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この記事は、熱処理をする側の人に関係するものですが、その他の、熱処理を依頼する側の人にとっても、問題点を知ることで、熱処理の不具合発生に役立つでしょう。

熱処理品の硬さに関する問題点

硬さは、商取引の上でも重要な取引指標となっているので、試験機精度や測定方法等については「管理」された状態にしておく必要があります。

熱処理加工におけるJIS表示許可やISO9001 の認証を取得している企業は、硬さ測定や硬さに関する基準を確立しており、安心して熱処理を依頼できますし、その都度、硬さに関する事前の打ち合わせをしなくても大きな問題生じないでしょう。

しかし、問題が皆無というわけではありません。ここでは、トラブルになりやすい根本的な問題点を説明します。

【実際の品物測定】 
硬さの確からしさは、極論すれば、「硬さ試験機と硬さ基準片を用いた硬さ」だけですから、実際の品物になると、いろいろな大きさや状態があって、 その硬さ評価をする際には、いろいろな対応が必要です。

測定する品物は、ナイフのような薄く小さいものから、非常に大きく重い品物までありますし、また、設計図面に書いてあるというだけで、 要求者(お客様)が硬さ試験方法すらわからないまま、そこに示された数値を要求される場合もしばしば見受けられます。

そうなると、
①指定された試験機が使えない
②指定された位置が測定できない  
③再現性のある硬さ測定ができない
・・・などの問題がでてきます。そして、その結果をお互いが納得できない・・・という結果になりかねません。

これらの問題は、近年では「代替試験機で測定して、換算表を利用して、要求される硬さ評価をする」ということで問題とならないようになってきていますが、本来「硬さは、指定された試験機で測定する」というのが基本ですので、もしも図面などの仕様と異なる検査方法をとる場合は、事前にそれを協議しておかなければなりません。

熱処理品を受託する際には、測定位置、測定方法、 検査個数などを取り決めておくことが基本になります。 しかし、ISOやJISなどの認証取得している企業では、それらの規格を踏まえて、 抜き取り方式や測定の基準など、社内基準にそって測定をする仕組みを作っていますので、普通は、事前に個々の打ち合わせをしなくても大きな問題が生じないようになっているのですが、初期品の場合は、事前に確認するのがいいでしょう。

個別に特別な検査をすると、もちろん費用もかかりますので、 それらを含めて事前に協議するに越したことはないでしょう。

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熱処理品の硬さ測定

【検査者の技量】 
硬さの測定方法はJISなどに規定されていますが、それは一般事項や硬さ基準片に対する測定を対象にしている内容がほとんどで、実際の品物すべての方法などを含んでいません。

このためには、測定のための技量が必要になります。

特にショアー硬さを手持ちで測定する場合や、ロックウェル硬さ試験機で異形状品を測定する場合などには経験が必要で、 JISの文言通りに測定しても、正しい硬さが得られないことも多くなります。

これらに限らず、一般の品物の硬さを、「再現できるように正しく測ること」は難しいものですので、測定者の技量認定などを行って、正しい硬さを測れるようにしておかなければなりません。

また、硬さ測定値を判断(決定)する技量も重要です。硬さ試験片の硬さ測定時以上に、一般の品物では、測定するたびに異なった値になる場合が少なくありません。

そのために、その測定された数値は、数値の処理方法だけでなく、そのばらつき理由、鋼材の熱処理特性、 重量・形状、硬さ測定面の表面粗さ・・・などの広い知識とそれに対する経験的な技量を基に決定しなければなりません。

ここでは、測定方法や基本事項を説明しているのではありませんが、硬さ測定での不具合が発生しやすい内容のいくつかを紹介します。

(1)一般的な測定の仕方

ロックウェル硬さ試験機を用いて、焼入れ焼戻しした1kg程度の小さい品物を測定する場合を考えてみましょう。

硬さを測るには、測定面、試験機の測定台に接する面の手入れをします。熱処理肌を直接測る場合は少ないと考えていいでしょう。 そして、正しい硬さを測るために、測定する部位を、グラインダーなどで表面を少し掘り込んで、さらに、バフグラインダ(スポンジ砥石)で磨いた部分で硬さ試験をします。

