Ⅰ.熱処理の基本的な考え方
A.熱処理の基本的な考え方。
基本的な要素と機能熱処理:
1.加熱
均一かつ微細なオーステナイト組織を得ることが目的です。
2.保持
目的は、ワークピースが十分に加熱され、脱炭と酸化が起こらないようにすることです。
3.冷却
目的はオーステナイトを異なる微細構造に変換することです。
熱処理後の微細構造
加熱保持後の冷却過程では、オーステナイトは冷却速度に応じて異なる微細組織へと変化します。微細組織が異なれば、特性も異なります。
B.熱処理の基本的な概念。
加熱・冷却方法、鋼の組織と特性に基づく分類
1.従来の熱処理（全体熱処理）：焼戻し、焼鈍、焼ならし、焼入れ
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：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上で重要な基準であり、鉄-炭素状態図によって決定されます。
主な結論: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ています。つまり、加熱時には過加熱が必要であり、冷却時には過冷却が必要となります。
Ⅱ.鋼の焼鈍と焼ならし
1. アニーリングの定義
焼きなましでは、鋼を臨界点 Ac₁ より上または下の温度に加熱し、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、平衡に近い構造を実現します。
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。
②残留応力を緩和：後工程での変形や割れを防止します。
③粒度構造の改良：微細構造を改善します。
④最終熱処理準備：その後の焼入れ・焼戻しに備えて粒状（球状）パーライトを得る。
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溶媒線よりわずかに下になります。
目的: 分離を排除すること。
Ⅲ.鋼の焼入れと焼戻し
A.焼入れ
1. 焼入れの定義: 焼入れとは、鋼を Ac₃ 点または 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、鋼にとって最も重要な熱処理プロセスの一つです。
3. 各種鋼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℃～100℃高い
4.理想的な焼入れ媒体の冷却特性：
「ノーズ」温度に達する前にゆっくり冷却: 熱応力を十分に軽減します。
「ノーズ」温度付近での高い冷却能力: 非マルテンサイト構造の形成を回避します。
M₅ 点付近での徐冷: 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ます。
5.焼入れ方法とその特徴：
①簡易焼入れ：操作が簡単で、小型で単純な形状のワークに適しています。得られるミクロ組織はマルテンサイト（M）です。
②二度焼入れ：より複雑で制御が難しい処理で、複雑な形状の高炭素鋼や大型合金鋼のワークピースに使用されます。得られるミクロ組織はマルテンサイト（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用いられる、より複雑なプロセスです。得られるミクロ組織はマルテンサイト（M）です。
④等温焼入れ：要求の厳しい小型で複雑な形状のワークピースに用いられます。得られるミクロ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
焼入れ性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れ性は向上し、逆もまた同様です。
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、焼入れの臨界冷却速度が低下し、焼入れ性が向上します。
主な結論:
C 曲線を右にシフトさせる要因はすべて、鋼の硬化性を高めます。
主な要因:
化学組成: コバルト (Co) を除き、オーステナイトに溶解したすべての合金元素は硬化性を高めます。
炭素鋼の炭素含有量が共析組成に近づくほど、C 曲線は右にシフトし、硬化性が高くなります。
7.焼入れ性の判定と表示
①エンドクエンチ焼入れ性試験：エンドクエンチ試験法を用いて焼入れ性を測定します。
②臨界焼入径法：臨界焼入径（D₀）は、特定の焼入媒体で完全に硬化できる鋼の最大直径を表します。
B.焼き戻し
1. 焼き戻しの定義
焼き戻しは、焼入れした鋼を 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. 焼き入れの目的
残留応力を軽減または除去: ワークピースの変形や割れを防止します。
残留オーステナイトを削減または除去: ワークピースの寸法を安定させます。
焼入れ鋼の脆さを解消: 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: 鋼は焼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.低温焼戻し
目的: 焼入れ応力を低減し、ワークピースの靭性を向上させ、高い硬度と耐摩耗性を実現します。
温度:150℃～250℃。
性能：硬度：HRC 58〜64。高硬度、耐摩耗性。
用途: 工具、金型、ベアリング、浸炭部品、表面硬化部品。
2. 高い焼き入れ
目的: 十分な強度と硬度とともに高い靭性を実現します。
温度:500℃～600℃。
性能：硬度：HRC 25〜35。全体的な機械的特性が良好。
用途：シャフト、ギア、コネクティングロッドなど
熱処理精製
