熱処理関連の図表の見方を説明します

ここでも図表が小さくして見にくいですが、説明用に引用させていただいているためで、詳しく知りたい方はメーカーのカタログ等を御覧ください。
(ほとんどはWEBで公開されています)

ここでは、日立金属のSLDと大同特殊鋼のDC53を対比させながら、メーカーは何を伝えたいのか、何をPRポイントにして販売するのか、さらに、データを見るときの注意点・・・などを見ていきたいと思います。

(1)焼入れ硬さ

焼入れ温度と硬さ 焼入れ硬さ

メーカーの指定温度範囲は、SLDでは①空気焼き入れ:1000℃~1050℃ ②油焼き入れ:980℃~1030℃となっており、DC53では①一般焼入れ ②真空焼入れ ともに、1020℃~1040℃となっています。

一般的な「焼入れ温度」に対する考え方は、ある鋼種に対して焼入れ温度を上げていったときに、最高硬さになる少し手前の温度が適正焼入れ温度です。

これは、基本的には、最高硬さを出すことが重要ですが、温度が最高硬さ温度を越えると、次第に結晶粒が成長してじん性の低下の原因となるとともに、焼入れ性のいい材料は残留オーステナイトの量が増えることで焼入れ硬さが減少傾向になるためです。

これらのカタログには書かれていなかったのですが、「耐摩耗性重視の品物は指定範囲の高めの温度を、じん性重視のものは低めの温度を・・・」と書いている場合があります。

それぞれに理由はあると思うのですが、私は、指定温度範囲であっても、必要な硬さが出るのなら「低めの焼入れ温度」を推奨します。

少し専門的な内容で、焼入れ加熱時に「炭化物を溶け込ませる」という表現をされる場合がしばしば出てきます。もちろん、焼入れ温度が低くて溶け込みが不完全なら充分な硬さが出ません。

だから、硬さが出るのなら、残留オーステナイトが少なくて、結晶粒が増大させないように低めの焼入れ温度が良い・・・というのが自論です。
もちろん、ここでいう炭化物は共析炭化物で、焼入れ温度で溶け込まない共晶(1次)炭化物ではありません。

ただ、溶け込みについては、小さいテストピースでは、ハイス系を除いて、品物の中心が目的温度になれば溶け込み時間を取らなくてもいいことを確認しています。
そうは言っても、一般の熱処理では、温度の不均一や温度平衡などの制御の問題がありますので、適度な(例えば工具鋼では1インチあたり30分とか、ハイスでもそれより短いですが、適当な)保持時間をとるのがいいでしょう。


(2)焼き戻し硬さと強度・じん性

焼き戻し硬さ1  焼き戻し曲線2

左がSLD、右がDC53です。
この2つの鋼種で違った見方をする必要があります。
SLDでは60HRCが必要なら、200℃程度の焼戻しをしますが、DC53では500℃付近の高温焼戻しをした時に硬さが上がる傾向があり(これを2次硬さと言います)、そのために、200℃または550℃程度で60HRCの硬さになります。
DC53は高温硬さ重視という点を強調しています。

ただ、熱処理をする側から言えば、高温焼戻しはエネルギーを多く使うし、温度保持精度が要求される上に、必ず2回以上の焼戻しが必要・・・などの制約が多いので、コストが掛かる上に手離れが悪いということになります。

冷間工具鋼は使用中の温度が関係しないという方も多いのですが、切削工具の刃先先端は常時300℃以上に昇温していますので、250℃の焼戻ししかしていなければ、使用中に温度の影響を受けて刃先硬さが低下します。

そのため、DC53では、高温焼戻しで硬さが確保できることは長寿命の一つのポイントとです。ただ、SLDでは高温焼戻しでは58HRC以上の硬さは望めませんので、この点はDC53の強みでしょう。

(3)焼入性

焼入れしたときに、①表面硬さが高いこと②内部まで硬さ低下が少ないことを「焼入性がいい」と表現します。

もちろん、十分な硬さが入らない理由は、成分的なもの以外には、品物の大きさなどに伴う冷却速度などの要素があります。このことを実用的なもので表現しようとしているのが日立金属の「半冷時間」という考え方です。

一般的には構造用鋼などの焼入れ性を見るために、連続冷却曲線(CCT曲線)やジョミニー焼入れ性試験などを利用しますが、これは小さな試料で専用の装置で試験をしたものですが、顕微鏡組織・その常温硬さを合わせて変態組織の様子を描き、それを伝達方程式などを用いて丸棒径に置き換えて示すなどの方法がとられます。大同特殊鋼の下の2つの図などがそれです。

