工具鋼などの合金鋼の焼入れについて

近年は、工具用には十分な硬さと硬化深度が得られる工具鋼が多用されており、その焼入れにおける説明なども、機械構造用などの低合金鋼と異なってきています。

工具鋼を大きく分けると、耐摩耗性を重視する冷間工具鋼と高温強度など、高温で使用する特性を重視する熱間工具鋼に分けられます。

冷間工具鋼は炭素工具鋼、合金工具鋼、ダイス鋼、高速度鋼などがあり、目的の硬さに応じて、様々の要求される特性を生かすための焼入れ方法を考える必要性から、どうしたら硬さが得られるのか?・・・などよりも、より性能(耐摩耗性やじん性など)が高いものにするにはどうすればいいのか・・・ということなどが重要になります。


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【焼入れ性】

 焼入れ性の高い鋼種に対しては、ジョミニ試験や構造用鋼のような焼入れ性を評価しても意味がありません。といっても、大きい試料を用いて試験も経済的な問題があります。

このようなことから、例えば、工具鋼メーカーの日立金属(株)では、実際の品物の焼入れをする場合の「質量効果(mass effectマスエフェクト)と焼入れ硬さの関係」が実感されやすいように、 太い丸棒を焼入れした時に、表面と同等の硬さになる最大直径などで評価する方法などが示されています。

日立金属半冷時間例

この図表を、日立金属(株)では「半冷曲線」と呼んでいますが、丸棒中心部が焼入れ温度の1/2の温度になるときの冷却時間と硬さで焼入れ性を評価しています。

ここでは、たとえば、1030℃の焼入れ温度で室温が30℃とすれば、焼入れを開始してから、500℃になるまでの時間(半冷時間)と硬さの関係が示されています。

丸棒径に対応させた図表などが作成されており、これを用いると、 ある丸棒径の品物を焼入れしたときの各部の硬さも推定することができます。

ここにある SGT(SKS3)は、比較的安価な高硬度の耐摩耗鋼ですが、油焼入れする鋼種であるために、中心に向かって硬さが低下しています。

しかし、焼入れ性の良いSLD(SKD11) やDAC(SKD61)では、この図に見られるように、表面から中心部に向かっての硬さが低下しない範囲が大きい様子が示されています。

この半冷曲線は、硬さについての情報だけですが、大きい寸法の品物を焼入れしたときには、表面より内部の硬さが低くなっているとともに組織も変化しています。

そのような品物では表層と内部では機械的性質が異なっていて、表面より内部の性能が劣るのは一般的ですが、残念ながら、そこまでの情報や資料は、メーカーからは提供されていません。

日立金属を含めて、工具鋼メーカーでは、焼入れするサイズと硬さが考慮された、独自の資料が工夫されて作成されています。

工具鋼の場合には、硬さだけの情報よりも、 機械的性質に関連する情報が求められますので、硬さに応じた「焼戻し温度と機械的性質」に関する図表のほうが必然的に多いでしょう。


合金が増えると?

鉄-炭素合金である鋼の特性を高めるための元素には、マンガンMn、クロムCr、バナジウムVなどがありますが、これらは、焼入れ性、耐摩耗性、強度、耐熱性などの特性を高めるために加えられます。

炭素工具鋼は、共析成分以上の炭素を含んで耐摩耗性を高めたものですが、焼入れしたときに炭化物として球状化したセメンタイト(Fe3C:この3は小さく書きます)が耐摩耗性を高める効果があります。

その他の一般の高炭素鋼や高合金鋼の場合では、炭素とCrやVなどの合金成分が化合して、 セメンタイト以上の硬さを持つ炭化物が生成することで、さらに高い耐摩耗性を持った鋼種になります。

また、合金が素地(マトリックス)に溶け込むことで、強さやじん性が向上しますが、これらの元素を多く入れることで特性が向上するのではなく、適当な組み合わせで特徴ある鋼種がたくさん作られています。

