、この表記も特殊です。

通常のパソコンの文字変換では、このように変換されないかもしれないで、「焼き入れ」「焼き戻し」「焼きならし」などとなることもあって、見慣れないし、変な表記ですね。

これは、これらのJISの用語の多くが、JISが制定される前に、熱処理工業会の団体規格で決められたものが継承されていて、その時の表記のままになっているようで、これに慣れていただくしかないのですが、この記事の文章もパソコンで書いているので、間違って変換されてそのままになっているかもしれません。

ともかく、専門用語ですから、必要なものを、徐々に覚えていくしかなさそうです。

混同しやすい用語ですが、徐々に慣れて覚えていきましょう

1)焼入れ
鋼を硬くする操作。(加工記号は HQ :クエンチ)

2)焼戻し
焼入れした後で、硬さを下げたり、強靭性を増す操作。(同 HT :テンパー)

3)焼なまし
鋼をやわらかくしたり、応力を除去する操作。(同 HA :アニーリング)

4)焼ならし
組織や硬さを均一にする操作。(同 HNR :ノーマライジング)

これらは、熱処理操作(温度の上下や時間的な処理)をすることによって、鋼の硬さだけではなく、組織、機械的性質、化学的性質、その他が変わるのですが、それらの操作を総称して「熱処理する」といいます。

ここでは、鋼を硬くする「焼入れ」を取り上げますが、焼入れに引き続いて「焼戻し」をするので、JIS用語は、「焼入焼戻し」となっています。

焼入れについて

焼入れの操作

熱処理パターン

この図は、熱処理の工程を表したもので、これは、熱処理線図 やヒートパターン と呼ばれます。

この図は、左から右に時間が経過を表しています。

この図の見方は、まず、品物を加熱炉(炉)に入れて、焼入れ工程に入ります。

左側が「焼入工程」で、予熱温度に品物を保持してから、目的温度(焼入れ温度)まで温度を上げて、保持時間を経て冷却する操作が「焼入れ」です。

冷却方法は、水冷(WQ)、油冷(OQ)、空冷(AC)などが示されています。

そして、右側が「焼戻し工程」で、通常は、「焼入れに続いて焼戻しをする」 … ので、2つの図で、焼入れ~焼戻しの経過が示されています。(これは、焼戻しが1回の例です)

「焼入れ」

焼入れは、加熱冷却の熱処理操作で、鋼を硬く・強くする熱処理のことです。

鋼が「硬くなっている状態」は、品物に高い応力がかかっており、そのために、強いのですが、割れやすいし、「もろい(脆い)」という状態になっているので、通常は、焼入れ操作のあとは、時間を置かずに「焼戻し操作」をします。

この焼戻しによって、応力の緩和や組織の変化で「ねばさ」「強靭性」が増します。

焼入れのポイントは、鋼を変態点以上の決められた温度に加熱して、「急冷」することです。

焼入れをするための温度(これを「焼入れ温度」といいます)や冷却の方法は、鋼の化学成分と深い関係があり、通常は、カタログやJIS規格などに、鋼種ごとの焼入れなどの加熱温度が示されていますから、その温度によるのが安心です。

この温度は、状態図の項 にあったように、オーステナイトになる状態になる「変態点」の直上の温度が理想ですが、変態点は、加熱速度や鋼材の成分で異なるので、「変態点の+30~+50℃程度」と説明される事が多々あります。

カタログやJISのある「標準焼入れ温度」や「熱処理温度」の温度範囲は、焼入れ試験を行って、充分な硬さが得られて、組織的に異常のない温度の範囲で、余裕をもった温度範囲で決められたものですから、ここでは、カタログやJISに沿う「焼入れ温度」をとる … としましょう。

焼入れ時の加熱は、「オーステナイト化する」というように表現する場合があります。

言い換えると、焼入れでは、鋼をオーステナイト化する温度まで上げて、オーステナイト状態に変化させておくことが基本です。

そのオーステナイト化が不十分だと、充分な硬さなどの「焼入れによる効果」が得られません。

焼入れ温度に加熱後の冷却のしかたも重要です

一般的にいうと、焼入れは「硬くする」ために行うもので、十分に硬化させるためには、適正な加熱温度と充分な冷却速度が重要になります。

焼入れの冷却は「急冷」と書かれている場合があります。

これは、焼入れで十分硬化させるために、鋼種に応じた水冷、油冷、空冷などをするのですが、それらをまとめて「急冷」と書かれています。

水に入れる焼入れを「水冷」「水焼入れ」、油に入れる焼入れを「油冷」「油焼入れ」、大気で冷却する「空冷」、窒素ガスなどを用いる「ガス冷」などがあります。

鋼種によっては空気中に放冷する(「空冷」)ことで焼入れ硬化する鋼種もあり、これらを含めて「急冷」と表現する場合が多いので注意ください。

急冷の反対は「徐冷」と表現されます。

徐冷は、焼入れでは用いることはなく、鋼を軟化させる「焼なまし」の場合の冷却表現で、炉の中でゆっくり冷やす冷却(炉冷)のことをいいます。

これらを冷却速度は、数値的に表現する方法もありますが、簡単に表現できない問題があるので、冷却速度は、 水冷>油冷>ガス冷>空冷 となっているというイメージを持っている程度でいいでしょう。

【参考】 焼入れ冷却中の冷却速度は温度によって変わってきますし、あとのページで、冷却速度が硬さや組織に影響する温度範囲などのことを知ると、「**℃/秒」という表現は適当でないということが解るのですが、ちなみに、「冷却能(H度)」という指標があり、静止水を「1」としたときの油の冷却能は0.3、空気は0.02という冷却に関する数字があります。

空冷は水冷の1/50の速さでゆっくりと冷える … という数字です。

また、私は、シミュレーションソフトを使って、表面と内部の冷え方などを計算する場合には、H度と関係ある熱伝達係数[cal/min.mm2.℃]で、水冷0.04、油冷0.007、空冷0.00007程度でよく計算していました。

そうなると、数字的には空冷は水冷の1/600ということですが、現実的には、これを知ってどうなるというものでもありませんから、かなり冷え方が違う … という程度に考えておく程度でいいでしょう。

【参考】焼入れに操作に似た熱処理:溶体化処理・水靱

焼入れ操作と同じように、オーステナイト化する温度から急冷する熱処理方法があります。

その1つが「溶体化処理」と言われるものです。

これは、主にオーステナイト系ステンレス鋼に行う処理で、高温から急冷(普通は水冷)することで耐食性や耐酸化性を安定なものにする処理です。

この溶体化処理は、鋼を硬くしたり、強度を上げるのではありません。

この処理で、オーステナイト系ステンレス鋼などは「柔らかくて耐食性が増す」のですが、これを「焼入れ」とは言わずに 溶体化処理(固溶化処理)といいます。

市販されているオーステナイト系ステンレス鋼材は、メーカーでこの溶体化処理が行われているのが普通です。

メーカーではなく、市中での鍛錬品(鍛造などで成形した大型品)などで溶体化処理をしていない場合は、別にその熱処理をする必要があります。

もう1つの焼入れに似た処理は、高マンガン鋼などを安定したオーステナイト状態にするために行う溶体化処理があります。

これは同じように、高温のオーステナイト化温度から水冷する処理で、「水靭(すいじん)」とも呼ばれます。

ともかく、わかりにくく、覚えにくい熱処理用語ですが、徐々に覚えるしか方法がないようです。