機械構造用鋼の熱処理

機械構造用鋼(例えば、S45CやSCM435など)についての熱処理データや機械的性質は、データシートとして別に販売されていたのですが、それがJISハンドブックに掲載されて便利になった時期もありました。

それが、近年のJISハンドブックから消えてしまって、規格や項目が示されているだけの、無味乾燥した、使い物にならないものになってきているのが残念な感じがします。

これらのデータは、私の知る限りでは「大同特殊鋼(株)のハンドブック」に丁寧に記載されていますので、興味ある方は入手されるといいでしょう。

JISハンドブックに限らず、近年、熱処理関連で、いろいろな基礎的な資料が載った書籍文献の数が減っています。特に、一般熱処理はローテク分野になり下がったのか、研究例や発表例が減っていて、ついには消えていく傾向が強いようです。当社でも、昔々(昭和年代)からの資料を大事にしていくしか手がない状態です。

旧JIS抜粋

一例ですが、S45Cの焼入れ・焼戻しについて見てみます。
ここには、標準の熱処理条件とその結果の一例が示されています。

焼入れは、中心温度の850℃程度に加熱して水冷した後に、600℃程度の焼戻しをすると、200HBW程度の硬さになる・・・ということがわかります。

この場合に、これらは、通常、15mm径程度以下の試験片で実験されているということを知っておく必要があります。

構造用鋼は強靭性を付加して使う鋼ですので、高温焼戻しをして、品物の内外の硬さの差を小さくして使う用途向けの鋼材なので、最高硬さを出して使うことはあまりありませんが、焼入れ性が低い材料ですので、品物が大きくなると、中心部硬さが低下していき、さらに品物が大きいと、表面が十分に硬化しないということも頭に入れておかなくてはなりません。このことを、「質量効果による硬さ低下」といいます。

この硬化程度などを確認する方法としては、次項の「化学成分」「焼入れ曲線」「臨界直径」などで推定する方法があります。しかし、推定であり、確実なものではありません。


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調質

調質とは、構造用鋼などを焼入れしたのちに450℃以上に加熱して、均質性や強靭性を増すための熱処理を言います。

上記の表に書かれている焼入れ・焼戻し処理も、「適正な焼入れ」と「500℃以上の焼戻し」によって、熱処理品全体の結晶粒や組織を均一化し、 強い鋼にするための熱処理が示されています。

これを、焼入れ・焼戻しと言わずに、「調質」と言って区別しますが、焼入れ・焼戻しは硬さを上げることによって強度や耐摩耗性を増すための熱処理という意味合いになります。

当社のお客様にも、それらを混同している方が多いのですが、特に呼び名にこだわる必要も大してないのですが、それらの目的をしっかりつかんでおくといいでしょう。

ここにあるように500℃以上に焼き戻しをしてしまうと、硬さが表中の数字のように下がってしまいます。高い表面硬さが必要な場合は、焼戻しで硬さが低下しないように、例えば、180℃というような低温で焼き戻しすることになります。そのためには、焼入れしたままの表面硬さはどのようなのかが知りたい場合も出てきますね。

それについては、①ジョミニ焼入れ性試験データを利用する ②JISなどにある付表データを利用する ③CCT曲線を利用する・・・などが考えられます。

しかし、残念ながら、幅広い鋼種に対するデータがないことや、これらを理解するためには、他の資料やいろいろな知識が必要になることもあって、説明するのも大変ですので、 ここでは、簡単な紹介だけにとどめます。

SCM435ジェミニ試験例
①SCM435のジョミニー焼入れ性試験の例
SCM435調質データ例
②SCM435の調質データの例
SK85相当鋼のCCT曲線例
③SK85相当鋼のCCT曲線の例


①はジョミニ―焼入れ試験による結果です。ここには焼き戻し後の硬さがあわせて示されています。これによって、ある温度で焼戻ししたときの内部硬さを推定することもできます。

例えば、焼入れした時の表面硬さを測っておいて、ある温度で焼き戻しした時の表面硬さの低下度合いから、焼き戻しした時の内部の硬さが推定できます。

しかし、残念ながら、このジョミニ焼入れ性試験は、「水」で焼入れしていますので、本来このSCM435は油焼入れが標準である点に注意しておかないといけません。

過去に、「油冷」のジョミニ試験例を見た記憶があって、探したのですが見つかりませんでした。大同特殊鋼(株)さんのハンドブックには、現在も比較的多くの数表が掲載されています。これらの図表も過去のもので、近年ではあまり基礎的な新実験データを見ることもなくなっています。

