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The Present Conditions and the Future of the Heat

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The Present Conditions and the Future of the Heat
熱処理技術の現状と将来
川 嵜 一 博 (一社)日本熱処理技術協会 / 高周波熱錬 ㈱
熱処理技術の重要性は広く認められている。適用対象は主に鉄鋼材料、
非鉄金属材料で、焼入れ、焼戻し、時効、表面硬化処理などがあり、各
処理で異なる性能が得られることが熱処理の 妙" で、以下で熱処理技
術の現状と将来を概説する。
1.はじめに
経済産業省の委託により素形材センターが策定し
で、加熱・冷却、すなわち「赤めて、冷やす」の温
た 素 形 材 技 術 戦 略 2008" 及 び 特 定 も の づ く り
度履歴/熱サイクルが重要で、焼入れ、焼戻し、焼
基盤技術高度化指針(改訂版) では「熱処理とは
きならし、焼きなまし、時効、表面硬化処理などが
金属材料に加熱、冷却の熱操作を加えることにより、
あり、各処理で得られる性能が異なり、それが熱処
耐久性、耐摩耗性、耐疲労性、さらには耐食性、耐
理の 妙" でもある。
熱性といった特性を付与するものである。自動車、
本特集では、個別熱処理の話題については、各
建設機械、家電、航空機、工作機械、工具など我が
分野の専門家が詳説されるので、本稿では、日本
国を代表する工業領域、工業製品の多くは熱処理工
の熱処理技術の全般的な話題について、日本熱処
程を経て最終製品化されている。このことから、熱
理技術協会(以下、技術協会)策定の「熱処理ロー
処理技術は素形材分野において、ものづくりの重要
ドマップ」1), 2)を元に 2013 年 6 月 24 日の素形材セ
な基盤技術の一つとして位置づけられており、その
ンター主催の素形材技術セミナー「ものづくりの
重要性は広く認められている」とされている。熱処
原点−素形材技術−」で報告した内容 3)に添って紹
理の適用対象は主に鉄鋼材料および非鉄金属材料
介する。
2.熱処理技術の現状と将来 熱処理ロードマップ
技術協会では、2010 年に創立 50 周年を迎え、創
関連技術の現状と将来については、熱処理誌・50 周年
立記念行事の中で、5 月 11 日に 熱処理ロードマッ
記念特集 21 世紀熱処理技術の革新" 4)に掲載した。
プ" に関するシンポジウム(委員長:松尾孝/当時、
東京工業大学教授)を開催し、4 つのカテゴリーの
ワーキンググループ(WG)「Ⅰ 一般熱処理と表面
の熱処理、改質」「Ⅱ 熱処理素材」「Ⅲ エネルギー
高効率利用と環境調和」「Ⅳ 熱処理企業の今後」に
分かれて、協会会員へのアンケートも実施して協議
し、まとめを報告した
2
SOKEIZAI
。また、個別の各熱処理・
1), 2)
Vol.55(2014)No.2
2.1 「一般熱処理と表面の熱処理、改質」
<奥宮正洋、内田 聡、川嵜一博>
本 WG では、著者もメンバーとなり「一般熱処理」
「浸炭(焼入れ)」
「窒化」
「高周波熱処理」
「表面コー
ティング他」について整理している。
特集 熱処理技術の最新動向
2.1.1 一般熱処理(本項は文献 1)のみに掲載)
め、進化技術である真空浸炭や迅速浸炭技術などの
焼入れ、焼戻し、焼きならし(焼準)、焼きなま
開発が進んでいる。
し(焼鈍)などがある。使用炉で可能な加熱条件範
2.1.3 窒化
囲や炉内寸法、生産性(部品の送り、搬入搬出機構
窒化層(窒素化合物層、拡散層)の高硬さによる
を含む)によって処理対象・仕様は多種多様で、「内
優れた耐摩擦摩耗性と低温処理による低変形(ひず
製」ではまとめて生産する効率の高さが狙いで、
「外
み)が利点である。図 2 にガス窒化の操業条件例と
