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金属熱処理とは?

金属の熱処理は、機械製造における重要なプロセスの XNUMX つです。 他の処理技術と比較して、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、ワークピースの内部微細構造を変更するか、ワークピースの表面の化学組成を変更することにより、パフォーマンスを付与または改善します。ワークピース。 その特徴は、一般的に肉眼では見えないワークの本質的な品質を向上させることです。 ある人が言うように、機械加工は手術であり、熱処理は医療であり、国の製造業のコア競争力を表しています。

金属熱処理

技術プロセス

熱処理工程は、一般的に加熱・保温・冷却のXNUMX工程からなり、加熱・冷却のXNUMX工程のみの場合もあります。 これらのプロセスは相互に接続されており、中断することはできません。

加熱

(暖房)

金属が加熱されると、ワークピースは空気にさらされ、酸化と脱炭が頻繁に発生します(つまり、鋼部品の表面の炭素含有量が減少します)。これは、後の部品の表面性能に非常に悪影響を及ぼします熱処理。 その結果、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パッケージング方法によって保護することもできます。

加熱温度は、熱処理プロセスにおける重要な技術パラメータの XNUMX つです。 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な問題です。加熱温度は、処理する金属材料と熱処理の目的によって異なりますが、一般的には相転移温度以上に加熱して熱処理を行います。高温組織を得る。さらに、変換には一定の時間がかかるため、金属加工物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、この温度に一定時間保持する必要があります。一貫性があり、微細構造は完全に変化します。 この時間を保温時間といいます。

保温 (2)

(保温)

高エネルギー密度加熱や表面熱処理を用いる場合、加熱速度が非常に速く、一般的に保温時間が無いのに対し、化学熱処理は保温時間が長くなることが多いです。

冷却

(冷却)

熱処理工程においても冷却は欠かせない工程です。 冷却方法はプロセスごとに異なり、主に冷却速度を制御します。

プロセス分類

金属の熱処理技術は、一体熱処理、表面熱処理、化学熱処理のXNUMX種類に分けることができます。 異なる熱媒体、加熱温度、および冷却方法に応じて、各カテゴリはいくつかの異なる熱処理プロセスに分けることができます。 異なる微細構造は、同じ金属に対して異なる熱処理プロセスによって得られるため、異なる特性を持っています。 鉄鋼は業界で最も広く使用されている金属であり、鉄鋼の微細構造は最も複雑であるため、鉄鋼の熱処理技術にはさまざまな種類があります。

一体型熱処理は、ワークピースを全体的に加熱してから適切な速度で冷却して、必要な金属組織を取得し、全体的な機械的特性を変更する金属熱処理プロセスです。 鉄鋼の熱処理全般には、大きく分けて焼鈍、焼ならし、焼き入れ、焼き戻しのXNUMXつの基本工程、すなわち熱処理の「四火」があります。

焼入れプロセス

鋼の硬化は、鋼を Ac3 (亜共析鋼) または Ac1 (過共析鋼) を超える臨界温度まで加熱し、一定時間保持し、鋼の全部または一部をオーステナイト化してから、熱処理プロセスです。鋼は、マルテンサイト (またはベイナイト) 変態のために、臨界冷却速度よりも速く Ms 未満 (または Ms 付近の等温) に冷却されます。

工程:加熱、保温、冷却。

急冷の本質は、マルテンサイトまたはベイナイト構造を得るために、過冷却オーステナイトによってマルテンサイトまたはベイナイトが変態することです。

焼入れの目的 :(1) 鋼の剛性、硬度、耐摩耗性、疲労強度、および靭性を大幅に向上させ、さまざまな機械部品およびツールのさまざまな要件を満たすため;(2) 強磁性を満たすために焼入れを介して、耐食性およびいくつかの特殊鋼の他の特別な物理的および化学的特性。

用途: 工具、測定工具、金型、ベアリング、スプリング、自動車、トラクター、ディーゼル エンジン、切削工作機械、空圧工具、掘削機械、農業機械および工具、石油機械、化学機械など、焼入れプロセスが最も広く使用されています。 、繊維機械、航空機、その他の部品は、焼入れ工程で使用されます。

