焼入れ性を増す合金元素

合金元素の焼入性倍数

①焼入れしたときに、十分な硬さが得られること ②その時の硬化する深さが深いことを「焼入れ性がいい」といいます。

図のように、 焼入れ性を増す合金の含有量によって、焼入れ性が変わります。つまり、鋼材の機械的性質や熱処理特性は、鋼材の成分によって変化するということになります。

焼入れ性が増せば、質量効果を受ける大きな品物でも、表面の硬さが増しますし、表面から内部への硬さ低下度合いが緩やかになります。

しかし、先にも書きましたが、鋼種としての成分を考えるとき、これらの成分を増やせばいいというものではありません。

後に出てきますが、例えば、焼入れしたときに残留オーステナイトが多くなって、 焼が入りにくくなったり、炭化物を作る元素であれば、じん性などの機械的性質が低下したりします。

ここでは、このグラフにある合金成分が高い鋼種は、焼入れ性がいい・・・という程度に理解ください。


合金が多いほど、機械的性質が優れる?

近年では「高合金化」「高級鋼化」が進みました。そして、Cr、Mo、Wなどの合金元素を多く含むほうが、何かに優れていると思われがちです。 この背景には、 「大きな品物を均一な硬さにしたい」「熱処理の自動化に対応できるようにしたい」・・・という世間の品質要請があったためでしょう。

さらに、金型などの加工が複雑になり、材料費の比率が下がったことで、少々高い材料でも採算が取れる・・・ということで、高合金化が進みました。

しかし工具の代表の「刃物鋼」について現状を見ると、現在でも、例えば、日立金属(株)には、白紙・黄紙などの炭素工具鋼や青紙とよばれる低合金の特殊工具鋼など数種類が、昔ながらに「刃物用鋼」として販売されています。

これらの炭素工具鋼や低合金工具鋼は、ナイフやプロ大工用などの工具や利器としては定評で、切れ味、被加工性などは 非常に優れていると評価されています。

もちろん、焼入れ性も低く、耐摩耗試験をすると、高合金鋼には負けてしまうのですが、(「日本刀」などもこの部類の鋼ですが) これは、 簡単に試験できない「切れ味」や「何か」が非常にすぐれていることがあるので、今でもたくさん使用されています。
このことは、「高合金鋼のほうがが良い」とか、「高価な材料が良い」というものではないということでしょう。

ただ、これらの炭素工具鋼や低合金工具鋼は、水焼入れとか、素早く冷却するという操作が必要です。 このために、自動化され、プログラム化された市中の熱処理屋さんでは、熱処理できない(熱処理を受け得てもらえない)場合も多くなっています。
この辺りも、一つの知識として持っておくといいかもしれません。


熱処理コラムレアメタル・レアアース

【レアメタル】 合金元素は地下資源で、鉱石を産出する国は限られています。その多くは「レアメタル」とよばれているように、資源の乏しい日本ではそれを確保することは重要な問題です。合金鋼の原料に使用するこれらを含む「フェロアロイ(合金鉄)」は、製鋼には欠かせないものですので、政府による備蓄対象にもなっています。

レアメタルのうちで、鋼の合金成分として挙げられるのは、ボロンB、クロムCr、マンガンMn、コバルトCo、ニッケルNi、ニオブNb、モリブデンMo、タンタルTa、タングステンW、などがあります。

フェロアロイの生産は、中国が突出しており、ニュースの種になることもあります。もちろん、日本国内でも加工して製造されていますが、産地や産出量が限定されますので相場が形成されます。さらに、産出国の政治的要素なども加わって、この価格が変動します。

しかし、幸いなことに、 鉄鋼の主要成分であって、その特性を大きく変える、炭素C、シリコンSi、マンガンMn、クロムCr,ニッケルNi、などの合金は、生産量(産出量)も潤沢で、短期的価格変動はあるものの、価格、量ともに比較的に安定供給されていて、鋼材価格としては大きな変動は少ないといえるでしょう。

これら鉄鋼に欠かせない合金元素は、相場が形成されている不安定な要因があるために、特に合金元素量の多い工具鋼などを作るメーカーでは「サーチャージ」や「エキストラ」という言い方で、鋼材価格の変動幅を調整する仕組みが出来ています。

【レアアース】 次に、レアメタルと並んで、レアアースとよばれる希土類元素がニュースでもしばしば取り上げられています。

比較的、耳にするのは、ネオジムやサマリウムなど、磁石材料などに使用されている元素がありますが、レアアース類の多くも、やはり、中国に産出量の多くを依存しているために、 価格や安定供給に対しては問題があります。

このレアアースについては、その効果が未知の部分も多い状態で、さらに高価で安定供給が難しいとなれば、単価の安い鉄鋼類では使いにくいものですが、もちろん研究されているでしょうから、今後に期待するという状況です。

精錬や製鋼は元来、錬金術のようなものですので、このレアアースは、非常に興味深いものといえます。


質量効果と臨界直径

SCM材の熱処理特性

品物が大きくなると、焼入れ時の冷却速度が低下して、焼入れ硬さが低下します。

この図は、SCM435の例で、日本鉄鋼協会データシートから引用したものですが、焼入れする品物が大きくなってくると、全体が冷えにくくなりますので、それにつれて、内部も表面も、硬さが低下します。

これには、焼き戻ししたときの硬さが示されていますが、全体的に、太くなると、硬さが低下しているということがわかります。
これが、 「鋼材の質量効果による硬さへの影響」です。マスエフェクト(mass-effect)ともいわれます。

