鋼材が軟らかすぎたり脆すぎたりするために、多くの部品が早期に故障したり摩耗したりする。これは、故障や安全性の問題、あるいは損失の原因となります。熱処理は、鋼の内部構造を調整することで、鋼の作用を変化させます。熱処理によって鋼材は硬くなったり、剛性が増したり、柔軟性が増したりします。しかし、熱処理鋼とは何か、どのように作られるのか、なぜ多くの産業が熱処理鋼を使用するのかを知らない人もいます。
金属を扱う、あるいはスチール部品を購入するのであれば、熱処理を施したスチールになぜ違いがあるのかを知っておく必要があります。熱処理が何をするのか、どこで重要なのかを説明しよう。
熱処理鋼とは？
熱処理鋼とは、特定の方法で加熱・冷却し、内部構造を変化させた鋼のことである。これは、凝固と冷却の間に形成される結晶粒で構成される鋼の微細構造を変化させることによって機能する。その目的は、これらの結晶粒がどのように形成され、どのように変化するかを制御することである。
このプロセスは鋼鉄に何かを加えるわけではない。その代わり、金属内部の原子を再配列させ、応力や熱の下で異なる働きをするようにする。また、鋼鉄の摩耗や衝撃への耐性を改善することもできる。
熱処理には多くの種類があり、それぞれ鋼に与える影響が異なる。非常に硬くなるものもあれば、柔軟性が増したり、切断しやすくなるものもある。
熱処理の仕組み
熱処理は、加熱と冷却を制御することによって鋼の挙動を変化させます。以下は、鋼の熱処理の主な手順と方法です：
金属の加熱
鋼の種類や処理目的にもよるが、通常は750℃～950℃（約1380°F～1740°F）。
この温度では、鋼の内部構造が変化する。原子の振動が大きくなり、自由に動くようになる。 オーステナイト柔らかく非磁性である。
ソーキング（温度保持）
目標温度に達したら、鋼材を一定時間保持し、組織を完全に変化させる。この浸漬時間は、部品のサイズと厚さによって異なる。
- 一般的なルールは、厚さ25mm（1インチ）あたり1時間。
- 12mm厚の鋼板の場合、浸漬時間は通常30分程度で十分である。
浸漬時間が短すぎると変態が不完全になり、軟らかい芯になったり硬度が不均一になったりする。しかし、浸漬時間が長すぎると結晶粒の成長が起こり、靭性が低下して鋼が脆くなる。
金属の冷却
冷却は最も重要な段階である。鋼の構造がどのように変化するかを制御し、最終的な機械的特性に直接影響を与えます。
- 水または油による焼入れ（急速冷却）は、鋼を850℃から100℃まで10秒以内に冷却し、複雑なマルテンサイト組織を形成することができる。
- アニーリング（炉での徐冷）には数時間かかることがある。これによって構造が パーライト または フェライトより柔らかく、より延性がある。
鋼材によって必要な冷却方法は異なる：
- 水冷は普通炭素鋼によく使用されるが、高合金鋼では亀裂の原因となる。
- 4140や4340のような合金鋼の場合は、油焼入れの方が時間がかかり、良い。
- 空冷は、A2工具鋼のような空気硬化鋼に使用される。
スチールの構造変化
熱処理は鋼の性質を変える。 微細構造これは、使用時の動作を制御するものである。
主な構造をいくつか紹介しよう：
| 構造 | 結成時期 | プロパティ |
|---|---|---|
| オーステナイト | 723℃以上の加熱 | ソフト、フレキシブル、非磁性 |
| マルテンサイト | 急速に急冷 | 非常に硬く、脆く、高い耐摩耗性 |
| パーライト | ゆっくり冷却 | 中硬度、良好な靭性 |
| ベーナイト | 中速で冷却 | パーライトより強靭で、マルテンサイトより脆くない。 |
治療後のステップ
熱処理後の鋼材は、最終的な用途によってまだ調整が必要な場合がある。
- 焼戻しは、脆性を減らすために焼入れの後に行われる。例えば、62HRCに硬化した工具鋼を58HRCに焼戻しすることで、耐衝撃性を向上させることができる。
熱処理プロセスの種類
熱処理は鋼の挙動を変化させる。それぞれの方法は、望ましい結果を得るために異なる方法で加熱と冷却を行います。
アニーリング
焼きなましは鋼を軟化させ、加工しやすくする。この処理では、鋼は通常500℃から700℃（材料によってはそれ以上）の温度までゆっくりと加熱され、炉内で非常にゆっくりと冷却されます。
徐冷により、鋼材内部の原子はよりリラックスした状態に移行する。これにより、以前の切断、曲げ、溶接の際に形成された可能性のある内部応力が軽減されます。また、鋼材の粒が大きく成長しやすくなるため、材料が複雑でなくなり、延性が増す。
その結果、焼きなましされた鋼は、加工が容易になる。 ベンド, ドリル、 または 機械.しかし、強度や耐摩耗性は多少損なわれる。この方法は通常、さらなる成形や切断の前に用いられる。冷間圧延鋼板、ステンレス鋼板、鋼板の加工に使われることが多い。 深絞り または スタンピング作業.