焼入れ媒体

金属熱処理 1

ワークを急冷冷却するために使用される媒体は、急冷媒体(または急冷媒体)と呼ばれます。

一般的に使用される焼入れ媒体は、水、水溶液、鉱油、溶融塩、溶融アルカリなどです。

低水

水は強力な冷却能力を持つクエンチ媒体です。

利点:ソースが広く、価格が安く、安定した構成で劣化しにくい。

欠点:冷却能力が不安定で、ワークピースが変形したり割れたりしやすい。 Cカーブの「ノーズ」部分(500~600℃付近)では、水が蒸気膜の段階にあり、冷却が十分に速くなく、「ソフトポイント」を形成します。しかし、マルテンサイトでは転移温度域 (300 ~ 100℃) では、水が沸騰段階にあり、冷却が速すぎるため、マルテンサイト転移速度が速すぎて大きな内部応力が発生し、ワークピースの変形や割れさえも引き起こす傾向があります。 水温が上昇すると、水には不溶性不純物(油、石鹸、泥など)が混ざったガスや水が多く含まれるため、冷却能力が大幅に低下します。

用途:断面サイズが小さく、形状が単純な炭素鋼ワークピースの焼入れおよび冷却に適しています。

●塩水と灰汁

適量の塩とアルカリを水に加え、高温のワークピースを冷却媒体に浸し、蒸気フィルム相で塩とアルカリ結晶を沈殿させ、すぐに破裂させ、蒸気フィルムが破壊され、ワー​​クピースの表面酸化物もブラストされ、高温領域での媒体の冷却能力を向上させますが、その欠点は腐食性の媒体です。

アプリケーション: 通常の状況下では、塩水の濃度は 10%、苛性ソーダ水溶液の濃度は 10% ~ 15% です。炭素鋼および低合金の構造用鋼ワークピースの急冷媒体として使用できます。 60℃を超える場合は、焼入れ後、適時に洗浄し、防錆処理を行う必要があります。

低油

冷却媒体は通常鉱油(鉱油)です。 油、変圧器油、ディーゼル油など。 オイルは一般的に10、20、30オイルで、オイルが大きいほど粘度が高く、引火点が高く、冷却能力が低く、対応する使用温度が高くなります。

焼入れ方法

●一液焼入れ

これは、オーステナイト化学部品を焼入れ媒体に浸漬し、室温まで冷却する焼入れ操作です。 単一液体の焼入れ媒体には、水、ブライン、アルカリ水、油、および特別に調製された焼入れ剤が含まれます。

利点: 機械化および自動化の実現を助長する簡単な操作。

短所: 冷却速度は媒体の冷却特性によって制限され、焼入れ品質に影響します。

用途: 単一液体焼入れは、単純な形状の炭素鋼ワークピースにのみ適しています。

●二液焼入れ

オーステナイト化学成分は、最初に強力な冷却能力を持つ媒体に浸漬されます。 鋼部品が焼入れ媒体の温度に達する前に、すぐに取り出して、油の前に水、空気の前に水など、冷却能力の弱い別の媒体で冷却します。二液焼入れにより、変形の傾向が減少します。クラッキングは操作をマスターするのが難しく、適用には一定の制限があります。

● マルテンサイト傾斜焼入れ

鋼のマルテンサイト点の液状媒体(塩浴またはアルカリ浴)にオーステナイト化成品を少し高温または低温の温度で浸漬し、適切な時間を保つことです。 鋼部品の内層と外層が中温に達した後、それらは空冷のために取り出され、マルテンサイト構造の焼入れプロセス(傾斜焼入れとも呼ばれます)が得られます。

利点:傾斜焼入れは、相転移応力と熱応力を効果的に低減し、傾斜温度がワークピースの内側と外側で同じ温度に保たれた後、空冷による焼入れ変形と割れ傾向を低減できます。

用途: 合金鋼および高合金鋼の変形要件の高いワークピース、および断面サイズが小さく複雑な形状の炭素鋼ワークピースに適しています。

●ベイナイト等温焼入れ

鋼部品をオーステナイト化し、等温ベイナイト化温度域(260~400℃)まで急冷してオーステナイトをベイナイトに変化させる焼入れ処理、等温焼入れとも呼ばれ、一般的な保温時間は30~60分です。

●複合焼入れ

工作物は、10% ~ 20% のマルテンサイトを得るために Ms 未満に冷却され、その後、ベイナイト温度の低い領域で等温化されました。 この冷却方法により、断面積の大きいワークのM+B構造を得ることができます。 プレクエンチ中に形成されたマルテンサイトは、ベイナイト変態を促進し、マルテンサイトを等温で焼き戻します。 合金工具鋼ワークピースの複合焼入れは、最初のタイプの焼戻し脆性を回避し、残留オーステナイト量、つまり変形と割れの傾向を減らすことができます。

