鋼の焼戻し応答と二次硬化

焼戻しが鋼に及ぼす変化

下部臨界温度未満での定義

ASM Internationalは、焼戻しを「焼入れまたは焼ならしを施した鋼を、下部臨界温度未満の温度まで加熱すること」と定義している（ASM Handbook Volume 4A, 2024）。この定義は、焼戻しを鋼を軟化させるための再加熱とする一般的な説明よりも正確である。焼戻しは焼入れ処理に続いて行われ、焼ならしに続いて行われることもある。鋼は再加熱され、選定した時間保持された後、下部臨界温度を意図的に超えて新たなバルク状のオーステナイト組織を形成することなく、制御された条件で冷却される。

下部臨界温度は一般に共析変態域と関連付けられるが、その正確な位置は組成および加熱条件によって異なる。この温度未満にとどめることが重要なのは、焼戻しが完全な再オーステナイト化によって組織を置き換えるのではなく、焼入れによって生成した組織を変化させる処理だからである。したがって、焼戻しサイクルは、焼ならし、焼なまし、または2回目の焼入れ操作とは異なる冶金学的目的を持つ。

主な変数は、焼戻し温度、保持時間、炭素含有量、合金元素含有量および残留元素である。初期組織も重要である。さらに、オーステナイト化温度、それ以前の焼ならしまたは鍛造履歴、焼入れの厳しさ、断面寸法および加熱速度も影響する。したがって、公称上は類似した鋼から製造された2つの部品でも、熱履歴が異なれば応答が異なる場合がある。

温度は通常、時間だけの場合よりも強く反応を促進するが、反応がどこまで進行するかは依然として時間によって決まる。炭素含有量は、焼入れ直後のマルテンサイトに捕捉される炭素の量および過飽和度に影響する。クロム、モリブデン、バナジウム、タングステンなどの合金元素は、炭化物の安定性、拡散速度および析出挙動を変化させる。残留元素は、意図的な添加元素でない場合でも、変態速度論および焼戻し抵抗性を変化させる可能性がある。焼戻しは単一の硬さ設定ではなく、履歴依存の処理である。

焼入れ直後のマルテンサイトから焼戻し組織へ

焼入れ直後のマルテンサイト焼入れ直後のマルテンサイト オーステナイトを急冷して形成される、硬く炭素過飽和な相であり、高い転位密度と蓄積された内部エネルギーを有する。

焼入れ直後のマルテンサイトは、過飽和でひずみを持つ相である。その高い転位密度と炭素の過飽和が硬さの大部分をもたらす一方で、弾性エネルギーおよび化学エネルギーも蓄積している。焼戻しによって、いくつかの重なり合う反応を通じて組織はこれらのエネルギーを低減できる。米国エネルギー省は、炭素拡散、炭化物形成、オーステナイト分解および回復を、この過程の中心的な要素として説明している（2010年）。

比較的低い焼戻し温度では、炭素は短い距離を移動し、欠陥部に偏析するか、遷移炭化物を形成することがある。内部応力は低下し、炭素がマルテンサイト格子から移動するにつれて、マルテンサイトの正方晶性は減少する。鋼は硬さの一部を失う可能性があるが、寸法安定性および遅れ割れに対する抵抗性は向上する。残留オーステナイトが存在する場合は、その後の焼戻し段階で分解することもあり、寸法と機械的性質の双方に影響する新たな変態生成物が生じる。

温度が高くなるか保持時間が長くなると、炭化物粒子は粗大化するか、より安定な化合物へ変化する一方、フェライト母相は回復し、転位強化の一部を失う。これらの変化により、一般に硬さと降伏強さは低下するが、靭性と延性は向上する。その結果生じるのが焼戻しマルテンサイトであり、これは炭化物粒子が分布するフェライト母相から成る。その分布は温度だけでなく、組成と処理履歴によって決まる。

高合金工具鋼では、微細な合金炭化物の析出によって、焼戻し中に二次硬化が生じることがある。 Strong evidence

二次硬化二次硬化 初期の軟化反応の後、微細な合金炭化物が析出することによって焼戻し中に生じる硬さの上昇。

高合金工具鋼は、単純な軟化則に対する重要な例外となる。ASM Internationalによれば、二次硬化は、モリブデン、バナジウムおよびタングステンに関連する炭化物を含む微細な合金炭化物の析出によって生じる（2024年）。焼戻し中にこれらの粒子が母相を十分に強化し、それ以前の低下後に硬さが上昇することがある。この効果は二次硬化と呼ばれ、一般に、析出が強いほど焼戻し抵抗性も高くなる。

National Institute of Standards and Technologyは1930年に、「二次硬化ピークの強度はオーステナイト化の程度とともに増加する」と報告した。この知見は、ピークが焼戻し温度だけでなく、それ以前の焼入れサイクルにも関係することを示している。オーステナイト化の程度が高いほど、焼入れ前により多くの合金元素と炭素をオーステナイト中に溶解できるため、その後の析出に利用可能な組成が変化する。その結果、同じ公称焼戻しスケジュールでも、オーステナイト化処理が異なれば、異なる硬さ曲線が生じる可能性がある。

H13工具鋼は、加熱履歴を考慮に入れなければならない理由を示す例である。査読付き研究では、二次硬化挙動を含め、等温、緩速加熱および急速加熱の各スケジュールにおけるH13の焼戻し応答を予測する方法が記録されている（University of Arizona publication record, 2013）。析出温度域を連続的に通過する部品は、その温度で等温保持された部品と必ずしも同じ反応を経験するとは限らない。最終的な公称温度が同一であっても、計算される硬さ応答は異なる可能性がある。

J. H. HollomonとL. D. Jaffeは1945年、焼入れ鋼について、焼戻し時間、温度および組成の関係を定式化することにより、時間と温度の問題を扱った。Hollomon-Jaffe式は一般に次のように記述される。

T(log t + c)

ここで、Tは絶対温度、tは焼戻し時間、cは組成および状態に依存する定数である。この式は、暴露条件を比較し、マルテンサイトの焼戻しの程度を定量化するための焼戻しパラメータを与える。温度と時間を1つの指標に統合できる点で有用であるが、等価なパラメータを用いても、加熱速度、初期組織、オーステナイト化、断面寸法または合金の応答の違いが消えるわけではない。

ASM Handbook Volume 4Cは、浸炭焼入れ鋼を評価する際、Hollomon-JaffeおよびGrange-Baughmanの相関式によって、等価な時間・温度条件を表現できると述べている（ASM International, 2024）。この一致が示すのは相関関係であって、あらゆる熱経路が同じ組織を生じるという証明ではない。この区別は表面硬化部品において重要である。表面硬化部品では、急峻な温度勾配と断面内の温度変化により、実際の焼戻し履歴が不均一になる可能性がある。

硬さだけが唯一の応答変数ではない理由

硬さは測定しやすいが、焼戻しによって生じる結果の一つにすぎない。マルテンサイトのひずみと転位密度が低下すると強度は低下し得る一方、微細な合金炭化物が析出すると、局所的に上昇することがある。内部応力が緩和されるため靭性は向上する可能性があるが、特定の鋼では、残留オーステナイトの分解、炭化物形態または脆化温度域によって靭性が低下する場合がある。応力除去によって寸法安定性は向上し得るが、残留オーステナイトの変態によって測定可能な膨張が生じることもある。

これらの相反する傾向の背後にある説明を与えるのが組織である。炭素拡散、回復、炭化物析出、残留オーステナイトの分解および粒子の粗大化は、順次発生することもあれば、重なり合って進行することもある。最終組織は、硬さ試験で得られる単なる押込み数値ではなく、疲労挙動、耐摩耗性、破壊抵抗およびさらなる熱暴露に対する抵抗性を支配する。

2013年に行われた熱間および温間鍛造用金型鋼の研究では、焼戻しパラメータ（Hollomon-JaffeパラメータまたはLarson-Millerパラメータとも呼ばれる）を用いて、時間・温度暴露と硬さ変化の相関が調べられた。このような相関は、特定の鋼種と処理範囲を記述するうえで実用的である。しかし、普遍的な硬さの法則ではない。鋼種、初期状態および処理履歴が依然として決定的であるため、焼戻しは単に「軟化」としてではなく、熱経路とその結果生じる組織として規定すべきである。

焼戻し応答を左右する変数

焼戻しは、炉の設定温度だけで定義されるものではない。ASM Internationalは、ASM Handbook Volume 4A（2024年）において、「焼戻しとは、焼入れまたは焼ならしを行った鋼を、下部臨界温度未満の温度まで加熱することである」と述べている。この定義が示すのは、単一の作業ではなく、変態経路である。温度、時間、炭素含有量、合金元素量、残留元素はすべて、最終的な組織と特性に影響を及ぼす。加熱速度、鋼そのものが到達した温度、先行するオーステナイト化処理、ならびに焼入れも重要である。

温度と保持時間

焼戻し中には、過飽和マルテンサイトから炭素が拡散し、炭化物が形成または組成変化を起こし、残留オーステナイトが分解する場合があり、さらにマルテンサイト組織では回復が進行する。米国エネルギー省は、この過程を単純な熱による軟化としてではなく、相互に関連する拡散、析出、分解および回復反応によって説明している。比較的低い温度では、炭素の偏析と遷移炭化物の析出により、相当な硬さを維持しながら内部応力を低減できる。温度または保持時間が増加すると、一般に、炭化物の粗大化、フェライトの回復、さらなる変態によって硬さと強度は低下する。

「一般に」という語は重要である。高合金工具鋼では、初期の低下後に硬さが上昇することがある。ASM Internationalは2024年、モリブデン、バナジウム、タングステンに関連する炭化物など、微細な合金炭化物の析出によって二次硬化が生じると報告した。鋼はまず、十分な量の固溶合金元素と炭素を含んでいなければならず、さらに、先行するオーステナイト化処理によって、これらの元素が析出可能な状態に置かれていなければならない。析出が強くなるほど焼戻しに対する抵抗は大きくなるが、硬さのピークとその大きさは鋼種および熱処理履歴に依存する。普遍的な二次硬化温度は存在しない。

公称温度が同一であっても、保持時間によって結果は変化する。短時間の加熱では、析出または回復が不完全にとどまる可能性がある一方、長時間保持すると、拡散律速反応がさらに進行する。焼戻しを複数回行う場合には、熱処理履歴に別の要素が加わる。1回目の焼戻しによって残留オーステナイトが変態したり、核生成サイトの分布が変化したりする可能性があるため、2回目の焼戻しは元のマルテンサイトに対して作用するわけではない。

