熱処理とは?
熱処理とは、材料を加熱、断熱、および固体状態で冷却して、期待される組織と特性を得る金属熱処理プロセスを指します。金属熱処理プロセスは、一体型熱処理、表面熱処理、化学熱処理の3つのカテゴリに大別できます。同じ金属が異なる熱処理プロセスを使用しても、異なる構造を得ることができるため、異なる特性を持つことができます。
プロセス機能
金属熱処理は、機械製造における重要なプロセスの1つであり、他の処理プロセスと比較して、熱処理は一般にワークピースの形状や全体的な化学組成を変更しませんが、ワークピース表面の化学組成を変更し、ワークピースの性能を向上させます。これは、一般的に肉眼では見えないワークピースの固有の品質を向上させることを特徴としています。
金属工作物に必要な機械的特性、物理的特性、化学的特性を持たせるためには、材料の合理的な選択とさまざまな成形プロセスに加えて、熱処理プロセスがしばしば不可欠です。鋼は機械業界で最も広く使用されている材料であり、鋼の微細構造は複雑で、熱処理によって制御できるため、鋼の熱処理が金属熱処理の主な内容です。
さらに、アルミニウム、銅、マグネシウム、チタン、およびそれらの合金は、熱処理によって機械的、物理的、化学的特性を変化させ、さまざまな性能を得ることができます。
プロセスステップ
- 正規化:正規化は、空気中で冷却した後に適切な温度に加熱されたワークピースであり、正規化効果はアニーリングに似ていますが、得られる組織はより細かく、材料の切断性能を向上させるためによく使用され、最終熱処理として要件が低い一部の部品に使用されることもあります。
- 焼入れ:焼入れとは、水、油、その他の無機塩、有機水溶液、その他の急冷媒体の急冷でワークピースを加熱し、保持することです。焼入れ後、鋼は硬くなりますが、同時に脆くなりますが、時間の経過とともに脆性を排除するためには、一般的に時間内に焼き戻す必要があります。
- テンパリング:鋼の脆性を減らすために、焼入れ可能な鋼を室温より上の適切な温度で650°C未満で長時間保温し、その後冷却するこのプロセスはテンパリングと呼ばれます。
- テンパリング:鋼または鋼部品を焼入れおよび焼戻しする複合熱処理プロセスを指します。テンパリングに使用される鋼は、テンパリング鋼と呼ばれます。一般的には、中炭素構造用鋼および中炭素合金構造用鋼を指します。
- 化学熱処理:活性媒体の保温の特定の温度に置かれた金属または合金のワークピースを指し、その表面に1つまたは複数の要素が熱処理プロセスの化学組成、組織、および性能を変更します。
- 一般的な化学熱処理プロセスは、浸炭、窒化、浸炭窒化、アルミ化、ホウ素化などです。化学熱処理の目的は、鋼表面の硬度、耐摩耗性、耐食性、疲労強度、耐酸化性を向上させることです。
- 固溶体化処理:合金を高温単相領域に加熱して一定の温度を維持する熱処理プロセスを指し、過剰相が固溶体に完全に溶解し、次に急速に冷却されて過飽和固溶体が得られます。溶体化処理の目的は、主に鋼と合金の可塑性と靭性を改善し、析出硬化処理の準備をすることです。
- 析出硬化(析出強化):過飽和固溶体原子偏析帯の金属を指し、および(または)マトリックスに分散した粒子の溶解により、熱処理プロセスの硬化につながります。溶体化処理後または冷間処理後のオーステナイト析出ステンレス鋼など、析出硬化処理のために400~500°Cまたは700~800°Cで、高強度を得ることができます。
- エージング処理:溶液処理、冷間塑性変形または鋳造、鍛造、高温または室温の維持、その性能、形状、時間熱処理プロセスによるサイズ変化後の合金ワークピースを指します。
- ワークを高温に加熱し、エージングプロセスを長時間使用する場合、それは人工エージング処理と呼ばれます。ワークを室温または自然条件下で長時間置くと、エージング現象はナチュラルエージング処理と呼ばれます。エージング処理の目的は、ワークピースの内部応力を排除し、構造とサイズを安定させ、機械的特性を向上させることです。