このときの掘り込み深さは、熱処理の方法によって変わりますので、依頼側(お客さん)も受託側(熱処理業者)ともに、 測定位置と熱処理後の仕上しろを事前に確認するようにするといいでしょう。

特別の指定がない場合は、①品物の作用面(硬さの必要な部分) ②仕上げしろのある部分 ③中央部などの安定部分  ④製品となった時に目立たない部分 ・・・  などで測定することになります。



次に、品物を試験機に載せて測定をしますが、安定に測定台(アンビル)に密着していない場合は、その面の手入れをする場合も出てきます。

測定面(部位)の表面粗さと傾斜や平行度、試験機と品物の密着性が重要です。また、表面は6S程度以下仕上げないと、硬さが低く測定されてしまいます。

また、意外と見落とされがちですが、測定台(アンビル)との密着面の表面粗さが粗かっ たり密着度が低い場合も同様です。


(2)測定の仕方で硬さ値が変わります

JIS規格には、例えば、 ロックウェル硬さにおいては、2mm程度以下の厚さの品物や、測定面が平面でない場合などについて、 誤差が大きくなる場合の測定方法の制限や形状による測定値の補正について記述されています。その他の試験方法でも、注意事項があります。

補正のやり方、考え方を以下に示しますが、これは一例です。

ロックウェル硬さ計で凸面を測定した場合には、測定値が実際よりも低くなるために、正しい値に近づけたい場合には補正値を加えるのですが、熱処理後の製品の硬さ検査では、「測定した部分の硬さ」を検査表などに記入するのが原則ですので、補正せずにその硬さを測定値とするのが普通です。 つまり、凸面や傾斜面での測定値に対して、実際の品物の硬さは高い値になっています。

たとえば、JISの付属書によれば、円柱面の補正値は、 曲率半径12.5mmの品物の硬さが60HRCで0.5、40HRCでは1.0となっており、これを無視するには大きい硬さであることを知っておく必要があるでしょう。(次項を参照ください)

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(3)通常の熱処理検査では、形状による補正はしない

このように、普通は、熱処理品検査では、JISにあるような曲面の補正はしないで、測定した値をそのまま表示していることに注意してください。

「指定部分の硬さを示す」という考え方が基本で、例えば、中心部まで焼入れ硬化するSKD11 のφ10×50(mm)の丸棒の外周を測る場合と、端面を測る場合では、測定値が1.0HRC程度差異があることになります。

熱処理依頼をする場合は、 これを知っておかないと、思わぬトラブルになる場合もあるかもしれません。

例えば、丸棒の高周波焼入れ品などでは、焼入れした円筒表面を測りますから、特に硬い硬さを必要とするものが多いので問題ないとしても、このことを知っておいて、必要な場合は、指定硬さを調整したほうがいい場合もでてくるでしょう。

『硬さ補正』は、「試験機精度や硬さ試験片で得られた硬さの誤差を補正すること」で、熱処理品の形状による硬さ値の調整はしない・・・ということですので、覚えておくといいでしょう。

さらに、次のような(1)~(3)の注意しておいたほうがいい例を紹介します。

(1)ロックウェル硬さ計では、およそ10kgを超える品物の場合は、硬さ計の躯体強度からも測定は不適ということになっていますが、現実的には、 そのような大きなものでも「HRCの硬さ指定」があれば、測定はできますので、ロックウェル試験機で測定しています。

これは確かに、『ロックウェル硬さ計を用いたロックウェル硬さ値』 であることに変わりがありません。 私の知る限り、測定値が低く出る場合が多かったのですが、これも、試験機が保証しない重さの品物ですので、試験機によってどうなるのかがわかりません。