炉内温度は、必ずしも部材温度と同じではない。小さな試験片は設定温度に速やかに近づくが、大型の金型、軸、または板では、断面内に温度勾配が生じる。急速加熱サイクルでは、中心部がその温度に達する前に、表面が公称焼戻し温度にさらされる可能性がある。逆に、緩やかな昇温では、あらゆる中間温度で反応が連続的に始まる。そのため、「540 °Cで2時間」という記述は、部材をどのように加熱したか、保持時間をいつから起算したか、また、記載された温度が炉内で測定されたものか鋼材で測定されたものかを示さない限り、不完全である。

J. H. HollomonとL. D. Jaffeは、1945年のMetals Technology掲載論文において、焼戻し時間、温度および組成を、焼入れ鋼の組織と特性に関連付けることで、この問題を扱った。Hollomon-Jaffe式は一般に次のように表される。

$$P=T(\log t+c)$$

ここで、$T$は絶対温度、$t$は時間、$c$は組成および材料に依存する定数である。米国エネルギー省は、このパラメータをマルテンサイトの焼戻しの進行度を定量化する方法として説明している。これは加熱条件を比較するうえで有用だが、同一のパラメータであっても、加熱速度、初期組織、オーステナイト化、断面寸法、合金の応答性の違いがなくなるわけではない。2つのサイクルが同じ計算上の$P$値を持っていても、異なる硬さ分布を生じる可能性がある。

炭素、合金元素および残留元素

炭素は、焼入れ中に生成するマルテンサイトの量と過飽和度を支配する。そのため、公称炭素含有量は、初期硬さと焼戻し反応に利用できる炭素量に大きく影響する。炭素量が多いほど、より硬いマルテンサイトと、より多くの炭化物形成に利用可能な炭素を支えることができるが、最終的な応答はオーステナイトの安定性と、焼入れ前に固溶していた炭素量にも依存する。未溶解炭化物に結び付いている炭素は、オーステナイトに固溶している炭素と同じではない。

クロム、モリブデン、バナジウムおよびタングステンは、炭化物の安定性、拡散および析出速度論を変化させる。クロムは焼入性を高め、安定な炭化物の形成に寄与することがある。モリブデン、バナジウムおよびタングステンは、二次硬化中の微細な合金炭化物の析出を支えることがある。これらの元素は、高い焼戻し温度における軟化を遅らせる可能性があるが、その効果は、オーステナイト化中の固溶状態、ならびに既存炭化物の大きさと分布に依存する。過度のオーステナイト化では、より多くの炭化物が溶解してオーステナイトが合金元素に富む可能性がある一方、不十分なオーステナイト化では、合金元素が後の析出に利用できないまま残る可能性がある。

米国国立標準技術研究所が研究した高速度鋼では、オーステナイト化の程度が高いほど二次硬化ピークの強度が増加した。 Strong evidence

1930年に発表された高速度鋼に関するNISTの研究は、「二次硬化ピークの強さは、オーステナイト化の程度とともに増加する」と述べている。この結果は、公称鋼種に対して単一の固定された焼戻し曲線を割り当てることへの直接的な警告である。より強いオーステナイト化によって、固溶状態にある炭素および合金元素の量、残留オーステナイト量、マルテンサイトの組成、析出能が変化する可能性がある。また、旧オーステナイト粒が粗大化し、変態挙動と靭性に影響を及ぼすこともある。

残留元素と製造履歴は、影響はより小さいものの、時として重要な変数を加える。シリコン、マンガン、ニッケル、銅、リン、硫黄、窒素、酸素および微量添加元素は、炭化物反応、残留オーステナイト、偏析、焼戻し脆性に影響を及ぼす可能性がある。残留応力と加工前の変形は、核生成サイトと回復速度を変化させる。そのため、同じ公称鋼種として認証された2つの試験片であっても、熱処理を開始する前から、溶鋼単位、炭化物分布、または鍛造減面率の違いによって異なることがある。

高合金工具鋼は、この点を明確に示している。未焼戻しマルテンサイトでは、炭素が過飽和サイトから離れ、回復が進行するにつれて、通常の焼戻しによって軟化が生じる。二次硬化では、微細な合金炭化物が析出強化をもたらし、回復を抑制するため、熱処理スケジュールの一部において硬さの傾向が逆転する。後に現れるピークは焼戻しが停止したことを示すものではなく、競合する反応が変化し、硬さを支配する反応が入れ替わったことを示している。

初期状態、焼入れ強度および断面寸法

焼入れ後の組織が、焼戻しの初期状態となる。オーステナイト粒径、固溶炭素、未溶解炭化物、残留オーステナイト、マルテンサイト形態、焼入れ応力はすべて、その後の応答に影響する。主としてマルテンサイトを生成するのに十分な速度で焼入れされた試験片は、ベイナイトまたはパーライトを含む試験片と同じようには焼戻されない。また、厚い断面の中心部は、必ずしも表面と同じ挙動を示さない。

焼入れ強度は冷却速度を決定し、それによって生成する変態生成物を決める。水、ポリマー、油、ガスによる焼入れでは、それぞれ異なる冷却履歴が生じる。また、同じ焼入れ剤であっても、撹拌、温度、装入状態が変化すれば結果は異なる。大型断面では中心部の冷却が遅くなるため、小さな試験片でマルテンサイトが形成される条件でも、ベイナイト、パーライト、または残留オーステナイトが生成することがある。焼戻し中には、これらの領域で異なる反応が進行し、到達する硬さも異なる可能性がある。

断面寸法は、オーステナイト化および焼戻しの温度遅れも変化させる。中心部がなお加熱中であっても、表面が目標温度を超えることがあり、半径方向の焼戻し勾配が生じる。炉が設定温度に達した時点で制御装置が保持を開始する場合、中心部がその温度にさらされる時間は、スケジュールから想定される時間より短くなる。熱電対を表面に設置した場合、記録された履歴は内部の加熱履歴を過大に示す可能性がある。

H13工具鋼では、等温、緩速加熱および急速加熱の焼戻しスケジュールによって、二次硬化挙動を含む予測硬さ応答が異なることがある。 Limited evidence

2013年に発表されたH13工具鋼に関する査読付き研究では、等温焼戻し、緩速加熱焼戻し、急速加熱焼戻しのスケジュールをモデル化し、二次硬化挙動を含む異なる硬さ応答を予測した。この知見は、焼戻しを連続的な熱履歴として扱うことを支持している。ASM Handbook Volume 4C（2024年）も同様に、誘導焼入れ鋼について、等価な時間・温度条件を表現する方法としてHollomon-Jaffe相関およびGrange-Baughman相関を比較しているが、これらは実際の工程測定の代替ではない。

2013年のJournal of Materials Processing Technology掲載研究では、熱間および温間鍛造用の金型鋼を対象に、焼戻しパラメータ（Hollomon-JaffeパラメータまたはLarson-Millerパラメータとも呼ばれる）を用いて、時間・温度履歴と硬さ変化を相関付けた。このような相関は工程比較に有用だが、特定の鋼種と初期状態についての経験的記述にとどまる。加熱速度、断面寸法、オーステナイト化、焼入れ、または先行する焼戻しが変化すれば、同じ公称温度表示であっても、異なる冶金学的処理を指すことがある。

焼戻しの機構：拡散、分解および回復

ASM International は、焼戻しを「焼入れまたは焼ならしを施した鋼を、下限臨界温度未満の温度まで加熱すること」と定義している（ASM Handbook Volume 4A, 2024）。この定義が示すのは処理温度域であって、単一の反応ではない。生成する微細組織と性質は、焼戻し温度と時間、炭素含有量、合金含有量、残留元素、先行するオーステナイト化、焼入れ条件および加熱履歴に依存する。したがって、焼入れ鋼は、過飽和マルテンサイト母相が変化する過程で、軟化することも、硬さの大部分を保持することも、後の硬さ増加を示すこともある。

米国エネルギー省は、焼戻しを、炭素の拡散、炭化物の生成、残留オーステナイトの分解および回復を含む一連の過程として説明している。これらの現象は、完全に分離した4段階として起こるのではなく、互いに重なり合って進行する。その速度と相対的な重要性は、組成および熱履歴によって変化する。「低温焼戻し」、「中温焼戻し」および「高温焼戻し」は有用な工程上の表現であるが、普遍的に共通する一連の反応を特定するものではない。高合金工具鋼と普通炭素マルテンサイト鋼では、同じ公称温度に対しても応答が大きく異なる場合がある。

炭素拡散と初期段階の焼戻し

生成直後のマルテンサイトは、過飽和でひずみを持つ相である。炭素は、体心正方晶マルテンサイト格子と平衡していない侵入型位置を占めている。一方、焼入れによって、高い転位密度と残留応力が生じている。焼戻しの初期段階では、炭素はより安定な位置へ向かって短距離を移動する。移動先には、転位、ラス境界、自己焼戻し領域および生成初期の鉄炭化物粒子などがある。この再分配により、格子の正方晶性が低下し、焼入れ直後の状態に伴う弾性応力およびひずみ応力が減少する。

初期反応は、単純な「硬さの除去」ではない。炭素の偏析は、識別可能な炭化物の集団が形成される前に、局所的な配置を安定化することがある。また、応力緩和の程度は、温度、時間および加熱速度に依存する。ゆっくり加熱される部材では、中心部と表面の温度がまだ異なる段階から変化が始まる。急速に加熱される部材では、拡散によって炭素が同じ分布に到達する前に、同じ公称温度範囲を通過することがある。断面寸法が重要なのも同じ理由による。

普通炭素マルテンサイトおよび低合金マルテンサイトでは、より安定なセメンタイトが生成する前に、遷移炭化物が形成されることがある。正確な順序は、炭素量、合金元素の添加量および初期マルテンサイト形態に依存する。一部の低炭素マルテンサイトは過飽和炭素量が少なく、初期反応が弱く現れることがある。一方、高炭素マルテンサイトでは、正方晶性が大きく、初期の応力緩和も強く現れる可能性がある。このような違いがあるため、温度による分類だけでは、機構に基づく説明の代わりにはならない。

J. H. Hollomon と L. D. Jaffe が1945年に定式化した Hollomon-Jaffe 法は、焼入れ鋼で形成される組織および性質と、焼戻し時間、温度および組成との関係を示す。よく知られた形である $T(\log t+c)$ は、マルテンサイトの焼戻しの程度を定量化するために用いられ、$T$ は絶対温度、$t$ は時間、$c$ は組成に関連する定数を表す。これは比較のための有用な手法であるが、冶金学的履歴を相殺するものではない。加熱速度、初期微細組織、オーステナイト化、断面寸法または合金の応答が異なる場合、パラメータが等しくても結果が等しくなるとは限らない。

