熱処理工程 – 解説
金属または合金の機械的特性は、熱処理と呼ばれる製造プロセスを適用することにより、必要な要件に合わせて強化または成形できます。所望の特性を得るために、製造プロセスのさまざまな段階で熱処理が使用されます。試験片を機械的に強くまたは硬くするために使用できます。制御された雰囲気下で実施すると、試験片の延性と可鍛性を高めることができます。溶接や鍛造などの金属加工により、試験片の特性が変化することがあります。その結果、熱処理を使用して、試験片の特性を作業前の状態に戻すことができます。
金属または合金の機械的特性を変更する際の重要な考慮事項は、さまざまな好ましい特性の間で妥協を行う必要があるという事実です。一般に、1 つのプロパティを強化すると、別の望ましい属性が失われます。たとえば、試験片をより強くまたはより硬くすると、延性が失われる可能性があり、その結果、材料はより脆くなります。同様に、応力を除去すると、材料の延性が高まりますが、強度は低下します。
熱処理工程 – 作業
金属とその合金は、結晶格子と呼ばれる小さな単位で構成される結晶構造を持っています。これらの格子が成長して結晶粒を形成します。これらの粒子の方向とサイズは、材料の機械的および物理的特性にとって重要です。粒径が小さいほど、より弾力性があり、より強く、より靭性のある試験片が生成されますが、粒径が大きいほど、引張強度が低い延性材料になります。したがって、製造プロセスの環境を制御することで、粒子の成長を操作し、その結果、材料の特性を操作できるようになります。この操作は、金属または合金の試料を極端な温度まで加熱することを含む熱処理プロセスによって行うことができます。この温度は、時には 2400F に達することもありますが、通常はその融点未満です。この加熱された材料は、この高温でしばらく保持され、冷却されます。したがって、熱処理プロセスを注意深く監視および制御することで、望ましい特性を備えた材料を得ることができます。
熱処理プロセス – 段階
必要な特性を得るには、熱処理プロセスを慎重に実行する必要があります。熱処理プロセスの成功を左右するパラメーターは、プロセスに含まれる 3 つの段階です。
- 暖房
- 浸漬
- 冷却
I.加熱：
熱処理プロセスの最初の段階は、材料を特定の高温に加熱することです。加熱プロセスは、材料の微細構造に変化をもたらし、その結果、特性の変化が起こるため、重要です。材料試験片全体の温度勾配を取り除くために、加熱はゆっくりと徐々に行う必要があります。急速に実行すると、格子に熱衝撃が発生し、格子が脆くなり、破損しやすくなります。加熱要件は、いくつかの要因に依存し、試験片ごとに異なります。加熱温度に影響を与える要因のいくつかは次のとおりです。
- 材料の伝導率: 材料の伝導率が高いほど、熱伝達が速くなります。
- 材料の既存の状態: 溶接または鍛造のように前処理された試験片は、熱応力が強化されるため、加熱を遅くする必要があります。
- 試験片の形状: 不規則な断面の試験片は、小さいまたは通常の形状の試験片よりもゆっくり冷却する必要があります。
Ⅱ．浸漬：
熱処理プロセスの次の段階は浸漬段階です。これには、加熱した試料を一定時間高温に保つことが含まれます。この段階で内部の結晶格子と粒子が最終的な形状になるため、浸漬段階は材料の最終的な機械的特性にとって重要です。結晶性金属または合金の微細構造は、材料が浸漬される時間に応じて成長します。
浸漬時間は、熱処理プロセスを受ける材料の形状にも依存します。断面が大きい材料は、結晶格子全体に熱が拡散できるように、より長い浸漬時間を必要とします。反対に、面積が小さく規則的な形状の材料は、浸すのに長時間を必要としません。
III.冷却：
金属または合金の熱処理の次の最終段階は、加熱された材料を通常の室温に戻すことです。このステップは、材料の最終的な特性にとっても重要であり、慎重に実行する必要があります。冷却速度は、最終製品の硬度、強度、および延性を決定します。迅速に実行すると、より硬く強い材料が得られますが、延性が損なわれます。ただし、冷却速度を遅くすると延性のある材料が得られますが、強度は低くなります。
