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 熱処理時の変形

 焼入れ加熱中の熱による変形

 焼入れ時の変態による変形

 焼戻し時の変形

 寸法変化(変寸)のとらえ方の難しさ

 変形の除去

 時効変形(経年変化)

 焼割れ・焼戻し割れ


熱処理時の変形

   

ここでは、品物が熱処理中に変形する場合について考えてみましょう。
熱処理中の寸法変化例 この図は、共析鋼(炭素量が約0.8%の鋼)の、温度に伴う長さ変化を示す例ですが、(a)~(d)に向かって、焼入時の冷却速度を速くした場合の寸法変化を示しています。

これを見ると、加熱の段階では、右上の700℃あたりまでは、熱膨張によって、温度が上がるにつれて寸法が伸びていています。 これが熱による変形が生じる要因ですが、冷却速度が比較的遅い(a)(b)では、 途中、昇温中のB、冷却中のCに達すると、直線性に変化が見られます。これは、変態(相変化)が生じているためです。
ここでは、冷却速度が比較的遅い(a)(b)では、常温に戻った時の寸法変化はありません。すなわち、冷却速度が遅いと、「C」部分で変態(組織変化)していても、常温に戻れば元の寸法に戻っています。

これに対して、(c)(d)のように冷却速度が速くなると、この場合は、長さが伸びて、もとの寸法に戻らないという様子がわかります。マルテンサイト変態などがおこっているのでしょう。また、速度によって、変化の程度が変わっています。 これが、変態による変形要因になります。

すなわち、熱膨張範囲(ほぼ直線に伸び縮みしている温度範囲)では、品物の温度差を少なくすることで変形が防ぐことができますが、 冷却が早くなって焼入れ硬化すると、寸法(体積)変化して、元の状態に戻らないために、品物の形によって、変形がより複雑になってくると言えます。

これは、長さだけの変化を見ていますが、通常の品物では3次元的な変化となって、その変形の様子は、非常に複雑になります。
このように、熱処理での変形の原因は、①熱に伴う膨張収縮と、②変態時の組織変化に伴う膨張収縮の両方が関係します。ここでは、前者を「熱による変形」、 後者を「変態による変形 」と呼んでいます。
これ以外の変形に及ぼす要因としては、機械加工時の加工による残留応力や 鋼材の成分などの不均一さ、焼なましなどの熱処理不良などが、特にその後の焼入れ加熱の時に重なって影響します。
余談ですが、このグラフの「G」点は、焼入れにおける「Ms点」に対応しています。


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焼入れ加熱中の熱による変形

加熱中の品物は熱によって膨張します。一般的な鋼は平均的に0.000011程度の線膨張係数で、成分や組織の状態によって、少しだけ変わります。体膨張係数はその3倍です。
上図からわかるように、 変態する温度以下の加熱冷却では、ごくゆっくり加熱冷却して品物の各部に温度差がないようにすれば、変寸は生じますが、変形はしないと言えます。

しかし、実際には、品物全体で温度差がない状態に加熱冷却するのが難しいので、この、熱による変形を少なくするために、できるだけゆっくりと加熱する以外に、「予熱」をすることでその対策ができる場合があります。
冷却の場合は、焼入れの効果(例えば、硬さ)などが変わりますので、簡単に説明するのは難しく、他のページに説明していますが、恒温処理や冷却制御などが考えられます。

予熱は、ある温度で品物を保持して、品物内外の温度を一定にする操作ですが、ある体積を持った品物を加熱する場合は、表面から内部に熱が移動しますので、 特に凸部や角部が凹部や隅部に比べて昇温しやすいことから、大きな品物や形状の不均一な品物の変形を防ぐためには、ゆっくり加熱したり、予熱段階を入れることは効果的な方法です。 しかし、これらは、熱処理時間長くなり、不経済になります。

鋼の焼入れにおける予熱温度の第一候補は、730℃付近のA1変態点と呼ばれる温度を基本に考えます。
その前後の温度で品物を均一な温度にすることで、熱膨張に伴う変形を軽減しようという考え方です。

もちろん、変態点以下と変態点以上のそれぞれで温度を保持するほうがいいのですが、時間の制約などから、実際的には、変態点以下のものを省いて、 焼入れ温度における温度の均一性を重視して、750℃~800℃程度だけの予熱を採用することも多いようです。これをしばしば、「1段の予熱」というように、階段に例えた言い方をする場合があります。

