第一鋼業~熱処理はどのようにすればいいですか?

このページでは、工具鋼の技術資料についての見方を説明しています。

日立金属のSKD11相当品 SLDについて

SKD11は、冷間工具鋼の中では、いろいろな用途に幅広く使用されていて、入手も簡単で、価格もリーズナブルなことから、各製鋼メーカーからも販売されており、 色々なサイズが流通しており、使いやすい鋼種の一つとなっています。

JIS鋼種のSKD11は、大同特殊鋼DC11 日立金属SLD 山陽特殊製鋼QC11 日本高周波鋼業KD11 ・・・ というように、特殊鋼メーカーでは各社ブランド名で販売されて流通しています。

JIS規格の趣旨からいうと、生産者の品質はJISを超えたものになっていますので、SKD11と言わずに、それぞれのメーカー名で呼称するのが適当でしょう。

また、この成分系は世界の標準的なものとなっていて、アメリカでは「D2」という名称で、また、その他大手外国メーカーのほとんどが、この類似鋼種を製造販売しているという、冷間工具鋼の代表鋼種と言えるでしょう。

当社でも、SLDを50年以上にわたって取り扱っていて、関連する技術資料も豊富です。

そして、この鋼種を基本にその他の材料の特性を比較する場合が多いので、やはり中心的な鋼種と言えますので、そのためには、ここでは、SLDの技術資料を用いてその内容を紹介します。


焼入れ特性

SLD焼入れ特性

このグラフは、焼入れ温度と硬さの関係が示されています。

SLDに限らず、すべての焼入れして硬化する鋼種は、このグラフのように焼入れ温度を変えて硬さを測定すると、上記のお椀を伏せたような形になります。

カタログには、空冷(A.C)で、1000-1050℃が適正焼入れ温度と表示されていますが、 このグラフを見ると、1025℃で最高硬さが出ていますので、その手前の温度で焼入れするのがいいといえます。

油冷の場合は、さらに低めの温度が適正焼入れ温度だということが読み取れます。

この顕微鏡写真は、オーステナイト化(焼入れのための昇温)において、適正温度範囲を低温側にはずれると、 合金元素の溶け込み不足のために硬さの低下があり、 また、高温側にはずれると、結晶粒の粗大化や残留オーステナイトの増加のためにいずれも硬さが低くなる ・・・というように説明されています。

SLDの焼入れ組織

適正温度に対して、低温での焼入れは、共析炭化物が充分に素地(マトリックス)に溶け込んでいない状態になり、適正温度を外れて高温で焼入れすると、結晶粒界が顕著になり、 結晶粒も増大している様子がこの顕微鏡写真で示されています。

このカタログでは示されていませんが、一般的に、焼入れ温度の過度の上昇によって衝撃値は減少しますので、必要以上に焼入れ温度を上げることは避けるべきでしょう。
(ここで、白く見えるのは共析炭化物で、熱処理温度でそれが変化するものではありません。)

焼入れ温度の選定については、「じん性が必要な場合は適正温度内の低目の温度を採用し、耐摩耗性が必要な場合には高めの温度を採用する・・・」というように、 目標温度の目安が説明されていることが多いようです。

しかし、必要な硬さが確保できるのであれば、あえて高めの温度を取る必要はなく、むしろ、加熱設備の温度分布などを考慮すると、 低目の焼入れ温度を取ることが望ましいと考えていいでしょう。

そして、もちろん、適正焼入れ温度範囲を超えないようにしないといけません。

焼入れ温度が高くなれば、残留オーステナイトが増えるすぎて、 焼入れ硬さの低下が起きますし、製品になった時に、経年変化による変形や使用中での問題が生じる可能性も出てきます。

機械的性質に対する影響は、焼入れ温度だけでなく、加熱時間、冷却方法なども、関係します。

(注)この写真は、カタログをコピーしていますので、原本は400倍ですが、倍率等は不詳です。また、このページの図表等は、 日立金属カタログHY-86-cのものを説明のために使用させていただいていますので、転載しないようにお願いします。


焼戻し硬さ曲線

SLDの熱処理曲線例

SLDの焼入れ温度を変えて、空冷で焼き入れた後、各温度で焼戻しした硬さが示されています。これを「熱処理曲線」ということもあります。

500℃付近で2次硬化と呼ばれる硬さの上昇がみられます。

このグラフを作成するにあたって、日立金属では、2次硬化後の温度については2回焼戻しで、それ以下の温度では、1回焼戻しした時の硬さが示されているようで、 保持時間は1時間程度と考えていいでしょう。

これらの焼入れ焼き戻しに使用される試験片は、15mm丸程度の小さなものです。

冷間用の工具は、多くの場合には、60HRC以上の硬い硬さで使用する場合がほとんどですので、通常は、200℃前後の焼戻しで使用します。

しかし、57HRC以下の硬さに指定の場合は、500℃以上の焼戻しをすることになります。

前者の200℃程度の焼戻しを「低温焼戻し」、後者を「高温焼戻し」と呼ぶ場合があります。



残留オーステナイト

SLDの残留オーステナイトと硬さ例 残留オーステナイトの焼戻し変化例

上図左は、焼入れ温度と残留オーステナイト量と焼入れ硬さの関係を示したものです。そして、上右図は、焼入れ温度を変えた試料を焼き戻ししたときの残留オーステナイト量の変化を示しています。

いずれも、適正温度範囲を超えて高い温度で焼入れすると、急激に残留オーステナイトが増えていることがわかりますので、適正焼入れ温度のところでは、 (結晶粒の増大についても書いていますが)最高焼入れ硬さを超える温度を使用しないようにすることは重要です。

