熱処理で硬さを高めるとたわまない?

イメージで話す知識人の話。熱処理の専門家の中には、焼入れをした硬くなった鋼は、「外力を受けても曲がりにくくなる」とか「変形しにくくなる」 という説明や解説をする人がいるのですが、この表現は微妙です。

構造物の強度は、主として材料の持つヤング率などの物理的性質や断面形状が大きく関係しますので、それを理解して説明しないと、とんでもない間違いをします。
もちろん、熱処理(例えば、焼戻し温度)によって、ヤング率や物理的特性(膨張率などの温度的な性質など)は若干変化します。しかし、この変化は、 材質(例えば、鉄と銅など)のような違いではなく、ごく小さなものといえますし、本来、それを求めて熱処理するというのではないので、どちらかといえば、 材料の持つ基本的なものですね。

当社の新入社員などに話すことですが、例えば、SKD11の1cm角の1mの熱処理しない棒の両端を、 「はり」のように支えると、中央部がたわみますが、 それに対して、60HRCに焼入れ焼戻ししたもののたわみ量を比較すると、 たわみ量は少なくなるのでしょうか?・・・と質問すると、多くの人が、「焼入れして硬化させたもの方がたわみは少ない」と予想します。

実際にやってみると分かるのですが、これはどちらも変わりません。なぜなら、焼入れ焼戻しなどの熱処理をすると鋼は 「硬く、強くなる」のですが、 これは、引っ張り強さや圧縮強さ(およびそれに伴って、耐力など)が増すためで、弾性変形域で働く「ヤング率」などの物理的な性質は熱処理では大きく変えられない性質だからですね。

当社では、例えば、20×80×4000mmというような、細くて長尺の金属せん断刃物を製作していますが、硬い刃物でも、簡単にたわみます。そのために、研磨などでは、 エアリー点、ベッセル点などと呼ばれる、2点で品物を支えたときに、どこを支えて研磨すると、最も曲がりが少なくなるのか・・・という知識なども教えられます。

エアリー点

エアリー点:両端面が鉛直に平衡となる支持位置。(WEBの画像をコピー)

熱処理して鋼の強度が上がると、曲げても元に戻る範囲(弾性限)を大きくできますので、外力に対しては永久変形しにくくなり、 変形後に元に戻ってくれる性質が付加されるのですが、 断面積の小さな刃物になると、自重のタワミは、何とも厄介なものです。

また一般的に、「硬さが高くなるにつれて耐摩耗性が高くなり、寿命が延びる」というのが定説です。

TSと硬さの関係 日立金属資料

しかし、 いくらでも硬いほうがいいというのではなく、 鋼種ごとの特性で、ある硬さを超えると、 急激に特性値が変化することを知っておくといいでしょう。
「ピンピンに焼を入れる」ことを希望するのは、問題点もあるという例を示します。

左の図は、日立金属の資料ですが、ある硬さを超えると、急激に引張強さが低下しています。耐衝撃性についても同じですが、 無理な硬さを出すような熱処理はしてはいけないということなのですが、たとえば、カミソリなどの鋭利な刃物では、できるだけ硬さを上げるのがよさそうに思いますが、 硬さが高くすれば「もろく」なって、小さな欠けが発生して、急激に寿命が短くなることもあります。

今ではどうなのかはわかりませんが、昔、安全剃刀の刃をお湯につけてから剃るようにすと長持ちする・・・と言われていたことがあります。 レーザー焼入れなどで、刃先が焼戻しされないままであると、必ずしも、眉唾物ではないでしょう。別の話では、使用を始めるときに、 しょっぱなから急激に硬いひげを剃らないように使い始めると、長持ちするのを経験されてことがあると思います。

これは、摩耗曲線などでも説明されることですし、また、小さなチッピングが剃り味を落としている場合もあるでしょう。
パンチなどの工具でも同様です。SKD11などを高硬さにするときよりも、少し硬さを抑えるほうが長持ちする場合も多いのです。
これについても、焼戻しマルテンサイトや、焼戻しにおけるじん性値の変化などを見ると納得できるのですが、「硬ければいい」というようなステレオタイプの考え方で仕様を決めると、 熱処理をしても思ったほど「性質が向上しない」場合があります。 「正しい熱処理」とともに、目的に応じた熱処理をしなければなりません。
このように、うわべだけの知識だけでなく、形状などの熱処理以外の要素や、熱処理特性の耐摩耗性と靱性などの相反する特性などを知ってこそ 「最高の品物」ができますので、高度で幅広い知識を持つことに損はありません。