A1変態点は、 鋼の結晶構造が体心立方晶から面心立方晶のオーステナイトという状態になる温度で、その温度は、昇温速度が速いと高温側に移行することや、 鋼の成分も内部的に変化します。

もちろん、形状が複雑であったり、大きかったりすると、その他の温度を加えて段階的に昇温する場合がありますが、これも、品物内の温度勾配を少なくして、変形を押さえる目的で実施されます。

加熱中の鋼は、高温状態では軟らかくなり、品物の持っている強度(硬さ)が低くなっていき、応力が解放されやすくなりますので、その過程で、温度を均一化することにより、変形を押さえようという考え方です。 (応力とは、品物の内部にある力で、これが変形にも関係しますが、「硬さ」を生み出しているものでもあります)

この変形を少なくするために、加熱炉にセットする時に、品物をまっすぐにたてて保持したり、吊り下げたり、変形を拘束したり、 当てがねをしたり、炉などへの装入のしかたを工夫するなどの、変形を予防したり、矯正する処置がとられます。
その他に、 極端に熱源に近づけないことなどの操業中の配慮が必要ですが、時間+温度の変化があるので、これらは経験による対応も重要になってきます。


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焼入れ時の変態による変形

熱による変形のほかに、熱処理では、変態時の変形も重要です。加熱中にオーステナイトになるときに変態によって体積が減少します。 そして、品物の焼入れ冷却時には、オーステナイトが焼入れによってマルテンサイトに変化するときに体積が膨張します。また、温度勾配が大きいと、 熱による変形が加わりますので、断面形状が非対称のものでは、さらに変形動向は複雑になります。

焼入れによって生じるマルテンサイトは、温度の降下とともにその量を増しますので、Ms点に近い温度域において、 各部位を均一に冷やすことが変形を少なくする要素の一つと言えます。

焼入れ時の冷却過程は、書籍などでは、単純に「連続冷却」を前提にして説明されることが多いのですが、現実的には品物内でも不均一な温度になっているので、熱処理変形の対策としては、特に、 Ms点付近(焼きが入り始める温度付近)の温度降下を調節して変形を少なくする操作をすることになります。

この方法は、例えば、油冷などでは冷却途中で引き揚げて冷却速度を調節したり、冷却剤の温度を調節したり、冷却性能を調節した冷却剤を使う・・・などがあります。

変形は、焼入れによって生成したマルテンサイトと、変態しない残留オーステナイトの割合にも関係します。また、一般的に、 高合金鋼では、冷却速度が遅いと残留オーステナイトが増える傾向があったり、マルクエンチなどでもそれが増加するというデータがあります。・・・といっても、予測や対策は簡単ではありません。

冷却時における変形を抑制するための方法として、金型(治具)で品物を拘束して焼入れすることで変形をおさえる方法があります。 これは大きな治具を用いて品物を挟み込むなどの、「プレスクエンチ」「金型焼入れ」などと呼ばれる方法があります。

また、変形は焼入れ時に発生しやすいので、曲りの方向を予測してあらかじめ逆方向に変形させたものを焼入れる場合もあります。しかし、 この方法は経験と熟練を要しますし、定常的に処理される品物以外では、この対策は取りにくいものです。


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焼戻し時の変形

焼戻しの際にも組織変化と熱によって応力解放が進行します。(焼戻しの項目を参考にしてください) もちろん、その組織変化に伴う変形と、加熱中の熱膨張の影響を受けます。

変形することによって、「品物の応力は均一化される傾向になっている」といえますので、それを無理に拘束すれば偏った応力が残ることになり、 割れてしまうこともあります。特に、引張り残留応力は品物の破壊につながりますので、注意する必要があります。

高合金鋼では、500℃以上で再硬化する鋼種が多々あります。これを2次硬化と言いますが、500℃以上の温度で焼戻しすると、炭化物の析出によって 硬さが増加し、一般的には、体積が膨張しますので、これによる変形が生じる場合があります。
SKS3の変寸 日立金属SLDの変寸
上図の左は「SKS3」右は「SKD11(日立金属のSLD)」の「焼戻し温度と変形率」の関係を示した一例で、焼戻し温度によって、寸法が変化することが示されています。
実際の変寸率の例を、次に取り上げますが、品物の大きさやメーカーなどでも変わります。しかし、温度に対する変形傾向や材料に方向性がある様子などは、このグラフが非常に参考になります。


