加熱時間(かねつじかん)     [k17]

加熱に関する時間は、昇温までの時間、均熱に要する時間、目的温度に保持している時間、トータル加熱時間・・・など、いろいろな用語(表示・表現の仕方)がありますが、きっちりと決まっている用語ではないようです。

一般熱処理では、焼入れでの加熱、焼戻しでの加熱などで、加熱時間は重要な要素ですが、焼戻しパラメーター(例えばP=温度xlog[時間])にあるように、温度の影響に対して時間変化は鈍感(※)で、少しの時間の違いでは影響が少ないので、加熱時間は、「目的温度に保持している時間=保持時間」として考えていいでしょう。

(※)常用対数でlog10=1 log100=2というようになることをいっていますが、実際の焼戻しパラメータはこちらで説明しています。
そのため、加熱時間は保持時間として説明していきます。

一般的な保持時間

これは、品物を加熱炉に入れて温度を上げるときの温度状態を表したイメージ図です。もちろん、用語が統一されていませんので、この表現方法も統一されたものではありませんが、品物の加熱状態はこれで把握できますし、これで、焼入れや焼戻し、その他の加熱も同じように考えることができます。

熱処理記録などを表現する場合には、「560℃x3時間・空冷」というように作業記録として記録しますが、これは、「品物が560℃になってから3時間保持して、その後に炉から取り出して空気中に放冷した」という内容を表しています。

このように、熱処理での保持時間は、「品物が目的の温度になってからその温度に保持する時間」ですが、品物を加熱するときの品物内部の昇温の過程はわかりませんので、図のように均熱のための時間を見込んで、「品物の厚さに対して1インチ当たり30分」というように加熱時間を決めて保持時間としているのが一般的で、当社もこれに沿っています。

ただし、この「1インチ30分」も、アメリカから伝わった古くからある表現(経験的な考え方)で、特に技術根拠はないという人もいます。

さらにまた、近年では、「機械構造用鋼の焼入れ加熱における保持時間は不要」という考え方が主流になっています。
しかし、これとは違って、高合金の工具鋼では、「炭化物の溶け込み時間を考える必要があるために、適当な保持時間が必要だ」・・・と説明されます。
このように、焼入れ時の保持時間についても、いろいろな考えや意見があるのですが、これについて少し補足説明します。


この図は、SKD61のφ200x1000の品物を、1030℃になった大気加熱炉に入れて加熱した時の表面と中心部の温度をパソコンでシミュレーションしたものです。

これを見ると、加熱速度が極端に速くなければ、加熱途中には中心と表面の温度差があっても、目的温度に近づくとほとんど内外の温度差はなくなってくることがわかります。

このことは「品物の表面が目的温度になっておれば内部もその温度であるということなので、表面温度が目的温度になってからの時間を保持時間としてよい」といえるということになります。

しかし、シミュレーションと違って、実際の設備(炉)では、炉の温度分布も均一ではありませんし、炉に入れた品物に大小があれば、品物が目的の温度になった時点を正しく確認することも難しいことですので、均熱時間は不要とするよりも、適当な時間をとるほうが妥当だと考えて、当社では現状でも、保持時間が不要と言われる構造用鋼に対しても、加熱不足で焼が入らないという危険を冒さないように、「1インチ当たり30分」程度の保持時間をとっています。あえて保持時間をゼロにする必要もないでしょう。

ちなみに、SKD11やSKD61の小さな試験片の中心に熱電対を入れて、ソルトバスで加熱して保持時間の違いによる組織の違いを確認したところ、高合金の工具鋼であっても、保持時間ゼロでも正常な組織になっていますし、長時間(3時間程度)にわたってその温度を保持しても、組織はほとんど変わらないということを確認しています。
これらのことから、温度と違って時間の多少は品物に対しては鈍感で、保持時間をとることによる影響は少ないし、適当な保持時間をとるのも問題ないと考えています。

しかし、高温で焼入れする高速度鋼(ハイス)は、長時間加熱は絶対に禁物です。
そのために、予熱などをうまく使って均一に加熱して、加熱時間を長くしすぎないことが重要です。(ここではこの詳細は割愛します)



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(来歴)H30.12 見直し

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