鋼の等温焼鈍 – プロセス、温度、微細構造、および応用

鋼の等温焼鈍 これは、材料をオーステナイト化温度まで加熱した後、鋼を適切に選択された変態温度まで冷却し、必要な微細構造が得られるまで等温保持する熱処理プロセスである。基本的な変態が完了したら、材料を室温まで冷却することができる。
とは異なり 完全アニーリングオーステナイト変態が非常にゆっくりとした連続冷却中に起こるのに対し、等温焼鈍では材料を特定の温度で制御された状態で保持します。これにより、変態プロセスをより適切に制御でき、より均一な微細構造が得られ、適切な鋼種であれば処理時間を短縮できます。
このプロセスは主に合金鋼、工具鋼、その他、非常にゆっくりとした冷却を伴う従来のアニーリングでは時間がかかりすぎたり、必要な組織を得るのが困難であったりする鋼種に用いられる。

等温アニーリングとは何ですか？

このプロセスの本質は、オーステナイト化後の冷却と実際のオーステナイト変態を分離することにある。適切なオーステナイト組織が得られたら、鋼を室温まで非常にゆっくりと冷却するのではなく、制御されたオーステナイト変態が起こるレベルまで温度を下げ、その後、材料をその温度で一定時間保持する。
学期 "等温" これは、物質がほぼ一定の温度に保たれている間に、変化の大部分が起こることを意味する。
温度と保持時間は、鋼種に応じて選択する必要があります。これらは、化学組成、臨界温度、オーステナイト変態速度、要求される特性、およびワークピースのサイズなどの要因によって決定されます。

等温焼鈍の目的

等温焼鈍の主な目的は、適切に選択された温度で起こるオーステナイト変態を利用して、制御された、できれば均質な微細構造を得ることである。
このプロセスは以下の目的で使用できます。

• さらなる加工の前に鋼の硬度を低下させること、
• 適切な鋼種の被削性を向上させる、
• 要素の断面全体にわたってより均質な微細構造を得る、
• さらなる熱処理のための材料の準備、
• オーステナイト変態生成物の制御、
• 特に一部の合金鋼において、従来の完全焼鈍で用いられる非常にゆっくりとした冷却と比較して、処理時間を短縮できる。

等温焼鈍プロセス

典型的な等温焼鈍プロセスは、オーステナイト化、変態温度までの冷却、等温保持、最終冷却という4つの基本段階に分けられます。

1. 加熱とオーステナイト化

鋼は、そのグレードと必要なオーステナイト化に適した温度まで加熱される。加熱中に、オーステナイトの形成につながる変態が起こる。
オーステナイト化温度は、すべての鋼材に共通する単一の普遍的な値として定義することはできません。炭素含有量、合金元素、初期組織、および材料の臨界温度によって異なります。

2. 等温保持温度まで冷却する

オーステナイト化が完了した後、鋼はオーステナイトの基本的な変態が起こる適切な温度まで冷却される。
この工程は、等温保持温度への移行中に望ましくない変態が始まるのを抑制するように実施しなければならない。必要な冷却速度は、特定の鋼種の変態特性によって異なる。

3. 等温抵抗

所定の温度に達したら、材料をその温度に十分な時間保持し、目的とするオーステナイト変態が起こるようにする。
この工程が、従来の完全アニーリングとは異なる点である。連続的かつ非常にゆっくりとした温度低下によって相変態を行うのではなく、相変態が制御された状態で進行できる温度範囲が用いられる。

4. 最終冷却

必要な変態が完了したら、材料を室温まで冷却する。等温保持中に一次オーステナイト変態が既に完了しているため、その後の冷却方法は、オーステナイト領域から直接冷却する場合とは異なる意味を持つ。
最終冷却の具体的な方法は、部品のグレードと寸法に適した技術によって決定されるべきである。

