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割れの原因

【キーワード】焼割れ・焼戻し割れ・脱炭
一 般的に、焼入れ時の割れについては　①内部応力　②残留オーステナイトによる影響　などによって材料の強度をこえた力で（特に、引張応力が加わる部位に） 　生じるとされています。
焼入れ時の割れの大半は冷却過程で発生します。　冷却中の品物の表面と内部の冷却速度や各部位の温度差やマルテンサイト 変態の割合が各部位で異なることで内部応力が発生します。　これは、マルテンサイトの生成によって「体積膨張」するためで、この変態による応力と熱応力 が、材料の持つ引っ張り強さをこえた部位で変形や割れが発生すると説明されることが多いようです。
Ｍｓ点直上の温度に焼き入れするソルトバスなど で行う「マルクエンチ」（次項に説明）は内外の温度差を少なくして焼入れするための効果的な方法とされています。（Ｍｓ点：焼入れ冷却中にマルテンサイト が生じる温度。これに対して、マルテンサイト変態が終了する温度をＭｆ点といいます）
焼戻し時の割れも、上記の①②で生じるとされており、熱応力 と変態応力によって発生します。　焼入れ性の良い比較的大きい品物に発生しやすい特徴があります。　
焼戻しの際にも急速加熱、焼戻し温度からの急 冷などが原因となることが多く、割れなくても曲りが発生するなどの弊害が出ますので、特に大型品については加熱冷却をゆっくりと行うことが大切です。
焼 入れ加熱中に生じた脱炭が割れの引き金になる例があります。　近年は「真空」「無酸化」「ソルトバス」などと酸化・脱炭雰囲気でない良好な加熱炉が多く なったために脱炭によるトラブルはほとんど見られませんが、大気雰囲気での加熱で脱炭が発生しますと表面に引っ張り応力が発生し、脱炭部の強度不足から割 れが発生しやすくなります。　（別 紙図8-47に脱炭によって変質したことを想定した膨張量の違いの例を示します）
【コラム】　
昭和の後期は、いろいろな新鋼種が 生まれたり、いろいろな技術も生まれて、思い出も多い時代でした。　当社も鍛造型材を多く熱処理していましたが、特に、あるメーカーの新鋼種で、3ヶ月に 1度くらいの頻繁さで、焼入れ冷却中の焼き割れに遭遇した経験があります。　
夜中に大きな金型の冷却途中に「ピーン」「キーン」といって割れる音 は品物が泣いているようでした。割れ始めるとどうしようもありません。　ばらばらに割れてしまうのかと、翌日に明るい所で見てみると、対して割れていない のが不思議でした。　割れが内部に進行する音だったのでしょう。
当時は大気雰囲気で表面に脱炭が発生していましたし、作業時間の都合で、すぐに焼 戻しできないことがあるなど、作業側の問題もあったのですが、割れが出やすい鋼種が特定されていたり、割れた現物を調査してみますと材料欠陥や鍛造不良な どもしばしば見受けられましたので、材料品位による遠因も多くあったようです。　
当時、当社の型材の多くが熱処理後に加工されるものが多くて、加 工度が低いこともあって、依頼される会社も材料メーカーも、「割れるのは想定範囲」というところがあって、「またか・・・」で済ませてしまうこともしばし ばあった記憶があります。
近年は材料の製鋼技術の進歩が著しく、品質が向上したためか、「割れ」の熱処理不良は激減しています。その反面、ひずみ （曲がり）によるトラブルが多くなっており、曲り取りの過程で割れてしまうなどの例も増えています。　つまり、割れの問題よりも曲りの問題のほうが厄介に なってきています。　特に、当社のような委託熱処理業者にとっては、繰り返して同じ物を同じ仕様で熱処理する場合は少なく、出来るだけ効率よく処理するこ とが儲けにつながりますので、一般的な対策が難しい場合も多く、今後も曲りとの戦いになるのでしょう。
不具合が起きると「原因」「対策」「再発防 止」「予防処置」と責められている若い人たちを見ると昔は良い時代だったんだなぁと思ってしまいます。　ある意味で人間らしさがあったようですし、それが 真のレベルアップにつながっていたようにも思います。（コラム：野中）

ソルトバスによるマルクエンチ

【キーワード】 不完全焼入・マルクエンチ
簡単に変態・組織に触れます。少し専門的な話になりますので読み流していただいて結構です。
焼入れの話に戻りま すが、焼入れの冷却の際に、冷却速度が遅くなるとマルテンサイトにはならないで焼戻しの際にその温度を高めていったときに出来るような組織になっていま す。　以下の別図などにベイナイト、パーライトなどとあるのがそれで、焼入れ時に生じると「不完全焼入れ組織」とされるものです。
これらは焼入れ 硬さを低下させ、機械的性質も低下させるために好ましくないのですが、これは鋼材本来から決まっている性質で「焼入れ性」が低いとか、品物が大きくて速く 冷却できない場合もありますので、この場合の組織の劣化は避けて通れないものです。
別図8-6と8-4、8-38を 見てください。　まず8-6は恒温変態曲線（Ｓ曲線、ＴＴＴ曲線）と呼ばれる図で、焼入れ温度から指定の温度まで急冷し、その温度を保った時に時間が経過 するとマルテンサイトではない組織に変わっていく状態を図に表しています。
次に、8-4図ですが、一般には焼入れ温度から水で冷却したり油で冷却 したりしてする場合のように、焼入れの冷却速度を変えて常温まで冷却した場合の組織や硬さを示した図で、連続冷却変態曲線（ＣＣＴ曲線）と呼ばれるもので す。
これらの変態曲線はすべての鋼種で完備されているものではありませんし、実際の熱処理ではこれらに示す連続冷却操作を行うことは無理で、これ らの図は、得られた組織や硬さから冷却過程や組織の状態を考えるためのものとして使うものであって、現実的な実用性には乏しいと思っていますが、次のマル クエンチを説明するために参考に示しています。（実用的にはこれらの線図ではなく、日立金属（株）で作成されている半冷曲線を硬さ推定用に利用して います）
図8-38は マルクエンチの操作を含めて説明している図です。
焼入れ温度から冷却する際にはソルトバスなどを用いてパーライトなどが出ない「速い」速度で冷却 し、マルテンサイト変態が始まるＭｓ点直上で品物の温度を保持すると不完全変態組織（たとえば上部ツルースタイトやベイナイトなど）が出現するまでの時間 が稼げるうえに、温度の不均一性をなくすことができます。
マルテンサイト変態は温度低下とともに進行しますので、品物の温度が一定になってから Ｍｓ点以下をゆっくりと空冷すればよく、このために焼割れが防止できます。
これは、Ｍｓ点直上の温度にしたソルトバス中に焼き入れる操作で行いま すが、ソルトバスは油冷程の「速い」冷却速度は得られませんが、それに近い早い冷却でパーライトノーズにかからないような冷却が可能ですので、じん性の高 い熱処理が可能になります。

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