熱処理における一般的な欠陥とその防止

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硬度不合格 金属材料の硬度は、その静的引張強度や疲労強度と一定の経験的な関係があり、また金属の冷間成形性、切削加工性、溶接性といった加工工程上の特性ともある程度の関係がある；硬度試験はワークを損傷させず、測定が簡単でデータも直感的であるため、熱処理されたワークの最も重要な品質検査指標として広く用いられており、多くのワークにおいては唯一の技術的要求事項ともなっています。 硬度不合格は、最も一般的な熱処理の欠陥の一つです。主に、硬度が不足していること、焼入れ時の冷却速度が不十分であること、表面の脱炭、鋼材の焼き入れ性が不足していること、焼入れ後の残留オーステナイトが多すぎること、時効処理が不十分であることなどが原因となります。焼入れされた部品の局所的な領域で硬度が低くなる現象を軟点と呼びます。 軟点領域の周辺組織は、マルテンサイトと元のオーステナイト結晶境界に沿って分布するトルスタイトからなる混合組織が多い。軟点や硬度の不均一は、通常、焼入れ時の加熱が不均一であったり、焼入れ後の冷却が不均一であったりすることが原因です。加熱時の炉内温度が均一でないこと、また加熱温度や保持時間が不十分であることが、加熱が均一でない主な原因です。 冷却の不均一は、主に焼入れ時の冷却中にワーク表面に焼入れ媒体の気泡が付着したり、焼入れ媒体が汚染されたり（例えば水中に油の微粒子が浮遊している場合）、または焼入れ媒体の撹拌が不十分であったりすることによって引き起こされます。さらに、鋼材の組織が過度に粗大であり、重度の偏析が存在するほか、大きな炭化物や大きなフリーフェライトも焼入れの不均一を引き起こし、軟点を生じさせる。 軟点　焼入れ加熱の目的は、焼入れの過程で部材が組織変化を遂げることです。そのためには、適切な温度まで加熱し、十分な保持時間を設ける必要があります。加熱温度が低すぎることと保持時間が不足しているため、元のパーライト組織が完全にオーステナイトに変化せず、変化したオーステナイトの成分も均一でない。その結果、焼入れ後に完全なマルテンサイト組織が得られず、部品に軟点が生じる。 1-細針状マルテンサイト 2-焼入れトルースタイト 3-パーライト 焼入れ媒体のかき混ぜが不十分で、ワークが焼入れ媒体内を十分に移動しないか、またはワークが媒体に入る方向が適切でない場合、ワーク表面の一部で蒸気膜が破れるのが遅れ、その部分の冷却速度が低下する。これにより高温分解生成物が生じ、軟点や局部的な硬度の低下が引き起こされる。水蒸気膜は塩水よりも安定しているため、軟化点は水冷されたワーク上でより容易に形成される。水や水溶液の温度が高いほど、ソフトポイントが生じやすくなる。 浸透性が低い炭素鋼では、ワークの断面が大きい場合に軟点が生じやすい。ワークの表面が清潔でなく、錆やカーボンブラックなどがあると、焼入れ後に硬度が低くなる現象が生じます。 硬度不足 加熱不足は、しばしば焼入れ部品の硬度不足を引き起こします。しかし、冷却が不適切であることは、ワークの硬度が不足する一般的な原因です。ワークが炉から取り出されてから焼入れ前の予冷時間が長すぎる、冷却媒体の選択が不適切である、または冷却媒体の温度制御が高すぎることで冷却能力が不十分になり、ワークの表面に酸化皮膜や塩分が付着する。さらに、焼入れ後にワークを冷却媒体から取り出した際の温度が高すぎると、過冷オーステナイトがC曲線上のパーライト変態領域で分解し、ソルバイトやトルバイトといったマルテンサイトではない組織が形成され、その結果ワークの硬度が不足することになる。 焼入れ組織に多量の残留オーステナイトが存在することは、焼入れ部品の硬度が不足する重要な原因である。残留オーステナイト量はオーステナイトの化学組成と関連しており、炭素含有量が0.5％～0.6％を超えると、焼入れ組織において残留オーステナイトの存在が明確に観察される。さらに炭素含有量を増加させると残留オーステナイト量は急激に上昇し、炭素の質量分率が1.4％になると、残留オーステナイト量（体積分率）は30％に達する。 