この熱処理について教えて下さい 熱処理の疑問を解消

工具鋼のワイヤカット対策

かなり周知されてきて、これから説明する問題は少なくなりましたが、SKD11などの冷間工具鋼のワイヤカット加工をする場合の問題について紹介します。

ワイヤカットに加えて、放電加工も同じ考え方をしておいたほうがいい部分もありますので、ここでもう一度、対策などを確認しておきましょう。


加工による変質層・応力変化による変形や割れ

よく起こる問題は、加工表面の「放電変質層」に起因する問題と、熱処理後に加工する場合では、「応力変化による変形」や「加工後の割れ」などの問題があります。


表面の変化

ワイヤカットは、ワイヤと品物の間に微小スパークを発生させ、そのエネルギーで鋼の一部を溶融させながら行う加工ですし、放電加工は、灯油の中で、同じように、放電時のスパークを利用して加工するので、少し状況が違います。

一般的には、鋼を加工すると、最表面層には何らかの変化が生じます。

表面硬さの変化傾向

これは、品物に何らかの加工を加えたときの表面硬さの変化を模式化して、それを分類したもので、品物の断面の微小硬さを測ると、このような変化がみられるので、破損の原因などが推察できますので、微小硬さ測定はよく利用される方法です。

何らかの表面加工をすると、硬化や軟化が生じます。 窒化のように、表面の強さが向上するように、それが有利に働けば何らかの利点があるのですが、反対にデメリットが生じるのは困りものです。

この図のように、切削などの機械加工では表面が加工硬化しますが、放電加工では冷却液の石油からの炭素が高温のスパークによって分解して、鋼の表面が浸炭される状態になったところに、スパークの熱で表面温度が上がって「再焼入れ」現象が生じて、ごく表面が硬化します。



再焼入れ状態になった部分は、もろい焼入れ組織のために、硬さは上がって、耐摩耗性が上がるように思いますが、実際には、もろくて、その部分が早期摩耗の原因になることのほうが多いようです。

対策は、加工速度を調節して、変質層を作らないことですが、完全になくすることは難しく、SKD11などの焼入れ性のよい鋼種では残留オーステナイトなども生じているので、ダイヤモンドラッパーで丁寧に研磨除去する程度でも効果があり、それが無理なら、焼入れ状態の組織を200℃程度の焼戻し処理をすることも効果があります。

ワイヤカットでは、冷却液によって浸炭することがないので、おおくの場合は、表面の硬さが低下して「軟化」した硬さ変化が見られるのが特徴です。

これらの加工をした表面は大なり小なり「変質」しています。 組織的な検査をすると、微細なクラックの発生もあリますが、それが割れの原因になった例はありませんし、軟化の深さも数ミクロンで、初期摩耗の懸念はありますが、放電加工よりも生じる問題は少ない感じですが、それよりも、ワイヤカットでは、電極が必要な放電加工と違って、色々な抜き加工ができることもあって、「変形」のトラブルが多いようです。

対策としては、加工材への影響を及ぼさないように、加工速度を上げすぎないようにして、セカンドカット、サードカットなどで表面粗さや形状精度や表面性状の変化を押さえる以外の方法はないのですが、生じる変質層の深さは浅い場合がほとんどなので、研磨除去やショットピーニングなども効果があります。


「変形や割れ」

対策については、加工する材料の特性と熱処理の状態が関係します。

放電やワイヤカットは硬さの高い品物に有効的な加工です。そのために、金型の加工などでよく使用されるSKD11などの冷間工具鋼は、高い硬さが必要なことから、200℃程度の焼戻しをした状態で、58-60HRC程度の硬い品物として使用されることがほとんどです。

「硬さ=強さ=応力」なので、焼入焼戻しをすると、応力が高い状態になっています。 応力は内部応力、すなわち、外力に対抗する強さですので、(SKD11とSKS3というように、鋼種の違いや品物の形状によっても状態は異なりますが、)熱処理した製品は、部位によって応力状態も均一ではないために、ワイヤカットや放電加工をすると、応力バランスが崩れて、変形が生じることがあります。 

