機械部品の熱処理・表面処理基礎講座

機械部品にはいろいろありますが、その多くは熱処理によって機械的性質を制御されています。さらに表面処理を適用すれば、表面には新たな特性が追加されて高性能・長寿命化は当然であり、付加価値も飛躍的に高まります。
本講座(全8章50講座)では、機械部品に用いられている金属材料(主に鉄鋼材料)の種類と、それらに適用されている熱処理(焼なまし、焼入れなど)および表面処理(浸炭・窒化処理、めっき、PVD・CVDなど)について、概略と特徴を紹介します。
第2章 鉄鋼製品に実施されている熱処理の種類とその役割

2-4 低温焼なましの役割

低温焼なましは、溶接、鋳造、冷間加工などによって生じた残留応力を除去し、軟化や焼入変形の軽減を目的として行われるもので、加熱温度はA1変態点以下です。溶接や鋳造によって生じた鋼の残留応力は、普通は600℃位で加熱すると消失して軟化します。ただし、加熱後の冷却は、急冷すると熱応力が発生するため徐冷または空冷します。単に軟化することだけが目的であれば、加熱速度や冷却速度は考慮する必要はありません。

冷間加工した材料の結晶は歪をうけて長く伸び、不規則な配列をしており、しかも加工硬化も生じています。これらは再結晶温度以上に加熱すると、結晶は再配列して同時に軟化します。一例として、図1に熱間圧延鋼板(SPHC)の加工工程にともなう組織変化を示します。購入状態の鋼板は若干高温加熱の影響は見られますが、ほぼ正常なフェライト結晶粒を呈しています。このフェライト結晶粒は、曲げ加工することによって引き延ばされ、結晶粒内には多数のすべり線が発生している様相が観察されます。

図1 SPHCの加工工程にともなう組織変化

図1 SPHCの加工工程にともなう組織変化

ところが、冷間曲げ加工後に低温焼なましすることによって結晶粒が再配列しており、購入状態のときよりもむしろ均一で微細な結晶粒が得られています。この再配列する温度のことを再結晶温度といい、炭素鋼や低合金鋼は550℃位です。この再結晶温度は冷間加工時の加工率(残留応力の大きさ、加工硬化の程度)によって変化し、一般には加工率が大きいほど低温です。そのため、炭素鋼や低合金鋼について再結晶させるためには、550~650℃位で加熱します。なお、再結晶後には結晶粒は急速に成長するため、加熱温度を必要以上に高くすると結晶粒は粗大化し、軟らかいにもかかわらず脆くなります。とくに冷間加工の中間焼なましとして、低温焼なましを適用する場合には注意が必要です。

以上のように、炭素鋼や低合金鋼の低温焼なまし温度は600℃位ですが、合金元素の添加量が多い鋼の場合は、より高温になります。例えば、フェライト系ステンレス鋼は700~900℃、マルテンサイト系ステンレス鋼は650~750℃、オーステナイト系ステンレス鋼は850~900℃位で加熱するのが普通です。

また、冷間加工によって成形したSUS304製ばねの場合、400℃位の熱処理が必然的に実施されています。このときの熱処理後の硬さや金属組織は、通常の硬さ測定や金属顕微鏡によって観察しても加熱前とはまったく変化は認められません。しかし、この400℃位の低温焼なまししたSUS304は、ばね特性が改善されて、ばねとしての疲労寿命が大幅に延長されます。このばね特性が改善されるメカニズムについては解明されていませんが、加工硬化によって生じた残留応力が若干緩和されるためと言われています。

ピアノ線の場合は、ピアノ線材(高炭素鋼)をパテンチング後冷間伸線して高強度化してあるので、焼なましにともなう変化は一般的な冷間加工品とは異なっています。なお、パテンチングとは中炭素鋼または高炭素鋼の線材等をオーステナイト状態からAr1変態点以下の適当な温度に急冷保持する操作で、冷間加工性がよく加工後の性質も優れた微細パーライトを得ることができます。

図2にピアノ線の焼なまし温度と硬さの関係を示します。加熱温度が300℃までは硬さの変化はまったく見られませんが、400℃以上の加熱によって軟化し、しかも加熱温度の上昇に比例して硬さは低下することが分かります。このときの顕微鏡組織の変化を図3に示します。加熱前の金属組織は微細パーライトと思われますが、冷間加工の影響で加工方向に長く伸ばされた様相を呈しており、結晶粒や金属組織の判断は困難です。この状況は加熱温度が550℃位までほとんど変化しないで、600℃以上に加熱した場合のみ球状炭化物が観察されるようになります。しかも、600℃で加熱しても、まだ塑性変形の影響がそのまま金属組織にも反映されていることが分かります。加熱温度が700℃にまで達したときの金属組織はフェライト+球状炭化物であり、このときの加熱保持時間を長くすると、球状化焼なまし状態の組織になります。

図2 ピアノ線の焼なまし温度と硬さの関係

図2 ピアノ線の焼なまし温度と硬さの関係

図3 ピアノ線の低温焼なましによる組織変化

図3 ピアノ線の低温焼なましによる組織変化

執筆:仁平技術士事務所 所長 仁平宣弘

『機械部品の熱処理・表面処理基礎講座』の目次

第1章 機械部品に用いられる材料

第2章 鉄鋼製品に実施されている熱処理の種類とその役割

第3章 機械構造用鋼の焼入れ・焼戻し

第4章 ステンレス鋼とその熱処理

第5章 非鉄金属材料とその熱処理

第6章 機械部品に対する表面処理の役割

第7章 機械部品を対象とした主な表面処理

第8章 機械部品の損傷と調査法

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