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固溶化熱処理について  忘れたらアカン、ものづくり

忘れたらアカン、ものづくり のブログを書いている、マーシーです。

今日は鋼の固溶化熱処理について少し、記します。


■鋼の固溶化熱処理

固体が溶解した状態を固溶体といいます。金属合金を固溶する温度まで
加熱して固溶化させ、急冷すると過飽和固溶体になります。
この熱処理を固溶化熱処理といいます。冷却速度がゆっくりだと完全な
過飽和固溶体にはなりません。

固溶化熱処理は、ステンレス鋼の耐食性の向上や、軟化、非磁性化、
析出効果などの目的で行われています。

例えば、代表的なオーステナイトステンレス鋼のSUS304(18Cr-8Ni)の
場合、880℃以上では炭素は全部固溶されます。880℃以下では固溶量が
激減します。常温では0.02%しか固溶されず、残りの炭素は結晶粒界に
析出します。析出した炭素は、粒界付近のクロム(Cr)と化合してCr炭化物
となるため、粒界付近のクロムが欠乏して耐食性が低下します。Cr炭化物
の生成を阻害するために、約1100℃から急冷して固溶化熱処理を行います。
これにより炭素の全量がオーステナイトに固溶されて、粒界には炭化物の
析出が無くなり、耐食性が向上します。








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熱処理により発生する残留応力 忘れたらアカン ものづくり

忘れたらアカン、ものづくり のブログを書いている、マーシーです。

今日は、熱処理により発生する残留応力について、お話します。


■熱応力とは
  鋼は常温から450℃までは弾性体の性質を持っていますが、加熱
 されて450℃前後になると塑性体になります。

  ですから、鋼は450℃から急冷しても弾性復帰するだけで、応力
 の残留は有りません。しかしながら、450℃以上の温度から急冷
 すると、塑性変形を起こして残留応力が発生するようになります。
  これが熱応力になります。

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tag : 熱処理

イソナイト処理について 忘れたらアカン、ものづくり

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  今日は、イソナイト(タフトライド)処理について書いてみます。


■ イソナイト(タフトライド)処理とは
  タフトライド処理は、ドイツのデグッサ社が考案し、商標登録していたもので、
 現在国内ではイソナイト処理といわれています。このコンテンツは、これ以降イソナイ
 ト処理とします。

  イソナイト処理とは、主としてシアン化カリウム(KCN)55~60%、シアン酸
 カリウム(KCNO)33~35%からなる、溶融塩(温度は520~570℃前後)中で、被処理品
 を処理する方法です。
  熱分解及び酸化分解により生成するCOとNが被処理品の中に拡散浸入していきます
 (ただし、実際は温度が高く、Nが主体となって拡散浸入していきます)。通常は軟窒
 化または低温浸炭窒化といいます。
 
■イソナイトでの硬化の仕組み
  イソナイト処理による硬化層の評価は、
  (1)窒素の侵入による硬さ増加度
  (2)窒素の侵入による硬化の深さ
 によって決まります。これらの程度は処理される材料の化学成分によって変化します。
  図1は、鋼に含まれる合金成分の量と窒化硬さとの関係をグラフにしたものです。
 この図からわかることは、窒化で表面を降下させる目的のためには、Alが特に有効で
 あることです。その次に有効な硬化元素はCr、V、Moなどであることがわかります。


元素

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熱処理用語の続き 忘れたらアカン ものづくり

忘れたらアカン、ものづくり のブログを書いている、マーシーです。

今回も、熱処理のタームとして、覚えておくべき言葉について続けます。


■変態
  変態と変化は全く異なる。変態は性質がガラリと急変することであり、
 仮面ライダーの変身ともいうべきものです。一方、変化とは性質が徐々
 に変わることをいいます。

  鋼には変態点が5つあり、A0~A4の記号で表します。変態があるから
 こそ、鋼は熱処理によって性質が大きく変化します。

  5つある変態点の中でA1変態が一番重要で、その温度(A1点)は
 727℃で、これは炭素量に関係なく一定の値を取ります。もう一つ重要な
 変態点に、A3変態点(純鉄で900℃、炭素量が増加するに従って低下して、
 炭素量が0.8%以上ではA1変態点に一致する)があります。

