アルミニウムは軽量で腐食しにくいため、ほとんどの人がアルミニウムを選びます。しかし、だからといって、特に高ストレスや高熱の状況において、アルミニウムが常に必要な性能を発揮するとは限りません。より優れた強度や靭性を必要とする部品を設計する場合、未処理のアルミニウムでは不十分な場合があります。アルミニウムは金属の挙動を変化させ、長持ちさせる必要のある部品に適しています。
熱処理は鉄鋼だけのものではない。特に強度が重要な構造部品や可動部品では、アルミニウムにもメリットがあります。ここでは、その方法と、使用する価値がある理由を説明します。
アルミニウム熱処理とは？
熱処理とは、アルミニウムを特定の方法で加熱し、冷却する工程である。その目的は、金属の内部構造を変化させることです。この変化は、金属の硬度、強度、柔軟性に影響を与えます。
金属は設定された温度範囲を通過する。その後、空冷、水冷、徐冷のいずれかを行う。それぞれの方法で異なる結果が得られます。選択はアルミニウムの種類と部品の用途によります。
アルミニウムは内部に結晶構造を持っている。金属を適切な温度に加熱すると、原子が移動し始める。金属をその温度に保つことで、内部で変化が起こる。
次に、冷却がこれらの変化を固定する。急冷（クエンチング）は原子を新しい状態に閉じ込める。冷却が遅いと、原子は安定した形に落ち着きます。さらに硬度や強度を高めるために時効処理を加えることもある。
アルミニウム合金の分類
アルミニウム合金には多くの種類があります。それぞれのタイプは、製造方法や熱への反応によって異なる挙動を示します。違いを知ることで、仕事に適した材料を選ぶことができます。
鍛造アルミニウム合金と鋳造アルミニウム合金の比較
錬合金は圧延、押出、鍛造によって作られる。強度が高く、表面仕上げが良い。板、棒、構造部品などの製品に使用される。
鋳造合金は鋳型に流し込む。複雑な形状に適していますが、表面欠陥が多くなる場合があります。ハウジングやブラケットなどの部品に使用されます。
鍛造合金は鋳造合金より強いことが多い。鋳造合金は細かい形状の部品に適しています。
熱処理可能合金と非熱処理可能合金
熱処理可能な合金は、加熱と冷却によって強度を増すことができる。これには2XXX、6XXX、7XXX シリーズが含まれる。これらは析出硬化と呼ばれるプロセスから強度を得ている。
非熱処理合金は熱で強化することができない。その代わり、冷間加工によって硬化させる。これには1XXX、3XXX、4XXX、5XXXシリーズが含まれる。これらは、高強度は要求されないが耐食性が要求される場合によく使用される。
一般的なアルミニウムシリーズとその特徴
- 1xxxシリーズ:純アルミニウム。非常に柔らかい。耐食性、熱伝導性に優れる。熱処理不可。
- 2xxxシリーズ:アルミニウムと銅の合金。強度が高い。熱処理可能だが耐食性は低い。
- 3xxxシリーズ:アルミニウム-マンガン。良好な成形性と耐食性。非熱処理可能。
- 5xxxシリーズ:アルミニウム-マグネシウム。強靭で耐食性に優れる。熱処理不可。
- 6xxxシリーズ:アルミニウム-マグネシウム-シリコン。強度と耐食性のバランスが良い。熱処理可能。
- 7xxxシリーズ:アルミニウム-亜鉛。強度が非常に高い。熱処理可能だが 溶接.
基本的な熱処理プロセス
熱処理方法によってアルミニウムの変化は異なります。あるものはアルミニウムを 形にする.他は私たちにとって難しい。適切なプロセスを選択するかどうかは、部品の機能によって異なります。
アニーリング
アニーリング アルミニウムを軟化させる。そうすることで ベンド を、ひび割れすることなく形成することができる。また、寒冷な気候からくるストレスを和らげる効果もある。このステップは、成形や機械加工の前に有効です。
アルミニウムは通常、570°F～770°F (300°C～410°C)の温度でアニールされる。金属はその温度に保たれた後、ゆっくりと冷却される。炉冷が一般的である。この徐冷により、金属は柔らかく保たれる。
溶液熱処理
この工程では、合金元素が溶解するまで合金を加熱する。これにより均一な固溶体が作られます。適切な温度に保持することで、元素がよく混ざるようになります。
溶体化熱処理温度は通常、890°F～980°F (475°C～530°C)である。金属は、部品の厚さにもよりますが、この温度で最大数時間浸漬されます。溶融や不均一な処理を避けるためには、正確な温度管理が重要です。
焼き入れ
溶体化熱処理後、部品は急速に冷却される。このステップで、溶解した元素をその場に閉じ込める。最も一般的な媒体は水です。合金や部品の形状によっては、空気やポリマー溶液も使用されます。
合金の中には冷却が遅すぎて不要な相を形成するものがある。これらは急冷感受性合金と呼ばれる。2xxxおよび7xxxシリーズの合金は特に敏感です。速い焼き入れは、後の時効処理に適切な組織を維持するのに役立ちます。
エージング（析出硬化）
焼入れの後、時効は合金をより強くする。自然時効は室温で起こる。人工時効は熱を利用して時効を早め、結果をコントロールする。
自然熟成には数日かかる。人工時効は240°F～375°F（115°C～190°C）の温度で数時間行う。各合金には、最高の強度を得るための理想的な時効時間と温度があります。
特殊な熱処理方法
アルミニウム部品の中には、適切な強度や安定性を得るために特別な処理が必要なものがあります。これらの特殊な方法は、内部応力の制御、構造の改善、硬度の微調整に役立ちます。
