2. 機械構造用炭素鋼の焼入れ硬さに及ぼす焼入れ条件の影響 島岡

機械構造用炭素鋼の焼入れ硬さに及ぼす焼入れ条件の影響
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機械構造用炭素鋼の焼入れ硬さに及ぼす焼入れ条件の影響
島岡 三義・吉田 陽亮*・大畑 直樹**・米 聡***・辻井ありさ****
Effect of Quenching condition on Hardness of Quenched Structural Carbon Steel
Mitsuyoshi SHIMAOKA , Yosuke YOSHIDA*, Naoki OHHATA**, Satoshi YONE*** and Arisa TSUJII****
The hardness of the carbon steel for structural use increases with increase of the content of carbon. It
has been cleared that the hardness is also changed by a heat treatment such as quenching, annealing and
normalizing. Especially the hardness of the carbon steel increases remarkably by quenching. In this study, on the
carbon steels for structural use of S15C, S25C, S35C, S45C and S55C, the detailed relations between the hardness
and the quenching conditions have been examined experimentally. The increasing of the hardness of the carbon
steel was confirmed only in the case of quenching from the temperature above A 3 transformation temperature.
The hardness of carbon steel increased with decreasing the temperature of water coolant used in quenching.
1. はじめに
亜共折鋼(炭素含有量が 0.767mass%)の焼入れは
₃
変態点(炭素含有量によって異なり,炭素含有量の増大
金属材料は機械的性質やその他の特性を合金化によっ
に伴い 911℃∼ 727℃に低下する)以上の温度に熱し,
て改善することができるが,合金組成をそのままにして
オーステナイト組織にした後に急冷すると硬さが著しく
おいて,熱処理によっても諸特性を変化させ,また,改
増加する.焼入れ硬さには,炭素鋼の炭素含有量,鋼材
善できる利点と特徴を有する.
の形状,焼入れ温度,冷却液温度,冷却速度等が深く影
鋼は加熱し,冷やすだけでも組織が変化し,鋼の強度,
響すると考えられている.
焼入れ温度の影響については,
硬さなどの機械的性質が変化する.この性質を利用し,
一般的には
合金組成を変化させることなく,
鋼の機械的性質を操作,
冷却していく過程において,α 鉄(フェライト)へ固
制御しようとするのが熱処理の目的である.鋼の熱処理
相変態する温度)より 30 ∼ 50℃高い温度が最適であり,
としては,焼入れ,焼戻し,焼なましおよび焼ならしの
焼入れ試料が大きい場合は多少高めに設定するのが良い
4種類に大別される.焼入れは,強度や耐食性を向上さ
と言われているのみで 1),詳細に調べた文献は見当たら
せ,焼戻しは強度や靱性の調整に用いられ,焼なましは
ない.また,臨界区域(焼入れ温度からおよそ 550℃の
内部ひずみの除去や加工性の改善に,そして焼きならし
温度範囲)で高い冷却速度を得るために,水冷の場合の
は不均一な結晶粒を均一な組織状態に改善するためなど
水温は 30℃以下に設定されることが多い 2).液体急冷
を目的としている.
時の冷却速度は冷却液体のサブクール度(液体の沸点と
鋼に限らず,複数の相が混在する合金系であれば,熱
実際の液体温度の温度差で,液体温度が沸点からどの程
処理によって,その合金の機械的性質を制御することが
度低いかを示す尺度)に大きく依存し,サブクール度が
できるので,所望の機械的性質を得るためには,熱処理
大きい方が急速冷却を達成できる 3) ことによると思わ
に関する詳細な情報が必要である.
れるが,冷却時の冷却水温度が硬さに及ぼす影響を調べ
₃ 変態点(γ 鉄(オーステナイト)から
た研究報告も見当たらない.そのため,所定の硬さを得
* 電子制御工学科学生(現在,専攻科機械制御工学専攻学生)
** 電子制御工学科学生(現在,パナソニック AVC ネットワークス社勤務)
*** 電子制御工学科学生(現在,長岡技術科学大学機械創造工学課程学生)
**** 元専攻科機械制御工学専攻学生
8
奈良工業高等専門学校 研究紀要 第47号(2011)
るために必要な適切な焼入れ用冷却水の温度を推定する
イクロシル−ナイシル)熱電対でも測定した.この電気
ことができない状況にある.
