金属熱処理

一般に、工業用部品には強度やさまざまな特性が求められます。特に航空宇宙産業や軍事産業では、コンポーネントの性能に対する非常に厳しい要件があります。そのため、金属印刷後の熱処理は必須の工程となります。

しかし、熱処理の前にいくつかの重要な準備がまだあります。パーツを印刷すると、パーツに大量の粉が付着します。部品を取り出して熱処理炉に入れる前に、部品に付着した粉体をできるだけ除去してください。まず、材料費の節約になります。次に、部品に内部流路構造があり、流路が狭すぎる場合、粉末を洗浄しないと流路閉塞が発生する可能性があります。

熱処理は、固体金属または合金を適切な方法で加熱、絶縁、冷却して、目的の微細構造を得るプロセスです。したがって、熱処理のプロセスは、加熱、断熱、冷却の 3 段階で実行されます。熱処理の種類に関わらず、加熱温度、保持時間、冷却速度の違いにより3段階に分かれています。

熱処理工程の特徴は、金属部品の外形寸法は変化させず、材料の内部構造や部品の性能のみを変化させることです。

一般的な熱処理には、焼きなまし、焼きならし、焼き入れ、焼き戻しが含まれます。以下に鉄鋼を例に詳しく説明します。

鋼の熱処理の目的は、材料の微細構造の特定の欠陥を除去すること、そしてより重要なことに、鋼の性能を改善および強化してその可能性を最大限に引き出すことです。これは製品の品質を向上させ、寿命を延ばす上で非常に重要です。

1、アニーリング

アニーリングは、金属または合金のワークピースを適切な温度 (材料が構造変化を起こす温度である臨界温度以上または以下) に加熱し、一定時間保持した後、熱処理プロセスです。ゆっくりと冷却されます（つまり、炉内で冷却されるか、熱伝導率の低い媒体に埋められます）。アニーリングプロセスの特徴は、長い保持時間、ゆっくりとした冷却、およびバランスの取れた微細構造を得ることができることです。

鋼の焼きなましの主な目的は、組織を微細化し、性能を向上させ、硬度を下げ、切削加工を容易にすることです。内部ストレスを排除します。靭性を向上させ、寸法を安定させます。鋼の組織と組成を均一にする。また、将来の熱処理プロセスに向けて組織を準備するためにも使用できます。焼鈍には目的に応じて完全焼鈍、球状化焼鈍、歪取り焼鈍などの種類があります。

焼きなましは、将来の切断や焼き入れの準備を容易にするために、製造プロセス中に鋳造、鍛造、溶接部品に対して実行されることがよくあります。

 

2、正規化

鋼部品を臨界温度より30～50℃高い温度に加熱し、適切な時間保持した後、静止空気中で冷却する熱処理プロセスを焼きならしと呼びます。正規化の主な目的は、組織を微細化し、鋼の特性を改善し、平衡に近い組織を得ることです。

 

焼きならしプロセスと焼きなましプロセスの主な違いは、焼きならしの冷却速度がわずかに速いため、焼きならし熱処理の生産サイクルが短くなる点です。アニーリングと焼きならしが部品の性能要件を満たすことができる場合は、可能な限り焼きならしを使用することをお勧めします。ほとんどの中低炭素鋼ビレットには、通常、焼きならし熱処理が施されます。一般的な合金鋼ビレットには焼鈍がよく行われます。焼きならしを行うと冷却速度が速いため、焼きならし後の硬度が高くなり、切削加工には適しません。

 

3、焼入れ

鋼部品を臨界点以上の一定温度（45鋼の焼き入れ温度は840～860℃、炭素工具鋼の焼き入れ温度は760～780℃）に加熱し、一定時間保持する熱処理工程。その後、適切な速度で冷却してマルテンサイトまたはベイナイト組織を得ることが焼き入れと呼ばれます。

プロセスに関する焼き入れ、焼きなまし、および焼きならし処理の主な違いは、マルテンサイト構造を取得することを目的とした速い冷却速度です。つまり、マルテンサイト組織を得るには、鋼の冷却速度がその臨界速度より大きくなければなりません。臨界速度は、マルテンサイト構造を得るために必要な最小冷却速度を指します。臨界冷却速度は鋼の種類によって異なりますが、一般に炭素鋼の方が合金鋼よりも臨界冷却速度が高くなります。そのため、炭素鋼は加熱後に水で冷却する必要がありますが、合金鋼は油で冷却する必要があります。冷却速度が臨界冷却速度よりも遅いと、マルテンサイト組織が得られない。ただし、冷却速度が速すぎると、鋼材の内部応力が増加し、鋼材の変形や亀裂の原因になります。

 

4、焼き戻し

鋼部品を焼き入れし、臨界温度以下に加熱し、一定時間保持した後、室温まで冷却する熱処理プロセスを焼き戻しといいます。

焼き入れされた鋼部品は通常、そのままでは使用できないため、使用前に焼き戻しを行う必要があります。焼入れ鋼は硬度が高く脆いため、そのまま使用すると脆性破壊が発生することがよくあります。焼き戻しにより、内部応力を除去または軽減し、脆性を軽減し、靭性を向上させることができます。一方、焼き入れ鋼の機械的特性は、鋼の使用性能を達成するために調整できます。焼き戻し温度の違いにより、低温焼き戻し、中温焼き戻し、高温焼き戻しの3種類に分けられます。

(1) 低温焼戻し

焼き入れした鋼部品を250℃以下で焼き戻すことを低温焼き戻しといいます。低温焼戻しは主に内部応力を除去し、鋼の脆性を軽減するために使用されます。

(2)中温焼戻し

焼き入れ鋼部品を250℃から500℃の間で焼き戻すことを中温焼き戻しといい、良好な弾性が得られます。

(3) 高温焼戻し

焼き入れした鋼部品を500℃以上で焼き戻すことを高温焼き戻しといいます。高温焼入れ後、焼入れされた鋼部品は優れた総合的な機械的特性を備えます。焼入れと高温焼戻しを焼入れ焼戻し処理といいます。