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、必要な性能を達成します。熱処理は鋳鋼の製造における重要なプロセスの 1 つです。熱処理の品質と効果は、鋼鋳物の最終性能に直接関係します。
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、比較的深刻な樹枝状結晶の偏析、非常に不均一な構造、および粗大な結晶粒が存在します。したがって、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除去または軽減するために、鋼鋳物を熱処理する必要がある。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品される必要があります。
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や偏析が存在することがよくあります。熱処理中の加熱時間は、同じ組成の鍛造鋼部品の加熱時間より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) 一部の合金鋼鋳物では鋳放し組織の偏析が深刻なため、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鋼鋳物の場合、熱処理中に断面効果と鋳造応力係数を考慮する必要があります。
4) 鋼鋳物に熱処理を行う場合は、その構造的特性に基づいて合理的な熱処理を行い、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素
鋳鋼品の熱処理は加熱、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、コストを削減するという目的に基づいて行う必要があります。
1) 加熱
加熱は熱処理プロセスの中で最もエネルギーを消費するプロセスです。加熱プロセスの主な技術パラメータは、適切な加熱方法、加熱速度、充電方法を選択することです。
（１）加熱方法。鋳鋼品の加熱方法には主に輻射加熱、塩浴加熱、誘導加熱などがあります。加熱方法の選択原理は、高速かつ均一、制御が容易、高効率、低コストです。加熱する際、鋳造工場では一般に、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、加熱速度に制限はなく、炉の最大出力で加熱します。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、鋳物の表面と中子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、鋳物の表面に深刻な酸化と脱炭が発生します。ただし、形状や構造が複雑で、肉厚が厚く、加熱プロセス中に大きな熱応力がかかる一部の鋳物では、加熱速度を制御する必要があります。一般的には、低温でゆっくり加熱（600℃以下）するか、低温または中温で加熱し、高温領域では急速加熱することができます。
(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、鋳物を変形するように配置することです。
2) 絶縁
鋳鋼のオーステナイト化の保持温度は、鋳鋼の化学組成と要求される特性に応じ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わずかに高くなります（約 20 °C）。共析鋼鋳物の場合、炭化物がオーステナイトに迅速に組み込まれ、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る必要があります。
鋳鋼の保温時間は、鋳肌と中心部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、保持時間は主に鋳物の熱伝導率、断面の壁の厚さ、合金元素に依存します。一般に、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。通常、鋳物の壁の厚さは保持時間を計算するための主な基礎となります。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、元素の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し、必要な金属組織を取得し、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できます。一般に、冷却速度を高めると、良好な組織が得られ、結晶粒が微細化され、それによって鋳物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、鋳造品に大きな応力が発生しやすくなります。複雑な構造の鋳物では変形や割れの原因となることがあります。
鋼鋳物の熱処理のための冷却媒体には、一般に空気、油、水、塩水、溶融塩が含まれます。
3. 鋳鋼品の熱処理方法
さまざまな加熱方法、保持時間、冷却条件に応じて、鋼鋳物の熱処理方法には主に焼鈍、焼きならし、焼き入れ、焼き戻し、溶体化処理、析出硬化、応力除去処理、水素除去処理が含まれます。
1) アニーリング。
焼鈍とは、組織が平衡状態から逸脱した鋼を工程で定められた一定温度まで加熱し、保温（通常は炉冷や石灰埋設）を行った後、徐冷することにより、平衡状態に近い熱処理を行うことです。構造の平衡状態。鋼の組成や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、歪取焼鈍などに分けることができます。
