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表面処理の概要

鋼の表面を焼入れする

その他 表面処理と注意点

【参考】JISでいう「硬化深さ」の注意点


   

表面処理の概要

機械工具類においては、しばしば、装飾・表面硬化などの表面処理・表面改質などを最終工程で実施される場合があります。ここでは、 表面処理全般の概要と、焼入れ焼戻しなどの熱処理に関係して、加熱して行う表面処理について説明します。

一般的に「表面処理」と呼ばれる加工の種類としては、「メッキ」「溶射」「ライニング」「コーティング」「塗装・転写・スタンプ」 「化成処理」「表面硬化」「チッカ処理」 その他  ・・・ などがあります。
ここでは、「耐摩耗性」「寿命向上」を目的とするものについて説明しますが、一般的には、その目的は多様です。
表面処理法については、加工する各社が固有の処理(加工)名をつけていることも多く、内容が把握しにくい状況といえます。
当社でも、現在、「DSハード」と呼ぶ浸硫チッカ加工を行っていますが、ガスの混合比率や濃度、処理温度、処理時間などは、固有のノウハウですので、 自社名をつけています。それぞれに特徴を付加していますので、このような独自に命名されたもののほうが一般的のような気がしています。
ここでは、一般的な枠組みで、熱処理と関係深い「熱を加える表面処理」を説明します。


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鋼の表面を焼入れする

JISにある表面処理に含まれる熱処理加工に、「火炎焼入れ」「高周波焼入れ」「浸炭焼入れ」などがあります。これらの簡単な紹介と、 経験的な注意点を説明します。
当社ではこれらの設備がありませんが、委託加工を依頼するなどで経験した事柄ですので、依頼する場合の参考程度に利用されるといいでしょう。


①「火炎焼入れ」

「フレームハード、フレームハードニング」などともよばれ、バーナーを用いて鋼材の一部を加熱し、焼入れ硬化させるものです。 焼入れ硬化させるための冷却方法は鋼材の焼入性に応じて「水冷」「油冷」「空冷」などによって硬化させますが、加熱温度が不安定な焼入れですので、 均一な硬さが得られないのは当然ですが、軽負荷の金型やトリム型(抜型)の切刃部分先端の焼入れ硬化方法としては便利な方法でしょう。

適用する鋼材は、作業性を考えて、焼入性のいい空気焼入れ鋼などがいいのですが、市販されているもので、「火炎焼入れ鋼」 という呼び方で販売されている工具鋼の鋼種もあります。これは、加熱温度範囲に余裕があり、加熱後の油などの冷却剤を使用しないで、 加熱後に放冷するだけで60HRC以上の硬さが得られるように成分設計されています。

これらの鋼種でも、一部分の焼入れをすることによって、変形するのは変わりませんので、単純な形状の角部や1面の硬さが必要な場合でも、火炎焼入れをしないで、普通に全体加熱する焼入れ焼戻しをするほうが変形が少ない場合は、 通常の鋼として全体焼入れ用としてこれらの鋼種が用いられることがしばしばあるようです。当社でも、火炎焼入れ鋼に分類される鋼種を、普通に全体焼入れする場合もしばしばありますので、金型全体量から見れば、 火炎焼入れの実施数は少ないかもしれません。
大きな金型で先端部分の硬さだけが要求される場合などでは、有効な熱処理方法です。


②高周波焼入れ

高周波電流を加えて、電磁誘導による渦電流の表皮効果で短時間に加熱して焼入れする熱処理方法です。
例えばφ60程度のS45C の丸棒でも、表面硬さが60HRC程度の硬さが出るなど、低合金鋼でも炭素量に応じた高い硬さが得られることと、 軸内部の硬さが軟らかいために、折損などに強いこと、表面の圧縮応力のため、疲労強度に優れる・・・などで、多用されている、非常に有用な熱処理法です。

近年はインバーター技術も進んでいることで、通常は、硬化深さの調整は周波数を変えることで簡単に行えるようになっています。しかし、特に硬化深度がほしい場合には、大電流の、低い周波数帯の装置を用います。これをあえて「中周波焼入れ」と呼ぶ場合もあります。

材質によっても硬化深度は異なりますが、全硬化層深さは、周波数が100KHz程度で2mm前後、10KHz程度で3mm前後、 1KHz程度で7mm程度を目安にするといいでしょう。
このような誘導加熱では、焼入れ性のいい材料であっても深い硬化は得られませんが、むしろ、安価な材料を用いて、 浅くて硬い硬さが得られることも特徴の一つです。

通常は、仕上げしろをつけて高周波焼入れ焼戻しを行いますが、仕上げ加工した後の表面硬さが大切になる場合が多いので、 この硬さや焼入れの深さについては注意しておく必要があります。(下記のこちらを参照)