炭化物の形成と成長

炭素が過飽和マルテンサイトから離れるにつれて、炭化物の析出は焼戻し応答の中心的な過程となる。多くの鋼では、生成物は微細な遷移炭化物から、より安定なセメンタイトへと変化する。一方、合金元素はこの順序を遅らせたり、変化させたり、置き換えたりすることがある。炭化物の核生成は炭素を消費し、母相の組成を変化させる。さらに、炭化物の成長と粗大化により、転位の移動を妨げる障害物が減少する。通常の焼戻し軟化は、一般に、母相の過飽和が失われ、析出物が大きくなるか、または析出物間の間隔が広がるときに生じる。

高合金工具鋼では、この傾向が逆転することがある。ASM International は、「高合金工具鋼における二次硬化は、微細な合金炭化物の析出によって生じる」と述べており、モリブデン、バナジウムおよびタングステンに関連する炭化物などを挙げている（2024年）。整合または半整合の関係を持つ微細な合金炭化物は、粗大なセメンタイトよりも効果的に転位の移動を妨げることがあり、その結果、後の焼戻し温度域で硬さが増加する。一般に、析出が強いほど焼戻し抵抗は大きくなるが、その結果は、固溶状態にある合金量、焼戻しスケジュールおよび母相の安定性に依存する。

オーステナイト化はこの応答を支配する。なぜなら、焼入れ前にどの炭化物が溶解し、どの程度の合金元素および炭素がオーステナイトに取り込まれるかを決定するからである。1930年に National Institute of Standards and Technology が高速度鋼について行った研究では、「二次硬化ピークの強度は、オーステナイト化の程度とともに増加する」と報告されている。この観察結果は、すべての高速度鋼について一つの固定されたピーク温度または硬さが存在することを示すものではない。むしろ、出発状態が析出能を支配することを示している。

H13 工具鋼を対象とした2013年の査読付き研究も、同じ理由で有用である。この研究の方法は、等温、緩速加熱および急速加熱による焼戻しスケジュール後の硬さを予測し、二次硬化挙動も含めている。これらのスケジュールでは、公称の曝露範囲が重なっていても、予測される硬さ応答が異なる場合がある。連続加熱中は、温度が上昇する間にも析出と回復が進行する。一方、等温処理では、選択した一つの温度において反応がより長く進行する。同じ焼戻しパラメータを計算できるという理由だけで両方のスケジュールを同等とみなすと、このような違いが見えなくなる可能性がある。

残留オーステナイトの分解と母相の回復

焼入れ後には、残留オーステナイトが残ることがある。特に、合金元素の添加によって変態温度が低下している場合や、オーステナイト化条件によって相当量の炭素および合金元素が溶解している場合に生じやすい。焼戻し中、残留オーステナイトは炭素を放出し、フェライト生成物と炭化物へ変態することがある。また、冷却時に変態する前に不安定化することもある。その分解は、寸法安定性、硬さおよび残留応力を変化させる可能性がある。時期は鋼種に依存し、残留オーステナイトがすべての鋼で同じ経路をたどるわけではない。

母相の回復は、これらの反応と並行して起こる。転位は再配列または消滅し、ラスおよびプレートに生じた応力が低下し、局所的なひずみ場が緩和される。回復は一般に強度と硬さを低下させるが、二次硬化を示す鋼種では、析出によってその損失が相殺され、またはそれを上回ることがある。したがって、最終的な性質は、母相の軟化、応力緩和、残留オーステナイトの変態、炭化物の析出および炭化物の粗大化のバランスによって決まる。

ASM Handbook Volume 4C は、焼入れされた鋼の評価において、等価な時間・温度条件を表すものとして Hollomon-Jaffe 相関および Grange-Baughman 相関を比較している。このような相関は、データを整理するための実用的な方法であって、二つの熱履歴が同一の微細組織を形成することの証明ではない。2013年に Journal of Materials Processing Technology に掲載された熱間または温間鍛造用金型鋼の研究でも、焼戻しパラメータ（Hollomon-Jaffe パラメータまたは Larson-Miller パラメータとも呼ばれる）を用いて、時間・温度曝露と硬さの変化を相関付けている。これらの手法は、定義された材料および処理範囲内の傾向を示すものである。鋼種、初期状態、オーステナイト化、加熱経路および冷却履歴は依然として焼戻し機構の一部であるため、普遍的な硬さの値や、保証された性質の変化を提供するものではない。

高合金工具鋼における二次硬化

焼戻し中に硬さが上昇する理由

焼戻しは、単純に軟化させる処理と定義されるものではありません。ASM Internationalは、ASM Handbook Volume 4A（2024年）において、「焼戻しとは、焼入れまたは焼ならしを行った鋼を、下限臨界温度未満の温度まで加熱することである」と述べています。焼戻し後に生じる組織および特性は、焼戻し温度と時間、炭素含有量、合金含有量、残留元素、ならびに焼入れまたは焼ならしによって形成された状態に依存します。これらの変数によって、どの反応が起こり、どこまで進行するかが決まります。

炭素鋼および多くの低合金鋼では、通常、硬さは低下します。焼入れマルテンサイトには、過飽和炭素、高い転位密度、そして大きな内部応力が存在します。焼戻し中には、炭素がマルテンサイトから拡散し、遷移炭化物またはセメンタイトが生成し、残留オーステナイトが分解することがあり、さらにマルテンサイト組織が回復します。米国エネルギー省による2010年の焼戻しに関する解説では、これらの連動した過程を、炭素の拡散、炭化物の生成、オーステナイトの分解、および回復として説明しています。これらはいずれも一般に、蓄積されたひずみエネルギーと塑性変形に対する抵抗を低下させます。

高合金工具鋼では、異なる経路をたどることがあります。温度が上昇すると、焼入れ中に固溶したまま残っていた合金元素が短い距離を拡散し、極めて微細な合金炭化物を高密度に生成することがあります。これらの粒子は転位の移動を妨げます。その強化効果がマルテンサイトの回復による軟化を上回ると、焼戻し中に測定硬さが上昇します。これが二次硬化です。

ASM Internationalは、「高合金工具鋼における二次硬化は、微細な合金炭化物の析出によって生じる」と説明しており、そこにはモリブデン、バナジウム、タングステンに関連する炭化物が含まれます。ここで重要なのは、微細であることです。粗大な炭化物の集団は、粒子間の距離が大きく、移動する転位に対する抵抗が小さいため、母相を効果的に強化できません。焼戻しマルテンサイト中に分散した非常に微細な析出物は、母相がなお回復過程にある間に、析出強化をもたらします。

したがって、この応答は軟化と強化の競合です。焼戻し初期には、炭素がマルテンサイトから離れるため、硬さが低下することがあります。より高い温度では、合金炭化物の析出によってその傾向が反転することがあります。さらに高温での保持や加熱により、析出物は粗大化し、母相はマルテンサイトの強度をより多く失うため、硬さは再び低下します。すべての鋼種が大幅な上昇を示すわけではなく、硬さ曲線には、明確に一つのピークを形成するのではなく、複数の反応が重なって現れることもあります。

モリブデン、バナジウムおよびタングステンに関連する炭化物

モリブデン、バナジウムおよびタングステンは、強い炭化物形成傾向を持ち、適切な焼戻し処理中に鋼の母相から析出物へ拡散するため、二次硬化の中心的な役割を果たします。正確な相は、化学組成と熱履歴によって異なります。炭化物は、MC、M₂C、M₆C、M₂₃C₆など、結晶構造または組成に基づく記号で表されることがあります。ここで M は一つまたは複数の金属元素を表します。これらの記号は、すべての鋼が列挙されたすべての相を生成することを意味するものではありません。

バナジウムは、一般に非常に安定なバナジウムに富むMC炭化物の生成に寄与します。これらは溶解しにくいため、より不安定な粒子が粗大化または溶解する温度でも有効性を維持できます。モリブデンは、微細なM₂C型析出および混合合金炭化物の集団に関与することがあります。タングステンは、鋼種と焼戻しスケジュールによっては、M₆C型炭化物またはその他の混合炭化物に取り込まれることがあります。タングステン、モリブデン、バナジウム、クロムおよび炭素が相当量組み合わされる高速度鋼では、複数の炭化物群が順次または同時に生成することがあります。

焼戻し前の母相の化学組成は重要です。オーステナイト化によって一部の炭化物が溶解し、オーステナイト中の炭素および合金元素が濃化する一方、未溶解炭化物は他の元素を母相の外部に保持します。その後の焼入れによって、通常はマルテンサイトと残留オーステナイトが生成します。オーステナイト化温度を高くする、または保持時間を長くすると、より多くの炭化物を溶解できる可能性がありますが、過度のオーステナイト化は結晶粒成長などの損傷を引き起こすことがあります。その結果、後の析出に利用可能な固溶合金量が変化し、二次硬化応答も変わる可能性があります。

米国国立標準技術研究所（National Institute of Standards and Technology）が1930年に報告した高速度鋼に関する研究では、「二次硬化ピークの強度は、オーステナイト化の程度とともに増加する」とされています。この観察結果を、普遍的な温度や硬さの増加量に置き換えてはなりません。より強いオーステナイト化によって、析出に利用できる合金元素の供給量が増える可能性はありますが、同時に結晶粒径、残留オーステナイト、炭素活量、および未溶解炭化物量も変化します。最終的な曲線は、これらすべての変化を反映します。

焼戻し抵抗と二次硬化ピーク

焼戻し抵抗とは、所定の熱暴露中に硬さ、強度、または寸法安定性を保持することを意味します。微細な合金炭化物の析出は、析出物が転位の移動に抵抗し、マルテンサイト強度の低下を遅らせるため、焼戻し抵抗を高めます。二次硬化が強い鋼では、炭素鋼であれば硬さが急速に失われるような温度範囲でも、軟化がわずかしか生じないことがあります。ただし、これは焼戻しを受けないという意味ではありません。熱暴露を継続すれば、最終的には回復、炭化物の粗大化、残留オーステナイトの変態、その他の軟化反応が進行します。

ピークの位置と大きさは、鋼種および履歴に依存します。鋼種、初期硬さ、オーステナイト化処理、焼入れ、焼戻し時間、加熱速度、冷却方法、および硬さ試験方法を指定せずに、固定値として責任をもって示すことはできません。例えばAISI H13は、合金バランスと炭化物の構成が異なるため、タングステンに富む高速度鋼とは異なる応答を示すことがあります。同じH13の試験片であっても、オーステナイト化処理や焼入れ処理が異なれば、異なる曲線が得られる可能性があります。

