焼きならしの冷却速度

質問

焼きならしは空冷と言いますが、Sk3はどのくらいの速さで冷却したら良いでしょうか。
S40cのcct曲線だと、100から1000秒程度で室温になるように覚ませば微細なパーライトが得られそうですが、炭素が増えるとやきならしの冷却速度は遅くしないといけないですか？

回答No.7

kuroneko2020 · ベストアンサー

(1)変態点は試料をゆっくり加熱あるいは冷却しながら、どこで変化するかを測定します。変態点に到達すると瞬時に変態するのではなく、少し遅れて変態します。ですから測定された変態点は加熱法では少し高目に、冷却法では少し低目になります。前者がAc1、後者がAr1になり、その平均値がA1になります。

(2)(5)Acm点以上に加熱して(つまり全面オーステナイト)から徐冷すると、Acm点でセメンタイトが析出し始め、Ac1点で終了します。Ac1点で残りのオーステナイトがパーライト(フェライト+セメンタイト)に変態します。Acm点とA1点間で析出するセメンタイトを初析セメンタイトと呼びます。

初析セメンタイトの形態は冷却速度とオーステナイト結晶の大きさで変わります。オーステナイトの粒界は最も析出しやすい場所なので、まずそこに析出します。冷却が遅ければオーステナイト粒界に沿った網状に成長します。冷却速度が速くなると、粒内の炭素は粒界まで移動する時間が不足するので、例えば不完全な網(粒界に並んだ粒子)や粒内の粒子になってしまいます。

Acm点とAc1点の中間の温度に加熱した場合(つまりオーステナイト+セメンタイト)の初析セメンタイトの形態は、既存のセメンタイトの形態分布と冷却速度が大きく影響します。冷却速度が遅ければ既存のセメンタイトが成長しますが、冷却が速くなると新た粒子として粒界や粒内に析出します。粒界に析出するとしても網状になるほどの成長はしないと推定されます。

(3)正しい。

(4)網状セメンタイトは初析セメンタイトですが、初析セメンタイトは網状とは限りません。

(6)他にも一度Acm点以上に加熱する資料(その4)の(d)の方法があります。

(7)焼入温度がAcm点とA1点の間の場合には焼入後も残ります。しかしそのために焼入変形が大きくなることはありません。靭性が低下することはあり得ます。そのため刃付け研磨時の刃こぼれ、使用時の刃欠けの原因になる可能性があります。

(8)鍛造温度が高いとオーステナイトが粗大になります。しかし鍛錬によりオーステナイトが粒は大きく変形します。さらに焼きなまし(あるいは焼きならし+焼きなまし)をすることでオーステナイト粒の全部または大部分が再構成されるので、鍛造温度が高いことで直ちに脆くなることはありません。網状セメンタイトは脆さとして影響すると考えられます。
切れ味は参考文献にあるように刃先形状と硬さが主要因なります。脆さは(7)のような影響として現れると思います。単純に網状セメンタイトが主要因とは言えません。