炉は非常に小型(炉内寸法は,幅 85 ×高さ 60 ×奥行き
そこで本論文では,機械構造用炭素鋼である S15C 材,
120 mm)で On − Off で温度制御されているため,過熱
S25C 材,S35C 材,S45C 材および S55C 材を供試材料
保持温度に設定しても,ある程度の幅で炉内温度が変動
として,焼入れ温度と冷却水温度が焼入れ硬さに及ぼす
した.N 型熱電対の出力をパソコンに取り込んで記録し,
影響について調べたので,その結果を報告する.
その温度変動を調べた結果,設定温度 710 ∼ 910℃に対
して,およそ 200sec の周期で変動しつつも± 5℃程度
以内に制御できており,試料の過熱保持に支障のない炉
2. 実験方法
であることが確認できた.
お よ び S55C の 丸 棒( 市 販 品, 直 径 約 22 mm と 約 25
mm)を旋盤で黒皮(酸化被膜)を除去し,のこ盤で約
3 mm 厚さにスライスした.焼入れによって試料は硬く
なり,研磨に時間を要すると考えられるので , 焼入れ前
に材料研磨機を用いてスライス面を湿式鏡面研磨した.
一部の試料の寸法を Table 1 に示すが,厚さに極端な違
機械構造用炭素鋼である S15C,S25C,S35C,S45C
PP
Fig. 1 Photograph of the electric furnace.
いが出ないようにした.
Table 1 Thickness and diameter of samples.
6DPSOH
1R
1R
1R
1R
1R
1R
$YHUDJH
'LDPHWHU
6&
6&
6&
試料を焼入れ温度(
XQLWPP
6&
Q
−
3
3
変態点からの温度差,Δ
= − 30 ∼ 150℃,
Q
; 加熱温度,
A3
Q
=
=
3
変態点温度)に大気雰囲気中で加熱した後,約 2ℓの水
(水温,
W
= 3 ∼ 95℃,K 型熱電対で測定した)を入
れたビーカーに浸漬攪拌急冷して焼入れを行った.
焼入れした試料の表面を湿式鏡面研磨し,試験荷重を
9.807N,荷重保持時間を 30sec として,研磨面の数カ所
においてマイクロビッカース硬さを測定した.
3. 実験結果及び考察
試料をコイン状にしたのは,試料全体が均一に冷却さ
3.1 焼入れ前の硬さ
れるようにするためである.コインのスライス面の円周
焼入れ前(購入時のまま)の各炭素鋼の硬さを Fig.2
方向と半径方向の温度分布は発生しないと考えられる
に示す.炭素含有量の増大とともに硬さが増大すること
し,コインの厚さが薄いほど厚さ方向の温度分布も無視
が知られているが 6),炭素含有量の増大とともに硬いセ
できるようになる.概略ながら,後述の Fig. 5 に示した,
メンタイト(Fe3C)が増大することに起因する.本実
水平白金細線浸漬時の,最も冷却が遅い,水温
験においても炭素含有量が多い方が硬くなること,
また,
w =
値を用い 4),927 ∼ 127℃まで冷却する間の平均熱伝達
率
を求めてみると, = 121 W・m − 2・K − 1 程度になる.
試料の撹拌急冷時の熱伝達率もこの程度と仮定し,試料
の熱伝導率を λ,試料の厚さ (= 4 mm)を代表寸法
とする Biot 数(物体表面の熱伝達の相対的な大きさを
表す無次元数)は
= ・ / λ = 0.00132 になり,厚さ
方向の温度分布はほとんど考えなくても良い 5) ことが
わかる.