しかし、合金量が増すと鋼材価格が上昇しますし、焼入れ温度なども上昇して熱処理費用も増大します。また、向上する特性もある反面、特性が低下する要素にもなるので、合金量が高く、価格の高い鋼材が優れているということではないということを考えておく必要があります。
鋼材の特性を生かす熱処理をしてこそ、その価値が出てくるといえます。

硬さは基本。そして炭素量が重要

炭素量と硬さ合金鋼であっても、素地(マトリックス)の炭素量が最高硬さを決めることになります。

鋼材の成分量は重量%で表示されていますが、炭化物があれば、それに炭素が含まれるので、素地(マトリックス)中のC%量と成分に示された炭素量は異なりますが、その場合に、(炭化物を除いた)素地の炭素量がわかれば、その鋼のマトリックス部分のおよその最高硬さが推定される点は、構造用鋼などとも同様です。

ただし、構造用鋼では、マルテンサイトにならないパーライトなどによって硬さは低下しますが、工具鋼のように、合金成分が多いと、残留オーステナイトによる硬さ低下を考える必要があります。

SKD11組織写真例

SKD11の総炭素量は約1.5%ですが、大きな共晶炭化物のない素地部分の炭素量は0.5%弱程度になっていますので、上の炭素量と硬さのグラフから、 素地の最高硬さは62HRC程度の素地の硬さが得られるだろうと推定できますし、 SKD61は、共晶炭化物がなく、炭素量は0.35%程度なので、どうあがいても、58HRC以上の硬さは出ないだろうという推定ができます。

ここで、素地の炭素量がわかれば、焼入れした時の最高硬さが推定できるのですが、残念ながら、多くはそのようなデータは示されていませんので、普通は、カタログの焼入れ硬さなどで最高硬さを知ることになります。

もちろん、通常の硬さ測定(例えばロックウェル硬さ試験)では、炭化物部分を含んだ部分の平均硬さを測定しますが、マイクロビッカース硬さでは、炭化物の部分を測ると高硬さですし、残留オーステナイトの部分を測ると柔らかいというように硬さのばらつきがある硬さになります。
(用語については、リンク部分または、こちらから参照ください)


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市販鋼種の標準熱処理温度について

工具鋼の分野でも、JIS規格にある鋼種であれば、JIS規格に必要事項が記載されていますが、特に、工具鋼などでは、メーカー名で販売される鋼種がほとんどですので、この場合は、メーカーの資料を重視するほうが詳細でわかりやすいといえます。

JIS鋼種の相当材であっても、すべてのメーカー規格は、JIS規格以上に厳しい規格値で管理されて製造されていますので、安心して使用できます。

このこともあって、特殊鋼や工具鋼などの鋼種名については、JIS鋼種名ではなく、メーカー名で呼称するほうがいいといえます。

JISに規定されていない市販の鋼種については、メーカーごとに各種の技術資料が公表されていますので、それを基に熱処理することになります。ここでは、鋼材メーカーの日立金属(株)のカタログ例で説明しますが、この大半はJIS規格にはない鋼種です。

日立金属の標準熱処理条件例 SLDの熱処理曲線SLDの熱処理曲線

上記は同社のカタログH-MT3から引用していますが、標準的な鋼種のSLD(JISのSKD11相当)について見ますと、上の左は、標準熱処理条件、右は焼戻し温度と硬さの関係が示されています。

この標準熱処理条件は、小さな試験片で1010~1050℃で空冷して160℃の焼戻しをすれば、58HRC以上の硬さが出ます・・・ということが書かれています。

注意する点は、「この熱処理をするのが『標準』ではなく、ここに書かれた熱処理をすると、このような硬さなどになりますと・・・」ということが書かれているだけです。

つまり、工具鋼は、硬さを調節して工具などに使用しますので、通常は、「焼き戻し温度と硬さの関係」から焼戻し温度を決めて熱処理することになります。

さらに、下の図は、同社の技術資料(No.288)から引用したものですが、ここには、焼入れ温度と硬さの関係や焼戻し温度と機械的性質の関係などが示されていますので、硬さと機械的性質などから使用した場合の特性などの多くの情報が得られるようになっています。

