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エムエス(Ms)点・エムエフ(Mf)点

焼入れ中に、マルテンサイトが生じ始める温度をMs(エムエス)点、マルテンサイト変態が完了する温度をHf(エムエフ)点と言います。

焼入れにおいて生じるマルテンサイトの生成量は、温度の降下につれて進行するので、冷却中に品物の温度がMs点に達すれば、ゆっくり冷やしてもマルテンサイト変態が進行します。

これを、「マルテンサイトは時間変態ではなく、温度変態だ・・・」と説明する人もいます。

このために、一般的には、焼入れ操作について、「焼入れ冷却中に、パーライトなどが析出しないように、Ms点までを速やかに冷却して、 それ以下の温度域では、品物全体を均一に冷却する」というように熱処理操作する・・・と説明されます。



冷却過程でパーライトなどの柔らかい組織が析出すると、十分な硬さが得られませんから、パーライトが出ないように早く冷却し、また、Ms点以下では、急激な温度変化は、各部の温度差から、焼割れや変形の原因になる・・・という理由から、ゆっくり冷却するのがいいために、このような表現をされるのでしょう。

Ms点は、マルテンサイトの生成にともなって、焼割れや変形が起きやすい温度が示されているということなので、特に大きな品物の焼入では、Ms点を意識する必要があります。

一般的には、鋼種の変態点は、鋼材の成分と焼入れ時の冷却速度に依存し、その生成量(マルテンサイトの割合)はMs点の温度以下の温度に依存します。

しかし残念ながら、このMs(やMf)はすべての鋼種でデータが示されているわけではありません。しかし、熱処理では大切な数字で、Msについては(成分範囲は限定的ですが)計算によって求める方法が考案されています。

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Ms点を計算で求める

鉄鋼協会の書籍「鋼の熱処理」によれば、
Ms(K)=823-350C-40Mn-35V-20Cr-17Ni-10Cu-10Mo-10W+15Co+30Al 
という式が示されています。

Rowland&Lyleの式では
Ms(℃)=499-324×(C%)-32.4×(Mn%)-27×(Cr%)-16.2×(Ni%)-10.8×(Si%)-10.8×(Mo%)-10.8×(W%) ・・・

・・・ このように、その他の研究を含めると、下表の例のように、いろいろな計算式があるようです。

もちろん、これらの式を適用するには、成分範囲の制限があって、どんな鋼種でも適用できるというものではありませんし、高合金鋼になると、適用できないものも多いようです。

Ms計算式の例

この表は、九州工大さんの1986年のレポートから引用しています。

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試しに、数種の式をつかって現用鋼種のMs点の実測値と平均的に計算した値をくらべてみました。(しかしこれは、単に、「これらの式は、簡単に適用するのは問題がありますよ!」ということを示しているだけですので、見ておくだけにしておいてください)

( )内は数種類の式から計算した数値で、「計算」のところに、平均(最大-最小)の数値を書いています。 -は適用範囲外であったことを示しています。 資料は少ないのですが、実例と比較すると、そんなに精度が良くない感じなのですが、鋼種ごとに実測したMs点がわかっていると、熱処理では利用価値があるのですが、残念ながら、それを実測して掲載している例はそんなに多くありませんから、その場合は、使えそうな計算式で推定できます。
Msの計算例と実測値に例
この計算結果を見ると、低合金のものは当たらずとも遠からず・・・ですが、高合金になると、その多くは条件範囲を外れてしまって、全く使えそうもないという結果でした。



ちなみに、このMs点の測定は、簡単な方法としては、冷却中の品物の温度推移を測定して、変態時の熱反応の起きる温度でそれがわかります。また、下の図のように、長さ変化で変態を捉えても推定できます。

しかし、冷却速度によって変態のしかたが異なることや、品物の大きさなどが冷却速度に影響することもあって、それを、公表できるデータにしようとすると、難しい問題があるので、各メーカーの鋼種カタログでも、あまり見ることはありません。

そのために、概算の計算値といえども、何も数字がないよりも、いいかもしれませんので、上の計算式は、結構役に立ちます。

焼入れ時の加熱冷却による寸法変化量の図

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上のいろいろな計算式を見ると、一般的には、C・Mn・Crなどが多くなるとMs点が下がり、特に炭素の影響が大きいということが読み取れます。 そして、面白いことに、CoだけがMs点を上げるように働いていますね。このコバルトの多い鋼種は、3回焼戻しが必要な鋼種があるなど、気にすべき元素のようです。

エムエフ点

このMs点に対して、マルテンサイト変態が完了する温度をMf点(エムエフ点)と言います。

高合金鋼などでは、Mf点が常温付近にあったり、常温以下になるものもあります。

そうなると、焼入れすると、完全にマルテンサイトに変態しないで、オーステナイトが残ってしまいますし、ベイナイトなど、他の組織に変化して変態が完了してしまって、Mf点がわからないで記載されていない鋼種もあります。

これらのMs・Mfを測定された鋼種は、そんなに多くはありませんが、これらを推定しておよその数字をつかんでいるだけでも、十分、焼入作業に役立ちます。



Ms・Mfについては、あまり取り上げられない場合も多いのですが、複数鋼種の品物を混載して熱処理する場合などや、工具鋼の焼入れでは、それを把握しているか否かによって、製品の変形の制御、焼割れ、焼き歪の防止・・・などの製品品質と関係するので、熱処理業関係者は主要な鋼種について把握しておくと、結構、役に立つと思います。


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