業界用語のマルエッチ・マルエヌなど・・・

丸棒鋼のJISに「熱間圧延丸棒鋼」というのがあります。
これに関する業界用語で、メーカーで丸棒鋼に圧延されたものを 「アズロール材(AS-role)」、メーカーが出荷するまでに、ある程度の強度に熱処理(調質)されたものを 「メーカーマルエッチ材」、 焼きならし済みのものを「メーカーマルエヌ品」などと呼ばれます。

当社の熱処理現場でも、焼入れしたままの状態の品物を「アズキュウ(AS-Q)」調質することを「マルエッチする」といった会話が交わされています。 JISの加工記号で、焼なまし=HA ・焼ならし=HNR ・焼入焼戻し=HQ-HT  と表記されますので、これらの業界用語も、お客さんを含めた関係者の間では、何の違和感もなく通用しているようですが、 真面目くさった顔で、 「マルエッチする」 「エッチする」と言っているのは「焼入れする」という意味ですが、初めて聞く人には、不穏な感じがすると思うのですが、当事者は「知らぬ顔」なのが面白いですね。


鋼は素晴らしい金属です

地球上には様々な物質があり、そのうち、「金属」は多様で有用性が高いのですが、ここで主に説明している 「鋼(はがね)」は、 「1KGで比較すると、大根より安い・・・」と解説する書籍がありましたが、確かに、技術の粋を集め、製作手間をかけて作られている割には、非常に安価ですし、 そのうえ、比較的簡単な「熱処理」によって、非常に広範囲に機械的性質や化学的な性質を変化させることができる、金属中で最も優れた金属と言えるでしょう。

この、「安価」ということは重要ですが、ともすれば、どうしても、 「高価」な方向に行ってしまいがちです。例えば、HRC60を得るための材料では、 1kg100円以下の機械構造用炭素鋼から、1kg5000円以上する粉末工具鋼までありますので、「鋼材特性と熱処理」を知ることで、いくらでも コストパフォーマンスに優れたものを考える道があるといえます。


高価な鋼種ほど、機械的性質が優れている?

近年では「高合金化」「高級鋼化」が進みました。そして、Cr、Mo、Wなどの合金元素を多く含むほうが、何かに優れていると思われがちです。 この背景には、 「大きな品物を均一な硬さにしたい」「自動化に対応できるようにしたい」・・・という世間全体の品質要請がありました。 また、金型などの加工が複雑になり、材料費の比率が下がったことで、少々高い材料でもいい・・・ということで、高合金化が進みました。

しかし工具の代表の「刃物鋼」について現状を見ると、現在でも、例えば、日立金属(株)には、白紙・黄紙などの炭素工具鋼や青紙とよばれる低合金の特殊工具鋼など数種類が、 昔ながらに「刃物用鋼」として販売されています。
これらの炭素工具鋼や低合金工具鋼は、ナイフやプロ大工用などの工具や利器としては定評で、切れ味、被加工性などは 非常に優れていると評価されています。

もちろん、焼入れ性も低く、耐摩耗試験をすると、高合金鋼には負けてしまうのですが、「日本刀」などもこの部類で、これは、 簡単に試験できない「切れ味」や「何か」がすぐれているのですから、高合金鋼が良いとか、 高価な材料が良いというものではないということでしょう。

ただ、これらの炭素工具鋼や低合金工具鋼は、水焼入れとか、素早く冷却するという操作が必要です。 このために、自動化され、プログラム化された市中の熱処理屋さんでは、 熱処理できないものも多くなっています。この辺りも、一つの知識として持っておくといいかもしれません。


カスタムナイフファンは最先端?