(2)品物の周辺部では、荷重が逃げるために正しい硬さが測定できていません。
一般的には、低めの硬さを示していますので、中心の硬さは高くなっていると考えていいでしょう。

製品に傷が残るのを恐れて、端部に近い位置で測るように指定したい・・・という場合もあると思います。

このような場合は、ロックウェルの測定台を大きなものにして測定するのですが、これも同様に、その測定値は「測定した部分の硬さ」が示されているだけで、 本体中央の硬さと同じであることは保証されていないことになります。

(3)ショアー硬さ計では、小さなものの測定には不向きで、小さい品物を測る考慮はされていません。この場合も、 指定された部位をショアー硬さ試験機で測った結果であるというだけのものです。

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その他にも硬さ値に関するいろいろな問題があります。加工者(測定者)側がこのような言い方をするのは、変なことかもしれませんが、これらには、非常に重要なポイントが含まれます。

たとえば、ロックウェル硬さ計で、「この部分を測定すること」と指示されている場合、その部位や指定が、本来の値を示していないということを検査者が感じても、それをどうするのかを検査者が判断するのは難しいことですので、この場合は、設計者や受注時に仕様を決める際の知識は非常に重要になります。

それを考慮できるか、理解しているか・・・などが製品品位に影響することにつながることを覚えておいても損がないでしょう。


(4)測定は標準作業化されています

あらかじめ、仕様を取り交わしたり、検査仕様を決めておくことは必要不可欠のことですが、 現実的には、リピート品であったり 、 形状を見て経験的に判断できる・・・ということで、事前に取り決めが行われない場合がほとんどです。

つまり、受発注の際の硬さ値(硬さ範囲)が明示されておれば、それ以外は、熱処理のプロに「おまかせ」になっているのがほとんどです。

これは、お互いが信用しているということですが、事前に仕様を取決めないことでの問題が皆無であるとは言えません。

たとえば、熱処理する側は、「測定できる位置で検査する」「指定の試験機が使用できない場合は、他の試験機を用いて 『硬さの換算』をして判定する」ということは自明のことと考えていますし、反対に、依頼する側は、「使用面は検査痕を残してはいけないので、 目立たないところで測定するのは当然」「HRCという硬さ指定をしているので、当然、それで測ってもらえるはず」と いうように、それぞれが都合のよいように考えているかもしれません。

このようなことでクレームが発生すれば大変です。

繰り返しになりますが、やはり、不具合発生を未然に防ぐためには、事前の仕様確認が大切ですし、特に、設計者は、ある程度硬さというものを知っておく必要があるでしょう。

「硬さ換算」についても、注意しなくてはいけません。

本来は、 事前に検査内容を打合せしてあればそれにそって作業をしますが、打ち合わせた取り決めがない場合は、①測定しやすい試験機を用いて、②硬さ換算表を使用して換算します。

検査に使った試験機は検査成績書などに表示してわかるようにされているのですが、気が付かない方も多いようですので、必要な場合は確認するようにしましょう。

ほとんどのお客様は、 硬さについては熱処理加工者側を信頼していただいているか、または、それを意識していないかのどちらかですので、何も打合せがなければ、 慣例的に換算表によって要求する硬さで表示するのが通例となっています。

しかし、これによる問題がないわけではありません。

上に示したように、大きな品物になると、HRCの重量制限のためにHSで測定します。 この場合に、もし、それを無理にHRCで測定すると、硬さ換算表の値とは違った値になってしまうのですが、こうなると、どちらの硬さが正しいのかということもわからなくなります。

これらを理解いただけるように説明するのは、大変難しいことですので、紹介にとどめます。

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(5)検査のやりかた

通常の熱処理品の最終検査は、全数検査ではなく、ほとんどは、抜き取り検査が一般的で、長尺の製品では、製品の一部を採取して検査する場合もあります。

製品の熱処理状態について、ISO9001などの品質規定を取得している工場では、定期的に加熱炉の温度精度や冷却時の硬さのばらつきなどを試験して、一定の製品保証がされているのですが、検査値が必要な場合は、検査方法を事前に打ち合わせておくといいでしょう。