注」では熱処理専業社の高い適応力が強みとなる。
炉メーカー各社の代表的な装置を示す(詳細は各社
一方で、地球環境問題、長時間処理、炉の大きさな
HP を参照願いたい)。一方、低生産性の改善(処
どに課題があり、非調質鋼使用による一般熱処理の
理時間短縮、バッチ処理での大量処理化)が課題
省略や機械加工技術の向上に伴う球状化の省略など
で、確立しているガス窒化、ガス軟窒化や塩浴軟窒
が進み、今後は必要機能とコストを見合いながら、
化では処理環境の改善と適用拡大が課題で、広い適
雰囲気処理、真空処理などを含めて存在価値を維持、
用性を有するプラズマ窒化では量産性向上が必要で
向上していく必要がある。
ある。最近では、高耐摩擦摩耗性で注目される DLC
2.1.2 浸炭焼入れ
膜の密着性向上のための下地処理としても検討され
高い疲労強度、耐摩擦摩耗性を有しており、性能
るなど、窒化そのものの進化だけでなく、他の表面
向上、コスト低減のために多様な浸炭用鋼や真空浸
処理との複合を含めた新機能の発現や拡大を目指し
炭などの新技術も開発実用化され、汎用技術として
た開発も進められている。
確立・定着している。図 1 にガス浸炭の操業条件例
窒化には機械部品業界の関心が高く、技術協会が
と炉メーカー各社の代表的な装置を示す(詳細は各
2012 年 2 月 16、17 日に東京工大で開催した熱処理
社 HP を参照願いたい)。ガス浸炭が最も広く実施
技術セミナー「ドイツと日本の窒化・軟窒化 最前線」
されているが、反応上、CO2 が排出されることから
では、ドイツ/ IWT(ブレーメン大学・材料研究所)
その排出量削減をはじめとする地球環境問題への対
から Dr. H. Klümper-Westkamp と Stange 社を招い
応、処理時間の短縮、処理製品の性能・品質安定化
て特別講演いただき、これを機会に、同年 9 月 16 ∼
への努力がなお一層必要と指摘されている。そのた
26 日に IWT はじめ ALD 社(真空炉)、HEESS 社
930℃
850℃
油焼入れ
昇温
3h
2h
浸炭
拡散
0.5h
焼入加熱
キャリアガス
エンリッチガス
CO3制御
0.15%
露点制御 -5℃
CO2制御 0.25~0.30%
露点制御
2~5℃
図 1 ガス浸炭の操業条件例と炉メーカー各社の代表的な装置
Vol.55(2014)No.2
SOKEIZAI
3
図 2 ガス窒化の操業条件例と炉メーカー各社の代表的な装置
(プレスクエンチ)などドイツ圏の浸炭・窒化関連
2.1.5 表面コーティング
の研究機関、表面処理メーカーへの視察団を派遣し
PVD、CVD、DLC、ショットピーニングなどが
て最新の開発実用化情報の収集と同時に国際交流を
あり、機能重視で各処理法の個性により枝分かれす
深めている。また 2014 年 5 月 13、14 日に開催され
る。図 5 に代表的な PVD と CVD の特徴と主な処理
る 21st IFHTSE(Munich / München 大 会 ) に 合
技術を示す。今後は、各部品での要求機能を実現す
わせて視察団も派遣する予定である(詳細は、技術
べく個々の技術課題の解決が必要で、基本課題とし
協会 HP を参照願いたい)。
て、設備コスト、環境対応(処理ガス、ショット球)、
2.1.4 高周波熱処理
生産性などの改善による量産性向上、コスト低減が
微細組織による高強度高靱性、高圧縮残留応力に
必要である。
よる高疲労強度、高転動疲労強度などの機械的性質
の特長が定着し、CO2 排出量少でクリーン、1 個流
4
2.2 「 熱処理素材 」
し(インライン)処理で品質安定、高生産性などが
<古君 修、小林一博、越智達朗、土山聡宏、宮本吾郎>
今後も活かされ適用拡大すると期待される。図 3 に
本 WG では 、 鉄鋼材料を主体に①省資源、②省エ
高周波熱錬 ㈱ での高周波熱処理状況の例を示す(詳
ネルギー、③高強度化・長寿命化、④強度−延靱性
細は高周波熱錬 ㈱ および高周波熱処理各社の HP を
