ベアリング

 ちっと気になる事があって、ベアリングの組織を観察してみた。
何のクルマのだったかは忘れたが、ハブベアリングのインナーレース。
多分SUJ2なんじゃなかろうか。
ちなみに硬さはHRcで約61あった。

 先ずは600倍。横の画角が約100μm。
炭化物は大きくても1μm程度で、均一に分布している。

 これは150倍。
研磨とエッチングの問題でやや分かりにくいが、組織は細かく緻密だ。
ベアリングは摩耗や疲労破壊などの条件が厳しい。用途的に全く違くはなるが、刃物も条件としてはベアリングに準ずるところがある。
理想的な刃物も本来この様な組織になるべきだ。
しかし意外と鍛冶屋さんの作った炭素鋼の刃物を見てみると、理想の状態からはかけ離れたものが多い。
多くが炭化物の球状化が不十分か、焼入れ温度過多のものが多い・・・

 これは大分前に自分で焼鈍して板上にしたベアリングのアウターレース。
クラウンのリアハブに使ってたやつだったかな・・・

 ちょん切って磨く。
エッチングして組織を観察してみる。

 先ずは600倍。
やや炭化物同士のつながりが見られるが、概ね悪くはない状態の様だ。

これは150倍。
組織が粗くなってる事もなく、意外とよさそうだ。
大分前にやったからよく覚えてないが、確かガスバーナーで高温になりすぎない様に焙って、薪ストーブから集めた灰の中に入れて徐冷して焼き鈍した。
焼き鈍したあとは金鋸で切って、適当に温めながら叩いて開いた。
ベアリングはもともと組織が細かいので、鍛造する必要はなく、なるべく組織が痛まない様に加工すればいい様だ。

刃物の組織については尾上先生の「刃物のおはなし」や岩崎航介氏の「刃物の見方」に詳しく記されている。
理想の状態から外れていても案外使えるものだが、繊細な切れ味や刃持ちってのは組織がしっかりしていないといけない。
難しいもんだなぁ・・・

二度焼入れすると・・・

 RWL34の熱処理終わったブレードなのだが、訳あってもう一度熱処理した。
粉末鋼なので炭化物によるピン止め効果があるから大丈夫だと思っていた。
しかし組織を観察してみたら、見事に焼入れ過熱の組織になっていた。
画像は600倍、横の画角が約100μm。
基地にひび割れがあり、典型的な過熱組織になっている。

こちらは適正な熱処理をしたRWL34の組織。

過熱組織はおそらく炭化物が過剰に溶け込んだからなのだと思う。二度続けて焼入れする事で、必要以上に溶け込んで過熱焼入れと同じ状態になったと思われる。
硬さを測ってみたところ、想定したより低かった。これも過剰に炭素が溶け込んで残留オーステナイトが増えたからと考えられる。サブゼロをやっていても低温焼き戻しの場合は10～20％程度は残るそうだ。

再熱処理するときはどうするべきか？
おそらく一度焼鈍してから行えばいいと思う。炭素を吐き出して炭化物に戻しておけばいい。
しかし応力除去の焼鈍しと違って、焼きの入った合金鋼の焼鈍しはなかなか難しい。
結局のところ焼入れのやり直しはやるべきではないんだなｗ

一つ面白いと思ったのは、過熱組織のひび割れは炭化物で遮られて、それ以上伸びてはいない。
ひび割れはオーステナイト結晶粒の結晶粒界であるわけだが、均一に分布した炭化物により結晶の成長が妨げられているのだ。これがピン止め効果なんだな。
画像で見える4μm前後の炭化物は溶製鋼でいうところの共晶（一次）炭化物に相当するので、溶融する寸前まで加熱しても変化しない。
この部分が粉末鋼の本質なんだ。これが見れただけでも失敗した甲斐はあったｗ

試しに研いでみたが、とりあえず刃は付いた。
しかし確実に靭性は低いと思われる。もともと粘る粉末鋼なので、案外それなりには使えるのかもしれない。
残念ながらこれでは表には出せない・・・
しかしもったいないのでとりあえず完成させて、自分で使ってみる事にしようｗ

