ソルトバス（塩浴）熱処理の現状と将来坂　田　玲　璽　㈱上島熱処理工業所あまり一般的には使用されていないソルトバス（塩浴）熱処理と特徴について、特に高速度工具鋼（ハイス鋼）の熱処理を主体に他の工法との比較をしながら、現在の技術と将来の可能性について紹介する。 1．はじめにこれまで順調に成長を続けてきた日本国内の熱処自動車のカロッツェリア的な考えで、品質要求の高理産業も、日本経済の停滞、円高や急速なグローバい製品の熱処理で成り立っている世界がある。ル化の影響で、最近では従来のように欧米だけではそれぞれの部品の用途に応じて一品ずつに最適ななく、アジアの新興国との競争も余儀なくされてき熱処理工法を設定して処理し、コストや納期を多少ている。こういった厳しい環境下で、今も日本のも犠牲にしてでも、ベストな品質を最優先で追求するのづくりの競争力を縁の下で支えているのは、優れというのが工具鋼のソルトバス（塩浴）熱処理である。た技術力と高い信頼性をもつ、素形材産業に携わる工具鋼の中でも一番グレードの高い高速度工具鋼（ハ中小・中堅企業である。イス鋼）の部品の場合には、焼入温度が 1,050 ～ 1,250℃ 近年の熱処理技術は、特殊な知識や技能が無くてという高温での処理が必要となるため、他の熱処理も、誰にでも低コストで高品質な製品を量産できると比較すると品質的に大きな優位差が出てくる。技術を主体に研究開発が進められてきた。特に、海本稿では、ニッチな分野で優れた金属材料の特性を外での生産が急速に展開されている現状では、こう生み出すことに貢献しているソルトバス（塩浴）、そいった設備性能が必須となっている。このような方の中でも特に高速度工具鋼の熱処理を中心に、これら法とは考えを異にして、優秀な技術者と技能者の育の技術の現状と将来の可能性について紹介したい。成に力を入れ、彼等の知識と経験をフルに活かして、 2．ソルトバス（塩浴炉）の歴史アメリカやドイツにおいては、古くから溶融塩る。第二次世界大戦後の 1947 年にハイス鋼 7 種が浴（Molten Salt Bath）が金属熱処理に応用されて JES 規格（Japanese Engineering Standard：1949 いたが、特に第一次世界大戦後にアメリカにおいて年まで使用されていた臨時日本標準規格、後に JIS モリブデン系高速度工具鋼の研究開発が始まると、規格に統合）に登録され、1956 年に Cr-Mo 系ダイ 1200℃を越す高温で処理が可能な塩浴炉（ソルトバス鋼（SKD11, 6, 61, 62）、Mo 系ハイス鋼（SKH9）ス炉）は工業化が一気に進んだ。日本でこれらの設が JIS 規格に登録された 1）。備が一般化されるようになったのは 1930 年頃であ 1960 年代以降に自動車産業が急速に進展するとと Vol.55（2014）No.2 SOKEIZAI 35 もに、ソルトを用いた熱処理設備は国内の幅広い分福島第一原子力発電所の事故を契機に、電力料金の野の産業で多用されるようになった。高騰は更に深刻化し、今後も何とか努力して設備の 2000 年代に入ると、日本の経済成長は急激に鈍化稼働率を維持できていける企業以外は、生き残ってを始め、熱源としての電気料金が製造原価の 10% 以いくのが難しいと考えられる。特に、ソルトバス熱上を占めるソルトバス設備を稼働率の低い状態で維処理は品物の扱いを作業者に頼るところが大きいの持するのは困難な状況になってきた。更に大気・水で、熟練した作業者が必要となる。設備稼働率が低質・廃棄物処理などの環境対策面でも他の熱処理設い状態で技能伝承を行っていくということは不可能備と比較するとコスト負担が大きいことから、他のなので、品質の維持も自ずから困難になっていく。熱処理方法への転化や設備停止するところが増えて勝者と敗者の二極化はさらに進んでいくものと思わ来ている。2011 年 3 月に発生した東日本大震災とれる。 3．ソルトバス熱処理の特徴他の熱処理方法と比較すると電力料金を始めとしソルトバス熱処理の特徴についてまとめてみる。た生産コストや環境対策面での経費がかさみ、さらに熟練した技能者が居ないと高品質の状態が維持で ① 昇温速度が速いきないのがソルトバス熱処理である。