熱処理時の変形

   

熱処理中の変形は、熱によるものと変態による寸法変化が合わさったものと言えます。


熱処理中の寸法変化例

この図は、共析鋼(炭素量が約0.8%の鋼)の、温度に伴う長さ変化を示す例です。

加熱するにしたがって、熱膨張していますが、800℃付近の高温域では加熱時の変態による寸法変化が見られます。

また、最高温度のD点に達した後の冷却では、熱収縮と、変態に伴う変化が見られます。

(a)→(d)と、焼入時の冷却速度を速くした場合には、熱収縮とは異なる変態による寸法変化が見られます。

つまり、加熱の段階では、右上の700℃あたりまでは、熱膨張によって、温度が上がるにつれて寸法が伸びていています。
これが熱による変形が生じる要因です。

その後の加熱途中に、昇温中ではB点に、冷却中にはC点に達すると、直線性に変化が見られます。これは、変態(相変化・組織変化)が生じているためです。

(a)のように冷却速度が遅いと、常温に戻った時と同じ長さに戻っており、寸法変化はありません。

しかし、(c)(d)と冷却速度が速くなってくると、長さが変化したまま、もとの寸法に戻らないという様子がわかります。
これは、変態による寸法変化がおこっているということです。

このように、冷却速度によって、寸法変化の程度が変わっています。
つまり、熱処理時の加熱冷却では、熱による膨張収縮と変態による変化が生じており、通常の品物では、それは3次元的な変化ですので、かなり複雑な変形が発生する可能性があることがわかります。


熱処理での変形の原因は、①熱に伴う膨張収縮と、②変態時の組織変化に伴う膨張収縮の両方が関係します。
ここでは、前者を「熱による変形」、 後者を「変態による変形 」と呼んでいます。

これ以外の変形に及ぼす要因には、機械加工時の加工による残留応力や 鋼材の成分などの不均一さ、焼なましなどの熱処理不良などが、特にその後の焼入れ加熱の時に重なって影響します。

焼入れによって鋼が硬くなる場合は、マルテンサイトという組織が生じますが、これは、マルテンサイトが生じる冷却速度で冷却しなければなりません。

(上のグラフの「G」点は、「Ms点(マルテンサイト変態が生じ始める温度)」に対応しています)

共析鋼の熱処理全行程での長さ変化

この図は、同じ共析鋼の焼入れ・焼戻し過程を合わせて示したもので、上のグラフにあった(d)の焼入れ状態に加えて、H→Oに、焼戻ししたときの長さの変化をあわせて示したものです。

(このグラフは、あたかも、熱処理を繰り返すと、再現性があるようにしめされていますが、そうではなく、600℃の焼戻し以降は、再現性がないのが一般的ですので注意ください)

このH→Oの長さ変化は、焼戻し時の組織変化で、(文献中には説明されていませんが)焼戻しマルテンサイトへの変化(J-K)、残留オーステナイトの分解(L-M)、ソルバイトの生成(N-O)などと寸法変化が対応しています。

このように、焼入れの加熱、冷却、焼戻しの過程で、熱による変形だけでなく、組織変化が加わることによって、非常にいろいろな変形の要素があることがわかります。



焼入れ加熱中の熱による変形

加熱中の品物は熱によって膨張します。
一般的な鋼は平均的に0.000011程度の線膨張係数で、成分や組織の状態によって温度域によって少しだけ変わりますが、この数字を頭に入れておくと良いでしょう。体膨張係数はその3倍です。

例えば、0.5mの鋼製の品物を30℃から300℃に加熱すると、500(mm)x270(℃)x0.000011≒1.5(mm) 程度伸びるのですから、意外と大きい数字と言えます。

ただ、上図からわかるように、 変態する温度以下の加熱冷却では、ごくゆっくり加熱冷却して品物の各部に温度差がないようにすれば、変寸は生じますが、変形はおさえられる・・・ということになります。

しかし、現実的には、品物全体を温度差がない状態に加熱冷却するのは難しいので、変形は生じます。

それは非常に大きな力であるので、弾性変形域を超えて塑性変形してしまえば、品物の変形は残ってしまうことになります。

この、熱による変形を少なくする方法は、できるだけゆっくりと加熱することですが、そのために、目的温度まで一気に加熱するのではなく、適当な温度にいったん保持する「予熱」をすることで、ある程度の対策ができる場合があります。
予熱パターン

