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こ の処理は鋼を硬く、強くするために行う熱処理です。硬く焼きを入れるにはオーステナイト化温度から急冷を行うことが必要です。急冷をクエンチング、硬くす ることをハードニングと云いますが、急冷が必ずしも焼入れではありません。急冷しても硬くならない時は水靱処理(SC、MnH材)とか固溶化熱処理 (SUS304材)とか呼んでいます。したがって、焼入れの場合はクエンチング・ハードニングと呼ぶのが正解でしょう。なお、焼入れのルールは、

①A3又はA3-1変態点以上+50℃に加熱し、十分にオーステナイト化させます。

② 臨界区域を急冷し、危険区域は徐冷します。オーステナイト化温度は、焼入れルールの内で最も大切なのは急冷方法です。臨界区域のみを急冷し、危険区域は徐 冷する。そのためには、種々知恵を出さなければなりません。臨界区域を速く冷やすには水や油を使いますが、水は危険区域までも速く冷やし、焼割れや変形が 生じやすくなります。油では火災などの危険性もあります。そこで最近ではポリマー焼入冷却剤が活用されていますが、オールマイティではありません。焼入冷 却のコツとして、割れず、硬く焼入れるには〔速く、ゆっくり〕冷やすことです。どうしたら良いでしょう。ここが熱処理屋のノウハウなのです。

(1)引上げ焼入れ

速 く、ゆっくり冷却を行う方法は、引上げ焼入れです。時間焼入れとも云っていますが、これはオーステナイト化温度から焼入液の中に投入後、ある時間経過した ところで引上げてゆっくり冷やす方法です。焼入液の中に漬けておく時間は、液の種類と処理品の大きさによって違いますが、大体の目安は、

     水焼入れ:品物の直径3mmにつき1秒間水浸漬

油焼入れ:品物の直径3mmにつき3秒間油浸漬

(板厚の場合は浸漬時間は50%増)

です。浸漬後は引上げて空冷で良いのですが、水の場合は空冷よりも油冷が効果的です。

(2)マルテンパー

この方法は〔割れず、硬く、曲がらず〕焼きを入れるのに、最も適した処理方法の1つです。油又は塩浴をMs点の温度付近に保ち、この熱浴に焼入れし、表面と内部が同じ温度になった頃見計らって引上げます。

(3)オーステンパー

マ ルテンパーよりもさらに高い温度(300~500℃)の熱浴を用い、この中に焼入れを行い変態が完了したら引上げて空冷を行います。この処理はS曲線を上 手に使うことと、部品を変態終了まで保持しなければならないため、あまり大物は処理できません。得られる組織をベイナイトと云い、焼戻し無しでも相当硬 く、また、じん性があります。S曲線の鼻直下のオーステンパーで得られる組織を上部ベイナイト、Ms点に近いところでベイナイト変態を起こさせた組織を下 部ベイナイトと呼び、硬さは処理温度が低い方が大きな値を示します。

