焼戻しとは

鋼の熱処理で、焼入れして硬化した鋼は、マルテンサイトと呼ばれる「硬くもろく割れやすい」組織の状態になっていますので、焼入れ後にそれを再加熱して、硬さや組織を調節する操作を「焼戻し」といいます。

通常では、品物全体を「焼入れた状態のもの」をそのまま使うことはなく(※)、再加熱することで強靭性を付加したり、 硬さ(=強さ)を下げて使うのが一般的です。

※近年、鋭利な刃先の微小部分だけをレーザーや電子ビームなどで急速に加熱して、伝導熱を利用してその部分を冷却して焼入れ組織を得る方法で熱処理されているものがありますが、それらの多くは、焼戻しをせずに製品として使用されているようです。

これについては、詳しい理由はわかりませんが、焼戻しをしないほうがいいということではなく、焼戻しをする難しさや曲がりなどもあって、焼き戻ししていないと思うのですが、何かの折に調べてみてもいいかもしれません。

ここでは、大きな負荷がかかる通常の工具や機械部品では、焼戻しが重要であるということを説明していきます。


焼入れと焼戻しはセットで行います

焼入れたままで工具などに使用するのは好ましくありません。それは、焼入れした状態では、「硬い=もろい」という状態になっていますし、熱に対して不安定だからです。

そしてまた、焼入れの状態で放置すると、変形や割れなどが起きることがあるので、通常は、焼入れに続いて焼戻し作業をします。

焼戻しについての説明では、単一組織の変化を見ることを理解しやすくするために、炭素工具鋼の共析鋼(C%≒0.85)で説明されることが多いようですので、ここでも、 同様に説明しています。

亜共析鋼(たとえば、0.3%C鋼)では、熱処理温度で変化しないフェライト部分があるので、単一組織の共析鋼がわかりやすいのでそれで説明されます。

焼き入れのところで、「焼入冷却速度が遅い場合には、全部がマルテンサイトにならないでその他の組織になる」としていましたが、一般の品物では、質量効果などの影響で、マルテンサイトとソルバイト、トルースタイトやベイナイト、残留オーステナイト、炭化物、その他などの混合組織状態になっていると考えるのが普通です。

しかし、焼戻しの状態変化を説明しやすいために、ここでは共析鋼のマルテンサイトと 残留オーステナイトについての、温度的な挙動だけで説明されることが多いので、ここでも、それにそって説明します。



焼戻し時の温度に伴う変化

焼入れ直後の鋼は冷却速度の差や、それに伴って生成した組織も変わっているなどで、不安定な状態で、そらが、安定な状態になりたがっている状況であるといえます。

それを、安定な状態に移行するために行う加熱操作が「焼戻し」で、一般には温度別に4つの過程に分けて説明されます。
 第一過程 : 焼戻しマルテンサイトに変わる過程
 第二過程 : 残留オーステナイトの分解が開始する過程
 第三過程 : フェライトとセメンタイト混合組織が生成する過程
 第四過程 : 工具鋼などで2次硬化が起こる温度以上の過程

【第一過程】
およそ200℃までの加熱をいい、焼入れ状態のマルテンサイトが「焼戻しマルテンサイト」に変わる過程が第1過程です。

この「焼戻しマルテンサイト」と焼入れ状態のマルテンサイトはほとんど区別しにくいのですが、「マルテンサイト+ε」という組織だと記述をされていることがあります。

加熱することで、焼入れ状態のマルテンサイトが、低炭素のマルテンサイトに変化しており、この時、炭化物を析出しており(これをε炭化物と書いてある場合があります)、顕微鏡組織を見る時に、全体が、若干、腐食されやすくなっている感じですが、はっきりとして組織変化ではありません。

このときの変化で、 焼入れ時の内部応力が若干緩和される・・・と説明されています。

シャルピー値などを見ても、一般的には、約180℃以上の温度になると、機械的な特性としての「じん性」が急激に高くななります。
硬さの必要なものの焼戻しでは、温度の上昇に連れて硬さの低下も大きいので、硬さとじん性を考えて焼戻し温度を決めます。

工具類や機械部品で、硬さが必要なことから、150℃以下の温度で焼戻しされるものもありますが、180℃以上で焼戻しすると焼戻しマルテンサイトに変化することで寿命が安定するということも記憶しておくといいでしょう。