ノーマライゼーション
焼ならしは焼鈍に似ているが、冷却が速い。鋼は通常750℃から950℃の高温に加熱され、結晶粒組織がオーステナイトに変化する変態点を超える。その後、炉の中ではなく、大気中で冷却される。
この速い冷却により、鋼の結晶粒が細かくなる。細粒組織は、強度、靭性、均一な機械的特性を向上させます。また、前工程で生じた不均一な加熱や加工硬化の影響を取り除くのにも役立ちます。
焼ならし鋼は、焼なまし鋼よりも強度が高いが、柔軟性は保たれている。エンジンシャフト、コネクティングロッド、鋳鋼部品など、安定した荷重や振動に直面する部品によく使用される。
硬化
焼入れは、鋼材を非常に硬く強くする必要がある場合に行われる。このプロセスでは、鋼を高温に加熱する。鋼の種類にもよるが、通常は800℃から900℃の間である。その目的は、内部構造をオーステナイトに変化させることである。
一度加熱された鋼は、水や油などの冷却液で急速に冷却される。この急激な温度低下により、組織がマルテンサイトに変化し、非常に硬く強度が増す。しかし、マルテンサイトは脆く、衝撃を受けると割れることがある。
焼き入れは主に、工具、ナイフ、ダイ、パンチ、または激しい摩耗に耐える必要のある部品に使用される。しかし、焼入れは鋼を脆くするため、ほとんどの場合、焼戻しの後に行われる。
焼き入れ
焼戻しは、焼入れの後工程である。マルテンサイトに起因する脆さを軽減します。この工程では、硬化した鋼をより低い温度（通常は150℃から650℃）まで再加熱し、その後、制御された速度で再び冷却します。
この工程により、内部応力の一部が緩和される。硬度はわずかに低下しますが、衝撃を吸収したり、急激な力を受けたりしても折れることなく処理する能力が高まります。正確な温度と時間は、どの程度の硬度と靭性が必要かによって異なる。
焼戻し鋼は、硬度と靭性のバランスが取れた鋼です。割れることなく衝撃を受けなければならないバネ、構造サポート、工具、機械部品などに使用される。
鋼材特性に及ぼす熱処理の影響
熱処理は、鋼材が実際に使用される際の挙動を変化させます。熱処理は金属の内部構造を変化させ、強度、柔軟性、寿命に影響を与えます。
強度と硬度
熱処理は鋼をより強く、より硬くすることができる。焼き入れや焼き戻しのような方法は、圧力に耐え、摩耗に抵抗する能力を高める。
強度の高い鋼は、酷使されても形状を保ちやすいため、切削工具や金型、高負荷のかかる機械部品に有用です。
しかし、鋼が硬くなりすぎると脆くなることもある。そのため、焼き入れの後に焼き戻しが行われることが多い。この工程を経ることで、強度を保ちながら柔軟性を取り戻すことができる。
延性と靭性
延性とは、鋼材が破断するまでにどれだけ曲げたり伸ばしたりできるかということ。靭性とは、衝撃や急激な力にどれだけ耐えられるかを示す。
焼きなましや焼きならしといった工程は、その両方を改善するのに役立つ。これらの工程は鋼を柔らかくし、ひび割れを起こしにくくする。
タフネスは次のような部品に不可欠である。 フレーム, 括弧またはサポート。これらの部品はしばしば衝撃や揺れにさらされる。十分な靭性がないと、突然の応力で鋼材が破損する恐れがある。
耐摩耗性と耐腐食性
通常、硬い鋼材ほど磨耗が遅い。そのため、工具や金型などの熱処理を施した部品は、未処理のものよりも長持ちすることが多い。
熱処理は、特に他の保護コーティングと組み合わせることで、耐錆性の向上にも役立ちます。完全な腐食対策にはなりませんが、過酷な環境下で鋼材をより安定させることができます。
微細構造の変化
最も大きな変化は鋼の内部で起こる。熱処理は金属の結晶粒組織を調整する。
マルテンサイト、パーライト、ベイナイトのような異なる形態は、鋼に異なる性質を与える。これらの変化は、鋼の強度、柔軟性、難易度を左右する。
