第一鋼業~熱処理はどのようにすればいいですか?

熱処理時の変形

   

熱処理中の変形は、熱による膨張収縮と変態による寸法変化が合わさって生じます。

焼戻しによる変すん量変化例

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、(a)→(d)に、冷却速度を早くした時の長さの変化を示しています。


熱膨張・熱収縮による寸法変化

(a)の場合を見ると、加熱にともなって、A→Bに熱膨張していき、750℃付近で、加熱時にはB→Cに、冷却時にはE→Fに見られる変態による寸法変化が見られます。

これは、常温では体心立方晶であった結晶構造が、面心立方晶の「オーステナイト」になる時の状況を示しているのですが、加熱のときと同様に、冷却の場合でも、その逆の変態反応が生じていいます。

(a)は1時間あたり30℃以下というような、非常にゆっくりした冷却の場合の変化を示しており、これは、熱処理の種類として「完全焼なまし」のような操作で、常温まで冷却すると、ほぼ、元の寸法に回帰します。

(注)この図は、わかりやすいように、冷却速度の影響を表すように図示されていますが、オーステナイト温度より高い「D」点まで温度を上げると、結晶粒の増大などの影響で、常温になった時に、元の「A」寸法に戻らない場合も生じます。一般的には、加熱すれば、何らかの影響を受けるということは、常に意識しておくといいでしょう。

これは直線的な長さ変化を見たものですが、立体的な品物では、この寸法変化が「変形」となって現れます。

そして、実際の熱処理中(加熱冷却中)は、品物のどこでもが同じ温度になっていないために、熱膨張に差が生じて、複雑な変形が生じています。

変態による寸法変化

図中の「D」の焼入れ温度に達した後には、(a)→(d)と、焼入時の冷却速度を速くしていくと、熱収縮とは異なる変態による寸法変化が見られます。

これが「変態」に伴う寸法変化です。

(c)(d)のように冷却速度が早い状態は「焼入れ」操作の急冷の状態ですが、このように速い速度で常温まで冷却した場合には、元の寸法よりも長くなっていることがわかります。

(a)(b)は、あまり冷却速度が速くない場合ですが、これは、熱処理で言えば、「焼なまし(炉の中でゆっくり冷やす)」や「焼ならし(大気中に放冷する)」の操作を想定した冷却速度ですが、このように、焼入れのときに生じる変態がない場合は、2次元的には加熱後に常温に戻った時にはほぼ同じ長さに戻って寸法変化はほとんどありません。

しかし、実際の品物のように3次元的になると変形の様子が複雑になり、必ず元の形状に戻る可能性は少なくなります。

(c)(d)のように冷却速度が速くなってくると、熱膨張収縮と変態による寸法変化があわせておこっているということです。

(c)の冷却は、油冷の状態、(d)は水冷する状態をイメージするといいでしょう。


このように、熱処理での変形は、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あって、その影響は、焼入れ加熱の時に重なって変形に影響すると言えます。

冷却が早くなった場合を示す(c)(d)は焼入れによって「マルテンサイト」という組織が現れることによる体積変化で、このマルテンサイトが生じることで鋼が非常に硬くなります。

つまり、マルテンサイトが生じる早い冷却速度で冷却すれば、急激な熱変化とマルテンサイトの生成によって、変形量が多くなります。

(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)

焼戻しの操作で、さらに複雑に変化します

下の図は、先の図に焼なまし時の寸法変化を加えたものです。冷却速度が遅い「焼なまし」の場合と、冷却速度が大きい「焼入れ」の場合を想定した説明をします。

焼戻しによる変すん量変化例2
①ゆっくりと加熱冷却した場合

Aから加熱して、B点で「オーステナイト」に変態し、その後、D点の「焼入れ温度」まで加熱した後にゆっくり冷却すると、E→Fのように「オーステナイト」から「パーライト」という組織に変態します。

