ＳＵＳ４４０C焼き入れ後の寸法収縮と変色

変色に関しては、書かれた中に「空冷」というのがありますので、それかと思います.
他のステンレス鋼は知りませんが、私が見た中でも440Cは
切削加工時の冷却不足から切り屑が変色するというのがよくあります.
チップコンベアから、きれいな紫色の切粉が出てきて、機械を確認すると、
オイルパンのクーラントが明らかに量が少なかったり、切り屑で戻りが悪くなっていたり、
クーラントノズルが明後日の方向を向いていたり、という状況だったりします.
切削時でさえ変色するくらいですから、熱処理で「空冷」という項目があれば、
黒皮こそ生じなくても、空気中で熱に晒される事で変色くらいは起こると思います.

寸法変化に関しては、先の回答者さんの提示して下さった不二越の資料
(http://www.nachi-fujikoshi.co.jp/tec/pdf/06d1.pdf “熱処理にまつわる問題点・トラブルとその防止策”)
を読んだ感じでは、場所毎の冷却速度の違いが影響した、という気がします.
どの方向に貫通穴があいているのか知りませんが、
どの方向であれ幅が150か180かしかないところにφ90という穴が明いている訳で
全体からすると局所的に肉が非常に薄くなっている訳ですよね. 肉の薄い部分は冷えるのも早い訳でして.
全体的に熱膨張している中で、そこから先に収縮して行きますので、それが影響しているのではないかと.

熱処理により寸法は変化します。
SUS440Cの場合、熱処理前の組織は「フェライト＋炭化物」ですが、熱処理
（焼入れ焼戻し）することにより「焼戻しマルテンサイト＋炭化物（ただ
し熱処理前よりも少量）＋残留オーステナイト」になります。マルテンサ
イトはフェライトと同じ結晶構造ですが、炭素が強制固溶されているため
結晶の大きさはフェライトよりも大きくなります。一方オーステナイトは
フェライトよりも体積の小さい構造ですが、その量はおおくても２０％程
度ですので、全体としては膨張します。この現象は結晶構造の変化による
ものなので、いわゆる熱処理歪みとは違いますのでご注意下さい。

しかし今回は膨張ではなく収縮したとのこと。回答(1)にある「SUS440C寸
法変化」で注目しなくてはならないのが、Ｌ方向とＤ方向で寸法変化が大
きく異なることです。SUS440CやSKD11のような焼入れ加熱時にも多量の炭
化物が残っている鋼種では、冷却時のマルテンサイト変態による膨張に異
方性が出ます。素材の長手方向は膨張し易く、その直角方向は炭化物に邪
魔をされて膨張しにくくなります。時には収縮することもあります。

今回の収縮した方向は素材の長手方向に対して、直角方向ではあませんか。
収縮した方向と直角方向は膨張していませんか。

今後も同様の製品を作られるようならば、素材に対する材料取りの方向を
一定にし、寸法変化挙動に合わせて仕上げ代を設定されることをお薦めし
ます。

収縮については、結晶構造の変化や寸法変化の異方性だけではなく、回答
(4)さんが指摘されているように、冷却時の製品内の冷却時の温度分布を
考えないといけないようです。
通常は、表層部が先に冷えてマルテンサイト変態（膨張）した後、内部が
遅れて膨張するため、直方体ならば太鼓形に変形するはずです。穴の部分
が先に変態したとしても、その後内部が遅れて変態して、穴周辺は周囲よ
りも膨張するはずです。

しかし今回の穴周辺が収縮しているとのこと。これから推定されるのは、
マルテンサイト変態時期のズレではなく、それ以前の(つまり変態温度以上
の冷却過程での)オーステナイト状態での熱収縮の関与です。表層部は先に
収縮し、内部はまだ温度が高く表層部よりも強度（もちろん高温状態での）
が低いため、表層が縮むように変形します。穴周辺も速く冷却されるため、
この現象により穴周囲がより収縮します。

これを防止するためには、変態温度(SUS440Cでは170℃程度)以前の冷却速度
を小さくすることが必要になります。
真空焼入れとのことですが、冷却は窒素ガス冷却と油冷の二つの可能性があ
ります。ガス冷ならばガスの圧力を下げることで可能です。油冷の場合の対
策は少し難しくなります。油温を上げるという手がありますが、多分ダメと
言われるでしょう。次の手として品物が500～600℃付近で一度油槽から引き
上げてもらい、10分ほど経ってから再度油槽に戻す手があります。但しこれ
も油の引火の可能性がありダメと言われる可能性があります。
しかしどうしても対策が必要ということならば、変形の状態を熱処理屋さん
によく説明し、対策を検討してもらうしかないでしょう。

着色については酸化（酸化物）と錆び（水酸化物）の両方の可能性があり
ます。

酸化物はそれ自身はほぼ灰色ですので、厚く生成すると酸化スケールとし
て認識されます。しかし薄いと光を通し、干渉現象が起きて、様々な色に
見え、いわゆるテンパーカラーとなります。酸化膜が厚くなるにつれて、
その色は概ね以下のように変化します。
黄色→褐色→紫色→濃青色→淡青色→青灰色→灰色(光を通していない)

水酸化物はポーラスなことが多く、干渉は起こらず、生成条件により、
黒錆や赤錆となります。

今回の着色は焼入れか焼戻し工程のどこかで酸化、錆び発生が起きたもの
と推定されます。「真空焼き入れ」とのことですが、焼入れ時の雰囲気は
真空であっても、その冷却の時、および焼戻し処理の時に着色した可能性
が高く、今後の再発を防止したい場合は、焼入れと焼戻しそれぞれについ
て使用した炉、加熱雰囲気、冷却条件を確認されることをお薦めします。

色と熱処理屋さんの言い分からは、180℃戻しでは大気炉の使用による水酸
化物(赤錆び)の発生、515-500℃戻しでは真空焼戻炉の使用時の炉内窒素ガ
スの不純物酸素による酸化物生成の可能性が高いものと思われます。

なお、SUS440Cの焼戻温度はJISでは100-180℃と規定されており、515-500℃
戻しでは、炭化物の析出による耐食性低下と、焼戻脆性による靭性低下が懸
念されますので、今後は硬さだけではなく「低温焼戻し」を指定されること
をお薦めします。

SUSなのに錆びるのかと言われそうですが、SUS440CはSUSの中では最も耐食
性が低い鋼種ですので、錆びることもありえます。

515-500℃戻しは冷間ダイス鋼の熱処理パターンであり、熱処理屋さんが
冷間ダイス鋼と同装して処理した可能性があります。