機械構造用鋼にて作製した機械部品に要求される特性は、引張強さやせん断強さと同時に衝撃に強いことです。これらの特性は、材質によっても異なりますが、一般には焼入れ焼戻しによって調整されています。

表１　焼入れ焼戻しした各種機械構造用鋼の機械的性質〔JIS解説付表(1979)による〕

表１に機械構造用炭素鋼および機械構造用合金鋼のJIS解説付表(1979)による、焼入れ焼戻し後の硬さおよび機械的性質の参考データを示します。炭素鋼において、硬さ、引張強さおよび降伏点は炭素量が多いものほど高い値が得られます。また、炭素量が少ないものほど伸び、絞りおよび衝撃値は高い値が得られ、じん性の点では有利です。

炭素鋼と合金鋼を比較してみると、炭素鋼の降伏点は引張強さに対して70～75％程度の値ですが、合金鋼の降伏点は80～90％にも達しており、強度的には合金鋼のほうが圧倒的に有利です。また、硬さは炭素鋼と同程度もしくはそれよりも高い値であっても、合金鋼のほうが衝撃値や絞りは高い値を呈しており、じん性に関しても有利です。

合金鋼における合金元素の種類も機械的性質に多大な影響を及ぼします。例えば、SCM440とSNCM439の二種類の鋼種は、炭素量は同程度ですが、含有する合金元素の種類は異なっています。しかも、ほぼ同一条件の焼入れ焼戻しを施した場合、得られる硬さと引張強さは同程度です。しかし、降伏点、伸びおよび衝撃値はSNCM439のほうがかなり高い値が得られており、強靭性の点ではSCM440よりもかなり有利であることが分かります。これは合金元素としてのNiの効果であり、強度とともにじん性も重視するのであれば、機械構造用合金鋼の中でもSNCM439は最適鋼種といえるのです。

機械構造用炭素鋼を代表してS48C、機械構造用合金鋼を代表してSCM435について、熱処理(焼入れ、焼戻し)条件と機械的性質の関係を示します。機械的性質の評価は、ねじり試験(せん断強さ)およびシャルピー衝撃試験(衝撃値)によって行い、主に焼戻温度の影響について説明します。

図１に、S48CとSCM435について、焼戻温度とせん断強さとの関係を示します。このねじり強さ(せん断強さ)は、ボルトやシャフトに使用する際には重要な特性ですが、引張強さと同様の傾向が得られます。すなわち、せん断強さは、鋼種に関係なく焼戻温度が高いほど低下しており、焼戻温度に依存していることが分かります。

図1　S48CおよびSCM435の焼戻温度とせん断強さの関係

図２に、S48CおよびSCM435について、焼戻温度とシャルピー衝撃値の関係を示します。衝撃値に関しては、焼入温度の影響も大きいことが予想されるため、それぞれ2種類の焼入温度について評価した結果を示しています。この図から明らかなように、衝撃値は鋼種に関係なく、焼戻温度の上昇とともに高くなっており、せん断強さとは逆の傾向を示します。ただし、全般的にはSCM435のほうが、各焼戻温度での硬さは高いにもかかわらず、衝撃値は同等もしくは高い値が得られており、合金鋼の特徴が認められます。

図２　S48CおよびSCM435の焼戻温度とシャルピー衝撃値の関係

また、同一鋼種において、焼入温度の低い試料のほうが高めの衝撃値が得られています。このときの焼入れ焼戻し後の金属組織はソルバイトとフェライトの混合組織であることから、フェライトの現出が衝撃値に対して有効に作用していると思われますが、その値には大きな差はないようです。

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