ただし、冷却の場合は、焼入れの効果(例えば、硬さ)などが変わりますので、簡単に説明するのは難しくて、変形を押さえるのは難しいのですが、恒温処理をすることで品物の内外の温度差を少なくしたり、冷却制御をすることで、均一に冷やすようにするなどの方法で、変形を少なくできる可能性もあります。

予熱

予熱は、ある温度で品物を保持して、品物内外の温度を一定にする操作です。

加熱の際に「熱」は表面から内部に熱が移動します。
このために、 特に凸部や角部は、凹部や隅部に比べて昇温しやすいことから、大きな品物や形状の不均一な品物の変形を防ぐためには、ゆっくり加熱したり、予熱段階を入れることは効果的な方法です。

しかし反面、これらは、熱処理時間長くなり、不経済になります。


鋼の焼入れにおける予熱温度の第一候補は、730℃付近のA1変態点と呼ばれる温度を基本に考えます。

その前後の温度で品物を均一な温度にすることで、熱膨張に伴う変形を軽減しようという考え方です。

もちろん、変態点以下と変態点以上のそれぞれで温度を保持したり、保持する温度段階を多くするほうがいいのですが、時間が長くかかってしまうので、実際には、750℃~800℃程度だけの予熱を採用することが多いようです。
これを「1段の予熱」といい、階段に例えた言い方をする場合があります。

変態点の通過

A1変態点は、 鋼の結晶構造が体心立方晶から面心立方晶のオーステナイトという状態になる温度で、その温度は、昇温速度が速いと平衡状態図などに書かれた温度よりも高温側に移行します。

さらに、品物の形状が複雑であったり、大きかったりすると、各部の温度差が加わって、変態点にかかる時点のタイミングが異なってくるので、それが変形の要因になります。そのために、温度を一定に保つための予熱は重要です。

防止対策

加熱中の鋼は、高温になるにつれて軟らかくなり、品物の持っている強度(硬さ)が低くなっていき、応力が解放されやすくなりますので、加熱中に変形を生じるような負荷を与えないようにするのも変形を押さえる有効な手段になります。

変形を少なくするためには、外力や自重で変形しないように、加熱炉にセットする時に、品物をまっすぐにたてて保持したり、吊り下げたり、変形を拘束したり、 当てがねをしたり、炉などへの装入のしかたを工夫する・・・などの、変形の予防・矯正の処置がとられます。

その他に、 極端に熱源に近づけないことなどの操業中の配慮も必要です。


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焼入れ時の変態による変形

熱による変形のほかに、熱処理では、変態時の変形も重要です。
加熱中にオーステナイトになるときに変態によって体積が減少し、品物の焼入れ冷却時には、オーステナイトが焼入れによってマルテンサイトに変化するときに体積が膨張します。
さらに、温度勾配が大きいと、 熱による変形が加わりますので、断面形状が非対称のものでは、さらに変形動向は複雑になります。

対策

焼入れによって生じるマルテンサイトは、温度の降下とともにその量を増しますので、Ms点に近い温度域において、 各部位を均一保ちながら冷却することが変形を少なくする要素の一つと言えます。

焼入れ時の冷却過程は、(書籍などでは)単純に「連続冷却」を前提にして説明されることが多いのですが、現実的には品物内でも不均一な温度になっています。

このために、熱処理変形の対策としては、特に、 Ms点付近(焼きが入り始める温度付近)の温度降下を調節して変形を少なくする操作をします。

この方法には、例えば、油冷などでは冷却途中で引き揚げて冷却速度を調節したり、冷却剤の温度を調節したり、冷却性能を調節した冷却剤を使う・・・などの方法があります。


変形は、焼入れによって生成したマルテンサイトと、変態しない残留オーステナイトの割合にも関係します。

また、高合金鋼では、冷却速度が遅いと残留オーステナイトが増える傾向があります。
このための対策として、マルクエンチ(ソルトバスなどの恒温槽を用いて、マルテンサイト変態温度直上で品物の温度を均一にしてから焼入れ変態させる方法)などを行うこともありますが、かえって、変形が増加するというデータもあります。
このように、変形の予測や対策は簡単ではありません。


冷却時における変形を抑制するための方法として、金型(治具)で品物を拘束して焼入れすることで変形をおさえる方法があります。 これは大きな治具を用いて品物を挟み込むなどの、「プレスクエンチ」「金型焼入れ」などと呼ばれる方法があります。

その他には、変形は焼入れ時に発生しやすいので、曲りの方向を予測してあらかじめ逆方向に変形させたものを焼入れる場合もあります。
しかし、 このような方法は経験と熟練を要しますし、定常的に処理される品物以外では、この対策は取りにくいものです。


