熱処理可能な鋼材 – 構造用合金
機能とアプリケーション
熱処理鋼（12HN3A、1.5752、20HN3A、30HGSNA、30HGSA、30H2N2M、30CrNiMo8、1.6580、36HNM、1.6773、1.6511、37HS、40H2MF、40HNMA、40NiCrMo7、1.6565、45HN、45HNMF）は、重要な機械部品に使用される合金構造鋼のグループに属します。その特徴は以下の組み合わせです。
- 高強度（降伏強度、疲労強度）、
- かなりの延性、
- 高い衝撃強度（脆性破壊に対する耐性）。
熱処理用鋼材および処理プロセス
鋼の最適な機械的特性は、以下の熱処理プロセスによって得られるソルバイト構造を用いることで実現される。
- 硬化、
- 高温焼戻し。
この処理により、未処理鋼や正規化処理鋼に比べて機械的特性が向上します。正規化処理鋼は、焼入れ焼戻しに伴う構造変化を受けません。
「熱性能向上鋼」という用語の歴史
「焼き戻し鋼」という用語は数十年前に登場し、高い強度が要求される重要な機械部品に使用される鋼材を指していました。しかし現在では、この用語は十分に正確とは言えず、熱処理プロセスは以下のような他の構造用鋼材にも適用されます。
- 低温環境下での運転に常に使用される。
現代における用語の区別
現在、以下の点を区別する必要がある。
- 熱処理鋼 ―焼き入れおよび焼き戻し処理を受けた鋼材（その後の用途に関わらず）。
- 常に改善していく ―厳密に定義された用途を持つ機械用鋼材群の伝統的な名称。
熱処理鋼として分類するための基準
熱処理可能な鋼材群には、以下のような重要な機械部品に使用される鋼材が含まれる。
- ソルビトール構造を有し、常温における強度要件を満たすこと。
このグループに属さない鋼材
熱処理用鋼には、以下の鋼は含まれません。
- -10℃以下および+300℃以上の温度で動作するように設計されており、
- 耐食性の向上を必要とする
- 特殊な技術的特性（例えば、溶接や機械加工が容易）を備え、
- 熱処理による改善後、追加処理（例：窒化処理、表面硬化処理）が施される。
熱処理可能な鋼のグループに含まれない鋼の例
上記の基準を満たさない鋼材は、以下のような別のグループに分類されます。
- 強度を高めた溶接可能な鋼材、
- 快削鋼、
- 表面硬化鋼、
- 窒化用鋼、
- 低温での動作に常に、
- 耐腐食性鋼.
特殊用途鋼の中には、焼入れ対象となる鋼材のグループから除外されるものもある。
- ばね鋼 ―従来は独立した鋼種であり、他の焼入れ鋼種とは異なり、炭素含有量が高く、焼戻し温度が低いため、より高い強度が得られる。
- 非常に大きな鍛造品向けに設計された鋼材 ―高いベイナイト焼入れ性を特徴とし、大きな断面でも良好な強度特性を得ることができる。
熱処理鋼 ― 定義と組成
すべての制限事項を考慮した上で、PN-72/H-84030およびPN-72/H-84035規格に含まれるいわゆる汎用鋼は、焼入れ焼戻しに適していると考えられています。これらは、中炭素含有量（通常0,30〜0,40% C）の鋼であり、主に低合金鋼で、合金元素の総含有量が3%を超えないもの、まれにこれらの元素の含有量が3〜5%の範囲にある中合金鋼、そして例外的な場合にのみ5%を超えるものです。
これらの鋼に含まれる基本的な合金元素は以下のとおりです。
- マンガン、ケイ素、クロム、ニッケル、モリブデン。
あまり一般的ではない元素としては、バナジウムやタングステンなどが挙げられる。
これらの鋼の化学組成は、場合によってはさらに細分化するための基準となる。例えば、次の通りである。
- クロムニッケル鋼,
- クロムモリブデン鋼,
- クロム・ニッケル・モリブデン鋼.