(9)正しい。なお「SK105の焼きなまし」は軟化目的の一般的な焼きなましのことで、球状化焼きなまし条件は別に考える必要があります。

(10)正しい。なお「再結晶温度」は冷間加工率で変化します。応力除去焼鈍が冷間加工による硬化を消滅させる処理になります。必ずしも結晶構造の変化は必要ありません。

参考URL：

https://www.jstage.jst.go.jp/article/materia1962/27/9/27_9_703/_pdf/-char/ja

お礼

大変勉強になりました。ありがとうございました😊

回答No.6

kuroneko2020

関連する事項を思い出しました。

熱間加工-球状化焼鈍した市販SK鋼材(黒皮)から工業的に工具を製造する場合、まず切削加工で酸化物層及びその下にある脱炭層を完全に除去します。

黒皮除去の工程が無いナイフの製造では、それを補うために焼鈍後に冷間加工を施している可能性があります。

補足

ありがとうございます。効率化、材料の節約（削らなくていい）など経済的理由もありそうですね。

以下のように理解しているのですが如何でしょうか。

過共析鋼において
（1）A1点、Ac1点、Ar1点は同義
（2）初析セメンタイトはすべて網目状セメンタイトである。
（3）網目状セメンタイトは初析セメンタイトとしてしか出現しない。
（4）　（2）、（3）⇨初析セメンタイトと網状セメンタイトは同義。
（5）Acm点以上に加熱して全てオーステナイト化し、徐冷（完全焼き鈍し）あるいは空冷（焼きならし）した場合にのみ、網状セメンタイトは出現する。Acm点未満からの冷却では網目状セメンタイトは出現しない。
（6）網状セメンタイトが一旦できてしまうと、A1点前後で温度の上げ下げをする、圧延などの強力な冷間鍛造して網を寸断してから加温保持するなどの特殊な処理をしないと球状化しない。
（7）焼き入れ前の組織に網状セメンタイトがあると、焼き入れ後も残るため、焼き入れ変形しやすく、また、焼き入れ後の靭性が低くなり、切れ味が劣る。
（8）鍛造の過程で加熱しすぎた刃物がもろく、切れないのは網状セメンタイトのせいである。
（9）sk105の焼きなまし条件とされている750～780℃徐冷は、パーライトのセメンタイト層を球状化する加熱徐冷法である。
（10）冷間鍛造後、焼き入れ、焼き鈍しなどで再結晶温度以上の熱処理をすると、冷間鍛造による硬化はキャンセルされる。

回答No.5

kuroneko2020

教えた頂いた資料、興味深く拝見しました。

いずれも熱間鍛造後に焼きなましをしているわけですが、その状態で表面には酸化スケールが生成しています。酸化スケールと鋼の境目は平滑ではなく凸凹で、局部的には鍛造の影響によりスケールスケールが深く食い込んでいます。酸化スケールを除去しただけでは光沢のある金属面にはなりません。それを冷間鍛造すると表面は平滑になるとともに金属光沢が出てきます。同時に冷間鍛造で形状調整も行えます。資料のうち奥上さん動画、田村さん動画、越前刃物の三点では上記の目的になっています。他の資料では組織、機械的性質への効果を謳っています。

質問(1)について。
焼入前の組織は球状化焼きなまし組織(フェライト+球状セメンタイト)とします。焼入後の組織はマルテンサイト+球状セメンタイトになります。
焼入加熱により「フェライト+セメンタイトの一部」がオーステナイトに変化します。機械的性質に関しては、このオーステナイトがどの程度微細になっているかが問題なのですが、残留したセメンタイトがオーステナイトの成長を抑制するので、前冷間鍛造の有無よりも焼入温度の方が影響が大きくなります。このため焼入前冷間鍛造の焼入後の組織、強度への影響は少ないと思います。
「切れ味」については刃先形状と硬さが支配的のように予想しますので、影響はほとんどないと思います。

質問(2)について。
焼入による割れは冷却過程で起こるので焼入前冷間鍛造の影響はありません。
焼入歪は加熱時の変形と冷却時の変形の合計になります。焼入冷間鍛造は加熱時の変形を大きくする可能性があります。冷間鍛造による内部応力を緩和するように変形するわけです。

質問(3)について。
質問(2)の回答の通りです。

機械的性質については焼入焼戻条件の影響が支配的で、焼入前冷間鍛造の効果を教科書的に説明するのは難しいのですが、切れ味に影響する表層部での欠陥の除去改善など、実務経験的な効果があることも考えられます。

球状化焼きなましに関して、教えた頂いた資料では「長時間加熱法」は使用されていませんでした。みなさん加熱徐冷法でした。「工具鋼の熱処理要領3」p.179右列の(i）の方法です。この方法では初析セメンタイトは球状化しないのですが、SK105の標準焼きなまし温度750～780℃よりも少し高目の温度に加熱にしているようです。灰なましにより一晩かけて冷却しています。

回答No.4

kuroneko2020

参考URLを訂正します。

参考URL：

https://www.jstage.jst.go.jp/article/jinstmet1937/7/6/7_6_A177/_pdf/-char/ja

補足

ありがとうございます。勉強になります。
硬さ試験や顕微鏡での組織もしたいのですが、設備も経験もないためハードルが高いです。

ナイフ鍛造するにあたり、参考にした動画や包丁会社のHPに随所で、熱間鍛造で形成した後、700から800℃に加熱にして空冷もしくは常温の藁灰中で徐冷し、その後冷間鍛造してから焼き入れという工程を踏んでいます。
冷間鍛造の意義については、酸化皮膜を落とすため、凹凸をなくし表面を滑らかにするため、鋼を「締めて」切れ味をよくするため、強度を上げるため、結晶を細かくして切れ味を良くするためと、作り手によって解説が異なります。
焼き入れ前の冷間鍛造は日本刀でも行っています（刀匠から直接聴取しました。冷間鍛造後は焼きなましせずに焼き入れするそうです）。