焼入れの注意事項

(1)焼入冷却液

焼 入冷却液の種類と性能には、水、油、熱浴種々ありますが、水は冷たく人肌以下に、油は熱く80℃程度が常識です。水が人肌以上になると冷却速度が小さくな り硬くなりません。また、油は温度が低いと粘性が高くなり、冷却速度が遅くなります。油の場合はホットクエンチと云って、120~150℃程度に温度を上 げて用いていることもあります。これは焼入ひずみが少なくなるので、精密部品の焼入れなどに利用されています。焼入冷却液の冷却能力は、撹拌の程度によっ ても異なります。均一に急速冷却するためには、工夫をし十分に撹拌する必要があります。まず、真っ赤に加熱された鋼を冷却剤中へ投入します。鋼に触れた液 体の表面は、沸点まで温度が上昇しますが、この一瞬の間鋼の表面は熱を奪われますから、温度がわずか下がります。続いて鋼の表面は薄い蒸気膜で全面が覆わ れます。この蒸気膜は断熱の働きをするため、冷却は緩やかとなります。この段階を蒸気膜段階と云います。さらに鋼に触れている部分は、猛烈に沸騰を始め蒸 気の泡が出ます。この蒸気が鋼から離れるとき熱を奪い冷えてくるのです。この段階を沸騰段階と呼んでいます。また、冷え始める時の温度を特性温度と云って います。この段階は非常に重要で、焼きが入るか否か、つまり前述した臨界区域に相当するところです。なぜ均一に十分撹拌しなければならないか、理解をして 頂けたと思います。さらに鋼の温度が下がり、約400℃位になると沸騰もおさまり、対流をし始め冷却が緩やかになります。この段階を対流段階と云います。 この後の冷却でマルテンサイト変態が開始するのです。この段階が速いと焼割れや焼ひずみが生じやすくなります。また、同じ液でも部品の形状や大きさによっ て、冷え方が異なります。焼入れに当たっては、この冷え方を十分に頭に入れて、各部が一様に冷えるよう考えましょう。

(2)焼入硬さ

焼入れを行うと硬くなります。工具鋼材の場合はW、Cr、Vなどの合金元素によって変わりますが、構造用鋼の場合は、含まれているC%の量のみによって変化し、合金元素には影響されません。つまり、構造用鋼の場合は、

最高焼入硬さ(HRC)=30+0.5C%(フル・マルテン)

最低焼入硬さ(HRC)=20+0.5C%(ハーフ・マルテン)

例えばS45Cの場合には、

最高焼入硬さ(HRC)=30+0.5×45=53

最低焼入硬さ(HRC)=20+0.5×45=43

になります。この関係式はSCM435などの場合においても同じです。

(3)焼入深さ

焼 きがどの程度の深さまで入ったかは、含まれている化学成分によって大きく影響されます。この焼入深さを左右する性質を焼入性と云います。焼入性に最も影響 を及ぼすのがC%です。次はB、Mn、Mo、Crに順で影響をしますが、SiやNiはそれほど影響をしません。また、焼入性にはオーステナイト化温度にお ける結晶粒度の大きさも影響します。結晶粒が粗いほど焼入性が大きく、深く硬化します。一般的に焼入性が大きい鋼(特殊鋼)は油焼きで十分硬くなります が、小さい鋼(炭素鋼)は水焼入れでなければ硬くなりません。

④質量効果:同じ成分の鋼でも太さや厚みが異なると、硬さが入り難くなり ます。つまり、硬さと深さは鋼材の質量によって変化するのです。これを焼入れの質量効果と呼んでいます。質量効果が大きいと云うことは、鋼材の大きさに よって硬化の差が大きいことを意味し、大物になるほど焼きが入りにくと云うことになります。また、逆に質量効果が小さいと云うことは、質量による影響が小 さく、大物まで良く焼きが入ると云うことになります。一般的に炭素鋼は質量効果が大きく、特殊鋼は小さいと云えましょう。

焼戻し(T)

焼 戻しとは焼入れ又は焼ならしを行った鋼について、硬さを減少させ粘さを増加させる目的で行う熱処理です。一般的に焼戻温度は粘さを目的とする構造用鋼など の場合は、400℃以上の温度で、また、硬さを必要とする場合には200℃前後の温度です。高温の場合を高温焼戻し又は調質、低温の場合は低温焼戻しと呼 んでいます。なお、焼ならしの後に行う場合はノル・テンと云っています。いずれの場合も、

①A1変態点以下の温度で加熱します。

②SKD、SKH材を除き、高温焼戻しの場合は急冷、低温焼戻しは空冷です。

焼 戻しは原則として、焼入れ直後に行います。焼入れ後長時間放置しておくと、置割れが発生する場合があるからです。焼戻保持時間は1時間程度を標準にしてい ますが、長時間1回行うことよりも、短時間で2~3回繰返し行う方が効果的です。また、焼戻し温度においては、ぜい性を起こす温度があるから、注意をする 必要があります。