大型部品の熱処理を行う場合に、真空加熱や大気なぜ、こんな低生産性の手段をこれからも継続すを含んだ雰囲気加熱では、熱伝導が悪いために長時ることが必要かという理由については、ソルトバス間を掛けた加熱が必要となり、昇温時の不均一加熱熱処理だけが実現が可能な熱処理の世界が存在するや結晶粒の粗大化などの問題が伴う。からである。これに対しソルトバス加熱の場合には、液体を用写真 1 は製鋼用に用いられる高速度工具鋼（ハイいた加熱方法となるので、部品表面の熱伝達係数がス鋼）の大型圧延ロール（外寸：φ 390 × L790、重量：大きくとれるので加熱速度が圧倒的に速い。図 11） 400kg）である。この部品の要求品質は、表層部のは加熱方式による昇温速度の差を示したものであるみならず内部まで均質な熱処理がなされていて、部が、室温から 700℃までの昇温速度を比較するとソ品の使用時にかかる大きな応力に長時間耐え、高いルトバス加熱は空気（大気）加熱の約 4 倍の加熱速耐摩耗性を示すことである。こういった大型の高速度を有している。度工具鋼の部品を、約 1200℃という高温への加熱と図 2 は、実際にマトリックス系高速度工具鋼製のそこからの冷却で、低歪みで均質な熱処理を実現で φ25 × L50 のサイズの試験片を、ソルトバスによりきるのはソルトバス熱処理だけである。 900℃で予熱を行い、さらに焼入温度である 1140℃ まで加熱した後、500℃の冷却用ソルトバスで焼入れした際の表面と芯部の温度を実測したデータである。写真 1　製鋼用圧延ロールのソルトバス（塩浴）焼入れ図 1　加熱方式による昇温速度の差 36 SOKEIZAI Vol.55（2014）No.2 特集　熱処理技術の最新動向 1,400 本加熱均熱 1,200 表面芯部温度（℃） 1,000 800 焼入れ本加熱昇温予熱均熱 600 予熱昇温 400 試料サイズ φ25×L50 200 0 0 2 4 6 8 10 時間（分） 12 14 16 図 2　ソルトバスによる焼入れ時の物温測定結果図 3　各種冷却剤の冷却性の比較ソルトバス中には多量のソルト剤が入っており、処理品をソルトバスに挿入しても、ほとんど炉温は度域での冷却速度が遅いと、結晶粒界に沿って初析下がらないため、900℃の予熱温度までは、芯部で炭化物が析出し、じん性と硬さを低下させるというも約 3 分間で到達しており、予熱温度から約 2 分間現象が発生する。ソルトバス熱処理の代替技術の主という極めて短時間で芯部が最終焼入温度である流となっている真空熱処理においても、標準的な窒 1140℃まで達している。素ガス冷却ではこの温度域の急速冷却は不可能で、熱処理品を A3 変態点温度以上に長時間保持する窒素ガス冷却の前に油冷却を組み合わせたりする新ことは結晶粒の粗大化に結びつき、その結果、製品しい工法も開発されているが、この温度域の冷却速のじん性が低下する。この点でも短時間で均一加熱度が極めて速いソルトバス冷却には及ばないというが可能なソルトバス加熱の優位性は高い。のが実態である。図 4 にその実例を示す。自動車ねじ用の冷間ダイ ② 表面脱炭が少ないス鋼製転造ダイスをソルトバスと真空熱処理で熱処加熱に使用しているソルト剤は中性で反応性が低理を行い、寿命を迎えて使い終えた状態の実物の金く、管理を適正に行えば加熱中には無酸化状態の処属組織を調べたものである。理が可能で、酸化および脱炭現象が起こりにくい。真空熱処理の組織で特徴的なのは、結晶粒界が明また、予熱炉→本加熱炉→冷却槽と処理品を大気瞭に確認できることである。これは、焼入温度から中に取り出して移動しながら処理を進めていく必要の初期冷却が遅いために、基地中に過飽和に固溶しがあるが、その際には製品表面に溶融したソルトがていた合金成分が炭化物として結晶粒界に析出する製品の表面を覆い、大気と絶縁する保護被膜としてためである。結晶粒界に析出した炭化物は破壊の起作用し表面酸化を防いでいる。点となるため、じん性を低下させ、疲れ強さも低下させる。 ③ 自然対流で炉内の温度均一性が高いねじ転造ダイスにおいても、転造部のねじ山表面に発生した微少クラックは容易に内部まで結晶粒界 ④ 冷却性が良い図 3 は 820℃より各種冷却剤を用いて冷却を行った際の冷却曲線を示す。