J. H. HollomonとL. D. Jaffeが1945年に提案した方法は、焼入れ鋼で生成する組織および特性と、焼戻し時間、温度および組成との関係を示します。そのよく知られた形が、次の焼戻しパラメータです。

$$P=T(\log t+c)$$

ここで、Tは絶対温度、tは時間、cは組成および応答に依存する定数です。米国エネルギー省は、この式について、マルテンサイトの焼戻しの程度を定量化するものと説明しています。この式は、熱暴露を比較したり、硬さデータに適合させたりするうえで有用ですが、等しいパラメータであっても、加熱速度、初期組織、オーステナイト化、断面寸法、または合金の応答の違いがなくなるわけではありません。

この制限は、特に非等温処理において重要です。査読済みの2013年のH13工具鋼に関する研究では、等温、緩速加熱および急速加熱による焼戻しスケジュールを検討し、二次硬化挙動を含む異なる硬さ応答を予測する方法を開発しました。急速に加熱された断面では、拡散および炭化物成長が等温条件の仮定に適合する前に、析出温度域を通過することがあります。また、温度勾配によって、表面と中心部が異なる熱履歴を受けることもあります。

ASM Handbook Volume 4C（2024年）は、誘導焼入れ鋼についてHollomon-Jaffe相関およびGrange-Baughman相関を比較し、焼戻し応答を評価するための等価な時間・温度条件を表す方法として扱っています。「等価」とは、検討対象となった相関式および材料範囲内で等価という意味であり、微細組織の履歴が同一という意味ではありません。

2013年のJournal of Materials Processing Technologyに掲載された熱間および温間鍛造用金型鋼の研究でも、焼戻しパラメータ（Hollomon-JaffeパラメータまたはLarson-Millerパラメータとも呼ばれる）を用いて、時間・温度暴露と硬さ変化を相関付けました。このような相関は、工程管理の有用な手段ですが、特定の鋼種および処理について測定された挙動を記述するものです。普遍的な二次硬化ピークを確立するものではありません。高合金工具鋼における焼戻しは、依然として、拡散、析出、変態および回復反応が競合する一連の過程です。

二次硬化を促進する要因としてのオーステナイト化

オーステナイト化は、焼入れ前に行う単なる予備加熱工程ではない。これはマルテンサイトが形成される化学的・構造的状態を決定し、その状態が焼戻し中の鋼の応答を支配する。ASM Handbook Volume 4Aでは、焼戻しを「焼入れまたは焼準した鋼を、下部臨界温度未満の温度まで加熱すること」と定義している。得られる組織は、焼戻し温度と時間、炭素含有量、合金含有量、残留元素に依存する。これらの変数は、オーステナイト化、溶解、結晶粒成長、焼入れによってあらかじめ形成された状態に作用する。

焼入れ前における合金元素の溶解

オーステナイト化中には、一部の炭化物がオーステナイトに溶解する一方、他の炭化物は未溶解のまま残る。そのバランスは、温度、保持時間、加熱速度、ならびに元の炭化物量によって決まる。炭素と、クロム、モリブデン、タングステン、バナジウムなどの置換型合金元素は、同一の速度で固溶しない。そのため、同じ公称鋼種を用い、同じ処理を行った場合でも、オーステナイトが炉を出る時点での固溶元素量は大きく異なる可能性がある。

この溶解した物質は、焼入れ後に重要な意味を持つ。オーステナイト中の炭素および合金元素の量が多いほど、より過飽和度の高いマルテンサイト母相が形成される可能性がある。焼戻し中には、炭素の拡散、炭化物の形成、残留オーステナイトの分解、回復が進行し、その組織に蓄えられたエネルギーと化学的不安定性が段階的に低下する。米国エネルギー省は、これらの過程を焼戻しの中心的な要素として説明しているが、すべての鋼種、またはすべてのオーステナイト化条件において同じ速度で進行するわけではない。

高合金工具鋼では、二次硬化という別の経路も加わる。ASM Internationalは2024年の説明において、「高合金工具鋼における二次硬化は、微細な合金炭化物の析出によって生じる」と述べており、そこにはモリブデン、バナジウム、タングステンに関連する炭化物が含まれる。焼入れされた母相に十分な量の合金元素が固溶していれば、焼戻しによって微細で安定性の高い炭化物が密に分散することがある。その析出による硬化は、マルテンサイトの焼戻しによる軟化を相殺し、または一時的に上回る可能性がある。したがって、焼戻し温度の上昇に伴って硬さが単調に低下するとは限らない。

オーステナイト化は、母相の外部に何が残るかも制御する。未溶解の一次炭化物は、オーステナイト結晶粒の成長を抑制するとともに、本来であれば二次析出に寄与する合金元素を保持することがある。オーステナイト中の炭素および合金元素の固溶量が多いほど、マルテンサイト開始温度が低下するため、残留オーステナイト量が増加する可能性がある。その後の焼戻しでは、この残留オーステナイトが分解または変態し、析出反応や回復反応とは別の硬さ変化を加えることがある。

高速度鋼におけるNISTの知見

1930年に発表された米国国立標準技術研究所の論文は、オーステナイト化と高速度鋼における二次硬化との直接的な関連を示している。同論文の示した知見は、「二次硬化ピークの強さは、オーステナイト化の程度とともに増加する」というものである。ここでいうオーステナイト化の程度とは、加熱処理によって炭化物成分がどの程度溶解し、焼入れ前のオーステナイトがどの程度合金元素に富む状態になったかを指すものであり、仕様書に記載された炉温だけを意味するものではない。

この冶金学的な論理は明確である。より完全な溶解によって、より多くの炭化物形成元素を過飽和マルテンサイト中に取り込むことができる。焼戻し時には、その母相において、モリブデン、タングステン、またはバナジウムに富む微細炭化物が析出する可能性が高まる。この析出によって母相が強化され、焼戻し軟化に対する抵抗が増大する。したがって、NISTの観察結果は、二次硬化応答のピーク高さを、焼入れされた鋼の出発時における固溶元素状態と結び付けている。

しかし、この結果は、オーステナイト化温度を上げることを普遍的に指示するものではない。過度の加熱は、旧オーステナイト結晶粒を粗大化させ、残留オーステナイト量を増加させ、脱炭や過熱を促進し、焼入れ割れ感受性を変化させる可能性がある。また、結晶粒制御のために未溶解のまま残す必要があった炭化物を溶解させることもある。最終硬さが許容範囲にあっても、結晶粒径が大きくなれば、焼入性や破壊挙動が変化する可能性がある。したがって、公称上の合金元素の溶解量が増えても、得られる応答が有用でなくなることがある。

オーステナイト化が不十分な場合には、反対の問題が生じる。未溶解の合金炭化物が多すぎると、意図したマルテンサイト硬さや二次析出応答を得るために必要な炭素および合金元素が、オーステナイト中に十分に固溶しない可能性がある。不完全な固溶は、母相領域と炭化物に富む領域との間に化学的偏析を生じさせることもある。その状態で焼入れを行うと、より不均一な組織が形成され、焼戻しによってもその出発状態を完全に補正することはできない。

オーステナイト化と最終応答のトレードオフ

最終的な応答は、単一の温度による効果ではなく、工程履歴によって決まる。J. H. HollomonとL. D. Jaffeが1945年に提案した方法は、焼戻し時間、温度、組成を、一般に T(log t + c) と表記される焼戻しパラメータによって関連付け、マルテンサイトの焼戻しの程度を定量化する。このパラメータは熱処理条件を比較するうえで有用であるが、同じ値であっても、加熱速度、初期組織、オーステナイト化、断面寸法、残留オーステナイト、合金固有の析出の違いが消えるわけではない。

2013年に発表されたH13工具鋼に関する査読付き研究は、等温、緩速加熱、急速加熱のスケジュールを別々に扱うことで、この限界を実証した。予測された硬さ応答は互いに異なり、計算には二次硬化挙動も含まれていた。急速加熱された断面は、等温焼戻しされた断面と同じ時間を変態域や析出域の温度範囲を通過するわけではない。そのため、公称ピーク温度と保持時間が同じであっても、異なる反応が隠れている可能性がある。[1][1] Tempering of Induction-Hardened Steels. ASM International. ASM Handbook Volume 4C, 2024.

ASM Handbook Volume 4Cも、誘導加熱焼入れ鋼についてHollomon-Jaffe相関とGrange-Baughman相関を比較している。いずれも焼戻し応答を評価するための等価な時間・温度条件を表すが、その有用性は、相関関係を確立する際に用いた熱サイクルと材料状態に依存する。2013年にJournal of Materials Processing Technologyに発表された熱間・温間鍛造用金型鋼の研究では、焼戻しパラメータ、すなわちHollomon-JaffeパラメータまたはLarson-Millerパラメータとも呼ばれる指標を用いて、時間・温度履歴と硬さ変化を相関付けた。このような相関はデータを整理するものであり、鋼種をまたいで適用できる固定的な硬さの値や、保証された特性変化を与えるものではない。

したがって、オーステナイト化条件は、溶解、結晶粒制御、残留オーステナイトの管理、焼入れ応答、ならびに望ましい析出順序のバランスを考慮して選定すべきである。NISTの結果は、対象となった高速度鋼において、オーステナイト化の程度が高いほど二次硬化ピークが強くなることを支持している。しかし、それは最大限の溶解を一般的な目標とするものではない。有用な目標とは、完全な焼入れ・焼戻し履歴を経た後に、要求される最終応答をもたらす出発組織を得ることである。

時間-温度等価性とホロモン・ジャッフェ・パラメータ

ホロモンとジャッフェによる1945年の定式化

焼戻しは、単に「焼入れ後の軟化」と定義されるものではない。ASM Handbook Volume 4Aでは、焼戻しを「硬化または焼ならしを施した鋼を、下部臨界温度未満の温度まで加熱すること」と定義している（ASM International, 2024）。この処理中には、過飽和マルテンサイトから炭素が拡散し、遷移炭化物およびセメンタイトが生成することがあり、残留オーステナイトが分解し、マルテンサイト組織が回復する。最終的な硬さと靭性は温度と時間に依存するが、炭素含有量、合金元素の添加、残留元素、焼入れ前のオーステナイト化、ならびに焼入れによって形成された組織にも依存する。[2][2] Transformation of Austenite: Time-Temperature Relations in Tempering Steel. J. H. Hollomon, L. D. Jaffe. Metals Technology, 1945.

