鋼の焼き戻し – プロセス、メカニズム、温度、および用途

鋼の焼き戻し 熱処理は主に後から行われる処理です 硬化これは、硬化鋼をAc1温度よりも低い温度まで加熱し、適切に選択された時間加熱した後、当該材料の技術によって生じる条件下で冷却するという工程を含む。
焼き戻しの基本的な目的は、焼き入れ中に生成された不安定で高応力の微細構造を変化させ、必要な組み合わせを得ることである。 硬度、強度、塑性、延性、および破壊抵抗このプロセスは通常、硬化直後の状態と比較して硬度を低下させるが、同時に材料の機能特性を大幅に向上させることができる。
焼き戻しは、単なる「硬化脆化」プロセスと考えるべきではありません。硬化鋼を加熱する際には、過飽和マルテンサイトの変化、炭化物析出、応力緩和、そして鋼種や温度によっては残留オーステナイトの変態など、複雑な微細構造変化が生じます。

鋼は焼き入れ後に焼き戻しが必要なのはなぜですか？

焼入れ中、鋼はオーステナイト化され、その後、必要な焼入れ組織を達成するのに十分な速度で冷却されます。構造用鋼、工具鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼の古典的な焼入れでは、微細構造の基本構成要素の1つは マルテンサイト.
硬化直後のマルテンサイトは非常に高い硬度を特徴とするが、同時に塑性が低く、内部応力が大きい。微細構造には、 残留オーステナイトその量は、とりわけ鋼の化学組成やオーステナイト化パラメータによって決まる。
硬化直後の状態のまま要素を放置することは、以下の理由により不利になる可能性がある。

• 高い硬化応力、
• 限られた可塑性、
• 脆性骨折のリスク増加、
• 微細構造の不安定性に関連する寸法変化の可能性、
• 多くの構造用途において、硬度と衝撃強度の好ましくない組み合わせである。

焼き戻しを行うことで、この状態を制御し、鋼の特性を要素の実際の使用条件に合わせて調整することができます。

鋼の焼き戻しとは何ですか？

焼き戻し工程は、大きく3つの段階に分けられます。

1. 加熱硬化鋼 Ac1よりも低い特定の温度まで。
2. 浸漬 必要な微細構造変化が起こるまで、一定期間放置する。
3. 冷却 特定の鋼種および技術に適した方法で。

焼き戻し温度は、最終的な特性を決定する最も重要なパラメータの一つです。温度変化は、マルテンサイトで起こる変態の性質、析出物の種類と分布、そして材料の最終的な機械的特性を変化させます。

焼き戻しの過程でマルテンサイトはどうなるのか？

焼入れ時に形成されるマルテンサイトは、鉄中に炭素が過飽和状態で溶解した、非常に歪んだ構造を持つ物質である。この状態は熱力学的に不安定である。
硬化鋼を加熱すると、原子の移動度が増加し、拡散プロセスが起こり、硬化構造が徐々に崩壊していく。
温度、時間、化学組成によっては、以下のような現象が発生する可能性があります。

• マルテンサイト中の炭素原子の配列の変化、
• 遷移炭化物相の析出、
• セメンタイト沈殿、
• 適切な合金鋼における合金炭化物の析出、
• マルテンサイトの正方晶性を低減し、
• 欠陥密度と内部応力を低減し、
• 残留オーステナイトの変態、
• 焼戻しが強くなると、凝固が進み、沈殿物が増加する。

焼き戻しマルテンサイト

焼き戻しマルテンサイト 焼き戻しとは、焼入れ鋼の焼き戻し中に生じる変化によって形成される組織構造を指す用語である。その正確な構造は、焼き戻し温度、時間、および材料組成によって決まる。
焼戻し温度が上昇するにつれて、過飽和マルテンサイトは徐々に炭素を失い、微細構造中に炭化物析出物が形成される。同時に、硬度、強度、延性、破壊靭性も変化する。
したがって、「焼戻しマルテンサイト」という用語は、すべての鋼材およびすべての焼戻し温度において発生する同一の微細構造として考えるべきではない。

