鋼の熱処理

Ⅰ.熱処理の基本概念

A. 熱処理の基本概念。
基本的な要素と機能熱処理:
1. 加熱
その目的は、均一で微細なオーステナイト組織を得ることである。
2.保持
目的は、加工対象物を十分に加熱し、脱炭や酸化を防ぐことである。
3.冷却
目的は、オーステナイトを様々な微細構造に変化させることである。
熱処理後の微細構造
加熱・保持後の冷却過程において、オーステナイトは冷却速度に応じて様々な微細構造へと変化する。そして、異なる微細構造はそれぞれ異なる特性を示す。
B. 熱処理の基本概念。
加熱・冷却方法、ならびに鋼の微細構造と特性に基づく分類
1.従来型熱処理(全体熱処理):焼き戻し、焼きなまし、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、炭窒化。
4.その他の熱処理:制御雰囲気熱処理、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、熱処理における加熱、保持、冷却の各工程を決定する上で重要な基礎となる。これは鉄-炭素状態図によって決定される。

重要な結論:鋼の実際の臨界変態温度は、常に理論上の臨界変態温度よりも低い。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する。

Ⅱ.鋼の焼鈍と焼きならし

1. アニーリングの定義
焼きなましとは、鋼を臨界点Ac₁より上または下の温度まで加熱し、その温度で保持した後、通常は炉内でゆっくりと冷却して、平衡に近い構造を得る工程である。
2. アニーリングの目的
①加工に適した硬度に調整する:HB170~230の範囲で加工可能な硬度を実現する。
②残留応力の緩和:後続工程での変形や亀裂を防ぎます。
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:その後の焼入れおよび焼き戻しのために、粒状(球状)パーライトを得る。

3.球状化アニーリング
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)パーライトを生成すること。
適用範囲:共析鋼および過共析鋼に使用されます。
4.拡散アニーリング(均質化アニーリング)
プロセス仕様:加熱温度は相図上の固溶線よりわずかに低い。
目的:人種隔離をなくすこと。

アニーリング

①低炭素鋼炭素含有量が0.25%未満の場合、準備熱処理としては、焼鈍よりも正規化処理が好ましい。
②炭素含有量が0.25%~0.50%の中炭素鋼の場合、前処理熱処理として焼鈍または焼ならしのいずれかを用いることができる。
③炭素含有量が0.50%~0.75%の中炭素鋼から高炭素鋼には、完全焼鈍が推奨されます。
④高-炭素鋼炭素含有量が0.75%を超える場合、まず正規化処理によってネットワーク状のFe₃Cを除去し、次に球状化アニーリングを行う。

Ⅲ.鋼の焼入れと焼き戻し

温度

A. 消火
1. 焼入れの定義:焼入れとは、鋼をAc₃点またはAc₁点以上の特定の温度まで加熱し、その温度で保持した後、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です。
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下部ベイナイト)を生成し、鋼の硬度と耐摩耗性を向上させることです。焼入れは、鋼の熱処理工程の中で最も重要なものの1つです。
3. 各種鋼材の焼入れ温度の決定
亜共析鋼:Ac₃ + 30℃~50℃
共析鋼および過共析鋼:Ac₁ + 30℃~50℃
合金鋼:臨界温度より50℃~100℃高い温度

4.理想的な焼入れ媒体の冷却特性:
「鼻」の温度に達する前にゆっくり冷却する:熱ストレスを十分に軽減するため。
ノーズ温度付近での高い冷却能力:非マルテンサイト組織の形成を回避するため。
M₅点付近での徐冷:マルテンサイト変態によって生じる応力を最小限に抑えるため。

冷却特性
急冷法

5. 急冷方法とその特性:
①単純焼入れ:操作が簡単で、小型で単純な形状のワークピースに適しています。得られる組織はマルテンサイト(M)です。
②二重焼入れ:より複雑で制御が難しいため、複雑な形状の高炭素鋼や大型の合金鋼のワークピースに使用されます。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ピースに使用される、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)である。
④等温焼入れ:小型で複雑な形状の、高い要求を満たす加工品に使用されます。得られる組織は下部ベイナイト(B)です。