それらを用いて、工具等の仕様を決めたり特性を改善することに利用します。
しかし、すべての鋼種について多くの技術資料があるわけではありませんので、鋼材の相互比較をするなどで特性をとらえるなどの方法で、工具寿命の向上などを考えます。

SLD焼入れ温度と硬さ

メーカーでは、熱処理と機械的性質について、各種の技術資料を提供しています。それらを利用して、最適な熱処理をするのが「熱処理の技術力」といえるかもしれません。

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鋼種を考える場合は・・・

近年、工具に使用される鋼種は、高合金の高級鋼になる傾向が強いようです。
しかし、のみ、カンナなどの木工刃物の多くは、今日でも、「切れ味がいい」という理由から、比較的、低合金鋼が好まれて使用されています。

このような鋼種には、水焼入れをしなければならない「焼入れ性の低い鋼種」もあって、これらを、均一な硬さにするのは、日本刀の焼入れにみられるように、手作業に勝るものはありませんが、そのために、一般の熱処理業者では、取り扱っていないところも多いので、注意する必要があります。

多くの一般熱処理業者では、機械化・自動化・標準化が進んできていますので、手作業の焼入れは行っていないところも多くあり、このような焼入れ性の良くない鋼種は、 切れ味や加工性がいい鋼種が多いのですが、熱処理を請け負ってもらえるかどうかを確認してから鋼種を選ぶ必要があります。

また、しばしば、高価な材料を使えば、「均一な硬さ」に仕上がり、「高性能な製品」ができる・・・と考える方もおられますが、 硬さの出にくい鋼種や低合金鋼が劣っているということではありません。

カスタムナイフなどで、加工のやりやすさや切れ味などが優先されます。このために、あえて焼入れ性が良くなくても、使い慣れた鋼種を使っておられる方も多いようです。


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焼入れ硬さが出にくい鋼種の対応

カスタムナイフなどの小さくて厚さの薄い品物は、焼入れ性を気にしなければならないということはありませんが、近年では、これらにも高合金で焼入れ性の高い高級鋼が使用される傾向があります。

元来、日本刀などのように、水焼入れをしなければならない「焼入れ性の低い鋼種」では、均一な硬さを出すのは困難で、曲がりが出やすく、手作業になりますので、 一般の熱処理屋さんでは、手におえないので、注文を受けてもらうことができない場合もあるからかもしれません。

しかし、焼入れ性の良くない鋼種は、逆に、切れ味(刃立て性)がいいので、これらを使って、自分で「焼入れ」を楽しむのも、一つの趣味でしょう。

焼入れ性は、鋼材の成分が関係します。上で示した、Mn(マンガン)やCr(クロム)などの焼入れ性を増す元素を加えると、少し大きな鋼材でも硬化しやすくなということはすでに紹介しましたが、もともと焼入れ性の低い鋼種は、冷却方法を変えるなどで、早く冷やす対策をしないと充分に硬化しません。

水で冷却する場合には、急激に撹拌したり、噴霧したり、 食塩を入れたりして冷却性能を高めることで、焼きが入りやすくなります。

Crが12%程度入ったSKD11などは、φ100程度の太いものであっても、空冷による焼入れで、中心まで同等の硬さになりますが、もっと太いものの内部の硬さを表面硬さと同等にしたい場合には、このように空冷で硬さの入る鋼種でであっても、油焼入れしたり、水冷と油冷を併用したり、油冷と熱浴を併用するなどの特殊な冷却方法によって対処することもあります。