バランス(バルク組織制御)に分けて将来の革新材
参照願いたい)。一方、設備・加熱コイルの汎用性
料開発に向けた展望・期待を整理している。
拡大、条件出しなどの生産効率向上、複雑形状部品
2.2.1 省資源
への適用拡大、短時間加熱ゆえの熱処理前(素材)
TRIP 鋼、パーライト微細分散鋼、DP(Dual Phase)
組織制約の抑制(=高周波焼入性と機械加工性との
鋼、超微細析出物強化(ナノハイテン)鋼など鉄鋼
両立)などの課題もあり、迅速表面処理化の要望が
材料の進化はめざましいが、大半は合金元素添加、
ますます強くなる中で、短時間加熱・表面加熱・部
加工と熱処理の組合せで実現しており省資源・低コ
分加熱を活かした他の表面処理(浸炭、窒化など)
ストとは必ずしも両立しない。そのため炭素鋼ベー
との複合処理の開発も進みつつある。図 4 にロード
スの高周波熱処理拡大のために水焼入技術、B 鋼再
マップ例も兼ねて、著者がまとめた「高周波熱処理
評価・活用や Cr、Mo レス化技術が開発されており
のロードマップ」を示す。
熱処理技術との並列進化を期待したい。
SOKEIZAI
Vol.55(2014)No.2
特集 熱処理技術の最新動向
被加熱物
(ワーク)
焼入状況
加熱コイル
(誘導子)
<高周波焼入装置>80kHz, 200kw
一発焼入れ
移動焼入れ
高周波
電 流
交番磁束
加熱コイル
うず電流
図 3 高周波熱処理状況の例(高周波熱錬 ㈱)
図 4 高周波熱処理のロードマップ
材料組織学的には、たとえば「強度・靱性」に関
却や精密圧延技術の導入が進み世界の製鋼技術をリー
しては、粒子分散強化について炭化物・窒化物析出
ドするとともに、新しい鋼材の開発実用化も進み、非
が、結晶粒微細化強化について B 添加による焼入性
調質鋼が自動車部品に広く使用されるなど成果も大き
向上の活用、加工熱処理、変態点(A1)を挟んだく
く、今後も着実な進化が期待される。
「熱処理と鋼材
り返し熱処理が、固溶強化について窒素・炭素の活
開発の協働」に関しては、迅速浸炭化を含む真空浸炭
用が期待される。
用の高温浸炭鋼や、高周波焼入用で冷間加工性と高焼
2.2.2 省エネルギー
入性を両立した鋼や浸炭同等以上の高強度用鋼が実用
「省エネルギー型鋼材、素形材製造プロセス」に関
化されており、今後はさらに低コスト化、グローバル
しては、20 世紀後半に連続鋳造化、制御圧延・制御冷
スタンダード化(調達性の向上)が期待される。
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図 5 代表的な PVD と CVD の特徴と主な処理技術
2.2.3 高強度化・長寿命化(表面硬化鋼)
疲労強度が 3 m 辺りで頭打ちになることや均一延
図 6 のロードマップに示すように、「浸炭代替高
びが低下し始めることが示されており、微細化コス
強度高周波焼入用鋼・超微細結晶粒高強度高周波焼
トを含めた実用的な強度−延靱性バランスの確保に
入用鋼」「高靱性窒化鋼」「耐ピッチング用鋼(浸炭
向けた開発が必要である。「析出強化」については、
用鋼)」
「大型介在物低減鋼、水素環境下長寿命鋼(軸
古くから合金工具鋼や高速度工具鋼で Cr、Mo、V、
受用途鋼)」の開発が期待される。
W などの炭化物を二次析出させ室温硬さや高温強度
2.2.4 強度−延靱性バランス(バルク組織制御)
の向上が図られているが、近年は、炭化物の析出形
高強度を目指した鋼材を開発実用化するには、高
態(寸法、分散状態)を制御したり、より微細分散
強度化だけでなく、加工性や靱性の確保も必要で、
させる組織制御技術の開発が進んでいる。これから
バランス特性改善のための組織制御が必要である。
は、加工熱処理技術、析出現象解析のさらなる活用
「結晶粒微細化強化」については、制御圧延により
粒径 5 m 程度までの微細化が可能で優れた強度+
によりナノスケールでの組織制御が進めばより一層
の機能性能向上が期待できる。