J. H. HollomonとL. D. Jaffeは、1945年にMetals Technology誌で発表した論文「Transformation of Austenite: Time-Temperature Relations in Tempering Steel」において、焼戻し処理を比較する必要性に取り組んだ。彼らの方法は、焼入れ鋼で形成される組織および特性と、焼戻し時間、温度、組成との関係を示すものであった。実際的な問題は明快であった。高温で短時間焼戻しした鋼は、低温でかなり長時間保持した鋼と類似した状態に到達する可能性がある。単一の焼戻し温度だけでは、両方の処理を記述できなかった。

彼らの経験式は、一般に次のように表される。

$$P=T({\log }_{10}t+C)$$

ここで、$P$はホロモン・ジャッフェ焼戻しパラメータ、$T$はケルビンで表した絶対温度、$t$は焼戻し時間、$C$は組成および反応に依存する定数である。多くの工学計算では、$C$に20前後の値を割り当てるが、この数値は慣用値であって、すべての鋼種およびすべての反応に共通する材料定数ではない。また、時間の単位も明記しなければならない。時間を時から秒に変更すると対数項が変化し、その結果、パラメータの数値も変化するためである。

この関係は経験的なものである。HollomonとJaffeは、すべての焼戻し処理を互換可能にする普遍的な熱力学法則を確立したわけではない。彼らが示したのは、同一の鋼種、初期状態、および支配的な焼戻し機構を比較するデータセットに対して有用な相関である。このパラメータは2つの変数を1つの指標にまとめるため、硬さ、引張強さ、その他の測定特性を共通の曝露指標に対してプロットできる。

$T(\log t+c)$ の意味

温度項によって、このパラメータは熱曝露に対して強い感度を持つ。温度は通常、ケルビンなどの絶対温度で表さなければならない。これは、この関係が拡散律速反応の温度依存性を反映することを意図しているためである。時間の対数は、保持時間を延長したときの効果が次第に小さくなることを表す。1時間から10時間へ処理時間を増加させると${\log }_{10}t$は1単位変化するが、100時間から110時間へ増加させても変化はわずかである。

定数$c$（しばしば$C$と表記される）は、鋼種および対象とする焼戻し応答に合わせて関係を調整する。炭素および合金元素の含有量が拡散、炭化物の安定性、析出速度論、回復に対する抵抗性を変化させるため、この定数は組成関連定数として説明されることがある。しかし実際には、選択した特性範囲、時間単位、データが表す反応機構など、実験上の慣行もフィッティング値に反映され得る。$C=20$を普遍的な法則として扱うと、精度について誤解を招くおそれがある。

通常の炭素鋼および低合金鋼では、このパラメータは、限られた温度および時間範囲における段階的な焼戻し軟化と比較的よく相関することが多い。物理的な過程には、炭素の再分配、鉄炭化物の生成、残留オーステナイトの分解、転位組織の回復などが含まれる。U.S. Department of Energyは、$T(\log t+c)$をマルテンサイトの焼戻しの程度を表す尺度として説明しているが、この解釈は、すべての組織変化が同じ速度で進行することを意味しない。

同じパラメータは、硬さの増加を記述する場合もある。高合金工具鋼では、焼戻しによって連続的な軟化ではなく二次硬化が生じることがある。ASM Internationalは、二次硬化を、モリブデン、バナジウム、タングステンに関連する炭化物を含む微細な合金炭化物の析出によるものとしている。析出が強く進行すると、焼戻しに対する抵抗性が高まる可能性がある。National Institute of Standards and Technologyは、高速度鋼について「二次硬化ピークの強度は、オーステナイト化の程度とともに増加する」と報告している。この観察は重要である。なぜなら、オーステナイト化によって、焼入れ前にオーステナイトへ固溶する合金元素および炭素の量が変化するからである。したがって、同じ公称鋼種の2つの試験片であっても、オーステナイト化処理が異なれば、到達する二次硬化ピークは異なる可能性がある。

特定のホロモン・ジャッフェ・パラメータにおいて硬さが上昇しても、それは定義上誤りではない。析出硬化を示している可能性がある一方、硬さの低下はマルテンサイトの焼戻しおよび回復を示している可能性がある。このパラメータが記録するのは計算上の熱曝露であり、測定された特性の原因となった反応を特定するものではない。

等価焼戻しパラメータで予測できることとできないこと

等価パラメータは、同一の鋼種、断面寸法、焼入れ組織、オーステナイト化条件、雰囲気、および特性の測定方法など、管理された条件群の中で処理を比較する場合に最も有用である。この範囲内であれば、温度と保持時間を組み合わせ直した場合に、同様の硬さ傾向が得られるかどうかを推定するのに役立つ。ASM Handbook Volume 4Cは、誘導焼入れ鋼の焼戻し応答を評価するための等価時間-温度法として、ホロモン・ジャッフェ相関およびGrange-Baughman相関を示している。このような相関は結果を整理するための工学的手法であり、熱履歴が物理的に同一であることの証明ではない。

加熱速度は大きな制約となる。試験片を焼戻し温度まで急速に昇温すると、低温域に滞在する時間は短い。一方、ゆっくり加熱した試験片では、公称保持温度に到達する前に、炭素の再分配、炭化物の生成、または残留オーステナイトの分解が始まる可能性がある。2013年に発表されたH13工具鋼に関する査読付き研究では、等温、緩速加熱、急速加熱の各スケジュールに対する予測が開発され、二次硬化挙動も含められた。この研究の意義は、公称パラメータ値が同程度のスケジュールであっても、加熱経路が変われば予測される硬さ応答が異なり得ることにある。

中断焼戻しも別の問題を生じさせる。2段階の焼戻しの間に冷却すると、析出、残留オーステナイトの分解、遷移炭化物の存在量が変化する可能性がある。再加熱しても、必ずしも同じ反応が同じ速度で再開するとは限らない。断面寸法も重要である。大型金型では、炉温が単一の値として記録されていても、表面と中心部が異なる加熱・冷却履歴を受ける可能性がある。

初期組織も同様に重要である。オーステナイト粒径、マルテンサイト中の炭素含有量、残留オーステナイト、偏析、未溶解炭化物は、いずれもその後の反応に影響する。オーステナイト化は、二次炭化物の析出に利用できる固溶元素量を制御するため、高速度鋼および熱間工具鋼では特に影響が大きい。公称上等価なパラメータから、この初期状態を再構成することはできない。

この制約は、変態または析出のピーク付近でさらに顕著になる。微細なモリブデン、バナジウム、またはタングステンに富む炭化物が析出することで、鋼がまず軟化し、その後硬化し、過時効後に再び軟化する場合、単調に軟化する1本の曲線ではその挙動を表現できない。2013年にJournal of Materials Processing Technology誌で発表された熱間および温間鍛造用金型鋼の研究では、焼戻しパラメータ（ホロモン・ジャッフェ・パラメータまたはラーソン・ミラー・パラメータとも呼ばれる）を用いて、時間-温度曝露と硬さの変化を相関付けた。この方法は金型鋼の挙動を把握するうえで有用であるが、フィッティングされた関係は、調査対象となった鋼種および処理範囲に依存したままである。

したがって、$T(\log t+c)$は比較指標であって、熱履歴または組織学的な証拠に代わるものではない。この指標は焼戻しデータを整理し、試験済み条件間の補間を支援できる。しかし、加熱速度、中断、オーステナイト化、初期組織、または合金の応答が異なる場合に、同一の硬さ、同一の靭性、同一の炭化物分布、または同一の残留オーステナイト量を保証することはできない。

非等温焼戻しと実際の加熱スケジュール

焼戻しは、炉の設定温度だけで定義されるものではない。ASM International は、ASM Handbook Volume 4A（2024年）において、「焼戻しとは、焼入れまたは焼ならしを施した鋼を、下限臨界温度未満の温度まで加熱することである」と述べている。得られる状態は、焼戻し温度と時間だけでなく、炭素含有量、合金元素、残留元素、焼戻し前のオーステナイト化処理、および保持温度に到達するまでの熱履歴にも左右される。

この区別が重要なのは、工業部品が全体にわたって同じ速度で加熱されることはほとんどないためである。ダイス、インサート、または大型シャフトでは、表面が高温になっている一方で、中心部はなお意図した焼戻し温度範囲を下回っている場合がある。その間、異なる領域では異なる反応が進行している。

等温保持と連続加熱の比較

等温焼戻し試験では、試験片を選択した温度まで加熱し、その温度で保持する。これは保持時間の影響を分離するうえで有用であるが、実際の部品が経験する完全な履歴を再現するものではない。連続加熱では、鋼は一連の温度にさらされ、それぞれの温度で、炭素の拡散、炭化物の形成、残留オーステナイトの分解、および回復の異なる組み合わせが可能になる。

米国エネルギー省は、焼戻しを、炭素の拡散、それに伴う炭化物の形成、残留オーステナイトの分解、およびマルテンサイト組織の回復という観点から説明している。これらの反応は、すべて同一の速度で開始し、進行し、完了するわけではない。ゆっくり加熱された試験片は、名目上の焼戻し温度に到達する前に、炭素が再分配され、遷移炭化物が形成される低温域にかなり長く滞在することがある。急速に加熱された試験片は、その領域にとどまる時間が短いため、析出と回復は異なる条件の順序のもとで開始する。

この違いは、選択した温度を超えた時間を単純に合計すればよいという問題ではない。拡散は温度に敏感であり、一方、析出は溶質の利用可能性だけでなく、粒子の核生成および成長の履歴にも依存する。ゆっくりした加熱中に開始した反応は母相を変化させ、その結果、最終保持中に生じる現象も変わり得る。これに対して急速加熱では、同じ中間反応が同程度まで進行する前に、鋼をより高温の領域へ移行させることができる。

J. H. Hollomon と L. D. Jaffe が1945年に定式化した Hollomon-Jaffe 法は、焼入れ鋼における時間・温度・組成の関係を表す。一般的に示される形は次のとおりである。

$$P=T(\log t+c)$$

ここで、$T$ は絶対温度、$t$ は焼戻し時間、$c$ は組成および応答に依存する定数である。米国エネルギー省は、この式をマルテンサイトの焼戻しの程度を定量化する方法として説明している。これは比較に有用なパラメータであって、物理的な履歴を消去するものではない。加熱速度、初期組織、オーステナイト化、断面寸法、および合金固有の析出反応が異なれば、計算上同じ値を持つ2つのスケジュールでも結果が異なる可能性がある。

ASM Handbook Volume 4C（2024年）も、誘導焼入れ鋼について同様の実務的な指摘をしている。Hollomon-Jaffe 相関および Grange-Baughman 相関は、焼戻し応答を評価するための等価な時間・温度条件を表すことができるが、その一致は試験対象となった材料および工程の範囲内で適用される。相関が成立することは、あらゆる熱履歴が同じ組織を生成することの証明ではない。

事例研究としての H13 工具鋼[3][3] Hardness of H13 Tool Steel After Non-Isothermal Tempering. University of Arizona publication record. Peer-reviewed publication record, 2013.

