第一鋼業株式会社~熱処理用語 バーニング

バーニング              [h02]

Barning: 加熱温度が非常に高くなリすぎると、鋼の結晶粒界が溶融し、組織や性質が急変する状態をいいます。 

この状態になると、再鍛造-焼なましなどが必要で、熱処理では元の組織に戻せません。


鉄炭素2元状態図

これは鉄-炭素系の平衡状態図です。(株式会社不二越さんのHPより)

この図は、平衡状態図のために温度変化の様子は示していませんが、緑の線(固相線)の温度を超えると鋼の組織の一部が液体に変わって融ける・・・というイメージを見ていただくといいでしょう。

矢印の「0.3%C鋼」を例にとって、その変化を見ると、常温(例えば30℃)では固体の状態(鉄に炭素が溶けている状態で「固溶体」といいます)で、体心立方晶の結晶構造をしています。

鋼の製造途中で高い温度から圧延などを繰り返して常温になった鋼は、下のように白く見えるフェライトと黒く見えるパーライトでできた組織をしています。

炭素鋼のパーライトフェライト組織例

(これは約0.25%C鋼ですが0.05%の炭素量の差なので、ほぼこのような組織です:倍率約300倍程度)

それを加熱して、状態図の水色の線(A3)を超えると、パーライト(炭化物とフェライトの微小な層状組織)はすべて面心立方のオーステナイトになり、組織の状態は均一な組織になります。もちろん、高温ですので、この組織は見ることができませんが、それでも、やはり固体(固溶体)のままです。

通常の鋼の熱処理は、0.3%C鋼であれば、830℃-880℃程度で加熱しますが、それ以上に温度を上げていくと、結晶の大きさは次第に大きくなり、緑の線(約1480℃)を超えると、組織の一部が溶けて液体になってきます。

個体状態のそれぞれの結晶粒は結晶の向きが異なっているために、その境界が「結晶粒界」となって分離されていますが、一般的に製造されている鋼は、完全に「鉄と炭素」の組成ではなく、微量ですが様々な元素が含まれるために、この状態図では表されないような状態になっており、それらの微量元素で鉄中に溶けないものは、結晶粒界に集合します。

それが、熱処理温度よりも高い温度で、鉄-炭素に加わって化合や溶融などが生じることで、通常の組織とは異なった状態になります。

そうなることを「バーニング」といいます。

通常の鋼は、固溶体の状態で鍛造や圧延や拡散処理としての「ソーキング」等によって、組成や結晶粒が小さく揃った状態にしますが、バーニングが起きてしまうと、正常な組織に戻せません。

バーニングを起こした鋼は、常温になったときに、鋼の肌が変質するなどの状態になっています。

一般の熱処理では、ハイス(高速度鋼)の焼入れでは、1300℃近くに加熱することはありますし、鍛造用の炉や高周波加熱、バーナー直近の局部加熱などでは、温度管理を間違えると取り返しのつかない状態になるので、加熱温度には注意して、決められた加熱温度以上にあげないようにするのが鉄則です。

バーニングはメルティング(溶融)と表現をされる場合もあります。鋼の表面が溶けて変質する・・・という表現です。

また、高炭素鋼になると溶融温度(緑の線)が低下するので、焼入れ温度の高い高速度工具鋼などでは表面性状に現れなくても、顕微鏡組織的な溶融の危険性が出てきます。

このことから、特に、高い硬さを出したいために焼入れ温度を上げることには注意をしないといけません。

このバーニングとは別に、熱処理(例えば焼入れ)で温度を上げすぎる場合には「オーバーヒート」「過熱」という表現をされます。

そのような加熱によって、焼入温度を、たとえば、100℃程度を超えて加熱した場合、結晶粒の増大や残留オーステナイトの増加によって焼入れ硬さの低下となって表れます。

そして、さらに温度が高くなると、表面の変形や変質(一部溶融)に発展します。これがバーニングとよばれる状態です。

このバーニングも、オーバーヒートも、非可逆的で、オーバーヒートの場合は、再鍛造することで元の状態に戻すことができますが、バーニングはどうしようもありません。



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