熱処理とは？ 方法と効果

熱処理とは、金属を所定の方法で加熱・冷却し、所望の特性を得ることです。 鉄も非鉄も、使用する前に熱処理を行います。

時とともに、多くの異なる方法が開発されました。 今日でも、冶金学者はこれらのプロセスの成果とコスト効率を改善するために絶えず努力しています。

そのために、彼らはさまざまなグレードを製造するための新しいスケジュールまたはサイクルを開発します。 各スケジュールは、金属の加熱、保持、冷却の異なる速度を指します。

これらの方法は、細心の注意を払って行われると、非常に特殊な物理的および化学的特性を持つさまざまな規格の金属を製造することができます。 金属を軟らかくする処置もあれば、硬度を上げる処置もある。 また、これらの材料の電気および熱伝導性に影響を与えることもあります。

熱処理方法の中には、以前の冷間加工工程で誘発された応力を緩和するものもあります。 また、金属に望ましい化学的性質を持たせるものもあります。 そのため、このような場合にも、「痒いところに手が届く」「痒いところに手が届く」「痒いところに手が届く」「痒いところに手が届く」「痒いところに手が届く」「痒いところに手が届く」「痒いところに手が届く」「痒いところに手が届く」「痒いところに手が届く」。 たとえば、航空機製造業界で使用される一部の超合金は、用途に合わせて最適化するために、最大で 6 つの異なる熱処理工程を経ることがあります。

熱処理工程のステップ

簡単に言うと、熱処理とは金属を加熱してその温度に保持し、再び冷却する工程を指します。 この工程で、金属部品はその機械的性質に変化が生じます。 これは、高温によって金属の微細構造が変化するためである。 そして微細構造は、材料の機械的特性において重要な役割を果たします。

最終的な結果は、多くの異なる要因に左右されます。 これらには、加熱の時間、金属部分をある温度に保つ時間、冷却の速度、周囲の条件などが含まれる。 パラメータは、熱処理方法、金属の種類、部品のサイズによって異なります。

このプロセスの過程で、金属の特性は変化します。 それらの特性の中には、電気抵抗、磁性、硬度、靭性、延性、脆性、耐食性などがあります。

加熱

既に述べたように、熱処理中に合金の微細構造が変化します。 加熱は所定の熱プロファイルに沿って行われます。

合金は加熱されると3つの異なる状態のうちの1つで存在することがあります。 機械的混合物、固溶体、またはその両方の組み合わせです。

機械的混合物は、セメントが砂と砂利を一緒に結合するコンクリート混合物に類似しています。 砂と砂利はまだ別々の粒子として見える。 金属合金の場合、機械的混合物は母材によって保持されます。

一方、固溶体では、すべての成分が均質に混合されます。

状態によって、異なる性質がもたらされる。 相図に従って加熱することで状態を変化させることが可能である。 しかし、冷却が最終的な結果を決定する。 方法によって、合金が3つの状態のいずれかになる可能性があるのです。

Holding

Duringuring the holding.During, またはソーク段階において、金属は達成された温度に保たれます。 その期間は要件によって異なる。

たとえば、肌焼きは表面硬度を高めるために金属表面の構造変化のみを必要とする。 同時に、他の方法では均一な特性が必要です。 この場合、保持期間は長くなります。

また、浸漬時間は材料の種類と部品のサイズによって異なります。 均一な特性を目的とする場合、大きな部品ほど多くの時間を必要とします。

冷却

浸漬が完了したら、所定の方法で金属を冷却する必要がある。 この段階でも構造変化が起こる。 冷却時の固溶体は、様々な要因によって、そのままであったり、完全に機械的な混合物になったり、部分的になったりする。

ブライン、水、油、強制空気などの異なる媒体が冷却速度を制御する。 上記の冷却媒体の順序は、冷却の有効速度の小さい順である。 塩水は最も早く熱を吸収し、空気は最も遅い。

また、冷却工程に炉を使用することも可能である。 制御された環境は、徐冷が必要な場合に高い精度を可能にします。

相図

それぞれの金属合金には、独自の相図があります。 先に述べたように、熱処理はこの図に従って行われる。 7227>

最もよく知られ、大学で広く教えられている鉄-炭素相図を例にとって説明します。

鉄-炭素相図は、異なる炭素鋼の熱処理時の挙動を学ぶ際に重要なツールです。 x軸は合金中の炭素含有量を、y軸は温度を示します。

炭素の2.14%は鋼が鋳鉄になる限界であることに注意してください。

図には、オーステナイト、セメンタイト、パーライトなどの異なるミクロ状態で金属が存在するさまざまな領域が表示されます。 これらの領域は境界線A1、A2、A3、Acmで示される。 A1：セメンタイト/フェライト相の上限

