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ステンレス鋼鋳物、ねずみ鋳鉄鋳物、ダクタイル鋳鉄鋳物

鋼鋳物の熱処理の一般情報

鋳鋼の熱処理は、Fe-Fe3C状態図に基づいて、鋳鋼の微細構造を制御して必要な性能を達成します。熱処理は、鋳鋼品の製造において重要な工程の 1 つです。熱処理の品質と効果は、鋳鋼の最終的な性能に直結します。

鋼鋳物の鋳放し構造は、化学組成と凝固プロセスに依存します。一般に、比較的深刻なデンドライト偏析、非常に不均一な構造、および粗粒があります。したがって、鋼鋳物は一般に、鋼鋳物の機械的特性を改善するために、上記の問題の影響を排除または軽減するために熱処理する必要があります。さらに、鋼鋳物の構造と肉厚の違いにより、同じ鋳物のさまざまな部分が異なる組織形態を持ち、かなりの残留内部応力が発生します。したがって、鋼鋳物(特に合金鋼鋳物)は、通常、熱処理された状態で納入する必要があります。

 

鋳鋼の結晶領域

 

1. 鋳鋼品の熱処理の特徴

1) 鋼鋳物の鋳放し組織には、粗大なデンドライトと偏析がしばしば見られます。熱処理中、加熱時間は、同じ組成の鍛造鋼部品の加熱時間よりもわずかに長くする必要があります。同時に、オーステナイト化の保持時間を適切に延長する必要があります。

2) 一部の合金鋼鋳物の鋳放し構造の深刻な分離により、鋳物の最終特性への影響を排除するために、熱処理中に均質化するための措置を講じる必要があります。

3) 複雑な形状と大きな肉厚差を持つ鋳鋼の場合、熱処理中に断面効果と鋳造応力因子を考慮する必要があります。
4) 鋼鋳物に熱処理を施す場合、その構造的特性に基づいて合理的であり、鋳物の変形を避けるように努めなければなりません。

 

2. 鋼鋳物の熱処理の主なプロセス要因

鋳鋼の熱処理は、加熱、保温、冷却の3段階で行われます。プロセスパラメータの決定は、製品の品質を確保し、コストを節約するという目的に基づいている必要があります。

1) 暖房

加熱は、熱処理工程の中で最もエネルギーを消費する工程です。加熱プロセスの主な技術的パラメータは、適切な加熱方法、加熱速度、および充電方法を選択することです。

(1) 加熱方法。鋳鋼の加熱方法には、主に輻射加熱、塩浴加熱、誘導加熱があります。加熱方法の選択原理は、高速で均一、制御が容易、高効率、低コストです。加熱の際、鋳物工場は通常、鋳物の構造サイズ、化学組成、熱処理プロセス、および品質要件を考慮します。

(2) 加熱速度。一般的な鋳鋼品の場合、加熱速度は制限されず、炉の最大出力が加熱に使用されます。ホットファーネスチャージを使用すると、加熱時間と生産サイクルを大幅に短縮できます。実際、急速加熱の条件下では、鋳物の表面とコアの間に明らかな温度ヒステリシスはありません。加熱が遅いと、生産効率が低下し、エネルギー消費が増加し、鋳物の表面で深刻な酸化と脱炭が発生します。ただし、複雑な形状や構造、大きな肉厚、および加熱プロセス中の大きな熱応力を持つ一部の鋳物では、加熱速度を制御する必要があります。一般的には、低温ゆっくり加熱(600℃以下)または低温・中温保持が使用でき、高温域では急速加熱が使用できます。

(3) 積載方法。鋼鋳物を炉内に配置する原則は、有効スペースを最大限に活用し、均一な加熱を確保し、鋳物を変形させることです。

2) 絶縁

鋼鋳物のオーステナイト化の保持温度は、鋳鋼の化学組成と必要な特性に従って選択する必要があります。保持温度は、一般に同じ組成の鍛造鋼部品よりもわずかに高くなります (約 20 °C)。共析鋼鋳物では、炭化物がオーステナイトに迅速に取り込まれ、オーステナイトが微細な結晶粒を維持できることが保証されなければなりません。

