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工具鋼の焼入れ・焼戻し:金属熱処理の基礎知識5

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4月22日(初回投稿)
著者:仁平技術士事務所 所長 仁平 宣弘

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前回は、機械のボルトやシャフト、歯車などに用いられる機械構造用鋼の「焼入れ」と「焼戻し」について解説しました。今回は、工具鋼の焼入れと焼戻しを取り上げます。

工具鋼は金型や切削工具に用いられ、表面硬さや耐摩耗性といった性質が共通して求められます。その他にも、冷間鍛造用金型には耐衝撃性が、重切削用工具やダイカスト金型には耐熱性が求められます。このように工具鋼は用途によって要求される特性が異なるため、JISでは多くの鋼種を規定しています(表1)。また各鋼材メーカーでは、数多くのブランド鋼を製造・販売しています。

表1:JISによる工具鋼の分類
種類分類主な記号JIS備考
炭素工具鋼SK70,SK85,SK105G 4401(2009)11種類
合金工具鋼切削工具鋼用SKS11,SKS21,SKS51G 4404(2010)8種類
耐衝撃工具鋼用SKS4,SKS41,SKS434種類
冷間金型用SKS3,SKD11,SKD1210種類
熱間金型用SKD4,SKD61,SKT410種類
高速度工具鋼タングステン系SKH2,SKH4,SKH10G 4403(2006)4種類
モリブデン系SKH51,SKH57,SKH5910種類
粉末ハイスSKH401種類

1. 炭素工具鋼(SK材)、低合金工具鋼(SKS材)の焼入れ・焼戻し

標準的な炭素工具鋼(SK材)には炭素以外の合金元素は添加されておらず、焼入性が悪いため、大型品には適していません。低合金工具鋼(SKS材)はクロムCrを主として、タングステンW、モリブデンMoなどを少量添加したもので、SK材よりも焼入性や耐摩耗性に優れています。

SK材やSKS材の標準的な焼入温度は800~850℃で、正常な焼入組織はマルテンサイトと未固溶炭化物(球状セメンタイトFe3C)です。焼入温度が低すぎると炭化物が十分に固溶せず、フェライトを生じます。逆に高すぎると炭化物が固溶過多となり、マルテンサイトが粗大化し、軟質の残留オーステナイト(γR)を多量に生じます(図1)。

図1:各温度から焼入れしたSKS3の金属組織(SEM像)

図1:各温度から焼入れしたSKS3の金属組織(SEM像)

SK材やSKS材を高温で焼戻すと硬さが低下してしまうため、150~200℃で焼戻すのが一般的です。この温度で焼戻すと「ε炭化物」が析出し、生地組織は焼戻マルテンサイトに変化します。これにより、焼入れ時の硬さをほぼ維持したままで、衝撃値を大幅に向上できます。

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2. ダイス鋼(SKD材)の焼入れ・焼戻し

冷間成形金型用ダイス鋼は、1%以上の炭素CとクロムCrをはじめ、タングステンW、モリブデンMo、バナジウムVなどの合金元素を多量に含有しています。代表的な鋼種はSKD11です。約12%のクロムCrと少量のモリブデンMoおよびバナジウムVを含有し、大型のプレス金型によく利用されます。SKD11に含有される主な炭化物は、クロムCr系の (Cr, Fe)7C3で、材料の鍛伸方向に不規則に並んでいます。

熱処理にともなう組織変化は、焼入れ(標準的な焼入温度:1,000~1,050℃)によって炭化物が固溶し、焼戻しで微細炭化物が析出します。そして最終的には、焼戻しマルテンサイト生地と炭化物(未固溶炭化物+析出炭化物)の混合組織となります(図2)。

図2:焼入れ・焼戻ししたSKD11の顕微鏡組織(焼戻しマルテンサイト+炭化物)

図2:焼入れ・焼戻ししたSKD11の顕微鏡組織(焼戻しマルテンサイト+炭化物)

焼入温度の上昇に伴い、焼入硬さは高くなります。しかし、最高焼入硬さが得られる温度を超えると、硬さは低下します。この硬さ低下の原因は、軟質の残留オーステナイト(γR)の増加にあります。そのため、「サブゼロ(SZ)処理」を施します。サブゼロ処理とは、焼入れ後に鋼材を0℃以下に冷却することです。これにより、残留オーステナイト(γR)がマルテンサイトに変態し、硬さを回復することができます(図3)。また、耐摩耗性の向上にも寄与します。

図3:SKD11の焼入温度が焼入硬さに及ぼす影響

図3:SKD11の焼入温度が焼入硬さに及ぼす影響

続きは、保管用PDFに掲載中。ぜひ、下記よりダウンロードして、ご覧ください。

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3. 高速度工具鋼(SKH材)の焼入れ・焼戻し

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