鋼の熱処理。

Ⅰ.熱処理の基本的な考え方

A.熱処理の基本的な考え方です。
基本的な要素と機能熱処理:
1.加熱
均一で微細なオーステナイト組織を得ることが目的です。
2.開催
目的は、ワークピースを確実に完全に加熱し、脱炭と酸化を防ぐことです。
3.冷却
目的は、オーステナイトをさまざまな微細構造に変化させることです。
熱処理後の微細構造
加熱保持後の冷却過程で、オーステナイトは冷却速度に応じて異なる微細組織に変態します。異なる微細構造は異なる特性を示します。
B.熱処理の基本的な考え方。
加熱と冷却の方法、鋼の組織と性質による分類
1.従来の熱処理(総合熱処理):焼き戻し、焼鈍、焼きならし、焼き入れ
2.表面熱処理:表面焼入れ、誘導加熱表面焼入れ、火炎加熱表面焼入れ、電気接触加熱表面焼入れ。
3.化学熱処理:浸炭、窒化、浸炭窒化。
4.その他の熱処理:雰囲気制御熱処理、真空熱処理、変形熱処理。

C.鋼の臨界温度

鋼の臨界温度

鋼の臨界変態温度は、熱処理中の加熱、保持、冷却プロセスを決定するための重要な基礎となります。それは鉄-炭素状態図によって決定されます。

重要な結論:鋼の実際の臨界変態温度は、理論上の臨界変態温度よりも常に遅れます。これは、加熱時には過熱が必要であり、冷却時には過冷却が必要であることを意味します。

Ⅱ.鋼の焼鈍・焼きならし

1. アニーリングの定義
焼きなましには、鋼を臨界点 Ac₁ より高いまたは低い温度に加熱し、その温度に保持した後、通常は炉内でゆっくりと冷却して、平衡に近い構造を達成することが含まれます。
2. アニーリングの目的
①加工硬度の調整:HB170~230の範囲で加工可能な硬度を実現します。
②残留応力の緩和:後工程での変形やクラックを防止します。
③結晶粒構造の微細化:微細構造を改善します。
④最終熱処理の準備:その後の焼き入れと焼き戻しに使用する粒状(球状化)パーライトを取得します。

3.球状化焼鈍
プロセス仕様: 加熱温度は Ac₁ 点付近です。
目的:鋼中のセメンタイトまたは炭化物を球状化し、粒状(球状化)パーライトを生成します。
適用範囲:共析組成および過共析組成の鋼に使用されます。
4.拡散焼鈍(均質化焼鈍)
プロセス仕様: 加熱温度は状態図のソルバス線よりわずかに低くなります。
目的:人種差別をなくすこと。

アニーリング

①低用炭素鋼炭素含有量が 0.25% 未満の場合、予備熱処理として焼きなましよりも焼きならしを行うことが推奨されます。
②炭素含有量が0.25%~0.50%の中炭素鋼の場合、予備熱処理として焼鈍または焼きならしが可能です。
③炭素含有量0.50%~0.75%の中高炭素鋼の場合は、完全焼鈍を推奨します。
④高用炭素鋼炭素含有量が 0.75% を超える場合、まず焼ならしを行ってネットワーク Fe₃C を除去し、続いて球状化焼鈍を行います。

Ⅲ.鋼の焼入れ・焼戻し

温度

A.焼入れ
1. 焼き入れの定義: 焼き入れには、鋼を Ac3 または Ac1 点より高い特定の温度に加熱し、その温度に保持した後、臨界冷却速度よりも速い速度で冷却してマルテンサイトを形成することが含まれます。
2. 焼入れの目的: 主な目的は、マルテンサイト (または場合によっては低ベイナイト) を得て、鋼の硬度と耐摩耗性を高めることです。焼き入れは鋼の最も重要な熱処理プロセスの 1 つです。
3.鋼種ごとの焼入れ温度の決定
亜共析鋼: Ac₃ + 30°C ~ 50°C
共析鋼および過共析鋼: Ac₁ + 30°C ~ 50°C
合金鋼: 臨界温度より 50°C ~ 100°C 高い

