炭素鋼-熱処理

​炭素鋼を熱処理する目的は、鋼の機械的特性、通常は延性、硬度、降伏強度、または耐衝撃性を変化させることです。電気伝導率と熱伝導率はわずかに変化するだけであることに注意してください。鋼のほとんどの強化技術と同様、ヤング率 (弾性) は影響を受けません。鋼のあらゆる処理は、延性を犠牲にして強度を高め、またその逆も同様です。鉄はオーステナイト相における炭素の溶解度が高くなります。したがって、球状化処理と中間焼鈍を除くすべての熱処理は、オーステナイト相が存在できる温度まで鋼を加熱することから始まります。次に鋼は高速で焼き入れ (熱が奪われ) 、セメンタイトが沈殿し、最後に残った純鉄が凝固します。鋼が共析温度まで冷却される速度は、炭素がオーステナイトから拡散してセメンタイトを形成する速度に影響します。一般に、急速に冷却すると炭化鉄は細かく分散したままになり、（マルテンサイト臨界温度に達するまで）粒度の細かいパーライトが生成され、ゆっくりと冷却すると粗大なパーライトが生成されます。亜共析鋼 (0.77 wt% C 未満) を冷却すると、炭化鉄層の層状パーライト構造が形成されます。α・フェライト（純鉄）の間にあります。過共析鋼 (0.77 wt% C 以上) の場合、組織は完全なパーライトであり、セメンタイトの小さな粒 (パーライトのラメラよりも大きい) が全体に点在しています。構成成分の相対量は、レバーの法則を使用して求められます。以下は、可能な熱処理の種類のリストです。

·球状化：炭素鋼を約700℃に加熱すると球状化石が形成されます。°℃で30時間以上。スフェロイダイトは低温でも形成できますが、これは拡散制御プロセスであるため、必要な時間が大幅に増加します。その結果、一次構造 (共析物のどちら側にあるかに応じて、フェライトまたはパーライト) 内にセメンタイトの棒または球の構造が形成されます。その目的は、高炭素鋼を軟化させ、成形性を高めることです。これは鋼の中で最も柔らかく、最も延性のある形状です。右の画像は、球状化が通常発生する場所を示しています。

完全焼鈍：炭素鋼を約40℃に加熱°Ac3の上のC?それともAcm？ 1時間。これにより、すべてのフェライトが確実にオーステナイトに変態します (ただし、炭素含有量が共析物よりも多い場合はセメンタイトがまだ存在する可能性があります)。その後、鋼を 20 ℃の範囲でゆっくりと冷却する必要があります。°C (36°F) 1時間あたり。通常は炉冷だけで行われ、鋼材が入ったまま炉の電源を切ります。これにより、粗いパーライト構造が得られ、パーライトの「バンド」が厚いことを意味します。完全に焼きなましされた鋼は柔らかく延性があり、内部応力がありません。これはコスト効率の高い成形に必要なことが多いです。より柔らかく延性があるのは球状化鋼だけです。

·プロセス焼鈍: C が 0.3 wt% 未満の冷間加工された炭素鋼の応力を緩和するために使用されるプロセス。鋼は通常 550 ℃ まで加熱されます。–650°摂氏 1 時間、ただし温度が 700 度に達する場合もあります°C. 右の画像 [要説明] は、プロセスアニーリングが行われる領域を示しています。

等温焼鈍：亜共析鋼を上限臨界温度以上に加熱し、この温度をしばらく維持した後、温度を下限臨界温度以下に下げて再び維持するプロセスです。そして最後に室温で冷却します。この方法により、温度勾配がなくなります。

焼きならし：炭素鋼を約55℃に加熱します。°Ac3 または Acm を超える温度で 1 時間。これにより、鋼が完全にオーステナイトに変態します。次に鋼は空冷され、冷却速度は約 38 です。°C(100°F) 毎分。これにより、微細なパーライト構造と、より均一な構造が得られます。焼きならし鋼は焼きなまし鋼よりも高い強度を持っています。比較的高い強度と硬度を持っています。

焼き入れ: 少なくとも 0.4 wt% の C を含む炭素鋼を焼きならし温度まで加熱した後、水、塩水、または油中で臨界温度まで急速に冷却 (焼き入れ) します。臨界温度は炭素含有量に依存しますが、一般に炭素含有量が増加すると臨界温度は低くなります。これにより、マルテンサイト構造が形成されます。変形した体心立方晶 (BCC) 結晶構造 (正しくは体心正方晶 (BCT) と呼ばれる) に過飽和の炭素含有量を持ち、多くの内部応力を持つ鋼の一種です。したがって、焼き入れされた鋼は非常に硬いですが脆く、通常は実用には脆すぎるのです。これらの内部応力は表面に応力亀裂を引き起こします。焼き入れ鋼は、焼きならし鋼よりも約 3 ～ 4 倍 (炭素が多く含まれています) 硬くなります。

マルテンパリング (マルクエンチング): マルテンパリングは実際には焼き戻し手順ではないため、「マルクエンチング」という用語が付けられています。これは、通常、「マルテンサイト開始温度」のすぐ上の温度の溶融塩浴中での初期急冷後に適用される等温熱処理の一種です。この温度では、材料内の残留応力が解放され、他のものに変態する時間がなかった残留オーステナイトからベイナイトが形成される場合があります。産業では、これは材料の延性と硬度を制御するために使用されるプロセスです。マル焼きを長くすると、強度の低下を最小限に抑えながら延性が向上します。鋼材は内部と外部の温度が等しくなるまでこの溶液中に保持されます。その後、温度勾配を最小限に抑えるために鋼は適度な速度で冷却されます。このプロセスにより、内部応力や応力亀裂が軽減されるだけでなく、耐衝撃性も向上します。

焼き入れと焼き戻し: 最終的な特性は焼き戻しの温度と時間によって正確に決定できるため、これは最も一般的な熱処理です。焼き戻しには、焼き入れした鋼を共析温度未満の温度まで再加熱してから冷却することが含まれます。温度が上昇すると、非常に少量の球状晶石が形成され、延性が回復しますが、硬度は低下します。実際の温度と時間は、各組成物に対して慎重に選択されます。

オーステンパリング: オーステンパリングプロセスは、鋼がベイナイト変態温度まで溶融塩浴中に保持され、その後適度に冷却される点を除いて、マルテンパリングと同じです。得られるベイナイト鋼は、延性が高く、耐衝撃性が高く、歪みが少ないです。オーステンパリングの欠点は、一部の鋼にしか使用できないことと、特別な塩浴が必要なことです。