加熱後の冷却には、ソリブルなどと呼ばれる、水溶性のポリマー溶液などが用いられ、水冷と油冷の中間の冷却速度を得られる状態のものが使用されますが、 非常に短時間の焼入れ処理ですので、熱処理の対象の多くは構造用炭素鋼や低合金鋼が主流です。むしろ、高合金のダイス鋼などでは十分な硬さが入らないことなどから、高合金鋼にはあまり利用されていません。

高周波焼入れだけで表面の硬さを上げる場合のほかに、それに加えて、さらに全体強度が必要な場合は、 高周波焼入れをする前に素材調質をしておいてから高周波焼入れをする場合があります。この場合には、必要な強度に基づいて鋼種を選びます。

丸棒の外形などを焼入れる際には、品物を回転させながら送って焼入れされるために、比較的表面硬さが一定ですが、2重焼入れを避けるために、 送り幅の継ぎ目で若干の硬さむらが生じるのは仕方がありませんし、端面割れを防ぐために、最端部を加熱しないようにするのが通例ですので、両端部の硬さが保証されない点や、その対策についても事前に打ち合わせておくとよいでしょう。

円筒部以外の平面の部分焼入れも可能ですが、コイルまたは品物を移動させるために、硬さむらが生じやすく、硬さ保証も難しいものと考えておいた方がいいでしょう。また、専用コイルが必要になる場合には、その製作のための負担金額についても確認しておく必要があります。

歯車状の品物などで全体を一気に焼入れする場合などを「一発焼入れ」と言いますが、これら、特定形状に適合した「コイル」を作成するには非常に高価で、 加工業者の手持ちがない場合は、その費用は別に支払う場合も多いので、設計や見積もり段階ではそれらも考慮しておく必要があります。


③浸炭焼入れ焼戻し

固体浸炭、ガス浸炭、液体浸炭、真空浸炭、プラズマ浸炭などの浸炭方法があります。個々には説明しませんが、低炭素鋼や低合金鋼などの表面に炭素を浸透させて、 焼入れしたときの表面硬さを得やすくすることを「浸炭」と言います。浸炭深さを深くするためには、特に時間的な要素が大きいので、納期や費用も関係することになります。
設備や内容によって、「浸炭+焼入れ+焼戻し」の工程を順次に分けて行う場合と、「浸炭~焼入れ~焼戻し」 までを一気に同一炉内で行う場合があります。
その熱処理法は、表面を特に硬化したいために行うもので、焼入れ操作としては、「全体焼入れ」と同様ですので、鋼材についてもそれらを勘案して選定することになります。一般的には「肌焼き鋼」と呼ばれる鋼種が使用されます。


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その他 表面処理と注意点

その他の熱を加える表面処理では、①焼入などの高温時に処理されるもの(CVD処理) ②焼入れとは別に、500℃前後あるいは、 それ以下の温度で処理される表面改質(窒化やPVD処理、その他の被膜処理)があります。
①は、焼入れ温度と処理温度が同じであれば、仕上加工した品物に、焼入れと表面処理を同時に行います。 また、 ②では焼入れなど、一連の硬化熱処理をして、仕上(研磨)加工が済んだ状態の品物に表面処理する場合が多いようです。
また、単一の表面処理だけをする場合のほかに、それらの処理を複合して実施するもの・・・なども行われています。

このような表面処理を受託する各社は、それぞれ、表面処理による効果や特徴をPRしていますので、それらはWEBで検索して検討されるのもいいでしょう。

当社では、DSハードと名付けた窒化処理をしています。これは、雰囲気ガスを炉内に入れてアンモニアガスにその他のガスを加えた雰囲気で処理する「ガス窒化」に分類されるものですが、一般的に見ると、窒化処理の分類は複雑で、 「ガス窒化」「イオン窒化」「プラズマ窒化」等のほか、その他の表面処理を複合して、いろいろな各社の名前で、いろんな長所を持った処理が実施されていますので、詳しくは、専門書籍または、各社のカタログなどを参照されるといいでしょう。

通常の窒化処理は、500~600℃程度で行われますが、熱処理後にさらに硬い表面を得るための処理ですので、その処理によって、 母材の硬さが低下したり変形するのを避ける必要があるので、基本的には、母材の焼戻し温度以下で行うようにするのがいいでしょう。
また、どのような処理でも、表面層の性状や硬化層深さなどをコントロールする必要がありますので、その方法のほとんどは非公表の場合が多いので、 処理を実施する場合は、長所に加えて、問題点などを事前に把握することも大切です。

当社の例でいえば、使用用途により、硬化深さや硬さ勾配(硬さ推移)を変えるためのガスの性状や処理時間が品物の用途に合致していないと、思ったほど寿命が延びないこともありますし、 その他、受け入れ時の表面状態が悪いと、期待した硬化層が得られないなどの問題がありますので、どんなものでも、表面処理をすることで寿命が延びるというものではありません。 つまり、この処理をやるかやらないか、やるとすると、どういう条件がいいのか・・・などは、すべてノウハウ事項の範疇といえますが、少なくとも、表面処理の適用を考える場合には、 ①焼入れ処理、焼戻し処理を伴う場合の、工程順序や注意事項の検討、②異物を表面に付着させる場合が多いので、 変寸や変形、寸法変化に対する検討・・・などをしておく必要があるでしょう。