University of Arizona の出版物データベースに収録されている査読済み研究、Hardness of H13 Tool Steel After Non-Isothermal Tempering（2013年）は、AISI H13 について、等温、緩慢加熱、および急速加熱のスケジュールに対する予測応答を比較している点で特に有用である。この研究は、硬さが単調に低下する量であるとみなすのではなく、二次硬化挙動も扱っている。

AISI H13 は、クロム、モリブデン、およびバナジウムを含む熱間工具鋼である。高合金工具鋼について、ASM International は、二次硬化を、モリブデン、バナジウム、タングステンに関連する炭化物など、微細な合金炭化物の析出として説明している。焼戻し温度範囲の一部では、この析出による硬化が、マルテンサイトの回復による軟化を相殺し、またはそれを上回ることがある。正確な応答は鋼の化学成分と初期状態に依存するため、H13 の研究を、すべての H13 製品に共通する普遍的な硬さの値、または固定された二次硬化温度を示すものとして解釈してはならない。

この研究による加熱スケジュールの比較は、中心的な点を示している。すなわち、等温、緩慢加熱、および急速加熱の処理では、二次硬化ピークの現れ方の違いを含め、異なる硬さ履歴が予測され得る。緩慢加熱では、材料は名目上の目標温度に到達する前に焼戻しを開始する。急速加熱では、低温での拡散および初期析出に利用できる時間が短くなる。したがって、最終硬さは保持そのものだけでなく、保持温度に至るまでの経路を反映する。

二次硬化は、オーステナイト化にも強く依存する。National Institute of Standards and Technology の研究（1930年）は、「二次硬化ピークの強度は、オーステナイト化の程度とともに増加する」と報告している。より高度なオーステナイト化によって、オーステナイト中に固溶する合金元素の量や、焼入れ後の母相の状態が変化し、その結果、焼戻し中の析出応答も変化し得る。この知見も、検証なしに、ある熱処理履歴で作成された焼戻し図を別の履歴へ適用すべきでない理由となる。

実務上の帰結は明確である。公称上は同一の H13 焼戻しスケジュールであっても、加熱ランプ、焼戻し前のオーステナイト化処理、試験片または部品の寸法、あるいは冷却履歴が変われば、異なる結果を生じる可能性がある。予測は有用であるが、その予測は鋼種と工程に対して校正されなければならない。

炉内温度チャートでは部品を十分に記述できない理由

炉内温度チャートは通常、炉内の空気温度、または選択した1か所に設置した熱電対で測定された温度を示す。その値は、鋼の表面温度と自動的に一致するものではなく、大型ダイスの中心部については、さらに情報量が少ない。炉への装入状態、治具との接触、放射、対流、および部品形状のすべてが温度勾配に影響する。

大型の鍛造用ダイスを考えてみよう。露出した角部は焼戻し温度範囲に到達している一方で、凹部はより低温のままの場合がある。その場合、表面では高温での反応時間がより長く蓄積するのに対し、内部は焼戻し区間の低温側をなお加熱中である可能性がある。炉内温度チャートが予定された保持時間に達した時点でダイスを取り出すなら、表面と中心部が等価な熱暴露を受けたことにはならない。

測定位置によっては、オーバーシュートや遅れも見えなくなる。制御用熱電対は炉内空気の変化に迅速に応答する一方、部品中心付近に埋め込まれた熱電対は、より緩やかな温度上昇を記録することがある。工程認定では、両方の位置が重要になり得る。炉内測定は設備の挙動を明らかにし、部品内の熱電対は、変態と析出を支配する実際の熱暴露を明らかにする。

Journal of Materials Processing Technology（2013年）に掲載された熱間および温間鍛造用ダイス鋼の研究では、焼戻しパラメータ、すなわち Hollomon-Jaffe パラメータまたは Larson-Miller パラメータとも呼ばれるものを用いて、時間・温度暴露と硬さの変化を相関付けている。このようなパラメータは、複数のスケジュールから得られたデータを整理するのに役立つが、あくまで実験的に適合させた関係式である。これを検証するには、鋼種固有のクーポン試験、代表的な断面寸法、部品温度の実測、および硬さまたは組織の確認が必要である。炉内温度チャートは加熱環境の記録である。それだけでは、鋼が経験した焼戻し履歴を完全に記述するものではない。

高周波焼入れ鋼の焼戻し

硬化層と低炭素の芯部

ASM International は焼戻しを「焼入れまたは焼ならしを行った鋼を、下部臨界温度未満の温度に加熱すること」と定義している（ASM Handbook Volume 4A, 2024）。この定義は単純だが、高周波焼入れ部の挙動は単純ではない。高周波加熱では、主として表面近傍でオーステナイトが生成し、その後、急速な焼入れが行われる。その結果、一般には、低炭素でより軟らかい芯部の上に、高炭素マルテンサイトの硬化層が形成される。芯部は、初期状態および熱サイクルが到達した深さに応じて、フェライト・パーライト組織、ベイナイト組織、焼戻し組織、または一部変態した組織のまま残ることがある。

したがって、硬化層と芯部は同じ組織状態から焼戻しを開始するわけではない。表面近傍では、炭素含有量は母材の鋼種、浸炭または浸炭窒化、脱炭、偏析、あるいはオーステナイト化中の炭化物の溶解不足を反映している可能性がある。より深い部分では、固溶炭素量が少なく、オーステナイト化温度域を超えていない場合もある。硬化層内であっても、旧オーステナイト粒径、マルテンサイト中の炭素量、残留オーステナイト、合金炭化物の溶解状態、および焼入れ速度は、深さによって変化し得る。

焼戻しでは、複数の反応が重なり合って進行する。米国エネルギー省は、炭素の拡散、炭化物の生成、残留オーステナイトの分解、および回復を、焼戻しの重要な過程として説明している。これらの反応速度は温度と時間に依存するが、反応に関与し得る局所的な組織状態にも依存する。焼戻し温度まで急速に加熱された表面領域は、熱伝導によってゆっくり昇温する芯部と同じ反応系列を経験しない。高周波焼戻しでは、表面が目標温度に到達した時点でも、表面下の領域はなお昇温中である可能性がある。一方、別工程の炉焼戻しでは、部材全体がより均一な温度に近づく場合があるが、断面寸法によって必要な時間は依然として左右される。

通常の焼戻しでは、過飽和マルテンサイトから炭素が移動して遷移炭化物またはセメンタイトを形成するため、焼入れ直後のマルテンサイト硬さは低下することが多い。ただし、この傾向は普遍的なものではない。ASM International は、高合金工具鋼における二次硬化が、モリブデン、バナジウム、タングステンに関連する炭化物を含む微細な合金炭化物の析出によって生じるとしている。析出がより顕著になると、焼戻し軟化に対する抵抗が増し、初期の硬さ低下後に硬さが上昇することがある。米国国立標準技術研究所は1930年に、「二次硬化ピークの強度は、オーステナイト化の程度とともに増加する」と報告した。より進んだオーステナイト化によって、より多くの合金元素が溶解する可能性がある一方、残留オーステナイト量が増加し、粒径も変化し得る。そのため、すべての鋼種または処理条件に共通する一定の温度を、ピーク温度として割り当てることはできない。

Hollomon-Jaffe 相関および Grange-Baughman 相関の適用

J. H. Hollomon と L. D. Jaffe は、焼入れ鋼を対象とする時間・温度・組成の関係として、1945年にこの手法を開発した。そのよく知られた形が、次の焼戻しパラメータである。

$$P=T({\log }_{10}t+c),$$

ここで、$T$ は絶対温度、$t$ は時間、$c$ は組成および反応に依存する定数である。$T(\log t+c)$ という式は、異なる時間・温度の曝露を等価な尺度上に配置することによって、マルテンサイトの焼戻しの進行度を表す。したがって、その相関が対象材料および反応範囲に適用可能であれば、低温での長時間曝露を、高温での短時間曝露と比較できる。

ASM Handbook Volume 4C は、この種の解析を高周波焼入れ鋼に適用し、等価な時間・温度条件を表すために、Hollomon-Jaffe 相関と Grange-Baughman 相関を比較している。これらの関係式は、測定または計算された熱サイクルを、硬さ変化と関連付けられるパラメータへ変換するうえで有用である。しかし、金属組織観察や断面硬さ測定の代替にはならない。等価パラメータを用いても、加熱速度、オーステナイト化、初期組織、断面寸法、残留オーステナイト、または合金の応答性の違いが消えるわけではない。

この制約は、二次硬化が生じる場合に特に重要である。単調な焼戻し軟化に適合させた相関は、合金炭化物の析出によって生じる硬さの上昇を正しく表せない可能性がある。2013年に発表された H13 工具鋼に関する査読済み研究では、恒温、低速加熱、および急速加熱による焼戻しスケジュールについて、二次硬化挙動を含む予測が示された。公称上の熱曝露が同程度に見える場合でも、これらのスケジュールによって予測される硬さ応答は異なる可能性があった。クロム、モリブデン、バナジウムを相当量含む H13 は、すべての高周波焼入れ鋼種に適用できるモデルではない。

深さに依存する応答と工程の解釈

有用な解釈は、単一の炉設定温度ではなく、各深さにおける温度・時間履歴から始めるべきである。表面では、急速なオーステナイト化サイクルを経てマルテンサイトに焼入れされ、その後、短時間の焼戻しを受ける可能性がある。硬化境界付近の深さでは、ピーク温度が完全なオーステナイト化には達しない一方、既存組織を焼戻しするには十分な高さとなることがある。芯部では伝導による加熱だけが生じ、主として、元の焼ならし、焼なまし、または以前の焼戻しによって決まる特性が維持される場合がある。

したがって、硬さ分布は、測定の起点、間隔、荷重、および表面状態を記録したうえで、適切に作製した断面について測定すべきである。硬化層硬さ、有効硬化層深さ、遷移領域の挙動、および芯部硬さは、分けて報告しなければならない。金属組織観察、残留オーステナイト測定、さらに必要に応じて炭化物または組成の分析を行うことで、計算された硬さ分布からの逸脱を説明しやすくなる。

2013年に発表された熱間・温間鍛造用金型鋼に関する研究も、別の状況において同じ点を示している。焼戻しパラメータは、Hollomon-Jaffe パラメータまたは Larson-Miller パラメータとも呼ばれ、時間・温度の曝露と硬さ変化を相関付けることができる。しかし、その相関は、試験対象となった鋼種および処理範囲に依然として拘束される。高周波焼入れ部品の場合、Hollomon-Jaffe 値および Grange-Baughman 値は、工程比較のための手段として用いるのが最も適切である。妥当性の検証には、硬化層と低炭素の芯部の双方について、深さごとの熱履歴の記録と、断面での測定が依然として必要である。