ここで以下の疑問が生じました。
ご教授いただければ幸いです。
(1)焼き入れ前に冷間鍛造を挟むことで、焼き入れ後の組織、切れ味、強度にどのような影響がでるのか
(2)冷間鍛造後、焼きなましで内部応力除去せずに焼き入れすることで割れや歪みの原因にならないのか
(3)冷間鍛造の後、応力除去やきなましで、結晶構造を変えずに内部応力を除去してから焼き入れをした方が割れなどのリスクの低減にならないか

https://youtu.be/mO3Ji36B5dk
　5:15 700℃空冷　5:43冷間鍛造(凹凸を平らにする、バネ性を与え、強度を上げる)
　12:54 800℃炉冷? 13:25 冷間鍛造1　14:02冷間鍛造2

https://youtu.be/x0cb-tTSVX4
09:30 赤熱し藁灰中で徐冷　11:20冷間鍛造（酸化被膜を落とす）

https://youtu.be/Vc_puU9yyAs
　09:23赤熱し藁灰中で徐冷　10:00-10:17 冷間鍛造（表面を滑らかにする、厚みを調整する、鉄を締める）

http://yoshikanehamono.com/process
7 冷間鍛造（鋼を締める）

https://www.nigara.jp/cutlery/process.html
　5 焼きなまし　7冷間鍛造（粒子を細かくし、強靭さを持たせる）

https://www.echizenuchihamono.com/about_us/manufacturing.php
　6 800℃から空冷　　7、8 冷間鍛造

回答No.3

kuroneko2020

よく勉強されていますね。資料を見て「そう言えば」と小生も再認識しています。

球状化熱処理条件として「長時間加熱法」を採用されたということで良いでしょうか。

加熱保持時間は「工具鋼の熱処理要領3(大和久重雄、金属学会誌1943年)」(参考URL)p.182左列にあるように10～100時間です。
必要保持時間に大きな幅があるのは、処理前の組織状態と組織変化を促進する内部歪の大きさ(例えば冷間加工率)により大きく変わるからです。
資料(その3)では700℃×4時間で充分球状化していますが、フープ材という薄板のため元々の組織が微細であることが影響していると思います。

現在の700℃加熱炉冷では、球状化はほとんどしていない懸念があります。

もう一つの問題は、長時間加熱法では前組織が限定されることです。
前組織が完全なパーライトの場合は、長時間加熱法では球状化しません(熱処理要領3p.179右列参照)。
また「初析セメンタイト(初析Fe3C)が存在すると、そのまま最終工程まで変化しないため球状化できません。この場合は、前回にも紹介したように、前処理として焼ならしを行って初析Fe3Cを固溶させる必要があります」(モノタロウの資料)。

最適な球状化処理条件は、その前の熱間加工後の組織により変わるはずです。
もし初析セメンタイト(網状)が存在していると770℃加熱の焼きならしでは消失しません。
「冷間鍛造により網状セメンタイトを寸断」と言われましたが、例えば厚みが半分なるまでつぶしたとしても網がつぶれるだけで、寸断は難しいと思われます。
資料(その3)は薄板冷間圧延で、表面から強いせん断が加わるので圧延率が低くても寸断の効果があったものと推測します。
球状化処理の前の冷間鍛造の目的は、各資料にあるように球状化の促進です。

網状セメンタイトを無くすには資料(その4)の(d)が必要になります。

色々な可能性が考えられますが、一度現在の組織がどのようになっているか調査されてはいかがでしょうか。

参考URL：

https://www.jstage.jst.go.jp/article/jinstmet1937/7/4/7_4_A107/_pdf/-char/ja

補足

上の補足ですが、

(3)冷間鍛造の後、応力除去やきなましで、結晶構造を変えずに内部応力を除去してから焼き入れをした方が割れなどのリスクの低減にならないか

ではなく、正しくは

(3)冷間鍛造の後、応力除去やきなましで内部応力を除去あるいは、再結晶温度以下の加熱で多少なり内部応力を除去してから焼き入れをした方が割れなどのリスクの低減にならないか

でした。

回答No.2

kuroneko2020

回答No.1の続きです。
製作工程は、
熱間鍛造--焼きならし(770℃加熱空冷)-冷間鍛造-球状化焼きなまし(700℃加熱炉冷(室温まで数時間))
と読み取りました。

