鋼の焼入れプロセスと分類の用途

焼き入れは、ワークピースを特定の臨界温度まで加熱した後、選択的に冷却して高硬度のマルテンサイトまたは強靭な下部ベイナイトを得た後、焼き戻す熱処理プロセスです。{0}

焼入れにより、部品の耐摩耗性と強度が向上し、疲労寿命も向上します。

 

 

焼入れの原理と基本的な工程の流れ

 

鋼やその他の材料は加熱されると相変態を起こし、オーステナイト化相変態は焼き入れの前提条件となります。

一般に、亜共析鋼は Ac3 より 20 ～ 30 度高い温度で焼き入れされ、過共析鋼は Ac1 より 20 ～ 30 度高い温度で焼き入れされます。

急冷するときは、過度の加熱を避けることが重要です。保持時間は、均一な微細構造変化を確実にするために、ワークピースのサイズと炉のモデルに基づいて決定する必要があります。

焼入れにおける重要なプロセスは冷却です。理想的な冷却曲線は、主に非マルテンサイト構造の形成を防ぐために、パーライト ノーズ領域を回避します。-部品の内部応力と変形を軽減するには、冷却速度も制御する必要があります。

注：Ac1、Ac3はそれぞれ、加熱により亜共析鋼がオーステナイト生成を開始する温度、完全にオーステナイト化する温度を表します。これらは、アニーリングプロセスを決定するための重要な基準点です。

 

主な焼入れプロセス方法と主要な操作ガイドライン

 

1. 単一-液体急冷

単一液体焼入れは、最も基本的で最も単純な焼入れ方法です。-これは主に、シャフトやピンなど、単純で対称的な形状と最小限の断面変化を持つ部品に使用されます。-

単一液体焼入れの場合、材料とワークピースの厚さに基づいて適切なクーラントを選択する必要があります。-低-炭素および低-鋼は通常、水または塩水で焼き入れされますが、高-合金鋼や小さく複雑な形状の部品は、油またはポリマー溶液で焼き入れできます。-

急冷中は、ワークピースが媒体に均一に浸漬され、蒸気膜が冷却を妨げないように媒体が適切に撹拌されていることを確認してください。

単一液体焼入れは、品質の安定性が高く、大規模生産に適しています。{0}

 

2. 二液焼入れ-

二液焼入れでは、急速冷却と低速冷却の利点を組み合わせます。-まず、水や塩水などの第 1 の媒体が、材料の最も不安定なオーステナイト領域を急速に通過します。材料の温度がマルテンサイト変態温度に近づくと、材料はすぐに油などの第 2 媒体に移され、マルテンサイト変態が完了します。

二液焼入れは、金型や歯車ブランクなど、高{3}}炭素鋼や中-～-合金鋼で作られた中型～{1}}～-大型のワークピースで特に一般的です。

この操作の鍵は、最初の媒体内でのワークピースの滞留時間を正確に制御することです。通常、ワークピースの有効厚さ 3 ～ 5 mm あたり 1 秒の焼き入れ時間が使用されますが、これはワークピース表面の気泡の消失を観察することによって決定することもできます。

第一の媒体から第二の媒体への移動は、材料構造の分解を引き起こす可能性のある温度上昇を避けるために、迅速かつ連続的に行われなければなりません。

二液焼入れは、熱応力と構造応力を大幅に軽減し、変形を制御し、亀裂を防止する効果的な方法です。-

 

3. ステップクエンチング

段階焼入れでは、ワークをオーステナイト化するまで加熱し、その後、硝酸塩浴やアルカリ浴など、Ms 点よりわずかに高い熱浴中で焼入れして保持する必要があります。ワークピースの断面全体で温度が均一になったら、ワークピースを取り出して空冷します。-