【第二過程】
200-300℃の焼戻し温度では、残留オーステナイトが分解し始めて 焼戻しマルテンサイトに変化する過程です。

炭素鋼ではないSKD11などの高合金の鋼種では、この温度域では残留オーステナイトが分解しないものもあります。そのために、この温度で焼き戻しすると、シャルピー衝撃値が高い状態になりますが、焼戻し第一過程の炭化物析出によるじん性回復と、残留オーステナイトの安定化によるショックアブソーバーの効果と考えられます。

【第三過程】
焼戻しマルテンサイトが250℃以上でフェライト(α鉄)とセメンタイトの混合組織に変化し、次第に軟らかくなっていく過程です。

ここでの組織は温度とともに変化していきますし、硬さも温度とともに低下します。

この過程では、温度が高くなるほど、フェライトとセメンタイト混合組織の層間距離が粗くなっていき、硬さも温度とともに低下します。
0.8%共析鋼の600℃焼戻し組織
これは、0.8%Cの共析鋼を水焼入れして、600度で焼戻しした組織で、ソルバイト組織と説明されています。写真倍率は約400倍程度で、これを電子顕微鏡で見ると、層状組織が見えるのかもしれませんが、現実的には、組織の違いを写真で示すのも難しいので、ほとんどの書籍でも、適当な説明になってしまいます。

この相関距離が変わる変化は、トルースタイト→ソルバイト→パーライトへの変化などで説明される場合があります。

【第四過程】
この過程は、工具鋼などの高合金鋼を500℃を超えて焼き戻しすると、それまで温度を上げると硬さが低下している傾向のものが、この温度域になると硬さが上昇するものを言います。これを2次硬化といいます。

構造用鋼など、炭素や低合金の鋼種では、この「第四過程」はありません。

構造用鋼の「調質」や低合金鋼で500℃以上の焼戻しをするものも多いのですが、これは第三過程の延長として考えます。

日立金属 青紙1号の熱処理曲線 日立金属 銀1の熱処理曲線

これは日立金属の刃物用鋼のカタログから抜粋したものですが、左の「青紙1号」は低合金鋼で、右の「銀1」は16%Crの高合金鋼です。
500℃付近で硬さが上昇しているのが「2次硬化」です。

Cr・W・Mo・Vなどの炭化物を形成する元素を多く含む合金鋼では、これらが炭化物として析出し、それが成長する過程として説明されています。

「銀1」の高温焼入れの場合と同様に、非常に合金量の多い高速度工具鋼(ハイス)では、しばしば、焼入れ硬さ(焼き戻ししていない硬さ)よりも、550℃程度の焼戻し硬さのほうが高い鋼種もたくさんあります。これは、焼入れたままでは、残留オーステナイトが多いために、硬さは低い状態で、それを高温の焼戻しをすることによって、オーステナイトの分解や炭化物の析出によって硬さ上昇します。

2次硬化する鋼種(下に示すSKD11もそうですが)では、同じ硬さでも、焼戻し温度によって性質が変わることから、300℃以下を「低温焼戻し」、500℃以上を「高温焼戻し」と呼んで区別する場合があります。

この場合は、硬さが同じでも、機械的性質は大きく異なるものが多いので、技術資料などで確認する必要があります。

一般的な考え方としては、低温焼戻しのほうがじん性を表す試験結果に優れるものが多いのですが、実際の使用においては、残留オーステナイトの分解による影響や高温特性に優れること・・・などから、高温焼戻しをする場合も多々あります。

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焼戻しに関係すること

低温焼戻し脆性

300-400℃の焼戻しでは「低温焼戻し脆性(ぜいせい)」と呼ばれる現象が見られる鋼種があります。
(注)低温脆性という熱処理用語があります。これは、鉄鋼が常温以下の低温で衝撃値が減少するものです。(次ページで取り上げています)

焼戻し脆性とは、ある温度域で焼戻しすると、耐衝撃性(シャルピー衝撃値など)が急激に低下することをいいますが、磨いた鋼を、空気中で250℃程度以上に加熱すると青色などに着色しますが、この温度で衝撃値が低下してもろくなる鋼種が多くなることから、この温度域で生ずる衝撃値の低下を「青熱(せいねつ)脆性」とも呼んでいます。

もっとも、じん性の低下はこの温度では現れないで、もっと高い300℃以上の温度で現れるものも多いようです。

これらの脆性への対処については、じん性の要素があまり必要なく、硬さを重視する場合はこれを無視して焼戻しされる場合もありますが、一般的にはこの温度帯(300-400℃付近での焼戻しを避け、その温度区間は急冷することが推奨されています。