置換によってオーステナイトに固溶するすべての合金元素は、残留オーステナイト量の増加を引き起こす。残留オーステナイト量が少ない場合、硬度に顕著な影響は見られないが、残留オーステナイト量が多い場合は硬度が低下する。体積分率20％の残留オーステナイトは、焼入れ硬度を約6.5HRC低下させる。 高周波焼入れおよび浸炭加工品の軟点と硬度の不足 高周波焼入れ加工品の軟点には、表面層の一部が硬化していない残留軟点と、硬化層の深さが均一でない深さ軟点の2種類がある。これらの硬度欠陥は、材料の選定ミス、初期組織の不良、高周波焼入れ時の加熱電圧・周波数、コイル、冷却装置の不適切さなどが原因で生じる。 高周波焼入れは、中炭素構造鋼や低炭素中合金構造鋼に多く用いられる。高周波焼入れでは加熱が急速に行われるため、オーステナイト中の炭素が拡散によって十分に均一化する間もなく、Cr、Mo、W、Vといった炭化物形成元素を含む鋼では相変態温度が高くなる。そのため、高周波誘導加熱による焼入れ時に軟点や硬度の不均一が生じやすく、高周波焼入れ用の鋼を選定する際には、上記の元素が一定量を超えないように考慮する必要がある。 鋼中の炭化物の種類、形状、サイズ、および分布は、高周波焼入れ部品の品質に顕著な影響を与える。鋼中に網目状の炭化物が存在したり、炭化物のサイズが大きすぎて均一に分布していない場合、硬度の不均一や硬度不足といった欠陥が生じやすくなる。したがって、高周波焼入れは事前の熱処理の影響を大きく受け、最適な初期組織は調質処理された時効ソルバイトである。 高周波誘導コイルに不均一があると、焼入れ硬度が不足することにもなる。また、噴射角度が適切でない、噴射孔のサイズや数、位置が不適切である、あるいは噴射孔が詰まっている場合、高周波焼入れされた部品の硬度が不足したり、軟点が生じたりすることが多い。 浸炭処理された部品の硬度が不足していたり、軟らかい部分が多くなるのは、浸炭処理が不十分であったり、焼入れ時に脱炭が起こったり、焼入れ温度が低すぎたり、焼入れ時の冷却速度が不十分だったり、表面に残留するオーステナイトの量が多すぎたり、時効処理が過度だったり、部品の表面が清潔でなかったり、浸炭処理が均一でなかったり、冷却が均一でなかったりすることが原因です。 非鉄金属合金の力学的性質が基準を満たしていない。工業で最も広く使用されている非鉄金属は、アルミニウム、銅、マグネシウム、チタンおよびそれらの合金である。非鉄金属と鋼の熱処理原理は同じですが、それぞれ独自の特徴があります。例えば、共析変態は鋼の熱処理において重要な役割を果たすが、非鉄金属ではほとんど見られない；マルテンサイト変態は、鋼材を強化するための主要な手段ですが、ごく少数の銅合金やチタン合金を除き、他の非鉄金属は一般的にマルテンサイト変態によって強化することはできません。 非鉄金属でよく用いられる熱処理工程は、均質化アニーリング、再結晶アニーリング、応力除去アニーリング、固溶処理、および時効処理です。固溶時効は、非鉄金属において最も一般的であり、かつ最も重要な熱処理強化工程です。 非鉄金属の熱処理では、以下の点に特に注意する必要があります。非鉄金属は反応性が高く、加熱環境に厳しい要求があります。例えば、チタン合金の加熱環境は一般的に真空または微酸化雰囲気であるべきです；酸化を防ぐため、マグネシウム合金は通常、二酸化硫黄または二酸化炭素の保護雰囲気中で加熱される；水素脆化を防ぐため、真鍮は中性または弱酸化性の雰囲気下で熱処理する必要があります。 最大の固溶効果を得るため、多くの非鉄金属合金の固溶温度は固相線の温度に近い。過熱や過焼を防ぐためには、炉内温度および加熱保持時間を厳格に制御する必要がある。 過熱と過焼 金属や合金を熱処理で加熱する際、温度が高すぎるために結晶粒が非常に大きく成長し、その結果性能が著しく低下する現象を、過熱と呼ぶ；加熱温度が固相線に近づくと、結晶境界の酸化や部分的な溶融が起こる現象を過焼と呼ぶ。 