熱処理を説明する図表

熱処理の勉強を専門的に始めるとすぐに、熱処理の原理を説明するために、鉄-炭素2元系状態図、 恒温変態曲線、連続冷却変態曲線などを学びます。

しかし、近年では、これらの図表の読み方を忠実に学ぶことは少なく、熱処理を理解するためにアレンジした説明で解説されることが多くなっています。

ここでも、恒温変態と連続冷却曲線について熱処理操作との関係がイメージできるように説明します。


恒温変態曲線(TTT曲線・S曲線)

ある鋼種について、オーステナイトに加熱した鋼を、オーステナイト化温度以下の温度に品物を保持すると、時間が経過すると変態してして組織が変わります。
それを表した図が恒温変態曲線です。

時間-温度-変態曲線Time-Temperature-Transformationの英語頭文字をとって「TTT曲線」と呼ばれ、一般的には、その形がアルファベットのSのようになることで「S曲線」とも呼ばれます。

この図は、共析鋼の例で、S曲線の中に、熱処理操作と、組織や硬さの情報が付加されたものです。

この図では、800℃程度でオーステナイト化した状態の焼入れ温度から所定の温度まで急冷して、その温度で保持すると、時間経過して変態する様子を示しています。 そして急冷後に保持する温度を変えて「温度-時間」の点を結ぶと、このような図が作成できます。

ここでは、410℃と300℃に保持した線が示されていますが、それぞれの温度で、Bsが変態を始める時間を示しています。

等温で保持して変態が完了した後に(Bf以降に)、常温まで冷却して、その顕微鏡組織を観察し、その組織を分類してこれが作成されています。

この図では、保持温度の違いによって、当初はオーステナイト状態であったものが、保持する温度が高い方から、粗大パーラート、微細ベイナイト、マルテンサイトなどに変態するということが示されています。  

この図の見かたを説明します

図のBs-Bf点線(約410℃で保持する場合)を例にとって説明します。

およそ800℃の焼入れ温度から410℃の熱浴中に試験片を急冷して保持すると、約4秒後にべーナイト変態が起こり(Bsの点)、 1分少々でその変態が完了します。(Bfの点)

その後は、いくらその温度に保持しても、組織の状態は変わらないので、常温まで冷やしてからその組織、硬さを調べると、HRC40程度になっており、その組織を観察すると、羽毛状のベイナイトという組織になっているということです。

sは開始、fは終了を示しており、Pはパーライト変態、Bはベーナイト変態、Mはマルテンサイト変態を示しています。

ここで、550℃付近で左にせり出している「S字」の出っ張りを「パーライトノーズ」と言います。

一般的には、焼入れにおいて、「パーライトノーズにかかるような冷却をすると、 十分に焼が入らない・・・」という説明をされます。

ただ、この場合に注意しておかないといけない点は、この図は恒温変態ですので、通常の熱処理(焼入れ)のように、順に温度が低下していった結果を表していないことに注意します。

しかし、熱処理の説明では、しばしばこのように、S曲線を用いて冷却を含めて説明されます。

この理由は定かではありませんが、冷却をともなった図は、後で紹介するCCT曲線のほうがいいはずです。

しかし、CCT曲線の鋼種例が少ないことや、CCT曲線は、連続冷却という、やや特殊な冷却条件の図であるために、S曲線のほうが焼入れ過程をイメージしやすいか、あるいは、古くからS曲線を用いた説明がされているので、それが普通になった感があります。

つまり、S曲線を用いて焼入れを説明する目的は、冷却過程で柔らかいパーライトが出ないように冷却することが重要ですので、それを表現しやすいためでしょう。

800℃程度から冷却を開始して、1秒以下で550℃以下に冷却しないと、一部がマルテンサイトにならずに、 柔らかい組織が出てくる・・・というように説明されます。


次に、焼入れ性の良い鋼のS曲線をみてみましょう。
日立金属SLDのTTT曲線

これは、冷間工具鋼(日立金属のSLD)のTTT曲線(S曲線)です。

この図のように、焼入れ性の非常に高い鋼種は、Sの途中が切れており、これは、500℃程度の温度に何時間保持しても変態しないということです。

また、上の炭素工具鋼にはみられなかった、γ(オーステナイト)、C(炭化物)などの特殊な組織がでてくることがわかります。

更に、「γ+B+C」や「Ms」の開始線があって、終止線がありません。
これらは、時間をかけても変態が完了しない、または、時間をかけて変態の終了を見る必要がないから示していない・・・と考えていいでしょう。

