塩浴焼入れによる高速度鋼の脱炭防止

塩浴加熱・焼入れ中のワークピースの脱炭は、様々な理由から避けられない。

脱炭層が比較的薄ければ、その後の研磨工程で完全に除去でき、問題は生じない。

しかし、脱炭層を完全に除去できなければ、製品の品質は著しく劣化する。

1.脱炭素化が製品品質に及ぼす影響

脱炭とは、加熱中に鋼材表面の炭素含有量が減少すること、または炭素が酸素と燃焼してCO2（C＋O2→CO2）になることを指す。

脱炭のプロセスは、鋼表面の炭素が高温で酸素や水素などと反応することで発生し、表面組成の変化につながり、熱処理の品質に影響を与える可能性がある。

それは主に以下の点で示されている。

(1) 早期故障

焼入れされたワークピースの脱炭は、その表面硬度を低下させ、耐用年数に悪影響を及ぼす可能性がある。

例えば、図1に示す寸法φ40mm×1mmのW18Cr4V鋼製ねじ溝フライスは、熱処理中の脱炭の影響を示している。歯先表面の組織は、微小硬さ338HVの白色結晶質脱炭層、微小硬さ627HVの少量の黒色トルースタイト遷移層、および通常の焼戻し層が混在している。 マルテンサイト と微小硬度825HVの炭化物を少量含んでいる。

脱炭層が歯形に沿って分布していることがわかる。これは、熱処理工程で脱炭が発生したことを示している。その結果、低硬度のため早期に摩耗するフライスカッターとなった。

図1 ねじ溝フライスの焼入れと脱炭

(2) 焼入れクラックの原因

焼入れによる脱炭は、被加工材の内層と外層とで炭素濃度に差を生じさせ、熱処理過程での不均等な変態や体積膨張・収縮率のばらつきにつながる。

その結果、大きな構造応力と熱応力が発生し、ワークピースの応力集中部にマイクロクラックが発生する可能性が高まる。

(3) 疲労強度の低減

ワークピースの脱炭は、ワークピースに大きな影響を与える。 疲労強度特に、往復運動で交互に応力を受ける工具の場合。このように寿命に敏感であるため、表面剥離、破断、その他の早期損傷が主な破損の特徴となっている。

(4) 表面腐食

高温で急冷された溶融塩を使用すると、硫酸塩、炭酸塩、水の間で反応が起こり、軽度の場合は酸化や脱炭、重度の場合は腐食孔食を引き起こす可能性がある。

さらに、プロセスに応じて、硫酸銅を使用して化学銅めっきを施し、ワークの表面を処理する。

表面の銅めっき層が除去前に高温に加熱されると、焼入れ後のワーク表面の腐食にもつながる。

(5) ワークを焼く

塩浴の清浄度を維持し、焼入れ部品の脱炭を防止するため、多くの工場では溶融塩に適切な脱酸剤を添加しています。しかし、不適切な施工はワークピースの焼損につながるので注意が必要です。

図2に見られるように、直径46mm、厚さ1mmのM2鋼製ねじ溝フライスカッターは、脱酸剤フェロシリコンによる焼き付きで廃棄された。

燃焼点での金属組織は、図3に描かれているように、通常の組織との接合部にトルースタイトの黒帯（炭素の乏しい領域）があり、二次的なレデブライトであることが確認された。

図2 フライスカッターの焼け具合

図3 燃焼したフライス・カッターの金属組織図

脱炭の最も顕著な影響は、工具の寿命が短くなることであり、ひどい場合には使用できなくなる。

2.脱炭の原因

塩浴焼入れ中の脱炭の主な原因は以下の通り：

(1)Naなどの有害不純物₂SO₄BaSO₄ナ₂CO₃CaCO₃およびBaCO₃脱炭酸を促進する塩浴に存在する。

(2)空気中の水溶性が高まることで、脱炭素が容易になる。

(3) ワークまたは焼入れ治具のさび。

(4)塩浴中の加熱工程は、酸化物含有量と酸素含有量を増加させ、ワークピースの脱炭に寄与する。

(5) 急冷フックに硝酸塩が蓄積したり、硝酸塩が混ざった塩化物塩が存在すると、塩浴中の酸素含有量も増加する。

(6) 塩浴の脱酸が不十分、またはスラグの除去が不完全。

(7)塩浴槽の老朽化と適時の交換を怠ったこと。

3.塩浴中の脱炭酸の測定

塩浴が脱炭するかどうかを判断するには、いくつかの方法がある。最も簡単なのはヤスリを使う方法ですが、豊富な実地経験が必要です。その他の方法としては、鋼箔試験、化学分析、硬度試験、微細構造判定などがあります。ここでは、それぞれの概要を説明します。

