焼割れ(やきわれ)     [y12]

焼入れによって生じる割れが焼割れです。

これは、熱応力や変態応力などが複合して、応力集中によって生じるとされています。

低合金鋼では、焼が入りにくく強度の弱い隅部などから割れる場合が多いと言われていますが、その他の部位からの割れも多々あります。



熱処理の権威で、わかりやすい書籍をたくさん書かれていた大和久重雄先生は、「焼割れは、焼の入りにくいところで発生する。しっかり焼入れすると割れない」ということをしきりにおっしゃっていました。

昭和の年代には、温度不良、冷却むら、材料不良・・・など、 材料と熱処理に起因する焼き割れもしばしば見られたのですが、近年では、材料品質が向上し、熱処理機器の管理精度の向上や熱処理の標準化などによって、焼き割れはほとんど発生しなくなりました。

焼割れは、急激な冷却が必要な低合金鋼に生じる場合と、ゆっくり冷却しても焼の入る高合金鋼に分けて考える必要がありますが、割れ起点の引張応力が原因で起きるというのが基本的な見方です。

前者では、隅部などの冷却が遅い部分で生ずることが多く、早く冷やすと割れる・・・という言い方は、ほとんど正しくなく、むしろ、当社では、油焼入れしなくてもいい鋼種や大型の品物は、機械的性質を高めるために油冷して冷却速度を上げることも多いのです。

また、後者では、熱処理変寸などの形状的影響を受けるところが割れの起点になりますので、これも、熱処理における問題よりも、設計的な要素が強いといえます。SKD11を液体窒素や水で冷やしても単純な形状では割れません。

炭素鋼など焼入れ性の低い鋼種では、隅部やキー部分からの割れがそれにあたりますし、焼入れ性のいい鋼種でも、角部ではなく陵部や隅部からの割れが多いといえます。

力学的に言えば、圧縮応力ではなく引張応力が材料の持つ限界を超えたときに割れる・・・と説明されますので、割れは形状との関係が大きいと言えます。

冷却速度の違いによる長さの変化
この図は、(c)→(d)のように、冷却速度を早くすると、G点以降で変態の影響で体積変化していることを示す図ですが、焼入れ温度から急冷する際には、品物の各部分に加えて、内部と表面で温度差が生じることで熱応力が発生します。

また、この図のように、焼入れ温度に加熱されているときは、オーステナイト組織ですが、硬化してマルテンサイト化すると体積が膨張するため応力が発生します(変態応力)。これらが複雑に作用して、集中すると、材料の応力に強度が負けてしまうと割れます。

このために、品物を冷却中に冷却剤(水や油など)から引き上げるなどで対策をすることも多くあります。(このことで焼入れ硬さがでないなどの問題が出る場合もあります)

最近は焼入れ性の良い鋼種を使用される傾向にあることや、鋼材の清浄度などが向上していることもあり、焼割れの頻度は低下しています。しかし、焼割れは、表面の鋭角部や隅部で発生することが多いなど、加工形状の影響をうけやすいので、面取りをしたり隅部にはR加工するなどの熱処理前の配慮が必要です。

品物が焼割れした場合に、その原因を探すことは大変です。

私の友達が熱処理業をしていて、そこから当社に熱処理を頼まれたSKD11の大きな品物10個のうち、3個が大きく焼割れさせてしまったことがあります。その時、彼が言ったことは、「割れるものは割れるので仕方がない」でした。非常に意味深いことばと感じています。

昨今では、熱処理事故品の調査報告を見ると、針でつついたような原因を探し当てて「これが原因と考えられる」と結言している報告書などが増えている感じがします。これは、分析機器など、検査のための機器が進歩したこともありますが、例えば、割れの起点に炭化物や介在物があるのを見つけて、「これがわれの起点になっている」と書いてあるようなものですが、そんな単純なものではないはずです。


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(来歴)H30.11 文章見直し

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