昭和62年度 研究報告 大分県工業試験場

真空熱処理による合金鋼の球形化について

金属科 江 藤 博 明
電子科藤 井 謙二郎

1、はじめに

表1：供試材の主要成分

各種の合金鋼には，数パ山セントから十数パーセントもの特殊元素が添加されている。これらの合金鋼の優れた特性を引き出すためには，高い温度範囲（830ロC〜1200DC）で熱処理をすることが不可欠である。

No． 材料名 C M王ュ Cr Mo Ⅵr Ⅴ
0SUS440A

0．670．8917．82

SKS 30．89

1，Oi0▲720．60

合金鋼に高温熱処理を施すと，特殊元素が炭化物を形成し，素地はマルチンサイトとなり高耐摩耗性材料となるが，同時に，この変態に伴い膨脹あるいは収縮等の体積変化が起こる。

2 SK 31．02 0．96

3 SKDll 1．3811．80 0．870．70

この体積変化に伴う形状変形は，金型や刃物工具等の製作上大きな障害となる。これを解明すること0．21
Nii．63

5 SKD61 0．36 Si 0，90 4．68

は熱処理における急務の課題である。
本実験では，この変形がある一定の方向性（球形化）を持つことに着目してこれを究明した。

形状変形については，測定点を3点に絞ぽり，写真1のように電子マイクロメータで測定した。

2．供試材
多種多様な合金鋼があるが，万能的な鋼種はなく，ある性質を強く要求すれば9 他の性質は劣ることになるのが普通である。
今回は，金型等に−−一般に使われる代表的な鋼種の中から高台金網辱低合金鋼，それぞれ3種類ずつを選んだ。
これらの供試材は∴加工前に高台金網は85（〕OCで，低合金鋼は770CCで徐冷して球状化焼なましを行った。

各材料の主な化学成分は表＝〕とおりである。
写真1：電子マイクロメ叫夕による形状変形測定
3．実験方法

前年度までけ合金鋼の物理的性質の研究によって，高温加熱㊥冷却に伴う体積変化匂形状変形に一定の方向性があることに着日して実験を進めた。
体積変化の測定は測兵器を使用した。
26

体積変化，形状変形9 梗さ，断面粗描等の測定位
置は図l，写真2のとおりである昭和62年度 研究幸巨告 大分県工業書式験ゴ易

①、
1 ⑥⑥

十一づー【〉英りし椚ヰユーーん一一一山5＝ 肌
173．612〜174．931（測長機測定）

区＝：真空焼入試験片と体積変化匂形状変形。硬さ測定位置
熱し，再度形状変形の測定をした。）で処理した。
この焼もどし処理によって，末変態オーステナイ
トの安定化と炭化物の析出硬化，α→βマルテンサ
イト等，不安定な焼入れ状態の組織を安定化し，球形化現象の追求および形状測定を行った。
図2は本実験のフローチャートである。
41）体積変化と球形化現象について
焼入れ時の熱膨脹は，冷却とともに常温で元に戻るが，相変態による体積変化が大きな問題となる。
金型や金型部品，刃物工具等の製作上，最終段階で寸法変化を起こす微妙なポイントである。
表2は焼入れ・焼もどし後の直径の変化である。

高合金ガス冷鋼であるSUS440A，SKDll，SKD61が6／ノm〜15ルm（0．2／Jm〜0．5／Jm／／nlnl）と変化の少ない好結果を得た。特に，SKDllのように8ノJmの
写真2：高合金鋼の真空熱処理後の試験片収縮を起こしたものもあるように，Cr炭化乎軌 W炭化物の生成で硬化したことを示している。
図3のようにSKS3ぅSK3の低合金油冷鋼は，4．実験結果および考察
多量の特殊元素を含んだ合金鋼は，熱処理によって，その性質を飛躍的に高めている。
熱処理押下で㍉ 焼入れは最も重要で，金属材料