製品をグラインダーで削るなどの加工の可否や、測定する試験機なども、打ち合わせしておくと安心ですね。

また、検査個数についても、通常の熱処理検査は、「検査」ではなく、工程確認の意味合いが強いので、同一鋼種でよく似た形状のものについてなどは、 さらに抜き取り個数を減らして検査をするのが普通です。

これは、検査手間を減らすと同時に、できるだけ多くの製品に検査痕をつけないことや製品を無駄にしないためですが、検査個数がすくない・・・と不安に考える人も多いでしょう。

しかし、逆に、検査個数を増やしても、測定値の不確かさが増加しますので、 検査精度が必ずしも向上するとは限りません。

これが不安なら、事前に協議しておく必要があります。

そして、検査時の圧痕や測定部分が残ってはいけない場合には、テストピース(別に準備した測定用の試験片)を同時に熱処理して、それを検査して代用することや、まったく硬さ検査をしない場合もあります。

硬さ検査をしない場合には、温度記録や工程記録で処理内容を保証することになります。

(6)測る人の技量が重要

通常の熱処理完了後に行う硬さ検査は、硬さ測定や判定のためだけでなく、目的の熱処理が正しく行われているかどうかの確認をする作業と考えるのが適切かもしれません。

これは、「検査」という意味合いとは異なるかもしれませんが、熱処理では、工程の管理が重要で、そのためには、試験機の管理だけではなく、検査者が正しい硬さ測定の方法知識を習得しており、測定技能を持っているかどうかや、 鋼材や熱処理の知識があるかどうかも品質を保証するのに必要とされています。

たとえば、鋼種によっては、焼入れ性の影響で、表面の硬さむらが出やすいものがあることや、表層が脱炭するなど、目に見えない変質が発生している場合に、それを発見したり、対処するためには、検査に対する知識以外の関連知識が求められます。

つまり、人的要素も関係するので、JISやISOの認証工場では、検査作業者の技能を認定して、一定の技量を携えた人が 検査するような仕組みを作っており、これで硬さ全般を保証していることになっています。

 
熱処理コラムこわい硬さの話

硬さを過信するのは「こわい」という内容の話を2つ紹介しておきましょう。

【一つ目】 硬さだけで品質判断は危険で、指定の硬さに入れる方法は幾通りもある・・・という話です。

最良の熱処理条件は「1つ」のはずです。しかし、焼入れ温度が少々高くても低くても、焼入れ硬さが不十分でも、焼戻しの際に目的の硬さに調節できてしまう怖さがあります。

品質に対する目的があって、事前に計画して、標準的な温度からその品物用に温度を変えるのはいいのですが、焼入れ温度がどうであっても、焼戻しによって、硬さを簡単に合わせることができてしまいますので、ある意味で、硬さが指定値になっておれば「合格」というものではありません。

寿命が極端に短くなったとクレームを付けても、調査しても、多分、「通常品質」として片付けられるだけですので、これは、しっかりした熱処理業者を選んで、その会社や人を信頼するしかないのでしょう。

【二つ目】 測定したところの硬さは正しい。しかし・・・という話です。

硬さは検査しますので、測定した値は信頼できます。 しかし、例えばロックウェル硬さであれば、測定できる部位は「重心で安定した平面」しかありません。だから、その部分の硬さは正しいだけで、切刃面や内部はどうなっているのか、わかりません。

焼戻しのページで説明していますが、焼戻し硬さは温度と時間の関数(焼戻しパラメータの話)ですので、特に、高温の焼戻しでは、とんがった先端の硬さは胴部よりも長時間、その温度にさらされているために、(その部分の硬さは測定は難しくて調べることができないのですが)硬さが低下している可能性があります。 (測定したとしても、形状的に、低い硬さが出ます)また、品物内部の硬さも測定部位と差がある可能性は高いのです。これらは、品物を切断するなどの、特殊な測定をしないとわかりません。

