鋼の焼き入れは、熱処理プロセスの中で最も重要で最も広く使用されているプロセスです。焼き入れにより、鋼の強度と硬度が大幅に向上します。
クエンチングの定義と目的
鋼は、臨界点 Ac3 (亜共析鋼) または Ac1 (過共析鋼) を超える温度まで加熱され、一定期間保持されて完全または部分的にオーステナイト化され、その後、臨界焼入れ速度を超える速度で冷却されます。過冷却オーステナイトをマルテンサイトまたは下部ベイナイトに変態させる熱処理プロセスを焼き入れと呼びます。
焼入れの目的は、過冷却オーステナイトをマルテンサイトまたはベイナイトに変態させてマルテンサイトまたは低ベイナイト構造を得ることであり、その後、さまざまな温度での焼き戻しと組み合わせて、鋼の強度、硬度、および耐性を大幅に向上させます。摩耗性、疲労強度、靱性など、さまざまな機械部品や工具のさまざまな使用要件に対応します。焼入れは、強磁性や耐食性など、特定の特殊鋼の特別な物理的および化学的特性を満たすために使用することもできます。
鋼部品を物理的状態の変化を伴う急冷媒体中で冷却する場合、冷却プロセスは一般に次の 3 段階に分かれます。蒸気膜段階、沸騰段階、対流段階です。
鋼の焼入性
焼入れ性と焼き入れ性は、鋼の焼き入れ能力を特徴付ける 2 つの性能指標です。これらは材料の選択と使用の重要な基礎でもあります。
1. 焼入れ性と焼入れ性の概念
焼入性とは、理想的な条件下で焼き入れしたときに達成できる最高の硬度を達成する鋼の能力です。鋼の焼入性を決定する主な要因は、鋼の炭素含有量、より正確には、焼き入れおよび加熱中にオーステナイトに溶解した炭素含有量です。炭素含有量が多いほど、鋼の焼き入れ性が高くなります。鋼中の合金元素は焼入れ性にほとんど影響を与えませんが、鋼の焼入れ性に大きな影響を与えます。
焼入性とは、特定の条件下での鋼の硬化深さと硬さの分布を決定する特性を指します。つまり、鋼を焼き入れしたときの硬化層の深さを求めることができます。それは鋼本来の性質です。実際、焼入れ性は、鋼が焼き入れされたときにオーステナイトがマルテンサイトに変態する容易さを反映します。これは主に鋼の過冷却オーステナイトの安定性、または鋼の臨界焼入れ冷却速度に関係します。
鋼の焼入れ性は、特定の焼入れ条件下での鋼部品の有効硬化深さとは区別されなければならないことも指摘しておく必要があります。鋼の焼入性は鋼自体の固有の特性です。それは自分自身の内的要因にのみ依存し、外的要因とは何の関係もありません。鋼の有効焼入れ深さは、鋼の焼入れ性に依存するだけでなく、使用される材料にも依存します。これは、冷却媒体やワークサイズなどの外部要因に関係します。例えば、同じオーステナイト化条件では、同じ鋼の焼入性は同じですが、水焼入れの有効硬化深さは油焼入れよりも大きく、小物部品では油焼入れよりも小さくなります。大型部品の有効硬化深さは大きくなります。これは、水焼入れが油焼入れよりも焼入性が高いという意味ではなく、また、小型部品が大型部品よりも焼入性が高いとも言えません。鋼の焼入性を評価するには、ワークの形状、サイズ、冷却媒体などの外部要因の影響を排除する必要があることがわかります。
また、焼入性と焼入性は別の概念であるため、焼入れ後の硬度が高い鋼が必ずしも焼入性が高いとは限りません。また、硬度の低い鋼も焼入性が高い場合があります。
2. 焼入性に影響を与える要因
鋼の焼入性はオーステナイトの安定性に依存します。過冷却オーステナイトの安定性を向上させ、C 曲線を右にシフトさせ、それによって臨界冷却速度を低下させることができる要因はどれも、高鋼の焼入れ性を向上させることができます。オーステナイトの安定性は主にその化学組成、粒径、組成の均一性に依存し、これらは鋼の化学組成と加熱条件に関係します。
3.焼入性の測定方法
鋼の焼入性を測定するには多くの方法がありますが、最も一般的に使用されるのは臨界直径測定法と端部硬化性試験法です。
(1) 臨界直径の測定方法：鋼をある媒体で焼入れ後、中心部に全マルテンサイト組織または50％マルテンサイト組織が得られるときの最大直径を臨界直径といい、Dcで表します。臨界直径の測定方法は、異なる直径の一連の丸棒を作成し、焼入れ後、各サンプル断面の直径に沿って分布する硬度 U 曲線を測定し、中心にセミマルテンサイト組織を持つ棒を見つけます。丸棒の直径 それが臨界直径です。臨界直径が大きいほど、鋼の焼入性は高くなります。