3如111から4如ill（1．1／川1〜1．如m／′′111nl）の範囲で膨脹して直径が大きくなった。マルチンサイト変態が硬化の主体であることを示した。同じ油冷鋼でもSNCⅨ′Ⅰ439は4〃！11，調質（605〇Cもどし）すると1の高機能化を図るものである。しかし，焼入れは，〃mとほとんど直径の変化は認められない。低炭素

高温度に加翻した網を急冷するだけに，急冷硬化にのためマルチンサイト変態量が少ないからである。

伴う熱ひずみと体積変化が同時に起こる。
本実験では，焼入れ硬化に伴う変形がどのような方向性を持つか究明した。
焼入右時の加懐い冷却はすぺて真空中で処理し，
川25Ccガス冷と860⊃C油冷で行った。

これに対して表3は焼入れ智焼もどし後の長さの変化である。長さの体積変化は，高合金鋼のSUS舶OA，SK‡）11，61が収縮を起こした。炭化物生成に伴う相変態が原因である。
収縮量はSUS440Aが57メ∠1Tl肛3／川1′／／nlm）SKDll

焼もどしは，変態点以下の温度（冷間の合金鋼はが35／川1（（）．2／Jln／111111）と低いが，熱問r二具鋼の1750じ熱間の合金鋼は170CCで 晶∴蜜，更に6（肝Cに加SIくD61はi2毎nl（0．7メ∠Inノ／！¶1Tl）と大きな値となっ〟 27

昭和62年度 研究章匡告 大分県工業喜式験i易「m「表意訂「】
漣聖聖竺竺聖仙「「竃盲妄蒜（SNCⅨ′‡嘩SKS3竺当

」w．ノ Y 八 ∧E」
79げC

870こ1C巨 卓 「靂訂こ㍍「丘麺妄言］＝炭化物の球状化犬バライ〕

÷軟化組織」

昆「一ん三長さ定義盲竜s宕「SKS3S

SK3S

皇

［壷

‥…写真2参照

皇「ヤ言二こ∨；こ→三言丁卜≡戸Cニ冷10／モガ＋マルチンサイト25ニス▼【「讐竺」
写真1参照

仕上げ加工

ゝ〟…

HS ?O

トベサ イト

1A

Ⅷ

S

U＝∩

㌧．‖

詔石山

息L扇垂享□

いHRC63〜64）SKS3〉SK3（HRC62）SKDll、（ノ／54）SUS440

L竺竺」竺竺竺」
440A．SKS3，SK3残留オーステナイトの安定化lと 悦郎どし（謡古壷証ホ議L攣聖墜攣禦聖聖∴ニ攣型ごニリL」旦撃墜埜撃墜」攣変形）【肌 」

vYV一 】】」鳥￣
海言嘉遠海云㌻1嘉二二／云ニ言［」ノ¶W〜、肌㌦〟〜、、，＿」

皇t二重画面垂（疹亘壬亘］∈車…写真3参照図2：本実験のフ冒mチャ山卜た。更に9所定の605〔Cぴ〕高温もどしを行なうと炭化 r一肌り と最も大きく仁舗∴がり録1T−（0．9〟‡甘／′喜一−iて−）物の研誹が進行しi53〃nl（0．9／川1′nl！11）もの収縮 SNCXノ紘開が6紬‡il（（），4／川1′′−Ⅵnl）とてルチンサイトを起こした。
逆に，高炭素低合金鋼はてルチンサ†卜変態による馴長が著しく，特に，SKS3が165／∠m肛紬nl
28変態による膨脹がはノ′Jきり示された。