 焼入れや焼なましはA1(A3)+50℃ の温度に加熱した後、急冷
 (硬くなる)したり徐冷(軟らかくなる)したりします。

  A1点以下の加熱ではどんなに早く冷やしても焼きは入りません。硬く
 するのも軟らかくするのも加熱温度は皆同じで、冷やし方が違うだけです。
  早く冷やせば硬く、ゆっくり冷やせば軟らかくなります。
  つまり、冷やし方一つで硬いも軟らかいも決まります。


■Ms点
  マルテンサイトになり始める温度、つまり焼きが入って硬くなり始める
 温度で、約300℃以下です。このとき冷却速度が早いと焼割れを起こして、
 品物がオシャカになる危険があるので、危険区域ともいわれています。
 昔はAr”の記号で表していました。マルテンサイトになり終わる温度を
 Mf点といいます。


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熱処理用語 忘れたらアカン ものづくり

忘れたらアカン、ものづくり のブログを書いている、マーシーです。

今日は、熱処理に関するタームの続きです。



■応力(ストレス)と歪(ストレーン)
  応力(ストレス)には熱応力と変態応力の2つがあります。熱応力
 急冷による伸び、縮みに基くもので、圧縮の熱応力は善玉応力です。
  それは強さ(疲労強さ)を増し、焼割れを防ぎます。

これに対して変態応力は悪玉で、焼割れの主原因となります。

  外力を取り去った後で材料の中に残っているストレスを残留応力
 (residual stress、σR)という。残留応力は外力と反対の力が残る
 のであって、引張りの外力に対しては圧縮の残留応力となります。
  圧縮の残留応力は善玉ですのでなので、これは大いに活用すべき
 ですある。
  残留応力を除く熱処理を、応力除去(SR)という。鋼の残留応力
 は約450℃以上に加熱すると除去されます。これを歪取り焼鈍という
 のは正しくありません。歪を取るのではなくてストレスを除去します。



                                                                  

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熱処理の言葉色々 忘れたらアカン ものづくり

忘れたらアカン、ものづくり のブログを書いている、マーシーです。

今日も、熱処理に関するタームの微妙な使い分けについてのお話です。

熱処理で注意すべき焼きひずみとエフェクトについて述べる。


■焼歪みの二形態
  焼歪みには変寸(dimension change)と変形(shape change)の
 2つがあります。変寸というのは寸法の変化、つまり伸び、縮み、
 太り、細りをいい、方向性のない対称型の 焼きひずみであり変態
 ひずみともいいます。
  一方、変形とは形の変化、つまり曲り、捩れなどをいい、方向性
 のある非対称型の焼きひずみであり、熱ひずみともいいます。

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熱処理_微妙な言葉の違い 忘れたらアカン ものづくり

忘れたらアカン、ものづくり のブログを書いている、マーシーです。

今日は、熱処理に関するタームの微妙な使い分けについてのお話です。



■今日は、熱処理で注意したほうが良いことを何点か述べます。



■焼入温度と急冷温度の違い
  焼入れのために加熱する温度が焼入温度(オーステナイト化温度、
 TA)であり、焼入液に入れる温度が急冷温度(クエンチング温度、
 TQ)である。実際的に、焼入れ温度TAからいきなり焼入液に入れる
 事はできませんので、多少の遅れが生じます。その遅れは最大約
 100℃までは問題ありません。つまり、TA-TQ≒100℃ということに
 なります。TAで急いで焼入れしなくても、約100℃遅らせて焼入れ
 してよいことになります。これは遅らせ焼入れといわれるものです。

  TAで焼入れせずに、TQで焼入れすると、作業が楽なばかりでなく、
 焼きがよく入るようになります。



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サーフェース熱処理  忘れたらアカン ものづくり

忘れたらアカン、ものづくり のブログを書いている、マーシーです。

今日は、サーフェース熱処理についてのお話です。



再掲
■バルク熱処理とサーフェース熱処理
  熱処理は大きく分けると、バルク(全体)熱処理とサーフェース
 (表面)熱処理の2種類に分類されます。

  バルク熱処理とは、ワーク全体の体質改善を行うために行う熱処理
 であり、サーフェース熱処理はワークの表面だけの体質改善を狙って
 行う熱処理です。それぞれ目的が異なるので熱処理のテクニックも異
 なります。
  ここでは、サーフェース熱処理について述べる。