しかし、SLD・DC53などの焼入れ性の良い材料は、200℃や300℃といった低温域で等速に連続冷却することは不可能で、また、現実の熱処理でも焼割れや変形を防ぐためにその温度域を速く冷却することはしません。
このため、大きな径の品物の硬さをCCT曲線から推定するのは現実的ではないので、日立金属では低温域を考えなくてもいい、下に示した「半冷時間」を考え出したようです。これを考えた技術者に感心しています。

私なりに、簡単に半冷時間の図を説明します。
下図で、室温が30℃のときに、SLDを1020℃から焼入れし、その中央温度(1020+30)÷2=525℃までの時間とそれを室温まで空冷した硬さに統一して表すようにすると、下図右にあるパーライト変態域(P)やベイナイト温度域(B)、残留オーステナイトの影響などを除外できるので同一的に見ることができて非常に都合がよいのです。

Ms点直上の温度域(ここでは200℃付近)は、変形や焼割れの懸念があるため、現実の油焼入れでは等速で完全に室温まで冷やすことはありません。

もしも検討したい鋼種の半冷時間の図があれば、冷却を遅くする条件(たとえば、温度を上げた雰囲気中で冷却するなど)で冷却してやれば、小さな試料で遅い冷却のシミュレーションができるために、非常に応用範囲が広い熱処理試験ができます。

これを使用すると、例えば、使用中に破壊した品物の組織や硬さから焼入れ冷却過程を推定するなどの確認ができることになります。

大きな品物の中心温度を測定することなどは、現実的には困難なので、この半冷時間と冷却シミュレーションソフトを使って、実際の焼入れ冷却過程が推定できます。このために、この半冷曲線は、熱処理を考えるためのツールといえます。

このカタログなどで SLD・DC53SとSKD11の違いを出されても、ただ「これらの焼入れ性が優れています」というだけで何の利用価値もありませんが、他鋼種と比較したり、先ほどの冷却過程の妥当性などを考えるばあいには強力な武器になります。

下図の連続冷却曲線(CCT図)は、SLDではφ100でも空冷で60HRC以上の硬さが出るということを表示しており、DC53はφ150のものでも不完全焼入れ組織にはなりませんよ・・・ということが示されており、それぞれのメーカーは、これらの鋼種はいずれも非常に高い焼入れ性があることを示しているという図表です。

もちろんこの2社だけでなく、他の工具鋼メーカー各社も、大径の品物の中心硬さや、例えば油冷する場合などの大径品の表面硬さや中心硬さが推定できる図などを作成しています。

ただ、このカタログにある図からだけでは、これをどのように使うのかはわかりにくいのですが、たとえが、これの用途としては、何か品物のトラブル(事故)があったときに、それが冷却の問題かどうかなどを考えられる手段にはなるかもしれません。


半冷曲線 ← 日立金属の半冷曲線
下は、大同特殊鋼の資料
CCT 1CCT 2

(4)熱処理変形(変寸)

SLD変寸DC53変寸

左がSLD、右がDC53の例です。
これはあくまで変寸傾向を示した一例で、一般の品物が必ずこの様になるとは限っていません。

基本的には、焼入れでマルテンサイトが生成して体積が膨張し、それが、焼戻し温度とともに収縮していき、2次硬化によって、再び伸びる方向に変形(変寸)するという傾向になります。

もちろん、焼入れ時のマルテンサイトの生成率や残留オーステナイト量は一定ではないために、変寸率は一定しないというのが実情です。

この図は一般的傾向を示しているということで見ていく必要があります。
実際の品物を熱処理した時に、どれだけ変形や変寸があるのか・・・という情報にはならないことに注意します。

すなわち、熱処理条件や材料の履歴、品物の大きさ、材料どりなどが違えば全く数値が変わりますので、これを絶対値ととらえてはいけないのですが、この図に示される傾向は大切です。
この傾向は、熱処理をするときに重要で、これがあれば(品質は別にして)ピッチ誤差や変形を修正できることに利用できます。

今日、品質(特に硬さ)を落とさずに変形を少なくするという要求は強いのですが、材料履歴(鋼塊の大きさ、鍛錬比、材料方向など)によって、その数値が大きく異なるのが現状で、現実的にはそれを把握してコントロールするのは難しい状況です。

特に、大きな品物になると、焼入れ冷却中には、表面と内部で温度が異なり、その熱膨張収縮や変態温度などの熱処理要因が変形変寸の原因にもなっているのですが、言い換えれば、それを反対に利用して変形を少なくすることができる可能性が秘められていると言えます。

つまり現在では経験的、確率的にそれを予想して変形を少なくする対策などをしているのが現状ですが、今後、部分的な冷却速度コントロール等によって、変形をコントロールできる可能性が隠されているということが言えます。

この、熱処理変寸の問題は、例えば、同じ成分系統のSKD11相当品といえども、メーカーによって、また仕入先が異なることによって、素材のサイズによって・・・などなど、予期できない鋼材の履歴が充分に把握することができないために、熱処理すると変寸量がバラバラになってしまうので困ったものです。