試料の加熱に Fig.1 に示す電気炉を用いた.電気炉内
の温度は全面パネルにデジタル表示されるが,N 型(ナ
0LFUR± 9LFNHUV+DUGQHVV+Y
60℃の場合について,527℃での S40C と白金の熱物性
%HIRUH4XHQFKLQJ
6&6&6&6&6&
Fig. 2 Micro-Vickers hardness of the samples.
機械構造用炭素鋼の焼入れ硬さに及ぼす焼入れ条件の影響
9
炭素含有量が 0.6mass% 以上では硬さの増大の割合が小
また,機械構造用炭素鋼は質量効果が大きく,質量が
さくなっていくことも確認できた.
大きくなると焼きの入り方が大きく変わるので,直径
や厚さの異なる S45C,S35C,S25C(直径 25 mm,厚
3.2 加熱保持時間の決定
さ 3 ∼ 4 mm)でも同様の結果が得られるかどうかを,
焼入れにあたっては,試料全体が均一な温度になり,
S45C で確認の実験を行った.その結果を Fig. 3(b)に
組織が全てオーステナイトに変化する必要がある.炭素
示す.加熱温度を
が完全に固溶するまでには,ある程度の時間その温度に
定し,S45C は S55C より直径が大きいため,オーステ
保持する必要があるので,以下に示す実験を行って過熱
ナイト組織に変態するのに必要な過熱保持時間は S55C
保持時間を決定した.結果を Fig. 3 に示す.
より短くなることはないと考えた.S45C で過熱保持時
試料寸法が小さくて最も焼入れ効果が現れる S55C(直
間を 300sec と 600sec で実験を行った結果,300sec 間保
径 22 mm,厚さ 3.6 mm 程度)を試料とし,冷却水温度
持した場合と 600sec 間保持した場合で硬さに著しい変
を約 10℃,
化がなく,
300sec で十分に焼きが入ると判断した.なお,
Q
= 800℃に設定して,
Q
に到達後に試料
Q
= 825℃,冷却水温度を 10℃に設
を炉に挿入し,過熱保持時間を 60sec,180sec,300sec
焼きが入るというのはマルテンサイト組織になることで
および 600sec に変更して焼入れを行った後,硬さ測定
あり,焼入れ硬化とは別であるが,本研究では同義とす
を行った.その結果を Fig. 3(a) に示す.過熱保持時間が
る.また,不当に長時間高温に保持するとオーステナイ
60sec から 300sec の間においては,過熱保持時間が長
ト粒の成長が心配される 7) ので,以後の実験では過熱
くなるにつれて焼入れ硬さは上昇した.しかし,保持時
保持時間を 300sec に設定することとした.
間が 300sec から 600sec に延長しても焼入れ硬さの上昇
はほとんど認められなかった.したがって,
S55C の場合,
3.3 焼入れ硬さに及ぼす冷却水温度の影響
300sec 以上熱すれば炭素が全て固溶してオーステナイ
焼入れにおいて,冷却剤とその温度はきわめて重要で
ト組織に変態したものと考え,過熱保持時間は 300sec
ある.数百℃以上の高温の鋼を数十℃程度の冷却水に浸
で十分であろうと考えた.
漬させると,初めは鋼の持つ莫大な熱量が水に伝達され
0LFUR±
9LFNHUV+DUGQHVV + Y
0LFUR9LFNHUV+DUGQHVV+Y
て水蒸気が発生し,鋼は蒸気膜に覆われて冷却される.
㧔D㧕
6&
6&
泡の活発な発生による核沸騰により冷却され,その後は
水との直接接触となり,対流によって冷却される.高
温物体の液体急冷時の伝熱挙動を明らかにするために,
Fig. 4 に示すような実験装置を構築し,高温に加熱した
77 4 >ƒ&@
͠
:DWHU>ƒ&@
:DWHU͠
4
KROGLQJWLPH>VHF@
+ROGLQJ7LPHW
V
0LFUR9LFNHUV+DUGQHVV+Y
0LFUR± 9LFNHUV+DUGQHVV + Y
㧔E㧕
鋼の焼入れにおいては,オーステナイト領域から
1
テンサイトへの変態付近では組織が均一に変態する必要
があることから,逆に急冷は望ましくない.マルテンサ
774 >ƒ&@
͠
:DWHU>ƒ&@
:DWHU͠
4
w が高くなると白
金細線の冷却速度が著しく低下することがわかる.