汚染物質含有量の制限
（旧ポーランド規格に基づく）高い品質要件のため、これらの鋼材の不純物含有量は厳しく管理されています。以下の項目は制限されています。
場合によっては、特に電気スラグ再溶解鋼のような冶金学的純度の高い鋼の場合、許容されるリンと硫黄の含有量はさらに低く、最大でも0,025％以下となる。
焼入れ用鋼の構造と特性
焼入れ用鋼の定義において、重要な要素は焼入れ焼戻し工程の結果として得られる組織であり、これが最適な機械的特性の達成を決定づける。
しかし、熱処理プロセスによって必ずしも同一の構造的結果が得られるとは限りません。機械的特性の改善度合いは、以下のように異なる場合があります。
- 完全な効果 これは、最適な強度特性を保証するソルバイト構造を得ることに相当する。
- 不完全な効果 これは、ソルバイトと、焼戻しされた下部ベイナイトなどの他の構造成分が混在する組織構造の場合に発生します。この場合、最大の機械的特性は得られません。
この効果の程度は、硬化過程において材料の外層部でのみ臨界冷却速度に達する場合、表面では限定される可能性もある。
焼戻し鋼の構造変化
熱性能向上を目的とした構造用鋼の重要な特徴は、以下の要素に応じて様々な構造を実現できる可能性です。
- 化学組成、
- 焼入れ性、
- 硬化物の寸法、
- 硬化時の冷却方法。
その結果、これらの鋼材の機械的特性は大きく異なり、それが産業界における多様な用途に影響を与える。
熱特性改善のための鋼の構造と強度特性
熱処理鋼の最適な機械的特性は、焼入れ焼戻し工程によって形成される組織に依存する。望ましい組織を実現できる技術的条件を正確に定義することが極めて重要である。
熱特性向上のための構造用鋼の特徴
鋼材の2つの基本的な特徴は、最適な機械的特性を得る可能性に影響を与える。
- 気性 – 焼入れ時にマルテンサイト組織を形成する能力。これは鋼の化学組成に依存し、以下の基準に基づいて決定される。
- オーステナイト変態図、
- 焼入れ性曲線、
- 臨界直径。
- マルテンサイトの焼戻し感受性 すなわち、マルテンサイト組織が焼き戻しの影響を受けて機械的特性を変化させる能力のことである。
構造が強度特性に及ぼす影響
鋼の焼入れ後の機械的特性は、以下の要因によって大きく変化する可能性があります。
- 鋼の焼入れ性、焼入れ物の断面積、冷却方法。
この基準に基づき、最も特徴的な3つのケースを区別することができる。
1. ソルバイトが主成分のマルテンサイト組織
焼入れ後の鋼材においてマルテンサイト組織が優勢または支配的である場合、焼戻し後にソルバイト組織が形成される。この組織は、以下の最適な組み合わせによって特徴づけられる。
- 高強度 引張強度（Re、Rm）
- 高い延性 (A、Z、K)
ソルビトールの特徴：
- 高いRe:Rm比およそ 90%鋼の化学組成に関係なく。
- 低い脆性遷移温度、 に応じて：
- 化学組成、焼き戻し後の冷却速度、その他の技術的要因。
機械的特性は焼き戻し温度に依存し、温度が高いほど硬度は低下するが、延性と衝撃強度は向上する。
2. 混合組織（マルテンサイト、ベイナイト、パーライト、フェライト）
焼入れ組織中のマルテンサイトの割合が減少し、他の組織成分（下部ベイナイト、上部ベイナイト、パーライト、フェライト）の割合が増加するにつれて、同じ焼戻し温度では引張強度は徐々に低下する。
複合構造の特徴：
- Re:Rm比の値の減少非マルテンサイト成分の量と種類に応じて：
- ベイナイトの場合： 74-85％フェライト・パーライト組織の場合： 60-70％そして、場合によってはそれ以下。
- 脆性遷移温度の上昇 約 0°C またはそれ以上になると、室温での衝撃強度がソルビトールと比較して低下する。
- 可塑性の改善は見られない 引張強度が低下したにもかかわらず、伸び（A）と狭まり（Z）は大幅に改善されません。
この構造は動的強度が低下するという特徴があり、衝撃や繰り返し荷重を受ける部材での使用が制限される。
3. 大断面におけるベイナイト組織
非常に大きな断面の場合、冷却速度が限られているため完全なマルテンサイト組織を得ることができない場合は、ベイナイト組織が用いられる。
ベイナイト組織の特徴：
- 標準的な熱処理鋼では、非マルテンサイト部品は以下のように成形されます。
- 低硬度,
- 低降伏強度 （下に 40 kg/mm²つまり、およそ 30 N /mm²).