もちろん、このような作業は、設備の関係もあって、どこの熱処理屋さんでもできるものではありませんが、いろいろな製品を作る場合は、標準熱処理だけでは対応できないこともあります。

とにもかくにも、高価な材料を使えば、「均一な硬さ」に仕上がり、「高性能な製品」ができる・・・と考える方も多いのですが、重ねて言いますが、硬さの出にくい鋼種が劣っているということではありません。

カスタムナイフなどで、一味違ったものを作ろうと考えている方のなかには、加工のやりやすさや切れ味などを優先されて、あえて焼入れ性が良くなくても、使い慣れた鋼種を使っておられる方も多いです。


焼入れによる寸法変化(変寸)

焼入れして、組織がマルテンサイトに変わると、体積は膨張します。焼入れして十分に硬化した状態では、通常は、体積が膨張して、長さも増加(伸長)します。これが、変寸ですが、変形の原因になります。変形・変寸については、こちらで説明しています。  


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標準熱処理ではない熱処理をすると・・・

工具鋼などでは、JISやカタログに「標準熱処理条件」があるので、通常はそれに基づいて熱処理します。

そうすると、市販されている鋼種の多くは、成分的に得られる硬さや特性は決まってきますが、少し高い硬さがほしい場合や、質量効果の影響を改善しようとすると、通常は、鋼種変更を考えなければなりません。この場合は高価な材質に変える必要が出てくるのが通例です。

しかし、油焼き入れ鋼種を水焼き入れするなど、標準でない熱処理方法をとれば、かなり使用範囲が広がるのですが、現在のJISやISOの考え方ではそういうことが許されていません。

標準化された方法で、安定した製品を作り出すのがISOやJISの考え方であるためですが、本来の熱処理は「求める特性を得る方法」のはずですので、標準化にこだわっていれば、新発見はなくなってしまう懸念を感じるのですが、そう思いませんか?(熱処理する側も、標準化しておれば危険性が少なくなることも確かですが)

過去には「熱処理の匠」がいて、感覚とストップウォッチで仕事をしたことを見てきました。もちろんそれが標準化されて現在に行かされているものもありますが、その頃は、今から考えると、すごい熱処理をしていました。しかしその多くが、今では消えてしまっています。

構造用鋼で学んだ熱処理の考え方が、「標準熱処理」というもので融通が利かなくなっているのですが、例えば、Ms点にかからなければ焼割れしませんし、パーライトノーズにかからないようにすれば、大きな品物の硬さも確保できます。そして、残留オーステナイトもコントロールできるのですが、そういう研究や技術改良がかなりされなくなったと感じています。

特に工具鋼分野の熱処理を研究しないと、工具などの寿命が頭打ちになってきています。高い鋼材を使っても、寿命が頭打ちになっているのですが、標準化が技術革新を阻害している部分も多いことを頭に入れておいてほしいと思います。

「安価な鋼材を用いて熱処理によって求める特性を持たせる方法」を考える面白さを忘れないようにして、変態や速度、時間といった熱処理の基礎を応用することを考えてほしいと思っています。


熱処理の可能性や未知の領域

最近の熱処理説明には書かれていない内容ですが、一部を紹介します。

①工具鋼の不完全焼入れについては、たとえ、焼入れ性の良い空気焼入れ鋼であっても、焼入れ時の冷却速度が遅いと、マルテンサイトではなく、 ベイナイト(Bainite)という組織などが生じます。これらによって、硬さに対する衝撃値が、急速に冷却したものよりも低下する場合があります。

しかしまた、これとは反対に、割れなどを防ぐために、あえてベイナイトをださせるための 「ベイナイト処理」という言い方で焼入れの説明をされる熱処理方法があったり、あえて冷却を遅らせる、オーステンパーなどの恒温熱処理などもあります。

これらについては、鋼種や硬さ範囲、品物の大きさなどの要素のほかに、ノウハウ的な秘密めいたものもあって、よくわかっていませんが、研究対象にするといいかもしれません。今後も、具体的に説明されることはほとんどないでしょう。