また,
変態点(727℃)までは急冷されることが必要で,マル
温度変化を Fig. 5 に示す 3).水温
ン冷却のような単純なものでもないことがわかる.
6&
6&
水中に浸漬(水中突入速度 0.5 m・s − 1)した場合の白金
白金細線の冷却は指数関数的に温度が低下するニュート
水平白金細線(直径 150 μm,長さ約 50 mm)を静止
細線の伝熱過程を調べた.浸漬急冷過程での白金細線の
次第に蒸気発生の程度が薄れ,蒸気膜の崩壊と共に蒸気
KROGLQJWLPH>[email protected]
+ROGLQJ7LPHW
Fig. 3 The relation between the hardness and the holding time.
イトへの変態温度は,冷却速度ではなく,炭素含有量に
依存し,S15C でおよそ 495℃(768 K),S55C でおよそ
351℃(624 K)であり 8),Fig. 5 から水温が 30℃以下の
場合には望ましくない冷却剤ということになる.
焼入れ後の硬さと冷却水温度の関係を調べた結果を
Fig. 6 と Fig.7 に示す.焼入れ温度をΔ
Q
= 40 ∼ 50℃
に設定し,300sec の過熱保持を行い,水中浸漬撹拌急
奈良工業高等専門学校 研究紀要 第47号(2011)
3HQ
5HFRUGHU
'&
3RZHU
6XSSO\
7UDQVLHQW
5HFRUGHU
6SHHG
&RQWUROOHU
0RWRU
0XOWLSOH
7KUHDG
6FUHZ
5HOD\8QLW
0LFUR9LFNHUV+DUGQHVV +Y
10
3W)LODPHQW
/LPLW
6ZLWFK
3KRWR6HQVRU
8QLW
6&
6&
&RRODQW7HPSHUDWXUH 7 Z͠
6&
6&
6&
Fig. 6 Effect of the temperature of water coolant on
the quench hardness for the structural carbon
)LJ (IIHFW RI WKH WHPSHUDWXUH RI ZDWHU FRRODQW RQ WKH
steels.
TXHQFKKDUGQHVVIRUWKHVWUXFWXUDOFDUERQVWHHOV
6XEFRROHG
:DWHU
%HDNHU
7HPSHUDWXUHRI3ODWLQXP)LODPHQW.
6& ZDWHU
6& ZDWHU
6& ZDWHU
0LFUR 9LFNHUV+DUGQHVV + Y
Fig. 4 Schematic diagram of experimental apparatus
dipping
of high
temperatureDSSDUDWXV
horizontal
)LJ for
6FKHPDWLF
GLDJUDP
RI H[SHULPHQWDO
IRU
platinum filament.
GLSSLQJRIKLJKWHPSHUDWXUHKRUL]RQWDOSODWLQXPILODPHQW
'LDPHWHURI)LODPHQWG PP
'LSSLQJ9HORFLW\9 PV
7Z .
7Z .
7Z .
LQ/LTXLG1
&DVWRURLO
6&
6&
6&
6&
6& 6&
6&
%HIRUHTXHQFKLQJ
&RRODQW7HPSHUDWXUH7 Z͠
Fig. 7 Effect of the coolant on the quench hardness
for the structural carbon steels.
)LJ (IIHFWRIWKHFRRODQWRQWKHTXHQFKKDUGQHVVIRUWKH
VWUXFWXUDOFDUERQVWHHOV
7LPHV
[
Fig. 5 Cooling curves of the platinum filament.