テンパリング

焼き戻し工程

焼き戻しは、急冷したワークピースを下限臨界温度未満の適切な温度に再加熱し、一定期間保持した後、空気、水、油、およびその他の媒体の中で室温まで冷却する熱処理プロセスです。

焼戻しの目的:(1) 焼入れ中のワークピースの残留応力を除去して、変形や割れを防止する;(2) ワークピースの硬度、強度、可塑性、靭性を調整して、性能要件を満たす;(3) 構造を安定させる精度を確保するためのサイズ;(4)加工性能を向上させ、改善します。

焼き戻しの分類

●低温焼戻し

150~250℃でワークピースを焼戻しすることを指します。

目的:焼入れワークの高い硬度と耐摩耗性を維持し、焼入れ残留応力と脆性を低減する。

焼き戻しマルテンサイトは、低温でマルテンサイトを焼き戻すことによって得られる組織です。

用途:切削工具、測定工具、金型、転がり軸受、浸炭・表面焼入れ部品など

●適度な暑さ

350~500℃でワークピースを焼戻しすることを指します。

目的:高い弾性と降伏点、適度な靭性を得る。 焼戻しトロクタイトは、焼戻し後に得られるもので、マルテンサイトを焼戻しすることによって形成されたフェライト基地が、極微細な球状炭化物(またはセメンタイト)の複雑な相組織に分布していることを意味します。

用途:バネ、鍛造金型、インパクトツールなど

●高温焼戻し

500℃以上でのワークの焼き戻しを指します。

目的: 強度、可塑性、および靭性のより優れた総合的な機械的特性を取得すること。

焼戻し後、焼戻しソックスレーが得られます。これは、マルテンサイトを焼戻しすることによって形成されたフェライト マトリックスが、微細な球状炭化物 (セメンタイトを含む) の複雑な相組織に分布していることを意味します。

火ですか

正規化

正規化プロセス

焼きならしとは、鋼を臨界温度(完全にオーステナイト化する温度)より30~50℃高い温度に加熱し、炉から取り出して空気中または水スプレー、スプレー、スプレーで冷却する金属熱処理プロセスです。または適当な時間保持した後、エアブローを行ってください。

目的 :(1) 結晶粒微細化と炭化物分布を均一にする;(2) 材料の内部応力を除去する;(3) 材料の硬度を高める。

利点 :(1) 焼きならし冷却速度は焼きなまし冷却速度よりもわずかに速いため、得られるパーライト層状空間は小さくなり、焼きならし組織は焼きなまし組織よりも細かくなり、硬度と強度が高くなります。(2) 焼きならしの外部冷却炉を占有せず、生産性が高い。

用途: 炭素鋼、低および中合金鋼にのみ適しており、高合金鋼には適していません。 高合金鋼のオーステナイトは非常に安定しているため、空冷によってもマルテンサイト組織が生成されます。

具体的な目的

(1) 低炭素鋼および低合金鋼の場合、焼きならしにより硬度が向上し、機械加工性が向上します。

(2) 中炭素鋼の場合、焼ならし処理を焼戻し処理に取って代わり、高周波焼入れに備えることができ、鋼部品の変形と加工コストを削減できます。

(3) 高炭素鋼の場合、焼きならしによりネットワーク セメンタイト構造を除去し、球状化焼鈍を促進できます。

(4) 焼入れの代わりに焼きならしを使用して、断面が急激に変化する大型の鋼鍛造品または鋼鋳物を使用して、変形や割れの傾向を減らしたり、焼入れの準備をしたりできます。

(5) 鋼の硬化されたカウンター修理部品の場合、鋼を再焼入れできるように焼きならしすることにより、過熱の影響を排除できます。

(6) 鋳鉄に使用され、パーライト体を増加させ、鋳物の強度と耐摩耗性を向上させます。

アニーリング

アニーリングプロセス

金属または合金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(通常は炉が冷えるにつれて)熱処理のプロセスは、アニーリングと呼ばれます。

焼きなましの本質は、鋼を加熱してパーライト変態のためにオーステナイト化することであり、焼きなましされた組織はほぼバランスのとれた組織です。

アニーリングの目的:

(1)鋼の硬度を下げ、可塑性を向上させ、機械加工と冷間変形加工を容易にします。

(2)均一な鋼の化学組成と構造、結晶粒の微細化、鋼の性能の向上、または焼入れ構造の準備。

(3) 内部応力を除去し、加工硬化を起こし、変形や割れを防ぎます。

焼鈍方法

1. 完全焼鈍

プロセス: 鋼を3~20℃以上のAc30に加熱し、一定時間保持した後、ゆっくりと(炉に沿って)冷却して、ほぼバランスのとれた組織の熱処理プロセス(完全なオーステナイト化)を得る。 実際の生産では、生産性を向上させるため、500℃程度まで焼鈍冷却し、オーブンから取り出して空冷します。

目的: 結晶粒を微細化し、組織を均一にし、内部応力を除去し、硬度を下げ、鋼の機械加工性を向上させます。 完全焼鈍後の亜共析鋼の微細構造はF+Pです。

用途: 完全焼鈍は、主に亜共析鋼 (WC =0.3~0.6%)、一般に中炭素鋼、低炭素および中炭素合金鋼の鋳物、鍛造品、および熱間圧延プロファイルに使用され、溶接に使用されることもあります。

不完全なアニーリング

プロセス: 鋼を保温して徐冷した後、Ac1~Ac3(亜共析鋼)またはAc1~Accm(過共析鋼)に加熱し、平衡組織に近い熱処理プロセスを取得します。

用途:主に過共析鋼の球状パーライト構造を得て、内部応力を除去し、硬度を下げ、機械加工性を向上させるために使用されます。

3.等温アニーリング

プロセス: 鋼を Ac3 (または Ac1) よりも高い温度に加熱します。 鋼を適切な時間保持した後、パーライト域の一定温度まで急冷し、オーステナイトをパーライト化する等温保持を行った後、室温まで空冷します。

目的: 完全アニーリングと同様に、変換は簡単に制御できます。

用途: より安定した鋼に適しています: 高炭素鋼 (wc> 0.6%)、合金工具鋼、高合金鋼 (合金元素の総量 > 10%)。 等温アニーリングは、均一な構造と特性を得るためにも有益です。 ただし、等温焼なましは、ワークピースまたはバッチワークピースの内部を等温温度に到達させるのが容易ではないため、大形鋼部品および大量の装入物には適していません。

4.球状化焼鈍

工程:鋼中の炭化物を球状化して粒状のパーライトを得る熱処理工程。 1~20℃のAc30以上の温度に加熱する場合、保持時間は長すぎてはならず、一般的に2~4時間が適切です。 冷却方法は通常、炉冷または Ar20 より約 1℃低い温度で長時間等温保持します。

目的:硬度を下げ、組織を均一にし、焼入れに備えて被削性を向上させます。

用途:主に炭素工具鋼、合金工具鋼、軸受鋼などの共析鋼、過共析鋼に使用されます。球状パーライトは球状焼鈍により得られます。 球状パーライトでは、セメンタイトは球状であり、フェライト マトリックス上に細かい粒子が分散しています。 球状パーライトは、ラメラに比べ硬度が低く加工しやすく、オーステナイト粒が粗大化しにくく、焼入れ・加熱時の変形や割れが生じにくい性質があります。

5. 拡散焼鈍(均一焼鈍)

工程:インゴット、鋳物、鍛造品を固相線温度よりやや低い温度まで長時間加熱した後、徐冷して化学的不均一性を解消する熱処理工程。

目的: 凝固中のデンドライト偏析と局所偏析を排除し、組成と構造を均質化すること。

アプリケーション: 一部の高品質の合金鋼および深刻な分離合金鋼の鋳物およびインゴットに使用されます。 拡散アニーリングの加熱温度は非常に高く、通常は Ac100 または Accm よりも 200 ~ 3℃高いです。 特定の温度は、偏析度と鋼種によって異なります。 保持時間は通常10~15時間です。 拡散焼鈍後、組織を微細化するために完全焼鈍、焼ならし処理が必要です。

6.ストレスリリーフアニーリング

製法:鋼をAc1以下の一定温度(一般的に500~650℃)まで加熱し、保温した後、炉で冷やします。

ストレスアニーリング温度はA1よりも低いため、ストレスアニーリングによる組織変化はありません。

目的: 残留内部応力を除去すること。

用途:主に鋳物、鍛造品、溶接部品、熱間圧延部品、冷間引抜部品などの残留応力除去に使用。これらの応力を除去しないと、一定時間経過後に鋼材に変形や割れが発生する場合があります。またはその後の加工中。

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