焼戻し中の炭化物析出

焼き戻し中に起こる最も重要な現象の一つは、過飽和マルテンサイト組織からの炭素の放出と炭化物相の形成である。
炭素鋼では、 鉄セメンタイト₃C合金鋼の場合、炭化物形成元素の存在によって様々な合金炭化物が形成される可能性があるため、状況はより複雑になる。
特に重要なのは、次のような要素です。 CHROM, モリブデン, バナジウム i ウルフラムそれらの存在は、焼き戻しプロセスや、温度上昇に伴う鋼の硬度低下に対する耐性を大きく変化させる可能性がある。

焼き戻し温度が鋼の特性に及ぼす影響

焼戻し温度は、求められる最終特性に基づいて選択される。一般的に、炭素鋼や多くの低合金鋼では、焼戻し温度が高くなるにつれて硬度と強度は低下する一方、延性や破壊前のエネルギー吸収能力は向上する。
しかし、この関係はすべてのグレードで同じではありません。高合金工具鋼では、異なる現象が発生する可能性があります。 二次硬度したがって、「高温＝常に硬度が低い」という単純な法則は普遍的なものではない。

鋼の焼き戻しの種類

従来の技術区分では、低温、中温、高温の3段階の焼戻しが行われます。これらの区分で示されている温度範囲は概算値であり、実際のパラメータは鋼種や要求される特性によって異なります。

低温焼戻し

低温焼き戻しは、比較的低い温度、多くの場合150～250℃の範囲で行われます。主な目的は、高い硬度を維持しながら、硬化状態の応力を低減し、脆性を抑えることです。

このプロセスは、特に以下のような場合に使用されます。

• 工具鋼、
• ベアリング要素、
• 高い耐摩耗性を必要とする工具および部品、
• 焼入れ後も高い硬度を維持することが最優先事項となる要素。

正確な温度は鋼種によって異なります。一部の高合金工具鋼は全く異なる焼き戻し範囲を使用し、複数回の焼き戻しが必要となる場合があります。

中程度の焼き戻し

中温焼戻しは、低温焼戻しと高温焼戻しの中間の範囲で行われます。古典的な分類では、おおよその温度が示されます。 250-500°C.
温度が上昇すると、硬化組織が劣化し、炭化物析出物の状態が変化する。一般的に硬度と強度は低下するが、材料の変形能力と特定の動的荷重に対する耐性は向上する。
この範囲は、強度と弾性の特定の組み合わせを必要とする特定の弾性要素や部品などに使用できます。ただし、特定の鋼材や温度範囲では、好ましくない脆性現象が発生する可能性があることを考慮する必要があります。

高温焼戻し

高温焼戻し ははるかに高い温度で行われますが、それでもAc1より低い温度です。古典的なアプローチでは、多くの構造用鋼の場合、これは約 500-650°Cしかし、正確な温度は、特定の種の特性に基づいて決定する必要がある。
焼き入れ後の高温焼き戻しは、 熱改善.
その目的は、好ましい組み合わせを得ることである。

• 高強度、
• 適切な降伏強度、
• 可塑性良好、
• 延性、
• 動的荷重に対する耐性。

このプロセスは、シャフト、車軸、高強度ボルト、コネクティングロッド、トランスミッション部品、その他大きな負荷がかかる機械部品に一般的に用いられています。

焼き戻しと熱処理の違いとは？

焼き戻しは、焼き入れ後に行われる独立した工程です。必要な特性に応じて、さまざまな温度範囲で行うことができます。
熱改善 しかし、それは特定の順序を示しています。

焼き入れ → 高温焼き戻し → 焼き戻し

したがって、すべての焼き戻しが熱処理であるとは限りません。工具焼入れ後に低温焼き戻しを行ったとしても、技術的な意味での熱処理が行われたとは限らないのです。

Ac1温度と焼き戻し

温度 Ac1 鋼の加熱中にオーステナイトが形成される開始温度を決定する。焼き戻しはこの温度以下で行われる。なぜなら、焼き戻しの目的は材料を再オーステナイト化することではないからである。
焼き戻し範囲を超えると、オーステナイトの形成に関連する変化が起こり始め、そのプロセスは従来の焼き戻しではなくなる。
Ac1は鋼の化学組成に依存するため、この場合もすべてのグレードに対して普遍的な限界温度を想定すべきではない。

