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3章 機械構造用鋼の焼入れ・焼戻し

3-3 熱処理条件と硬さの関係

硬さは機械的性質を決める基本ですから、熱処理を依頼する際には、硬さ指定するのが普通です。しかも、その硬さは焼入れと焼戻しとの組み合わせで決まりますから、それらの条件設定は非常に重要です。

1.焼入硬さに及ぼす焼入温度および冷却剤の影響

機械構造用鋼は、加熱温度がA1変態点を超えるとフェライトからオーステナイトへの変態が始まります。前項(3-2)で説明したように、A1変態点とA3変態点の間ではオーステナイトとフェライトの混合組織であり、温度が高いほどフェライト量は減少して、A3変態点を超えるとオーステナイト単相になります。これらを焼入れするとフェライトは変化しませんが、オーステナイトはマルテンサイト変態して硬化します。すなわち、焼入硬さは、A1変態点以上では焼入温度の上昇にともなってマルテンサイト量が増加して高くなり、A3変態点を越えるとほぼ一定になります。

一例として、図1にS48C(直径15mm、長さ30mm)における焼入温度と焼入硬さの関係を示します。ただし、この場合の焼入冷却法としては、水冷と油冷について比較したもので、表面硬さおよび中心部硬さの変化を示しています。基本のとおりに、全体的には焼入温度が高いほど硬さは上昇しており、しかも水冷であれば表面と中心部との硬さの差はほとんどないことが分かります。なお、770℃以上の温度から焼入れした試料の表面硬さは、焼入温度が高くなっても同程度の硬さであり、この温度付近がS48CのA3変態点であることが予想されます。

図1 S48Cの焼入硬さに及ぼす焼入温度および焼入冷却剤の影響

図1 S48Cの焼入硬さに及ぼす焼入温度および焼入冷却剤の影響

また、本図から明らかなように、直径が15mm程度であっても、油冷したものは中心部の硬さは表面硬さに比べて異常に低く、とくに焼入温度が低いものはほとんど焼入硬化していません。この表面と中心部との硬さの差が大きい理由は、S48Cの焼入性が非常に悪いためであり、この程度の直径であれば、合金鋼では硬さの差はほとんど生じません。

図2 種々の冷却剤を用いて焼入れしたときの表面および中心部硬さ

図2 種々の冷却剤を用いて焼入れしたときの表面および中心部硬さ

図2は、直径25mmの各種機械構造用鋼について、850℃から種々の冷却剤に焼入れしたときに得られた表面硬さおよび中心部硬さを示したものです。このときの冷却剤としては、水、油および硝酸系塩浴を用いています。機械構造用合金鋼であるSCM435およびSNC631の場合は、冷却剤の種類には関係なく表面硬さと中心部硬さにはほとんど差異は認められません。しかし、炭素鋼であるS45Cの場合は、表面硬さに比べて中心部硬さは大幅に小さくなっており、しかも冷却剤の影響が大きいことも明らかです。すなわち、本図からは、冷却剤の冷却能は、水が最も大きく、油が最も小さいことが分かります。この硬さ測定結果からも、炭素鋼は焼入性が非常に悪いことが分かります。なお、焼入性については、本章の3-6にて詳細に説明しますから、参考にしてください。

2.焼戻硬さに及ぼす焼戻温度の影響
図3 S48CおよびSCM435の焼戻温度と表面硬さの関係

図3 S48CおよびSCM435の焼戻温度と表面硬さの関係

第2章の2-5で説明したように、機械構造用鋼の焼戻しの目的は、硬さを調節して焼入れしたままのものよりも大幅にじん性を改善することです。図3は、S48CおよびSCM435の焼戻温度と表面硬さとの関係を示したものです。なお、このときの焼入組織は、850℃から焼入れしてマルテンサイト単相にしたものと、A1変態点とA3変態点の中間から焼入れしてマルテンサイト+フェライトの二相組織にしたものです。鋼種や焼入条件には関係なく、焼戻温度の上昇にともなって緩やかに硬さは低下しており、所定の硬さを得るための焼戻条件の設定は比較的容易であることが分かります。ただし、焼入条件および鋼種によって、焼戻温度の上昇にともなう硬さの軟化程度は異なります。すなわち、焼入温度に関しては、両鋼種とも高温から焼入れされた試料のほうが、焼入硬さが高いことは当然ですが、焼戻し後も高い硬さを維持しています。また、合金鋼であるSCM435は炭素鋼であるS48Cよりも焼戻しにともなう軟化程度は緩やかです。この現象のことを「焼戻軟化抵抗が大きい」といい、焼入性を向上させる合金元素であるMoやCrが有効に作用しています。

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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