それならどうすればいいのか?・・・ということになるのですが、基本的には、事前に打ち合わせして問題が出ないようにする・・・ということになりますが、変な話、そこまで制約を受けた熱処理品になると、かなり費用を出さないと、受けてもらえない可能性もでてきます。

ISO9001を取得していると、このようなことに関して、「妥当性の確認」が求められます。要するに、それらの問題に対策して確認する方法を決めるか、あらかじめ他の方法で確認しておきなさい・・・ということになっていますので、最終的には、信じてもらうしかないのかもしれません。

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硬さと機械的性質

機械的性質とは、 品物に外力を受けた場合の抵抗力・耐久力などを言い、引っ張り強さ、圧縮強さ、衝撃強さ・・・などをさしますが、鋼材メーカーやJISに基づく熱処理データーに、硬さと機械的性質の関係についてのいろいろ試験やデータがあるために、「硬さを測れば、およその機械的性質 がわかる」という利点があり、非常に便利になっています。(特定鋼種以外の鋼種のデータはまだまだ少ないですが・・・)

硬さの測定にかかる費用は、他の材料試験に比べて安価です。 そして、測定痕が残りますが、仕上代(取りしろ)をつけておくだけで、製品でキズが残ることはありません。 また、非破壊検査ですので、テストピースを作らなくても 、 直接品物を測定できるという点が非常に優れています。

もしも、何かの機械試験するとなると、試験片を作るのにも費用がかかりますし、どのように試験片を採取して機械試験をするのか・・・などの検討も必要です。

また、機械試験のほとんどは破壊試験ですし再現性もないので、それからすると、硬さ試験の優位性は抜群と言えます。

硬さ値から引張り強さを推定することについては、経験的にも、かなり信頼性が高いものです。 (これは試験値をもとに換算表が 作られているので、当然なことですが・・・)

しかし、残念ながら、換算表には、硬さと引張試験値以外の換算値はありませんので、おおよその予想や推定ができるとはいえ、 部品寿命に影響するとされる「耐力」や「衝撃値」などの値を知りたい場合は、やはり個々に機械試験をしなければなりません。


硬さの相互間の関係:「硬さ換算表」

硬さ換算表は非常に便利なものですが、JIS規格としての規定はありません。

熱処理品の検査は、指定された試験機を用いるのが原則で、指定する側(お客さん側)が、硬さの理解度が低いのは仕方がないこともあって、適切な硬さ指定がされない例も多いので、適切な試験機での測定値を要求されるものに変える「硬さ換算表」は、取引上においても非常に重要なのです。 そうはいうものの、JISで規定することに問題があるのか、JIS規格化されていません。

現実には、硬さ換算の必要性は高く、商取引では常時行われていて、 JISのハンドブックには、アメリカのSAE-J-417の 「硬さ換算表」が掲載されていて、同じようなその他の換算表もあります。 

私も、SAEの換算表の曖昧な点があるので、HRC-HSなど、よく使う硬さについて、より細かい換算ができる換算表を作って、実際に問題なく使用しています。(→こちらのページで紹介)

もっとも、日本国内でも、古くから「カタサ研究会」などで硬さの研究がなされ、換算表についても「各種測定法による硬さの換算表に関する研究委員会」 で規格化の検討が行われていて、ほとんど、SAEのものとの違いはありませんから、使うことでの問題はありませんが、これらは「実験値」なので、使用するには一応の制限・適用条件が書いてあります。

また、この硬さ換算表に限らず、換算表の作成では、いろいろな硬さ測定データーを集めてそれを近似・補間して作成されますので、 数値の丸め方などで、基準になる硬さの取り方で、表の数値も違っています。

→硬さ換算表はこちらのページで説明しています。


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