(1) 完全焼鈍。完全焼鈍の一般的なプロセスは次のとおりです。鋳鋼を Ac3 を超える 20 °C ～ 30 °C に加熱し、一定時間保持して鋼の組織が完全にオーステナイトに変態し、その後ゆっくりと冷却します (通常は炉で冷却）500℃～600℃で冷却し、最後に空冷します。いわゆる完全とは、加熱すると完全なオーステナイト組織が得られることを意味します。
完全焼鈍の目的は主に次のとおりです。 1 つは熱間加工によって生じた粗大で不均一な組織を改善することです。 2つ目は、炭素鋼および合金鋼鋳物の硬度を中炭素以上に下げ、それによって切削性能を向上させることです（一般に、ワークピースの硬度が170 HBW〜230 HBWの間の場合、切削は容易になります。硬度が低い場合）。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。完全焼なましは、主に炭素含有量が 0.25% ～ 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。過共析鋼は完全に焼鈍すべきではありません。過共析鋼が Accm 以上に加熱されてゆっくり冷却されると、二次セメンタイトがオーステナイト粒界に沿ってネットワーク状に析出し、鋼の強度、塑性、衝撃靭性が重要になるためです。衰退。
(2) 等温アニーリング。等温焼鈍とは、鋼鋳物を Ac3 (または Ac1) より 20 °C ～ 30 °C 高い温度に加熱し、一定期間保持した後、過冷却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、その後一定期間保持することを指します。の時間（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態した後、ゆっくりと冷却されます。
(3) 球状化焼鈍。球状化焼鈍とは、鋼鋳物をAc1より若干高い温度に加熱し、長時間の保温の後、鋼中の二次セメンタイトが自発的に粒状（または球状）セメンタイトに変態し、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、次のようなものがあります。金属組織を均一にする。切削性能の向上と焼き入れの準備。
球状化焼鈍は、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0.77％以上）に主に適用されます。
（４）歪取り焼鈍及び再結晶焼鈍。歪取り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) 以下に加熱し、一定時間保持した後、室温までゆっくり冷却するプロセスです。歪取り焼鈍の目的は、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って生じた組織の歪みを除去し、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。再結晶焼鈍により、冷間変形後に伸長した結晶粒を均一な等軸結晶に再形成することができ、加工硬化の影響を排除できます。
2) 正規化
焼ならしとは、鋼材をAc3（亜共析鋼）やAcm（過共析鋼）以上の30℃～50℃に加熱し、一定の保温期間を経た後、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、焼きならした組織よりも組織が細かくなり、強度や硬度も焼きなましした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、設備の利用率が高いため、焼きならしはさまざまな鋳鋼に広く使用されています。
正規化の目的は次の 3 つのカテゴリに分類されます。
(1) 最終熱処理として焼きならし
強度要件が低い金属鋳造の場合、最終熱処理として焼きならしを使用できます。正規化により、結晶粒が微細化され、組織が均質化され、亜共析鋼中のフェライト含有量が減少し、パーライト含有量が増加および微細化され、それによって鋼の強度、硬度、靭性が向上します。
(2) 前熱処理として焼きならし
断面の大きな鋼鋳物では、焼入れ前に焼ならし、または焼入れ焼戻し（焼入れと高温焼戻し）を行うことにより、ウィドマンシュテッテン組織や縞状組織が解消され、微細で均一な組織が得られます。炭素含有量が 0.77% を超える炭素鋼および合金工具鋼に存在する網目状セメンタイトの場合、焼きならしによって二次セメンタイトの含有量が減少し、連続的な網目状の形成が妨げられ、球状化焼鈍のための組織が準備されます。
(3) 切削性能の向上
焼きならしを行うことで、低炭素鋼の切削性能を向上させることができます。低炭素鋼鋳物は焼鈍後の硬度が低すぎるため、切断時に刃物に張り付きやすく、表面粗さが大きくなります。焼きならし熱処理により、低炭素鋼鋳物の硬度を最適切削硬度に近い140 HBW～190 HBWまで高めることができ、切削性能が向上します。
3) 焼入れ
