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熱処理技術2(焼ならし)

熱処理の種類を大きく分けると次のようになります。それぞれの熱処理には目的があり、それに応じた処理方法があります。今回はこれらの熱処理の中でも焼きの入りにくい大物部品の強度改善に有効とされている焼ならしについて説明いたします。

 
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種類

目的

焼ならし

加工の影響を取り除き,結晶粒を微細化して機械的性質を改善する。

焼なまし

鋼を軟化させ加工性の向上を図り、組織を改善して材料中の強度の不均一を無くす。

焼入れ

鋼をマルテンサイト変態させて硬くし,強度を高める。

焼戻し

焼入れした鋼に不足しているじん性(粘り強さ)を取り戻す。

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焼ならしの説明の前に、鋼は含まれる炭素の量によって性質が異なってくるため熱処理の際に加熱すべき温度も違ってきます。図1に示しましたのは 、鋼の状態図で横軸に鋼中に含まれる炭素量、縦軸に温度を表しています。図中の赤字はその領域における、材料中の組織を表しています。この図を参考にして以降の説明をご覧になって下さい。
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焼ならし(焼準、normalizing)

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◆焼ならしの目的は組織の改善にある
鋼材は鋳造、鍛造または圧延といった方法で造られます。これらの製造過程を経た材料の内部は組織が部分的に異なったり、炭化物がある部分に凝集していたり、結晶粒の大きさが不均一であったりしていて、材料全体で均一な強度を得ることは難しい状態にあります。

このような鋼材を適当な温度に加熱して、内部組織をオーステナイトにした後、冷却するという一連の処理をすることによって、製造時の組織の改善が行われ、結晶粒は全体が微細なパーライト(フェライトとセメンタイトが層状に重なり合った組織)組織となります(写真1参照)。そのため強さ(引張強さや降伏点)とじん性(伸び、絞り、衝撃値)などの機械的性質が向上するほかに、材料内部で拘束されている応力(残留応力)も解放されます。この熱処理を焼ならしといいます。

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◆焼ならしは空気中放冷で硬めにする。

①加熱方法

焼ならしをするには図2に示すように、材料中に含まれる炭素量が0.77%以下の場合(このような鋼を亜共析鋼と呼びます)はA3点以上、また0.77%以上の場合(過共析鋼といいます)はAcm点以上40~60℃ほど高い温度に加熱して、材料内部の組織をオーステナイトとします。

焼ならしの目的の一つである結晶粒の微細化のテクニックとして、A1点からA3点またはAcm点への加熱速度を早めるほど、結晶粒は微細化します。また冷却時にもA3点やAcm点を通過する速度が速いほど結晶粒は微細化するので、冷却は空冷を用いるのが一般的です。

②加熱時間

 焼ならしの場合、加熱時には材料内部をオーステナイト組織に変化させるため、焼ならし温度での保持時間が重要となります。保持時間は丸棒の場合で直径25mmあたり30分~1時間として計算するのが適当とされています。また必要な保持時間は昇温速度によっても変わり、急速に昇温した場合は保持時間を長く、ゆっくりと昇温した場合は短くするのが一般的です。

③冷却方法

一般的な焼ならし(普通焼きならし)は図3のように決められた焼ならし温度で一定時間保持した後、処理品を炉中から取り出し、、空冷します。しかしながら処理品の冷え方は、形状の違いなどによって大きく変わってきます。すなわち

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、形状の小さいものは熱が伝わりやすいため早く冷却されるのに対し、大きな部品はゆっくりと冷え、特に中心部では徐冷されます。このため大物部品で微細な組織を得たいときには、冷却速度を早めるためにファンなどを使って強制冷却を行い、逆に小物で早く冷え硬くなりすぎる場合には、処理品を灰などの中に入れて、ゆっくりと冷えるようにしてやる工夫が必要となります。

 このような普通焼ならしの他に冷却速度を変えることによって、二段焼ならし、等温焼ならし、二重焼ならしなどがあります。これらは特殊な場合の焼ならし方法として用いられるため今回は説明を省かせていただきます。

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焼ならしが適用されるケース
低炭素鋼の強度改善 焼ならしの目的の項でもお話しましたように、焼ならしをすることによって材料内部の結晶粒の均一化や微細化ができます。同一組織でも結晶粒が微細なもの粗大化しているものでは微細化した組織を有する材料の方が強度特性は良好な結果を示します。ですから焼入れしてもあまり強度の向上が期待できない、炭素量の少ない材料にはこの焼ならしによる強度改善が有効となります。
中・高炭素鋼の
被削性改善
炭素量が0.15~0.80%程度材料中に含まれる中・高炭素鋼では焼ならしによって均一化してなおかつ適度の硬さを持った組織となるため、被削性が向上します。ただし、炭素量0.77%以上の過共析鋼では焼ならし温度がかなり高くなるため、、結晶粒の粗大化が起こりやすく、そのうえ炭素量が多いために焼入れ性が良く、空冷しても焼きが入ってしまい硬くなりすぎてしまうため被削性の改善にはなりにくく、焼ならしはあまり行われません。

大型鍛鋼品の
機械的性質改善

部品が大きくなると材料内部まで、熱が伝わりにくいため強度改善のための焼入れ焼戻しても焼きが部品内部まで入らないことがあります。そこでその代わりに焼ならしをして使用する場合も多くあります。

焼入れの前処理 焼ならしは組織を均一にすることができるため、、、焼入れの前処理として焼ならしを行われることがあります。
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