そしてその後は熱収縮をしながらA点に戻ります。

再度加熱すると同じような経過をたどリます。しかし、冷却が早くなって「マルテンサイト」変態が生じると、様子が変わってきます。

(注)この図では、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、厳密にいうと、結晶粒の増大などが加わって、この様になるとは限りません。考え方だけを説明しています。

②ゆっくりと加熱してD点から急冷した場合

ゆっくり加熱するので、D点までは同じですが、D点の温度から急冷すると、点線のような寸法変化を経て、マルテンサイトが生成して体積膨張します。(この図は長さ変化を示すので、「伸び」として表現されます)

H点のように、焼入れが完了した時点では、寸法が増加しています。これを「マルテンサイト変態による体積増加(または、寸法増大)」という言い方をします。

その状態からゆっくりと再加熱すると、Hから焼戻しによる寸法変化が加わって、JからOのように組織の変化を経てB点に至る・・・と図示されています。

【参考】 この変化については、「焼戻し」の項目で説明する内容ですが、この図の見方と考え方について簡単に注意点を含めて紹介します。

ここでは、考え方だけを示します。ただ、上の図の出所や詳しいデータなどは示されていないので、これらは、普通には解説される内容ではありませんが焼戻し過程の変化を含めて説明します。

約0.8%Cの共析鋼を焼入れすることによって、H点では、「マルテンサイト」と「残留オーステナイト」という組織になっています。

それをゆっくりと再加熱するのが「焼戻し」という熱処理操作ですが、J→K→L→Mでは、マルテンサイトが焼戻しマルテンサイトに変化する過程が示されており、N→O →Bでは、「残留オーステナイトの分解」「ソルバイトの生成」が起こっています。

「ソルバイト」は先程の①のゆっくりした冷却時に変態で生じた「パーライト」の微細な組織・・・と説明されるのですが、「炭化物Fe3C」と「フェライト」の微細な層状組織です。(ここでは、聞き流しでいいのですが、気になる方は、焼戻しの項目を御覧ください)

ここで示された長さ変化は必ずしもこのようになるとは限らないのですが、上のような2つの変化が生じていることを説明する場合にしばしば用いられています。

ただ、普通は、このような変化は単純なものではなく複雑ですし、熱を加えることによる不可逆変化のために、O点からB点につながるとは限りませんので、あくまでこの図も、説明用のものと考えておかないといけないでしょう。

このように、通常の品物では、焼入れの加熱、冷却、焼戻しの過程で、熱による変形に加えて、組織変化による寸法変化が加わるために、予想できないような変形が生じてしまう可能性があることがわかります。

単純なものはともかく、通常の品物では、さらに様々な条件が加わるので、変形の傾向や変形量を予想したり把握することの難しさが示唆されていると言えます。



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・収縮します。
一般的な鋼の線膨張係数は、平均的に0.000011程度です。

成分や組織の状態と温度域によって、この値は若干変わりますが、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し、これが3次元的に変化すれば、さらに変形の予想が難しくなります。

その上に、変形する力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。

ただ、上図の加熱冷却時の寸法変化の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、熱による変形の程度はおさえられる・・・ということが言えます。

もちろん、変態による変化は、熱処理後の特性(例えば、硬さなど)と関係しますので、冷却速度の制御では、変形をコントロールできませんので、品物の外力による制御など、その他の方法が必要です。

ただし、熱変形は抑えられるというものの、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し、時間的にも制限があるので、「熱処理すれば変形は生じるもの」と考えて、仕上げ加工しろをつけるなどで対策する必要があります。

もっとも、この熱処理による変形量や求める形状にするための仕上げしろを予想することは難しく、熱処理品質(例えば「硬さ」)や品物形状を考えると、一般的には経験によって決められている程度で、熱処理後の矯正(曲がり取り、歪取り)ができなければ、熱処理したために品物にならない場合も出てきます。