金型鋼および工程管理における焼戻しパラメータの利用

熱間・温間鍛造用金型鋼

焼戻しは、単に予定された硬さ低下を生じさせる処理ではない。ASM Internationalは焼戻しを、「焼入れまたは焼ならしを施した鋼を、下限臨界温度未満の温度に加熱すること」と定義している（ASM Handbook Volume 4A, 2024）。この処理中には、過飽和マルテンサイトから炭素が拡散し、炭化物が生成または粗大化し、残留オーステナイトが分解する場合があり、さらに母相では回復が進行する。米国エネルギー省は、これらの現象を単一の軟化反応ではなく、相互に関連した変化として説明している。

この区別は、熱間・温間鍛造用金型鋼にとって重要である。ASTM A681 H13のような鋼種は、通常、オーステナイト化処理後に焼入れを行い、硬さ、靭性および熱サイクルに対する抵抗性のバランスを制御して得るために焼戻しを施す。H11やH10を含むその他の熱間工具鋼は、それぞれの炭素、クロム、モリブデンおよびバナジウム含有量、初期の結晶粒状態、ならびに焼入れ履歴に応じて挙動を示す。H13で特定の硬さを得られる焼戻しスケジュールを、公称焼戻し温度が類似しているというだけの理由で、別の鋼種にそのまま適用することはできない。

高合金工具鋼では、焼戻し中に硬化することがある。ASM Internationalは、二次硬化を、モリブデン、バナジウムおよびタングステンに関連する炭化物を含む微細な合金炭化物の析出によるものとしている。析出反応が強いほど、焼戻し軟化に対する抵抗性が高くなる可能性がある。米国国立標準技術研究所は1930年に、「二次硬化ピークの強度は、オーステナイト化の程度とともに増加する」と報告した。より高いオーステナイト化温度では、より多くの合金炭化物を溶解させ、オーステナイト中の合金元素量を増加させることができるが、旧オーステナイト結晶粒を粗大化させ、残留オーステナイト量を変化させる可能性もある。したがって、得られる硬さのピークは焼戻し温度だけでなく、処理履歴全体によって決まる。

鍛造用金型については、工程管理において、鋼種記号、溶解番号またはロット番号、開始時硬さ、オーステナイト化温度および保持時間、移送時間、焼入れ媒体、冷却速度、焼戻し温度、加熱速度、保持時間、ならびに冷却方法を記録すべきである。炉内の温度均一性も重要である。特に大断面の金型では、金型表面と中心部が異なる熱サイクルを受ける可能性がある。

焼戻しパラメータによる硬さの相関

J. H. HollomonとL. D. Jaffeは1945年、焼入れ鋼を対象とした時間・温度・組成の関係を提案した。この方法では、マルテンサイトの焼戻しの程度を次式で表す。

$$P=T(\log t+c)$$

ここで、$T$は絶対温度、$t$は時間、$c$は材料に関連する定数である。出典や用途によって、この値はHollomon-JaffeパラメータまたはLarson-Millerパラメータと呼ばれる。この相関を確立した際に用いた単位で時間を示さなければならず、温度は摂氏ではなく絶対温度でなければならない。

このパラメータが有用なのは、保持時間と温度を一つの比較値にまとめられるためである。工程技術者は、測定した硬さを$P$に対してプロットし、生産サイクルが試験範囲内にあるかどうかを判断できる。2013年にJournal of Materials Processing Technologyで発表された鍛造用金型鋼の研究では、この焼戻しパラメータ（Hollomon-JaffeパラメータまたはLarson-Millerパラメータとも呼ばれる）を用いて、熱間・温間鍛造用金型鋼における時間・温度曝露と硬さ変化を相関させた。

相関関係は因果関係ではない。同じ$P$値を持つ二つのサイクルであっても、一方が急速加熱、他方が炉内での長時間昇温を用いる場合、同一の組織が得られるとは限らない。初期マルテンサイト形態、残留オーステナイト、断面寸法、オーステナイト化処理、焼入れ強度、および合金炭化物の分布は、いずれも焼戻し応答を変化させる可能性がある。また、このパラメータは、相互に関連のない鋼種間で硬さを直接予測するものでもない。その定数$c$、近似曲線および有効範囲は、評価対象となる鋼種と状態から得られた根拠を必要とする。

査読付きのH13研究では、等温加熱、緩慢加熱および急速加熱による焼戻しスケジュールについて、二次硬化挙動を含む予測硬さ応答がそれぞれ異なることが記録された（University of Arizona publication record, 2013）。この結果は、非等温の生産サイクルに単一の等価パラメータを適用することの限界を直接示している。ASM Handbook Volume 4Cも同様に、誘導焼入れ鋼についてHollomon-Jaffe相関とGrange-Baughman相関を比較し、これらを焼戻し応答を評価するための等価な時間・温度条件として説明しているが、普遍的な特性方程式とはしていない。

硬さおよび組織による検証

検証は、材料を正確に特定することから始まる。確認すべき事項には、鋼種記号、適用規格、溶解番号、納入状態、オーステナイト化処理、および焼入れ状態が含まれる。その後、検査担当者は、炉の校正記録、可能であれば装入物温度、昇温速度、保持時間、移送遅れ時間、ならびに複数回の焼戻しの間の冷却状況を含む、完全な熱処理記録を保存すべきである。「550 °Cで2回焼戻し」という記録だけでは、保持時間と加熱履歴も分からない限り不十分である。

硬さ試験では、試験方法を明記しなければならない。十分な厚さを持つ金型断面では、ASTM E18に従ったロックウェルCスケール試験が適切な場合がある。報告書には、表面調整、試験位置、圧痕数および試験機の検証結果を含めるべきである。ASTM E384に従ったビッカース試験は、薄い断面、硬さ勾配、脱炭層または局部的な調査により適している。断面寸法が許す場合、測定は作用面、表面直下および中心部を対象とすべきである。位置と方法を伴わない硬さ値は、工程を裏付ける証拠として弱い。

予想外の軟化、異常に高い硬さ、または焼戻し軟化が予想される範囲での硬さ上昇が認められた場合は、金属組織学的検査が必要となる。研磨し、適切に腐食した試料断面によって、焼戻しマルテンサイト、炭化物分布、残留オーステナイト分解生成物、結晶粒粗大化および脱炭を確認できる。光学顕微鏡では全般的な状態を確認でき、走査電子顕微鏡では微細な二次炭化物を識別できる。また、硬さ分布測定によって熱勾配を明らかにできる。寸法変化または遅延変態が疑われる場合には、X線回折その他の残留オーステナイト測定が必要になることがある。

合否判定では、硬さと組織の両方を、適格性が確認された基準状態と比較すべきである。Hollomon-Jaffe値が一致することは有用な証拠であるが、金型が同一の冶金処理を受けたことの証明にはならない。二次硬化の場合、測定された硬さピークと炭化物状態が、鋼種ごとに検証された工程範囲と一致していなければならない。

焼戻し曲線を誤読せずに読み解く方法

焼戻し曲線は通常、焼戻し温度、焼戻し時間、または時間・温度の組合せパラメータに対して硬さをプロットしたものです。これは「熱によって硬さが失われる過程」を普遍的に示す地図ではありません。ASM Handbook Volume 4Aでは、焼戻しを「焼入れまたは焼ならしを行った鋼を、下部臨界温度未満の温度に加熱すること」と定義しています。生成する組織は温度と時間に依存しますが、炭素含有量、合金元素量、残留元素、オーステナイト化処理、焼入れ、さらに焼戻し前の鋼の状態にも左右されます。

曲線は、相互に競合する反応の記録として読み取ってください。過飽和マルテンサイトから炭素が拡散し、遷移炭化物またはセメンタイトが形成されることがあります。また、残留オーステナイトが分解し、合金炭化物が析出し、母相が回復する場合もあります。米国エネルギー省は、炭素の拡散、炭化物の形成、オーステナイトの分解、および回復を、焼戻しにおける中心的な過程として挙げています。これらの反応の順序と速度は、鋼種や加熱スケジュールによって異なります。

軟化領域と二次硬化ピーク

曲線の最初の下降部分は、一般的な焼戻し軟化を反映していることが多いです。焼入れ直後のマルテンサイトから過飽和炭素と内部応力が失われるにつれて、硬さは通常低下します。したがって、下降は炭化物の形成と母相の回復を示している可能性がありますが、残留オーステナイトの変態や硬質相の体積分率の変化を伴っている場合もあります。ほぼ平坦な領域があるからといって、「何も起きていない」とは限りません。測定硬さへの影響が部分的に相殺される一方で、複数の反応が進行している可能性があります。

その後に現れる上昇は、焼戻しを連続的な軟化として扱うことへの典型的な警告です。高合金工具鋼では、ASM Internationalによれば、モリブデン、バナジウム、タングステンに関連する炭化物を含む微細な合金炭化物の析出によって二次硬化が生じます。これらの粒子は焼戻し後の母相を強化し、一般に析出が強くなるほど、さらなる焼戻しに対する抵抗も増加します。この上昇は、とりわけ高速度鋼や熱間加工用金型鋼で重要になる可能性があります。ただし、その温度範囲と大きさは鋼種ごとに異なり、鋼種カテゴリーに固有の固定的な特性ではありません。

1930年にNational Institute of Standards and Technologyが高速度鋼について行った研究では、「二次硬化ピークの強度はオーステナイト化の程度とともに増加する」と報告されています。この結果は、曲線の解釈に直接的な意味を持ちます。公称上は同一の鋼であっても、一方の試験片がより厳しい条件でオーステナイト化され、より多くの合金炭化物が溶解し、または異なる量のオーステナイトが残留した場合、2本の曲線に異なるピークが現れることがあります。AISI M2高速度鋼のピークを、処理履歴を一致させずに別の高速度鋼へ適用したり、AISI H13のピークを別の熱間加工用鋼種へ適用したりしてはいけません。

時間は温度と同じ程度に重要です。J. H. HollomonとL. D. Jaffeが1945年に示した方法は、焼入れ鋼で生成する組織および特性と、焼戻し時間、温度、組成との関係を示します。一般的に記されるそのパラメータ T(log t + c) は、マルテンサイトの焼戻しの程度を定量化するものです。通常、温度は絶対温度、時間は曝露時間を表し、c は組成および応答に依存する定数です。このパラメータを用いると、異なるスケジュールを公称上同等の焼戻し条件に位置付けることができます。しかし、加熱速度、初期組織、オーステナイト化、断面寸法、合金の応答性の違いが消えるわけではありません。

