この熱処理について教えて下さい 熱処理の疑問を解消

工具鋼の焼戻し回数

構造用鋼では1回の焼戻しで問題ないのに、なぜ工具鋼では2回以上の焼戻しが必要なのでしょうか。・・・ということに疑問を持っている方も多いと思います。

この説明は、かなり専門的になりますが、熱処理関係者の中でも、間違った考え方をしておられる方もいますので、理由もあわせて、これについて考えていきましょう。



焼戻しの目的

低合金鋼では、焼戻しはマルテンサイトという焼入れ組織が加熱温度とともに組織が変化して、硬さも低下(機械的性質の変化)していきます。

これによって、強さなどが低下して、じん性などが向上して、強靭な鋼にするのが焼き戻しの目的です。

この場合に、焼戻しでは、4つの段階を経る・・・と説明されます。 

これについては、こちらの焼戻しの解説に書いていますので、ここでは割愛しますが、例えば、多くの低炭素低合金鋼で250℃以下の低温域で焼戻しする鋼や、構造用鋼などで500℃以上で「調質」する場合も、熱処理教科書的には、焼戻しは1回であっても問題はありません。

構造用鋼などで行われる「調質」は500℃以上で焼戻しされますが、2次硬化もありませんし、基本的には、残留オーステナイトが分解する温度以上になっていますので、1回の焼戻しでいい・・・ということになります。

問題になるのは、残留応力の「いたずら」

鋼が硬くなるのは、(品物内部の)応力が高くなるということです。 そして、応力の変化が生じるのは、主に、組織変化が起きることで生じる体積変化が生じているということで、この応力変化で、変形や割れなどの他、強度変化も起こります。

これはもちろん、どんな鋼種でも、焼戻し温度を上げるにつれて組織変化は起きていますが、体積変化が最も問題になるのが残留オーステナイトの挙動が関係する鋼種です。

この残留オーステナイトについて考える場合は、 ①焼入れ状態が完了していないで残っているものと、 ②400℃程度までの焼戻しで「安定化」して残っているもの を分けて考えなければならないことに加えて、 ③それ以上の温度での「分解」していく、又は、 ④分解したものの後処理をしなければならない場合・・・について考える必要性があります。

これは、かなり専門的な内容で、説明も長くなるので、ここでは説明しませんが、構造用鋼や、低合金工具鋼などは、硬い硬さ(すなわち、焼戻し温度が概ね250℃以下のもの)と、低い硬さ(すなわち、500℃以上の焼戻し温度で、調質のような目的)で使用されますが、本来、焼入れ時の残留オーステナイト量は少ないので、「焼戻しは1回でよい」ということに帰着します。

もちろん、やや例外的なものでは、肉厚か不均一な品物で、硬さや熱処理効果を均一にするために、2回の焼戻しをする場合があります。

これは、2回の焼戻しでなく、長時間の焼戻しを1回行う・・・という方法もありますので、基本的には1回の焼戻しだと考えていいでしょう。

問題が生じるのは、焼入れした状態で、多くのオーステナイトが変態せずに残ってしまう高合金工具鋼などの場合です。

例えば、冷間工具鋼の標準的な鋼種の SKD11系統や、高速度鋼の多くは、焼入れ直後には、20%以上の残留オーステナイトが残っていますし、さらに、少し大きな品物では、焼割れの危険性が高いので、常温近くまで冷却せずに焼戻し工程に進みますので、50%近くの残留オーステナイトが残っていることもあります。充分な焼入れ状態にならないのです。

この残留オーステナイトは、250℃程度の焼戻しでは分解しないで「安定化(そのまま残る)」するものと、焼戻し後の冷却時に、一部が変態して、焼入れ状態になるものが出てきます。

このことが問題で、テストピースのような小さな品物の焼入れでは、データシートにあるように、焼入れでは常温まで冷やすのが通例なので、焼戻し後に焼入れ硬化しないのですが、実際の熱処理では「焼入れは常温まで冷やさないのが通例」ですので、1回目の焼戻しで残留オーステナイトの一部が焼入れ組織に変わります。

だから、その焼戻しで変化した部分を焼戻しする必要があります。

残留オーステナイトは、焼戻しによって「安定化」しますが、それは一時的な処理で、時間がたったり、大きな力が加わると、組織変化して、早期破損や、時効割れ(時間がたって品物が破壊する)などの原因になります。