■サーフェース熱処理
  サーフェース(表面)熱処理には、表面硬化熱処理(表面を硬くする
 熱処理)、表面 軟化熱処理(表面を軟らかくする熱処理)、表面滑化
 熱処理(表面の摩擦係数を小さくして焼付きを少なくする熱処理)の
 三通りがあります。いずれも表面だけを焼入硬化したり、炭素(C)、
 窒素(N)、硫黄(S)、酸素(O)などのガスを鋼表面に浸み込ませて、
 表面層の性質を変えるプロセスをとります。

  また、刃具などで見られるチタンの炭化物(TiC)やチタンの窒化物
 (TiN)を蒸着させる方法を表面改質法といいますが、これもまた表面
 硬化法の一種です。


■表面硬化法(サーフェース・ハードニング)

 ■■浸炭(HC、カーブライジング)
   鋼の表面に炭素(C)を浸み込ませるプロセスを浸炭といい、その
  後で焼入れして表面を硬化させます。つまり、浸炭+焼入れという
  プロセスをとります。そのために浸炭後再加熱焼入れということになり
  ますが、工程の簡略化、熱エネルギーの節約という観点から、浸炭直接
  焼入れ(ジカ焼入れ、ダイレクト・クエンチング、D.Q.という)が盛ん
  に行われています。浸炭焼入れ後は低温テンパ(約200℃)を行います。

   浸炭するには、固体浸炭(木炭)、ガス浸炭、液体浸炭の3種類があ
  りますが、現在ではガス浸炭が最も一般的です。最近では真空浸炭と
  いって真空炉を使って浸炭する方法が多用されています。真空浸炭と
  いっても真空中では浸炭が行われるのではありません。

   真空浸炭というのは、加熱を真空炉で行い、この真空炉中に浸炭性
  ガスを導入して浸炭するプロセスで、いわば真空炉加熱・ガス浸炭の
  一種です。浸炭後、焼入れ・焼戻しを行うことは勿論です。

   その他、特殊浸炭法としては、プラズマを利用するプラズマ浸炭
  (イオン浸炭ともいう)があります。


 ■■窒化(HNT、ナイトライディング)
   鋼の表面に窒素(N)を浸み込ませるプロセスを窒化といいます。
  窒化温度は500~600℃で、窒化後は焼入れをする必要はなく、そのまま
  で硬化させます。硬さは高い(約1,000HV)ですが、硬化層は浅い。

   これに対して軟窒化といって硬さが約1/2(500HV前後)の窒化法が
あります。これは疲労強度の向上に有効で、ガス法、塩浴法(タフト
ライド)などがあります。また、浸炭と同じようにグロー放電を利用
  するプラズマ窒化(イオン窒化)も行われています。


 ■■酸化(オキシダイジング、ホモ処理)
   鋼の表面に酸化膜を形成させるプロセスで、四三酸化鉄(Fe3O4)を
  作る方法は水蒸気処理ともいわれています。耐食、耐摩耗性に効果が
 あります。窒化と同時に行う酸窒化法も耐摩耗性に優れています。

  以上の三法はいずれも表面層の化学的反応を利用する表面硬化法なので、
 化学的表面硬化法ともいわれています。


 ■■高周波焼入れ(HQI、インダクション・ハードニング)
   高周波による表皮効果(スキン・エフェクト)によって、処理物
  (ワーク)の表面だけを加熱して焼入硬化するプロセスです。

   耐疲労性と耐摩耗性が向上します。急熱、急冷の焼入れなので、
  動的(ダイナミック)焼入れともいわれています。

   高周波焼入後は、通常低温テンパ(約200℃)を行います。この
  焼戻しは電気炉加熱によるのが一般的ですが、最近は高周波テンパ
  も行われています。


 ■■炎焼入れ(HQF、フレーム・ハードニング)
   ガス火炎によってワークの表面を加熱して焼入硬化する方法です。
  一般には酸素-アセチレン火炎を使用する。フレーム焼入れ後は低温
  テンパを行いますが、フレーム(火炎)テンパすると焼戻し割れを
  生じやすいので、電気炉加熱テンパを行うが安全です。