- 臨界直径(臨界浸透径):臨界直径とは、特定の媒体で焼入れした後の鋼の最大直径を指し、心臓がすべてのマルテンサイトまたは50%マルテンサイト構造を取得し、一部の鋼の臨界直径は一般に油または水中の焼入れ性試験によって取得できます。
- 二次硬化:一部の鉄-炭素合金(高速度鋼など)は、硬度をさらに向上させる前に数回焼戻しする必要があります。二次硬化と呼ばれるこの硬化現象は、特殊な炭化物の析出によるものであり、および/またはオーステナイトのマルテンサイトまたはベイナイトへの変換に関与するためです。
- 焼戻し脆性:特定の温度間隔で焼戻しされた、または焼戻し温度から温度間隔を通じてゆっくりと冷却された硬化鋼の脆化現象を指します。焼戻し脆性は、最初のタイプの焼戻し脆性と2番目のタイプの焼戻し脆性に分けることができます。最初のタイプの焼戻し脆性は、不可逆的な焼戻し脆性としても知られており、主に焼戻し温度が250~400°Cのときに発生し、再加熱脆性が消えた後、この間隔で繰り返し焼戻しを行い、もはや脆性は発生せず、2番目のタイプの焼戻し脆性は可逆的な焼戻し脆性としても知られており、温度は400~650°Cで、再加熱後に脆性が消えると、急速に冷却する必要があり、400~650°Cの範囲に長時間滞在したり、冷却を遅らせたりすることはできません。焼戻し脆性の発生は、マンガン、クロム、ケイ素、ニッケルなどの鋼に含まれる合金元素に関連しており、焼戻し脆性傾向を生じさせ、モリブデン、タングステンは焼戻し脆性傾向を弱めます。
技術プロセス
熱処理プロセスには、一般に、加熱、断熱、冷却の3つのプロセスが含まれ、場合によっては2つのプロセスのみが加熱および冷却されます。これらのプロセスは相互接続されており、中断できません。
加熱は熱処理の重要な仕事の1つです。金属の熱処理には多くの加熱方法があり、最も初期のものは熱源として木炭と石炭の使用、そして最近の液体およびガス燃料の適用です。電気の適用により、加熱の制御が容易になり、環境汚染がなくなります。これらの熱源は、直接加熱、または溶融塩や金属、さらには浮遊粒子による間接加熱に使用できます。金属を加熱すると、ワークピースは空気にさらされ、酸化と脱炭素化がしばしば発生し(つまり、鋼部品の表面炭素含有量が減少します)、熱処理後の部品の表面特性に非常に悪影響を及ぼします。したがって、金属は通常、制御された雰囲気または保護雰囲気、溶融塩および真空で加熱する必要があり、コーティングまたは包装方法によって保護することもできます。加熱温度は熱処理プロセスの重要なパラメータの1つであり、加熱温度の選択と制御は、熱処理の品質を確保するための主要な問題です。加熱温度は、処理する金属材料や熱処理の目的によって異なりますが、一般的には相変化温度以上に加熱して高温組織が得られます。また、変換には一定の時間がかかるため、金属ワークピースの表面が必要な加熱温度に達すると、内部温度と外部温度が一定になるように、この温度を一定時間維持する必要があります。高エネルギー密度加熱と表面熱処理を使用する場合、加熱速度は非常に速く、一般に保持時間はなく、化学熱処理の保持時間は長くなることがよくあります。
冷却は熱処理プロセスにおいても不可欠なステップであり、冷却方法はプロセスによって異なり、主に冷却速度を制御します。一般に、焼鈍の冷却速度は最も遅く、焼ならしの冷却速度はより速く、火の冷却速度は速くなります。ただし、鋼の種類が異なるため、要件は異なり、たとえば、耐気鋼は正規化と同じ冷却速度で硬化できます
プロセス分類
金属熱処理プロセスは、一体型熱処理、表面熱処理、化学熱処理の3つのカテゴリに大別できます。熱媒体の加熱温度と異なる冷却方法に応じて、各カテゴリはいくつかの異なる熱処理プロセスに分類できます。異なる熱処理プロセスを使用して同じ金属は、異なる構造を得ることができ、したがって異なる特性を有する。鋼は業界で最も広く使用されている金属であり、鋼の微細構造も最も複雑であるため、鋼の熱処理プロセスには多くの種類があり、全体的な熱処理はワークピースの全体的な加熱であり、その後、適切な速度で冷却して必要な金属組織構造を取得し、金属熱処理プロセスの全体的な機械的特性を変更します。鋼の全体的な熱処理には、焼きなまし、焼きならし、火付け、焼き戻しの4つの基本的なプロセスがあります。