定義：焼入れ後に高温焼戻しを行う工程を調質、または単に焼戻しと呼びます。この処理を施した鋼は、優れた総合性能を有し、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、ワークピースの表面層を急速に加熱してオーステナイト化し、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中心構造を変化させることなく行われます。
2. 表面硬化および硬化後構造に使用される材料
表面硬化に使用される材料
代表的な材質: 中炭素鋼および中炭素合金鋼。
前処理：一般的なプロセス：焼戻し。コア特性が重要でない場合は、代わりに焼戻し処理を使用できます。
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。
心材組織：鋼心材は、前処理工程や母材の特性に応じて、通常、パーライト組織や焼戻し組織といった元の組織を維持します。これにより、心材は優れた靭性と強度を維持します。
B.高周波表面硬化の特徴
1. 高温加熱と急速な温度上昇: 誘導表面硬化では通常、高温加熱と急速な加熱速度が伴い、短時間での急速加熱が可能になります。
2. 表層部の微細オーステナイト粒組織：急速加熱とそれに続く焼入れプロセスにおいて、表層部は微細オーステナイト粒を形成します。焼入れ後、表面は主に微細マルテンサイトから構成され、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、焼入れによる変形が最小限に抑えられ、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、ワークピースの疲労強度が向上します。
5. 高い生産効率: 高周波表面硬化は大量生産に適しており、高い運用効率を実現します。
C.化学熱処理の分類
浸炭、浸炭、浸炭、クロマイジング、シリコン処理、シリコン処理、シリコン処理、浸炭窒化、ホウ素浸炭
D.ガス浸炭
ガス浸炭処理は、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相に変態させる温度まで加熱する処理です。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層に浸透させます。この処理により、ワークピース表面の炭素含有量（wc%）が増加します。
√炭化剤：
•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
√浸炭プロセスのパラメータ：
•浸炭温度：920〜950℃。
•浸炭時間: 浸炭層の希望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施さなければなりません。
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：ワークピースを浸炭温度から芯部のAr₁温度より少し高い温度まで予冷し、その後直ちに焼入れし、160～180℃で低温焼戻しを行います。
2.予冷後一回焼入れ＋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および低温焼戻しを行います。
3. 予冷後の二重焼入れ＋低温焼戻し：浸炭処理と徐冷処理の後、ワークピースは2段階の加熱と焼入れを受け、その後低温焼戻しを受けます。
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中に置き、加熱・保持することで、媒体中の活性原子を鋼材表面に拡散させる熱処理プロセスです。これにより、鋼材表面の化学組成と微細構造が変化し、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: 鋼の表面で吸収され溶解した活性原子が内部に移動します。
高周波表面硬化の種類
a.高周波誘導加熱
電流周波数: 250~300 kHz。
硬化層の深さ：0.5〜2.0mm。
用途: 中・小型モジュールギア、小型～中型シャフト。
b.中周波誘導加熱
電流周波数: 2500~8000 kHz。
硬化層の深さ：2〜10mm。
用途: 大型シャフトおよび大型から中型のモジュールギア。
c.商用周波数誘導加熱
現在の周波数: 50 Hz。
硬化層の深さ：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. 高周波表面硬化
高周波表面硬化の基本原理
表皮効果:
誘導コイルの交流電流がワークピース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、ワークピース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。
高周波表面硬化の原理：
表皮効果を利用して、ワークの表面をオーステナイト化温度（数秒で800～1000℃）まで急速に加熱し、内部はほとんど加熱されない状態にします。その後、ワークに水を噴射して冷却することで、表面硬化を実現します。
4.焼戻し脆性
焼入れ鋼の焼戻し脆性
焼戻し脆性とは、焼入れ鋼を特定の温度で焼戻しすると衝撃靭性が著しく低下する現象を指します。
焼戻し脆性の第1のタイプ
温度範囲: 250°C ～ 350°C。
特性: 焼入れ鋼をこの温度域で焼戻しすると、このタイプの焼戻し脆性が発生する可能性が高く、これを除去することができません。
解決策: この温度範囲内で焼入れ鋼を焼戻ししないでください。
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も呼ばれます。
Ⅵ.焼き戻し
1.焼戻しは焼入れ後に行われる最終熱処理工程です。
焼き入れ鋼はなぜ焼き戻しが必要なのでしょうか?