4.理想的な急冷媒体の冷却特性:
「ノーズ」温度の前にゆっくり冷却: 熱応力を十分に軽減するため。
「ノーズ」温度付近の高い冷却能力: 非マルテンサイト構造の形成を回避します。
M₅ 点付近の徐冷: マルテンサイト変態によって誘発される応力を最小限に抑えるため。

冷却特性
焼入れ方法

5.焼入れ方法とその特徴:
①簡易焼入れ:操作が簡単で小型、単純形状のワークに適しています。得られる微細構造はマルテンサイト (M) です。
②二重焼入れ:より複雑で制御が難しく、複雑な形状の高炭素鋼や大型の合金鋼のワークに使用されます。得られる微細構造はマルテンサイト (M) です。
③破断焼入れ:大型で複雑な形状の合金鋼ワークに使用される、より複雑なプロセス。得られる微細構造はマルテンサイト (M) です。
④等温焼入れ:要件の高い小型で複雑な形状のワークに使用されます。得られる微細構造は下部ベイナイト (B) です。

6.焼入れ性に影響を与える要因
焼入性のレベルは、鋼中の過冷却オーステナイトの安定性に依存します。過冷却オーステナイトの安定性が高いほど焼入性は良くなり、その逆も同様です。
過冷却オーステナイトの安定性に影響を与える要因:
C カーブの位置: C カーブが右にシフトすると、焼き入れの臨界冷却速度が低下し、焼入性が向上します。
重要な結論:
C カーブを右にシフトさせる要因があると、鋼の焼入れ性が高まります。
主な要因:
化学組成: コバルト (Co) を除くすべての合金元素はオーステナイトに溶解し、焼入れ性を高めます。
炭素鋼の炭素含有量が共析組成に近づくほど、C カーブは右にシフトし、焼入性が高くなります。

7.焼入性の測定と表示
①末端焼入れ硬化性試験:末端焼入れ試験法により焼入れ性を測定します。
②臨界焼入れ直径法:臨界焼入れ直径(D₀)は、特定の焼入れ媒体で完全に硬化できる鋼の最大直径を表します。

焼入れ性

B.テンパリング

1. テンパリングの定義
焼き戻しは、焼き入れした鋼を A1 点以下の温度まで再加熱し、その温度に保持した後、室温まで冷却する熱処理プロセスです。
2. テンパリングの目的
残留応力の軽減または除去: ワークピースの変形や亀裂を防ぎます。
残留オーステナイトの削減または除去: ワークピースの寸法を安定させます。
焼入れ鋼の脆性の除去: ワークピースの要件を満たすように微細構造と特性を調整します。
重要な注意事項: 鋼は焼き入れ後すぐに焼き戻しを行う必要があります。

3.焼き戻し工程

1.低いテンパリング
用途:焼入れ応力を低減し、ワークの靭性を向上させ、高硬度と耐摩耗性を実現します。
温度:150℃~250℃。
性能: 硬度:HRC 58~64。硬度が高く、耐摩耗性に優れています。
用途:工具、金型、ベアリング、浸炭部品、表面硬化部品。
2.高温焼戻し
用途:十分な強度と硬度を有しつつ、高い靭性を実現する。
温度:500℃~600℃。
性能: 硬度: HRC 25 ~ 35。全体的に良好な機械的特性。
用途:シャフト、ギヤ、コンロッドなど。
調質
定義: 焼入れとそれに続く高温焼戻しは、調質または単に焼戻しと呼ばれます。この方法で処理された鋼は総合的な性能が優れており、広く使用されています。