表面処理後は、それをした状態のままで製品として使用されるものが多いようです。しかし、窒化などでは、極表面の脆化層(異常層)が長所に働く場合はいいのですが、 そうでない場合は、表面処理をした後に研磨してそれを除去したものを使用する例もあります。また、通常の「機械加工―熱処理―研削等仕上げ加工」に加えて表面処理工程を追加する場合は、 特に、処理される温度によって寸法変化や母材の性能が変化して、 問題が生じることのないないように表面処理前の研磨加工などに配慮する必要があります。

さらに、熱を加える表面処理では、表面処理等の際に、処理温度に注意しなければなりません。熱処理の焼戻し温度を越えて処理されると、焼戻し温度を上げたときと同じような問題 (組織変化・硬さ変化・寸法変化)が生じます。また、被膜が形成されることは、外形寸法が増大します。このために、どの工程の時点で処理をするのか、 その処理は何℃で行うのか・・・などを打ち合わせして特に寸法変化や変形などにに配慮する必要があります。

加えて、表面の色や肌の仕上がり、寸法の増減、変形の度合いなどについても、見本を見て確認するなどの予備知識を持つことが必要です。

一例をあげると、CVD処理と呼ばれる処理の中には、熱処理を兼ねて焼入れ温度に近い高温で処理されるものがあります。この場合は、 仕上げの研磨加工などができないので、 やはりその工程を事前に検討する必要があるなど、処理前の検討が大切です。

また、近年は、様々な表面処理が開発されています。たとえば、窒化処理のように、鋼に窒素を拡散させ、 チッ素化合物の高い硬さや表面の変化で耐摩耗性をつける処理にとどまらず、それと同時に、その他の特性を持った元素やその化合物を 表面に付着させる複合処理、あるいはPVDとよばれる、チタン化合物などの耐摩耗性の高い処理層を得る方法、・・・など、 近年は様々な表面処理が開発されている上に、多様化しています。

窒化やPVDでは、処理温度が500℃前後のものが多いようですが、表面処理を検討する場合には、その処理温度や仕上がり状態についても同様に 事前に検討しておかなければなりません。

また、温度の影響のないものについては大きな問題はないと考えられますが、電解によるメッキなどをする場合には、処理中の昇温はないものの、 水素脆性の危険性に配慮したベイキング処理(水素飛ばし)などを必要とする場合があります。もちろん、 その温度が焼戻し温度を超えないようにすることが必須であることはいうまでもありません。


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【参考】JISでいう「硬化深さ」の注意点

全体焼入れ焼戻しをする場合でも同様ですが、一般的に、熱処理後の硬さは、内部に行くほど低下します。表面焼入れの場合は、 硬化範囲が小さい上に、硬さが急変している場合が多いので、応力変化などについて、全体焼入れとは違った考え方をする必要性も出てきます。 それを理解していないと、製品に仕上がった時に、要求した硬さにならないとか、剥離したという不具合が出てきますので、 処理の特徴を理解したうえで加工業者と打合せする必要があります。硬化層について、その一部を紹介します。

「JIG G 0559 鋼の炎焼入及び高周波焼入硬化層深さ測定方法」に、硬化深さや硬さについて規定されています。ここには、 「有効硬化層深さ」「全硬化層深さ」「最少表面硬さ」「有効硬化層の限界硬さ」という表現があります。言葉の説明を簡単に意訳すると、

 有効硬化深さ:鋼材表面から、限界硬さの位置までの距離
 全硬化層深さ:焼入れ前の鋼材硬さまでの表面からの距離
 最少表面硬さ:要求した表面硬さの最低値(たとえば、「60HRC以上」と指定したときは60HRC)
 有効硬化層の限界硬さ:最少表面硬さ×0.8(上記の例では48HRC)

基本的には、「有効深さ」と「硬さ」で熱処理仕様を打合せするのが普通ですが、この場合も、この有効深さは「有効硬化深さ」であり、 硬さは「最少表面硬さ」ということです。

例えば、ある丸棒について「表面硬さは60HRC以上で、硬化深さが2mmほしい」をした場合、 適正に処理されたものでも、 2mm深さの位置では60HRCは保証されていない可能性があるという内容になっています。
これは一例ですが、もっといろいろな問題が生じる可能性もありますので、仕様の打ち合わせは、しっかりしないといけないことを感じていただきたいと思います。

JISでは、この場合は『硬さ推移曲線により測定する』とあります。焼入れ断面の硬さを測って、硬さ推移をみることで、 硬化の深さと硬さの状況推移を見るための方法ですが、 継続的な製品であればこれらの事前調査もするでしょう。しかし、費用も掛かりますので、普通は一般的には「おまかせ」になる場合が多いですので、 設計と打合せ段階でこのような基本的問題を回避するようにしておかなければなりません。

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