4つの基本的な熱処理プロセス: 焼きなまし、焼きならし、焼き入れ、焼き戻し

熱処理の4つの火

中国の冶金学の実践では、4 つの基本的な熱処理操作 - 焼きなまし、焼きならし、焼き入れ、焼き戻し - を 4 つの火として説明しています。これらは、鋳造、鍛造、または圧延された金属を-、-、-適切な硬度、強度、靱性、寸法安定性を備えた部品に加工するために使用されるツールセットです。アニーリングと焼きならしは主に準備処理として使用されます。焼き入れと焼き戻しは、硬化したコンポーネントの機械的特性を設定する最終処理です。この記事では、各プロセス、その背後にある温度ロジック、および同じ概念がチタン合金にどのように引き継がれるのかについて説明します。

アニーリング: 軟化と均質化

アニーリングはゆっくりとしたプロセスです。金属は規定の温度まで加熱され、拡散するのに十分な時間保持された後、通常は炉内でゆっくりと冷却されます。その目的は、残留応力を除去し、その後の機械加工または成形のために材料を軟化させ、結晶粒構造を微細化し、組成を均質化することです。一般的な変形例としては、完全焼鈍 (変態範囲を超えて加熱し、徐冷して結晶粒を微細化する)、球状化焼鈍 (層状セメンタイトを球状粒子に変態させて工具鋼や軸受鋼を軟化させる)、等温焼鈍 (一定の温度に保持して均一な組織を得る)、再結晶焼鈍 (冷間引抜または圧延による加工硬化の緩和)、および応力除去焼鈍 (加熱) があります。変態範囲を下回ると、鋳物や溶接物の固定応力が緩和されます-。焼きなましされた材料は、引張試験と硬度試験によって試験されます。薄いシートとチューブは通常、ロックウェルまたは表面ロックウェル スケールで検査されます。-

正規化: 粒子の微細化と構造の標準化

正規化では、鋼を上限臨界温度 (Ac3) より 30-50 度高い温度に加熱し、短時間保持した後、静止空気中で冷却します。冷却速度は焼鈍より速く、焼入れより遅く、オーステナイト粒が微細化され、微細で均一なフェライト-パーライト構造が生成されます。利点は、強度と靱性の向上（衝撃エネルギー、AKV 値の向上）、その後の硬化における焼割れのリスクの軽減、および機械加工性の向上です。-硬度が約 HB 140-190 に正規化された低炭素鋼は、裂けるのではなくきれいに切断されます。また、正規化により、鍛造や溶接によって残った粗大なウィドマンシュテッテン構造やバンディングが除去され、過共析鋼のネットワーク状セメンタイトが破壊され、球状化のための構造が準備されます。要件が中程度である多くの中炭素構造部品では、焼きならしを行うことで完全な焼き入れ焼き戻しサイクルを低コストで置き換えることができます。-冷却は空気によって行われるため、結果は周囲温度、部品の積み重ね、およびセクション サイズ、つまり熱処理装置が制御する必要がある要素によって決まります。

焼入れ: 硬い組織内での凍結

焼入れとは、鋼を臨界温度（亜共析鋼の場合は Ac3、過共析鋼の場合は Ac1）以上に加熱して完全または部分的にオーステナイト化し、その後臨界冷却速度よりも速く冷却して、オーステナイトがフェライトやパーライトではなくマルテンサイトまたはベイナイトに変態するプロセスです。マルテンサイトは、無拡散せん断変態によって形成される硬い過飽和構造です。その硬さは炭素含有量によって決まります。焼入れの目的は、硬度と耐摩耗性 (工具、ベアリング) を高め、ばねの弾性限界を高め、焼き戻しによって回復する靭性を備えた部品を準備することです。一般的な方法は、一液焼入れ、二液焼入れ (水、次に油)、マルテンサイトとベイナイトの段階的焼入れ、等温焼入れ、局部焼入れです。急冷媒体と撹拌は、冷却力と歪みや亀裂のリスクのバランスをとるように選択されます。焼入れ直後のワークにはマルテンサイト、残留オーステナイト、大きな内部応力が含まれており、焼き戻しするまで機械的性質を利用できません。

焼き戻し：靭性の回復

焼き戻しは、焼き入れされた部品に適用される熱処理です。下限臨界点よりも低い温度まで再加熱し、保持し、制御された方法で冷却します。内部応力と脆性を軽減し、硬度、強度、可塑性、靭性を必要な組み合わせに調整し、将来の寸法変化に対して構造を安定させます。 3 つの標準範囲は次のとおりです。

低温焼き戻し（150～250度）-- 硬度の低下はほとんどありません。応力を軽減し、靭性をわずかに向上させます。切削工具、ゲージ、ベアリング、浸炭部品などに使用されます。

