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・・・などのいろいろな用語(表示・表現の仕方)があります。

しかしこれらの用語や表現は、きっちりと定義されていないようです。

一般熱処理では、焼入れでの加熱、焼戻しでの加熱などにおいては、加熱時間は重要な要素なのですが、硬さを決めるための温度と時間の関係は、焼戻しパラメーター(例えばP=温度xlog[時間])が示すように、時間による変化は、温度の影響に比べて鈍感(※)です。

これは、少しの加熱時間の違いがあってもその影響が少ないということですので、厳密に定義しなくてもいいということが言えます。

(※)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。


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。

ここでは、「目的温度に保持している時間=保持時間」で、品物の表面温度が目的温度になってから、その温度に保った後に品物を取り出すまでの時間としていいでしょう。

焼入れや焼戻し、その他の加熱もこの図と同じように考えることができます。

実際の熱処理作業における熱処理記録は、熱処理の過程を「560℃x3時間・空冷」というように記録しますが、これは、「品物の表面が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。


熱処理での保持時間は、本来は「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」といっても、品物を加熱したときの品物内部の昇温は確認できませんので、一般的には、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」・・・というように時間を加算し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」という基準も、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、特に技術的な根拠はないという人もいます。(それは当然でしょう)

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。

これは、品物の表面がその温度に達していれば、品物全体がその温度に達しているということにもなるのですが、それについては明確には言及されていません。

しかし、小さな品物では、機械構造用鋼の保持時間は不要という表現が一般的になっています。

構造用鋼などの低合金鋼ではなく、高合金の工具鋼などでは、「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」・・・と説明されることが多いようです。

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リます。混乱しそうな内容ですが、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。(熱伝導による内部の昇温は意外に早いということですね)

このことは高合金鋼であっても、「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、実際の設備(炉)では、シミュレーションと違って、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。

こういう不確さから、当社では、あえて均熱時間は全く不要と考えないで、適当な時間をとるほうが熱処理での間違いが起こらない・・・と考えています。

そのために、当社では、保持時間が不要と言われる構造用鋼に対しても、加熱不足や炉の特性から生じる不均一な加熱によって、「焼が入らない」「硬さむらが出る」などの危険性を回避する意味もあって、「1インチ当たり30分」程度を参考にした保持時間をとっています。

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。(熱電対のタイムラグもあるので、保持時間は正確にゼロではありませんが・・・)

さらに、長時間(3時間程度ですが)にわたってその温度を保持しても、組織の劣化は無いことについても確認しています。つまり、温度の影響に比べて、時間の影響は少ないということです。

しかし、高温で焼入れする高速度鋼(ハイス)は、特に長時間加熱は絶対に禁物ですので、保持時間のとりすぎには注意しなければなりません。

このために、高速度鋼の焼入れ時の加熱では、予熱などをうまく使って品物の各部の温度差を少なくなるように加熱するようにして、さらに、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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