低温焼戻し脆性のもう一つの温度域として、2次硬化する高合金鋼では300~500℃で残留オーステナイトの分解、炭化物の析出段階の温度域についても、焼戻しを避ける必要があります。

幸いなことに、脆性域以上の(脆化しない)温度域で焼戻ししたものを、再度、脆性温度帯で焼戻ししても、衝撃値が低くなることはないことが報告されています。
このことから、脆化の原因は残留オーステナイトが分解してベーナイトなどに変化したことによる・・・とされています。
実際の熱処理では、これらの温度で焼き戻しすることはほとんどないようなので、近年は、この脆性のことを意識しない場合が多くなっています。
さらにいえば、これら脆性の研究報告は昭和40年代のものが多く、当時と違って、近年の鋼材は連続鋳造、脱ガスなどの優れた製鋼法がとられていることから、当時の鋼材に比べると偏析や介在物の品位は格段に良くなっていますので、現状はどうなのかははっきりわかりません。
しかし、だから、わからないのであれば、「危うきは避ける」ということで、「300-400℃の焼戻しはしないことと、その間の温度は急冷する」・・・ということで考えておくのが無難でしょう。

工具鋼については、この温度域のじん性低下についてはあまり論じられていないようです。あまりこの温度域で焼き戻しする硬さが使われないからかもしれません。(しかし、高合金鋼などの一部には、残留オーステナイトの影響でシャルピー衝撃値が上昇する鋼種もあります。ここでは触れません)

ともかく、「君子危うきに近寄らず」で、じん性や機械的性質の変化(焼戻し温度との関係を示すグラフなど)をみて、 そのようなじん性が低下する「温度-硬さ域」を避けることで対処するようにするとよいでしょう。


矯正について

高い硬さの品物の矯正(曲がり取り)を冷間で行うのは危険です。
硬さの高いものを矯正できるタイミングは、焼入れ冷却時の硬化していない時点(Ms点以上の温度)を利用するか、焼戻しするときです。
焼戻し時の組織変化を利用してプレスや金型で拘束する方法で矯正します。

高い硬さが必要な冷間用工具では、180℃程度の焼戻しで使用される品物も多いので、この場合は矯正が難しく、危険です。うまくいく可能性も低いです。

プレスなどによる冷間矯正は、330HB(35HRC)程度の硬さを越えると、品物が割れてしまう危険があるので、治具に品物をセットして、温度を上げながらボルトで絞め上げて外力を加える方法や、部分的に熱を加えて矯正をしますが、矯正できることはあっても、問題は皆無ではなく、更に、これらの矯正作業は危険で、経験が必要な作業で、確実なものではありません。

焼割れ・焼ひずみの対策

焼入れで生じるマルテンサイトは、オーステナイトに比べて比体積が大きく、焼入れすると体積膨張して「焼き割れ」「焼曲り」などが発生しやすいために、 焼き入れたままで長時間放置しないようにして焼戻し作業に入らなければなりません。

つまり、焼入れ時に生じたマルテンサイトは不安定で品物の内部は応力が加わっている状態になっています。 その生成量は、冷却速度、焼入れ加熱温度、 鋼材の成分などによって異なります。

品物の大きさや冷却部位によって焼入れ時の冷却速度は変わりますので、 品物の部分ごとにマルテンサイトなどの生成量に差異が生じて、 それが偏った内部応力を発生させ、熱処理の不具合の原因になることがあります。

このために、焼入れして室温になった品物は放置しないで、できるだけ早く「焼戻し」することが大切です。

実際の焼入れにおいては、焼き割れや変形を防ぐために、常温まで冷やさずに焼戻しをする場合が普通だと言えます。

この操作は、鋼種のMs点、Mf点などに関係してきますが、変態の途中の温度で焼戻し作業に入ると不完全焼入れや不均一な熱処理になるので、特に、硬さ不足にならないように注意しなくてはいけません。

このように、品物によっては、割れや変形の重要度が大きいために、教科書通りの熱処理が行わない場合があリます。もちろん、これによって、品質の低下が起こっていることになります。


焼戻し回数について

構造用鋼は、焼戻しの第四過程がないので、500℃以上の焼戻しをする「調質」では、基本的には1回の焼戻し回数で問題ありません。

2次硬化をする工具鋼などの鋼種で、500℃以上の高温で焼き戻ししたものは、少なくとも、2回の焼戻しが必要です。

これは、1回目の焼戻し加熱後の冷却過程で、焼戻し加熱によって分解した残留オーステナイトがマルテンサイトやベーナイトに変態するためで、その変態組織を焼き戻すために、2回目の焼戻しが必要です。

