第一鋼業~熱処理はどのようにすればいいですか?

炭素の量で焼入れ硬さが決まる

焼入れして硬化するための鋼の成分には「炭素量」が重要です。
(鋼と炭素の関係は→こちら も合わせて参照ください。また、本文中の緑字の部分は、筆者の見方考え方を書いています))

下図のように、鋼中の炭素量の増加に伴って、焼入れした時の硬さが上昇していきます。このために、鋼に含まれる「炭素量」は非常に重要で鋼の性質を決める最も重要な元素です。
炭素量と最高硬さの関係図
炭素量と硬さ(2)
このように、いろいろな図や内容がありますが、これらから読み取る内容は、ここでは、「炭素量が増すほど焼入れで高い硬さが得られるが、0.6%以上では変わらない」ということが重要で、それ以外の細部は考えなくていいでしょう。(以下の【注意】を参照)

この図の縦軸は「焼入れ硬さHRC」はロックウェル硬さ計を使って焼入れ後に測定した硬さです。


ロックウェル硬さ計は、硬い鋼の硬さ測定に多く用いられるもので、ダイヤモンドを鋼に押し付けて、入り込む量によって硬さを決めるものですが、標準的な硬さ計として覚えておいてください。

工具に必要な「硬さ」を平たくいえば、58HRC程度以上の硬さであれば包丁などの「刃物」として使用できる硬さですし、カミソリの刃先が63HRC程度の「鋼の最高硬さ」の部類のものです。 それに対して、鉄グギなど0.1%以下の炭素量の鋼の硬さは5HRC程度で最も柔らかい鋼の状態・・・というロックウェル硬さのイメージの数値です。

この「鉄グギ」は低炭素鋼ですので、焼入れしても硬くすることはできません。このように、熱処理しない鋼種というのもたくさんあり、建築用の材料などの熱処理しない鋼の需要は、熱処理して用いるものに比べてはるかに多いのです。

この炭素量と硬さの図は、「素地の炭素量がわかれば、最高硬さが推定できる」ので、炭素鋼だけではなく工具鋼などでも、非常に役に立つ便利なものです。

例えば、熱間鍛造用の金型などでは、硬すぎれば使用するとすぐに破損してしまいますので、極端に高い硬さは必要ありません。そこで、45HRC程度の硬さが適当な硬さとすれば、図から、0.6%以上の炭素量は必要がない (C量が高くないほうがいい)・・・ということがイメージできます。(これらの工具鋼の特性については別に説明しています)


焼入れについては、ここでは、次のことをイメージしておいてください。
1)焼入れすると、マルテンサイトという状態になり、硬くなる
2)炭素量とともに、焼入れ硬さが上昇する。
3)0.6%C以上で最高硬さは高止まりして、それ以上高くならない。

【注意】これらの焼入れ硬さのグラフは、非常に有用で、いろんな所で紹介されており、他にもよく似た図もあって、熱処理硬さを判断する説明に使うことも多いのですが、残念ながら、試験条件などの詳細な内容が調べてもよくわからないので、この図の見方として、C量とともに硬さが上昇すること、マルテンサイト量が減れば硬さが低下し、合金鋼になればその硬さ低下度合いが小さくなる・・・という、上にあげた3項目をイメージしておく程度でいいと思います。


マルテンサイト

鋼は、鉄と炭素の合金で、おおむね、0.1%以上の炭素を含有する鋼は焼入れすることにより硬化します。(それ以下の炭素量では、焼入れしてもほとんど硬くなりません)

これは、急冷することによって、非常に硬いマルテンサイトという組織が生成して硬くなるためです。(→マルテンサイト等の組織例を参考に)

一般的な熱処理解説書には、「焼入れとは、鋼を変態点以上に加熱してオーステナイト組織 (面心立方格子)の状態から急冷されることによってマルテンサイト組織 (体心正方格子)に変化させることで硬化する・・・」というように説明されます。