6. 焼入れ性に影響を与える要因
鋼の焼入れ性は、過冷却オーステナイトの安定性に依存する。過冷却オーステナイトの安定性が高いほど焼入れ性は向上し、その逆もまた然りである。
過冷却オーステナイトの安定性に影響を与える要因:
C曲線の位置:C曲線が右にシフトすると、焼入れの臨界冷却速度が低下し、焼入れ性が向上します。
重要な結論:
C曲線を右方向にシフトさせる要因はすべて、鋼の焼入れ性を向上させる。
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することで焼入れ性を向上させる。
炭素鋼において、炭素含有量が共析組成に近づくほど、C曲線は右方向にシフトし、焼入れ性は高くなる。

7. 焼入れ性の判定と表現
①端面焼入れ性試験:焼入れ性は端面焼入れ試験法を用いて測定されます。
②臨界焼入れ径法:臨界焼入れ径(D₀)は、特定の焼入れ媒体で完全に焼入れできる鋼の最大直径を表します。

焼入れ性

B.焼き戻し

1. 焼き戻しの定義
焼き戻しとは、焼き入れされた鋼をA₁点以下の温度まで再加熱し、その温度で保持した後、室温まで冷却する熱処理工程である。
2. 焼き戻しの目的
残留応力を低減または除去:加工物の変形や亀裂を防ぎます。
残留オーステナイトを低減または除去する:加工物の寸法を安定させる。
焼入れ鋼の脆性を解消:加工対象物の要求を満たすように微細構造と特性を調整します。
重要事項:鋼材は焼き入れ後、速やかに焼き戻しを行う必要があります。

3.焼き戻し処理

1.低温焼き戻し
目的:焼入れ応力を低減し、被加工物の靭性を向上させ、高硬度と耐摩耗性を実現する。
温度:150℃~250℃
性能:硬度:HRC 58~64。高硬度で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
目的:十分な強度と硬度に加え、高い靭性を実現すること。
温度:500℃~600℃
性能:硬度:HRC 25~35。全体的に優れた機械的特性。
用途:シャフト、ギア、コネクティングロッドなど
熱精製
定義:焼入れ後に高温で焼き戻しを行う工程を熱処理精錬、または単に焼き戻しと呼ぶ。この工程で処理された鋼は優れた総合性能を持ち、広く利用されている。

Ⅳ鋼の表面熱処理

A. 鋼の表面焼入れ

1. 表面硬化の定義
表面硬化処理とは、加工対象物の表面層を急速に加熱してオーステナイトに変態させ、その後急速に冷却することで表面層を強化する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内部構造を変化させることなく行われます。
2. 表面硬化および後硬化構造に使用される材料
表面硬化に使用される材料
代表的な材料:中炭素鋼および中炭素合金鋼。
前処理:一般的な工程:焼き戻し。コア特性が重要でない場合は、焼きならしで代用できます。
硬化後構造
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組織を形成し、高い硬度と耐摩耗性を発揮します。
コア構造:鋼のコア部分は、前処理工程や基材の特性に応じて、パーライト組織や焼戻し状態など、元の組織を一般的に保持します。これにより、コア部分の靭性と強度が維持されます。

B.誘導表面硬化の特性
1. 高い加熱温度と急速な温度上昇: 誘導表面硬化では、通常、高い加熱温度と急速な加熱速度が用いられ、短時間で迅速な加熱が可能になります。
2.表面層の微細オーステナイト粒構造:急速加熱とそれに続く焼入れ工程において、表面層には微細なオーステナイト粒が形成されます。焼入れ後、表面は主に微細なマルテンサイトで構成され、硬度は従来の焼入れよりも通常2~3HRC高くなります。
3.良好な表面品質:加熱時間が短いため、ワークピースの表面は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:表面層におけるマルテンサイト相変態により圧縮応力が発生し、ワークピースの疲労強度が増加する。
5.高い生産効率:誘導表面硬化は大量生産に適しており、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、クロム化、ケイ素化、ケイ素化、ケイ素化、炭窒化、ホウ炭化

D.ガス浸炭
ガス浸炭処理とは、ワークピースを密閉されたガス浸炭炉に入れ、鋼をオーステナイトに変態させる温度まで加熱するプロセスです。その後、浸炭剤を炉内に滴下するか、浸炭雰囲気を直接導入することで、炭素原子をワークピースの表面層に拡散させます。このプロセスにより、ワークピース表面の炭素含有量(wc%)が増加します。
√浸炭剤:
・炭素を多く含むガス: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。
√浸炭処理パラメータ:
・浸炭温度:920~950℃。
・浸炭時間:浸炭層の希望する深さと浸炭温度によって異なります。