鋳鋼の保温時間は、鋳肌と中子の温度を均一にすることと、組織の均一性を確保することの2つの要素を考慮する必要があります。したがって、保持時間は、主に鋳造物の熱伝導率、セクションの壁の厚さ、および合金元素に依存します。一般的に言えば、合金鋼鋳物は炭素鋼鋳物よりも長い保持時間を必要とします。鋳物の肉厚は、通常、保持時間を計算するための主な基準です。焼戻し処理や時効処理の保持時間は、熱処理の目的、保持温度、元素拡散速度などを考慮する必要があります。

3) 冷却

鋼鋳物は、金属組織変態を完了させ、必要な金属組織を得て、指定された性能指標を達成するために、保温後にさまざまな速度で冷却することができます。一般的に言えば、冷却速度を上げると、良好な構造が得られ、結晶粒が微細化されるため、鋳造品の機械的特性が向上します。ただし、冷却速度が速すぎると、鋳物に大きな応力が発生しやすくなります。複雑な構造の鋳物の変形や割れの原因となります。

鋼鋳物を熱処理するための冷却媒体には、一般に、空気、油、水、塩水、および溶融塩が含まれます。

 

鋼鋳物の熱処理温度曲線

 

3. 鋳鋼品の熱処理方法

さまざまな加熱方法、保持時間、および冷却条件に従って、鋼鋳物の熱処理方法には、主に焼鈍、正規化、急冷、焼き戻し、溶体化処理、析出硬化、応力緩和処理、および水素除去処理が含まれます。

1) アニーリング。

焼なましとは、構造が平衡状態から外れた鋼を工程であらかじめ決められた温度まで加熱し、保温(通常は炉冷や石灰埋設)した後、徐冷することで、鋼に近い熱処理工程を得る方法です。構造の平衡状態。鋼の組成と焼鈍の目的と要件に応じて、焼鈍は完全焼鈍、等温焼鈍、球状化焼鈍、再結晶焼鈍、応力除去焼鈍などに分けることができます。

(1) アニーリングを完了します。完全なアニーリングの一般的なプロセスは次のとおりです: 鋼鋳物を Ac3 より 20 °C ~ 30 °C 高い温度に加熱し、一定時間保持して、鋼の構造が完全にオーステナイトに変換されるようにし、その後ゆっくりと冷却します (通常、炉で冷却)500℃~600℃で冷却し、最後に空気中で冷却します。いわゆる完全とは、加熱したときに完全なオーステナイト組織が得られることを意味する。

完全なアニーリングの主な目的は次のとおりです。1つ目は、熱間加工によって引き起こされる粗くて不均一な構造を改善することです。2つ目は、中炭素以上の炭素鋼および合金鋼鋳物の硬度を下げることで、切削性能を向上させます(一般に、ワークピースの硬度が170 HBW〜230 HBWの場合、切削は容易です。硬度がこの範囲より高くても低くても、切断が困難になります)。3 つ目は、鋳鋼の内部応力を除去することです。

完全焼鈍の使用範囲。完全焼鈍は主に、炭素含有量が 0.25% から 0.77% の亜共析組成の炭素鋼および合金鋼の鋳物に適しています。過共析鋼がAccm以上に加熱され、徐冷されると、二次セメンタイトがオーステナイト粒界に沿って網目状に析出し、鋼の強度、可塑性、および衝撃靭性が重要になるため、過共析鋼は完全に焼きなますべきではありません。却下。

(2) 等温アニーリング。等温アニーリングとは、鋼鋳物を Ac3 (または Ac1) より 20 °C ~ 30 °C 高い温度まで加熱し、一定時間保持した後、サブクール オーステナイト等温変態曲線のピーク温度まで急速に冷却し、一定時間保持することを指します。時間の(パーライト変態ゾーン)。オーステナイトがパーライトに変化した後、ゆっくりと冷却します。