速く冷やしたら割れる?・・・

そんなことはありません。
「焼割れ(焼き割れ)」は熱処理業者にとっても、お客様側にとっても困りものです。

昭和の年代には、温度不良、冷却むら、材料不良・・・など、 材料と熱処理に起因する焼割れもしばしば見られたのですが、近年では、材料品質が向上し、熱処理機器の管理精度の向上や熱処理の標準化などによって、 焼割れはほとんど発生しなくなりました。

焼割れは、急激な冷却が必要な低合金鋼に生じる場合と、ゆっくり冷却しても焼の入る高合金鋼に分けて考える必要がありますが、割れ起点の引張応力が原因で起きるというのが基本的な見方です。

前者の冷却要因では、隅部などの冷却が遅い部分で割れが生ずることが多く、早く冷やすと割れる・・・という言い方は、ほとんど正しくありません。
むしろ、当社では、油焼入れしなくてもいい鋼種や大型の品物は、機械的性質を高めるために油冷して冷却速度を上げることも多いのです。
また、後者の焼入れ性の高い鋼種の焼割れでは、熱処理変寸などの形状的影響を受けるところが割れの起点になりますので、これも、熱処理における問題よりも、設計的な要素が強いといえます。
極端な話ですが、空冷によって焼きが入るSKD11を、液体窒素や水で冷やしても単純な形状では割れることはありません。(品物が大きくなると、その他の要因で、焼き割れ対策が必要です)

大きな品物などでは、冷却を早めることによって、焼入れ組織が良くなり、寿命改善になって好ましいのですが、反対に、変形の問題が出てきます。

熱処理での曲りは、熱、変態、形状が関係し、それを少なくすることは、簡単ではありません。
曲り対策は今後の熱処理にとってもつきまとうことなのですが、品物の多くが焼入れ性の良い材料に変わって、急冷する必要性がない鋼種に変わってきていますので、その点では改善されてきています。


お客様要望は、熱処理品質で寿命を改善すること以上に、曲り(歪 ・変寸)を出さないようにすることを重視されるという傾向があるのは事実です。

このために、 均一冷却をする必要から、あえて冷却を遅くするという操作を行わなければならない場合があります。
もちろん、これは邪道で、熱処理組織などにはよくないことです。
しかし、これをわかっていながら、お客さんの第一要求が「曲りを少なく」であれば、「品質は構わない」という熱処理になってしまうおそれがあります。
こういう矛盾を含む問題については、熱処理従事者としては頭の痛いことです。

以上、思いつくままに、こんなこともある・・・という内容を紹介しました。


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焼戻し時の変形

焼戻しの際にも組織変化と熱によって応力解放が進行します。
もちろん、その組織変化に伴う変形と、加熱中の熱膨張の影響を受けます。

変形することによって、「品物の応力は均一化される方向になっている」といえますので、それを無理に拘束すれば偏った応力が残ることになり、品物が割れてしまうこともあります。
特に、引張り残留応力は品物の破壊につながりますので、注意する必要があります。

高合金鋼では、500℃以上で再硬化する鋼種が多々ありますので、低合金鋼とは別のことを考えておかないとなりません。

この500℃以上で再硬化することを「2次硬化」と言います。
500℃以上の温度で焼戻しすると、炭化物の析出によって 硬さが増加し、一般的には、体積が膨張しますので、これによる変形が生じる場合があります。

SKS3の変寸 日立金属SLDの変寸

上図の左は比較的低合金の「SKS3」、右は高合金鋼の「SKD11(日立金属のSLD)」の「焼戻し温度と変形率」の関係を示した一例です。
焼戻し温度によって、寸法が変化することが示されています。

これは小さな品物の変寸率の例で、実際の変寸率は、品物の大きさだけでなく、メーカーによる違いもあって、とらえるのが非常に難しい状況にあります。

しかし、温度に対する変形傾向や材料に方向性がある様子などは、このグラフが非常に参考になります。


寸法変化(変寸)のとらえ方の難しさ

工具鋼では、鋼材メーカーのカタログなどに、焼戻し温度と変寸率などが公表されているものは少ない状況です。

日立金属のカタログにあるSLDの変寸測定例では、変寸率が+0.1%だとすると、1mの品物は1mm伸びることになります。

もしも、品物の硬さの許容範囲が広ければ、若干の寸法調整ができることがグラフからわかります。
しかし、硬さを変えるのは無理な場合は、生じてしまった変寸(寸法変化)は、熱処理の温度操作では解決できないことになります。