Ⅳ.鋼の表面熱処理

A.鋼の表面焼入れ

1. 表面硬化の定義
表面硬化は、ワークピースを急速に加熱して表面層をオーステナイトに変化させ、その後急速に冷却することにより、ワークピースの表面層を強化するように設計された熱処理プロセスです。このプロセスは、鋼の化学組成や材料の中心構造を変えることなく実行されます。
2. 表面硬化に使用する材料と硬化後の構造
表面硬化に使用される材料
代表的な材質:中炭素鋼、中炭素合金鋼。
前処理: 一般的なプロセス: 焼き戻し。コア プロパティが重要でない場合は、代わりに正規化を使用できます。
硬化後の構造
表面構造: 表面層は通常、マルテンサイトやベイナイトなどの硬化構造を形成し、高い硬度と耐摩耗性を実現します。
コア構造: 鋼のコアは、前処理プロセスや母材の特性に応じて、通常、パーライトや焼き戻し状態などの元の構造を保持します。これにより、コアが良好な靭性と強度を維持することが保証されます。

B.高周波表面焼入れの特徴
1.高い加熱温度と急速な温度上昇:高周波表面焼入れでは通常、高い加熱温度と急速な加熱速度が必要となり、短時間での素早い加熱が可能になります。
2.表層の微細なオーステナイト粒構造:急速加熱とその後の焼入れプロセス中に、表層は微細なオーステナイト粒を形成します。焼き入れ後の表面は主に微細なマルテンサイトで構成され、硬度は通常、従来の焼き入れよりも 2 ~ 3 HRC 高くなります。
3.良好な表面品質:加熱時間が短いため、ワーク表面の酸化や脱炭が起こりにくく、焼入れによる変形も最小限に抑えられ、良好な表面品質が確保されます。
4.高い疲労強度:表層のマルテンサイト相変態により圧縮応力が発生し、ワークの疲労強度が向上します。
5.高い生産効率:高周波表面焼入れは量産に適しており、高い作業効率を実現します。

C.化学熱処理の分類
浸炭、浸炭、浸炭、クロマイズ、珪化、珪化、珪化、浸炭窒化、ホウ素浸炭

D.ガス浸炭
ガス浸炭は、密閉されたガス浸炭炉にワークピースを入れ、鋼がオーステナイトに変態する温度まで加熱するプロセスです。次に、炉内に浸炭剤を滴下するか、浸炭雰囲気を直接導入して、ワーク表層に炭素原子を拡散させます。このプロセスにより、ワーク表面の炭素含有量 (wc%) が増加します。
√浸炭剤:
・炭素富化ガス:石炭ガス、液化石油ガス(LPG)など。
●有機液体:灯油、メタノール、ベンゼンなど。
√浸炭プロセスパラメータ:
●浸炭温度:920~950℃。
●浸炭時間:浸炭層の所望の深さと浸炭温度によって異なります。

E.浸炭後の熱処理
鋼は浸炭後に熱処理を受ける必要があります。
浸炭後の熱処理工程:
√焼入れ+低温焼戻し
1.予冷後直接焼入れ+低温焼戻し:浸炭温度から中心部Ar₁温度程度まで予冷し、直ちに焼入れし、160~180℃で低温焼戻しを行います。
2.予冷+低温焼戻し後一括焼入れ:浸炭後、室温まで徐冷し、再加熱して焼入れ+低温焼戻しを行います。
3.予冷+低温焼戻し後2回焼入れ:浸炭・徐冷後、加熱・焼入れの2段階を経て低温焼戻しを行います。

Ⅴ.鋼の化学熱処理

1.化学熱処理の定義
化学熱処理は、鋼製ワークピースを特定の活性媒体に配置し、加熱して一定温度に保持することで、媒体内の活性原子をワークピースの表面に拡散させる熱処理プロセスです。これにより、ワークピース表面の化学組成と微細構造が変化し、その特性が変化します。
2.化学熱処理の基本プロセス
分解: 加熱中に活性媒体が分解し、活性原子が放出されます。
吸収: 活性原子は鋼の表面に吸着され、鋼の固溶体に溶解します。
拡散:鋼の表面に吸収、溶解した活性原子が内部に移動します。
高周波表面焼入れの種類
a.高周波誘導加熱
現在の周波数: 250~300 kHz。
硬化層深さ:0.5~2.0mm。
用途:中・小型モジュールギヤ、小・中型シャフト。
b.中周波誘導加熱
現在の周波数: 2500~8000 kHz。
硬化層深さ:2~10mm。
用途: 大型シャフトおよび大型から中型モジュールギア。
c.電力周波誘導加熱
現在の周波数: 50 Hz。
硬化層深さ:10~15mm。
用途:非常に深い硬化層を必要とするワーク。

