ソルトバス技術解説

ここでは、ソルトバスを使う熱処理のうち、特徴的な「恒温熱処理」について説明しています。
熱処理で使われる用語は、熱処理用語辞典でも説明しています。


ソルトバスの恒温処理について

ソルトバスに浸漬した瞬間
これは、ソルトバスを用いた焼入れ冷却作業で、1100℃程度の焼入れ温度から、約550℃のソルトバスに品物を入れたところです。

温度を変えたソルトバスを用意します

ソルトバス熱処理では、ソルト(混合塩)を溶融して一定温度になったソルトバスをいくつか用意しておいて、加熱したい温度のソルトバスに品物を入れて加熱冷却します。

ソルトは気体雰囲気に比べると、比熱が大きく、伝導と対流によって温度の加除をするために、変形を嫌う品物では、加熱時には段階加熱によって急激な昇温を緩和して熱による変形を防止します。

また、冷却においても、ソルトバスを用いた冷却速度は窒素ガスによる加圧冷却よりも早く、油冷より遅いという特性です。

冷却速度によって、焼入れ硬さが変わりますが、油や水などの冷却材よりも温度の高いソルトを使用できるところに特徴があります。

水や油は、使用できる温度範囲や方法が限られており、たとえば、水では25℃以下、 油では60℃前後において冷却能が高いので、その温度で用いるのが基本になります。しかし、ソルトバスでは、異なる融点のソルト剤などを用いることで、 150℃から600℃ぐらいの温度で品物を冷却できますので、これによって、焼入れ時の「変態」(組織変化)をコントロール出来ることになります。

恒温処理とは

焼入れ冷却時に一定温度に保持してから変態させることを「恒温処理」といいます。恒温処理の方法には、①オーステンパー ②マルテンパー ③マルクエンチ ・・・ などと呼ばれる処理があります。

これらの処理を、ソルトバス以外の熱処理(たとえば、真空炉などの)設備で行なうには、冷却気体の流量などを複雑にコントロールする必要がありますし、その他の設備(たとえば流動層炉と呼ばれる、ソルト剤を用いない設備や、ホットオイルと呼ばれる、高温の油脂類を用いる方法)なども恒温処理をする方法が考えられますが、ほとんど行われていないようです。


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恒温処理の方法

ソルトバスによる恒温処理の操作を、下図を用いて説明します。
焼入れ温度(QTemp)になった品物を、AT、MQ、MTと書かれた温度になったソルトバスにいれて、 品物がその温度に一定時間保持したのちに取り出し、 大気中で放冷する操作を「恒温処理」と言います。
このうちの温度で、AT1・AT2に示すものが「オーステンパー」、MQに示すものが「マルクエンチ」、MTが「マルテンパー」と呼んでいます。

この図は、焼入れ加熱温度(QTemp)から冷却するときの「品物の温度と時間経過」が示されており、「S字」にかかるところで、何らかの「変態」が生じていることを示しています。

焼入れ温度においてオーステナイト状態であったものが、S字にかかるところで、パーライトなどと呼ばれる組織に変わってる・・・というような説明をされます。

しばしば、熱処理の説明には、 恒温変態曲線(S曲線)と、連続冷却曲線(CCT曲線)が用いられますが、これはその二つをミックスしたもの・・・ と考えてください。さらに、ここでは、説明しやすいように、 変態線(Ps・Pf)を意識的に右側にずらした対数目盛になっている点に注意しましょう。

ただ、しばしば間違った説明を見かけますので、この図とS曲線やCCT曲線などの熱処理曲線は違うものだと理解していただくために、若干の説明をします。


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等温変態曲線(TTT曲線・S曲線)

この図を作る1つの方法は、焼入れ温度(図のQTempなど)から、ある温度(AT1Tempなど)に急冷して、 その温度に保持すると、途中で変態します。その後に、顕微鏡組織を確認すると保持温度に関連して、組織変化が観察できます。

変態している状況を見る方法は、膨張変化や電気的な方法などがありますし、一定時間保持した後に急冷して組織を観察するなどの方法でもある程度の確認ができます。この曲線はその変態する点をつないだものです。

マルテンサイトが生じるMs点以上でその変化を見ると、低合金鋼などでは上のPs/Pfの線のようなS字状になります。
これは、言い換えると、オーステナイトが他の組織になり、原子配列が変化する・・・ ということです。

変化した結果の組織は、 恒温保持する温度がAT1TempからAT2Tempのように、高いところから低くなるにしたがって、粗大パーライト →  微細パーラート → ベーナイトになると書籍等に説明されています。


連続冷却変態曲線(CCT曲線)

