サブゼロ処理とは
読み: さぶぜろしょり
サブゼロ処理とは、焼入れ直後の鋼を氷点下から液体窒素温度域まで冷却し、焼入れだけでは変態しきれずに残った残留オーステナイトをマルテンサイトへ変態させる処理である。
概要
焼入れは鋼をオーステナイト化した後に急冷し、硬いマルテンサイト組織へ変態させる処理だが、合金元素の多い鋼種では急冷しても組織の一部がオーステナイトのまま残る。これを残留オーステナイトと呼ぶ。残留オーステナイトは軟らかく、時間の経過や使用中の応力・温度変化でゆっくりマルテンサイトへ変態していくため、部品の硬度不足や経年での寸法変化の原因になる。
サブゼロ処理は、この変態を製造工程のうちに強制的に完了させる処理である。冷却によって組織を安定させておくことで、使用後に寸法が動く不具合を防ぐ。
処理条件と対象材質
処理は焼入れ後・焼戻し前に行うのが一般的で、ドライアイスとアルコールの併用でマイナス80度前後、より徹底した変態を狙う場合は液体窒素でマイナス196度付近まで冷却する。冷却時間は品物の断面寸法により変わる。
対象になりやすいのは、残留オーステナイト量が多くなりやすい高合金工具鋼(SKD11等)や軸受鋼(SUJ2)で、精密金型部品や精密軸受のように寸法安定性が硬度そのものより重視される部品に使われる。すべての鋼種に必須の工程ではない。
焼入れ・焼戻しとの関係
サブゼロ処理は焼入れの延長線上にある工程であり、単独では使われない。処理後は必ず焼戻しを行う。マルテンサイトへ変態したばかりの組織は内部応力が高く脆いため、焼戻しでこの応力を緩和しないと、割れや欠けの原因になる。
このため実務上の工程順序は「焼入れ→サブゼロ処理→焼戻し」となる。焼戻しを省略した状態で長期間放置すると、割れのリスクが残る点に注意が必要である。
実務での注意点
サブゼロ処理は残留オーステナイトを減らす効果が高いほど、変態に伴う体積変化も大きくなる。複雑形状や薄肉部を持つ部品では、この体積変化が原因で微小な歪みが出ることがあるため、処理前後の寸法確認や、必要に応じた仕上げ加工の余裕を見込んでおくと安全である。
発注時は、対象材質・要求硬度・要求寸法安定性を先に伝えておくと、サブゼロ処理の要否を熱処理業者側で判断しやすくなる。
よくある誤解
✕ サブゼロ処理をすれば、どんな鋼でも硬度が上がる。
○ 硬度そのものを上げる処理ではない。残留オーステナイト(軟らかい組織)をマルテンサイトへ変態させることで、本来の焼入れ硬度に近づける処理であり、残留オーステナイトがほとんど出ない鋼種では効果が小さい。
✕ サブゼロ処理だけで工程が完結する。
○ 処理後に焼戻しをしないと、変態に伴う内部応力が残ったままになり割れの原因になる。サブゼロ処理は焼入れ・焼戻しの間に挟む工程であり、単独の最終工程ではない。
✕ 液体窒素を使うほど良い処理である。
○ 冷却温度が低いほど残留オーステナイトの分解は進むが、体積変化も大きくなり歪みのリスクが増える。要求される寸法安定性と硬度のバランスで、処理温度と保持時間を選ぶ必要がある。
よくある質問
サブゼロ処理は必ず必要な工程ですか。+
サブゼロ処理をすると硬度はどのくらい変わりますか。+
サブゼロ処理をすると加工後の寸法は変わりますか。+
どの段階で発注先にサブゼロ処理の要否を伝えればよいですか。+
関連用語
出典
- JIS G 0203（鉄鋼用語(熱処理)）
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