鋼と熱処理のコラボ


鋼(はがね)は鉄と炭素の合金です。大きな特徴は、熱処理をすることによって、手で簡単に曲げられる状態から刃物のように非常に硬いものまで変化することができます。また、それをやってのけるのが熱処理なのです。

TVなどで日本刀の焼入れのシーンを見られた方も多いと思いますが、 ほとんどは白装束姿で作業していて、熱処理は神様の住む世界の所作のようですが、熱処理は温度、時間、操作法を押さえれば通常の作業で、特殊な作業ではありません。

様々な鋼(鋼種)とそれに適した「熱処理技術」が現在の文明を作り出してきたといっていいでしょう。

・・・といっても、熱処理の説明は見えないところでの組織の変化などを扱った内容が多いのでとっつきにくい内容が多いので、ここではできるだけわかりやすく説明していきます。

一昔前までは、熱処理、鍛造、鋳造などの火を扱う仕事は「3K(きつい・きたない・きけん)」の代表でした。それが今では、加熱炉の無人化や自動化が進み、 加熱・冷却などの一連の熱処理工程は、機器(加熱炉)の内部で自動的に行うようになってきており、むしろ、熱処理を紹介しようとしても、下に紹介している動画のように、赤くなった品物を扱う作業は少なくなってきているのが現状ですが、ここでは、あえて赤くなった品物を見てもらって、熱処理作業を知っていただくためにこれらを紹介しています。(クリックするとYUTUBEの動画を見ていただくことができます)

(1)ソルトバスでの焼入れ
(2)縦型炉での型鋼の焼入れ風景

ソルトバスの作業風景 型鋼の油焼入れ風景

(1)左はソルトバスによる焼入れ作業です。850℃程度に加熱したソルトバスで薄い鋼板を加熱して、それを水に入れて焼入れする作業風景です。
あっという間に焼入れ作業が終わります。

(2)右は、 鍛造用の金型素材を大気炉で加熱し、油冷して硬化させる作業風景です。動画を見ていただくと、左の操作に比べて冷却までに時間がかかっているようですが、いずれも鋼種に対応する操作を行っており、このような「焼入れ操作」によって、鋼(品物)は非常に硬くなります。

実際の熱処理作業では、この焼入れ作業に引き続いて、硬さを調節する「焼戻し」や「硬さ検査」などをします。

専門用語がわかりにくい?


熱処理の説明には、たくさんの専門用語が出てきます。用語についてはこちらで簡単に説明していますので利用ください。

このHPは専門的な内容を解説するものではなく、 工具などを製作する場合の鋼材の選び方熱処理の現場作業的な内容の紹介熱処理依頼をする場合の注意点などを多く取り上げて、理解いただけるようにしました。

以下では、熱処理に関する事柄の全体像を紹介しながら、関係するページにリンクを張っています。その他、サイドメニューから関係するページを読んでいただくのもいいでしょう。サイトマップでは、項目を列記していますので、それをもとに読んでいただくのもいいでしょう。かなりのページですので、お付き合いください。


1. 熱処理の種類

鉄鋼の熱処理は、大きく ①一般熱処理 と ②表面熱処理 に分けて説明されることが多いようです。
ここでは、一般熱処理の 焼入れ・焼戻し、焼なまし、焼ならし、サブゼロ処理、固溶化熱処理などを説明しますが、 特に重要な、焼入れ焼戻しについて詳しく説明します。

表面熱処理にはほとんど触れていませんが、「浸炭」「高周波焼入れ」「窒化」なども簡単に説明しています。


2. 鋼(はがね)

鋼は鉄(Fe)と炭素(C)の合金ですが、炭素量の多少がいろいろな性質に影響します。炭素に加えて、焼入れ性を高めたり、耐摩耗性を高めたりするためにクロム(Cr) マンガン(Mn)などの様々な「合金元素」が加えられ、独特な製法(製鋼法)によって様々な「鉄鋼種(鋼種)」が作られています。

「この鋼種は熱処理が必要ですか?」や「熱処理をして使用するのですか?」と尋ねられることがありますが、熱処理には硬く強くする、柔らかくする、さびにくくするなどの「目的」があります。その目的に応じた鋼種と熱処理について知る必要がありますが、市販されている状態で、すでに何かの熱処理をされているものもありますが、製品に加工して熱処理が必要な鋼種には、JISやメーカーカタログに、目的に応じた熱処理の条件や熱処理諸元が「標準熱処理条件」として記載されています。

それらが掲載されておれば、通常は、「熱処理をして使用される鋼種」だと考えておいていいでしょう。すべたがその通りでないのですが、ここではそのように理解ください。

ここでは説明のために、主に、「機械構造用炭素鋼(S45Cなど)」「機械構造用合金鋼(SCM435など)」「軸受鋼(SUJ2など)」「炭素工具鋼(SK80など)」 「冷間加工用工具鋼(SKS3・SKD11など)」「高速度工具鋼(SKH51など)」「ステンレス鋼(SUS***)」を取り上げています。用途・成分とそれに必要な熱処理について説明していきます。鋼種の選び方について理解すると、便利でしょう。