延靱性バランスが得られるが、あまり微細化しても
図 6 熱処理素材(鋼材)の高強度化・長寿命化のロードマップ
6
SOKEIZAI
Vol.55(2014)No.2
特集 熱処理技術の最新動向
2.3 「 エネルギー高効率利用と環境調和 」
2.3.2 シミュレーションによるプロセス改善
<渡邊陽一、奈良崎道治、下里吉計、河田一喜>
従来、 勘、コツ で対応することが多かった熱処
本 WG では、① プロセス(ハード)改善、②シ
理プロセスの最適化、安定化と熱処理品質予測によ
ミュレーションによるプロセス改善、③ 熱処理設備
る試作工数削減のために、加熱冷却における温度変
について整理している。図 7 にロードマップを示す。
化とそれに伴う熱膨張・収縮、組織変化と変態膨張・
2.3.1 プロセス(ハード)改善
収縮、および発生する応力とひずみを連成解析する
地球環境問題への対応と急速なグローバル化によ
熱処理シミュレーション技術の開発が急速に進んで
り、たとえば自動車部品の小型軽量化、低コスト化
いる。今後、より高精度化するためには、計算ソフ
への要求はますます厳しくなり、熱処理技術に対し
トの改良改善、ハードの計算速度の向上はもちろん、
ても CO2 排出量低減、省エネ・省資源、低コスト、
加熱冷却中の各温度での各種材料物性値の実測デー
グローバル生産適応性、安全性、より安定した高品
タや冷却曲線が必要となるが、部品の材質、形状、
質、高強度、高機能などが求められている。熱処理
寸法、焼入姿勢、表面性状が影響することからデー
プロセスについても、今までの延長での改善改良は
タ収集は容易ではなく、日本材料学会や技術協会の
もとより、さらに大きな変革が必要で、浸炭を例に
研究部会(現在のテーマは「焼入冷却と変形シミュ
とれば、今後は、現プロセスに加えて、すでに開発
レーション」)などで地道なデータ採取が継続され
が進められている真空高温浸炭、加圧ガス焼入れ、
ている。
プラズマ浸炭などの進化や、浸炭用鋼材の製鋼プロセ
2.3.3 熱処理設備の改善
ス−粗材(素材)熱処理(一般熱処理)−鍛造−機械
日本の熱処理設備は、自動車や建設機械メーカー
加工−浸炭(他の表面熱処理でも同様)までを工程
などのユーザーからの品質、コスト、省エネなど
スルーで最適化することが必要である。浸炭と他の
に関する厳しい要求に応えることで大きく進化発展
表面熱処理(高周波焼入れ、ショットピーニング、
し、今や世界のトップレベルと言っても過言ではな
ハードコーティングなど)の複合処理、さらに加圧
い。ところが地球環境問題のクローズアップとグ
ガス焼入れ(欧米では開発実用化が活発ながら、日
ローバル化が急激に進んだため、品質では、「均一
本では圧力容器に関する高圧ガス保安法によりガス
加熱、高温保持、冷却」「冷却速度曲線の安定再現」
圧 1MPa 以下に規制され開発が進みにくい)などの
冷却手法の開発が期待される。
「炭素や窒素ポテンシャルなど炉内雰囲気ガスの精
密制御」などがより必要となっている。省エネでは、
図 7 エネルギー高効率利用と環境調和のロードマップ
Vol.55(2014)No.2
SOKEIZAI
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断熱強化や排熱回収などの対症対策だけでなく、発
なお、④ 項の人財育成と教育の必要性については、
想の転換を含めて、雰囲気処理の活用、真空浸炭の
もちろん、今までの各 WG 共通の課題でもあるし、
拡大、浸炭・窒化ともに加熱処理時間の短縮、雰囲
本 WG では企業経営(特に専業社)の永続性・発展
気ガスの改良・高効率制御、排ガス排熱の低公害処
性確保の観点から 強い意識" というより 厳しい
理、精密制御用の温度・ガスセンサーの開発などの
危機感" を持っており、次のようにまとめられている。
進化と IT 活用による生産工程の合理化、CAE によ
(1)大学でじっくり金属(や熱処理)を学んだ人
る開発・試作効率の向上が期待される。