②その他の例で、昭和年代には、ハイス(高速度工具鋼)のアンダーハードニングという用語がありました。

これは、標準焼入れ温度に対して、 極端な低温で焼入れることで、例えば、SKH51(当時はSKH9と称されていました)の推奨焼入れ温度の1200℃で焼入れして630℃で焼戻しした場合の61HRCの硬さで用いるよりも、1030℃で焼入れして200℃で焼戻しすると、シャルピーじん性値が高い状態になるというものでしたが、 今では、ほとんど実施されることはありません。

耐熱特性に優れるハイスですので、それを殺してしまうのはもったいないということで、耐熱性と靭性を兼ね備えた鋼種が開発されてきたのでこれに変わったということかもしれません。

マトリックスハイスと言われるものがそれです。これによって、高価な鋼種は標準的な熱処理がいい・・・ということになったのかもしれません。

しかし、焼入れ性の良い鋼種であっても、 空冷するよりも急冷してやったほうが特性がいい例や、SKD11などを1000℃以下で焼入れしてやると、1030℃で焼入れしたものよりも工具成績が良かった例を経験していますので、またまだ、熱処理には未知の部分があるような気がします。

③工具鋼の熱処理分野では、標準の熱処理とは異なる方法(上に紹介した、たとえば冷却速度をコントロールしたり、変態量を調整することなど)で、 突飛な性能を評価される例があります。

高温で焼入れすると、結晶粒の粗大化などは、デメリットが多いことは周知されていますが、高温強度が高くなって、寿命がいいと評価されるものなどがその例ですが、やみくもに行うと、思わぬ状況や悪い結果になる場合もあるので、一般の熱処理仕様にはならないにしても、検討の余地はあるでしょう。

④それとは少しニュアンスは異なりますが、焼入れの際の冷却の基本は 「早く冷やす」と教えられてきました。経験的にもそれで問題ないのですが、実際の個々の品物を見ると、曲りや割れの懸念などの問題がありますので、それを避けるために、例えば、あえて冷却を遅くする場合や、焼入れ変態が完了しない状態で焼戻しに移行する例など、本に書いてある標準的な熱処理方法と違う操作をすることがあります。

これは、ある意味では「ノウハウ」と呼ばれるのかもしれませんが、 これも、理由をつけて、一般的な説明をするのは難しいものです。

以上の例のように、品物に求められる品質特性は、熱処理の仕方によって変えられる要素が残っているという紹介ですが、すべてに優れた鋼種がないように、熱処理にも選択要素があるはずだということを、頭のどこかに入れておく必要があると思っています。

当社もそうですが、近年は、ISOなどでは「標準化」する必要性が謳われて、その方向に進んでいます。「一発勝負」で最良の結果を出すことは難しいので、リスク面を考えても、全体的には標準化が必要ですが、熱処理には未知の部分が多く、まだまだ性能アップの余地が潜んでいるということを忘れてはいけないでしょう。


熱処理のシミュレーション

今日では、パソコンなどを使って、FEM(有限要素法)などを用いて、品物の加熱冷却など、いろいろな熱処理シミュレーションができるようになってきています。

一から機械構造設計などをすることがほとんどない当社では、机上検討に時間をかけてシミュレートするよりも、「焼いてみるほうが早い・・・」ということもあって、つい、熱処理テスト(実験)をして結果を出しがちですが、簡単にそれができない大きな品物の熱処理検討にはシミュレーションは便利なものです。

当社の現状では、それを専門にして構築に時間をかけれる状態ではありませんので、実際に測温したデーターなどでパラメーターを変更することなどによって、それなりに使用していますが、使い方によっては、これらは便利なものです。
今後は、安価で、簡単に使用できるものが普及してほしいと思っています。

次は、焼戻しについてに記事です。

   → 焼戻しについて
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