焼入れ冷却中は、このマルテンサイトが生成する温度まで急速に冷却することによって、他の、柔らかい組織を出さないように早く冷やすことが求められます。

速い冷却が必要な鋼種には、焼入れ時の冷却方法は「水冷」と指定されていますが、焼入れ性がいい鋼種では、「油冷」「空冷」というような、比較的遅い冷却の場合でもマルテンサイトが生成して硬化します。

焼入れした時に冷却速度が遅くてマルテンサイトが生成しない場合は、パーライト、ソルバイトなどの、マルテンサイトと違った組織に変化しているということになります。
CCT曲線の例

この図はSNCM435のCCT曲線です。(CCT曲線については、別に説明します)

丸がこみの数字はロックウェル硬さで、冷却速度が遅くなると、硬さが低下しています。

また、英字は組織を表しており、Mがマルテンサイトで、冷却が遅くなってその他の組織(A:オーステナイト、B:ベイナイト、F:フェライトなど)が焼入れ中に析出すると、硬さが低下してくるということが示されています。


常温では鋼は体心立方構造ですが、およそ800℃以上という高温の焼入れ温度では、面心立方結晶構造に変化しています。(→こちらを参照)

その焼入れ温度での組織は、オーステナイトと呼ばれる状態になっています。
オーステナイトになる状態に加熱することを「オーステナイト化する」といいます。

オーステナイトは「γ(ガンマ)」と表記される場合があります。これは、純鉄(炭素量が0.01%以下)が面心立方構造になる温度の状態を「γ鉄」と呼んでいることから、このように表記されるようです。

鋼の炭素量が0.1%を超えてくると、急冷によって、組織の一部が体心正方格子の結晶構造のマルテンサイトに変わって硬くなります。
この操作を焼入れと言います。

冷却速度が遅いと、体心正方構造ではなく、体心立方構造になって、マルテンサイトのような硬い硬さにはなりません。

炭素量が約0.8%程度の共析鋼では、全組織がマルテンサイトに変わります。

それ以下の炭素量のは亜共析鋼(例えば0.4%炭素鋼など)といいますが、炭素量が0.8%以下では、組織の全部がマルテンサイトにはなりません。(→こちらの組織を参考に)

また、炭素量が0.1%以下のオーステナイト系ステンレス鋼は、オーステナイト化した状態から急冷することで、常温でも安定なオーステナイト状態になっています。

これは「焼入れ」と同じ操作ですが、「焼入れ」とはよばずに、固溶化処理や溶体化処理とよび、常温で安定なオーステナイト状態にする処理ですが、もちろん急冷しても固くなりませんし、むしろ柔らかくなリます。


このマルテンサイトは、焼入れることによって硬くなっている組織を見つけたドイツ人のマルテンスさんにちなんで「マルテンサイト」と名付けられたものです。

熱処理では、2つに分けて説明されており、焼入れしたままの、観察用の腐食液で腐食しにくい状態のものを「αマルテンサイト」、少し(180℃程度に)温度を上げると、少し組織変化をして腐食しやすくなるのですが、それを 「βマルテンサイト(焼戻しマルテンサイト)」と区別されています。

過去に聞いた説明では、『オーステナイト化したときの結晶構造は面心立方晶で、焼入れすると、 αマルテンサイトの体心正方晶になっていて、βマルテンサイトは体心立方晶になっていることなどからそれの違いを区別されるとか、ε炭化物が析出して構造が変化する』・・・などの説明もあったのですが、あまり良くわかっていないところもあるのか、新しい文献を見ることもありません。

焼戻しをすると、組織観察時に腐食されやすくなるので、何かの変化はあると思いますが、通常は、焼戻しをして使用するのが普通ですので、熱処理説明としては、あまり重要ではないのでしょう。

焼戻し

多くの鋼では、180℃程度の焼戻しをすると、焼戻しをしない場合に比べて急激に衝撃値が上昇します。マルテンサイトの状態を焼戻しによって少し変化させるのですが、このことは覚えておきましょう。