 ■■レーザ焼入れ
   レーザ・ビームを使って鋼の表面を線状の螺旋状あるいは縦線状
  (虎刈状)に加熱焼入れする方法で、急冷は自己冷却(セルフ・クエンチ)
  によります。硬い部分と軟らかい部分が交互に存在するので、耐摩耗
  性を発揮します。焼戻しは行わないのが普通です。

 ■■アーク放電加熱焼入れ
   レーム(火炎)の代わりに、アーク放電を利用して表面を加熱し、
  自己冷却焼入れする表面硬化法です。表面を溶融することがあるから、
  注意を要します。テンパせずにそのまま使用するのが一般的です。
   従って、研摩割れを起こすことがあるから、低温テンパ(約200℃)
  することが望ましい。

 ■■溶融表面硬化法
   主として鋳鉄品の表面硬化に利用される方法です。フレームや高周波
  加熱によって 鋳物の表面を溶融し、セルフ・クエンチによってチル
  鋳物(白銑)にして硬化するプロセスです。一名チル硬化法ともいわれ
  ています。大形鋳鉄部品の表面硬化に便利です。
 

 以上の表面硬化法は、物理的表面硬化法といって化学的表面硬化法と区別されている。


 

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熱処理の種類 忘れたらアカン ものづくり

忘れたらアカン、ものづくり のブログを書いている、マーシーです。

今日は、熱処理についてのお話です。



■バルク熱処理とサーフェース熱処理
  熱処理は大きく分けると、バルク(全体)熱処理とサーフェース
 (表面)熱処理の2種類に分類されます。
  バルク熱処理とは、ワーク全体の体質改善を行うために行う熱処理
 であり、サーフェース熱処理はワークの表面だけの体質改善を狙って
 行う熱処理である。それぞれ目的が違うので熱処理のテクニックも異
 なります。
  ここでは、バルク熱処理について述べる。

■バルク熱処理
  バルク熱処理には、焼きなまし、焼ならし、焼入れ、焼戻し、固溶
 化処理があります。

■■焼きなまし(アニーリング)
  赤熱温度(オーステナイト化温度TA :約800℃)からゆっくり冷やす
 (炉冷100℃/h以下)プロセスで、軟らかくすることが目的です。
  この処理で鋼は軟らかくなるので、完全焼なましということもあり
 ます。温度を高くして(1,000~1,100℃)化学成分や組織の均一化を
 はかるのを拡散焼なましといい、
 鋳物に適用される。また、500~600℃に加熱して行う焼なましを応力
 除去焼なまし(SR)といい、溶接や加工のストレスを除くためのプロ
 セスです。これを歪(ひずみ)取り焼鈍 とよくいわれますが、これは
 誤りで、歪を取るのではなくて応力(ストレス)を取るため の焼
 なましである。鋳物に対しては枯し(aging)ということもあります。
 ストレスを取って機械加工による変形を防ぐためのプロセスです。

■■焼ならし(ノルマライジング)
  赤熱温度(TA :約800℃)から空冷(300℃/h以上)するプロセスを
 焼ならしといいます。
 この処理で鋼は焼なましよりは硬く、焼入れよりは軟らかく、鋼本来
 の硬さ、強さになります。 焼なましは鋼をむりやりに軟らかくした状態
 であり、焼入れはむりやり硬くした状態であるが、焼ならしは鋼本来の
 状態にするということで、昔は焼準、焼いて標準状態にするということ
 で、こういう字を書いたが、今ではひらがなで使われています。焼なら
 しすると、鋼は軟らかからず硬からず、適当な硬さ、強さを発揮するので、
 実用性が高く、非調質鋼(熱処理不要鋼、焼入れ・焼戻し不要鋼)の
 原点となっています。

■■焼入れ(クエンチング)
  赤熱温度(T :約800℃)から急冷(水冷、湯冷)するプロセスをいいます。
 急冷すると鋼は硬くなるので、これを焼入硬化(クエンチ・ハードニング、
 Q-H)ということがあります。
  オーステナイトステンレス鋼(SUS304等)は、クエンチしても硬くなら
 ない材料です。この場合は溶体化処理(ソリューション・トリートメント)
 といいます(後出)。