もっと極端に言えば、焼入れ性の良い鋼のS曲線は、恒温変態を見るためのものではなく、「非常に焼入れ性がいいので、小さな品物では、空冷しても焼きが入る」ということを示すためのものと考えるのがいいでしょう。

だから、この図から、1000℃の焼入れ温度から250℃の温度に品物を保持して8000秒経つとベーナイト変態が始まることや、その時間内に180℃のMs点まで冷やせば、マルテンサイト変態するということが読み取れるのですが、このような長時間をかけて恒温処理をする機会もありませんので、この図を使う必要もないかもしれません。

しかし、このような鋼の恒温熱処理は一般には行われていませんので、これをすることによって、何か新しい特性を持った状態になるかもしれませんので、ある意味で貴重な資料といえるでしょう。


【通常の熱処理での利用法】
焼入れの冷却過程では、時間とともに温度が降下しますので、S曲線のような恒温変態とは異なるということを頭に入れておかないといけませんが、成分が似通ったものでこのようなS曲線があれば、パーライトノーズにかかる温度と時間の推定や、組織検査した結果からの焼入れ過程の冷却状態の温度推移が推定出来ます。

つまり、この目的のために、恒温変態を示す図であっても、冷却過程を考えた使い方で熱処理の説明をされることが多いということです。

S曲線は、いろいろな成分の鋼について公表されていますので、近い成分のものを利用して熱処理を考えるには便利ですが、ほとんどは、1970年代以前に作成された古いデータのものがほとんどです。

近年では鋼の品位も非常に高くなっているので、当時のものとは違ったものになる可能性が高いかもしれませんし、現在行われている熱処理では、ソルトバスを用いるもの以外は恒温処理は出来ないこともあって、S曲線は、焼入れ硬化するための温度や時間の条件を説明するための図としてしか用いられていないのが現状です。
だから、今後、これらのS曲線を精密に実験したり研究されることもないと思います。

そういうものなので、S曲線は、熱処理状態を理解するための1つの図表として用いられる程度で、厳密にそれを読み解く必要もないでしょう。


  
マルテンサイト変態について

S曲線にあるマルテンサイト変態も、少し変わっています。
Msはマルテンサイトが生成し始める温度、Mfはマルテンサイト変態が完了する温度です。

このマルテンサイト変態は、時間が経つと変態が進むものではなく、温度が下がることによって変態が進みます。

上の共析鋼の図では、2分程度以内に220℃程度に品物の温度が低下しておれば、それ以下に温度が低下すると、 (時間と関係なく)ゆっくり温度を下げても十分硬化します。

このMs点は、熱処理操作的には重要で、マルテンサイトの生成量とともに硬さが増大し、体積が増えるために、時間と温度の管理で焼割れや変形をコントロールする場合もあります。

別に説明する、マルクエンチ(Ms点の直上付近の温度で品物を保持してから冷やす恒温熱処理の一種)なども、このMsを基にして恒温保持する温度を決めます。

このように、S曲線などの恒温変態図は、温度を一定に保持したときの変態を示すものですので、Ms点以下の扱いは異なってきます。

そして、先程と同様に、恒温変態図であっても、冷却を含めて説明されることが多いのが実情ですので、そのことを頭の隅にとどめておいてください。


連続冷却変態曲線(CCT曲線)

これは、焼入れ時の冷却速度の違いによって、組織や硬さがどうなるのかを示した図表です。

Continuous-Cooling-Trancformationの頭文字をとっていますが、冷却速度を制御する焼入れ冷却装置を利用して、等速に冷却をして常温まで冷却した後の硬さなどを示しています。

共析鋼のCCT曲線の例
これは、S曲線にもあった共析鋼のCCT曲線です。

この図の作成方法は、熱膨張計、その他の特殊な機械装置を使って、様々な温度降下をさせて、変化点(変態温度)をとらえて作成されたもので、等速度で冷却をするという、かなり特殊な条件で試験をしてこれが作成されています。