焼入れは、鋼鋳物を Ac3 または Ac1 以上の温度に加熱し、一定期間保持した後に急冷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、必要な総合的な機械的特性を得るために、最高温度の後に適時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以上で30℃～50℃です。共析鋼、過共析鋼の焼入れ加熱温度はAc1より30℃～50℃高い。亜共析炭素鋼は、微細粒のオーステナイトを得るために上記の焼入れ温度で加熱され、焼入れ後には微細なマルテンサイト組織が得られる。共析鋼および過共析鋼は、焼入れ加熱前に球状化および焼鈍されているため、Ac1以上の30℃〜50℃に加熱して不完全に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浸透炭素体粒子です。焼入れ後、オーステナイトはマルテンサイトに変態し、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、耐摩耗性も向上します。過共析鋼の通常の焼入れ組織は微細な片状マルテンサイトであり、微細粒状のセメンタイトと少量の残留オーステナイトが基地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持ちながら、ある程度の靭性も備えています。
(2) 焼入れ熱処理工程用冷却媒体
焼入れの目的は、完全なマルテンサイトを取得することです。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大きくなければならず、そうでないとマルテンサイト組織および対応する特性が得られません。ただし、冷却速度が速すぎると、鋳物の変形や亀裂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、鋳物の材質に応じて適切な冷却媒体を選択するか、段階的に冷却する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も大きくなります。したがって、鋳物を急冷するときは、この温度範囲で確実に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。焼入れ媒体としては、通常、水、水溶液、油が使用されます。急冷またはオーステンパ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℃の高温域における水の冷却能力は強く、300℃～200℃の低温域における水の冷却能力は非常に強力です。形状が単純で断面が大きい炭素鋼鋳物の焼入れおよび冷却には、水の方が適しています。急冷に使用する場合、水温は通常30℃以下となります。したがって、水温を適切な範囲に保つために水の循環を強化することが一般的に採用されます。さらに、塩 (NaCl) またはアルカリ (NaOH) を水中で加熱すると、溶液の冷却能力が大幅に増加します。
冷却媒体として油を使用する主な利点は、300℃～200℃の低温域での冷却速度が水よりもはるかに遅いため、焼入れされたワークピースの内部応力を大幅に軽減し、変形の可能性を減らすことができることです。そして鋳物の割れ。同時に、650℃～550℃の高温範囲における油の冷却能力は比較的低く、これは焼き入れ媒体としての油の主な欠点でもあります。焼入油の温度は一般的に60℃～80℃に管理されます。油は主に複雑な形状の合金鋼鋳物の焼き入れや、断面が小さく複雑な形状の炭素鋼鋳物の焼き入れに使用されます。
さらに、溶融塩も急冷媒体として一般的に使用され、このとき塩浴になります。塩浴は沸点が高く、その冷却能力は水と油の間であることが特徴です。塩浴は、オーステンパリングや段階焼入れのほか、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。
4) テンパリング
焼き戻しとは、焼き入れまたは焼きならしを行った鋼鋳物を臨界点 Ac1 より低い温度に加熱し、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な組織に変化させ、応力を除去し、鋼鋳物の塑性と靭性を向上させることができます。一般に焼入れと高温焼戻し処理を行う熱処理工程を焼入焼戻し処理といいます。焼き入れした鋼鋳物は適時に焼き戻しする必要があり、正規化した鋼鋳物は必要に応じて焼き戻しする必要があります。鋳鋼品の焼き戻し後の性能は、焼き戻し温度、焼き戻し時間、焼き戻し回数によって決まります。焼き戻し温度の上昇と保持時間の延長は、鋳鋼の焼き入れ応力を緩和するだけでなく、不安定な焼き入れマルテンサイトを焼き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化させることもできます。鋳鋼品の強度と硬度が低下し、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℃で焼き戻すと硬度が増加し、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さは最大になります。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き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。低温焼戻しにより焼戻しマルテンサイト組織が得られ、主に高炭素鋼や高合金鋼の焼入れに使用されます。焼戻しマルテンサイトとは、隠微結晶マルテンサイトと微細粒状炭化物の構造を指します。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ある。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となる。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向上させ、鋳鋼の焼入応力と脆性を大幅に軽減することです。