②は、左端に「焼きならし硬さ」が示されていますが、焼入れ硬さが示されたものもあるので、それらも、参考になります。
また、 JISの参考資料(または、大同特殊鋼さんのハンドブックにも転載)には、質量効果を考慮した図などもありますので必要があればご覧ください。

③はCCT曲線の例です。横軸の上にビッカース硬さが併記されているものが多いので、それが冷却速度と硬さの関係の参考になるでしょう。ただし、これは、 等速冷却で表示されています。ちょっと使いにくいかもしれません。

実際的に製品の仕様に合った熱処理をする場合は、焼入れしてみるのが最も手っ取り早いでしょう。その場合は、焼入れ後の表面硬さを測っておいて、硬さが低くならないように低めの温度で焼戻しをして、その硬さと図表からの硬さの差を読み取っていくと、比較的正確に表面硬さを調整することができます。

過去の履歴があればいいのですが、初回品で狭い硬さ範囲が限定された品物を熱処理する場合には、通常は1回の焼戻しでよいものも2回の焼戻しで硬さを決めなくてはならない場合がしばしば発生します。

JISマーク表示許可工場(いわゆる「JIS工場」)等では、この旧JISにある内容を基に、 自社の社内標準を作って対応することになっていますので、熱処理工場の現場の方は、経験的に硬さの決め方を知っています。担当の方に聞いてみるのが一番かもしれません。


焼ならし

構造用鋼などでは「焼ならし」をした状態で使用される鋼材も多いようです。
「焼ならし」の目的は、組織を改善し、焼なまし状態よりも少し高めの硬さにすることで強度を高くしたり、 切削性をよくする目的で行われます。

熱処理の方法は、焼ならし温度にした品物を空気中に放冷します。(のちに説明します)

近年では、丸棒鋼などは、連続圧延工程で製造されており、加熱冷却工程も高度にコントロールされているために、圧延過程での不具合要素はほとんどなく、かなり一定の品質になっているので、表面硬さを測定すると、焼ならししなくてもいい状態になっているものも多いでしょう。ただ、特に、再加熱した時のオーステナイト化温度で結晶粒の大きさが調整されるので、焼ならしの知識は持っておいたほうがいいでしょう。

鋼を製造する圧延過程や鍛造した品物を空気中で放冷する場合に、特殊な形状のものでは、しばしば肉厚の不同部分や鋼塊の部位などで過熱や部分冷却などで組織や結晶粒の不揃いが生じることがあります。それは「焼ならし」で改善します。

また、均一な温度に再加熱されますので、残留応力が緩和する目的などでも焼ならしを行うことがあります。

焼ならしの方法


焼ならしの方法は、JISなどで指定された温度に加熱して放冷する操作を言います。
結晶粒の調整が目的ですので、加熱温度は焼入れ温度と同様の温度又は20-30℃高めの温度をとることが多く、 また、冷却については、均一に冷却されるように工夫されます。

また、しばしば、組織的な調整や硬さの調整を要求されることもあるので、冷却操作で「放冷」する以外に、「衝風空冷(ファンによる空冷)」などで冷却速度を変えて硬さ(引張強さ)などを調整する場合があります。

大径の品物になると、冷却速度が遅くなるので、上記の熱処理条件で熱処理しても、表に示された硬さ以下になります。もしも硬さ指定があるような場合は、ファンの風速を上げるなどで調節しますが、無理な場合は、油冷するなどの焼入れ操作をすることになります。

【ノルテン】


これは業界用語ですが、焼ならしして、さらに硬さの調整(硬さを下げる)をするために焼戻しをすることを「ノルテン」といいます。

焼ならしの英語表記はNormarizingで、熱処理加工工程記号では「HNR」ですが、細丸棒などは、空冷操作で硬さ(引張強さ)が300HBを超えるなど、加工性が悪い状態になる場合は、焼き戻しをして硬さを調整することがあり、これを、業界用語では(ドイツ語読みとからめて)「ノルテン」と言われます。


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JIS硬さでお願いします?・・・の危険性

熱処理を受託するときに、暗黙の了解事項がいろいろあります。本来は事前に打ち合わせして熱処理仕様を決めることになっていますが、依頼者受託者ともに慣れてくると、「標準仕様」で熱処理をしてしまって、(暗黙事項を知らないために)トラブルになる場合も出てきます。

暗黙事項の例を挙げると 
①品物が大きくなるとJISなどの数値にならずに表面硬さは低くなります。その場合に、表面硬さを確保したいなら、焼戻し温度が低くしなければなりません。