(3) 球状化アニーリング。球状化焼鈍とは、鋼鋳物をAc1よりやや高い温度まで加熱し、長時間の保温の後に鋼中の二次セメンタイトが自然に粒状(または球状)セメンタイトに変化し、その後ゆっくりとした速度で熱処理することです。室温まで冷却するプロセス。
球状化焼鈍の目的には次のものが含まれます。金属組織を均一にする。切削性能を向上させ、焼き入れの準備をします。
球状化焼鈍は、主に炭素工具鋼、合金ばね鋼、転がり軸受鋼、合金工具鋼などの共析鋼および過共析鋼 (炭素含有量が 0.77% 以上) に適用されます。

(4) 歪取焼鈍と再結晶焼鈍。応力緩和焼鈍は、低温焼鈍とも呼ばれます。これは、鋼鋳物を Ac1 温度 (400 °C ~ 500 °C) 未満に加熱し、一定時間保持した後、ゆっくりと室温まで冷却するプロセスです。応力除去焼鈍の目的は、鋳物の内部応力を除去することです。鋼の金属組織は、応力除去焼鈍プロセス中に変化しません。再結晶焼鈍は、主に冷間変形加工による歪んだ組織を除去し、加工硬化を除去するために使用されます。再結晶焼鈍の加熱温度は、再結晶温度より150℃~250℃高い温度です。再結晶焼鈍は、冷間変形後に細長い結晶粒を均一な等軸晶に再形成することができ、それによって加工硬化の影響を排除します。

2) ノーマライズ

焼きならしとは、鋼をAc3(亜共析鋼)やAcm(過共析鋼)より30℃~50℃高い温度に加熱し、一定期間保温した後、空気中または水中で室温まで冷却する熱処理です。強制空気。方法。焼きならしは焼きなましよりも冷却速度が速いため、焼きならし組織は焼きなまし組織よりも細かくなり、その強度と硬度も焼きなまし組織よりも高くなります。焼きならしの生産サイクルが短く、機器の使用率が高いため、焼きならしはさまざまな鋼鋳物で広く使用されています。

正規化の目的は、次の 3 つのカテゴリに分けられます。

(1)最終熱処理として焼きならし
強度要件が低い金属鋳物の場合、焼ならしを最終熱処理として使用できます。正規化は、結晶粒を微細化し、構造を均質化し、亜共析鋼のフェライト含有量を減らし、パーライト含有量を増加および微細化し、それによって鋼の強度、硬度、および靭性を改善します。

(2) 予備熱処理として焼きならし
断面が大きい鋳鋼品の場合、焼入れ前の焼ならし、または焼入れ焼戻し(焼入れ高温焼戻し)を行うことで、ウィドマンシュテッテン組織や帯状組織を解消し、微細で均一な組織を得ることができます。炭素鋼および炭素含有量が 0.77% を超える合金工具鋼に存在するネットワーク セメンタイトの場合、焼きならしにより二次セメンタイトの含有量が減少し、それが連続的なネットワークを形成するのを防ぎ、球状化焼鈍の組織を準備します。

(3) 切削性能の向上
焼きならしにより、低炭素鋼の切削性能を向上させることができます。低炭素鋼鋳物の焼鈍後の硬度が低すぎるため、切断時にナイフにくっつきやすく、表面粗さが過度に大きくなります。焼きならし熱処理により、低炭素鋼鋳物の硬度を最適な切削硬度に近い 140 HBW ~ 190 HBW に高めることができ、切削性能が向上します。

3) 焼き入れ

焼入れは、鋼鋳物を Ac3 または Ac1 を超える温度に加熱し、一定時間保持した後に急速に冷却して完全なマルテンサイト組織を得る熱処理プロセスです。鋼鋳物は、焼入れ応力を除去し、必要な包括的な機械的特性を得るために、最も高温になった後に焼き戻しする必要があります。