財が少ないため採用が難しい。
(2)ほとんどの熱処理企業では研究開発予算が皆
2.4 「 熱処理企業の今後 」
無に近く就職先としての魅力が乏しい。
<喜多正吉、野村博郎、横瀬敬二>
本ロードマップ策定時期が、2008 年後半からのリー
(3)技能の伝承方法が確立しないうちに先人が退
職を迎えてしまっている。
マンショックにより熱処理企業各社が大きな痛手を
(4)自動化、省力化により熱処理技術を含めた知
被ったものの経営環境激変への適応力・修復力を発揮
識を知らずして操作や作業をしている。
して立ち直った頃だったことから、本 WG のアンケー
(5)若手の横並び指向は結果として自己研鑽の成
ト結果には各企業の切実な思いが反映されている。
就不足となっている。
熱処理企業(主に専業社)の今後の展望に関する
熱処理に携わる企業(部門)は、専業社だけでな
まとめとしては、
く、大手の総合機械や部品メーカーなどにも熱処理
① 熱処理特性を極めた高付加価値を追及し、適切
「内製」部門として存在し(専業社よりはるかに大規
模と推察)、上記の「困り事」は、著者の知る狭い範
な利益のある企業経営
② グローバルな時代にフレキシブルに対応する生
囲ではあるが、
「当たらずとも遠からず」と拝察する。
人財育成は日本のものづくりを支える熱処理(業)
産システム
③ 省資源、省エネで地球環境との共生を希求する
全体の大問題で、技術協会では、同様の危機感を
持つ日本金属熱処理工業会(以下、工業会)、日本
熱処理企業
④ 人財の育成と確保ならびに技術、技能の伝承
鉄鋼協会、日本工業炉協会、表面技術協会など関
(人の財産、人は財産、と考えれば“人財”)
連諸団体とも協力して種々のセミナーを企画開催
している(詳しくは各団体の HP を参照願いたい)。
を挙げている。
3.おわりに
日本熱処理技術協会の創立 50 周年記念シンポジ
参考文献
ウム“熱処理ロードマップ”を元に、浅学ながら
1 )日本熱処理技術協会主催:創立 50 周年記念シンポジ
日本の熱処理技術の現状と将来について概説した。
熱処理関連の学会・業界団体、熱処理・その関連
プロセスに携わる技術者・技能者の皆さん共通の「熱
処理はものづくり産業を支える大事な技術で、研究
開発も生産技術・設備開発もさらに進めて、今後も、
世界の熱処理技術を牽引し続けたい」との思いを少
しでもご理解いただければ光栄である。
なお、「熱処理企業(主に専業社)の現状と課題」
については、工業会が経済産業省からの委託により、
2006(H18)年に「金属熱処理業ビジョン− 10 年後
のあるべき姿−」を、2011(H23)年に「追補版」を
5)
詳細かつ精力的にまとめている (資料は経済産業
省または工業会 HP から入手可能)。
ウム 熱処理ロードマップ"(2010-5-11).
2 )日本熱処理技術協会編:熱処理/ 50 周年記念特集, 熱
処理ロードマップ",50,2(2010).
3 )素形材センター主催:素形材技術セミナー「ものづく
りの原点−素形材技術−」
(2013. 6).
4 )日本熱処理技術協会編:熱処理/ 50 周年記念特集, 21
世紀熱処理技術の革新",50,4(2010).
5 )日 本 金 属 熱 処 理 工 業 会: 金 属 熱 処 理 業 ビ ジ ョ ン "
(2006-11).同 追補版"(2011-3).
熱処理関連団体 HP
・(一社)日本熱処理技術協会:http://www.jsht.or.jp/
E-mail:[email protected]
・日本金属熱処理工業会:http://www.netsushori.jp/
・(一社)日本工業炉協会:http://www.jifma.or.jp/
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SOKEIZAI
Vol.55(2014)No.2
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