②通常の硬さ検査位置は、働き部分(必要な部分)を測定することになっていますので、グラインダで手入れして測定するのですが、硬さの多くは重心の位置で測定する必要があるために、測定する位置が限定されてきます。

③また、検査は表面硬さ以外は検査しないので、内部の硬さはどうなっているのかは不問の事柄です。・・・・・。

・・・など、常識を超えた内容の暗黙事項も多いのですが、熱処理に関係する人にはすぐに理解して、それが問題になることはないのが幸いです。

もちろん、これらを含めて「熱処理前に打ち合わせする」のが建前ですから、問題が起きれば、業者側の責任だと言えるのですが、毎回説明されるほうも嫌なので、この辺りで問題が起きる危険はあるでしょう。

さらに、S45Cで300HB以上の硬さで調質したはずなのに、仕上げ加工後に表面硬さを測ったら200HBしか出ていない・・・。などの問題が生じてしまうこともあります。

これも、最終的には「業者が事前確認を怠った」ということですが、こういう問題を予測できるようにしたいと思いますので、ここでは書籍に書いていない内容を含めて説明していきます。(硬さ測定の項目などにも紹介しています)

熱処理後の硬さ指定の要求があれば、測定位置の硬さが目的硬さになるように焼戻し温度を決めて熱処理されますが、極端に言えば、その他の部分の硬さは形状、鋼材の焼入れ性などで、必ず同じではありません。これは大切なことです。

しばしばお客様が、機械構造用鋼(例えばSCM435)の調質を依頼される際に、「JIS硬さで・・・」とおっしゃる方がおられます。これは、上記でも書きましたが、旧のJIS規格に、SCM435の調質硬さは261~331HBとなっているので、その硬さにしてほしいということですが、これも上記に示す硬さ範囲などが記載されていた名残です。

熱処理業者としては、これを、「検査する表面硬さが、旧JISにある硬さ範囲にする・・・」というように受け取っています。

そうすると、たとえば、SCM435でφ100のように品物が大きくなると、標準的な条件で調質する(例:600℃で焼戻しする)と、質量効果のために焼入れ硬さが低くなってしまうので、指定の500℃以上の温度で焼き戻しできないということになります。

さらに、内部の硬さはかなり低いことは事前の打ち合わせなどで周知されていないといけないと言うことなのですが、現実では、注文する方や設計している方がこれを理解しているということのほうが稀なことかもしれません。

調質は、各部の機械的性質を均一にするために高温で焼き戻す必要があるのですが、品物が大きくなると、要求する硬さが出ないうえに、焼戻し温度が低いと、表面と内部の硬さの差(=機械的性質の差)が出ます。

それを上記の旧JISなどに示された標準の条件で焼入れすれば、 表面硬さが40HRC(370HBW:タングステン球を用いて測定したブリネル硬さ)程度になり、それを焼戻して、記載温度の下限の530℃で焼き戻しすると、表面硬さは26HRC(259HBW)程度となって、上記の規格硬さから外れることになります。

この時に、表面硬さが上表に示す範囲にしたいのであれば、450℃程度の焼戻しをしなければなりません。そうすると、温度範囲がJIS表記から離れる上に、表面と中心との硬さの差が広がってきますので、本来の「調質」の概念から外れるという問題が出てきます。

・・・こういうことを、熱処理する前にお客様に話して、「理解したうえで注文してください」ということも難しいですし、聞く側も、そこまで望まないでしょうが、でも、いろいろな問題をはらんでいることは理解できますか?

熱処理依頼時には、ほとんどが「熱処理の種類」と「硬さ」だけの取引ですので、上記のような表面硬さと内部硬さの違いを打ち合わせることはほとんどありません。

もちろんこれらは、設計時に検討されておかなければならない問題ですが、高度な知識や裏付けが必要ですので、おおくは、それを問題にすることもなく、スルーされているといっていいでしょう。

このために、これが原因で事故が起これば検討されるかもしれませんが、それを試験したり検査するのも問題です。

質量効果を受ける品物の品質を決める場合には、いろいろなむずかしい問題を含んでいるということを記憶ください。


焼いてみないとワカラナイ?