3. 高周波表面焼入れ
高周波表面硬化の基本原理
皮膚への影響:
誘導コイルの交流がワークの表面に電流を誘導すると、誘導電流の大部分は表面付近に集中し、ワークの内部には電流がほとんど流れません。この現象は表皮効果として知られています。
高周波表面硬化の原理:
表皮効果により、ワークの表面はオーステナイト化温度(数秒で800~1000℃まで上昇)まで急速加熱されますが、ワークの内部はほとんど加熱されません。その後、水を噴霧して冷却し、表面硬化を行います。

焼き戻し脆性

4.焼き戻し脆性
焼入れ鋼の焼き戻し脆性
焼き戻し脆性とは、焼き入れした鋼を特定の温度で焼き戻すと衝撃靱性が著しく低下する現象を指します。
第一の種類の焼戻し脆性
温度範囲: 250°C ~ 350°C。
特性:焼入れ鋼をこの温度範囲で焼き戻すと、この種の焼き戻し脆性が発生する可能性が高く、これを除去することはできません。
解決策: この温度範囲内で焼き入れ鋼を焼き戻しすることは避けてください。
最初のタイプの焼戻し脆性は、低温焼戻し脆性または不可逆焼戻し脆性としても知られています。

Ⅵ.焼き戻し

1.焼き戻しは、焼き入れに続く最終熱処理です。
なぜ焼き入れ鋼に焼き戻しが必要なのでしょうか?
焼入れ後の微細構造: 焼入れ後の鋼の微細構造は、通常、マルテンサイトと残留オーステナイトから構成されます。どちらも準安定相であり、特定の条件下で変化します。
マルテンサイトの特性: マルテンサイトは、硬度が高いだけでなく脆性も高いという特徴があり (特に高炭素の針状マルテンサイト)、多くの用途の性能要件を満たしていません。
マルテンサイト変態の特徴:マルテンサイトへの変態は非常に早く起こります。焼入れ後、ワークピースには残留内部応力が生じ、変形や亀裂の原因となる可能性があります。
結論:ワークピースは焼き入れ後にそのまま使用することはできません。焼戻しは、内部応力を軽減し、ワークの靭性を向上させ、使用に適したものにするために必要です。

2.焼入性と焼入能力の違い:
焼入れ性:
焼入性とは、鋼が焼入れ後に一定の硬化深さ(硬化層の深さ)に達する能力を指します。それは鋼の組成と構造、特に合金元素と鋼の種類によって異なります。焼入性は、焼入れプロセス中に鋼がその厚さ全体にわたってどの程度よく硬化できるかを示す尺度です。
硬度(硬化能力):
硬度、または硬化能力は、焼き入れ後に鋼で達成できる最大の硬度を指します。それは鋼の炭素含有量に大きく影響されます。一般に、炭素含有量が高いほど潜在的な硬度は高くなりますが、これは鋼の合金元素と焼き入れプロセスの有効性によって制限される可能性があります。

3.鋼の焼入性
√焼入性の概念
焼入性とは、オーステナイト化温度からの焼入れ後に特定の深さのマルテンサイト硬化を達成する鋼の能力を指します。簡単に言うと、焼き入れ中にマルテンサイトを形成する鋼の能力です。
焼入れ性の測定
焼入れ性の大小は、焼入れ後の所定の条件下で得られる硬化層の深さで表されます。
硬化層の深さ: これは、ワークピースの表面から構造が半分マルテンサイトである領域までの深さです。
一般的な焼入れ媒体:
•水
特長:冷却能力が強く経済的ですが、沸点付近では冷却速度が速く、過冷却になりやすいです。
用途:炭素鋼に主に使用されます。
塩水: 塩またはアルカリを水に溶​​かした溶液。水に比べて高温での冷却能力が高いため、炭素鋼に適しています。
•油
特徴:低温(沸点付近)では冷却速度が遅く、変形や割れの発生を効果的に抑制しますが、高温では冷却能力が低下します。
用途:合金鋼に最適。
種類:焼入れ油、機械油、軽油などが含まれます。