(1) 焼入れ温度
亜共析鋼の焼入れ加熱温度はAc3より30℃~50℃高い。共析鋼と過共析鋼の焼入れ加熱温度はAc1より30℃~50℃高い。亜共析炭素鋼を上記の焼入れ温度で加熱することにより、オーステナイトを微細化し、焼入れ後に微細なマルテンサイト組織を得ることができる。共析鋼と過共析鋼は焼入れ加熱前に球状化焼鈍を行っているため、Ac1以上の30℃~50℃に加熱して不完全オーステナイト化した後、組織はオーステナイトと部分的に未溶解の細粒溶浸炭素体粒子となります。焼入れ後、オーステナイトはマルテンサイトに変換され、未溶解のセメンタイト粒子が保持されます。セメンタイトは硬度が高いため、鋼の硬度を低下させないだけでなく、耐摩耗性も向上させます。過共析鋼の通常の焼入れ組織は微細なフレーク状のマルテンサイトであり、微細な粒状のセメンタイトと少量の残留オーステナイトがマトリックス上に均一に分布しています。この構造は高い強度と耐摩耗性を備えていますが、ある程度の靭性も備えています。

(2) 焼入れ熱処理工程の冷媒
焼入れの目的は、完全なマルテンサイトを得ることです。したがって、焼入れ中の鋳鋼の冷却速度は、鋳鋼の臨界冷却速度よりも大きくなければなりません。そうしないと、マルテンサイト構造と対応する特性を得ることができません。ただし、冷却速度が速すぎると、鋳物の変形や割れが発生しやすくなります。上記の要求を同時に満たすためには、鋳物の材料に応じて適切な冷却媒体を選択するか、または段階的な冷却方法を採用する必要があります。650℃~400℃の温度範囲では、鋼の過冷却オーステナイトの等温変態速度が最大になります。したがって、鋳物を急冷する場合は、この温度範囲で急冷する必要があります。Ms 点より下では、変形や亀裂を防ぐために冷却速度を遅くする必要があります。焼入れ媒体は、通常、水、水溶液、または油を採用します。焼入れまたはオーステンパーの段階で、一般的に使用される媒体には、熱油、溶融金属、溶融塩、または溶融アルカリが含まれます。

650℃~550℃の高温域の水の冷却能力は強く、300℃~200℃の低温域の水の冷却能力は非常に強いです。水は、単純な形状と大きな断面を持つ炭素鋼鋳物の焼入れと冷却に適しています。急冷に使用する場合、水温は一般的に30℃以下です。そのため、水循環を強化して水温を適度な範囲に保つことが一般的に採用されています。さらに、水中で塩(NaCl)またはアルカリ(NaOH)を加熱すると、溶液の冷却能力が大幅に向上します。

冷却媒体としての油の主な利点は、300℃〜200℃の低温ゾーンでの冷却速度が水の冷却速度よりもはるかに低いことです。これにより、急冷されたワークピースの内部応力が大幅に減少し、変形の可能性が減少します。そして鋳物の割れ。同時に、650℃-550℃の高温域での油の冷却能力は比較的低く、これも焼入れ媒体としての油の主な欠点です。焼入れ油の温度は一般的に60℃~80℃に管理されています。オイルは、主に複雑な形状の合金鋼鋳物の焼入れと、小さな断面と複雑な形状の炭素鋼鋳物の焼入れに使用されます。

さらに、溶融塩は、この時点で塩浴となる急冷媒体としても一般的に使用されます。ソルトバスは沸点が高く、冷却能力は水と油の中間です。塩浴は、オーステンパーや段階焼入れ、複雑な形状、小さな寸法、厳しい変形要件を持つ鋳物の処理によく使用されます。

 

焼入れ焼戻しの温度曲線

 