(2) 端部焼入れ試験方法 端部焼入れ試験方法は、標準サイズの端部焼入れ試験片（φ25mm×100mm）を使用します。オーステナイト化後、専用装置の一端面に水を吹き付けて冷却します。冷却後、軸方向に沿って冷却する。硬度と水冷端からの距離との関係曲線を測定する試験方法。鋼の焼き入れ性を判定する方法の一つに、端部硬化試験法があります。操作が簡単で応用範囲が広いことが利点です。
4.焼入応力・変形・割れ
(1) 焼入れ時のワークの内部応力
ワークを急冷媒体中で急冷すると、ワークはある程度の大きさを持ち、熱伝導率も一定の値となるため、冷却過程でワークの内部に沿って一定の温度勾配が生じます。表面温度は低く、中心温度は高く、表面温度と中心温度は高くなります。温度差があります。ワークピースの冷却プロセス中には、2 つの物理現象も発生します。1 つは熱膨張です。温度が低下すると、ワークピースの線の長さが縮みます。もう 1 つは、温度がマルテンサイト変態点まで低下したときのオーステナイトからマルテンサイトへの変態です。 、比容積が増加します。冷却時の温度差により、ワーク断面の部位ごとに熱膨張量が異なり、ワークの部位ごとに内部応力が発生します。ワーク内には温度差が存在するため、マルテンサイトが発生する温度よりも早く温度が低下する部分も存在します。変態して体積が膨張し、高温になっている部分はまだその点よりも高く、オーステナイト状態のままです。これらの異なる部品は、比容積変化の違いにより内部応力も発生します。したがって、焼入れおよび冷却のプロセス中に 2 種類の内部応力が発生する可能性があります。1 つは熱応力、もう 1 つは組織応力です。
内部応力の存在時間特性に応じて、瞬間応力と残留応力に分けることもできます。冷却プロセス中のある瞬間にワークピースに発生する内部応力を瞬間応力といいます。ワークが冷却された後、ワークの内部に残る応力を残留応力といいます。
熱応力とは、ワークピースを加熱（または冷却）したときの、ワークのさまざまな部分の温度差による不均一な熱膨張（または冷間収縮）によって引き起こされる応力を指します。
ここで、固体円筒を例として、冷却プロセス中の内部応力の形成と変化の規則を説明します。ここでは軸応力のみを説明します。冷却開始時は、表面が早く冷えるため温度が低く、収縮が大きくなりますが、中心部はゆっくり冷えるため、温度が高く、収縮が小さくなります。その結果、表面と内部が干渉し、表面には引張応力が発生し、中心部には圧力がかかります。ストレス。冷却が進むと内部と外部の温度差が大きくなり、それに伴って内部応力も増加します。この温度で応力が増加して降伏強度を超えると、塑性変形が発生します。コアの温度は表面の温度よりも高いため、コアは常に軸方向に最初に収縮します。塑性変形の結果、内部応力は増加しなくなりました。一定時間冷却すると表面温度の低下が緩やかになり、収縮率も徐々に小さくなります。このとき、コアはまだ収縮しているため、表面の引張応力とコアの圧縮応力は徐々に減少し、最終的には消滅します。しかし、冷却が続くと表面湿度はますます低くなり、収縮量はますます少なくなるか、収縮が停止することもあります。コアの温度はまだ高いため、収縮が続き、最終的にはワークピースの表面に圧縮応力が形成され、コアには引張応力が発生します。しかし、温度が低いため塑性変形が起こりにくく、冷却が進むにつれてこの応力は増加します。増加を続け、最終的には残留応力としてワーク内部に残留します。
冷却プロセス中の熱応力により、最初に表面層が伸張し、コアが圧縮され、残りの残留応力が表面層が圧縮され、コアが伸張することがわかります。
つまり、焼入れ冷却時に発生する熱応力は、冷却時の断面温度差によって発生します。冷却速度が速くなり、断面温度差が大きくなるほど、発生する熱応力も大きくなります。同じ冷媒条件下では、ワークの加熱温度が高くなるほど、サイズが大きくなり、鋼の熱伝導率が小さくなり、ワーク内の温度差が大きくなり、熱応力が大きくなります。ワークが高温で不均一に冷却されると、ワークに歪みや変形が生じます。ワークの冷却過程で発生する瞬間的な引張応力が素材の引張強さを超えると焼割れが発生します。