炭素鋼と合金鋼の違い

以前書いた過熱焼入れの炭素鋼の組織。
概ね旧オーステナイト結晶粒は赤線で示した感じになってると思われる。

こっちはやはり以前書いたD2の過熱焼入れの組織。
これの場合は旧オーステナイト結晶粒はこんな感じと思われる。






条件の違いもあるが同じ過熱焼入れ組織でも随分様子が違う。
炭素鋼が過熱しすぎと言う事もあるのかもしれないが、旧オーステナイト結晶粒がD2の場合はそれ程極端に大きくなっていない。
おそらくD2の方は基地に溶け込まない一次（共晶）炭化物があって、基地のオーステナイト結晶粒が成長しにくいのではないだろうか。（余談になるが粉末鋼はこの性質を利用している。一次炭化物に相当する成分を粒状を細かく均一に分布させる事により、基地の結晶粒が粗大化しにくくなっている。）

それとマルテンサイト自体の様子も大分違う。
炭素鋼は笹の葉状にバサバサした組織だ。
マルテンサイト変態はオーステナイト結晶の粒界から始まり、内部に向かって進むそうだ。溶け込んだ炭素量が多いほどバサバサした状態になるらしい。
D2の様な合金鋼の場合は結晶粒が小さい事もあるが、そもそもオーステナイトに溶け込める炭素量がすくないので、結晶内は炭素鋼の様にバサバサした状態にはならないのかもしれない。

炭素鋼も合金鋼も焼入れ温度過熱では、刃先は脆くポロポロ欠けやすい物になってしまう。
過熱焼入れはその後の処理ではどうにもならない・・・

ELMAX

自分で使うつもりはないのだが、鋼材として興味があったのでELMAXを調べてみた。
組成を見るとVとMoの含有量が多く、耐食性と耐摩耗性を狙ったプラスチック金型用の鋼材らしい。
焼入れ温度はSKD11などより高目でないといけないところが要注意。
低温焼き戻しと高温焼き戻しで試験片を作ってみた。






硬さは低温焼き戻しでHRc59.0、高温焼き戻しでHRc58.3だった。カタログ値からして、大体このぐらいなのかもしれない。
Ｖの含有が多いので、S30VやSPGⅡと同じ様に真空炉では硬さが出にくいと思われる。

硬さの測定だが、硬さ基準片を使って真値と表示値の差を知る必要がある。
硬さ測定は正確な値を得るには結構厄介だ。














顕微鏡で組織を観察した。600倍は横の画角が約100μｍになる。

ELMAX生材600倍













ELMAX生材150倍 

ELMAX低温焼き戻し600倍

ELMAX低温焼き戻し150倍

 ELMAX高温焼き戻し600倍

ELMAX高温焼き戻し150倍













熱処理後は低温焼き戻しも高温焼き戻しとも、組織に大きな違いは見られない。
炭化物の多くは概ね3μｍ前後で、ややいびつではあるが均一に分布している。
Vの炭化物により研磨しにくい様にも思えるが、使った人によってはそれほど磨きにくくもなく、ミラーもきれいだと言う。実際のところどうなのだろうか・・・

今まではあまり気にしていなかったが、熱処理後と生材を比較すると、生材の方が炭化物がやや大きく見える。研磨とエッチングによるものかと思っていたが、どうも熱処理により固溶するからの様だ。
粉末鋼における比較的大きく均一に分布する炭化物は、溶製鋼における一次（共晶）炭化物に相当すると考え、熱処理においてはほとんど固溶しないものと思っていた。
しかし温度をいくら上げてもΓに全て完全に固溶はしないのは事実と思われる。
おそらく一次炭化物に相当するものを核に、二次炭化物成分が析出しているのではなかろうか。
粉末鋼の成り立ちを考えると、一次炭化物と二次炭化物の境目は曖昧なところがあるのかもしれない。鋼材の組成によっても炭化物の組成は変わる。（Cr系だとM7C3やM23C6といった違い）
粉末鋼で生材は妙に脆いが、熱処理すると脆さを感じないというのも、この辺が関係するのかもしれない。

ジェネリック？

 この前マトリックスアイダに行った時に、テストピースを預かってきた。
サンドビックの10C28Mo2という鋼材らしい。CRMO7の代替品として今後扱うそうだ。
0.5%C.14%Cr.1.0%Mo.0.08%Nという組成の様だ。若干の違いはあるが銀紙7号と言われるCRMO7とかなり近そうだ。
10C28Mo2もおそらく剃刀用の鋼材なんだと思う。もしかしたら銀紙7号を使ってた剃刀メーカーが、別の供給元としてサンドビックに相当品として作らせているのかもしれない。もしくは銀紙7号の特許が切れたか？