なかった.これは Fe3C を形成する炭素量が少ないため
ߎߣ߇ࠊ߆ߞߚ㧚߹ߚ㧘͠એਅߢߪ὾౉ࠇ⎬ߐߩ⪺ߒ
と考えられ,S15C は焼入れの効果がほとんど現れない
材料であることが確認できた.
また,水以外でも焼入れを行ったが,ひまし油では硬
冷を行っている.数回測定したマイクロビッカース硬さ
さの増大が認められなかった.S45C については液体窒
の平均値をプロットしている.Fig. 6 より,冷却水温度
素中への浸漬を行ったが,冷却の遅さが目視でき,硬さ
が低いほどに硬くなっていく傾向が認められ,その傾向
は増大しなかった.大気圧下では液体窒素は沸騰してお
は S25C と S35C で顕著であり,
いずれの鋼材においても,
り,試料が窒素で覆われて冷却を阻害している.冷却剤
冷却水温度が 60 ∼ 70℃を超えると焼入れの効果が著し
の温度が− 196℃の超低温であっても冷却速度には直接
く低下することがわかった.また,20℃以下では焼入れ
影響しないことが確認できた.
硬さの著しい増大は認められなかった.これらのことか
ら,以後の焼入れ実験では冷却水温度を 20℃より低い,
3.4 焼入れ硬さに及ぼす過熱温度の影響
10℃として撹拌急冷することとした.なお,S15C の場
鉄−炭素系平衡状態図の低炭素側の一部分を Fig. 8 に
合は,焼入れを行っても硬さの増大はほとんど認められ
示す.G − S ラインが
3
変態点である.S15C ∼ S55C
11
機械構造用炭素鋼の焼入れ硬さに及ぼす焼入れ条件の影響
は図中に示したように,855 ∼
の増大の度合いが小さくなって,必要以上の過熱は焼入
760℃であり,すでに前述しているが,この温度より
れ硬さの増大にほとんど期待できないことがわかった.
50℃程度上(H − H ライン)に過熱保持した後に急冷
一方,S25C ではΔ
するのがよいと言われている.
があり,他の鋼種とは異なった傾向を示した.試料は同
硬さと焼入れ温度の関係を調べた結果を Fig. 9 に示
じ棒材から切り出しているし,試料の加熱,浸漬撹拌急
す.冷却水温度は
冷の仕方に極端な違いもなく,Δ
までの
3
いてもΔ
変態温度
Q
Q
w
= 10℃である.いずれの鋼種にお
= − 50℃,すなわち,
変態点より低い
1
Q
> 30℃で硬さが減少する傾向
Q
> 100℃では別試
料で焼入れを行って,
同程度の硬さが得られているので,
温度に過熱して急冷しても硬さが増大せず,焼入れは
このような結果になった原因は不明である。今後の検討
オーステナイト組織から急冷する必要があることが確認
課題としたい。
できた.
以上の実験から,機械構造用炭素鋼は焼入れ硬さが著
変態点温度から急冷した
しく増大することがわかった.そこで,焼入れ前と焼入
場合では,S55C の高炭素鋼において若干の硬さの増大
れ後で硬さがどの程度増大するかを Fig. 10 のように比
が認められた.Δ
較してみた.S25C ∼ S55C においては,焼入れ硬さは
Δ
Q
= 0℃,すなわち,
Q
3
が 30 ∼ 50℃の範囲で硬さの著し
い増大が認められた.しかし,Δ
Q
> 50℃では硬さ
3.5 倍への増大率が鋼種によらないということは非常に
興味深い結果である.
J $XVWHQLWH
+¶
$
5DWLRRI+DUGQHVV+Y+Y
+¶¶
Fig. 8 A part of the equilibrium phase diagram of Fe
‒ C binary alloy system.