長さJ〕変化で圭ノ，低炭素鋼J〕SNCⅨ′揉甘扶高温しり
焼もどしの影響は全く受けず，64／川−と焼人月Lによ昭和62年度 研究報告 大分県工業試験場

表2：焼入れt焼もどしによる直径の変化について
単位（mm）

A点（先端から35mm）

2．2 SK3パパ丁仁Uh355

ハリつJ3（）∴う65 3（）▲368 ¶0．002

3十0．001

3け∴う65

日U mつl︶30．3674，6 ンSNC九′1439

30．35530．360

5．6および4．6は熱問の合金鋼なび）で高温焼もどし．（600〇C）を施した図の表現∠ユSKS3￣−￣へ「、￣、叉ゝ

虐「ルSK3し〜SKD61

妄 ﹁変 化⑳SUS440A0＼三）；；。［／Z 二二二‡＝二ニニフく
こ ＼△→＼㌦「→−−1Jゝ−SNCM439

る膨脹がわずかながら少なくな一ノた。変態を起二づ
炭化物の絶対量（表1の化学成分皐月召）が少ないからてあるご〕Lかし，硬さほ焼入れ時でHS34へ′36，6050Cで廃もどすとHS3りと金型に使えるような硬化をホす材料ではない。

区4は低合金。召捌三言，高合金申収縮を表わしたも◎≠SKDll2量J）である。
二び〕結果から球形化率を検討七てみると9 焼入れ

によって，長さが如くなり，直径が増えた球形化び〕：三〉ノ、きり表われたものが，高台金網のSK‡）61ヒ
StJS44（1Aである。

ー1りLSK‡う61は南緯が16／川1膨脹し，長さがユ24／川1収」
A川し）ノl（9（j）

R川ニ） B（9けノ）測 定 位 置
図3：各種合金鋼の直径の変化

紙SUS440Aは6／川1レ〉）膨脹ラ57／川川〕収縮とな1J′

軋入れによむ変形率は 変形二量∵元甘り毒さXl00

二、t】

昭和62年度 研究報告 大分県工業書式験場

表3：焼入。焼戻しによる長さの変化について
単位（mm）

N8． 鋼種名 熱処理 長さ

変寸量

廃人形態 現ふL一二■174．6i7 削
0 SUS440A

後 174．560
一ふ 174．133 別【0．i24 ガス冷

5 SKDGI‑‑‑‑‑‑‑‑

後 174，009
SKDll

止 174．931 削0．035

ガス冷

後 174．896
2 SK 3点■173．612 削炭化物十マルテンサイト

十0．098 油 冷 マルテンサイト膨十0．ユ27 油 冷 マルテンサイト膨5．6 SKD61 ⅣLJ∴174．13 別 ¶0．153 ガス冷 後173．980 4．6 SNCM439 」一174．03印J後174，67 十0．64 油冷
後173．710］■174．771 削

2．2 SK3

後174，898

4 SNCM439

前174．703

パーライト変化な後174．771

J⊥ 174．622 別SKS 3＋0．165 油 冷

後 174．787

マルテンサイト＋

微量炭化物膨礪
炭化物＋焼もどしマルテンソルバイト十パーライトで，直径の変形率＋長さの変形宰二球形化宰となる。
十1︑5

直径は膨脹する程，長さは短くなるほど球形化率は進んでいる。
◆＝2

SKD6iが直径が0．05％，長さが0．07％で0．12％の十球形化である。SUS鋼OAが0．02％＋0．03％＝n．05

SNCM439（油冷）

低合金鋼
膨脹化からはマイナス現象であるので，仏山一0．03％＋0．02％＝…0．01％となり球形化ではなくヲCr炭化物を主収縮 高合金鋼 （ガス冷）04A¶H‖ ︼ 封L％の球形化率となった。同じ高台金網でもSKDllは直径も長さも収縮を起こしているぴ〕で，直径は球形体とした高機能化（HRC63）収縮材料といえる。
低合金油冷綱につし〕ては，SKSニうが直径で0．H％球形化にとってはプラス要因の膨脹を呈し，長さは喜卜