当社では、昭和50年頃から、カスタムナイフのファンからの熱処理を受注していました。 当時、それを趣味にしている方の多くは、自分で熱処理(一般には、 「焼入れ」と言われていましたが)をしていたようなのですが、 そのころから、外国の新鋼種情報がどんどん入っていて、「焼の入るステンレス」とか、「ハイス」などの高温で焼入れる鋼種が広がってきた時期でしたので、 とにかく、新しい情報があれば、瞬く間にマニアの間に広がっていったようです。

日立金属のATS34なども、 発売された当時から熱処理していた記憶があります。マニアの間では、「高温を必要とする熱処理」がネックだったようで、 それを、当社のソルトバスで熱処理していたのですが、 今から考えると、マニアの方達は最先端を進んでいたのかもしれません。

現在でも、ソルトバスによる個人様向けの熱処理は、営業的にPRしていませんが、このHPをみて問合せされる方には、快く応じるようにしています。今でも、 作り手が満足いただけるようにと、細々とその熱処理を提供しているのは、そういう歴史があったためです。


熱処理で用いる単位について

現在は、「SI単位系」に沿って単位を表示しなければならないのですが、まだまだメートル法時代の[cgs単位系]が根付いています。 熱処理に関係する基本単位は、 「長さ」「質量」「温度」「電流」「時間」程度ですが、そのうち、未だに、質量は「重量」、 温度はK(ケルビン)ではなく「℃」です。

論文や文献では、SIが基本ですので、それを使用するのは当然ですので、温度について言えば、今まで、例えば、焼き戻し硬さを比較するために、500℃付近の温度をよく使うために、 「500℃、525℃、550℃」であったものが、「773K、798K、823K」と表示されます。いっそ、 「750K、775K、800K」という標準的な温度に変わっていってもいいと思うのですが、 熱処理設備のほとんどが未だに「℃」ですので、 当分は、「嫌な表記温度」はなくならないのかもしれませんね。


異材混入は、非常にもったいない

材料の混同は厳禁です。
当社における熱処理時の不具合第1位は、お客さんが間違った材料を持ち込む「異材混入」です。

熱処理後に硬さ測定をして、それが発見されることが多いようですが、違った熱処理仕様で熱処理してしまうと、目的の硬さに仕上がらないだけでなく、材料がだめになってしまうこともあります。

これを防止するためには、きちんとした保管管理が必要なのですが、意外と、「鋼種名」に対するあいまいさがあるようなので、少しその話を紹介します。

鋼種名には、JISに定めた呼び方やメーカーがつけた独自の名前のほかに、標準的でない通称などがまじりあっています。現状の多くの鋼種のほとんどが英数記号ですから、 熱処理依頼の際には、鋼種、記号や数字を間違えないように注意する必要があります。

一度間違った熱処理をすると元に戻せません。お客さんがリスクを承知で再熱処理しても品質は保証されませんし、 熱処理代を再度請求されることになってしまいますのでご注意ください。

鋼種名については、工具鋼の場合には特に、「同じJIS鋼種名でも、メーカーが変われば違った材料」だというくらいの認識が大切です。
鋼材を購入した際には「会社名・鋼種名」を控えておき、途中で混ぜ合わせない工夫をして、そして、 熱処理を依頼する場合には鋼種名を正しく知らせることが重要です。 たとえば、「日立金属のSLD」とか、「大同特殊鋼のDC53」ということをはっきりと伝えると、間違いが生じないでしょう。

SLDとDC53は、全く異なる鋼種・・・ということですが、同じJIS鋼種の「SKD11」も、日立金属では「SLD」、 大同特殊鋼「DC11」、日本高周波鋼業「KD11」・・・などのメーカー名で流通しています。 専門家でも同じだと思っている人がいますが、同じJISのSKD11に包含されるものであっても、「これも、別の鋼種」 だと思うくらいでちょうどいいでしょう。

これら、各社のブランド鋼種は、JISに定めた以上に各社が製品を吟味して製造していますので、 それぞれの特徴があっても当然ですので、JIS名で呼ぶよりも、 メーカー名で呼ぶ習慣をつけるといいでしょう。

きっちり管理しないといけないという1例をあげれば、当社の製品のように、3m以上の製品に穴をあけたものでは、熱処理時の変寸率が1m当り0.1%違うと、 3mmものピッチ誤差となりますので、メーカーの傾向を見つけるためにも、購入方法を一定にすることは非常に重要なことです。