相変態応力とは、熱処理プロセス中にワークピースのさまざまな部分で相変態のタイミングの違いによって引き起こされる応力を指し、組織応力とも呼ばれます。
焼入れ急冷時、表層がMs点まで冷却されるとマルテンサイト変態が起こり体積膨張が起こります。しかし、まだ変態を受けていないコアの障害により、表層は圧縮応力を発生し、コアは引張応力を持ちます。応力が大きくなると変形が生じます。コアが Ms 点まで冷却されると、コアもマルテンサイト変態を受けて体積が膨張します。ただし、低い可塑性と高い強度を備えた変形した表面層の制約により、その最終的な残留応力は表面張力の形となり、コアには圧力がかかります。相変態応力の変化と最終状態は熱応力とは正反対であることがわかります。また、相変化応力は塑性が低い低温で発生するため、このときの変形が困難となり、ワークのクラックが発生しやすくなります。
相変態応力の大きさに影響を与える要因は数多くあります。マルテンサイト変態温度範囲における鋼の冷却速度が速いほど、鋼片のサイズが大きくなり、鋼の熱伝導率が悪くなり、マルテンサイトの比体積が大きくなり、相変態応力が大きくなります。大きいほど。さらに、相変態応力は鋼の組成と鋼の焼入れ性に関係します。たとえば、高炭素高合金鋼は、炭素含有量が高いためマルテンサイトの比容積が増加し、これにより鋼の相変態応力が増加するはずです。しかし、炭素量が多くなるとMs点が低下し、焼入れ後の残留オーステナイトが多くなります。体積膨張が少なく残留応力が低い。
(2) 焼入れ時のワークの変形
焼入れ中のワークピースの変形には主に 2 つのタイプがあります。1 つはワークピースの幾何学的形状の変化であり、サイズや形状の変化として現れます。これは、しばしば反り変形と呼ばれ、焼入れ応力によって引き起こされます。もう 1 つは体積変形です。これは、相変化中の比体積の変化によって引き起こされる、ワークピースの体積の比例した膨張または収縮として現れます。
反り変形には、形状変形やねじり変形も含まれます。ねじれ変形は主に、加熱時の炉内へのワークの配置が不適切であったり、焼入れ前の変形矯正後の整形処理が不足していたり、冷却時のワーク各部の冷却が不均一であったりすることが原因で発生します。この変形を分析して、特定の状況に応じて解決することができます。以下では、主に体積変形と形状変形について説明します。
1) 焼入変形の原因とその変化の法則
組織変態による体積変形 焼入れ前のワークの組織状態は一般にフェライトとセメンタイトの混合組織であるパーライト組織であり、焼入れ後はマルテンサイト組織となります。これらの組織の比容積が異なると、焼入れの前後で体積変化が生じ、変形が生じます。ただし、この変形はワークを比例的に伸縮させるだけであり、ワークの形状は変わりません。
また、熱処理後の組織中のマルテンサイトが多いほど、あるいはマルテンサイト中の炭素量が多いほど体積膨張は大きくなり、残留オーステナイト量が多いほど体積膨張は小さくなります。したがって、熱処理中のマルテンサイトと残留オーステナイトの相対含有量を制御することにより、体積変化を制御することができる。適切に制御されていれば、体積は拡大も縮小もしません。
(a) 熱応力による形状変形 熱応力による変形は、鋼部品の降伏強度が低く、塑性が高く、表面の冷却が早く、ワークの内外の温度差が最も大きい高温領域で発生します。このときの瞬間的な熱応力は表面引張応力とコア圧縮応力となります。このとき、中心温度が高いため、降伏強度は表面よりもはるかに低く、多方向の圧縮応力の作用による変形として現れます。つまり、立方体は方向が球形になります。バラエティ。その結果、大きい方が縮小し、小さい方が拡大します。例えば、長い円柱は長さ方向に短くなり、直径方向に拡大します。