当社などで扱う、長さ3mを超える長尺の品物では、その変寸量が0.1%違えば、3mmという大きな数字になりますので、このような品物は、あらかじめ寸法修正しておかないと、 熱処理前に正確に仕上げたものでも、熱処理すると一般寸法公差を外れてしまうことになります。

しばしば、熱処理依頼のお客さんで、「どれくらい寸法変化しますか?」という問い合わせをいただくことがあります。

それに対しては、 冗談に思えるかもしれませんが、初めて熱処理する品物では「変寸の傾向は分かりますが、どうなるかは、『焼いてみないと分からない』としか答えられないほど難しいのが現状です。

当面の対策は、仕上げ代をつけておいて、熱処理後に仕上げ加工をすることになります。


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変形の除去

変形は、「曲がり」、「歪み」などとも称されています。
それを矯正(曲がりの除去)する操作は、「曲り取り」「ひずみ取り」「矯正」などと呼ばれています。

矯正作業は、終始「冷間」で行う場合や、熱を併用して行う場合があります。
熱を加えることによって、鋼のじん性が付加されたり、硬さが下がることによって折損などに対する安全性が高まりますし、焼戻し時の組織変を利用出来るという利点があります。

「ひずみとり」という言い方は、変形の除去以外に、「内部の偏応力の除去」という意味で用いられることがあります。
この場合の熱処理は、「低温焼なまし」「応力除去焼なまし」ということになります。

【矯正の方法】 
硬さの低いものについては、油圧プレスやフリクションプレスなどで冷間で「プレス」したり、単ロールや多ロールなどを用いて、外力を加えて曲りを矯正します。
しかし、おおむね、外力による矯正は、30HRC程度以下の範囲以下の場合だけで、 それ以上の硬さになると、機械的に外力を加えるのは危険が伴います。

そのために、それ以上の硬さの品物は、加熱冷却時の熱応力を利用する方法や、焼戻し時の組織変化を利用して熱処理をしながら力を加えて矯正する方法や、 焼入れ冷却中に、Ms点にかかるまでの、焼きが入っていないタイミングを利用して、プレス矯正をする方法などが行われています。

焼戻し時の矯正は、通常、工具鋼などの硬い鋼では、1回目の焼戻し時に行うことが効果的です。
温度を上げながら、治具などを利用して拘束する方法がとられます。

焼戻しを併用して行われる矯正は、焼戻し過程での組織変化と硬さ変化をうまく利用するものですので、2回目以降の焼戻しでは、焼戻し温度をより高温にしないと効果が出ません。

また、いずれにしても、外力を加えて矯正しますので、その応力が残存して、その後の加工時に、それが「悪さ」をすることがあります。
そのために、焼戻し温度以下の「応力除去焼なまし」を付加する場合があります。

これらは、すべて、余分な費用が掛かります。そして、矯正や応力除去が確実であるかどうかも、その時にはわからない場合も往々にしてあります。
さらに、これらの処理をすれば完璧に曲がりのない状態になるかと言うと、それも保証できません。 

【古くから行われている方法】 
その他の方法として、冷間あるいは温間で、タガネやハンマーなどで品物に圧痕をつけることで局部応力を発生させて曲りをとる方法が古くからおこなわれています。
しかしこの作業は、誰にでもできるという方法ではなく、割れなどのリスクも大きく、仕上げしろとの兼ね合いが出てきますので、一般の熱処理品にはお勧めできるものではありません。

【プレステンパー】 
矯正作業で、焼戻しする時に、治具などで品物を拘束して変形を除去する方法は「プレステンパー」と称される場合があります。

また、焼入れ過程での変形をさせないようにするために、赤熱した鋼の状態で、品物を治具などで拘束して焼入れをする方法があります。
これは、「プレスクエンチ」と言われます。

これらを含めて、いずれの矯正作業も経験が必要な作業ですし、治具なども品物以上に大型になることもあり、手間と費用の掛かる作業です。


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時効変形(経年変化)

品物を熱処理してから、かなりの時間を経過しながら、変化や変寸が生じることがあります。
これは時効変形経年変化と呼ばれます。

品物が温度や時間によって変形する理由には、内部の応力が均一化する方向に進んでいくことや、組織が変化していくことが考えられます。

鋳物などでは、鋳込み時に生じた内部の偏応力は避けられないために、温度を上げて応力を解放したり、品物を長時間にわたって屋外で放置する 「枯らし」を行なったあとに最終の加工をして製品に仕上げます。
鋼の場合でも、熱処理による残留応力の不均衡や残留オーステナイトが多いと、時間がたってから変形による寸法狂いや破損が生じる場合があります。
それを防ぐために、温度を加える焼戻し(または、応力除去焼なまし)や、残留オーステナイトを低減するための 「サブゼロ処理」で経年変化を低減する方法がとられます。