このように、焼入れ後に再加熱することによって、鋼を強靭なものに変える操作を焼戻しと言います。

炭素鋼の焼戻し曲線と変形量の例

これは、炭素工具鋼の焼戻し温度と硬さ、焼戻し温度と強さとじん性を示す例です。見にくい図ですが、左は、焼戻し温度を上げると硬さが低下していくということが示されており、右は、焼戻しをすると、特性に極大値が出ることが示されています。

しかし、すべての炭素工具鋼がこのようになるか・・・ということは言えません。少しの試験条件が変われば、結果が変わります。

変な話の方向になるので、ここでは示しませんが、SK7→SK1と炭素量は増えるのですが、炭素量が高いほど焼入れ硬さ(左図のいちばん左の硬さ)が高いというデータもありますし、じん性の極大値が出る温度がこのように200℃でないものもあります。

ここでは、焼戻しをすると硬さは少し低下し、温度によって強さやじん性が変化する・・・ということを知っておいてください。

試験方法によって特性が変わるのは仕方がないことですし、鋼種によっても品物の大きさによっても変わリます。

また例えば、カミソリの刃の例をあげると、ある人は、焼戻しをするよりも、高い硬さにしておくほうがいいますし、ある人は、硬さが下がっても焼戻しするほうがいいといいます。私は後者ですが、何を言おうと、結論は『使ってみて良いほうが良い』ということです。 これが製品のノウハウになっていく場合もありますが、こういう考え方の違いが生じる例はたくさんあります。 ここでは、基本の考え方で説明しますが、熱処理に及ぼす要素が沢山あるので、こういう考え方の違いは当然出てくる・・・ということは知っておいてください。

【残留オーステナイト】
Mn(マンガン)、Cr(クロム)、Ni(ニッケル)等の合金元素を含む鋼では、焼入れしても、すべてが変態しないで、一部にオーステナイト組織が残るものもあります。
それを「残留オーステナイト」と言います。

「オーステナイト」の状態は、常温で体心立方構造になっているよりも、やわらかく展延性に富んでいるために、残留オーステナイトの組織部分がショックアブソーバーとなって、じん性(耐衝撃性)が向上するなどの良い面がある反面、焼入れで十分硬くならないことや変形の原因になるなどの欠点があります。

焼入れにおける残留オーステナイトについては非常に重要で、これに対する内容の説明がこの他のところでしばしば出てきますので、記憶しておいてください。

【焼入れ冷却速度が遅いと】 
焼入れ時の冷却速度が遅いと、体心立方晶の組織(パーライトなどのマルテンサイト以外の組織)が晶出しますが、「焼入れ」の経過によって、結晶構造や組織、機械的性質などが変化します。
(この説明は、いろいろなことを付け加えて説明しないと理解し難いのですが、ここではこの程度のイメージでとらえておいてください)


残留オーステナイトについて

焼入れした鋼の中に残っているオーステナイトが「残留オーステナイト」です。 この残留オーステナイトが多くなると、①焼入れ時の硬さ低下 ②弾性限の低下 ③経年変化が出やすくなる ④着磁力の低下する ・・・ などの影響(多くは悪影響ですが)がでてきます。

さらに、(筆者の経験的なことですが)換算表にあるようなショアー硬さとロックウェル硬さの相関が崩れて、ショアー硬さが低めになる・・・という現象も出てくることを経験しています。

適度な残留オーステナイトはじん性を向上させ、ショックアブソーバーとなって、焼き割れや使用中の割れを防ぐという「良い影響」もあると言われます。

しかし、当社では、金属せん断刃物のように、高負荷が加わる品物については、残留オーステナイトはできるだけ少ないほうがいいと考えており、 刃先のような微小部分に大きな力を受けるものや、変形生じるような力をうける製品は、焼入れ温度の管理や高温焼戻しによってそれを少なくするのことを基本として考えています。

残留オーステナイトが残っている品物の最表面や刃先の先端が変形を受けて硬化する現象は、「加工誘起マルテンサイト」の生成によって説明される場合があります。

加工時に組織の一部がマルテンサイト化したり、組織変化する場合があるのですが、CrやNi量の多いステンレス鋼の削り加工時に、急に削りにくくなることや極端に工具が摩耗するなどのことを経験した方もおられるでしょう。