アニーリングの種類
アニーリングとは、ワークを適切な温度に加熱し、一定時間保持した後、ゆっくりと冷却する熱処理プロセスです
鋼の焼鈍プロセスには多くの種類があり、加熱温度に応じて2つのカテゴリに分けることができます:1つは臨界温度(Ac1またはAc3)を超える焼鈍であり、相変化再結晶焼鈍としても知られる、完全焼鈍、不完全焼鈍、球状化焼鈍、拡散焼鈍(均質化焼鈍)が含まれます。もう一つは、再結晶焼鈍および応力緩和焼鈍を含む臨界温度以下の焼鈍です。冷却方法によれば、焼鈍は等温焼鈍と連続冷却焼鈍に分けることができます。
•完全アニーリングと等温アニーリング
完全なアニーリングと計量結晶化アニーリングは、一般にアニーリングと呼ばれ、それは鋼または鋼を20~30°C以上で十分に長時間加熱した鋼または鋼であり、組織がゆっくりと冷却した後に完全にオーステナイト化しているように、組織のバランスに近い熱処理プロセスを得るために。このアニーリングは、主に亜共析組成のさまざまな炭素鋼や合金鋼、鍛造品、熱間圧延プロファイルの鋳造に使用され、時には接合構造に使用されます。通常、一部の非重部品の最終熱処理として、または一部のワークピースの予熱処理として使用されます。
球状化焼鈍は、主に過共析炭素鋼および合金工具鋼(切削工具、測定工具、金型の製造に使用される鋼など)に使用されます。その主な目的は、硬度を下げ、被削性を向上させ、後の焼入れに備えることです。
•球状化アニーリング
急冷する場合、最も一般的に使用される冷却媒体は塩水、水、油です。
ブライン焼入れワークピースは、高硬度で滑らかな表面を得るのが簡単で、硬くない柔らかい点を作り出すのは簡単ではありませんが、ワークピースの深刻な変形を引き起こしやすく、さらには亀裂が入ります。焼入れ媒体としての油は、過冷却オーステナイトの安定性が比較的大きい一部の合金鋼または小型炭素鋼ワークピースの焼入れにのみ適しています。
鋼のテンパリングの目的
- 脆性を減らし、内部応力を排除または低減し、内部応力や脆性が多い後、タイムリーな焼き戻しが行われないなど、鋼の焼入れがしばしば鋼の変形や亀裂を引き起こします。
- ワークピースの必要な機械的特性を得るために、焼入れ硬度後のワークピースは高く、脆いです、さまざまなワークピースのさまざまな性能の要件を満たすために、適切なテンパリング調整を通じて硬度を調整し、脆性を減らし、必要な靭性、可塑性を得ることができます。
- 安定したワークピースサイズ
- 軟化焼鈍が困難な合金鋼では、焼入れ(または焼ならし)後に高温焼戻しを行うことが多く、鋼中の炭化物が適切に集まり、硬度を下げて切断を容易にします。
変形防止
- 材料の合理的な選択。高度で複雑な金型の場合、良好な材料(空気焼入れ鋼など)のマイクロ変形ダイス鋼を選択し、深刻な炭化物偏析のあるダイス鋼を合理的に鍛造して焼き戻し熱処理し、固溶体二重精錬熱処理を大規模で鍛造不可能なダイス鋼に対して行うことができます。
- 金型構造の設計は合理的であるべきであり、厚さは広すぎず、形状は対称的であるべきであり、変形法則は大変形金型のために習得されるべきであり、処理許容量は予約されるべきであり、そして組み合わせ構造は大きく、正確で複雑な金型に使用することができます。
- 精密で複雑な金型郡は、加工中に発生する残留応力を排除するために、予熱処理を行う必要があります。
- 加熱温度の合理的な選択、加熱速度の制御、低速加熱、予熱、およびその他のバランスの取れた加熱方法を、精密で複雑な金型に採用して、金型の熱処理変形を減らすことができます。
- 金型の硬度を確保することを前提として、予冷、分数冷却焼入れ、または温冷焼入れプロセスを使用してみてください
- 精密で複雑な金型の場合、条件が許せば、真空加熱焼入れと焼入れ後の極低温処理を使用してみてください。
- 一部の精密で複雑な金型では、予熱処理、エージング熱処理、焼き戻し、およびアンモニア熱処理を使用して、金型の精度を制御できます。