焼き戻し時間の影響

プロセスの結果は温度だけでなく 加熱時間焼き戻し中に起こる変化は主に拡散に依存するため、温度と時間は相互に関連している。
加熱時間が短すぎると、望ましい微細構造や特性の変化が得られない可能性がある。一方、加熱時間が長すぎると、硬度の低下、析出物の凝集、および用途にとって望ましくない特性変化がさらに進行する可能性がある。
したがって、すべての鋼材およびすべての部品寸法に適した普遍的な焼き戻し時間は存在しない。

ホロモン・ジャッフェパラメータ – 焼き戻し温度と時間

焼き戻し温度と時間の影響は、特定の用途において分析することができる。 ホロモン・ジャッフェパラメータこの概念は、温度、時間、および材料の焼き戻し度合いの関係を説明するものです。
これは重要な技術原理を示している。すなわち、温度と時間の組み合わせを変えることで、ある程度は同様の焼き戻し効果が得られるということである。ただし、このパラメータは特定の鋼種に固有の技術データに取って代わるものではない。

化学組成が焼き戻しに及ぼす影響

化学組成は焼き戻し工程において極めて重要である。それは、焼入れ後のマルテンサイトの状態だけでなく、その後の加熱中に形成される析出物の種類と安定性にも影響を与える。

鋼の焼き戻し耐性

焼き戻し耐性 これは、鋼が焼入れ後の加熱中にも必要な硬度と強度を維持できる能力を指します。この特性は、高温で使用される工具鋼において特に重要です。適切な量の炭化物形成元素を含む鋼は、従来の炭素鋼が著しく軟化する温度においても高い硬度を維持することができます。
したがって、高速鋼、熱間加工用鋼、または高合金工具鋼に使用される焼き戻し温度は、通常の炭素鋼に使用される焼き戻し温度とは大きく異なる場合がある。

二次硬度

一部の高合金工具鋼では、焼き戻し中に現象が発生する場合があります。 二次硬度これは、特定の焼戻し温度範囲内における硬度の増加または再増加を指します。この現象は、とりわけ、非常に微細な合金炭化物の析出と、焼入れ後に生じる組織変化に関連しています。モリブデン、バナジウム、タングステンなどの炭化物形成元素は、このプロセスにおいて重要な役割を果たします。
したがって、高合金工具鋼の場合、焼戻し温度と硬度の関係は、単純な炭素鋼の場合とは全く異なる可能性がある。

複数回の焼き戻し

工具鋼の中には、複数回の焼き戻し処理を必要とするものがある。これは、残留オーステナイトの存在と、その後の加工工程におけるその変化などが原因である。
最初の焼戻し後、残留オーステナイトの一部が変態を起こし、新たな組織成分が形成されることがあります。次の焼戻しサイクルでは、得られた材料が焼戻しされ、微細構造の安定性が向上します。サイクル数、温度、および時間は、特定の鋼種に適した技術によって決定されるべきです。

工具鋼の焼き戻し

W 工具鋼 焼き戻しは、高い硬度と耐摩耗性を維持しながら、同時に十分な破壊靭性を確保する必要があるため、特に重要です。焼き戻しのパラメータは、材料の種類によって大きく異なります。炭素工具鋼、冷間加工鋼、熱間加工鋼、高速度鋼は、焼き戻し温度に関して単一のグループとして扱うべきではありません。
高合金工具鋼は、二次硬化が起こるような温度で焼き戻しを行うことができ、多くの場合、複数回の焼き戻しが必要となる。

構造用鋼の焼き戻し

構造用鋼では、熱処理工程において、焼入れと高温焼戻しを組み合わせた処理が用いられる。その目的は、十分な延性と動荷重に対する耐性を維持しながら、高い強度を実現することである。
このグループには、とりわけ、高負荷がかかる機械部品に使用されるクロムモリブデン鋼やニッケルクロムモリブデン鋼が含まれる。
例えば 42CrMo4（1.7225）熱処理によく用いられる鋼材である。ただし、必要な焼き戻し温度は単一の固定値ではなく、部品の断面形状と要求される機械的特性に応じて選択される。