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寸法変化(変寸)のとらえ方の難しさ

工具鋼では、鋼材メーカーのカタログなどに、焼戻し温度と変寸率などが公表されているものは少ないのですが、上右に、日立金属のSLDの変寸測定例を紹介しています。
これは、日立金属(株)のカタログ等に記されたものですが、ここで、変寸率が+0.1%だとすると、1mの品物は1mm伸びることになります。硬さの許容範囲が広ければ、若干の調整ができることがこのグラフでわかりますが、それは無理でしょうから、熱処理だけでは解決できない問題を含んでいます。
当社などで扱う、長さ3mを超える長尺の品物では、3mmという大きな数字になりますので、このような品物は、あらかじめ寸法修正しておかないと、 熱処理前に正確に仕上げたものでも、熱処理すると一般寸法公差を外れてしまうことになります。

しばしば、熱処理依頼のお客さんで、「どれくらい寸法変化しますか?」という問い合わせをいただくことがあります。それに対しては、 冗談に思えるかもしれませんが、初めて熱処理する品物では「変寸の傾向は分かりますが、どうなるかは、『焼いてみないと分からない』としか答えられないほど難しいのが現状です。当面の対策は、仕上げ代をつけておいて、熱処理後に仕上げ加工をすることになります。


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変形の除去

変形は、「曲がり」、「歪み」などとも称されています。また、それを矯正する操作は、「曲り取り」「ひずみ取り」「矯正」などと呼ばれています。
矯正作業は、終始「冷間」で行う場合や、熱を併用して行うことがあります。
熱を加えることによって、鋼のじん性が付加されたり、硬さが下がることによる安全性と、鋼の変態を利用出来ます。
変形の除去以外に、内部応力の除去に対しても、応力除去焼きなましと同意に、「ひずみとり」という言葉が用いられています。

硬さの低いものについては、油圧プレスやフリクションプレスなどで冷間で「プレス」したり、単ロールや多ロールなどを用いて、外力を加えて曲りを矯正します。しかし、おおむね、外力による矯正は、30HRC程度以下の範囲で、 それ以上の硬さになると、機械的に外力を加えるのは危険が伴います。

そのために、それ以上の硬さの品物は、加熱冷却時の熱応力を利用したり、焼戻しに伴う組織変化の際の変態応力を利用して熱処理中に矯正する方法や、 焼入れ冷却中の、Ms点にかかるまでにプレス矯正をする方法などが行われています。
通常は、工具鋼などの硬い鋼は、焼入れ途中や1回目の焼戻し時に行うことが効果的で、治具などを利用して拘束する方法がとられます。

この熱を加える方法は、焼戻しを併用して行われる場合も多く、焼戻し過程での組織変化と硬さ変化をうまく利用するものですので、2回目以降の焼戻しでは、焼戻し温度をより高温にしないと効果が出ません。
また、いずれにしても、外力を加えて矯正しますので、その応力が残存して、その後の加工時に、それが「悪さ」をすることがあります。そのために、焼戻し温度以下の「応力除去焼きなまし」を付加する場合があります。
これらは、すべて、余分な費用が掛かりますし、矯正や応力除去が確実であるかどうかも、その時にはわからない場合も往々にしてありますので、これらの処理をすれば完璧だというものではありません。 

またその他の方法として、冷間あるいは温間で、タガネやハンマーなどで品物に圧痕をつけることで局部応力を発生させて曲りをとる方法も古くからおこなわれています。しかしこの作業は、誰にでもできるという方法ではなく、割れなどのリスクも大きく、仕上げしろとの兼ね合いが出てきますので、一般の熱処理品にはお勧めできるものではありません。

矯正作業で、焼戻しする時に、治具などで品物を拘束して変形を除去する方法は「プレステンパー」と称される場合があります。
また、焼入れ過程での変形をさせないようにするために、赤熱した鋼の状態で、品物を治具などで拘束して焼入れをする方法があります。これは、「プレスクエンチ」と言われます。
これらを含めて、いずれの矯正作業も経験が必要な作業ですし、治具なども品物以上に大型になることもあり、手間と費用の掛かる作業です。