【 鉄鋼の諸性質 】
鋼は、加熱温度を高めていくと、結晶構造が変化します。熱を操作することよって生じる相変化を変態といい、 それを含めて、加熱温度や冷却速度を変えることで機械的な性質や化学的な性質を変化させるのが熱処理を行う大きな目的です。

ここでは、物理的性質、機械的性質、化学的性質などや、その変化に伴う「加工性」などの変化と熱処理の関係を説明していますが、 特に機械的性質と硬さの関係を見ることで熱処理の状態がわかりますので、 硬さについては、やや詳しく説明しています。

3. 熱処理に関連する項目

【 顕微鏡組織 】
熱処理による変化を顕微鏡組織で説明する場合もおおくあります。必ずにも覚える必要がありませんが、内容をしっていると、かなりいろいろな理解に役立ちます。


マルテンサイトと残留オーステナイト パーライト ソルバイト SKD11低温焼入れ

 上は左から、マルテンサイトと残留オーステナイト、パーライト、ソルバイト、SLDの低温焼入れ組織 ・・・などで説明されます。炭素鋼を水冷して焼入れすると、硬いマルテンサイト組織になるのですが、 品物が大きくなってきたり冷やすスピードが遅くなると、そのほかの組織が出現するのですが、それが例えば、工具に対していいものか悪いものかを考える・・・ などでこれらの知識を利用することになります。

その他、「マルテンサイト」「オーステナイト」「サブゼロ処理」などは、熱処理ではしばしば出てきますので、それらを説明しています。


【 熱処理の図表 】

鋼は合金元素などが固溶体として素地に溶け込んだ固体の状態ですが、それを固体の状態で熱処理すると 結晶構造や組織の変化で諸性質を変化させます。それを理解するために、いくつかの図表が使用されます。

主なものに「平衡状態図」「等温変態曲線」「冷却曲線」などがあります。 これらを利用して熱処理を理解するための読み方・・・などを説明しています。


2元系状態図TTT曲線の例CCT曲線例説明用の合成図例

 

4. 一般熱処理の作業

(1)焼入れ

焼入れはもっとも重要な熱処理操作で、鋼を強く・ねばくします。加熱温度、冷却速度の影響などで鋼の性質を引き出すための基本的な考え方を紹介しています。
炭素鋼で基本事項を説明して、炭素量合金元素の影響、機械構造用鋼と工具鋼での考え方の違い、焼入れ性などについて説明します。


(2)焼戻し

焼戻しは焼入れに引き続いて行うもので、通常は連続して行います。焼戻しは、硬さを調節することで目的とする機械的性質に調整するために行いますが、 焼戻し温度に伴う変化を説明しています。また、焼き戻し回数や矯正についての考え方なども示しました。


(3)焼なまし

鋼を加工しやすくするために柔らかい状態にする「完全焼きなまし」「球状化焼なまし」などについて説明しています。

(4)焼ならし

主に構造用鋼に対して行う処理で、焼ならし温度から放冷することで、組織や硬さの調整のために行われます。工具鋼などには関係ないので、簡単な説明にとどめています。


(5)サブゼロ処理

0℃以下の温度に冷却する処理で、高い硬さを得たり経年変化などを防ぐ目的で行われます。液体窒素などで-100℃以下にする処理は、特にクライオ処理という場合があります。


(6)固溶化処理(溶体化処理)

オーステナイト系ステンレスや析出硬化型ステンレスなどで行われる処理で、両者の目的は違いますが、簡単に説明しています。


5. 熱処理設備

熱処理炉やその雰囲気、冷却などについて説明しています。


6. 試験及び検査

硬さと工具性能の関係は非常に重要ですので、それを中心に説明しています。
(1)硬さ、硬さ試験機、硬さ測定についての一般的な事項や硬さ測定の問題点など
(2)「耐摩耗性」「じん性」の評価試験方法について
(3)工具鋼の資料の見方について日立金属のSLD(SKD11)の例での説明
(4)専門的ではありませんが、火花試験についての簡単な説明
(5)金属組織の試験方法、熱処理に関する顕微鏡組織、関連する用語


7. 熱処理における不具合

もっとも懸念される不具合は、熱処理をするときの 変形と割れ です。 これは熱処理中の温度変化や変態による体積変化などによって発生するほか、材料欠陥や形状などが原因になる場合があります。そしてまた、 不具合件数で多いものは、異材混入によって間違った熱処理をしてしまう例が多いので、 材料を混同してしまわないように注意しなければなりません。異材は、火花試験や蛍光X線分析計で事前に確認できます。


8. 熱処理用語の簡単な説明

話題などを交えながら熱処理用語を紹介しています。
目次から興味あるものを拾い読みしてください。


その他に
(1)「加熱色」「焼戻し色」など五感で知ることのできる温度を日立金属の資料で説明しています。
(2)カスタムナイフを作る方は銃刀法について知っておく必要がありますので、簡単に紹介しています。
(3)参考文献やWEBページを紹介しています。

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