ここで、左右の図を見ると、左の「油焼入れ」結果より、右側の残留オーステナイト量が多くなっています。

つまり、油冷のほうが、残留オーステナイトが少ない結果になっていることがわかります。

しかし、余談ですが、これは試験片での結果であって、焼入れ後に常温まで冷却した結果ですが、現実的な品物の熱処理においては、油冷であっても、油の温度まで冷やすことはまれですし、空冷であっても100℃以下まで温度を下げると焼割れの危険性が増大するために、途中で焼戻し作業に移行するので、このような結果になるとは限りません。

特に、Mf点が常温近くにある鋼種においては、 実際の品物では必ずしも油冷のほうが残留オーステナイトが少ないとは言えない場合も多々あります。

残留オーステナイトは400℃以上の焼戻しによって分解を始めますが、他の鋼種でもほぼ同様に、550℃程度以上でほとんど消失することが確認されています。

この残留オーステナイトの多少や可否については、色々な考え方があります。

それが軟らかいために、ショックアブソーバーとなってじん性値を高める効果があるいう考え方や、反対に、残留オーステナイトは不安定な組織で、それは少ないほうがいいとされる考え方があります。

ただし、前者の考え方でも、一昔前までは、一般的には、10%以上が残留するのは好ましくないという付帯意見も見受けられました。

しかし、SKD11系統の材料を使用する場合は、59HRC程度以上の硬さが必要ですので、通常は低温焼戻しされて使用します。

そのために、この結果にもあるように、普通の熱処理方法では、 焼入れ時点での残留オーステナイトを10%以下にすることはできないものも多いといえます。

そのためにここでは、①高めの焼入れ温度を避ける ②高温焼戻しで使用できるかを検討する  ③油冷やサブゼロなどによって、残留オーステナイトに対処する・・・ということにとどめます。(残留オーステナイトについて、こちらも参考に)

焼入れ温度については、一般的に言って、焼入れ温度が高くなるとオーステナイト結晶粒が大きくなって、最終的なじん性値が低くなることがわかっています。

このことからも、「焼入れ温度は高くしない」「焼入れ保持時間は必要以上に長くしない」「冷却速度を遅くしない」・・・などの熱処理における基本的な考え方はいずれの場合でも基本的なものです。


機械的性質

SLDのカタログの多くには、焼戻し温度に対する機械的性質について、引張特性、耐圧縮性、じん性、疲労強度、摩耗特性などが示されます。

また、物理的性質として、ヤング率、 熱膨張係数などの変化が示されている場合があります。

一般的に言って、引張強さ、圧縮強さは「硬さ」との相関があります。硬さが高くなると「強さ」が高くなります。

この両者は、力の加える向きを変えると同じ値と考えていいので、 焼戻し脆性などの特殊な問題点は別にして、多くの鋼種では、 硬さ換算表に掲載された近似値からその特性を考えればいいのですが、通常のカタログにはない、以下の関係があるので、むやみに硬さを上げることにも問題があることを知っておいてください。

  硬さと引張強さ

次に、じん性に関する項目を説明します。

SLDのじん性例 SLDのシャルピー値変化

上左は5mm丸x50mm長さの試験片による抗折試験結果で、上右は10Rシャルピー衝撃試験結果です。

ここでは、焼戻し温度が200-250℃程度での安定な焼戻しマルテンサイトの状態が、最もじん性面から良好であることが示されています。このことは、通常60HRC程度で熱処理されている状態が優れた状態であることがわかります。

約550℃以上の焼戻しをするとそれらが高くなっていきますが、これは、硬さが低くなってしまので、注意する必要があります。つまり、高温に焼き戻すほうがいいということを示すものではありません。

抗折試験における「破断荷重xたわみ」を、日立金属の他の資料では、吸収エネルギーとして表現されているものもあります。
こちらも参照ください。


半冷時間

SLDの半冷曲線

この図は、日立金属独自の焼入れ性の評価方法をしめした「半冷曲線」とよばれるものです。

これは、焼入れ温度と室温の中間温度になるまでの時間を「半冷時間」としています。

焼入れ温度が1000℃で室温が30℃とすると、(1000+30)÷2=515℃)までを空冷して、丸棒の中心硬さと直径の関係などが示されています。

その他の資料では、油冷のものも公開されています。

図でみると、硬さの低下し始める半冷時間は20分程度ですので、下側の棒径に対応させると、空冷では70mm程度の棒径で中心までは充分な硬さが出るというように読み取れます。

これによって、たとえば、中心部の硬さが低下しているような太い品物の中心硬さを推定することもできますし、このような半冷曲線が、 熱間工具鋼など他鋼種についても作成されていますので、鋼種間の焼入れ性の違いも見ることができるように考えられています。


摩耗試験

摩耗試験例 
左は、大越式迅速摩耗試験機でのテスト結果です。摩耗試験・耐摩耗性については、こちらも参考に。


熱処理変寸

熱処理変形例

ここでは、実際の圧延材から切り出したものを熱処理してその変寸率が示されています。

1方向の変寸率だけを見ると、小さい値のようですが、それでも、1mの0.1%は1mmですので、それが3次元的に寸法が変化すると、品物は大きく変形することになります。

これは、実測値の1例で、(こちらに変寸について示しています) 素材の状態を含めて、いろいろな要素が作用しており、熱処理の工程でそれをコントロールできる領域は限られているので、変寸・変形は非常に厄介なものといえます。

しかし、焼戻し温度を変えることによって、温度的な傾向の推移はこのようになりますので、変寸や変形の傾向をつかむためには非常に役に立つデータです。

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