鋼管の熱処理変形の詳細

まず、焼入れ歪により寸法変化と形状変化が生じます。
焼入れひずみ（歪み）には、寸法変化と形状変化（変形）の2種類があります。いわゆる寸法変化は、焼入れ時の相変化による膨張または収縮によって生じる寸法変化で、主に伸びる、縮む、厚くなる、薄くなるなどの相似変形を指します。変形は、部品の自重によるたわみや応力による形状歪みが主な原因で、反る、曲がる、ねじれるなどの相似変形も含まれます。もちろんサイズが変われば形状も変わるため、寸法変化なのか変形なのか混同されることも少なくなく、寸法変化と変形は重なり合う場合も少なくありません。比喩的に焼入れひずみを用いて表現するのが最も適切です。冶金学における焼入れひずみの定義は、熱処理後に部品に発生する応力の総和がゼロに近づく状態です。
焼入れひずみの出現には 3 つの段階があります。
① 加熱（内部応力の除去に基づく）
② 絶縁性（自重による垂れ下がり、すなわち垂れ曲がり）
③ 冷却（不均一な冷却と相変態に基づく）。これらの3つの段階が重なり合い、最終的に部品の焼入れ歪みが発生します。

第二に、寸法変化に関する6つの質問
1.寸法変化の原因は何ですか？通常、寸法変化は組織変化、つまり相変態による膨張と収縮によって引き起こされます。膨張は焼入れによりマルテンサイトが生成する際に起こり、収縮は残留オーステナイトが生成する際に起こり、収縮量は残留オーステナイト量に比例します。焼戻しの場合は一般的に収縮し、複数回焼戻しと硬化を経た合金鋼は膨張します。また、冷間処理を行うと残留オーステナイトのマルテンサイトが膨張し、寸法変化を引き起こします。これらの組織の比容積は炭素含有量の増加に伴って大きくなります。炭素含有量が多いほど、寸法変化は大きくなります。
2.材質と寸法変化：焼入れによる寸法変化（焼入れひずみ）は、鋼の材質によって異なります。P、Mo、Cr、C、Mnは寸法変化に大きな影響を与え、Si、Niは寸法変化に小さな影響を与えます。ゲージ鋼および切削工具鋼SKS3およびSKS31（W-Cr-Mn工具鋼）は、焼入れ変形が小さい鋼であり、焼入れひずみを受けない鋼とも呼ばれています。第二に、鋼の塑性流動線は焼入れ寸法変化に大きな影響を与えます。塑性流動線の方向、つまり長手方向には寸法変化が大きく、長手方向に垂直な方向、つまり横方向は寸法変化が小さくなります。したがって、材料を採取する際には、塑性流動線方向の一貫性に注意する必要があります。また、炭化物の線状偏析も寸法変化に影響を与えます。
3. 焼入れと寸法変化
（1）組織変化のみによる寸法変化：鋼部品を焼入れすると、様々な組織変化が生じる。これらの組織変化が寸法変化を引き起こす。オーステナイト組織がマルテンサイト組織に変態する場合（完全焼入れ）、部品の寸法変化（膨張）は最も大きく、オーステナイト組織がベイナイト組織に変態する場合、寸法変化は上記の約1/3、パーライト組織に変態する場合（焼鈍）は約1/4となる。また、マルテンサイトによる膨張は、鋼中の炭素含有量の増加に伴って大きくなる。
（2）残留オーステナイトの影響：焼入れの影響により、少量のオーステナイトが残留していても、膨張による寸法変化はそれに応じて低減されます。したがって、少量の残留オーステナイトの存在は寸法変化の低減につながります。しかし、残留オーステナイトの存在は焼入れ硬度を低下させ、室温に放置すると時効変形を引き起こします。
（3）残留炭化物の影響：焼入れ加熱中にオーステナイト中に溶解する炭化物が少ないほど、つまり残留炭化物が多いほど寸法変化は小さくなります。残留炭化物の形態や種類自体の変化は体積変化をもたらさないため、寸法変化とは無関係です。
（４）冷間処理の影響：冷間処理を行うと残留オーステナイト量が減少し、マルテンサイト量が増加するため膨張寸法変化が生じる。
4. 焼戻しと寸法変化
（1）マルテンサイトの分解：焼戻しによるマルテンサイトの分解は、収縮寸法変化の原因となる。寸法変化量はマルテンサイト中の炭素含有量によって異なり、マルテンサイト中の炭素含有量が高いほど寸法変化は大きくなる。しかし、焼入れ前の状態を基準とすると、焼入れ・焼戻し後の総合的な寸法変化は、最終的には膨張寸法となる。
（２）未溶解炭化物の影響：未溶解炭化物が存在するとオーステナイト中の炭素量が減少し、炭化物自体は寸法変化に影響を与えないため、焼戻し第１段階（２００以下の焼戻し）における寸法変化は収縮となる。
（3）残留オーステナイトの影響：残留オーステナイトが存在する場合、焼戻しによる寸法変化は小さい。焼戻し温度が200℃を超えると、残留オーステナイトがベイナイトに変態し、膨張による寸法変化が生じる。そのため、焼戻し初期（200℃未満）では、残留オーステナイトが寸法収縮を引き起こす。この温度を超えると、焼戻し温度が上昇し、残留オーステナイトの分解が起こり、膨張による寸法変化が生じる。
5. 合金鋼の寸法変化
合金鋼中の炭化物は、多くの場合、特殊元素を溶解しますが、その比容積はほぼ変化しないと言えます。したがって、合金鋼の処理方法は上記の方法と同じです。ただし、合金元素の種類と量によって残留オーステナイト量が変化し、炭化物の量も変化するため、サイズの変化を考慮する必要があります。
6. サイズの変化を減らす方法
寸法変化は、焼入れまたは焼戻し後の組織変化によって引き起こされます。したがって、寸法変化を完全に排除することは不可能です。寸法変化を軽減するには、以下の熱処理方法しかありません。
（1）膨張はマルテンサイトに起因する：収縮は残留オーステナイトに起因するため、マルテンサイト量およびマルテンサイト中に固溶する炭素量を減らし、残留オーステナイト量を増加させる必要がある。ただし、残留オーステナイト量の増加は時効変形を引き起こすことに注意する必要がある。
（2）未溶解炭化物（残留炭化物）の量を増やす。（3）マルテンサイト以外の組織を利用して鋼を硬化させる。その中でもベイナイト組織が最も優れている。ベイナイト50％、マルテンサイト50％の鋼は硬く、寸法変化が小さいため、寸法制御が容易である。
（４）焼き戻しを行う。