0．09％膨脹しているので逆にマイナス要因で，0．14％0．09％ニ0．05％の球形化となった。SK3もSKD61

図4：各種合金鋼の長さの変化

0．H％0．（）5％＝（）．（）6％の球形化となり，高炭素系の両鋼種は，同傾向。同程度の球形化率を示した。
表4，図5はともに膨脹。収縮に伴う球形化率を30

昭和62年度 研究幸崖告 大分県工業喜式験場

表わしたむレ′）である
衰4：各種合金鋼の球形化率
単位：％

StJS44〔〉Å

I SKDGl∃ sKDll 円 】＝2

配 0．030．05 朗
T 拙皿皿W 皿

0．050．07【0．03 ∃0．02

書 n・i20，01

SKS 3

0．14−0，09〔ト05sK30・11≠0．05006

L…¶…WⅥ．肌…肌一肌 童sNCⅣi439 ロ 芦0・00¶0■04080040︵㌔︶06002

鮮曇法貨0OO﹂∈卜肌

nU

2ハリ

写真3：金型や刃物工具等の実際例

f∴SKDll下HPM384O
仁UO

日して，これまでは段差（◎30対◎16あるいは◎23）をつけた試験片でその物理的性質を追ったが，今回はストレ山トで段差の無い試験片で行った。
本実験でも，昇温速度は4．60C／分以下に制御し，階段式加熱方法を採用した。第1予熱は，加熱によ
図5：各種合金鋼の球形化動向

り加工材料の弾性が消滅する5800Cで18分間，第2予
熱範囲をオーステナイトへの加熱変態域である高合金鋼は収縮して球形化（0．05〜0．12％）し，低合金鋼は膨脹して球形化（0．05〜0．06％）する現象がとらえられた。
写真3は実際に使用されている金型や刃物工具等

85（）Ocで12分間の2度均熱した。
表5は試験片形状による本実験鋼のひずみ量の推移である。
低合金油冷鋼のSKS3に7mm→3．5mlTlの段で，焼入れ焼もどし後に体積収縮を起こしたもので差で320〟r11♂）ひずみが用9／Jmと顕著に認められたある。変形分を修正して加工代をつけて成功したもが，3．5IlllⅥと01Tlmの間には認められなかった。のである。
42）形状変形（ひずみ）につし〕て試験侶こ限らず，実際に使用される金型でも，ひずみに関しては加口二形状よりも昇温速度の影響を強く受けやすい（物理的性質第283報）。この点に着高台金網では，SKDli，SUS柑）A等段差による影響は全くない。SKD61のみが図6のようにひずみが順次低下している。高温もどしによる析出硬化が考えられる。
熱間鋼のSKD61，調質綱のSNCM439の両鋼種
3ユ

昭和62年度 研究報告 大分県工業言式験場

表5：形状による各種合金鋼のひずみ量の推移
単位（〃m）

測 定 位 置（先端からの距離）② 90mm

① 40ⅠⅧ③150mm試 験 片 の 形 状（段 差）7mm 3．5mmOmm

SUS440A7mm 3．5mm Omm

47mm 3．5mm Omm

31SKDll

3239191641043153843201091181258766854382301979SK35531（76）1305（6）16186

1013（17）

19SKS3

SNCM439

125（12）

SKD61226（96）

158

173

136

99223（23）459751※ SKD61，SNCM439両鋼種の形状Om打Ⅰの（）内ひずみ量は低温もどし。

図の表現⑳−SKS30mSNCM439ÅSKD61◎‥・SNCM439
A＝・SKD61（低温もどし）

この結果から，ひずみは昇温速度に最も影響を受け，続いて焼もどし温度ということが判明した。

43）高合金鋼（SKDll）の焼入れ焼もどし組織について焼入れ加熱（10250C±3ロC）後，オーステナイト中へ炭化物を充分に固溶させる目的でチ 30分間保持︵∈J屯牛台してガス冷した。
写真4のように，高炭素。高Cr合金であるため，

堅二二二二二二二二¶争

0①②4090150

先端からの距離（mm）①〜③は測定位置

図6ご焼もどしおよび形状による合金鋼のひずみの動向
写真4 SKDま1の焼入れ焼もどし組織（×4（10）は，6（）00cの高温もどしを施すことによって，炭化物○試 料 名 称SKr）ユ1㌻IR〔二62、5〜64．0