H13工具鋼を対象とした2013年の査読済み研究も、この限界を裏付けています。その方法では、等温、緩速加熱、急速加熱の各スケジュールについて、二次硬化挙動を含め、異なる硬さ応答が予測されました。析出温度範囲を通過するのに数分を要する炉内スケジュールは、最終温度へ瞬時に移行する条件と必ずしも同等ではありません。

最高硬さと実用上有用な特性の違い

グラフ上の最高点は、その試験手順で測定された硬さが最も高い点にすぎません。それが自動的に最適な焼戻し条件を意味するわけではありません。二次硬化による最高硬さには、靭性の低下、き裂感受性の増大、残留応力、または残留オーステナイトの変態に伴う寸法変化が伴うことがあります。ある接触条件では耐摩耗性が向上しても、熱疲労抵抗や衝撃特性が低下する可能性があります。

金型鋼では、十分な靭性と寸法安定性を得るために、二次硬化の最大値より低い硬さが必要になることがあります。逆に、高温で使用される工具では、室温硬さが得られる最大値でなくても、軟化抵抗の高さが有利になる場合があります。硬さだけでは、破壊靭性、引張延性、熱疲労、変形、または使用中に生じる軟化についてもほとんど判断できません。したがって、曲線は衝撃、引張、靭性、寸法、および用途固有のデータと併せて読む必要があります。

高周波焼入れ鋼について、ASM Handbook Volume 4Cは、等価な時間・温度条件を表す方法として、Hollomon–Jaffe相関とGrange–Baughman相関を比較しています。「等価」とは、試験対象の材料およびモデルの適用範囲内で等価という意味であり、あらゆる鋼種や加熱経路に対して相互交換可能という意味ではありません。同様に、2013年の Journal of Materials Processing Technology の研究では、焼戻しパラメータ（Hollomon–JaffeパラメータまたはLarson–Millerパラメータとも呼ばれる）を用いて、熱間および温間鍛造用金型鋼における曝露と硬さ変化との相関が検討されました。このような相関はデータを整理するためのものであり、保証された硬さの値や固定されたピーク温度を与えるものではありません。

鋼種、状態、試験方法の報告

有用な曲線には、AISI H13 や AISI M2 などの正確な鋼種記号および規格を明記し、該当する場合は ASTM A681 などの適用仕様も示す必要があります。既知であれば、炭素および主要な炭化物形成元素を含む化学組成を報告してください。実験前の材料が焼なまし、焼ならし、焼入れ・焼戻し、またはその他の処理を受けていたかどうかも明記します。

熱処理記録には、オーステナイト化温度、保持時間、雰囲気、試験片寸法、加熱速度、焼入れ媒体、焼入れ開始までの遅延時間を記載する必要があります。焼戻し温度、その温度での保持時間、加熱速度、冷却方法、焼戻しサイクル数も示してください。試験片の位置――表面、中心、横断面、長手方向断面、またはその他の定義された位置――も明記します。断面寸法と熱勾配によって結果が変化する可能性があるためです。

最後に、硬さ試験方法とスケールを特定します。例えば、HRC、HV、HBW、該当する場合の圧子と荷重、表面処理、試験温度、測定点数、および測定値のばらつきを記載します。これらの詳細がなければ、曲線が実際の実験を示していても、比較に用いるには危険な場合があります。硬さピークは、ある1種類の鋼、ある1つの状態、ある1つの測定方法についての証拠であって、あらゆる焼戻し処理に適用できる一般則ではありません。

妥当性を立証できる焼戻し仕様の基準枠組み

材料と開始状態を明確に定義する

焼戻し仕様は、鋼材を正確に特定していなければ、その妥当性を立証できない。該当する場合には、鋼種、製品規格、熱処理規格および呼称を正確に記載する。例えば、ASTM A681 H13、UNS T20813、または適用される規格で要求されるその他の呼称である。「工具鋼」や「焼入れ鋼」とだけ記載してはならない。化学成分は、利用可能な炭素量、合金炭化物形成元素および残留元素を決定し、断面寸法とそれ以前の加工履歴は、焼戻しに応答する組織に影響を及ぼす。

開始時の冶金状態も記録しなければならない。材料が焼なまし状態、焼ならし状態、焼入れ後未焼戻し状態、またはすでに焼戻しされた状態のいずれであるかを明記し、既知であれば焼戻し前の硬さも含める。焼入れ状態については、オーステナイト化温度、保持時間、炉内雰囲気、移送時間および焼入れ媒体を記録する。焼入れ時の撹拌、冷却の中断および冷却の厳しさは、残留オーステナイト、マルテンサイト形態、残留応力および析出の可能性を変化させることがある。すでに焼戻しされた鋼に対して2回目の焼戻しを行う場合、炉温度と保持時間が同じであっても、1回目の焼戻しと同等ではない。

ASM Handbook Volume 4Aは、焼戻しを「焼入れまたは焼ならしを行った鋼を、下部臨界温度未満の温度まで加熱すること」と定義している。この定義は工程の境界を示すものであり、普遍的な処方を示すものではない。同じ資料では、焼戻し温度、時間、炭素含有量、合金元素含有量および残留元素が、生成する微細組織と特性を左右する要因として挙げられている。

熱サイクルを規定する

熱サイクルは、単一の公称温度ではなく、一連の工程として記述する。仕様には、目標温度と許容範囲、加熱速度または炉の昇温プログラム、装入物温度の測定方法、所定温度での保持時間、焼戻しサイクルの回数および冷却方法を記載する。「550 °Cで2時間焼戻し」とだけ記載した場合、ワークが550 °Cにゆっくり到達するのか、熱電対が装入物ではなく炉内空気を測定しているのか、冷却が静止空気、強制空気またはその他の制御された媒体で行われるのかが不明であり、重要な疑問が残る。

焼戻しは、複数の現象が連成した工程である。米国エネルギー省は、炭素の拡散、炭化物の生成、オーステナイトの分解および回復を、材料の応答における同時的または連続的な要素として説明している。通常の炭素鋼の焼戻しでは、過飽和マルテンサイトの分解と回復の進行に伴い、硬さが低下することが多い。一方、高合金工具鋼は異なる挙動を示すことがある。ASM Internationalは、モリブデン、バナジウムおよびタングステンに関連する炭化物を含む微細な合金炭化物の析出によって二次硬化が生じると述べている。析出がより強く進行すると、焼戻し軟化に対する抵抗が高まり、硬さのピークが生じることがある。

このピークは、異常な試験結果ではなく、通常の冶金的応答として扱わなければならない。National Institute of Standards and Technologyが1930年に報告した研究では、「二次硬化ピークの強度は、オーステナイト化の程度とともに増加する」とされている。この結果から、すべての鋼種に共通する単一のピーク温度が定まるわけではない。より広範なオーステナイト化は、合金元素の固溶、残留オーステナイトおよび後の析出に利用可能な溶質量を変化させる可能性がある。

時間・温度パラメータはサイクルの比較に役立つが、規定されたサイクルの代わりにはならない。J. H. HollomonとL. D. Jaffeが1945年に提案した方法は、焼入れ鋼で生成する組織および特性と、焼戻し時間、温度および組成との関係を示す。一般的に用いられる形式では、このパラメータは T(log t + c) と表され、絶対温度、時間および組成に関連する定数を用いて、マルテンサイトの焼戻しの進行度を定量化する。同等のパラメータが得られても、加熱速度、初期微細組織、オーステナイト化条件、断面寸法または合金の応答性の違いがなくなるわけではない。

この制限は、非等温加熱において特に重要である。査読付きの2013年のH13工具鋼に関する研究では、等温、緩速加熱および急速加熱のスケジュールを比較し、二次硬化挙動を含む異なる硬さ応答を予測した。ASM Handbook Volume 4Cも、誘導焼入れ鋼についてHollomon-Jaffe相関式とGrange-Baughman相関式を比較している。いずれも同等の時間・温度条件を表現できるが、相関が成立することは、2つの実際のサイクルが同一の微細組織を生成する証明にはならない。2013年の熱間および温間鍛造用金型鋼に関する研究では、焼戻しパラメータ（Hollomon-JaffeパラメータまたはLarson-Millerパラメータとも呼ばれる）を用いて、保持時間および温度と硬さ変化との関係を示した。このようなパラメータは比較のための手段であり、加熱履歴の記載を省略してよいという根拠にはならない。

目的とする特性の組合せに照らして結果を検証する

仕様では、何をもって合格とするかを定義しなければならない。要求される硬さ尺度、試験方法、荷重、測定位置および許容範囲を明記する。大型部品または硬化層に勾配がある部品については、都合のよい1か所の測定値を報告するのではなく、表面、芯部および中間位置を指定する。実際の焼戻し記録と装入物温度を記録する。炉の設定温度だけでは、要求事項への適合を証明できないためである。

硬さの検証は、鋼種、使用上のリスクまたは二次硬化挙動に応じて、微細組織検査と併せて行うべきである。検査では、焼戻しマルテンサイト、合金炭化物の析出、残留オーステナイト、ベイナイト、脱炭および焼入れ割れを評価できる。金属組織学的証拠だけでは、すべての炭化物の化学組成を光学顕微鏡で特定することはできない。そのため、炭化物の組成または分布が性能を左右する場合には、より高分解能の手法が必要になることがある。寸法変化、靱性または残留応力の試験も、特性の評価項目に含めるべき場合がある。硬さだけでは、焼戻しが適切であることを立証できない。

したがって、簡潔な検討枠組みは次のとおりである。正確な鋼種と適用される呼称を特定し、開始時の冶金状態を明記し、オーステナイト化と焼入れを記録する。次に、焼戻し温度、時間、加熱速度、サイクル回数および冷却方法を定義し、明示した合格基準に照らして、硬さならびに必要に応じて微細組織を検証する。仕様では、拡散、析出、分解および回復が相互に作用することを認識しておくべきである。連続的な軟化は起こり得る結果の一つにすぎず、すべての鋼に適用される原則ではない。

参考文献

1. [1]ASM International. Tempering of Induction-Hardened Steels. ASM Handbook Volume 4C, 2024. https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/11/chapter-abstract/127400/Tempering-of-Induction-Hardened-Steels
2. [2]J. H. Hollomon, L. D. Jaffe. Transformation of Austenite: Time-Temperature Relations in Tempering Steel. Metals Technology, 1945. https://onetunnel.org/documents/transformation-of-austenite-time-temperature-relations-in-tempering-steel-metals-technology-september-1945-with-discussion-
3. [3]University of Arizona publication record. Hardness of H13 Tool Steel After Non-Isothermal Tempering. Peer-reviewed publication record, 2013. https://experts.arizona.edu/en/publications/hardness-of-h13-tool-steel-after-non-isothermal-tempering/