- 化学組成を変化させることで、 下部ベイナイト マルテンサイト変態に近い温度でオーステナイトから形成される。
- 下部ベイナイト組織はマルテンサイトに類似した機械的特性を示し、焼戻し後には高い強度を発揮する。
- 降伏強度 Re do 7 kg/mm² （約 690 N /mm²).
- 十分な延性優れた衝撃強度、伸び（A）、狭窄（Z）などを含む。
例：この強度特性は、改良対象となる鋼材の一部（例：25H2N4WA）でのみ達成されますが、重量のある高強度鍛造品を目的とした、いわゆるベイナイト鋼（ BN-65/0661-01規格による）では一般的です。
ソルバイトを含むマルテンサイト組織
強度と延性の最適な組み合わせを提供する。混合組織は、特にフェライトとパーライトが存在する場合、強度と耐衝撃性を低下させる。ベイナイト組織は、マルテンサイトが得られない大きな断面に使用されるが、強度と延性のバランスが優れている。
適切な構造の選択は、特定の用途における強度と技術的要求事項によって決まり、焼入れおよび焼戻し工程の制御は、熱処理後の鋼の最終的な特性を形成する上で重要な役割を果たす。
鋼種記号PNによる等級表示：先頭の数字は平均炭素含有量を100分の1％単位で示し、その後の文字は以下を表します。
H – クロム
G – マンガン
S – シリコン
N – ニッケル
M – モリブデン
F – バナジウム
W – タングステン
そして、文字の後に数字が付いている場合は、特定の成分の平均含有量をパーセントで示します。鋼材マークの末尾に文字Aが付いている場合は、高品質、つまり含有量が少ないことを示します。 硫黄 i リン 例：35HGSA、30HGSA、30HGSNA、12HN3A、20HN3A、40HNMA、45HNMFA
熱処理用構造用鋼（PN規格に基づく等級、鋼材相当品および代替品、GOST、EN、DIN、ASTM等規格に基づく化学組成および特性）
12HN3A – クロムニッケル鋼 1.5752、16NiCrMo12、15CrNi13
20HN3A – クロムニッケル焼戻し鋼
30HGSA – 焼き戻し鋼 35HGSA、35HGS
30HGSNA – クロム・マンガン・シリコン・ニッケル強化鋼
30H2N2M – クロムニッケルモリブデン鋼 30CrNiMo8,1.6580
30HM – クロムモリブデン鋼 34CrMo4、1.7220
36HNM – クロムニッケルモリブデン鋼 36CrNiMo4、36NiCrMo16、1.6773、1.6511
37HS – クロムシリコン焼入れ鋼
40H2MF – クロムモリブデンバナジウム焼入れ鋼
40HNMA – クロムニッケルモリブデン鋼（AISI 4340、40NiCrMo6、40NiCrMo7、36NiCrMo16、1.6565）
45HN – クロムニッケル焼入れ鋼
45HNMF / 45HNMFA - クロム・ニッケル・モリブデン・バナジウム熱処理鋼
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