硬さを測ってみた。
熱処理はマトリックスアイダでCRMO7の条件でやってあった。熱処理屋さんの測定ではHRaで81.0となっているので、HRc換算だと59～60ぐらいの様だ。
うちで測ったらHRc59.5だった。
通常CRMO7は59いくかどうかってとこなので、若干硬めになっているのかもしれない。

 組織を観察してみた。
耐水ペーパーで2500番のまで磨いて、希硫酸とアルコール（ラム酒ｗ）の混合液でエッチングした。
先ずは600倍。横の画角がちょうど100μm。
炭化物は非常に細かい。大きいものでも2μm内に収まっている様だ。
これなら研ぎ上げると滑らかな刃が付きそうだ。

これは150倍 。
CRMO7より細かくていいかもしれない。
サンドビックは鉄の原料に何を使ってるか分からないが、よい原料を精製しているなら悪くなさそうだ。

 参考までにCRMO7も。研磨とエッチング方法は同じ様にやった。
先ずは600倍。
一次炭化物がないというのが売りだったが実際には微妙にあって、5μm前後の歪な多角形の炭化物として存在している。

これは150倍。
研磨傷が残って分かりづらいが、縦方向にメタルフローがある。
CRMO7は磨いた表面に微妙に縞模様が出る事があったが、僅かに残っている一次（共晶）炭化物が圧延方向に鍛流線として出る様だ。
安全カミソリは0.何㎜かのリボン状だが、ナイフ用のフラットバーだと圧延比が足りないのかもしれない。





10C28Mo2はなかなかよさそうだ。今後に期待したい。
しかしサンドビックの鋼材は名前を何とかしてほしい。覚えにくくてしゃあないｗ

球状化焼鈍しの重要性

 焼入れ時の炭化物のピン止め効果については以前何度か書いた。炭化物の球状化焼鈍しが重要なんだ。
焼入れは基地の鉄をオーステナイトに変態させ、炭化物を分解して基地に溶け込ます必要がある。
結晶粒界に炭化物が残ってると杭の様になって、隣同士の結晶粒が合体しにくくなる。

 焼入れ温度を上がるか保持時間を長くすると、炭化物は溶けてなくなっていく。
ピン止めの効果がなくなり、結晶粒が粗大化してくる。











炭化物が完全に溶けてしまうと、オーステナイトの結晶粒はとても大きなものになる。完全にオーバーヒートな状態だ。

前にも書いたが過共析鋼の場合、焼き入れはA1線とAcm線の間で行うべきだ。
Acm線を越えて炭化物を全て溶け込ませてしまうと3枚目の絵の様になる。
過共析鋼の場合、炭素量が多いほど焼入れ温度の幅が広がるので、焼き入れはしやすくなる。但し硬く伸びにくくなるので、鍛造はやりにくくなるが・・・

炭素はどのぐらい溶け込ませればいいのか？
この図はよく見られるものだが、これの横軸はマルテンサイトに固溶した炭素量を本来は示している。鋼の炭素量ではない。
マルテンサイトへの炭素の固溶量が多すぎると組織が脆くなる。せいぜい0.6～0.7％程度までにするべきだ。

基地のオーステナイトに溶け込ませる炭素量は温度によって決まってくるが、それにはある程度の時間が掛かる。炭素鋼でも保持時間は10分近く必要な場合もある様だ。
前に書いたがコークスや炭を使った火床の場合、加熱温度を高める事で保持時間を短縮しているのだと思う。さすがに火床で温度を一定に数十分保つのは難しいし、何より作業効率が悪くなる。

焼入れはおそらく高めに加熱して炭素量を必要十分に溶け込ませ、炉から取り出し色合いを見てタイミングを計って冷却に移るのだと思う。
ある程度炭化物が溶け残っている状態ならば、そこからA1線を下回らない（下回ると基地にフェライトが出てくる）範囲で徐冷すれば、吐き出された炭素は溶け残った炭化物を核に取り込まれて成長するので、元の球状炭化物に戻る。

ところが過熱しすぎて炭化物が残っていない状態だと、吐き出された炭素はオーステナイトの結晶粒界に沿って炭化物が成長する。いわゆる網状の初析炭化物だ。
硬い炭化物が結晶粒界に沿ってできるので、非常に脆い組織になる。

炭化物を球状化して大きさと分布状態を揃えるってのは重要な事なんだ。
大きさや分布が不揃いだと、部分的に炭素の固溶量に濃淡が生じて焼き割れの原因にもなると思われる。