4)焼戻し

焼戻しとは、急冷または焼きならしされた鋼鋳物を臨界点Ac1よりも低い選択された温度に加熱し、一定時間保持した後、適切な速度で冷却する熱処理プロセスを指します。焼き戻し熱処理は、焼入れまたは焼きならし後に得られる不安定な組織を安定した組織に変換して、応力を除去し、鋼鋳物の可塑性と靭性を向上させることができます。一般に、焼入れ・高温焼戻し処理の熱処理工程を焼入れ焼戻し処理と呼びます。急冷された鋼鋳物は適時に焼戻しする必要があり、正規化された鋼鋳物は必要に応じて焼戻しする必要があります。焼戻し後の鋼鋳物の性能は、焼戻し温度、時間、回数に依存します。焼戻し温度の上昇と保持時間の延長はいつでも、鋼鋳物の焼入れ応力を緩和するだけでなく、不安定な焼入れマルテンサイトを焼戻しマルテンサイト、トルースタイトまたはソルバイトに変換することもできます。鋼鋳物の強度と硬度が低下し、可塑性が大幅に向上します。炭化物を強く形成する合金元素 (クロム、モリブデン、バナジウム、タングステンなど) を含む一部の中合金鋼では、400℃~500℃で焼戻しすると硬度が増加し、靭性が低下します。この現象は二次硬化と呼ばれ、焼き戻し状態の鋳鋼の硬度が最大になります。実際の生産では、二次硬化特性を持つ中合金鋳鋼は、何度も焼戻しを行う必要があります。

(1) 低温焼戻し
低温焼戻しの温度範囲は150℃~250℃です。低温焼戻しは焼戻しマルテンサイト組織を得ることができ、主に高炭素鋼の焼入れと高合金鋼の焼入れに使用されます。焼き戻しマルテンサイトとは、隠微結晶マルテンサイトに微細な粒状炭化物を加えた構造を指します。低温焼戻し後の亜共析鋼の組織は焼戻しマルテンサイトです。低温焼戻し後の過共析鋼の組織は、焼戻しマルテンサイト+炭化物+残留オーステナイトです。低温焼戻しの目的は、高硬度(58HRC-64HRC)、高強度、耐摩耗性を維持しながら、焼入れ鋼の靭性を適切に改善し、鋼鋳物の焼入れ応力と脆性を大幅に低減することです。

(2) 中温焼戻し
中温焼戻し温度は一般的に350℃~500℃です。中温焼戻し後の組織は、フェライトマトリックス上に多量の細粒セメンタイトが分散・分布した組織、すなわち焼戻しトルースタイト組織である。焼き戻しされたトルースタイト構造のフェライトは、マルテンサイトの形状を保持しています。焼き戻し後の鋼鋳物の内部応力は基本的に除去され、弾性限界と降伏限界が高く、強度と硬度が高く、可塑性と靭性が良好です。

(3) 高温焼戻し
高温焼戻し温度は一般的に500℃~650℃で、焼入れとその後の高温焼戻しを組み合わせた熱処理工程を通常、焼入れ焼戻し処理と呼んでいます。高温焼戻し後の組織は焼戻しソルバイト、すなわち細粒セメンタイトとフェライトです。焼戻しソルバイトのフェライトはポリゴナルフェライトで再結晶します。高温焼き戻し後の鋼鋳物は、強度、可塑性、および靭性の点で優れた総合的な機械的特性を備えています。高温焼き戻しは、中炭素鋼、低合金鋼、および複雑な力を伴うさまざまな重要な構造部品で広く使用されています。

 

炭素鋼鋳物の機械的性質に及ぼす熱処理の影響

 

5) 固溶体処理

溶体化処理の主な目的は、過飽和単相構造を得るために、炭化物または他の析出相を固溶させることです。オーステナイト系ステンレス鋼、オーステナイト系マンガン鋼、析出硬化系ステンレス鋼の鋳物は、一般的に固溶体処理が必要です。溶解温度の選択は、鋳鋼の化学組成と状態図に依存します。オーステナイトマンガン鋼鋳物の温度は一般に1000℃~1100℃です。オーステナイトクロム-ニッケルステンレス鋼鋳物の温度は、一般的に1000℃-1250℃です。

鋳鋼中の炭素含有量が高く、不溶性の合金元素が多いほど、その固溶温度は高くなるはずです。銅を含む析出硬化鋼鋳物の場合、鋼鋳物の硬度は、冷却中の鋳放し状態での硬質の銅リッチ相の析出により増加します。組織を軟化させ、加工性能を向上させるために、鋼鋳物は固溶体処理する必要があります。その固溶温度は900℃~950℃です。