過熱：過熱組織には、構造用鋼の結晶粒の粗大化、マルテンサイトの粗大化、残留オーステナイトの過剰、ウェーバー組織、高速工具鋼の網目状炭化物、共晶組織（レデブライト組織）、ナフタレン状破面、マルテンサイト系ステンレス鋼のフェライトの過剰、真鍮合金の脱亜鉛による表面の白灰色化、酸洗い後のざらついた表面などがある。 典型的な過熱組織は図2に示されている。過熱組織は、通常の熱処理工程によって除去しやすさに応じて、安定過熱と不安定過熱の2種類に分けられる。一般的な過熱組織は通常の熱処理によって除去できるため、不安定過熱組織と呼ばれる。安定過熱組織とは、通常の正常火、焼き戻し、および焼入れでは完全に除去できない過熱組織を指す。 過熱の重要な特徴は結晶粒の粗大化であり、これにより鋼の降伏強度、塑性、衝撃靭性、疲労強度が低下し、脆性遷移温度が上昇する。 過熱のもう一つの重要な特徴は、焼入れによってマルテンサイトが粗大化することであり、これにより衝撃強度や耐摩耗性が低下し、焼入れ変形や焼入れ割れの傾向が増す。鋼材の過熱による欠陥には、ウェーバー組織やナフタレン状破面、石状破面などもあり、これらは鋼材の力学的性能を低下させるだけでなく、焼入れ割れを引き起こしやすくもする。 過熱を防ぐためには、適切な熱処理工程を正しく策定し実施し、炉温や保持時間を厳格に管理する必要がある。一般的に、過熱によって生じた組織は何度ものアニーリングや正常化によって除去できる。しかし、石状の破面のような比較的深刻な過熱組織については、熱処理だけでは除去できず、高温変形とアニーリングを組み合わせた処理を行う必要がある。 過焼：過焼組織には、結晶境界部の局所的な溶融、繊維状の空洞、アルミニウム合金表面の黒変や気泡の発生、破面が灰色で光沢がないこと、マグネシウム合金表面の酸化腫瘍などが含まれる。 過焼組織は性能を著しく悪化させ、熱処理割れが非常に発生しやすいため、過焼は許されない熱処理欠陥です。一度過焼が起きると、貴重な部品は廃棄するしかなく、そのため熱処理の工程では過焼が起きないよう厳重に防がなければなりません。 球状化度が基準を満たしていない。自動車、トラクター、その他各種機械には標準部品や締結部品が大量に使用されており、軸、ピン、棒などの標準部品の大部分は自動旋盤で旋削加工される。一方、ボルト、ナット、リベットなどの締結部品の大部分は冷間圧造加工によって製造される。生産性を向上させ、自動旋削加工や冷間圧造加工に対応するため、鋼材の事前熱処理としてはアニーリングまたは球状化アニーリングが行われ、球状化度を管理する必要がある。 自動車削加工では、鋼材には優れた旋削性が求められ、塑性はあまり高くてはならない。そうでないと「工具への付着」が起きやすく、切りくずが絶え間なく発生する。また、鋼材の組織は片状パーライトであることが望ましい；一方、冷間圧造加工では、鋼材が優れた冷間圧造性を持ち、塑性に優れていることが求められ、これによって圧造時に割れが生じないようにする。また、鋼材の金属組織は球状パーライトであることが望ましい。 このため、球状化の等級を評価するための業界標準であるJB/T5074-91「低炭素鋼・中炭素鋼の球状化率等級」がある。炭化物の球状化度で評価すると、1級では球状化率は0で、すなわちパーライトが完全に板状である。6級では球状化率は100％で、すなわち炭化物が完全に球状化している状態である。冷間圧造用の中炭素鋼は一般的に4～6級が求められ、自動工作機械での加工用の低・中炭素鋼は一般的に1～3級が求められる。 低炭素鋼および中炭素鋼の予備熱処理において球状化が不十分だと、その冷間圧造性や自動切削性能に深刻な影響を与える。球状化のレベルが冷間圧造性能に与える影響は表7に示されており、球状化レベル1～3の場合、圧造量が多くなると割れが発生するが、4～6レベルでは圧造時に割れは生じない。したがって、冷間圧造用鋼の球状化率は4～6レベルに抑えることが合格基準となる。大量生産の実践によると、自動旋盤加工用の鋼球化率を1～3級に制御することで、部品の表面粗さが適切になり、帯鋸の摩耗も正常で、生産性が高くなる；球状化率が3級を超えると、自動化工作機械による加工は困難になります。