油冷却と塩浴（ソルトバス）冷却を比較してみると、油冷却には初期に蒸気膜段階と呼ばれる、表面に油蒸気により発生した蒸気膜に覆われて断熱し、冷却効果がすごく悪い状態が存在し、その後 600℃～ 700℃（特性温度と呼ばれる）で蒸気膜が切れると沸騰段階→対流段階と移行して冷却が速くなる。塩浴（ソルトバス）冷却の場合には、油のような蒸気膜段階が無く、初期から速い速度で冷却が進行する。特に工具鋼の場合には、1000℃～ 600℃の温図 4　冷間ダイス鋼ねじ転造ダイスでの真空・ソルト熱処理の差 Vol.55（2014）No.2 SOKEIZAI 37 に沿って急速に進行し、寿命低下の要因となる。ソ時間が長いため、ソルトバスのものと比較すると焼ルトバスで処理したものは、ねじ山表面に発生した戻し時の二次硬化性が良く、やや高めとなる。硬さ微少クラックの進行は緩やかなため、その状態でしはあくまでも目安値であり、本当の性能を求めるにばらく加工が可能である。は、熱処理プロセスを追求して適正な金属組織が得表面硬さは、真空熱処理の方が加熱状態での保持られているかを確認する必要がある。 4．ソルトバス設備ソルトバスを用いて熱処理を行う鉄鋼材料にも様々な種類があり、800℃～ 900℃程度の中温域の加熱温度で処理を行う炉には、図 5 に示すような金属製ポットを用いた外部加熱式の塩浴炉が主に用いられている 3）。加熱用の熱源としてガスを採用することも可能である。ポット材料は軟鋼の外側にアルミナイジング処理を施したものが一般的に使われている。このタイプの炉の弱点は、ポットの寿命が数か月と短いことと炉温制御の反応性が鈍いことである。この温度域より処理温度が高い、ダイス鋼や高速度工具鋼の熱処理には、耐火レンガを用いて築炉した図 6 に示すような直接加熱方式の塩浴炉が使用される。Ni 基の耐熱鋼製の電極が築炉するときにあらかじめ組み込まれている。炉の深さが 700mm 程度のものまでは、組み込まれる電極は一対（2 本で対向に配置）であるが、それを超す深さの場合には入熱量を確保するために二対式となる。電極を通して溶融したソルトに、トランスで 20 ～ 30V 程度まで降圧した電力を、電極を通して直接流すと、溶融したソルトは電気伝導度が低いので、2,000 ～ 3,000A の大電流が流れ、ソルト自体がジュール発熱する。炉の底部で加熱されたソルトは炉の上部へ自然対流し、外部からの強制撹拌はなくても良好な温度分布を示す。図 5　外部加熱式ソルトバス（塩浴炉）図 6　直接加熱式ソルトバス（塩浴炉） 38 SOKEIZAI Vol.55（2014）No.2 特集　熱処理技術の最新動向 5．ソルト（塩浴剤）鋼の表面を、加熱および冷却時に酸化、脱炭、浸 CaCl2 の共晶点を狙ったピンポイント組成のものが炭などをさせずに処理できる塩浴を中性塩浴と称す使用される。る。ソルトバス（塩浴）がカバーできる常用温度範使用する目的や使用温度に合わせて、あらかじめ囲は、140℃～ 1,250℃である。これらの単体塩をブレンドされたものが市販されて低温側の冷却や焼戻し用には硝酸塩系、中高温域いるが、使用中にブレンドされた成分がバランス良には塩化物系の塩浴剤が使用される。当社で使用しく消耗するわけではないので、当社ではこれらは全ている塩浴剤の種類と単体塩での融点を表 1 に示す。て単体塩で購入し、炉の管理者が組成の偏りを見極 1,200℃程度の高速度工具鋼の焼入加熱温度で使用めながら成分調整を行い、融点の調整を行っている。される BaCl2 を除いては、単体塩のままでは融点が高いため、表１の塩浴剤が単体で使用されることはなく、複数の塩浴剤を混合して、低融点化のために共晶点付近の組成で使用される。図 7 はその一例で、高温焼入用 BaCl2-NaCl-CaCl2 三元系の融点を示した状態図である。800℃～ 900℃程度の低温焼入用には BaCl2 に低温焼入用 NaCl を約 30wt% 程度混合したものが、また 500 ～ 600℃程度の焼戻しやマルテンパ用には BaCl2-NaCl表１　単体塩での各種塩類の融点塩の種類融点（℃） BaCl2 963 NaCl 800 CaCl2 774 NaNO2 271 KNO3 339 高温焼戻用　マルテンパ用図 7　BaCl2-NaCl-CaCl2 三元系の融点の状態図 6．