加熱時間
加熱時間は、加熱速度 (目的の温度に到達するまでにかかる時間) と保持時間 (目的の温度に維持される時間) の両方で構成されます。
加熱時間を決定するための原則: ワークピースの内側と外側の両方で均一な温度分布を確保します。
完全なオーステナイト化と、形成されたオーステナイトが均一で微細であることを確認します。
加熱時間の決定基準:通常は経験式を使用して推定するか、実験によって決定します。
媒体の急冷
2 つの重要な側面:
a.冷却速度: 冷却速度が高いほど、マルテンサイトの形成が促進されます。
b.残留応力: 冷却速度が高くなると残留応力が増加し、ワークピースの変形や亀裂が発生する傾向が大きくなる可能性があります。

Ⅶ.正規化

1. 正規化の定義
焼きならしは、鋼を Ac3 温度より 30°C ~ 50°C 高い温度に加熱し、その温度に保持した後、空冷して平衡状態に近い微細構造を得る熱処理プロセスです。焼きなましと比較して、焼きならしは冷却速度が速いため、パーライト組織 (P) が微細になり、強度と硬度が高くなります。
2. 正規化の目的
正規化の目的はアニーリングの目的と似ています。
3. 正規化の応用
●ネットワーク状の二次セメンタイトを除去します。
•要件が低い部品の最終熱処理として機能します。
●低・中炭素構造用鋼の予備熱処理として、被削性を向上させます。

4.焼鈍の種類
最初のタイプのアニーリング:
目的と機能: 目標は相変態を誘発することではなく、鋼をアンバランスな状態からバランスの取れた状態に移行させることです。
種類:
●拡散焼なまし:偏析をなくすことで組成の均一化を目指します。
・再結晶焼鈍:加工硬化の影響を除去して延性を回復します。
•応力除去アニーリング:微細構造を変化させることなく内部応力を軽減します。
2 番目のタイプのアニーリング:
目的と機能: 微細構造と特性を変更し、パーライト主体の微細構造を実現することを目的としています。このタイプでは、パーライト、フェライト、炭化物の分布と形態が特定の要件を満たすことも保証されます。
種類:
•完全焼鈍:鋼をAc3温度以上に加熱し、その後ゆっくりと冷却して均一なパーライト組織を生成します。
•不完全焼なまし:鋼を Ac1 と Ac3 温度の間で加熱し、組織を部分的に変化させます。
•等温焼きなまし: 鋼を Ac3 以上に加熱し、その後等温温度まで急冷し、目的の組織を達成するために保持します。
●球状化焼鈍:球状炭化物組織を生成し、被削性と靭性が向上します。

Ⅷ.1.熱処理の定義
熱処理とは、金属を加熱し、特定の温度に保持した後、固体状態で冷却して内部構造や微細構造を変化させ、目的の特性を達成するプロセスを指します。
2.熱処理の特徴
熱処理ではワークの形状は変わりません。代わりに、鋼の内部構造と微細構造が変化し、それによって鋼の特性が変化します。
3.熱処理の目的
熱処理の目的は、鋼(またはワーク)の機械的特性または加工特性を改善し、鋼の潜在能力を最大限に活用し、ワークの品質を向上させ、寿命を延ばすことです。
4.重要な結論
熱処理によって材料の特性を改善できるかどうかは、加熱および冷却のプロセス中にその微細構造と構造に変化があるかどうかに大きく依存します。


投稿日時: 2024 年 8 月 19 日