焼入れ時の時間経過とその温度が表示されているもので、「連続冷却」をしたときのおおよその組織と常温になった時の硬さが示されています。

この際に、ゆっくりとした冷却をすると、パーライト(または、ソルバイトやトルースタイトなど)が現出して 「焼きが入らない」状態で、硬さが低下します。

上記二つの曲線について知っていただいたうえで、この図で恒温処理の説明をします。


オーステンパー

この図のAT1、AT2、AT3 などの線が「オーステンパー」処理を表しています。

オーステンパー処理の操作は、パーライトノーズの温度以下の温度で品物を保持して、その後(通常は)空冷しますが、この際に、 保持温度の違いと保持時間の長さによって、軟らかいパーライトにはならずに、ソルバイト、トルースタイト、ベイナイトなどの混合組織が生じます。

パーライトノーズを切らないで、ノーズ以下の温度に冷却保持して変態させるので、パーライト(軟らかいフェライトFeと硬い炭化物Fe3Cの層状組織)が現出しない・・・ という熱処理法です。
パーライト組織の例  

「パーライト」の顕微鏡写真(山本化学工具研究社の顕微鏡組織から引用)
倍率不詳ですが、縦筋の炭化物(セメンタイト)と純鉄成分のフェライトが層状になった組織ですが、 恒温処理の温度が低くなるにつれて、トルースタイト(パーライトよりも細かく、若干硬さも高い組織)や、さらに組織が細かくて硬さが高いベーナイトと呼ばれる組織になっていきます。

それらは層状組織が粗いパーライトに比べて硬いのですが、もっと硬くてもろいマルテンサイトではなく、オーステンパーによって、 ある程度の硬さがありじん性も高い品物になる・・・というような説明が多いようです。

このオーステンパー処理をする鋼種は、焼入性のあまりよくないものがほとんどです。焼入性が良い鋼種では、変態線が右側に寄って、保持時間が長くなりすぎるためでしょう。

上図では、AT1からAT3の3本の線がありますが、これは、保持する温度、保持後の冷却速度などによって、硬さや顕微鏡組織が変わるということです。

これらの条件は鋼種(鋼材の化学成分)で異なるので、求めたい性質を得るための条件は多くの試験をして決めることになります。したがって、この熱処理法によって、未知の機械的性質が得られる可能性を秘めている・・・ということにもなります。

また反対に、(これは大切なことですが)このオーステンパー処理をすることによって、絶対に高品質のものになる・・・ということではありません。
つまり、 衝撃じん性が高いものが得られたり、熱処理変形が少なかったり・・・という長所ばかりではなく、デメリットとして、必要な硬さが得られない、降伏点が下がる・・・などが出てくる場合もあります。

ここでは、「このような熱処理をすることも可能ですので、通常の油焼入れとは違った状態のものができますよ・・・」という内容だと考えておく程度でいいかもしれません。


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熱浴焼入れ

ソルトバスを使用して高速度鋼を焼入れする場合は、550℃程度の熱浴に浸漬します。
これは厳密にいうと「オーステンパー」ではないので、マルクエンチ・マルテンパーについて説明する前に、その違いを説明します。

当社の高合金鋼(たとえば高速度鋼)のソルト熱処理では、通常は、500から550℃程度のソルトバスに品物を浸漬して、その後に空冷する操作を行います。

これらの鋼の多くは、パーライトノーズが比較的長時間側にある「焼入性の高い」鋼種で、この温度域は、S曲線の変態時間が右側によっているところなので、油焼入れより遅い冷却であってもパーライトは出現しません。

そのために、恒温変態させるだけの時間保持をせず、品物が炉温近くになれば、取り出して空冷する操作をすることで、歪みの低減や組織の安定性を図ることで、 これらの恒温処理をします。

しかしこれは、ベイナイトなどを析出させる「オーステンパー」処理ではなく、充分な硬さのマルテンサイト(またはベイナイト)を析出させる必要があるので、オーステンパーとは言わずに「熱浴焼入れ」という言い方をします。当社の人でも、これをオーステンパーという方がいますが、その違いを理解いただくのがいいでしょう。

すなわちこの焼入れ方法は、少し大きな品物になると、比較的高い温度(マルテンサイトが生じない温度)に保持して品物の温度を均一化することで、温度の不均一による変形を防ぎ、その後にゆっくり冷却させることにより、熱処理変形(歪)が少なくなるため・・・とされているためですが、この処理では、マルテンサイト変態を遅らせますので、 長時間保持は良くないでしょう。

また、油焼入れしたものとは品質が違っていると思われるのですが、これらの品物は、高温特性を高めるために、 通常は550℃以上の高温焼戻しをしますので、油焼入れしたものと比較しても、硬さや特性の違いはほとんど無いようです。

