成形加工はどれも、金属を加工前より硬くします。鋼の帯板を何度も曲げ戻すと、曲げ部は硬くなり、やがて割れます。これが手で確かめられる加工硬化です。焼鈍はそのリセットであり、加熱し、保持し、冷却することで結晶組織が回復し、金属は再び成形できるようになります。
焼鈍とは何か？
焼鈍は制御された熱処理です。金属を内部組織が再結晶する温度まで加熱し、それが完了するまで保持してから冷却します。その結果、降伏強度は下がり、伸びは大きくなり、金属は軟らかくなり、冷間加工による内部応力はほぼ取り除かれます。金属成形では中間工程として用いられます。2段目や3段目で割れてしまう深絞りのカップは、工程の間で焼鈍することでさらに深く絞れるようになります。代表的な温度は、低炭素深絞り鋼で約650〜700 °C、銅や黄銅では調質によりますが400〜600 °C、オーステナイト系ステンレスの完全焼鈍では1,000 °C超となり、残留応力だけを除去したい場合は350〜450 °Cの応力除去焼鈍を用います。
成形に焼鈍が必要な理由
- 加工硬化 — 絞りは壁を引き伸ばし、降伏強度を高めます。ひずみが一定量を超えると延性が尽き、次の工程で割れます。
- 絞り深さ — 1工程で到達できるカップの深さは、材料の加工硬化特性で制限されます。工程間に焼鈍を入れることで、初めて背の高い部品が可能になります。
- スプリングバック — 焼鈍して軟らかくした材料はスプリングバックが小さくなります。厳しい形状公差が必要な部品は、最終成形の後ではなく前に焼鈍することがよくあります。
- 次工程の成形性 — 絞ったあとにフランジを立てる、あるいは絞ったあとに拡管する部品では、通常その2工程の間に焼鈍が必要です。
見積もりに現れる4種類の焼鈍
| 処理 | 目的 | 用途 |
|---|---|---|
| 完全焼鈍 | 完全な再結晶。最も軟らかい状態 | 強い初回絞りの前、または圧延後の材料を回復させる場合 |
| 中間焼鈍 | 成形工程の間で延性を回復させる | 多段深絞りのカップ、ハウジング、シェル |
| 応力除去焼鈍 | 軟化を抑えつつ残留応力を除去する | 平面度が必要な機械加工部品、溶接組立品 |
| 光輝焼鈍 | 酸化スケールが生じないよう制御雰囲気で焼鈍する | 処理後に清浄な表面が必要なステンレス部品 |
代表的な焼鈍温度
| 材料 | 代表的な焼鈍温度 | 備考 |
|---|---|---|
| 低炭素鋼（DC01〜DC04） | 650〜700 °C | バッチ焼鈍。雰囲気制御なしではスケールが生じる |
| 銅 C11000 | 400〜600 °C | 高温側ほど軟らかい調質になる |
| 黄銅（CuZn） | 400〜600 °C | 亜鉛含有量の多い黄銅は脱亜鉛を避ける配慮が必要 |
| オーステナイト系ステンレス 304 | 1,040〜1,120 °C で保持後、急冷 | 完全焼鈍。応力除去のみなら350〜450 °C |
| フェライト系ステンレス 430 | 750〜850 °C | 焼鈍は磁気特性にも影響する |
| アルミニウム合金 | 300〜420 °C | 合金により異なる。時効硬化を選ぶグレードもある |
ここに挙げた温度は系統ごとの代表的な公表値であり、レシピではありません。正しいサイクルは合金、冷間加工量、必要な最終特性によって決まり、炉のオペレーターに任せるのではなく熱処理仕様書に記載すべきものです。
プログラムに加わるもの
- 工程が1つ増える — 焼鈍のたびに搬送、炉のサイクル、プレスへの戻しが発生し、見積もりにもそのように計上されます。
- バッチ熱処理は外注 — Balfordでは、まとまった熱処理は外注工程であり、自社に炉があるかのように示すことなく開示しています。
- スケールと洗浄 — 雰囲気制御のない焼鈍は除去が必要なスケールを残し、これが最初の工程に加わる2つ目の工程となります。
- 変形 — 薄肉の絞り部品は炉内で変形することがあるため、治具や梱包方法も工程設計の一部になります。
- 処理後の硬さ — 図面が最終硬さや調質を要求する場合、それは同じ熱処理ではなく2回目の熱処理です。
重要ポイント
2段目や3段目の絞りで割れるなら、工程間の焼鈍が通常は答えです。工程を1つ費やして、深さを手に入れます。合金、冷間加工量、その後に必要な特性を指定し、表から写した温度ではなくそれらからサイクルを決めてください。
よくあるご質問
焼鈍は金属に何をするのですか？
軟らかくします。再結晶温度まで加熱して冷却することで冷間加工の影響が取り除かれ、降伏強度が下がり、伸びが増し、内部応力が緩和されて、部品をさらに成形できるようになります。
深絞り部品に焼鈍が必要なのはなぜですか？
絞りの各工程が壁を加工硬化させるからです。材料の延性が尽きると割れるため、次の工程の前に中間焼鈍で延性を回復させます。
焼鈍は焼ならしと同じですか？
いいえ。焼ならしも鋼を臨界温度以上に加熱しますが、空冷するため、炉中で徐冷する完全焼鈍より微細で強い組織になります。
焼鈍は磁気特性を変えますか？
変わることがあります。焼鈍は応力を緩和し、フェライト系鋼やケイ素鋼の磁気特性を変えうるため、磁気シールドや軟磁性部品の工程に組み込まれ、当社では磁気焼鈍を独立した仕様として扱っています。