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時効変形(経年変化)

品物を熱処理してから、かなりの時間を経過しながら、変化や変寸が生じることがあります。
これは時効変形や経年変化と呼ばれます。

品物が温度や時間によって変形する理由には、内部の応力が均一化する方向に進んでいくためと、組織の変化によるものが考えられます。

鋳物などでは、鋳込み時に生じた内部の偏応力を、温度を上げて解放させたり、品物を長時間にわたって屋外で放置するなどの 「枯らし」を行なったあとに最終の加工をするという工程が取られることもありますが、鋼の場合には、 熱処理による残留応力の不均衡や残留オーステナイトの分解がその原因の一つですので、温度を加える焼戻しや、残留オーステナイトを低減するための 「サブゼロ処理」によって経年変化を低減する方法がとられます。

サブゼロ処理は、0℃以下に品物を冷やす処理をいいますが、常温で焼入れ(オーステナイトからの変態)が完結しない場合に、さらに低温にして、残留オーステナイトを変態させる目的で行われます。 (サブゼロ処理や残留オーステナイトについてはこちらも参照ください)

焼入れ時にマルテンサイトなどに変化しなかった残留オーステナイトは、不安定な組織とされ、オーステナイトはマルテンサイトなどに、 そして、 マルテンサイトは炭化物を析出して、より安定な状態になろうとする傾向があります。
これによって、時間が経過すると、体積変化が生じて、時間がたってから変形するという現象が経年変化ということになります。
そうはいっても、たとえば焼入れ焼戻し自体は、硬さを高くして内部応力を高める処理ですし、また、特に冷間工具鋼などで高い硬さに熱処理する場合には、 残留オーステナイトを皆無にすることは困難ですので、特に、経年変化を少なくするための熱処理方法を考えるのは容易でありません。

しばしば、「サブゼロ処理によって残留オーステナイトを無くす」という表現を見かけますが、例えば、SKD11などは、 焼入れ時に20%以上の残留オーステナイトがあります。 当社の実験例では、様々な方法でサブゼロ処理をしたことがありますが、それを5%以下に低減できませんでしたので、 このような表現には注意する必要があります。逆に言えば、経年変化を嫌うゲージ類などには、サブゼロしても残留オーステナイトがゼロになる保証はありませんので、 このような鋼種を使うことは適当ではないと言えます。
ちなみに、SKD11は560℃程度の高温焼戻しによって、ほぼ消失しますが、55HRC以下の硬さになってしまいます。


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焼割れ・焼戻し割れ

熱処理過程での偏応力が大きくなりすぎると、それを均衡させようとして、品物が変形しますが、それによっても応力を均一にできないと、割れてしまう場合があります。 通常の割れは、引張り応力が材料の持つ力を超えた時に発生すると説明されますが、引張り応力が集中する部分で材料強度の弱い部分で発生します。

本来は、組織変化や応力変化をさせるのが熱処理の目的ですが、その応力や応力の集中によって、材料の持つ強度を上回ったときに焼割れが生じるか、 割れないまでも変形することで焼割れを免れる状態になりますので、熱処理(特に焼入れ)においては、割れ・変形の危険性はいつも内在することになります。

焼戻し段階までに品物が割れてしまったり、クラックが生じることを「焼割れ」、焼戻し過程で生じたものを「焼戻し割れ」と言っていますが、 熱処理過程中に割れたものすべてを「焼割れ」という場合もあります。
焼割れが生じると、ほとんどの場合は、品物として使用できなくなってしまいます。

近年、工具や機械部品類では、焼入れ性の高い鋼種を使った品物を扱うことが多くなっており、急冷しなくても硬さが出ますし、材料自体の品位もよくなっていますので、焼割れの件数は激減しています。
しかし、熱処理中に焼き割れは皆無ではありません。

もしも焼き割れが発生してしまった場合には、その原因を突き止めるために、外観的な判断や顕微鏡による調査など、 品物を切断して大がかりな調査をすることもあります。 しかし、品物自体の調査によってその原因が推測できる場合もあるのですが、考えられる原因が材料や熱処理操作上のものであっても、形状や設計などの熱処理以外の要因や、それらが複合した場合も考えられるので、 調査によって不具合原因を特定するのは難しいことで、責任の所在を決められないこともたくさんあります。

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