それを層別して、ばらつきの減少をいろいろ試みたことがありましたが、結局、変形に及ぼす要素が多すぎて実用的な成果が得られませんでした。

しかし今日では、非接触の3D測定器や測定値の数値処理が簡単にできる機械装置などもあるので、もっといい基礎データが作れそうに思えますが、この変寸問題は最後まで解決しにくい一つだと思います。

(5)残留オーステナイト

残留オーステナイト1残留オーステナイト2
これらは日立金属の資料、下は大同特殊鋼の資料です。
残留オーステナイト3

「残留オーステナイトの功罪」という表現を聞いたことはありませんか?
組織中に残留するオーステナイト組織は、柔らかい組織ですので、衝撃試験などでは一時的なショックアブソーバーになって衝撃性を高めます。
しかし、経年変化や温度による分解が起こる可能性が高いので、製品になってからの変形や破壊の原因になります。
このために、トータル的には残留オーステナイトは好ましくないと考えています。

特に、加工誘起マルテンサイトといって、強い変形によって、それが「マルテンサイト」という「焼入れたまま」の組織になり、もろくなるために、破壊の原因になるという考え方があります。

これらの時効変形や時効割れ、加工勇気マルテンサイトの生成などの主原因の一つは、残留オーステナイトと考えられていますので、残留オーステナイトはいいところよりも悪いところのほうが多いと考えています。

もちろん、残留オーステナイトを少なくする焼入れ方法は、この図からわかるように、焼入れ温度を高くしすぎないことが重要です。
と言っても、現実的には、熱処理を一般の熱処理業者にそれをお願いするので、それは難しいかもしれませんが、不具合対策として知っておくといいでしょう。

DC53では500℃以上の高温焼戻しを推奨していますので、残留オーステナイトが減少するのは品質面では非常に有利な点といえるでしょう。(しかし、完全にそれが分解してなくなるのは560℃程度とされています)

残留オーステナイト量は冷却速度の影響もある例が示されています。
油冷するほうが残留オーステナイトが少ないという結果があるのですが、これは、小さな試験片の例であって、実際の熱処理条件ではないので、鵜呑みにしてはいけません。

この私の考え方にも異論があるのでここでは詳しく説明しませんが、通常の熱処理作業では焼割れや異常な変形を防ぐために常温まで冷やさずに焼戻し操作に入るために、焼入れ変態が完了する温度(Mf点)を無視する傾向にあります。
このために、小さな試験片と実際の品物とは違うと言えますので、ここの示された内容とは変わってきます。

ここでは、実際の熱処理操作で工具鋼の残留オーステナイトの影響を少なくするには、焼入れ温度を高くしすぎないことと、(低温焼戻しであっても)確実に2回以上の焼戻しをするということが重要だということを覚えておいてください。

(6)耐摩耗性・その他

SLD摩耗曲線

一般的に、耐摩耗性は①かたさ ②炭化物量 ③炭化物の大きさ ④炭化物組成 で決まります。
しかし、摩耗試験をしてみると、『摩擦条件』によって、とんでもない結果が出ることが多いので、摩耗試験の評価は大変難しいものです。

耐摩耗性とじん性はそう反する(負の相関)ものですので、メーカーはこれらに優れているという比較データは出しにくいでしょう。

両方(SLDとDC53)のカタログでは、この図が示されているだけです。
ですから、これを見て何を判断するのかも難しいことです。

この「大越式」の試験機は、簡単な試験で結果を出しやすいので、鋼材メーカーでは多く採用されているようですが、これは、1つの摩擦条件における結果だけですので、これで耐摩耗性の優劣を単純評価するのは難しいです。

通常の鋼種間の耐摩耗性比較は、比較的低摩擦速度(図の数値で、摩擦時の滑り速度が1m/s程度)で比較するという方法を取ることが多いようです。

近年は、ここにある「大越式・・・」という試験機で示されるデータが多いようで、「低摩擦速度」では、1回の試験が数分で終わりますので、(計測は大変ですが)簡単に評価が出ることでメーカーの都合で採用されている感じがしています。

多くは、摩擦速度が1m/秒程度の数値で鋼種間の相互比較をされていることが多いようですが、これでも工具などで考えると、実際の加工速度に比べてかなり速い速度の感じがしますので、これらの数値も「一つの指標」と考える程度にして、やはり実際の使用した状態をもとに、硬さを上げたほうがいいのか、鋼種を変えたほうがいいのかということを見ていかなければいけません。

【最後に】ここでは、メーカーのカタログ値だけを紹介しましたが、現実的には、実際にはどのように評価していいのかは難しいなど、いろいろな問題があります。また、ここで示されたデータは、小さな試験片のものです。実際の品物になると変わってきます。

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