)LJ $SDUWRIWKHHTXLOLEULXPSKDVHGLDJUDPRI)H±&
ELQDU\DOOR\V\VWHP
0LFUR9LFNHUV+DUGQHVV +Y
6&
6&
6&
6&
+Y$IWHU4XHQFK
+Y%HIRUH4XHQFK
6&
6&
6&
6&
7Z ͠
7HPSHUDWXUH'LIIHUHQFHIURP$'74͠
4. おわりに
7 Z ͠
S15C,S25C,S35C,S45C および S55C の機械構造用
Fig. 10 The ratio of quench hardness after and before
quenching.
市販材の硬さのおよそ 3.5 倍に増大することがわかった.
炭素鋼の,直径 22 ∼ 25 mm,厚さ 3 ∼ 4 mm 程度のコ
イン状試料について,
水中撹拌急冷による焼入れ硬さ
(マ
'74
͠
Fig. 9 Effect of the superheat above 3 transformation
temperature on the quench hardness for
structural carbon steels.
イクロビッカース硬さ)におよぼす冷却水温度と加熱温
度の影響を調べた結果,以下のことが明らかとなった.
(1)市販品においては,炭素含有量の多い,すなわち,
硬い Fe3C 固溶量の多い鋼種ほど硬さが増大することが
わかり,炭素含有量が 0.55mass% 以上になると硬さの
12
奈良工業高等専門学校 研究紀要 第47号(2011)
増大の度合いが低下し,ある値に漸近することがわかっ
た.
た.
最後に,本実験では元本校専攻科機械制御工学専攻学
(2)本実験で使用した試料サイズでは,試料の組織を
生(現在,奈良先端科学技術大学院大学大学院情報科学
オーステナイトに変態させるのに必要な,
研究科学生)の西田直貴君および野口卓磨君にご協力を
3
変態点よ
り過熱して保持する時間は 300sec 程度で十分であるこ
いただいた.ここに記して謝意を表する.
とがわかった.
(3)
3
参考文献
変態点より 50℃過熱して水中撹拌急冷した場
合,水温が高くなるほど焼入れ硬さが低下し,水温が
60℃以上では,市販品の硬さより焼入れ硬さがほとんど
増大しないことがわかった.ただし,炭素含有量が最も
少ない S15C 材では,水温が低くても硬さはほとんど増
大しなかった.また,比較のために,25℃のひまし油中
1)
たとえば,西川精一:新版金属工学入門 ,アグネ
技術センター(2001)
,p. 256.
2)
日本鉄鋼協会編:鋼の熱処理 基礎と作業標準 ,
丸善(1957),pp. 286 - 289.
へ撹拌急冷して硬さを調べた結果,水温が 80℃の時の
3)
大中逸雄,島岡三義,氈受彰,大友邦久:日本機
硬さにしかならず,液体窒素中に浸漬しても同程度の硬
械学会論文集 B 編,54(1988),pp. 704 - 708.
さであり,冷却剤として水の良さが確認できた.
(4)
3
変態点よりの過熱度を変化させて水中浸漬撹
拌して,
変態点からの過熱度と焼入れ硬さの関係を
3
調べた結果,
3
変態点より過熱しないと硬さは増大し
ないこと,また,過熱度を 100℃以上にしても硬さの増
大はほとんど期待できないこと,すなわち,最適過熱度
は
3
変態点より 30 ∼ 50℃程度であることが確認でき
た.また,最高焼入れ硬さは,硬さが増大しない S15C
を除く鋼種において,市販品の 3.5 倍程度になることが
わかった.なお,S25C については,
3
変態点からの過
熱度が 50℃を超えると硬さが減少する傾向が認められ
4)
日本機械学会編:伝熱工学資料改訂第4版 ,丸善
(1986),pp. 315- 317.
5)
庄司正弘:伝熱工学, 東京大学出版会(1995),p.
66.
6)
たとえば,日本金属学会編:金属データブック(改
訂3版),丸善(1993),p. 127.
7) 日本金属学会編:金属便覧
(改訂5版),丸善(1993),
p. 540.
8)
西川精一:新版金属工学入門, アグネ技術センター
(2001),p. 254 - 255.