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です。

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だと言えます。

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冷間工具鋼の代表鋼種と言えるでしょう。

当社では、SLDを50年以上にわたってたくさん使用しており、技術資料も豊富で、この鋼種を基本にその他の材料の特性を比較するなど、やはり中心的な鋼種と言えます。そのために、ここでは、SLDの技術資料で内容を紹介します。


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、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が、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。残留オーステナイトが増えるすぎて、 焼入れ硬さの低下や製品になった時の問題が生じます。

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。
(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焼戻し硬さ

各焼入れ温度から空冷して焼き入れた後、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」と呼ぶ人もいます。

500℃付近で2次硬化と呼ばれる硬さの上昇がみられますが、日立金属の場合は、2次硬化後の温度については2回焼戻しの、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。
冷間用の工具では、多くの場合は、60HRCなど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が、57HRC以下の硬さに指定の場合は、500℃以上の焼戻しをします。 前者を「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の焼入れ硬さと残留オーステナイト SLDの残留オーステナイト

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。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、現実的な品物の熱処理においては、たとえ油冷であっても、油の温度まで冷やすことはまれですので、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あります。

400℃以上の焼戻しによって、残留オーステナイトは分解しますが、他の鋼種でもほぼ同様に、550℃程度以上で消失することが確認されています。

残留オーステナイトの可否については、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と、反対に、残留オーステナイトは不安定な組織ですので、それが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ので、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ので、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。 「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となります。



機械的性質

カタログには、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、また、物理的性質で、ヤング率、 熱膨張係数などの変化が示されていますが、一般的に言って、引張強さ、圧縮強さと硬さには相関がありますので、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れをとらえるといいでしょう。

また、カタログにある疲労強度については、1000万サイクル時の疲労強度をみているようですが、これについては、じん性値の関係と同じように考えていいし、 ヤング率や熱膨張係数などの物理的な特性変化は、焼戻しに伴う組織的変化から来るのもので、熱処理のやり方の検討からは外れたものですので、これらの説明は割愛して、 ここでは、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、上右は10Rシャルピー衝撃試験結果です。
ここでは、2回の焼戻し(※注)の結果、焼戻し温度が200-250℃程度では、安定な焼戻しマルテンサイトの状態がじん性面から良好であることが示されています。
約550℃以上でそれらが高くなっていますが、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。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

左図は日立金属独自の焼入れ性の評価方法で、「半冷曲線」とよばれています。
ここでは、焼入れ温度と室温の中間温度までを空冷し た場合に、丸棒の中心硬さと直径の関係などが示されています。他の資料には、油冷のものも公開されています。
図中、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例ですが、こちらに変寸について示していますが、 素材の状態を含めて、いろいろな要素が作用して、熱処理でコントロールできる領域は限られており、変寸・変形は非常に厄介なものです。

しかし、焼戻し温度での傾向は、このようになりますので、傾向をつかむには良いデータです。

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(来歴) H30.11.8 全面見直し