このように、焼入れ性を高める合金元素の含有量が少ない構造用鋼では、少し大きな形状になると、表面硬さが低下する影響が出ますし、もちろん、表面と内部は同じ組織が得られません。そのために、内外の硬さ、組織を揃えるために、高温の焼戻しをします。それが「調質」です。

その機械的性質への影響については、一般的には、引張強さ、圧縮強さは「硬さ」に依存しますので、熱処理で硬さを調節することで、ほとんどのニーズに対応できます。

しかし、同硬さにおいては、冷却が遅いと、耐力、じん性値の低下があるのが一般的ですので、そのような特性評価が求められる場合は、 予備試験や実体試験などで確認しなければなりません。この場合でも、試験片の取り方などの影響もあるので、試験で品質を決めると言っても、いろいろ難しい問題がでてきます。


焼入れ性や冷却に関係する熱処理用語で、近年は、あまり使われない言葉もあります。以下に簡単に説明します。

最大有効直径

JISには「焼きの入る最大直径」が示されている場合があります。
下表は、炭素量が同程度で、他の合金元素を加えたときの焼の入りやすさを「最大有効直径」で示したものです。

ここでは、炭素量が同じなので、最高硬さは同程度と推定されますが、6つの合金成分はすべて、焼入れ性を高めるもので、ここでは、C,Si,Mn値はほぼ同じなので、Ni,Cr,Moなどによって、最大有効直径が大きくなっており、合金元素が増えてくると、径が太くなっても焼が入りやすいということがわかります。

構造用鋼の成分と有効直径

【注意】これは1979年版のJISから引用していますが、この最大有効直径がどういうものであるのかを確認できません。有効直径は、既定の焼入れをした時に、中心部で既定の硬さが得られる場合の最大直径を言いますが、50%マルテンサイトになる直径だとしているものもあって、このデータ数値がどれを指しているのかわかりません。

このように、同じ程度の炭素量でも、合金元素によって焼入れ性が上がるので、品物が大きくなっても表面硬さが確保しやすくなる・・・というように考えておいてください。


その他ですが、以下の用語もあります。

臨界直径
直径に対して3倍以上の長さの品物を、指定の方法で焼入れしたときに、 その中心が50%マルテンサイトになる丸棒の直径を「臨界直径」と言います。

臨界冷却速度
焼き入れの際に、硬いマルテンサイトが生じる最低の冷却速度を臨界冷却速度と言います。

臨界冷却速度よりも早く冷却した鋼は、硬いマルテンサイト量が増えますし、 それより遅い冷却速度ではトゥルースタイトやベイナイトなど、マルテンサイトでない組織が多くなって、マルテンサイトほど硬くならない状態になります。

またここで、ある冷却方法で棒材の中心部が50%がマルテンサイトになる鋼材径を臨界直径と言うのに対して、無限大の冷却速度での臨界直径を、理想臨界直径という言い方をします。

臨界冷却速度は、もちろん、鋼材の成分(鋼種)と品物の大きさで変わってきます。


有芯焼入れ

鋼を焼き入れをしたときに、表面が十分に硬くなることや、その硬さが内部まで低下しにくいことを、「焼入性がいい」といいますが、「焼の入りやすさ」には、(1)どのくらいの最高硬さになるかということと、(2)どれくらいの深さまでその硬さが確保されているか・・・という指標があって、前者は主に、鋼中の炭素量に関係する「表面硬さ」、後者は「焼入れ深さ」という表現もあります。

教科書的な説明による「焼入れ性」は、機械構造用鋼などでは25mm径の片端面から水で冷却する焼入れをしたときの硬さで評価する 「ジョミニ1端焼入れ試験方法」などがありますが、これは主に、焼入れ性の低い材料評価するための試験でしょう。

これらの焼入性の低い鋼材を焼入れをすると、表面は硬化しますが、中心まで硬化しない状態になります。

S45C焼入れ模式図

この状態を「有芯焼入れ」と表現されることがあります。 例えば、S45Cのφ50の鋼材を水焼入れした場合に、最表面はマルテンサイト(+フェライトの混合組織)に なっていますが、 表面から数mm内部になると、フェライトと、ソルバイトなどの混合組織で、中心にいくほど、軟らかくなっています。 (この例では、片側表面を示していますが、表面から15mm内部は、全く焼入れ硬化は見られません)

断面の硬さを測定すると、中心部が低くなる「U字」のような分布になるため、それを「Uカーブ」と言いますが、これは、全体が同一組織ではないために、表面は硬く耐摩耗性がある状態に、そして、内部は、表面より軟らかく、衝撃性の強い状態になっていることで、品物の用途によっては、「良い状態」と言える場合もあります。
0.4%鋼のUカーブ0.4%鋼のUカーブ

高周波焼入れで表面硬化する場合も同様で、中心部までは硬化しません。

高周波焼入れは、表面の硬さや疲労強度、耐摩耗性を付加する熱処理として重宝されます。硬化する深さは、主に印加する高周波電流の周波数によって決まり、 図のように、境界層を隔てた硬さの差が大きい状態になります。これが、表面に圧縮応力を与える、特徴ある熱処理性質が得られます。

一方で、ある鋼種(図ではS45C)を全体加熱して焼入れした場合には、上図のように、表面から内部への硬さや組織の変化が緩やになりますので、 全体強度も上がることから、その特徴を利用する場合があります。


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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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熱処理ページ目次

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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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工具材料を選ぶ場合に・・・
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