古くから歯切り工具などの工具類は変形を嫌うこともあって、変形防止が優先されているためにこの方法が継承されてきたのかもしれませんが、この点は、具体的に試験などで評価されていません。変形を考えなければ、冷却の速い油焼入れするほうが一般的には良いと考えるのが普通でしょう。

このあたりの検証については、あまり文献を見たことがありませんし、当社の記録も残っていません。ただ、当社で行った油冷や(極端ですが)液化窒素への焼入れ、 アンダーハードニングなどの資料を見ると、冷却速度がじん性値に影響していることは確かです。しかし、実際的には、残留オーステナイトの影響が大きいので、 良否については判定していないのですが、本来、熱処理は「温度と時間の操作」ですので、このあたりを調べていくと、 今までとは異なる機械的性質が得られる条件が隠されている可能性があるかもしれません。

たとえば、後に示すマルテンサイト化する直上の温度への熱浴焼入れ(下記の説明でいえば、 マルクエンチにあたりますが) などは、熱処理変形を押さえながら高じん性化するための熱処理方法・・・などとして模索するのも楽しいかもしれません。閑話休題。


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マルクエンチ・マルテンパー

上図の MQ線 がマルクエンチ、MT線がマルテンパーと呼ばれるものです。
一般的に、Ms点直上の温度で保持するのがマルクエンチ、 Ms点にかかる温度で保持するのをマルテンパーといいます。

マルテンサイト変態は温度に依存する変態ですので、品物の温度を均一にしてからゆっくり冷やすことで、変形を押さえつつ十分な硬さを得ることができますから、 結局、両者は同じようなもの・・・と考えてもいいように思います。

当社における通常処理としては、160‐180℃程度のソルトバス中に焼入れすることで、 変形を押さえながら十分な硬さに焼入れする方法を実施していますが、工場の担当者からは「マルクエンチ」や「マルテンパー」という言葉を聞いたことがなく、また、用語の解釈も紛らわしいので、当社では、単に、「ソルト焼入れ」と言っています。

当社では、テスト的にソルト中で加熱したものを油焼入れすることもあります。ソルトからソルトに焼入れするほうが、油除去などの余分な工程を必要としないために、当然のようにこのソルト焼入れ作業が行われていますので、近い将来、マルクエンチやマルテンパーという用語は、死語になっていくような気がしています。

この熱浴(ソルト)焼入れは、当社では、1970年代以前からおこなわれています。昭和年代後期のソルトによる熱処理品は、SK3、SKS3、SUJ2などで製作された部品がおおく、それに加えて、焼入性の良いSKD11を使った品物が増えてきた頃でした。

それらのMs点は、(正確ではないかもしれませんが) SK3=160℃ SKS3=100℃ SUJ2=250℃ SKD11=200℃ 程度と、 それぞれ異なっていますが、焼入れ冷却用に、鋼種ごとのMs点を意識してソルトバスの 設定温度を変えていたとは考えられませんし、当時の作業者は、マルクエンチ、 マルテンパーという用語を気にして熱処理していたにしても、当時の鋼の品質は、 現在の鋼と比較すると、材料の品位が低いので、油焼入れ時の「焼き割れ」の トラブルがしばしば見受けられました。

それを油焼きせずに熱浴焼入れをすると、 硬さは若干油焼入れより低いのですが、「焼割れや変形がない」という評判もあり、 お客さんの評判も上々だったことを記憶しています。SKS3などの合金鋼をソルトで焼入れすると、焼入れ硬さは、同形状のもので油焼入れした場合と比較すると、低合金鋼では1-3HRC程度低くなっていましたが、それをとやかく言うお客さんもいなかった ・・・という記憶がありますので、それでお互いが満足していたのでしょう。


(注)この図ではその他に、パーライト変態に関係するPs(パーライト変態の開始線)とPf(パーライト変態の完了線)、マルテンサイト変態に関係する、 Ms(マルテンサイト変態開始温度)、Mf(同、完了温度)などが示されていますが、これは、概念図ですので、細かい現象は省いてあります。

一般の書物では「マルクエンチ」と「マルテンパー」は同じものである・・・として説明されている文献もありますが、ここでは、 違ったものとして説明するほうが納得しやすいと思いますので、あえて、分けて説明しています。


まず、OQの線について見てみましょう。
これは、QTemp(たとえば1000℃)になっている品物を油冷した状態の温度・時間経過を示したものです。 この時、MsとMfを通過する時に焼入れ硬化します。 赤色のS字状に示したところで、この場合は「マルテンサイト」に変態していることを表しています。

マルクエンチやマルテンパー処理では、恒温に保持することでマルテンサイト変態を遅らせるのですが、マルテンサイト変態は時間で進行するのではなく、 温度が低下することで変態量が増えますので、これらの処理によっても、充分に焼入れ硬化することになります。