どうなるか？

 ちょっと前からだけど、ぼちぼち次のもやってる。













久しぶりにSPGⅡを使うので、応力除去のために焼鈍す。焼入れで曲がるのを防ぐ。
暗い中で薄赤くなる程度まで加熱する。大体600℃ぐらい。

空冷でもいいのだが、念のため灰の中で徐冷する。

応力除去の焼鈍しについては以前いくつか書いた。

http://monosuki.blogspot.com/2012/10/blog-post_16.html

http://monosuki.blogspot.com/2013/05/blog-post_29.html

http://monosuki.blogspot.com/2014/03/blog-post_20.html

RWL34でフィールド＆ストリームのご注文を貰ったので、これを先にやる事にした。

以前RWL34を使ったときは念のため焼鈍したのだが、焼鈍しが必要なのか分からない。

熱処理で曲がらなければやる必要はないのだが・・・

そこで焼鈍しの有無でどうなるのか試してみる事にした。

F&Sは焼鈍して、3incのセミスキナーは焼鈍しなしでやってみる。

3incなら曲がっても損失は少なくて済む・・・ 

大分途中の作業は飛ぶが、とりあえず熱処理前の磨きまで終わった。
今回はこれからヒルトを作る。
しかし暑いな・・・

過熱組織

 一昨年のJKG野外例会の鍛造教室で作ったナイフ。
確かSK4だったか？
どうにも研いでも刃が付かずにボロボロ欠けてしまう。
そのまま放置プレイしてたのだが、ちょっと思いついて組織を観察してみた。

 先ずは600倍。最近入手したニコンのMplan40を使ったので、横幅は今までより僅かに広く110μm程度になる。
典型的な焼入れ温度が高すぎる粗い組織になっている。
見たところ溶け残った炭化物がとても少なそうだ。
なるほど針状のマルテンサイトとはこの様な状態なのか。

これは150倍。これも最近入手したニコンのMplan10を使ってる。横幅は420μm程度の様だ。
概ね教科書通りの組織を実際に見る事が出来た。

焼入れ温度の過熱による組織肥大は単純にオーステナイト結晶粒が粗大化するためだと思っていた。
しかし実際にはそう単純なものでもない様だ。
この辺りの事は過熱による失敗なのだからと、あまり深くは考えた事がなかったのだが、よくよくマルテンサイトの性質を見直してみたら面白い事が分かった。
単純な様で単純ではない。しかし現象はシンプルに起こるもんなんだなｗ

鍛造教室で思う事

この夏の鍛造教室以来、色々考えていた事をまとめてみる。

焼入れって基地の鉄がΓ相になる温度まで加熱して、炭化物を分解させ炭素を基地に固溶させなければいけない。

ステンレス鋼などは1030～1080℃といった温度まで加熱して、保持時間は10～20分という時間が必要だ。これはCrなどの合金元素が、炭化物の分解と基地への炭素の固溶拡散をしにくくしているからだ。

炭素鋼の場合は合金元素はないので、保持時間はごく短いものだと思っていた。

しかし実際は保持時間はある程度必要らしい。

https://www.jstage.jst.go.jp/article/sfj1970/20/8/20_8_384/_pdf/-char/ja

この資料の図１にある様に、加熱温度が一定になる電気炉等でやる場合は３～５分程度は保持時間が必要の様だ。

他にも資料を調べると炭素鋼であっても、確かに相変態と炭化物の固溶には時間が掛かる様だ。
共析鋼（0.8％C程度の炭素鋼）の場合、800℃付近の温度では数秒で一応Γ相になるが、C濃度は不均一で、均一なΓにするには20分もかかるそうだ。