この「熱処理変寸量」は、メーカー毎に特徴があり、圧延過程などの製造方法や鋼塊の断面寸法や鍛錬の仕方、 矯正方法などによって変わるようで、 これもカタログなどのデータ通りにはいかないものです。(小さな品物では、 ピッチ寸法が50とすると、 50mm×0.001=0.05mmですので、変寸率の違いで大きな問題が生じることは少ないでしょうが・・・)

鋼材を大量購入する場合には、「ひも付き」(個別に仕様書を取り交わして購入する鋼材)で購入することもありますが、 普通は、市中材(通常に一般品として販売されている鋼材) を購入することになりますので、 毎回、同じ鋼材屋さんでメーカー名を指定して購入するのもいい方法と言えます。

そして、昔ながらに「ダイス鋼」「ゲージ鋼」「トッコウ」などといった、不明確な昔ながらの俗称名が残っています。 ダイス鋼=SKD11、ゲージ鋼=SK5、 トッコウ=SKS3・・・といった呼び名は、鋼種の少なかった昭和の時代では通用しましたが、 これでは一般の熱処理屋さんも困ります。鋼種名を呼ぶようにしたいものです。


BESTな熱処理は真空炉?

「技術は匠の技を凌駕した?」と思われるほど、昨今の工具鋼の熱処理は真空炉によるものが主流になりました。
大気雰囲気で加熱したものに比較して、真空炉を用いた、仕上がりの美しさが好まれています。
そして、熱処理全般で設備の自動化が進んでいます。
この背景には、鋼材の集約化とともに、焼入れ性が良い鋼種が多くなって、 熱処理が標準化しやすく、簡単になっていることが挙げられます。

ほとんどの真空炉は、ガス(多くは窒素ガス) による冷却をしていますが、油冷などの急速な冷却をしなくても「硬さだけはきっちり入る」という鋼種が主流になっていますので、 設備さえあれば、熱処理はやりやすくなってきているということでしょう。

しかし、加熱設備の性能は上がり、 高度な熱処理技術がなくても熱処理ができるようになったのはいいのですが、いろいろな問題に対処したり、 判断を下すには「人」の能力が欠かせません。しいては、それが工具寿命などに現れるのですが、このためには、熱処理技能士を養成する・・・などで、技術力を支える必要性が再認識されています。
熱処理技能士は、熱処理の広範囲な知識を有していますので、その相談にも乗っていただけるでしょう。


最新熱処理設備の品質は最高?

ここでは、このスペースをお借りして、熱処理する側からの、熱処理の盲点とも思える裏話を紹介しておきます。読んでいただく と、このあたりの内容を知ることで、 自衛手段になるかもしれません。

(1)最新熱処理設備だから・・・の危険性=「焼きが入っていない」「刃先の硬さが甘い」
熱処理のポイントは、「温度+時間(+速度)」です。正しい加熱温度、保持時間、素早い均一な冷却速度・・・に問題がなけれ ば、問題は起きない・・・ということが熱処理の本に書いてあります。

そして、要求する硬さに問題がなければOKで、もしも、熱処理後に目的の硬さが出なければ、熱処理する側は、「材質がおかしい」「熱処理前の加工に問題がある」といい、依頼する側は 、「熱処理の仕方が悪い」という他者責任論が浮上します。

「終わりよければすべてよし」なのですが、ここでは、そうでないと いう話題です。まず、最新の熱処理設備や作業方法でも、落とし穴が潜んでいるお話をします。

考えればわかることですが、大きな品物と薄く小さな品物を同時に炉にセットして、自動で焼入れを行おうとすると、自動搬送し て油の中に冷却されるまでに品物が緩やかに冷えてしまったり、 油中で冷却する時点でも、ほかの品物の影響を受けて、冷却スピードが遅くなったりするために、十分に「焼きが入らない」「焼きが甘い(正規の硬さが出ない)」・・・ という可能性は十分に あります。
(このために、焼入れ性の高い高級鋼を使うことになったことも一つの対応策でしょう) また、ナイフの持ち手では正常の硬さになっているけれども、 測定できない「刃先先端の硬さが低い」というケースなどが生じている危険性は、自動搬送する炉の場合には可能性があります。(窒素ガスなどによる雰囲気冷却でも、 初期冷却速度不足の問題は 発生します) 