30CrNiMo8鋼の焼き戻し

30CrNiMo8（1.6580） これは、とりわけ熱処理を目的とした合金構造鋼である。焼き入れ後、高温での焼き戻しが行われ、完成部品に必要な強度と特性に調整される。
しかしながら、単一の普遍的な「焼戻しベイナイト組織」を鋼種に割り当てるべきではない。最終的な微細構造は、事前の焼入れ、断面寸法、実際の冷却速度、および焼戻し条件によって変化する。

マルテンサイト系ステンレス鋼の焼き戻し

焼入れ可能なマルテンサイト系ステンレス鋼も、適切な焼き戻し処理が必要です。この処理は、硬度、強度、延性、耐食性に影響を与えます。
このグループでは、適切な温度選択が特に重要である。なぜなら、焼き戻し中に発生する析出物の変化は、機械的特性だけでなく、腐食環境下での材料の挙動にも影響を与える可能性があるからである。
したがって、通常の構造用鋼に使用されるパラメータを、マルテンサイト系ステンレス鋼にそのまま適用すべきではない。

焼き戻しの脆さ

学期 脆さを和らげる 特定の焼戻し処理によって鋼の延性や衝撃強度が低下する現象を包括的に捉える。これらの現象は、すべての鋼種に適用できる単一の普遍的な温度範囲に限定されるべきではない。
文献では、低温域で発生する現象と、いわゆる可逆的焼戻し脆化とを区別している。可逆的焼戻し脆化は、一部の合金鋼において、ある一定の高温域にさらされたり、その高温域をゆっくりと冷却したりする際に発生する可能性がある。
感受性は、化学組成、特定の元素の存在、温度、焼き戻し後の冷却時間および方法によって左右される。

手放しながらの雰囲気

焼き戻し処理中、部品の表面が炉内の雰囲気と反応することがあります。制御されていない条件下では、以下のような現象が発生する可能性があります。

• 表面酸化、
• 酸化層とスケールの形成、
• 表面状態の変化、
• 特定の条件下では、表面層の炭素含有量が変化する。

高品質な表面処理が求められる部品には、保護雰囲気炉や真空技術を用いることができる。
元の記述では、「表面脱酸素」という用語は不正確でした。加熱中の好ましくない変化の文脈では、主に 表面の酸化および脱炭の可能性.

最も重要な焼き戻しパラメータ

手放す際によくある間違い

• 温度が低すぎる ―硬化後も材料に過度の脆性や応力が残る可能性がある。
• 温度が高すぎる 意図したプロセス効果でない場合、硬度や強度が過度に低下する可能性があります。
• 時間が短すぎる ―必要な変革が適切な進歩レベルに達しない可能性がある。
• 不適切な冷却方法 ―一部の鋼材では、焼き戻し脆化のリスクを高める可能性があります。
• 異なるジャンル間でのパラメータの転送 特に高合金鋼や工具鋼の場合は危険である。
• 残留オーステナイトを省略 寸法安定性の問題や、焼き戻しサイクル数の不適切な選択につながる可能性があります。
• 不適切な雰囲気 表面品質の劣化を引き起こす可能性があります。

手放して、正常化する

鋼の焼きならし 焼き戻しと焼き戻しは全く異なる工程である。
焼きならし処理では、鋼をオーステナイト領域まで加熱した後、空気中で冷却する。一方、焼き戻し処理は、焼き入れ後、Ac1温度以下で行われ、完全な再オーステナイト化は行わない。

焼き戻しと応力除去のための焼きなまし

Wyżarzanie odprężające これは主に、溶接、機械加工、鋳造、またはそれ以前の製造工程などで発生する残留応力を低減するために使用されます。
しかし、焼き戻しは主に焼入れ後の鋼の状態に関わるものである。応力緩和はその効果の一つであるが、同時に焼入れ組織にも大きな変化が生じる。

焼き戻しと窒化

窒化処理 これは、表面層に窒素が濃縮される熱化学プロセスである。焼き戻しは、このように表面の化学組成を変化させるものではない。
窒化処理を目的とする部品においては、前処理後の材料の状態が非常に重要です。表面処理工程中にコア特性に意図しない変化が生じることを避けるため、前処理の焼戻し温度と後処理の窒化温度を適切に調整する必要があります。