【サブゼロ処理】
サブゼロ処理は、0℃以下に品物を冷やす処理をいいます。
常温で焼入れ(オーステナイトからの変態)が完結しない場合に、炭酸ガスやドライアイスなどを用いて低温に品物を冷やすことで、残留オーステナイトを少なくする目的で行われるものです。

焼入れ時にマルテンサイトなどに変化しなかった部分(残留オーステナイトといいます)は、不安定な組織で、そのオーステナイトは時間が経つと、マルテンサイトなどに変化することがあったり、マルテンサイトは時間が経つと、炭化物を析出するなどで、より安定な状態になろうとする傾向があります。

このため、時間が経過すると、それらの変化が進行しますが、それに伴って体積変化が生じるために変形するという現象が現れます。
これが経年変化です。

焼入れ・焼戻しは、硬さを高くして内部応力を高める処理といえます。
また、特に冷間工具鋼などで高い硬さに熱処理する場合には、 残留オーステナイトを皆無にすることは困難です。
こういうことから、焼入れした品物の経年変化をなくすることは容易でありません。

書籍などにもしばしば、「サブゼロ処理によって残留オーステナイトを無くす」という表現を見かけます。しかし、そう言い切るのは問題があります。

例えば、SKD11などは、 焼入れ時には20%以上の残留オーステナイトがあります。
これをなくそうと、当社でいろいろな方法でサブゼロ処理を含む熱処理試験をしたことがありますが、結局、それを5%以下に低減できませんでした。
残留オーステナイト量が多い鋼種は、それを低減することはできないとなると、経年変化を抑えることは難しいと言えます。

(焼入れ温度を高くしないことやマルテンサイト変態を促進する方法で、残留オーステナイトを「多くしない」方法はありますが、完全に無くする方法は見つかりませんでした)

言い換えれば、経年変化を嫌うゲージ類などにSKD11を使うと、サブゼロ処理をしても残留オーステナイトがゼロになる保証はありませんので、 このような鋼種を使うことは適当ではないと言えます。

ちなみに、SKD11は560℃程度の高温焼戻しによって、ほぼ消失しますが、55HRC以下の硬さになってしまいますので、硬さがほしいのなら、560℃の焼戻しで60HRCになるDC53などの8%Cr系の材料などのほうがいいということになります。


焼割れ・焼戻し割れ

熱処理過程での偏応力が大きくなりすぎると、それを均衡させようとして、品物が変形します。
しかし、それによっても応力を均一にできないと、ついには、割れてしまう場合があります。

通常の割れは、引張り応力が大きくなって、材料の持つ能力を超えた時に発生すると説明されますが、一般的に言えば、引張り応力が集中する部分で、かつ、材料強度の弱い部分で発生します。

熱処理は、組織変化や応力変化をさせるのが目的ですが、その応力や応力の集中によって、材料の持つ強度を上回ったときには、焼割れが生じるか、割れないまでも変形することで焼割れを免れる状態になります。

つまり、熱処理(特に焼入れ)においては、割れ・変形の危険性はいつも内在することになります。

焼戻し段階までに品物が割れてしまったり、クラックが生じることを「焼割れ」、焼戻し過程で生じたものを「焼戻し割れ」と言っていますが、熱処理過程中に割れたものすべてを「焼割れ」という場合もあります。

焼割れが生じると、ほとんどの場合は、品物として使用できなくなってしまいます。

近年、工具や機械部品類では、焼入れ性の高い鋼種を使った品物を扱うことが多くなっており、急冷しなくても硬さが出ますし、材料自体の品位もよくなっていますので、焼割れの件数は激減しています。
しかし、それでも、熱処理中の焼き割れは発生します。

焼割れが発生してしまった場合には、その原因を突き止めるために、外観的な判断や顕微鏡による調査など、品物を切断して大がかりな調査をすることもあります。

しかし、品物自体の調査によってその原因が推測できる場合もあるのですが、考えられる原因が材料や熱処理操作上のものであっても、形状や設計などの熱処理以外の要因や、それらが複合した場合も考えられるので、 調査によって不具合原因を特定するのは難しくて、責任の所在を決められない場合もたくさんあります。



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(来歴) H30.11.8 全文見直し。 H31.4.15 文章見直し