E.浸炭後の熱処理
鋼材は浸炭処理後に熱処理を受けなければならない。
浸炭後の熱処理工程:
√焼入れ+低温焼き戻し
1.予冷後の直接焼入れ+低温焼戻し:ワークピースを浸炭温度からコアのAr₁温度よりわずかに高い温度まで予冷し、その後すぐに焼入れし、続いて160~180℃で低温焼戻しを行います。
2.予冷後の単一焼入れ+低温焼戻し:浸炭後、ワークピースを室温までゆっくり冷却し、その後再加熱して焼入れと低温焼戻しを行います。
3.予冷後の二段階焼入れ+低温焼戻し:浸炭と徐冷の後、ワークピースは2段階の加熱と焼入れを受け、その後低温焼戻しが行われます。

Ⅴ.鋼の化学熱処理

1. 化学熱処理の定義
化学熱処理とは、鋼材を特定の活性媒体に浸漬し、加熱して一定温度に保つことで、媒体中の活性原子を加工材の表面に拡散させる熱処理プロセスである。これにより、加工材表面の化学組成と微細構造が変化し、その特性が変化する。
2.化学熱処理の基本プロセス
分解:加熱中、活性媒体が分解し、活性原子を放出する。
吸収:活性原子は鋼の表面に吸着され、鋼の固溶体中に溶解する。
拡散:鋼材表面に吸着・溶解した活性原子が内部へと移動する。
誘導表面硬化の種類
a.高周波誘導加熱
電流周波数:250~300kHz。
硬化層の厚さ:0.5~2.0mm。
用途:中型および小型モジュールギア、ならびに小型から中型のシャフト。
b. 中周波誘導加熱
電流周波数:2500~8000kHz。
硬化層の厚さ: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. 電力周波数誘導加熱
現在の周波数:50Hz。
硬化層の厚さ:10~15mm。
用途:非常に深い硬化層を必要とするワークピース。

3. 誘導表面硬化
誘導表面硬化の基本原理
肌への影響:
誘導コイルに流れる交流電流が加工物の表面に電流を誘導する際、誘導電流の大部分は表面付近に集中し、加工物の内部にはほとんど電流が流れません。この現象は表皮効果として知られています。
誘導表面硬化の原理:
表皮効果に基づき、ワークピースの表面は急速にオーステナイト化温度(数秒で800~1000℃まで上昇)まで加熱される一方、ワークピース内部はほとんど加熱されない。その後、ワークピースは水噴霧によって冷却され、表面硬化が実現される。

脆さを鎮める

4.脆さを緩和する
焼入れ鋼の脆性を抑制する
焼き戻し脆性とは、焼き入れ鋼を特定の温度で焼き戻しすると、衝撃靭性が著しく低下する現象を指す。
焼き戻し脆性の第1のタイプ
温度範囲:250℃~350℃。
特徴:焼入れ鋼をこの温度範囲内で焼き戻しすると、この種の焼き戻し脆性が発生する可能性が非常に高く、これは除去できません。
解決策:この温度範囲内では、焼入れ鋼の焼き戻しを避けてください。
第一のタイプの焼き戻し脆性は、低温焼き戻し脆性または不可逆焼き戻し脆性とも呼ばれる。

Ⅵ.焼き戻し

1.焼き戻しは、焼き入れに続く最終的な熱処理工程です。
焼入れ鋼はなぜ焼き戻しが必要なのか?
焼入れ後の組織:焼入れ後の鋼の組織は、一般的に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、特定の条件下では相変態を起こします。
マルテンサイトの特性:マルテンサイトは高い硬度を特徴とするが、同時に高い脆性も特徴とする(特に高炭素針状マルテンサイトの場合)。そのため、多くの用途における性能要件を満たさない。
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速やかに起こります。焼入れ後、加工物には残留内部応力が発生し、変形や亀裂の原因となる可能性があります。
結論:焼入れ後、加工品をそのまま使用することはできません。内部応力を低減し、加工品の靭性を向上させるために、焼き戻し処理が必要です。焼き戻し処理を行うことで、加工品を適切な状態にすることができます。