もちろん、鋼材の成分によって、Mfが常温以下で示されていなかったり、S曲線の形状がSでないものなどもありますし、「このように故意に右側(長時間側)にずらしたものでは、急冷する必要がない・・・」という指摘もあるでしょうが、これはあくまでも説明用だと割り切ってください。

実際的な話として、炭素鋼や、焼入性を高めるCrやMnなどの合金元素が少ない低合金鋼では、パーラートノーズは数秒といった短時間側にありますので、 パーライトが出ないように(パーライトノーズを切らないように)冷却するためには、ソルトでは無理で、水焼入れなどの強烈な冷却でさえも無理な場合が出てきます。 また、品物の大きさや成分配合によって、得られる性質は一義では決まりませんので、実際に焼入れしてみて、いい結果の品物を得るための熱処理条件を得るのは簡単ではありません。

しかし、ソルトバスを用いることでこれらの熱処理操作ができるということは、焼戻しをしなくても、強靭な鋼ができたり、保持温度を変えるだけでいろいろな強度の製品にできる利点(可能性)が考えられるなど、興味深いものであると言えるでしょう。

これについては先にも書きましたが、「こういう熱処理法が考えられますよ・・・」ということで、「すべてにおいていい方法」だということではありません。


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ソルトバス熱処理は優れているか?

ソルトバスをPRする際に、当社でも、「ソルトバスでの焼入れは、ソルトによる冷却能を生かして、冷却過程における炭化物の析出を阻止して強度低下を防ぎ、 中間温度に保持することで熱応力による変形を減らし、なおかつ、均熱後に空冷することで均一な焼入れ硬さを得るための熱処理法・・・」と言うような内容を説明します。

そして、しばしば(社内でも顧客内でも)「窒素ガスの加圧冷却による炉(真空炉など)で焼入れした品物よりも、ソルトバスで熱処理した品物のほうが工具寿命が良い」 と言われるのを聞きます。これは、正しいといえないところもありますが、結論的には、これは熱処理特性からくる違いというよりは、作業的な特徴から、 そんな話になっている・・・と考えています。


つまり、当社のソルトバス熱処理では、人の手で熱処理操作をしていますので、焼入れ冷却開始までの時間が短く(通常5秒以下)、窒素ガスに比べてソルトの比熱が大きいので、高温域で均一に急速冷却されるるために、炭化物析出が押えられる上に、焼入れ温度保持時間が個々の品物に合わして設定されているために、 結晶粒が粗大化することも少ないためだと考えています。

先にも触れましたが、これらの恒温処理については、現在の真空炉の技術をもってすれば、窒素ガスをコントロールして疑似的な恒温処理風に冷却することもできるでしょうし、加圧冷却によって油冷に近い冷却能力があるはずですので、ソルトバスの熱処理パターンでいい条件が見つかれば、それを採用して大量処理をするところが増えそうなのですが、それをうたい文句にしている業者さんも見受けられないところを見ると、今後ソルト熱処理に対しての評価も変わるかもしれませんね。

ただ、真空炉などのバッチ処理と異なり、ソルトバス焼入れでは、品物個々について焼入れ条件を決めますので、 特に、焼入性のあまりよくないハイス類や 刃先の鋭利なナイフなどの工具類では焼入れ時の結晶粒増大がコントロールできるので有効と言えるでしょう。とはいっても、熱処理品質に及ぼす要因はさまざまなものがありますので、 詳しい検討が必要であるのはいうまでもありません。


【最後に】

本論から少し外れますが、実際にこれらの恒温処理を考えていく場合には、いろいろな条件で実験することが必要になることを忘れてはいけないでしょう。


一般的な教科書や文献での恒温処理の説明は、小さな試料・試験片(通常はφ20程度以下)で熱処理をする場合で説明されてますし、鋼種ごとの特性についてはほとんど触れていません。

通常の品物は小さなものばかりではありません。実際の品物では、例えばφ50~100のように、大きな品物が対象になると、「質量効果」によって、加熱されにくくなり、冷えにくくなりますし、冷却は表面から進行しますので、品物が大きくなるにつれて表面と内部の温度差が大きくなります。「やってみないと分からない」という要素はまだまだ多いと思いますが、決まったパターンで熱処理するのが最適とは言えませんので、まだまだ、ソルトバスの使い道はあるように思えます。


高温ソルト加熱後に取り出したところ  →→→  ソルトバスへの焼入れ  


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技術解説目次

 ソルトバスの恒温処理について
 恒温処理の方法
 等温変態曲線(TTT曲線・S曲線)
 連続冷却変態曲線(CCT曲線)
 オーステンパー
 熱浴焼入れ
 マルクエンチ・マルテンパー
 ソルトバス熱処理は優れているか?
 【最後に】

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