完全焼なましは、機械構造用炭素鋼および機械構造用合金鋼にはよく適用される処理で、主な役割は組織の調整と軟化です。鋳造や鍛造したままでは組織が不均一な場合や結晶粒が粗大化して機械的性質が劣化していることがあります。このような場合に、A3変態点より30～50℃高い温度に加熱してオーステナイト組織にしてから徐冷すると、フェライトとパーライトの均一な組織が得られます。このときの金属組織は各鋼種の平衡状態にほぼ準じて変化するため、機械構造用炭素鋼であれば、パーライトの占有率から炭素含有量を推定することができます。

図１に炭素含有量の異なる３種類の機械構造用鋼の完全焼なまし組織を示します。明らかに、炭素含有量の多い鋼種ほどパーライトの占有率が大きいことが分かります。パーライトとは、フェライトとセメンタイト(Fe₃C)が層状に配列した共析組織ですから、共析鋼(約0.8%C鋼)の完全焼なまし組織は100%パーライトです。

図１　炭素量の異なる機械構造用炭素鋼の完全焼なまし組織

得られる硬さは冷却速度に左右され、冷却速度が速いほど硬くなります。機械構造用炭素鋼の場合は通常炉冷しますが、合金元素が多い鋼種ほど硬化しやすいため、機械構造用合金鋼の場合は20℃/ｈ以下で徐冷します。ただし、過冷オーステナイトからフェライト＋パーライトへの変態が完全に終了すればよいため、500℃以下では空冷します。

焼ならしは、機械構造用鋼によく行われている熱処理で、A₃変態点より高い温度で加熱保持してから空冷する操作です。熱間鍛造された鋼は結晶粒が粗大化して組織的にも不均一ですが、焼ならしを施すことによって結晶粒が微細化して均一組織になります。また、完全焼なましされた炭素工具鋼は初析セメンタイトが存在するため、次回で紹介する球状化焼なましの前処理として、Acm変態点以上に加熱して空冷する焼ならしを行います。

機械構造用炭素鋼や機械構造用合金鋼は、完全焼なまししたものは軟らかすぎて、被削性があまり良くありません。ところが、焼ならし材は、完全焼なまししたものに比べて硬化しますから、被削性も改善されます。また、硬化と同時に強度も向上しますから、焼ならしは焼入れの代替処理として利用されることもあります。

図２は、機械構造用鋼(直径25mmの試験片)における、完全焼なましおよび焼ならししたときの平均的な硬さと炭素量の関係を示したものです。完全焼なましよりも焼ならし後の硬さのほうが高いことは明らかであり、しかも炭素量が多いほどその値は上昇します。

図２　機械構造用炭素鋼における炭素量と平均硬さの関係

焼ならしによって得られる金属組織も、基本的にはフェライトとパーライトの混合組織です。ただし、オーステナイト化温度が異なると、同一寸法であり同一鋼種であっても、それらの占有率は異なります。図３は、直径10mmのS35Cについて、850～950℃で60分加熱後空冷したときの顕微鏡組織です。S35Cの最適焼ならし温度は850℃位であり、このときの金属組織は非常に微細なフェライト＋パーライトです。しかし、オーステナイト化温度が高くなるとフェライト量が減少して、パーライトの占有率が多くなり、同時に結晶粒が粗大化して硬さも高くなります。とくに、950℃で焼ならししたときの金属組織は、熱間鍛造品にもよく見られる過熱組織の様相を呈しています。

図３　各温度で焼ならししたS35Cの顕微鏡組織

機械構造用合金鋼は、炭素鋼に比べてCCT曲線が長時間側に位置していますから、図４のSCM435(直径25mm)の焼ならし組織からも明らかなように、フェライトとパーライトの明確な区別がつかなくなります。そのため、これらの硬さは280～285HBもあり、炭素鋼に比べてかなり高い値を呈します。また、オーステナイト化温度が高いほど結晶粒が粗大化することは炭素鋼の場合と同様です。

図４　各温度で焼ならししたSCM435の顕微鏡組織

焼ならしの冷却は一般には空冷のため、同一鋼種であり同一加熱温度であっても、処理物の大きさによって処理後の硬さは異なります。これは処理物の大きさによって冷却速度が変化するためであり、この冷却速度によって得られる硬さが異なるからです。冷却速度と硬さの関係は、炭素や合金元素の含有量および加熱条件によって異なり、このことは第１章の1-6によって説明することができます。

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