これには、加工部分の組織の微細化や熱変化によることもあるようですが、強加工によってマルテンサイトへの変態が起こって、オーステナイトの組織が変化して、ステンレス鋼が着磁したり耐食性が低下したり、極端な場合には破損などにつながることがあります。

これらのことから、残留オーステナイトが他の組織に変化するのは一般的には「好ましくない」とされるようになってきている感じがします。

通常の「焼入れ鋼」では、焼入れ温度を上げすぎないようにして、残留オーステナイトを少なくしたり、安定な状態にして変化する「焼戻しなどによるオーステナイトの安定化処理」とよばれる熱処理操作があります。

250℃~350℃程度に加熱して、残留オーステナイト量を変化させないで、オーステナイトを変化しにくくする方法などですが、これについても様々な意見があり、残留オーステナイトについては、未知の問題や考え方もいろいろあって、非常に興味深いものです。

SLDの残留オーステナイト 日立金属技術資料SKD11の残留オーステナイト量

【焼戻しでの残留オーステナイトの減少】
残留オーステナイトは、焼戻し温度が400℃以上になると分解し始め、ほとんどの鋼種では、550℃以上に加熱すると、オーステナイトが分解してゼロ%ちかくになります。

このことから、高温で焼戻しをする高速度鋼などの鋼種であれば、560℃以上での焼戻しされるので、残留オーステナイトの悪影響を懸念することはあまり必要でないと言えます。

(ただし、これについても、鋼種によっては560℃以上で2回の焼戻しをしても、完全に分解しない鋼種もあって、その場合は、焼戻し回数を増やすなどの処置も必要になります)

そのほか、(焼入れ直後の)サブゼロ処理によっても減少します。

しかし、液体窒素温度までのサブゼロ処理でも、完全に消失しない鋼種も多いので、 サブゼロ処理での消失を過信してはいけません。

当社での特殊な例として、航空機部品などで残留オーステナイトを嫌う熱処理品では、サブゼロと高温焼戻しを繰り返して、 それをほとんどゼロにしているなどの例がありますが、厳密にいうと、完全になくすのは難しく、熱処理費用は非常に高価になります。(下記のサブゼロの項もあわせて参照ください)

ナイフや工具に多用されるSKD11に代表される冷間工具鋼では、 通常の焼入れをしてから200℃前後の低温焼戻しをした場合には、20%以上という、かなりの量の残留オーステナイトが残っていますが、その状態のシャルピー衝撃値などが高いことから、硬さとじん性を兼ね備えた、この熱処理条件で熱処理されている場合がほとんどです。

打ち抜き用の刃物などでは、硬さが最重要なので、残留オーステナイトが問題になるほど高負荷の状態で使用されることはないことから、低温焼戻しが一般的な焼戻し処理です。

しかし、ゲージや超精密部品には残留オーステナイトが多くなるような熱処理をすると経年変化の可能性が高いので、残留オーステナイトが少なくなる熱処理を考えておかないといけません。

ナイフや工具に使われる合金量の多い高合金工具鋼では、 Mf点(焼入れによってマルテンサイト変態が完了する温度)が常温付近やそれ以下のものがあるということも残留オーステナイトが多くなる原因の一つです。

さらに、実際の熱処理作業では、割れ(焼割れ)の危険を避けるために、完全に品物が冷えないうちに焼戻しに移行する場合も多いという操業上の理由も加わって、焼入れした後には、熱処理データに示された以上に、かなりの量の変態しないオーステナイト組織が残ってしまいます。


焼入れした後の残留オーステナイト量は、鋼種(成分)によって異なります。

上図は日立金属の代表鋼種であるSLD(SKD11相当)の例で、この鋼種の標準焼入れ温度は1000-1050℃となっていますが、焼入れ温度が高いと残留オーステナイトが増加しているので、絶対に、指定の焼入れ温度範囲を超えてはいけないのが鉄則になります。

また、焼入れ時の冷却速度が遅い場合は、残留オーステナイトが増加するというデータもあります。

興味ある方は日立金属のSLDの関連資料などを入手して、焼入れ温度や冷却による変化などを確認いただいたらいいのですが、熱処理操作における焼割れ防止対策などの冷却速度調節などをすると、それらのデータとはまた違った状態になり、残留オーステナイト量が大きく変動します。 筆者は、基本的には『多いのは良くない』という立場でHPでは説明しているのですが、この残留オーステナイト問題は、いろいろな内容や問題を含んでいます。


残留オーステナイトは曲者?