実際の焼入れでは、このような定速での温度降下は出来ませんし、また、それをすることもないので、明らかに現実の熱処理とは違うのですが、条件を特定することで比較がしやすいので、このような試験が行われていたのでしょう。

これによって、鋼種ごとに、常温まで等速冷却して測定される硬さから、平均の冷却速度での冷却過程が推定できる・・・などの、色々な利用方法が考えられます。

ただ、すべての鋼種にこのような図があればいいのですが、あまりその数は多くはありません。

成分が近いものを利用することで、焼入れ後の硬さとその冷却方法から焼入れ過程が推定できるなどで重宝な図で、焼入れ性の低い鋼材の質量効果などの推定に利用できるなどではS曲線より利用度が高いように思われますが、冷却条件が特殊なので、使い方は難しいようです。
考え方を知っておくと、熱処理を考えるために役立つという程度です。

  
CCT曲線の見かた

図は0.76%Cの共析鋼の例です。

ここでは、Psはパーライトが析出する点(温度-時間)で、この線にかかって冷却すると、パーライトが析出して、焼入れしたときの硬さが低下します。

ここでは、Psにかからないように冷却するためには、 毎秒300℃程度以上の冷却速度が必要だということがこの図から読み取ることができます。

この速度で冷却すれば、881HV(66HRC)という、非常に硬い硬さが得られるということがわかります。

しかしそのためには、1秒程度で500℃程度まで温度低下をさせなければならないので、水焼入れをしても少し品物が大きくなると、難しいということがわかります。

ここでは示しませんが、焼入れ性の良い鋼種であれば、パーライトの析出までの時間が長く、焼きが入りやすいということが読み取れます。

しかし、この連続冷却というのは、水とか油などの冷却材に浸漬してもできるものではないので、検討する場合には、「800℃から500℃までの平均冷却速度」などをこの連続冷却の線に合わせて考えるなどでこの図を利用するのですが、正直に言えば、あまり実際的に役に立つ図表ではありません。

このように、CCT曲線は、小さな品物や、比較的焼入れ性の悪い鋼種の焼入れ状態を推定するのには役に立つこともありますが、近年は非常に焼入れ性に優れた鋼種が増えており、大きな形状の品物を扱うことが多いために、これでは使いにくいことから、例えば、日立金属(株)では、焼入れ性の良い鋼種のサイズが大きくなった時の硬さ推定や、太丸径の品物の中心硬さの推定ができる「半冷曲線」というものを作成して公表しています。 →こちらを参考に

また、最近では、パソコンソフトなどを用いて、(まだまだ高価で使い方も面倒ですが)比較的簡単に、加熱冷却シミュレーションができるようになってきていますので、CCT曲線の数値を併用することで、焼入れ状態を検討することも可能でしょう。

とは言うものの、当社でも、PCを用いてシミュレーションをすることがあるのですが、まだまだ、熱電対を用いて実測した冷却過程とはかなり異なってくるなどの問題はあります。(これも、簡単でない、いろいろな問題があります)

でも、たとえば、大型の品物の冷却状態を推定する場合などで、このCCT曲線があれば、品物の硬さを測ることで、実験しなくても冷却過程が推定できるので、利用価値がないとは言えません。

【実際にCCT曲線は利用できるの?】
このCCT曲線は、熱処理講義には説明されるのですが、先程も書いていますが、実際には使いにくいものです。

構造用鋼の焼入れで、焼入れしたあとの硬さが出なかった時などに、 その冷却過程を考察するような使い方はできるのですが、実際の熱処理では、連続的に等速で冷却するというのは特殊な条件ですし、「油冷する」と言っても、実際の熱処理のほとんどは、油温に達する温度まで冷却しませんし、大きな品物では、品物の内外の温度差があリます。

このようなことがあるので、実際には、熱処理の説明用として用いられているだけのような気がしますし、近年では研究もされていないと思います。(m(__)m)