古くは、人間が手作業をしていましたが、人は機械よりもフレキシブルで迅速で、五感センサーを働かせて、いろいろな監視をし ながら作業しますので、 上記のような「初期の冷却速度が不足する」という懸念は少なかったのですが、近年では、熱処理設備の 大型化、自動化、作業効率、経済性などが重視されており、鋼種や品物の大きさが違うものを混載して熱処理するケースが多々あり、こうなると、同一条件では冷却されないのが当然です。

それを補うために、空冷でも十分焼きが入る「高級材料」に変わってきていますので、このような不適切な焼入れをした品物でも 、通常の硬さ測定などの検査では、 それが露見しません。つまり、見えない部分で硬さや組織が異なっている可能性があるという ことです。 この対策は、熱処理技術で補うことになるのですが、「自動」や「最新設備」を過信してはいけないということを知っておいて頂きたいためにあえて紹介しています。

もちろん、このような問題は、熱処理業者側に責任があるのですが、このような基本の問題を真摯に考えることができる、肌身で 技術を習得した技能者が少なくなってきています。 当社、第一鋼業でも、国家資格の熱処理技能士の養成に力を入れていますが、自動化されて標準化された工程を見直す能力は、かなりの知識技能が必要です。 機械任せになってしまうと、「硬さ検査では合格なのに、刃物がすぐに切れなくなる」というような、予想もしない問題は起きないとも限らない問題が潜んでいることを頭の片隅に置いておくこともこれからは必要になってくるかもしれません。


熱処理後の硬さは、どうにでもなる・・・

硬さは機械的性質を代用する指標です。ここでは、最適条件でない熱処理を行っても、指定の硬さに合わせることはできる・・・ という怖い話を紹介します。

最良の熱処理条件は「1つ」のはずですが、例えば、焼入れ温度が少々高くても低くても、焼入れ硬さが不十分でも、焼戻しの際に目的の硬さに調節できてしまう怖さがあります。 たとえば、耐熱要素を高めるなどのために、事前に設計して「焼入れ温度を高めにする」というものであればいいのですが、焼入れ温度を高めにして、焼入れ硬さを確保することや、 反対に、もしも、焼入れ 時の硬さが低くなっているときには、焼戻し温度を下げて指定の硬さにすることができてしまうのも熱処理技術なのです。

このような方法でつじつまだけを合わした熱処理では、品物の性能差となって現れます。 しかし、驚くべき、嘘みたいな現実の話なのですが、熱処理屋側の問題ではなく、 品質よりも、「安く、早く」の方を強く望まれるお客さんは意外に多いのです。お客様の要求で、最高の熱処理をしないで、納期や価格を優先してしまうケースもあるのです・ ・・。 焼戻しのところでも書いていますが、高合金鋼における「焼戻し1回」は、教科書的な知識では理解できないことですが、お客さんから、価格を下げるために要求される場合もあるようです。事故が起きると、だれの責任になるのでしょう?


早く冷やしたら「割れる」?・・・

そんなことはありません。 「焼き割れ」は熱処理業者にとっても、お客様側にとっても困りものです。 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。

大きな品物などでは、冷却を早めることによって、寿命改善になりますので、好ましいのですが、反対に、変形の問題が出てきます。

熱処理での曲りは、熱、変態、形状が関係し、それを少なくすることは、難しいことで、曲り対策は今後の熱処理にとっても宿命なのですが、品物の多くが焼入れ性の良い材料に変わって、急冷する必要性がない鋼種に変わってきていますので、その点で改善されてきていますが、お客様は、見えない熱処理品質よりも、曲り(歪 ・変寸)を出さないようにすることを重視されます。
このために、 均一冷却をする必要から、あえて冷却を遅くするという操作を行わなければならない場合があります。もちろん、これは邪道で、熱処理組織などにはよくないことです。 しかし、これをわかっていながら、お客さんの第一要求が「曲りを少なく」であれば、「品質は構わない」という熱処理になってしまうおそれがあるのですが、 こういう矛盾を含む問題については、上の例も含めて頭の痛いことです。 そんな問題もあることを紹介しました。

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