当社で、熱処理の仕方(特にサブゼロ処理の方法)による残留オーステナイトの量を調べた実験をしたことがあります。

通常の熱処理をしても20%程度以上残留するとされるSKD11などの冷間工具鋼について、 焼入れ温度や冷却速度を変えた冷却条件で焼入したあと、 Mf点以下の温度で、保持温度などの条件を変えてサブゼロ処理やクライオ処理をしたのですが、 教科書や文献になどにあるような結果にはならずに、いずれも、数%のオーステナイトが安定化して残っていました。

多くの書籍には、「サブゼロ処理によって残留オーステナイトをなくす」という表現がありますが、一連の実験では、SKD11やその相当鋼では、いろいろな処理をしても、 それを1%以下にすることはできませんでしたので、サブゼロ処理によって「残留オーステナイトが無くなる」のではなくて、特に高合金鋼では、「少なくなる」という表現が無難なところでしょう。

残留オーステナイトを低減する、液化ガスを使ったサブゼロ・クライオ処理は費用がかかりますので、よほど特殊な要求が無ければ、それに変えて560℃以上の焼戻しで硬さの出る鋼種を検討するほうが、全体費用の面では有利といえるかもしれません。

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焼入れ関係の項目

***1ページ***
1. はじめに
 紛らわしい熱処理用語について

  ※コラム 業界の熱処理用語
2. 焼入れ
 焼入れ操作

 焼入れ
3. 熱処理と強さと硬さ
 ※コラム 焼入れでは機械的性質が変わる

***2ページ***
4. 炭素の量で焼入れ硬さが決まる
 マルテンサイト
 残留オーステナイトについて
 ※コラム マルテンサイトの話

***3ページ***
5. 不完全焼入れ
6. エムエス(Ms)点・エムエフ(Mf)点
7. 焼入れ性
 大きさと成分で変わる表面硬さ

 焼入れ性
 ※コラム 高硬度鋼

***4ページ***
8. 焼入れ性を増す合金元素
 合金が多いほど機械的性質が優れる?
 ※コラム レアメタル・レアアース
 質量効果と臨界直径
 最大有効直径
 有芯焼入れ

***5ページ***
9. 焼入れ温度
 熱処理用試験片
 変態温度と熱処理温度
 焼入れ保持時間
10. 焼入れ時の冷却

***6ページ***
11. 機械構造用鋼の熱処理
12. 調質
 調質で知っておくべき問題点
 焼いてみないとワカラナイ?
13. 焼ならし
14. 固溶化(溶体化)熱処理

***7ページ***
15. 工具鋼などの合金鋼の焼入れ
16. 硬さと炭素量が最重要
 市販鋼種の標準熱処理温度について
 鋼種を考える場合は・・・
 焼入れ硬さが出にくい鋼種の対応
 焼入れによる寸法変化(変寸)

***8ページ***
17. 標準熱処理ではない熱処理をすると・・・
 熱処理の可能性や未知の領域
 熱処理のシミュレーション

***9ページ***
18. 熱処理を説明する図表
 恒温変態曲線(S曲線)

 連続冷却変態曲線(CCT曲線)
 恒温熱処理の図について

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トップページ (INDEXのページ)
鉄と鋼の状態を理解しよう
焼入れについて(9ページ)
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硬さおよび硬さ測定
工具材料を選ぶ場合に・・・
材料の「耐摩耗性」「じん性」とその試験方法
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表面熱処理
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