(b) 組織応力による形状変形 組織応力による変形は、組織応力が最大となる初期の瞬間にも発生します。このとき、断面温度差は大きく、中心温度は高く、まだオーステナイト状態にあり、塑性は良好で、降伏強度は低くなります。瞬間的な組織応力は、表面圧縮応力とコア引張応力です。したがって、変形は多方向の引張応力の作用下でのコアの伸びとして現れます。その結果、組織応力の作用により、ワークピースの大きい側が伸長し、小さい側が短縮します。たとえば、長い円筒の組織応力によって引き起こされる変形は、長さの伸びと直径の減少です。次の表は、さまざまな代表的な鋼部品の焼入れ変形規則を示しています。
写真
2) 焼入れ変形に影響を与える要因
焼入れ変形に影響を与える要因は、主に鋼の化学組成、元の構造、部品の形状、熱処理プロセスです。
(3) 焼割れ
部品の亀裂は主に焼入れおよび冷却の後期段階で発生します。つまり、マルテンサイト変態が基本的に完了した後、または完全に冷却した後、部品の引張応力が鋼の破壊強度を超えるため、脆性破壊が発生します。亀裂は通常、最大引張変形の方向に対して垂直であるため、部品内の亀裂の形状の違いは主に応力分布状態に依存します。
一般的な種類の焼入れ亀裂: 縦方向 (軸方向) 亀裂は、主に接線方向の引張応力が材料の破壊強度を超えたときに発生します。横方向の亀裂は、部品の内面に形成された大きな軸方向の引張応力が材料の破壊強度を超えると形成されます。ひび割れ;表面上の二次元引張応力の作用により網目状の亀裂が形成されます。ピーリングクラックは非常に薄い硬化層に発生し、応力が急激に変化し、ラジアル方向に過剰な引張応力が作用した場合に発生します。一種の亀裂。
縦方向の亀裂は軸方向亀裂とも呼ばれます。亀裂は部品の表面近くの最大引張応力で発生し、中心に向かって一定の深さになります。亀裂の方向は通常、軸に平行ですが、部品に応力集中がある場合や内部構造欠陥がある場合には、方向が変わることもあります。
ワークが完全に焼き入れされた後は、縦割れが発生しやすくなります。これは、焼入れされたワークピースの表面にかかる大きな接線方向の引張応力に関連しています。鋼の炭素含有量が増加すると、縦方向の亀裂が形成される傾向が増加します。低炭素鋼はマルテンサイトの比容積が小さく、熱応力が強いです。表面に大きな残留圧縮応力があり、焼き入れされにくい。炭素含有量が増加すると、表面圧縮応力が減少し、構造応力が増加します。同時に、ピーク引張応力は表層に向かって移動します。したがって、高炭素鋼は過熱すると縦方向の焼入れ割れが発生しやすくなります。
部品の大きさは残留応力の大きさや分布に直接影響し、焼割れの発生傾向も異なります。危険な断面サイズの範囲内で焼入れすると、縦方向の亀裂も容易に形成されます。また、鋼材の目詰まりにより縦割れが発生する場合が多くなります。鋼部品の多くは圧延により製造されるため、鋼中に金以外の介在物や炭化物などが変形方向に沿って分布し、鋼に異方性が生じます。例えば、工具鋼が帯状組織の場合、焼入れ後の横方向の破壊強度は縦方向の破壊強度に比べて30～50%小さくなります。鋼材中に非金介在物などの応力集中を引き起こす要因がある場合、接線応力が軸応力より大きくても、低応力条件下では縦割れが発生しやすくなります。このため、鋼中の非金属介在物と糖分のレベルを厳密に管理することが、焼入れ割れを防ぐ重要な要素となります。
横亀裂と円弧亀裂の内部応力分布特性は次のとおりです。表面は圧縮応力を受けます。表面から一定距離離れると、圧縮応力は大きな引張応力に変化します。亀裂は引張応力の領域で発生し、その後内部応力が再分布するか鋼の脆性がさらに増加する場合にのみ部品の表面に広がります。
横亀裂は、ローラー、タービンローター、その他のシャフト部品などの大きなシャフト部品で発生することがよくあります。亀裂の特徴は、軸方向に対して垂直で、内側から外側に向かって割れることです。多くの場合、硬化前に形成され、熱応力によって引き起こされます。大型の鍛造品には、気孔、介在物、鍛造亀裂、白点などの冶金学的欠陥が存在することがよくあります。これらの欠陥は、軸方向の引張応力の作用下で破壊および破壊の開始点として機能します。アーククラックは熱応力によって発生し、通常、部品の形状が変化する部分にアーク状に分布します。それは主にワークピースの内部または鋭いエッジ、溝、穴の近くで発生し、円弧状に分布します。直径または厚さが80～100mm以上の高炭素鋼部品は、焼入れを行わない場合、表面は圧縮応力、中心部は引張応力を示します。応力、硬化層内の非応力