A2：鉄が磁性を失う限界

A1：セメンタイト/フェライト相の上限

A2：鉄が磁性を失う限界

A2：鉄が磁性を失う限界

A3：鉄が磁性を失う限界

A3：炭素含有率の上限＜7228 金属が磁性を失う温度をキュリー温度ともいう。

A3: オーステナイト＋フェライト相とγ（ガンマ）オーステナイト相を分離する界面

Acm.A3: γ（ガンマ）オーステナイト＋フェライト相を分離する界面。 γオーステナイトとオーステナイト＋セメンタイト場を分ける界面。

相図は、熱処理が有益かどうかを検討するための重要なツールである。 それぞれの構造が最終製品に一定の品質をもたらし、それに基づいて熱処理の選択が行われます。

一般的な熱処理方法

かなりの数の熱処理技術があります。 そのどれもが、ある種の品質をもたらすものです。

最も一般的な熱処理方法には、以下のようなものがあります。

• 焼鈍
• 焼準
• 硬化
• 時効
• 応力緩和
• 焼戻し
• 浸炭

焼鈍

焼鈍では、次のことが行われます。 金属を上限の臨界温度以上に加熱した後、ゆっくりとした速度で冷却すること。

焼鈍は金属を軟化させるために行われる。 これは金属を冷間加工や成形に適した状態にする。 また、金属の機械加工性、延性、靭性を高める。

焼鈍は、以前の冷間加工工程が原因で発生した部品の応力を緩和するのにも有用である。 金属温度が上限臨界温度を超えるとき、存在する塑性変形は再結晶中に除去されます。

金属は再結晶焼鈍、完全焼鈍、部分焼鈍、最終焼鈍などの多数の焼鈍技術を受けることができます。

焼ならし

焼ならしは、溶接、鋳造、焼入れなどの工程で生じる内部応力を緩和するために用いられる熱処理工程である。

この温度は、焼入れや焼きなましに使う温度よりも高い。 この温度で所定の時間保持した後、空気中で冷却する。 焼ならしによって、部品全体の粒径と組成が均一になります。

焼ならし鋼は、焼なまし鋼よりも硬くて強いです。 実際、焼ならしされた状態の鋼は、他のどの状態よりも靭性が高い。 このため、衝撃強度が必要な部品や、大きな外部荷重を支える必要がある部品は、ほとんどの場合、焼ならし処理を行います。

焼入れ

すべての熱処理プロセスの中で最も一般的な焼入れは、金属の硬度を高めるために使用されます。

加工品を所定の温度まで加熱した後、冷却媒体に浸して急冷することにより、表面のみを硬化させる場合もある。 油、食塩水、水などが使われます。

ケースハードニングは、硬化処理の一種で、ワークピースの外層のみを硬化させるものです。 プロセスは同じですが、外側の層が薄いので、外側の層は硬く、芯の部分は軟らかくなります。 硬い外層が材料の摩耗から守ってくれる。 シャフトにベアリングを取り付ける際、表面を傷つけ、いくつかの粒子を転位させ、摩耗プロセスを加速させることがあります。

その他の焼入工程としては、誘導焼入、差動焼入、火炎焼入があります。 しかし、火炎焼入れは、部品が冷却されると熱影響部が生じることがあります。

時効処理

時効または析出硬化は、主に可鍛金属の耐力を高めるために使われる熱処理方法です。 このプロセスは、金属の結晶粒構造内に均一に分散した粒子を生成し、特性の変化をもたらします。

析出硬化は通常、より高温に達する別の熱処理プロセスの後に行われます。

ある材料は自然に（室温で）老化するかもしれないが、他のものは人工的に（すなわち高温で）老化するだけである。

Stress Relieving

Stress Relievingは特にボイラー部品、エアボトル、アキュムレータなどでよく行われます。 この方法では、金属をその下限臨界線ぎりぎりの温度まで持っていく。

これは、成形、機械加工、圧延または矯正などの初期の工程によって部品に蓄積された応力を緩和するために行われます。

焼き戻し

焼き戻しとは、硬化工程で生じた過剰硬度、したがって脆性を低減する工程である。 また、内部応力も緩和される。 この工程を経ることで、そのような特性を必要とする多くの用途に適した金属にすることができます。

この温度は通常、硬化温度よりもはるかに低いです。 使用される温度が高いほど、最終的なワークピースは柔らかくなる。 この熱処理プロセスでは、金属は分解時に炭素を放出する別の材料の存在下で加熱されます。

放出された炭素は、金属の表面に吸収されます。表面の炭素含有量が増加し、内部コアよりも硬くなります。

熱処理に適した金属は何ですか？

熱処理材料の大部分は鉄金属ですが、銅、マグネシウム、アルミニウム、ニッケル、黄銅、チタンの合金も熱処理することができます。 熱処理が可能な鉄系金属には、鋳鉄、ステンレス鋼、さまざまな等級の工具鋼があります。

焼入れ、焼きなまし、焼きならし、応力緩和、ケース硬化、窒化、焼き戻しなどの処理は、一般に鉄系金属に対して行われます。

銅や銅合金には、焼鈍、時効、焼入れなどの熱処理が行われます。

アルミニウムは、焼鈍、溶体化熱処理、自然および人工時効などの熱処理方法に適しています。 アルミニウムの熱処理は精密加工である。 プロセス範囲を確立し、各段階で所望の特性を得るために慎重に制御する必要があります。

当然のことながら、すべての材料が熱処理の形態に適しているわけではありません。 同様に、一つの材料が必ずしも各方法から恩恵を受けるとは限らない。 したがって、望ましい結果を得るためには、すべての材料を個別に研究する必要があります。 相図と、前述の方法が持つ効果に関する入手可能な情報を使用することが出発点です

。