大きな品物では、小さな品物よりも表面と内部の硬さの違いがあるので、変形や割れの危険性は高くなります。

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熱処理後の応力は、熱処理が完了した時点では一応釣り合った状態ですが、品物の一部に抜き孔を作ったり、切込みをするなどの加工をすると、応力バランスが崩れるために、熱処理後の加工によって「変形」することがあります。

そのために、熱処理的な対策としては、できるだけ高い温度でしっかりと焼戻しをしておくことが有効です。

通常は硬さが要求される品物が多いので、180℃程度の焼戻しをすることが多いのですが、若干硬さを犠牲にしても 200-250℃程度の焼戻しを2回行っておくことが有効です。

しばしば、1回しか焼戻しをしていないものも見受けられます。工具等に使用する製品は、必ず2回の焼戻しをすることが重要です。(こちらの記事を参考に)

高速度鋼や高温焼戻しをする鋼種では500℃以上の焼戻しをするのが基本であるために、放電やワイヤカットをしたときの変形は低温焼戻しをしたものよりも少ない傾向になりますが、SKD11を高温焼戻しすると十分な硬さが出ないので、通常は200℃程度の低温焼戻しが普通です。 その場合でも、できるだけ高い温度で、2回の焼戻しをキッチリやっておくことが基本です。

SKD11では200℃前後の焼戻しが基本ですが、現在は 8%Cr系の鋼種 (大同特殊鋼のDC53や山陽特殊製鋼のQCM8など)の流通量が増えていますので、それらを使って高温焼戻し(500℃以上の焼戻し)で60HRC以上の硬さが出ますので、高温焼戻しはワイヤカットなどの変形防止対策として効果的です。

ただ、12%CrのSKD11に対して8%Cr系の材料は耐摩耗性が落ちると言われますが、じん性が高いので、割れには有効ですし、高い硬さが出るので、それをうまく使うと、SKD11より優れる点も多いのです。

熱処理を依頼する場合には、熱処理後にワイヤカットや放電加工する旨を伝えておくと、硬さや焼もどしについての何かのアドバイスを頂けるかもしれません。

それを伝えておかなければ、低温焼戻しで(さらに極端な場合は1回だけの焼戻しで)熱処理をされてしまうこともあるので注意しましょう。

もちろん、熱処理以外でも対策も大切です。

設計的な要素になりますが、加工する孔の形状や大きさなどの影響によって変形の度合いが変わってきます。

応力バランスをとるように、事前に捨て穴を開けておいたり、一気に加工しないで、セカンドカットなどをするなどの加工や設計配慮が変形対策にもあわせて留意しておくことがトラブルを未然に防ぎます。

もちろん、捨て孔などで応力分散することは対策の一つですが、これらはノウハウ的なこともあって、一般的な説明は難しいものですのでここでは説明できません。

ワイヤカットや放電で生じる微小クラック

ワイヤカットや放電加工中に品物が割れるという例は最近ではほとんど聞きませんが、先のグラフにみるように、加工表面の硬さ低下がみられることは、加工面は引張応力になっていると考えられますので、割れの原因になりやすいことは確かです。

また、放電加工やワイヤカットをした事故品を調査すると、表面の急激な組織変化と熱変化によって、加工面に、0.1mm程度以下の微細なクラックが観察されることがあります。(ワイヤカットではまれです)

加工時に生じる微細クラックは0.1mm以下で、経験的に、0.3mm深さ以下ではそれが使用中に開口して大きくなったり、割れ(破損)の原因になることはないようなどで、余計な心配はしなくてもいいのですが、できれば、加工面をダイヤモンドラッパーなどで仕上げ加工しておけば安心です。

ワイヤカットや放電加工後に再び焼戻しをすることは効果がありそうです。 しかし、500℃以上の高温焼戻しでは余分な変形や着色の懸念などが出てきますし、200℃程度の低温焼戻しでは効果が少ないと考えられるので、推奨するほどのものではなく、実際にも行われていない感じです。


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