2. 焼入れ性と焼入れ能力の違い:
硬化性:
焼入れ性は、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。これは、鋼の組成と構造、特に合金元素と鋼の種類に依存します。焼入れ性とは、焼入れ工程中に鋼の厚み全体にわたってどれだけ良好に硬化できるかを示す指標です。
硬度(焼入れ能力):
硬度、または焼入れ能力とは、鋼を焼入れした後に達成できる最大硬度を指します。これは主に鋼の炭素含有量に影響されます。一般的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、鋼の合金元素や焼入れプロセスの有効性によって制限される場合があります。

3.鋼の焼入れ性
√硬化性の概念
焼入れ性とは、鋼がオーステナイト化温度から急冷された後に、一定の深さまでマルテンサイト組織による焼入れを受ける能力を指します。より簡単に言えば、鋼が急冷時にマルテンサイトを形成する能力のことです。
焼入れ性の測定
焼入れ性の大きさは、特定の条件下で焼入れ後に得られる硬化層の深さによって示される。
硬化層の深さ:これは、加工物の表面から、組織が半分マルテンサイトになっている領域までの深さです。
一般的な消光媒体:
•水
特徴:経済的で冷却能力が高いが、沸点付近での冷却速度が速いため、過冷却につながる可能性がある。
用途:一般的に炭素鋼に使用されます。
塩水:水に塩またはアルカリを溶かした溶液で、高温下での水よりも冷却能力が高いため、炭素鋼に適している。
•油
特徴:低温(沸点付近)での冷却速度が遅いため、変形や亀裂の発生を効果的に抑制できますが、高温での冷却能力は低くなります。
用途:合金鋼に適しています。
種類:焼入れ油、機械油、軽油など。

加熱時間
加熱時間は、加熱速度(目的の温度に達するまでの時間)と保持時間(目標温度に維持される時間)の両方から構成されます。
加熱時間を決定するための原則:ワークピースの内部と外部の両方において、均一な温度分布を確保する。
オーステナイト化が完全に進行し、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てください。
加熱時間を決定するための基準:通常は経験式を用いて推定するか、実験によって決定する。
消火メディア
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:冷却速度が速いほど残留応力が増加し、ワークピースの変形や亀裂が発生しやすくなる可能性があります。

Ⅶ.正規化

1. 正規化の定義
焼ならしは、鋼をAc3温度より30℃~50℃高い温度まで加熱し、その温度で保持した後、空冷することで平衡状態に近い微細構造を得る熱処理プロセスです。焼鈍と比較して、焼ならしは冷却速度が速いため、より微細なパーライト組織(P)が得られ、強度と硬度が向上します。
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る。
3. 正規化の応用
・網目状の二次セメントを除去する。
・要求される熱処理レベルが低い部品の最終熱処理として機能します。
・低炭素鋼および中炭素鋼の構造用鋼の被削性を向上させるための前処理熱処理として機能します。

4. 焼きなましの種類
第一の焼きなまし方法:
目的と機能:目標は相変態を誘発することではなく、鋼を不均衡な状態から均衡な状態へと移行させることである。
種類:
・拡散アニーリング:偏析を解消することで組成を均質化することを目的とする。
・再結晶焼鈍:加工硬化の影響を取り除くことで延性を回復させる。
・応力除去焼鈍:微細構造を変化させることなく内部応力を低減します。
第二の焼きなまし方法:
目的と機能:微細構造と特性を変化させ、パーライトを主体とした微細構造を実現することを目的とする。また、この処理により、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が保証される。
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することで、均一なパーライト組織を生成します。
・不完全焼鈍:鋼をAc1~Ac3の温度範囲で加熱し、構造を部分的に変化させる。
・等温焼鈍:鋼をAc3以上の温度まで加熱した後、等温温度まで急速に冷却し、保持することで所望の組織を得る。
・球状化焼鈍:球状の炭化物組織を生成し、被削性と靭性を向上させます。

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、固体状態で冷却することで、金属の内部構造や微細構造を変化させ、それによって所望の特性を得るプロセスを指します。
2.熱処理の特性
熱処理は加工物の形状を変えるものではなく、鋼の内部構造と微細構造を変化させ、それによって鋼の特性を変化させるものである。
3.熱処理の目的
熱処理の目的は、鋼(または加工物)の機械的特性や加工特性を向上させ、鋼の潜在能力を最大限に引き出し、加工物の品質を高め、耐用年数を延ばすことである。
4. 重要な結論
熱処理によって材料の特性が向上するかどうかは、加熱および冷却過程において材料の微細構造や構造に変化が生じるかどうかに大きく左右される。


投稿日時:2024年8月19日