中温焼き戻し（350～500度）-- は、良好な靭性を備えた高い弾性限界を与えます。ばねや鍛造金型などに使用されます。

高温焼き戻し（500～650度）-- 中国の慣習では調整処理として知られる焼き入れ-と-の組み合わせ。優れた強度-靭性バランスを実現します。ギア、シャフト、コンロッドなどに使用されます。

2 つの脆化現象を考慮する必要があります。第 1 タイプの焼戻し脆化は 300 度付近で発生し、その範囲で焼戻しを行わないことで回避されます。第 2 タイプの脆化は、高い焼き戻し温度からゆっくりと冷却された一部の中炭素合金鋼-に影響を与えます。これは、モリブデンを添加するか、焼き戻し後に油または水で冷却することによって防止され、元の焼き戻し温度まで再加熱することで除去できます。一部の高合金鋼は二次硬化を示し、焼き戻し中に微細な炭化物が析出し、硬度が上昇します。

チタン合金の熱処理

冶金学は異なりますが、同じ 4 つの火に関する用語がチタンにも当てはまります。-チタンの焼きなまし（たとえばグレード 2 の場合は 650-790 度、グレード 5 の場合は 700-790 度）は残留応力を緩和し、アルファ-ケースを除去し、冷間加工後に延性を回復します。鋼の焼入れ-とほぼ同等の溶体化処理および時効処理（STA）は、アルファ-ベータ合金に使用されます。合金は 900 ～ 955 度で溶体化され、急速に冷却され、その後 480 ～ 595 度で時効されて微細なアルファが析出して強度が向上します。チタンは温度によって酸素と激しく反応するため、チタンの熱処理はすべて真空炉または不活性ガス炉で行われ、炉の雰囲気、加熱速度、保持時間は処理証明書に記録されます。購入者は必ずそれを要求する必要があります。

適切なプロセスを選択する方法

選択は必要なプロパティ プロファイルに従って行われます。軟化、応力除去、結晶粒微細化には焼きなましが必要です。中程度の負荷の部品の均一な構造と機械加工性には正規化が必要です。-最高の硬度を得るには、焼入れの後に、硬度と靱性をトレードオフするために選択された焼き戻しが必要です。また、高い強度と靭性の両方が必要な部品には、500 度-650 度での焼き入れ-と-焼き戻しが使用されます。チタンの場合、単純な焼きなまし (成形性、腐食{8}}重要なサービス) と溶体化処理と時効処理 (最大の強度) の間で同様の決定が行われます。どのような場合でも、プロセス パラメータ - 温度、時間、冷却速度、雰囲気 - を定義、管理し、文書化する必要があります。これは、熱処理が材料の特性を変更する最もコスト効率の高い方法であり、また最も間違いやすい方法であるためです。

よくある質問

アニーリングとノーマライズの違いは何ですか?

どちらも変態範囲を超えて加熱する必要がありますが、焼きなましでは（通常は炉内で）ゆっくりと冷却して柔らかさと応力除去を最大限に高めますが、焼きならしでは静止空気中で冷却するため、同じ鋼の結晶粒がより細かくなり、強度が高まり、機械加工性が向上します。

なぜ鋼は焼き入れ後すぐに焼き戻ししなければならないのですか?

焼き入れされた部品は硬いですが脆く、内部応力に満ちています。焼き戻しをせずに放置すると、自然に割れてしまう可能性があります。焼き戻しはこれらの応力を軽減し、増加した硬度のほとんどを維持しながら靭性を回復します。

低温、中期、高温の焼き戻しにはどの温度が使用されますか?

低温焼戻しは 150- 度 (工具、ベアリング)、中温焼戻しは 350～500 度(スプリング)、高温焼戻しは 500～650 度(シャフト、ギア)で行われます。この選択により、硬度と靭性のバランスが決まります。

マルテンサイトとは何ですか?なぜ硬いのですか?

マルテンサイトは、オーステナイトが炭素が拡散できないほど急速に冷却されたときに形成される過飽和の体心正方晶構造です。{0}閉じ込められた炭素は格子を歪め、非常に高い硬度と強度を生み出しますが、延性は低くなります。

チタン合金は鋼と同じように焼き入れおよび焼き戻しができますか?

原則として、アルファ-チタン合金は同様の溶体化処理および時効（STA）サイクルによって強化されますが、炉、温度、雰囲気は完全に異なり、チタンは酸化を避けるために真空または不活性ガス中で加熱する必要があります。

焼き戻し脆化とは何ですか?またそれを回避するにはどうすればよいですか?

最初のタイプの脆化は 300 度付近で発生し、その範囲をスキップすることで回避されます。-第二の-タイプの脆化は、高温の焼き戻し温度からゆっくりと冷却された一部の合金鋼に現れます。これは、モリブデンの添加または焼き戻し後の油/水冷によって防止されます。