跡酢上欄更化，靭性を高めるなどそぴ）機能が充分に発C形状と熱処理○化学 成 分

￠30iO250Cガス冷昏1750C空冷揮される。
しかし，高温もどしは76／ノnl→111／ノnl，96ノ川1が1二i6／川1と2度に亘る高温処理で9図6に点線でホす
ようにひずみには大きく影響Lた。
32○腐 食 液〔〕組織の解説

C：1．38％ヲ Cr：11．射）％
Ⅸio：0．87％，Ⅴ：0．21％
5％ビクリン西安アルコール炭化物（Cr抄Fee乱／Io）7C3，素地焼
もどしマルチンサイト

昭和62年度 研究溝宣告 大分県工業書式験ま易

Crノf完化物が主体て瀾Hち∴ているが，1．3撒；もレ〕C●

キ含′ノしでいるレノ）で，マトリックスはマ′ルチン十イト

1いて次（ノ〕⊥う′∵打撃的性眉が軋L十1さjLプノ二。となノつていろ。Crを多く含む残儲オースナナイトも

ェ一 球形rヒにYノ八て

18げC焼もごしで安定化状麿とノな一ノている。

高合金鋼しリStJS44（）ノl，SK上兼1は，長さがごう7ノu了て1，掛ヒ初は（Cr。Fビ匂N′T（〕）TCこ〜レ1）状許ごあるか∴写真

12L′1〃nlと収縮したが，直径こ、よそれぞれ6揮11ヲ17J描1

5し′りように，5，（）0り倍揖′霞子刀徴鏡観察では，Crヒ膨脹し′し。SしJS44（jAが0．絡‰SKD61〔まり．12？云J〕（：11．8ワも含）炭化物が凝集しノている部分も多くみトニJ球形化となっ′ブこ。
凰合金髄匪SKSニう，S主く：∋は9長さが165メJnl，98云Lる。

施さは，川くC63ノ）64rHS81へ牒3）で「卦∴卜、ド均した億を宣した（〕焼入れ性が良いと云わjLる所以であろ。

〟Tll，直径が43ノノ1叫 3如描1とともに膨魔しながら，0．05％，n．（〕69ムぴノ）球形化となった。
高い寸法精度を必要とする精密金型等は，あら′うゝ
じめ，試験片て変形奉を確認し，変形分を修正し穴加t代をつけることが肝要である。
こ宣′）形状変形（ひずみ）につ十て巾がり，ひずみ等は昇温速度レリ影響を強く′受ける′」12．5つC′／分仙→4．5℃／分に制御すれば，SKS3の土うに755／Jnlが32帥rrlと大幅に改善される。

試験片の段弄による変化は，低合金鋼が急冷硬化（マルチンサイト変態）に伴ってSKSニうが320／Jill＞109／川1，SK3は85／川い→66〃ⅠⅥじりように認められたが，高台金網のガス冷鋼ではほとんど影響がなか

写真5 SKDllのCr炭化物の凝集組織（×5、0（柵った。二のことほ，複雑形状な金型等を作成する場
合には，冷却の緩やかな高合金ガス冷網を使用する

5．おわりに形状変形が界温速度に大き必要がある。

く左右されるレ′〕で，4．5J〔二／分でと」トプログラムを設定した。
特に，加嬢真により試験片の弾性が消滅する温度の570⊂Cで18分間，オ、一・椚ステナイト変態域の85r）〇Cで12分間，全断面が斉一に変態区間を通過できるよう第

この実験に使用した真空熱処理炉は日本白転車振興会から，競輪収益し7）一部である機械Ⅰ二業振興資金Cり補助を受けて設置したものである。
（九州熟処牒闇術研究会で研究発表）

1，第2予熱をおこなった。

−J、〕つ′l