機械構造用炭素鋼(SC材)のJISの熱処理

【質問】

JIS G 4051の解説に、標準試験片による熱処理と機械的性質の表がありますが、具体的な見方、考え方などについて説明をお願いします。


【回答】

これを系統的に説明するには、膨大なものになるため、ここでは、下表中の赤丸数字についての意味や考え方の説明と、間違いが生じやすい点について説明します。

JISの熱処理諸元
JIS SC材の標準熱処理出の機械的性質
この表は、説明用に、JIS規格の一部を抜粋したものです。

はじめに

これらの表の内容の多くは、JIS鋼種の制定に伴って、それを理解するために作成されたもので、1980年代以前のデータが主流です。

鉄鋼の熱処理関係のJIS規格に限って言うと、昭和年代のJISハンドブックなどにはこれらの多くの熱処理資料が解説部分に示されていましたが、最近は多くの解説部分の内容が削除されてしまっています。

それもあって、JISやJISのハンドブックを読んで鋼材の特徴や熱処理の内容を理解するのは難しい状況で、特に熱処理分野はすでに確立されたものとして、従来鋼種に対する新しい研究は進んでいませんので、詳しい熱処理解説や方法を書いた書籍も刊行されることが少なくなっています。そのために、当社でも、1970年代の書籍を今でも大切に使っているのが実情です。

これらの表中の数字は、小さな試験片を用いて作成されたものですので、特に機械構造用鋼のように品物の大きさが関係する熱処理に使える数字がほしい・・・という要望は多いのですが、熱処理では、「質量効果」という、品物の大きさの影響を受けやすい要素や、数値に現れていない隠れた品質要素(例えば、特殊な合金成分量やバランス、鍛造などの前処理の影響)などのファクターが複雑に熱処理結果に影響するために、非常に、詳しい結果を前もって知るのが難しいもので、もちろん、幅広い要求に対応した書籍もなく、一般論の広い知識を紹介する書籍が一般に出回っているという状況です。

そうは言っても、過去の試験や測定をやり直すことは無理ですし、おおよその考え方と傾向は、これらのデータから伺えますので、これらのデータは非常に貴重なものですので、それの基本的な内容の理解から着手しましょう。


①記号

鋼種記号のことで、「S」は鉄鋼(Steel)を表しており、2桁の数字は、小数点以下の炭素量の中心値(代表値)です。S45Cは炭素量が0.45%の鋼ということです。


②主要化学成分

一般的には、規格として C、Si、Mn、P、Sなどが成分範囲を規定されていますが、特に焼入れ性や機械的性質に影響しやすいものとして C、Mn が示されています。

もちろん、この含有量の範囲内でも、大きく性質が変わりますし、そのバランスでも結果が大きく変わる鋼種もあります。

現在の製鋼技術では、高価な合金量を抑えて鋼材単価を抑えることも簡単にできるレベルにありますし、一方それは、特性の変化などに関係しますので、それらの合金の知識を得ると、製品の特性を捉えることにも繋がります。

JISなどに定められた当時の能力で成分範囲が決められていますので、現在では、その成分範囲は広すぎると言えます。


③変態温度

Ac1は、加熱する過程でのA1変態をする温度で、Ar1は冷却時のA1変態温度です。
鋼は730℃前後の温度で結晶構造が変わり、それを利用することで大きく鋼の性質を変えることができるのですが、加熱速度(または冷却速度)によって、加熱する場合は上方に(冷却時は下方に)ずれますので、それ以上の温度にして熱処理する必要があるために、参考温度としてこれが示されています。

これは、鉄炭素系2元状態図を見れば理解しやすいのですが、亜共析鋼(例えばS45C)を完全にオーステナイトに変態させるためには、A3変態線以上の温度にする必要があるために、炭素量の少ない鋼種ほど、加熱温度が高くなっています。