高速度工具鋼の熱処理図 8 に市場で一般的に使用されている代表的な冷図 9 に工具鋼メーカーのカタログより抜粋した焼間工具鋼を焼入れする場合に、メーカーが推奨する入れ加熱保持時間の標準を示す。左側の合金工具鋼温度域を示す。SK 材、SKD 材などの比較的低温でと炭素工具鋼の場合には、比較的処理温度が低いた焼入れされる材料は、成分系が多少変動しても推奨めに、鋼中の炭化物の分解や結晶粒の粗大化などのされる焼入温度に差はないが、高速度工具鋼の場合には推奨される温度が鋼種によって著しく異なる。 SKH51 材を代表とする溶製材、材料設計の自由度が高い粉末材、じん性を重視したマトリックス系など様々な鋼種が各メーカーによって開発されている。経済産業省の統計によると、2013 年 12 月の工具鋼の生産は 24,346 トンで、そのうち高速度工具鋼は 1,335 トンと約 5.5% である。市場に流通するボリュームが少ない上に、焼入温度が鋼種によって大きく異なり、それぞれの材質に適合した高品質の熱処理を目指している熱処理業者にとっては、経済的に採算が取れない厳しい鋼種である。 HAP5R HAP10 HAP72 HAP40 YXR33 YXR3 YXR7 YXM4(SKH55) YXM1(SKH51) ARK1(8CrጕͲC) SLD-MAGIC(8Crጕ) SLD(SKD11) SGT(SKS3) YCS3(SKS93) 700 800 900 1000 ຣ࣊ᴥƇᴦ 1100 図 8　代表的な冷間工具鋼の推奨焼入温度 Vol.55（2014）No.2 1200 1300 4） SOKEIZAI 39 図 9　工具鋼の焼入れ加熱保持時間 5）進行が緩やかなため、単位が分単位のラフな時間管図 10 は、焼入れの加熱時の炭化物の基地中への理での処理が可能である。固溶状態を調査するために、熱容量の小さい試験片それに対し、高速度工具鋼の場合には図８に示しを 1220℃のソルトバスに浸漬して一気に昇温させ、た推奨焼入温度により処理が進められるが、1,100℃ 保持時間を 1 ～ 200 秒まで変化させたときの、電解以上の活性が高い高温域での処理となるため、加熱抽出法により炭化物量を測定した結果である。保持時間のよりシビアな管理が要求される。図９の加熱前に約 19wt% だった炭化物量は、保持時間 1 右図に示された加熱保持時間（浸漬時間）は全て加秒で約 17.5wt% まで減少し、その後 100 秒まで直線熱方法がソルトバスが前提となっているが、加熱保的に減少し、100 秒では 8wt% まで減少する。持時間の単位が分から秒単位に変わり、細かな時間基地中に残存した炭化物量は、焼入後および焼戻管理が必要となる。後の硬さに大きく影響を与える。写真 2 は SKH51 材の焼なまし組織を示したもの図 11 は保持時間を変化させたときの、焼入硬さである。基地中に大量の硬質な炭化物が分散した複と焼戻硬さにおよぼす影響を示したものである。焼合材料的な構造を呈している。やや大きめの白色の戻しは 550℃× 1hr を３回実施している。炭化物は主に W、Mo、C より構成される M6C 型の焼入硬さは、炭化物が基地中に固溶していくこと炭化物と V、C より構成される MC 型の炭化物で一により、基地中の合金成分濃度が高くなり、硬さが次炭化物と呼ばれる。細かな炭化物は M23C6 型の徐々に上昇していくが、5 ～ 10 秒がピークで、その二次炭化物である。後硬さは低下していく。硬さ値が下がっていく原因高速度工具鋼の焼入れにおいては、加熱完了時点は残留オーステナイト量の増加によるものである。での炭化物の状態が機械的特性に大きく影響を与える。写真 2 SKH51 材の焼きなまし組織 40 SOKEIZAI Vol.55（2014）No.2 図 10　SKH51 材における 1220℃での保持時間と抽出炭化物量の関係図 11　SKH51 材における 1220℃での加熱保持時間と焼入硬さ、焼戻硬さの関係　特集　熱処理技術の最新動向一方、焼戻し後の硬さは、保持時間が長くなるとすることが可能である。