この熱処理について教えて下さい 熱処理の疑問を解消

超サブゼロについて

サブゼロとは、0℃以下のことをいいます。

鉄鋼の熱処理でいう「サブゼロ処理」は、液化炭酸ガスやドライアイス、電気冷蔵などによって、-80℃程度に冷却する処理をいいます。

さらに「超サブゼロ処理」は、液体窒素を用いて、-150℃程度以下に冷やす処理を言いますが、一般的には、-100℃以下に冷却する処理を超サブゼロ処理と呼んでいます。

また、英語名のCryogenicsから、「クライオ処理」とも呼ばれます。



超サブゼロ処理の方法や目的

-80℃程度までのサブゼロ処理は、焼入れ直後(焼戻し前)の工程中に行うことで残留オーステナイト(焼入れ硬化しないで残っている組織)を焼入れ組織に変化させて硬化する目的で行うことがおおく、 これによって、硬さの上昇、経年変化の減少などに効果があります。

鉄鋼の熱処理での一般的なサブゼロ処理は、液化炭酸ガス(またはドライアイス)を用いて-70℃程度に冷やす処理が行われています。

それに対して、液体窒素を用いて-180℃程度の温度に冷却する処理が アメリカ合衆国などで古くからおこなわれており、「サーモオーバンド」などの商標名で、現在でも、特殊熱処理として行われているものもあります。

それによると、「熱処理済みの製品に対して、注意深くプログラムしたパターンで処理をそれを行うと、硬さは変化しないで工具寿命が格段に伸びる・・・」という効果をPRしており、 特許技術となっているものもありました。

このために、通常のサブゼロとは区別されていて、「超サブゼロ処理」と呼ばれるのかもしれません。

この処理は、大量の液化窒素ガスを使い、長時間をかけて行われるために、処理費用は高額になります。

超サブゼロ装置の例(クライオ槽の例:協力 第一鋼業(株))

これらの外国での実績もあって、超サブゼロをすることによって、何らかの組織等の変化が生じると考えられたことから、平成年代の初期までには、国内でもいろいろな研究が行われました。

しかし、かなり大掛かりな調査探求も行われたのですが、目立った成果や安定的な好評価についてはと統一性がなく、結局はよくわかっていません。


超サブゼロで謳われる効果などについて

超サブゼロは『残留オーステナイトの変化とは関係がないために、焼戻し後に行っても問題がない』とする考え方があります。

私が実験した範囲では、SKD11系の材料で、焼入れ直後に-180℃に処理したものと、-75℃の通常サブゼロをしたものでは、硬さ上昇は両方とも起こりますし、180℃に焼戻しした後にも、クライオ処理では若干の硬さ上昇はあります。

つまり、ごく低温まで冷却すると、残留オーステナイトが減少しており、通常は、焼戻しをしてしまうと、残留オーステナイトが安定化して、サブゼロ処理をしても、その効果はなくなるのですが、極低温に冷やすと、若干は変態するようです。

しかし、SKD11などの高炭素高合金鋼の残留オーステナイトは、いくら低温にしてもなくなってくれないので、何かそのほかの変化が起きていると考えていろいろやってみなのですが、明瞭な結果はゼロとはいえず、何かありそうだという感じは拭えません。

超サブゼロ処理した工具の寿命については、私が調べた範囲内では、良くなる場合も変わらない場合もまちまちで、何とも言えない結果です。

500℃以上の高温焼戻しをしたものについても、超サブゼロ処理をすると、何か違った効果が得られると考えて、超サブゼロ処理を継続的に行っていて、費用をかけて取り組んでいる割にはその効果がはっきりしませんが、寿命が低下することはないので、継続していけば、時間がたてば、何かがわかってくるのかもしれません。

近年は、クライオジェニックスとよばれる、アルゴンを使った様々な超低温の研究が行われています。

しかし、液化アルゴンは、液体窒素を使う以上に高価ですし、現状では、熱処理分野で利用できるような低温処理による成果はあまり聞こえてこないようです。

私の在任中には、昭和末期からサーモオーボンド処理品と通常サブゼロ品の性能比較調査をしたり、液化炭酸ガス温度と液化窒素でサブゼロをした品物の寿命や性状を比較調査しました。

当時は、はっきりとした有意性はつかめませんでした。 寿命比較での結果は不安定で、平均すると、処理品の寿命は処理していないものよりも伸びるのですが、硬さによる長寿命化以外の要因が特定できませんでした。

また、超サブゼロ処理を行うと、音響製品や音響機器に音質が良くなる変化がある・・・ といううわさなどもWEB上にたくさんあって、その実験などもしました。

しかし、これは、官能的な評価なので、製造会社が追求するものではなかった感じなので、深く追求しませんでしたが、無酸化銅の抵抗変化など、興味深いところはいろいろありました。

現在でも、私の在籍した会社では、クライオ装置を使って超サブゼロ処理を継続していますが、「熱処理のおはなし」の著者(故)大和久重雄先生はしばしば、その優位性を声高に主張されていて、処理方法や成果を教示いただいたのですが、時間があれば何かを継続的にやっている状況のようで、何かの成果が見いだせればオモシロイ・・・と期待しています。


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