鋳鉄・鋳鋼の熱処理で最も重要なのは「応力除去」です。鋳造後の部品は凝固・冷却過程で生じた残留応力を内部に抱えています。この状態で機械加工すると、加工中または加工後に残留応力が解放されて寸法が変化します。「仕上げ加工後に公差を外れた」「精度が出ない」という問題は、応力除去焼なましを省略した鋳造品に起きやすいです。一方で、高強度が必要な鋳鋼部品では焼ならしや焼き入れ・焼き戻し（QT）が適用されます。
鋳鉄・鋳鋼の種類と熱処理の目的
| 材料 | 代表鋼種 | 主な熱処理 | 目的 |
|---|---|---|---|
| ねずみ鋳鉄（FC） | FC200・FC300 | 応力除去焼なまし（550〜650℃） | 鋳造残留応力の除去・加工後変形防止 |
| 球状黒鉛鋳鉄（FCD・ダクタイル鋳鉄） | FCD450・FCD700 | 応力除去焼なまし・球状化焼なまし・焼ならし | 延性確保・高強度化・応力除去 |
| 鋳鋼（普通鋳鋼） | SC410・SC480 | 焼ならし（900〜1000℃→空冷） | 鋳造組織の均一化・機械的性質の改善 |
| 鋳鋼（高強度用） | SCC3・SCMn等 | 焼ならし＋焼き入れ・焼き戻し（QT） | 高強度・高靱性の同時達成 |
応力除去焼なましの条件と効果
鋳造後の残留応力を除去するための処理です。変態温度以下で加熱して応力を塑性緩和させます。
| 材料 | 加熱温度 | 保持時間 | 冷却方法 | 残留応力低減率 |
|---|---|---|---|---|
| ねずみ鋳鉄（FC） | 500〜600℃ | 肉厚25mmごと1h（最低2h） | 炉冷（50℃/h以下） | 70〜90% |
| 球状黒鉛鋳鉄（FCD） | 530〜620℃ | 肉厚25mmごと1h | 炉冷（50℃/h以下） | 70〜90% |
| 鋳鋼（SC） | 600〜650℃ | 肉厚25mmごと1h（最低2h） | 炉冷（30〜50℃/h） | 80〜95% |
冷却速度の管理炉冷（徐冷）で行うことが重要です。急冷すると冷却過程で新たな温度差残留応力が発生し、応力除去効果が減少します。特に大型鋳物・複雑形状では冷却速度50℃/h以下の制御が必要です。
FCDの球状化焼なまし
球状黒鉛鋳鉄（FCD）では、鋳造後の組織にパーライト（硬いが脆い）が含まれることがあります。延性が不足する場合、球状化焼なましでフェライト化を促進します。
| 処理の種類 | 条件 | 効果 |
|---|---|---|
| 完全焼なまし（フェライト化） | 870〜930℃ → 炉冷 | パーライトをフェライト+黒鉛化。延性最大（伸び12〜18%）。硬さ低下（150〜180HBW） |
| 不完全焼なまし（サブクリティカル） | 680〜740℃ → 炉冷 | パーライトを部分フェライト化。強度と延性のバランス改善 |
鋳鋼の焼ならし
鋳鋼（SC410・SC480）は鋳造組織が粗大で機械的性質が低いため、焼ならし（ノルマライジング）を実施して組織を均一化します。
焼ならし条件：A₃変態点（SC410で約840〜860℃）より50〜100℃高い温度（通常900〜1000℃）に加熱後、空冷します。鋳造時のデンドライト組織・偏析が解消され、微細パーライト組織が得られます。
効果：引張強さ・衝撃値が鋳造まま（as-cast）より10〜20%改善します。
| 処理状態 | 引張強さ（SC410） | 衝撃値（シャルピー） |
|---|---|---|
| 鋳造まま（as-cast） | 300〜380MPa | 低い（組織の偏析・粗大化による） |
| 焼ならし後 | 410MPa以上（JIS規定） | 改善（組織均一化） |
| 焼ならし＋焼き入れ・焼き戻し（QT） | 580MPa以上 | 高靱性（焼き戻しマルテンサイト） |
応力除去なしの大型鋳鉄品→仕上げ加工後に変形
状況工作機械のベッド（FC300、重量1.2t）を応力除去焼なましなしで粗加工→精密仕上げを実施。仕上げ後に真直度を測定したところ、0.3mm/1000mmの変形が発生しており精密機械のベッドとして使用不可。
原因鋳造後の残留応力（最大100〜150MPa）が精密加工中に解放された。粗加工で表面層を除去した際に内部応力バランスが崩れ、仕上げ加工後に変形が顕在化した。
対策鋳造後に応力除去焼なまし（550℃×6h→炉冷）を必須工程として追加。さらに粗加工後に2次応力除去（450℃×4h）を実施して仕上げ加工に備える手順に変更。変形は0.01mm/1000mm以下に改善した。
鋳鉄・鋳鋼熱処理 チェックリスト
- 精密部品（工作機械・治具・ゲージ）の鋳造品は機械加工前に応力除去焼なましを実施したか
- 応力除去の冷却速度を50℃/h以下で管理したか（急冷は新たな残留応力を生む）
- FCD材の延性が不足する場合、球状化焼なまし（フェライト化）を検討したか
- 鋳鋼（SC材）の機械的性質向上のため焼ならしを実施したか
- 高強度・高靱性が必要な鋳鋼はQT（焼き入れ・焼き戻し）を検討したか
まとめ
- 鋳造品の精密加工前には応力除去焼なまし（550〜650℃→炉冷）が必須——省略すると仕上げ後に変形する
- 応力除去の冷却は徐冷（炉冷）で——急冷は新たな残留応力を生じる
- FCD材の延性不足は球状化焼なまし（フェライト化）で改善できる
- 鋳鋼（SC材）は焼ならしで組織均一化——高強度用途はQTを追加する
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