等温焼鈍温度

等温焼鈍では、 オーステナイト化温度 od 等温保持温度これらは2つの異なるプロセスパラメータです。
オーステナイト化温度は、必要なオーステナイト組織を達成するために設定する必要がある。その後、材料は必要な変態に適したより低い温度まで冷却される。
したがって、600～700℃といった単一の値を普遍的な「等温焼鈍温度」として使用すべきではない。この範囲は特定の技術においては当てはまるかもしれないが、適切な温度は鋼種とその変態プロセスによって異なる。

等温焼鈍におけるCTPi図の重要性

等温焼鈍パラメータの選択は、オーステナイト変態の速度論と密接に関係している。これらは特に有用である。 CTPi – 等温変換における時間-温度-変換グラフ温度、保持時間、および過冷却オーステナイトの変態過程の関係を示している。
この図表に基づいて、とりわけ以下のことが分かります。

• 特定の変化が始まる温度、
• 変革を開始するのにかかる時間、
• それを完了するのに必要な時間、
• 特定のオーステナイト変態生成物が形成される温度範囲。

CTPi図は特定の鋼種および材料状態に固有のものです。したがって、等温焼鈍条件をある鋼種から別の鋼種に直接適用すべきではありません。

等温焼鈍中にオーステナイトはどうなるのか？

加熱中に形成されたオーステナイトは、安定温度範囲以下に冷却されると過冷却構造となる。鋼を適切な温度に維持すると、変態が始まり、新たな微細構造成分が形成される。
得られる組織の種類は、等温保持温度と鋼種の変態特性によって決まる。パーライト変態領域では、変態温度に応じて形態が変化するフェライト・パーライト組織が形成される可能性がある。
パーライト変態温度が低いほど、一般的に得られるパーライト組織はより微細になる。この微細構造の変化は、材料の硬度、強度、および被削性に影響を与える。

等温焼鈍後の微細構造

等温焼鈍プロセスごとに共通する単一の微細構造特性は存在しない。その効果は、鋼の組成、オーステナイト化温度、変態温度までの冷却速度、保持時間と温度によって異なる。
パーライト変態を伴うプロセスの場合、目標は均一なフェライト・パーライト組織を得ることである。このような組織の特性は、とりわけパーライトの断片化の程度や個々の組織成分の割合に依存する。

等温焼鈍の効果に対するパラメータの影響

等温焼鈍と完全焼鈍

どちらのプロセスもオーステナイト化から始まる可能性があるが、オーステナイト変態の進行方法が異なっている。 完全アニーリング 材料は通常、炉を用いて非常にゆっくりと冷却され、温度が連続的に低下するにつれて変化が生じる。
等温焼鈍では、オーステナイト化した材料を特定の温度まで冷却し、その温度に保持して変態を起こさせる。

等温アニーリングと正規化

中 鋼の焼きならし オーステナイト化後、材料は空気中で冷却される。特定の温度でプロセスを停止して制御された変態を実現するという、等温焼鈍の特徴は省略される。
正規化処理は、主に組織構造を標準化・精緻化し、特定の機械的特性を実現するために用いられる。一方、等温焼鈍処理は、オーステナイト変態条件をより精密に制御することを可能にする。

等温焼鈍および球状化焼鈍

球状化焼鈍は、主にセメンタイトやその他の炭化物を適切な、ほぼ球形にするための処理である。特に高炭素鋼、軸受鋼、工具鋼にとって重要である。
一方、等温焼鈍は、特定の温度で保持する際に起こるオーステナイト変態を利用する。したがって、両プロセスの目的とメカニズムは異なるが、どちらも鋼を後工程に備えるために使用できる。

等温焼鈍と等温硬化

等温焼鈍は等温硬化と混同してはならない。 どちらのプロセスにおいても、材料は特定の温度に保持されるが、処理の目的、変態温度の範囲、および求められる最終的な微細構造は異なる。
等温焼鈍は、とりわけ、後続の加工に適した組織を得ること、そして多くの場合、硬度を低下させることを目的としている。一方、等温焼入れは、慎重に選択されたサイクルを用いて、この種の焼入れに特有の組織と特性を実現する。