予熱

熱による変形を少なくする方法の1つは、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操作をします。これが「予熱」です。
予熱パターン(予熱の例)

ただし、焼入れの要求特性(例えば、硬さ)などが変われば、変形に与える要素も変わるために、簡単に焼入れ後の状態を予め知るのは難しいといえます。

焼入れ性の良い鋼種(例えば、空冷によって硬化する鋼種)では、恒温処理(冷却時に一定温度で品物を保持して各部の温度差を少なくする)をしたり、冷却途中で冷却速度を変化させるなどによって、変形を少なくできる工夫がされる場合もあります。

品物を加熱する際に「熱」は表面から内部に熱が移動しますので、 特に凸部や角部は、凹部や隅部に比べて昇温しやすく、冷却時はその逆になるので、加熱冷却中には、品物各部の温度でが生じます。

このことから、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、予熱を段階的に入れることは効果的な方法です。

しかし反面、これらは、熱処理時間が長くなり、不経済になります。

予熱温度

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。

その変態点の上下付近の温度で品物を保持して、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して、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、階段に例えた呼び方をします。

ただ、予熱を多段階にすることでイメージ的には変形を少なくできるはずですが、自重による変形や炉の温度分布など、様々な要素が入り交じるために、品物の大きさや炉の特性なでを勘案しながら、経験的に加熱パターンを決めている場合がほとんどです。

変態点を通過する時の鋼の状態

A1変態点は、 加熱時でいうと、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。

例えば、カタログなどに書かれた加熱時の変態温度が750℃の鋼であれば、ソルトバスなどを用いて、急速に焼入れ温度まで上昇させると、変態点温度が800℃やそれ以上の温度になリます。

そのために、1段だけの予熱温度を考える場合は、変態点を超えると焼入れ温度になるので、変態点以下の700℃程度とするのが効果的と言えることになります。

しかし、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きますので、予熱の温度を決めるのも難しいのですが、このあたりは、経験的な対応になっているようです。

作業中の変形対策

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(硬さや引張強さなど)が低くなっていき、応力が解放されやすくなります。

このために、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ためには有効です。

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は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が必要です。


焼入れ時の変態による変形

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。

変態による変形の対策

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、現実的には品物内外は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。

高合金鋼では、通常の焼入れでも残留オーステナイトが多いために、焼入れ温度を上げすぎないことや、確実に焼戻しをすることなどの、残留オーステナイトを増やさないことも変形を少なくさせる要素の一つです。

一般的な対策では、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)などを行うことが有効と書かれている場合もありますが、鋼種や品物の状態によって条件が変わるために、それをすることで、かえって、変形が増加することもあります。

変形に及ぼす要因は非常に広範であるために、変形の予測や対策は簡単ではないので、頭で考えるようにはうまく行かない場合が多く、一回きりの品物に対しては、経験や勘で考える場合も少なくありません。

変形を矯正する

熱処理中の変形が出ないようにすることはもちろん、矯正することも考えないといけません。

鋼が柔らかい状態であれば、外力を加えて修正したり、変形しないように拘束することは可能です。

「プレスクエンチ」「金型焼入れ」などと呼ばれる方法は、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で、大きな治具を用いて品物を挟み込んで焼入れ冷却します。

このように、変形は焼入れ過程で発生しやすいので、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したり、焼入れ硬化する温度の手前で、外力を加えて矯正する方法などが実施されていますが、形状の異なる小ロット品の場合は、対応できない場合が多々あります。

さらに、変形の状態(方向や量)が予測できにくいこともあって、矯正作業は経験と熟練を要します。

常温で矯正するこのが危険であれば、熱を加えて矯正しますが、費用の問題があるだけでなく、確実に矯正できるかどうかも、やってみないとわからないということも多く、熱処理変形は、頭の痛い問題です。

ここで、ページを替えて、「焼割れ」や焼戻し時の変形については、次のページで説明しています。

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