さてここで、「300℃以下の低温焼戻しの焼戻しは1回でよい」と主張される人もおられ、そして、実際に、それで熱処理をすませている例も多いようです。しかし、それでよいのでしょうか?・・・ これについて、説明します。

当社の答えとしては、「熱処理理論から言えば1回の焼戻しで問題ないはず、しかし、現状の熱処理作業では、2回の焼戻しが必要」という答えになります。

この理由は、(熱処理に従事している方はわかるのですが)テストピースのように小さな品物のように、焼入れ後の冷却で室温まで完冷しておれば、焼入れが完了しているといえますが、少し大きな品物になると、焼入れ後、100℃以下に温度を下げると「割れる」という危険があるので、早めに焼戻し作業に移るのが通例です。

そうすると、MS点が常温付近にある高合金鋼(例えばSKD11や8%Cr系の鋼種)では、すべてが焼入れ組織になっていない状態で焼戻しに入るために、1回目の焼き戻し冷却中に、一部が変態するということが起こります。(これは、正しい熱処理の仕方ではありませんが、焼割れを避ける手段です)

このために、その部分をきっちりと焼戻しするために「2回の焼戻しが必要」だと言うことになります。

また、実際の熱処理は、焼入れの冷却は、均等に冷却されているとは考えにくく、いろいろな(良くない)要素が加わっていることを考えておかなければなりません。(これらは教科書通りにはいかないものですし、教科書にも書いていません)

これらのことから、合金鋼などで焼入れ時の残留オーステナイト量が多い鋼種については、 焼戻しは「1回で良い」と頑なに主張するのではなく、やさしくいたわって、きっちり2回の焼戻しをしてやるのがいいことだと考えています。

これは、教科書などには掲載されない話ですので、頭に入れておいてください。

(※注)この説明については、品物を使用しても問題が起きないのでどうであってもいいのですが、負荷のかかる品物では残留オーステナイトの影響を受けるので、当社ではこのように考えて2回の焼戻しを基本にしています。これには、異論もありますし、熱処理費用面でも、1回で済ませることができれば、経済的なのですので、色々な考え方をしている人もいます。これについては、今後も議論の余地があるでしょう。
3度の焼戻しが必要だという問題もあります。これについては、工具鋼の項で解説しています。


高温焼戻しと低温焼戻し・・・どちらがいい?

「同じ硬さになる場合には、どちらが良いですか?」という質問はしばしば受けることがあります。(例えば、SKD11で300℃の焼戻しがいいか515℃の焼戻しがいいかと言うような内容です)

低温焼戻しのほうが熱処理費用も安いし、製品の変形も小さい傾向にあります。また、カタログなどにある、機械的性質のじん性値は、低温焼戻しのほうが優れています。
このことから、当社(第一鋼業)は、鉄鋼せん断用の刃物を製造していますが、薄板せん断用などの軽負荷の刃物は硬さが必要なものが多いために低温焼戻しをしていますが、負荷のかかる中厚板せん断用刃物は、高温焼戻しが基本です。

これは、せん断により発生した熱(摩擦熱)が焼戻し効果として作用することで硬さの低下と寿命短縮に結びつくことや、刃先の微小変形によって生じると考えられる「加工誘起マルテンサイト」の発生を抑えるという理由ですが、さらに、矯正をする場合に高温焼戻しのほうがやりやすいということから、高温焼戻しをするのが基本になっています。

→ 次のページでは、熱処理温度曲線など、各種の焼戻しについて、グラフなどの資料の内容を説明しています。

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「焼戻し」の目次

1ページ(このページ)
焼戻しとは

  焼入れと焼戻しはセットで行います
焼戻し時の温度に伴う変化
  第1から第4過程
焼戻しに関係すること
  低温焼戻し脆性
  矯正について
  焼割れ・焼きひずみの対策
  焼戻し回数について
  高温焼戻しと低温焼戻し

2ページ
構造用鋼の焼戻し
工具鋼の焼戻し
焼戻しに関係することがら
  焼戻しパラメータ
  焼戻しの保持時間
  残留オーステナイトに気をかける
  3回の焼戻しの必要性
  サブゼロ処理・クライオ処理・深冷処理
  低温脆性

       

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
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