焼き戻しと焼きなまし

焼き戻しは、焼きなまし処理と混同してはならない。軟焼きなまし、完全焼きなまし、等温焼きなまし、球状化焼きなまし、再結晶化焼きなましは、それぞれ異なる目的で行われ、異なる微細構造変化のメカニズムを利用する。

焼き戻しは、以前の焼き入れと直接関係しており、焼き入れ組織の特性を変化させる。

鋼の焼き戻し処理の応用

焼き戻しは、焼入れ直後の未加工の状態と要求される特性が一致しない場合、事実上すべての種類の焼入れ鋼に用いられる。

代表的な用途としては以下のようなものがあります。

• 切削工具、
• ダイとパンチ、
• 工業用ナイフ、
• ベアリングおよびその構成部品、
• シャフトと車軸、
• ギア、
• スプリングス、
• 高強度ネジ、
• 熱改良を受けた機械部品、
• 焼入れ可能なマルテンサイト系ステンレス鋼。

鋼の焼き戻し ― 最も重要な情報

鋼の焼き戻し 熱処理は、主に焼入れ後に行われる処理であり、硬度、強度、延性、破壊靭性のバランスを最適化するために行われます。この処理はAc1温度以下で行われるため、材料が再び完全にオーステナイト化するのを防ぎます。
焼き戻しの過程では、過飽和マルテンサイトの分解、炭化物の析出、応力緩和、そして鋼種や条件によっては残留オーステナイトの変態など、複雑な微細構造変化が生じる。これらの現象の性質は、温度、時間、および鋼の化学組成によって決まる。
低温焼戻しは主に高硬度が要求される場合に使用され、焼入れ後の高温焼戻しは基本となる。 熱改善高合金鋼の場合、このプロセスはより複雑になり、二次焼入れや複数回の焼戻しが必要となる場合がある。
すべての鋼種に適用できる単一の普遍的な焼戻し温度と時間範囲は存在しません。パラメータは、化学組成、焼戻し条件、部品のサイズ、および望ましい最終特性に基づいて選択する必要があります。

鋼の熱処理および熱化学処理方法

焼き戻しは、鋼の微細構造と特性を変化させるために用いられる工程群の一つに過ぎません。目的とする効果に応じて、焼きならし、応力除去、焼入れ、焼き戻し、そして浸炭や窒化などの熱化学処理も用いられます。

鋼材の熱処理方法

• 鋼の焼きならし ―結晶粒の微細化と微細構造の統一。
• Wyżarzanie odprężające 残留応力の低減。
• 鋼の軟化 硬度を下げ、後加工に対する感受性を向上させる。
• 完全アニーリング オーステナイト化と徐冷。
• 等温焼鈍 －適切な温度に保持しながら行われる変換。
• 球状化のためのボールアニーリング －セメンタイトまたはその他の炭化物の形態変化。
• 再結晶アニーリング ― 圧縮による影響の除去と可塑性の回復。
• 均質化アニーリング －材料の分離を低減し、材料組成を均質化する。
• 硬化および熱処理 ―焼入れと焼き戻しによって微細構造と特性を形成する。
• 鋼の焼き戻し ―焼入れ後の鋼材特性の制御された改変。
• 誘導焼入れ －表面誘導加熱と急速冷却。
• 火炎硬化 ―炎による局所加熱後の表面硬化。
• 過飽和 －適切な熱サイクルによって過飽和固溶体を得る。
• エージング ―制御された相分離により材料の強化を実現する。

鋼の熱化学処理方法

• 鋼の窒化 ―窒素による表面層の拡散濃縮。
• 浸炭鋼 ―表面への炭素の拡散濃縮。
• 炭窒化処理 ―表面層における炭素と窒素の同時濃縮。
• 窒化炭化処理／窒化炭化処理 ―主に窒素と炭素によって層が濃縮される。
• 掘削 – 表面へのホウ素の拡散飽和。
• 拡散クロムめっき －クロムによる層の拡散濃縮。
• 拡散アルミニウム化 ―アルミニウム層への拡散濃縮。