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鋼の温度による組織変化を利用し、鋼を昇温・冷却して、鋼の組織・硬さを変化させる処理です。代表的な処理として、焼なまし、焼入れ、焼戻し、焼ならしがあります。 工具鋼の場合、工具鋼製造メーカーから出荷される組織が焼なまし組織であり、市中で焼なましを行うのは、再鍛造を行った後か、加工歪みを取るための歪取り焼なましとなります。焼なまし状態の材料は、硬さが低く、被加工性・塑性加工性に優れますが、強度不足で工具としての使用に耐えないため、工具形状への荒加工後、指定硬さに焼入焼戻しされるのが一般的です。 |
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「フェライト+炭化物」組織を、A1変態点(フェライトからオーステナイトへ組織変化する温度)以上の温度に加熱し、「オーステナイト(+炭化物)」の組織に変態させた後、急冷してマルテンサイト等の焼入れ組織に変態させる処理です。なお、焼入冷却速度が遅いと、ベイナイト組織(マルテンサイトより粗く、靭性面で不利)が発生したり、ソルバイト組織(不完全焼入れ組織)が発生したりします。 | |||
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焼入れままの型材は、非常に硬く、耐摩耗性に優れますが、脆く、不安定で、内部応力も高いので、A1変態点以下の温度に加熱する焼戻しが施されます。この処理により、炭化物の析出・基地組織変化が起こり、準安定組織が得られると共に、内部応力も軽減されます。 また、型材の性能は、硬さで変化しますが、硬さは焼戻温度で調整します。焼戻しは低温焼戻し(350℃以下)の場合は1回以上、高温焼戻し(450℃以上)の場合は2回以上、Co含有量が多い高速度工具鋼の場合は3回以上実施します。 |
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組織学上で、純鉄のことで、鉄鋼の組織の中で一番柔らかい組織です。 | |||
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鋼を高温(通常900℃程度)に加熱した時に得られる組織です。鋼の熱処理組織の内で、一番柔らかくて粘く、錆びにつよく、磁石がつかない(非磁性)特性を持っています。安定して存在する温度は、合金元素量により変化し、18-8ステンレスのように、室温でオーステナイト組織の材料もあります。 | |||
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鋼の焼入れで、急速冷却で得られる針状の組織で、硬くて脆い組織です。焼入れままのマルテンサイトは、非平衡で不安定な組織ですので、焼戻しを行って、適正な機械的性質を持つ焼戻しマルテンサイトに変化させます。 | |||
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工具鋼を空冷等ゆっくり冷却した時に現れる焼入れ組織です。冷却速度が比較的遅くない場合は、針状に近い下部ベイナイト組織となりますが、遅くなると、粗い板状の上部ベイナイト組織になり、靭性が大幅に低下します。割れが問題になる工具は、ベイナイト組織を避けるため、油冷などの急冷焼入れを行います。 | |||
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ベイナイト変態が発生する温度域で、材質により変態発生温度は変化します。この温度域の冷却速度が遅いと上部ベイナイト組織が発生して、工具の靭性が低下します。 | |||
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焼入時、マルテンサイトなどへの変態は常温までの冷却では完了せず、実際には焼入組織と未変態の残留オーステナイトとの混合組織となります。残留オーステナイトが多いと硬さが出なかったり、熱処理による変寸が小さくなったりする不具合が生じますが、適度な残留オーステナイトは靭性を向上させる働きもあります。 残留オーステナイトが時間経過と共にマルテンサイト変態しますと、金型が膨張します。これが経年変寸で、精密な金型では問題となります。 |
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精密冷間金型等で、残留オーステナイトが時間経過と共にマルテンサイト変態して金型が膨張する現象であり、経年変化とも言います。低温焼戻し品は残留オーステナイトが安定のため発生し難い傾向がありますが、高温焼戻し品は残留オーステナイトが不安定のため発生し易くなります。また、SKD11よりも8%Cr系冷間ダイス鋼の方が、経年変寸が大きい傾向があります。対策としましては、サブゼロ処理、安定化処理があります。 | |||
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焼入れ後に0℃以下まで冷却し、オーステナイトの分解を促進する処理です。一般的にはドライアイス(-78℃)を使いますが、液体窒素(-196℃)などを利用する超サブゼロ処理(クライオ処理)は、さらに分解効果が高くなります。 | |||
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SK・SKS系は約800℃と焼入温度が低めとなります。SKD系は1,000〜1050℃、SKH系は1,200℃以上の焼入温度が主体です。 焼入温度は、低すぎれば十分な強度が得られず、高過ぎれば結晶粒が粗大化して靭性を低下させます。各材質の標準焼入温度は、JIS・型材メーカー資料に記載されていますが、SKD鋼の場合、規格範囲の中心の1,020〜1,030℃が標準的です。高速度工具鋼では、使用用途により焼入温度を変化させます。強度重視の用途では、規格内の高温域で焼入れし、靭性重視の用途では規格内の低温域で焼入れします。 |
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各工具鋼は、焼入れ冷却方法が規定されています。指定された焼入冷却よりも冷却能に劣る冷却方法を採用した場合、硬さが出ない、内部が不完全焼入組織になって大きな残留応力が発生するなどの問題が生じる場合があります。 焼入性のよい“空冷”鋼の場合、焼入れ歪み重視で衝風焼入れすることも、油冷などの急速焼入れを行うこともできます。熱間工具鋼では、金型の靭性向上のために、焼入れを出来るだけ急冷化し、マルテンサイト一相に近い組織を目指す場合があります。冷間工具鋼では、一般的に一次炭化物が存在するため、焼入れ急冷化による靭性向上は少ないですが、割れ・欠けの発生する高負荷工具では差が出る場合があります。高速度工具鋼でソルト焼入れが使用される理由はここにあります。 |
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焼入れによる変形の発生や焼割れを防ぎ、やつ、適切な熱処理組織を得るため、マルテンサイト生成温度域の上部又はそれよりやや高い温度に保持した冷却剤中に焼入れして、各部が一様にその温度になるまで保持した後、徐冷する処理です。マルテンパとも言います。 | |||
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焼入れ冷却速度は、速いほうが金型材の靭性を向上しますが、金型の焼入れ時の変形が大きくなります。この対策としましては、焼入れ冷却速度の最適化、階段焼入れ、中断焼入れなどがあります。日立金属工具鋼(株)では、高温区域ソフト冷却、低温区域急冷処理であるNIS法・NES法(高真空高圧冷却)を開発(特許取得)し、低歪み・高靭性金型の要求に対応しています。 | |||
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各鋼種毎に標準温度が異なり、JIS・型材メーカー資料に記載されていますが、狙い硬さに対応する焼戻し温度は、型材質に対応する焼戻し曲線を参考に選定します。 高温で使用される工具は高温焼戻しが基本ですが、冷間で使用される工具は低温または高温焼戻しのどちらも選択可能です。ただし、放電加工で金型を作る場合には、加工による昇温の影響が少なく、残留応力の小さい500℃以上の高温焼戻しの適用を推奨します。 |
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経年変寸対策として施される中温度域での焼戻し処理です。冷間ダイス鋼の高温焼戻温度である500℃前後は残留オーステナイトが分解しつつある温度域です。この温度域で焼戻しされた型材の残留オーステナイトは活性状態にあるので、分解し易く、経年変寸が起こりやすい傾向があります。この対策として、焼戻し後、250〜450℃の中温焼戻しを追加実施し、残留オーステナイトを安定化させる処理です。 | |||
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