もう 1 つの重要な考慮事項は、冷却媒体です。冷却は、油、水、ブラインなどの冷却媒体を導入することによって実現するか、気流の作用によって行うことができます。冷却媒体の選択は、所望の最終特性に加えて、熱処理プロセスを受ける材料のタイプにも依存します。不適切な冷却媒体は、材料の反りやひび割れを引き起こす可能性があります。したがって、材料のクーラントを選択する前に、広範な調査を行う必要があります。
熱処理工程 – 技術
上記の段階を制御すると、さまざまな特性が得られるため、望ましい特性を備えた材料を得るために、以下に述べるさまざまな熱処理技術があります。
- アニーリング
アニーリングは、通常、結晶化温度を超える温度で実行される熱処理プロセスであり、その後、通常は空気によって低速で冷却されます。この方法は、一般に、金属または合金の延性が必要であり、硬度を下げたい場合に好まれる。これにより、冷間加工用の金属またはその合金が準備されます。また、冷間加工により発生した応力や転位は、アニール技術を用いた熱処理により除去することができる。
アニーリングは、実行される場合、最初に結晶の結晶化温度を超えて加熱することによって既存の結晶格子と粒子構造を破壊し、次に微粒子構造を徐々に成長させます。したがって、転位を取り除き、延性を高めます。 - ケース硬化
表面硬化は、金属または合金の硬度を高めるために使用される熱処理プロセスのもう 1 つの技術です。この技術は、他の熱処理プロセスとは対照的に、コアの機械的特性を変化させずに維持しながら、材料の外面のみを硬化させます。この技術は費用対効果が高く、コアの延性を損なわずに硬化した外観を提供するため、他の熱処理方法よりも好まれる場合があります。
肌焼きは、高温に加熱した後、浸漬することによって行われますが、冷却は急速に行われます。この急冷技術では、急激な冷却によって内部結晶構造の微細構造が変化することはありません。水や油などの冷媒中で急冷することにより、急冷が可能です。 - 焼き戻し
場合によっては、焼入れと急冷によって材料を硬化させた後、別の熱処理技術を使用して材料の硬度を下げ、靭性を高めます。硬化プロセスは、時には望ましくない特性である材料の脆性をもたらし、材料の有用性を妨げる可能性があります.したがって、焼き戻しは、硬度と脆性を下げて試験片の延性を高めるために使用されます。
焼き戻しは通常、急冷された材料を通常臨界温度より低い温度に再加熱することによって行われます。次に、この加熱された材料を空冷します。その結果、硬度がわずかに低下し、材料の延性が増し、脆くなりにくくなります。 - 硬化による
貫通硬化は、材料の硬度を向上させるため、表面硬化に似ています。ただし、表面硬化とは対照的に、この熱処理プロセスは、外部だけでなく、試験片全体で材料を硬化させます。
熱処理工程 – 仕様
通常、熱処理工程を行う場合、加工技術だけでは製品を完全に理解することはできません。必要な最終特性を正しく理解するには、特定の仕様が必要です。これらの仕様は次のとおりです。
- ケース硬化：
一般に、肌焼熱処理工程を行う場合、有効硬化層深さと総硬化層深さの2種類の仕様があります。
熱処理後の薄いケースでは、効果的な硬化深度仕様が使用されます。彼らは、表面からの炭素拡散の深さに言及しています。より厚いケースの場合、ケースの合計深さが指定されます。外装からケース内までの距離を測り、硬度レベルを表します。これらの硬度レベルは通常、ロックウェル スケール B (HRB) で表されます。 - 硬化により
貫通硬化は通常、硬度レベルによって指定されます。これらのレベルは、通常、均一なレベルの硬度を達成することは形状を変更することが難しいため、許容範囲として表されます。ロックウェル硬度スケール C (HRC) を使用して硬度レベルを登録します。 - アニーリング
アニーリングは、ロックウェル硬さスケール C (HRC) によっても指定されます。