(2)中温焼戻し
中温焼戻し温度は通常350℃～500℃です。中温焼戻し後の組織は、フェライト基地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となる。焼き戻されたトルースタイト構造内のフェライトは依然として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より高く、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に500℃～650℃であり、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一般に焼入れ焼戻し処理と呼びます。高温焼戻し後の組織は焼戻しソルバイト、つまり細粒セメンタイトとフェライトになります。焼き戻しソルバイトのフェライトは、ポリゴナルフェライトが再結晶したものです。高温焼戻し後の鋳鋼は、強度、可塑性、靭性の点で優れた総合的な機械的特性を備えています。高温焼戻しは、中炭素鋼、低合金鋼、および複雑な力がかかるさまざまな重要な構造部品に広く使用されています。
5) 固溶体処理
溶体化処理の主な目的は、炭化物またはその他の析出相を固溶体に溶解して、過飽和の単相構造を取得することです。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、析出硬化型ステンレス鋼の鋳物は通常固溶体処理する必要があります。溶解温度の選択は、鋳鋼の化学組成と状態図によって異なります。オーステナイト系マンガン鋼鋳物の温度は一般に1000℃～1100℃です。オーステナイト系クロムニッケルステンレス鋼鋳物の温度は一般に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ければなりません。銅を含む析出硬化鋼鋳物の場合、冷却中に鋳放し状態で硬質の銅に富んだ相が析出するため、鋼鋳物の硬度が増加します。組織を軟化させて加工性能を向上させるために、鋼鋳物に固溶処理を施す必要があります。固溶温度は900℃～950℃です。
6) 析出硬化処理
析出硬化処理は、焼き戻し温度範囲内で行われる分散強化処理であり、人工時効とも呼ばれます。析出硬化処理の本質は、高温で炭化物、窒化物、金属間化合物、その他の不安定な中間相が過飽和固溶体から析出し、マトリックス中に分散することで、鋳鋼の機械的特性と硬度が総合的に向上することです。
時効処理の温度は、鋳鋼の最終性能に直接影響します。時効温度が低すぎると、析出硬化相の析出が遅くなります。時効温度が高すぎると析出相の蓄積により過時効が発生し、最高の性能が得られません。したがって、鋳造工場は、鋳鋼のグレードと鋳鋼の指定された性能に応じて、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的に550℃～850℃です。高強度析出硬化型鋳鋼の時効温度は一般的に500℃です。
7) ストレス緩和治療
歪取り熱処理の目的は、鋳造応力、焼入れ応力、機械加工により生じた応力を除去し、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 低い温度に加熱され、その後一定時間保持され、最後に炉で冷却されます。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が可能です。
4. 鋳鋼の特性に及ぼす熱処理の影響
化学組成や鋳造プロセスに応じた鋳鋼の性能に加えて、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、鋳物の重量を軽減し、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。鋳造工場は、以下の特性に加えて、鋼鋳物を熱処理する際の加工手順、切削性能、鋳物の使用要件などの要素も考慮する必要があります。
1) 熱処理が鋳物の強度に及ぼす影響
同じ鋳鋼組成の条件下では、異なる熱処理工程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、炭素鋼鋳物および低合金鋼鋳物の引張強さは、熱処理後に 414 MPa ～ 1724 MPa に達することがあります。
2) 鋳鋼の塑性に対する熱処理の影響
鋼鋳物の鋳放し組織は粗く、塑性が低い。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。特に鋳鋼品の焼入れ焼戻し処理（焼入れ＋高温焼戻し）後の塑性は著しく向上します。
3) 鋳鋼品の靭性
鋳鋼の靭性指数は、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、顧客が要求する総合的な機械的特性を達成するために、鋳造工場は適切な熱処理プロセスを選択するために総合的な考慮を行う必要があります。
4) 鋳物の硬さに及ぼす熱処理の影響
鋳鋼の焼入性が同じであれば、熱処理後の鋳鋼の硬さは鋳鋼の強度をほぼ反映することができる。したがって、硬さは熱処理後の鋳鋼の性能を評価するための直感的な指標として使用できます。一般に、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。
投稿時間: 2021 年 7 月 12 日