焼入れ後の微細組織：焼入れ後の鋼の微細組織は、通常、マルテンサイトと残留オーステナイトで構成されます。どちらも準安定相であり、特定の条件下で変態します。
マルテンサイトの特性: マルテンサイトは硬度が高いのに脆いという特徴があり (特に高炭素針状マルテンサイトの場合)、多くの用途の性能要件を満たしません。
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急速に進行します。焼入れ後、ワークピースには残留内部応力が生じ、変形や割れにつながる可能性があります。
結論：ワークピースは焼入れ後、そのまま使用することはできません。内部応力を低減し、ワークピースの靭性を向上させて使用に適した状態にするために、焼戻しが必要です。
2.焼入れ性と硬化能力の違い：
硬化性:
焼入れ性とは、鋼が焼入れ後に特定の硬化深度（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、焼入れプロセス中に鋼が厚さ全体にわたってどの程度硬化できるかを示す指標です。
硬度（硬化能力）：
硬度、あるいは硬化能とは、焼入れ後に鋼で達成できる最大の硬度を指します。これは鋼の炭素含有量に大きく影響されます。炭素含有量が高いほど、一般的に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効率によって制限されることがあります。
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焼入れした後に、ある一定の深さのマルテンサイト硬化を達成する能力を指します。簡単に言えば、焼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
焼入れ性の大きさは、焼入れ後に規定の条件下で得られる硬化層の深さで示されます。
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
特徴: 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、過剰冷却になることがあります。
用途: 通常は炭素鋼に使用されます。
塩水: 水中の塩またはアルカリの溶液。水に比べて高温での冷却能力が高く、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なり、変形や割れの傾向が効果的に低減しますが、高温では冷却能力が低下します。
用途: 合金鋼に適しています。
種類: 焼入油、機械油、ディーゼル燃料など。
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の時間）と保持時間（目標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原則: ワークピースの内側と外側の両方にわたって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かつ微細であることを確認します。
加熱時間を決定する基準:通常は経験式を使用して推定するか、実験を通じて決定します。
焼入れ媒体
2つの重要な側面:
a.冷却速度：冷却速度が速いほど、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割れが起こりやすくなります。
Ⅶ.正規化
1. 正規化の定義
焼準処理は、鋼をAc3点より30～50℃高い温度に加熱し、その温度に保持した後、空冷することで平衡状態に近いミクロ組織を得る熱処理プロセスです。焼鈍処理と比較して、焼準処理は冷却速度が速いため、パーライト組織（P）が微細化し、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同様です。
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。
• 要求度の低い部品の最終熱処理として機能します。
•低炭素および中炭素構造用鋼の機械加工性を向上させるための予備熱処理として機能します。
4.焼鈍処理の種類
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、鋼を不均衡な状態から均衡な状態に移行させることです。
種類：
•拡散焼鈍：偏析をなくして組成の均質化を目的とします。
•再結晶焼鈍：加工硬化の影響を排除して延性を回復します。
•応力緩和焼鈍:微細構造を変えずに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：ミクロ組織と特性を変化させ、パーライト主体のミクロ組織を実現することを目的としています。また、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を保証します。
種類：
•完全焼鈍: 鋼を Ac3 温度以上に加熱し、その後ゆっくり冷却して均一なパーライト構造を生成します。
•不完全焼鈍: 鋼を Ac1 温度と Ac3 温度の間で加熱し、構造を部分的に変化させます。
•等温焼鈍: 鋼を Ac3 以上に加熱し、その後等温まで急速に冷却して保持し、目的の構造を実現します。
•球状化焼鈍：球状の炭化物組織を生成し、切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、固体状態で冷却することで内部構造と微細構造を変化させ、所望の特性を得るプロセスを指します。
2.熱処理の特徴
熱処理では、ワークピースの形状は変化しません。その代わりに、鋼の内部構造と微細構造が変化し、その結果、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（またはワークピース）の機械的特性や加工特性を改善し、鋼の潜在能力を十分に活用し、ワークピースの品質を高め、その耐用年数を延ばすことです。
4. 主な結論
材料の特性が熱処理によって改善されるかどうかは、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