T5およびT6焼戻しの説明
T5とT6は、熱処理後に行われる一般的な焼戻し処理である。T5とは、部品を高温処理から冷却し、人工的に時効処理を施すことを意味する。溶体化熱処理は行わない。
T6とは、溶体化熱処理、焼入れ、人工時効を経た部品を意味する。T5よりも強度が高い。T6は、構造部品、フレーム、応力下で持ちこたえなければならない部品に広く使用されている。
鋳造アルミニウムの均質化
均質化は主にアルミニウム鋳造に使用される。偏析を減らし、金属の均一性を向上させます。
この工程では、鋳物を融点ぎりぎりの高温まで加熱する。これにより、鋳造中に分離する合金元素を均一にすることができる。この処理により、次のようなさらなる処理に対する金属の反応が改善されます。 突出部 または機械加工。
安定化治療とストレス緩和治療
安定化は、部品が使用中に変化する温度にさらされる場合に使用される。歪みの防止に役立ちます。
応力除去は、成形や機械加工中に蓄積された内力を除去する。これは、部品を適度な温度まで加熱し、ゆっくりと冷却することで行われます。
装置とプロセス制御
優れた熱処理は、適切な道具を使用し、工程を厳密に管理することにかかっている。これを怠ると、結果にばらつきが出たり、予想外の結果になったりします。
炉と暖房システム
ほとんどのアルミニウム熱処理は電気炉またはガス炉で行われます。バッチ炉は単一負荷を処理します。連続炉はベルトやトラックで部品を移動させます。
加熱量、部品サイズ、加熱ニーズによって選択します。炉は部品を均一に加熱し、サイクル全体を通して適切な温度を維持しなければなりません。
温度均一性とモニタリング
負荷全体を適切な温度に保つことが重要です。バッチの一部分でも温度が低かったり高かったりすると、処理は適切に機能しません。
熱電対と制御システムは、温度のチェックと維持に役立ちます。均一な加熱により、どの部品も同じ強度と構造に達することができます。
酸化を防ぐ雰囲気制御
アルミニウムは大気中で加熱されると酸化します。これにより表面が粗くなり、強度や外観に影響を与えることがあります。
窒素やアルゴンのような制御された雰囲気を使用することで、酸化を抑えることができる。場合によっては、加熱前に保護コーティングやラップを加えることもある。
機械的および物理的特性の向上
熱処理はアルミニウムの挙動を変化させます。熱処理は強度を高めるだけでなく、曲げやすさ、見た目の美しさ、損傷のしにくさにも影響します。
強度と硬度の向上
熱処理されたアルミニウムは、未処理のものよりもはるかに強度が増します。溶体化処理や時効処理などの処理により、硬度と引張強度が向上します。
これは、荷重がかかり、摩耗に耐え、厳しい公差を保持する必要がある部品に有効である。6xxxや7xxxのようなシリーズは、この種の強化によく対応する。
熱処理後の延性と成形性
強度が上がる一方で、延性は下がる可能性がある。つまり、処理後の素材は曲げたり成形したりするのが難しくなる。
焼きなましのような一部の熱処理は、その逆を行う。アルミニウムをより柔らかく、より成形しやすくします。適切な処理を選択するかどうかは、成形が必要な部品か、強度を維持しなければならない部品かによって決まります。
表面仕上げと耐食性の変化
熱処理は表面の外観に影響を与えることがあります。処理によっては、仕上がりが黒ずんだり、粗くなったりすることがある。焼き入れをすると、跡が残ったり、わずかに反ったりすることがあります。
耐食性も変化することがある。例えば2xxxシリーズの合金は、熱処理を施すと耐食性が低下する。5xxxのように、熱処理なしでも良好な耐食性を保つものもある。
熱処理のベストプラクティス
熱処理で安定した結果を得るには、加熱と冷却だけでは不十分です。熱処理前、熱処理中、熱処理後の各工程を慎重に行う必要があります。
合金固有の処理パラメーター
各合金は熱に対する反応が異なる。適切な温度、浸漬時間、冷却方法は合金シリーズによって異なります。
例えば、6061の場合、溶体化処理には約985°Fが必要です。7075では、これとは異なる範囲が必要な場合があります。誤った設定を行うと、強度が低下したり、ひび割れが生じたりすることがあります。
処理前のクリーニング要件
加熱する前に、表面をきれいにしておく必要があります。汚れ、油分、酸化物などは、熱の流れに影響を与えます。
洗浄には溶剤、アルカリ洗浄、機械的スクラビングがある。場合によっては、弱酸性浴を使用して表面の酸化物を除去することもある。
処理後の取り扱いと保管
焼入れや時効処理後の部品は慎重に扱わなければならない。落としたり、曲げたりすると、応力が生じたり、金属組織が変化したりする可能性がある。
処理した部品は、乾燥した清潔な環境で保管してください。重いものを積み重ねないでください。
結論
アルミニウムの熱処理は、強度、耐久性、性能を向上させるための重要なプロセスです。焼きなまし、溶体化処理、焼き入れ、時効処理などの方法にはそれぞれ目的があります。適切なものを選択することは、合金、部品設計、および用途によって異なります。
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ケビン・リー
レーザー切断、曲げ加工、溶接、表面処理技術を専門とし、板金加工において10年以上の実務経験があります。シェンゲンのテクニカルディレクターとして、複雑な製造上の課題を解決し、各プロジェクトにおける革新と品質の向上に尽力しています。