この点について、標準熱処理データと実際の熱処理操作との違いが説明されないために、多くの専門家も誤解しているところですが、「実際の熱処理は、教科書どおりにはできない・・・」ということを知らないと、「工具鋼の低温焼戻しは1回で問題ない」という意見が出てくることになります。

私が会社に在籍中には、「1回の焼戻しでいいので、熱処理価格を下げてほしい」という話をよく聞いたのですが、難しい説明をしても理解してもらえないので、「焼戻しを2回することで、均一な組織になり、残留応力も平均化されます・・・」という説明をして渋々納得してもらっていました。

高速度工具鋼などで高温特性が必要な品物は、高温焼戻し(2次硬さが出る鋼種では、500以上の焼戻しで所定の硬さを得る焼戻し)をしますが、これも同様に、2回の焼戻しが必要ですし、熱伝導の悪い鋼種や、高級鋼でも焼入れ性が低い鋼種は、均一な焼戻し組織を得るために、3回の焼戻しをしたほうがいい鋼種もあります。

熱処理費用が安いほうがいいのか、工具が長持ちするのがいいのかは場合によって変わりますが、ともかく、工具鋼においては、熱処理的に「焼戻しは最低2回」と考えておくのがいいでしょう。

繰り返しますが、2回以上の焼戻しが必要な場合は、

「残留オーステナイトの変化に対応する必要があるもの」
「熱処理操作上での対応のためやむを得ない熱処理をしたもの」
「残留応力を均一化したほうがいいと考える時」

・・・ などですが、通常では、工具に使用する工具鋼などは2回以上の焼戻しをするものと考えておいてください


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本の知識と実際は違う・・・

熱処理試験データは小さな試験片を用いたものなので、実際の品物になると、その様子はかなり変わってきます。

ここでは、焼入れ冷却中の品物の各部の冷え方に違いがあることを見てみましょう。

下のグラフはシミュレーションソフトを利用して、焼入れ硬化しない材料を850℃からファンを用いて冷却したときのφ100とφ300の鋼材の表面と中心の温度を計算したものです。(冷却過程を見るだけのもので、荒っぽい条件で計算していますが)品物が大きくなると、冷却中の品物内外の温度差は広がっていく様子を示しています。

冷却曲線の例 左図の詳細

右の詳細図は、100℃を切った時の品物内外の温度差を示しています。φ100では、ほとんど表面も中心部も同じように冷却されていきますが、品物が大きくなるとはっきりと温度差(冷却時間差)が出ているのがわかります。

たとえば、冷間工具鋼として多く用いられる SKD11 のMs点 は約200℃前後ですが、Ms温度以下で冷却中のマルテンサイト変態にかかっている状態の温度域では、鋼は非常に不安定な状態で、品物各部で不均一にマルテンサイト化(焼入れ硬化)が進行している状態と言えるのですが、実作業では、焼割れや変形防止のために、焼入れ時に常温まで冷却しないで、100℃程度にならないうちに焼戻し工程に移行します。 お客様が割れてもいいというなら常温まで冷却しますが、普通は、そんな事はありませんので、割らないように処理しますから・・・。

そうすると、常温まで冷却したデータシートにある以上に、さらに残留オーステナイトがさらに残る状態になっていますので、300℃以下の低温焼戻しであっても、焼戻しで焼入れ組織になった部分とその他の残留オーステナイトをさらに安定化せせるために、必ず2回の焼戻しが必要といえることも理解いただけるでしょう。

残留オーステナイトは思っている以上に「曲者」

残留オーステナイトは焼戻し以外に、時間とともに分解したり(時効変形)、強い負荷や変形を受けると分解します(加工誘起マルテンサイト)。

それを無くする(残留オーステナイトの消失)か、その影響を少なくする(残留オーステナイトの安定化)ためには、しっかりと焼戻しをすることが必要です。

航空機部品のベアリング部品を熱処理では、3回の焼戻しと2回のサブゼロでを行って、残留オーステナイトを極力抑える工程をとっているのですが、それでもゼロにはなりません。

それくらい、時間と費用をかけても除去しておかないと、経年変化での破損等があっては大変ですが、たまに文献には、「SKD11をサブゼロをして残留オーステナイトをなくします」などと平気に書いてある記事があるのですが、そんな簡単に消えてくれるものではありません。

また、残留オーステナイトは10%程度まではじん性向上に寄与する・・・とされていますが、それは、シャルピー衝撃試験などの結果だけの話で、高負荷の工具や部品では、組織変化して、思わぬ問題が生じますので、長寿命と高品質を考えるなら、残留オーステナイトを減らすことに慎重になりすぎることはないと考えています。


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