もちろん、この数値も、参考的な数字です。


④熱処理

標準的な熱処理の諸元が示されています。
ここの数値は、直径15mm程度以下の小さな試験片を用いたものです。

これがしばしば問題や勘違いを引き起こすもとになるのですが、SC材(S45Cなど)に限らず、機械構造用鋼全般(例えばSCM 、SCr、SNCM・・・)においてもいえることですが、少し品物が大きくなると、焼入れで冷却が遅くなるので、表にあるような数値が得られなくなります。
(これはあとで説明します)


⑤機械的性質

これについても、熱処理での問題と同様に、例えば、引張試験ではJISの4号試験片を、シャルピー試験ではJIS3号Uノッチ試験片による試験数値と考えていいのですが、現在においては、詳しい加工履歴や熱処理履歴もわからなくなってきています。少なくとも、データが作成されたときは一定条件で試験されたものですので、非常に貴重なデータです。
(熱処理と関連するもので、あとで説明します)



小さな試験片と実際の品物の熱処理との違い

これについては、大切ま問題ですが、膨大な内容になるので、エッセンスのみを示します。

知っておいていただきたい点は、品物が大きくなると、①冷却速度が低下することで、熱処理組織や硬さに違いが生じる点と、②割れや曲がりの対策などの熱処理操作上での対応で違いが生じることで、標準的な状態と変わってきます。


焼ならしと調質

焼ならし温度から放冷する操作を「焼ならし」といいます。また、焼入れ温度から上表の④に示す方法で焼入れをして、500℃以上の温度で焼戻しして、表面と内部の組織や機械的性質を均一化する処理を「調質」といいます。

しかし、品物が大きくなってくると、冷却速度が遅くなって、組織が変化し、表面硬さが低下し、内部との硬さの差が増加します。

これを、例えば、表面硬さがほしいのであれば、焼戻し温度を下げて硬さを確保しなければいけませんし、極端に言えば、焼入れ状態でも、上表⑤に書かれた硬さがでないという状態になります。

すなわち、上表に書かれたすべてを満足しない状態になるのは否めません。
普通は、表面硬さを指標にして熱処理しますので、その結果、焼戻し温度を下げないといけないことなども加わって、内部に行くに連れて、硬さ低下が生じている状態になっていきます。

このことで、「表面を少し加工すると、極端に硬さ低下した」「引張試験をしても、規格値を外れている」・・・などのクレーム対象になるなどの問題が出る可能性があります。

これは、構造用鋼の特性をわかっていないことから生じる問題で、それらについては、事前に検討しておかなければならないことです。


通常の熱処理操作上の制約

試験片のように、小さい単純形状の品物ではJISに定めた熱処理条件に沿って熱処理することは可能です。しかし、(これは構造用鋼に限らず、どのような鋼種でもいえることですが)品物が大きくなり、さらに対称形でなくなると、特に、焼入れで急冷する際には、各部の冷却程度に差が生じます。それによって、割れたり、曲がりが生じやすくなります。

一般的には、変形や割れを防止して熱処理するのが優先されるために、途中で冷却中に品物を引き上げたり、撹拌の程度を変えるなどで冷却速度を調整する必要が出てきて、くる場合があります。

ほとんどは、冷却が遅くなるような操作になるので、このことによって、上表④の状態とは変わってきます。


機械的性質についての考え方

上表⑤について、「引張強さと硬さ」は相関がありますので、硬さを測ればその部分の強さは確保されていますが、冷却速度が遅くなった場合の一般的傾向については、シャルピー衝撃値の低下、降伏点の低下が顕著です。

品物が大きくなったり、試験片採取用の鋼材が大きくなると、表面と内部の冷却速度に違いが出ますので、試験片の採取位置によって上表⑤の機械的性質を満足しない場合も出てきます。

基本的に、熱処理における品質検査は「表面硬さ」のみですので、内部の状態はよくわかりません。事前にこのような特性の変化があることを知っておいて、内部の機械的性質が必要になる場合は、事前に検討しておく必要があります。



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