炭素鋼部品

簡単な説明：

炭素鋼という用語は、ステンレス鋼ではない鋼を指す場合もあります。この用途では、炭素鋼には合金鋼が含まれる場合があります。高炭素鋼には、フライス盤、切削工具 (ノミなど)、高強度ワイヤーなど、さまざまな用途があります。

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炭素鋼部品の導入

炭素鋼は、炭素含有量が重量で約 0.05 ～ 3.8 パーセントの鋼です。米国鉄鋼協会 (AISI) による炭素鋼の定義では、次のように述べられています。
1. 所望の合金効果を得るために添加されるクロム、コバルト、モリブデン、ニッケル、ニオブ、チタン、タングステン、バナジウム、ジルコニウム、またはその他の元素については、最小含有量が指定または要求されていません。
2. 銅の指定最小値は 0.40 パーセントを超えません。
3. または、以下の元素のいずれかについて指定された最大含有量が、記載されたパーセンテージを超えないこと。マンガン 1.65 パーセント。シリコン0.60パーセント。銅0.60パーセント。
炭素鋼という用語は、ステンレス鋼ではない鋼を指す場合もあります。この用途では、炭素鋼には合金鋼が含まれる場合があります。高炭素鋼には、フライス盤、切削工具 (ノミなど)、高強度ワイヤーなど、さまざまな用途があります。これらの用途では、靭性を向上させる、より微細な微細構造が必要です。

炭素鋼部品の熱処理

炭素含有率が増加すると、鋼は熱処理によってより硬く、より強くなる能力を持ちます。ただし、延性は低くなります。熱処理に関係なく、炭素含有量が高くなると溶接性が低下します。炭素鋼では、炭素含有量が増えると融点が下がります。

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、鋼は中程度から低速で焼入れ（熱が引き出され）、炭素がオーステナイトから拡散して鉄炭化物（セメンタイト）を形成してフェライトが残るか、または高速で焼入れされ、鉄内に炭素が捕捉されてマルテンサイトが形成されます。。鋼が共析温度 (約 727 °C) 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が微細に分散して粒度の細かいパーライトが生成され、ゆっくり冷却すると粗大なパーライトが生成します。亜共析鋼 (0.77 wt% C 未満) を冷却すると、間にα-フェライト (ほぼ純鉄) を挟んだ炭化鉄層の層状パーライト構造が形成されます。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、粒界にセメンタイトの小さな粒子 (パーライトラメラよりも大きい) が形成されます。共析鋼 (0.77% 炭素) は粒子全体にパーライト構造を持ち、境界にセメンタイトはありません。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。

炭素鋼部品と合金鋼部品

合金鋼は、機械的特性を向上させるために、重量の合計 1.0% ～ 50% のさまざまな元素を合金化した鋼です。合金鋼は、低合金鋼と高合金鋼の 2 つのグループに分類されます。両者の違いについては議論がある。Smith と Hashemi はその差を 4.0% と定義し、Degarmo らはその差を 8.0% と定義しています。最も一般的には、「合金鋼」という語句は低合金鋼を指します。

厳密に言えば、すべての鋼は合金ですが、すべての鋼が「合金鋼」と呼ばれるわけではありません。最も単純な鋼は、鉄 (Fe) と炭素 (C) (種類によって約 0.1% ～ 1%) の合金です。ただし、「合金鋼」という用語は、炭素に加えて他の合金元素が意図的に添加された鋼を指す標準用語です。一般的な合金剤には、マンガン (最も一般的な合金)、ニッケル、クロム、モリブデン、バナジウム、シリコン、ホウ素などがあります。あまり一般的ではない合金には、アルミニウム、コバルト、銅、セリウム、ニオブ、チタン、タングステン、スズ、亜鉛、鉛、ジルコニウムなどがあります。

合金鋼では（炭素鋼と比較して）強度、硬度、靱性、耐摩耗性、耐食性、焼入れ性、熱間硬度など、さまざまな特性が向上しています。これらの改善された特性の一部を達成するには、金属の熱処理が必要な場合があります。

これらの一部は、ジェットエンジンのタービンブレードや原子炉など、特殊で要求の高い用途に使用されています。鉄の強磁性特性により、一部の鋼合金は、電気モーターや変圧器など、磁気に対する応答が非常に重要な用途に使用されています。

炭素鋼部品の熱処理

球状化
球状晶は、炭素鋼を約 700 °C で 30 時間以上加熱すると形成されます。球状晶石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。

完全焼鈍
炭素鋼は、Ac3 または Acm を超える約 40 °C まで 1 時間加熱されます。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、鋼は 1 時間あたり 20 °C (36 °F) の範囲でゆっくりと冷却する必要があります。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、粗大なパーライト構造が得られます。これは、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。

プロセスアニーリング
C が 0.3% 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 ～ 650 °C で 1 時間加熱されますが、場合によっては 700 °C に達することもあります。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。

等温アニーリング
亜共析鋼を上部臨界温度以上に加熱するプロセスです。この温度はしばらく維持された後、下限臨界温度未満に低下し、再び維持されます。次いで、それを室温まで冷却する。この方法により、温度勾配が排除されます。

正規化
炭素鋼は、Ac3 または Acm を超える約 55 °C まで 1 時間加熱されます。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、その冷却速度は毎分約 38 °C (100 °F) です。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。

焼入れ
少なくとも 0.4 wt% の C を含む炭素鋼は、正規化温度まで加熱され、その後、水、ブライン、または油中で臨界温度まで急速に冷却 (急冷) されます。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。多くの内部応力を伴う、正しくは体心正方晶 (BCT) と呼ばれる、変形した体心立方晶 (BCC) 結晶構造に過飽和の炭素含有量を有する鋼の一種です。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ます。これらの内部応力により、表面にストレスクラックが発生する場合があります。焼き入れ鋼は焼きならし鋼の約 3 倍 (炭素が多いと 4 倍) 硬くなります。

マルテンパリング（マル焼き）
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、通常は溶融塩浴中で、「マルテンサイト開始温度」のすぐ上の温度で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。部品の内部温度と外部温度が等しくなるまで、鋼材をこの溶液中に保持します。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。

テンパリング
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
オーステンパ処理プロセスは、焼き入れが中断され、鋼が 205 °C ～ 540 °C の温度の溶融塩浴に保持され、その後適度な速度で冷却されることを除いて、マルテンパ処理と同じです。得られるベイナイトと呼ばれる鋼は、マルテンサイト鋼よりも優れた強度 (ただしマルテンサイトより低い)、優れた延性、高い耐衝撃性、および低い歪みを備えた針状微細構造を鋼内に生成します。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。