通常の熱処理では、焼入れ硬さを測って、それを基に焼戻し温度を決めたり、冷却条件を検討する・・・などで熱処理状態を把握しますので、この図を使うこともありません。

だから、熱処理従事者の方も、熱処理勉強用の特殊なグラフ程度にしか思っていないのではないでしょうか。


最後に、熱処理講義などで出てくる、恒温熱処理関係の図を紹介します。
これも、熱処理説明のための特殊な図で、考え方だけを示します。


恒温熱処理の図について

ソルトバスなどの恒温槽を使うことでできる特殊な熱処理法に、オーステンパー、マルテンパー、マルクエンチなどの処理があります。

恒温熱処理図

この図は、油焼入れ(OQ)、オーステンパー(AT1~AT3)、マルクエンチ(MQ)、マルテンパー(MT)とよばれる処理をまとめて表現しています。

この図も、説明用で、しばしば熱処理の冷却時の温度と時間の関係を説明する際には、このような、S曲線とCCT曲線をまぜた図を用いて説明される場合がよくあります。(S曲線で説明しましたが、恒温処理に温度変化を加えた、変な図です)

これらの恒温処理は、機械的性質を調整したり、変形などを防ぐ目的などにも応用されることがあり、温度と時間を巧みに利用した熱処理方法といえますが、油焼入れなどでは、このような処理はできません。

詳しくは当社のソルトバスのページに同じ図を使って少し詳しく説明しています。

  
オーステンパーと熱浴焼入れの違い

オーステンパーと呼ばれる恒温処理は、ごく一部で行われているものの、特殊な熱処理と言えます。

しかし、古くから、焼入れ性の良い鋼を500℃前後の温度に品物を保持すると長時間変態しないことを利用して、高速度鋼をその温度に一時保持して、品物の内外の温度を一定にした後に空冷する方法が行われてきました。

この温度域では、Ps(パーライトの出現線)が非常に長時間側になっていますので、ソルトバスを用いて、たとえば、1100℃以上の焼入れ加熱温度から、550℃程度の恒温槽に品物を入れて冷却して、品物内外の温度を均一にしてから取り出して空冷する・・・という焼入れ方法が行われます。

この方法は、正常な焼入れ状態(硬さや組織)を保って、 なおかつ変形を少なくするためにとられる焼入れ方法ですが、恒温処理のオーステンパー処理ではなく、これを 「熱浴焼入れ」といっています。

しかし、熱処理現場ではこれを慣習的に「オーステンパー」という人が多いようです。マイナーなので、訂正するほどのことでもないのですが、オーステンパーは恒温処理で、この熱浴焼入れとは異なるものですので、そのことを知っておいてください。

ちなみに、近年では、高速度鋼を真空炉で加圧冷却するか、油冷するようになってきています。加圧冷却は、大量の窒素ガス炉一気に流して急速冷却するのですが、冷却を早くすると変形量が増えることなどもあって、それをコントロールすることが重要になっています。

その他、当社のソルト熱処理では、油冷や水冷に変えて、200℃以下のソルトバスを使用して冷却することが日常的に行われています。

油や水などで冷却するのとは異なり、高温で品物を一時保持することによって、鋼種によっては、若干、焼入れ硬さやじん性が変わる場合もありますし、また、マルクエンチやマルテンパーなどで、組織や変形の程度などに効果が出る鋼種もあります。

日常の熱処理作業では、恒温槽を用いたり、油などの引き上げのタイミングをコントロールするなど、教科書に書いていない操作で熱処理される場合も多いのですが、これらも、S曲線や恒温変態図などの熱処理図表の見方の基礎から生まれてきます。

そして熱処理作業は、長年の習慣での熱処理操作が継承されて標準化していくという積み重ねを繰り返していると言っていいでしょう。

このソルトバスですが、本に書いていないような特殊なことができる可能性を含んだ設備といえるかもしれません。

たとえば、鋼種に応じて、 Ms点や冷却速度を把握するとか、時間コントロールによって、今までと違った品質のものができる可能性を秘めた熱処理ができるという可能性があります。

ソルトバスは、マイナーな設備でもあり、このような恒温処理も、次第になくなっていき、熱処理授業でも取り上げられなくなっていくのかもしれませんが、しかし一方では、制御技術の進歩によって、 油冷などにおいても、疑似的な恒温処理ができるようになっていくかもしれませんので、このような特殊な熱処理法も、今後は見直される時が来るかもしれませんので、頭の片隅においておいていいかもしれません。

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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***(このページ)
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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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)
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熱処理設備
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