焼入れとは何か、そしてその方法がなぜ重要なのか
焼き入れとは、鋼をオーステナイト化温度から急速に冷却し、オーステナイトを部分的または全体的にマルテンサイトに変態させ、硬い構造を生成することです。結果は 2 つのことに依存します。1 つは鋼の化学的性質、特にグレードの炭素含有量と焼入れ性、もう 1 つは冷却中の熱の抽出方法です。冷却が遅すぎると、必要な硬度に達しません。冷却が激しくまたは不均一すぎると、表面と中心の温度差により応力が発生し、部品が歪んだり亀裂が入ったりします。したがって、焼き入れ方法の選択は、必要な硬度の深さと部品が許容できる歪みとのバランスを考慮して行う必要があります。
単一中焼入れ
部品は最初から最後まで 1 つの媒体で冷却されます。水、ポリマー溶液、油、溶融塩、高圧ガスがすべて使用されますが、選択は鋼の焼入れ性と断面サイズによって決まります。水は抽出が最も速く、低および中程度の硬化性鋼に適しています。一方、油は冷却速度が緩やかで、水中で亀裂が生じる合金鋼に使用されます。単一媒体焼入れの利点は、シンプルで機械化が容易であり、大量生産に適していることです。制限は、冷却速度が固定されているため、同じ部品の薄い部分と重い部分に同じ曲線が適用され、そこから歪みが始まることです。
デュアル中焼入れ
部品は強い媒体中でマルテンサイト形成の開始温度を超える温度まで急速に冷却され、その後、より穏やかな媒体に移されて冷却が終了します。水の後に油が続くというのが古典的な組み合わせです。その目的は、鋼が最も柔らかいが応力に最も耐えられない危険な温度範囲を回避し、マルテンサイト変態をより穏やかに完了させることです。デュアル媒体焼入れは、単一媒体では許容できない歪みや亀裂が発生する複雑な形状や不均一な断面の部品に使用されます。-実際の難しさは移動のタイミングです。部品の移動が早すぎると、完全な硬度に達しません。移動が遅すぎると亀裂が発生する可能性があります。このタイミングの感度が、段階的手法が開発された理由です。
段階的焼入れおよびマーテンパリング
段階的焼入れでは、部品を塩浴またはアルカリ浴に急速に冷却し、その温度をマルテンサイト形成の開始付近に保ち、その温度が断面全体で均一になるまで短時間、通常は 2 ～ 5 分間保持し、その後取り出して空冷します。マルテンサイト変態が始まる前に断面全体をほぼ同じ温度にするということは、変態とそれに伴う体積変化が部品全体でほぼ同時に起こることを意味し、内部応力と歪みや亀裂のリスクが大幅に軽減されます。初期の実践では、浴はマルテンサイト開始温度をわずかに上回る温度に保たれていました。改善された実践により、現在はそれをわずかに下回る水準に保たれており、経験によれば、グレーディング温度を低くすると、硬度と低歪みのより良い組み合わせが得られることがわかっています。摂氏 160 度近くの浴中で急冷された小型の高炭素鋳型は、よく確立された例です。
等温焼入れおよびオーステンパリング
等温焼入れでは、部品をマルテンサイト開始温度より高い低いベイナイト温度範囲に保持された塩浴に移し、ベイナイト変態が完全に終了するのに十分な時間保持します。取り外すと、部品は構造をさらに変化させることなく空気中で冷却されます。その結果、強度、硬度、靱性、耐摩耗性の有用な組み合わせを備えた下部ベイナイト構造が得られ、マルテンサイト変態が起こらないため、歪みが著しく低くなります。オーステンパリングは中炭素鋼および高炭素鋼に適用され、現実的な時間内でベイナイト範囲に入ることができます。低炭素鋼は、変態が遅すぎて浴中で完了できないため、通常はオーステンパ処理されません。
主な手法の比較
| 方法 | 冷却シーケンス | 主なメリット | 主なリスクまたは制限 |
|---|---|---|---|
