焼なましと焼ならし:金属熱処理の基礎知識3

金属熱処理の基礎知識1 新たな特性を引き出す熱処理の種類

更新日:2016年3月25日(初回投稿)
著者:仁平技術士事務所 所長 仁平 宣弘

前回は、鉄鋼材料には多くの種類があり、含まれる元素の種類や量、熱処理法によって、さまざまな性質を示すことを解説しました。今回は、代表的な熱処理法である「焼なまし」と「焼ならし」を取り上げます。

鉄鋼材料に適用されている焼なまし・焼ならしは、その目的別に分類できます。また、焼なましには多くの種類があり、同じ目的であっても対象となる鋼種や部品によって種類が異なります(表1)。

表1:焼なまし・焼ならしの目的と種類
目的 主な対象鋼種または部品 種類
軟化 機械構造用鋼 完全焼なまし
工具鋼 球状化焼なまし
冷間成形品 低温焼なまし
鋳鉄 黒鉛化焼なまし
被切削性の改善 機械構造用鋼 焼ならし
工具鋼、軸受鋼 球状化焼なまし
被塑性加工性の改善 機械構造用鋼 球状化焼なまし
じん性の改善 低炭素機械構造用鋼 低温焼なまし
機械構造用鋼、工具鋼 球状化焼なまし
組成の均質化 鋼塊、鋳造品 拡散焼なまし
組織の微細化・均質化 熱間鍛造品 焼ならし
焼入れの代替 機械構造用鋼 焼ならし
焼入れの前処理 熱間鍛造品 焼ならし
冷間成形品 低温焼なまし
残留応力の除去 鋳鋼、冷間成形品 完全焼なまし
冷間成形品、鋳造品 低温焼なまし
ばね性の改善 オーステナイト系ステンレス鋼 低温焼なまし

1. 完全焼なまし

完全焼なましは機械構造用鋼に対してよく行われる熱処理で、主な目的は軟化です。A3変態点よりも30~50℃高い温度(800~900℃)に加熱し、組織をオーステナイト化してから徐冷すると、フェライトと層状パーライトの均一な組織が得られます。

このとき金属組織は、各鋼種の平衡状態にほぼ準じて変化します。そのため機械構造用炭素鋼を顕微鏡で観察し、パーライトの占有率を調べることで、炭素含有量の推定が可能になります(図1)。

図1:炭素含有量の異なる機械構造用鋼の完全焼なまし組織

図1:炭素含有量の異なる機械構造用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、冷却方法は炉冷で問題ありません。ただし、クロム Crなどの合金元素を含んでいる合金鋼は硬化しやすいため、冷却速度を20℃/h以下にする必要があります。

2. 焼ならし

焼ならしは機械構造用鋼を対象にした熱処理で、A3変態点より高い温度(800~900℃)で加熱保持してから空冷します。熱間鍛造された鋼は結晶粒が粗大化し、組織は不均一です。これを焼ならしすることにより、結晶粒が微細化し、組織が均一になります。

完全焼なましした機械構造用鋼は、非常に軟らかいため切削加工が困難です。これに焼ならしを施すと若干硬度が増し、被削性が改善されます。このとき、炭素量が多い鋼種ほど硬さの上昇率は大きくなります(図2)。また硬さが増すのと同時に引張強さも向上するため、焼ならしは焼入れの代替処理としても利用されます。

図2:機械構造用鋼における炭素含有量と平均硬さの関係

図2:機械構造用鋼における炭素含有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は、基本的には完全焼なましと同様に、フェライトとパーライトの混合組織です。ただし加熱温度が高くなると結晶粒が粗大化し、パーライトの占有率が多くなるため、硬さが高くなります(図3)。なお一般的に焼ならしの冷却方法は空冷です。そのため、綱種や加熱温度が同じでも、処理物の大きさによって冷却速度が変わり、それによって処理後の硬さも異なります。

図3:各温度で焼ならししたS35Cの顕微鏡組織と硬さ(試験片直径:10mm、加熱保持時間:60分)

3. 球状化焼なまし

工具鋼や軸受鋼に完全焼なましを施すと、硬質の炭化物である板状のセメンタイトFe3Cが多量に生成され、層状に配列するため被削性が悪くなります。

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4. 低温焼なまし

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