焼入温度は 5℃、保持時間直線的に硬さ値が上昇している。これは、基地中へは 10 秒単位で設定されている。の合金成分の溶け込み量が多いほど、高温焼戻しに切削工具の場合には最表面の残留炭化物の量が切れおける二次硬化性が高くなることによるものである。味や耐摩耗性に大きく影響を及ぼすので、表面の品質一般的に、機械部品の図面において、熱処理の規に合わせた熱処理条件を設定し、鍛造金型や圧延ロー格は硬さ値で指定されることが多いが、保持時間のルのように内部まで大きな応力がかかるような部品に条件が異なる処理品を焼戻温度の調整で同じ硬さには、内部の品質に合わせた熱処理条件を設定する。合わせることは可能なので、見た目の硬さ値は同じ先に示した写真 1 の製鋼用圧延ロールをソルトバでも、異なった残留炭化物量のものが存在することスで熱処理するときは、今までの実績からおおよそになる。当然のことながら残留炭化物量は切削工具の熱処理に要する時間を設定しておき、途中で製品の切れ味や部品の耐摩耗性、じん性、疲れ強さなどをソルトバスから引き出し、複数の熟練の作業者がに大きく影響を与えることになるので、硬さだけで目視で芯部まで実際に昇温しているかを確認しなが製品の良否を判断することは危険である。ら保持時間の管理を行う。焼入れの冷却時には TTT ソルトバス熱処理の場合には、本来の考え方が 1 線図を片手に、非接触式の温度計で処理品の実温を個流しをベースにしているので、個々の部品の材質、測定しながら進めていくといった方法がとられる。硬さ指定、使用目的に一番適した熱処理条件を適応 7．これからのソルトバス熱処理工具鋼の熱処理結果は非常に正直で、理論に基づの設計変更だけしても、どうしてうまくいったかといて、実際の製品の熱履歴がどのようであったかでいう理論的な裏付けは一切なされていないため、確裏付けが取れる。実なノウハウとしては蓄積されない。例えば、現在使用している金型の寿命を延ばした実際の金型と同じものを 2 個製作し、その内の 1 いときに、工具メーカーからの推奨材料と熱処理条個の表面・芯部・1/2 深さなどに測温用のシースカッ件を集めて実際の金型を製作して実加工で寿命を比プル（熱電対）を取り付け、図 2 に示したような温較し、その中で一番優れたものに設計変更するとい度履歴を測温しながら焼入れを実施する。主要な材う手段が一般的に採られるが、この状態で部品図面質には図 12 に示すような恒温変態曲線（TTT 図）が存在するので、測温した各位置毎の冷却カーブを試料の化学成分（％） C Si Mn P S Cu 0.83 0.3 0.25 A1 変態点（℃） A3 Ms 180 Ni プロットすると各位置の組織がほぼ推定できる。 Cr Mo W V 4.15 5.0 5.4 1.9 最高加熱温度その他 1,200℃ 結晶粒度さらに、測温位置からシャルピー衝撃試験片を切り出し、硬さとともに衝撃値を測定し、実加工の評価結果と付き合わせると真のノウハウとして蓄積が可能である。ソルトバスはオープンな設備なため、処理品の物温測定が容易なのも大きな特徴である。 800 A 700 A+P P これからも、こういった新しい試みを加えながら、素形材産業を支える立場として努力していきたい。温度（℃） 600 参考文献 500 1 ）溶融塩・熱技術の基礎，アグネ技術センター，p151（1993） 400 2 ）同上 300 200 100 0 A+B Ms 3 ）鋼の熱処理，日本鉄鋼協会，p243（1969） 4 ）日立金属㈱，カタログ 5 ）同上 M50% M90% S M MM MH HH DD 30 1 5 10 30 1 5 10 1D 3 5 2 468 2 468 2 2 468 3 2 468 4 2 468 5 2 468 6 10 10 10 10 1 10 10 時　間（s）図 12　SKH51 材の恒温変態曲線（TTT 図）に処理品の冷却カーブをプロットして組織を考察株式会社上島熱処理工業所〒 146-0081　東京都大田区仲池上 2-23-13 TEL. ０3-3753-7788　FAX. ０3-3751-5684 http://www.kamijima.co.jp/ Vol.55（2014）No.2 SOKEIZAI 41