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、JIS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。

しかしそれが、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が、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ってしまったのか、研究例や発表例が減っていて、消えていく傾向が強いようですので、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

さて、その一例ですが、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、250HBW程度の硬さになる・・・ということがわかります。

構造用鋼は強靭性を付加して使う必要があるので、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が多いので、最高硬さを出して使うことはあまりありませんが、小さい品物であれば、55HRC以上、刃物としても使用できる硬さになるので、そういう知識があれば、安くていろいろな用途に使用できます。

ただ、焼入れ性が高くないために、品物が大きくなるにつれて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。


スポンサーリンク


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。

スポンサーリンク


調質で知っておくべき問題点

調質品の熱処理依頼で、「JISでお願いします・・・」というケースがしばしばあります。
これは、例えば、旧のJIS規格にあった、SCM435の調質硬さが261~331HBとなっていたので、その硬さにしてほしい・・・という依頼内容ですが、このように、今でも古いJISにあった処理方法・硬さ範囲などが生きています。
しかしこれは、非常に危険な作業をしていると言えます。

危険な例を挙げると 
①品物が大きくなると、焼入れ状態で表面硬さは低くなっていますので、表面硬さを確保したいなら、焼戻し温度を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。
測定した部分以外は、どんな硬さになっているか、全くわかりません。

③また、検査は表面硬さ以外は検査しないので、内部の硬さは低下しているのか、どのぐらいの硬さになっているのかはわかりません。・・・・・。

・・・などは、一つずつ考えていくと、大変難しい内容なのですが、それが問題になることはないのが不思議なのですが、危険な問題です。

熱処理業者は、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が、たとえば、SCM435でφ100のように品物が大きくなると、その最低硬さを確保するにしても、500℃以上の温度で焼き戻しできないことになりますし、さらに、内部の硬さはさらに低い状態になります。

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し、設計時にそこまで検討されているかもわからないことですので、みんながわからないままに適当な熱処理をしているということになりかねません。

このように、質量効果を受ける大きな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していただくとともに、JIS硬さというものは過去のものと考えておいてください。

焼いてみないとワカラナイ?

同様に、お客様と熱処理業者が会話しているケースもありました。このような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、当社の社内でも、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でこのような会話になったのだと思います。

「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なるとともに、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。


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「ノルテン」と言われます。英語読みでは「ノーテン」になるので、ドイツ語風になっているのでしょうか?



固溶化(溶体化)熱処理

鋼は鉄(Fe)中に炭素その他の合金元素が固溶しています。これを加熱してオーステナイト状態にして急冷すると、炭素量が高い鋼種は焼入れして硬くなりますが、 炭素量が少なくて(たとえば0.1%以下)、オーステナイトを安定にするマンガン(Mn)ニッケル(Ni)クロム(Cr)などの元素が多い鋼種は、急冷することで常温でも (あるいは0℃以下でも)オーステナイトの状態が維持されます。

オーステナイト系ステンレスと言われるものがそれですが、よく使用されるものに SUS304 SUS316 などがあります。
オーステナイト系ステンレスと溶体化温度

これらは炭素量が少ないほど、またそれらの合金元素が多いほどオーステナイトの安定度は高くなりますが、高価になるのと、成分によって、酸化、耐食、 耐低温などの性質が異なることもあり、それぞれに特徴のある非常に多くの鋼種があります。

オーステナイト系ステンレスは耐熱性、耐酸化性、耐食性(耐薬品性)、耐低温性などに優れています。

これらの多くがアメリカで開発されたのですが、鋼種番号に統一性がないまま、JISでも同じ番号で規定されています。

おおよそ300番台がオーステナイト系にあたっていますが、 200番台でオーステナイト系に分類されるものもありますし、300番台でもオーステナイト系でないものもあるので注意する必要があります。
(これは、必要なものをその時に覚えるしかありません)

これらの鋼は、製造工程で圧延して製造されたものをオーステナイト化温度(1100℃程度)に加熱して水冷することで、非常に軟らかく、耐食性の良い状態になります。 これを固溶化(溶体化)と言い、その熱処理を固溶化(溶体化)熱処理と言います。

オーステナイト化温度から冷却するときに、冷却が遅くなると、炭化物の凝縮などがあり、それが結晶粒界に析出して加工性(特に延性)や耐食性が低下します。

また、 500℃以上になる環境では、正常に溶体化されていても再加熱時に同様の現象が起きます(これを鋭敏化とも称されます)。

特に形状が大きい品物や高温で使用する品物はこのことを知って、安定性の高い鋼種を選ぶ必要があります。

オーステナイト系ステンレスで最も多く使用されているのは 18-8ステンレスと言われるSUS304ですが、これは、「準安定系」と呼ばれるように、 強度の機械加工を加えたり、-150℃程度の極低温に長時間さらすと、マルテンサイト変態することが知られています。
また、強加工すると、しばしば磁化することもあります。

通常の焼入れ硬化する鋼は、オーステナイト化温度以下での応力除去(低温焼きなましなど)や磁気変態を利用した変態点以下での熱処理による「脱磁」ができますが、 SUS304は、再度、溶体化処理をしないと解決しません

溶体化処理をすると、溶接品や薄い品物などでは変形が懸念されますので、この点に注意しておかなければなりません。


水靭(じん)処理

オーステナイト系ステンレスは低硬さのために他の焼入れ鋼に比べると耐摩耗性に劣りますが、高マンガン鋼と言われる、土砂摩耗(ABRASIVE WEAR)に強い高炭素で高マンガンの成分系の鋼でもステンレスの溶体化と同じ処理をします。
これを「水じん処理」と言います。

全鋼のものは弊社でも取り扱った経験がないのですが、パワーショベルの先などにマンガンオーステナイト系の鋼種を掘削工具の先端に肉盛りして水じん処理をするものがあります。 指定の温度に加熱後に水冷すると、オーステナイト状態になって柔らかくなります。

しかし、それを用いて掘削工事をすると、表面がマルテンサイト化し、 非常に硬くなり、ごく表面だけが硬くて中が柔らかい状態のために破壊しないという工具になります。このように生じたマルテンサイトを 「加工誘起マルテンサイト」と呼ぶこともあります。

この鋼は、機械加工は少しできるのですが、加工すると硬くなるので、グラインダによる成形をするという、変った鋼です。



↑このページの上へ

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

↑このページの上へ


   

熱処理ページ目次

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)
焼戻し(2ページ)
焼なましについて
熱処理設備
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
工具鋼の技術資料の見方
からだで感じる「熱処理温度」
火花試験をやってみよう
熱処理の不具合(変形・割れ)
表面熱処理
熱処理組織
硬さ換算表の例
その他

全体のサイトマップ