ある温度で固溶できる炭素量は決まってくる。規定量に炭素を固溶するには炭素鋼であっても、ある程度の保持時間が必要なんだな・・・

ここ何年かJKGの野外例会に通って鍛造教室を受けているが、焼入れの際はそんなに保持時間は取っていない様に見えた。

そもそもコークスや炭を使った火床では、温度を一定に数分間保つ事が非常に難しい。

色々考えてみたら、どうやら温度を高目にして保持時間を短くしているという事が分かった。

実際今年の鍛造教室で温度計を使って焼入れ時の火色の温度を測ってみた。思った以上に温度が高かった・・・

以前焼入れ温度は状態図に照らし合わせるとズレがある事を書いた。

理論と実際にはズレがあるもんだが、炉の特性も考慮しないといけないんだな。

焼入れを容易にするためには、炭化物の均質分布とその球状化が重要になる。

焼入れで加熱しても、溶け残った炭化物が基地の結晶粒成長を妨げる。ピン止め効果というそうだ。

炭素量が増えると鍛造はしにくくなるが、焼入れは容易になる。状態図を見れば明らかだが、Acm線とA1線の間が広くなるから温度範囲が広がるからだ。

鍛造教室の時、焼入れ作業を見ているとベテラン達は、焼入れ温度まで加熱したブレードを炉から引き揚げてすぐに冷却液に漬けるのではなく、色味を見て少し間をおいてから冷却していた。

理由を聞くと、すぐに冷却すると硬さが十分でないからだとの事だった。

おそらくすぐに冷却すると炭素の固溶量が多すぎるために、残留オーステナイトが増えるからなのだろう。

間をおいて僅かに冷却して炭素を吐き出させているんだと思う。大物のブレードの場合は、全体の温度を均一化する意味もあるのかもしれない。

吐き出された炭素が基地の結晶粒界に析出しないのか？と思われるかもしれないが、実際には溶け残った炭化物を核に成長するので元の球状炭化物に戻る。そのためにもAcm線を越えて全て炭化物を固溶させてはいけない。核が無くなれば結晶粒界に析出してしまう。

冷却はもちろんA1線より上の温度までとしないといけない。それを下回ると基地にフェライトが出るので硬さが十分でなくなる。

では焼入れの温度って何度でやるのが適正なんだろうか？
結局のところ炉の特性や使う鋼材によって変わってくるものなんだと思う。
炉の特性の違いは結構大きいのかもしれない。加治屋さんごとに違いがあると思う。
鍛冶屋さんは色で温度を判断する訳だが、これも作業場の明るさで見え方は変わってくる。
温度は定量的に測れないものなのかと考えたが、一定温度に保てる炉ではないので炉内の温度を熱電対で測っても意味はない.
加熱したブレードを放射温度計で測っても表面温度でしかないし、そもそも放射温度計では精度よく短時間で計測する事は無理だろう。
色で温度を見るってのも案外合理的なんだと思う。

焼入れ温度を職人気質のベテランに聞くと「温度は測った事がないのでわからない」と言う。
成功する色を覚えていて、その色でやれば間違いないってのがあるんだと思う。
そういった人は鋼材も一種類しか使っていない。焼入れの際は暗幕で外光を遮り、一定の暗さにしていた。

職人は経験によって作業方法を習得している訳だが、その作業は理論に照らし合わせると、非常に理に適ったものなんだ。

鍛造教室は今まで7回ほど受けているが、まともに刃が付くものが出来たのは2本しかない・・・
結構研いでみると刃先がポロポロ欠けてしまう物が多く、組織に問題がある様だ。鍛造や焼入れ温度に問題があったのだと思う。
そもそも野外の特設鍛冶場でやる事だから、ある程度仕方がないのかもしれない。ベテラン達も火色を見るのには苦労していた・・・
まあ失敗したからこそ分かった事が多かったんだなｗ

興味ある？

あるフォルダーメーカーからスプリングの硬さ測定のご依頼。
ATS34だが熱処理条件は分からない・・・

スプリングはブレードとは焼き戻し条件が違うんじゃないかとの事だったが、果たしてどうなんだ？
なるほどそういう事なのかな・・・

打った切った・・・

ガスコンロで加熱してみるつもり。
その前に焼き色と温度を確認。

600℃だと薄暗くした中で僅かに赤味が出る程度。
500℃だと余程周りを暗くしても発光は見えない。

とりあえず600℃に数秒加熱して水冷。

酸化被膜はこんな感じ。

硬さを測ってみる。
なるほどこの程の度硬さになるのか・・・

二回目に今度は680℃でやってみる。
なんで680℃かっていうと、このガスコンロだとそれ以上あがらないｗ

今度はこんな焼き色。
硬さを測ってみた。なるほど、こうなるのか・・・
変化は回数でなくおそらく温度の違いなんだろう。

打った切って加熱してない方の組織を観察してみた。
これは75倍の写真だが、僅かに上下方向に鍛流線が見られる。
クロスロールのKタイプだが、若干の方位性はある様だ・・・

色々やってみると面白い事が分かるもんだｗ