金属学的には「熱間鍛造-球状化焼きなまし」が基本的な工程だと思いますが、球状化焼きなましの前に焼きならしを入れると熱間鍛造後の不均質組織が均質化し、より均質な球状化組織を得られと考えられます。

冷間鍛造の目的は「網状セメンタイトの分断」とのことですが、その有効性には少し疑問があります。
SK105の「焼きなまし組織」には網状セメンタイトが現れます。空冷焼きならしの後の硬さはどのくらいでしょうか。図4(a)にあるようにHV350以上なら網状セメンタイトはあまり出ていないと思います。
また上田裕之さんの「暮らしの工芸　刃物の熱処理」(参考URL)に「鍛造時の温度を炉(火床という)に入れる度に徐々に下げて行き、常温で何度も繰り返したたいてから一度焼きならし(その後に球状化焼きなまし)」とあります。
SK105の熱間鍛造温度は1050～850℃とされています。上田さんの方法は、熱間鍛造の後半に加熱温度を850℃から770℃程度まで次第に下げて行きながら、加熱と鍛造(温間鍛造になる)を繰り返すという意味だと思います。それはオーステナイトから網状セメンタイトが出現してくる温度域で鍛造を行うことであり、網状セメンタイトの分断が可能になります。

球状化焼きなましの加熱温度が700℃というのは低すぎると思います。
SK105の焼きなまし温度は750～780℃(「オーステナイト+セメンタイト」領域)とされています。「炭素鋼の組織観察 TOKYO TEC OCW」の図1にあるように、700℃では室温と同じ「フェライト+セメンタイト」領域のため、多少セメンタイトの変形は起こるでしょうが、全体的な球状化は期待できません。

小生の知識はあくまでも鉄鋼材料の教科書がベースであり、実際のナイフの製造まではわかりません。磁性で温度を判定することも初めて知りました。教科書にはないノウハウもありうると思いますので、色々試してみてください。

参考URL：

http://kajikoubouueda.blog.fc2.com/blog-entry-158.html

補足

過共析鋼あるいは共析鋼の球状化焼鈍において、完全焼きなましあるいは焼きならしの組織を冷間鍛造後、A1点直下の700℃程度で保持するという手法は、下記から（その1）から(その4)の記述を参考にしています。冷間加工した鋼は、650から700℃で長時間保持することで極めて容易に球状化する旨の記述があります。
長時間が、具体的に何時間なのかは不明ですが…

(その1)https://www.monotaro.com/s/pages/readingseries/kikaibuhinhyomensyori_0203/
（A）

(その2)http://hp.vector.co.jp/authors/VA051695/htreat.html
「球状化やきなまし」

(その3)炭素鋼の球状化処理について　日立評論
　実験結果（2）　及び　結言（3）
(その4)鉄鋼の智識とその取扱い方（2）
1焼鈍　B焼鈍の種類　（3）球状化焼鈍

回答No.1

kuroneko2020

SK3(現SK105)のCCT曲線は「炭素鋼の組織観察 TOKYO TEC OCW」の図4(a)にあります。
焼入性はS40Cよりも高くなっています。

ただイプロスTechNote金属熱処理の基礎知識(参考URL)の「焼きなましと焼きならし」にあるように、通常SK105では焼きならしはしません。

市販されているSK105鋼材は球状化焼きなましが施されています。
工具鋼の熱処理は構造用鋼とは異なります。

参考URL：

https://www.ipros.jp/technote/basic-metal-heat-treatment/

補足

資料ありがとうございます。勉強になります。
焼きならしの意図ですが、球状化焼きなましの前段階のためにやっています。
　というのも、趣味でナイフの鍛造をしており、素材にsk3を使ってしています。
いろいろ調べた結果、切れる刃物にするためには焼入れ前の組織は球状化焼きなまし組織が良いと考えています。
　製作工程は、熱間鍛造で形成後、鍛造による結晶構造の乱れの直し&内部応力除去&セメンタイト球状化のために球状化焼きなましをし、それから焼入れしています。
　球状化焼きなましの方法は、770℃くらい(磁石で判別)に加熱(焼きならしや完全焼きなまし温度より低いですが、鍛造中にできた球状化セメンタイトを個溶させずに残すためと、磁性で判別しやすいため)して空冷、その後冷間鍛造して網状セメンタイトを寸断し、700℃程度に加熱(目視)、炉冷し、セメンタイトを球状化させようとしています(自作の炉ですが、室温まで下がるまで数時間かかっています。)。
　素人のため変なことを言っているかもしれません。間違っていたらご教授ください。