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生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、冷却中に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。



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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

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
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硬さ換算表の例
その他

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