ステップ焼き入れは、タップ、小型ギア、精密シャフトなど、複雑な形状と高精度が要求される工具や部品によく使用されます。

運転中は、浴の温度変動を厳密に制御する必要があり、通常は摂氏プラスマイナス 10 度の範囲内に制御されます。保持時間は最大断面積に基づいて計算されます。-、通常は毎分 5 ミリメートルと推定されます。

ステップ焼入れは熱応力を効果的に軽減し、空冷中にマルテンサイト変態を徐々に進行させます。これにより、微細構造応力が低くなり、変形が最小限に抑えられます。ただし、溶融塩の冷却能力には限界があるため、有効厚さが 20 mm 以下のワークピースにのみ適しています。

 

4. 等温焼入れ

等温焼入れでは、オーステナイト化温度まで加熱されたワークピースをベイナイト変態ゾーンの熱浴に入れて完全に焼入れします。保持期間を長くすると、オーステナイトが完全に下部ベイナイトに変態し、その後空冷されます。オーステンパ加工は主にベアリングや精密金型など、高い強度、靱性、寸法安定性が要求される部品に使用されます。等温温度と持続時間は鋼の TTT 曲線に基づいて決定され、通常の温度は 250 ～ 400 度です。

オーステンパー処理後はベイナイトとなり、変形や割れが少なく強度と靭性に優れています。ただし、オーステンパ加工は生産サイクルが長く、コストが高く、断面が小さいワークピースに限定されます。-

 

よくある問題と品質管理

 

焼き入れを行うと、硬度不足、ソフトスポット、変形、割れ、酸化、脱炭などの欠陥が生じることがよくあります。

硬度不足は一般に、加熱温度が低すぎたり、冷却が不十分なことが原因で発生します。もう一つの原因は、ワークの表面脱炭です。

ソフトスポットは一般に、汚染された急冷媒体やワークピース表面の酸化スケールの存在によって発生します。過度の熱応力または構造応力によって、変形や亀裂が発生する可能性があります。

したがって、焼入れ中の品質管理には、包括的なプロセス監視、特に加熱段階中の正確な温度制御が必要です。冷却段階では、媒体の温度、濃度、循環速度を安定に保つ必要があります。部品の残留応力を除去するために、焼き入れ直後に焼き戻しが必要です。

量産中は、金属組織と硬度勾配のスポットチェックを定期的に実行する必要があります。重要な部品に対して非破壊検査を使用して亀裂を検出できます。

 

材料の適合性とプロセスの選択

 

材料間の組成の違いにより、焼入性、マルテンサイト変態開始温度、臨界冷却速度が異なります。したがって、材料の特性に基づいて特定の焼入れプロセスを選択する必要があります。

低{0}}炭素鋼と低{1}}構造用鋼は焼入れ性が比較的低いため、部品の表面硬度と耐摩耗性を向上させるために、一般に水または二液焼入れで焼入れされます。-

-中炭素焼き入れ焼き戻し鋼では、中心部を完全に硬化させる必要があるため、変形や割れを避けるために一般に油焼き入れまたは急速油焼き入れが使用されます。

高炭素工具鋼は過熱しやすく、変形の可能性が高くなります。{0}したがって、ステップ焼入れまたは低温アルカリ浴焼入れを使用できます。

H13 などの高合金ダイス鋼は優れた焼入れ性を備えているため、ガス焼き入れまたは高温塩浴で焼き入れして歪みを最小限に抑えることができます。-

浸炭されたワークピースは特に高い中心部の靭性を必要とするため、直接焼き入れまたは塩浴での焼き入れのいずれかの比較的低い温度が必要です。

ステンレス鋼と高速度鋼は、亀裂や炭化物の析出を防ぐために予熱と塩浴焼き入れが必要です。

焼入れは複雑かつ重要なプロセスであるため、材料特性、部品の形状、操作条件に基づいて適切な焼入れ方法を選択する必要があります。

焼入れでは、一貫した信頼性の高い製品品質を確保しながら、望ましい微細構造と特性を達成するために、加熱および冷却プロセスを厳密に制御する必要があります。