  焼入れのことをハードニングということがありますが、これは正しく
 ありません。焼入れは早く冷やすこと、つまりクエンチング(Q)のこと
 で、クエンチングの結果硬くなるので、Q-H(クエンチ・ハードニング)
 というのが正しです。クエンチングは急冷という意味です。
  水焼入れはWQ(ウォーター・クエンチング)、油焼入れはOQ(オイル・
 クエンチング)となります。

  急冷には三つの方法がります。連続冷却、二段冷却、等温冷却の3つです。
 連続冷却は赤熱温度から冷めたくなるまで(冷媒温度)冷やし切る方法で、
 最も一般に行われている方法です。しかし、この連続冷却は、危険区域
 (約300℃以下)も早く冷えるので、焼歪みや焼割れの危険があるので
 注意が必要です。

  次に、二段冷却は危険区域をゆっくり冷やすことになる(引上げ冷却また
 は時間冷却ともいう)ので、焼割れを生ずることなく、「硬く、割れずに」
 焼きを入れることができます。このため、現場的に便利な焼入れ冷却です。

  最後の等温冷却は約350~400℃まで急冷してこの温度に長時間等温保持して
 から冷却する(オーステンパ)か、約250℃まで急冷してこの温度に短時間
 (4分/25mm厚)保持してから空冷する(マルクエンチ、マルテンパともいう)
 方法で冷却媒体には溶融塩を使用する。この等温冷却はオーステンパや
 マルクエンチに必要な冷却方法です。

■■焼戻し(テンパ・テンパリング)
  焼入れしたものは硬いが脆いので、硬さを下げて粘くしたり、耐磨耗性を
 上昇させるために、焼入れ後行う再加熱を焼戻しといいます。この焼戻しに
 は約200℃で行う低温テンパと500℃前後で行う高温テンパの二種類があります。

  低温テンパは主として耐磨耗性アップ(浸炭、高周波焼入部品)、高温
 テンパは強靭性アップ(機械構造用部品)に適用されます。焼入れ-高温テンパは、
 調質ともいいます。

■■溶体化(ソリューション・トリートメント)
  固溶体温度(炭化物や化合物を固溶した状態。ステンレス、高マンガン
 鋳鋼は約1,100℃、アルミニウム合金は約600℃)から急冷(水冷)する処理を
 いいます。固溶体化処理ともいわれていました。
 
  溶体化処理の後では再加熱して強度をアップさせます。これを時効(エージング)
 といいます。焼戻し処理の一種です。


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忘れたらアカン、ものづくり、  熱処理用語はこれだけ

忘れたらアカン、ものづくり のブログを書いている、マーシーです。

今日は、材料の性質を改善する熱処理の基礎となる用語を説明を。

■調質とは

焼入れ後比較的高い温度(約400℃以)に焼戻して、焼入れで生じたマルテンサイト組織をトルース

タイト組織またはソルバイト組織にする熱処理です。一般には普通の焼入れ焼き戻しのことを言うこと

が多い。ただし、低温空冷焼戻しは調質とは言いません。


■時効とは

犯人がうまく逃げおおせたことではありません。

急冷または冷間加工の後、時間の経過につれて鋼の性質が変化する現象。

室温で進行する時効を、自然時効といいます。


■質量効果と焼入れ性、臨界直径との関係

□質量効果(マスエフェクト)とは・・・ 材料の質量および断面寸法の大小によって、熱処理効果の

異なる度合いを言います。材料の大きさによる熱処理効果の違いが大きいことを質量効果が大きいと

いいます。

□焼入性とは・・・焼きの入りやすさ、つまり焼きの入る深さと硬さの分布を決める性能のこと。

普通は深さで比較する。

□臨界直径とは・・・与えられた冷却速度にたいして、中心部が50%のマルテンサイトになるような

鋼材の直径を言います。

この直径が大きいと焼入性の良い鋼材になります。

□理想臨界直径とは・・・焼入れ材の冷却速度を無限大と想定した場合の焼入れによって

中心部が50%マルテンサイトになる臨界直径のことで、通常は記号Dで表して、焼入れ性の

評価基準とします。




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