| 単一媒体 | 全体を通して 1 つのメディア | シンプル、再現可能、自動化が容易 | セクションごとに 1 つの固定冷却速度 |
| デュアルメディア | 強い中程度、次に穏やかな中程度 | 複雑な形状や断面にも対応 | 転送タイミングに敏感 |
| 段階的 | 強い中程度、熱い浴槽に入れてゆっくり冷ます | 歪みが少なく、クラックのリスクが低い | 制御された温浴が必要 |
| 等温 | ベイナイト範囲の温浴、その後空気 | 靭性に優れ、歪みが少ないベイナイト構造 | 適切な炭素レベルとセクションに制限 |
| 表面とスプレー | 表面のみの局所冷却 | 柔らかくて丈夫な芯を備えたハードケース | 硬化深さは処理時間によって制御する必要がある |
関連する方法としての表面硬化
部品の作業面のみを硬くする必要がある場合、部品を局所的に加熱し、部分的な操作として焼き入れすることができます。高周波焼入れと火炎焼入れは表面温度を上昇させ、その後表面に水またはポリマーをスプレーして、柔らかくて丈夫なままのコア上に硬化したケースを生成します。ケースの深さは、誘導電流の周波数と加熱時間と急冷時間によって制御されます。このアプローチは、コアの靭性を犠牲にすることなく耐摩耗性が必要とされるシャフト、ロール、レールに一般的です。
方法の選択
プロセスからではなく、コンポーネントから開始します。必要な硬度とケースまたは貫通深さ、鋼の焼入れ性、最大断面、その後の研削代が吸収できる歪み、および形状の亀裂リスクを確立します。低焼入性鋼の薄くて均一な部品は、通常、1 回の中程度の焼入れで満足されます。急激な断面変化を持つ複雑な部品の場合は、二重中焼入れまたは段階的焼入れが適しており、適度な硬度と組み合わせた靭性が目的の場合は、等温焼入れを評価する価値があります。どのような場合でも、プロセスは、浴温度、保持時間、撹拌、および実際に達成された冷却曲線を記録する制御計画によってサポートされなければなりません。これは、方法の名前ではなくこれらの変数が結果を決定するためです。
よくある質問
Q: 焼入れ方法は何通りありますか?
4 つの古典的な方法は、単一媒体、二重媒体、段階的焼入れ、および等温焼入れです。高周波焼入れ、火炎焼入れ、スプレー焼入れなどの表面処理方法は、表面層のみが硬化されるため、通常は別のグループとして扱われます。
Q: 段階焼入れとオーステンパの違いは何ですか?
段階的焼入れでは、マルテンサイト開始温度付近で冷却を一時的に停止し、空冷中に部品をマルテンサイトに変態させます。オーステンパリングでは、ベイナイト変態が完了するのに十分な時間部品をベイナイト範囲に保持するため、マルテンサイトはまったく形成されません。
Q: 合金鋼の水焼入れはなぜ危険なのですか?
水は非常に早く熱を奪うため、表面は核よりはるかに先に収縮し、内部応力が大きくなります。焼入性の高い合金鋼は断面全体でマルテンサイトに変態する可能性があり、高応力と硬くて脆い構造の組み合わせにより亀裂が発生します。
Q: 段階的焼入れにおける保持時間の役割は何ですか?
このホールドにより、マルテンサイト変態が始まる前に、セクション全体で温度を均一にすることができます。短すぎると中心がまだ熱いため、変形が不均一に始まります。長すぎると、パーツがお風呂の中で変形し始めて、目的が果たせなくなる可能性があります。
Q: 歪みなく焼入れできますか?
完全にではありません。冷却は完全に均一ではないため、多少の形状変化は避けられません。方法の選択、治具の設計、撹拌制御、および十分な研削代の目的は、完成品の許容範囲内に歪みを抑えることです。
Q: 繰り返し可能な焼入れプロセスでは何を記録する必要がありますか?
鋼のグレードと熱数、オーステナイト化の温度と時間、媒体とその温度、撹拌速度、媒体間の移動時間、保持時間、セクション全体の最終硬度調査。