熱処理鋼の工業用途
熱処理鋼は、強度、耐久性、耐摩耗性が重要な多くの産業で使用されています。このプロセスは、余分な重量やコストを追加することなく、性能のニーズを満たすのに役立ちます。
自動車部品
多くの自動車部品は、応力、衝撃、熱に対処するために熱処理を受ける。一般的な例は以下の通り：
- ギア
- アクスル
- クランクシャフト
- サスペンション部品
焼き入れはこれらの部品に摩耗に耐える強度を与え、焼き戻しはひび割れすることなく衝撃を吸収するのに役立つ。その結果、寿命が延び、路上でのパフォーマンスが向上する。
航空宇宙
航空機部品は、強靭でありながら軽量でなければならない。熱処理鋼はそのために使用される：
- 着陸装置
- エンジン部品
- ファスナーとブラケット
これらの部品は極度の圧力、振動、温度変化にさらされます。熱処理は、飛行中の安全性を維持するために必要な靭性と安定性を与えます。
建設・重機
構造用鋼、機械フレーム、および耐荷重部品はすべて、熱処理から恩恵を受けます。熱処理は、荷重強度を向上させ、破損を減少させます：
- クレーン
- 掘削機
- 建物サポート
- 溶接構造
強靭で信頼性の高い鋼鉄は、これらの機械が損傷することなく、より長く働き、より大きなストレスに対応できることを意味する。
金型製造
切削工具、ダイス、金型は、繰り返し使用する間、その形状を保持するために焼き入れを行う。例えば、以下のようなものがある：
- ドリルビット
- パンチ
- 射出成形金型
- プレスツール
熱処理された鋼は、鋭い刃先を長く保ち、力が加わっても割れることがありません。これにより工具の寿命が延び、生産がスムーズになります。
熱処理鋼と非熱処理鋼の比較
熱処理鋼と非熱処理鋼のどちらを選択するかは、部品の使用目的によって異なります。それぞれの選択肢は、強度、コスト、耐久性においてトレードオフの関係にあります。
過酷な環境下での性能
熱処理鋼は過酷な条件下でより優れた性能を発揮します。この鋼は、次のような用途に使用できる：
- 高負荷
- 摩擦
- インパクト
- 熱
熱処理されていない鋼材は、応力がかかると曲がったり、摩耗したり、ひびが入ったりすることがあります。常に動き続ける部品や極端な高温にさらされる部品には不向きです。熱処理は、このような環境下で長持ちする強度と安定性を鋼に与えます。
コストと寿命
熱処理を施した鋼材は、その工程に時間、労力、設備がかかるため、初期費用は高くつくが、長期的には元が取れる。
処理された部品は長持ちし、故障が少なくなり、交換や修理の必要性が減ります。これにより、特に機械、車両、工具の部品について、長期的なコストを削減することができます。
非熱処理鋼は安価かもしれないが、磨耗が早い。重要な部品の故障は、ダウンタイムや損傷につながる可能性がある。
重量対強度比
熱処理は、重量を増やすことなく鋼の強度を向上させます。これにより、エンジニアは強度目標を達成しながら、より薄く、より小さな部品を使用することができます。
これは、自動車や航空宇宙産業など、軽量化によって燃料使用量や性能が向上する産業で役立つ。
非熱処理鋼は、その強度に見合うだけの嵩を必要とするため、重量が増し、場所を取る。
結論
熱処理鋼は未処理の鋼よりも強く、複雑で、信頼性が高い。応力下でより優れた性能を発揮し、長持ちし、様々な産業用途に適合します。自動車や航空宇宙から重機械や工具に至るまで、熱処理は鋼材が実環境の要求を満たすのに役立ちます。
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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。