6) 析出硬化処理

析出硬化処理は、人工時効とも呼ばれる焼戻し温度範囲内で行う分散強化処理です。析出硬化処理の本質は、より高い温度で、炭化物、窒化物、金属間化合物、およびその他の不安定な中間相が過飽和固溶体から析出し、マトリックスに分散することです。これにより、鋳鋼が総合的に改善され、機械的特性と硬度が向上します。

時効処理の温度は、鋼鋳物の最終的な性能に直接影響します。エージング温度が低すぎると、析出硬化相がゆっくりと析出します。時効温度が高すぎると、析出相の蓄積により過時効が生じ、最高の性能が得られません。したがって、鋳物工場は、鋳鋼のグレードと鋼鋳物の指定された性能に従って、適切な時効温度を選択する必要があります。オーステナイト系耐熱鋳鋼の時効温度は一般に550℃~850℃です。高強度析出硬化鋳鋼の時効温度は一般的に500℃です。

7) ストレス解消トリートメント

歪取り熱処理の目的は、鋳物応力、焼入れ応力、機械加工による応力を除去し、鋳物の寸法を安定させることです。応力除去熱処理は、通常、Ac1 より 100°C ~ 200°C 低い温度に加熱し、一定時間保持し、最後に炉で冷却します。鋳鋼の構造は、応力除去プロセス中に変化しませんでした。炭素鋼鋳物、低合金鋼鋳物、高合金鋼鋳物はすべて応力除去処理を施すことができます。

 

熱処理後の硬度と衝撃吸収エネルギー

 

4. 鋳鋼品の特性に及ぼす熱処理の影響

化学組成と鋳造プロセスに依存する鋼鋳物の性能に加えて、さまざまな熱処理方法を使用して、優れた総合的な機械的特性を持たせることもできます。熱処理プロセスの一般的な目的は、鋳物の品質を向上させ、鋳物の重量を減らし、耐用年数を延ばし、コストを削減することです。熱処理は、鋳物の機械的特性を改善するための重要な手段です。鋳物の機械的性質は、熱処理の効果を判断するための重要な指標です。次の特性に加えて、鋳物工場は、鋼鋳物を熱処理する際に、処理手順、切削性能、鋳物の使用要件などの要因も考慮する必要があります。

1) 鋳物の強度に及ぼす熱処理の影響
同じ鋳鋼組成の条件下では、異なる熱処理プロセス後の鋳鋼の強度は増加する傾向があります。一般的に言えば、炭素鋼鋳物と低合金鋼鋳物の引張強度は、熱処理後に414 Mpa-1724 MPaに達することがあります。

2) 鋳鋼の塑性に及ぼす熱処理の影響
鋼鋳物の鋳放し組織は粗く、可塑性は低い。熱処理後、その微細構造と可塑性はそれに応じて改善されます。特に焼入れ焼戻し処理(焼入れ+高温焼戻し)後の鋳鋼品の可塑性が大幅に向上します。

3) 鋳鋼の靭性
鋼鋳物の靭性指数は、多くの場合、衝撃試験によって評価されます。鋳鋼の強度と靭性は相反する指標であるため、鋳物工場は、顧客が要求する包括的な機械的特性を達成するために、適切な熱処理プロセスを選択するために包括的な考慮を行う必要があります。

4) 鋳物の硬度に及ぼす熱処理の影響
鋳鋼の焼入れ性が同じ場合、熱処理後の鋳鋼の硬度は、鋳鋼の強度を大まかに反映することができます。したがって、硬度は、熱処理後の鋳鋼の性能を推定するための直感的な指標として使用できます。一般的に言えば、炭素鋼鋳物の硬度は、熱処理後に 120 HBW - 280 HBW に達することがあります。

鋳造炭素鋼の焼ならし温度
鋼鋳物の焼入れ温度
炭素鋼の硬度およびその他の特性
低合金鋼鋳物への熱処理の影響

投稿時間: Jul-12-2021