この言葉は無責任なようですが、しばしば聞くことがあるかもしれませんので、簡単に紹介しておきます。

昔(1990年ごろ以前)は、当社の社内ではしばしば「焼いてみなければわからない」という言葉を担当者がお客さんに話しているのを耳にしました。
現在のように、空気焼入れ鋼と呼ばれるような、焼入れ性の高い高級鋼が少なかったために、質量効果や形状が関係して、十分な硬さが出無かったり、硬さのばらつきが大きくて、焼戻し条件が決められなかったということだと思います。

「この品物は、どのくらいの硬さになるのか?」「十分に要求する硬さが得られるのか?」・・・ということはお客様(設計者)にとっては大事な問題です。
しかし、熱処理を請け負う(熱処理業者)側では、焼入れ硬さとともに、変形にも対応しないといけないので、「冷却速度をコントロールして、硬さを犠牲にしないといけない」ということや、単体で熱処理すれば可能だが、それでは納期が間に合わないので、ほかの品物と同時に熱処理しないといけない」・・・などのいろいろな問題が内在しています。

最高の品質となる熱処理条件は1つしかないのですが、熱処理業者としては、効率や利益を考えないといけませんし、お客様が費用や納期の余裕を提供していただければ対応できるものでも、まず、常連のお客さんにはそのようなことは言えませんし、そのような熱処理加工者の思惑を説明したり理解していただくことは至難の業ですので、つい「焼いてみないと・・・」と言ういい方になっていたのかもしれません。

今日では、焼入れ性の高い鋼種が増えていますし、熱処理の標準化も進んでいますので、熱処理がやりやすく、いろいろな問題も起こりにくくなっています。しかし反面、現場の生きた情報や熱処理知識を得る機会が少なくなっており、学ぶための書物も少なくなっていますので、問題が起きる可能性は減ってはいませんので、熱処理を依頼する場合には、事前の打ち合わせが大切だということを頭に入れておいてくださいね。


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熱処理用試験片

熱処理用の試験は、一般的には、15mm(角・丸)程度以下の試験片を用いて試験されていると考えてください。

そのため、機械試験(例えば、引張試験など)については、品物が大きい場合には、試験片の採取について、充分に理解しておく必要があります。

たとえば、50mm径のS45Cの品物に対して、 JIS4号の引張試験を要求されていた場合に、①製品と同形状のものから熱処理後に指定位置で削り出した場合と、②つかみ部分の径(例えば25mm)の棒鋼を熱処理して、試験部分の14mm径を削り出して試験するのと、③ほとんど試験片形状に削り出しておいて、熱処理後に仕上げ加工をして試験するのでは、結果が異なります。当然、同じ熱処理をしても、硬さも異なる結果になりますし、その機械的性質も変わってきます。

このような文章にすると、質量効果の影響で、試験結果が異なるだろうということが何となく理解できますが、設計段階で、このことが理解されていないことがしばしばあるのです。これは重要ですので、少し説明します。

熱処理品の機械的性質(例えば引張強さ)を試験する場合は、本体から試験片を採取する場合と、試験片用の品物を同時に熱処理して、そこから試験片を採取する方法に分かれており、後者でも、試験片になる段階の工程が色々あります。(上記では3通り)

さらに、一般的には、試験片の硬さは、そのつかみ部分で確認しますので、引張部分(試験片の14mm径の部分)の硬さについては、①②③で異なってきます。

すなわち、本当は、これにあわせて本体の熱処理しなければなりませんが、そうすると、本体の硬さと試験片の条件を合わせることすら難しくなります。

近年は、特殊な用途以外は機械試験をすることは少なくなってきましたが、試験を要求する側もそれらを熟知していることは少ないので、ともすれば、良い結果を出すために本体の熱処理とは別に試験片の熱処理するという取り決めをしている場合もあって、こうなると、何のための機械試験なのかがわからなくなってしまっている例もたくさんありました。

これらは、本体及び試験片の採取や材料取りをどうするか、試験片の硬さについてはどうなのか・・・などについて、 設計段階で考えておかねばならないことですが、過去の例では、多くの機械設計者は、試験片の結果が製品に反映されるために試験をしている・・・という程度の考え方で高価な費用をかけて機械試験をやっていたことも多かったようです。

余談ですが、近年は「引っ張り強さと硬さの相関性」「試験片採取位置によって試験結果が変わること」などが理解されるようになって、多くは「硬さ試験による代替え」が行われるようになって、機械試験を要求する品物が減ってきたと思われます。

この長いHPの文章を通じて、そのあたりの考え方を理解いただければ幸いと考えて一般書籍に無いような内容の文章を作成していますので、くどい内容になってしまいますがご容赦ください。

次のページでは、工具鋼などの焼入れについて説明します
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