(1) 判決の提出

塩浴焼入れによる脱炭は、部品の硬度が芯金より低いため、硬度66HRC以上のヤスリでV字の溝を入れる。溝の深さで脱炭の程度が決まる。

工具メーカーの中には、自作のヤスリを使って高速度鋼工具の硬度と脱炭層を判定するところもある。これらのヤスリは4341高速度鋼で作られ、次のような表面強化処理が施されます。 キューピーキュー.

(2) マクロ腐食判定

試料または試験片を塩浴で急冷した後、700℃に加熱し、20%塩酸に数分間浸漬する。その後、試験片を洗浄し、観察する。

脱炭部分と非脱炭部分では耐食性が異なるため、脱炭部分が白く見える。脱炭層の深さは、拡大鏡で観察することで判断できる。

(3) 硬度の測定

塩浴熱処理を行った試料の断面の硬度分布を測定する。表面の硬さが芯の硬さと異なる場合は、芯の硬さと等しい部分を特定することで脱炭層を判定することができます。

硬度の境界は823HVだと考える人もいる。_0-1 は、高速度鋼が熱処理後に脱炭を起こしたかどうかを判定するために使用されます。この境界から表面までの距離が脱炭層の深さを表します。

(4) 鋼箔テスト

鋼箔（厚さ0.5mm、幅30mm、長さ150mmの1.0%炭素鋼帯）を塩浴中に入れ、表1の条件で所定時間加熱する。加熱後、10～30℃の水道水で急冷し、手で割って破断強度を評価する。その後、塩浴の脱炭と劣化を表2の基準で判定する。

表1 塩浴中のスチール箔の加熱時間

表2 鋼箔の判定基準

(5) 金属組織検査

図4に示すように、焼入れ・脱炭を経た高速度鋼の表面層の結晶粒径は比較的粗い。

図4 脱炭したフライス・カッターの金属組織図

4.脱炭素化対策

(1) 電極の柄や固定具に付着した錆は、焼入れ前に除去すること。

(2)溶融塩中の酸化物により堆積したスラグや液面上の浮遊物は速やかに除去すること。

(3)ワークの乾燥の有無にかかわらず、完全に焼成・乾燥させること。

(4) ワークや治具に付着した塩や飛散した塩は、酸化の危険性が高いため塩浴中に持ち込まず、防止・除去すること。

(5)溶融塩が大気と反応するのを防ぎ、アルカリ性を向上させる。

病気の蔓延を予防し、最小限に抑えるためには、以下のような措置をとることができる：

塩浴の温度はできるだけ低く保つ。

塩浴の表面積を最小限にすること。

焼入れを行わない場合は炉蓋をしてください。

浴液の表面は、窒素または不活性ガスの循環流で覆う。

(6) 炉を長期間使用しない場合は、塩水を抜き、乾燥させ、細かく砕いて乾燥した場所に保管する。黒泥や介在物が多数発見された場合は廃棄し、それ以上使用しないこと。

(7) スラグは完全に脱酸され、完全かつ徹底的に除去されるべきである。

(8) 非デオキシ化長時間作用型塩または 5% MgF₂ 高温塩浴（95% BaCl₂)を使うべきである。

(9) 信頼できる供給源から購入した塩は、工場に搬入され保管される前にサンプリングされテストされるべきであり、資格に合格した後でなければ使用できない。

(10)効果的なサイト管理を実践し、潜在的な脱炭素要因にタイムリーに対処すべきである。

5.結論

現在、塩浴炉は高速度鋼の熱処理のための主要な加熱装置であり続けている。

真空炉の開発は急速に進んでいるが、塩浴炉に完全に取って代わることはできない。

長い期間、両者の長所は補完し合い、共存していくだろうが、やがて塩浴は廃れていくだろう。

現在、塩浴焼入れの品質に注意を払うことは、特に脱炭を防ぐために極めて重要である。

各工程を注意深く監視することで、脱炭を最小限に抑え、工具の寿命を延ばすことができる。