    低温焼戻ぜい性=300~400℃

(鋼材特有な性質ですからこの温度では絶対に行ってはいけません)

高温焼戻ぜい性=550~650℃

(空冷を行うと生じます。加熱温度から必ず急冷をしましょう)

(1)低温焼戻し

高 い硬さと耐摩耗性が要求される工具類やゲージ類には、この低温焼戻しが行われなます。焼戻温度は150~200℃であり、保持時間は1時間が原則です。低 温焼戻しによって、硬くてもろい焼入マルテンサイトが、粘い焼戻マルテンサイトに変化します。また、焼入れによるストレスが除去でき、経年変化の防止、研 磨割れの防止、耐摩耗性の向上などに役立ちます。

(2)高温焼戻し

高温焼戻しは強じん性が要求されるシャフト類、各種 の歯車類、また、SKHやSKDなどの工具類に適用されます。強じん性を必要とする場合には、550~650℃に1時間程度加熱し、高温焼戻ぜい性阻止の ため急冷をします。得られる組織は約400℃焼戻しでトルースタイト、約600℃でソルバイト組織となります。いずれの場合も基本的にはフェライトとセメ ンタイトの混合相です。また、焼戻硬化用の戻し温度は500~600℃で、冷却は空冷です。この処理によって、焼入れによって残っていたオーステナイト (残留オーステナイト)がマルテンサイトに変態します。したがって、急冷では焼割れと同じような割れを生ずる恐れがあるからです。1回目の焼戻しで残留 オーステナイトをマルテン化させ、2回目で本来の意味の焼戻しと云うことになります。つまり、硬化用では必ず2回以上は行う必要があります。

なお、焼戻温度と長さの関係には、3つの段階が考えられます。

第1段階:80~160℃の範囲で収縮が起こります。これは正方晶のマルテンサイトの分解とFe2.3Cの析出が起こるためです

第2段階:230~280℃の範囲で起こる膨張です。これは残留オーステナイトが下部ベイナイトに分解する過程です。残留オーステナイトが存在しない鋼やサブゼロ処理した鋼には現れません。

第 3段階:300℃位に現れる大きな収縮で、立方晶のフェライトとセメンタイトが出現するため、大きな収縮が起こります。また、一般的に硬さはセメンタイト が析出し、さらに凝集してくると低下する現象を示しますが、高速度鋼や合金鋼のような合金鋼は500~600℃焼戻しにおいて上昇します。このようにある 温度で硬さが上昇する現象を二次硬化現象と云っています。これは残留オーステナイトのマルテン化と複炭化物の析出によるものです。なお、高温焼戻しで硬さ が低下する度合いを、焼戻し軟化抵抗が大きい、小さいと表現をしています。したがって、Ⅳ形の硬さ曲線を示す高合金熱間金型用鋼などは、高温での軟化抵抗 が大きいといえましょう。

サブゼロ(深冷処理)

サブゼロ処理は深冷処理とも呼ばれているもので、0℃以下の温度に冷やす処理です。焼入れした鋼中には多少(10~30%)に関わらず写真8に 示す残留オーステナイトが存在しています。このオーステナイトは置狂いや置割れの原因となるばかりでなく、硬さの低下もきたしています。したがって、0℃ 以下の温度に冷やし、人為的にマルテンサイト化させる必要があります。サブゼロ処理はその1つの方法です。寒剤にはドライアイス、炭酸ガス、液体窒素など があります。ドライアイスとアルコール(メチル、エチルどちらも可)で約-80℃、炭酸ガスで-130℃、液体窒素では-196℃まで冷やすことができま す。-80℃程度までのサブゼロを普通サブゼロ、-130℃以下の温度を超サブゼロと云い、温度が低い方が耐摩耗性向上には効果的です。処理時間はその温 度になってから30分程度で良く、保持後は空冷でも良いが、水中か湯中に投入することがベターな方法です。これをアップ・ヒルクエンチングと云っていま す。処理後は所定の焼戻しが必要です。

 

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