合金鋼の等温焼鈍

等温焼鈍は合金鋼の場合に特に重要である。なぜなら、クロム、モリブデン、ニッケル、マンガンなどの元素が存在すると、過冷却オーステナイト変態の速度が大きく変化する可能性があるからである。
連続冷却中に相変態を開始および完了するのに要する時間が長くなるため、従来の完全アニーリングは時間がかかる場合がある。適切に設計された等温プロセスを用いることで、より制御された相変態が可能になる。

工具鋼の等温焼鈍

工具鋼の場合、加工前およびその後の焼入れ前の材料の状態が非常に重要です。適切な焼きなまし処理によって硬度を下げ、精密な切削加工を容易にすることができます。
しかし、これは等温焼鈍がすべての工具鋼にとって常に最良の方法であるという意味ではない。多くの高炭素工具鋼にとって、等温焼鈍は特に重要である。 球状化アニーリングなぜなら、硬化前の材料の特性は炭化物の形状と分布によっても決定されるからである。

等温焼鈍が被削性に及ぼす影響

適切な等温焼鈍処理を行うことで、より均一な微細構造と適切な硬度が得られ、材料の被削性を向上させることができる。
しかし、硬度を最小化すれば必ずしも最適な被削性が確保されるとは限りません。軟らかすぎたり延性が高すぎたりする鋼材は、切りくずの形成不良、刃先形成、表面品質の低下といった問題を引き起こす可能性があります。したがって、鋼種と加工方法に応じて最適な微細構造を選択する必要があります。

要素サイズが等温プロセスに及ぼす影響

部品の寸法は、オーステナイト化温度から等温保持温度への移行時に特に重要となる。部品の表面は中心部よりも速く冷却されるため、大型部品の体積全体にわたって均一な温度を実現するには、綿密に設計されたプロセスが必要となる。
冷却中に、等温保持温度に達する前に断面の一部が変形し始めると、最終的な微細構造が不均一になる可能性がある。したがって、プロセス適用にあたっては、鋼種だけでなく、部品の質量と形状も考慮する必要がある。

等温焼鈍の利点

• オーステナイト変態条件をより精密に制御できる可能性、
• 均質な微細構造を得る可能性、
• 適切な鋼材では、非常にゆっくりとした冷却と比較して処理時間を短縮できます。
• さらなる加工に適した特性が得られる可能性、
• 一部の合金鋼や工具鋼の加工に適している。
• 微細構造を後続の製造段階に合わせて調整できる能力。

等温焼鈍の欠点と限界

• 鋼材の種類に応じて温度と保持時間を正確に選択する必要性、
• 単純な焼きなましプロセスよりも温度制御に対する要求が高く、
• 要素の大きな断面積や表面と中心部の冷却速度の違いに関連する制限、
• 等温温度への冷却中に望ましくない変化が始まるリスク、
• 特定の種類の鋼の変質の速度論を知る必要性、
• このプロセスは、あらゆる種類の鋼材にとって最適とは限らない。

等温焼鈍 – 最も重要な情報

等温焼鈍 過冷却オーステナイトの制御された変態を利用し、鋼を所定の温度に保持する熱処理プロセスである。オーステナイト化後、材料は変態温度まで冷却され、その温度で所定の時間保持された後、室温まで冷却される。
完全焼鈍と比較して、このプロセスはオーステナイト変態条件をより直接的に制御することができ、適切な鋼材であれば処理時間を短縮できる。これは、従来の完全焼鈍における非常にゆっくりとした冷却に時間がかかりすぎる特定の合金鋼にとって特に重要である。
オーステナイト化温度、等温保持温度、および変態時間は、鋼種ごとに個別に選択する必要があります。このような変態を分析するための基本的なツールはCTPi図であり、これは時間、温度、および過冷却オーステナイト変態の過程の関係を示します。

鋼の熱処理および熱化学処理方法

軟化は、鋼の微細構造と特性を変化させるために用いられるプロセス群の一つにすぎません。目的とする効果に応じて、正規化、応力除去、焼入れ、焼戻し、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。